DE4207169A1 - Laserbearbeitungsverfahren fuer ein werkstueck mit nicht ebener oberflaeche - Google Patents

Description

Materialbearbeitungsverfahren wie zum Beispiel Bohren, Schnei­ den oder Schweißen, die zur Materialformung, zum Materialab­ trag oder zum Verbinden von Materialien geeignet sind, lassen sich in einfacher Weise mit Lasern durchführen. Auch Oberflä­ chenbearbeitung ohne Verformungen wie Aufschmelzen oder allge­ mein Erhitzen von Material sind mit Lasern möglich. Allgemein wird unter Laserbearbeitungsverfahren ein Verfahren verstan­ den, bei dem mit Hilfe eines Lasers Energie in das Material eines Werkstücks eingekoppelt wird.

Zur Bearbeitung eines Werkstücks kann der Laser stationär an­ geordnet sein, ist aber vorzugsweise relativ zum Werkstück be­ weglich. Da eine effektive Laserbearbeitung nur mit einer fo­ kussierenden Optik möglich ist, muß bei der Bearbeitung stets auf die richtige Fokussierung des Laserstrahls relativ zum Ar­ beitspunkt auf dem Werkstück geachtet werden. Bei falscher Fo­ kussierung und somit falschem Abstand des Lasers bzw. der La­ seroptik zum Werkstück wird zu wenig oder zu viel Energie in das Material des Werkstücks eingekoppelt. Somit hängen Erfolg und Qualität des Bearbeitungsverfahrens von der richtigen Fokuseinstellung ab.

Bei Werkstücken mit ebener Oberfläche ist nur eine einmalige Einstellung der Fokussierung erforderlich, die während der ge­ samten Bearbeitung erhalten bleibt, wenn die Relativbewegung zwischen Laser und Werkstück ausschließlich horizontal bzw. in einer Ebene parallel zur Oberfläche des Werkstücks durchge­ führt wird.

Bei unebenen oder gekrümmten Oberflächen ist neben der hori­ zontalen Relativbewegung noch eine vertikale Nachführung des Lasers erforderlich. Diese kann bei regelmäßigen Werkstückober­ flächen programmiert werden, was aber aufwendig und mit einem Unsicherheitsfaktor behaftet ist. Besser reproduzierbare Er­ gebnisse werden bei unregelmäßigen Oberflächen erhalten, wenn die Nachführung automatisch geregelt wird, wobei eine verän­ derte Fokussierung durch einen Abstandssensor erfaßt wird, der die Nachführeinrichtung des Lasers steuert.

Aus geometrischen Gründen wird eine sichere Fokussierung nur dann erreicht, wenn die Abstandsmessung im Arbeitspunkt des Lasers auf der Werkstückoberfläche erfolgt. Dazu stehen eine Vielzahl berührungsloser physikalischer Meßmethoden zur Ver­ fügung.

Bei optischen Meßverfahren tritt das Problem auf, daß der Ab­ standssensor vom Arbeitslaser bzw. von dem an der Werkstück­ oberfläche erzeugten Plasma geblendet und somit gestört wird.

Nicht optische Abstandssensoren bedürfen einer Spezialkonstruk­ tion, die einen zentralen Durchgang für den Laserstrahl aufwei­ sen, um symmetrisch um den Bearbeitungsort (Laserfokus) messen zu können.

Für Laserbearbeitungsverfahren bekannte und in der Fertigung eingesetzte Meßsysteme bestimmen den Abstand des Lasers zur Substratoberfläche auf kapazitivem Wege und werden in einer Entfernung von ca. 3 bis 5 mm vom Bearbeitungsort eingesetzt. Dadurch entsteht bei sphärischen Substraten ein Höhenfehler, der vom Steigungswinkel der Oberfläche abhängig ist. Außerdem bedingt der geringe Abstand des Sensors zur Werkstückoberfläche einen hohen Regelungsaufwand und führt an Stufen oder Kanten auf oder an dem Werkstück zu Problemen oder gar Kollisionen des Werkstücks mit dem Laser. Ein solches Meßverfahren ist da­ her nur für schwach gekrümmte Werkstücke anwendbar und redu­ ziert die Bearbeitungsgeschwindigkeit. Außerdem ist eine Ver­ schmutzung des Sensors bei dem geringen Abstand vom Werkstück unvermeidlich und kann zu verfälschten Meßwerten führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Laserbe­ arbeitungsverfahren anzugeben, welches auch für Werkstücke mit unregelmäßiger oder stark gekrümmter Oberfläche anwendbar ist, gegenüber bekannten Verfahren eine erhöhte Bearbeitungsgeschwin­ digkeit zuläßt und welches eine hohe Meßgenauigkeit und somit eine hohe und reproduzierbare Qualität des Arbeitsergebnisses liefert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Es wird ein optisches Sensorsystem vorgeschlagen, das die Pau­ sen zwischen den einzelnen Laserpulsen zur Abstandsmessung nutzt. Die Lebensdauer des vom Laserpuls des ersten Lasers er­ zeugten Plasmas beträgt beispielsweise einige 10 Nanosekunden, so daß selbst bei hohen Repetitionsraten des ersten Lasers zwischen den Pulsen eine Blendung des optischen Sensors nicht erfolgt. Daher ist bis zu Pulsfrequenzen von 10⁵ Hertz eine sichere optische Abstandsbestimmung zwischen zwei Laserpulsen möglich.

Als Sensoren kommen alle bekannten Typen in Betracht. Es ist dabei lediglich zu beachten, daß die Messung phasenverschoben zwischen den einzelnen Laserpulsen erfolgt, bzw. daß bei kon­ tinuierlicher Messung die Auswertung des Meßsignals ausschließ­ lich zwischen den Laserpulsen vorgenommen wird. Wird als Ab­ standssensor ein zweiter Laser in Verbindung mit einem Photo­ detektor verwendet, läßt sich mit einer entsprechend feinstu­ figen Nachführeinrichtung eine sichere und genaue Fokussierung mit einer Toleranz von weniger als ± 10 µm erzielen.

In vorteilhafter Weise ist dieser zweite Laser ebenfalls ge­ pulst und weist die gleiche Pulsfrequenz wie der erste Laser auf. Durch eine einfache Elektronik, zum Beispiel mittels einer Lock-in-Schaltung kann der zweite Laser phasenverschoben mit dem ersten synchronisiert werden. Beide Laser können dabei von einer gemeinsamen Elektronik gesteuert werden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der zweite Laser mittels eines Spiegels in den Strahlengang des ersten Lasers eingekoppelt, wobei die Messung zum Teil über die Optik des ersten Lasers erfolgt.

Weniger aufwendig und variabler durchzuführen ist es jedoch, die Messung mit einem vollständig vom ersten Laser getrennten Sensor durchzuführen, wobei der Strahlengang des ersten Lasers mit dem des zweiten Lasers einen spitzen Winkel bildet. In allen Fällen ist es jedoch erforderlich, den Sensor am ersten Laser zu fixieren oder anderweitig zu garantieren, daß der Sensor eine mit dem ersten Laser synchrone Relativbewegung zum Werkstück durchführt.

Als Meßverfahren zur Abstandsbestimmung wird zum Beispiel ein Triangulations- oder ein Schneidenverfahren eingesetzt, bei denen das Licht des zweiten oder Meßlasers in Abhängigkeit vom Abstand zum Werkstück unterschiedlich abgelenkt wird und wobei die Ablenkung über einen positionsempfindlichen Photodetektor bestimmt wird.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren und eine dazu geeignete Anordnung anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen zwei Figuren näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 die erfindungsgemäße Anordnung, während in Fig. 2 das Pulsdiagramm der beiden Laser dargestellt ist.

Ausführungsbeispiel:

Bei der Herstellung von Dünnfilmsolarmodulen werden die strom­ generierende Halbleiterschicht und die stromableitenden Elek­ troden zunächst ganzflächig auf einem Substrat abgeschieden.

Da mit steigender Substratgröße die so erzeugte einzelne Solar­ zelle eine Verschlechterung in der Strom/Spannungscharakte­ ristik und im Wirkungsgrad aufweist, wird sie auf dem Modul in Einzelzellen unterteilt und integriert serienverschaltet. Für diesen auch Strukturierung genannten Prozeß wird bei Solarmo­ dulen aus amorphem Silizium (a-Si:H) als Werkzeug ein gepulster Laser verwendet, beispielsweise ein Nd-YAG Laser mit einer Frequenz von 5 bis 25 Kilohertz. In Abhängigkeit von der Brennweite des fokussierenden Objektivs, der Wellenlänge und der Energiedichte des eingesetzten Lasers müssen für den zur Strukturierung erforderlichen Materialabtrag enge Toleranzwer­ te bei der Nachführung des Lasers eingehalten werden, um eine saubere und enge Schnittführung beim Materialabtrag zu erhal­ ten. Für das gewählte Beispiel sind zur Strukturierung eines a-Si:H Solarmoduls bei einer Brennweite des Objektivs von 60 mm Toleranzen von ± 50 µm einzuhalten.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der als Werkstück WS ein Dünnfilmsolarmodul mit gekrümmter Oberfläche OF mittels eines ersten Lasers L1 strukturiert wird. Dazu wird ein frequenzverdoppelter Nd-YAC Laser (532 nm) mit einer Repe­ titionsrate von 20 Kilohertz verwendet. Das Objektiv O1 im Ar­ beitspunkt AP auf der Oberfläche OF des Werkstücks WS. Ein zweiter Laser L2, zum Beispiel ein Heliumneonlaser oder eine Galliumarsenidlaserdiode (870 nm) wird mit einer zweiten Optik O21 ebenfalls im Arbeitspunkt AP fokussiert. Das von der Ober­ fläche OF reflektierte Licht wird mit einem zweiten Objektiv O22 gebündelt und auf einen positionsempfindlichen Photodetek­ tor PD gerichtet. Für die beiden Laser L1 und L2 ist eine ge­ meinsame Steuerelektronik SE vorgesehen, die die beiden Laser mit der gleichen Frequenz betreibt. Mittels einer Trigger- oder Lock-in-Schaltung innerhalb der Steuerelektronik SE wer­ den die Pulse des zweiten Lasers L2 in die Mitte zwischen zwei Pulse des ersten Lasers L1 gesetzt. Bei einer Halbwertsbreite der Laserpulse des ersten Lasers von ca. 500 Nanosekunden und einer nur unwesentlich längeren Abklingzeit des Plasmas, das im Fokus des Lasers L1 am Arbeitspunkt AP erzeugt wird, bleibt für die zeitliche Anordnung des zweiten Laserpulses ein Inter­ vall im Millisekundenbereich. So kann das vom zweiten Laser L2 im Photodetektor PD erzeugte Meßsignal einwandfrei vom Laser­ puls des ersten Lasers L1 separiert werden. Der positionsemp­ findliche Photodetektor PD, zum Beispiel Photodiodenarray lie­ fert ein vom Abstand zum Arbeitspunkt AP abhängiges Meßsignal. Dieses wird in der Regeleinheit RE mit einem vorgegebenen Soll­ wert verglichen und erzeugt bei Abweichung ein Steuersignal. Über dieses korrigiert die Nachführeinrichtung NE den Abstand der Anordnung zum Werkstück bzw. zum Arbeitspunkt auf dem Werk­ stück. Dazu wird eine Relativbewegung in der gesamten Anordnung zum Werkstück in Richtung NR durchgeführt.

Ein Nachführen der Anordnung ist spätestens dann erforderlich, wenn eine horizontale Relativbewegung in Richtung RB zwischen Werkstück und Laseranordnung erfolgt, zum Beispiel um einen zur Strukturierung des Solarmoduls (Werkstück) erforderlichen Graben quer über das gesamte Werkstück WS durch zumindest eine der Schichten auf der Oberfläche des Moduls. Aufgrund der ge­ krümmten Oberfläche ist nach einer Relativbewegung RP ein Nach­ fokussieren durch die Nachführungeinrichtung NE erforderlich.

In Fig. 2 ist die Impulsverteilung der beiden Laser über die Zeit aufgetragen und stellt eine Möglichkeit dar, wie die bei­ den Laserphasen gekoppelt werden können. Die Laserpulse LP des ersten Lasers sind dabei einschließlich des vom Plasma erzeug­ ten Streulichtes dargestellt und weisen eine Halbwärtsbreite T1 von ca. 500 Nanosekunden auf. Zwischen den beiden darge­ stellten Laserpulsen LP auf der nicht maßstabsgerechten Zeit­ achse t ist der Puls ML des Meßlasers L2 angeordnet. Auch des­ sen Pulsbreite P2 liegt in einer vergleichbaren Größenordnung, während der Abstand P3 zwischen den beiden Laserpulsen LP maximal 50 Mikrosekunden beträgt. So ist es möglich, im Photo­ detektor PD bzw. in der Regeleinheit RE das Meßsignal ML ein­ deutig von den Laserpulsen LP zu trennen.

Die in der Fig. 1 dargestellte Anordnung benutzt zur Abstands­ bestimmung ein Triangulationsverfahren als Meßmethode und er­ laubt gegenüber einer bekannten Laseranordnung mit kapazitiver Abstandsbestimmung eine deutliche höhere Arbeitsgeschwindigkeit bezüglich der Relativbewegung RB. Der Abstand des Lasers L1 vom Arbeitspunkt AP kann bis auf eine Genauigkeit von ± 10 µm geregelt werden und erlaubt so scharfe und schmale Schnitte mit einer Breite von zum Beispiel 25 µm. Dies führt bei der Strukturierung des Solarmoduls (WS) zu einem nur geringen Ver­ lust an aktiver Halbleiterschicht.

Claims (9)

1. Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstückes mit nicht ebener Oberfläche, bei dem ein gepulster Strahl eines ersten Lasers zur Bearbeitung auf das Werkstück gerichtet wird, wobei

• - eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem ersten Laser durchgeführt wird,
• - der Abstand zwischen erstem Laser und Werkstück mit einem optischen Sensor zwischen zwei Laserpulsen bestimmt wird,
• - der gemessene Abstand mit einem Sollwert verglichen und ge­ gebenenfalls
• - mittels einer Nachführeinrichtung neu auf den Sollwert ein­ gestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein gepulster zweiter Laser und ein positionsempfindlicher Photodetektor als Sensor für die Abstandsmessung verwendet wird, wobei die Frequenzen von erstem und zweitem Laser übereinstimmen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der zweite Laser mittels einer Lock-in-Schaltung mit dem ersten Laser phasen­ verschoben synchronisiert ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der zweite Laser mittels eines Spiegels in den Strahlengang des ersten Lasers eingekoppelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Ab­ standsmessung mittels eines Triangulationsverfahrens erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Ab­ standsmessung über ein Schneidenverfahren erfolgt.

7. Anordnung zur Laserbearbeitung von Werkstücken mit nicht ebener Oberfläche mit

• - einem ersten Laser zur Bearbeitung,
• - Mitteln zur Durchführung einer horizontalen Relativbewegung zwischen Werkstück und erstem Laser,
• - einem Sensor zur optischen Bestimmung des Abstands zwischen Werkstück und erstem Laser,
• - einer Nachführungseinrichtung für eine vertikale Relativbe­ wegung zwischen erstem Laser und Werkstück,
• - einer Regelvorrichtung zur Steuerung der Nachführeinrichtung in Abhängigkeit von einem Meßsignal des Sensors und einem Sollwert und
• - einem Mittel zur Phasenkopplung von optischem Sensor und erstem Laser.

8. Anordnung nach Anspruch 7, bei der der Sensor aus einem zweiten Laser, einer Optik und einem Photodetektor besteht.

9. Anordnung nach Anspruch 8, bei der der Sensor nach einem Triangulationsverfahren arbeitet.