DE102009016125A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bearbeitung, insbesondere zur Trennung, von Werkstücken - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung umfaßt Verfahren und Vorrichtungen zum Bearbeiten, insbesondere zum Trennen von Teilen von Werkstücken, bei welchen von einem Werkstück mittels Strahlung, insbesondere mittels Laserstrahlung, zumindest ein Teil abgetrennt wird, und bei welchen die Strahlung in einer Wechselwirkungszone auf das Werkstück so einwirkt, dass Bereiche des Werkstücks abgetragen, in deren Form verändert und/oder abgetrennt werden, bei welchem Intensität von Licht aus der Wechselwirkungszone und/oder deren Nachbarschaft empfangen und mit einem photoelektrischen Sensor in elektrische Signale gewandelt werden, und bei welchen unter Verwendung der elektrischen Signale ermittelt wird, wann der Bearbeitungsvorgang zu beenden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Bearbeitung und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zur Trennung von Werkstücken.
  • Zur Herstellung von Silizium Wafern nach dem EFG Verfahren (Edge-defined film-fed growth) für photovoltaische Anwendungen wird das vorbereitete Silizium Ausgangsmaterial aufgeschmolzen und in einem Ziehverfahren zu einem 12-eckigem Rohr gezogen Siehe 1. Die benötigten Wafergeometrien werden in einem anschließenden Fertigungsschritt mittels einer Laserschneidanlage aus dem Rohr herausgeschnitten. Um den Wafer schonend aus dem Rohr zu trennen, werden die Schneidbahnen vom Laserstrahl mehrfach durchlaufen. Siehe 2 und 3. Die Anzahl der Durchläufe wird Zykluszahl genannt und ist in der Anlagenparametrierung hinterlegt.
  • Die Zykluszahl muss so gewählt werden, dass der Wafer immer sicher ausgeschnitten wird. Die benötigte Zykluszahl ist neben anderer Parameter im Wesentlichen von der Materialstärke des EFG Rohres abhängig, die unter Umständen von Seite zu Seite des Rohres sowie ebenfalls über die Länge des Rohres variiert. Als Konsequenz einer konservativen Parametrierung werden Zyklen mehrfach durchlaufen obwohl der Wafer bereits vollständig vom EFG Rohr getrennt wurde.
  • Der Vorteil und Nutzen des hier vorgestellten Verfahrens liegt zu einem wesentlichen Teil in der Einsparung von Prozesszeit. Siehe beispielsweise 7, 8, 9, 10 und 11. Die bisher fest eingestellt Anzahl von Schneidzyklen führte bisher dazu, dass je nach Materialstärke unnötig Prozesszeit vergeudet wurde da die Schneidanlage unter Umständen mehrfach den bereits durchtrennten Kanal durchfahren musste.
  • Das hier vorgestellte Verfahren ermittelt für jeden Schnitt die notwendige Anzahl Schneidzyklen dynamisch und generiert ein Signal an die übergeordnete Steuerung, die dann den Schneidvorgang entsprechend beenden kann. Siehe 3, 4, 5, 6 und 9.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen detaillierter beschrieben.
  • Es zeigen:
  • 1 einen nach dem EFG Verfahren (Edge-defined film-fed growth) hergestellten und zu einem 12-eckigen Rohr gezogenen Silizium-Wafer für photovoltaische Anwendungen sowie zwei von diesem anbgetrennte Silizium-Scheiben, in einer Ansicht schräg von unten,
  • 2 eine schematisierte Darstellung des Verlaufs des zyklischen Trennvorgangs, bei welchem ein Laserstrahl zum Abtrennen zumindest eines Silizium-Wafers aus dem 12-eckigen Rohr mehrfach entlang der Trennlinie entlang geführt wird,
  • 3 eine schematisierte Darstellung einer Schneidanlage zur Bearbeitung eines nach dem EFG Verfahren (Edge-defined film-fed growth) hergestellten und zu einem 12-eckigen Rohr gezogenen Silizium-Wafers im Betriebszustand mit deren Hauptbestandteilen,
  • 4 eine schematiserte Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Moduls mit einem ersten Meßaufbau zur Erfassung des während eines Schneidzyklus von einem photoelektrischen Sensor erhaltenen elektrischen Signals, welches Intensität von Licht aus der Wechselwirkungszone des Laserstrahls mit dem Siliziumwafer und/oder deren Nachbarschaft zugeordnet ist,
  • 5 eine schematiserte Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Moduls mit einem zweiten Meßaufbau zur Erfassung des während eines Schneidzyklus von einem photoelektrischen Sensor erhaltenen elektrischen Signals,
  • 6 eine schematiserte Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Moduls mit einem ersten Meßaufbau zur Erfassung des während eines Schneidzyklus von einem photoelektrischen Sensor erhaltenen elektrischen Signals,
  • 7 eine Aufzeichnung des während eines Schneidzyklus von dem photoelektrischen Sensor erhaltenen elektrischen Signals als Funktion der Zeit bzw. als Funktion der Bildnummer einer bildgebenden Aufzeichnungsvorrichtung mit im Wesentlichen zeitlich konstanter Bildfolgefrequenz,
  • 8 eine Aufzeichnung des während mehrerer Schneidzyklen von dem photoelektrischen Sensor erhaltenen elektrischen Signals als Funktion der Zeit bzw. als Funktion der Bildnummer einer bildgebenden Aufzeichnungsvorrichtung mit im Wesentlichen zeitlich konstanter Bildfolgefrequenz,
  • 9 die Darstellung einer Versuchsreihe zur Schnittzeitoptimierung, in welcher die jeweils benötigte Schnittzeit bis zur vollständigen Abtrennung einer Silizium-Scheibe von einem zu einem 12-eckigen Rohr gezogenen Silizium-Wafer für herkömmliche Trennverfahren und für ein erfindungsgemäßes Trennverfahren für etwa 100 Trennvorgänge angegeben ist, (bereits hier zeigt sich deutlich, dass nur erfindungsgemäß optimiert werden kann, da die Streuung jeweils sehr hoch ist)
  • 10 eine Aufzeichnung des während drei Schneidzyklen von dem photoelektrischen Sensor erhaltenen elektrischen Signals als Funktion der Zeit bzw. als Funktion der Bildnummer einer bildgebenden Aufzeichnungsvorrichtung mit im Wesentlichen zeitlich konstanter Bildfolgefrequenz für einen erfindungsgemäß schnittzeitoptimierten Trennvorgang,
  • 11 das der Intensität zugeordnete Ausgangssignal von bildgebenden Kamerasystemen mit hohem Dynamikumfang
  • 12 eine Aufzeichnung des während mehrerer Schneidzyklen von dem über die in 8 dargestellte Kennlinie verfügenden Kamerasystems erhaltenen elektrischen Signals als Funktion der Zeit bzw. als Funktion der Bildnummer.
  • Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
  • Zum besseren Verständnis der Erfindung werden die nachfolgenden Definitionen vorgenommen.
  • Strahlung ist die auf das Werkstück einwirkende Bearbeitungsstrahlung, z. B. die Laserstrahlung; Licht hingegen bezeichnet das aus der Bearbeitungszone stammende und detektierbare Licht. Hierdurch wird eine Entkopplung der gemessenen Wellenlängen von den Wellenlängen der Bearbeitungsstrahlung erreicht, um auch spektral versetzte Emissionen, Sekundäremissionen, thermische Strahlung und evtl. weitere durch Wechselwirkung entstehende Emissionen für die Zwecke der vorliegenden Erfindung nicht auszuschließen.
  • Die Begriffe „abgetragen” oder „in deren Form verändert” sollen insbesondere das Verdampfen, chemische Reagieren, wie Oxidieren oder auch Schmelzen, Aufschmelzen, Erzeugen von Rissen oder Bruchlinien umfassen.
  • Eine sicherheitsgerichtete Anlagenüberwachung umfaßt eine Erfassung des Intentiätsverlaufs mit Überprüfung auf Einhaltung vorgegebener Grenzwerte der Intensität des vom Sensor erfassten Lichts.
  • Durch Überwachung auf Einhaltung von Grenzwerten kann die Anlage bei überschreiten von diesen Grenzwerten gestoppt oder definiert in einen Ruhezustand überführt werden, so daß hierdurch sehr wesentliche und wichtige sicherheitsgerichtete Funktionen verwirklicht werden.
  • Zur Herstellung von Silizium Wafern nach dem EFG Verfahren (Edge-defined film-fed growth) für photovoltaische Anwendungen wird das vorbereitete Silizium Ausgangsmaterial aufgeschmolzen und in einem Ziehverfahren zu einem 12-eckigem Rohr gezogen, siehe 1.
  • Die benötigten Wafergeometrien werden in einem anschließenden Fertigungsschritt mittels einer Laserschneidanlage aus dem Rohr herausgeschnitten. Um den Wafer schonend aus dem Rohr zu trennen, werden die Schneidbahnen vom Laserstrahl mehrfach durchlaufen. (2) Die Anzahl der Durchläufe wird Zykluszahl genannt und ist in der Anlagenparametrierung hinterlegt.
  • Die Zykluszahl muss so gewählt werden, dass der Wafer immer sicher ausgeschnitten wird. Die benötigte Zykluszahl ist neben anderer Parameter im Wesentlichen von der Materialstärke des EFG Rohres abhängig, die unter Umständen von Seite zu Seite des Rohres sowie ebenfalls über die Länge des Rohres variiert. Als Konsequenz einer konservativen Parametrierung werden Zyklen mehrfach durchlaufen obwohl der Wafer bereits vollständig vom EFG Rohr getrennt wurde.
  • Das hier vorgestellte Verfahren ermittelt den Zeitpunkt, wann der Wafer tatsächlich aus dem EFG Rohr getrennt wurde. Zu diesem Zweck wird die bei der Laserbearbeitung entstehende Rückreflexion von Laserenergie erfasst und ausgewertet.
  • Das hier geschilderte Verfahren sowie die her geschilderten Vorrichtungen sind auch für nach dem String-Ribbon-Verfahren hergestellte Halbleiterbänder und allgemein auch für Halbleiter-Wafer geeignet.
  • Über einen oder mehrere teildurchlässige Spiegel gelangt ein Teil der zurück reflektierten Laserenergie über einen vom Laserstrahl unabhängigen Strahlengang zur Detektionseinheit. Die Intensität des Lichts der hierin erfassten Laserrückreflexionsstrahlung und gegebenfalls weiteren Lichtes aus der Wechselwirkungszone oder deren Nachbarschaft wird in ein elektronisch auswertbares Signal transformiert. Mit Hilfe einer nachgeschalteten Auswerteelektronik und Auswertesoftware wird der zeitliche Verlauf des Intensitätssignals ausgewertet. Da die Intensität der Laserrückreflexion von der Bearbeitungstiefe abhängig ist, kann auf diese Weise detektiert werden ob sich der Laser noch auf dem zu schneidenden Material oder bereits in einem fertig geschnittenen Kanal befindet. Siehe 7, 8, 10 und 12.
  • Das hier beschriebene Verfahren bzw. die hier beschriebenen Vorrichtungen können auch für andere Elemente der Prozesssteuerung verwendet werden wie z. B. Erkennung von Verschmutzungen im Strahlengang, Beschädigungen der Schneiddüse, Leistungsdegradation der Strahlquelle, Dejustage des Laserstrahls und weiterer Störgrößen.

Claims (26)

  1. Verfahren zum Bearbeiten, insbesondere zum Trennen von Teilen von Werkstücken, bei welchem von einem Werkstück mittels Strahlung, insbesondere mittels Laserstrahlung, zumindest ein Teil abgetrennt wird und bei welchem die Strahlung in einer Wechselwirkungszone auf das Werkstück so einwirkt, dass Bereiche des Werkstücks abgetragen, in deren Form verändert und/oder abgetrennt werden, bei welchem Intensität von Licht aus der Wechselwirkungszone und/oder deren Nachbarschaft empfangen und mit einem photoelektrischen Sensor in elektrische Signale gewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung der elektrischen Signale ermittelt wird, wann der Bearbeitungsvorgang zu beenden ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertung der Intensität, insbesondere der Rückreflexion beim Laserschneiden, zur Prozesszeitverkürzung, insbesondere zur Prozesszeitoptimierung vorgenommen wird, vorzugsweise durch Erkennung eines Signalabschnittes, welcher spezifische Inhalte für den Zustand nach vollständiger Trennung des zumindest einen Teils von dem Werkstück aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifischen Inhalte des Signalabschnittes eine verminderte Intensität aufweisen.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vom photoelektrischen Sensor in elektrische Signale gewandelten Signale, welche im Wesentlichen eine Erfassung der Intensität der Rückreflexion beim Laserschneiden wiedergeben, mittels elektronischer Messumformer umgeformt werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche von 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wandlung der Signals des photoelektrischen Sensors in ein oszillierendes elektrisches Signal vorgenommen wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche von 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifischen Inhalte des Signalabschnittes eine verminderte Fluktuation aufweisen. Definition der Fluktuation im erfindungsgemäßen Sinn ist die erste Ableitung des der zeitlichen Intensität entsprechenden zeitlich veränderlichen elektrischen Signals oder des gewandelten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals nach der Zeit.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht, welches aus der Wechselwirkungszone und/oder deren Nachbarschaft empfangen und mit einem photoelektrischen Sensor in elektrische Signale gewandelt wird, spektral gefiltert wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht, welches aus der Wechselwirkungszone und/oder deren Nachbarschaft empfangen und mit einem photoelektrischen Sensor in elektrische Signale gewandelt wird, vorzugsweise mit einem elektrisch einstell- oder veränderbaren Dämpfungsglied, wie einem verstellbaren Graukeil und/oder einem elektrochromen Element in dessen Intensität vermindert wird.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertung der Intensität der Rückreflexion beim Laserschneiden zur Anlagenüberwachung, insbesondere zur sicherheitsgerichteten Anlagenüberwachung vorgenommen wird.
  10. Verfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche von 1 bis 9, bei welchem von einem Werkstück mittels Strahlung, insbesondere mittels Laserstrahlung, zumindest ein Teil abgetrennt wird, die Strahlung in einer Wechselwirkungszone auf das Werkstück so einwirkt, dass Bereiche des Werkstücks abgetragen, in deren Form verändert und/oder abgetrennt werden, bei welchem Intensität von Licht aus der Wechselwirkungszone und/oder deren Nachbarschaft empfange und mit einem photoelektrischen Sensor in elektrische Signale gewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung der elektrischen Signale ermittelt wird, wann der Bearbeitungsvorgang zu beenden ist, und eine Erfassung der Intensität der Rückreflexion beim Laserschneiden mittels bildgebender Verfahren vorgenommen wird.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Bearbeiten eines in einem EFG-Verfahren hergestellten Halbleiters, von nach dem String-Ribbon-Verfahren hergestellte Halbleiterbänder sowie von Halbleiter-Wafern.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem das Werkstück ein, insbesondere 12-eckiges, Rohr umfasst und Silizium-Wafer aus dem Werkstück definiert herausgetrennt werden.
  13. Modul für eine Vorrichtung, insbesondere für eine Schneidanlage zur Durchführung eines Verfahrens gemäß den Ansprüchen von 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine optische Anordnung, mittels welcher Licht aus der Wechselwirkungszone und/oder der Nachbarschaft eines Werkstücks, welches mittels Strahlung, insbesondere mittels Laserstrahlung, bearbeitbar ist, und bei welchem die Strahlung in einer Wechselwirkungszone geeignet ist, so auf das Werkstück einzuwirken, dass Bereiche des Werkstücks abgetragen, in deren Form verändert und/oder abgetrennt werden, einem photoelektrischen Sensor zugeführt ist, einen photoelektrischen Sensor, mittels welchem die empfangene Intensität des Lichtes in elektrische Signale wandelbar ist, eine Einrichtung zur Verarbeitung der vom photoelektrischen Sensor erhaltenen elektrischen Signale, mittels welcher unter Verwendung der elektrischen Signale ermittelt wird, wann eine vollständige und sichere Durchtrenung des Werkstücks erreicht und der Bearbeitungsvorgang zu beenden ist.
  14. Modul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der photoelektrische Sensor innerhalb der Strahlführung einer Einrichtkamera angeordnet ist.
  15. Modul nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der photoelektrische Sensor an oder in einem bildgebenden Objektiv, insbesondere der Einrichtkamera angeordnet ist.
  16. Modul nach Anspruch, 13, 14 oder 15, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Wandlung der elektrischen Signale des photoelektrischen Sensors in wechselfrequente Signale, inbesondere einen VCO, welcher der durch den Photostrom an einem definierten Widerstand entstehenden Spannung proportionale Frequenzen erzeugt.
  17. Modul nach einem der Ansprüche von 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Einrichtung zur Verarbeitung der vom photoelektrischen Sensor erhaltenen elektrischen Signale, mittels welcher unter Verwendung der elektrischen Signale ermittelt wird, wann der Bearbeitungsvorgang zu beenden ist, ein Signal generiert wird, welches einer speicherprogrammierbaren Steuerung, einer Anlagensteuerung und/oder sicherheitsgerichtenten Anlagenüberwachung zuführbar ist.
  18. Modul nach einem der Ansprüche von 13 bis 17, umfassend ein in Ausbreitungsrichtung des Lichtes vor dem photoelektrischen Sensor angeordnetes spektrales Filter, insbesondere mit einem spektralen Durchlaßbereich, welcher die spektrale Bande eines Emissionsbereichs des zu bearbeitenden Werkstücks beinhaltet.
  19. Modul nach einem der Ansprüche von 13 bis 18, gekennzeichnet durch ein Dämpfungsglied, mittels welchem die Intensität des aus der Wecheslwirkungszone und/oder der Nachbarschaft der Wecheslwirkungszone stammenden Lichtes vermindert, insbesondere definiert vermindert, wird.
  20. Modul nach Anspruch 19, bei welchem das Dämpfungsglied elektrisch einstell- oder veränderbar ist und insbesondere einen motorisch verstellbaren Graukeil, ein elektrochromes Element und/oder einen LCD-Schirm umfaßt.
  21. Modul nach einem der Ansprüche von 13 bis 20, umfassend eine Mattscheibe Kondensoroptik, welche in Ausbreitungsrichtung vor dem photoelektrischen Sensor angeordnet ist.
  22. Modul nach einem der Ansprüche von 13 bis 21 umfassend eine bildgebende Einrichtung.
  23. Vorrichtung, insbesondere Schneidanlage zur Durchführung eines Verfahrens gemäß den Ansprüchen von 1 bis 13, umfassend ein Modul gemäß einem der Ansprüche von 14 bis 21.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Schneidanlage für die Bearbeitung eines, vorzugsweise in einem EFG-Verfahren hergestellten Halbleiters, von nach dem String-Ribbon-Verfahren hergestellte Halbleiterbändern sowie von Halbleiter-Wafern ist.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, mit einer Aufnahme für zu bearbeitende Werkstücke, insbesondere für mehreckige, vorzugsweise 12-eckige, Rohre.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche von 1 bis 12, bei welchem eine kombinatorische Nutzung eines bildgebenden Systems zur Laserjustage bei gleichzeitiger Erfassung der Intensität der Rückreflexion beim Laserschneiden unter Verwendung eines Kamerasystems mit mind. 100 dB Dynamikumfang vorgenommen wird.
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