DE102013204222A1

DE102013204222A1 - Verfahren und system zum bearbeiten eines objekts mit einem laserstrahl

Info

Publication number: DE102013204222A1
Application number: DE102013204222.1A
Authority: DE
Inventors: Stefan Nolte; Gabor Matthäus; Klaus Bergner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2033-03-13
Also published as: DE102013204222B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Objekts (2) mit eifern Laserstrahl (3), bei dem der Laserstrahl (3) mittels eines Laserscanners (4) auf eine Oberfläche (5) des Objekts (2) gerichtet wird und dort einen Laserfleck (6) erzeugt, wobei der Laserstrahl (3) um eine momentane Mittellage (M) des Laserstrahls (3) oszilliert und wobei außerdem eine relative Ausrichtung der momentanen Mittellage (M) des Laserstrahls (3) zur Oberfläche (5) des Objekts verändert wird, so dass der Laserfleck (6) auf der Oberfläche (5) des Objekts eine Translationsbewegung und eine der Translationsbewegung überlagerte Oszillationsbewegung ausführt, wobei die Oszillationsbewegung des Laserflecks (6) tangential zur Translationsbewegung abläuft. Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Bearbeitungssystem (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Bearbeiten eines Objektes mit einem Laserstrahl.
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Bearbeiten von Objekten bzw. Werkstücken mittels eines Laserstrahls, wie beispielsweise das Laserschneiden oder das Laserabtragen bzw. die Laserablation. Beispielsweise kann mittels des Laserstrahls Material von der Oberfläche des Objektes abgetragen werden, etwa um eine oder mehrere Materialschichten von der Oberfläche zu entfernen oder Strukturen in die Oberfläche einzuarbeiten, die Oberfläche also zu strukturieren.
Bei der Bearbeitung eines Objektes mittels eines Laserstrahls kann die Effizienz der Bearbeitung und die Qualität des Ergebnisses durch verschiedene Effekte negativ beeinflusst werden. Zu den wichtigsten Effekten, die bei der Bestrahlung eines Objektes mit einem Laserstrahl auftreten können, zählen beispielsweise die Wärmeakkumulation in dem Objekt, die Partikel-Abschirmung und die Plasma-Abschirmung des Laserstrahls an der Oberfläche des Objektes und Änderungen in der Oberflächengeometrie des Objektes, die das Einkoppelverhalten des Laserstrahls ungünstig beeinflussen können. Allgemein können derartige Effekte den räumlichen und auch den zeitlichen Energieeintrag in die Oberfläche des Objektes und somit sowohl die erreichbare Prozessgeschwindigkeit der Laserbearbeitung wie auch die Qualität des Endproduktes beeinflussen bzw. bestimmen. Als Qualitätskriterien kommen hier beispielsweise die Oberflächenrauhigkeit, die Oberflächenreinheit und/oder die erzielte Geometrietreue (wie etwa bezüglich der Kantensteilheit und/oder der Oberflächenkrümmung) in Frage.
Es ist bekannt, derartige Effekte beispielsweise durch eine Reduktion der mittleren Laserleistung, beispielsweise durch eine Reduzierung der Pulsfrequenz im Fall gepulster Laserquellen, zu minimieren. Hierdurch verlangsamt sich aber in der Regel auch der Bearbeitungsprozess. Es kann bei einer reduzierten Laserintensität auch notwendig werden, die Oberfläche mit dem Laserstrahl mehrmals hintereinander zu überfahren, ggf. mit jeweils geänderten Laserparametern, wie beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2009 047 995 B3 beschreiben wird.
Es stellt sich somit die Aufgabe, ein Verfahren zum Bearbeiten eines Objekts mit einem Laserstrahl vorzuschlagen, dass schnell, also innerhalb möglichst kurzer Zeit, durchführbar ist und dennoch Ergebnisse möglichst hoher Qualität ermöglicht. Es ist außerdem ein entsprechendes System zum Bearbeiten eines Objektes mittels eines Laserstrahls vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren sowie durch ein Bearbeitungssystem gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Spezielle Ausführungsformen und Weiterentwicklungen ergeben sich mit den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren zum Bearbeiten eines Objekts mit einem Laserstrahl wird der Laserstrahls mittels eines Laserscanners auf die Oberfläche des Objekts gerichtet. Der Laserstrahl erzeugt auf der Oberfläche einen Laserfleck (bzw. einen Brennfleck). Das hier vorgeschlagene Bearbeitungssystem umfasst einen entsprechenden Laserscanner, der also zum Ausrichten des Laserstrahls auf die Oberfläche des Objekts eingerichtet ist, sowie eine Steuereinheit zum Steuern des Laserscanners. Prinzipiell ist es möglich, dass das Bearbeitungssystem eine Laserquelle zum Erzeugen des Laserstrahls umfasst, der ebenfalls durch die Steuereinheit steuerbar sein kann und Teil des Laserscanners sein kann. Es ist aber auch möglich, dass das Bearbeitungssystem bzw. der Laserscanner lediglich Anschlüsse aufweist zum Anschließen des Laserscanners an eine externe Laserquelle.
Das vorgeschlagene und im Folgenden näher beschriebene Verfahren und jedes der beschriebenen Ausführungsformen und Weiterentwicklungen können mit einem Bearbeitungssystem hier vorgeschlagener Art durchgeführt werden. Die im Zusammenhang des Verfahrens beschriebenen Merkmale und Vorteile können in entsprechender Weise auf das Bearbeitungssystem und seine Komponenten, wie beispielsweise die Steuereinheit und den Laserscanner, übertragen werden. Entsprechend können auch die beschriebenen Eigenschaften und Merkmale des Bearbeitungssystems, insbesondere die der Steuereinheit und des Laserscanner, auf das Verfahren übertagen werden.
Der genannte Laserfleck definiert bzw. umschließt denjenigen geometrischen Ort, in dem die momentane Strahlachse des Laserstrahls auf die Oberfläche des Objekts auftrifft bzw. diese schneidet. Typischerweise ist der Laserstrahl auf die Oberfläche des Objektes fokussiert. Es ist aber prinzipiell auch möglich, dass der Fokus des Laserstrahls oberhalb der Oberfläche (d. h. außerhalb des Objektes) oder unterhalb der Oberfläche (d. h. innerhalb des Objektes) liegt.
Der Laserstrahl oszilliert um eine momentane Mittellage des Laserstrahls bzw. der Strahlachse, führt also Oszillationen, d. h. periodisch wiederkehrende Auslenkungen, um die momentane Mittellage des Laserstrahls aus. Entsprechend ist die Steuereinheit des Bearbeitungssystems eingerichtet, den Laserscanner anzusteuern, den Laserstrahl so umzulenken, dass der Laserstrahl, wie beschreiben, um die momentane Mittellage des Laserstrahls oszilliert.
Die Ausrichtung der momentanen Mittellage relativ zur Oberfläche des Objekts wird während des Verfahrens verändert, wobei die Oszillation des Laserstrahls um die momentane Mittellage unabhängig von der Ausrichtung der momentanen Mittellage fortgesetzt wird. Die Gesamtbewegung des Laserstrahls lässt sich daher als Überlagerung der Bewegung der momentanen Mittellage des Laserstrahls, bei der es sich um eine Linearbewegung bzw. um eine gleichförmige Bewegung handeln kann, und der genannten Oszillation um die Mittellage (und ggf. einer weiteren Oszillation um die momentane Mittelachse, siehe weiter unten) beschreiben. Typischerweise werden die momentane Mittellage des Laserstrahls und die Oberfläche des Objekts relativ zueinander verschoben.
Die beschriebene Bewegung der momentanen Mittellage und die Oszillation des Laserstrahls um die momentane Mittellage erfolgt so, dass der Laserfleck auf der Oberfläche des Objekts eine Translationsbewegung entlang eines Bearbeitungspfades auf der Oberfläche des Objektes und eine der Translationsbewegung überlagerte Oszillationsbewegung ausführt. Dabei ist die genannten Translationsbewegung eindeutig durch die Bewegung der momentanen Mittellage des Laserstrahls bestimmt und durch diese hervorgerufen, während die genannte Oszillationsbewegung eindeutig durch die Oszillation des Laserstrahls um die momentanen Mittellage bestimmt und durch diese hervorgerufen wird. Bei der Translationsbewegung kann es sich also beispielsweise ebenfalls um eine Linearbewegung bzw. um eine gleichförmige Bewegung des Laserflecks auf der Oberfläche handeln. Die Translationsbewegung erfolgt typischerweise entlang eines Bearbeitungspfades, welcher beispielsweise geradlinig ausgestaltet sein kann.
Für das vorgeschlagene Verfahren und das vorgeschlagene Bearbeitungssystem ist es nun entscheidend, dass die Oszillationsbewegung des Laserflecks auf der Oberfläche des Objekts tangential zur Translationsbewegung des Laserflecks auf der Oberfläche des Objektes und somit auch tangential zu den Bearbeitungspfaden abläuft. Dies bedeutet, dass der momentane Geschwindigkeitsvektor der Translationsbewegung zu jedem Zeitpunkt des Verfahrens entweder parallel oder antiparallel zu dem momentanen Geschwindigkeitsvektor der genannten Oszillationsbewegung ausgerichtet ist. Eine momentane Schwingungsebene de Laserflecks ist somit immer tangential zur Translationsbewegung. Dies wird typischerweise dadurch erzielt, dass die Veränderung bzw. die Verschiebung der relativen Ausrichtung zwischen der momentanen Mittellage des Laserstrahls und der Oberfläche des Objektes in einer zur Schwingungsebene der Oszillation des Laserstrahls parallelen Richtung erfolgt.
Durch die tangentiale Ausrichtung der Oszillationsbewegung des Laserflecks zu seiner Translationsbewegung wird die durch den Laserstrahl in die Oberfläche des Objektes eingestrahlte Energie tangential zur Translationsbewegung verteilt („verschmiert”). Auf diese Weise wird die einfallende Laserstrahlung zeitlich und räumlich umverteilt, so dass die genannten Effekte wie Wärmeakkumulation, Partikel- und Plasmaabschirmung deutlich reduziert werden können, ohne dass der durch den Laserstrahl bearbeiteten Bereich bzw. der Bearbeitungspfad in seiner Form verändert bzw. verbreitert wird. Insbesondere lassen sich auf diese Weise ein Aufschmelzen des Objektes, Spannungen innerhalb des Objektes bzw. Werkstück und/oder Schädigungen thermisch sensibler Materialien im Randbereich des Bearbeitungspfades reduzieren oder sogar ganz vermeiden.
Außerdem kann auf diese Weise in vielen Fällen die mittlere Leistung des Laserstrahls wesentlich höher gewählt werden als es mit bekannten Verfahren möglich ist. Dies erlaubt es häufig, verfügbare Leistungsresourcen vorhandener Laserquellen besser auszunutzen. Im Vergleich zu bekannten Verfahren kann auf diese Weise beispielsweise im Fall gepulster Laserstrahlen, wie sie typischerweise für die Laserablation verwendet werden, bei gleicher Pulsspitzenleistung eine höhere Laserpulsfrequenz oder sogar die maximale Pulsfrequenz einer vorhandenen Pulslaserquelle verwendet werden. Dadurch, dass eine größere mittlere Strahlungsleistung auf das Objekt eingestrahlt werden kann, lässt sich die Bearbeitung oft in kürzerer Zeit und häufig sogar auch auf energieeffizientere Weise (da mehr oder sogar alle der erzeugten Laserpulse genutzt werden können) durchgeführt werden als es mit herkömmlichen Laserbearbeitungsverfahren möglich ist.
Außerdem kann durch die Oszillationsbewegung des Laserflecks tangential zur Translationsbewegung eine praktisch beliebig hohe Anzahl von Überfahrten des zu bearbeitenden Oberflächenbereichs bzw. des Bearbeitungspfades erzielt werden, ohne dabei die Dauer des Verfahrens wesentlich zu verlängern. Da mittels der Oszillationsbewegung die Anzahl der Überfahrten pro Zeiteinheit erhöht wird, kann vorteilhafterweise auch eine größere mittlerer Leistung des Laserstrahls verwendet werden, beispielsweise indem die Pulsfrequenz des Laserstrahls erhöht wird, ohne dass die beschriebenen unerwünschten Effekt zu stark werden. Durch die Erhöhung der mittleren Laserleistung wird im Fall der Laserablation die pro Zeiteinheit von der Oberfläche abgetragene Materialmenge vergrößert und somit die Dauer des Verfahrens verkürzt. Allgemein hängt die Dauer des Verfahrens von der Größe des zu bearbeitenden Oberflächenbereichs bzw. der Länge des Bearbeitungspfades auf der Oberfläche ab und kann durch die gleichzeitige Erhöhung der mittleren Laserleistung und der (Effektiv-)Geschwindigkeit, mit der der Laserfleck über den zu bearbeitenden Bereich bewegt wird, verkürzt werden. Typischerweise wird hierbei die mittlere Laserleistung bzw. die Pulsfrequenz um den gleichen Faktor erhöht, wie die genannte (Effektiv-)Geschwindigkeit des Laserflecks. Die Anzahl N der Überfahrten jedes Oberflächenpunktes in dem zu bearbeitenden Bereich bzw. auf dem Bearbeitungspfad kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren und dem vorgeschlagenen Bearbeitungssystem alleine durch die Oszillationsbewegung des Laserflecks erhöht werden (und ist somit im Prinzip nur durch die maximale Schwingungsfrequenz und Amplitude des Laserscanners bzw. der Strahlumlenkeinheit des Laserscanners begrenzt). Vorteilhafterweise verlängert sich hierdurch die erforderliche Bearbeitungszeit nicht oder nicht wesentlich, sofern die mittlere Laserleistung entsprechend hoch gewählt wird.
Aufgrund der beschriebenen Oszillationsbewegung tangential zur Translationsbewegung bewegt sich der Laserfleck tangential vor und zurück entlang des Bearbeitungspfades, der gradlinig oder zumindest abschnittsweise gradlinig ausgestaltet sein kann, und kann so jeden Punkt auf dem Bearbeitungspfad mehrmals tangential zum Bearbeitungspfad überstreichen, beispielsweise N-mal, wobei N eine vorgegebene natürliche Zahl größer als 1 ist. Die Anzahl N hängt von der Geschwindigkeit der Translationsbewegung V_t, der Geschwindigkeit der Oszillationsbewegung V₁, während sich der Laserfleck parallel zur Translationsbewegung bewegt, und der Geschwindigkeit der Oszillationsbewegung V₂, während sich der Laserfleck anti-parallel zur Translationsbewegung bewegt, ab. Außerdem hängt die Anzahl N davon ab, wie lang die Periodendauer T der Oszillationsbewegung ist und welchen Anteil an der Periodendauer die Vorwärtsbewegung und welchen Anteil die Rückwärtsbewegung des Laserfleck entlang des Bearbeitungspfades hat, diese Anteile werden mit T₁ bzw. mit T₂ (mit T₁ + T₂ = T) bezeichnet, da hiervon und von den genannten Geschwindigkeiten V, V₁ und V₂ die Längen der während diesen Periodenanteilen zurückgelegten Strecken und somit auch die Anzahl N abhängen.
Vorzugsweise werden möglichst wenige Punkte (bzw. Teilbereiche) auf dem Bearbeitungspfad bzw. innerhalb des zu bearbeitenden Bereichs häufiger oder seltener als N-mal überfahren, um eine möglichst gleichmäßige Bestrahlung des Objektes zu erzielen. Vorzugsweise beträgt ein Anteil der zu bearbeitenden Fläche bzw. des Bearbeitungspfades, der häufiger oder seltener als N-mal überfahren wird, weniger als 5% vorzugsweise, weniger als 1%, besonders bevorzugt weniger als 0,1% des gesamten zu bearbeitenden Bereichs bzw. Bearbeitungspfades.
Das Bearbeitungssystem kann eine Positioniereinheit zum gegenseitigen Ausrichten des Laserscanners oder eines Teils des Laserscanners, wie bspw. eines Laserkopfes oder einer Strahlumlenkeinrichtung des Laserscanners, und des Objekts umfassen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die Positioniereinheit anzusteuern, die relative Ausrichtung des Laserscanners (bzw. des genannten Teils des Laserscanners) und des Objektes so zu ändern, dass die relative Ausrichtung der momentane Mittellage des Laserstrahls und die Oberfläche des Objekts verändert, typischerweise relativ zueinander verschoben, werden. Typischerweise wird mittels einer Strahlumlenkungseinheit des Laserscanners die Oszillation des Laserstrahls durchgeführt, indem die Strahlumlenkungseinheit um eine Mittellage der Strahlumlenkungseinheit oszilliert. Dann kann die momentane Mittellage des Laserstrahls beispielsweise auch dadurch verändert werden, dass die Mittellage der Oszillation der Strahlumlenkungseinheit zeitlich verändert wird. Die Strahlumlenkungseinheit kann dazu eingerichtet sein, die Mittellage ihrer Oszillation und somit auch die momentane Mittellage des Laserstrahls eigenständig zu ändern, beispielsweise in Abhängigkeit von einer entsprechenden Ansteuerung durch die Steuereinheit. Die genannte Strahlumlenkungseinheit kann beispielsweise einen oder mehrere Galvanospiegel, einen oder mehrere entlang einer oder mehrerer Linearachsen angetriebene gekrümmten Spiegel und/oder mindestens einen elektrooptischen oder akustooptischen Deflektor umfassen.
Typischerweise wird die Oszillation des Laserstrahls um die Gleichgewichtslage und die Oszillationsbewegung des Laserflecks auf der Oberfläche erzeugt, in dem der Laserstrahl um einen Drehachse gedreht oder gekippt wird, wobei die Drehachse quer zur Strahlachse des Laserstrahls, typischerweise senkrecht zur Strahlachse, verläuft. Die Auslenkung des Laserflecks auf der Oberfläche des Objektes ist dann näherungsweise gleich dem Abstand zwischen dem Drehpunkt des Laserstrahls (Schnittpunkt mit der genannten Drehachse) multipliziert mit der Winkeldifferenz zwischen dem Laserstrahl und der momentanen Mittellage. Entsprechend ist die Amplitude der Oszillationsbewegung des Laserflecks auf der Oberfläche des Objektes näherungsweise gleich dem Abstand zwischen dem Drehpunkt des Laserstrahls (Schnittpunkt mit der genannten Drehachse) und der Oberfläche multipliziert mit der maximalen Winkeldifferenz zwischen dem Laserstrahl und der momentanen Mittellage (entsprechend der maximalen Auslenkung des Laserstrahls).
Die Oszillationsbewegung tangential zur Translationsbewegung kann beispielsweise eine Sägezahnschwingung oder eine Dreieckschwingung sein. Typischerweise ist auch die Geschwindigkeit der Bewegung der Mittellage, also die Translationsgeschwindigkeit, zumindest abschnittsweise konstant, typischerweise bis zu einer Richtungsänderung dieser Bewegung, also zumindest innerhalb gerader Abschnitte des genannten Bearbeitungspfades. Derartige Bewegungsformen haben den Vorteil, dass der Laserfleck konstante abschnittsweise Geschwindigkeiten hat und zu keinem Zeitpunkt eine vorgegebene Minimalgeschwindigkeit unterschreitet. Alternativ sind aber prinzipiell auch andere periodische Bewegungen, wie z. B. die harmonische Schwingungen oder andere Schwingungsarten, für die Oszillationsbewegung möglich.
Beispielsweise kann im Fall einer Dreieckschwingung oder einer Sägezahnschwingung vorgesehen sein, dass V₁·T₁ = V_t·(n·T – T₁) möglichst exakt erfüllt ist, wobei die Größen V₁, V_t, T₁ und T wie oben angegeben definiert sind und n eine natürliche Zahl größer als 1 ist. Unter möglichst exakt wird verstanden, dass der Ausdruck V₁·T₁/(V_t·(n·T – T₁)) – 1 (oder alternativ der Ausdruck 1 – V_t·(n·T – T₁)/(V₁·T₁) betraglich kleiner als 0,05 ist, vorzugsweise kleiner als 0,01 oder besonders bevorzugt kleiner als 0,001 ist.
Im Fall einer Dreieckschwingung bzw. einer Sägezahnschwingung gilt für die Geschwindigkeiten V₁ und V₂ allgemein gilt, dass V₁·T₁= –V₂·T₂ bzw. dass V₁ = 2·A_par/T₁ und V₂ = – 2·A_par/T₂ gilt, wobei A_par die Amplitude der genannten Oszillationsbewegung des Laserflecks bezeichnet.
In diesem Fall bestimmt die Zahl n die Anzahl N der Überfahrten der Oberflächenpunkte mit dem Laserfleck im bearbeiteten Oberflächenbereich. Es gilt in diesem Fall N = 2·n – 1, wobei die jeweiligen Punkt n-mal mit der Geschwindigkeit V = V_t + V₁ und (n – 1)-mal mit der Geschwindigkeit V = V_t + V₂ überfahren werden. Je kleiner die genannte Abweichung ist, umso kleiner fallen diejenigen Oberflächenbereiche aus, die nicht genau N-mal, sondern häufiger oder seltener mit dem Laserfleck überfahren werden. Je kleiner die genannte relative Abweichung ist, umso gleichmäßiger wird der zu bearbeitende Oberflächenbereich des Objektes mit dem Laserstrahl bestrahlt. Die genannte Amplitude entspricht der maximalen Auslenkung des Laserflecks bezüglich der momentanen Mittellage des Laserstrahls, also der halben Schwingungsbreite der Oszillationsbewegung bzw. dem Abstand, den der (Mittelpunktes des) Laserflecks bei maximaler Auslenkung von demjenigen Oberflächenpunkt einnimmt, auf den der Laserstrahl gerichtet wäre, wenn er im gleichen Zeitpunkt entlang seiner momentan den Mittellage ausgerichtet wäre.
Es ist mit dem vorgeschlagenen Verfahren möglich, dass der genannte zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Überstreichungen eines jeden der Punkte auf dem Bearbeitungspfad größer als ein vorgegebener Minimalwert ist. Beispielsweise kann der zeitliche Abstand so groß sein, dass das Objekt in dem Punkt innerhalb einer Zwischenzeit zwischen den jeweils aufeinanderfolgenden Überstreichungen des Punktes soweit abgekühlt ist, dass eine Wärmeakkumulation in diesen Punkten begrenzt oder sogar vermieden wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der genannte zeitliche Abstand größer als eine thermische Relaxationszeit des Objektes gewählt ist. Insbesondere kann sichergestellt werden, dass ein durch das wiederholte Überstreichen dieser Punkte mittels des Laserstrahls erzeugter Temperaturanstieg des Objektes unterhalb einer für das gegebene Objekt vorgegebenen Schwelltemperatur bleibt, beispielsweise unterhalb einer Schmelztemperatur.
Es kann vorgesehen sein, dass der Laserfleck aufgrund der Translationsbewegung und der Oszillationsbewegung zu jedem Zeitpunkt eine (effektive, d. h. aus der Translationsbewegung und der Oszillationsbewegung zusammengesetzte) Mindestgeschwindigkeit bezüglich der Oberfläche des Objektes aufweist, die so groß ist, dass ein von dem Laserfleck pro Zeiteinheit überstrichener Flächeninhalt einen Mindestwert aufweist, der so groß ist, dass ein auf diesen Mindestwert und auf die genannte Zeiteinheit bezogene mittlere Strahlungsenergie des Laserstrahls unterhalb eines für das Objekt vorgegebenen Schwellwertes liegt. Dieser Schwellwert kann beispielsweise niedrig gewählt sein, dass eine Temperatur des Objektes innerhalb des überstrichenen Flächeninhaltes zu jedem Zeitpunkt des Verfahrens unterhalb einer Schwelltemperatur, beispielsweise unterhalb einer Schmelztemperatur (Schmelzpunkt) des Objektes liegt. Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass die Vor- und Rückbewegungen des Laserflecks entlang des Bearbeitungspfades möglichst direkt ineinander übergehen, ohne dass der Laserfleck zwischenzeitlich auf der Oberfläche des Objektes stillsteht. Hierfür kommen beispielsweise Dreieckschwingungen und Sägezahnschwingungen als Oszillationsbewegung in Frage. Es ist ferner möglich, die genannte Mindestgeschwindigkeit des Laserflecks in Abhängigkeit von der mittleren Laserintensität im Laserflecks so groß zu wählen, dass die genannten unerwünschten Effekte, wie Wärmeakkumulation, Partikel-Abschirmung und Plasma-Abschirmung, reduziert oder sogar vermieden werden. Insbesondere kann so erreicht werden, dass und die Temperatur des Objektes unter einem Schmelzpunkt des Objektes bleibt, dass also die Erwärmung des Objektes für ein Schmelzen oder Anschmelzen des Objektes nicht ausreicht.
Der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Überstreichungen eines jeden der Punkte hängt dabei von der speziellen Form der genannten Oszillationsbewegung tangential zum Bearbeitungspfad ab, insbesondere von den oben genannten Größen V₁, V₂, V_t, T₁, T₂ und T.
In einem Ausführungsbeispiel hat der Laserfleck beispielsweise einen Durchmesser (D). Vorzugsweise ist eine momentane (Effektiv-)Geschwindigkeit (V) des Laserflecks auf der Oberfläche des Objektes zu jedem Zeitpunkt größer als ein vorgegebener Minimalwert. Dieser Minimalwert ist vorzugsweise so gewählt, dass der von dem Laserfleck pro Zeiteinheit (Δt) überstrichene Flächeninhalt, beispielsweise näherungsweise gegeben durch ΔA = πD²/4 + VΔt, zu jedem Zeitpunkt so groß ist, dass ein mittels des Laserstrahls erzeugter Temperaturanstieg innerhalb des überstrichenen Flächeninhalts während des Überstreichens mit dem Laserflecks unterhalb einer für das gegebene Objekt vorgegebenen Maximaltemperatur bleibt. Die momentane (Effektiv-)Geschwindigkeit des Laserflecks entlang des Bearbeitungspfades ist nicht konstant, sondern ändert sich zeitlich aufgrund der Oszillationsbewegung. Allgemein ergibt sich die genannte (Effektiv-)Geschwindigkeit während der Vorwärtsbewegung zu V = V_t + V₁ und während der Rückwärtsbewegung zu V = V_t + V₂ (V₂ ist negativ und (zumindest über die Dauer T₂ gemittelt) betraglich größer als V_t). Beispielsweise kann die Geschwindigkeit der Rückwärtsbewegung, V = V_t + V₂, betraglich kleiner sein als die der Vorwärtsbewegung, V = V_t + V₁. Es ist aber auch der umgekehrte Fall möglich. Vorzugsweise ist die betraglich kleinerer der beiden Geschwindigkeiten immer so groß, dass die vorgegebene Maximaltemperatur nicht überschritten wird, dass also durch den Temperaturanstieg beispielsweise keine Schmelze entsteht.
Typischerweise liegt die Translationsgeschwindigkeit V_t in einem Bereich zwischen 1 mm/s bis 2 m/s. Typischerweise liegt die Geschwindigkeit V₁ und/oder die Geschwindigkeit V₂ (bzw. ihrer über die Dauer T₁ bzw. T₂ gemittelten Werte) betraglich in einem Bereich zwischen 1 cm/s bis 10 m/s.
Typischerweise wird durch den Laserstrahl ein Materialabtrag von der Oberfläche des Objekts hervorgerufen. In manchen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der Materialabtrag ausschließlich durch Ablation erfolgt. Oft wird angestrebt, ein Schmelzen oder Anschmelzen des Objektes am Laserfleck möglichst zu vermeiden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserfleck eine weitere Oszillationsbewegung ausführt, die quer, beispielsweise orthogonal, zur Translationsbewegung verläuft, wobei eine Amplitude (A_t) der weiteren Oszillationsbewegung maximal 10%, bevorzugt maximal 1%, besonders bevorzugt maximal 0,1%, einer Amplitude (A_par) der erstgenannten Oszillationsbewegung beträgt.
Es ist möglich, dass das Objekt zumindest in Teilbereichen der Oberfläche aus einem Halbleitermaterial gefertigt ist. Mittels des hier vorgeschlagenen Verfahrens und Bearbeitungssystems ist es außerdem möglich, organisches und/oder lebendes Gewebe zu bearbeiten, zu untersuchen oder zu behandeln. Beispielsweise können der Laserscanner und die Steuereinheit des Bearbeitungssystems zu diesem Zweck entsprechend eingerichtet sein.
Der Laserstrahl kann ein gepulster Laserstrahl sein, der mit einer Pulsfrequenz (f_puls) gepulst wird. Beispielsweise kann die Pulsfrequenz größer als 10 kHz, größer als 100 kHz, größer als 1 MHz oder größer als 10 MHz sein. Vorzugsweise wird, insbesondere für die Laserablation, ein Laserstrahl mit einer möglichst hohen Pulsfrequenz verwendet. Hochrepetitive Lasersysteme besitzen typischer weise eine deutlich erhöhte mittlere Leistung im Vergleich zu niedrigrepetitiven Lasersystemen. Beispielsweise kann es erforderlich sein, wie im Fall der Laserablation, dass die Fluenz des Laserstrahls bzw. der Laserimpulse oberhalb einer materialspezifischen Zerstörschwelle liegt. (Die Zerstörschwelle ist im Fall gepulster Laserstrahlen im Allgemeinen abhängig von der Laserwellenlänge, der Pulsdauer, der Pulsform und Pulsfrequenz.) Die Verwendung gepulster Laserstrahlen hat gegenüber dem Einsatz kontinuierlicher Laserstrahlen den Vorteil, dass einerseits eine ausreichend hohe Fluenz bereitgestellt wird, aber andererseits einer geringere Wärmemenge erzeugt wird als es bei der Verwendung kontinuierlicher Laserstrahlen der Fall ist. Die Verwendung eines gepulsten Laserstrahls mit einer hohen Pulsfrequenz hat gegenüber der Verwendung eines Laserstrahls mit niedriger Pulsfrequenz (bei identischen übrigen Laserparametern) den Vorteil, dass pro Zeiteinheit eine größere Energiemenge eingestrahlt werden kann, wodurch sich die Bearbeitung des Objektes oft in wesentlich kürzerer Zeit durchführen lässt. Im Fall der Laserablation wird auf diese Weise beispielsweise ein größerer Materialabtrag pro Zeiteinheit erzielt. Die Laserpulse können jeweils eine Pulsdauer von weniger als 50 ns aufweisen. Vorzugsweise liegt die Pulsdauer in einem Bereich von 100 fs bis 1 ps. Schließlich ist es möglich, dass der Laserfleck auf der Oberfläche des Objekts einen Durchmesser von weniger als 100 μm aufweist. Vorzugsweise ist der genannte Durchmesser kleiner als 60 μm, besonders bevorzugt liegt er in einem Bereich zwischen 20 μm und 30 μm.
Bei der Verwendung eines gepulsten Laserstrahls, der also mit einer Pulsfrequenz (f_puls) gepulst wird, kann vorgesehen sein, dass ein durch PL = (1 – V/(f_puls·D)) definierter Pulsüberlapp der Laserpulse des Laserstrahls einen Wert von mindestens 0,5, vorzugsweise von mindestens 0,7, besonders bevorzugt von mindestens 0,9, aufweist. Hierbei bezeichnet D einen Durchmesser des Laserflecks und die V die momentane (Effektiv-)Geschwindigkeit des Laserflecks auf der Oberfläche, wobei sich die momentane (Effektiv-)Geschwindigkeit wiederum aus der Überlagerung der Translationsbewegung und der Oszillationsbewegung der Laserflecks ergibt, siehe oben. Wie oben bereits beschrieben wurde, ist die momentane (Effektiv-)Geschwindigkelt des Laserflecks entlang des Bearbeitungspfades nicht konstant. Vielmehr bewegt sich der Laserflecks entlang des Bearbeitungspfades alternierend vorwärts und zurück, wobei die (mittlere) Geschwindigkeit der Vorwärtsbewegung (betraglich) gleich der Geschwindigkeit der Rückwärtsbewegung sein kann, aber auch größer oder kleiner als diese sein kann. Vorzugsweise wird im Fall, dass die (mittleren) Geschwindigkeiten der Vorwärts- und der Rückwärtsbewegung verschieden sind, für V die kleinere der beiden (mittleren) Geschwindigkeiten verwendet. Im Fall, dass mittlerer Geschwindigkeiten betrachtet werden, wird die Geschwindigkeit jeweils über den betreffenden Periodenabschnitt T₁ bzw. T₂ zeitlich gemittelt.
Durch einen positiven Wert des Pulsüberlapps (P1 > 0) kann gewährleistet werden, dass die einzelnen Laserpulse auf der Oberfläche räumlich überlappen, so dass es entlang des Bearbeitungspfades keine Zwischenbereiche gibt, die nicht mit dem Laserstrahl bestrahlt werden. Auf diese Weise wird vorteilhafterweise eine besonders gleichmäßige Laserbestrahlung der Oberfläche erzielt.
Mittels des Laserstrahls kann längs des Bearbeitungspfades ein Schnitt oder ein Graben in die Oberfläche des Objekts eingearbeitet werden. (Natürlich können auch mehrere Bearbeitungspfade vorgesehen sein zur Erzeugung mehrerer Schnitte bzw. Gräben entlang dieser Pfade.) Dabei kann der Schnitt oder der Graben eine Breite von maximal 100 μm, von maximal 60 μm oder weniger aufweisen.
Die Gleichmäßigkeit und Homogenität des Energieeintrags mittels des Laserstrahls kann im Allgemeinen verbessert werden, wenn der Laserstrahl zirkular polarisiert ist. Beispielsweise kann zur Herstellung einer solchen Polarisierung ein entsprechender Palarisator verwendet werden.
Außerdem ist es möglich, dass Partikel, die aufgrund der Bestrahlung mit dem Laserstrahl von der Oberfläche des Objektes freigesetzt werden, abgesaugt werden, beispielsweise mittels einer Saug- bzw. Prozessdüse, die vorzugsweise möglichst in der Nähe des Laserflecks positioniert ist.
Der Laserscanner kann einen Laserkopf umfassen, durch den hindurch der Laserstrahl aus dem Laserscanner austritt. Es ist möglich, die Translationsbewegung des Laserflecks auf der Oberfläche des Objekts herzustellen, indem der Laserkopf relativ zur Oberflache bewegt wird oder indem das Objekt relativ zu dem Laserkopf bewegt wird. Außerdem ist auch eine Kombination aus beidem möglich.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in 1, 2A–2D, 3, 4 und 5A–5F schematisch dargestellten Beispielen und speziellen Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Bearbeitungssystem hier vorgeschlagener Art,
2A–2D mögliche Bewegungen eines mit dem in 1 gezeigten Bearbeitungssystem erzeugten Laserflecks entlang eines Bearbeitungspfades auf der Oberfläche eines Objektes,
3 Bewegungsparameter der in 2A–2D gezeigten Beispiele,
4 Darstellung einer als Dreiecksschwingung ausgestalteten Oszillationsbewegung,
5A–5F Herstellung einer CIGS-Solarzelle unter Verwendung des hier vorgeschlagenen Verfahrens.
In 1 ist ein Beispiel eines Bearbeitungssystems 1 hier vorgeschlagener Art schematisch dargestellt. Es ist dazu eingerichtet, spezielle Ausführungsformen des hier vorgeschlagenen Verfahrens zum Bearbeiten eines Objekts 2 mit einem Laserstrahl 3 durchzuführen.
Bei dem Objekt 2 handelt es sich beispielsweise um einen mit einer Molybdän-Beschichtung versehenen Glasträger, beispielsweise wie in 5A–5F dargestellt. Es könnte sich bei dem Objekt 2 aber prinzipiell auch um ein anderes Objekt handeln, beispielsweise um einen Halbleiter oder aber auch um organisches Gewebe bzw. ein Körperteil.
Der Laserstrahls 3 wird mittels eines Laserscanners 4 des Bearbeitungssystems 1 auf eine Oberfläche 5 des Objekts 2 gerichtet und erzeugt dort einen Laserfleck 6. Das Bearbeitungssystem umfasst eine Steuereinheit 7 zum Steuern des Laserscanners 4. Der Laserscanner 4 umfasst eine Strahlumlenkungseinheit 8, die in diesem Beispiel durch einen Galvanospiegel gegeben ist, die aber auch einen oder mehrere entlang einer oder mehrerer Linearachsen angetriebene gekrümmten Spiegel und/oder mindestens einen elektrooptischen und/oder akustooptischen Deflektor umfassen könnte. Das Bearbeitungssystem umfasst außerdem eine Laserquelle (nicht dargestellt) die durch die Steuereinheit steuerbar ist und Teil des Laserscanners 4 ist.
Die Steuereinheit 7 des Bearbeitungssystems 1 ist eingerichtet, den Laserscanner 4 anzusteuern, den Laserstrahl 3 so umzulenken, dass der Laserstrahl 3 um eine momentane Mittellage M des Laserstrahls 3 oszilliert, also periodisch wiederkehrende Auslenkungen um die momentane Mittellage M des Laserstrahls 3 ausführt. Hierzu oszilliert die Strahlumlenkungseinheit 8 um eine Mittellage der Strahlumlenkungseinheit 8, indem sie in diesem Beispiel um eine Drehachse A gedreht wird. Um diese Drehachse A, die senkrecht zur Zeichenachse orientiert ist, oszilliert demnach auch der Laserstrahl 3 um die Mittellage M, so dass die Schwingungsebene des Laserstrahls 3 wie auch die resultierende Schwingungsebene des Laserflecks 3 senkrecht zu dieser Drehachse und somit parallel zur Zeichenebene verlaufen. zur Veranschaulichung dieser Oszillation ist der Laserstrahl außerdem in einer weiteren Auslenkung um die Mittellage M dargestellt, in welcher der Laserstrahl mit 3' bezeichnet ist. Die Strahlumlenkungseinheit ist in der entsprechenden Situation mit 8' bezeichnet.
Der Laserscanner 4 umfasst außerdem eine Optik 9, mit der der Laserstrahl 3 auf die Oberfläche 5 (also in dem Laserfleck 6) fokussiert wird, und die zusammen mit der Strahlumlenkungseinheit 8 in einem Laserkopf (nicht dargestellt) des Laserscanners 4 integriert ist.
Die Ausrichtung der momentanen Mittellage M relativ zur Oberfläche des Objekts wird während des Verfahrens in einer Richtung senkrecht zur Drehachse und somit parallel zur genannten Schwingungsebene des Laserstrahls verändert, wobei sich die Oszillation des Laserstrahls um die momentane Mittellage M unabhängig von der Ausrichtung der Mittellage fortsetzt. Im gezeigten Beispiel wird zu diesem Zweck das Objekt 2 mittels einer Positioniervorrichtung 10 mit konstanter Geschwindigkeit relativ zu dem Laserkopf verschoben. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die Positioniervorrichtung 10 hierzu entsprechend anzusteuern. Es ist prinzipiell aber auch möglich, dass die Positioniervorrichtung 9 dies unabhängig von der Steuereinheit durchführt. Alternativ ist es auch möglich, dass der Laserscanner 4 oder der Laserkopf relativ zu dem Objekt 2 verschoben wird, um die Ausrichtung der momentane Mittellage M des Laserstrahls relativ zur Oberfläche des Objekts auf die beschriebene Weise zu verändern.
Prinzipiell ist es aber auch möglich dass die momentane Mittellage M des Laserstrahls 3 dadurch verändert wird, dass die Strahlumlenkungseinheit 8 die Mittellage ihrer Oszillation und somit auch die momentane Mittellage des Laserstrahls eigenständig ändert, beispielsweise in Abhängigkeit von einer entsprechenden Ansteuerung durch die Steuereinheit 7, ohne dass hierfür eine Verschiebung zwischen Objekt und Laserscanner notwendig ist.
Die beschriebene Bewegung der momentanen Mittellage M und die Oszillation des Laserstrahls um die momentane Mittellage erfolgen so, dass der Laserfleck 6 auf der Oberfläche 5 des Objekts 2 eine Translationsbewegung entlang eines von mehreren (gradlinigen) Bearbeitungspfaden 11 auf der Oberfläche 5 des Objektes und eine der Translationsbewegung überlagerte Oszillationsbewegung ausführt, wobei die Oszillationsbewegung des Laserflecks auf der Oberfläche des Objekts tangential zur Translationsbewegung des Laserflecks auf der Oberfläche des Objektes und somit auch tangential zu den Bearbeitungspfaden 11 abläuft. Dies wird dadurch erzielt, dass die Verschiebung der relativen Ausrichtung zwischen der momentanen Mittellage des Laserstrahls und der Oberfläche des Objektes wie beschreiben in einer zur Schwingungsebene der Oszillation des Laserstrahls parallelen Richtung erfolgt. Hierdurch wird die durch den Laserstrahl in die Oberfläche des Objektes eingestrahlte Energie tangential zur Translationsbewegung, also innerhalb der Bearbeitungspfade, verteilt, so dass Effekte wie Wärmeakkumulation, Partikel- und Plasmaabschirmung deutlich reduziert werden können, aber ohne dass sich die Bearbeitungspfade 11 und die hierbei erzeugte Schnitte bzw. Gräben, vgl. 5A–5F, verbreitert werden.
Wie im Folgenden anhand der 2A–2D beschrieben wird, kann mittels des Bearbeitungssystem 1 eine praktisch beliebig hohe Anzahl von Mehrfachüberfahrten des zu bearbeitenden Oberflächenbereiches des Objektes 2, also der Bearbeitungspfade 11, erzielt werden, ohne dabei die Dauer des Verfahrens wesentlich zu verlängern. Die Verschiebung der Mittellage M entlang der Bearbeitungspfade erfolgt also jeweils nur genau einmal.
Beispielsweise beträgt im Folgenden (andere Werte wären ebenso möglich) die Periodendauer T der beschriebenen Oszillationsbewegung des Laserflecks 6 auf der Oberfläche 5 des Objektes 2 in 1 etwa 1 s (Sekunden) und die Geschwindigkeit der Translationsbewegung V_t entlang eines jeden der Bearbeitungspfade 11 konstant 1,0 mm/s (Millimeter pro Sekunde). In der in 3 gezeigten Tabelle sind die weiteren Parameter der Translationsbewegung und der Oszillationsbewegung für jedes der in 2A–2D gezeigten Beispiele in jeweils einer der Spalten angegeben. In den in 2A und 2B gezeigten Beispielen ist die Oszillationsbewegung des Laserflecks 6 auf der Oberfläche 5 tangential zur Translationsbewegung jeweils eine Sägezahnschwingung. In den in 2C und 2D gezeigten Beispielen sind die Oszillationsbewegung Dreieckschwingungen. Wie in 4 für das in 2C gezeigte Beispiel exemplarisch dargestellt ist, weist jede dieser Oszillationsbewegungen eine Periodendauer T auf, die aus einem ersten Periodenabschnitt der Dauer T₁, in dem die Oszillationsbewegung in Richtung der Translationsbewegung erfolgt, und einem zweiten Periodenabschnitt der Dauer T₂ = T – T₁, zusammengesetzt ist.
Um eine möglichst gleichmäßige Bestrahlung zu erzielen, ist V₁·T₁ = V_t·(n·T – T₁) möglichst exakt erfüllt, wobei die Größen V₁, V_t, T₁ und T wie oben angegeben definiert sind und n eine natürliche Zahl größer 2 ist. Unter möglichst exakt wird verstanden, dass der Ausdruck V₁·T₁/(V_t·(n·T – T₁)) – 1 (oder alternativ der Ausdruck 1 – V_t(n·T – T₁)/(V₁·T₁) betraglich kleiner als 0,001 ist. Hierbei bezeichnet V_t die Geschwindigkeit der Translationsbewegung, V₁ die Geschwindigkeit der Oszillationsbewegung in Richtung der Translationsbewegung V_t und V₂ die Geschwindigkeit der Oszillationsbewegung entgegengesetzt zur Translationsbewegung V₁. Die natürliche Zahl n ist größer 1 und bestimmt jeweils die Anzahl N der Überfahrten der Oberflächenpunkte innerhalb der Bearbeitungspfade 11 mit dem Laserfleck 6 gemäß N = 2·n – 1. In jedem der in 2A–2D gezeigten Beispiele wird praktisch jeder Punkt der Bearbeitungspfade (d. h. alle bis auf weniger als 0,1% dieser Punkte) genau N-mal überfahren, wobei N > 1 für jedes der Beispiele einen jeweils durch den Wert der natürlichen Zahl n > 1 vorgegebenen Wert annimmt, wie jeweils in 2A–2D angegeben. Der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Überstreichungen eines jeden der Punkte hängt dabei von der speziellen Form der der genannten Oszillationsbewegung tangential zum Bearbeitungsfad ab.
Es ist beispielsweise möglich, dass der genannte zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Überstreichungen eines jeden der Punkte größer als ein vorgegebener Minimalwert ist. Beispielsweise kann der Zeitliche Abstand so groß sein, dass das Objekt in dem Punkt jeweils innerhalb einer Zwischenzeit zwischen den aufeinanderfolgenden Überstreichungen des Punktes soweit abgekühlt ist, dass ein mittels des Laserstrahls erzeugter Temperaturanstieg des Objektes in diesem Punkt unterhalb einer für das gegebene Objekt vorgegebenen Maximaltemperatur bleibt.
Im Folgenden werden anhand der 5A–5F weitere Details dieses Ausführungsbeispiels am Beispiel einer Laserstrukturierung eines CIGS-Dünnschicht-Solarmoduls näher erläutert. Diese Solarzellen basieren auf einem Schichtsystem umfassend einen Glasträger 12 mit einer Dicke von 5000 μm, auf der ein Schichtfolge umfassend ein auf Molybdän basierender Rückkontakt 13 basierend auf Molybdän mit einer Dicke von 0,4 μm, eine photoaktive Schicht 14 aus Kupferindiumgalliumselenid (CIGS) mit einer Dicke von 1,5 μm und für die elektrische Kontaktierung und Verschaltung eine transparente Frontelektrode 15 basierend auf aluminiumdotiertem Zinkoxid (ZnO:Al) mit einer Dicke von 1,2 μm.
Es werden in drei Prozessschritten (P1, P2, P3) zwischen dem Aufbringen der Schichten 13–15 mit Hilfe von Laserstrahlen Gräben entlang der Bearbeitungspfade 6 in die Schichten 13–15 eingearbeitet (die gezeigten Abbildungen stellen Schnitte senkrecht zu den Bearbeitungspfaden 6 dar), wobei die Gräben Breiten von etwa 25 μm aufweisen. Nach der Beschichtung des Glassubstrates 13 mit der Molybdänschicht 13 (5A) diese in Schritt P1 mittels Laserstrahlung 3 in einzelne Elektroden durchtrennt (5B). Anschließend wird nach der Beschichtung des Rückkontakts 13 mit der Absorberschicht 14 (5C) diese im Schritt P2 bis zur Oberfläche der Schicht 13 (5D) ebenfalls mittels eines Laserstrahls durchschnitten. Nach der Beschichtung dieser Schicht 14 (5E) mit der Al:ZnO-Schicht 15 werden die beiden obersten Schichten 14 und 15 im Schritt P3 bis zur Mo-Schicht 13 mittels Laserbestrahlung durchgeschnitten (5F). Hierbei kommt es besonders auf eine sauber freigelegte Molybdän-Oberfläche der Schicht 13 an, um einen möglichst kleinen elektrischen Widerstand zwischen Front- und Rückkontakt 13 zu erzielen. Verbleibende CIGS-Reste führen hier allgemein zu einer Erhöhung des Kontaktwiderstandes, so dass aufgrund von Ohmschen-Verlusten die Effizienz des Solarmodules sinkt. Bei herkömmlichen Verfahren verbleiben jedoch häufig auf der Mo-Oberfläche CIGS-Reste, insbesondere weil aufgrund von Partikel-Abschirmung nicht das gesamte CIGS abgetragen werden konnte, zum andern weil sich freigesetzte Partikel auf der Mo-Oberfläche abgesetzt haben. Die verbliebenen CIGS-Rückstände werden im Stand der Technik oft mittels einer anschließenden zweiten Überfahrt des Laserstrahls entfernt. Mittels der Mehrfachüberfahrten durch die hier vorgeschlagenen Oszillationsbewegungen längs der Bearbeitungspfade 6 wird jeder Punkt auf diesen Pfaden 6 mehrmals überfahren. Da auf diese Weise eine höhere Pulsfrequenz als mit herkömmlichen Verfahren verwendet werden kann, kann pro Zeiteinheit eine größere Materialmenge von der Oberfläche abgetragen werden, so dass sich die Gesamtdauer des Verfahrens verkürzt.
Es können beispielsweise folgende Parameter verwendet werden: Durchmesser (definiert als 1/e-Breite) des Laserflecks 6 (im Laserfokus) 20 μm, Pulsfrequenz 5 kHz, Geschwindigkeit der Translationsbewegung 2 mm/s, Frequenz der Oszillationsbewegung 5 Hz, Sägezahnschwingung mit einer Geschwindigkeit V₁ = 2 mm/s. Die Laserpulse haben jeweils eine Pulsdauer von weniger als 100 ps. Eine mittlere Leistungsdichte bzw. Energiedichte (Fluenz) des Laserstrahls in dem Laserfleck beträgt beispielsweise F = 100 mJ/cm².
Es ist prinzipiell möglich, den Laserstrahl 3 zu Beginn des Bearbeitungspfades und am Ende des Bearbeitungspfades zeitlich verzögert einzuschalten bzw. etwas verfrüht auszuschalten (beispielsweise bei t = 0,1 s bzw. bei t = 0,9 s), um jeden Punkt auf dem Bearbeitungspfad genau 2-mal zu überfahren.
Mit den genannte Laserparametern ist es außerdem möglich, dass der Laserfleck 6 aufgrund der Translationsbewegung und der Oszillationsbewegung zu jedem Zeitpunkt eine Mindestgeschwindigkeit (bspw. von 4 mm/s) bezüglich der Oberfläche des Objektes 2 aufweist, so dass der von dem Laserfleck 6 pro Zeiteinheit überstrichener Flächeninhalt zu jeder Zeit so groß ist, dass eine auf diesen Mindestwert und auf die genannte Zeiteinheit bezogene mittlere Strahlungsenergie des Laserstrahls unterhalb eines für das Objekt vorgegebenen Schwellwertes liegt, um beispielsweise eine Schmelztemperatur der gezeigten Schichten 12–15 nicht zu überschreiten und die Wärmeakkumulation, die Partikel-Abschirmung und die Plasma-Abschirmung des Laserstrahls 3 zu reduzieren. Auf diese Weise kann außerdem sichergestellt werden, dass der beschriebene Materialabtrag in schritten P1–P3 durch die Laserstrahlung 3 ausschließlich oder zumindest hauptsächlich durch Ablation erfolgt.
Prinzipiell ist nicht ausgeschlossen, dass der Laserfleck 6 eine weitere Oszillationsbewegung ausführt, die quer zur Translationsbewegung verläuft. Dann sollte eine Amplitude (A_t) dieser weiteren Oszillationsbewegung aber möglichst klein sein und maximal 10%, bevorzugt maximal 1%, besonders bevorzugt maximal 0,1%, der Amplitude (A_par) der erstgenannten Oszillationsbewegung betragen, um möglichst schmale Gräben mit steilen Seitenkanten zu erzielen.
Die Gleichmäßigkeit und Homogenität des Energieeintrags mittels des Laserstrahls 3 wird außerdem dadurch verbessert, indem ein zirkular polarisierter Laserstrahl 3 verwendet wird, der beispielsweise unter Verwendung eines entsprechender Polarisators (nicht dargestellt) bereitgestellt wird.
Außerdem umfasst das Bearbeitungssystem 2 eine Düse (nicht dargestellt), mit der Partikel, die aufgrund der Bestrahlung mit dem Laserstrahl 3 von der Oberfläche des Objektes 2 freigesetzt werden abgesaugt werden, beispielsweise mittels einer Saug- bzw. Prozessdüse, die vorzugsweise möglichst in der Nähe des Laserflecks positioniert ist.
Um eine möglichst gleichmäßige Bestrahlung entlang der Bearbeitungspfade sicherzustellen, ist außerdem vorgesehen, dass ein durch PL = 1 – V/(f_puls·D) definierter Pulsüberlapp der Laserpulse des Laserstrahls einen Wert von mindestens 0,5 aufweist, vorzugsweise von mindestens 0,7, besonders bevorzugt von mindestens 0,9, aufweist. Hierbei bezeichnet D einen Durchmesser des Laserflecks und die V die momentane Geschwindigkeit des Laserflecks auf der Oberfläche. Im vorliegenden Beispiel ist P1 = 1 – (4 mm/s)/(5 kHz·20 μm) = 0,96, d. h. benachbarte Laserpulse überlappen sich auf der Oberfläche des Objektes zu 96% ihres 1/e-Durchmessers.
Bezugszeichenliste

1: Bearbeitungssystem
2: Objekt
3: Laserstrahl
4: Laserscanner
5: Oberfläche
6: Laserfleck
7: Steuereinheit
8: Strahlumlenkungseinheit
9: Optik
10: Positioniervorrichtung
11: Bearbeitungspfad
12: Glasträger
13: Rückkontakt
14: photoaktive Schicht
15: Frontelektrode
A: Drehachse
M: Mittellage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009047995 B3 [0004]

Claims

Verfahren zur Bearbeitung eines Objekts (2) mit einem Laserstrahl (3), bei dem der Laserstrahl (3) mittels eines Laserscanners (4) auf eine Oberfläche (5) des Objekts (2) gerichtet wird und dort einen Laserfleck (6) erzeugt, wobei der Laserstrahl (3) um eine momentane Mittellage (M) des Laserstrahls (3) oszilliert und wobei außerdem eine relative Ausrichtung der momentanen Mittellage (M) des Laserstrahls (3) zur Oberfläche (5) des Objekts verändert wird, so dass der Laserfleck (6) auf der Oberfläche (5) des Objekts eine Translationsbewegung und eine der Translationsbewegung überlagerte Oszillationsbewegung ausführt, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillationsbewegung des Laserflecks (6) tangential zur Translationsbewegung abläuft.
Verfahren aus Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Translationsbewegung des Laserflecks (6) entlang eines Bearbeitungspfades (11) erfolgt und sich der Laserfleck (6) aufgrund der Oszillationsbewegung auf dem Bearbeitungspfad (11) vor und zurück bewegt, so dass der Laserfleck (6) einen jeden Punkt auf dem Bearbeitungspfad (11) N-mal überstreicht, wobei N eine vorgegebene natürliche Zahl größer als 1 ist.
Verfahren aus Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserfleck (6) einen jeden Punkt auf dem Bearbeitungspfad (11) N-mal tangential zum Bearbeitungspfad (11) überstreicht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlicher Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Überstreichungen eines jeden Punktes eines Bearbeitungspfades (11) so groß ist, dass das Objekt (2) in dem Punkt während einer Zwischenzeit zwischen den aufeinanderfolgenden Überstreichungen soweit abgekühlt ist, dass ein mittels des Laserstrahls (3) erzeugter Temperaturanstieg des Objekts (2) in dem Punkt zu jedem Zeitpunkt unterhalb einer für das gegebene Objekt (2) vorgegebenen Maximaltemperatur bleibt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserfleck (6) aufgrund der Translationsbewegung und der Oszillationsbewegung zu jedem Zeitpunkt eine Mindestgeschwindigkeit bezüglich der Oberfläche (5) des Objekts (2) aufweist, so dass ein von dem Laserfleck (6) pro Zeiteinheit überstrichener Flächeninhalt einen Mindestwert aufweist, der so groß ist, dass ein auf diesen Mindestwert und auf die genannte Zeiteinheit bezogene mittlere Strahlungsenergie des Laserstrahls (3) unterhalb eines für das Objekt (2) vorgegebenen Schwellwertes liegt, wobei dieser Schwellwert vorzugsweise so niedrig gewählt ist, dass eine Temperatur des Objekts (2) innerhalb des überstrichenen Flächeninhaltes zu jedem Zeitpunkt des Verfahrens unterhalb eines Schmelzpunktes des Objekts (2) liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Laserstrahl (3) ein Materialabtrag von der Oberfläche (5) des Objekts (2) hervorgerufen wird, wobei der Materialabtrag ausschließlich durch Ablation erfolgt und/oder ein Schmelzen des Objekts (2) am Laserfleck (6) vermieden wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillationsbewegung eine Sägezahnschwingung oder eine Dreieckschwingung ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillationsbewegung eine Periodendauer T aufweist, die aus einem ersten Periodenabschnitt der Dauer T₁, in dem die Oszillationsbewegung in Richtung der Translationsbewegung erfolgt, und einem zweiten Periodenabschnitt der Dauer T₂ = T – T₁, in dem die Oszillationsbewegung der Translationsbewegung entgegengesetzt ist, zusammensetzt ist, wobei der Ausdruck V₁·T₁/(V_t·(n·T – T₁)) – 1 betraglich kleiner als 0,05 ist, vorzugsweise kleiner als 0,01 und besonders bevorzugt kleiner als 0,001 ist, wobei V_t die Geschwindigkeit der Translationsbewegung und V₁ die Geschwindigkeit der Oszillationsbewegung in Richtung der Translationsbewegung V_t ist, und wobei n eine natürliche Zahl größer 1 ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserfleck (6) eine weitere Oszillationsbewegung ausführt, die quer zur Translationsbewegung verläuft, wobei eine Amplitude (A_t) der weiteren Oszillationsbewegung maximal 10%, bevorzugt maximal 1%, besonders bevorzugt maximal 0,1%, einer Amplitude (A_par) der erstgenannten Oszillationsbewegung beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (3) mit einer Pulsfrequenz (f_puls) gepulst wird, wobei ein durch PL = (1 – V/(f_puls·D)) definierter Pulsüberlapp einen Wert von mindestens 0,5, vorzugsweise von mindestens 0,7, besonders bevorzugt von mindestens 0,9, aufweist, wobei D einen Durchmesser des Laserflecks (6) und V eine momentane Geschwindigkeit des Laserflecks (6) auf der Oberfläche bezeichnen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (3) mit einer Pulsfrequenz (f_puls) gepulst wird, wobei die Pulsfrequenz größer als 10 kHz, größer als 100 kHz, größer als 1 MHz oder größer als 10 MHz ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (3) Laserpulse beinhaltet, wobei eine Pulsdauer der Laserpulse unter 50 ns liegt, vorzugsweise liegt die Pulsdauer in einem Bereich von 100 fs bis 10 ps.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillation des Laserstrahls (3) um die Mittellage mittels mindestens eines Galvanospiegels des Laserscanners, mittels mindestens eines entlang einer Linearachse angetriebenen gekrümmten Spiegels oder mittels mindestens eines elektrooptischen oder akustooptischen Deflektors des Laserscanners (4) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserfleck (6) auf der Oberfläche (5) des Objekts (2) einen Durchmesser aufweist, der weniger als 100 μm, vorzugsweise weniger als 60 μm beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Laserstrahls (3) ein Schnitt oder ein Graben in die Oberfläche (5) des Objekts (2) eingearbeitet wird, wobei der Schnitt oder der Graben eine Breite von maximal 40 μm, vorzugsweise von maximal 20 μm, oder weniger aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserscanner (4) einen Laserkopf umfasst, durch den hindurch der Laserstrahl (3) aus dem Laserscanner (4) austritt, wobei die Translationsbewegung des Laserflecks (6) auf der Oberfläche (5) des Objekts (2) hergestellt wird, indem der Laserkopf relativ zur Oberfläche (5) bewegt wird oder indem das Objekt (2) relativ zu dem Laserkopf bewegt wird.
Bearbeitungssystem (1) zum Bearbeiten eines Objekts (2) mit einem Laserstrahl, wobei das Bearbeitungssystem (1) einen Laserscanner (4) zum Ausrichten des Laserstrahls (3) auf eine Oberfläche (5) des Objekts, wobei der Laserscanner (4) eingerichtet ist, den Laserstrahl (3) so umzulenken, dass der Laserstrahl (3) um eine momentane Mittellage des Laserstrahls (3) oszilliert, wobei das Bearbeitungssystem eingerichtet ist, eine relative Ausrichtung zwischen dem Laserscanner (4) oder einem Teil des Laserscanners (4) und dem Objekt (2) so zu ändern, dass die momentane Mittellage des Laserstrahls (3) und die Oberfläche (5) des Objekts (2) relativ zueinander verschoben werden und dass der Laserfleck (6) auf der Oberfläche (5) des Objekts (2) eine Translationsbewegung und eine der Translationsbewegung überlagerte Oszillationsbewegung ausführt, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillationsbewegung des Laserflecks (6) tangential zur Translationsbewegung ausgerichtet ist.
Bearbeitungssystem nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungssystem ein Positioniereinheit (10) umfasst, die eingerichtet ist, den Laserscanner (4) oder den Teil des Laserscanners (4) relativ zum Objekt (2) zu verschieben oder das Objekt (2) relativ zu dem Laserscanner (4) oder dem Teil des Laserscanners (4) zu verschieben.
Bearbeitungssystem (1) nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1–16 auszuführen.