Positionnement précis des wafers par micromètre pour le revêtement PECVD

Le robot de la solution de manipulation assistée par traitement d’image a été installé au plafond de la zone de chargement du système de revêtement en raison du manque d’espace et possède une portée de 1 000 millimètres. (Source de l’image : AZUR SPACE Solar Power) / En raison de l’espace limité disponible, le robot a été monté au plafond de la zone de chargement du système de revêtement et a une portée de 1 000 millimètres. (Photo : AZUR SPACE Solar Power)

Le système de préhension à vide plat, qui peut être rapidement échangé pour différentes tailles de wafers, maintient la précision de positionnement spécifiée de +/- 0,1 mm lors du chargement des porte-pièces. (Source de l'image : AZUR SPACE Solar Power) / The flat vacuum gripping system, which can be quickly exchanged for the different sized wafers, maintains the specified positioning accuracy of +/- 0.1 mm when loading the workpiece carriers. (Photo: AZUR SPACE Solar Power)

Le système de caméras situé au-dessus de la table d'alignement rétroéclairée détecte la position exacte de la plaquette et transmet cette information au logiciel. Sur cette base, le logiciel calcule la compensation de position et d'angle nécessaire pour insérer la plaquette dans le nid de transport. (Source de l'image : AZUR SPACE Solar Power) / Le système de caméras situé au-dessus de la table d'alignement rétroéclairée détecte la position exacte de la plaquette et envoie cette information au logiciel. Sur cette base, le logiciel calcule la position et l'angle de compensation requis pour insérer la plaquette dans le nid du transporteur. (Photo : AZUR SPACE Solar Power)

Pour faire pivoter les cellules solaires à doubler côté afin qu'elles puissent être revêtues des deux côtés, une station de retournement est intégrée au système de manipulation. (Source de l'image : AZUR SPACE Solar Power) / For turning the solar cells so that they can be coated on both sides there is a flipping station integrated. (Photo: AZUR SPACE Solar Power)

Avant de replacer les cellules solaires recouvertes dans les cassettes, le système de caméras vérifie si les bords des wafers sont exempts de dommages. (Photo : AZUR SPACE Solar Power)

Pour le chargement et le déchargement automatisés d’un porte-tranches avec des wafers de tailles différentes avant le revêtement PECVD, acp systems a développé une solution robotique assistée par vision pour un fabricant leader de technologies solaires pour l’espace. Elle garantit que la précision de positionnement requise dans les nests des porte-tranches est respectée à +/- 0,1 mm, en compensant à la fois les tolérances de fabrication des porte-tranches et leur contraction due au refroidissement lors du chargement.

La société AZUR SPACE Solar Power GmbH, basée à Heilbronn, figure parmi les entreprises mondiales de premier plan dans le développement et la production de cellules solaires à haute efficacité pour l’espace et les systèmes de concentration terrestres (CPV). Les cellules solaires sont basées sur la technologie Triple- et Quadruple-Junction la plus récente, avec des couches déposées sur un substrat en germanium.

Automatisation du processus de chargement et de déchargement avec des défis

Lors du processus de fabrication, les wafers de 4, 6 et 8 pouces (100, 150 et 200 mm) de diamètre traversent notamment un processus PECVD (Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma – dépôt chimique assisté par plasma) dans des installations de Singulus Technologies AG. Les cellules solaires sont préparées dans des cassettes, retirées, puis positionnées dans des poches spéciales en fibre de carbone, plus grandes de quelques centaines de micromètres. Selon la taille des cellules, les porte-tranches de 1000 x 600 mm peuvent accueillir quatre, neuf ou 16 wafers. Pour éviter tout choc, la précision de positionnement lors du chargement des porte-tranches doit être maintenue à +/- 0,1 mm. Après le revêtement d’un ou deux côtés, les cellules solaires sont à nouveau placées dans des cassettes.

Cette activité, jusqu’ici réalisée manuellement avec des pipettes aspirantes, longue et coûteuse, voulait AZUR SPACE automatiser. Les défis résident dans la position des wafers solaires avec des flats dans les cassettes, avec des déviations de +/- 5 degrés et +/- 3 mm, ainsi que dans la précision requise pour la prise. De plus, il faut compenser les tolérances de fabrication des porte-tranches ainsi que la contraction due au refroidissement. Celle-ci résulte de la baisse de température des porte-tranches, qui sortent du processus de revêtement à jusqu’à 350 °C, et refroidissent lors du déchargement et du chargement.

Précision de positionnement assurée par une table d’alignement lumineuse et la vision artificielle

Pour cette tâche, le spécialiste de l’automatisation acp systems AG a développé une solution intelligente de manipulation assistée par vision, utilisant un robot industriel. Celui-ci a été monté au plafond de la zone de chargement de l’installation de revêtement pour des raisons d’espace, avec une portée de 1 000 millimètres. Le robot Scara est équipé d’un système d’aspiration plat spécial, rapidement interchangeable selon la taille des wafers.

Le robot extrait le wafer de la cassette et le dépose sur une table d’alignement rétroéclairée. Au-dessus, un système de caméras avec une caméra de 12 mégapixels, à une distance de travail de 680 mm, est installé. Il détecte la position exacte du wafer et transmet cette information au logiciel Cognex Vision Pro. Sur cette base, la compensation de la position et de l’angle est calculée, permettant d’insérer le wafer dans le nest du porte-tranches, et transmise au contrôle du robot. Toute déformation du système de caméra a été compensée lors de sa mise en service par calibration avec une « Checker Plate ».

Pour maîtriser les tolérances de fabrication des porte-tranches et la contraction due au refroidissement, le porte-tranches est d’abord centré en le tirant contre un butée et par indexation. Cela permet de fixer de manière reproductible le point zéro des coordonnées de tous les porte-tranches dans le système de manipulation. De plus, pour compenser les tolérances de fabrication, tous les porte-tranches ont été précisément mesurés à froid et chacun a été identifié par un code DataMatrix. Ce code contient les données pertinentes pour le calcul de la compensation des tolérances de position dans le contrôleur.

Pour compenser la contraction thermique due au refroidissement des porte-tranches, une marque de référence a d’abord été placée dans le coin opposé au point zéro des coordonnées du porte-tranches, et celle-ci a été précisément mesurée à froid. Au-dessus, un second système de caméras détecte le décalage de cette marque par rapport à l’état froid. Le logiciel calcule à partir de ces informations la compensation pour un positionnement précis du wafer. Ce processus est répété pour chaque wafer à insérer.

Station de retournement pour faire pivoter les wafers

Pour faire pivoter les cellules solaires, qui sont revêtues des deux côtés, acp systems a intégré une station de flip. Elle reçoit individuellement les wafers du robot et les saisit dans des zones définies avec des points d’aspiration sous vide. Après une rotation de 180 degrés, le robot reprend le wafer et le transporte vers la table d’alignement.

Contrôle qualité intégré

Avant de remettre les cellules solaires revêtues dans les cassettes, une vérification de qualité est effectuée par le système de caméras sur la table d’alignement. Il vérifie si les bords des wafers sont exempts de dommages.

La solution robotique assistée par vision décrite garantit une manipulation très précise et douce des wafers solaires, très sensibles. Cela se traduit notamment par l’absence de casse de wafers liée à la manipulation depuis la mise en service. Au total, le remplacement de la manipulation manuelle par un système entièrement automatique entraîne une productivité et une rentabilité nettement améliorées.