DE4207169A1 - Laserbearbeitungsverfahren fuer ein werkstueck mit nicht ebener oberflaeche - Google Patents
Laserbearbeitungsverfahren fuer ein werkstueck mit nicht ebener oberflaecheInfo
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Description
Materialbearbeitungsverfahren wie zum Beispiel Bohren, Schnei
den oder Schweißen, die zur Materialformung, zum Materialab
trag oder zum Verbinden von Materialien geeignet sind, lassen
sich in einfacher Weise mit Lasern durchführen. Auch Oberflä
chenbearbeitung ohne Verformungen wie Aufschmelzen oder allge
mein Erhitzen von Material sind mit Lasern möglich. Allgemein
wird unter Laserbearbeitungsverfahren ein Verfahren verstan
den, bei dem mit Hilfe eines Lasers Energie in das Material
eines Werkstücks eingekoppelt wird.
Zur Bearbeitung eines Werkstücks kann der Laser stationär an
geordnet sein, ist aber vorzugsweise relativ zum Werkstück be
weglich. Da eine effektive Laserbearbeitung nur mit einer fo
kussierenden Optik möglich ist, muß bei der Bearbeitung stets
auf die richtige Fokussierung des Laserstrahls relativ zum Ar
beitspunkt auf dem Werkstück geachtet werden. Bei falscher Fo
kussierung und somit falschem Abstand des Lasers bzw. der La
seroptik zum Werkstück wird zu wenig oder zu viel Energie in
das Material des Werkstücks eingekoppelt. Somit hängen Erfolg
und Qualität des Bearbeitungsverfahrens von der richtigen
Fokuseinstellung ab.
Bei Werkstücken mit ebener Oberfläche ist nur eine einmalige
Einstellung der Fokussierung erforderlich, die während der ge
samten Bearbeitung erhalten bleibt, wenn die Relativbewegung
zwischen Laser und Werkstück ausschließlich horizontal bzw. in
einer Ebene parallel zur Oberfläche des Werkstücks durchge
führt wird.
Bei unebenen oder gekrümmten Oberflächen ist neben der hori
zontalen Relativbewegung noch eine vertikale Nachführung des
Lasers erforderlich. Diese kann bei regelmäßigen Werkstückober
flächen programmiert werden, was aber aufwendig und mit einem
Unsicherheitsfaktor behaftet ist. Besser reproduzierbare Er
gebnisse werden bei unregelmäßigen Oberflächen erhalten, wenn
die Nachführung automatisch geregelt wird, wobei eine verän
derte Fokussierung durch einen Abstandssensor erfaßt wird, der
die Nachführeinrichtung des Lasers steuert.
Aus geometrischen Gründen wird eine sichere Fokussierung nur
dann erreicht, wenn die Abstandsmessung im Arbeitspunkt des
Lasers auf der Werkstückoberfläche erfolgt. Dazu stehen eine
Vielzahl berührungsloser physikalischer Meßmethoden zur Ver
fügung.
Bei optischen Meßverfahren tritt das Problem auf, daß der Ab
standssensor vom Arbeitslaser bzw. von dem an der Werkstück
oberfläche erzeugten Plasma geblendet und somit gestört wird.
Nicht optische Abstandssensoren bedürfen einer Spezialkonstruk
tion, die einen zentralen Durchgang für den Laserstrahl aufwei
sen, um symmetrisch um den Bearbeitungsort (Laserfokus) messen
zu können.
Für Laserbearbeitungsverfahren bekannte und in der Fertigung
eingesetzte Meßsysteme bestimmen den Abstand des Lasers zur
Substratoberfläche auf kapazitivem Wege und werden in einer
Entfernung von ca. 3 bis 5 mm vom Bearbeitungsort eingesetzt.
Dadurch entsteht bei sphärischen Substraten ein Höhenfehler,
der vom Steigungswinkel der Oberfläche abhängig ist. Außerdem
bedingt der geringe Abstand des Sensors zur Werkstückoberfläche
einen hohen Regelungsaufwand und führt an Stufen oder Kanten
auf oder an dem Werkstück zu Problemen oder gar Kollisionen
des Werkstücks mit dem Laser. Ein solches Meßverfahren ist da
her nur für schwach gekrümmte Werkstücke anwendbar und redu
ziert die Bearbeitungsgeschwindigkeit. Außerdem ist eine Ver
schmutzung des Sensors bei dem geringen Abstand vom Werkstück
unvermeidlich und kann zu verfälschten Meßwerten führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Laserbe
arbeitungsverfahren anzugeben, welches auch für Werkstücke mit
unregelmäßiger oder stark gekrümmter Oberfläche anwendbar ist,
gegenüber bekannten Verfahren eine erhöhte Bearbeitungsgeschwin
digkeit zuläßt und welches eine hohe Meßgenauigkeit und somit
eine hohe und reproduzierbare Qualität des Arbeitsergebnisses
liefert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren
mit den Merkmalen von Anspruch 1.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
Es wird ein optisches Sensorsystem vorgeschlagen, das die Pau
sen zwischen den einzelnen Laserpulsen zur Abstandsmessung
nutzt. Die Lebensdauer des vom Laserpuls des ersten Lasers er
zeugten Plasmas beträgt beispielsweise einige 10 Nanosekunden,
so daß selbst bei hohen Repetitionsraten des ersten Lasers
zwischen den Pulsen eine Blendung des optischen Sensors nicht
erfolgt. Daher ist bis zu Pulsfrequenzen von 105 Hertz eine
sichere optische Abstandsbestimmung zwischen zwei Laserpulsen
möglich.
Als Sensoren kommen alle bekannten Typen in Betracht. Es ist
dabei lediglich zu beachten, daß die Messung phasenverschoben
zwischen den einzelnen Laserpulsen erfolgt, bzw. daß bei kon
tinuierlicher Messung die Auswertung des Meßsignals ausschließ
lich zwischen den Laserpulsen vorgenommen wird. Wird als Ab
standssensor ein zweiter Laser in Verbindung mit einem Photo
detektor verwendet, läßt sich mit einer entsprechend feinstu
figen Nachführeinrichtung eine sichere und genaue Fokussierung
mit einer Toleranz von weniger als ± 10 µm erzielen.
In vorteilhafter Weise ist dieser zweite Laser ebenfalls ge
pulst und weist die gleiche Pulsfrequenz wie der erste Laser
auf. Durch eine einfache Elektronik, zum Beispiel mittels
einer Lock-in-Schaltung kann der zweite Laser phasenverschoben
mit dem ersten synchronisiert werden. Beide Laser können dabei
von einer gemeinsamen Elektronik gesteuert werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der zweite Laser
mittels eines Spiegels in den Strahlengang des ersten Lasers
eingekoppelt, wobei die Messung zum Teil über die Optik des
ersten Lasers erfolgt.
Weniger aufwendig und variabler durchzuführen ist es jedoch,
die Messung mit einem vollständig vom ersten Laser getrennten
Sensor durchzuführen, wobei der Strahlengang des ersten Lasers
mit dem des zweiten Lasers einen spitzen Winkel bildet. In
allen Fällen ist es jedoch erforderlich, den Sensor am ersten
Laser zu fixieren oder anderweitig zu garantieren, daß der
Sensor eine mit dem ersten Laser synchrone Relativbewegung zum
Werkstück durchführt.
Als Meßverfahren zur Abstandsbestimmung wird zum Beispiel ein
Triangulations- oder ein Schneidenverfahren eingesetzt, bei
denen das Licht des zweiten oder Meßlasers in Abhängigkeit vom
Abstand zum Werkstück unterschiedlich abgelenkt wird und wobei
die Ablenkung über einen positionsempfindlichen Photodetektor
bestimmt wird.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren und eine dazu
geeignete Anordnung anhand eines Ausführungsbeispiels und der
dazugehörigen zwei Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 die erfindungsgemäße Anordnung, während in
Fig. 2 das Pulsdiagramm der beiden Laser dargestellt ist.
Ausführungsbeispiel:
Bei der Herstellung von Dünnfilmsolarmodulen werden die strom
generierende Halbleiterschicht und die stromableitenden Elek
troden zunächst ganzflächig auf einem Substrat abgeschieden.
Da mit steigender Substratgröße die so erzeugte einzelne Solar
zelle eine Verschlechterung in der Strom/Spannungscharakte
ristik und im Wirkungsgrad aufweist, wird sie auf dem Modul in
Einzelzellen unterteilt und integriert serienverschaltet. Für
diesen auch Strukturierung genannten Prozeß wird bei Solarmo
dulen aus amorphem Silizium (a-Si:H) als Werkzeug ein gepulster
Laser verwendet, beispielsweise ein Nd-YAG Laser mit einer
Frequenz von 5 bis 25 Kilohertz. In Abhängigkeit von der
Brennweite des fokussierenden Objektivs, der Wellenlänge und
der Energiedichte des eingesetzten Lasers müssen für den zur
Strukturierung erforderlichen Materialabtrag enge Toleranzwer
te bei der Nachführung des Lasers eingehalten werden, um eine
saubere und enge Schnittführung beim Materialabtrag zu erhal
ten. Für das gewählte Beispiel sind zur Strukturierung eines
a-Si:H Solarmoduls bei einer Brennweite des Objektivs von 60
mm Toleranzen von ± 50 µm einzuhalten.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der als
Werkstück WS ein Dünnfilmsolarmodul mit gekrümmter Oberfläche
OF mittels eines ersten Lasers L1 strukturiert wird. Dazu wird
ein frequenzverdoppelter Nd-YAC Laser (532 nm) mit einer Repe
titionsrate von 20 Kilohertz verwendet. Das Objektiv O1 im Ar
beitspunkt AP auf der Oberfläche OF des Werkstücks WS. Ein
zweiter Laser L2, zum Beispiel ein Heliumneonlaser oder eine
Galliumarsenidlaserdiode (870 nm) wird mit einer zweiten Optik
O21 ebenfalls im Arbeitspunkt AP fokussiert. Das von der Ober
fläche OF reflektierte Licht wird mit einem zweiten Objektiv
O22 gebündelt und auf einen positionsempfindlichen Photodetek
tor PD gerichtet. Für die beiden Laser L1 und L2 ist eine ge
meinsame Steuerelektronik SE vorgesehen, die die beiden Laser
mit der gleichen Frequenz betreibt. Mittels einer Trigger-
oder Lock-in-Schaltung innerhalb der Steuerelektronik SE wer
den die Pulse des zweiten Lasers L2 in die Mitte zwischen zwei
Pulse des ersten Lasers L1 gesetzt. Bei einer Halbwertsbreite
der Laserpulse des ersten Lasers von ca. 500 Nanosekunden und
einer nur unwesentlich längeren Abklingzeit des Plasmas, das
im Fokus des Lasers L1 am Arbeitspunkt AP erzeugt wird, bleibt
für die zeitliche Anordnung des zweiten Laserpulses ein Inter
vall im Millisekundenbereich. So kann das vom zweiten Laser L2
im Photodetektor PD erzeugte Meßsignal einwandfrei vom Laser
puls des ersten Lasers L1 separiert werden. Der positionsemp
findliche Photodetektor PD, zum Beispiel Photodiodenarray lie
fert ein vom Abstand zum Arbeitspunkt AP abhängiges Meßsignal.
Dieses wird in der Regeleinheit RE mit einem vorgegebenen Soll
wert verglichen und erzeugt bei Abweichung ein Steuersignal.
Über dieses korrigiert die Nachführeinrichtung NE den Abstand
der Anordnung zum Werkstück bzw. zum Arbeitspunkt auf dem Werk
stück. Dazu wird eine Relativbewegung in der gesamten Anordnung
zum Werkstück in Richtung NR durchgeführt.
Ein Nachführen der Anordnung ist spätestens dann erforderlich,
wenn eine horizontale Relativbewegung in Richtung RB zwischen
Werkstück und Laseranordnung erfolgt, zum Beispiel um einen
zur Strukturierung des Solarmoduls (Werkstück) erforderlichen
Graben quer über das gesamte Werkstück WS durch zumindest eine
der Schichten auf der Oberfläche des Moduls. Aufgrund der ge
krümmten Oberfläche ist nach einer Relativbewegung RP ein Nach
fokussieren durch die Nachführungeinrichtung NE erforderlich.
In Fig. 2 ist die Impulsverteilung der beiden Laser über die
Zeit aufgetragen und stellt eine Möglichkeit dar, wie die bei
den Laserphasen gekoppelt werden können. Die Laserpulse LP des
ersten Lasers sind dabei einschließlich des vom Plasma erzeug
ten Streulichtes dargestellt und weisen eine Halbwärtsbreite
T1 von ca. 500 Nanosekunden auf. Zwischen den beiden darge
stellten Laserpulsen LP auf der nicht maßstabsgerechten Zeit
achse t ist der Puls ML des Meßlasers L2 angeordnet. Auch des
sen Pulsbreite P2 liegt in einer vergleichbaren Größenordnung,
während der Abstand P3 zwischen den beiden Laserpulsen LP
maximal 50 Mikrosekunden beträgt. So ist es möglich, im Photo
detektor PD bzw. in der Regeleinheit RE das Meßsignal ML ein
deutig von den Laserpulsen LP zu trennen.
Die in der Fig. 1 dargestellte Anordnung benutzt zur Abstands
bestimmung ein Triangulationsverfahren als Meßmethode und er
laubt gegenüber einer bekannten Laseranordnung mit kapazitiver
Abstandsbestimmung eine deutliche höhere Arbeitsgeschwindigkeit
bezüglich der Relativbewegung RB. Der Abstand des Lasers L1
vom Arbeitspunkt AP kann bis auf eine Genauigkeit von ± 10 µm
geregelt werden und erlaubt so scharfe und schmale Schnitte
mit einer Breite von zum Beispiel 25 µm. Dies führt bei der
Strukturierung des Solarmoduls (WS) zu einem nur geringen Ver
lust an aktiver Halbleiterschicht.
Claims (9)
1. Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstückes mit nicht
ebener Oberfläche, bei dem ein gepulster Strahl eines ersten
Lasers zur Bearbeitung auf das Werkstück gerichtet wird, wobei
- - eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem ersten Laser durchgeführt wird,
- - der Abstand zwischen erstem Laser und Werkstück mit einem optischen Sensor zwischen zwei Laserpulsen bestimmt wird,
- - der gemessene Abstand mit einem Sollwert verglichen und ge gebenenfalls
- - mittels einer Nachführeinrichtung neu auf den Sollwert ein gestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein gepulster zweiter
Laser und ein positionsempfindlicher Photodetektor als Sensor
für die Abstandsmessung verwendet wird, wobei die Frequenzen
von erstem und zweitem Laser übereinstimmen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der zweite Laser
mittels einer Lock-in-Schaltung mit dem ersten Laser phasen
verschoben synchronisiert ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der
zweite Laser mittels eines Spiegels in den Strahlengang des
ersten Lasers eingekoppelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Ab
standsmessung mittels eines Triangulationsverfahrens erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Ab
standsmessung über ein Schneidenverfahren erfolgt.
7. Anordnung zur Laserbearbeitung von Werkstücken mit nicht
ebener Oberfläche mit
- - einem ersten Laser zur Bearbeitung,
- - Mitteln zur Durchführung einer horizontalen Relativbewegung zwischen Werkstück und erstem Laser,
- - einem Sensor zur optischen Bestimmung des Abstands zwischen Werkstück und erstem Laser,
- - einer Nachführungseinrichtung für eine vertikale Relativbe wegung zwischen erstem Laser und Werkstück,
- - einer Regelvorrichtung zur Steuerung der Nachführeinrichtung in Abhängigkeit von einem Meßsignal des Sensors und einem Sollwert und
- - einem Mittel zur Phasenkopplung von optischem Sensor und erstem Laser.
8. Anordnung nach Anspruch 7, bei der der Sensor aus einem
zweiten Laser, einer Optik und einem Photodetektor besteht.
9. Anordnung nach Anspruch 8, bei der der Sensor nach einem
Triangulationsverfahren arbeitet.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4207169A DE4207169A1 (de) | 1992-03-06 | 1992-03-06 | Laserbearbeitungsverfahren fuer ein werkstueck mit nicht ebener oberflaeche |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4207169A DE4207169A1 (de) | 1992-03-06 | 1992-03-06 | Laserbearbeitungsverfahren fuer ein werkstueck mit nicht ebener oberflaeche |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4207169A1 true DE4207169A1 (de) | 1993-09-09 |
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ID=6453425
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4207169A Ceased DE4207169A1 (de) | 1992-03-06 | 1992-03-06 | Laserbearbeitungsverfahren fuer ein werkstueck mit nicht ebener oberflaeche |
Country Status (1)
Country | Link |
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