EP4507846A1 - Verfahren und vorrichtung zum ausbilden einer struktur an einem werkstück - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum ausbilden einer struktur an einem werkstück

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EP4507846A1
EP4507846A1 EP23716824.0A EP23716824A EP4507846A1 EP 4507846 A1 EP4507846 A1 EP 4507846A1 EP 23716824 A EP23716824 A EP 23716824A EP 4507846 A1 EP4507846 A1 EP 4507846A1
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EP
European Patent Office
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workpiece
processing
radiation
optical
data
Prior art date
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Pending
Application number
EP23716824.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Georg Hoppe
Fabian Meyer
Jale SCHNEIDER
Andreas Brand
Simon GUTSCHER
Jan Nekarda
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Pending legal-status Critical Current

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    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head

Definitions

  • the formation of the structure can include a modification of the workpiece using the processing radiation and/or a removal of material, in particular ablating using the processing radiation.
  • Laser radiation is typically used as processing radiation. Such a formation of a structure and a workpiece using laser radiation is used in particular in the production of photovoltaic solar cells and in circuit board production.
  • Transporting the workpiece by means of a transport device during processing of the workpiece has the disadvantage that fluctuations in the transport speed and/or movements of the workpiece on the transport device, in particular rotations of the workpiece, lead to inaccuracies during processing.
  • the present invention is based on the object of providing a method and a device for forming a structure on a workpiece using machining radiation, which achieves higher precision in a enables irregular transport of the workpiece on the transport device.
  • the method according to the invention is preferably designed to be carried out using the device according to the invention, in particular a preferred embodiment thereof.
  • the device according to the invention is preferably designed to carry out the method according to the invention, in particular a preferred embodiment thereof.
  • the present invention is based on the knowledge that in order to avoid location deviations when machining a workpiece using machining radiation, it is essential to capture correction data of the workpiece using at least one optical sensor during machining of the workpiece.
  • the method according to the invention for forming a structure on a workpiece using machining radiation has the following processing steps:
  • a method step A the workpiece is placed on a transport device.
  • a method step B the workpiece is moved along a movement path by means of the transport device and the workpiece is processed by means of the processing radiation while the workpiece is moved by means of the transport device.
  • the time of machining is controlled by means of a control device and, preferably by means of an optical deflection unit for the machining radiation controlled by the control device, the location of the machining of the workpiece by means of the machining radiation is controlled in order to form the structure.
  • processing takes place in a manner known per se during transport by means of the transport device, so that a high throughput and inline processing are made possible.
  • the timing of the machining is controlled by means of a control device in order to achieve machining at the desired machining location on the surface of the workpiece. It is advantageous to additionally control an optical deflection unit for the processing radiation by means of the control device, so that the processing radiation can be deflected to different locations on the workpiece by means of the optical deflection unit and/or the processing radiation can be deflected in such a way that the radiation is for a predetermined period of time is directed towards a processing location and therefore moves in the reference system of the device at the transport speed of the workpiece.
  • correction data of the workpiece is recorded by means of at least one optical sensor during the processing of the workpiece using the processing radiation.
  • the correction data includes movement data of the workpiece and/or position data of a structure generated on the workpiece by means of the processing radiation.
  • the time of processing and/or the deflection of the processing radiation is determined, in particular corrected, by means of the deflection unit.
  • the transport of the workpiece using the transport device involves various sources of error, which lead to inaccuracies and, in particular, locational deviations when processing the workpiece using the processing radiation:
  • Modern transport devices also have fluctuations in the transport speed, so that estimates of the workpiece trajectory, which are based on a typical constant transport speed, can be faulty.
  • Systems that measure the transport speed on the means of transport, such as on a conveyor belt of the transport device also have errors, since there may be a slip between the measuring system and the conveyor belt or a change in the length of the conveyor belt itself.
  • a change in position of the workpiece on the transport device and relative to the transport means can occur, in particular due to shocks and vibrations.
  • the method according to the invention enables such deviations to be corrected, since the correction data of the workpiece itself is recorded during the machining of the workpiece.
  • the correction data includes movement data of the workpiece.
  • the movement data is used to determine the change in position of the workpiece and thus the position during machining. Capturing movement data is possible precisely and yet cost-effectively using optical sensors, as explained in more detail below.
  • the correction data includes position data of a structure generated on the workpiece by means of the processing radiation.
  • the time of processing is additionally determined, in particular corrected, depending on the correction data.
  • a method step B.1 takes place in method step B, whereby before the workpiece is processed, the position of the workpiece is detected using the processing radiation and after method step B.1, movement data of the workpiece is recorded in a method step B.2. As a result, the position of the workpiece is initially recorded in method step B.1. By recording the movement data in process step B.2, a precise calculation of the workpiece trajectory is possible.
  • the acquisition of the movement data according to method step B.2 starts at the latest when method steps B.1 is carried out and is continued at least until the structure is generated by means of the processing radiation, preferably until the completion of the generation of the structure by means of the processing radiation.
  • the movement data of the workpiece is recorded by means of a plurality of optical detectors, in particular by means of a plurality of separate optical detectors, preferably by means of detectors arranged in an array.
  • optical detectors for motion detection has the advantage that detection over a longer distance is possible and by comparing the movement data, a rotation of the workpiece, in particular about an axis perpendicular to the transport direction, is also detected.
  • the optical detectors it is advantageous to arrange the optical detectors in an array, particularly preferably in a grid arrangement, with the detectors being arranged at the grid intersection points in a grid with rectangular, preferably square cells.
  • the array preferably has at least 2, in particular at least 3, preferably at least 30 detectors, in particular 32 detectors.
  • the array preferably has rows aligned transversely to the transport direction, with at least 2, preferably 4, preferably at least 3 sensors being arranged in each row. are ordered.
  • the array preferably has at least 2, preferably at least 4, in particular at least 8 rows.
  • the array has at least one detector for position detection, preferably several detectors for position detection, in addition to the detectors for motion detection.
  • the characteristic data are recorded using different optical detectors, in particular using detectors arranged in separate housings. This allows the detectors to be arranged spatially spaced apart from one another.
  • the array of detectors has a plurality of data processing units.
  • each detector of the array has its own data processing unit for processing the raw signals measured by the detector, in particular preferably for outputting digital measurement signals, preferably speed signals, which reflect the measured speed of the workpiece in at least one, preferably in two dimensions.
  • Each detector therefore preferably has a processor unit, in particular a signal processing processor (DSP), preferably with at least one microprocessor and preferably a program and data memory.
  • DSP signal processing processor
  • the device for the detectors has at least one data line to the control unit, so that a plurality of the detectors of the array, preferably all detectors of the array, are connected in parallel to the control unit.
  • a plurality of the detectors of the array preferably all detectors of the array
  • the control unit has at least one data line to the control unit, so that a plurality of the detectors of the array, preferably all detectors of the array, are connected in parallel to the control unit.
  • data from the detectors can be read out in parallel and a higher processing speed can be achieved when calculating the movement data of the workpiece.
  • differently designed detectors can be used and common, commercially available detectors can be used.
  • the control unit preferably has at least one processor unit, preferably with one or more microprocessors, in particular with an FPGA (Field Programmable Gate Array). Furthermore, the control unit preferably has at least one program and data memory connected to the processor unit.
  • processor unit preferably with one or more microprocessors, in particular with an FPGA (Field Programmable Gate Array).
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • the movement data of the workpiece is advantageously measured using the movement sensors on a side of the workpiece which is opposite the processing side on which the workpiece is processed using the processing radiation. This means that a movement measurement can also be carried out during the processing of the workpiece and the arrangement of the movement sensors is not spatially restricted by the beam path of the processing radiation or optical components for the processing radiation.
  • the workpiece lies on the transport device for processing and the processing takes place from above using the processing radiation.
  • the movement data of the workpiece is therefore advantageously recorded from below.
  • the motion sensors preferably the array of motion sensors, particularly preferably all motion sensors, are arranged on the side of the transport device opposite the deflection unit, in particular under the transport device.
  • the workpiece is illuminated by means of infrared radiation, in particular from the side of the workpiece opposite the sensor.
  • the device therefore preferably has a radiation source for infrared radiation, which is preferably arranged and designed to illuminate the workpiece from the side on which the processing takes place. It is advantageous that in method step B.1, location data of the workpiece is recorded by means of at least one light barrier and in method step B.2, movement data of the workpiece is recorded by means of optical tracking sensors.
  • Light barriers and tracking sensors are standard components that can be purchased commercially inexpensively and at the same time with high measurement precision.
  • location data of the workpiece (2) is recorded using at least one position sensor from the group: light barrier, camera, optical micrometer.
  • method step B at least one image, in particular a spatially resolved image and/or a processed spatially resolved image, in particular a spatially resolved image processed using Fourier transformation, of the surface of the workpiece on which the processing takes place using the processing radiation , recorded.
  • image analysis methods known per se, a structure generated by the processing radiation can be localized in the spatially resolved image, so that position data of the structure can be determined from the spatially resolved image.
  • the position of a structure generated on the workpiece by means of the processing radiation is therefore preferably determined using the captured spatially resolved image.
  • structural dimensions of the structure generated by means of the processing radiation are compared.
  • at least a distance between several of the structures generated by means of the processing radiation is compared with the structures captured with the spatially resolved image and/or a distance between the structure formed by means of the processing radiation and one or more edges of the workpiece.
  • the workpiece is illuminated during the acquisition of the correction data, particularly preferably illuminated using infrared light.
  • the device according to the invention therefore preferably has an illumination device, particularly preferably an illumination device designed to emit infrared radiation.
  • processing radiation for processing, in particular ion beams.
  • electromagnetic radiation in particular laser radiation
  • laser radiation has a high energy density and low divergence and is therefore particularly suitable for creating structures on a workpiece.
  • the method according to the invention and the device according to the invention are particularly suitable for processing flat, in particular plate-like workpieces, in particular for processing semiconductor substrates for producing components, in particular for producing photovoltaic solar cells.
  • a workpiece is therefore provided on the transport device, which is a dimensionally stable workpiece, in particular a flat, in particular plate-like workpiece.
  • piece preferably a semiconductor substrate, particularly preferably a photovoltaic solar cell.
  • the device according to the invention is therefore designed for forming a structure on a workpiece, which workpiece is a dimensionally stable workpiece, in particular a flat, in particular plate-like workpiece, preferably a semiconductor substrate, particularly preferably a photovoltaic solar cell.
  • Such flat workpieces can have unevenness, so that there is a height difference in a workpiece lying on the transport device between different locations of the workpiece, in particular between the edges and a central area of the workpiece.
  • a height profile of the workpiece preferably the processing side of the workpiece, is recorded.
  • the processing side of the workpiece is the side that is exposed to processing radiation.
  • Focusing of the processing radiation by means of a focusing device is adapted, in particular corrected, depending on the height profile.
  • a height difference particularly due to an uneven workpiece, can lead to a location deviation during processing.
  • An adjustment, in particular correction, of the time of processing and/or the distraction of the processing is therefore advantageously carried out.
  • radiation by means of the deflection unit in order to correct a spatial deviation due to a height difference detected by means of the height profile.
  • a focusing device is used during machining to focus the machining radiation on a machining point on the workpiece. This allows higher energy densities to be achieved and smaller structures to be formed. If the height profile of the workpiece is known, the focusing device is preferably controlled in such a way that the processing radiation is always focused on the surface of the workpiece.
  • the task set at the beginning is further solved by a device for forming a structure on a workpiece using machining radiation according to claim 1 1.
  • the device according to the invention has a transport device for moving the workpiece along a movement path, a radiation source for generating the processing radiation and a control device for controlling a time of processing and/or the deflection of the processing radiation for processing the workpiece. Furthermore, the device has optical sensors for recording position data of the workpiece.
  • the optical sensors are designed as motion sensors for detecting a movement of the workpiece and that the device additionally has at least one optical position sensor for detecting location data of the workpiece. It is within the scope of the invention to use a sensor, which is technically designed as a motion sensor, as a position sensor. A degree of coverage of a sensor field of a motion sensor can thus be measured in order to measure the position of the workpiece relative to the motion sensor and the motion sensor so that the detector, which is in itself designed as a motion sensor, represents a position sensor.
  • the device according to the invention thus enables the position of the workpiece to be detected by means of the position sensor and the movements to be detected by means of the motion sensors, so that, starting from the detected position, a workpiece trajectory can be determined using the data from the motion sensors, which corresponds to the actual trajectory, ie also deviations due to Changes in speed during transport through the transport device or a movement of the workpiece on the transport device must be taken into account.
  • the method according to the invention has the advantage that a precise alignment of the processing radiation to the desired processing location on the surface of the workpiece is achieved. This enables the use of optical elements such as cylindrical lenses, as described below.
  • the detection area of the position sensor is therefore arranged in a transport direction of the transport device in front of the detection area of at least a subset of the motion sensors, preferably in front of the detection area of all motion sensors. This makes it possible to calculate the workpiece trajectory using the data from the motion sensors when the workpiece is being transported from the time the position is detected by the position sensor.
  • the motion sensors preferably all motion sensors are designed as tracking sensors.
  • the position sensor is designed as a light barrier.
  • commercially available tracking sensors and light barriers can be used, which enable cost-effective measurements with high precision.
  • higher precision is achieved in an advantageous embodiment in which the position sensor is designed as a camera or optical micrometer.
  • Optical tracking sensors are known in particular for use in computer mice for motion detection. Such tracking sensors are advantageously used as optical tracking sensors. It is therefore advantageous to design the optical tracking sensors as described in US 7,057,148 B2.
  • the optical deflection unit preferably has one or more movable mirrors, in particular galvanometric mirrors.
  • the deflection unit has at least one polygon mirror wheel.
  • the device according to the invention therefore advantageously has a height profile measuring unit for determining a height profile of a workpiece arranged on the transport device.
  • the height profile measuring unit is preferably designed as a triangulation sensor, with the height profile preferably being determined by means of triangulation measurement with laser line or strip light projection.
  • the processing time at the top and/or the deflection of the motion radiation can be corrected using the optical deflection unit to correct the processing location on the workpiece.
  • the device according to the invention advantageously has a focusing device for the processing radiation.
  • the control unit is advantageously designed to cooperate with the height profile measuring unit and the focusing device in order to control the focusing unit depending on the height profile data of the height profile measuring unit.
  • the focusing unit advantageously has a passive component, in particular an optical lens with a fixed focal length, and an active component, in particular a liquid lens or a mirror system, wherein the active component shifts the focus depending on the height data of the height profile measuring unit, for example a liquid lens or a mirror system.
  • the focusing unit is advantageously designed as described in Jahn, Axel, 3-dimensional beam shaping for dynamic adjustment of focus position and intensity distribution for laser welding and cutting, http://publica.fraunhofer.de/documents/N-645639.html and controlled.
  • the device according to the invention is preferably designed to carry out the method according to the invention, in particular an advantageous embodiment thereof.
  • optical sensors are therefore advantageously designed so that during the processing of the workpiece by means of the processing radiation, correction data of the workpiece is recorded by means of at least one optical sensor of the device, the correction data comprising movement data of the workpiece and/or position data of a structure generated on the workpiece by means of the processing radiation and the control device is designed to cooperate with the optical sensors, so that depending on the correction data by means of the control device, the deflection of the processing radiation is adjusted, in particular corrected, by means of the deflection unit.
  • the transport device is designed to transport the workpiece along a non-rectilinear movement path.
  • the transport of the workpiece on a curved, in particular circular path of movement is within the scope of the invention.
  • the formation of a structure on a workpiece in the roll-to-roll process (R2R process), in particular on a strip-shaped workpiece is within the scope of the invention.
  • the transport device is designed to transport the workpiece on a straight path of movement.
  • the method according to the invention and the device according to the invention enable the workpiece to be exposed to the processing radiation in a very precise location at the desired location on the surface of the workpiece.
  • An optical element for focusing the processing radiation in particular an optical lens, preferably a cylindrical lens, is therefore advantageously arranged in the beam path of the processing radiation between the deflection unit and the workpiece.
  • the optical element, preferably the cylindrical lens is preferably arranged close to the workpiece, in particular at a distance of less than 20 cm, more preferably less than 10 cm, in particular less than 5 cm from the workpiece. This allows particularly narrow structures to be formed.
  • Figure 1 shows a first exemplary embodiment of a device according to the invention for forming a structure on a workpiece using machining radiation
  • Figure 2 is a top view of a sensor unit of the device shown in Figure 1;
  • Figure 3 is a top view of a machined workpiece and Figure 4 shows a second exemplary embodiment of a device according to the invention.
  • the exemplary embodiments of a device according to the invention for forming a structure on a workpiece using processing radiation are designed for processing semiconductor substrates using laser radiation.
  • the semiconductor substrates represent precursors for the production of photovoltaic solar cells.
  • the precursors have a substrate designed as a silicon wafer, on which a dielectric layer, in this case a silicon dioxide layer, is formed on a processing side at the top in the figures.
  • a dielectric layer in this case a silicon dioxide layer
  • the first exemplary embodiment shown in Figure 1 of a device according to the invention for forming a structure on a workpiece by means of processing radiation has a transport device 1 for moving workpieces 2, which in the present case are designed as a precursor for producing a photovoltaic solar cell, as described above.
  • the transport device 1 has a conveyor belt on which the workpieces 2 are placed and moved from left to right along a rectilinear movement path in accordance with the direction of the arrow shown in Figures 1 and 4.
  • the device according to Figure 1 further has a radiation source 3 designed as a laser for generating the processing radiation designed as laser radiation.
  • the laser is designed as a solid-state laser with a wavelength of 1064nm and a pulse duration of 4ns.
  • the device also has a deflection unit 4, which in the present case has a motor-rotatable mirror in order to deflect a laser beam 3a of the radiation source 3 perpendicular to the transport direction and perpendicular to the upper processing side of the workpieces 2 and thus perpendicular to the drawing plane in Figure 1.
  • the device also has optical sensors:
  • a position sensor 5 is arranged in the transport direction in front of the area of the device where the workpieces 2 are processed using the laser beam 3a.
  • the position sensor 5 has a plurality of light barriers which are arranged in a straight line perpendicular to the transport direction and thus perpendicular to the plane of the drawing in Figure 1.
  • mirrors are mounted in an area of the transport device 1 under the workpieces 2 transported by the transport device.
  • the means of transport of the transport device 1, in this case the conveyor belt is designed in such a way that no elements of the conveyor belt are arranged in the area of the mirrors, so that the optical path between the housing 5 of the position sensor 5 arranged at the top in Figure 1 and the position sensor 5 in the transport direction 1 arranged mirrors is only covered by the workpieces 2.
  • the position sensor 5 thus detects the point in time at which a front edge of the workpiece 2 in the transport direction obscures the optical beam path of the light barrier.
  • an inclination of the workpiece can also be detected via a time offset in the concealment of the individual light barriers arranged in a straight line perpendicular to the transport direction, provided that the front edge of the workpiece is not perpendicular to the transport direction.
  • the absolute position of the workpiece 2 relative to the device is thus detected by means of the position sensor.
  • the optical sensors further comprise a motion sensor array 6.
  • the motion sensor array 6 has a plurality of optical tracking sensors. ren 6a, which are arranged at the intersection points of a square grid. 2 shows a plan view from above of the motion sensor array 6, with the optical tracking sensors each being shown as a circle.
  • the optical tracking sensor 6a is provided with a reference number in the upper left corner.
  • optical tracking sensors are designed here as described in patent US 7,057,148 B2.
  • a single tracking sensor consists of an optical detector, with 30x30 pixels, an integrated lighting and a microcontroller which contains a digital signal processing unit for calculating the movement data.
  • the movement of the workpiece is thus recorded from the time at which the position of the workpiece is detected by means of the position sensor 5 until at least the time at which the workpiece is processed with the laser beam 3a 2 recorded. Due to the large number of optical tracking sensors 6a, a temporal movement of the workpiece and also a rotation of the workpiece can be detected through differences in the movement speed and in particular components in the movement speed that are perpendicular to the transport direction.
  • the detection area of the optical tracking sensors 6a is thus arranged in the transport direction after the detection area of the position sensor.
  • FIG. 3 shows a workpiece 2 in a plan view from above, which has already been completely machined.
  • the black parallel lines mark the recesses that were created by laser ablation using the laser beam 3a.
  • the straight recesses are created parallel to the transport direction.
  • the laser beam can only be moved perpendicular to the transport direction by means of the deflection unit 4, as described above.
  • the movement of the laser beam and the ablation of the dielectric layer to form the recesses takes place at a significantly higher speed compared to the speed of movement of the workpiece 2 on the transport device 1. It can therefore always be done in a sequential order neighboring sections of the structures are created. Due to an expansion of the ablations generated by the laser also parallel to the direction of movement, recesses overlapping in the transport direction are successively created for each structure, so that a continuous rectilinear recess is formed for each structure.
  • the device according to the exemplary embodiments shown in FIGS. 1 and 4 each has a control device 7. This is connected to the optical sensors for recording the measurement data from the optical sensors and also to the radiation source 3 to switch the beam generation on and off and to the deflection unit to control the deflection of the laser beam 3a using the deflection unit.
  • connection to the motion sensor array 6 is not shown graphically for reasons of clarity.
  • the device according to Figure 1 is designed to carry out an exemplary embodiment of a method according to the invention:
  • a workpiece 2 is provided on the transport device 1.
  • method step B the workpiece 2 is moved along the rectilinear movement path marked by an arrow by means of the transport device 1 and the workpiece 2 is processed by means of the processing radiation designed as a laser beam 3a, while the workpiece 2 is moved by means of the transport device 1.
  • the time of processing is controlled by means of the control device 7 and the location of the processing of the workpiece is controlled by means of the processing radiation by means of the optical deflection unit 4 controlled by the control device 7 in order to form the straight, parallel structures shown in FIG.
  • correction data of the workpiece is recorded using the processing radiation with the sensors 5 and 6.
  • the correction data includes the position data recorded by means of the position sensor 5 as well as the movement data of the workpiece 2 recorded by means of the optical tracking sensors 6a of the motion sensor 6.
  • the time of processing and/or the deflection of the processing radiation is corrected using the deflection unit 7.
  • the time for producing the structures is changed accordingly, since in the case of a workpiece 2 entering the processing area at an angle only one structure and then an increasing number of structures are formed to ensure a uniform distance between the start of the structures and the edge of the workpiece.
  • the deflection of the laser beam 3a is corrected by means of the deflection unit 7, since the structures must be formed as oblique structures in the reference system of the processing device in accordance with the angle detected by the position sensor 5, in which the front edge of the workpiece 2 includes the transport direction, in order to form structures on the workpiece 2 which run parallel to the side edges or perpendicular to the front edge of the workpiece 2.
  • FIG. 1 A second exemplary embodiment of a device according to the invention is shown in FIG. Essential elements and functionalities correspond to the first exemplary embodiment. To avoid repetition, only the main differences will be discussed below:
  • the position sensor 5 'of the device shown in Figure 4 is designed as a spatially resolving camera, in the present case with a CMOS chip.
  • the deflection unit 4 'of the device according to Figure 4 has two galvanometric mirrors, which enable deflection in any spatial direction along the processing plane, so that the laser beam 3a not only with grain components perpendicular to the transport direction, but also with components parallel to the transport direction of the transport device 1 can be deflected.
  • a combination of a polygon mirror wheel and a galvanometer is used as a deflection unit 4 'in order to be able to move the beam particularly quickly parallel to the workpiece and perpendicular to the direction of movement.
  • the galvanometer is then responsible for correcting the movement along the transport direction, while the beam is moved uniformly perpendicular to the transport direction.
  • a focusing device 8 is arranged on the deflection unit 4 in order to focus the laser beam 3a onto the machining side of the workpiece 2 on top in FIG.
  • the device according to FIG. 4 has a height profile measuring unit 9 in order to measure a height profile of the processing side of the workpiece 2.
  • Position sensor 5 ', focusing device 8 and height profile measuring unit 9 are also connected to the control unit 7.
  • an image of the processing area can be recorded in a continuous sequence using the position sensor 5′ designed as a camera.
  • a front edge of the workpiece 2 is detected using image analysis.
  • the position of the workpiece 2 as it enters the processing area of the device can be recorded and, in particular, an inclination of the incoming front edge of the workpiece 2, provided that this is not perpendicular to the transport direction of the transport device 1. This enables a correction as already described for exemplary embodiment 1.
  • the device shown in Figure 4 enables the position of the structures created by means of the processing radiation to be determined by means of the position sensor 5' to detect.
  • the distance between the structures and the distance to the edges of the workpiece 2 are predetermined. Using image analysis, the distance between the structures and the distance to the edges can be determined while the structures are being created. If this does not correspond to the specified distance values, the deflection of the laser beam is corrected by means of the deflection unit 4 ' in order to form the correct distances, at least during the subsequent processing.
  • the device according to Figure 4 additionally has a height profile measuring unit 9.
  • this is designed to capture a two-dimensional height profile of the workpiece 2.
  • the height profile measuring unit is designed as a laser triangulation measuring head.
  • the height profile of a workpiece 2 determined by means of the height profile measuring unit 9 is transmitted to the control device 7 and this controls the focusing device 8 accordingly, so that the focus is always at the height specified by the height profile at the current processing location and thus on the surface of the processing side of the workpiece 2 lies.
  • the device according to FIG. 4 additionally has the motion sensor array 6 already described in FIG. 1 for detecting motion data. There is therefore redundant information about the location and movement of the workpiece 2.
  • the accuracy of recording the workpiece's characteristics can be increased using correction functions, for example via arithmetic averaging.
  • characteristic data is exclusively recorded by means of the position sensor 5 ', which detects position data of the structure generated on the workpiece by means of the processing radiation, in the present case the position data of the rectilinear recesses on the workpiece 2 generated by means of the laser beam 3a.
  • the laser beam 3a is deflected by the deflection unit 4 onto a cylindrical lens 10.
  • the cylindrical lens 10 is aligned with the cylinder axis transversely to the transport direction.
  • the use of a cylindrical lens enables the formation of particularly narrow structures, in particular narrow lines parallel to the cylinder axis of the cylindrical lens.
  • the cylindrical lens 10 has a particularly short focal length, in the present case approximately 150 mm, and can thus be combined with the transport system in a particularly advantageous manner, since the movement of the workpiece only requires a slight movement of the beam in the transport direction. Since the area to be processed is not restricted along the transport direction, very small structures can be realized on a large area.
  • the distance between cylindrical lens 10 and workpiece 2 is in the range 1 cm to 5 cm.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ausbilden einer Struktur an einem Werkstück mittels Bearbeitungsstrahlung, während das Werkstück mittels der Transportvorrichtung bewegt wird, wobei Korrekturdaten des Werkstücks mittels optischer Sensoren erfasst werden. Die Korrekturdaten weisen Bewegungsdaten des Werkstücks und/oder Positionsdaten einer mittels der Bearbeitungsstrahlung an dem Werkstück erzeugten Struktur auf und abhängig von den Korrekturdaten wird die Ablenkung der Bearbeitungsstrahlung mittels einer Ablenkeinheit bestimmt, insbesondere korrigiert.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Ausbilden einer Struktur an einem Werkstück
Beschreibung
Bei der Bearbeitung von Werkstücken ist es bekannt, mittels elektromagnetischer Bearbeitungsstrahlungen eine Struktur an einem Werkstück auszubilden. Hierbei kann das Ausbilden der Struktur eine Modifikation des Werkstücks mittels der Bearbeitungsstrahlung und/oder ein Abtragen von Material, insbesondere ein Ablatieren mittels der Bearbeitungsstrahlung umfassen.
Als Bearbeitungsstrahlung wird typischerweise Laserstrahlung eingesetzt. Eine solche Ausbildung einer Struktur und einem Werkstück mittels Laserstrahlung findet insbesondere bei der Herstellung von photovoltaischen Solarzellen sowie bei der Leiterplattenproduktion Einsatz.
Um einen hohen Durchsatz in der Produktion zu erzielen, ist es bekannt, das Werkstück mittels der Bearbeitungsstrahlung zu bearbeiten, während das Werkstück mittels der Transportvorrichtung bewegt wird. Hierdurch können insbesondere Inline-Bearbeitungen realisiert werden.
Der Transport des Werkstücks mittels einer Transportvorrichtung während der Bearbeitung des Werkstücks weist den Nachteil auf, dass Schwankungen in der Transportgeschwindigkeit und/oder Bewegungen des Werkstücks auf der Transportvorrichtung, insbesondere Drehungen des Werkstücks, zu Ungenauigkeiten bei der Bearbeitung führen.
Es ist daher bekannt, eine einlaufende Kante des Werkstücks mittels eines optischen Sensors zu detektieren, bevor die Bearbeitung mittels der Bearbeitungsstrahlung erfolgt. Eine solche Vorrichtung ist in EP 2940740 A1 beschrieben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausbilden einer Struktur an einem Werkstück mittels Bearbeitungsstrahlung zur Verfügung zu stellen, welches eine höhere Präzision bei ei- nem unregelmäßigen Transport des Werkstücks auf der Transportvorrichtung ermöglicht.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Ausbilden einer Struktur an einem Werkstück mittels Bearbeitungsstrahlung gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zum Ausbilden einer Struktur an einem Werkstück mittels Bearbeitungsstrahlung gemäß Anspruch 1 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2 bis 10 und der erfindungsgemäßen Vorrichtung in den Ansprüchen 12 bis 15.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt zur Durchführung mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere einer bevorzugten Ausführungsform hiervon, ausgebildet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bevorzugt zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere einer bevorzugten Ausführungsform hiervon, ausgebildet.
Die vorliegende Erfindung ist in der Erkenntnis begründet, dass es zur Vermeidung von Ortsabweichungen bei der Bearbeitung eines Werkstücks mittels Bearbeitungsstrahlung wesentlich ist, Korrekturdaten des Werkstücks mittels zumindest eines optischen Sensors während der Bearbeitung des Werkstücks zu erfassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ausbilden einer Struktur an einem Werkstück mittels Bearbeitungsstrahlung weist folgende Bearbeitungsschritte auf:
In einem Verfahrensschritt A erfolgt ein Bereitstellen des Werkstücks auf eine Transportvorrichtung. In einem Verfahrensschritt B erfolgt ein Bewegen des Werkstücks entlang einer Bewegungsbahn mittels der Transportvorrichtung und ein Bearbeiten des Werkstücks mittels der Bearbeitungsstrahlung während das Werkstück mittels der Transportvorrichtung bewegt wird. Mittels einer Steuervorrichtung wird der Zeitpunkt der Bearbeitung und bevorzugt mittels einer durch die Steuervorrichtung gesteuerten optischen Ablenkeinheit für die Bearbeitungsstrahlung der Ort der Bearbeitung des Werkstücks mittels der Bearbeitungsstrahlung gesteuert, um die Struktur auszubilden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt somit in an sich bekannter Weise eine Bearbeitung während des Transports mittels der Transportvorrichtung, sodass ein hoher Durchsatz und eine Inline-Prozessierung ermöglicht wird. Mittels einer Steuervorrichtung wird der Zeitpunkt der Bearbeitung gesteuert, um eine Bearbeitung an dem gewünschten Bearbeitungsort an der Oberfläche des Werkstücks zu erzielen. Vorteilhaft ist es, zusätzlich mittels der Steuervorrichtung eine optische Ablenkeinheit für die Bearbeitungsstrahlung zu steuern, sodass mittels der optischen Ablenkeinheit die Bearbeitungsstrahlung auf unterschiedliche Orte auf dem Werkstück abgelenkt werden kann und/oder die Bearbeitungsstrahlung derart abgelenkt werden kann, dass die Strahlung für eine vorgegebene Zeitspanne auf einen Bearbeitungsort gerichtet ist, sich somit im Bezugssystem der Vorrichtung mit der Transportgeschwindigkeit des Werkstücks bewegt.
Wesentlich ist, dass in Verfahrensschritt B während der Bearbeitung des Werkstücks mittels der Bearbeitungsstrahlung mittels zumindest eines optischen Sensors Korrekturdaten des Werkstücks erfasst werden. Die Korrekturdaten weisen Bewegungsdaten des Werkstücks und/oder Positionsdaten einer mittels der Bearbeitungsstrahlung an dem Werkstück erzeugten Struktur auf. Abhängig von den Korrekturdaten wird mittels der Steuervorrichtung der Zeitpunkt der Bearbeitung und/oder die Ablenkung der Bearbeitungsstrahlung mittels der Ablenkungseinheit bestimmt, insbesondere korrigiert.
Der Transport des Werkstücks mittels der Transportvorrichtung birgt verschiedene Fehlerquellen, welche zu Ungenauigkeiten und insbesondere Ortsabweichungen bei der Bearbeitung des Werkstücks mittels der Bearbeitungsstrahlung führen: Auch moderne Transportvorrichtungen weisen Schwankungen in der Transportgeschwindigkeit auf, sodass Schätzungen der Werkstücktrajektorie, welche auf einer typischen konstanten Transportgeschwindigkeit basieren, fehlerhaft sein können. Auch Systeme, welche die Transportgeschwindigkeit an den Transportmitteln, wie beispielsweise an einem Förderband der Transportvorrichtung, messen, weisen Fehler auf, da ein Schlupf zwischen Messsystem und Transportband oder auch eine Längenänderung des Transportbandes an sich vorliegen kann. Darüber hinaus kann eine Lageänderung des Werkstücks auf der Transportvorrichtung und relativ zu dem Transportmittel, beispielsweise relativ zu einem Förderband, erfolgen, insbesondere durch Erschütterungen und Vibrationen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Korrektur solcher Abweichungen, da die Korrekturdaten des Werkstücks selbst während der Bearbeitung des Werkstücks erfasst werden.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Korrekturdaten Bewegungsdaten des Werkstücks aufweisen. Aus den Bewegungsdaten wird die Lageänderung des Werkstücks und somit die Position während der Bearbeitung ermittelt. Das Erfassen von Bewegungsdaten ist präzise und dennoch kostengünstig mittels optischer Sensoren möglich, wie weiter unten näher erläutert.
Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Korrekturdaten Positionsdaten einer mittels der Bearbeitungsstrahlung an dem Werkstück erzeugten Struktur aufweisen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass Strukturpositionen, insbesondere Abstände zwischen Teilbereichen einer Struktur oder Abstände zwischen zwei separaten mittels der Bearbeitungsstrahlung ausgebildeten Struktur mit Vorgabewerten verglichen werden können und entsprechende Korrekturen für die Ablenkung der Bearbeitungsstrahlung mittels der optischen Ablenkeinheit berechnet werden können, um bei der weiteren Bearbeitung Abweichungen zu vermeiden.
Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, sowohl Bewegungsdaten des Werkstücks als auch Positionsdaten einer mittels der Bearbeitungsstrahlung an dem Werkstück erzeugten Struktur zu erfassen und für die Ablenkung der Bearbeitungsstrahlung mittels der Ablenkungseinheit zu verwenden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wird zusätzlich abhängig von den Korrekturdaten der Zeitpunkt der Bearbeitung bestimmt, insbesondere korrigiert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt in Verfahrensschritt B ein Verfahrensschritt B.1 , wobei vor der Bearbeitung Werkstücks mittels der Bearbeitungsstrahlung eine Lageerkennung des Werkstücks und nach Verfahrensschritt B.1 erfolgt in einem Verfahrensschritt B.2 ein Erfassen von Bewegungsdaten des Werkstücks. Hierdurch wird in Verfahrensschritt B.1 initial die Lage des Werkstücks erfasst. Durch Erfassung der Bewegungsdaten in Verfahrensschritt B.2 ist eine präzise Berechnung der Werkstücktrajektorie möglich.
Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Erfassung der Bewegungsdaten gemäß Verfahrensschritt B.2 spätestens bei Durchführung der Verfahrensschritte B.1 startet und zumindest bis zum Erzeugen der Struktur mittels der Bearbeitungsstrahlung, bevorzugt bis zum Abschluss des Erzeugens der Struktur mittels der Bearbeitungsstrahlung fortgesetzt wird.
Hierdurch ist ein lückenloses Erfassen der Bewegungsdaten ab dem Zeitpunkt der Lageerkennung bis zu dem Zeitpunkt der Bearbeitung, insbesondere den Abschluss der Bearbeitung, gewährleistet, sodass sämtliche Änderungen der Lage des Werkstücks aufgrund von äußeren Einflüssen ab dem Zeitpunkt der Lageerfassung erfasst werden.
Vorteilhafterweise werden in Verfahrensschritte B.2 die Bewegungsdaten des Werkstücks mittels einer Mehrzahl optischer Detektoren erfasst, insbesondere mittels einer Mehrzahl separater optischer Detektoren, bevorzugt mittels in einem Array angeordneter Detektoren.
Die Verwendung einer Mehrzahl von optischen Detektoren zur Bewegungserfassung weist den Vorteil auf, dass eine Erfassung über eine größere Wegstrecke möglich ist und durch einen Vergleich der Bewegungsdaten auch eine Drehung des Werkstücks, insbesondere um eine Achse senkrecht zur Transportrichtung, erfasst wird. Für eine präzise Erfassung der Bewegung des Werkstücks ist es vorteilhaft, die optischen Detektoren in einem Array anzuordnen, insbesondere bevorzugt in einer Gitteranordnung, wobei in einem Gitter mit rechteckigen, bevorzugt quadratischen Zellen die Detektoren an den Gitterkreuzungspunkten angeordnet sind.
Bevorzugt weist das Array zumindest 2, insbesondere zumindest 3, bevorzugt zumindest 30 Detektoren, insbesondere 32 Detektoren auf. Bevorzugt weist das Array quer zur Transportrichtung ausgerichtete Reihen auf, wobei bevorzugt in jeder Reihe zumindest 2, bevorzugten 4, bevorzugt zumindest 3 Sensoren ange- ordnet sind. Bevorzugt weist das Array zumindest 2, bevorzugt zumindest 4, insbesondere zumindest 8 Reihen auf.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Array zusätzlich zu den sind Detektoren zur Bewegungserfassung zumindest einen Detektor zur Lageerkennung, bevorzugt mehrere Detektoren zur Lageerkennung auf.
Vorteilhafterweise werden in den Verfahrensschritten B.1 und B.2 die Kenndaten mittels unterschiedlicher optischer Detektoren erfasst, insbesondere mittels in separaten Gehäusen angeordneten Detektoren. Hierdurch können die Detektoren räumlich voneinander beabstandet angeordnet werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Array von Detektoren eine Mehrzahl von Datenverarbeitungseinheiten auf. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass jeder Detektor des Arrays eine eigene Datenverarbeitungseinheit zum Verarbeiten der von dem Detektor gemessenen Rohsignale, insbesondere bevorzugt zur Ausgabe von digitalen Messignalen, bevorzugt Geschwindigkeitssignalen, welche in zumindest einer, bevorzugt in zwei Dimensionen die gemessene Geschwindigkeit des Werkstücks wiedergegen. Bevorzugt weist jeder Detektor daher eine Prozessoreinheit, insbesondere einen Signalverabreitungsprozessor (DSP), bevorzugt mit zumindest einem Mikroprozessor und bevorzugt einen Programm- und Datenspeicher auf.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass durch die dezentrale Signalverarbeitung eine besonders schnelle Berechnung der Bewegungsdaten des Werkstücks ermöglicht wird.
Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung für die Detektoren zumindest eine Datenleitung zu der Steuereinheit auf, so dass eine Mehrzahl der Detektoren des Arrays, bevorzugt alle Detektoren des Arrays parallel mit der Steuereinheit verbunden sind. Hierdurch können Daten der Detektoren parallel ausgelesen werden und eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit bei Berechnung der Bewegungsdaten des Werkstücks erzielt werden. Insbesondere können unterschiedlich ausgebildete Detektoren verwendet werden und hierbei kann auf übliche, im Handel erhältliche Detektoren zurückgegriffen werden.
Die Steuereinheit weist bevorzugt zumindest eine Prozessoreinheit, bevorzugt mit einem oder mehreren Mikroprozessoren, insbesondere mit einem FPGA (Field Programmable Gate Array) auf. Weiterhin weist die Steuereinheit bevorzugt zumindest einen mit der Prozessoreinheit verbündenden Programm- und Datenspeicher auf.
Vorteilhafterweise erfolgt die Messung der Bewegungsdaten des Werkstücks mittels der Bewegungssensoren an einer Seite des Werkstücks, welche der Bearbeitungsseite, an welcher das Werkstück mittels der Bearbeitungsstrahlung bearbeitet wird, gegenüberliegt. Hierdurch kann eine Bewegungsmessung auch während der Bearbeitung des Werkstücks erfolgen und die Anordnung der Bewegungssensoren ist räumlich durch den Strahlengang der Bearbeitungsstrahlung oder optische Komponenten für die Bearbeitungsstrahlung nicht eingeschränkt.
Bevorzugt liegt das Werkstück zur Bearbeitung auf der Transportvorrichtung auf und die Bearbeitung mittels der Bearbeitungsstrahlung erfolgt von oben. Vorteilhafterweise erfolgt daher das Erfassen der Bewegungsdaten des Werkstücks von unten. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass zumindest ein Teil der Bewegungssensoren, bevorzugt das Array von Bewegungssensoren, insbesondere bevorzugt alle Bewegungssensoren auf der zu der Ablenkeinheit gegenüberliegenden Seite der Transportvorrichtung angeordnet sind, insbesondere unter der T ransportvorrichtung.
Zur Verbesserung der Messqualität ist eine zusätzliche Beleuchtung vorteilhaft, insbesondere Infrarotbeleuchtung, insbesondere von oben auf das Werkstück gerichtet werden. Vorteilhafterweise erfolgt daher beim Erfassen der Korrekturdaten eine Beleuchtung des Werkstücks mittels Infrarotstrahlung, insbesondere von der dem Sensor gegenüberliegenden Seite des Werkstücks. Die Vorrichtung weist daher bevorzugt eine Strahlungsquelle für Infrarotstrahlung auf, welche beovrzugt für eine Beleuchtung des Werkstücks von der Seite, an welcher die Bearbeitung erfolgt, angeordnet und ausgebildet ist. Es ist vorteilhaft, dass in Verfahrensschritt B.1 Ortsdaten des Werkstücks mittels zumindest einer Lichtschranke erfasst werden und in Verfahrensschritt B.2 Bewegungsdaten des Werkstücks mittels optischer Trackingsensoren erfasst werden. Lichtschranken und Trackingsensoren sind Standardbauelemente, welche kostengünstig und gleichzeitig mit hoher Messpräzision im Handel erworben werden können.
Eine höhere Präzision bei der Lageerkennung wird erzielt, indem die Ortsdaten des Werkstücks mittels einer Kamera oder eines optischen Mikrometers ermittelt werden.
Es ist daher vorteilhaft, dass in Verfahrensschritt B.1 Ortsdaten des Werkstücks (2) mittels zumindest einem Lagesensor aus der Gruppe, Lichtschranke, Kamera, optischer Mikrometer erfasst werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Verfahrensschritt B zumindest ein Bild, insbesondere ein ortsaufgelöstes Bild und/oder ein bearbeitetes ortsaufgelöstes Bild, insbesondere mittels Fourier- transformation bearbeitetes, ortsaufgelöstes Bild, der Oberfläche des Werkstücks, an welcher die Bearbeitung mittels der Bearbeitungsstrahlung erfolgt, erfasst. Mittels an sich bekannten Bildanalyseverfahren kann eine mittels der Bearbeitungsstrahlung erzeugte Struktur in dem ortsaufgelösten Bild lokalisiert werden, sodass Lagedaten der Struktur aus dem ortsaufgelösten Bild ermittelt werden können. Bevorzugt erfolgt daher eine Lagebestimmung einer mittels der Bearbeitungsstrahlung an dem Werkstück erzeugten Struktur mittels des erfassten ortsaufgelösten Bildes.
Insbesondere ist es vorteilhaft, eine Mehrzahl von Bildern während der Bearbeitung aufzunehmen, sodass auch eine Lageänderung der mittels der Bearbeitungsstrahlung erzeugten Struktur ermittelt werden kann.
Vorteilhafterweise werden Strukturmaße der mittels der Bearbeitungsstrahlung erzeugten Struktur, insbesondere zumindest ein Abstand zwischen beabstande- ten Strukturteilbereichen der mittels der Bearbeitungsstrahlung erzeugten Struktur abgeglichen. Alternativ oder bevorzugt zusätzlich ist es vorteilhaft, dass zu- mindest ein Abstand zwischen mehreren der mittels der Bearbeitungsstrahlung erzeugten Strukturen mit den mit dem ortsaufgelösten Bild erfassten Strukturen und/oder ein Abstand der mittels der Bearbeitungsstrahlung ausgebildeten Struktur zu einer oder mehrere Kanten des Werkstücks abgeglichen wird. Hierdurch kann ein Abweichen der Abstände von den vorgegebenen Abständen erfasst werden und für die weitere Bearbeitung eine Korrektur des Zeitpunkts der Bearbeitung und/oder des Ablenkens der Bearbeitungsstrahlung mittels der optischen Ablenkeinheit erfolgen, um die erfasste Abweichung zu verringern, bevorzugt zu vermeiden.
Vorteilhafterweise erfolgt eine Beleuchtung des Werkstücks während der Erfassung der Korrekturdaten, insbesondere bevorzugt eine Beleuchtung mittels Infrarotlicht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist daher bevorzugt eine Beleuchtungseinrichtung, insbesondere bevorzugt eine zum Aussenden von Infrarotstrahlung ausgebildete Beleuchtungseinrichtung auf.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, unterschiedliche Arten von Bearbeitungsstrahlung für die Bearbeitung zu verwenden, insbesondere lonenstrahlen. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Laserstrahlung. Besonders vorteilhaft ist daher, dass in Verfahrensschritt B die Bearbeitung des Werkstücks mittels Laserstrahlung erfolgt. Laserstrahlung weist eine hohe Energiedichte auf und eine geringe Divergenz und eignet sich daher besonders für das Erzeugen von Strukturen an einem Werkstück.
Eine weitere Fehlerquelle bei der Bearbeitung eines Werkstücks mittels Bearbeitungsstrahlung liegt vor, wenn Werkstücke uneben sind oder unterschiedliche Höhenprofile aufweisen. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind insbesondere zur Bearbeitung von flächigen, insbesondere plattenähnlichen Werkstücken geeignet, insbesondere zur Bearbeitung von Halbleitersubstraten zur Herstellung von Bauelementen, insbesondere zur Herstellung von photovoltaischen Solarzellen.
Vorteilhafterweise wird daher bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Werkstück auf der Transportvorrichtung bereitgestellt, welches ein formstabiles Werkstück ist, insbesondere ein flächiges, insbesondere plattenähnliches Werk- stück, bevorzugt ein Halbleitersubstrat, insbesondere bevorzugt eine photovol- taische Solarzelle.
Vorteilhafterweise ist daher die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausbilden einer Struktur an einem Werkstück ausgebildet, welches Werkstück ein formstabiles Werkstück ist, insbesondere ein flächiges, insbesondere plattenähnliches Werkstück, bevorzugt ein Halbleitersubstrat, insbesondere bevorzugt eine pho- tovoltaische Solarzelle.
Solche flächigen Werkstücke können Unebenheitenaufweisen, sodass ein Höhenunterschied bei einem auf der Transportvorrichtung liegenden Werkstück zwischen unterschiedlichen Orten des Werkstücks besteht, insbesondere zwischen den Rändern und einem mittigen Bereich des Werkstücks.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher ein Höhenprofil des Werkstücks, bevorzugt der Bearbeitungsseite des Werkstücks, erfasst. Die Bearbeitungsseite des Werkstücks ist die Seite, welche mit Bearbeitungsstrahlung beaufschlagt wird. Zusätzlich wird zumindest einer der Parameter
Zeitpunkt der Bearbeitung; die Ablenkung der Bearbeitungsstrahlung mittels der Ablenkeinheit; Fokussierung der Bearbeitungsstrahlung mittels einer Fokussierungseinrichtung abhängig von dem Höhenprofil angepasst, insbesondere korrigiert. Insbesondere ist es vorteilhaft, den Zeitpunkt der Bearbeitung und/oder die Ablenkung der Bearbeitungsstrahlung mittels der Ablenkeinheit anzupassen, insbesondere zu korrigieren.
Abhängig von dem Winkel, in welchen die Bearbeitungsstrahlung auf die Oberfläche des Werkstücks auftrifft, kann ein Höhenunterschied, insbesondere aufgrund eines unebenen Werkstücks, zu einer Ortsabweichung bei der Bearbeitung führen. Vorteilhafterweise erfolgt daher eine Anpassung, insbesondere Korrektur des Zeitpunkts der Bearbeitung und/oder der Ablenkung der Bearbei- tungsstrahlung mittels der Ablenkungseinheit, um eine Ortsabweichung aufgrund eines mittels des Höhenprofils erfassten Höhenunterschieds zu korrigieren.
Vorteilhafterweise wird bei der Bearbeitung eine Fokussierungseinrichtung verwendet, um die Bearbeitungsstrahlung auf einen Bearbeitungspunkt auf dem Werkstück zu fokussieren. Hierdurch können höhere Energiedichten erzielt werden und es können kleinere Strukturen ausgebildet werden. Bei Kenntnis des Höhenprofils des Werkstücks wird bevorzugt die Fokussierungseinrichtung derart gesteuert, dass eine Fokussierung der Bearbeitungsstrahlung stets auf die Oberfläche des Werkstücks erfolgt.
Hierdurch wird eine fehlerhafte Fokussierung der Bearbeitungsstrahlung aufgrund von Höhenunterschieden des Werkstücks, insbesondere einer Biegung eines flächigen Werkstücks, vermieden.
Die eingangs gestellte Aufgabe ist weiterhin durch eine Vorrichtung zum Ausbilden einer Struktur an einem Werkstück mittels Bearbeitungsstrahlung gemäß Anspruch 1 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Transportvorrichtung zum Bewegen des Werkstücks entlang einer Bewegungsbahn, eine Strahlungsquelle zum Erzeugen der Bearbeitungsstrahlung und eine Steuervorrichtung zum Steuern eines Zeitpunkts der Bearbeitung und/oder der Ablenkung der Bearbeitungsstrahlung zur Bearbeitung des Werkstücks auf. Weiterhin weist die Vorrichtung optische Sensoren zur Erfassung von Lagedaten des Werkstücks auf.
Wesentlich ist, dass die optischen Sensoren als Bewegungssensoren zur Erfassung einer Bewegung des Werkstücks ausgebildet sind und dass die Vorrichtung zusätzlich mindestens einen optischen Lagesensor zur Erfassung von Ortsdaten des Werkstücks aufweist. Es liegt hierbei im Rahmen der Erfindung, einen Sensor, der an sich technisch als Bewegungssensor ausgebildet ist, als Lagesensor zu verwenden. So kann ein Überdeckungsgrad eines Sensorfeldes eines Bewegungssensors gemessen werden, um die Lage des Werkstücks relativ zu dem Bewegungssensor zu messen und den Bewegungssensor so dass der an sich als Bewegungssensor ausgebildete Detektor einen Lagesensor darstellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht somit mittels des Lagesensors eine Erfassung der Lage des Werkstücks und mittels der Bewegungssensoren eine Erfassung der Bewegungen, sodass ausgehend von der erfassten Lage mittels der Daten der Bewegungssensoren eine Werkstücktrajektorie bestimmt werden kann, welche der tatsächlichen Trajektorie entspricht, d. h. auch Abweichungen aufgrund von Geschwindigkeitsänderungen beim Transport durch die Transportvorrichtung oder einer Bewegung des Werkstücks auf der Transportvorrichtungen berücksichtigt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass eine genaue Ausrichtung der Bearbeitungsstrahlung auf den gewünschten Bearbeitungsort an der Oberfläche des Werkstücks erzielt wird. Dies ermöglicht die Verwendung optischer Elemente wie beispielsweise Zylinderlinsen, wie weiter unten beschrieben.
Vorteilhafterweise ist daher der Erfassungsbereich des Lagesensors in einer Transportrichtung der Transportvorrichtung vor dem Erfassungsbereich zumindest einer Teilmenge der Bewegungssensoren angeordnet, bevorzugt vor dem Erfassungsbereich aller Bewegungssensoren. Hierdurch wird beim Transport des Werkstücks ab dem Zeitpunkt der Erfassung der Lage durch den Lagesensor die Berechnung der Werkstücktrajektorie mittels der Daten der Bewegungssensoren ermöglicht.
Vorteilhafterweise ist zumindest eine Teilmenge der Bewegungssensoren, bevorzugt sind alle Bewegungssensoren als Trackingsensoren ausgebildet. Alternativ oder bevorzugt zusätzlich ist der Lagesensor als Lichtschranke ausgebildet. Wie zuvor beschrieben, kann hierbei auf handelsüblich erhältliche Trackingsensoren und Lichtschranken zurückgegriffen werden, die kostengünstig Messungen mit hoher Präzision ermöglichen. Wie zuvor beschrieben, wird eine höhere Präzision erzielt in einer vorteilhaften Ausgestaltung, bei welcher der Lagesensor als Kamera oder optisches Mikrometer ausgebildet ist.
Optische Trackingsensoren sind insbesondere zur Verwendung in Computermäusen zur Bewegungserkennung bekannt. Solche Trackingsensoren werden vorteilhafterweise als optische Trackingsensoren verwendet. Es ist daher vorteilhaft, die optischen Trackingsensoren wie in US 7,057,148 B2 beschrieben auszubilden.
Die optische Ablenkeinheit weist bevorzugt einen oder mehrere bewegliche Spiegel, insbesondere galvanometrische Spiegel auf. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Ablenkeinheit zumindest eine Polygon-Spiegelrad auf. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Ablenkeinheit mit einer Kombination aus zumindest einem galvanometrischen Spiegel und einem Polygon-Spiegelrad auszubilden.
Wie zuvor beschrieben ist es vorteilhaft, ein Höhenprofil des Werkstücks zu berücksichtigen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist daher vorteilhafterweise eine Höhenprofilmesseinheit zum Bestimmen eines Höhenprofils eines auf der Transportvorrichtung angeordneten Werkstücks auf.
Die Höhenprofilmesseinheit ist bevorzugt Triangulationssensor ausgebildet, wobei die Bestimmung des Höhenprofils bevorzugt mittels Triangulationsmessung mit Laserlinien- oder Streifenlichtprojektion erfolgt.
Bei Kenntnis der Höhendaten kann eine Korrektur des Bearbeitungszeitpunkts oben und/oder der Ablenkung der Bewegungsstrahlung mittels der optischen Ablenkeinheit zur Korrektur des Bearbeitungsortes auf dem Werkstück erfolgen.
Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Fokussiereinrichtung für die Bearbeitungsstrahlung auf. Hierdurch kann wie zuvor beschrieben die Energiedichte erhöht werden und es können Strukturen mit kleineren Abmessungen erzeugt werden. Vorteilhafterweise ist die Steuereinheit mit der Höhenprofilmesseinheit und der Fokussiereinrichtung zusammenwirkend ausgebildet, um abhängig von den Höhenprofildaten der Höhenprofilmesseinheit die Fokussiereinheit zu steuern.
Hierdurch ist gewährleistet, dass der Fokus der Bewegungsstrahlung auch bei Höhenunterschieden des Werkstücks, insbesondere bei Unebenheit des Werkstücks, korrigiert wird, insbesondere stets auf der Oberfläche des Werkstücks liegt oder der Oberfläche folgt. Vorteilhafterweise weist die Fokussiereinheit eine passive Komponente, insbesondere eine optische Linse mit Festbrennweite und eine aktive Komponente, insbesondere eine Flüssiglinse oder ein Spiegelsystem auf auf, wobei die aktive Komponente den Fokus Abhängigkeit der Höhendaten der Höhenprofilmesseinheit verschiebt, z.B. eine Flüssiglinse oder ein Spiegelsystem. Vorteilhafterweise wird die Fokussiereinheit wie in Jahn, Axel, 3-dimensional beam shaping for dynamic adjustment of focus position and intensity distribution for laser welding and cutting, http://publica.fraunhofer.de/documents/N-645639.html, beschrieben ausgebildet und gesteuert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bevorzugt zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet, insbesondere einer vorteilhaften Ausführungsform hiervon.
Vorteilhafterweise sind die optischen Sensoren daher ausgebildet, dass während der Bearbeitung des Werkstücks mittels der Bearbeitungsstrahlung mittels zumindest eines optischen Sensors der Vorrichtung Korrekturdaten des Werkstücks erfasst werden, wobei die Korrekturdaten Bewegungsdaten des Werkstücks und/oder Positionsdaten einer mittels der Bearbeitungsstrahlung an dem Werkstück erzeugten Struktur aufweisen und die Steuervorrichtung mit den optischen Sensoren Zusammenwirken ausgebildet ist, sodass abhängig von den Korrekturdaten mittels der Steuervorrichtung die Ablenkung der Bearbeitungsstrahlung mittels der Ablenkungseinheit angepasst, insbesondere korrigiert wird.
Hierdurch werden die zuvor zu Anspruch 1 erläuterten Vorteile erzielt.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Transportvorrichtung zum Transport des Werkstücks entlang einer nicht-geradlinigen Bewegungsbahn ausgebildet ist. Insbesondere liegt der Transport des Werkstücks auf einer gebogenen, insbesondere kreisförmigen Bewegungsbahn im Rahmen der Erfindung. Ebenso liegt das Ausbilden einer Struktur an einem Werkstück im Rolle-zu-Rolle-Verfah- ren (R2R-Verfahren), insbesondere an einem bandförmigen Werkstück im Rahmen der Erfindung. Für eine Integration in einen Inline-Prozess ist es vorteilhaft, dass das die Transportvorrichtung zum Transport des Werkstücks auf einer geradlinigen Bewegungsbahn ausgebildet ist. Wie zuvor beschrieben ermöglichen das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung eine sehr ortsgenaue Beaufschlagung des Werkstücks mit der Bearbeitungsstrahlung an dem gewünschten Ort auf der Oberfläche des Werkstücks. Dies lässt sich in besonders vorteilhafter Weise mit Optiken kombinieren, die durch große Numerische Apertur kleinere Strukturen erzeugen aber nur kleine Bildfelder aufweisen, insbesondere Mikrolinsen-Arrays oder Zylinderlinsen. Durch den Transport des Werkstücks ist es möglich, die kleinen Strukturen auch in großer Fläche ortstreu zu erzeugen. Es ist grundsätzlich bekannt, dass Zylinderlinsen in vorteilhafterweise zur Ausbildung von Strukturen an einem Werkstück mittels Bearbeitungsstrahlung verwendet werden können, wie beispielsweise in Khan et al. Formation of thin laser ablated contacts using cylindrical lens, https://doi.Org/10.1063/5.0056740, beschrieben.
Vorteilhafterweise ist daher im Strahlengang der Bearbeitungsstrahlung zwischen Ablenkeinheit und Werkstück ein optisches Element zur Fokussierung der Bearbeitungsstrahlung, insbesondere eine optische Linse, bevorzugt eine Zylinderlinse angeordnet. Das optische Element, bevorzugt die Zylinderlinse, ist bevorzugt nahe an dem Werkstück, insbesondere in einem Abstand kleiner 20 cm, weiter bevorzugt kleiner 10 cm, insbesondere kleiner 5 cm zu dem Werkstück angeordnet. Hierdurch können besonders schmale Strukturen ausgebildet werden.
Weitere vorteilhafte Merkmale und bevorzugte Ausführungsformen werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Dabei zeigt:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ausbilden einer Struktur an einem Werkstück mittels Bearbeitungsstrahlung;
Figur 2 eine Draufsicht auf eine Sensoreinheit der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung;
Figur 3 eine Draufsicht auf ein bearbeitetes Werkstück und Figur 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Sämtliche Figuren zeigen schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellungen. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
Die in den Figuren 1 und 4 in Seitenansicht dargestellten Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ausbilden einer Struktur an einem Werkstück mittels Bearbeitungsstrahlung sind zur Bearbeitung von Halbleitersubstraten mittels Laserstrahlung ausgebildet. Die Halbleitersubstrate stellen Precursor zur Herstellung von photovoltaischen Solarzellen dar. Die Precursor weisen ein als Siliziumwafer ausgebildetes Substrat auf, auf welchem an einer in den Figuren obenliegenden Bearbeitungsseite eine dielektrische Schicht, vorvorliegend eine Siliziumdioxidschicht, ausgebildet ist. Mittels der als Laserstrahlung ausgebildeten Bearbeitungsstrahlung werden durch Laserablation mehrere parallele, geradlinige Strukturen ausgebildet. Die Strukturen stellen somit linienartige Öffnungen der dielektrischen Schicht dar.
Das in Figur 1 gezeigte erste Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß Vorrichtung zum Ausbilden einer Struktur an einem Werkstück mittels Bearbeitungsstrahlung weist eine Transportvorrichtung 1 zum Bewegen von Werkstücken 2, welche vorliegend wie zuvor beschrieben als Precursor zur Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle ausgebildet sind, auf. Die Transportvorrichtung 1 weist ein Förderband auf, auf welches die Werkstücke 2 aufgelegt und entsprechend der in den Figuren 1 und 4 gezeigten Pfeilrichtung von links nach rechts entlang einer geradlinigen Bewegungsbahn bewegt werden.
In den Figuren 1 und 4 ist jeweils eine Seitenansicht der Vorrichtungen gezeigt, sodass entsprechend lediglich jeweils ein Rand der flächig ausgebildeten Werkstücke 2 gezeigt ist.
Die Vorrichtung gemäß Figur 1 weist weiterhin eine als Laser ausgebildete Strahlungsquelle 3 auf, zum Erzeugen der als Laserstrahlung ausgebildeten Bearbeitungsstrahlung. Vorliegend ist der Laser als Festkörper-Laser ausgebildet mit einer Wellenlänge von 1064nm und einer Pulsdauer von 4ns. Die Vorrichtung weist weiterhin eine Ablenkeinheit 4 auf, welche vorliegend einen motorisch drehbaren Spiegel aufweist, um einen Laserstrahl 3a der Strahlungsquelle 3 senkrecht zur Transportrichtung und senkrecht zu der obenliegen- den Bearbeitungsseite der Werkstücke 2 und somit senkrecht zur Zeichenebene in Figur 1 abzulenken.
Die Vorrichtung weist weiterhin optische Sensoren auf:
Ein Lagesensor 5 ist in Transportrichtung vor dem Bereich der Vorrichtung angeordnet, an welchem eine Bearbeitung der Werkstücke 2 mittels dem Laserstrahl 3a erfolgt.
Der Lagesensor 5 weist eine Mehrzahl von Lichtschranken auf, welche senkrecht zur Transportrichtung und somit senkrecht zur Zeichenebene in Figur 1 in einer geradlinigen Linie angeordnet sind.
Hierzu sind in einem Bereich der Transportvorrichtung 1 unter den durch die Transportvorrichtung transportierten Werkstücken 2 Spiegel angebracht. Das Transportmittel der Transportvorrichtung 1 , vorliegend das Förderband, ist derart ausgestaltet, dass im Bereich der Spiegel keine Elemente des Förderbandes des angeordnet sind, sodass die optische Wegstrecke zwischen in dem in Figur 1 oben angeordneten Gehäuse 5 des Lagesensors 5 und den in der Transportrichtung 1 angeordneten Spiegeln nur durch die Werkstücke 2 verdeckt wird.
Mittels des Lagesensors 5 wird somit der Zeitpunkt detektiert, an welchem eine in Transportrichtung vordere Kante des Werkstücks 2 den optischen Strahlengang der Lichtschranke verdeckt. Darüber hinaus kann über einen Zeitversatz der Verdeckung der einzelnen in einer geraden Linie senkrecht zur Transportrichtung angeordneten Lichtschranken auch eine Schrägstellung des Werkstücks detektiert werden, sofern die vordere Kante des Werkstücks nicht senkrecht zur Transportrichtung steht. Mittels des Lagesensors wird somit die absolute Lage des Werkstücks 2 relativ zu der Vorrichtung detektiert.
Die optischen Sensoren umfassen weiterhin ein Bewegungssensor-Array 6. Das Bewegungssensor-Array 6 weist eine Mehrzahl von optischen Trackingsenso- ren 6a auf, welche auf den Kreuzungspunkten eines vorliegend quadratischen Gitters angeordnet sind. In Figur 2 ist eine Draufsicht von oben auf das Bewe- gungssensor-Array 6 gezeigt, wobei die optischen Trackingsensoren jeweils als Kreis dargestellt sind. Exemplarisch ist der optische Trackingsensor 6a in der linken oberen Ecke mit einem Bezugszeichen versehen.
Die optischen Trackingsensoren sind vorliegend wie in Patent US 7,057,148 B2 beschrieben ausgebildet. Ein einzelner Trackingsensor besteht vorliegend aus einem optischen Detektor, mit vorliegend 30x30 Pixeln, einer integrierten Beleuchtung und einem Mikrocontroller der eine digitalen Signalprozessiereinheit zur Berechnung der Bewegungsdaten enthält.
Mittels der optischen Trackingsensoren des Bewegungssensor-Arrays 6 wird somit ab dem Zeitpunkt, an welchem die Lage des Werkstücks mittels des Lagesensors 5 erfasst wird, bis zumindest zu dem Zeitpunkt, an welchem die Bearbeitung des Werkstücks mit dem Laserstrahl 3a erfolgt, die Bewegung des Werkstücks 2 erfasst. Aufgrund der Vielzahl an optischen Trackingsensoren 6a kann durch Differenzen in der Bewegungsgeschwindigkeit und insbesondere Komponenten in der Bewegungsgeschwindigkeit, welche senkrecht zu der Transportrichtung stehen, eine zeitliche Bewegung des Werkstücks und ebenso auch eine Drehung des Werkstücks detektiert werden.
Der Erfassungsbereich der optischen Trackingsensoren 6a ist somit in Transportrichtung nach dem Erfassungsbereich des Lagesensors angeordnet.
In Figur 3 ist ein Werkstück 2 in Draufsicht von oben dargestellt, welches bereits vollständig bearbeitet wurde. Mittels der schwarzen parallelen Linien sind die Ausnehmungen gekennzeichnet, welche mittels Laserablation durch den Laserstrahl 3a erzeugt wurden. Während der Bearbeitung werden die geradlinigen Ausnehmungen parallel zur Transportrichtung erzeugt. Bei der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung kann der Laserstrahl wie zuvor beschrieben jedoch lediglich senkrecht zur Transportrichtung mittels der Ablenkeinheit 4 bewegt werden. Die Bewegung des Laserstrahls und die Ablation der dielektrischen Schicht zur Ausbildung der Ausnehmungen erfolgt jedoch mit einer erheblich höheren Geschwindigkeit, verglichen mit der Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstücks 2 auf der Transportvorrichtung 1. Es können daher in sequenzielle Abfolge stets benachbarte Teilstücke der Strukturen erzeugt werden. Aufgrund einer Ausdehnung der mittels des Lasers erzeugten Ablationen auch parallel zur Bewegungsrichtung werden somit sukzessive bei jeder Struktur jeweils in Transportrichtung überlappende Ausnehmungen erzeugt, sodass eine durchgehende geradlinige Ausnehmung für jede Struktur ausgebildet wird.
Die Vorrichtung gemäß der in den Figuren 1 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiele weist jeweils eine Steuervorrichtung 7 auf. Diese ist mit den optischen Sensoren zum Erfassen der Messdaten der optischen Sensoren verbunden und ebenso mit der Strahlungsquelle 3, um die Strahlerzeugung an- und abzuschalten sowie mit der Ablenkeinheit, um die Ablenkung des Laserstrahl 3a mitmittelst Ablenkeinheit zu steuern.
Die Verbindung mit dem Bewegungssensor-Array 6 ist aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit grafisch nicht dargestellt.
Die Vorrichtung gemäß Figur 1 ist zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet:
In ein Verfahrensschritt A wird ein Werkstück 2 auf der Transportvorrichtung 1 bereitgestellt. Verfahrensschritt B erfolgt ein Bewegen des Werkstücks 2 entlang der durch einen Pfeil gekennzeichneten geradlinigen Bewegungsbahn mittels der Transportvorrichtung 1 und ein Bearbeiten des Werkstücks 2 mittels der als Laserstrahl 3a ausgebildeten Bearbeitungsstrahlung, während das Werkstück 2 mittels der Transportvorrichtung 1 bewegt wird. Mittels der Steuervorrichtung 7 wird der Zeitpunkt der Bearbeitung und mittels der durch die Steuervorrichtung 7 gesteuerten optischen Ablenkeinheit 4 der Ort der Bearbeitung des Werkstücks mittels der Bearbeitungsstrahlung gesteuert, um die in Figur 3 gezeigten geradlinigen, parallelen Strukturen auszubilden.
Wesentlich ist, dass in Verfahrensschritt B während der Bearbeitung des Werkstücks mittels der Bearbeitungsstrahlung mit den Sensoren 5 und 6 Korrekturdaten des Werkstücks erfasst werden. Die Korrekturdaten umfassen vorliegend die mittels des Lagesensors 5 erfassten Positionsdaten sowie die mittels der optischen Trackingsensoren 6a des Bewegungssensors 6 erfassten Bewegungsdaten des Werkstücks 2.
Abhängig von den Korrekturdaten mittels der Steuervorrichtung wird der Zeitpunkt der Bearbeitung und/oder die Ablenkung der Bearbeitungsstrahlung mittels der Ablenkungseinheit 7 korrigiert.
Wird beispielsweise mittels der Mehrzahl an Lichtschranken des Lagesensors 5 detektiert, dass die vordere Kante des Werkstücks 2 nicht senkrecht, sondern schräg zur Transportrichtung steht, so wird entsprechend der Zeitpunkt zum Erzeugen der Strukturen verändert, da bei einem schräg in den Bearbeitungsbereich einlaufenden Werkstück 2 zunächst lediglich eine Struktur und anschließend eine zunehmende Anzahl von Strukturen ausgebildet werden, um einen gleichmäßigen Abstand des Beginns der Strukturen vom Rand des Werkstücks zu gewährleisten.
Darüber hinaus wird die Ablenkung des Laserstrahls 3a mittels der Ablenkeinheit 7 korrigiert, da die Strukturen entsprechend des mittels des Lagesensors 5 detektierten Winkels, in welchen die vordere Kante des Werkstücks 2 mit der Transportrichtung einschließt, im Bezugssystem der Bearbeitungsvorrichtung schräg verlaufende Strukturen ausgebildet werden müssen, um auf den Werkstück 2 Strukturen auszubilden, welche parallel zu den Seitenrändern bzw. senkrecht zu der vorderen Kante des Werkstücks 2 verlaufen.
In Figur 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Wesentliche Elemente und Funktionalitäten stimmen mit dem ersten Ausführungsbeispiel überein. Zum Vermeiden von Wiederholungen wird nachfolgend daher lediglich auf die wesentlichen Unterschiede eingegangen:
Der Lagesensor 5‘ der in Figur 4 gezeigten Vorrichtung ist als ortsauflösende Kamera ausgebildet, vorliegend mit einem CMOS-Chip.
Die Ablenkeinheit 4‘ der Vorrichtung gemäß Figur 4 weist zwei galvanometrische Spiegel auf, welche eine Ablenkung in beliebigen Raumrichtungen entlang der Bearbeitungsebene ermöglichen, sodass der Laserstrahl 3a nicht nur mit Korn- ponenten senkrecht zur Transportrichtung, sondern ebenso mit Komponenten parallel zur Transportrichtung der Transportvorrichtung 1 abgelenkt werden kann.
In einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels wird eine Kombination aus einem Polygon-Spiegelrad und einem Galvanometer als Ablenkeinheit 4‘ verwendet, um den Strahl parallel zum Werkstück und senkrecht zur Bewegungsrichtung besonders schnell bewegen zu können. Die Korrektur der Bewegung entlang der Transportrichtung obliegt dann dem Galvanometer, während der Strahl senkrecht zur Transportrichtung gleichförmig bewegt wird. Ein Vorteil dieser Ausführung ist die Möglichkeit ein besonders großes Bearbeitungsfeld bei großer numerischer Apertur mit sehr hoher Bearbeitungsgeschwindigkeit realisieren zu können.
Zusätzlich ist an der Ablenkeinheit 4 eine Fokussiereinrichtung 8 angeordnet, um den Laserstrahl 3a auf die in Figur 4 obenliegende Bearbeitungsseite des Werkstücks 2 zu fokussieren.
Weiterhin weist die Vorrichtung gemäß Figur 4 eine Höhenprofilmesseinheit 9 auf, um ein Höhenprofil der Bearbeitungsseite des Werkstücks 2 zu messen.
Lagesensor 5‘, Fokussiereinrichtung 8 sowie Höhenprofilmesseinheit 9 sind ebenfalls mit der Steuereinheit 7 verbunden.
Bei der in Figur 4 dargestellten Vorrichtung kann somit mittels des als Kamera ausgebildeten Lagesensors 5‘ in kontinuierlicher Abfolge ein Bild des Bearbeitungsbereichs aufgenommen werden. Mittels Bildanalyse wird eine vordere Kante des Werkstücks 2 detektiert. Mittels dieser Daten kann somit die Lage des Werkstücks 2 bei Einlaufen in den Bearbeitungsbereich der Vorrichtung erfasst werden und insbesondere auch eine Schrägstellung der einlaufenden vorderen Kante des Werkstücks 2, sofern diese nicht senkrecht zu der Transportrichtung der Transportvorrichtung 1 steht. Dies ermöglicht eine Korrektur wie bereits zu Ausführungsbeispiel 1 beschrieben.
Darüber hinaus ermöglicht die in Figur 4 gezeigte Vorrichtung, mittels des Lagesensor 5‘ die Lage der mittels der Bearbeitungsstrahlung erzeugten Strukturen zu detektieren. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Abstand zwischen den Strukturen zueinander sowie der Abstand zu den Rändern des Werkstücks 2 vorgegeben. Mittels Bildanalyse kann während des Erstellens der Strukturen der Abstand zwischen den Strukturen sowie der Abstand zu den Rändern bestimmt werden. Sofern dieser nicht mit den vorgegebenen Abstandswerten übereinstimmend, erfolgt eine Korrektur der Ablenkung des Laserstrahls mittels der Ablenkeinheit 4‘ , um zumindest bei der nachfolgenden Bearbeitung die korrekten Abstände auszubilden.
Die Vorrichtung gemäß Figur 4 weist zusätzlich eine Höhenprofilmesseinheit 9 auf. Diese ist vorliegend ausgebildet, um ein zweidimensionales Höhenprofil des Werkstücks 2 zu erfassen. Hierzu ist die Höhenprofilmesseinheit vorliegend als Laser-Triangulations-Messkopf ausgebildet.
Das mittels der Höhenprofilmesseinheit 9 bestimmte Höhenprofil eines Werkstücks 2 wird an die Steuervorrichtung 7 übertragen und diese steuert die Fokussiereinrichtung 8 entsprechend, sodass der Fokus stets auf der durch das Höhenprofil an dem aktuellen Bearbeitungsort angegebenen Höhe und somit jeweils an der Oberfläche der Bearbeitungsseite des Werkstücks 2 liegt.
Die Vorrichtung gemäß Figur 4 weist zusätzlich das bereits zu Figur 1 beschriebene Bewegungssensor-Array 6 zur Erfassung von Bewegungsdaten auf. Es liegt somit redundante Information zu dem Ort und der Bewegung des Werkstücks 2 vor. Über Korrekturfunktionen, beispielsweise über arithmetische Mittelwertbildung kann so die Genauigkeit bei der Erfassung der Kenndaten des Werkstücks erhöht werden.
In einer Abwandlung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ausschließlich eine Erfassung von Kenndaten mittels des Lagesensor 5‘, welcher Positionsdaten der mittels der Bearbeitungsstrahlung an dem Werkstück erzeugten Struktur erfasst, vorliegend die Positionsdaten der mittels des Laserstrahls 3a erzeugten geradlinigen Ausnehmungen an dem Werkstück 2.
Bei dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Laserstrahl 3a von der Ablenkungseinheit 4 auf eine Zylinderlinse 10 abgelenkt. Die Zylinderlinse 10 ist mit der Zylinderachse quer zur Transportrichtung ausgerichtet. Die Verwendung einer Zylinderlinse ermöglicht das Ausbilden besonders schmaler Strukturen, insbesondere schmaler Linien parallel zur Zylinderachse der Zylinderlinse. Die Zylinderlinse 10 weist eine besonders kurze Brennweite, vorlie- gend etwa 150 mm auf und kann so in besonders vorteilhafter Weise mit dem Transportsystem kombiniert werden, da durch die Bewegung des Werkstücks nur geringe Bewegung des Strahls in Transportrichtung gewährleistet werden muss. Da die zu bearbeitende Fläche entlang der Transportrichtung nicht eingeschränkt ist, können sehr kleine Strukturen auf großer Fläche realisiert werden. Der Abstand zwischen Zylinderlinse 10 und Werkstück 2 liegt im Bereich 1 cm bis 5 cm.
Bezuqszeichen liste
1 Transportvorrichtung 2 Werkstück
3 Strahlungsquelle
3a Laserstrahl
4, 4‘ Ablenkeinheit
5, 5‘ Lagesensor 6 Bewegungssensorarray
6a optische Trackingsensoren
7 Steuervorrichtung
8 Fokussiereinrichtung
9 Höhenprofilmesseinheit 10 Zylinderlinse

Claims
Ansprüche Verfahren zum Ausbilden einer Struktur an einem Werkstück (2) mittels Bearbeitungsstrahlung, mit den Verfahrensschritten a. Bereitstellen des Werkstücks (2) auf einer Transportvorrichtung (1 ); b. Bewegen des Werkstücks (2) entlang einer Bewegungsbahn mittels der Transportvorrichtung (1 ) und
Bearbeiten des Werkstücks (2) mittels der Bearbeitungsstrahlung, während das Werkstück (2) mittels der Transportvorrichtung (1 ) bewegt wird, wobei mittels einer Steuervorrichtung (7) der Zeitpunkt der Bearbeitung und bevorzugt mittels einer durch die Steuervorrichtung (7) gesteuerten optischen Ablenkeinheit (4, 4‘) für die Bearbeitungsstrahlung der Ort der Bearbeitung des Werkstücks (2) mittels der Bearbeitungsstrahlung gesteuert wird, um die Struktur auszubilden, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt B während der Bearbeitung des Werkstücks (2) mittels der Bearbeitungsstrahlung mittels zumindest eines optischen Sensors Korrekturdaten des Werkstücks (2) erfasst werden, wobei die Korrekturdaten Bewegungsdaten des Werkstücks (2) und/oder Positionsdaten einer mittels der Bearbeitungsstrahlung an dem Werkstück (2) erzeugten Struktur aufweisen und dass abhängig von den Korrekturdaten mittels der Steuervorrichtung (7) die Ablenkung der Bearbeitungsstrahlung mittels der Ablenkeinheit (4, 4‘) bestimmt, insbesondere korrigiert wird. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt B in einem Verfahrensschritt B.1 vor der Bearbeitung des Werkstücks (2) mittels der Bearbeitungsstrahlung eine Lagererkennung des Werkstücks (2) erfolgt und nach Verfahrensschritt B.1 in einem Verfahrensschritt B.2 Bewegungsdaten des Werkstücks (2) erfasst werden. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Bewegungsdaten gemäß Verfahrensschritt B.2 spätestens bei Durchführung des Verfahrensschritts B.1 startet und zumindest bis zum Erzeugen der Struktur mittels der Bearbeitungsstrahlung, bevorzugt bis zum Abschluss des Erzeugens der Struktur mittels der Bearbeitungsstrahlung fortgesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt B.2 die Bewegungsdaten des Werkstücks (2) mittels einer Mehrzahl optischer Detektoren erfasst werden, insbesondere mittels einer Mehrzahl separater optischer Detektoren, bevorzugt in einem Array angeordneter Detektoren.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in den Verfahrensschritten B.1 und B.2 die Kenndaten mittels unterschiedlicher optischer Detektoren erfasst werden, insbesondere mittels in separaten Gehäusen angeordneten Detektoren.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt B.1 Ortsdaten des Werkstücks (2) mittels zumindest einem Lagesensor aus der Gruppe, Lichtschranke, Kamera, optischer Mikrometer erfasst werden und in Verfahrensschritt B.2 Bewegungsdaten des Werkstücks (2) mittels optischer Trackingsensoren (6a) erfasst werden.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt B zumindest ein ortsaufgelöstes Bild, insbesondere ein ein bearbeitetes ortsaufgelöstes Bild, insbesondere mittels Fouriertrans- formation bearbeitetes, ortsaufgelöstes Bild, der Oberfläche des Werkstücks (2), an welcher die Bearbeitung mittels der Bearbeitungsstrahlung erfolgt, erfasst wird, und bevorzugt eine Lagebestimmung einer mittels der Bearbeitungsstrahlung an dem Werkstück (2) erzeugten Struktur mittels des Bildes erfolgt.
. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Strukturmaße der mittels der Bearbeitungsstrahlung erzeugten Struktur, insbesondere zumindest ein Abstand zwischen beabstandeten Strukturteilbereichen der mittels der Bearbeitungsstrahlung erzeugten Struktur abgeglichen werden und/oder zumindest ein Abstand zwischen mehreren der mittels der Bearbeitungsstrahlung erzeugten Strukturen mit den mit dem ortsaufgelösten Bild erfassten Strukturen und/oder ein Abstand der mittels der Bearbeitungsstrahlung ausgebildeten Struktur zu einer oder mehrere Kanten des Werkstücks abgeglichen wird. . Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt B die Bearbeitung des Werkstücks (2) mittels Laserstrahlung erfolgt. 0. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Höhenprofil des Werkstücks (2), bevorzugt der Bearbeitungsseite des Werkstücks (2) erfasst wird und zumindest eine der Korrekturen
Zeitpunkt der Bearbeitung; die Ablenkung der Bearbeitungsstrahlung mittels der Ablenkeinheit (4, 4‘); Fokussierung der Bearbeitungsstrahlung mittels einer Fokussierungseinrichtung abhängig von dem Höhenprofil durchgeführt wird. 1 .Vorrichtung zum Ausbilden einer Struktur an einem Werkstück (2) mittels Bearbeitungsstrahlung, mit einer Transportvorrichtung (1 ) zum Bewegen des Werkstücks (2) entlang einer bevorzugt geradlinigen Bewegungsbahn, einer Strahlungsquelle zum Erzeugen der Bearbeitungsstrahlung und einer Steuervorrichtung (7) zum Steuern eines Zeitpunkts der Bearbeitung und/oder der Ablenkung der Bearbeitungsstrahlung zur Bearbeitung des Werkstücks (2) und mit optischen Sensoren zur Erfassung von Lagedaten des Werkstücks (2), dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sensoren als Bewegungssensoren zur Erfassung einer Bewegung des Werkstücks (2) ausgebildet sind und dass die Vorrichtung zusätzlich zumindest einen optischen Lagesensor (5, 5‘) zur Erfassung von Ortsdaten des Werkstücks (2) aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Erfassungsbereich des Lagesensors in einer Transportrichtung der Transportvorrichtung (1 ) vor dem Erfassungsbereich zumindest einer Teilmenge der Bewegungssensoren angeordnet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Teilmenge der Bewegungssensoren Trackingsensoren ausgebildet sind und/oder dass der Lagesensor als Lichtschranke, Kamera oder optisches Mikromenter ausgebildet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Höhenprofilmesseinheit (9) zum Bestimmen eines Höhenprofils eines auf der Transportvorrichtung (1 ) angeordneten Werkstücks (2) aufweist, insbesondere, dass die Vorrichtung eine Fokussiereinrichtung (8) für die Bearbeitungsstrahlung aufweist und die Steuereinheit mit der Höhenprofilmesseinheit (9) und der Fokussiereinrichtung (8) zusammenwirkend ausgebildet ist, um abhängig von den Höhenprofildaten der Höhenprofilmesseinheit (9) die Fokussiereinrichtung (8) zu steuern. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sensoren ausgebildet sind, während der Bearbeitung des Werkstücks (2) mittels der Bearbeitungsstrahlung mittels zumindest eines optischen Sensors Korrekturdaten des Werkstücks (2) erfasst werden, wobei die Korrekturdaten Bewegungsdaten des Werkstücks (2) und/oder Positionsdaten einer mittels der Bearbeitungsstrahlung an dem Werkstück (2) erzeugten Struktur aufweisen und dass die Steuervorrichtung (7) mit den optischen Sensoren zusammenwirkend ausgebildet ist, so dass abhängig von den Korrekturdaten mittels der Steuervorrichtung (7) der Zeitpunkt der Bearbeitung und/oder die Ablenkung der Bearbeitungsstrahlung mittels der Ablenkeinheit (4, 4‘) korrigiert wird.
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