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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtragen von Material an einem Bauteil mittels einer Laserstrahleinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
DD 295 048 A5 bekannt. Es beschreibt das Abtragen mehrerer Schichten an einem Verbundbauteil mittels einer Laserstrahlquelle, bei dem eine bzw. mehrere unterhalb von abzutragenden Schichten angeordnete Schichten möglichst nicht beschädigt werden sollen bzw. an den zuletzt genannten Schichten kein Materialabtrag erfolgen soll. Dies erfolgt bei dem bekannten Verfahren dadurch, dass das Wellenspektrum des verdampften Materials beobachtet bzw. ausgewertet wird, wobei beim Auftreten einer für das Material einer nicht zu bearbeitenden bzw. zu entfernenden Schicht charakteristischen Wellenlänge das Verfahren gestoppt wird. Nachteilig dabei ist, dass das Erkennen bzw. das Stoppen der Bearbeitung erst dann erfolgen kann, wenn bereits eine eigentlich nicht zu bearbeitende Schicht beschädigt bzw. zumindest geringfügig abgetragen ist.
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Problematisch ist darüber hinaus generell eine Bearbeitung bzw. ein Materialabtrag bei einem aus mehreren Schichten bestehenden Verbundbauteil, bei dem die abzutragende Schicht dieselben bzw. ähnliche Materialeigenschaften aufweist wie die unter der abzutragenden Schicht angeordnete, nicht abzutragende Schicht und/oder eine überlappende Bestrahlung übereinander angeordneter Schichten. Besonders problematisch sind weiterhin derartige Anordnungen an Bauteilen, bei denen beispielsweise die oberste, abzutragende Schicht zum Abtrag des Materials einen wesentlich höheren Energieeintrag erfordert als die unterhalb der abzutragenden Schicht angeordnete, nicht abzutragende Schicht. In diesen Fällen besteht stets die Gefahr, dass beim Materialabtrag der oberen Schicht auch die darunterliegende Schicht beschädigt wird, was insbesondere bei relativ dünnen, nicht abzutragenden Schichten zu einer Funktionsbeeinträchtigung bzw. einer Qualitätsverschlechterung des Bauteils führen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Abtragen von Material an einem Bauteil mittels einer Laserstrahleinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass eine Beschädigung bzw. ein Materialabtrag einer Schicht, die unterhalb einer abzutragenden Schicht angeordnet ist, sicher vermieden wird. Dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs dadurch gelöst, dass durch Einbringen wenigstens eines Zusatzstoffes in das abzutragende Material des Bauteils die Resonanzwellenlänge (bzw. Resonanzfrequenz) des Materials zumindest in Richtung der Grundwellenlänge oder einer der charakteristischen harmonischen Wellenlängen des Laserstrahls der Laserstrahleinrichtung verschoben wird. Vorzugsweise wird die Konzentration des Zusatzstoffes so gewählt, dass die Resonanzwellenlänge des abzutragenden Materials der Grundwellenlänge oder einer der charakteristischen harmonischen Wellenlängen des Laserstrahls entspricht. Die Erfindung macht sich dabei die Idee zunutze, dass der höchste Absorptionsgrad der Laserstrahlung in einem abzutragenden Material im Falle einer resonanten Anregung des abzutragenden Materials erzielt wird. Das bedeutet, dass gegenüber dem Stand der Technik die in eine abzutragende Schicht einzubringende Laserstrahlenergie verringert bzw. die Zeitdauer der Bestrahlung verkürzt werden kann, wenn es gelingt, während der Einwirkung des Laserstrahls das abzutragende Material in Resonanz mit einer charakteristischen Frequenz bzw. Wellenlänge der Laserstrahlquelle bzw. des Laserstrahls zu bringen. Die Resonanzfrequenz, insbesondere in Metallen auch Plasmafrequenz genannt, wird maßgeblich durch die mittlere freie Weglänge und somit die Stosszeit für die Leitungselektronen bestimmt. Die Verschiebung der Plasmafrequenz in der abzutragenden Materialschicht wird erfindungsgemäß durch das erfindungsgemäße Einbringen des wenigstens einen Zusatzstoffes in das abzutragende Material erzielt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abtragen von Material an einem Bauteil mittels einer Laserstrahleinrichtung sind in den Unteransprüchen aufgeführt. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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Besonders bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem die Resonanzwellenlänge des abzutragenden Materials in Richtung zur nächstliegenden, charakteristischen Wellenlänge des Laserstrahls verschoben wird. Dadurch wird die Menge der benötigten Zusatzstoffe minimiert, so dass die Eigenschaften des ursprünglich verwendeten Grundmaterials relativ wenig beeinflusst bzw. verändert werden. Durch die Verwendung einer minimalen Menge an Zusatzstoffen werden darüber hinaus die Zusatzkosten durch die Modifikation der abzutragenden Schicht relativ gering gehalten und es kann insbesondere dieselbe Schichtdicke verwendet werden, ohne dass es dadurch zu Funktionsbeeinträchtigungen in den Bereichen der abzutragenden Schicht kommt, die nicht von der Laserstrahlquelle behandelt wird.
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Für die Beeinflussung der Wellenlänge des abzutragenden Materials durch den Zusatzstoff stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Eine Möglichkeit sieht vor, zumindest einen Zusatzstoff in das Grundmaterial der abzutragenden Schicht beizumengen. Es ist jedoch auch möglich, das Grundmaterial mittels einer den Zusatzstoff enthaltenden Legierung zu versehen, das Grundmaterial mit dem Zusatzstoff zu beschichten, den Zusatzstoff in das Grundmaterial einzudiffundieren oder durch Bedampfen mit dem Zusatzstoff das Grundmaterial in gewünschter Art und Weise zu beeinflussen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es somit, die Laserstrahlleistung zum Abtragen des Materials gegenüber dem Stand der Technik herabzusetzen, wodurch insbesondere unterhalb der abzutragenden Schicht angeordnete, empfindliche Schichten nicht beschädigt werden bzw. an diesen Schichten kein Materialabtrag erfolgt. Alternativ ist es auch möglich, mit gegenüber dem Stand der Technik gleicher Laserstrahlleistung das Areal des Bauteils, in dem der Materialabtrag erfolgen soll, mit einer gegenüber dem Stand der Technik verringerten Zeitdauer zu bestrahlen. Das bedeutet in der Praxis, bei dem im Serieneinsatz gleichartige Bauteile mittels einer Laserstrahleinrichtung beispielsweise im
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Durchlaufverfahren bearbeitet werden, dass die Anzahl der zu bearbeitenden Bauteile in einer bestimmten Zeitspanne vergrößert wird, so dass sich die Leistung bzw. die Ausbringung einer Bearbeitungsanlage vergrößert.
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Im einfachsten Fall ist das Bauteil ein aus mehreren Schichten aufgebautes Verbundbauteil, wobei lediglich die der Laserstrahlquelle zugewandte, oberste Schicht des Verbundbauteils mit dem Zusatzstoff behandelt wird. Es sind jedoch auch Anwendungsfälle denkbar, bei denen das Bauteil ein aus mehreren Schichten aufgebautes Verbundbauteil ist, und wobei wenigstens mehrere, oberhalb einer nicht abzutragenden Schicht angeordnete Schichten abgetragen werden sollen. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn ein Bauteil drei, übereinander angeordnete Schichten aufweist, von denen die beiden oberen Schichten in einem bestimmten Areal abgetragen werden sollen, während die unterste Schicht unbearbeitet bleiben soll. Bei den zuletzt genannten Verfahren, bei denen mehrere Schichten mit entsprechenden Zusatzstoffen versehen werden, kann es vorgesehen sein, dass jede der Schichten mit einem unterschiedlichen Zusatzstoff behandelt wird. Diese Behandlung der Schichten mit unterschiedlichen Zusatzstoffen kann bewirken, dass die mit den Zusatzstoffen versehenen unterschiedlichen Schichten entweder in Richtung der gleichen harmonischen Wellenlänge, oder aber in Richtung von unterschiedlichen harmonischen Wellenlängen der Laserstrahleinrichtung beeinflusst werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren findet insbesondere Verwendung zum Materialabtrag der obersten, elektrisch leitenden Schicht bei einem aus mehreren Schichten bestehenden Verbundbauteil, insbesondere bei einer Solarzelle.
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Ein Verbundbauteil, das dazu geeignet ist, mittels einer Laserstrahleinrichtung derart bearbeitet zu werden, dass lediglich bestimmte Schichten abgetragen werden, während andere, nicht abzutragende Schichten in ihrer Schichtdicke bzw. Zusammensetzung nicht beeinflusst bzw. bearbeitet werden zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine einen Zusatzstoff enthaltende Schicht vorhanden ist, wobei der Zusatzstoff die Resonanzfrequenz der abzutragenden Schicht zumindest in Richtung einer charakteristischen Wellenlänge einer Laserstrahlquelle verschiebt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 eine Anordnung zum Abtragen zweier Materialschichten an einem Verbundbauteil mittels einer Laserstrahleinrichtung in vereinfachter, teilweise geschnittener Seitenansicht und
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2 eine relative Absorptionskurve für Silber über der Wellenlänge mit Markierungen der Grundwellenlänge sowie harmonischer Wellenquellen einer Yb:YAG-Laserstahleinrichtung.
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In der 1 ist eine Anordnung 100 zum Abtragen von Material an einem Verbundbauteil 10 dargestellt. Die Anordnung 100 umfasst eine Laserstrahleinrichtung 1, vorzugsweise eine Yb:YAG-Laserstrahleinrichtung 1, die einen Laserstrahl 2 erzeugt, der vorzugsweise zumindest nährungsweise senkrecht zur Oberfläche des Verbundbauteils 10 ausgerichtet ist bzw. senkrecht auf dieses auftrifft. Nicht dargestellte Positioniermittel entweder an dem Verbundbauteil 10 oder an der Laserstrahleinrichtung 1 bzw. eine verstellbare optische Einrichtung ermöglichen es, den Laserstrahl 2 parallel zur Bauteiloberfläche des Verbundbauteils 1 zu bewegen. Anstelle einer Yb:YAG-Laserstrahleinrichtung 1 liegt es auch im Rahmen der Erfindung, eine andere gängige Laserstrahleinrichtung 1 vorzusehen, beispielsweise eine Nd:YAG-Laserstrahleinrichtung 1 oder eine Ti:Sa-Laserstrahleinrichtung 1.
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Das Verbundbauteil 10 umfasst beispielhaft drei Schichten 11 bis 13. Selbstverständlich liegt es im Rahmen der Erfindung, dass das Verbundbauteil 10 auch mehr als drei Schichten 11 bis 13 oder nur zwei Schichten 11 und 12 oder 11 und 13 aufweist. Weiterhin wird erwähnt, dass in dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel die drei Schichten 11 bis 13 jeweils in etwa die gleiche Schichtdicke aufweisen. In der Praxis weisen die drei Schichten 11 bis 13 typischerweise jedoch unterschiedliche Schichtdicken auf. Die Darstellung gleicher Schichtdicken für die Schichten 11 bis 13 wurde lediglich der einfacheren Darstellung halber gewählt.
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Die erste, unterste Schicht 11, die auf der der Laserstrahleinrichtung 1 bzw. dem Laserstrahl 2 abgewandten Seite des Verbundbauteils 10 angeordnet ist, bildet beispielsweise eine Trägerschicht aus, die durch die Bearbeitung mittels des Laserstrahls 2 nicht beschädigt bzw. in ihrer Schichtdicke beeinflusst werden soll. Die erste Schicht 11 besteht beispielsweise aus Glas oder Silizium. Oberhalb der ersten Schicht 11 befinden sich die beiden Schichten 12 und 13, wobei in einem gemeinsamen Areal 15 der beiden Schichten 12, 13 das Material der beiden Schichten 12, 13 durch Verdampfen mittels des Laserstrahls 2 örtlich begrenzt abgetragen werden soll. Dadurch lassen sich beispielsweise im Falle einer elektrisch leitenden Schicht 13 Anbindungsbereiche für elektrische Kontaktelemente ausbilden, die der elektrischen Kontaktierung des Verbundbauteils 10 dienen. Die dritte, oberste Schicht 13 besteht daher beispielweise, jedoch nicht einschränkend, aus Silber mit einer Schichtdicke zwischen 0,1µm und 1000µm. Die zweite, mittlere Schicht besteht vorzugsweise aus einem Metall, beispielsweise Gold, mit einer Schichtdicke zwischen 0,1µm und 1000µm.
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In der 2 ist die relative Absorptionskurve für Silber, stellvertretend für das Material der dritten Schicht 13, dargestellt. Gleichzeitig sind Markierungen 16 bis 18 (senkrechte Linien) bezüglich der Grundwellenlänge der Laserstrahleinrichtung 1 (Yb:YAG-Laser) im Bereich von 1030nm sowie der zweiten und dritten harmonischen Wellenlänge der Laserstrahleinrichtung 1 im Bereich von 515nm und 343nm eingezeichnet. Diese n-ten harmonischen Wellenlängen können in einer Laserstrahleinrichtung 1 mit bekannten Mitteln relativ einfach erzeugt werden und werden erfindungsgemäß genutzt. Insbesondere erkennt man, dass die Absorptionskurve für Silber ihr Maximum bei etwa 315nm aufweist. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass bei einer Wellenlänge von 315nm ein Maximum hinsichtlich der in Silber absorbierten Energiemenge der Laserstrahlquelle 1 erzielt wird. Bei einer Wellenlänge von 315nm werden gemäß 2 mehr als 90% der von dem Laserstrahl 2 in Silber eingebrachten Energie in Wärme umgewandelt, so dass bei der Wellenlänge von 315nm die höchste Effektivität bezüglich des Materialabtrags bei einer bestimmten Energiemenge der Laserstrahleinrichtung 1 gegeben ist. Dieser Effekt wird erfindungsgemäß ausgenutzt, indem es vorgesehen ist, insbesondere die oberste Schicht 13, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit zwei Schichten 12, 13, in denen ein Materialabtrag erfolgen soll, an beiden Schichten 12 und 13 das (Grund-)Material der Schichten 12 und 13 durch einen Zusatzstoff 20, 21 zu ergänzen.
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Dieser Zusatzstoff 20, 21, der in der 1 der Einfachheit halber jeweils in Form von Partikeln dargestellt ist, bewirkt im Falle der Schicht 13, für die beispielhaft angenommen wird, dass diese aus Silber besteht, dass die Resonanzfrequenz der Schicht 13 (bei reinem Silber) von 315nm in Richtung zur dritten harmonischen Wellenlänge (Markierung 18), d.h. in Richtung von 343nm hin verschoben wird. Im Idealfall findet die Verschiebung der Resonanzfrequenz der Schicht 13 möglichst genau auf die dritte harmonische Wellenlänge statt.
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Als mögliche Zusatzstoffe 20, 21 zur Verwendung bei den Schichten 12 und 13 kommen beispielsweise Silizium, Kohlenstoff oder Sauerstoff in Frage. Die Menge des Zusatzstoffes 20, 21 hängt ab von dessen Materialeigenschaften (in Bezug auf das Grundmaterial der zu beeinflussenden Schicht 12, 13) sowie von der Art und Weise, wie der Zusatzstoff 20, 21 in die Schicht 12, 13 eingebracht wird. So ist es beispielsweise möglich, den Zusatzstoff 20, 21 bei der Herstellung der Stoffe, die zur Ausbildung der Schichten 12, 13 dienen, beizumengen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Zusatzstoff 20, 21 in Form einer Legierung in der Schicht 12, 13 zu verwenden. Auch ist es denkbar, den Zusatzstoff 20, 21 durch Eindiffundieren in die Schicht 12, 13 der Schicht 12, 13 zuzuführen. Beispielhaft sind Mengen des Zusatzstoffs 20, 21 zwischen 0,1% (Vol.) und 50% (Vol.) des Grundmaterials möglich.
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Wenn die Schichten 12, 13 aus unterschiedlichen Materialen bestehen, ist es selbstverständlich vorzugsweise vorgesehen, unterschiedliche Zusatzstoffe 20, 21 für die Schichten 12, 13 vorzusehen. Auch können die unterschiedlichen Zusatzstoffe 20, 21 bewirken, dass die Schichten 12, 13 (abhängig vom verwendeten Grundmaterial) die Resonanzfrequenz der Schicht 12, 13 in Richtung zu unterschiedlichen charakteristischen Wellenlängen der Laserstrahleinrichtung 1 hin verschieben.
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Die Erfindung findet bevorzugt Verwendung bei Verbundbauteilen 10, bei denen die oberste Schicht 13 als leitende Schicht ausgebildet ist. Beispielhaft sind hier Solarzellen genannt, deren oberste Schicht 13 an örtlich begrenzten Bereichen elektrisch kontaktierend werden soll. In diesem Fall besteht beispielsweise die zweite Schicht 12, die nicht abgetragen wird, aus CIGS(Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid).
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Der Einsatz der Erfindung ist selbstverständlich jedoch nicht auf Solarzellen beschränkt, sondern findet generell bei Mehrschichtbauteilen wie Halbleiterbauelementen oder ähnlichem Verwendung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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