Abschlussbericht (PDF) - Laser- und Medizin-Technologie GmbH

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 1

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 2
Inhalt
0. Zusammenfassung 2
1. Forschungsthema 3
2. Ausgangssituation 3
3. Experiment 7
3.1 Aufbauten zum Laserabtrag
3.2 Aufbau zur Bestimmung der Plasma-Emissionsspektren
3.3 Aufbau zur Untersuchung der Abtragsprodukte
3.4 Probenmaterial
3.5 Voruntersuchungen
4. Einfluss der Prozessparameter 19
4.1 Einfluss der Pulsenergie (Modifikation und Abtrag)
4.2 Einfluss des Strahlprofils (Gauß und Top-Hat)
4.3 Einfluss der Wiederholrate (10 bis 400 kHz)
4.4 Einfluss von 50 MHz Pulszügen
4.5 Einfluss der Zyklen-Anzahl
4.6 Einfluss des Trägermaterials
4.7 Zusammenfassung
5. Plasma-Emissionsspektren 34
6. Abtragsprodukte 39
7. Industrielle Umsetzungsstrategie 46
7.1 Herstellung und Validierung (P2 und P3)
7.2 Interpretation und Ausblick
7.3 Transfer durch Vorträge und Veröffentlichungen
7.4 Kooperation mit dem Industriebeirat und anderen Firmen
8. Literatur 57

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0. Zusammenfassung
Die Untersuchungen im AiF/IGF Vorhaben 16376N zwischen 02.2010 und 07.2012 mit dem „Titel
Untersuchungen zum selektiven Laserabtrag dünner Funktionsschichten für die Photovoltaik“ lieferten
eine Vielzahl von wissenschaftlich-technischen Erkenntnissen im Bereich des Laserabtrags von dünnen
Funktionsschichten in CIGS-Solarzellen unter dem Einsatz eines ultrakurz gepulsten Lasersystems.
Der Einsatz von industrietauglichen Pikosekunden-Lasersysteme liefert eine sehr gute Grundlage für
eine deutlich präzisere Fertigung der Isolationskanäle in den Schichten und somit eine Steigerung in der
Flächeneffizienz gegenüber der Nadelritzung.
Zur Durchführung des AiF-Projekts wurde ein an der LMTB vorhandenes Pikosekunden-Lasersystem
(Lumera Rapid) eingesetzt, dieses wurde im Rahmen eines vorhergehenden AiF-Projekts erworben. Die
Untersuchungen wurden – nach Gutachterempfehlung - mit folgenden Prozessparametern
durchgeführt: Wellenlänge = 532 nm, Pulsdauer = 7 ps, Einzelpulsenergie < 50 µJ, Wiederholraten von
10 bis 400 kHz, Gauß und Top-Hat Intensitätsverteilung auf dem Werkstück von 30 bis 50 µm,
Pulsüberlapp auf dem Werkstück bis 99%, Umgebungsgas Luft, Einsatz von Scanner und Achsen. Die
Strukturierung der Dünnschichtzellen wurde mittels optischer Mikroskopie, REM und EDX kontrolliert.
Die elektrische Isolation wurde mittels Hell- und Dunkelstrommessung analysiert. Zwei Methoden
wurden zur Untersuchung des Laser induzierte Abtrags eingesetzt: 1. Die spektroskopische Analyse
des Plasmas und 2. Das Auflesen des abgetragenen Schichtmaterials auf Glasträger und darauf
folgend die REM/EDX Analyse.
Die folgenden Ergebnisse wurden im AiF/IGF Vorhaben 16376N mit Pikosekunden-Laserpulsen bei
532 nm erzielt:
• Die Abtragsprodukte bei der Laser Bearbeitung variieren von Nanopartikeln (aus dem CIGS) bis zu
Mikro-Bruchstücken (aus dem ZnO und ITO)
• Die spektroskopische Analyse des Plasmas lieferte beobachtbare Emissionslinien für Molybdän und
Indium, die zur Tiefenkontrolle beim Laserabtrag genutzt werden können
• Bei höheren Wiederholraten (z.B. 400 kHz) und vergleichbar räumlichen Pulsabstand bewirkt der
geringere Zeitabstand zwischen den Einzelpulsen eine Aufschmelzung der CIGS-Schicht, was
einen selektiven Abtrag in einem einzigen Zyklus stark behindert. Wird der räumliche Pulsabstand
jedoch deutlich erhöht, kann ein selektiver Abtrag durch das Abfahren von mehreren Zyklen
ausgeführt werden
• Ein selektiver Schichtabtrag von CIGS und der transparenten Halbleiterschicht bestehend aus ZnO
und/oder ITO auf CIGS bis auf Molybdän-Schicht ist bei moderater Pulsenergie von ca. 5 µJ
(Energieflussdichte um ca. 4 mJ/cm 2 ) ist möglich, allerdings liefern die Hell- und Dunkelstrommessungen
an den Isolationskanälen keine guten Füllfaktoren
• Wird dagegen der Schichtabtrag der transparenten Halbleiterschicht (ZnO und ITO) bis auf die
CIGS-Schicht begrenzt (P3 Prozess), werden an den Isolationskanälen sehr gute Füllfaktoren
bestimmt
• Die Absorption der Laser-Energie unterhalb der abzutragenden Schicht liefert bessere
Isolationskanäle als eine direkte Einkopplung der Laser-Energie in der abzutragenden Schicht
• Erreichbare Prozessgeschwindigkeit für den P3-Prozess - Abtrag von ZnO und ITO: 5 m/s
• Transfermaßnahmen: Herstellung von Demonstratoren, Flyer, Präsentation der
Vorhabensergebnisse in Fachtagungen und vor dem Industriekonsortium
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht. 1
1 Dieses Vorhaben wurde aus Mitteln des Bundesministeriums fur Wirtschaft und Technologie uber die AIF
gefordert, in Zusammenarbeit mit der F.O.M.

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1. Forschungsthema
Untersuchungen zum selektiven Laserabtrag dünner Funktionsschichten für die Photovoltaik
In diesem Vorhaben wurden Untersuchungen zum selektiven Laserabtrag von wenigen µm starken
Funktionsschichten, CIGS und ZnO/ITO auf metallisierten Glas- und Kunststoffträgern, zur Herstellung
von ca. 30 bis 50 µm Isolationskanälen für eine Verbesserung der Moduleffizienz in der Dünnschicht-
Photovoltaik durchgeführt.
2. Ausgangssituation
Die Strukturierung von dünnen Funktionsschichten spielt in vielen Bereichen der Industrie eine
herausragende Rolle und gewinnt auch weiterhin an Bedeutung. Einige Anwendungsbeispiele hierfür
sind:
• Herstellung von elektrischen Isolierungskanälen
• Geometrischer Abtrag transparenter Halbeiterschichten
• Gezielte Bearbeitung von Leiterbahnen
• Abtrag dünner „low-K“ Schichten auf thermisch und/oder mechanisch sensiblen Trägermaterialen
• Hochpräziser Abtrag dielektrischer Schichtsysteme auf optischen Komponenten
Für eine nachhaltige wirtschaftliche Umsetzung der technischen Vorteile von Laserbearbeitungsverfahren
an thermisch und mechanisch „sensiblen“ Schichten bzw. Schichtsystemen ist insbesondere
eine Minimierung der Wärme-Einflusszone von großer Bedeutung.
Bei dem in der Dünnschicht-Photovoltaik noch häufig genutzten mechanischen Verfahren der
Nadelritzung treten Kräfte auf, die nicht ohne nachteilige Folgen bleiben. Ein optisch initiierter Abtrag
unter Einsatz der Pikosekunden-Lasertechnologie bietet das Potential, Isolationsgräben schichtselektiv
mit einer deutlich höheren Präzision zu generieren (Abb. 2A), was eine Reduzierung im Abstand der
Isolationskanäle ermöglicht und die Moduleffizienz verbessert. Der Laserabtrag liefert dadurch potentiell
einen Kostenvorteil bei der Herstellung
50 µm
50 µm
Abb. 2A: Schichtabtrag von einer CIGS-Dünnschichtsolarzelle. Links: Nadelritzung. Rechts: Laserabtrag mit 7 ps,
532 nm

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Der Materialabtrag an den in Frage stehenden Dünnschichten erfolgt im Wesentlichen über thermische
Reaktionskanäle. Dieser Grundsatz einer photo-thermischen Reaktion ist auch bei Anwendung
ultrakurzer Laserimpulse gültig. Im Unterschied zu Nanosekunden-Laserpulsen liefert der Einsatz von
Piko- und Femtosekunden-Laserstrahlung weitaus bessere Voraussetzungen zur Minimierung einer
Energiediffusion in die Umgebung des zu bearbeitenden Materialvolumens. Die schematische
Darstellung in Abb. 2B liefert eine Übersicht zu den erwarteten Wechselwirkungsprozessen im Rahmen
der Untersuchungen dieses Vorhabens.
Abb. 2B (a) beschreibt den in diesem Vorhaben verfolgten Lösungsansatz für den Prozess P2 am
Beispiel einer ca. 1,8 µm starken CIGS-Schicht (mit einer 50 nm CdS-Schicht oben liegend, in Abb. 2B
nicht dargestellt) auf der ca. 0,5 µm Molybdän-Kontaktschicht. In diesem Vorhaben wurde die
Wellenlänge von 532 nm gewählt, um die Laserenergie möglichst in die CIGS Schicht einzukoppeln. Die
Photonenenergie soll innerhalb einer kleinen optischen Eindringtiefe Lopt absorbiert werden. Abhängig
von der Wellenlänge der Laserstrahlung und den optischen Eigenschaften der Schicht kann Lopt
(Abb. 2B (b)) abgeschätzt werden. Allerdings kann mit zunehmender Spitzenintensität (abnehmender
Pulsdauer) nicht-lineare Anregungskanäle (Multiphotonen- und Kaskadenionisation) induziert werden,
welche die optische Eindringtiefe ggf. sogar um mehrere Größenordnungen reduziert [1].
Abb. 2B (c) illustriert den möglichen Einfluss der Elektron-Phonon-Kopplungsstärke G [2] auf die mittlere
Weglänge der „heißen“ Elektronen, bevor erst (im Teilchenbild) durch Elektron-Phonon Stöße ein
Temperaturgleichgewicht mit dem Phononensystem (Gitter) erfolgt. Die Elektronendiffusionslänge Le
charakterisiert den ersten „Wärmeverlust“-Mechanismus aus dem laserbestrahlten Bereich. Ist Le > LD,
wird die Elektronendiffusion eingeschränkt und es treten Grenzflächeneffekte auf. Dieser Effekt kann zu
einer signifikanten Schichtdickenabhängigkeit in den Ergebnissen der Laserbearbeitung führen [3].
Auffällig sind die Unterschiede in den laserinduzierten Zerstörschwellen beim Einsatz ultrakurzer
Laserimpulse für dünne Schichten und starke Folien Le

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(a) (b) (c) (d) (e)
Abb. 2B: Schematische Darstellung der Laser-Material Wechselwirkung und Reaktionsmechanismen am Beispiel einer
1,8 µm CIS-Schicht auf 0,6 µm Molybdänschicht und einem Glas- bzw. Polymerträger - in Anlehnung an den
Prozessschritt P2; (a): Ausgangssituation mit Schichtsystem - LD = Schichtdicke – und eintreffendem Laserstrahl, (b)
Anregung – Lopt = optische Eindringtiefe der Laserstrahlung, (c): Energietransfer – Le = Elektronendiffusionslänge, (d)
Temperaturgleichgewicht und thermische Materialreaktion – Lth = Wärmediffusionslänge, (e) Beginn des laserinduzierten
Materialabtrags – LA = Abtragstiefe (pro Laserpuls); LWEZ = Tiefe der Wärme Einflusszone (z. B. Schmelztiefe).
Optische Eindringtiefe Thermische Eindringtiefe
Materialschicht Lopt (1064 nm) Lopt (532 nm) Lth (10 ns) Lth (10 ps)
Mo 0,02 µm 0,01 µm 1,5 µm 0,05 µm
CIGS 0,33 µm < 0,3 µm 0,3 µm 0,01 µm
ZnO 13 µm 100 µm 0,6 µm 0,02 µm
Tabelle 2A: Vergleich der optischen Eindringtiefe Lopt bei 1064 vs. 532 nm, und der thermischen Eindringtiefe Lth bei
10 ps und 10 ns für die in der Dünnschicht-Photovoltaik relevanten Schichtsysteme.
Die Untersuchungen zum selektiven Abtrag der Funktionsschichten CIGS und ZnO oder ITO für die
Dünnschichtphotovoltaik sind mit der Wellenlänge = 532 nm und einer Pulsdauer = 7 ps durchgeführt:
Bei 532 nm wird eine Minimierung der Eindringtiefe im CIGS vermutet. Im Vergleich zu 1064 nm ist die
optische Eindringtiefe Lopt für ZnO im Grünen recht hoch, d.h. dass beim P3 Prozess die Einkopplung
eher an der Grenzfläche zum CIGS erwartet wird.
Eine Betrachtung der thermischen Diffusionslängen in Tabelle 2A für Laserpulsbreiten von 10 ps und
10 ns verdeutlicht das Potenzial der Pikosekunden-Lasertechnologie zur Minimierung der WEZ in einen
Bereich nahe bzw. sogar deutlich unterhalb der optischen Eindringtiefe.

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Abtragsverhalten nach (ultrakurzer) Laseranregung
Mittels zeitaufgelöster Mikroskopie der Materialoberfläche nach Femto- und Pikosekunden-
Laseranregung von Metallen und Halbleitern wird die Entstehung von Interferenzringen nach einigen
Nanosekunden beobachtet, die D. von der Linde et al. einer „ungewöhnlichen“ Zweiphasen-Mischung
aus kleinen Flüssigkeitströpfchen und der Gasphase im Materialabtrag zuordnet [5]. Diese Vorstellung
einer „besonderen“ thermischen Reaktion bei ultrakurzer Laseranregung von Metall- und
Halbleiterschichten entspricht der Erwartungshaltung in der laserinduzierten Phasenexplosion, bei der
es zu einer homogenen statt heterogenen Bildung von Flüssigkeitstropfen in der Gasphase kommt [6,7].
Optische Untersuchungen zum Materialabtrag können mehr Aufschluss über die Verteilung der
Abtragsprodukte liefern. Beispielsweise führten S. Noel et al. Abtragsuntersuchungen nach
Femtosekunden-Laseranregung an polierten Gold und Kupferproben durch [8]. Die Beobachtung der
Plasma-Emissionsintensität bei der Laserbearbeitung bietet das Potential, die Abtragsrate während des
Prozesses zu kontrollieren. S. Noel et al. registrierten einen proportionalen Zusammenhang zwischen
der Intensität in der Plasma-Emissionsintensität und der (nachträglich) bestimmten Abtragsrate beim
Femtosekundenabtrag von Kupferschichten. Ortsaufgelöste Abbildungen der Plasma-Emission können
wichtige, zusätzliche Erkenntnisse zur Abtragsdynamik und Ausrichtung liefern. Abb. 2B zeigt ein
Ergebnis dieser Untersuchung zur Plasma-Emission (unter Vakuumbedingung) zwischen 200 ns und
10 µs nach der Femtosekunden-Laseranregung der Metalle.
Es wurden dabei sowohl „langsame“ als auch
„schnelle“ Komponenten im Abtrag beobachtet [8].
Während der „schnelle“ Anteil den „heißen“ und
kleineren Abtragsprodukten zugeordnet wird,
verbleibt der „langsame“ Anteil aus Clustern
größerer Masse nahe der Metalloberfläche. Leider
wird in der angesprochenen Arbeit keine Aussage
über die Zusammensetzung des „langsameren“
Anteils oder zur Depositionsgefahr auf dem
„Werkstück“ getroffen. Das Interesse in [8] galt der
Bildung von Nanopartikeln aus dem „schnellen“
Plasmaanteil. Dieser wurde z. B. für Kupfer mittels
„mica substrates“ (Gold auf Quarz) aufgefangen
und am AFM analysiert. Die Größenverteilung der
Nanopartikel fällt annähernd exponentiell von 1 auf
ca. 15 nm Durchmesser ab. Ähnliche Ergebnisse
Abb. 2C: Ortsaufgelöste Plasma-Emission (bis 5 mm
Entfernung) vom Gold (links) und Kupfer nach der Laser
Anregung bei 800 nm, 0,1 ps und 4 J/cm2; aus [8].
wurden am Kupfer nach Femtosekunden-Laseranregung unter Normaldruckverhältnissen registriert [9].
In diesem Vorhaben steht die eigentliche Herstellung von Nanopartikeln nicht im Vordergrund.
Allerdings ist die Zusammensetzung der „schnellen“ und der „langsamen“ Abtragsprodukte für eine
sichere Laserbearbeitung der Photovoltaik-Schichten von Bedeutung: 1. die Depositionswahrscheinlichkeit
„langsamer“ Abtragsprodukten auf dem Werkstück, 2. die Kontaminationsgefahr
„schneller“ Abtragsprodukte in die Umgebung. Es werden Daten zur Vermeidung gesundheitlicher
Risiken gewonnen, insbesondere bei der Übertragung in einen industriellen Prozess, wo im Vergleich
zu Laborbedingungen eine signifikante Zunahme von Abtragsprodukten erwartet wird. Der nicht
vermeidbare Anteil muss durch geeignete Absauganlagen und Filtersysteme umweltgerecht entfernt
werden.

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3. Experiment
Für die experimentellen Untersuchungen im Rahmen dieses Projektes kam das Super RAPID
Pikosekunden-Lasersystem der Fa. Lumera
zum Einsatz. Dabei handelt es sich um
einen diodengepumpten und passiv
modengekoppelten Nd:YVO4 -
Festkörperlaser mit einer maximalen
Ausgangsleistung von 10 W bei 1064 nm.
Zudem besitzt dieses Lasersystem die
Möglichkeit einer internen
Frequenzverdopplung auf 532 nm sowie ein
UV-Modul zur externen Erzeugung der
dritten Harmonischen (355 nm). Die
Konversions-effizienz liegt für die zweite
Harmonische bei ca. 50 % und für die dritte
Harmonische bei ca. 20 % der IR-
Ausgangsleistung. Die Repetitionsrate
dieses Systems ist zwischen 10 und
640 kHz wählbar, wobei die höchsten
Einzelpulsenergien bei den niedrigsten
Repetitionsraten erreicht werden (siehe Abb. 3A). Die Pulsdauer beträgt, abhängig von der
verwendeten Wellenlänge, 10 ps bei 1064 nm, 7 ps bei 532 nm und 6 ps bei 355 nm. Ein weiterer
technischer Vorteil dieses Systems ist, dass es neben Einzelpulsen auch Pulszüge mit beliebiger
Pulsanzahl auskoppeln kann. Bei Doppelpulsen lässt sich der Pulsabstand bis hinunter zu 60 ns frei in
20 ns-Schritten variieren, bei Mehrfachpulsen liegt der Pulsabstand konstant bei 20 ns. Darüber hinaus
besitzt das Lumera Super RAPID eine gute Strahlqualität von M 2 < 1.4.
In Abb. 3B wird das Lasersystem dargestellt dabei ist nur der Laser (Oszillator und Verstärker) zu
sehen, das Kühlsystem und die Steuereinheit werden nicht gezeigt.
Abb. 3B: Lumera-Super Rapid-Pikosekunden-Lasersystem
Abb. 3A: Einzelpulsenergie über Repetitionsrate bei
verschiedenen Wellenlängen.

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Die Untersuchungen konzentrierten sich auf den Einsatz bei λ = 532 nm. Folgende Prozessparameter
wurden variiert:
• Intensitätsprofil auf dem Werkstück (TopHat und Gauss)
• Wiederholrate von 10 bis 500 kHz
• 50 MHz Pulszüge von 2 bis 10
• Räumlicher Pulsüberlapp von 0 bis 99 %
• Zyklenanzahl von 1 bis 20
Die Abtragsuntersuchungen wurden mit drei verschiedenen Bearbeitungssystemen durchgeführt:
1. XYZ Nanomotion Achsensystem mit Gauß-TopHat Konverter (30 x 30 µm 2),
2. IntelliSCAN ® Scanner mit einer F-Theta Optik der Brennweite 80 mm
3. Ein spezielles HurrySCAN ®-System angepasst an einem Gauß-TopHat Konverter (50 x 50
µm 2 ).
In Abb. 3C sind die für die Experimente verwendeten Scanneroptiken und das Nanomotion 3-Achsen-
System dargestellt.
Abb. 3C: links: intelliSCAN® 14, mitte: hurrySCAN® 30 Scanneroptik, rechts: Nanomotion 3-Aschen System
Der verwendete HurrySCAN ® 30 wurde im Rahmen des Projektes von der Firma LIMO inklusive dem
Gauss-TopHat Konverter als Komplettsystem zur Verfügung gestellt. Das Funktionsprinzip dieses
Scanmoduls ist identisch mit dem eines typischen x-y-Scankopfs [10]. Durch zwei jeweils in der x- und
y-Richtung festgelagerte verkippbare Spiegel wird der Laserstrahl abgelenkt und über eine wechselbare
Linse im Scankopf schließlich auf die Arbeitsfeldebene fokussiert. Zu beachten ist, dass in den
Abtragsuntersuchungen ein TopHat Konverter und eine F-Theta-Linse (f = 160 mm) verwendet werden.
Mit dem intelliSCAN ® 14 wurden die gleichen Untersuchungen ohne eine Strahlverformungsoptik mit
einer Linse mit halber Brennweite (f = 80 mm) durchgeführt. Die Steuerung des hurrySCAN ® 30 erfolgt
über einen Rechner mit dem Programm „Winlase ® Professional“. Der Vorteil einer Scanneroptik zu
einem Achsensystem für die Untersuchungen liegt dabei vor allem in der hohen
Bearbeitungsgeschwindigkeit.
Die Nanomotion-Verfahreinheit besteht aus einem x-y-Tisch zur Positionierung der Proben und einer z-
Achse zur Variation der Linsenposition (Fokuslage). Aufgrund der Freiheit in der Wahl der Umlenkspiegel
und der Fokussierlinsen konnte bei den Untersuchungen mit der Nanomotion sowohl eine
Gauß-Optik als auch der Gauß-TopHat Konverter (30x30 µm2) eingesetzt werden. Auch ein Vergleich
bei anderen Wellenlängen ist an diesem flexiblen Aufbau einfach durchführbar. Die Steuerung des 3achsigen
beweglichen Nanomotion-Systems erfolgt mittels der Software ACS Tech80 über den
SPiiPlus TM Motion Controller. Aufgrund des Antriebs durch Ultraschall-Piezo-Keramik-Motoren lässt sich
mit diesem System in jeder Achse eine hohe Positioniergenauigkeit von ± 0,2 µm erzielen. Allerdings
liefert dieses System eine Verfahrgeschwindigkeit von maximal 200 mm/s, was um Größenordnungen
langsamer ist, als bei den eingesetzten Scannersystemen. Der Vorteil dieser 3-Achsen-Verfahreinheit
gegenüber den Scannersystemen ist das größere Bearbeitungsfeld, bei verwendeten Fokuslängen
unter 200 mm, und die Freiheit in der Wahl der Fokussierung und somit der Größe der erzeugten
Strukturen.

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3.1 Aufbauten zum Laserabtrag
Der Versuchsaufbau mit Nanomotion-System ist in Abb. 3D dargestellt. Der Aufbau besteht aus dem
über PC gesteuerten Pikosekunden-Lasersystem, mehreren Umlenkspiegeln für die Ablenkung des
Strahls, einem Strahlverformer (THK-30) zur Umformung des Strahlprofils von Gauß- zu TopHat-
Verteilung und dem Nanomotion-3-Achsen-System (XYZ) zum Bewegen der Probe bzw. zum
Verschieben des Fokus. Die Steuerung des Nanomotion-3-Achsen-Systems wird durch eine spezielle
Software über einen weiteren Rechner realisiert.
Abb. 3D: Versuchsaufbau zum Laserabtrag mit Nanomotion-3-Achsen-System
Abb. 3E: Versuchsaufbau zum Laserabtrag mit hurrySCAN®-System
Ein weiterer Aufbau mit hurrySCAN ® -System wird in Abb. 3E dargestellt. Ähnlich wie beim Aufbau mit
Nanomotion-System wird die Ansteuerung des hurrySCAN ® durch einen zusätzlichen Rechner
realisiert. Die beiden Aufbauten befinden sich auf dem gleichen Optiktisch mit Schwingungsdämpfung.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 11
Durch einen weiteren Umlenkspiegel wird eine Umschaltung zwischen den beiden
Bearbeitungssystemen ermöglicht.
Mit Einsatz eines Gauß-TopHat Konverters (THK) wird das gaußförmige Laserstrahlprofil in ein
rechteckiges, homogenisiertes Intensitätsprofil - auch TopHat-Profil genannt - umgewandelt. Im
Nanomotion-System wird ein THK-30 und im hurrySCAN ® -System ein THK-50 verwendet, da es sich
hier um ein abgestimmtes Komplettsystem handelt. Die verwendeten THK-Module sind in Abb. 3F zu
sehen. Sie unterscheiden sich durch die erzeugte rechteckige Top-Hat-Profilfläche. Laut Hersteller
sollten mit THK‑30 ein ca. 900 µm 2 (30x30 µm 2) und mit THK‑50 ein ca. 2500 µm 2 (50x50 µm 2)
großes rechteckiges TopHat-Profil erzeugt werden. Die Ziffern 30 bzw. 50 kennzeichnen also die
Kantenlänge des jeweiligen TopHat-Profils im Arbeitspunkt. Die Einrichtung der THKs und Justage der
Laserstrahlung auf das Werkstück ist im Vergleich zu einer „klassischen“ Gauss-Optik etwas
komplizierter und wird im Unterkapitel 3.3 Voruntersuchungen näher beschrieben.
Top Hat g2T ®-Konverter 30 (THK-30) Top Hat g2T ®-Konverter 50 (THK-50)
Fläche des TH-Profils 30x30 µm 2 Fläche des TH-Profils 50x50 µm 2
Abb. 3F: Strahlformer von LIMO mit Optikhalter, Links: THK-30, Rechts: THK-50
3.2 Aufbau zur Bestimmung der Plasma-Emissionsspektren
In Rahmen dieses Projektes wurden ebenfalls Plasmauntersuchungen durchgeführt. Ziel dieser
Untersuchungen war es ein Verfahren zu etablieren, welches die Korrelationen zwischen der
laserinduzierten Plasmaemission (Intensität, Dynamik, Spektrum) und dem Abtragsverhalten
(Abtragsrate, Bearbeitungsqualität, Taktrate) zur Entwicklung einer optischen Online-Kontrolle und
Steuerung der Laser-Präzisionsbearbeitung von Dünnschichtproben nutzt. Abb. 3G skizziert den dafür
verwendeten experimentellen Versuchsaufbau.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 12
Abb. 3G: Versuchsaufbau für die Plasmauntersuchungen
Ähnlich wie im Versuchsaufbau zum Abtrag im Nanomotion-System (Siehe Abb. 3D) wird der Strahl
durch Umlenkspiegel und den Strahlformer (THK-30) zur Bearbeitungsstation geführt. Die
Plasmauntersuchungen an den Dünnschichtproben werden bei 532 nm Wellenlänge durchgeführt. Ist
die Energieflussdichte des Laserstrahls im Fokus oberhalb der Abtragsschwelle, kann – neben dem
induzierten Mikroabtrag – auch eine Plasmabildung beobachtet werden. Ein Mikroskopobjektiv bildet
das Plasmaleuchten auf die Eintrittsöffnung einer 400 µm Quarzfaser ab, durch die dieses dann zur
weiteren Analyse auf ein Spektrometer geführt wird. Bei dem Spektrometer handelt es sich um ein
Ocean Optics (USA) USB2000+UV-VIS mit einer Auflösung von 0,316 nm und einem Spektralbereich
von 350-750 nm. Am Spektrometer wird als Integrationszeit 100 ms gewählt. Um zu vermeiden, dass
Laserstreulicht während des Abtrags in das Spektrometer fällt, wurde ein Strahlfilter für 532 nm vor das
Mikroskopobjektiv gesetzt (siehe Abb. 3G).
3.3 Aufbau zur Untersuchung der Abtragsprodukte und ihrer Verteilung
Die abzutragenden Schichten der CIGS-Solarzellen enthalten neben den bekannten Bestandteilen
Kupfer, Indium, Gallium und Selen ebenfalls Cadmium. Beim Laserabtrag der Proben können die hoch-
giftigen und lungengängigen Materialien in die Umgebung freigesetzt werden. Des Weiteren können die
Abtragsprodukte auch in Form von potentiell gesundheitsschädlichen Nanopartikeln abgetragen
werden. Bei der Untersuchung der Abtragsprodukte handelt es sich im Wesentlichen um zwei
Aufgabenteile, die Identifizierung der Abtragsprodukte und die Ermittlung der Verteilung und Größe der
unterschiedlichen Abtragsprodukte anhand einer Oberflächenanalysemethode. Der Versuchsaufbau für
zur Untersuchung der Abtragsprodukte wird in Abb. 3H schematisch dargestellt.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 13
Abb. 3H: Versuchsaufbau zum Auffangen der Abtragsprodukte während der Laserbearbeitung
Da die abgetragenen Materialien aus der Dünnschichtprobe während des Abtragsprozesses als Plasma
durch den Ultrakurzpulslaser größtenteils senkrecht zur Oberfläche herausgeschleudert werden, wird
zum Auffangen der Abtragsprodukte ein Objektträger verwendet, der vor der Laserbearbeitung wenige
100 µm über der Probe positioniert wird. Im Anschluss können die abgetragenen Materialien auf dem
Objektträger analysiert werden.
3.4 Probenmaterial
Die in den Untersuchungen verwendeten CIGS-Solarzellen sind in Abb. 3I zusammengestellt. Es stehen
zwei verschiedene Arten von Dünnschichtsolarzellen zur Verfügung, die Glassubstratproben und die
Foliensubstratproben. Die Solarzellen der Firma Solarion besitzen das flexible Polymermaterial
`Polyimid` als Substrat (P3F). Die Solarzellen der Firma Soltecture werden auf dem konventionellen
Glassubstrat in 4 mm Dicke aufgebracht. Je nach ihren darüber liegenden funktionsfähigen Schichten
kann man sie weiter zu Mo-, P2G- und P3G-Proben aufteilen.
Um die P3F-Probe zu stabilisieren, wird sie zusätzlich mit einem 0,3 mm dicken Hartpapier auf einer 1,2
mm dicken Glasschreibe aufgeklebt. Die Betrachtung der P3F-Probe unter Mikroskop im Durchlicht ist
wegen des aufgeklebten Papiers nicht möglich. In Tabelle 3A und 3B sind die wichtigsten
geometrischen und technischen Daten der jeweiligen Dünnschichtproben zusammengestellt.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 14
Glassubstrat
Mo-Probe P3F-Probe
Soltecture GmbH Solarion AG
P2G-Probe P3G-Probe
Soltecture GmbH Soltecture GmbH
Abb. 3I: Dünnschichtproben der Firmen Soltecture GmbH und Solarion AG
• Mo-Probe: Mo-Schicht auf Glassubstrat
• P2G-Probe: CIGS- mit Mo- Schicht auf Glassubstrat
• P3G-Probe: TCO-, CIGS- mit Mo- Schicht auf Glassubstrat
• P3F-Probe: ITO-, CIGS- mit Mo- Schicht auf Polyimidsubstrat
Folienprobe

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Mo-Probe P3F - Probe
Substrat Glas Polyimid
Dicke des Substrates 4 mm ca. 25 µm
Format der Probe 5 x 5 cm 2 6 x 6 cm 2
Dicke der Probe ca. 2,1 mm ca. 0,3 mm
Funktionsdünnschicht Mo ITO, CdS, CIGS, Mo
Hersteller Soltecture GmbH Solarion AG
P2G-Probe P3G-Probe
Substrat Glas Glas
Dicke des Substrates 4 mm 4 mm
Format der Probe 5 x 5 cm 2 5 x 5 cm 2
Dicke der Probe ca. 4,2 mm ca. 4,8 mm
Funktionsdünnschicht CdS, CIGS, Mo ZnO, CdS, CIGS, Mo
Hersteller Soltecture GmbH Soltecture GmbH
Einheit
Tabelle 3A: Geometrisches Datenblatt der Glas- und Folienproben
ρ kth Cp k Tsch Tver
[x10 -
3 kg m −3 ]
[W m -1 K -1 ] [x10 -2 J kg -1 K −1 ] [x10 6 m 2 s −1 ] [K] [K]
ZnO 5,68 23 4,9 8,4 2248 2310
ITO 7,12 - - - 1900 -
CdS 4,9 20 - - 1748 -
CIGS 5,77 37 3 2,2 1600 -
Mo 10,2 138 2.5 54 2896 4912
Glass 2,5 0,8 8 0,87 1600 -
PI 1,34 0,31 11 - 400 -
ρ - Dichte, Tsch - Schmelztemperatur, Tver - Verdampfungstemperatur
Cp - Wärmekapazität, kth - Wärmeleitfähigkeit, k - Temperaturleitfähigkeit
Tabelle 3B: Physikalische und thermische Eigenschaften des Probenmaterials
Quelle der Daten: [11-15]

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 16
3.5 Voruntersuchungen
Wie bereits in Kapitel 3.1 erwähnt wird, spielt die Beugungsmaßzahl des verwendeten Laserstrahls
(1/Strahlqualität) M 2 für die Abtragsuntersuchungen von Dünnschichtproben eine wichtige Rolle. Denn,
je kleiner M 2 desto besser ist die Fokussierung. In der Voruntersuchung wird zunächst eine
Strahlmessung durchgeführt. Unter der Beugungsmaßzahl versteht man die Abweichung der Divergenz
vom idealen Gaußstrahl also die Strahlfokussierbarkeit. Zur Berechnung der Fokussierbarkeit des
Gaußprofils lässt sich die folgende Formel verwenden.
⎛ 2 ⋅ λ ⋅ f ⎞ 2
wf = ⎜ ⎟ ⋅ M
⎝ π ⋅ D ⎠ (3.1)
w f -
Strahltaillenradius
λ - Wellenlänge des Lasers
f - Brennweite der Fokuslinse
D - Strahldurchmesser
2
M - Beugungsmaßzahl
Die Ermittlung der Strahlqualität erfolgt durch eine Reihe von Messungen des Strahldurchmessers an
mehreren Stellen entlang des fokussierten Laserstrahls zu gleichen Teilen vor und hinter dem
Fokuspunkt. Für den Versuchsaufbau benötigt man den Laser, eine CCD-Kamera für die
Strahlprofilaufnahme, eine Konvexlinse für die Strahlfokussierung und einen teildurchlässigen
Umlenkspiegel zur Auskopplung eines geringen Teils des Laserlichtes auf den CCD-Sensor sowie
Graugläser für die Strahlabschwächung, um so eine Übersteuerung oder Beschädigung der CCD-
Kamera zu vermeiden. Zu beachten ist, dass die Messwerte von der gewählten Laserleistung abhängig
sind. Das heißt, je geringer die Laserleistung ist, desto kleiner wird der gemessene Strahldurchmesser.
Um die Abweichungen zu minimieren, wird die Leistung bei einem konstant niedrigen Wert von 100 mW
gehalten.
Abb. 3J: Kaustikmessung (Bestimmung von M2) für das Lumera Pikosekunden-Lasersystem
Während der Messung wird der Strahldurchmesser an zehn Stellen entlang der Strahlausbreitungsrichtung
in gleichem Maße vor und hinter dem Fokus mit Hilfe der CCD-Kamera bestimmt. Schließlich
werden mittels der Software `ProfileViewer` die gemessenen Informationen über die Strahlprofile
ausgewertet. Abb. 3J zeigt die gemessenen Ergebnisse in Form eines Kaustik-Diagramms. Im

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 17
vorliegenden Fall wurde für das verwendete Lasersystem eine Beugungsmaßzahl in der Horizontalrichtung
von 1,395 und in der Vertikalrichtung von 1,405 gemessen. Diese Abweichungen zwischen X-
und Y- Richtung liegen innerhalb der Meßgenauigkeit. Die gemessene Beugungsmaßzahl beträgt
M 2 = 1,4 (± 0,05).
Neben der Strahlmessung stellt die Justage des verwendeten Strahlformers (THK) die nächste wichtige
Aufgabe in der Voruntersuchung dar, da das Strahlprofil die Abtragsqualität direkt beeinflusst. Um das
passende TopHat-Profil im Nanomotion-System durch die Justage des THK-30 zu finden, wird auf die
Probe bei f = 10 kHz, e = 6,5 µJ an drei Stellen jeweils mit einem Einzelpuls, 15 Pulsen und 30 Pulsen
geschossen. Nach jedem Abtrag werden die Justage-Schrauben am THK entsprechend gedreht und die
Fokuslage variiert. Die Justage des THK erfolgt durch Erstellen mehrerer solcher Abtragsreihen. Der
THK wird solange ausgerichtet, bis ein rechteckiges TopHat-Profil mit einer Fläche von ca. 900 µm 2 auf
der Probe erzeugt wird. In Abb. 3K wird eine REM-Aufnahme von drei typischen Abtragsreihen auf der
P3F-Probe mittels THK-30 nach der Justage dargestellt.
Pulszahl 1 15 30
z = 8,0 mm
z = 8,1 mm
z = 8,2 mm
Abb. 3K: Abtragsreihen für die Justage des THK-30 in verschiedenen Fokuslagen (z)
Die THK-Justage am Nanomotion-System ist kompliziert und zeitaufwendig. Aufgrund des leicht
variierenden Strahlengangs ergibt sich keine feste Fokuslage im Nanomotion-System, Abweichungen
von über 100 µm sind möglich und mussten täglich kontrolliert werden.
Im Gegensatz zu der THK-Justage im Nanomotion-System ist die Justage im hurrySCAN ® -System mit
THK-50 aufgrund seiner einfachen Konstruktion nicht mehr so zeitintensiv. Darüber hinaus ist das
Scannersystem aufgrund des robusten Aufbaus stabiler. Das bedeutet, dass das einjustiertes THK-
Profil im Scannersystem für mehrere Tage ohne Justage stabil bleibt. Abb. 3L zeigt die Ergebnisse von
zwei Fokustests mit Mo- und P3F-Probe am Nanomotion-System.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 18
Abgetragene
Mo-Probe
Z-Position 8000 µm 8200 µm 8300 µm
Profilbreite 38,86 µm 32,59 µm 28,31 µm
Abgetragene
P3F-Probe
Optimale Top-Hat Position des THK-30
Z-Position 8400 µm 8600 µm 8700 µm
Profilbreite 40,1 µm 32,3 µm 29,2 µm
Laserparameter: Pulsenergie = 6,5 µJ, Repetitionsrate = 10 kHz,
Abb. 3L: Breite im Abtrag an den Mo-und P3F-Proben in Abhängigkeit von der
Fokuslage im Nanomotion-System mit Top-Hat Konverter 30
Es ist ein ähnliches Abtragsverhalten bei beiden Proben zu sehen. Wie durch die mikroskopische
Aufnahme des Abtragsprofils zu erkennen ist, bildet sich im vorliegenden Fall das TopHat-Profil auf der
Mo-Probe bei z = 8,2 mm und auf der P3F-Probe bei z = 8,6 mm, da dort eine rechteckige Fläche von
ca. 900 µm 2 erzeugt wird. Zu beachten ist, dass es aufgrund des Aufbauunterschieds der Probe
unterschiedliche Dicke keine identische Fokuslage für Mo- und P3F-Probe gibt. Bei anderen
Fokuslagen wird das Abtragsprofil stark verformt bzw. verzerrt und somit wird die Intensitätsverteilung
nicht mehr homogen. Weiterhin zu erkennen ist, dass der Bereich in dem man mit Hilfe des THK-30
durch die z-Verschiebung das TopHat-Profil bilden kann eingeschränkt ist und das gebildete TopHat-
Profil nur vor dem eigentlichen Fokus entsteht. Die Ergebnisse der Fokustests mit THK-50 im
hurrySCAN ® -System weisen einen ähnlichen Trend wie die mit THK-30 im Nanomotion-System auf.
Analog zu den Ergebnissen im Nanomotion-System mit THK-30 die in Abb. 3M dargestellt sind, nimmt
die Breite des Abtragsprofils im hurrySCAN ® -System mit THK-50 bei Annäherung an die Fokuslage ab.
Das rechteckige TopHat-Profil mit einer Profilfläche von ca. 2500 µm 2 bei THK 50 bildet sich nur auf
einer bestimmten Fokuslage. Diese Beobachtung stimmt mit den in Kapitel 3.1 beschriebenen THK-
Eigenschaften überein.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 19
Optimale Top-Hat Position des THK-50s
Mo-Probe P2G-Probe P3G-Probe P3F-Probe
B = 51,6 µm B = 53,3 µm B = 53,9 µm B = 54,6 µm
Laserparameter: Pulsenergie = 10 µJ, Repetitionsrate = 10 kHz, Verfahrgeschwindigkeit =
960 µm/s, Einzelpulse
Abb. 3M: Die Breite des Abtragsprofils der Probe in Abhängigkeit von der Fokuslage im hurrySCAN®-System
mit Top-Hat Konverter 50

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 20
4. Einfluss der Laser Prozessparameter
Bei der Laser-Material-Wechselwirkung wird häufig zwischen einer induzierten Modifikation und einem
(eindeutigen) Materialabtrag bzw. Materialverlust am Werkstück unterschieden. Während Abtrag noch
relativ objektiv festgestellt werden kann, hängt die Erkennung einer Laser induzierten „Modifikation“
häufig von der Empfindlichkeit der Analysemethode ab. In diesem Vorhaben wird der selektive Abtrag
einer Schicht in einem komplexen Schichtsystem untersucht. Als Analysemethode erster Wahl dient hier
die optische Mikroskopie, bei der Veränderungen in der Schicht beobachtet werden können, ohne dass
objektiv ein Abtrag vorliegt.
4.1 Einfluss der Pulsenergie (Modifikation und Abtrag)
Abb. 4A zeigt dies am Beispiel der P2G-Probe (siehe Tab. 3a), bei der mittels Laserpulse ein
Linienabtrag mit einer Geschwindigkeit von 1 µm pro Laserpuls durchgeführt wurde. Auf dem
Werkstück liegt eine Gaußverteilung mit einer 1/e 2 Breite von ca. 30 µm vor. Bei einer Pulsenergie von
0,6 bis ca. 1 µm, siehe Abb. 4A links, ist unter diesen Bedingung im optischen Mikroskop im zentralen
Bereich der Linie eine wenige µm Breite „Verfärbung“ der CIGS Schicht erkennbar. Im der darunter
liegenden REM Aufnahme wirkt dieser Bereich „geglättet“. Ein Abtrag ist unter beiden Analysemethoden
nicht eindeutig feststellbar. Erst bei einer Pulsenergie von 3 µJ ist ein signifikanter Abtrag durch das
Hervortreten der darunter liegenden Mo-Schicht feststellbar. Bei 4 µJ manifestiert sich das
Abtragsverhalten: die Mo-Schicht kommt stärker zum Vorschein.
Abb. 4A: Mikroskop- und REM-Aufnahmen des Linienabtrags auf P2G-Proben bei unterschiedlicher Laser Pulsenergie

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 21
In Abb. 4B ist eine REM-Aufnahme vom Laserabtrag auf der P2G-Probe ohne Linearbewegung zu
sehen. Das Intensitätsprofil wird im Abtrag wieder gegeben: im Zentrum ist die Mo-Schicht erkennbar.
Im äußersten Randbereich erscheint die CIGS-Schicht modifiziert, aber nicht abgetragen. Zur Mitte hin
wird ein Abtrag offensichtlicher bis im Zentrum die freigelegte Mo-Schicht sichtbar wird.
Abb. 4B: REM-Aufnahme eines Kraters in der P2G-
Probe nach der stationären Laser Bearbeitung bei 532
nm und 7 ps
Abb. 4C: Einfluss von Geschwindigkeit und Pulsenergie beim
Gauß Profil auf die Spotfläche
Die Untersuchungen zur Modifikation- und Abtragschwelle der transparenten Halbleiterschichten (ITO
und ZnO ) für den P3 Prozess wurden unter gleichen Bedingungen mit der P3G-Probe durchgeführt.
Eine Diskussion zum P3 Prozess erfolgt im Abschnitt 4.2. Die Zwischenergebnisse in 4.1 lassen sich
wie folgt zusammen fassen.
Modifikationsschwelle für den P2-Prozess am CIGS bei 532 nm und 7 ps, Laserfokusdurchmesser
von 30 µm (Gaußprofil)
1,0 µJ bei 10 kHz und 20 µm pro Puls,
0,6 µJ bei 10 kHz und 1 µm pro Puls,
Abtragsschwelle für den P2-Prozess am CIGS bei 532 nm und 7 ps, Laserfokusdurchmesser von
30 µm (Gaußprofil)
4 µJ bei 10 kHz und 20 µm pro Puls
3 µJ bei 10 kHz und 20 µm pro Puls
Modifikationsschwelle für den P3-Prozess am ITO/ZnO auf CIGS bei 532 nm und 7 ps,
Laserfokusdurchmesser von 30 µm (Gaußprofil)
0,8 µJ bei 10 kHz und 20 µm pro Puls,
0,6 µJ bei 10 kHz und 1 µm pro Puls,
Abtragsschwelle für den P3-Prozess am ITO/ZnO auf CIGS bei 532 nm und 7 ps,
Laserfokusdurchmesser von 30 µm (Gaußprofil)
3 µJ bei 10 kHz und 20 µm pro Puls,
2 µJ bei 10 kHz und 1 µm pro Puls

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 22
4.2 Einfluss des Strahlprofils (Gauß und Top-Hat)
Die Untersuchung zur Modifikations- und Abtragschwelle sind auch mit einem Top-Hat Profil
durchgeführt worden, siehe auch den Versuchsaufbau mit dem Nanomotion-System in Abb. 3D. Abb.
4D zeigt das Ergebnisbeispiel für den P2 Prozess die Veränderungen in der CIGS-Schicht in
Abhängigkeit von der Laser Pulsenergie bei 10 kHz und einer Verfahrgeschwindigkeit von 1 µm/Pulse.
Aufgrund der annähernd gleichmäßigen Verteilung der Laserintensität auf 30 µm x 30 µm ist im
Unterschied zu Gaußverteilung eine entsprechend breite Modifikation- bzw. Abtraglinie erkennbar. Eine
Modifikation wird bei ca. 1,0 µJ im Mikroskop beobachtet (nicht bei 0,8 µJ). Bei 2,0 µm wird der
Übergang zum Laser induziertem Abtrag vermutet. Ein relevanter Abtrag ist ab ca. 3 µJ registrierbar.
Die Schwellen liegen ca. 20% höher als bei den vergleichbaren Untersuchungen mit einem Gaußprofil,
wobei im letzteren Fall die Intensität ein Maximum besitzt und somit tendenziell geringere Schwellwerte
erwartet werden.
Abb. 4D: Mikroskop-Aufnahmen des Linienabtrags auf P2G-Proben bei unterschiedlicher Laser Pulsenergie
Interessant ist der Vergleich bei unterschiedlicher Verfahrgeschwindigkeit bzw. Puls-zu-Puls-Überlapp
beim TopHat-Profil, siehe Abb. 4E. Die halb-logarithmische Darstellung von Pulsenergie zur Fläche
wurde im Wesentlichen zum Ergebnisvergleich mit dem Gaußprofil, siehe Abb. 4C, gewählt. Die
durchgezogenen Linien dienen zur besseren Sichtbarmachung des vermeintlichen linearen Anstiegs.
Interessant ist die signifikante Verbreiterung der Linien (bzw. der sichtbaren Veränderung in der CIGS
Schicht) bei steigender Pulsenergie mit einem Top-Hat Profil.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 23
Abb. 4E: Einfluss von Geschwindigkeit und Pulsenergie beim TopHat-Profil auf die Spotfläche
Die Ursache hierfür lässt sich in den Eigenschaften des jeweiligen Abtragprofils finden. Die
Geschwindigkeit führt zu einer großen Variation im Pulsüberlapp. Beim Gaußprofil ist im Zentrum des
Profils die Energiedichte am höchsten und die Intensität nimmt von der Mitte nach außen hin drastisch
ab. Im Gegensatz dazu ergibt sich beim Top-Hat Profil eine homogene Intensitätsverteilung über die
Breite des Profils. Das bedeutet, dass beim Abtrag mit geringer Geschwindigkeit (großem Puls-zu-Puls-
Überlapp) mit dem Top-Hat Profil vermutlich ein größerer Energieeintrag in den Randbereichen der
Linien erzeugt wird. Dies führt zu einer stärkeren Wärmeakkumulation und somit zu einer Verbreiterung
der Linien.
Die Schwellen für Modifikation und Abtrag der P2G-Probe (P2 Prozess) sind in der Tabelle 4A
zusammen gefasst.
(P2G-Probe ) Gaußprofil bei f = 10 kHz Top-Hat Profil bei f = 10 kHz
Modifikationsschwelle in der CIGS-
Schicht
Abtragsschwelle in der CIGS-
Schicht
E ≈ 0,6 bis 1 µJ E ≈ 0,6 bis 1 µJ
E ≈ 3 bis 4 µJ E ≈ 2 bis 4 µJ
Tabelle 4A: Schwelle für Modifikation und Abtrag der P2G Dünnschichtprobe (P2 Prozess)
Die Untersuchungen zur Modifikation- und Abtragschwelle der transparenten Halbleiterschichten (TCO
= ZnO und/oder ITO) für den P3 Prozess wurden mit der P3G-Probe durchgeführt. Abb. 4F zeigt
Mikroskopbilder aus diesen Untersuchungen für den Fall bei 10 kHz und einer Verfahrgeschwindigkeit
von 1 µm/Pulse. Bei 0,5 µJ pro Laserpulse (rechts in der Abbildung) ist unter dem Mikroskop mit dem
bloßen Auge eine Modifikationsspur gerade erkennbar, die bei 1 µJ dann deutlich sichtbar wird. Ein
Abtrag ist hier noch nicht aufgetreten, die ZnO-Schicht erscheint noch intakt, die eigentliche Modifikation
scheint nur in der darunter liegende CIGS-Schicht aufzutreten. Bei einer Einzelpulsenergie von 1,5 µJ
beginnt sich die ZnO-Schicht abzulösen und die CIGS-Schicht kommt zum Vorschein. Die Mo-Schicht
erscheint vereinzelt in der Linie bei der Pulsenergie von ca. 3 bis 4 µJ. Im Rahmen des Vorhabens

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 24
sollte geklärt werden, ob beim P3-Prozess der Abtrag bis zu CIGS-Schicht oder sogar bis zur Mo-
Schicht (wie bei der Nadelritzung bzw. im P2-Prozess) gewünscht wird.
Abb. 4F: Mikroskop-Aufnahmen des Linienabtrags auf P3G-Proben bei unterschiedlicher Laser Pulsenergie
(P3G-Probe ) Gaußprofil bei f = 10 kHz Top-Hat Profil bei f = 10 kHz
Modifikationsschwelle in der ZnO-
Schicht
E ≈ 0,8 µJ E ≈ 1 µJ
Abtragschwelle in der ZnO-Schicht E ≈ 1,5 bis 2 µJ E ≈ 2,5 bis 3 µJ
Tabelle 4B: Schwelle für Modifikation und Abtrag der P3G Dünnschichtprobe (P3 Prozess)

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 25
4.3 Einfluss der Wiederholrate (10 bis 500 kHz)
In dieser Untersuchung wurden die P3G- sowie die P3F-Proben mittels Gauß- und Top-Hat Profil
bearbeitet. Dabei wurde bei identischen Laserparametern die Repetitionsrate von 10 bis 400 kHz
variiert. Auch der Pulsabstand auf 0,4 µm/Pulse wurde durch Anpassung der Verfahrgeschwindigkeit
festgehalten. In Abb. 4G werden Einzelergebnisse dieser Untersuchung vorgestellt.
Linienabtrag auf der P3G-Probe mittels Gaußprofil
Mo Mo Mo Mo Mo/Glas
f = 10 kHz f = 50 kHz f = 100 kHz f = 200 kHz f = 400 kHz
B = 43 µm B = 43 µm B = 44 µm B = 44 µm B = 42 µm
Linienabtrag auf der P3G-Probe mittels Top-Hat Profil
Mo CIGS/Mo CIGS/Mo CIGS/Mo CIGS/Mo
f = 10 kHz f = 50 kHz f = 100 kHz f = 200 kHz f = 400 kHz
B = 51 µm B = 56 µm B = 58 µm B = 62 µm B = 68 µm
B – Kanalbreite, f – Repetitionsrate
Abb. 4G: Mikroskop-Aufnahmen des Linienabtrags auf P3G-Proben, Abtragskanäle mit Gauß- und TopHat-Profil in
Abhängigkeit von der Repetitionsrate. Laserparameter: 532 nm @ 7ps, Pulsenergie = 6 µJ, Pulsabstand = 0.4 µm,
Pulsüberlapp = 98 %
Die Ergebnisse zeigen einen großen Unterschied im Verlauf der Abtragsbreite zwischen diesen beiden
Strahlprofilen. Abb. 4H zeigt die vermessenen Kanalbreiten bei der Repetitionsrate von 10 und 400 kHz.
Beim Einsatz eines TopHat-Profils (hier mit Scanner 50µm x 50µm) nimmt die Kanalbreite mit
steigender Repetitionsrate die zu, während diese beim Gaußprofil konstant bei ca. 44 µm verbliebt.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 26
Abb. 4H: Diagramm der Kanalbreite der beiden Strahlprofile in Abhängigkeit von der Repetitionsrate, Laserparameter:
532 nm @ 7ps, Pulsenergie = 6 µJ, Pulsüberlapp = 98 %, Pulsabstand = 0.4 µm
Die Ergebnisse der P3F-Probe sind in den Abb. 4H und 4I dargestellt. Sie weisen einen vergleichbaren
Zusammenhang auf wie die Proben auf Glassubstrat. Mit steigender Repetitionsrate sind zudem in der
Mitte des Kanals eindeutige Rissbildungen in der Mo-Schicht zu erkennen. Ursache hierfür sind
vermutlich thermische Effekte durch Wärmeakkumulation. Im Vergleich zu der Glasprobe wirken sich
die thermischen Effekte auf die Mo-Schicht mit zunehmender Repetitionsrate auf der Folienprobe
stärker aus. Dies ist auf die physikalischen und thermischen Eigenschaften des jeweiligen verwendeten
Substrats zurückzuführen. Da die Wärmeleitfähigkeit kth des Polymersubstrats viel niedriger ist als die
des Glassubstrates (Siehe Tabelle 3B), führt dies zu einer stärkeren Wärmeakkumulation in den
darüber liegenden Schichten.
Linienabtrag auf der P3F-Probe mittels Gauß Profil
Mo Mo Mo Mo Mo/Polyimid
f = 10 kHz f = 50 kHz f = 100 kHz f = 200 kHz f = 400 kHz
B = 46 µm B = 45 µm B = 45 µm B = 48 µm B = 54 µm
Linienabtrag auf P3F-Probe mittels Top-Hat Profil
Mo Mo CIGS/Mo Mo Mo/Polyimid
f = 10 kHz f = 50 kHz f = 100 kHz f = 200 kHz f = 400 kHz
B = 51 µm B = 50 µm B = 49 µm B = 55 µm B = 72 µm
B – Kanalbreite, f – Repetitionsrate
Abb. 4I: Mikroskop-Aufnahmen des Linienabtrags auf P3F-Proben. Abtragskanäle auf P3F-Probe mittels Gauß- und
TopHat-Profil in Abhängigkeit von der Repetitionsrate, Laserparameter: 532 nm @ 7ps, Pulsenergie = 6 µJ,
Pulsüberlapp = 98 %,Pulsabstand = 0,4 µm

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 27
Abb. 4J: Diagramm zur Abtragskanalbreite auf P3F-Probe mittels beider Strahlprofile in Abhängigkeit von der
Repetitionsrate. Laserparameter: 532 nm @ 7ps, Pulsenergie = 6 µJ, Pulsüberlapp = 98 %, Pulsabstand = 0,4 µm
Abb. 4K: Mikroskop- und REM-Aufnahmen des Linienabtrags auf P2G-Proben nach der Laserbearbeitung bei 532 nm
und 7 ps (Top-Hat Profil) bei unterschiedlicher Pulsenergie
In Abb. 4K sind die typischen Ergebnisse zum P2-Prozess bei 10 kHz (oben) und 500 kHz (unten) unter
Top-Hat Profil an der P2G-Probe dargestellt. Ziel ist ein selektiver Abtrag der CIGS-Schicht von der
(intakten) Mo-Schicht mit möglichst hoher Verfahrgeschwindigkeit. Bei der Repetitionsrate von 10 kHz
ist das Potential eines selektiven Abtrags in der Abb. 4K bereits gut erkennbar, jedoch zunächst bei

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 28
einer entsprechend langsamen Verfahrgeschwindigkeit von 20 mm/s. Zudem wird bei einer Pulsenergie
von 3 bis 4 µJ das Pikosekunden-Lasersystem bei 10 kHz kaum ausgelastet, denn die mittlere Leistung
beträgt hier nur maximal 400 mW, ein Bruchteil der verfügbaren Leistung. Für eine zukünftige
Anwendung sind Repetitionsraten von 500 kHz oder höher interessant. Allerdings unterscheidet sich
das „Abtragsergebnis“ nun signifikant vom Einsatz bei 10 kHz, trotz identischem räumlichen Puls-zu-
Puls-Abstand (Verfahrgeschwindigkeit ist bei 500 kHz im Vergleich zu 10 kHz um Faktor 25x auf 200
mm/s erhöht worden). Die CIGS-Schicht erfährt bereits bei geringer Pulsenergie eine „Umwandlung“,
die einen selektiven Abtrag deutlich erschwert bzw. fast unmöglich macht. Bei Betrachtung der
Aufnahmen aus dem optischen Mikroskop und der REM-Analyse kann man ableiten, dass die CIGS-
Schicht ein typisches Strukturbild einer Schmelze zeigt. Diese geschmolzene Schicht lässt sich
anscheinend nicht mehr Puls für Puls abtragen, sondern „zerreißt“ und zerstört dabei die darunter
liegende Mo-Schicht. Ein präziser und selektiver Abtrag ist hier noch nicht erkennbar. Offensichtlich
macht es im P2-Prozess einen großen Unterschied, ob bei einem Puls-zu-Puls-Überlapp von 98% die
Pikosekunden-Laserpulse erst nach 100 µs eintreffen (10 kHz) oder bereits innerhalb von 4 µs (500
kHz). Für hochrepetierende Laserpulse wird ein Lösungsansatz für eine erfolgreiche Umsetzung verfolgt,
der in Abschnitt 4.5 vorgestellt ist.
4.4 Einfluss von 50 MHz Pulszügen
Eine wichtige Fragestellung im Vorhaben ist die Effizienzsteigerung unter Einsatz von Pulszügen. Das
Pikosekunden-Lasersystem bietet die Möglichkeit, nicht nur Einzelpulse zu verstärken, sondern auch
ganze Pulszüge mit einem Pulsabstand von 20 ns (50 MHz Wiederholrate im Pikosekunden-Oszillator
vor der Verstärkung). Die Anzahl der Pulse in diesem Pulszug ist ansteuerbar. Die gemessene Leistung
bzw. Gesamtenergie pro Pulszug ist in erster Näherung auf die Anzahl der Einzelpulse im Pulszug
aufzuteilen. In Abb. 4L ist ein typisches Beispiel vom Laserschichtabtrag unter Einsatz eines Pulszugs
mit N = 7 Pulsen mit je 3,6 µJ dokumentiert. Man erkennt deutlich den unvollständigen Abtrag der CIGS
Schicht bzw. die Rissbildungen in der darunter liegenden Mo-Schicht. Ein Prozessfenster für einen
selektiven und präzisen Schichtabtrag mit den 50 MHz Pulszügen konnte in diesem Vorhaben nicht
identifiziert werden. Der kurze Zeitabstand von 20 ns im Pulszug ist für die Schichtbearbeitung
zumindest bei den Dünnschicht-Halbleitermaterialien offensichtlich eher kontraproduktiv. Die
Ergebnisse gleichen im Übrigen denen aus der Anwendung mit 500 kHz (Abschnitt 4.3), bei der die
„Umwandlung“ der CIGS-Schicht einen kontrollierten Laser induziertem Abtrag entgegen steht.
Abb. 4L: Mikroskop-Aufnahmen des Linienabtrags auf den P2G –Proben nach der Laserbearbeitung bei 532 nm und 7
ps (mit einem 50 MHz Pulszug von 7 Pulsen)

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 29
4.5 Einfluss der Zyklen-Anzahl
Um eine Reduzierung des Wärmeeintrags zu erreichen, wurden Versuche durchgeführt, den
Energieeintrag pro Zeiteinheit zu reduzieren. Dafür wurde der Puls-zu-Puls Abstand vergrößert und die
Pulsenergie verringert. Um bei hohen Repetitionsraten die entsprechend hohe Verfahrgeschwindigkeit
einstellen zu können, muss auf Scannerablenkung zurückgegriffen werden. Mit dieser Methode genügt
nicht ein einmaliger Durchgang, um z.B. die CIGS Schicht bis zur Mo-Schicht abzutragen, sondern es
die Abtragslinie wurde mehrfach abgefahren. Mit anderen Worten, die Zyklenanzahl wurde von N = 1
auf N = 2 bis 20 erhöht. Eine typische Auswahl der Ergebnisse für den P3-Prozess mit Abtrag bis auf
Mo (also auch gut vergleichbar mit dem P2-Prozess) ist in Abb. 4M dargestellt.
Linienabtrag auf der P3G-Probe mit mehrfacher Zyklenanzahl
Top-Hat Profil (THK-50) Gauß Profil
Hellfeld Dunkelfeld
Laserparameter: Repetitionsrate = 400 kHz, Pulsenergie = 5 µJ, Zyklenzahl N = 3,
Verfahrgeschwindigkeit = 800 mm/s, Effektive Verfahrgeschindigkeit = 267 mm/s
Linienabtrag auf der P3F-Probe mit mehrfacher Zyklenzahl
Top-Hat Profil (THK-50) Gauß Profil
Laserparameter: Repetitionsrate = 200 kHz, Pulsenergie = 5,5 µJ,Zyklenzahl N = 4,
Verfahrgeschwingiekeit = 926 mm/s, , Effektive Verfahrgeschindigkeit = 231 mm/s
Abb. 4M: Mikroskop-Aufnahmen des Linienabtrags auf P3G und P3F-Proben Abtrag der Probe mittels Gauß und Top-
Hat Profil mit mehrfacher Zyklenanzahl
Vergleicht man die Abtragskanäle der P3G-Probe so zeigt sich, dass mit Gaußprofil die P3G-Probe bis
zum Glassubstrat (P4-Prozess) abgetragen wird, während mit dem TopHat-Profil der gewünschte P3-
Prozess bis zur Mo-Schicht der Probe erzielt wird. Die Ursache hierfür ist, wie bereits in Kapitel 4.1
erwähnt, die hohe Energiedichte im Zentrum des Gaußprofils, welche in der Mitte des Abtragskanals die
Abtragsschwelle für Mo erreicht. Dies ist beim Top-Hat Profil nicht der Fall. Ein ähnliches
Abtragsverhalten zwischen Gauß- und TopHat-Profil zeigt sich bei der P3F-Probe bei 200 kHz
Repetitionsrate. Die bei hoher Repetitionsrate resultierenden thermischen Effekte sind durch die
Rissbildung in Mitte der Abtragskanäle mit Gaußprofil gut zu erkennen (Siehe Abb. 4M). Gegenüber der
P3G-Probe sind aufgeschmolzene Tröpfchen des CIGS im Abtragskanal der P3F-Probe zu erkennen.
Dies ist auf die Inhomogenität der Oberfläche zurückzuführen, die zu einem ungleichmäßigen
Energieeintrag, und somit Abtragsverhalten, führt. Zu beachten ist auch, dass auf der P3F-Probe
(Folienträger) bei 400 kHz die Schichten durch die hohe Wärmeakkumulation (siehe auch Kapitel 4.6)
stark aufgeschmolzen und zerstört werden, sodass bei der P3F-Probe die Untersuchungen auf
maximal 200 kHz beschränkt wurde.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 30
4.6 Einfluss des Trägermaterials
Wie bereits in Kapitel 3.2 beschrieben, wurden für die Abtragsuntersuchungen Proben zweier Hersteller
verwendet, die sich durch das verwendete Trägermaterial unterscheiden: CIGS-Dünnschichtsolarzellen
auf einem Glassubstrat und Polymersubstrat. Die Untersuchung zum Einfluss des Trägermaterials
erfolgt durch die Variation der Laserparameter jeweils an einer P2G-, P3G- und P3F-Probe mit dem
hurrySCAN ®-System mit THK-50. In der ersten Versuchsreihe wird die Pulsenergie von 2 bis 6 µJ bei
sonst festgehaltenen Laserparametern in 1 µJ Schritten variiert. Die Ergebnisse sind in Abb. 4M
zusammengefasst.
Freigelegte Mo-Schicht des Isolationskanals im Abtragsprozess mit P2G-Probe
CIGS CIGS/Mo Mo Mo Mo
e = 2 µJ e = 3 µJ e = 4 µJ e = 5 µJ e = 6 µJ
Freigelegte Mo-Schicht des Isolationskanals im Abtragsprozess mit P3G-Probe
CIGS CIGS/Mo CIGS CIGS/Mo Mo
e = 2 µJ e = 3 µJ e = 4 µJ e = 5 µJ e = 6 µJ
Freigelegte Mo-Schicht des Isolationskanals im Abtragsprozess mit P3F-Probe
CIGS CIGS/Mo CIGS/Mo Mo Mo
e = 2 µJ e = 3 µJ e = 4 µJ e = 5 µJ e = 6 µJ
Kanalbreite aller Proben mit Top-Hat Profil bei 98 % Pulsüberlapp ≈ 52 µm,
Laserparameter: Repetitionsrate = 10 kHz, Pulsabstand = 0,4 µm, Pulsüberlapp = 98 %
Abb. 4M: Mikroskop-Aufnahmen des Linienabtrags auf P2G, P3G und P3F-Proben in Abhängigkeit von der
Einzelpulsenergie mit THK 50 am hurrySCAN®-System
Vergleicht man zunächst die Ergebnisse der P2G- und P3G-Proben miteinander, so fällt auf, dass bei
identischer Prozessparametereinstellung auf der P2G-Probe ein guter Abtrag bis zur Mo-Schicht erzielt
werden kann, wohingegen der Abtragsprozess auf der P3G-Probe eingeschränkt wird, sodass keine
saubere Mo-Fläche freigelegt wird (siehe Abb. 4G). Dies weist darauf hin, dass die transparente
Halbleiterschicht (TCO) auf der P3G-Probe beim Laserabtrag trotz Transparenz für die verwendete
Wellenlänge einen großen Einfluss hat. Betrachtet man nun die Ergebnisse der P3F-Probe
(Folienträger) mit denen der beiden Glasproben, wird ein sehr ähnliches Abtragsverhalten der P3F- und
P2G-Probe beobachtet. Dies zeigt, dass sich der Einfluss der TCO-Schicht offensichtlich in diesem Fall
nicht so stark auswirkt. Dieses Phänomen könnte einerseits auf die Haftung der jeweiligen TCO- bzw.
CIGS-Schichten, andererseits auf die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der
funktionsfähigen Schichten der Probe zurückzuführen sein.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 31
Generell wird bei allen untersuchten Proben beobachtet, dass die Menge der abgetragenen CIGS-
Materialien mit steigender Pulsenergie zunimmt. Wichtig sind die Parameter für einen
schichtspezifischen, kontrollierten Abtrag zu finden. Mit 6 µJ Pulsenergie, 10 kHz Repetitionsrate und
einem 0,4 µm Pulsabstand kann der Abtrag der P2G-Probe im P2-Prozess erfolgen und bei der
gleichen Laserparametereinstellung kann der P3-Prozess auf der P3F-Probe erzielt werden.
Weitere Ergebnisse zeigt Abb. 4N. In dieser Versuchsreihe wurde die Repetitionsrate von 10 bis
400 kHz bei 5 µJ Pulsenergie und 0,8 µm Pulsabstand variiert. Im Allgemeinen weisen die Ergebnisse
ein ähnliches Abtragsverhalten der P2G- und P3F-Proben auf, da sich die Kanalspuren sich in beiden
Proben mit steigender Repetitionsrate verbreitern. Jedoch unterscheiden sich die Abtragskanäle beider
Proben durch die Rissbildungen. Vergleicht man die P2G- mit der P3F-Probe, fällt auf, dass mit
steigender Repetitionsrate in der Mo-Schicht der Kanäle auf der P3F-Probe eindeutige Rissbildungen
zu erkennen sind. Dies ist möglicherweise auf die Dicke des jeweiligen Substrats und die damit
verbundenen Materialeigenschaften zurückzuführen, da einerseits die Wärmeleitfähigkeit sowie die
Wärmekapazität des Polymersubstrates gegenüber dem Glas zwar besser sind, andererseits die
mechanische Belastbarkeit der Schichten auf dem Glassubstrat der auf dem flexiblen Polymersubstrat
überlegen ist.
Freigelegte Mo-Fläche des Isolationskanals der P2G-Proben
Mo Mo/CIGS Mo/CIGS Mo/CIGS Mo/CIGS
Freigelegte Mo-Fläche des Isolationskanals der P3G-Proben
Mo/CIGS CIGS CIGS Mo/CIGS Mo/CIGS
Freigelegte Mo-Fläche des Isolationskanals der P3F-Proben
Mo Mo Mo/CIGS Mo Mo
Repetitionsrate
f = 10 kHz f = 50 kHz f = 100 kHz f = 200 kHz f = 400 kHz
Zeit zwischen zwei Pulsen
t = 100 µs t = 25 µs t = 10 µs t = 5 µs t = 2.5 µs
Kanalbreite aller Proben bei 10 kHz Repetitionsrate ≈ 52 µm,
Laserparameter: Pulsenergie = 6 µJ, Pulsüberlapp = 98 %, Pulsabstand = 0.4 µm
Abb. 4N: Mikroskop-Aufnahmen des Linienabtrags auf P2G, P3G und P3F-Proben. Einfluss der Repetitionsrate auf
Abtrag und Spurbreite beim Abtrag auf den P2G-,P3G- und P3F-Proben mit THK-50 im hurrySCAN®-System
Aufgrund der besseren mechanischen Beständigkeit des Glassubstrats im Vergleich zu den Folien kann
Letzteres die durch die hohe Repetitionsrate resultierenden Spannungen bzw. Schockwellen besser
absorbieren (siehe Kapitel 3.2). In Tabelle 4C sind die Laserparameter verschiedener

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 32
Strukturierungsprozesse in den jeweils verwendeten Systemen zusammengefasst. Vergleicht man die
Ergebnisse miteinander, zeigt sich unter dem Mikroskop und in der REM-EDX-Analyse, dass ein
präziser und selektiver Abtragskanal auf der P3F-Probe nur bei einer relativ niedriger Repetitionsrate
10 kHz mit großem Überlapp = 98% hergestellt werden kann, siehe Abb. 4O.
Abb. 4O: REM-EDX-Aufnahmen zur Elementverteilung der P3F-Probe nach der Pikosekunden-Laserbearbeitung bei 10
kHz und 20 mm/s. Die Prozessparameter wurden so gewählt, dass der Abtrag der ZnO/ITO-Schicht und der CIGS-Schicht
bis zur Mo-Schicht erfolgte.
Auf den Glasproben (P2G, P3G) mit dem THK im hurrySCAN ® -System können aber auch noch bei
hohen Repetitionsraten bis zu 400 kHz saubere Kanäle erzeugt werden, wenn man eine hohe
Verfahrgeschwindigkeit mit einer ausreichenden Zyklenanzahl kombiniert. Dies deutet darauf hin, dass
die Prozesseffizienz mit dem THK-50 in Kombination mit dem hurrySCAN ® geeigneter ist, als die der
Einsatz des THK-30 mit dem Nanomotion-System.
Die Untersuchungsergebnisse bestätigen, dass der Abtrag bei den verwendeten Parametern, im
Hinblick auf hohe Prozesseffizienz auf Glasproben eher durchführbar ist als auf Folienproben.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 33
P3-Prozess bis zur CIGS-Schicht
der P3F-Probe
P3-Prozess bis zur Mo-Schicht
der P3F-Probe
P4-Prozess bis zur Mo-Schicht
der P3F-Probe
P2-Prozess bis zur Mo-Schicht
der P2G-Probe
P3-Prozess bis zur CIGS-Schicht
der P3G-Probe
P3-Prozess bis zur Mo-Schicht
der P3G-Probe
P3-Prozess bis zur CIGS-Schicht
der P3F-Probe
P3-Prozess bis zur Mo-Schicht
der P3F-Probe
Strukturierungsprozess im Nanomotion-System mit THK-30
f = 50 kHz, E = 2 µJ, v = 100 mm/s,
N = 1, PA = 2 µm, veff = 100 mm/s
f = 20 kHz, e = 6 µJ, v = 16 mm/s,
N = 1, PA = 0.8µm, veff = 16 mm/s
f = 100 kHz, e = 6 µJ, v = 40 mm/s,
N = 1, PA = 0.4 µm, veff = 40 mm/s
Der Mittelwert der Kanalbreite mit THK-30 ca. 30 µm
Strukturierungsprozess im hurrySCAN®-System mit THK-50
f = 400 kHz, E = 3.7 µJ, v = 810 mm/s,
N = 3, PA = 2 µm, veff = 270 mm/s
f = 400 kHz, E = 3 µJ, v = 3240 mm/s,
N = 2, PA = 8.1µm, veff = 1620 mm/s
f = 400 kHz, E = 3.7 µJ, v = 810 mm/s,
N = 3, PA = 2 µm, veff = 270 mm/s
f = 400 kHz, E = 5 µJ, v = 3240 mm/s,
N = 2, PA = 8 µm, veff = 1620 mm/s
f = 10 kHz, E = 6 µJ, v = 16 mm/s,
N = 1, PA = 1,6 µm, veff = 16 mm/s
Der Mittelwert der Kanalbreite mit THK-50 liegt bei ca. 52 µm
Tabelle 4C: Zusammenfassung der Ergebnisse des Strukturierungsprozesses mit THK

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 34
4.7 Zusammenfassung der Voruntersuchung
Die Untersuchungen zu dem Einfluss der unterschiedlichen Prozessparameter beim Einsatz von 7 ps
Laserpulsen bei 532 nm lassen sich für die Herstellung von Isolationskanäle mit einer Breite von 30 bis
50 µm (Prozess P2 und P3) wie folgt zusammen fassen:
• Die Laserenergie pro Puls (bzw. die Energieflussdichte) sollte einen Grenzwert von 8 µJ nicht
überschreiten. Zur Optimierung der Bearbeitungsqualität und Reproduzierbarkeit wird ein
Bearbeitungsintervall von 3 bis 5 µJ empfohlen (entspricht ca. 200 mJ/cm 2 bei 50x50 µm2)
• Der empfohlene Laserpulsenergiebereich liefert einen CIGS Abtrag von ca. 30 bis 40 nm pro
Laserpuls, d.h. bei einer CIGS-Schichtdicke von 2 µm werden entlang der Isolationskante
durchschnittlich ca. 50 Laserpulse benötigt. Eine höhere Abtragsrate (bei z.B. größerer Pulsenergie)
führt zu einer zu starken Schwächung bzw. lokalen Zerstörung der darunter liegenden Mo-Schicht.
• Eine stärkere Mo-Schicht, z.B. 1,0 statt 0,5 µm Schichtdicke, unterstützt die notwendige Selektivität
beim CIGS Abtrag bzw. zur Absicherung des P2 Prozesses (und ggf. P3 Prozess, falls dieser bis
zur Mo-Schicht gewünscht wird).
• Das Abtragsverhalten der CIGS-Schicht ändert sich signifikant mit zunehmender Laser
Wiederholrate, auch bei einer Einhaltung des räumlichen Puls-zu-Puls Abstands (Anpassung der
Verfahrgeschwindigkeit). Die Materialreaktion zeigt große Unterschiede bei einem zeitlichen
Pulsabstand von 0,5 ms (10 kHz) oder 0,05 ms (100 kHz). Ein präziser CIGS Abtrag wird bei
höheren Wiederholraten aufgrund der zunehmenden Tendenz einer Schichtverschmelzung
erschwert. Somit ist bei höheren Wiederholraten, z.B. 400 kHz, ein deutlich größerer Puls-zu-Puls-
Abstand notwendig, der mehrere Durchläufe bzw. Anzahl von Zyklen für einen vollständigen
Schichtabtrag mit sich bringt.
• 50 MHz Pulszüge (20 ns Pulsabstand) eignen sich nicht für einen kontrollierten bzw. selektiven
Schichtabtrag von CIGS. Ein geeignetes Prozessfenster für P2 (oder P3 bis zum Mo) konnte nicht
identifiziert werden.
• Die Vor- und Nachteile eines optischen Scannersystems mit Top-Hat Profil gegenüber einer
konventionellen Gauß Scanneroptik sind: die Ränder des Isolationskanals sind bei moderater
Pulsenergie (< 5 µJ) besser definiert, die Mo-Schicht wird gleichmäßiger „belastet“, der
Justageaufwand ist höher aufgrund der erforderlichen genauen Positionierung der Optiken relativ
zum Werkstück, der Wärmeeintrag an den Rändern nimmt bei höherer Pulsenergie (> 5 µJ) stärker
zu.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 35
5. Plasma-Emissionsspektren
Das beim Abtrag der Dünnschichtproben entstehende Plasma kann zur Online-Kontrolle des
Abtragsprozess genutzt werden. Zur Überprüfung dieser Möglichkeit wurden Abtraguntersuchungen mit
den Dünnschichtproben (Mo-, P2G- und P3G-Probe) am Nanomotion-System durchgeführt
(Versuchsaufbau siehe Abb. 3G). Jede Einzelprobe wird mit Mehrfachzyklen abgetragen. In Abb. 5A
sind die Spektren-Diagramme der Molybdän-Probe jeweils während des 1., 3., 6. und 9. Zyklus
zusammengestellt. In den Spektren ist eindeutig zu erkennen, dass bei einem einfachen Zyklus nur die
Mo-Emissionslinien mit schwacher Intensität zu sehen sind. Im 3. Zyklus treten die Mo-Emissionslinien
mit stärkster Intensität auf. Beim fortgesetzten Abtrag der Mo-Schicht bis zum Glassubstrat der Probe
bei Zyklenzahl 9 sind keine Mo-Emissionslinien mehr zu registrieren.
Abb. 5A: Plasma-Spektren während des Laserabtrages einer CIGS-Schicht, gemessen im jeweiligen Zyklus, sowie
Mikroskop-Aufnahmen der dazugehörigen Kanäle Emissionslinien beim Laserabtrag der Mo-Probe mit THK-50 und
Scannersystem unter Variation der Zyklenanzahl von 1x bis 12x. Laser Parameter: 532 nm und 7 ps, Repetitionsrate = 10
kHz, Pulsenergie = 3 µJ. Repetitionsrate = 10 kHz, Pulsenergie = 3 µJ
Die Ergebnisse in diesem Versuch zeigen, dass das Plasma-Spektrum für die Online-Kontrolle des P1-
Prozesses als Referenz verwendet werden kann.
Der in Kap. 3 beschriebene Aufbau für die spektroskopischen Analysen wurde parallel zu den in Kap. 4
beschriebenen Abtragsuntersuchungen durchgeführt. Während des Laserabtrages das entstehende
Plasma im Materialabtrag registriert. Die Umsetzungsstrategie, die Isolationskanäle (P2 und P3) in
einem Durchgang auszuführen, induziert ein Plasma, bei dem sowohl die Indium- als auch die Mo-
Emissionslinien im Plasmaspektrum beobachtet werden. Eine Aussage über den Zeitpunkt, wann die

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 36
CIGS-Schicht vollständig entfernt ist und ein (unerwünschter) signifikanter Molybdänabtrag einsetzt ist
möglich, wenn der Abtrag durch mehrere Durchläufe des Laserstrahles realisiert und bei jedem
Durchlauf das Plasmaspektrum beobachtet wird.
Bei moderater Pulsenergie und geringem Puls-zu-Puls-Überlappung tauchen beim CIGS-Abtrag starke
In-Linien im Spektrum auf. Je weiter der CIGS-Abtrag voranschreitet, desto schwächer werden die In-
Linien und Mo-Linien. Zudem dominiert im Spektrum mit fortschreitendem Abtrag immer mehr der
Untergrund. Für diese Untersuchung eignet sich die Konzentration auf ein Beobachtungsfenster von
380 bis 460 nm.
In Abb. 5B sind die Spektren der P3G-Probe jeweils während des 1., 4., 6. und 12. Zyklus zusammengefasst.
Vergleicht man hier das Diagramm des 1. Zyklus mit dem in Abb. 5A, fällt auf, dass bei der
P3G-Probe bereits beim ersten Teilabtrag zwei eindeutige Indium-Emissionslinien zu erkennen sind,
obwohl noch ZnO bzw. auch ITO auf dem CIGS aufliegt. Zinn oder Zink Linien sind jedoch auch bei
höherer Zyklenanzahl nicht erkennbar. Stattdessen nimmt die Intensität der Indium-Linien zu und im
Untergrundsignal werden nach 4x Durchlauf sogar die ersten Mo-Linien sichtbar.
Dieses Ergebnis ist ein Indiz dafür, dass der Laserstrahl durch erste Halbleiterschicht TCO (ZnO/ITO)
dringt und direkt in die darunter liegende CIGS-Schicht einkoppelt. Optische Untersuchungen der
Kanäle legten nahe, dass die transparente Halbleiterschicht TCO abplatzt und nicht verdampft wird, was
durch das Fehlen von Linien im Plasma-Spektrum bestätigt wird. Aufgrund des hohen prozentualen
Anteils an Indium in der CIGS-Schicht ergeben sich die beiden In-Emissionslinien mit starker Intensität.
Abb. 5B: Plasma-Spektren während des Laserabtrages einer CIGS-Schicht, gemessen im angebenden Zyklus, sowie
Mikroskop-Aufnahmen der dazugehörigen Kanäle. Emissionslinien beim Laserabtrag der P3G-Probe mit THK-50 und
Scannersystem unter Variation der Zyklenanzahl von 1x bis 12x. Laser Parameter: 532 nm und 7 ps, Repetitionsrate = 10
kHz, Pulsenergie = 3 µJ

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 37
Im Spektrum des 4. Zyklus und der entsprechenden Mikroskop-Aufnahme des abgetragenen Kanals ist
gut zu erkennen, dass noch Reste der CIGS-Schicht im Kanalbereich über der gelbfarbigen Mo-Schicht
verbleiben. Im Gegensatz dazu zeigt die Mikroskop-Aufnahme des abgetragenen Kanals im 6. Zyklus
einen sauberen Abtrag bis zur Mo-Schicht der P3G-Probe. Jedoch werden trotz der freigelegten CIGS-
Schicht noch In-Emissionslinien im Diagramm detektiert. Hierbei handelt es sich vermutlich um Abtrag
im Randbereich des Kanals. Im Vergleich zum Spektrum im 4. Zyklus weist das Spektrum im 6. Zyklus
aber eindeutige Molybdän-Emissionslinien mit deutlich höherer Intensität auf. Beim 12. Zyklus sind
keine eindeutigen Emissionslinien im Spektrum zu identifizieren. Man erkennt aus der Mikroskop
Analyse, dass die Schichten nun komplett bis zum darunterliegenden Glassubstrat abgetragen wurden.
Wie bereits in Kapitel 3.2 erwähnt, unterscheidet sich die P2G- von der P3G-Probe nur im Fehlen der
ZnO-Schicht. Mit identischen Abtrags- und Laserparametern wird die gleiche Untersuchung mit der
P2G-Probe am Nanomotion-System durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Abb. 5C zusammengestellt.
Im Vergleich zu den Ergebnissen mit der P3G-Probe in Abb. 5B weist die P2G-Probe beim Abtrag sehr
ähnliche Ergebnisse auf. Die In-Emissionslinien wirken im identischen Zyklus 4X (Abb. 5B)
ausgeprägter, da aufgrund der fehlenden ZnO-Schicht der P2G-Probe die Abtragseffizienz verbessert
ist.
Abb. 5C: Plasma-Spektren während des Abtrages einer CIGS-Schicht, gemessen in jeweiligem Zyklus, sowie Mikroskop-
Aufnahmen der dazugehörigen Kanäle. Emissionslinien beim Laserabtrag der P2G-Probe mit THK-50 und Scannersystem
unter Variation der Zyklenanzahl von 1x bis 12x. Laser Parameter: 532 nm und 7 ps, Repetitionsrate = 10 kHz,
Pulsenergie = 3 µJ
Anhand der Spektren der Versuche konnte gezeigt werden, dass die Ergebnisse für eine Online-
Kontrolle des P2-Prozesses verwendet werden können. Auch eine Kontrolle des P3-Prozesses mittels
Plasmaspektroskopie ist möglich, wenn der Abtrag bis zur Mo-Schicht gefordert wird. Allerdings ist im
P3-Prozess ein Abtrag der transparenten Halbleiterschicht nur bis zur CIGS-Schicht prinzipiell

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 38
ausreichend. Beim Einsatz von Pikosekunden-Laserpulsen bei 532 nm konnten jedoch keine Zinn- oder
Zink-Emissionslinien für eine online Kontrolle identifiziert werden. Diese Situation könnte sich aber bei
einer anderen Laserwellenlänge (355 oder 1064 nm) ändern, da dann eine direkte Einkopplung der
Laserenergie in die (und eine Verdampfung) der TCO Schicht eher wahrscheinlich.
Zur Evaluierung der Plasmaemission wurde in diesem Vorhaben die Korrelationsmethode
angewendet. Diese Methode ist ein statistisches Messverfahren. Sie misst den Grad der Ähnlichkeit
zwischen einer Messreihe im Versuch und einer Referenz [16] und lässt sich durch die folgende Formel
berechnen.
(5.1)
Der Korrelationskoeffizient r zeigt das Signal des ermittelten Elementes, wobei Xi und Yi die Werte der
Plasmaintensität in jeder Wellenlänge bei Referenz und Messwert sind. X und Y sind die dazugehörigen
Mittelwerte [16]. In Abb. 5D sind die Korrelationskurven jeweils mit CIGS- und Mo-Referenz
aufgetragen.
Abb. 5D: Die Korrelationskurven zwischen Referenzen und Emissionslinien in dem Abtragsprozess der P3G-Probe
Laserparameter: Repetitionsrate = 10 kHz, Pulsenergie = 3 µJ, Verfahrgeschwindigkeit v = 20 mm/s
Die Parameter in diesen Versuch sind: 532 nm Wellenlänge, Repetitionsrate = 10 kHz und Pulsenergie
von 3 µJ. Der Abtrag erfolgte mit 1 bis 12 Zyklen. Wie in Abb. 5D zu erkennen ist, steigt zunächst die
Korrelationseffizient von CIGS leicht bis zu einem Maximum im 3. Zyklus an, dann sinkt dieser Wert
wieder während der Korrelationskoeffizient von Mo bis zum 6. Zyklus ansteigt und kaum bis zum 11.
Zyklus absinkt.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 39
In den mikroskopischen Aufnahmen unter dem Diagramm ist zu sehen, dass beim Maximum des
Korrelationskoeffizienten für CIGS im 3. Zyklus die CIGS-Schicht noch nicht komplett abgetragen
wurde. Erst wenn der Korrelationskoeffizient für CIGS wieder abnimmt, also das Spektrum sich von der
Referenz immer stärker unterscheidet, nähert man sich dem gewünschten P2-Prozessergebnis. In
diesem Fall scheint der Punkt erreicht zu sein, wo der Korrelationskoeffizient von Mo sein Maximum
erreicht hat, denn ab dem 6. Zyklus wirkt die Mo-Schicht in der Mikroskop Analyse sauber von der
darüber liegenden CIGS-Schicht freigelegt. Daher kann dieses Spektrum bei dieser Zyklenanzahl als
Referenz für die Online-Kontrolle der P3G-Probe im P3-Prozess verwendet werden.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 40
6. Abtragsprodukte
Ziel dieser Versuchsreihen ist eine erste Aussage über die Verteilung und Charakter der
Abtragsprodukte. Der Versuchsaufbau ist in Abb. 3H dargestellt. Um Informationen über die Natur und
Verteilung der Partikel in Abhängigkeit vom Abstand zur Probenoberfläche zu ermitteln, wurde der
Objektträger im entsprechenden Abstand über der Probe (Mo, P3F) positioniert. Da der aufgrund der
Laser-Material-Wechselwirkung mit ultrakurzen Pulsen verursachte explosionsartige Materialaustrieb
nur im Bereich des gezündeten Plasmas im Bereich unterhalb eines Millimeters liegt, wurde der
Objektträger nah über der Probenoberfläche in drei verschiedenen Abständen positioniert. Die
Untersuchung zur Verteilung von Abtragsprodukten erfolgten durch drei Abtragsversuche jeweils mit
Mo- und P3F-Probe. Die mikroskopischen Aufnahmen der Partikelverteilung der beiden Proben in
Abhängigkeit von dem Objektträgerabstand sind in Abb. 6A zusammengestellt.
50 µm
Abtragsprodukte von Mo-Probe Abtragsprodukte von P3-Folien
50 µm
Abstand H1 = 230 µm, B = 59,3 µm Abstand H1 = 100 µm, B = 67,3 µm
Abstand H2 = 380 µm, B = 75,7 µm Abstand H2 = 190 µm, B = 73,8 µm
Abstand H3 = 480 µm, B = 77,8 µm Abstand H3 = 340 µm, B = 80,9 µm
Laserparameter: Pulsenergie = 8 µJ, Repetitionsrate 10 kHz,
Verfahrgeschwindigkeit = 4 mm/s, Pulsüberlapp = 98 %, Pulsabstand = 0,4 µm
Abb. 6A: Partikelverteilung in Abhängigkeit von dem Objektträgerabstand H zur Probeoberfläche, Vergleich zwischen
der (reinen) Mo-Probe und der Multischicht P3F-Proben
Alle Versuche erfolgten durch Linienabtrag bei 8 µJ Pulsenergie, 10 kHz Repetitionsrate und 98 %
Pulsüberlapp, entsprechend einer Verfahrgeschwindigkeit von 4 mm/s.
Wie bereits im Kapitel 3.1 beschrieben, wrd aufgrund der Laser-Material-Wechselwirkung mittels
Ultrakurzpulslaser an der abgetragenen Stelle ein Plasma erzeugt. Dabei werden die in der Probe
enthaltenen Partikel bzw. Teilchen aus der Probenoberfläche, wegen dem in der Absorberschicht
entstehenden Druck, in Richtung des Laserstrahls herausgeschleudert. Die dabei entstehenden
Abtragsprodukte werden mit Hilfe des eingesetzten Objektträgers aufgefangen. Beim Abtrag mit hohem
Überlapp von 98 % werden die bereits auf dem Objektträger aufgefangenen Abtragsprodukte wieder
durch die nachfolgenden Laserpulse zum großen Teil abgetragen. Infolgedessen entstehen auch
Abtragsspuren auf den Objektträger (Siehe Abb. 6A). Aufgrund der Zunahme des
Laserstrahldurchmessers mit wachsendem Abstand vom Fokus, nimmt auch die Breite der
Abtragsspuren auf den Objektträgern mit wachsendem Abstand zur Probenoberfläche zu. Neben den
Abtragsspuren auf den Objektträgern sind aber ebenfalls Partikel zu sehen. Die Breite der Partikel liegt

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 41
bei ca. 2 bis 7 µm. Die maximale Spurbreite auf dem Objektträger der Mo-Probe wird bei 500 µm
Objektträgerabstand einen Wert von ca. 78 µm gemessen. Weiterhin wurden durch Versuche mit der
Mo-Probe festgestellt, dass bei einem Objektträgerabstand > 500 µm keine erkennbare Abtragsspur
mehr beobachtet wird. Ebenfalls nimmt die Menge beobachtbarer Abtragsprodukte bei einem
Objektträgerabstand > 500 µm stark ab. Zu beachten ist, dass das Mikroskop aufgrund der begrenzten
Auflösung die Abtragsprodukte im Sub-Mikrometerbereich nicht erfassen kann.
Um quantitative Ergebnisse über die Verteilung der Abtragsprodukte zu erhalten, wurde eine EDX-
Analyse durchgeführt. Die Objektträger, die jeweils mit H1 = 230 µm und H3 = 480 µm Abstand über
der Mo-Probe positioniert wurden, sind durch die EDX- Mappingmethode untersucht worden. Die
Ergebnisse werden in Abb. 6B aufgezeigt.
Abstand H1 = 230 µm (Mo) Abstand H3 = 480 µm (Mo)
Abb. 6B: EDX-Mapping der Verteilung der Abtragsprodukte von der Mo-Probe auf den Objektträger.
Laserparameter: 532 nm und 7 ps, Pulsenergie = 8 µJ, Repetitionsrate = 10 kHz, Pulsabstand = 0,4 µm,
Verfahrgeschwindigkeit = 4 mm/s, Pulsüberlapp = 98 %
Links: Partikelverteilung von Molybdän im Abstand H1 = 230 µm.
Rechts: Partikelverteilung von Molybdän im Abstand H3 = 480 µm.
Die Molybdän-Partikel sind in Magenta farbkodiert.
Da es sich im Fall der Mo-Probe um eine einzelne Dünnschicht handelt, kann man anhand der EDX-
Analyse eindeutige Ergebnisse erhalten. Das Element Mo wird durch Magenta im Programm
gekennzeichnet. Das EDX-Mapping auf der linken Seite der Abbildung zeigt den Verteilungszustand der
Abtragspartikel von der Mo-Probe auf dem Objektträger, der auf einer Höhe von 230 µm über der Probe
positioniert war. Auf der rechten Aufnahme ist der Verteilungszustand im Abstand von 480 µm zu
sehen. Anhand der Ergebnisse beider Mappings lässt sich feststellen, dass die abgetragenen Mo-
Partikel statistisch verteilt sind.
Um aussagekräftige Informationen über die chemische Zusammensetzung der in der Untersuchung
verwendeten CIGS-Solarzellenproben zu ermitteln, wurden die aufgefangenen Abtragsprodukte nach
der Laserbearbeitung der P3F-Probe mittels der EDX-Oberflächenanalyse untersucht. In Abb. 6C sind
die Mikroskop-Aufnahme des abgetragenen Kanals (links) und die der über diesem Abtragskanal auf
dem Objektträger aufgefangenen Abtragsprodukte (rechts) dargestellt. Der Objektträger wird im
Abstand von 340 µm über der Probe positioniert. Im vorliegenden Fall wird eine P3F-Probe mit einer
Pulsenergie von 8 µJ bis zur Mo-Schicht abgetragen. Zu beobachten ist, dass beim Abtrag - trotz des
TopHat-Profils (THK-30) - in Kanalmitte eine Rissbildung entsteht. Dies könnte einerseits auf eine
Inhomogenität der jeweiligen Dünnschicht der Probe, andererseits auf ein schräg einjustiertes TopHat-
Profils zurückzuführen sein. In der Mikroskop-Aufnahme zur Verteilung der Abtragsprodukte auf dem
Objektträger sind die goldfarbenen Teilchen über der Abtragsspur zu erkennen. Die genaue chemische

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 42
Zusammensetzung dieser Abtragsprodukte wird anhand der EDX-Mapping-Analyse in Abb. 6F, auf der
folgenden Seite, dargestellt.
Abtragskanal der P3F-Probe Abtragsprodukte der P3F-Probe auf OT
Abb. 6C: Abtragskanal und zugehörige Abtragsprodukte auf dem Objektträger (P3F-Probe)
Laserparameter: Abstrand H = 340 µm, Pulsabstand = 0,4 µm, Verfahrgeschwindigkeit = 4 mm/s, Pulsenergie = 8 µJ
In Abb. 6D sind die EDX-Mappings der einzelnen Elemente sowie ein Mapping mit allen Elementen
addiert wiedergegeben. Jedes chemische Element ist durch eine ihm zugeordnete Farbe dargestellt.
Anhand des in Abb. 6D gezeigten Abtragskanals, sind die Elemente der Probe aus den TCO- (Zn),
(Cd), CIGS- (Cu, In, Ga, Se) und Mo-Schichten als Abtragsprodukte auf dem Objektträger zu finden.
Das Mapping der einzelnen Elemente weist eine statistische Elementverteilung der Abtragsprodukte
auf. In und Mo benetzen praktisch die gesamte Region in der Mapping Analyse, so dass man eine
Beschichtung aus der Dampfphase vermuten kann. Die Elemente Cd, Cu, Ga und Se liegen eher als
Cluster (Nanopartikel?) mehr oder wenige gleichmäßig verteilt auf dem Auffang-Glasträger.
Bemerkenswert ist das Mapping mit dem einzelnen Element Zn aus dem Zinkoxid aus der TCO-Schicht
der Probe. Offensichtlich können die großen „Bruchstücke“ auf dem Auffang-Glasträger der TCO-
Schicht zugeordnet werden, auch wenn diese nachträglich durch die Beschichtung der anderen
Elemente wie Mo oder In überlagert werden. Diese Ergebnis bestätigt die bereits aufgestellte
Vermutung, dass der Abtrag dieser transparenten Habeliterschicht bei dieser Wellenlänge nicht durch
Verdampfung, sondern durch ein den Laser induzierten Abtrag in der darunterliegenden CIGS-Schicht
erfolgt.
Um die nach dem Abtrag der Probe von dem Objektträger aufgefangenen Partikel zu analysieren, wird
eine weitergehende EDX-Spektren-Analyse durchgeführt. Zu beachten ist, dass die chemischen
Elemente in dem Objektträger ebenso durch die Spektren-Analyse ermittelt wurden. Aus diesem Grund
wird zunächst mit einem gereinigten Objektträger eine EDX-Spektren-Analyse durchgeführt. Der
Objektträger gehört zu der Gruppe der Natron-Kalk-Gläser. Um die Energieabweichungen der Elemente
in der Messung zu unterdrücken, wird eine Anregungsenergie von 10 kV verwendet. Tabelle 6A zeigt
die chemische Zusammensetzung der Probe. Die Werte werden in Atom -% eingegeben.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 43
EDX-Mapping (Zn, Cd, Cu, In, Ga, Se, Mo) Zn
Cd Cu
In Ga
Se Mo
Abb. 6D: EDX-Mapping der Abtragsprodukte der P3F-Probe auf einem Objektträger
Laserparameter: Abstand zwischen Probe und Objektträger = 340 µm, Pulsabstand = 0,4 µm, Verfahrgeschwindigkeit =
4 mm/s, Pulsenergie = 8 µJ
Element Si O Na Ca Mg Al K
Atom -% 31,93 50,79 10,78 2,84 2,52 0,69 0,46
Tabelle 6A: Ergebnisse der EDX-Spektren-Analyse des verwendeten Objektträgers

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 44
Das Vorgehen der EDX-Spektren-Analyse an den Objektträgern nach dem Laserabtrag der P3F-Probe
ist in Abb. 6E dargestellt. Um die chemischen Elemente in den Abtragsprodukten der P3F-Probe zu
identifizieren, wurden EDX-Punktmessung durchgeführt. In Abb. 6H sind die drei analysierten Stellen
mit 10.000x Vergrößerung in der REM-Aufnahme zu erkennen. Der Messpunkt P1 liegt auf einem
typischen großen Teilchen und wird durch rote Farbe hervorgehoben. Der blau markierte Messpunkt P2
liegt auf einem relativ kleinen Partikel und der Messpunkt P3 liegt auf der Oberfläche des Objektträgers.
Die Ergebnisse der EDX-Punktmessungen sind jeweils in Abb. 6F-H dargestellt.
Abb. 6E: EDX-Punktmessung an drei Punkten auf dem Objektträger
Abb. 6F: EDX-Spektren des Messpunktes P1 (Rot) in Abb. 6G. Abstand H3 = 340 µm, Objektträger über der P3F-Probe.
Chemische Elemente der Abtragsprodukte aus der P3F-Probe: Zn, O, In, Se, Mo

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 45
Abb. 6G: EDX-Spektren des Messpunktes P2 (Blau) in Abb. 6G. Abstand H3 = 340 µm, Objektträger über der P3F-
Probe. Chemische Elemente der Abtragsprodukte aus der P3F-Probe: Zn, O, Cu, In, Se, Mo
Abb. 6H: EDX-Spektren des Messpunktes P3 (Grün) in Abb. 6G. Abstand H3 = 340 µm, Objektträger über der P3F-
Probe. Chemische Elemente der Abtragsprodukte aus der P3F-Probe: Zn, O, Cu, In, Se, Mo
Chemische Elemente der Abtragsprodukte im jeweiligen Messpunkt der P3F-Probe
Messpunkt P1 Zn, O, In, Se, Mo
Messpunkt P2 Zn, O, Cd, In, Se, Mo
Messpunkt P3 Zn, O, Cu, In, Se, Mo
Chemische Elemente aus Objektträger bzw. Beschichtungsmaterial
Messpunkt Allg. Si, O, Na, Mg, C
Tabelle 6B: Ergebnisse der EDX-Spektren aus den Messpunkten in Abb. 6H
Die ermittelten chemischen Zusammensetzungen der Abtragsprodukte aus den jeweiligen Messpunkten
sind in Tabelle 6B zusammengefasst. Da die Probe bei der EDX- Messung leitfähig sein muss, wurde
sie vor der Messung für kurze Zeit im Vakuum mit Kohlenstoff (C) bedampft. Daher ist das Element C in
allen Messpunkten zu finden.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 46
Die Ergebnisse der EDX-Spektren zeigen, dass das Element Zn nicht nur auf den größten Teilchen zu
finden ist, sondern auch auf der Grundfläche des Objektträgers. Ursache hierfür ist eine wenige
Nanometer dicke i-ZnO Pulverschicht, die in der P3F-Probe zwischen CIGS und ZnO zu finden ist.
Die Menge an Klein- und Kleinstpartikeln zeigt, dass eine Maßnahme wie zum Beispiel der Einsatz
einer Absaugvorrichtung zum Schutz vor gesundheitsschädlichen Stoffen während des
Abtragsprozesses notwendig ist.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 47
7. Industrielle Umsetzungsstrategie
7.1 Herstellung und Validierung von Isolationskanälen
Im Abschnitt 4.7 sind die wichtigsten Erkenntnisse aus den Voruntersuchungen zur Variation der
Prozessparameter zusammen gefasst. Mit neuen Proben P2G und P3G der Firma Soltecture wurden
zur Herstellung der Isolationskanäle das THK50 (Fa. LIMO) mit dem speziell hierfür abgestimmten
Scannersystem (Scanlab) eingesetzt. Im Prinzip wurde der Aufbau aus den Voruntersuchungen wieder
in Betrieb genommen und die Untersuchung zur Umsetzungsstrategie konzentrierten sich bei dem
Einsatz der grünen Pikosekunden-Laserpulse auf folgendes Parameterfenster: Pulsenergie zwischen 3
und 5 µJ, Wiederholrate 200 und 400 kHz, Scannergeschwindigkeit von 0,5 bis 5 m/s, Zyklenanzahl
von 1 bis 10.
Die Mikroskop-Aufnahmen in Abb. 7A repräsentieren einige typische Ergebnisse der nach dem
Verfahren des direkten Laserabtrags hergestellten Isolationskanäle für die Dünnschicht-Proben auf
einem Glasträger bei einer Laser Wiederholrate von 400 kHz. Bei dem P3-Prozess – Isolationskanal in
der transparenten Halbleiterschicht - ist zu unterscheiden zwischen dem Abtrag bis zum CIGS bzw.
hinunter bis zur Mo-Schicht, beide Umsetzungsvarianten sind für die Herstellung der Dünnschicht-
Solarmodule interessant.
Abb: 7A: Mikroskop-Aufnahmen der Isolationskanäle von P2 und P3 an den P2G und P3G Proben nach der
Laserbearbeitung bei 532 nm und 7 ps
In der Abb. 7A oben, P2-Prozess an der P2G Probe, ist ein präziser Abtrag der CIGS-Schicht bis zur
Mo-Schicht erkennbar. Dieses Ergebnis ist bei konstantem Arbeitsabstand zwischen Optik und
Werkstück reproduzierbar. Allerdings sind einzelne „CIGS-Inseln“ in dem Isolationskanal identifizierbar,
die vermutlich ihren Ursprung einer Vorprägung bzw. Inhomogenität bei der Herstellung dieser

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 48
Halbleiterschichten besitzen. Die CIGS-Schicht zeigt außerdem einen modifizierten Randbereich von
ca. 10 µm auf jeder Seite des Isolationskanals, trotz der Bearbeitung mit 3 Zyklen bei einer reduzierten
Puls-zu-Puls-Überlappung. Die Wärmeeinflusszone an den Rändern des Kanals konnte auch mit Top-
Hat Profil beim direkten Abtrag mit Pikosekunden-Laserpulsen bei 532 nm nicht deutlich unter 10 µm
reduziert werden. Gleiches gilt auch für die Bearbeitungsergebnisse des P3 Prozess an der P3G-Probe.
Die Prozessparameter und das Bearbeitungsergebnis für den P3 Prozess für die Option „Abtrag bis zur
Mo-Schicht“ sind vergleichbar mit dem P2-Prozess, auch wenn etwas mehr Pulsenergie eingesetzt
wurde. Der P3-Prozess nur bis auf die CIGS-Schicht ist effektiver, denn hier können die
Isolationskanäle mit geringerer Laser Pulsenergie und deutlich höherer Geschwindigkeit generiert
werden.
Hell- und Dunkelstrommessungen mit Unterstützung der Fa. Soltecture wurden durchgeführt, um die mit
der Pikosekunden-Lasertechnologie bei 532 nm erzeugten Isolationskanäle hinsichtlich der Strom-
Spannungs-Kenndaten zu charakterisieren und mit den Daten aus der kommerziell zu Fertigung
verwendeten Nadelritzung zu vergleichen. Die Diagramme in Abb. 7B dokumentieren das Ergebnis
exemplarisch an den P3G-Proben Nr. 5-14 und 10-15 für den P3-Prozess bis zur CIGS-Schicht (siehe
Abb. 7A unten links).
Strom in A
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
-0.02
-0.04
-0.06
Probe 5-14
Probe 5-14 Hell-Dunkelkennlinien
Dunkelkennlinie
Hellkennlinie
-1 0 1 2 3 4
Spannung in V
Strom in A
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
-0.02
-0.04
-0.06
Probe 10-15
Probe 10-15 Hell-Dunkelkennlinien
Dunkelkennlinie
Hellkennlinie
-1 0 1 2 3 4
Spannung in V
Abb: 7B: Strom-Spannungskennlinien aus den Hell- und Dunkelstrommessungen von Isolationskanälen (P3 Prozess bis
zum CIGS) in einer Auswahl bearbeiteter P3G Proben
Die aus den Hell- und Dunkelstrommessungen ermittelten Strom-Spannungs-Kenndaten, z.B. der
Füllfaktor, sind für den P3-Prozess bis CIGS und bis hinunter zum Mo an je zwei Beispielproben
zusammen gestellt. Die Kenndaten für die P3G-Proben Nr. 5-14 und 10-15 können im Vergleich zur
konventionellen Bearbeitung als sehr geeignet bewertet werden, denn die Füllfaktoren liegen im Bereich
über 67% für den P3-Prozess bis CIGS. Das reproduzierbar gute Bearbeitungsergebnis ist zunächst
eine Überraschung, denn auf Grundlage der Vorabbewertung mittels optischer Mikroskopie und REM
war das nicht unbedingt erwartet worden. Die Ränder der Isolationskanten von der transparenten
Halbleiterschicht sehen recht zerfranst aus. Im Gegensatz hierzu stehen die Kenndaten im P3-Prozess
für einen selektiven Abtrag bis zur Mo-Schicht (P3G Proben 4-14 und 7-15): die Ergebnisse sind kaum
reproduzierbar und auch die Füllfaktoren erreichen nicht das erforderliche Niveau. Ähnliches wird für
den P2-Prozess beobachtet, bei dem die CIGS-Schicht in jedem Fall bis zur Mo-Schicht abgetragen
werden muss. Eine Korrelation zwischen den Strom-Spannungs-Kenndaten beim CIGS-Abtrag (mit
Pikosekunden-Laserpulsen bei 532 nm) und einer subjektiven Vorabbewertung aus der
Oberflächenanalyse mittels optischer Mikroskopie oder REM konnte nicht festgestellt werden, d.h. eine
„auf den ersten Blick“ gutes Bearbeitungsergebnis lieferte teilweise sehr schlechte Füllfaktoren.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 49
P3 bis CIGS P3 bis Mo
Probe_5-14 Probe 10-15 Probe 4-14 Probe 7-15
Leerlaufsp. Modul Voc [V] 3,021 3,040 2,630 2,988
Leerlaufsp. Zelle Voc [mV] 604,2 608,0 525,9 597,5
Kurzschlussstrom Isc [A] 5,53E-02 5,20E-02 4,28E-02 5,08E-02
max. Leistung Pmpp [W] 1,12E-01 1,08E-01 3,26E-02 8,66E-02
Füllfaktor FF [%] 67,24 68,35 28,99 57,04
Tabelle 7A: Strom-Spannungs-Kenndaten von ausgewählten Proben nach der Laser Herstellung von Isolationskanten
7.2 Interpretation und Ausblick
Die Abb. 2A (a) in Kap. 2 beschreibt den in diesem Vorhaben verfolgten Lösungsansatz für einen Laser
induzierten, selektiven Abtrag dünner Funktionsschichten am Beispiel einer ca. 1,8 µm starken CIS-
bzw. CIGS-Schicht auf der ca. 0,5 bis 1,0 µm Molybdän-Kontaktschicht. Grundsätzlich wurde im
Vorhaben der Ansatz verfolgt, die obere CIGS-Schicht (P2 Prozess) bzw. ITO/ZnO-Schicht (P3
Prozess) möglichst schonend und präzise bis zur unteren Kontakt-Schicht (Mo) abzutragen. Um die
Selektivität zur Gewährleisten, wurde die Einzelpulsenergie der Pikosekunden-Laserpulse bei 532 nm
so eingestellt, dass die Abtragsraten pro Laserpulse bei ca. 40 nm liegen. Zudem wurde der Puls-zu-
Puls-Überlapp so gewählt, dass die thermische Belastung möglichst minimiert ist. Auf der Grundlage
der Analysen mittels optischen Mikroskop und REM/EDX konnte so ein Parameterfeld identifiziert
werden, bei dem über diesen Ansatz ein selektiver Abtrag von CIGS auf der Mo-Schicht tatsächlich
umsetzbar erscheint. Allerdings belegen die Hell- und Dunkelfeldmessungen, dass ein Pikosekunden-
Laserabtrag von CIGS bei einer Wellenlänge von 532 nm (also für den P2-Prozess) keine
reproduzierbaren Ergebnisse liefert. Ein „stufenweiser“ Abtrag der CIGS-Schicht, wie in Abb. 7C (oben
links) skizziert, ist somit eher ungeeignet, um die Nadelritzung zu ersetzen.
Überraschenderweise zeigten dagegen die Hell- und Dunkelfeldmessungen für die Isolationskanäle in
der ITO- bzw. ZnO-Schicht (P3 Prozess) unter Einsatz der grünen Pikosekunden-Laserpulse erstaunlich
gute und reproduzierbare Ergebnisse. Allerdings nur für den Fall, bei dem der Abtrag auf die
transparente Halbleiterschicht limitiert bleibt und die darunter liegende CIGS-Schicht auf der Mo-Schicht
verbleibt. Wenn im P3-Prozess durch die Pikosekunden-Laserstrahlung bei 532 nm der Abtrag bis zur
Mo-Schicht fortgesetzt wird, sind die Ergebnisse für die Modulherstellung (im Vergleich zur
Nadelritzung) wieder weniger brauchbar.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 50
Abb. 7C: Einfluss der Wellenlänge auf den P2-Prozess: Abtrag von CIGS auf Mo: Ultrakurze Laserpulse mit 532 nm
werden an der Oberfläche der CIGS-Schicht absorbiert und erzeugen dort Materialabtrag. Bei 1064 nm Wellenlänge findet
starke Absorption erst an der Oberfläche der Molybden-Schicht statt. Dadurch entsteht eine Gasblase, die zur Aufwölbung
und Abplatzung der CIGS-Schicht führt
Das Ergebnis dieses Vorhabens zu den Plasma-Untersuchungen (Kap. 5) und der Abtragsprodukte
(Kap. 6) zeigt auf, dass sich der Materialabtrag zwischen CIGS (P2-Prozess) und der transparenten
Halbleiterschichten ITO bzw. ZnO deutlich unterscheidet. Ein Plasma aus der ITO bzw. ZnO-Schicht
konnte im Gegensatz zum CIGS (Indium-Linien) nicht registriert werden. Auch die Bruchstücke der ITO
bzw. ZnO-Schicht bei den aufgefangen Abtragsprodukte unterstreichen die Vermutung, dass die
transparenten Halbleiterschichten mit den grünen Pikosekunden-Laserpulsen nach einer „anderen
Methode“ von der CIGS-Schicht entfernt wurden, als das CIGS von der Mo-Schicht. Kürzlich
veröffentlichte Ergebnisse zum selektiven Laserabtrag von ähnlichen Funktionsschichten [17-22]
unterstützen die folgende Interpretationsrichtung.
Bei der Wellenlänge von 532 nm ist die Transmission der ITO bzw. ZnO-Schicht deutlich größer, d.h.
die Pikosekunden-Laserpulse werden eher an der Grenzschicht zur CIGS absorbiert, wie dies in der
Abb. 7D (oben links) skizziert ist. Ein Wärmeeintrag erfolgt jetzt an einer Grenzschicht zwischen der
transparenten Halbleiterschicht und dem CIGS. Material wird verdampft, kann aber zunächst nicht
entweichen. Das verdampfte Material ist praktisch eingeschlossen und es bildet sich eine Gasblase aus,
bei der sich nun die obere dünne Schicht aufwölbt. Ist der Druck dieser Gasblase groß genug, platzt die
obere Schicht regelrecht explosionsartig auf und die Bruchstücke dieser aufgeplatzten Schicht
entfernen sich von der Probe. Die Bruchstücke selbst liefern kein Plasmasignal und der Randbereich
der so hergestellten Isolationskante erscheint unregelmäßig und zerfranst, im Vergleich zum „direkten“
Abtrag der CIGS-Schicht im P2-Prozess bei 532 nm. Trotz der auf dem ersten Blick schlechteren
Präzision der Isolationskanten, da es ja eher um einen eruptionsartigen Mikroabtrag handelt, liefert
dieser Ansatz die wesentliche Grundlage für eine zukünftige industrielle Umsetzung der
Pikosekunden-Lasertechnologie bei 532 nm. Hauptgrund hierfür ist die Minimierung einer
Wärmeeinflusszone im Isolationskanal, da der Wärmeeintrag eher an der unteren Schicht erfolgt ist.
Das „Abreisen“ der Schicht ähnelt den Ergebnissen der kommerziellen Nadelrítzung, allerdings mit einer
im direkten Vergleich deutlich verbesserten Präzision. Dieser Prozess erscheint auch deutlich
effizienter, als bei dem „direkten“ Materialabtrag, wo das gesamte in Frage stehende Volumen

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 51
verdampft werden muss. Für das „Abreißen“ und „Abheben“ des geforderten Materialvolumens ist
weniger Laserenergie erforderlich, wie dies aus anderen Anwendungen bereits erkannt wird [19-21].
Abb. 7D: Einfluss der Wellenlänge auf den P3-Prozess: Abtrag von ZnO von CIGS, bzw. Abtrag von ZnO und CIGS von
Mo: Mit einer Wellenlänge von 1064 nm kann ein scharf begrenzter Kanal erzeugt werden
Kürzlich bekannte gewordene Ergebnisse zeigen auf, dass die Herstellung von Isolationskanälen in der
CIGS-Schicht bei der Wellenlänge von 1064 nm eher geeignet ist [19,20]. Das erscheint auf den ersten
Blick überraschend, denn CIGS absorbiert im IR das Licht schlechter als bei 532 nm, siehe auch Skizze
in Abb. 7C. Die Erklärung ist aber hier analog wie oben für den P3-Prozess: der Wärmeeintrag erfolgt
nun bei 1064 nm an der Grenzfläche zu der darunter liegenden Mo-Schicht. Die entstehende
Gasblase drückt die CIGS-Schicht explosionsartig von der Mo-Schicht weg. Obwohl nun auch hier die
Isolationsränder unregelmäßig und zerfranst erscheinen, ist der Einfluss einer Wärmeeinflusszone
anscheinend geringer, als bei dem Lösungsansatz des „direkten“ Laserabtrags.
Neben der richtigen Wahl der Wellenlänge, um bevorzugt die Laserenergie in die darunter liegende
Grenzschicht einkoppeln zu können, ist die ursprüngliche Eingrenzung der Pulsdauer auf wenige
Pikosekunden bei dieser Abtragsmethode weniger eindeutig. In [20] wird ein erfolgreicher
Lösungsansatz für den P2-Prozess bei CIGS unter Einsatz eines Faserlasers beschrieben, der bei einer
Wellenlänge von 1064 nm und einer relativ langen Pulsdauer von ca. 1,5 ns arbeitet. In anderen
Studien wird dagegen bei diesem Ansatz des eruptiven Abtrags der Vorteil der ultrakurzen
Pikosekunden-Laserpulse hervorgehoben [21].
Eine erfolgreiche Umsetzung des P3-Prozesses, also die Herstellung eines Isolationskanals in der
transparenten Halbleiterschicht ITO- bzw. ZnO ist bisher nur für Pikosekunden-Laserpulse bei 532 nm
bekannt. Dieses wichtige Ergebnis ist kürzlich im Sommer 2012 - unabhängig von diesem Vorhaben -
durch eine andere Studie bestätigt wurden [18].

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 52
Tab. 7B fasst die wichtigsten Empfehlungen für eine potentielle industrielle Umsetzung unter Einsatz
der Pikosekunden-Lasertechnologie zusammen, auf der Grundlage der Erkenntnisse aus diesem
Vorhaben und jüngsten Veröffentlichungen [17-22].
P2-Prozess (CIGS) P3-Prozess (ITO / ZnO)
Wellenlänge 1064 nm 532 nm
Pulsdauer 10 ps 7 ps
Geeignetes Strahlprofil Top-Hat Top-Hat
Einzelpulsenergie (auf ca. 50 x 50 µm 2 ) < 10 µJ < 5 µJ
Wiederholrate 2 MHz (bei 20 W) 2 MHz (bei 10 W)
Mittlere Schreibgeschwindigkeit (2 MHz) 2 m/s 5 m/s
Tabelle 7B: Vorschlag zu einer zukünftigen Umsetzung der Laser-basierten Fertigung von Isolationskanälen in der CIGS
Dünnschicht-Photovoltaik

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 53
7.3 Transfer durch Vorträge und Veröffentlichen
Durch folgende Vorträge und Messeauftritte wurden bis Dezember 2012 im Rahmen nationaler und
internationaler Fachtagungen die Vorhabensergebnisse zum selektiven Laserabtrag dünner Schichten
für die Photovoltaik der breiten Öffentlichkeit vorgestellt.
1. Vorstellung des Vorhabens am Messestand (Flyer) der LMTB während der „Laser und Optik Berlin
(LOB)“ 03.2010 in Berlin
2. Vorstellung des Vorhabens (Vortag) während der internationalen Fachtagung „Laser in Production
and Manufacturing (LPM)“ 06.2010 in Stuttgart
3. Vorstellung des Vorhabens (Flyer) am Messestand der LMTB während der µLEF, 02.2011 in Fürth
4. Vorstellung der Vorhabensergebnisse (Flyer) am eigenen Messestand während der „World of
Photonics“ 05.2011 in München
5. Vorstellung der Vorhabensergebnisse (Vortrag) während der internationalen Fachtagung „Lasers in
Manufacturing der WLT (LIM)“ 05.2011 in München
6. Vorstellung der Vorhabensergebnisse (Poster) während der internationalen Fachtagung „Euro-
Mediterranean Symposium on Laser-Induced Breakdown Spectrosproscopy“ 09.2011 in IZMIR,
Türkei
7. Vorstellung der Vorhabensergebnisse (Vortrag und Veröffentlichung) während der internationalen
Fachtagung „International Congress on Applications of Lasers & Electro–Optics (ICALEO) 10.2011
in Orlando, USA
8. Vorstellung des Vorhabens (Flyer) am Messestand der LMTB während der µLEF, 02.2012 in Fürth
9. Vorstellung der Vorhabensergebnisse (Flyer) am Messestand der LMTB während der „Laser und
Optik Berlin (LOB)“ 03.2012 in Berlin
10. Vorstellung der Vorhabensergebnisse (Vortrag) während der internationalen Fachtagung „Thin-Film
Industry Forum“ 04.2012 in Berlin
11. Vorstellung der Vorhabensergebnisse (Vortrag und Poster) während der International School on
Lasers in materials science (organized by Politecnico di Milano) 06.2012, in Venedig, Italien
12. Vorstellung der Vorhabensergebnisse (Vortrag) während der International Summer School on
Trends and new Developments in Laser Technology (TU Dresden and Fraunhofer IWS), 08.2012 in
Dresden
13. Vorstellung der Vorhabensergebnisse (Vortrag) während der internationalen Fachtagung „LIBS“, in
Luxor, Ägypten, 09.2012
14. Vorstellung der Vorhabensergebnisse (Vortrag) während der internationalen Fachtagung
International Symposium on Optomechatronic Technologies (ISOT) 10.2012 in Paris
15. Vorstellung der Vorhabensergebnisse (Vortrag) während der internationalen Fachtagung „7th
International Photonics Conference LANE“ 11.2012 in Fürth

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 54
16. Vorstellung der Vorhabensergebnisse (Poster und Flyer) während der F.O.M.
Mitgliederversammlung (und Gästen) 11.2012 in Berlin
Im Rahmen des IGF Vorhabens konnte eine Bachelor- und eine Diplomarbeit erfolgreich abgeschlossen
werden, in einer laufenden Doktorarbeit werden Teilaspekte aus dem Vorhaben behandelt:
1. Untersuchungen zum selektiven Laserabtrag der dünnen Funktionsschichten Mo, CIS & ZnO
für die Photovoltaik, Bachelor-Arbeit von Herrn Stefan Freudenberg aus der Fachhochschule
Emden/Leer (02.2011)
2. Abtragsuntersuchungen an dünnen Funktionsschichten der CIGS - Solarzellen mittels
Ultrakurzpulslaser, Diplom-Arbeit von Herrn Yuan Gao aus der Technische Universität Berlin,
(01.2012)
Des Weiteren wird durch folgende Veröffentlichungen der Know-how Transfer dokumentiert:
1. Plasma monitoring during laser material processing, Diego-Vallejo D, Ashkenasi D, Illing G,
Eichler HJ, Lasers in Manufacturing WLT, May 23-26, 2011, Munich. Germany. Conf. Proc. on
Physics Procedia 12 (2011) 407–413 (online).
(http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187538921100229X)
2. Laser-induced plasma investigations during material processing Journal of Laser
Micro/Nanoengineering, 6(2); p. 146-150, Diego-Vallejo D, Schwagmeier M, Ashkenasi D, Illing
G, Eichler HJ (2011) (online)
(http://www.jlps.gr.jp/jlmn/upload/aba3fb2d24a2aed4192baacd26efffae.pdf)
3. Selective ablation of CIS solar cells monitored by laser-induced breakdown spectroscopy and
classification methods, David Diego-Vallejo, David Ashkenasi, Andreas Lemke, Hans Joachim
Eichler. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy (Special issue dedicated to the LIBS
2012 Conference) submitted 2012
4. Selektiver Abtrag dünner Schichten mit grüner Pikosekunden-Laserstrahlung. Lemke A,
Ashkenasi D, Eichler HJ, Laser Ausgabe 04.2013 (in Arbeit)

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 55
7.4 Kooperation mit dem Industriekonsortium und anderen Firmen
Die Vorstellung der Zwischenergebnisse (Meilensteine) erfolge bei den regelmäßigen Treffen des
Industriekonsortiums am 12.02.2010, 15.09.2010, 09.03.2011 und 09.11.2011 in Berlin, Dortmund (bei
der Fa. LIMO) und in Leipzig (bei der Fa. Solarion). Mit diesem Industriekosortium wurden in den
mehrstündigen Treffen die von der LMTB zu untersuchenden Fragestellungen besprochen und die
Ergebnisse diskutiert. Weitere Firmen (3D-Micromac, Compact Laser Solutions, Direct Industrial
Photonics, Trumpf Laser, Innolight) haben Interesse an dem Projekt gezeigt und vereinzelt auch
Proben, Beratung, Geräte und Messzeit zur Verfügung gestellt.
Durch die enge Kooperation mit diesen Firmen sind die im Projekt erzielten Teilergebnisse direkt in
deren Entwicklungsarbeiten und Produktion eingeflossen. Das Interesse an Nachfolgeprojekte zum
selektiven Laserabtrag ist groß, auch wenn in den Deutschen Unternehmen der Dünnschicht-
Photovoltaik zurzeit eine Konsolidierungsphase eingetreten ist. Hier gilt es, die Erkenntnisse in
Produktentwicklungen aus ggf. anderen Branchen einfließen zu lassen, z.B. in der Display-Technologie
oder in der Entwicklung neuer Batterien auf Folien.
Tendenziell wird eine Orientierung des selektiven Laserabtrags in der „Roll-to-Roll“ Fertigung gesehen,
wo entweder dünne Glas- oder Kunststoff-Folien als Trägermaterial für dünne Funktionsschichten
eingesetzt werden. Geeignete Lasersysteme zum selektiven Dünnschichtabtrag lassen sich in solche
Fertigungsvorrichtungen sehr gut integrieren. Ziel der weiteren Transfermaßnahmen ist die
Adressierung von kleinen und mittleren Unternehmen, die im Apparatebau oder Export dieser „Roll-to-
Roll“ Fertigung eine führende Rolle spielen. In diesem Rahmen sollen gemeinsam mit der Industrie
kurzfristig wirtschaftlich-technisch relevante Fragestellungen für zukünftige Entwicklungsarbeiten
identifiziert werden, die ggf. in einem Nachfolgeprojekt der Industriellen Gemeinschaftsforschung
verfolgt werden.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 56
8. Literatur
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energy coupling localization: case of thin film solar cells scribing. Appl. Phys. A, published
online: 08 September 2012

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 1

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 2
Inhalt
0. Zusammenfassung 2
1. Forschungsthema 3
2. Ausgangssituation 3
3. Experiment 7
3.1 Aufbauten zum Laserabtrag
3.2 Aufbau zur Bestimmung der Plasma-Emissionsspektren
3.3 Aufbau zur Untersuchung der Abtragsprodukte
3.4 Probenmaterial
3.5 Voruntersuchungen
4. Einfluss der Prozessparameter 19
4.1 Einfluss der Pulsenergie (Modifikation und Abtrag)
4.2 Einfluss des Strahlprofils (Gauß und Top-Hat)
4.3 Einfluss der Wiederholrate (10 bis 400 kHz)
4.4 Einfluss von 50 MHz Pulszügen
4.5 Einfluss der Zyklen-Anzahl
4.6 Einfluss des Trägermaterials
4.7 Zusammenfassung
5. Plasma-Emissionsspektren 34
6. Abtragsprodukte 39
7. Industrielle Umsetzungsstrategie 46
7.1 Herstellung und Validierung (P2 und P3)
7.2 Interpretation und Ausblick
7.3 Transfer durch Vorträge und Veröffentlichungen
7.4 Kooperation mit dem Industriebeirat und anderen Firmen
8. Literatur 57

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0. Zusammenfassung
Die Untersuchungen im AiF/IGF Vorhaben 16376N zwischen 02.2010 und 07.2012 mit dem „Titel
Untersuchungen zum selektiven Laserabtrag dünner Funktionsschichten für die Photovoltaik“ lieferten
eine Vielzahl von wissenschaftlich-technischen Erkenntnissen im Bereich des Laserabtrags von dünnen
Funktionsschichten in CIGS-Solarzellen unter dem Einsatz eines ultrakurz gepulsten Lasersystems.
Der Einsatz von industrietauglichen Pikosekunden-Lasersysteme liefert eine sehr gute Grundlage für
eine deutlich präzisere Fertigung der Isolationskanäle in den Schichten und somit eine Steigerung in der
Flächeneffizienz gegenüber der Nadelritzung.
Zur Durchführung des AiF-Projekts wurde ein an der LMTB vorhandenes Pikosekunden-Lasersystem
(Lumera Rapid) eingesetzt, dieses wurde im Rahmen eines vorhergehenden AiF-Projekts erworben. Die
Untersuchungen wurden – nach Gutachterempfehlung - mit folgenden Prozessparametern
durchgeführt: Wellenlänge = 532 nm, Pulsdauer = 7 ps, Einzelpulsenergie < 50 µJ, Wiederholraten von
10 bis 400 kHz, Gauß und Top-Hat Intensitätsverteilung auf dem Werkstück von 30 bis 50 µm,
Pulsüberlapp auf dem Werkstück bis 99%, Umgebungsgas Luft, Einsatz von Scanner und Achsen. Die
Strukturierung der Dünnschichtzellen wurde mittels optischer Mikroskopie, REM und EDX kontrolliert.
Die elektrische Isolation wurde mittels Hell- und Dunkelstrommessung analysiert. Zwei Methoden
wurden zur Untersuchung des Laser induzierte Abtrags eingesetzt: 1. Die spektroskopische Analyse
des Plasmas und 2. Das Auflesen des abgetragenen Schichtmaterials auf Glasträger und darauf
folgend die REM/EDX Analyse.
Die folgenden Ergebnisse wurden im AiF/IGF Vorhaben 16376N mit Pikosekunden-Laserpulsen bei
532 nm erzielt:
• Die Abtragsprodukte bei der Laser Bearbeitung variieren von Nanopartikeln (aus dem CIGS) bis zu
Mikro-Bruchstücken (aus dem ZnO und ITO)
• Die spektroskopische Analyse des Plasmas lieferte beobachtbare Emissionslinien für Molybdän und
Indium, die zur Tiefenkontrolle beim Laserabtrag genutzt werden können
• Bei höheren Wiederholraten (z.B. 400 kHz) und vergleichbar räumlichen Pulsabstand bewirkt der
geringere Zeitabstand zwischen den Einzelpulsen eine Aufschmelzung der CIGS-Schicht, was
einen selektiven Abtrag in einem einzigen Zyklus stark behindert. Wird der räumliche Pulsabstand
jedoch deutlich erhöht, kann ein selektiver Abtrag durch das Abfahren von mehreren Zyklen
ausgeführt werden
• Ein selektiver Schichtabtrag von CIGS und der transparenten Halbleiterschicht bestehend aus ZnO
und/oder ITO auf CIGS bis auf Molybdän-Schicht ist bei moderater Pulsenergie von ca. 5 µJ
(Energieflussdichte um ca. 4 mJ/cm 2 ) ist möglich, allerdings liefern die Hell- und Dunkelstrommessungen
an den Isolationskanälen keine guten Füllfaktoren
• Wird dagegen der Schichtabtrag der transparenten Halbleiterschicht (ZnO und ITO) bis auf die
CIGS-Schicht begrenzt (P3 Prozess), werden an den Isolationskanälen sehr gute Füllfaktoren
bestimmt
• Die Absorption der Laser-Energie unterhalb der abzutragenden Schicht liefert bessere
Isolationskanäle als eine direkte Einkopplung der Laser-Energie in der abzutragenden Schicht
• Erreichbare Prozessgeschwindigkeit für den P3-Prozess - Abtrag von ZnO und ITO: 5 m/s
• Transfermaßnahmen: Herstellung von Demonstratoren, Flyer, Präsentation der
Vorhabensergebnisse in Fachtagungen und vor dem Industriekonsortium
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht. 1
1 Dieses Vorhaben wurde aus Mitteln des Bundesministeriums fur Wirtschaft und Technologie uber die AIF
gefordert, in Zusammenarbeit mit der F.O.M.

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1. Forschungsthema
Untersuchungen zum selektiven Laserabtrag dünner Funktionsschichten für die Photovoltaik
In diesem Vorhaben wurden Untersuchungen zum selektiven Laserabtrag von wenigen µm starken
Funktionsschichten, CIGS und ZnO/ITO auf metallisierten Glas- und Kunststoffträgern, zur Herstellung
von ca. 30 bis 50 µm Isolationskanälen für eine Verbesserung der Moduleffizienz in der Dünnschicht-
Photovoltaik durchgeführt.
2. Ausgangssituation
Die Strukturierung von dünnen Funktionsschichten spielt in vielen Bereichen der Industrie eine
herausragende Rolle und gewinnt auch weiterhin an Bedeutung. Einige Anwendungsbeispiele hierfür
sind:
• Herstellung von elektrischen Isolierungskanälen
• Geometrischer Abtrag transparenter Halbeiterschichten
• Gezielte Bearbeitung von Leiterbahnen
• Abtrag dünner „low-K“ Schichten auf thermisch und/oder mechanisch sensiblen Trägermaterialen
• Hochpräziser Abtrag dielektrischer Schichtsysteme auf optischen Komponenten
Für eine nachhaltige wirtschaftliche Umsetzung der technischen Vorteile von Laserbearbeitungsverfahren
an thermisch und mechanisch „sensiblen“ Schichten bzw. Schichtsystemen ist insbesondere
eine Minimierung der Wärme-Einflusszone von großer Bedeutung.
Bei dem in der Dünnschicht-Photovoltaik noch häufig genutzten mechanischen Verfahren der
Nadelritzung treten Kräfte auf, die nicht ohne nachteilige Folgen bleiben. Ein optisch initiierter Abtrag
unter Einsatz der Pikosekunden-Lasertechnologie bietet das Potential, Isolationsgräben schichtselektiv
mit einer deutlich höheren Präzision zu generieren (Abb. 2A), was eine Reduzierung im Abstand der
Isolationskanäle ermöglicht und die Moduleffizienz verbessert. Der Laserabtrag liefert dadurch potentiell
einen Kostenvorteil bei der Herstellung
50 µm
50 µm
Abb. 2A: Schichtabtrag von einer CIGS-Dünnschichtsolarzelle. Links: Nadelritzung. Rechts: Laserabtrag mit 7 ps,
532 nm

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Der Materialabtrag an den in Frage stehenden Dünnschichten erfolgt im Wesentlichen über thermische
Reaktionskanäle. Dieser Grundsatz einer photo-thermischen Reaktion ist auch bei Anwendung
ultrakurzer Laserimpulse gültig. Im Unterschied zu Nanosekunden-Laserpulsen liefert der Einsatz von
Piko- und Femtosekunden-Laserstrahlung weitaus bessere Voraussetzungen zur Minimierung einer
Energiediffusion in die Umgebung des zu bearbeitenden Materialvolumens. Die schematische
Darstellung in Abb. 2B liefert eine Übersicht zu den erwarteten Wechselwirkungsprozessen im Rahmen
der Untersuchungen dieses Vorhabens.
Abb. 2B (a) beschreibt den in diesem Vorhaben verfolgten Lösungsansatz für den Prozess P2 am
Beispiel einer ca. 1,8 µm starken CIGS-Schicht (mit einer 50 nm CdS-Schicht oben liegend, in Abb. 2B
nicht dargestellt) auf der ca. 0,5 µm Molybdän-Kontaktschicht. In diesem Vorhaben wurde die
Wellenlänge von 532 nm gewählt, um die Laserenergie möglichst in die CIGS Schicht einzukoppeln. Die
Photonenenergie soll innerhalb einer kleinen optischen Eindringtiefe Lopt absorbiert werden. Abhängig
von der Wellenlänge der Laserstrahlung und den optischen Eigenschaften der Schicht kann Lopt
(Abb. 2B (b)) abgeschätzt werden. Allerdings kann mit zunehmender Spitzenintensität (abnehmender
Pulsdauer) nicht-lineare Anregungskanäle (Multiphotonen- und Kaskadenionisation) induziert werden,
welche die optische Eindringtiefe ggf. sogar um mehrere Größenordnungen reduziert [1].
Abb. 2B (c) illustriert den möglichen Einfluss der Elektron-Phonon-Kopplungsstärke G [2] auf die mittlere
Weglänge der „heißen“ Elektronen, bevor erst (im Teilchenbild) durch Elektron-Phonon Stöße ein
Temperaturgleichgewicht mit dem Phononensystem (Gitter) erfolgt. Die Elektronendiffusionslänge Le
charakterisiert den ersten „Wärmeverlust“-Mechanismus aus dem laserbestrahlten Bereich. Ist Le > LD,
wird die Elektronendiffusion eingeschränkt und es treten Grenzflächeneffekte auf. Dieser Effekt kann zu
einer signifikanten Schichtdickenabhängigkeit in den Ergebnissen der Laserbearbeitung führen [3].
Auffällig sind die Unterschiede in den laserinduzierten Zerstörschwellen beim Einsatz ultrakurzer
Laserimpulse für dünne Schichten und starke Folien Le

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 6
(a) (b) (c) (d) (e)
Abb. 2B: Schematische Darstellung der Laser-Material Wechselwirkung und Reaktionsmechanismen am Beispiel einer
1,8 µm CIS-Schicht auf 0,6 µm Molybdänschicht und einem Glas- bzw. Polymerträger - in Anlehnung an den
Prozessschritt P2; (a): Ausgangssituation mit Schichtsystem - LD = Schichtdicke – und eintreffendem Laserstrahl, (b)
Anregung – Lopt = optische Eindringtiefe der Laserstrahlung, (c): Energietransfer – Le = Elektronendiffusionslänge, (d)
Temperaturgleichgewicht und thermische Materialreaktion – Lth = Wärmediffusionslänge, (e) Beginn des laserinduzierten
Materialabtrags – LA = Abtragstiefe (pro Laserpuls); LWEZ = Tiefe der Wärme Einflusszone (z. B. Schmelztiefe).
Optische Eindringtiefe Thermische Eindringtiefe
Materialschicht Lopt (1064 nm) Lopt (532 nm) Lth (10 ns) Lth (10 ps)
Mo 0,02 µm 0,01 µm 1,5 µm 0,05 µm
CIGS 0,33 µm < 0,3 µm 0,3 µm 0,01 µm
ZnO 13 µm 100 µm 0,6 µm 0,02 µm
Tabelle 2A: Vergleich der optischen Eindringtiefe Lopt bei 1064 vs. 532 nm, und der thermischen Eindringtiefe Lth bei
10 ps und 10 ns für die in der Dünnschicht-Photovoltaik relevanten Schichtsysteme.
Die Untersuchungen zum selektiven Abtrag der Funktionsschichten CIGS und ZnO oder ITO für die
Dünnschichtphotovoltaik sind mit der Wellenlänge = 532 nm und einer Pulsdauer = 7 ps durchgeführt:
Bei 532 nm wird eine Minimierung der Eindringtiefe im CIGS vermutet. Im Vergleich zu 1064 nm ist die
optische Eindringtiefe Lopt für ZnO im Grünen recht hoch, d.h. dass beim P3 Prozess die Einkopplung
eher an der Grenzfläche zum CIGS erwartet wird.
Eine Betrachtung der thermischen Diffusionslängen in Tabelle 2A für Laserpulsbreiten von 10 ps und
10 ns verdeutlicht das Potenzial der Pikosekunden-Lasertechnologie zur Minimierung der WEZ in einen
Bereich nahe bzw. sogar deutlich unterhalb der optischen Eindringtiefe.

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Abtragsverhalten nach (ultrakurzer) Laseranregung
Mittels zeitaufgelöster Mikroskopie der Materialoberfläche nach Femto- und Pikosekunden-
Laseranregung von Metallen und Halbleitern wird die Entstehung von Interferenzringen nach einigen
Nanosekunden beobachtet, die D. von der Linde et al. einer „ungewöhnlichen“ Zweiphasen-Mischung
aus kleinen Flüssigkeitströpfchen und der Gasphase im Materialabtrag zuordnet [5]. Diese Vorstellung
einer „besonderen“ thermischen Reaktion bei ultrakurzer Laseranregung von Metall- und
Halbleiterschichten entspricht der Erwartungshaltung in der laserinduzierten Phasenexplosion, bei der
es zu einer homogenen statt heterogenen Bildung von Flüssigkeitstropfen in der Gasphase kommt [6,7].
Optische Untersuchungen zum Materialabtrag können mehr Aufschluss über die Verteilung der
Abtragsprodukte liefern. Beispielsweise führten S. Noel et al. Abtragsuntersuchungen nach
Femtosekunden-Laseranregung an polierten Gold und Kupferproben durch [8]. Die Beobachtung der
Plasma-Emissionsintensität bei der Laserbearbeitung bietet das Potential, die Abtragsrate während des
Prozesses zu kontrollieren. S. Noel et al. registrierten einen proportionalen Zusammenhang zwischen
der Intensität in der Plasma-Emissionsintensität und der (nachträglich) bestimmten Abtragsrate beim
Femtosekundenabtrag von Kupferschichten. Ortsaufgelöste Abbildungen der Plasma-Emission können
wichtige, zusätzliche Erkenntnisse zur Abtragsdynamik und Ausrichtung liefern. Abb. 2B zeigt ein
Ergebnis dieser Untersuchung zur Plasma-Emission (unter Vakuumbedingung) zwischen 200 ns und
10 µs nach der Femtosekunden-Laseranregung der Metalle.
Es wurden dabei sowohl „langsame“ als auch
„schnelle“ Komponenten im Abtrag beobachtet [8].
Während der „schnelle“ Anteil den „heißen“ und
kleineren Abtragsprodukten zugeordnet wird,
verbleibt der „langsame“ Anteil aus Clustern
größerer Masse nahe der Metalloberfläche. Leider
wird in der angesprochenen Arbeit keine Aussage
über die Zusammensetzung des „langsameren“
Anteils oder zur Depositionsgefahr auf dem
„Werkstück“ getroffen. Das Interesse in [8] galt der
Bildung von Nanopartikeln aus dem „schnellen“
Plasmaanteil. Dieser wurde z. B. für Kupfer mittels
„mica substrates“ (Gold auf Quarz) aufgefangen
und am AFM analysiert. Die Größenverteilung der
Nanopartikel fällt annähernd exponentiell von 1 auf
ca. 15 nm Durchmesser ab. Ähnliche Ergebnisse
Abb. 2C: Ortsaufgelöste Plasma-Emission (bis 5 mm
Entfernung) vom Gold (links) und Kupfer nach der Laser
Anregung bei 800 nm, 0,1 ps und 4 J/cm2; aus [8].
wurden am Kupfer nach Femtosekunden-Laseranregung unter Normaldruckverhältnissen registriert [9].
In diesem Vorhaben steht die eigentliche Herstellung von Nanopartikeln nicht im Vordergrund.
Allerdings ist die Zusammensetzung der „schnellen“ und der „langsamen“ Abtragsprodukte für eine
sichere Laserbearbeitung der Photovoltaik-Schichten von Bedeutung: 1. die Depositionswahrscheinlichkeit
„langsamer“ Abtragsprodukten auf dem Werkstück, 2. die Kontaminationsgefahr
„schneller“ Abtragsprodukte in die Umgebung. Es werden Daten zur Vermeidung gesundheitlicher
Risiken gewonnen, insbesondere bei der Übertragung in einen industriellen Prozess, wo im Vergleich
zu Laborbedingungen eine signifikante Zunahme von Abtragsprodukten erwartet wird. Der nicht
vermeidbare Anteil muss durch geeignete Absauganlagen und Filtersysteme umweltgerecht entfernt
werden.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 8
3. Experiment
Für die experimentellen Untersuchungen im Rahmen dieses Projektes kam das Super RAPID
Pikosekunden-Lasersystem der Fa. Lumera
zum Einsatz. Dabei handelt es sich um
einen diodengepumpten und passiv
modengekoppelten Nd:YVO4 -
Festkörperlaser mit einer maximalen
Ausgangsleistung von 10 W bei 1064 nm.
Zudem besitzt dieses Lasersystem die
Möglichkeit einer internen
Frequenzverdopplung auf 532 nm sowie ein
UV-Modul zur externen Erzeugung der
dritten Harmonischen (355 nm). Die
Konversions-effizienz liegt für die zweite
Harmonische bei ca. 50 % und für die dritte
Harmonische bei ca. 20 % der IR-
Ausgangsleistung. Die Repetitionsrate
dieses Systems ist zwischen 10 und
640 kHz wählbar, wobei die höchsten
Einzelpulsenergien bei den niedrigsten
Repetitionsraten erreicht werden (siehe Abb. 3A). Die Pulsdauer beträgt, abhängig von der
verwendeten Wellenlänge, 10 ps bei 1064 nm, 7 ps bei 532 nm und 6 ps bei 355 nm. Ein weiterer
technischer Vorteil dieses Systems ist, dass es neben Einzelpulsen auch Pulszüge mit beliebiger
Pulsanzahl auskoppeln kann. Bei Doppelpulsen lässt sich der Pulsabstand bis hinunter zu 60 ns frei in
20 ns-Schritten variieren, bei Mehrfachpulsen liegt der Pulsabstand konstant bei 20 ns. Darüber hinaus
besitzt das Lumera Super RAPID eine gute Strahlqualität von M 2 < 1.4.
In Abb. 3B wird das Lasersystem dargestellt dabei ist nur der Laser (Oszillator und Verstärker) zu
sehen, das Kühlsystem und die Steuereinheit werden nicht gezeigt.
Abb. 3B: Lumera-Super Rapid-Pikosekunden-Lasersystem
Abb. 3A: Einzelpulsenergie über Repetitionsrate bei
verschiedenen Wellenlängen.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 9
Die Untersuchungen konzentrierten sich auf den Einsatz bei λ = 532 nm. Folgende Prozessparameter
wurden variiert:
• Intensitätsprofil auf dem Werkstück (TopHat und Gauss)
• Wiederholrate von 10 bis 500 kHz
• 50 MHz Pulszüge von 2 bis 10
• Räumlicher Pulsüberlapp von 0 bis 99 %
• Zyklenanzahl von 1 bis 20
Die Abtragsuntersuchungen wurden mit drei verschiedenen Bearbeitungssystemen durchgeführt:
1. XYZ Nanomotion Achsensystem mit Gauß-TopHat Konverter (30 x 30 µm 2),
2. IntelliSCAN ® Scanner mit einer F-Theta Optik der Brennweite 80 mm
3. Ein spezielles HurrySCAN ®-System angepasst an einem Gauß-TopHat Konverter (50 x 50
µm 2 ).
In Abb. 3C sind die für die Experimente verwendeten Scanneroptiken und das Nanomotion 3-Achsen-
System dargestellt.
Abb. 3C: links: intelliSCAN® 14, mitte: hurrySCAN® 30 Scanneroptik, rechts: Nanomotion 3-Aschen System
Der verwendete HurrySCAN ® 30 wurde im Rahmen des Projektes von der Firma LIMO inklusive dem
Gauss-TopHat Konverter als Komplettsystem zur Verfügung gestellt. Das Funktionsprinzip dieses
Scanmoduls ist identisch mit dem eines typischen x-y-Scankopfs [10]. Durch zwei jeweils in der x- und
y-Richtung festgelagerte verkippbare Spiegel wird der Laserstrahl abgelenkt und über eine wechselbare
Linse im Scankopf schließlich auf die Arbeitsfeldebene fokussiert. Zu beachten ist, dass in den
Abtragsuntersuchungen ein TopHat Konverter und eine F-Theta-Linse (f = 160 mm) verwendet werden.
Mit dem intelliSCAN ® 14 wurden die gleichen Untersuchungen ohne eine Strahlverformungsoptik mit
einer Linse mit halber Brennweite (f = 80 mm) durchgeführt. Die Steuerung des hurrySCAN ® 30 erfolgt
über einen Rechner mit dem Programm „Winlase ® Professional“. Der Vorteil einer Scanneroptik zu
einem Achsensystem für die Untersuchungen liegt dabei vor allem in der hohen
Bearbeitungsgeschwindigkeit.
Die Nanomotion-Verfahreinheit besteht aus einem x-y-Tisch zur Positionierung der Proben und einer z-
Achse zur Variation der Linsenposition (Fokuslage). Aufgrund der Freiheit in der Wahl der Umlenkspiegel
und der Fokussierlinsen konnte bei den Untersuchungen mit der Nanomotion sowohl eine
Gauß-Optik als auch der Gauß-TopHat Konverter (30x30 µm2) eingesetzt werden. Auch ein Vergleich
bei anderen Wellenlängen ist an diesem flexiblen Aufbau einfach durchführbar. Die Steuerung des 3achsigen
beweglichen Nanomotion-Systems erfolgt mittels der Software ACS Tech80 über den
SPiiPlus TM Motion Controller. Aufgrund des Antriebs durch Ultraschall-Piezo-Keramik-Motoren lässt sich
mit diesem System in jeder Achse eine hohe Positioniergenauigkeit von ± 0,2 µm erzielen. Allerdings
liefert dieses System eine Verfahrgeschwindigkeit von maximal 200 mm/s, was um Größenordnungen
langsamer ist, als bei den eingesetzten Scannersystemen. Der Vorteil dieser 3-Achsen-Verfahreinheit
gegenüber den Scannersystemen ist das größere Bearbeitungsfeld, bei verwendeten Fokuslängen
unter 200 mm, und die Freiheit in der Wahl der Fokussierung und somit der Größe der erzeugten
Strukturen.

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3.1 Aufbauten zum Laserabtrag
Der Versuchsaufbau mit Nanomotion-System ist in Abb. 3D dargestellt. Der Aufbau besteht aus dem
über PC gesteuerten Pikosekunden-Lasersystem, mehreren Umlenkspiegeln für die Ablenkung des
Strahls, einem Strahlverformer (THK-30) zur Umformung des Strahlprofils von Gauß- zu TopHat-
Verteilung und dem Nanomotion-3-Achsen-System (XYZ) zum Bewegen der Probe bzw. zum
Verschieben des Fokus. Die Steuerung des Nanomotion-3-Achsen-Systems wird durch eine spezielle
Software über einen weiteren Rechner realisiert.
Abb. 3D: Versuchsaufbau zum Laserabtrag mit Nanomotion-3-Achsen-System
Abb. 3E: Versuchsaufbau zum Laserabtrag mit hurrySCAN®-System
Ein weiterer Aufbau mit hurrySCAN ® -System wird in Abb. 3E dargestellt. Ähnlich wie beim Aufbau mit
Nanomotion-System wird die Ansteuerung des hurrySCAN ® durch einen zusätzlichen Rechner
realisiert. Die beiden Aufbauten befinden sich auf dem gleichen Optiktisch mit Schwingungsdämpfung.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 11
Durch einen weiteren Umlenkspiegel wird eine Umschaltung zwischen den beiden
Bearbeitungssystemen ermöglicht.
Mit Einsatz eines Gauß-TopHat Konverters (THK) wird das gaußförmige Laserstrahlprofil in ein
rechteckiges, homogenisiertes Intensitätsprofil - auch TopHat-Profil genannt - umgewandelt. Im
Nanomotion-System wird ein THK-30 und im hurrySCAN ® -System ein THK-50 verwendet, da es sich
hier um ein abgestimmtes Komplettsystem handelt. Die verwendeten THK-Module sind in Abb. 3F zu
sehen. Sie unterscheiden sich durch die erzeugte rechteckige Top-Hat-Profilfläche. Laut Hersteller
sollten mit THK‑30 ein ca. 900 µm 2 (30x30 µm 2) und mit THK‑50 ein ca. 2500 µm 2 (50x50 µm 2)
großes rechteckiges TopHat-Profil erzeugt werden. Die Ziffern 30 bzw. 50 kennzeichnen also die
Kantenlänge des jeweiligen TopHat-Profils im Arbeitspunkt. Die Einrichtung der THKs und Justage der
Laserstrahlung auf das Werkstück ist im Vergleich zu einer „klassischen“ Gauss-Optik etwas
komplizierter und wird im Unterkapitel 3.3 Voruntersuchungen näher beschrieben.
Top Hat g2T ®-Konverter 30 (THK-30) Top Hat g2T ®-Konverter 50 (THK-50)
Fläche des TH-Profils 30x30 µm 2 Fläche des TH-Profils 50x50 µm 2
Abb. 3F: Strahlformer von LIMO mit Optikhalter, Links: THK-30, Rechts: THK-50
3.2 Aufbau zur Bestimmung der Plasma-Emissionsspektren
In Rahmen dieses Projektes wurden ebenfalls Plasmauntersuchungen durchgeführt. Ziel dieser
Untersuchungen war es ein Verfahren zu etablieren, welches die Korrelationen zwischen der
laserinduzierten Plasmaemission (Intensität, Dynamik, Spektrum) und dem Abtragsverhalten
(Abtragsrate, Bearbeitungsqualität, Taktrate) zur Entwicklung einer optischen Online-Kontrolle und
Steuerung der Laser-Präzisionsbearbeitung von Dünnschichtproben nutzt. Abb. 3G skizziert den dafür
verwendeten experimentellen Versuchsaufbau.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 12
Abb. 3G: Versuchsaufbau für die Plasmauntersuchungen
Ähnlich wie im Versuchsaufbau zum Abtrag im Nanomotion-System (Siehe Abb. 3D) wird der Strahl
durch Umlenkspiegel und den Strahlformer (THK-30) zur Bearbeitungsstation geführt. Die
Plasmauntersuchungen an den Dünnschichtproben werden bei 532 nm Wellenlänge durchgeführt. Ist
die Energieflussdichte des Laserstrahls im Fokus oberhalb der Abtragsschwelle, kann – neben dem
induzierten Mikroabtrag – auch eine Plasmabildung beobachtet werden. Ein Mikroskopobjektiv bildet
das Plasmaleuchten auf die Eintrittsöffnung einer 400 µm Quarzfaser ab, durch die dieses dann zur
weiteren Analyse auf ein Spektrometer geführt wird. Bei dem Spektrometer handelt es sich um ein
Ocean Optics (USA) USB2000+UV-VIS mit einer Auflösung von 0,316 nm und einem Spektralbereich
von 350-750 nm. Am Spektrometer wird als Integrationszeit 100 ms gewählt. Um zu vermeiden, dass
Laserstreulicht während des Abtrags in das Spektrometer fällt, wurde ein Strahlfilter für 532 nm vor das
Mikroskopobjektiv gesetzt (siehe Abb. 3G).
3.3 Aufbau zur Untersuchung der Abtragsprodukte und ihrer Verteilung
Die abzutragenden Schichten der CIGS-Solarzellen enthalten neben den bekannten Bestandteilen
Kupfer, Indium, Gallium und Selen ebenfalls Cadmium. Beim Laserabtrag der Proben können die hoch-
giftigen und lungengängigen Materialien in die Umgebung freigesetzt werden. Des Weiteren können die
Abtragsprodukte auch in Form von potentiell gesundheitsschädlichen Nanopartikeln abgetragen
werden. Bei der Untersuchung der Abtragsprodukte handelt es sich im Wesentlichen um zwei
Aufgabenteile, die Identifizierung der Abtragsprodukte und die Ermittlung der Verteilung und Größe der
unterschiedlichen Abtragsprodukte anhand einer Oberflächenanalysemethode. Der Versuchsaufbau für
zur Untersuchung der Abtragsprodukte wird in Abb. 3H schematisch dargestellt.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 13
Abb. 3H: Versuchsaufbau zum Auffangen der Abtragsprodukte während der Laserbearbeitung
Da die abgetragenen Materialien aus der Dünnschichtprobe während des Abtragsprozesses als Plasma
durch den Ultrakurzpulslaser größtenteils senkrecht zur Oberfläche herausgeschleudert werden, wird
zum Auffangen der Abtragsprodukte ein Objektträger verwendet, der vor der Laserbearbeitung wenige
100 µm über der Probe positioniert wird. Im Anschluss können die abgetragenen Materialien auf dem
Objektträger analysiert werden.
3.4 Probenmaterial
Die in den Untersuchungen verwendeten CIGS-Solarzellen sind in Abb. 3I zusammengestellt. Es stehen
zwei verschiedene Arten von Dünnschichtsolarzellen zur Verfügung, die Glassubstratproben und die
Foliensubstratproben. Die Solarzellen der Firma Solarion besitzen das flexible Polymermaterial
`Polyimid` als Substrat (P3F). Die Solarzellen der Firma Soltecture werden auf dem konventionellen
Glassubstrat in 4 mm Dicke aufgebracht. Je nach ihren darüber liegenden funktionsfähigen Schichten
kann man sie weiter zu Mo-, P2G- und P3G-Proben aufteilen.
Um die P3F-Probe zu stabilisieren, wird sie zusätzlich mit einem 0,3 mm dicken Hartpapier auf einer 1,2
mm dicken Glasschreibe aufgeklebt. Die Betrachtung der P3F-Probe unter Mikroskop im Durchlicht ist
wegen des aufgeklebten Papiers nicht möglich. In Tabelle 3A und 3B sind die wichtigsten
geometrischen und technischen Daten der jeweiligen Dünnschichtproben zusammengestellt.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 14
Glassubstrat
Mo-Probe P3F-Probe
Soltecture GmbH Solarion AG
P2G-Probe P3G-Probe
Soltecture GmbH Soltecture GmbH
Abb. 3I: Dünnschichtproben der Firmen Soltecture GmbH und Solarion AG
• Mo-Probe: Mo-Schicht auf Glassubstrat
• P2G-Probe: CIGS- mit Mo- Schicht auf Glassubstrat
• P3G-Probe: TCO-, CIGS- mit Mo- Schicht auf Glassubstrat
• P3F-Probe: ITO-, CIGS- mit Mo- Schicht auf Polyimidsubstrat
Folienprobe

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Mo-Probe P3F - Probe
Substrat Glas Polyimid
Dicke des Substrates 4 mm ca. 25 µm
Format der Probe 5 x 5 cm 2 6 x 6 cm 2
Dicke der Probe ca. 2,1 mm ca. 0,3 mm
Funktionsdünnschicht Mo ITO, CdS, CIGS, Mo
Hersteller Soltecture GmbH Solarion AG
P2G-Probe P3G-Probe
Substrat Glas Glas
Dicke des Substrates 4 mm 4 mm
Format der Probe 5 x 5 cm 2 5 x 5 cm 2
Dicke der Probe ca. 4,2 mm ca. 4,8 mm
Funktionsdünnschicht CdS, CIGS, Mo ZnO, CdS, CIGS, Mo
Hersteller Soltecture GmbH Soltecture GmbH
Einheit
Tabelle 3A: Geometrisches Datenblatt der Glas- und Folienproben
ρ kth Cp k Tsch Tver
[x10 -
3 kg m −3 ]
[W m -1 K -1 ] [x10 -2 J kg -1 K −1 ] [x10 6 m 2 s −1 ] [K] [K]
ZnO 5,68 23 4,9 8,4 2248 2310
ITO 7,12 - - - 1900 -
CdS 4,9 20 - - 1748 -
CIGS 5,77 37 3 2,2 1600 -
Mo 10,2 138 2.5 54 2896 4912
Glass 2,5 0,8 8 0,87 1600 -
PI 1,34 0,31 11 - 400 -
ρ - Dichte, Tsch - Schmelztemperatur, Tver - Verdampfungstemperatur
Cp - Wärmekapazität, kth - Wärmeleitfähigkeit, k - Temperaturleitfähigkeit
Tabelle 3B: Physikalische und thermische Eigenschaften des Probenmaterials
Quelle der Daten: [11-15]

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 16
3.5 Voruntersuchungen
Wie bereits in Kapitel 3.1 erwähnt wird, spielt die Beugungsmaßzahl des verwendeten Laserstrahls
(1/Strahlqualität) M 2 für die Abtragsuntersuchungen von Dünnschichtproben eine wichtige Rolle. Denn,
je kleiner M 2 desto besser ist die Fokussierung. In der Voruntersuchung wird zunächst eine
Strahlmessung durchgeführt. Unter der Beugungsmaßzahl versteht man die Abweichung der Divergenz
vom idealen Gaußstrahl also die Strahlfokussierbarkeit. Zur Berechnung der Fokussierbarkeit des
Gaußprofils lässt sich die folgende Formel verwenden.
⎛ 2 ⋅ λ ⋅ f ⎞ 2
wf = ⎜ ⎟ ⋅ M
⎝ π ⋅ D ⎠ (3.1)
w f -
Strahltaillenradius
λ - Wellenlänge des Lasers
f - Brennweite der Fokuslinse
D - Strahldurchmesser
2
M - Beugungsmaßzahl
Die Ermittlung der Strahlqualität erfolgt durch eine Reihe von Messungen des Strahldurchmessers an
mehreren Stellen entlang des fokussierten Laserstrahls zu gleichen Teilen vor und hinter dem
Fokuspunkt. Für den Versuchsaufbau benötigt man den Laser, eine CCD-Kamera für die
Strahlprofilaufnahme, eine Konvexlinse für die Strahlfokussierung und einen teildurchlässigen
Umlenkspiegel zur Auskopplung eines geringen Teils des Laserlichtes auf den CCD-Sensor sowie
Graugläser für die Strahlabschwächung, um so eine Übersteuerung oder Beschädigung der CCD-
Kamera zu vermeiden. Zu beachten ist, dass die Messwerte von der gewählten Laserleistung abhängig
sind. Das heißt, je geringer die Laserleistung ist, desto kleiner wird der gemessene Strahldurchmesser.
Um die Abweichungen zu minimieren, wird die Leistung bei einem konstant niedrigen Wert von 100 mW
gehalten.
Abb. 3J: Kaustikmessung (Bestimmung von M2) für das Lumera Pikosekunden-Lasersystem
Während der Messung wird der Strahldurchmesser an zehn Stellen entlang der Strahlausbreitungsrichtung
in gleichem Maße vor und hinter dem Fokus mit Hilfe der CCD-Kamera bestimmt. Schließlich
werden mittels der Software `ProfileViewer` die gemessenen Informationen über die Strahlprofile
ausgewertet. Abb. 3J zeigt die gemessenen Ergebnisse in Form eines Kaustik-Diagramms. Im

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 17
vorliegenden Fall wurde für das verwendete Lasersystem eine Beugungsmaßzahl in der Horizontalrichtung
von 1,395 und in der Vertikalrichtung von 1,405 gemessen. Diese Abweichungen zwischen X-
und Y- Richtung liegen innerhalb der Meßgenauigkeit. Die gemessene Beugungsmaßzahl beträgt
M 2 = 1,4 (± 0,05).
Neben der Strahlmessung stellt die Justage des verwendeten Strahlformers (THK) die nächste wichtige
Aufgabe in der Voruntersuchung dar, da das Strahlprofil die Abtragsqualität direkt beeinflusst. Um das
passende TopHat-Profil im Nanomotion-System durch die Justage des THK-30 zu finden, wird auf die
Probe bei f = 10 kHz, e = 6,5 µJ an drei Stellen jeweils mit einem Einzelpuls, 15 Pulsen und 30 Pulsen
geschossen. Nach jedem Abtrag werden die Justage-Schrauben am THK entsprechend gedreht und die
Fokuslage variiert. Die Justage des THK erfolgt durch Erstellen mehrerer solcher Abtragsreihen. Der
THK wird solange ausgerichtet, bis ein rechteckiges TopHat-Profil mit einer Fläche von ca. 900 µm 2 auf
der Probe erzeugt wird. In Abb. 3K wird eine REM-Aufnahme von drei typischen Abtragsreihen auf der
P3F-Probe mittels THK-30 nach der Justage dargestellt.
Pulszahl 1 15 30
z = 8,0 mm
z = 8,1 mm
z = 8,2 mm
Abb. 3K: Abtragsreihen für die Justage des THK-30 in verschiedenen Fokuslagen (z)
Die THK-Justage am Nanomotion-System ist kompliziert und zeitaufwendig. Aufgrund des leicht
variierenden Strahlengangs ergibt sich keine feste Fokuslage im Nanomotion-System, Abweichungen
von über 100 µm sind möglich und mussten täglich kontrolliert werden.
Im Gegensatz zu der THK-Justage im Nanomotion-System ist die Justage im hurrySCAN ® -System mit
THK-50 aufgrund seiner einfachen Konstruktion nicht mehr so zeitintensiv. Darüber hinaus ist das
Scannersystem aufgrund des robusten Aufbaus stabiler. Das bedeutet, dass das einjustiertes THK-
Profil im Scannersystem für mehrere Tage ohne Justage stabil bleibt. Abb. 3L zeigt die Ergebnisse von
zwei Fokustests mit Mo- und P3F-Probe am Nanomotion-System.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 18
Abgetragene
Mo-Probe
Z-Position 8000 µm 8200 µm 8300 µm
Profilbreite 38,86 µm 32,59 µm 28,31 µm
Abgetragene
P3F-Probe
Optimale Top-Hat Position des THK-30
Z-Position 8400 µm 8600 µm 8700 µm
Profilbreite 40,1 µm 32,3 µm 29,2 µm
Laserparameter: Pulsenergie = 6,5 µJ, Repetitionsrate = 10 kHz,
Abb. 3L: Breite im Abtrag an den Mo-und P3F-Proben in Abhängigkeit von der
Fokuslage im Nanomotion-System mit Top-Hat Konverter 30
Es ist ein ähnliches Abtragsverhalten bei beiden Proben zu sehen. Wie durch die mikroskopische
Aufnahme des Abtragsprofils zu erkennen ist, bildet sich im vorliegenden Fall das TopHat-Profil auf der
Mo-Probe bei z = 8,2 mm und auf der P3F-Probe bei z = 8,6 mm, da dort eine rechteckige Fläche von
ca. 900 µm 2 erzeugt wird. Zu beachten ist, dass es aufgrund des Aufbauunterschieds der Probe
unterschiedliche Dicke keine identische Fokuslage für Mo- und P3F-Probe gibt. Bei anderen
Fokuslagen wird das Abtragsprofil stark verformt bzw. verzerrt und somit wird die Intensitätsverteilung
nicht mehr homogen. Weiterhin zu erkennen ist, dass der Bereich in dem man mit Hilfe des THK-30
durch die z-Verschiebung das TopHat-Profil bilden kann eingeschränkt ist und das gebildete TopHat-
Profil nur vor dem eigentlichen Fokus entsteht. Die Ergebnisse der Fokustests mit THK-50 im
hurrySCAN ® -System weisen einen ähnlichen Trend wie die mit THK-30 im Nanomotion-System auf.
Analog zu den Ergebnissen im Nanomotion-System mit THK-30 die in Abb. 3M dargestellt sind, nimmt
die Breite des Abtragsprofils im hurrySCAN ® -System mit THK-50 bei Annäherung an die Fokuslage ab.
Das rechteckige TopHat-Profil mit einer Profilfläche von ca. 2500 µm 2 bei THK 50 bildet sich nur auf
einer bestimmten Fokuslage. Diese Beobachtung stimmt mit den in Kapitel 3.1 beschriebenen THK-
Eigenschaften überein.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 19
Optimale Top-Hat Position des THK-50s
Mo-Probe P2G-Probe P3G-Probe P3F-Probe
B = 51,6 µm B = 53,3 µm B = 53,9 µm B = 54,6 µm
Laserparameter: Pulsenergie = 10 µJ, Repetitionsrate = 10 kHz, Verfahrgeschwindigkeit =
960 µm/s, Einzelpulse
Abb. 3M: Die Breite des Abtragsprofils der Probe in Abhängigkeit von der Fokuslage im hurrySCAN®-System
mit Top-Hat Konverter 50

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 20
4. Einfluss der Laser Prozessparameter
Bei der Laser-Material-Wechselwirkung wird häufig zwischen einer induzierten Modifikation und einem
(eindeutigen) Materialabtrag bzw. Materialverlust am Werkstück unterschieden. Während Abtrag noch
relativ objektiv festgestellt werden kann, hängt die Erkennung einer Laser induzierten „Modifikation“
häufig von der Empfindlichkeit der Analysemethode ab. In diesem Vorhaben wird der selektive Abtrag
einer Schicht in einem komplexen Schichtsystem untersucht. Als Analysemethode erster Wahl dient hier
die optische Mikroskopie, bei der Veränderungen in der Schicht beobachtet werden können, ohne dass
objektiv ein Abtrag vorliegt.
4.1 Einfluss der Pulsenergie (Modifikation und Abtrag)
Abb. 4A zeigt dies am Beispiel der P2G-Probe (siehe Tab. 3a), bei der mittels Laserpulse ein
Linienabtrag mit einer Geschwindigkeit von 1 µm pro Laserpuls durchgeführt wurde. Auf dem
Werkstück liegt eine Gaußverteilung mit einer 1/e 2 Breite von ca. 30 µm vor. Bei einer Pulsenergie von
0,6 bis ca. 1 µm, siehe Abb. 4A links, ist unter diesen Bedingung im optischen Mikroskop im zentralen
Bereich der Linie eine wenige µm Breite „Verfärbung“ der CIGS Schicht erkennbar. Im der darunter
liegenden REM Aufnahme wirkt dieser Bereich „geglättet“. Ein Abtrag ist unter beiden Analysemethoden
nicht eindeutig feststellbar. Erst bei einer Pulsenergie von 3 µJ ist ein signifikanter Abtrag durch das
Hervortreten der darunter liegenden Mo-Schicht feststellbar. Bei 4 µJ manifestiert sich das
Abtragsverhalten: die Mo-Schicht kommt stärker zum Vorschein.
Abb. 4A: Mikroskop- und REM-Aufnahmen des Linienabtrags auf P2G-Proben bei unterschiedlicher Laser Pulsenergie

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 21
In Abb. 4B ist eine REM-Aufnahme vom Laserabtrag auf der P2G-Probe ohne Linearbewegung zu
sehen. Das Intensitätsprofil wird im Abtrag wieder gegeben: im Zentrum ist die Mo-Schicht erkennbar.
Im äußersten Randbereich erscheint die CIGS-Schicht modifiziert, aber nicht abgetragen. Zur Mitte hin
wird ein Abtrag offensichtlicher bis im Zentrum die freigelegte Mo-Schicht sichtbar wird.
Abb. 4B: REM-Aufnahme eines Kraters in der P2G-
Probe nach der stationären Laser Bearbeitung bei 532
nm und 7 ps
Abb. 4C: Einfluss von Geschwindigkeit und Pulsenergie beim
Gauß Profil auf die Spotfläche
Die Untersuchungen zur Modifikation- und Abtragschwelle der transparenten Halbleiterschichten (ITO
und ZnO ) für den P3 Prozess wurden unter gleichen Bedingungen mit der P3G-Probe durchgeführt.
Eine Diskussion zum P3 Prozess erfolgt im Abschnitt 4.2. Die Zwischenergebnisse in 4.1 lassen sich
wie folgt zusammen fassen.
Modifikationsschwelle für den P2-Prozess am CIGS bei 532 nm und 7 ps, Laserfokusdurchmesser
von 30 µm (Gaußprofil)
1,0 µJ bei 10 kHz und 20 µm pro Puls,
0,6 µJ bei 10 kHz und 1 µm pro Puls,
Abtragsschwelle für den P2-Prozess am CIGS bei 532 nm und 7 ps, Laserfokusdurchmesser von
30 µm (Gaußprofil)
4 µJ bei 10 kHz und 20 µm pro Puls
3 µJ bei 10 kHz und 20 µm pro Puls
Modifikationsschwelle für den P3-Prozess am ITO/ZnO auf CIGS bei 532 nm und 7 ps,
Laserfokusdurchmesser von 30 µm (Gaußprofil)
0,8 µJ bei 10 kHz und 20 µm pro Puls,
0,6 µJ bei 10 kHz und 1 µm pro Puls,
Abtragsschwelle für den P3-Prozess am ITO/ZnO auf CIGS bei 532 nm und 7 ps,
Laserfokusdurchmesser von 30 µm (Gaußprofil)
3 µJ bei 10 kHz und 20 µm pro Puls,
2 µJ bei 10 kHz und 1 µm pro Puls

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 22
4.2 Einfluss des Strahlprofils (Gauß und Top-Hat)
Die Untersuchung zur Modifikations- und Abtragschwelle sind auch mit einem Top-Hat Profil
durchgeführt worden, siehe auch den Versuchsaufbau mit dem Nanomotion-System in Abb. 3D. Abb.
4D zeigt das Ergebnisbeispiel für den P2 Prozess die Veränderungen in der CIGS-Schicht in
Abhängigkeit von der Laser Pulsenergie bei 10 kHz und einer Verfahrgeschwindigkeit von 1 µm/Pulse.
Aufgrund der annähernd gleichmäßigen Verteilung der Laserintensität auf 30 µm x 30 µm ist im
Unterschied zu Gaußverteilung eine entsprechend breite Modifikation- bzw. Abtraglinie erkennbar. Eine
Modifikation wird bei ca. 1,0 µJ im Mikroskop beobachtet (nicht bei 0,8 µJ). Bei 2,0 µm wird der
Übergang zum Laser induziertem Abtrag vermutet. Ein relevanter Abtrag ist ab ca. 3 µJ registrierbar.
Die Schwellen liegen ca. 20% höher als bei den vergleichbaren Untersuchungen mit einem Gaußprofil,
wobei im letzteren Fall die Intensität ein Maximum besitzt und somit tendenziell geringere Schwellwerte
erwartet werden.
Abb. 4D: Mikroskop-Aufnahmen des Linienabtrags auf P2G-Proben bei unterschiedlicher Laser Pulsenergie
Interessant ist der Vergleich bei unterschiedlicher Verfahrgeschwindigkeit bzw. Puls-zu-Puls-Überlapp
beim TopHat-Profil, siehe Abb. 4E. Die halb-logarithmische Darstellung von Pulsenergie zur Fläche
wurde im Wesentlichen zum Ergebnisvergleich mit dem Gaußprofil, siehe Abb. 4C, gewählt. Die
durchgezogenen Linien dienen zur besseren Sichtbarmachung des vermeintlichen linearen Anstiegs.
Interessant ist die signifikante Verbreiterung der Linien (bzw. der sichtbaren Veränderung in der CIGS
Schicht) bei steigender Pulsenergie mit einem Top-Hat Profil.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 23
Abb. 4E: Einfluss von Geschwindigkeit und Pulsenergie beim TopHat-Profil auf die Spotfläche
Die Ursache hierfür lässt sich in den Eigenschaften des jeweiligen Abtragprofils finden. Die
Geschwindigkeit führt zu einer großen Variation im Pulsüberlapp. Beim Gaußprofil ist im Zentrum des
Profils die Energiedichte am höchsten und die Intensität nimmt von der Mitte nach außen hin drastisch
ab. Im Gegensatz dazu ergibt sich beim Top-Hat Profil eine homogene Intensitätsverteilung über die
Breite des Profils. Das bedeutet, dass beim Abtrag mit geringer Geschwindigkeit (großem Puls-zu-Puls-
Überlapp) mit dem Top-Hat Profil vermutlich ein größerer Energieeintrag in den Randbereichen der
Linien erzeugt wird. Dies führt zu einer stärkeren Wärmeakkumulation und somit zu einer Verbreiterung
der Linien.
Die Schwellen für Modifikation und Abtrag der P2G-Probe (P2 Prozess) sind in der Tabelle 4A
zusammen gefasst.
(P2G-Probe ) Gaußprofil bei f = 10 kHz Top-Hat Profil bei f = 10 kHz
Modifikationsschwelle in der CIGS-
Schicht
Abtragsschwelle in der CIGS-
Schicht
E ≈ 0,6 bis 1 µJ E ≈ 0,6 bis 1 µJ
E ≈ 3 bis 4 µJ E ≈ 2 bis 4 µJ
Tabelle 4A: Schwelle für Modifikation und Abtrag der P2G Dünnschichtprobe (P2 Prozess)
Die Untersuchungen zur Modifikation- und Abtragschwelle der transparenten Halbleiterschichten (TCO
= ZnO und/oder ITO) für den P3 Prozess wurden mit der P3G-Probe durchgeführt. Abb. 4F zeigt
Mikroskopbilder aus diesen Untersuchungen für den Fall bei 10 kHz und einer Verfahrgeschwindigkeit
von 1 µm/Pulse. Bei 0,5 µJ pro Laserpulse (rechts in der Abbildung) ist unter dem Mikroskop mit dem
bloßen Auge eine Modifikationsspur gerade erkennbar, die bei 1 µJ dann deutlich sichtbar wird. Ein
Abtrag ist hier noch nicht aufgetreten, die ZnO-Schicht erscheint noch intakt, die eigentliche Modifikation
scheint nur in der darunter liegende CIGS-Schicht aufzutreten. Bei einer Einzelpulsenergie von 1,5 µJ
beginnt sich die ZnO-Schicht abzulösen und die CIGS-Schicht kommt zum Vorschein. Die Mo-Schicht
erscheint vereinzelt in der Linie bei der Pulsenergie von ca. 3 bis 4 µJ. Im Rahmen des Vorhabens

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 24
sollte geklärt werden, ob beim P3-Prozess der Abtrag bis zu CIGS-Schicht oder sogar bis zur Mo-
Schicht (wie bei der Nadelritzung bzw. im P2-Prozess) gewünscht wird.
Abb. 4F: Mikroskop-Aufnahmen des Linienabtrags auf P3G-Proben bei unterschiedlicher Laser Pulsenergie
(P3G-Probe ) Gaußprofil bei f = 10 kHz Top-Hat Profil bei f = 10 kHz
Modifikationsschwelle in der ZnO-
Schicht
E ≈ 0,8 µJ E ≈ 1 µJ
Abtragschwelle in der ZnO-Schicht E ≈ 1,5 bis 2 µJ E ≈ 2,5 bis 3 µJ
Tabelle 4B: Schwelle für Modifikation und Abtrag der P3G Dünnschichtprobe (P3 Prozess)

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 25
4.3 Einfluss der Wiederholrate (10 bis 500 kHz)
In dieser Untersuchung wurden die P3G- sowie die P3F-Proben mittels Gauß- und Top-Hat Profil
bearbeitet. Dabei wurde bei identischen Laserparametern die Repetitionsrate von 10 bis 400 kHz
variiert. Auch der Pulsabstand auf 0,4 µm/Pulse wurde durch Anpassung der Verfahrgeschwindigkeit
festgehalten. In Abb. 4G werden Einzelergebnisse dieser Untersuchung vorgestellt.
Linienabtrag auf der P3G-Probe mittels Gaußprofil
Mo Mo Mo Mo Mo/Glas
f = 10 kHz f = 50 kHz f = 100 kHz f = 200 kHz f = 400 kHz
B = 43 µm B = 43 µm B = 44 µm B = 44 µm B = 42 µm
Linienabtrag auf der P3G-Probe mittels Top-Hat Profil
Mo CIGS/Mo CIGS/Mo CIGS/Mo CIGS/Mo
f = 10 kHz f = 50 kHz f = 100 kHz f = 200 kHz f = 400 kHz
B = 51 µm B = 56 µm B = 58 µm B = 62 µm B = 68 µm
B – Kanalbreite, f – Repetitionsrate
Abb. 4G: Mikroskop-Aufnahmen des Linienabtrags auf P3G-Proben, Abtragskanäle mit Gauß- und TopHat-Profil in
Abhängigkeit von der Repetitionsrate. Laserparameter: 532 nm @ 7ps, Pulsenergie = 6 µJ, Pulsabstand = 0.4 µm,
Pulsüberlapp = 98 %
Die Ergebnisse zeigen einen großen Unterschied im Verlauf der Abtragsbreite zwischen diesen beiden
Strahlprofilen. Abb. 4H zeigt die vermessenen Kanalbreiten bei der Repetitionsrate von 10 und 400 kHz.
Beim Einsatz eines TopHat-Profils (hier mit Scanner 50µm x 50µm) nimmt die Kanalbreite mit
steigender Repetitionsrate die zu, während diese beim Gaußprofil konstant bei ca. 44 µm verbliebt.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 26
Abb. 4H: Diagramm der Kanalbreite der beiden Strahlprofile in Abhängigkeit von der Repetitionsrate, Laserparameter:
532 nm @ 7ps, Pulsenergie = 6 µJ, Pulsüberlapp = 98 %, Pulsabstand = 0.4 µm
Die Ergebnisse der P3F-Probe sind in den Abb. 4H und 4I dargestellt. Sie weisen einen vergleichbaren
Zusammenhang auf wie die Proben auf Glassubstrat. Mit steigender Repetitionsrate sind zudem in der
Mitte des Kanals eindeutige Rissbildungen in der Mo-Schicht zu erkennen. Ursache hierfür sind
vermutlich thermische Effekte durch Wärmeakkumulation. Im Vergleich zu der Glasprobe wirken sich
die thermischen Effekte auf die Mo-Schicht mit zunehmender Repetitionsrate auf der Folienprobe
stärker aus. Dies ist auf die physikalischen und thermischen Eigenschaften des jeweiligen verwendeten
Substrats zurückzuführen. Da die Wärmeleitfähigkeit kth des Polymersubstrats viel niedriger ist als die
des Glassubstrates (Siehe Tabelle 3B), führt dies zu einer stärkeren Wärmeakkumulation in den
darüber liegenden Schichten.
Linienabtrag auf der P3F-Probe mittels Gauß Profil
Mo Mo Mo Mo Mo/Polyimid
f = 10 kHz f = 50 kHz f = 100 kHz f = 200 kHz f = 400 kHz
B = 46 µm B = 45 µm B = 45 µm B = 48 µm B = 54 µm
Linienabtrag auf P3F-Probe mittels Top-Hat Profil
Mo Mo CIGS/Mo Mo Mo/Polyimid
f = 10 kHz f = 50 kHz f = 100 kHz f = 200 kHz f = 400 kHz
B = 51 µm B = 50 µm B = 49 µm B = 55 µm B = 72 µm
B – Kanalbreite, f – Repetitionsrate
Abb. 4I: Mikroskop-Aufnahmen des Linienabtrags auf P3F-Proben. Abtragskanäle auf P3F-Probe mittels Gauß- und
TopHat-Profil in Abhängigkeit von der Repetitionsrate, Laserparameter: 532 nm @ 7ps, Pulsenergie = 6 µJ,
Pulsüberlapp = 98 %,Pulsabstand = 0,4 µm

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 27
Abb. 4J: Diagramm zur Abtragskanalbreite auf P3F-Probe mittels beider Strahlprofile in Abhängigkeit von der
Repetitionsrate. Laserparameter: 532 nm @ 7ps, Pulsenergie = 6 µJ, Pulsüberlapp = 98 %, Pulsabstand = 0,4 µm
Abb. 4K: Mikroskop- und REM-Aufnahmen des Linienabtrags auf P2G-Proben nach der Laserbearbeitung bei 532 nm
und 7 ps (Top-Hat Profil) bei unterschiedlicher Pulsenergie
In Abb. 4K sind die typischen Ergebnisse zum P2-Prozess bei 10 kHz (oben) und 500 kHz (unten) unter
Top-Hat Profil an der P2G-Probe dargestellt. Ziel ist ein selektiver Abtrag der CIGS-Schicht von der
(intakten) Mo-Schicht mit möglichst hoher Verfahrgeschwindigkeit. Bei der Repetitionsrate von 10 kHz
ist das Potential eines selektiven Abtrags in der Abb. 4K bereits gut erkennbar, jedoch zunächst bei

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 28
einer entsprechend langsamen Verfahrgeschwindigkeit von 20 mm/s. Zudem wird bei einer Pulsenergie
von 3 bis 4 µJ das Pikosekunden-Lasersystem bei 10 kHz kaum ausgelastet, denn die mittlere Leistung
beträgt hier nur maximal 400 mW, ein Bruchteil der verfügbaren Leistung. Für eine zukünftige
Anwendung sind Repetitionsraten von 500 kHz oder höher interessant. Allerdings unterscheidet sich
das „Abtragsergebnis“ nun signifikant vom Einsatz bei 10 kHz, trotz identischem räumlichen Puls-zu-
Puls-Abstand (Verfahrgeschwindigkeit ist bei 500 kHz im Vergleich zu 10 kHz um Faktor 25x auf 200
mm/s erhöht worden). Die CIGS-Schicht erfährt bereits bei geringer Pulsenergie eine „Umwandlung“,
die einen selektiven Abtrag deutlich erschwert bzw. fast unmöglich macht. Bei Betrachtung der
Aufnahmen aus dem optischen Mikroskop und der REM-Analyse kann man ableiten, dass die CIGS-
Schicht ein typisches Strukturbild einer Schmelze zeigt. Diese geschmolzene Schicht lässt sich
anscheinend nicht mehr Puls für Puls abtragen, sondern „zerreißt“ und zerstört dabei die darunter
liegende Mo-Schicht. Ein präziser und selektiver Abtrag ist hier noch nicht erkennbar. Offensichtlich
macht es im P2-Prozess einen großen Unterschied, ob bei einem Puls-zu-Puls-Überlapp von 98% die
Pikosekunden-Laserpulse erst nach 100 µs eintreffen (10 kHz) oder bereits innerhalb von 4 µs (500
kHz). Für hochrepetierende Laserpulse wird ein Lösungsansatz für eine erfolgreiche Umsetzung verfolgt,
der in Abschnitt 4.5 vorgestellt ist.
4.4 Einfluss von 50 MHz Pulszügen
Eine wichtige Fragestellung im Vorhaben ist die Effizienzsteigerung unter Einsatz von Pulszügen. Das
Pikosekunden-Lasersystem bietet die Möglichkeit, nicht nur Einzelpulse zu verstärken, sondern auch
ganze Pulszüge mit einem Pulsabstand von 20 ns (50 MHz Wiederholrate im Pikosekunden-Oszillator
vor der Verstärkung). Die Anzahl der Pulse in diesem Pulszug ist ansteuerbar. Die gemessene Leistung
bzw. Gesamtenergie pro Pulszug ist in erster Näherung auf die Anzahl der Einzelpulse im Pulszug
aufzuteilen. In Abb. 4L ist ein typisches Beispiel vom Laserschichtabtrag unter Einsatz eines Pulszugs
mit N = 7 Pulsen mit je 3,6 µJ dokumentiert. Man erkennt deutlich den unvollständigen Abtrag der CIGS
Schicht bzw. die Rissbildungen in der darunter liegenden Mo-Schicht. Ein Prozessfenster für einen
selektiven und präzisen Schichtabtrag mit den 50 MHz Pulszügen konnte in diesem Vorhaben nicht
identifiziert werden. Der kurze Zeitabstand von 20 ns im Pulszug ist für die Schichtbearbeitung
zumindest bei den Dünnschicht-Halbleitermaterialien offensichtlich eher kontraproduktiv. Die
Ergebnisse gleichen im Übrigen denen aus der Anwendung mit 500 kHz (Abschnitt 4.3), bei der die
„Umwandlung“ der CIGS-Schicht einen kontrollierten Laser induziertem Abtrag entgegen steht.
Abb. 4L: Mikroskop-Aufnahmen des Linienabtrags auf den P2G –Proben nach der Laserbearbeitung bei 532 nm und 7
ps (mit einem 50 MHz Pulszug von 7 Pulsen)

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 29
4.5 Einfluss der Zyklen-Anzahl
Um eine Reduzierung des Wärmeeintrags zu erreichen, wurden Versuche durchgeführt, den
Energieeintrag pro Zeiteinheit zu reduzieren. Dafür wurde der Puls-zu-Puls Abstand vergrößert und die
Pulsenergie verringert. Um bei hohen Repetitionsraten die entsprechend hohe Verfahrgeschwindigkeit
einstellen zu können, muss auf Scannerablenkung zurückgegriffen werden. Mit dieser Methode genügt
nicht ein einmaliger Durchgang, um z.B. die CIGS Schicht bis zur Mo-Schicht abzutragen, sondern es
die Abtragslinie wurde mehrfach abgefahren. Mit anderen Worten, die Zyklenanzahl wurde von N = 1
auf N = 2 bis 20 erhöht. Eine typische Auswahl der Ergebnisse für den P3-Prozess mit Abtrag bis auf
Mo (also auch gut vergleichbar mit dem P2-Prozess) ist in Abb. 4M dargestellt.
Linienabtrag auf der P3G-Probe mit mehrfacher Zyklenanzahl
Top-Hat Profil (THK-50) Gauß Profil
Hellfeld Dunkelfeld
Laserparameter: Repetitionsrate = 400 kHz, Pulsenergie = 5 µJ, Zyklenzahl N = 3,
Verfahrgeschwindigkeit = 800 mm/s, Effektive Verfahrgeschindigkeit = 267 mm/s
Linienabtrag auf der P3F-Probe mit mehrfacher Zyklenzahl
Top-Hat Profil (THK-50) Gauß Profil
Laserparameter: Repetitionsrate = 200 kHz, Pulsenergie = 5,5 µJ,Zyklenzahl N = 4,
Verfahrgeschwingiekeit = 926 mm/s, , Effektive Verfahrgeschindigkeit = 231 mm/s
Abb. 4M: Mikroskop-Aufnahmen des Linienabtrags auf P3G und P3F-Proben Abtrag der Probe mittels Gauß und Top-
Hat Profil mit mehrfacher Zyklenanzahl
Vergleicht man die Abtragskanäle der P3G-Probe so zeigt sich, dass mit Gaußprofil die P3G-Probe bis
zum Glassubstrat (P4-Prozess) abgetragen wird, während mit dem TopHat-Profil der gewünschte P3-
Prozess bis zur Mo-Schicht der Probe erzielt wird. Die Ursache hierfür ist, wie bereits in Kapitel 4.1
erwähnt, die hohe Energiedichte im Zentrum des Gaußprofils, welche in der Mitte des Abtragskanals die
Abtragsschwelle für Mo erreicht. Dies ist beim Top-Hat Profil nicht der Fall. Ein ähnliches
Abtragsverhalten zwischen Gauß- und TopHat-Profil zeigt sich bei der P3F-Probe bei 200 kHz
Repetitionsrate. Die bei hoher Repetitionsrate resultierenden thermischen Effekte sind durch die
Rissbildung in Mitte der Abtragskanäle mit Gaußprofil gut zu erkennen (Siehe Abb. 4M). Gegenüber der
P3G-Probe sind aufgeschmolzene Tröpfchen des CIGS im Abtragskanal der P3F-Probe zu erkennen.
Dies ist auf die Inhomogenität der Oberfläche zurückzuführen, die zu einem ungleichmäßigen
Energieeintrag, und somit Abtragsverhalten, führt. Zu beachten ist auch, dass auf der P3F-Probe
(Folienträger) bei 400 kHz die Schichten durch die hohe Wärmeakkumulation (siehe auch Kapitel 4.6)
stark aufgeschmolzen und zerstört werden, sodass bei der P3F-Probe die Untersuchungen auf
maximal 200 kHz beschränkt wurde.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 30
4.6 Einfluss des Trägermaterials
Wie bereits in Kapitel 3.2 beschrieben, wurden für die Abtragsuntersuchungen Proben zweier Hersteller
verwendet, die sich durch das verwendete Trägermaterial unterscheiden: CIGS-Dünnschichtsolarzellen
auf einem Glassubstrat und Polymersubstrat. Die Untersuchung zum Einfluss des Trägermaterials
erfolgt durch die Variation der Laserparameter jeweils an einer P2G-, P3G- und P3F-Probe mit dem
hurrySCAN ®-System mit THK-50. In der ersten Versuchsreihe wird die Pulsenergie von 2 bis 6 µJ bei
sonst festgehaltenen Laserparametern in 1 µJ Schritten variiert. Die Ergebnisse sind in Abb. 4M
zusammengefasst.
Freigelegte Mo-Schicht des Isolationskanals im Abtragsprozess mit P2G-Probe
CIGS CIGS/Mo Mo Mo Mo
e = 2 µJ e = 3 µJ e = 4 µJ e = 5 µJ e = 6 µJ
Freigelegte Mo-Schicht des Isolationskanals im Abtragsprozess mit P3G-Probe
CIGS CIGS/Mo CIGS CIGS/Mo Mo
e = 2 µJ e = 3 µJ e = 4 µJ e = 5 µJ e = 6 µJ
Freigelegte Mo-Schicht des Isolationskanals im Abtragsprozess mit P3F-Probe
CIGS CIGS/Mo CIGS/Mo Mo Mo
e = 2 µJ e = 3 µJ e = 4 µJ e = 5 µJ e = 6 µJ
Kanalbreite aller Proben mit Top-Hat Profil bei 98 % Pulsüberlapp ≈ 52 µm,
Laserparameter: Repetitionsrate = 10 kHz, Pulsabstand = 0,4 µm, Pulsüberlapp = 98 %
Abb. 4M: Mikroskop-Aufnahmen des Linienabtrags auf P2G, P3G und P3F-Proben in Abhängigkeit von der
Einzelpulsenergie mit THK 50 am hurrySCAN®-System
Vergleicht man zunächst die Ergebnisse der P2G- und P3G-Proben miteinander, so fällt auf, dass bei
identischer Prozessparametereinstellung auf der P2G-Probe ein guter Abtrag bis zur Mo-Schicht erzielt
werden kann, wohingegen der Abtragsprozess auf der P3G-Probe eingeschränkt wird, sodass keine
saubere Mo-Fläche freigelegt wird (siehe Abb. 4G). Dies weist darauf hin, dass die transparente
Halbleiterschicht (TCO) auf der P3G-Probe beim Laserabtrag trotz Transparenz für die verwendete
Wellenlänge einen großen Einfluss hat. Betrachtet man nun die Ergebnisse der P3F-Probe
(Folienträger) mit denen der beiden Glasproben, wird ein sehr ähnliches Abtragsverhalten der P3F- und
P2G-Probe beobachtet. Dies zeigt, dass sich der Einfluss der TCO-Schicht offensichtlich in diesem Fall
nicht so stark auswirkt. Dieses Phänomen könnte einerseits auf die Haftung der jeweiligen TCO- bzw.
CIGS-Schichten, andererseits auf die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der
funktionsfähigen Schichten der Probe zurückzuführen sein.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 31
Generell wird bei allen untersuchten Proben beobachtet, dass die Menge der abgetragenen CIGS-
Materialien mit steigender Pulsenergie zunimmt. Wichtig sind die Parameter für einen
schichtspezifischen, kontrollierten Abtrag zu finden. Mit 6 µJ Pulsenergie, 10 kHz Repetitionsrate und
einem 0,4 µm Pulsabstand kann der Abtrag der P2G-Probe im P2-Prozess erfolgen und bei der
gleichen Laserparametereinstellung kann der P3-Prozess auf der P3F-Probe erzielt werden.
Weitere Ergebnisse zeigt Abb. 4N. In dieser Versuchsreihe wurde die Repetitionsrate von 10 bis
400 kHz bei 5 µJ Pulsenergie und 0,8 µm Pulsabstand variiert. Im Allgemeinen weisen die Ergebnisse
ein ähnliches Abtragsverhalten der P2G- und P3F-Proben auf, da sich die Kanalspuren sich in beiden
Proben mit steigender Repetitionsrate verbreitern. Jedoch unterscheiden sich die Abtragskanäle beider
Proben durch die Rissbildungen. Vergleicht man die P2G- mit der P3F-Probe, fällt auf, dass mit
steigender Repetitionsrate in der Mo-Schicht der Kanäle auf der P3F-Probe eindeutige Rissbildungen
zu erkennen sind. Dies ist möglicherweise auf die Dicke des jeweiligen Substrats und die damit
verbundenen Materialeigenschaften zurückzuführen, da einerseits die Wärmeleitfähigkeit sowie die
Wärmekapazität des Polymersubstrates gegenüber dem Glas zwar besser sind, andererseits die
mechanische Belastbarkeit der Schichten auf dem Glassubstrat der auf dem flexiblen Polymersubstrat
überlegen ist.
Freigelegte Mo-Fläche des Isolationskanals der P2G-Proben
Mo Mo/CIGS Mo/CIGS Mo/CIGS Mo/CIGS
Freigelegte Mo-Fläche des Isolationskanals der P3G-Proben
Mo/CIGS CIGS CIGS Mo/CIGS Mo/CIGS
Freigelegte Mo-Fläche des Isolationskanals der P3F-Proben
Mo Mo Mo/CIGS Mo Mo
Repetitionsrate
f = 10 kHz f = 50 kHz f = 100 kHz f = 200 kHz f = 400 kHz
Zeit zwischen zwei Pulsen
t = 100 µs t = 25 µs t = 10 µs t = 5 µs t = 2.5 µs
Kanalbreite aller Proben bei 10 kHz Repetitionsrate ≈ 52 µm,
Laserparameter: Pulsenergie = 6 µJ, Pulsüberlapp = 98 %, Pulsabstand = 0.4 µm
Abb. 4N: Mikroskop-Aufnahmen des Linienabtrags auf P2G, P3G und P3F-Proben. Einfluss der Repetitionsrate auf
Abtrag und Spurbreite beim Abtrag auf den P2G-,P3G- und P3F-Proben mit THK-50 im hurrySCAN®-System
Aufgrund der besseren mechanischen Beständigkeit des Glassubstrats im Vergleich zu den Folien kann
Letzteres die durch die hohe Repetitionsrate resultierenden Spannungen bzw. Schockwellen besser
absorbieren (siehe Kapitel 3.2). In Tabelle 4C sind die Laserparameter verschiedener

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 32
Strukturierungsprozesse in den jeweils verwendeten Systemen zusammengefasst. Vergleicht man die
Ergebnisse miteinander, zeigt sich unter dem Mikroskop und in der REM-EDX-Analyse, dass ein
präziser und selektiver Abtragskanal auf der P3F-Probe nur bei einer relativ niedriger Repetitionsrate
10 kHz mit großem Überlapp = 98% hergestellt werden kann, siehe Abb. 4O.
Abb. 4O: REM-EDX-Aufnahmen zur Elementverteilung der P3F-Probe nach der Pikosekunden-Laserbearbeitung bei 10
kHz und 20 mm/s. Die Prozessparameter wurden so gewählt, dass der Abtrag der ZnO/ITO-Schicht und der CIGS-Schicht
bis zur Mo-Schicht erfolgte.
Auf den Glasproben (P2G, P3G) mit dem THK im hurrySCAN ® -System können aber auch noch bei
hohen Repetitionsraten bis zu 400 kHz saubere Kanäle erzeugt werden, wenn man eine hohe
Verfahrgeschwindigkeit mit einer ausreichenden Zyklenanzahl kombiniert. Dies deutet darauf hin, dass
die Prozesseffizienz mit dem THK-50 in Kombination mit dem hurrySCAN ® geeigneter ist, als die der
Einsatz des THK-30 mit dem Nanomotion-System.
Die Untersuchungsergebnisse bestätigen, dass der Abtrag bei den verwendeten Parametern, im
Hinblick auf hohe Prozesseffizienz auf Glasproben eher durchführbar ist als auf Folienproben.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 33
P3-Prozess bis zur CIGS-Schicht
der P3F-Probe
P3-Prozess bis zur Mo-Schicht
der P3F-Probe
P4-Prozess bis zur Mo-Schicht
der P3F-Probe
P2-Prozess bis zur Mo-Schicht
der P2G-Probe
P3-Prozess bis zur CIGS-Schicht
der P3G-Probe
P3-Prozess bis zur Mo-Schicht
der P3G-Probe
P3-Prozess bis zur CIGS-Schicht
der P3F-Probe
P3-Prozess bis zur Mo-Schicht
der P3F-Probe
Strukturierungsprozess im Nanomotion-System mit THK-30
f = 50 kHz, E = 2 µJ, v = 100 mm/s,
N = 1, PA = 2 µm, veff = 100 mm/s
f = 20 kHz, e = 6 µJ, v = 16 mm/s,
N = 1, PA = 0.8µm, veff = 16 mm/s
f = 100 kHz, e = 6 µJ, v = 40 mm/s,
N = 1, PA = 0.4 µm, veff = 40 mm/s
Der Mittelwert der Kanalbreite mit THK-30 ca. 30 µm
Strukturierungsprozess im hurrySCAN®-System mit THK-50
f = 400 kHz, E = 3.7 µJ, v = 810 mm/s,
N = 3, PA = 2 µm, veff = 270 mm/s
f = 400 kHz, E = 3 µJ, v = 3240 mm/s,
N = 2, PA = 8.1µm, veff = 1620 mm/s
f = 400 kHz, E = 3.7 µJ, v = 810 mm/s,
N = 3, PA = 2 µm, veff = 270 mm/s
f = 400 kHz, E = 5 µJ, v = 3240 mm/s,
N = 2, PA = 8 µm, veff = 1620 mm/s
f = 10 kHz, E = 6 µJ, v = 16 mm/s,
N = 1, PA = 1,6 µm, veff = 16 mm/s
Der Mittelwert der Kanalbreite mit THK-50 liegt bei ca. 52 µm
Tabelle 4C: Zusammenfassung der Ergebnisse des Strukturierungsprozesses mit THK

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 34
4.7 Zusammenfassung der Voruntersuchung
Die Untersuchungen zu dem Einfluss der unterschiedlichen Prozessparameter beim Einsatz von 7 ps
Laserpulsen bei 532 nm lassen sich für die Herstellung von Isolationskanäle mit einer Breite von 30 bis
50 µm (Prozess P2 und P3) wie folgt zusammen fassen:
• Die Laserenergie pro Puls (bzw. die Energieflussdichte) sollte einen Grenzwert von 8 µJ nicht
überschreiten. Zur Optimierung der Bearbeitungsqualität und Reproduzierbarkeit wird ein
Bearbeitungsintervall von 3 bis 5 µJ empfohlen (entspricht ca. 200 mJ/cm 2 bei 50x50 µm2)
• Der empfohlene Laserpulsenergiebereich liefert einen CIGS Abtrag von ca. 30 bis 40 nm pro
Laserpuls, d.h. bei einer CIGS-Schichtdicke von 2 µm werden entlang der Isolationskante
durchschnittlich ca. 50 Laserpulse benötigt. Eine höhere Abtragsrate (bei z.B. größerer Pulsenergie)
führt zu einer zu starken Schwächung bzw. lokalen Zerstörung der darunter liegenden Mo-Schicht.
• Eine stärkere Mo-Schicht, z.B. 1,0 statt 0,5 µm Schichtdicke, unterstützt die notwendige Selektivität
beim CIGS Abtrag bzw. zur Absicherung des P2 Prozesses (und ggf. P3 Prozess, falls dieser bis
zur Mo-Schicht gewünscht wird).
• Das Abtragsverhalten der CIGS-Schicht ändert sich signifikant mit zunehmender Laser
Wiederholrate, auch bei einer Einhaltung des räumlichen Puls-zu-Puls Abstands (Anpassung der
Verfahrgeschwindigkeit). Die Materialreaktion zeigt große Unterschiede bei einem zeitlichen
Pulsabstand von 0,5 ms (10 kHz) oder 0,05 ms (100 kHz). Ein präziser CIGS Abtrag wird bei
höheren Wiederholraten aufgrund der zunehmenden Tendenz einer Schichtverschmelzung
erschwert. Somit ist bei höheren Wiederholraten, z.B. 400 kHz, ein deutlich größerer Puls-zu-Puls-
Abstand notwendig, der mehrere Durchläufe bzw. Anzahl von Zyklen für einen vollständigen
Schichtabtrag mit sich bringt.
• 50 MHz Pulszüge (20 ns Pulsabstand) eignen sich nicht für einen kontrollierten bzw. selektiven
Schichtabtrag von CIGS. Ein geeignetes Prozessfenster für P2 (oder P3 bis zum Mo) konnte nicht
identifiziert werden.
• Die Vor- und Nachteile eines optischen Scannersystems mit Top-Hat Profil gegenüber einer
konventionellen Gauß Scanneroptik sind: die Ränder des Isolationskanals sind bei moderater
Pulsenergie (< 5 µJ) besser definiert, die Mo-Schicht wird gleichmäßiger „belastet“, der
Justageaufwand ist höher aufgrund der erforderlichen genauen Positionierung der Optiken relativ
zum Werkstück, der Wärmeeintrag an den Rändern nimmt bei höherer Pulsenergie (> 5 µJ) stärker
zu.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 35
5. Plasma-Emissionsspektren
Das beim Abtrag der Dünnschichtproben entstehende Plasma kann zur Online-Kontrolle des
Abtragsprozess genutzt werden. Zur Überprüfung dieser Möglichkeit wurden Abtraguntersuchungen mit
den Dünnschichtproben (Mo-, P2G- und P3G-Probe) am Nanomotion-System durchgeführt
(Versuchsaufbau siehe Abb. 3G). Jede Einzelprobe wird mit Mehrfachzyklen abgetragen. In Abb. 5A
sind die Spektren-Diagramme der Molybdän-Probe jeweils während des 1., 3., 6. und 9. Zyklus
zusammengestellt. In den Spektren ist eindeutig zu erkennen, dass bei einem einfachen Zyklus nur die
Mo-Emissionslinien mit schwacher Intensität zu sehen sind. Im 3. Zyklus treten die Mo-Emissionslinien
mit stärkster Intensität auf. Beim fortgesetzten Abtrag der Mo-Schicht bis zum Glassubstrat der Probe
bei Zyklenzahl 9 sind keine Mo-Emissionslinien mehr zu registrieren.
Abb. 5A: Plasma-Spektren während des Laserabtrages einer CIGS-Schicht, gemessen im jeweiligen Zyklus, sowie
Mikroskop-Aufnahmen der dazugehörigen Kanäle Emissionslinien beim Laserabtrag der Mo-Probe mit THK-50 und
Scannersystem unter Variation der Zyklenanzahl von 1x bis 12x. Laser Parameter: 532 nm und 7 ps, Repetitionsrate = 10
kHz, Pulsenergie = 3 µJ. Repetitionsrate = 10 kHz, Pulsenergie = 3 µJ
Die Ergebnisse in diesem Versuch zeigen, dass das Plasma-Spektrum für die Online-Kontrolle des P1-
Prozesses als Referenz verwendet werden kann.
Der in Kap. 3 beschriebene Aufbau für die spektroskopischen Analysen wurde parallel zu den in Kap. 4
beschriebenen Abtragsuntersuchungen durchgeführt. Während des Laserabtrages das entstehende
Plasma im Materialabtrag registriert. Die Umsetzungsstrategie, die Isolationskanäle (P2 und P3) in
einem Durchgang auszuführen, induziert ein Plasma, bei dem sowohl die Indium- als auch die Mo-
Emissionslinien im Plasmaspektrum beobachtet werden. Eine Aussage über den Zeitpunkt, wann die

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 36
CIGS-Schicht vollständig entfernt ist und ein (unerwünschter) signifikanter Molybdänabtrag einsetzt ist
möglich, wenn der Abtrag durch mehrere Durchläufe des Laserstrahles realisiert und bei jedem
Durchlauf das Plasmaspektrum beobachtet wird.
Bei moderater Pulsenergie und geringem Puls-zu-Puls-Überlappung tauchen beim CIGS-Abtrag starke
In-Linien im Spektrum auf. Je weiter der CIGS-Abtrag voranschreitet, desto schwächer werden die In-
Linien und Mo-Linien. Zudem dominiert im Spektrum mit fortschreitendem Abtrag immer mehr der
Untergrund. Für diese Untersuchung eignet sich die Konzentration auf ein Beobachtungsfenster von
380 bis 460 nm.
In Abb. 5B sind die Spektren der P3G-Probe jeweils während des 1., 4., 6. und 12. Zyklus zusammengefasst.
Vergleicht man hier das Diagramm des 1. Zyklus mit dem in Abb. 5A, fällt auf, dass bei der
P3G-Probe bereits beim ersten Teilabtrag zwei eindeutige Indium-Emissionslinien zu erkennen sind,
obwohl noch ZnO bzw. auch ITO auf dem CIGS aufliegt. Zinn oder Zink Linien sind jedoch auch bei
höherer Zyklenanzahl nicht erkennbar. Stattdessen nimmt die Intensität der Indium-Linien zu und im
Untergrundsignal werden nach 4x Durchlauf sogar die ersten Mo-Linien sichtbar.
Dieses Ergebnis ist ein Indiz dafür, dass der Laserstrahl durch erste Halbleiterschicht TCO (ZnO/ITO)
dringt und direkt in die darunter liegende CIGS-Schicht einkoppelt. Optische Untersuchungen der
Kanäle legten nahe, dass die transparente Halbleiterschicht TCO abplatzt und nicht verdampft wird, was
durch das Fehlen von Linien im Plasma-Spektrum bestätigt wird. Aufgrund des hohen prozentualen
Anteils an Indium in der CIGS-Schicht ergeben sich die beiden In-Emissionslinien mit starker Intensität.
Abb. 5B: Plasma-Spektren während des Laserabtrages einer CIGS-Schicht, gemessen im angebenden Zyklus, sowie
Mikroskop-Aufnahmen der dazugehörigen Kanäle. Emissionslinien beim Laserabtrag der P3G-Probe mit THK-50 und
Scannersystem unter Variation der Zyklenanzahl von 1x bis 12x. Laser Parameter: 532 nm und 7 ps, Repetitionsrate = 10
kHz, Pulsenergie = 3 µJ

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 37
Im Spektrum des 4. Zyklus und der entsprechenden Mikroskop-Aufnahme des abgetragenen Kanals ist
gut zu erkennen, dass noch Reste der CIGS-Schicht im Kanalbereich über der gelbfarbigen Mo-Schicht
verbleiben. Im Gegensatz dazu zeigt die Mikroskop-Aufnahme des abgetragenen Kanals im 6. Zyklus
einen sauberen Abtrag bis zur Mo-Schicht der P3G-Probe. Jedoch werden trotz der freigelegten CIGS-
Schicht noch In-Emissionslinien im Diagramm detektiert. Hierbei handelt es sich vermutlich um Abtrag
im Randbereich des Kanals. Im Vergleich zum Spektrum im 4. Zyklus weist das Spektrum im 6. Zyklus
aber eindeutige Molybdän-Emissionslinien mit deutlich höherer Intensität auf. Beim 12. Zyklus sind
keine eindeutigen Emissionslinien im Spektrum zu identifizieren. Man erkennt aus der Mikroskop
Analyse, dass die Schichten nun komplett bis zum darunterliegenden Glassubstrat abgetragen wurden.
Wie bereits in Kapitel 3.2 erwähnt, unterscheidet sich die P2G- von der P3G-Probe nur im Fehlen der
ZnO-Schicht. Mit identischen Abtrags- und Laserparametern wird die gleiche Untersuchung mit der
P2G-Probe am Nanomotion-System durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Abb. 5C zusammengestellt.
Im Vergleich zu den Ergebnissen mit der P3G-Probe in Abb. 5B weist die P2G-Probe beim Abtrag sehr
ähnliche Ergebnisse auf. Die In-Emissionslinien wirken im identischen Zyklus 4X (Abb. 5B)
ausgeprägter, da aufgrund der fehlenden ZnO-Schicht der P2G-Probe die Abtragseffizienz verbessert
ist.
Abb. 5C: Plasma-Spektren während des Abtrages einer CIGS-Schicht, gemessen in jeweiligem Zyklus, sowie Mikroskop-
Aufnahmen der dazugehörigen Kanäle. Emissionslinien beim Laserabtrag der P2G-Probe mit THK-50 und Scannersystem
unter Variation der Zyklenanzahl von 1x bis 12x. Laser Parameter: 532 nm und 7 ps, Repetitionsrate = 10 kHz,
Pulsenergie = 3 µJ
Anhand der Spektren der Versuche konnte gezeigt werden, dass die Ergebnisse für eine Online-
Kontrolle des P2-Prozesses verwendet werden können. Auch eine Kontrolle des P3-Prozesses mittels
Plasmaspektroskopie ist möglich, wenn der Abtrag bis zur Mo-Schicht gefordert wird. Allerdings ist im
P3-Prozess ein Abtrag der transparenten Halbleiterschicht nur bis zur CIGS-Schicht prinzipiell

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 38
ausreichend. Beim Einsatz von Pikosekunden-Laserpulsen bei 532 nm konnten jedoch keine Zinn- oder
Zink-Emissionslinien für eine online Kontrolle identifiziert werden. Diese Situation könnte sich aber bei
einer anderen Laserwellenlänge (355 oder 1064 nm) ändern, da dann eine direkte Einkopplung der
Laserenergie in die (und eine Verdampfung) der TCO Schicht eher wahrscheinlich.
Zur Evaluierung der Plasmaemission wurde in diesem Vorhaben die Korrelationsmethode
angewendet. Diese Methode ist ein statistisches Messverfahren. Sie misst den Grad der Ähnlichkeit
zwischen einer Messreihe im Versuch und einer Referenz [16] und lässt sich durch die folgende Formel
berechnen.
(5.1)
Der Korrelationskoeffizient r zeigt das Signal des ermittelten Elementes, wobei Xi und Yi die Werte der
Plasmaintensität in jeder Wellenlänge bei Referenz und Messwert sind. X und Y sind die dazugehörigen
Mittelwerte [16]. In Abb. 5D sind die Korrelationskurven jeweils mit CIGS- und Mo-Referenz
aufgetragen.
Abb. 5D: Die Korrelationskurven zwischen Referenzen und Emissionslinien in dem Abtragsprozess der P3G-Probe
Laserparameter: Repetitionsrate = 10 kHz, Pulsenergie = 3 µJ, Verfahrgeschwindigkeit v = 20 mm/s
Die Parameter in diesen Versuch sind: 532 nm Wellenlänge, Repetitionsrate = 10 kHz und Pulsenergie
von 3 µJ. Der Abtrag erfolgte mit 1 bis 12 Zyklen. Wie in Abb. 5D zu erkennen ist, steigt zunächst die
Korrelationseffizient von CIGS leicht bis zu einem Maximum im 3. Zyklus an, dann sinkt dieser Wert
wieder während der Korrelationskoeffizient von Mo bis zum 6. Zyklus ansteigt und kaum bis zum 11.
Zyklus absinkt.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 39
In den mikroskopischen Aufnahmen unter dem Diagramm ist zu sehen, dass beim Maximum des
Korrelationskoeffizienten für CIGS im 3. Zyklus die CIGS-Schicht noch nicht komplett abgetragen
wurde. Erst wenn der Korrelationskoeffizient für CIGS wieder abnimmt, also das Spektrum sich von der
Referenz immer stärker unterscheidet, nähert man sich dem gewünschten P2-Prozessergebnis. In
diesem Fall scheint der Punkt erreicht zu sein, wo der Korrelationskoeffizient von Mo sein Maximum
erreicht hat, denn ab dem 6. Zyklus wirkt die Mo-Schicht in der Mikroskop Analyse sauber von der
darüber liegenden CIGS-Schicht freigelegt. Daher kann dieses Spektrum bei dieser Zyklenanzahl als
Referenz für die Online-Kontrolle der P3G-Probe im P3-Prozess verwendet werden.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 40
6. Abtragsprodukte
Ziel dieser Versuchsreihen ist eine erste Aussage über die Verteilung und Charakter der
Abtragsprodukte. Der Versuchsaufbau ist in Abb. 3H dargestellt. Um Informationen über die Natur und
Verteilung der Partikel in Abhängigkeit vom Abstand zur Probenoberfläche zu ermitteln, wurde der
Objektträger im entsprechenden Abstand über der Probe (Mo, P3F) positioniert. Da der aufgrund der
Laser-Material-Wechselwirkung mit ultrakurzen Pulsen verursachte explosionsartige Materialaustrieb
nur im Bereich des gezündeten Plasmas im Bereich unterhalb eines Millimeters liegt, wurde der
Objektträger nah über der Probenoberfläche in drei verschiedenen Abständen positioniert. Die
Untersuchung zur Verteilung von Abtragsprodukten erfolgten durch drei Abtragsversuche jeweils mit
Mo- und P3F-Probe. Die mikroskopischen Aufnahmen der Partikelverteilung der beiden Proben in
Abhängigkeit von dem Objektträgerabstand sind in Abb. 6A zusammengestellt.
50 µm
Abtragsprodukte von Mo-Probe Abtragsprodukte von P3-Folien
50 µm
Abstand H1 = 230 µm, B = 59,3 µm Abstand H1 = 100 µm, B = 67,3 µm
Abstand H2 = 380 µm, B = 75,7 µm Abstand H2 = 190 µm, B = 73,8 µm
Abstand H3 = 480 µm, B = 77,8 µm Abstand H3 = 340 µm, B = 80,9 µm
Laserparameter: Pulsenergie = 8 µJ, Repetitionsrate 10 kHz,
Verfahrgeschwindigkeit = 4 mm/s, Pulsüberlapp = 98 %, Pulsabstand = 0,4 µm
Abb. 6A: Partikelverteilung in Abhängigkeit von dem Objektträgerabstand H zur Probeoberfläche, Vergleich zwischen
der (reinen) Mo-Probe und der Multischicht P3F-Proben
Alle Versuche erfolgten durch Linienabtrag bei 8 µJ Pulsenergie, 10 kHz Repetitionsrate und 98 %
Pulsüberlapp, entsprechend einer Verfahrgeschwindigkeit von 4 mm/s.
Wie bereits im Kapitel 3.1 beschrieben, wrd aufgrund der Laser-Material-Wechselwirkung mittels
Ultrakurzpulslaser an der abgetragenen Stelle ein Plasma erzeugt. Dabei werden die in der Probe
enthaltenen Partikel bzw. Teilchen aus der Probenoberfläche, wegen dem in der Absorberschicht
entstehenden Druck, in Richtung des Laserstrahls herausgeschleudert. Die dabei entstehenden
Abtragsprodukte werden mit Hilfe des eingesetzten Objektträgers aufgefangen. Beim Abtrag mit hohem
Überlapp von 98 % werden die bereits auf dem Objektträger aufgefangenen Abtragsprodukte wieder
durch die nachfolgenden Laserpulse zum großen Teil abgetragen. Infolgedessen entstehen auch
Abtragsspuren auf den Objektträger (Siehe Abb. 6A). Aufgrund der Zunahme des
Laserstrahldurchmessers mit wachsendem Abstand vom Fokus, nimmt auch die Breite der
Abtragsspuren auf den Objektträgern mit wachsendem Abstand zur Probenoberfläche zu. Neben den
Abtragsspuren auf den Objektträgern sind aber ebenfalls Partikel zu sehen. Die Breite der Partikel liegt

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 41
bei ca. 2 bis 7 µm. Die maximale Spurbreite auf dem Objektträger der Mo-Probe wird bei 500 µm
Objektträgerabstand einen Wert von ca. 78 µm gemessen. Weiterhin wurden durch Versuche mit der
Mo-Probe festgestellt, dass bei einem Objektträgerabstand > 500 µm keine erkennbare Abtragsspur
mehr beobachtet wird. Ebenfalls nimmt die Menge beobachtbarer Abtragsprodukte bei einem
Objektträgerabstand > 500 µm stark ab. Zu beachten ist, dass das Mikroskop aufgrund der begrenzten
Auflösung die Abtragsprodukte im Sub-Mikrometerbereich nicht erfassen kann.
Um quantitative Ergebnisse über die Verteilung der Abtragsprodukte zu erhalten, wurde eine EDX-
Analyse durchgeführt. Die Objektträger, die jeweils mit H1 = 230 µm und H3 = 480 µm Abstand über
der Mo-Probe positioniert wurden, sind durch die EDX- Mappingmethode untersucht worden. Die
Ergebnisse werden in Abb. 6B aufgezeigt.
Abstand H1 = 230 µm (Mo) Abstand H3 = 480 µm (Mo)
Abb. 6B: EDX-Mapping der Verteilung der Abtragsprodukte von der Mo-Probe auf den Objektträger.
Laserparameter: 532 nm und 7 ps, Pulsenergie = 8 µJ, Repetitionsrate = 10 kHz, Pulsabstand = 0,4 µm,
Verfahrgeschwindigkeit = 4 mm/s, Pulsüberlapp = 98 %
Links: Partikelverteilung von Molybdän im Abstand H1 = 230 µm.
Rechts: Partikelverteilung von Molybdän im Abstand H3 = 480 µm.
Die Molybdän-Partikel sind in Magenta farbkodiert.
Da es sich im Fall der Mo-Probe um eine einzelne Dünnschicht handelt, kann man anhand der EDX-
Analyse eindeutige Ergebnisse erhalten. Das Element Mo wird durch Magenta im Programm
gekennzeichnet. Das EDX-Mapping auf der linken Seite der Abbildung zeigt den Verteilungszustand der
Abtragspartikel von der Mo-Probe auf dem Objektträger, der auf einer Höhe von 230 µm über der Probe
positioniert war. Auf der rechten Aufnahme ist der Verteilungszustand im Abstand von 480 µm zu
sehen. Anhand der Ergebnisse beider Mappings lässt sich feststellen, dass die abgetragenen Mo-
Partikel statistisch verteilt sind.
Um aussagekräftige Informationen über die chemische Zusammensetzung der in der Untersuchung
verwendeten CIGS-Solarzellenproben zu ermitteln, wurden die aufgefangenen Abtragsprodukte nach
der Laserbearbeitung der P3F-Probe mittels der EDX-Oberflächenanalyse untersucht. In Abb. 6C sind
die Mikroskop-Aufnahme des abgetragenen Kanals (links) und die der über diesem Abtragskanal auf
dem Objektträger aufgefangenen Abtragsprodukte (rechts) dargestellt. Der Objektträger wird im
Abstand von 340 µm über der Probe positioniert. Im vorliegenden Fall wird eine P3F-Probe mit einer
Pulsenergie von 8 µJ bis zur Mo-Schicht abgetragen. Zu beobachten ist, dass beim Abtrag - trotz des
TopHat-Profils (THK-30) - in Kanalmitte eine Rissbildung entsteht. Dies könnte einerseits auf eine
Inhomogenität der jeweiligen Dünnschicht der Probe, andererseits auf ein schräg einjustiertes TopHat-
Profils zurückzuführen sein. In der Mikroskop-Aufnahme zur Verteilung der Abtragsprodukte auf dem
Objektträger sind die goldfarbenen Teilchen über der Abtragsspur zu erkennen. Die genaue chemische

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 42
Zusammensetzung dieser Abtragsprodukte wird anhand der EDX-Mapping-Analyse in Abb. 6F, auf der
folgenden Seite, dargestellt.
Abtragskanal der P3F-Probe Abtragsprodukte der P3F-Probe auf OT
Abb. 6C: Abtragskanal und zugehörige Abtragsprodukte auf dem Objektträger (P3F-Probe)
Laserparameter: Abstrand H = 340 µm, Pulsabstand = 0,4 µm, Verfahrgeschwindigkeit = 4 mm/s, Pulsenergie = 8 µJ
In Abb. 6D sind die EDX-Mappings der einzelnen Elemente sowie ein Mapping mit allen Elementen
addiert wiedergegeben. Jedes chemische Element ist durch eine ihm zugeordnete Farbe dargestellt.
Anhand des in Abb. 6D gezeigten Abtragskanals, sind die Elemente der Probe aus den TCO- (Zn),
(Cd), CIGS- (Cu, In, Ga, Se) und Mo-Schichten als Abtragsprodukte auf dem Objektträger zu finden.
Das Mapping der einzelnen Elemente weist eine statistische Elementverteilung der Abtragsprodukte
auf. In und Mo benetzen praktisch die gesamte Region in der Mapping Analyse, so dass man eine
Beschichtung aus der Dampfphase vermuten kann. Die Elemente Cd, Cu, Ga und Se liegen eher als
Cluster (Nanopartikel?) mehr oder wenige gleichmäßig verteilt auf dem Auffang-Glasträger.
Bemerkenswert ist das Mapping mit dem einzelnen Element Zn aus dem Zinkoxid aus der TCO-Schicht
der Probe. Offensichtlich können die großen „Bruchstücke“ auf dem Auffang-Glasträger der TCO-
Schicht zugeordnet werden, auch wenn diese nachträglich durch die Beschichtung der anderen
Elemente wie Mo oder In überlagert werden. Diese Ergebnis bestätigt die bereits aufgestellte
Vermutung, dass der Abtrag dieser transparenten Habeliterschicht bei dieser Wellenlänge nicht durch
Verdampfung, sondern durch ein den Laser induzierten Abtrag in der darunterliegenden CIGS-Schicht
erfolgt.
Um die nach dem Abtrag der Probe von dem Objektträger aufgefangenen Partikel zu analysieren, wird
eine weitergehende EDX-Spektren-Analyse durchgeführt. Zu beachten ist, dass die chemischen
Elemente in dem Objektträger ebenso durch die Spektren-Analyse ermittelt wurden. Aus diesem Grund
wird zunächst mit einem gereinigten Objektträger eine EDX-Spektren-Analyse durchgeführt. Der
Objektträger gehört zu der Gruppe der Natron-Kalk-Gläser. Um die Energieabweichungen der Elemente
in der Messung zu unterdrücken, wird eine Anregungsenergie von 10 kV verwendet. Tabelle 6A zeigt
die chemische Zusammensetzung der Probe. Die Werte werden in Atom -% eingegeben.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 43
EDX-Mapping (Zn, Cd, Cu, In, Ga, Se, Mo) Zn
Cd Cu
In Ga
Se Mo
Abb. 6D: EDX-Mapping der Abtragsprodukte der P3F-Probe auf einem Objektträger
Laserparameter: Abstand zwischen Probe und Objektträger = 340 µm, Pulsabstand = 0,4 µm, Verfahrgeschwindigkeit =
4 mm/s, Pulsenergie = 8 µJ
Element Si O Na Ca Mg Al K
Atom -% 31,93 50,79 10,78 2,84 2,52 0,69 0,46
Tabelle 6A: Ergebnisse der EDX-Spektren-Analyse des verwendeten Objektträgers

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 44
Das Vorgehen der EDX-Spektren-Analyse an den Objektträgern nach dem Laserabtrag der P3F-Probe
ist in Abb. 6E dargestellt. Um die chemischen Elemente in den Abtragsprodukten der P3F-Probe zu
identifizieren, wurden EDX-Punktmessung durchgeführt. In Abb. 6H sind die drei analysierten Stellen
mit 10.000x Vergrößerung in der REM-Aufnahme zu erkennen. Der Messpunkt P1 liegt auf einem
typischen großen Teilchen und wird durch rote Farbe hervorgehoben. Der blau markierte Messpunkt P2
liegt auf einem relativ kleinen Partikel und der Messpunkt P3 liegt auf der Oberfläche des Objektträgers.
Die Ergebnisse der EDX-Punktmessungen sind jeweils in Abb. 6F-H dargestellt.
Abb. 6E: EDX-Punktmessung an drei Punkten auf dem Objektträger
Abb. 6F: EDX-Spektren des Messpunktes P1 (Rot) in Abb. 6G. Abstand H3 = 340 µm, Objektträger über der P3F-Probe.
Chemische Elemente der Abtragsprodukte aus der P3F-Probe: Zn, O, In, Se, Mo

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 45
Abb. 6G: EDX-Spektren des Messpunktes P2 (Blau) in Abb. 6G. Abstand H3 = 340 µm, Objektträger über der P3F-
Probe. Chemische Elemente der Abtragsprodukte aus der P3F-Probe: Zn, O, Cu, In, Se, Mo
Abb. 6H: EDX-Spektren des Messpunktes P3 (Grün) in Abb. 6G. Abstand H3 = 340 µm, Objektträger über der P3F-
Probe. Chemische Elemente der Abtragsprodukte aus der P3F-Probe: Zn, O, Cu, In, Se, Mo
Chemische Elemente der Abtragsprodukte im jeweiligen Messpunkt der P3F-Probe
Messpunkt P1 Zn, O, In, Se, Mo
Messpunkt P2 Zn, O, Cd, In, Se, Mo
Messpunkt P3 Zn, O, Cu, In, Se, Mo
Chemische Elemente aus Objektträger bzw. Beschichtungsmaterial
Messpunkt Allg. Si, O, Na, Mg, C
Tabelle 6B: Ergebnisse der EDX-Spektren aus den Messpunkten in Abb. 6H
Die ermittelten chemischen Zusammensetzungen der Abtragsprodukte aus den jeweiligen Messpunkten
sind in Tabelle 6B zusammengefasst. Da die Probe bei der EDX- Messung leitfähig sein muss, wurde
sie vor der Messung für kurze Zeit im Vakuum mit Kohlenstoff (C) bedampft. Daher ist das Element C in
allen Messpunkten zu finden.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 46
Die Ergebnisse der EDX-Spektren zeigen, dass das Element Zn nicht nur auf den größten Teilchen zu
finden ist, sondern auch auf der Grundfläche des Objektträgers. Ursache hierfür ist eine wenige
Nanometer dicke i-ZnO Pulverschicht, die in der P3F-Probe zwischen CIGS und ZnO zu finden ist.
Die Menge an Klein- und Kleinstpartikeln zeigt, dass eine Maßnahme wie zum Beispiel der Einsatz
einer Absaugvorrichtung zum Schutz vor gesundheitsschädlichen Stoffen während des
Abtragsprozesses notwendig ist.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 47
7. Industrielle Umsetzungsstrategie
7.1 Herstellung und Validierung von Isolationskanälen
Im Abschnitt 4.7 sind die wichtigsten Erkenntnisse aus den Voruntersuchungen zur Variation der
Prozessparameter zusammen gefasst. Mit neuen Proben P2G und P3G der Firma Soltecture wurden
zur Herstellung der Isolationskanäle das THK50 (Fa. LIMO) mit dem speziell hierfür abgestimmten
Scannersystem (Scanlab) eingesetzt. Im Prinzip wurde der Aufbau aus den Voruntersuchungen wieder
in Betrieb genommen und die Untersuchung zur Umsetzungsstrategie konzentrierten sich bei dem
Einsatz der grünen Pikosekunden-Laserpulse auf folgendes Parameterfenster: Pulsenergie zwischen 3
und 5 µJ, Wiederholrate 200 und 400 kHz, Scannergeschwindigkeit von 0,5 bis 5 m/s, Zyklenanzahl
von 1 bis 10.
Die Mikroskop-Aufnahmen in Abb. 7A repräsentieren einige typische Ergebnisse der nach dem
Verfahren des direkten Laserabtrags hergestellten Isolationskanäle für die Dünnschicht-Proben auf
einem Glasträger bei einer Laser Wiederholrate von 400 kHz. Bei dem P3-Prozess – Isolationskanal in
der transparenten Halbleiterschicht - ist zu unterscheiden zwischen dem Abtrag bis zum CIGS bzw.
hinunter bis zur Mo-Schicht, beide Umsetzungsvarianten sind für die Herstellung der Dünnschicht-
Solarmodule interessant.
Abb: 7A: Mikroskop-Aufnahmen der Isolationskanäle von P2 und P3 an den P2G und P3G Proben nach der
Laserbearbeitung bei 532 nm und 7 ps
In der Abb. 7A oben, P2-Prozess an der P2G Probe, ist ein präziser Abtrag der CIGS-Schicht bis zur
Mo-Schicht erkennbar. Dieses Ergebnis ist bei konstantem Arbeitsabstand zwischen Optik und
Werkstück reproduzierbar. Allerdings sind einzelne „CIGS-Inseln“ in dem Isolationskanal identifizierbar,
die vermutlich ihren Ursprung einer Vorprägung bzw. Inhomogenität bei der Herstellung dieser

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 48
Halbleiterschichten besitzen. Die CIGS-Schicht zeigt außerdem einen modifizierten Randbereich von
ca. 10 µm auf jeder Seite des Isolationskanals, trotz der Bearbeitung mit 3 Zyklen bei einer reduzierten
Puls-zu-Puls-Überlappung. Die Wärmeeinflusszone an den Rändern des Kanals konnte auch mit Top-
Hat Profil beim direkten Abtrag mit Pikosekunden-Laserpulsen bei 532 nm nicht deutlich unter 10 µm
reduziert werden. Gleiches gilt auch für die Bearbeitungsergebnisse des P3 Prozess an der P3G-Probe.
Die Prozessparameter und das Bearbeitungsergebnis für den P3 Prozess für die Option „Abtrag bis zur
Mo-Schicht“ sind vergleichbar mit dem P2-Prozess, auch wenn etwas mehr Pulsenergie eingesetzt
wurde. Der P3-Prozess nur bis auf die CIGS-Schicht ist effektiver, denn hier können die
Isolationskanäle mit geringerer Laser Pulsenergie und deutlich höherer Geschwindigkeit generiert
werden.
Hell- und Dunkelstrommessungen mit Unterstützung der Fa. Soltecture wurden durchgeführt, um die mit
der Pikosekunden-Lasertechnologie bei 532 nm erzeugten Isolationskanäle hinsichtlich der Strom-
Spannungs-Kenndaten zu charakterisieren und mit den Daten aus der kommerziell zu Fertigung
verwendeten Nadelritzung zu vergleichen. Die Diagramme in Abb. 7B dokumentieren das Ergebnis
exemplarisch an den P3G-Proben Nr. 5-14 und 10-15 für den P3-Prozess bis zur CIGS-Schicht (siehe
Abb. 7A unten links).
Strom in A
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
-0.02
-0.04
-0.06
Probe 5-14
Probe 5-14 Hell-Dunkelkennlinien
Dunkelkennlinie
Hellkennlinie
-1 0 1 2 3 4
Spannung in V
Strom in A
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
-0.02
-0.04
-0.06
Probe 10-15
Probe 10-15 Hell-Dunkelkennlinien
Dunkelkennlinie
Hellkennlinie
-1 0 1 2 3 4
Spannung in V
Abb: 7B: Strom-Spannungskennlinien aus den Hell- und Dunkelstrommessungen von Isolationskanälen (P3 Prozess bis
zum CIGS) in einer Auswahl bearbeiteter P3G Proben
Die aus den Hell- und Dunkelstrommessungen ermittelten Strom-Spannungs-Kenndaten, z.B. der
Füllfaktor, sind für den P3-Prozess bis CIGS und bis hinunter zum Mo an je zwei Beispielproben
zusammen gestellt. Die Kenndaten für die P3G-Proben Nr. 5-14 und 10-15 können im Vergleich zur
konventionellen Bearbeitung als sehr geeignet bewertet werden, denn die Füllfaktoren liegen im Bereich
über 67% für den P3-Prozess bis CIGS. Das reproduzierbar gute Bearbeitungsergebnis ist zunächst
eine Überraschung, denn auf Grundlage der Vorabbewertung mittels optischer Mikroskopie und REM
war das nicht unbedingt erwartet worden. Die Ränder der Isolationskanten von der transparenten
Halbleiterschicht sehen recht zerfranst aus. Im Gegensatz hierzu stehen die Kenndaten im P3-Prozess
für einen selektiven Abtrag bis zur Mo-Schicht (P3G Proben 4-14 und 7-15): die Ergebnisse sind kaum
reproduzierbar und auch die Füllfaktoren erreichen nicht das erforderliche Niveau. Ähnliches wird für
den P2-Prozess beobachtet, bei dem die CIGS-Schicht in jedem Fall bis zur Mo-Schicht abgetragen
werden muss. Eine Korrelation zwischen den Strom-Spannungs-Kenndaten beim CIGS-Abtrag (mit
Pikosekunden-Laserpulsen bei 532 nm) und einer subjektiven Vorabbewertung aus der
Oberflächenanalyse mittels optischer Mikroskopie oder REM konnte nicht festgestellt werden, d.h. eine
„auf den ersten Blick“ gutes Bearbeitungsergebnis lieferte teilweise sehr schlechte Füllfaktoren.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 49
P3 bis CIGS P3 bis Mo
Probe_5-14 Probe 10-15 Probe 4-14 Probe 7-15
Leerlaufsp. Modul Voc [V] 3,021 3,040 2,630 2,988
Leerlaufsp. Zelle Voc [mV] 604,2 608,0 525,9 597,5
Kurzschlussstrom Isc [A] 5,53E-02 5,20E-02 4,28E-02 5,08E-02
max. Leistung Pmpp [W] 1,12E-01 1,08E-01 3,26E-02 8,66E-02
Füllfaktor FF [%] 67,24 68,35 28,99 57,04
Tabelle 7A: Strom-Spannungs-Kenndaten von ausgewählten Proben nach der Laser Herstellung von Isolationskanten
7.2 Interpretation und Ausblick
Die Abb. 2A (a) in Kap. 2 beschreibt den in diesem Vorhaben verfolgten Lösungsansatz für einen Laser
induzierten, selektiven Abtrag dünner Funktionsschichten am Beispiel einer ca. 1,8 µm starken CIS-
bzw. CIGS-Schicht auf der ca. 0,5 bis 1,0 µm Molybdän-Kontaktschicht. Grundsätzlich wurde im
Vorhaben der Ansatz verfolgt, die obere CIGS-Schicht (P2 Prozess) bzw. ITO/ZnO-Schicht (P3
Prozess) möglichst schonend und präzise bis zur unteren Kontakt-Schicht (Mo) abzutragen. Um die
Selektivität zur Gewährleisten, wurde die Einzelpulsenergie der Pikosekunden-Laserpulse bei 532 nm
so eingestellt, dass die Abtragsraten pro Laserpulse bei ca. 40 nm liegen. Zudem wurde der Puls-zu-
Puls-Überlapp so gewählt, dass die thermische Belastung möglichst minimiert ist. Auf der Grundlage
der Analysen mittels optischen Mikroskop und REM/EDX konnte so ein Parameterfeld identifiziert
werden, bei dem über diesen Ansatz ein selektiver Abtrag von CIGS auf der Mo-Schicht tatsächlich
umsetzbar erscheint. Allerdings belegen die Hell- und Dunkelfeldmessungen, dass ein Pikosekunden-
Laserabtrag von CIGS bei einer Wellenlänge von 532 nm (also für den P2-Prozess) keine
reproduzierbaren Ergebnisse liefert. Ein „stufenweiser“ Abtrag der CIGS-Schicht, wie in Abb. 7C (oben
links) skizziert, ist somit eher ungeeignet, um die Nadelritzung zu ersetzen.
Überraschenderweise zeigten dagegen die Hell- und Dunkelfeldmessungen für die Isolationskanäle in
der ITO- bzw. ZnO-Schicht (P3 Prozess) unter Einsatz der grünen Pikosekunden-Laserpulse erstaunlich
gute und reproduzierbare Ergebnisse. Allerdings nur für den Fall, bei dem der Abtrag auf die
transparente Halbleiterschicht limitiert bleibt und die darunter liegende CIGS-Schicht auf der Mo-Schicht
verbleibt. Wenn im P3-Prozess durch die Pikosekunden-Laserstrahlung bei 532 nm der Abtrag bis zur
Mo-Schicht fortgesetzt wird, sind die Ergebnisse für die Modulherstellung (im Vergleich zur
Nadelritzung) wieder weniger brauchbar.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 50
Abb. 7C: Einfluss der Wellenlänge auf den P2-Prozess: Abtrag von CIGS auf Mo: Ultrakurze Laserpulse mit 532 nm
werden an der Oberfläche der CIGS-Schicht absorbiert und erzeugen dort Materialabtrag. Bei 1064 nm Wellenlänge findet
starke Absorption erst an der Oberfläche der Molybden-Schicht statt. Dadurch entsteht eine Gasblase, die zur Aufwölbung
und Abplatzung der CIGS-Schicht führt
Das Ergebnis dieses Vorhabens zu den Plasma-Untersuchungen (Kap. 5) und der Abtragsprodukte
(Kap. 6) zeigt auf, dass sich der Materialabtrag zwischen CIGS (P2-Prozess) und der transparenten
Halbleiterschichten ITO bzw. ZnO deutlich unterscheidet. Ein Plasma aus der ITO bzw. ZnO-Schicht
konnte im Gegensatz zum CIGS (Indium-Linien) nicht registriert werden. Auch die Bruchstücke der ITO
bzw. ZnO-Schicht bei den aufgefangen Abtragsprodukte unterstreichen die Vermutung, dass die
transparenten Halbleiterschichten mit den grünen Pikosekunden-Laserpulsen nach einer „anderen
Methode“ von der CIGS-Schicht entfernt wurden, als das CIGS von der Mo-Schicht. Kürzlich
veröffentlichte Ergebnisse zum selektiven Laserabtrag von ähnlichen Funktionsschichten [17-22]
unterstützen die folgende Interpretationsrichtung.
Bei der Wellenlänge von 532 nm ist die Transmission der ITO bzw. ZnO-Schicht deutlich größer, d.h.
die Pikosekunden-Laserpulse werden eher an der Grenzschicht zur CIGS absorbiert, wie dies in der
Abb. 7D (oben links) skizziert ist. Ein Wärmeeintrag erfolgt jetzt an einer Grenzschicht zwischen der
transparenten Halbleiterschicht und dem CIGS. Material wird verdampft, kann aber zunächst nicht
entweichen. Das verdampfte Material ist praktisch eingeschlossen und es bildet sich eine Gasblase aus,
bei der sich nun die obere dünne Schicht aufwölbt. Ist der Druck dieser Gasblase groß genug, platzt die
obere Schicht regelrecht explosionsartig auf und die Bruchstücke dieser aufgeplatzten Schicht
entfernen sich von der Probe. Die Bruchstücke selbst liefern kein Plasmasignal und der Randbereich
der so hergestellten Isolationskante erscheint unregelmäßig und zerfranst, im Vergleich zum „direkten“
Abtrag der CIGS-Schicht im P2-Prozess bei 532 nm. Trotz der auf dem ersten Blick schlechteren
Präzision der Isolationskanten, da es ja eher um einen eruptionsartigen Mikroabtrag handelt, liefert
dieser Ansatz die wesentliche Grundlage für eine zukünftige industrielle Umsetzung der
Pikosekunden-Lasertechnologie bei 532 nm. Hauptgrund hierfür ist die Minimierung einer
Wärmeeinflusszone im Isolationskanal, da der Wärmeeintrag eher an der unteren Schicht erfolgt ist.
Das „Abreisen“ der Schicht ähnelt den Ergebnissen der kommerziellen Nadelrítzung, allerdings mit einer
im direkten Vergleich deutlich verbesserten Präzision. Dieser Prozess erscheint auch deutlich
effizienter, als bei dem „direkten“ Materialabtrag, wo das gesamte in Frage stehende Volumen

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 51
verdampft werden muss. Für das „Abreißen“ und „Abheben“ des geforderten Materialvolumens ist
weniger Laserenergie erforderlich, wie dies aus anderen Anwendungen bereits erkannt wird [19-21].
Abb. 7D: Einfluss der Wellenlänge auf den P3-Prozess: Abtrag von ZnO von CIGS, bzw. Abtrag von ZnO und CIGS von
Mo: Mit einer Wellenlänge von 1064 nm kann ein scharf begrenzter Kanal erzeugt werden
Kürzlich bekannte gewordene Ergebnisse zeigen auf, dass die Herstellung von Isolationskanälen in der
CIGS-Schicht bei der Wellenlänge von 1064 nm eher geeignet ist [19,20]. Das erscheint auf den ersten
Blick überraschend, denn CIGS absorbiert im IR das Licht schlechter als bei 532 nm, siehe auch Skizze
in Abb. 7C. Die Erklärung ist aber hier analog wie oben für den P3-Prozess: der Wärmeeintrag erfolgt
nun bei 1064 nm an der Grenzfläche zu der darunter liegenden Mo-Schicht. Die entstehende
Gasblase drückt die CIGS-Schicht explosionsartig von der Mo-Schicht weg. Obwohl nun auch hier die
Isolationsränder unregelmäßig und zerfranst erscheinen, ist der Einfluss einer Wärmeeinflusszone
anscheinend geringer, als bei dem Lösungsansatz des „direkten“ Laserabtrags.
Neben der richtigen Wahl der Wellenlänge, um bevorzugt die Laserenergie in die darunter liegende
Grenzschicht einkoppeln zu können, ist die ursprüngliche Eingrenzung der Pulsdauer auf wenige
Pikosekunden bei dieser Abtragsmethode weniger eindeutig. In [20] wird ein erfolgreicher
Lösungsansatz für den P2-Prozess bei CIGS unter Einsatz eines Faserlasers beschrieben, der bei einer
Wellenlänge von 1064 nm und einer relativ langen Pulsdauer von ca. 1,5 ns arbeitet. In anderen
Studien wird dagegen bei diesem Ansatz des eruptiven Abtrags der Vorteil der ultrakurzen
Pikosekunden-Laserpulse hervorgehoben [21].
Eine erfolgreiche Umsetzung des P3-Prozesses, also die Herstellung eines Isolationskanals in der
transparenten Halbleiterschicht ITO- bzw. ZnO ist bisher nur für Pikosekunden-Laserpulse bei 532 nm
bekannt. Dieses wichtige Ergebnis ist kürzlich im Sommer 2012 - unabhängig von diesem Vorhaben -
durch eine andere Studie bestätigt wurden [18].

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 52
Tab. 7B fasst die wichtigsten Empfehlungen für eine potentielle industrielle Umsetzung unter Einsatz
der Pikosekunden-Lasertechnologie zusammen, auf der Grundlage der Erkenntnisse aus diesem
Vorhaben und jüngsten Veröffentlichungen [17-22].
P2-Prozess (CIGS) P3-Prozess (ITO / ZnO)
Wellenlänge 1064 nm 532 nm
Pulsdauer 10 ps 7 ps
Geeignetes Strahlprofil Top-Hat Top-Hat
Einzelpulsenergie (auf ca. 50 x 50 µm 2 ) < 10 µJ < 5 µJ
Wiederholrate 2 MHz (bei 20 W) 2 MHz (bei 10 W)
Mittlere Schreibgeschwindigkeit (2 MHz) 2 m/s 5 m/s
Tabelle 7B: Vorschlag zu einer zukünftigen Umsetzung der Laser-basierten Fertigung von Isolationskanälen in der CIGS
Dünnschicht-Photovoltaik

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 53
7.3 Transfer durch Vorträge und Veröffentlichen
Durch folgende Vorträge und Messeauftritte wurden bis Dezember 2012 im Rahmen nationaler und
internationaler Fachtagungen die Vorhabensergebnisse zum selektiven Laserabtrag dünner Schichten
für die Photovoltaik der breiten Öffentlichkeit vorgestellt.
1. Vorstellung des Vorhabens am Messestand (Flyer) der LMTB während der „Laser und Optik Berlin
(LOB)“ 03.2010 in Berlin
2. Vorstellung des Vorhabens (Vortag) während der internationalen Fachtagung „Laser in Production
and Manufacturing (LPM)“ 06.2010 in Stuttgart
3. Vorstellung des Vorhabens (Flyer) am Messestand der LMTB während der µLEF, 02.2011 in Fürth
4. Vorstellung der Vorhabensergebnisse (Flyer) am eigenen Messestand während der „World of
Photonics“ 05.2011 in München
5. Vorstellung der Vorhabensergebnisse (Vortrag) während der internationalen Fachtagung „Lasers in
Manufacturing der WLT (LIM)“ 05.2011 in München
6. Vorstellung der Vorhabensergebnisse (Poster) während der internationalen Fachtagung „Euro-
Mediterranean Symposium on Laser-Induced Breakdown Spectrosproscopy“ 09.2011 in IZMIR,
Türkei
7. Vorstellung der Vorhabensergebnisse (Vortrag und Veröffentlichung) während der internationalen
Fachtagung „International Congress on Applications of Lasers & Electro–Optics (ICALEO) 10.2011
in Orlando, USA
8. Vorstellung des Vorhabens (Flyer) am Messestand der LMTB während der µLEF, 02.2012 in Fürth
9. Vorstellung der Vorhabensergebnisse (Flyer) am Messestand der LMTB während der „Laser und
Optik Berlin (LOB)“ 03.2012 in Berlin
10. Vorstellung der Vorhabensergebnisse (Vortrag) während der internationalen Fachtagung „Thin-Film
Industry Forum“ 04.2012 in Berlin
11. Vorstellung der Vorhabensergebnisse (Vortrag und Poster) während der International School on
Lasers in materials science (organized by Politecnico di Milano) 06.2012, in Venedig, Italien
12. Vorstellung der Vorhabensergebnisse (Vortrag) während der International Summer School on
Trends and new Developments in Laser Technology (TU Dresden and Fraunhofer IWS), 08.2012 in
Dresden
13. Vorstellung der Vorhabensergebnisse (Vortrag) während der internationalen Fachtagung „LIBS“, in
Luxor, Ägypten, 09.2012
14. Vorstellung der Vorhabensergebnisse (Vortrag) während der internationalen Fachtagung
International Symposium on Optomechatronic Technologies (ISOT) 10.2012 in Paris
15. Vorstellung der Vorhabensergebnisse (Vortrag) während der internationalen Fachtagung „7th
International Photonics Conference LANE“ 11.2012 in Fürth

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 54
16. Vorstellung der Vorhabensergebnisse (Poster und Flyer) während der F.O.M.
Mitgliederversammlung (und Gästen) 11.2012 in Berlin
Im Rahmen des IGF Vorhabens konnte eine Bachelor- und eine Diplomarbeit erfolgreich abgeschlossen
werden, in einer laufenden Doktorarbeit werden Teilaspekte aus dem Vorhaben behandelt:
1. Untersuchungen zum selektiven Laserabtrag der dünnen Funktionsschichten Mo, CIS & ZnO
für die Photovoltaik, Bachelor-Arbeit von Herrn Stefan Freudenberg aus der Fachhochschule
Emden/Leer (02.2011)
2. Abtragsuntersuchungen an dünnen Funktionsschichten der CIGS - Solarzellen mittels
Ultrakurzpulslaser, Diplom-Arbeit von Herrn Yuan Gao aus der Technische Universität Berlin,
(01.2012)
Des Weiteren wird durch folgende Veröffentlichungen der Know-how Transfer dokumentiert:
1. Plasma monitoring during laser material processing, Diego-Vallejo D, Ashkenasi D, Illing G,
Eichler HJ, Lasers in Manufacturing WLT, May 23-26, 2011, Munich. Germany. Conf. Proc. on
Physics Procedia 12 (2011) 407–413 (online).
(http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187538921100229X)
2. Laser-induced plasma investigations during material processing Journal of Laser
Micro/Nanoengineering, 6(2); p. 146-150, Diego-Vallejo D, Schwagmeier M, Ashkenasi D, Illing
G, Eichler HJ (2011) (online)
(http://www.jlps.gr.jp/jlmn/upload/aba3fb2d24a2aed4192baacd26efffae.pdf)
3. Selective ablation of CIS solar cells monitored by laser-induced breakdown spectroscopy and
classification methods, David Diego-Vallejo, David Ashkenasi, Andreas Lemke, Hans Joachim
Eichler. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy (Special issue dedicated to the LIBS
2012 Conference) submitted 2012
4. Selektiver Abtrag dünner Schichten mit grüner Pikosekunden-Laserstrahlung. Lemke A,
Ashkenasi D, Eichler HJ, Laser Ausgabe 04.2013 (in Arbeit)

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 55
7.4 Kooperation mit dem Industriekonsortium und anderen Firmen
Die Vorstellung der Zwischenergebnisse (Meilensteine) erfolge bei den regelmäßigen Treffen des
Industriekonsortiums am 12.02.2010, 15.09.2010, 09.03.2011 und 09.11.2011 in Berlin, Dortmund (bei
der Fa. LIMO) und in Leipzig (bei der Fa. Solarion). Mit diesem Industriekosortium wurden in den
mehrstündigen Treffen die von der LMTB zu untersuchenden Fragestellungen besprochen und die
Ergebnisse diskutiert. Weitere Firmen (3D-Micromac, Compact Laser Solutions, Direct Industrial
Photonics, Trumpf Laser, Innolight) haben Interesse an dem Projekt gezeigt und vereinzelt auch
Proben, Beratung, Geräte und Messzeit zur Verfügung gestellt.
Durch die enge Kooperation mit diesen Firmen sind die im Projekt erzielten Teilergebnisse direkt in
deren Entwicklungsarbeiten und Produktion eingeflossen. Das Interesse an Nachfolgeprojekte zum
selektiven Laserabtrag ist groß, auch wenn in den Deutschen Unternehmen der Dünnschicht-
Photovoltaik zurzeit eine Konsolidierungsphase eingetreten ist. Hier gilt es, die Erkenntnisse in
Produktentwicklungen aus ggf. anderen Branchen einfließen zu lassen, z.B. in der Display-Technologie
oder in der Entwicklung neuer Batterien auf Folien.
Tendenziell wird eine Orientierung des selektiven Laserabtrags in der „Roll-to-Roll“ Fertigung gesehen,
wo entweder dünne Glas- oder Kunststoff-Folien als Trägermaterial für dünne Funktionsschichten
eingesetzt werden. Geeignete Lasersysteme zum selektiven Dünnschichtabtrag lassen sich in solche
Fertigungsvorrichtungen sehr gut integrieren. Ziel der weiteren Transfermaßnahmen ist die
Adressierung von kleinen und mittleren Unternehmen, die im Apparatebau oder Export dieser „Roll-to-
Roll“ Fertigung eine führende Rolle spielen. In diesem Rahmen sollen gemeinsam mit der Industrie
kurzfristig wirtschaftlich-technisch relevante Fragestellungen für zukünftige Entwicklungsarbeiten
identifiziert werden, die ggf. in einem Nachfolgeprojekt der Industriellen Gemeinschaftsforschung
verfolgt werden.

AiF Vorhaben 16376 N Laser Dünnschichtbearbeitung 56
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online: 08 September 2012