Precieze positionering van wafers met micrometer nauwkeurigheid voor PECVD-bescherming

De robot voor de beeldverwerking gestuurde handlingoplossing is uit ruimtegebrek aan het plafond van het laadgebied van de coatinginstallatie gemonteerd en heeft een bereik van 1.000 mm. (Beeldbron: AZUR SPACE Solar Power) / Vanwege de beperkte ruimte is de robot aan het plafond van het laadgebied van het coatingsysteem gemonteerd en heeft een bereik van 1.000 millimeter. (Foto: AZUR SPACE Solar Power)

Het vlakke vacuümgripsysteem, dat snel kan worden verwisseld voor wafers van verschillende groottes, handhaaft de opgegeven positioneringsnauwkeurigheid van +/- 0,1 mm tijdens het beladen van de werkstukdragers. (Foto: AZUR SPACE Solar Power)

Het camerasysteem boven de achterverlichte uitlijntafel detecteert de exacte positie van de wafer en geeft deze informatie door aan de software. Op basis hiervan wordt de positie- en hoekcompensatie berekend, waarmee de wafer in het carrier nest moet worden geplaatst. (Beeldbron: AZUR SPACE Solar Power) / The camera system located above the backlit alignment table detects the exact position of the wafer and sends this information to the software. Based on this, the software calculates the position and angle of compensation required to insert the wafer into the carrier nest. (Photo: AZUR SPACE Solar Power)

Voor het omdraaien van de aan beide zijden te coaten zonnecellen is een flipstation geïntegreerd in het handling-systeem. (Beeldbron: 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)

Voordat de gecoate zonnecellen in de kasten worden geplaatst, controleert het camerasysteem of de randen van de wafers vrij zijn van beschadigingen. (Beeldbron: AZUR SPACE Solar Power) / Before the coated solar cells are placed back into the cassettes, the camera system checks whether the edges of the wafers are free of damage. (Photo: AZUR SPACE Solar Power)

Voor het geautomatiseerd beladen en ontladen van een werkstukdrager met verschillende grote wafers vóór de PECVD-beschichting ontwikkelde acp systems voor een toonaangevende fabrikant van ruimtevaart-zonne-energie een beeldverwerkingsgestuurde robotoplossing. Deze zorgt ervoor dat de voorgeschreven positioneringsnauwkeurigheid in de nesters van de werkstukdragers van +/- 0,1 mm wordt gehandhaafd en dat zowel de fabricagetoleranties van de carriers als de door het beladen veroorzaakte krimp door afkoeling worden gecompenseerd.

Het in Heilbronn gevestigde AZUR SPACE Solar Power GmbH behoort tot de wereldwijde leiders in de ontwikkeling en productie van hoogrenderende multijunction-zonnecellen voor de ruimtevaart en aardse concentratorsystemen (CPV). De zonnecellen zijn gebaseerd op de nieuwste triple- en quadruple-junction-technologie, waarbij de lagen op een germanium-ondergrond worden opgebouwd.

Automatisering van het laad- en losproces met uitdagingen

Tijdens het productieproces doorlopen de wafers met een diameter van 4, 6 en 8 inch (100, 150 en 200 mm) onder andere een PECVD-proces (Plasma-enhanced Chemical Vapour Deposition – plasma-ondersteunde chemische dampafzetting) in installaties van Singulus Technologies AG. De zonnecellen worden hiervoor in kasten geplaatst, eruit gehaald en in de iets grotere zakken van speciale koolstofvezel-werkstukken dragers gepositioneerd. Afhankelijk van de grootte van de cellen kunnen de 1000 x 600 mm grote carriers vier, negen of 16 wafers bevatten. Om crashes te voorkomen, moet bij het beladen van de werkstukdragers een positioneringsnauwkeurigheid van +/- 0,1 mm strikt worden gehandhaafd. Na de eenzijdige of tweezijdige coating worden de zonnecellen weer in kasten opgeborgen.

Deze tot nu toe tijd- en kostenintensieve taak, die handmatig met zuigpipetten werd uitgevoerd, wilde AZUR SPACE automatiseren. Uitdagingen ontstaan door de ligging van de zonne-wafels met flats in de kasten, met afwijkingen van +/- 5 graden en +/- 3 mm, evenals exacte vastgestelde posities voor het grijpen. Bovendien moeten de fabricagetoleranties van de carriers worden gecompenseerd, evenals de krimp door afkoeling. Deze krimp ontstaat door de dalende temperatuur van de werkstukdragers, die met temperaturen tot 350 °C uit het coatingproces komen en tijdens het ontladen en laden afkoelen.

Positioneringsnauwkeurigheid gewaarborgd met verlicht uitlijnbord en beeldverwerking

Voor deze taak ontwikkelde de automatiseringsspecialist acp systems AG een intelligente, beeldverwerkingsgestuurde handlingoplossing met een industriële robot. Deze werd vanwege ruimtegebrek aan het plafond van het laadgebied van de coatinginstallatie gemonteerd en heeft een bereik van 1.000 millimeter. De Scara-robot is uitgerust met een speciaal vlak vacuümgripsysteem, dat snel kan worden verwisseld voor wafers van verschillende groottes.

De robot haalt de wafer uit de kast en legt deze op een achterverlichte uitlijntafel. Daarboven is een camerasysteem geplaatst met een 12-megapixelcamera op een werkafstand van 680 mm. Het systeem detecteert de exacte positie van de wafer en geeft deze informatie door aan de Cognex Vision Pro-software. Op basis hiervan wordt de positie- en hoekcompensatie berekend, waarmee de wafer in het carrier-nest moet worden geplaatst, en wordt dit doorgegeven aan de robotbesturing. Eventuele vervormingen van het camerasysteem werden bij de inbedrijfstelling gecompenseerd door kalibratie met een 'Checker Plate'.

Om de fabricagetoleranties van de carriers en de door afkoeling veroorzaakte krimp te beheersen, wordt de werkstukdrager eerst door trekken tegen een stop en door indexering gecentreerd. Hierdoor kan de coördinaatnul van alle carriers reproduceerbaar worden vastgesteld in het handling-systeem. Daarnaast werden alle carriers in de koude nieuwe toestand nauwkeurig gemeten en voorzien van een datamatrixcode voor identificatie. Onder deze code zijn relevante gegevens voor de berekening van de compensatie van de lagetoleranties van het carrier-nest opgeslagen in de besturing.

Om de thermische krimp door afkoeling van de werkstukdragers te compenseren, werd eerst een passing markering aangebracht in de hoek van de carrier die tegenover de coördinaatnul ligt, en deze werd eveneens in de koude toestand nauwkeurig gemeten. Daarboven bevindt zich een tweede camerasysteem dat de afwijking van de passing markering ten opzichte van de koude toestand vaststelt. De software berekent op basis van deze informatie de compensatie voor de exacte positionering van de wafer. Dit proces wordt voor elke te plaatsen wafer herhaald.

Flipstation voor het draaien van wafers

Voor het draaien van de zonnecellen, die aan beide zijden worden gecoat, heeft acp systems een flipstation geïntegreerd. Deze ontvangt de betreffende wafers één voor één van de robot en grijpt ze op gedefinieerde gebieden met vacuümzuigpunten. Na een rotatie van 180 graden neemt de robotgrijper de wafer weer over en transporteert deze naar de uitlijntafel.

Geïntegreerde kwaliteitscontrole

Voordat de gecoate zonnecellen weer in de kasten worden opgeborgen, wordt via het camerasysteem op de uitlijntafel een kwaliteitscontrole uitgevoerd. Hierbij wordt gecontroleerd of de randen van de wafers vrij zijn van beschadigingen.

De beschreven beeldverwerkingsgestuurde robotoplossing zorgt voor een uiterst nauwkeurige en zachte handling van de zeer gevoelige zonne-wafers. Dit blijkt vooral uit het feit dat er sinds de ingebruikname geen handling-gerelateerde waferbreuken zijn opgetreden. In totaal leidt de vervanging van handmatige handling door een volledig geautomatiseerd systeem tot een duidelijke verbetering van de productiviteit en kostenefficiëntie.