DE102008026792A1

DE102008026792A1 - Laserbearbeitungsvorrichtung und Laserbearbeitungsverfahren mittels Aperturabbildung

Info

Publication number: DE102008026792A1
Application number: DE102008026792A
Authority: DE
Inventors: Richard GRUNDMÜLLER
Original assignee: Corning Laser Technologies GmbH
Current assignee: Corning Laser Technologies GmbH
Priority date: 2008-06-04
Filing date: 2008-06-04
Publication date: 2009-12-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung von einem in einem Bearbeitungsbereich (B) anordenbaren und/oder angeordneten Substrat, insbesondere einem Dünnschichtsolarzellenelement (DSZ), aufweisend einen Laser (1), eine im Strahlengang des Lasers angeordnete Aperturblende (2), die so ausgebildet und angeordnet ist, dass der vom Laser erzeugte und/oder erzeugbare Laserstrahl (1a) in seinem Randbereich (1aR) zumindest abschnittsweise beschneidbar ist und/oder beschnitten ist, bevorzugt eine im Strahlengang nach der Aperturblende angeordnete Umlenkeinheit (3), die mehrere im Strahlengang nacheinander angeordnete Umlenkvorrichtungen (3a, 3b, ...) zur Umlenkung des beschnittenen Laserstrahls umfasst, und eine im Strahlengang nach der Umlenkeinheit angeordnete, zur verkleinerten und fokussierten Abbildung der Aperturblende in den Bearbeitungsbereich (B) ausgebildete Fokussiereinheit (4).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung sowie ein Laserbearbeitungsverfahren, bei welcher bzw. bei welchem Laserlicht ausreichend hoher Strahlintensität auf ein Substrat bzw. Objekt fokussiert eingestrahlt wird, um auf dem bzw. von dem Substrat Material abzutragen. Bei dem Objekt bzw. Substrat kann es sich insbesondere um eine Solarzelle, wie beispielsweise eine Dünnschichtsolarzelle, handeln. Besonders vorteilhaft lassen sich die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren bei der Bearbeitung von CIS-Dünnschichtsolarzellen (Dünnschichtsolarzellen mit Kupfer-Indium-Disulfid-Absorber und Molybdän als Rückkontakt) einsetzen.
Vorrichtungen bzw. Verfahren zur Laserbearbeitung von Substraten, insbesondere von Solarzellen, sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. So zeigt beispielsweise die DE 103 21 123 A1 eine Vorrichtung zur Laserbearbeitung mit einem Schneidkopf, welcher gegenüber einer Auflage für ein zu bearbeitendes Werkstück relativ beweglich ausgeführt ist, wobei der Schneidkopf eine Fokussieroptik aufweist, durch die die Laserstrahlung einer zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks zuführbar ist und wobei der Schneidkopf zur Positionierung des Laserstrahls einen Reflektor aufweist, mit dem der Laserstrahl um 90° aus der Horizontalen in die Vertikalrichtung umlenkbar ist, bevor er auf das Werkstück trifft.
Bei Materialabtragprozessen, insbesondere von oder bei dünnen Schichten hängt das Ergebnis signifikant von der Intensitätsverteilung des auftreffenden Laserstrahls im Fokus ab. Ungeeignete Intensitätsverteilungen bzw. Leistungsverteilungen im Strahlquerschnitt können insbesondere dazu führen, dass beim Abtragen des Materials von dünnen Schichten am Rande von in die dünnen Schichten einzubringenden Gräben Aufwerfungen bzw. Grate auftreten, die bei nachfolgenden Bearbeitungsschritten wie z. B. dem Aufbringen weiterer dünner Schichten auf bereits bearbeitete Schichten zu Problemen führen. Darüberhinaus hängt auch die Form des in einer dünnen Schicht eingebrachten Grabens stark von der Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt auf Höhe des Strahlfokus im Bearbeitungsbereich des Substrates ab.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, die bekannten Laserbearbeitungsvorrichtungen bzw. -verfahren so zu modifizieren, dass die Materialabtragung im Strahlfokus in einer gewünschten Form und unter Vermeidung von Aufwerfungen und/oder Graten am Rand der eingebrachten Strukturen mit hoher Genauigkeit auch für kleine einzubringende Strukturen (insbesondere im Bereich einiger 10 μm) erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein entsprechendes Laserbearbeitungsverfahren gemäß Anspruch 18 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen ergeben sich hierbei jeweils aus den abhängigen Ansprüchen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend zunächst allgemein beschrieben. Dem schließen sich Ausführungsbeispiele für die konkrete Realisation einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung an. Die einzelnen, in den konkreten Ausführungsbeispielen realisierten Aufbauten bzw. Konfigurationen sind dabei lediglich als vorteilhafte Ausführungsbeispiele zu verstehen, so dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung in diesen gezeigte Einzelmerkmale auch in einer anderen Konfiguration ausgebildet sein können bzw. verwendet werden können.
Grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung ist es, die Leistungsverteilung in der Bearbeitungsebene (die das Ergebnis des Materialabtrags signifikant beeinflusst) beim Abtragprozess von dünnen Schichten (insbesondere von Molybdän, das z. B. eine Dicke von 50 nm bis 1000 nm aufweisen kann) durch Abbilden einer Aperturblende auf die gewünschte Form einzustellen.
Diese erfindungsgemäße Modifikation im Strahlprofil beruht maßgeblich darauf, dass bei Abtragprozessen der beschriebenen Art Laser mit hoher Stabilität gefordert sind bzw. eingesetzt werden, welche zwangsläufig eine hohe Strahlqualität nach sich ziehen: In jedem stabilen Resonator ergibt sich hier ein näherungsweise Gauß-förmiger Strahlquerschnitt (Gauß'sche Glockenkurve), wenn der Laser im Grundmode TEM₀₀ betrieben wird. Diese typischerweise Gauß-förmige Leistungsverteilung im Strahlquerschnitt wird zur Erzielung der gewünschten Abtragestrukturen erfindungsgemäß durch Einbringen einer geeigneten Aperturblende, wie nachfolgend beschrieben, modifiziert.
Die Aperturblende weist hierbei vorteilhafterweise, da in diesem Größenbereich Blendenöffnungen mit hoher Genauigkeit und auf einfache Art und Weise hergestellt werden können, einen mittleren Durchmesser bzw. einen mittleren Öffnungsquerschnitt im Bereich von 0,5 bis 5 mm auf.
Da die beim Schichtabtrag zu erzielenden Strukturen in der Regel um mehr als eine Größenordnung kleiner sind als ein solcher Blendendurchmesser, also beispielsweise im Bereich einiger 10 μm, muss die erfindungsgemäß eingebrachte Blendenstruktur stark verkleinert im Fokus abgebildet werden. Aus diesem Grund wird in einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung im Strahlengang des Lasers nach der Aperturblende eine Umlenkeinheit eingebracht, welche mehrere (beispielsweise zwischen sechs und zwölf) einzelne Umlenkvorrichtungen (beispielsweise in Form von reflektierenden Spiegeln) aufweist. Diese Umlenkeinheit ist vorteilhafterweise so ausgebildet, dass der für die stark verkleinerte Abbildung notwendige Strahlweg auf der Eingangsseite der Fokussieroptik auf möglichst kleinem, kompaktem Raum erzielt werden kann. Vorteilhafterweise sind die einzelnen Umlenkvorrichtungen der Umlenkeinheit so angeordnet, dass ein im Wesentlichen mäanderförmiger Strahlengang zwischen Aperturblende und der die Strahlformung abschließenden Fokussieroptik resultiert. Die vorliegende Erfindung stellt somit einen praktikablen An satz zur Verfügung, um die vorbeschriebene Laserbearbeitung mittels Aperturabbildung auf einfache Art und Weise und mit sehr geringem Raumbedarf in hoch komplexe Fertigungsanlagen der Laserbearbeitung zu integrieren.
Wie nachfolgend noch ausführlich beschrieben, nutzt die Erfindung das Prinzip, dass das Abbilden einer Apertur, die im Vergleich zum beleuchtenden Laserstrahl einen kleineren Durchmesser, bevorzugt einen deutlich kleineren Durchmesser aufweist, einer simplen Bildabbildung entspricht, bei der die Eigenschaften des die Apertur beleuchtenden Strahls (insbesondere die über den Strahlquerschnitt variable Intensitätsverteilung) quasi keine Rolle mehr spielen. Die vorliegende Erfindung bietet somit einen vorteilhaften Lösungsansatz, um den zur verkleinerten Abbildung der Aperturblende erforderlichen Strahlweg zu realisieren und in ein kompaktes Gehäuse mit einer entsprechenden Anzahl von Umlenkvorrichtungen bzw. Umlenkspiegeln zu integrieren.
Wie nachfolgend beschrieben, können dann im Rahmen einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung mehrere Gehäuseeinheiten, welche jeweils eine Aperturblende, eine mehrere Umlenkvorrichtungen aufweisende Umlenkeinheit und eine die Strahlformung abschließende Fokussiereinheit aufweisen, eingesetzt werden. Mit einer solchen Anordnung können dann parallel mehrere Abtragungsprozesse am Substrat realisiert werden. Die Strahlenergie kann dabei den einzelnen Gehäuseeinheiten über eine nach einem einzelnen Laser angeordnete Strahlteilungseinheit zugeführt werden; es ist jedoch auch möglich, jede Gehäuseeinheit zusätzlich mit jeweils einem die Strahlenergie zur Verfügung stellenden Laserelement zu versehen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, dabei zeigt
1 das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung.
2 eine schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung in der besonders vorteilhaften Variante mit Umlenkeinheit.
3 das Prinzip der Aperturabbildung bei der vorliegenden Erfindung.
4 den Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Bearbeitungseinheit einer Laserbearbeitungsvorrichtung mit mehreren Bearbeitungseinheiten, wie sie in 5 skizziert ist.
5 das Prinzip einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung mit mehreren parallel arbeitenden Bearbeitungseinheiten.
6 Querschnitte durch vorteilhafte Blendenöffnungen von Aperturblenden zum Einsatz im Rahmen der vorliegenden Erfindung.
1 skizziert das Prinzip des Strahlenganges bei einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung. 1b) zeigt hierbei den tatsächlich im Rahmen der Erfindung durch Einbringen der Aperturblende realisierten Strahlengang, 1a) stellt dem den Strahlengang, wie er bei Weglassen dieser Aperturblende resultieren würde, gegenüber.
1 zeigt den Strahlengang 1a eines Laserstrahls in der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung, welcher (vgl. 1b)) senkrecht und zentriert auf eine senkrecht zur Strahlachse angeordnete Aperturblende 2 eingestrahlt wird. Senkrecht zur Strahlachse gesehen weist diese Aperturblende eine Apertur bzw. Blendenöffnung mit mittlerem Durchmesser DA auf (vgl. Definition bei 6).
Im Abstand g von der Aperturblende 2 ist im Strahlengang 1a eine Fokussiereinheit 4, hier in Form einer einfachen Sammellinse angeordnet. Diese Sammellinse 4 fokussiert das Strahlprofil 1a des auf sie einfallenden Laserstrahls im Abstand b von der Sammellinse auf einen Bearbeitungsbereich B, in dem im vorliegenden Fall eine Dünnschichtsolarzelle DSZ in einem Fertigungsstadium angeordnet ist, bei dem auf dem Glassubstrat S1 der Dünnschichtsolarzelle eine erste Schicht S2 (Molybdänschicht zur Ausbildung eines Rückseitenkontakts für das fertige Dünnschichtsolarzellenelement) ausgebildet ist. Die Dünnschichtsolarzelle DSZ ist hierbei im Bearbeitungsbereich B so angeordnet, dass die Sammellinse 4 die einfallende Strahlung exakt auf die Molybdänschicht S2 fokussiert.
1a zeigt nun den Materialabtrag, der in der Molybdänschicht S2 des Dünnschichtsolarzellenelements DSZ resultieren würde, wenn im Strahlengang keine Aperturblende 2 vorhanden wäre: Der strahleingangsseitig auf die Sammellinse 4 einfallende Laserstrahl 1a ist im Querschnitt (TEM₀₀-Mode) Gauß-förmig. Dies ist in der Zeichnung durch die radiale Intensitätsverteilung I(r) skizziert (r = Abstand von der Strahlmitte). Das Intensitätsmaximum I_max des Laserstrahls 1a auf der zentralen Strahlachse fällt somit zu den Strahlrändern hin Gauß-förmig ab. Der Strahldurchmesser DL des Laserstrahls 1a sei hier als das Zweifache desjenigen Radius' definiert, bei dem die Strahlungsintensität auf ein Zehntel des Maximalwertes I_max abgefallen ist. Der Strahldurchmesser D_L kann jedoch auch dadurch definiert werden, dass der Abfall auf 1/e (e = Eulersche Zahl) verwendet wird.
Wird nun wie in 1a) gezeigt ein solcher im Querschnitt Gauß-förmiger Laserstrahl 1a in unveränderter Querschnittsform auf die Molybdänschicht S2 fokussiert, so resultiert im Fokus ein Materialabtrag, wie er im Querschnitt in 1a) unten gezeigt ist. Der Molybdänschicht S2 wird eine im Querschnitt wannenförmige Grube SP mit vergleichsweise flachen Seitenwänden einstrukturiert, welche an ihren Rändern Materialaufwerfungen bzw. Grate 9 aufweist und/oder durch welche Mikrorisse verursacht werden. Diese Grate und/oder Mikrorisse sind jedoch bei der weiteren, nachfolgenden Beschichtung der gezeigten Dünnschichtsolarzellenbasis S1, S2 äußerst störend: Im Einzelfall können hier z. B. Grathöhen auftreten, die so groß sind, dass sie durch die nächstfolgend aufzubringende Schicht hindurchreichen, so dass im fertigen Dünnschichtsolarzellenelement Kurzschlüsse zwischen dem aus der Schicht S2 geformten Rückkontakt und dem frontseitigen Kontakt auftreten können.
Durch die erfindungsgemäße Strahlformung in 1b) kann nun ein Materialabtragsquerschnitt in der Schicht S2 realisiert werden, welcher solche Grate 9 vermeidet und welcher hier auch deutlich steilere Seitenwandflächen der in die Schicht S2 eingebrachten Grube bzw. Spur SP realisiert. Um dies zu verwirklichen, weist die Apertur der eingebrachten Aper turblende 2 einen mittleren Durchmesser DA auf, der im gezeigten Fall lediglich ein Drittel des Durchmessers D_L des einfallenden Laserstrahls 1a beträgt. Mit dieser Blende 2 werden die außenliegenden Strahlanteile 1aR (also diejenigen Strahlanteile weiter außerhalb des Strahlzentrums bzw. mit größerer Entfernung r zum Zentralstrahl des Strahlenbündels) abgeschnitten, so dass nach der Blende 2 nur die zentrumsnahen Strahlteile (also diejenigen Strahlteile, deren Strahlintensität nahe beim Strahlmaximum I_max liegt) verbleiben. Auf diese Weise wird näherungsweise eine „Top Hat”-Strahlform erzeugt, welche besonders geeignet ist, die in 1b) gezeigte Spurform in die Schicht S2 einzustrukturieren. Wie 6 noch zeigt, können durch Auswahl spezieller Blendenquerschnitte im Spur- bzw. Grabenbereich SP ansonsten entstehende Grate 9 oder Mikrorisse verhindert werden bzw. deren Schweregrad zumindest deutlich reduziert werden.
Wesentlicher Aspekt ist hierbei wie beschrieben, dass der. mittlere Blendenöffnungsquerschnitt DA deutlich kleiner gewählt wird als der mittlere Strahlquerschnitt D_L. Im vorliegenden Fall beträgt der mittlere Strahldurchmesser (aufgrund einer vorgeschalteten Strahlaufweitung, siehe 2) etwa 7 mm, wohingegen der mittlere Aperturdurchmesser ca. 2 mm entspricht.
2 skizziert einen ersten erfindungsgemäßen Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung, welcher eine einzelne Bearbeitungseinheit (nachfolgend beschriebene Elemente 2, 3 und 4) aufweist. Im Strahlengang eines Lasers 1 ist zunächst eine Strahlführung (hier in Form einer Glasfaser) mit geeigneter Strahlkollimierung realisiert. Der geführte, kollimierte Strahl wird sodann mit einer Strahlaufweitungsoptik 6 auf den vorbeschriebenen Strahldurchmesser D_L = 7 mm aufgeweitet. Bei der Aufweitungsoptik 6 handelt es sich z. B. um eine geeignete Hintereinanderschaltung von Einzellinsen.
Der aufgeweitete Strahl 1a wird sodann auf die Aperturblende 2, deren Apertur den mittleren Durchmesser D_A = 2 mm aufweist, eingestrahlt. Diese Apertur von 2 mm wird nun durch die nachfolgenden optischen Elemente 3 und 4 verkleinert auf die zu bearbeitende Dünnschichtsolarzelle DSZ im Bearbeitungsbereich B abgebildet: Die Aperturabbildung wird dazu auf eine Größe von etwa 65 μm herunterskaliert. Dies bedingt eine Verkleinerung der Aperturblendenabbildung um etwa den Faktor 30.
Verwendet man, wie hier skizziert, eine einfache Fokussiereinheit 4 in Form einer Sammellinse (vgl. 3), so ergibt sich aus dem grundlegenden Abbildungszusammenhang G/B = g/b(mit G = Größe abzubildender Gegenstand = Aperturblendenöffnung; B = Größe resultierendes Abbild des Gegenstandes im Fokus; g = Gegenstandsweite bzw. Abstand der Blende 2 von der Sammellinse 4; b = Bildweite = Abstand des Abbildes B bzw. des Fokus von der Sammellinse 4 und f = Brennweite der Sammellinse 4) für das Verhältnis von g/b ebenfalls ein Wert von etwa 30. Die Gegenstandsweite g ist somit sehr viel größer als die Bildweite b. Nimmt man für die Bildweite b einen Wert von etwa 5 bis 10 cm an, so bedeutet dies für die Gegenstandsweite g Werte von etwa 2 bis 4 m.
Um eine solche Gegenstandsweite in eine reale Laser bearbeitungsvorrichtung bzw. -fertigungsanlage zu integrieren, wird daher erfindungsgemäß im Strahlengang zwischen der Aperturblende 2 und der die Strahlformung abschließenden Sammellinse 4 eine Umlenkeinheit 3 angeordnet, welche mehrere (hier: neun) im Strahlengang nacheinander angeordnete einzelne Umlenkvorrichtungen 3a bis 3i in Form von reflektierenden Spiegeln aufweist. Die einzelnen reflektierenden Spiegel 3a bis 3i sind dabei in einem einzigen Gehäuse der Umlenkeinheit 3 feststehend so angeordnet, dass im Wesentlichen eine mäanderförmige Strahlführung des Laserstrahls resultiert. Im vorliegenden Fall wird dazu der einfallende Laserstrahl an einem ersten Spiegel 3a um 90° umgelenkt, bevor er auf weitere Spiegel 3b bis 3i, die den Strahl ebenfalls jeweils um 90° umlenken, auftrifft. Alle Spiegel sind dabei in einer Ebene angeordnet, so dass sich eine entsprechende Strahlführung in einer Ebene ergibt. Betrachtet man den Abstand jeweils zweier aufeinander folgender Umlenkspiegel, so weist dieser abwechselnd einen großen und einen kleinen Wert auf: So beträgt der Abstand der beiden Spiegel 3b, 3c etwa 1/5 des Wertes des Abstands der beiden Spiegel 3c, 3d, das darauf folgende Spiegelpaar 3d, 3e weist wiederum denselben Abstand auf wie das Spiegelpaar 3c, 3b (kleiner Abstand), darauf folgt wieder der fünffache Abstand (großer Abstand) des Spiegelpaares 3e, 3f usw. Mit einer solchen mäanderförmigen Strahllenkung (vgl. auch 4) lässt sich die benötigte große Gegenstandsweite g in einer sehr kompakten Bearbeitungseinheit 2, 3, 4 realisieren.
4 zeigt das wesentliche Element einer weiteren erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung. Die gezeigte Bearbeitungseinheit integriert auf sehr kompaktem Raum einen Laser 1 mit nachfolgender Aper turblende 2 zum Abschneiden der äußeren Strahlanteile 1aR des Laserstrahls 1a, insgesamt acht einzelne Umlenkspiegel 3a bis 3h, die nacheinander jeweils abwechselnd in einem kleinen und einem großen Abstand relativ zueinander paarweise so angeordnet sind, dass der schon in 2 skizzierte mäanderförmige Strahlverlauf realisiert wird, und eine Fokussiereinheit 4. Der Abstand zweier benachbarter mit kleinem Abstand zueinander angeordneter Spiegel beträgt hierbei jedoch etwa 1/20 des Abstands zweier benachbart mit großem Abstand zueinander angeordneter Spiegel. Auf die gezeigte Art und Weise lässt sich die benötigte Gegenstandsweite g innerhalb eines kompakten Gehäuses erreichen, welches eine Länge L von etwa 1/5 g und eine Breite BR von lediglich etwa 1/10 g benötigt.
5 zeigt eine erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung, bei der drei der in 4 gezeigten Bearbeitungseinheiten angrenzend aneinander und parallel zueinander angeordnet sind. 5 zeigt hierbei eine Aufsicht auf diese Vorrichtung senkrecht zu der in 4 gezeigten Schnittebene (durch eine erfindungsgemäße Bearbeitungseinheit) und senkrecht zum Strahlverlauf zwischen zwei Spiegeln großen Abstands. Die einzelnen Bearbeitungseinheiten sind hierbei mit den Bezugszeichen E1, E2 und E3 versehen. Jede Bearbeitungseinheit weist jeweils einen Laser 1-1, 1-2, 1-3 auf, dem, wie in 4 gezeigt, jeweils eine Aperturblende 2-1, 2-2, 2-3, eine Umlenkeinheit 3-1, 3-2, 3-3 und eine Fokussiereinheit 4-1, 4-2, 4-3 nachfolgt. Senkrecht zur in 4 gezeigten Querschnittsebene sind somit drei einzelne Bearbeitungseinheiten E1 bis E3 beabstandet voneinander und parallel zueinander übereinandergestapelt. Die drei Fokussiereinheiten 4-1 bis 4-3 der einzelnen Einheiten sind somit auf einer Linie L angeordnet.
Senkrecht zur in 4 gezeigten Querschnittsebene und senkrecht zum Strahlverlauf zwischen zwei Spiegeln großen Abstands wird nun unterhalb der Anordnung der drei Bearbeitungseinheiten E1 bis E3 parallel zur in 5 gezeigten Aufsichtsebene ein zu strukturierendes Dünnschichtsolarzellenelement DSZ mit Hilfe einer Transportvorrichtung 8 (Laufband, Linearachse oder ähnliches) in Vorschubrichtung (Pfeil) unterhalb der gezeigten Anordnung vorbeigeführt. Die Vorschubrichtung liegt hierbei senkrecht zur Richtung der Linie L, so dass bei Betrieb der einzelnen Laser 1-1 bis 1-3 die in der Figur gezeigten, drei zueinander parallelen Spuren bzw. Gräben SP1 bis SP3 in die Oberfläche des Dünnschichtsolarzellenelements DSZ eingebracht wurden. Alternativ kann auch die gezeigte Anordnung über das Dünnschichtsolarzellenelement bewegt werden.
Wie gezeigt sind die drei Bearbeitungseinheiten E1, E2 und E3 (welche jeweils eines der vorgenannten Elemente 1, 2, 3 und 4 aufweisen) jeweils in einem separaten Gehäuse angeordnet. Die einzelnen Einheiten können somit auf einfache Art und Weise ausgetauscht werden und, sofern eine Erhöhung der Anzahl der Spuren SP notwendig ist, können auf einfache Art und Weise weitere Bearbeitungseinheiten E4, E5, ... (nicht gezeigt) hinzugefügt werden.
Alternativ zu der vorbeschriebenen Anordnung mehrerer Bearbeitungseinheiten kann diese auch so ausgebildet sein, dass jede einzelne Bearbeitungseinheit lediglich die Elemente 2, 3 und 4 umfasst, wobei dann jeder Bearbeitungseinheit die Strahlenergie mit Hilfe eines vorgeschalteten Strahlteilers zugeführt wird.
In diesem Fall ist zur Versorgung der einzelnen Bearbeitungseinheiten lediglich ein einzelner Laser notwendig. Durch Abstandshalter oder ähnliches zwischen den einzelnen Gehäusen der Bearbeitungseinheiten kann auch auf einfache Art und Weise ein gewünschter Spurabstand SP_a eingestellt werden.
Wie bereits vorbeschrieben, lassen sich erfindungsgemäß durch die Abbildung von Aperturen, die deutlich kleiner sind als der einfallende Strahldurchmesser (Rohstrahldurchmesser) gewünschte Strahlverteilungen im Fokus erreichen, die einem sog. „Top Hat” entsprechend (Verwendung nur der Strahlanteile nahe am Intensitätsmaximum). Wie 6 zeigt, lässt sich erfindungsgemäß zusätzlich auch der Blendenöffnungsquerschnitt der eingesetzten Aperturblende 2 (Querschnitt senkrecht zur Einstrahlrichtung) variieren. 6 zeigt hierzu sechs Beispiele für einen Aperturquerschnitt.
6a) und 6b) zeigen die einfachsten Möglichkeiten: der Einsatz einer quadratischen Blendenöffnung sowie einer kreisförmigen Blendenöffnung. Der mittlere Aperturdurchmesser DA kann hierbei als der zweifache Wert des über den gesamten Blendeöffnungsumfang gemittelten Abstands vom Schwerpunkt der Aperturquerschnittsfläche definiert werden (dieser entspricht im Fall der 6b) natürlich dem Kreisdurchmesser).
6c) und 6d) zeigen nun besonders vorteilhafte Aperturquerschnittsformen. In 6c) wurde ein quadratförmiger Basisquerschnitt dergestalt modifiziert, dass die beiden Ecken einer Blendenöffnungsseite (im Bild die Oberseite der quadratischen Grundform) eine vom Mittelpunkt bzw. Schwerpunkt der Blendenöffnung gesehen nach außen hin gerichtete Verzer rung bzw. Auswölbung 5 aufweisen. Bei dem in 6c) gezeigten Beispiel sind diese beiden Ecken dazu als nach außen gezogene Spitzen 5a, 5b ausgebildet. Die oben liegende „Quadratseite” weist somit eine etwas größere Länge auf, als die untenliegende Quadratseite.
6d) zeigt eine ähnliche Ausgestaltung, hier sind die beiden Auswölbungen 5a, 5b jedoch in Form nach außen kragender Rundwölbungen ausgebildet.
Werden die Blenden aus 6c) bzw. 6d) nun in der in 5 gezeigten Anordnung so eingepasst, dass die Abbilder der Auswölbungen 5a, 5b entlang der Linie L erzeugt werden, so ergeben sich die beiden folgenden möglichen Fälle:

– Einbau der Blenden so, dass die beiden Auswölbungen 5a, 5b im Blendenabbild entgegen der Vorschubrichtung (Pfeil) zum Liegen kommen: In diesem Fall ergibt sich durch die Auswölbungen 5a, 5b eine vorteilhafte nachlaufende Abschmelzwirkung, d. h. von der Blendengrundform (hier: Quadrat) möglicherweise noch aufgeworfene Gratreste 9 werden durch die durch die Auswölbungen 5a, 5b erzielte Abschmelzwirkung entfernt.
– Anordnung der beiden Auswölbungen 5a, 5b so, dass deren Abbild in Vorschubrichtung zum Liegen kommt. In diesem Fall kann die durch die Auswölbungen 5a, 5b erzielte Spurverbreiterung zu einem vorlaufenden Vorerwärmen der Ränder des abzuschmelzenden (durch die quadratische Grundform vorgegebenen) Grabenbereiches eingesetzt werden. Durch eine solche stärkere Erwärmung des abzutragenden Randbereichs lassen sich ebenfalls möglicherweise sonst noch aufgeworfene Gratreste 9 verhindern und Mikrorisse vermeiden.

6e) zeigt eine weitere mögliche Blendenform, bei welcher die in 6c) gezeigten Auswölbungen 5a, 5b beidseits bzw. an allen vier Ecken realisiert sind. Es ergibt sich somit im Querschnitt eine kissenförmige Verzeichnung 5a bis 5d der quadratischen Grundform.
6f) zeigt eine weitere, besonders vorteilhafte Blendenform, mit der sowohl die vorbeschriebene vorlaufende Vorerwärmung, als auch die vorbeschriebene nachlaufende Abschmelzwirkung besonders vorteilhaft realisiert werden kann: Die Aperturblende weist hier eine zentrale Blendenöffnung 5z mit quadratischer Querschnittsform auf. Die vorbeschriebenen Auswölbungen 5a bis 5d sind hier in Form von von der zentralen Blendenöffnung 5z separierten bzw. beabstandeten peripheren Blendenöffnungen 5a bis 5d ausgebildet. Die zentrale Blendenöffnung 5z wird somit auf zwei gegenüberliegenden Seiten (im Bild auf der Seite der Oberkante und der Unterkante dieser Öffnung) durch jeweils zwei periphere Blendenöffnungen 5a und 5b bzw. 5c und 5d flankiert. Alle vier peripheren Öffnungsabschnitte sind hier in ihrem Querschnitt rechteckförmig und weisen eine deutlich kleinere Querschnittsfläche (etwa 1/20) als die der zentralen Blendenöffnung 5z auf. Der Abstand der jeweils der zentralen Blendenöffnung 5z zugewandten Seitenkante einer peripheren Blendenöffnung von der ihr zugewandten Seitenkante der Öffnung 5z beträgt hier etwa 1/3 der Länge (längere Rechtecksseite) der peripheren Öffnung. Alle vier Langseiten der peripheren Öffnungen sind parallel zueinander und senkrecht zu der oberen und der unteren Kante der Hauptöffnung 5z (also senkrecht zu der der jeweiligen peripheren Öffnung zugewandten Seitenkante der Öffnung 5z) angeordnet. Die periphe ren Öffnungen sind an allen vier Ecken der zentralen Öffnung angeordnet, wobei bei allen vier Seitenkanten der Hauptöffnung 5z jeweils die zwei einer Seitenkante anliegenden peripheren Öffnungen (vom Mittelpunkt der Hauptöffnung 5z hin zu dieser Seitenkante gesehen) über diese Seitenkante überstehend (linke und rechte Seitenkante der Öffnung 5z) oder hinter dieser Seitenkante liegend (obere und untere Seitenkante der Öffnung 5z) ausgebildet sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10321123 A1 [0002]

Claims

Laserbearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung von einem in einem Bearbeitungsbereich (B) anordenbaren und/oder angeordneten Substrat, insbesondere einem Dünnschichtsolarzellenelement (DSZ), aufweisend einen Laser (1), eine im Strahlengang des Lasers angeordnete Aperturblende (2), die so ausgebildet und angeordnet ist, dass der vom Laser erzeugte und/oder erzeugbare Laserstrahl (1a) in seinem Randbereich (1aR) zumindest abschnittsweise beschneidbar ist und/oder beschnitten ist, und eine im Strahlengang nach der Aperturblende angeordnete, zur verkleinerten und fokussierten Abbildung der Aperturblende in den Bearbeitungsbereich (B) ausgebildete Fokussiereinheit (4).
Laserbearbeitungsvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch gekennzeichnet durch eine im Strahlengang nach der Aperturblende (2) und vor der Fokussiereinheit (4) angeordnete Umlenkeinheit (3), die mehrere im Strahlengang nacheinander angeordnete Umlenkvorrichtungen (3a, 3b, ...) zur Umlenkung des beschnittenen Laserstrahls umfasst.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass für das Verhältnis V = D_L/D_A aus mittlerem Strahldurchmesser D_L des Laserstrahls (1a) auf Höhe der Aperturblende und mittlerem Blendendurchmesser D_A der Aperturblende gilt: V > 1, bevorzugt V ≥ 1.5, bevorzugt V ≥ 2, bevorzugt V ≥ 2.5, besonders bevorzugt V ≥ 3.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche. dadurch gekennzeichnet, dass die Aperturblende und der Laser so ausgebildet sind, dass bei im Grundmode TEM₀₀ betriebenem Laser die Aperturblende diejenigen Strahlanteile des Laserstrahls abschneidet, die außerhalb desjenigen Punktes der radialen Verteilung I(r) der Strahlungsleistung liegen, an dem die Strahlungsleistung I(r) auf 50% des Maximalwertes I_max, bevorzugt auf 75% des Maximalwertes I_max, bevorzugt auf 85% des Maximalwertes I_max abgefallen ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinheit (3) durch die mehreren im Strahlengang nacheinander angeordneten Umlenkvorrichtungen (3a, 3b, ...) eine Strahlweglänge g zwischen Aperturblende (2) und Fokussiereinheit (4) realisiert, die um mindestens den Faktor 10, bevorzugt um mindestens den Faktor 20, bevorzugt um mindestens den Faktor 30 größer ist, als die Strahlweglänge b zwischen der Fokussiereinheit (4) und dem fokussierten Abbild der Aperturblende im Bearbeitungsbereich (B).
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Verkleinerungsfaktor G/B von Aperturblendenurbild G und Aperturblendenabbild B mindestens 10, bevorzugt mindestens 20, bevorzugt mindestens 30 ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinheit (3) mindestens 6, bevorzugt mindestens 8, bevorzugt mindestens 10 im Strahlengang nacheinander angeordneten Umlenkvorrichtungen (3a, 3b, ...) aufweist.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkvorrichtungen (3a, 3b, ...) so angeordnet und ausgerichtet sind, dass in der Umlenkeinheit ein im Wesentlichen mäanderförmiger Strahlengang des Laserstrahls und/oder ein mehrfaches umlenken des Laserstrahls um jeweils 90° realisierbar ist und/oder realisiert ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine kreisförmige, quadratische, rechteckförmige oder rautenförmige Apertur in der Aperturblende.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8 gekennzeichnet durch eine im Wesentlichen quadratische oder rechteckförmige Apertur in der Aperturblende, bei der mindestens zwei der vier Ecken der Apertur jeweils eine vom Mittelpunkt der Apertur gesehen nach Außen hin gerichtete Verzerrung oder Auswölbung (5a bis 5d) aufweisen. und/oder eine im Wesentlichen quadratische oder rechteckförmige Apertur (5z) in der Aperturblende, die an ihrer Peripherie von mindestens zwei im Querschnitt kleineren und bevorzugt ebenfalls im Wesentlichen quadratischen oder rechteckförmigen peripheren Aperturen (5a bis 5d) in der Aperturblende flankiert ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass zwei an ein und derselben Seitenkante des Aperturrechtecks oder -quadrats angrenzende Ecken der Apertur jeweils eine solche Verzerrung oder Auswölbung (5a bis 5d), insbesondere in Form einer einseitigen kissenförmigen Verzeichnung, aufweisen, oder von jeweils einer solchen peripheren Apertur (5a bis 5d) flankiert sind, und/oder dass alle vier Ecken des Aperturrechtecks oder Aperturquadrats jeweils eine solche Verzerrung oder Auswölbung (5a bis 5d) aufweisen, wobei die Apertur insbesondere in Form eines kissenförmig verzeichneten Rechtecks oder Quadrats ausgebildet ist, oder von jeweils einer solchen peripheren Apertur (5a bis 5d) flankiert sind.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine im Strahlengang nach dem Laser (1) und vor der Aperturblende (2) angeordnete Strahlaufweitungsoptik (6) zur Aufweitung des mittleren Strahldurchmessers des Laserstrahls.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang nach dem Laser eine Strahlteilungseinheit zur Aufteilung des Laserstrahls (1a) in mehrere Teilstrahlen angeordnet ist oder dass mehrere Laser zur Erzeugung mehrerer Teilstrahlen (1a-1, 1a-2, 1a-3) vorgesehen sind und dadurch, dass in jedem Teilstrahlengang eine Bearbeitungseinheit (E1, E2, E3) umfassend • eine Aperturblende (2-1, 2-2, 2-3), die so ausgebildet und angeordnet ist, dass der Teilstrahl (1a-i, 1a-2, 1a-3) in seinem Randbereich zumindest abschnittsweise beschneidbar ist und/oder beschnitten ist, • eine nach der Aperturblende des Teilstrahlengangs im Teilstrahlengang angeordnete Umlenkeinheit (3-1, 3-2, 3-3), die mehrere im Teilstrahlengang nacheinander angeordnete Umlenkvorrichtungen zur Umlenkung des beschnittenen Teilstrahls umfasst, und • eine nach der Umlenkeinheit des Teilsstrahlengangs im Teilstrahlengang angeordnete, zur verkleinerten und fokussierten Abbildung der Aperturblende des Teilstrahlengangs in den Bearbeitungsbereich (B) ausgebildete Fokussiereinheit (4-1, 4-2, 4-3) angeordnet ist, wobei die Bearbeitungseinheiten (E1, E2, E3) so ausgebildet und angeordnet sind, dass ihre Fokussiereinheiten die Aperturblenden der Teilstrahlengänge auf unterschiedliche Positionen, insbesondere auf mehrere in einer Linie liegende Positionen, im Bearbeitungsbereich (B) fokussieren.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Aperturblende, die Umlenkeinheit und die Fokussiereinheit mindestens einer Bearbeitungseinheit (E1, E2, E3), bevorzugt mehrerer der Bearbeitungseinheiten (E1, E2, E3), besonders bevorzugt aller Bearbeitungseinheiten (E1, E2, E3) in einem separaten Gehäuse angeordnet ist/sind.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und nach Anspruch 2 gekennzeichnet durch mindestens einen Umlenkspiegel, insbesondere einen in Bezug auf seine Umlenkeinheit ortsfest und nicht drehbar angeordneten Umlenkspiegel als Umlenkvorrichtung.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch einen im Pulsbetrieb betreibbaren Laser.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine zum Transport des Substrates durch den Bearbeitungsbereich ausgebildete Transportvorrichtung (8).
Laserbearbeitungsverfahren zur Laserbearbeitung von einem in einem Bearbeitungsbereich (B) angeordneten Substrat, insbesondere einem Dünnschichtsolarzellenelement (DSZ), wobei mit einem Laser (1) ein Laserstrahl erzeugt wird, wobei im Strahlengang des Lasers eine Aperturblende (2) angeordnet wird, die so ausgebildet ist, dass der vom Laser erzeugte Laserstrahl (1a) in seinem Randbereich (1aR) zumindest abschnittsweise beschnitten wird, und wobei im Strahlengang nach der Aperturblende eine Fokussiereinheit (4) angeordnet und mit dieser die Aperturblende verkleinert, fokussiert und mit einer solchen Laserintensität auf das im Bearbeitungsbereich (B) angeordnete Substrat abgebildet wird, dass Material vom Substrat abgetragen wird.
Laserbearbeitungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass eine Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche zum Materialabtrag am Substrat eingesetzt wird.
Verwendung einer Laserbearbeitungsvorrichtung oder eines Laserbearbeitungsverfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei der Bearbeitung und/oder Fertigung von Solarzellenelementen, insbesondere von CIS-Dünnschichtsolar zellenelementen.