DE102013223250A1

DE102013223250A1 - Druckkopf, Druckvorrichtung und Verfahren zum Aufbringen eines Druckmediums auf ein Substrat, insbesondere eine photovoltaische Solarzelle

Info

Publication number: DE102013223250A1
Application number: DE102013223250.0A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Pospischil; Harald Gentischer; Martin Kuchler; Markus Klawitter; Florian Clement; Daniel Biro; Jan Specht
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2015-05-21
Also published as: EP3068626B1; WO2015071270A1; EP3068626A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckkopf zum Aufbringen eines Druckmediums auf ein Substrat, insbesondere eine Halbleiterstruktur wie ein photovoltaische Solarzelle, mit einem Druckkopfgehäuse und einem Ventilelement, wobei das Druckkopfgehäuse mindestens eine Zuführöffnung zum Zuführen von Druckmedium und eine Mehrzahl von Auslassöffnungen zum Ausgeben des Druckmediums aufweist, wobei das Ventilelement drehbar in dem Druckkopfgehäuse gelagert ist, um zwischen einem ersten Druck-Betriebszustand, in welchem die Zuführöffnung fluidleitend mit den Auslassöffnungen verbunden ist und einem zweiten Sperr-Betriebszustand, in welchem keine fluidleitende Verbindung zwischen Zuführöffnung und den Auslassöffnungen besteht, zu steuern. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkopf mindestens einen Spülmediumanschluss aufweist und das Ventilelement derart ausgebildet und drehbar in dem Druckkopfgehäuse gelagert ist, dass in einem dritten Spül-Betriebszustand der Spülmediumanschluss fluidleitend mit den Auslassöffnungen verbunden ist und in dem ersten und zweiten Betriebszustand keine fluidleitende Verbindung zwischen Spülmediumanschluss und den Auslassöffnungen besteht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckkopf, eine Druckvorrichtung und ein Verfahren zum Aufbringen eines Druckmediums auf ein Substrat, insbesondere eine Halbleiterstruktur wie beispielsweise eine photovoltaische Solarzelle, gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 9 und 11.
Bei industriellen Druckvorgängen, insbesondere bei der Herstellung von Halbleiterstrukturen ist es häufig wünschenswert, ein Druckmedium auf das Substrat aufzubringen. Solch ein Druckmedium kann eine Druckpaste sein, welche insbesondere einen Dotierstoff zur Dotierung eines oder mehrerer Bereiche der Halbleiterstruktur enthält, welche zur Ausbildung einer Maskierung für nachfolgende Prozessschritte dient und/oder welche Metallpartikel zum Ausbilden einer metallischen Kontaktstruktur enthält.
Das Substrat kann eine Halbleiterstruktur im Herstellungsprozess sein, beispielsweise zur Herstellung einer photvoltaischen Solarzelle oder einer LED-Struktur wie beispielsweise einer OLED-Struktur oder einer anorganischen LED-Struktur.
Es ist bekannt, Druckpaste mittels Siebdruckverfahren auf eine Halbleiterstruktur aufzubringen. Ebenso ist aus US 5,151,377 die Verwendung eines Dispensers zum Auftragen einer Paste bekannt, welche Metallpartikel enthält.
Aus EP 2 196 316 ist eine Druckvorrichtung mit einem Druckkopf bekannt, welcher Druckkopf eine Vielzahl von Auslassöffnungen aufweist, die mittels eines in dem Druckkopf angeordneten Ventilelementes verschlossen werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorbekannten Druckkopf, die den Druckkopf umfassende Druckvorrichtung sowie das Verfahren zum Aufbringen der Druckpaste dahingehend zu verbessern, dass eine erhöhte Präzision und Ausfallsicherheit erzielt wird.
Gelöst ist diese Aufgabe durch einen Druckkopf gemäß Anspruch 1, eine Druckvorrichtung umfassend solch einen Druckkopf gemäß Anspruch 9 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 12. Vorzugsweise Ausführungsformen des Druckkopfes finden sich in den Ansprüchen 2 bis 8, der Druckvorrichtung in den Ansprüchen 10 bis 11 und des Verfahrens in den Ansprüchen 13 bis 16. Hiermit wird der Wortlaut sämtlicher Ansprüche explizit per Referenz in die Beschreibung einbezogen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise zur Durchführung mittels des erfindungsgemäßen Druckkopfs und/oder der erfindungsgemäßen Druckvorrichtung, insbesondere einer vorzugsweisen Ausführungsform des Druckkopfes und/oder der Druckvorrichtung ausgebildet. Der erfindungsgemäße Druckkopf und die erfindungsgemäße Druckvorrichtung sind vorzugsweise zur Durchführung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet, insbesondere einer vorzugsweisen Ausführungsform hiervon.
Der erfindungsgemäße Druckkopf ist zum Aufbringen eines Druckmediums auf ein Substrat ausgebildet, insbesondere zum Aufbringen auf eine Halbleiterstruktur wie beispielsweise eine photovoltaische Solarzelle bei deren Herstellung.
Der Druckkopf weist ein Druckkopfgehäuse und ein Ventilelement auf. Das Druckkopfgehäuse umfasst mindestens eine Zuführöffnung zum Zuführen des Druckmediums und eine Mehrzahl von Auslassöffnungen zum Ausgeben des Druckmediums.
Das Ventilelement ist drehbar in dem Druckkopfgehäuse gelagert, um zwischen einem ersten Druck-Betriebszustand, in welchem die Zuführöffnung fluidleitend mit den Auslassöffnungen verbunden ist und einem zweiten Sperr-Betriebszustand, in welchem keine fluidleitende Verbindung zwischen Zuführöffnung und den Auslassöffnungen besteht, zu steuern.
Wesentlich ist, dass der Druckkopf mindestens einen Spülmediumanschluss aufweist und das Ventilelement derart ausgebildet und drehbar in dem Druckkopfgehäuse gelagert ist, fluidleitend mit den Auslassöffnungen verbunden ist und in dem ersten und zweiten Betriebszustand keine Verbindung, insbesondere keine fluitleitende Verbindung zwischen Spülmediumanschluss und den Auslassöffnungen besteht.
Die Erfindung ist in der Erkenntnis begründet, dass zum präzisen Ausgeben des Druckmediums an der Mehrzahl von Auslassöffnungen insbesondere bei Verwendung hochviskoser mit Fließgrenzen behafteter Druckmedien der Flussweg zwischen Ventil und Auslassöffnung vorteilhafterweise kurz ausgebildet wird. Weiterhin ergaben Versuche, dass eine präzise Kontrolle des Druckmediumstroms an mehreren parallelen Auslassöffnungen durch ein zentrales in einem gemeinsamen Zuführungskanal angeordnetes Ventil nicht mit ausreichender Präzision möglich ist. Wird hingegen für jede Auslassöffnung ein eigenes separates Ventil angeordnet, so verringert sich der Einfluss von Elastizitäten im System und zudem wird die Ausbildung von Druckgradienten zwischen Auslassöffnung bei An- und Abschaltvorgängen verhindert. Daher weist der erfindungsgemäße Druckkopf ein drehbar im Druckkopfgehäuse gelagertes Ventilelement auf, wobei durch Drehen des Ventilelements die Druckmediumausgabe an den Auslassöffnungen zugelassen oder unterbunden werden kann.
Ein weiterer Vorzug der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein selbstverstärkender Effekt wobei der Überdruck des Druckmediums in Verbindung mit der charakteristischen Formgebung der Verschlusswelle eine in Richtung der Auslassöffnungen gerichtete Kraft bewirkt, wodurch die Dichtheit des Ventils bei steigendem Druck zunimmt.
Die Untersuchungen ergaben jedoch weiterhin, dass ein hoher Durchsatz und eine hohe Präzision durch Verunreinigungen in den Flusswegen insbesondere zwischen Ventilelement und Auslassöffnungen behindert werden. Um einen hohen Durchsatz zu ermöglichen und eine Verringerung der Präzision der Druckmediumausgabe zu verhindern ist daher eine Reinigung des Druckkopfes, insbesondere der Flusswege zwischen Ventilelement und Auslassöffnungen notwendig.
Der erfindungsgemäße Druckkopf ermöglicht eine schnelle Reinigung, indem durch Drehen des Ventilelementes in den Spül-Betriebszustand über den Spülmediumanschluss in einfacher Weise Spülmedium zu der Mehrzahl von Auslassöffnungen geführt werden kann, so dass ein Spülen erfolgt, insbesondere der Flusswege unmittelbar vor den Auslassöffnungen. Die Umstellung zwischen den einzelnen Betriebszuständen erfolgt in einfacher Weise durch Drehen des Ventilelements, so dass in schneller Abfolge ein Reinigen des Druckkopfes z.B. zwischen zwei Druckmediumaufbringvorgängen erfolgen kann.
Hierdurch wird insbesondere ein industrieller Einsatz mit hoher Durchsatzrate und einem geringen Ausfallrisiko erzielt.
Vorzugsweise ist in dem Druckkopf eine Spülmediumleitung ausgebildet, mit einem Spülmediumanschluss und mindestens einem Spülmediumausgang, so dass in dem Spül-Betriebszustand der Spülmediumausgang des Ventilelements im Bereich zumindest einer Auslassöffnung angeordnet und fluidleitend mit dieser verbunden ist. Hierdurch wird in einfacher Weise die Zuführung von Spülmedium zu der Auslassöffnung gewährleistet.
Insbesondere ist es vorteilhaft, dass in dem Spül-Betriebszustand der Spülmediumausgang des Ventilelements im Bereich der Mehrzahl von Auslassöffnungen angeordnet und fluidleitend mit diesen verbunden ist. In dieser vorzugsweisen Ausführungsform überdeckt der Spülmediumausgang somit einen größeren Bereich, so dass im Spül-Betriebszustand die Mehrzahl von Auslassöffnungen fluidleitend mit dem Spülmediumausgang der Spülmediumleitung verbunden sind.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform weist die Spülmediumleitung für jede der Mehrzahl der Auslassöffnungen jeweils einen Spülmediumausgang auf, so dass in dem Spül-Betriebszustand jeder Spülmediumausgang im Bereich jeweils einer Auslassöffnung angeordnet und fluidleitend mit dieser verbunden ist. Hierdurch wird eine definierte Zuleitung von Spülmedium zu jeder Auslassöffnung erzielt.
Vorzugsweise ist die Spülleitung zumindest teilweise in dem Ventilelement ausgebildet. Hierdurch wird eine sichere Trennung der Fließwege zwischen Druckmedium einerseits und Spülmedium andererseits gewährleistet. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich hierbei, indem die Spülleitung zumindest teilweise als axiale Leitung, insbesondere als axiale Bohrung in dem Ventilelement ausgebildet ist. Bei dieser vorzugsweisen Ausführungsform kann das Spülmittel in einfacher Weise in das Ventilelement über die axiale Bohrung zugeführt werden. Weiterhin sind bevorzugt ausgehend von der axialen Bohrung eine in etwa radial angeordnete Ausnehmungen, insbesondere radiale Bohrungen vorgesehen, welche die axiale Bohrung im Spül-Betriebszustand jeweils mit einer Auslassöffnung fluidleitend verbinden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass durch eine axiale und für jede Auslassöffnung jeweils eine radiale Bohrung in dem Ventilelement in einfacher Weise die Spülmediumleitung ausgebildet werden kann.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform ist die Spülmediumleitung zwischen einer dem Ventil zugewandten Innenwand des Druckkopfgehäuses und dem Ventilelement ausgebildet, bevorzugt durch eine grabenartige Ausnehmung des Ventilelements. Vorzugsweise ist die Spülmediumleitung zumindest teilweise als Teilhohlzylinder zwischen Druckkopfgehäuse und Ventilelement ausgebildet, insbesondere durch eine teilhohlzylinderförmige Ausnehmung des Ventilelements. Hierbei ergibt sich der Vorteil, dass keine axiale Bohrung in dem Ventilelements erfolgen muss, was insbesondere bei langen Ventilelementen den Fertigungsprozess vereinfachen kann.
Bevorzugt ist hierbei der Spülmediumanschluss in dem Druckkopfgehäuse ausgebildet und derart angeordnet, dass in dem Spül-Betriebszustand der Spülmediumanschluss mit der Spülmittelleitung fluidleitend verbunden ist.
Vorzugsweise werden alle der Mehrzahl von Auslassöffnungen, insbesondere alle Auslassöffnungen gleichzeitig abgeschaltet, d.h. ein Umschalten zwischen den Betriebszuständen B und C für alle Auslassöffnungen erfolgt gleichzeitig.
Bei einigen Anwendungen ist es wünschenswert, dass eine oder mehrere der Auslassöffnungen wahlweise separat von den übrigen Auslassöffnungen abgeschaltet werden können.
Bei dieser vorzugsweisen Ausführungsform werden somit bevorzugt manche Auslassöffnungen zeitlich versetzt zu anderen abgeschaltet, insbesondere erfolgt ein Umschalten zwischen den Betriebszuständen B und C für eine Teilmenge der Auslassöffnungen (4) zeitlich versetzt zu den restlichen Auslassöffnungen.
Beispielsweise bei der Verwendung des Druckkopfes zum Aufbringen einer Druckpaste auf einer Halbleiterstruktur ist es bei nicht rechteckigen Halbleiterstrukturen wie beispielsweise Halbleiterstrukturen auf sogenannten pseudo square-Wafern wünschenswert, randständige Auslassöffnungen separat zu- und abzuschalten, so dass eine Druckmediumausgabe nur der randständigen Auslassöffnungen vermieden wird, wenn diese sich noch nicht über dem Halbleitersubstrat befinden.
Das Ventilelement ist daher vorzugsweise derart ausgebildet, dass in einem vierten Teildruck-Betriebszustand die Zuführöffnung nur mit einer Teilmenge der Mehrzahl von Auslassöffnungen fluidleitend verbunden ist, insbesondere, dass randständige Auslassöffnungen nicht in der Teilmenge enthalten sind. In dieser vorteilhaften Ausführungsform kann somit ebenfalls durch Verdrehen des Ventilelementes in einfacher Weise eine Ausgabe des Druckmediums nur an der Teilmenge der Mehrzahl von Auslassöffnungen erzielt werden.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, in weiteren vorteilhaften Ausführungsformen zusätzliche Teildruck-Betriebszustände vorzusehen, bei denen jeweils unterschiedliche Teilmengen der Mehrzahl von Auslassöffnungen fluidleitend mit der Zuführöffnung verbunden sind, wohingegen die nicht zu der jeweiligen Teilmenge gehörenden Auslassöffnungen nicht fluidleitend mit der Zuführöffnung verbunden sind. Hierdurch kann durch eine Mehrzahl von Teildruck-Betriebszuständen eine Anpassung an die gewünschte Form des Substrats, insbesondere der Halbleiterstruktur erzielt werden, insbesondere ist beispielsweise auch ein Auftrag von Druckmediumlinien auf runde oder vieleckige Substrate möglich.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine gemeinsame Fluidleitung zwischen Zuführöffnung und einer Mehrzahl von Auslassöffnungen ausgebildet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein höherer Druckmediumdurchsatz und damit eine geringere Gefahr von Verunreinigungen oder Verstopfungen in der gemeinsamen Fluidleitung vorliegen. Bei Ausbildung des Ventilelements mit Teildruck-Betriebszuständen wie zuvor beschrieben ist es insbesondere vorteilhaft, solche Auslassöffnungen, welche in allen Druck-Betriebszuständen fluidleitend mit der Zuführöffnung verbunden sind, über eine gemeinsame Fluidleitung mit der Zuführöffnung zu verbinden.
Vorzugsweise ist daher die gemeinsame Fluidleitung zwischen Zuführöffnung und der Teilmenge der Mehrzahl von Auslassöffnungen ausgebildet, insbesondere ist für die nicht in der Teilmenge enthaltenen Auslassöffnungen bevorzugt eine weitere Fluidleitung, insbesondere bevorzugt jeweils eine weitere Fluidleitung ausgebildet.
Um eine negative Beeinflussung des Druckmediums, insbesondere von hochviskosen Druckpasten zu vermeiden, ist vorzugsweise für jede Auslassöffnung jeweils eine Fluidleitung mit konstantem Querschnitt und vorzugsweise gleicher Kanalgeometrie zwischen Zuführöffnung und Auslassöffnung ausgebildet.
Vorzugsweise ist daher für jede Auslassöffnung ein Druckmediumkanal ausgebildet, welcher mit der Zuführöffnung in dem Druck-Betriebszustand fluidleitend verbunden ist und jeder Druckmediumkanal weist bevorzugt zumindest zwischen Ventilelement und Auslassöffnung einen konstanten Querschnitt auf. Insbesondere in einer vorzugsweisen Ausführungsform, in welcher jeder Druckmediumkanal zumindest teilweise als Ausnehmung des Ventilelements ausgebildet ist, weisen bevorzugt für jeden Druckmediumkanal das durch das Ventilelement ausgebildete Teilstück des Druckmediumkanals und das Teilstück des Druckmediumkanals zwischen Ventilelement und Auslassöffnung einen konstanten Querschnitt auf.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist weiterhin durch eine Druckvorrichtung gemäß Anspruch 10 gelöst.
Die erfindungsgemäße Druckvorrichtung zum Aufbringen eines Druckmediums auf ein Substrat, insbesondere auf eine Halbleiterstruktur, wie beispielsweise eine photovoltaische Solarzelle, weist ein Druckmediumreservoir und ein Druckmediumpumpmittel sowie einen erfindungsgemäßen Druckkopf, insbesondere eine vorzugsweise Ausführungsform hiervon, auf. Das Druckmediumpumpmittel ist fluidleitend mit dem Druckmediumreservoir und der Zuführöffnung des Druckkopfs verbunden, um Druckmedium zu dem Druckkopf zuzuführen.
Vorzugsweise umfasst die Druckvorrichtung ein Betätigungsmittel für das Ventilelement. Dieses Betätigungsmittel ist bevorzugt zum Drehen des Ventilelements relativ zu dem Druckkopfgehäuse ausgebildet. Um eine präzise Änderung der Betriebszustände zu ermöglichen, ist das Betätigungsmittel vorzugsweise ausgebildet, um das Ventilelement mit einer Umfangsgeschwindigkeit im Bereich von 10 mm/s bis 10 m/s zu drehen und/oder um Schaltzeiten zwischen den Betriebszuständen im Bereich 150 µs–150 ms zu ermöglichen.
Es liegt hierbei im Rahmen der Erfindung, an sich übliche Steuermittel, insbesondere eine Steuereinheit wie beispielsweise einen Mikroprozessor und/oder einen Computer vorzusehen, um den Druckvorgang zu steuern und hierbei insbesondere mittels Steuersignalen ein Drehen des Ventilelements mittels des Betätigungsmittels zu bewirken, um den jeweils gewünschten Betriebszustand einzustellen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist weiterhin durch ein Verfahren zum Aufbringen eines Druckmediums auf ein Substrat gemäß Anspruch 13 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufbringen eines Druckmediums auf ein Substrat, insbesondere auf eine Halbleiterstruktur wie eine photovoltaische Solarzelle erfolgt mittels eines erfindungsgemäßen Druckkopfes, insbesondere einer vorteilhaften Ausführungsform hiervon.
Das Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:
In einem Verfahrensschritt A erfolgt ein Einrichten des Druckkopfes in den Druck-Betriebszustand.
In einem Verfahrensschritt B erfolgt ein Zuführen des Druckmediums zu dem Druckkopf und Ausgeben des Druckmediums aus den Auslassöffnungen auf das Substrat.
In einem Verfahrensschritt C erfolgt ein Einrichten des Druckkopfes in den Sperr-Betriebszustand und ein Beenden der Zuführung von Druckmedium zu dem Druckkopf.
Wesentlich ist, dass in einem Verfahrensschritt D ein Einrichten des Druckkopfes in den Spül-Betriebszustand und ein Zuführen oder Abführen von Spülmedium zu dem Spülmediumanschluss erfolgt, so dass das Spülmedium den Druckkopf durchfließt und an den Auslassöffnungen austritt und somit ein Spülvorgang erfolgt.
Das Spülmedium wird vorzugsweise über den Spülmediumanschluss zugeführt, so dass der Spülmediumanschluss als Spülmediumeingang für den Druckkopf wirkt und das Spülmedium an den Auslassöffnungen ausgegeben wird. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, das Spülmedium über den Spülmediumanschluss abzuführen, insbesondere abzusaugen, so dass das Spülmedium über die Auslassöffnungen zugeführt und über den Spülmediumanschluss (als Spülemdiumausgang) abgeführt wird.
Vorzugsweise wird als Spülmedium Druckluft verwendet. Die Druckluft kann über den Spülmediumanschluss zugeführt, so dass Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, als Spülmedium ein Lösungsmittel, insbesondere Aceton, Isopropylalkohol und/oder Terpineol zu verwenden.
Insbesondere bei Verwendung von Druckluft als Spülmedium ist es vorteilhaft, die Druckluft über den Spülmediumanschluss abzusaugen. Denn hierdurch kann in einfacher Weise die Umgebungsluft zum Spülen verwendet werden und die Verunreinigungen werden nicht aus den Auslassöffnungen ausgegeben, sondern über den Spülmediumanschluss abgeführt.
Der erfindungsgemäße Druckkopf, die erfindungsgemäße Druckvorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind zur Beschichtung beliebiger Substrate, wie beispielsweise Silizium Wafer, insbesondere bei der Herstellung verschiedenartiger Halbleiterstrukturen einsetzbar. Insbesondere ist eine Verwendung bei der Herstellung von großflächigen Halbleiterstrukturen, wie LED, OLED oder photovoltaischen Solarzellen vorteilhaft, da hier häufig linienartige Strukturen durch Aufbringen von Druckmedium, insbesondere einer Druckpaste erzeugt werden sollen.
Insbesondere ist eine Verwendung zur Erzeugung von metallischen Kontaktierungsstrukturen, bevorzugt durch Verwendung einer Metallpartikel enthaltenden Druckpaste vorteilhaft. Solche metallischen Kontaktstrukturen werden insbesondere bei photovoltaischen Solarzellen verwendet. Typischerweise wird auf der bei Benutzung der Solarzelle der einfallenden Strahlung zugewandten Seite ein metallisches Kontaktierungsgitter zum Abführen der Ladungsträger angeordnet. Das Gitter weist typischerweise mehrere linienartig ausgebildete, parallele Kontaktierungsfinger auf. Insbesondere zur Herstellung dieser Kontaktierungsfinger ist der erfindungsgemäße Druckkopf, die erfindungsgemäße Druckvorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet.
Der Druckkopf ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass zwischen Auslassöffnungen und Halbleitersubstrat keine weitere Leitung für das Druckmedium angeordnet ist, d. h. dass das Druckmedium nach Austritt aus den Auslassöffnungen unmittelbar auf das Halbleitersubstrat aufgebracht wird.
Vorzugsweise ist der Druckkopf derart ausgebildet, dass der Flussweg zwischen Ventilelement und Auslassöffnung bei jeder der Mehrzahl von Auslassöffnungen jeweils kleiner 5 cm, bevorzugt kleiner 1 cm, insbesondere bevorzugt kleiner 0,3 cm ist.
Das Druckverfahren kann in an sich bekannter Weise, insbesondere wie in EP 2 196 316 B1 beschrieben ausgeführt werden. So wird typischerweise der Druckkopf relativ zu dem Halbleitersubstratz und insbesondere senkrecht zu einer Längserstreckung des Druckkopfes bewegt während des Druckvorgangs bewegt, um ein Auftragen mehrerer paralleler, linienartiger Druckmedienstränge auf dem Halbleitersubstrat zu erzielen.
Die Ausführungsöffnungen sind vorzugsweise entlang einer Gerade angeordnet. Weitere vorzugsweise Merkmale und Ausführungsformen werden im Folgenden anhand der Figuren und von Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigt:
1a bis 1c ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckkopfs;
2a bis 2c ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckkopfs und
3 eine perspektivische Darstellung eines Anwendungsbeispiels eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Druckkopfs.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugselemente gleiche oder gleichwirkende Elemente.
In den 1a bis 1c ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckkopfes schematisch dargestellt.
1a und 1b sowie 2a und 2b zeigen radiale Schnittbilder; 1c sowie 2c zeigen jeweils ein axiales Schnittbild.
Der Druckkopf gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weist ein Druckkopfgehäuse 1 auf, welches eine zylindrische Ausnehmung aufweist. In der zylindrischen Ausnehmung ist ein Ventilelement 2 drehbar gelagert. Die Drehung kann in den 1a und 1b in oder gegen den Uhrzeigersinn um einen in 1a dargestellten Drehpunkt D erfolgen. Entsprechend ist in 1c die Drehachse D des Ventilelements 2 dargestellt.
Das Druckkopfgehäuse 1 weist eine Zuführöffnung 3 zum Zuführen von Druckmedium auf. Weiterhin weist das Druckkopfgehäuse 1 eine Vielzahl von Auslassöffnungen 4 zum Ausgeben des Druckmediums auf. Exemplarisch sind in 1c die randständigen Auslassöffnungen 4a und 4b sowie zwei mittlere Auslassöffnungen 4 gekennzeichnet.
Wie bereits beschrieben, ist das Ventilelement 2 drehbar in dem Druckkopfgehäuse 1 gelagert. 1a zeigt hierbei die Drehstellung eines Druck-Betriebszustands: In dieser Drehstellung kann ein Druckmedium wie beispielsweise eine Druckpaste über die Zuführöffnung 3 zugeführt werden (Flussweg durch Pfeile gekennzeichnet), das Druckmedium durchläuft eine Leitungsstrecke, welche zwischen Ventilelement 2 und einer Innenwand des Druckkopfgehäuses 1 ausgebildet ist und tritt schließlich an den Auslassöffnungen 4 aus.
Wie in 1 ersichtlich, überdeckt die Zufuhröffnung 3 in axialer Richtung die gesamte druckaktive Breite des Druckkopfs. Das Ventilelement 2 weist hingegen für jede Auslassöffnung 4 jeweils eine teilringartige Ausnehmung (in Form eines Teilhohlzylinders mit rechteckigem Querschnitt) auf, siehe exemplarisch die Bezugszeichen 2a und 2b für die randständigen teilringartigen Ausnehmungen des Ventilelements 2 in 1c). Das Druckmedium wird somit mittels der einen Zuführöffnung 3 zugeführt und durch die teilringartigen Ausnehmungen 2a, 2b jeweils einer Auslassöffnung 4 zugeführt.
In einem zweiten Sperr-Betriebszustand wird das Ventilelement 2 gegenüber dem Druckkopfgehäuse 1 gedreht, so dass der in 1a mit S gekennzeichnete Bereich des Ventilelements 2 die Auslassöffnungen 4 überdeckt und somit die Druckmediumausgabe unterbrochen ist.
In 1b ist schließlich ein dritter Spül-Betriebszustand dargestellt:
Das Ventilelement 2 weist einen Spülmediumanschluss 5 auf, welcher in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 als axiale Bohrung des Ventilelementes 2 ausgebildet ist. Weiterhin weist das Ventilelement 2 zu jeder Auslassöffnung 4 jeweils eine als radiale Bohrung ausgebildete radiale Spülmediumleitung 6 auf.
Wie in 1b ersichtlich, wird im Spül-Betriebszustand das Ventilelement 2 derart gedreht, dass die radiale Spülmediumleitung 6 jeweils mit der zugeordneten Auslassöffnung 4 fluidleitend verbunden ist. In diesem Betriebszustand kann somit Spülmittel über den Spülmediumanschluss 5 zugeführt werden, welches die axiale Spülmittelleitung durchläuft und über die jeweiligen radialen Spülmittelleitungen 4 zu den Auslassöffnungen 4 gelangt, so dass ein Spülen des Druckkopfs erfolgt.
Der Druckkopf gemäß 1 ermöglicht somit eine Ausgabe von Druckmedium sowie eine präzise Abschaltung und eine Spülung lediglich abhängig von der Drehstellung des Ventilelements 2 relativ zu dem Druckkopfgehäuse 1.
Für die Verwendung hochviskoser Pasten als Druckmedium ist es vorteilhaft, dass der Abstand A zwischen Ventilelement 2 und den Auslassöffnungen 4 gering ist. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand A 0,5 mm.
Die gestrichelte Linie 7 gemäß 1a beschreibt eine vorzugsweise Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels mit Randabschaltung:
In diesem Ausführungsbeispiel sind die teilringartigen Ausnehmungen 2a, 2b des Ventilelements 2 unterschiedlich zu den verbleibenden teilringartigen Ausnehmungen ausgeführt: Die randständigen teilringartigen Ausnehmungen übergreifen einen geringeren Winkelbereich verglichen mit den übrigen teilringartigen Ausnehmungen. Wie in 1A ersichtlich, übergreift die nicht gestrichelt dargestellte teilringartige Ausnehmung einen Winkelbereich über 200°, wohingegen die teilringartige Ausnehmung 2b, welche an der gestrichelten Linie 7 endet, einen Winkelbereich kleiner 200° überdeckt.
Bei der in 1a dargestellten Drehstellung des Ventilelementes 2 ist somit ein Teildruck-Betriebszustand dargestellt: die randständigen Auslassöffnungen 4a und 4b sind durch das Ventilelement verschlossen (es besteht keine fluidleitende Verbindung zwischen Zuführöffnung 3 und den Auslassöffnungen 4a und 4b, da wie in 1a ersichtlich, der Flussweg der Druckpaste an der gestrichelten Linie 7 endet.
In diesem Teildruck-Betriebszustand erfolgt somit keine Druckmediumausgabe an den Auslassöffnungen 4a und 4b, sondern lediglich an den verbleibenden Auslassöffnungen 4. Hierdurch ist beispielsweise die Ausbildung metallischer Kontaktierungsfinger auch Pseudo Square-Wafer mit entsprechend kürzeren Fingern in den Randbereichen des Wafers möglich.
Wird das Ventilelement 2 hingegen weiter im Uhrzeigersinn gemäß 1a gedreht, so dass der mit der gestrichelten Linie 7 gekennzeichnete Bereich am linken Rand der Auslassöffnung 4 angeordnet ist, so kann Druckmedium aus sämtlichen Auslassöffnungen 4 ausgegeben werden.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckkopfs dargestellt. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird nachfolgend lediglich auf die wesentlichen Unterschiede gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel eingegangen:
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckkopfs ist die Spülmediumleitung teilweise zwischen Ventilelement 2 und Innenwand des Druckkopfgehäuses 1 ausgebildet. Entsprechend ist der Spülmediumanschluss 5 in dem Druckkopfgehäuse ausgebildet, so dass in der Spül-Betriebsstellung gemäß 2b eine fluidleitende Verbindung zwischen Spülmediumanschluss 5 und Auslassöffnung 4 besteht. Der Flussweg zwischen Zuführöffnung 3 und Auslassöffnung 4 ist in diesem Betriebszustand entsprechend gesperrt.
Umgekehrt ist in dem in 2a dargestellten Druck-Betriebszustand der Flussweg zwischen Spülmediumanschluss 5 und Auslassöffnung 4 ebenso wie der Flussweg zwischen Zuführöffnung 3 und Spülmediumanschluss 5 gesperrt, wohingegen eine fluidleitende Verbindung zwischen Zuführöffnung 3 und Auslassöffnung 4 besteht.
In 3 ist schließlich ein Anwendungsbeispiel schematisch und perspektivisch dargestellt zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Druckvorrichtung und eines erfindungsgemäßen Verfahrens:
Zur Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle wird auf einem Pseudo Square-Wafer W Metallpartikel enthaltende Druckpaste in einer Mehrzahl parallelen Linien aufgetragen, um metallische Kontaktierungsfinger auszubilden.
Hierzu wird der Wafer W in der mit einem Pfeil gekennzeichneten Dispenserichtung unter dem Druckkopfgehäuse 1 hindurchbewegt. Der Druckkopf kann gemäß 1 oder 2 ausgebildet sein.
Der Druckkopf ist Teil einer erfindungsgemäßen Druckvorrichtung, welche weiterhin ein Druckmediumreservoir 7 mit integriertem Druckmediumpumpmittel aufweist, so dass über eine Leitung Druckmedium der Zuführöffnung 3 des Druckkopfgehäuses 1 zuführbar ist.
Hierbei wird durch Drehen des Ventilelementes 2 mittels eines als Elektromotor ausgebildeten Betätigungsmittels 8 zunächst ein Teildruck-Betriebszustand eingestellt, so dass an den randständigen Auslassöffnungen kein Druckmedium ausgegeben wird. Im Bereich der abgeschrägten Ecken (zwei der vier abgeschrägten Ecken sind durch gestrichelte Kreise markiert) des Pseudo Square-Wafers wird somit zunächst kein Druckmedium aufgetragen.
Sobald der Wafer W in voller Breite unter dem Druckkopf angeordnet ist, wird durch Drehen des Ventilelements 2 der Druck-Betriebszustand eingestellt, in welchem über sämtliche Auslassöffnungen 4 Druckmedium ausgegeben wird. Sobald die gegenüberliegenden abgeschrägten Ecken des Pseudo Square-Wafers in den Bereich unter den Druckkopf gelangen, wird wiederum durch Drehen des Ventilelements 2 der Teildruck-Betriebszustand eingestellt, so dass lediglich über die nichtrandständigen Auslassöffnungen Druckmedium ausgegeben wird. Ist schließlich der gesamte Wafer bedruckt, so wird wiederum durch Drehen des Ventilelementes 2 der Sperr-Betriebszustand eingestellt, so dass kein Druckmedium aus den Auslassöffnungen mehr austritt.
Das Betätigungsmittel kann auch als Magnetschalter oder Pneumatikzylinder ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Betätigungsmittel ausgebildet um Schaltzeiten zwischen den Betriebszuständen im Bereich 150 µs bis 150 ms zu ermöglichen.
Nach Durchlaufen des Wafers wird eine Spülmedium-Auffangschale unter den Druckkopf gefahren und durch Drehen des Ventilelementes 2 wird der Spül-Betriebszustand hergestellt. Mittels einer Druckluftquelle 9 wird Druckluft zu einem Spülmediumanschluss 5 des Druckkopfes geleitet, welche über die Spülmediumleitung zu allen Auslassöffnungen 4 geleitet wird, so dass eine Reinigung des Druckkopfes und insbesondere sämtlicher Auslassöffnungen 4 erfolgt.
Anschließend wird durch Drehen des Ventilelementes 2 wieder der Teildruck-Betriebszustand eingestellt und der nächste Wafer kann bedruckt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5151377 [0004]
EP 2196316 [0005]
EP 2196316 B1 [0051]

Claims

Druckkopf zum Aufbringen eines Druckmediums auf ein Substrat, insbesondere eine Halbleiterstruktur wie eine photovoltaische Solarzelle, mit einem Druckkopfgehäuse (1) und einem Ventilelement (2), wobei das Druckkopfgehäuse mindestens eine Zuführöffnung (3) zum Zuführen von Druckmedium und eine Mehrzahl von Auslassöffnungen (4) zum Ausgeben des Druckmediums aufweist, wobei das Ventilelement drehbar in dem Druckkopfgehäuse (1) gelagert ist, um zwischen einem ersten Druck-Betriebszustand, in welchem die Zuführöffnung fluidleitend mit den Auslassöffnungen (4) verbunden ist und einem zweiten Sperr-Betriebszustand, in welchem keine fluidleitende Verbindung zwischen Zuführöffnung (3) und den Auslassöffnungen besteht, zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkopf mindestens einen Spülmediumanschluss (5) aufweist und das Ventilelement (2) derart ausgebildet und drehbar in dem Druckkopfgehäuse (1) gelagert ist, dass in einem dritten Spül-Betriebszustand der Spülmediumanschluss fluidleitend mit den Auslassöffnungen (4) verbunden ist und in dem ersten und zweiten Betriebszustand keine fluidleitende Verbindung zwischen Spülmediumanschluss (5) und den Auslassöffnungen (4) besteht.
Druckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Druckkopf eine Spülmediumleitung ausgebildet ist, mit einem Spülmediumanschluss (5) und mindestens einem Spülmediumausgang, so dass in dem Spül-Betriebszustand der Spülmediumausgang des Ventilelements im Bereich zumindest einer Auslassöffnungen (4) angeordnet und fluidleitend mit dieser verbunden ist, vorzugsweise, dass in dem Spül-Betriebszustand der Spülmediumausgang des Ventilelements im Bereich der Mehrzahl von Auslassöffnungen (4) angeordnet und fluidleitend mit diesen verbunden ist und/oder dass die Spülmediumleitung für jede Auslassöffnung jeweils einen Spülmediumausgang aufweist und dass in dem Spül-Betriebszustand jeder Spülmediumausgang im Bereich jeweils einer Auslassöffnung angeordnet und fluidleitend mit dieser verbunden ist.
Druckkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spülmediumleitung zumindest teilweise in dem Ventilelement (2) ausgebildet ist, insbesondere als axiale Leitung, bevorzugt axiale Bohrung in dem Ventilelement (2) ausgebildet ist.
Druckkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spülmediumleitung zwischen einer dem Ventilelement (2) zugewandten Innenwand des Druckkopfgehäuses und dem Ventilelement (2) ausgebildet ist, insbesondere durch eine Grabenartige Ausnehmung des Ventilelements.
Druckkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spülmediumanschluss (5) in dem Druckkopfgehäuse (1) ausgebildet und derart angeordnet ist, dass in dem Spül-Betriebszustand der Spülmediumanschluss (5) mit der Spülmittelleitung fluidleitend verbunden ist.
Druckkopf nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vierten Teildruck-Betriebszustand die Zuführöffnung (3) nur mit einer Teilmenge der Mehrzahl von Auslassöffnungen (4) fluidleitend verbunden ist, insbesondere, dass randständige Auslassöffnungen (4) nicht in der Teilmenge enthalten sind.
Druckkopf nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsame Fluidleitung zwischen Zuführöffnung (3) und einer Mehrzahl von Auslassöffnungen (4) ausgebildet ist.
Druckkopf nach Anspruch 6 und Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Fluidleitung zwischen Zuführöffnung (3) und der Teilmenge der Mehrzahl von Auslassöffnungen (4) ausgebildet ist, insbesondere, dass für die nicht in der Teilmenge enthaltenen Auslassöffnungen (4) mindestens eine weitere Fluidleitung ausgebildet ist, vorzugsweise, dass für jede nicht in der Teilmenge enthaltene Auslassöffnung jeweils eine weitere Fluidleitung ausgebildet ist.
Druckvorrichtung zum Aufbringen eines Druckmediums auf ein Substrat, insbesondere eine Halbleiterstruktur wie eine photovoltaische Solarzelle, mit einem Druckmediumreservoir (7) und einem Druckmediumpumpmittel und einem Druckkopf gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Druckmediumpumpmittel fluidleitend mit dem Druckmediumreservoir (7) und der Zuführöffnung (3) des Druckkopfs verbunden ist, zum Zuführen von Druckmedium zu dem Druckkopf.
Druckvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckvorrichtung ein Betätigungsmittel für das Ventilelement (2) umfasst, insbesondere, dass das Betätigungsmittel zum Drehen des Ventilelementes relativ zu dem Druckkopfgehäuse (1) ausgebildet ist.
Druckvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckvorrichtung eine Steuereinheit umfasst, welche derart mit dem Betätigungsmittel zusammenwirkend ausgebildet ist, dass mittels der Steuereinheit für jeden Betriebszustand eine Drehstellung des Ventilelementes relativ zu dem Druckkopfgehäuse (1) vorgebbar ist.
Verfahren zum Aufbringen eines Druckmediums auf ein Substrat, insbesondere eine Halbleiterstruktur wie eine photovoltaische Solarzelle, mittels eines Druckkopfs nach einem der Ansprüche 1 bis 9, folgende Verfahrensschritte umfassend: A Einrichten des Druckkopfs in dem Druck-Betriebszustand; B Zuführen des Druckmediums zu dem Druckkopf und Ausgeben des Druckmediums aus den Auslassöffnungen (4) auf das Substrat; C Einrichten des Druckkopfs in dem Sperr-Betriebsszustand und Beenden der Zuführung von Druckmedium zu dem Druckkopf; dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verfahrensschritt D ein Einrichten des Druckkopfs in dem Spül-Betriebszustand und Zuführen von Spülmedium zu dem Spülmediumanschluss (5) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umschalten zwischen den Betriebszuständen B und C für alle Auslassöffnungen (4) gleichzeitig erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umschalten zwischen den Betriebszuständen B und C für eine Teilmenge der Auslassöffnungen (4) zeitlich versetzt zu den restlichen Auslassöffnungen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Spülmedium eines oder mehrere aus der Gruppe – Gase, insbesondere Luft, – Lösungsmittel, insbesondere Aceton und/oder Terpineol – Verdünner, insbesondere ein bereits im Druckmedium enthaltener Stoff verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt D an dem Spülmediumanschluss (5) ein Absaugen des Spülmediums erfolgt.