Am Fraunhofer ISE vorhandene Laserbearbeitungsanlagen

Am Fraunhofer ISE stehen fünf Laserbearbeitungsanlagen zur Verfügung. Diese werden im Folgenden kurz vorgestellt und anschließend in Tabelle 3-4 in vier verschiedenen Kategorien miteinander verglichen. Die Bewertung innerhalb dieser Kategorien wurde subjektiv für einen Labor- und Forschungsbetrieb der Anlagen vorgenommen und kann für den Einsatz in der industriellen Solarzellenproduktion aufgrund eines anderen Anforderungsprofils (beispielsweise geringere Variationsbedürfnisse) anders ausfallen. Die jeweils in den Anlagen integrierten Laserstrahlquellen sowie weitere, im Laufe der Arbeit verwendete Laserstrahlquellen, sind im Anschluss erläutert.

Baasel

Die älteste am ISE vorhandene Laseranlage ist eine ca. 20 Jahre alte Sonderanfertigung der Firma Baasel Lasertechnik (mittlerweile ein Teil der Rofin-Gruppe), welche mit einem Baasel-Laser Starmark SMS15 ausgerüstet ist. Sie verfügt über einen Festoptik-Strahlengang mit einer Linse der Brennweite f_fok = 60 mm und einem motorisierten x-y-Tisch mit einem maximal möglichen Verfahrweg von 160 mm in die beiden Achsrichtung und einer maximalen Verfahrgeschwindigkeit von 200 mm/s. Am Bearbeitungskopf sind eine Düse zur Einspeisung von inertem Prozessgas sowie eine Absaugung angebracht. Eine Positionierung erfolgt über eine kollinear in den Strahlengang eingespiegelten Kamera.

Sowohl Kamera- als auch Laserfokus können manuell über eine Rändelschraube in z-Richtung verändert werden.

Manz Eingangstester

Im Rahmen der Einrichtung einer Pilotfertigungslinie an Fraunhofer ISE, des sogenannten Photovoltaik Technologie-Evaluationscenters PVTEC, wurde diese Kommissionier- bzw.

Charakterisierungsanlage der Firma Manz Automation AG für die Eingangskontrolle von Wafermaterial mit zusätzlicher Laserfunktion in Betrieb genommen. Ausgerüstet ist die Anlage mit einer schnellen Automatisierung für die gängigen Waferformate 125 mm, 156 mm und 210 mm Kantenlänge. Neben diversen Kamerasystemen zur Lage- und Ausbruchkontrolle, weiteren Bilderfassungssystemen und einer Waage dient ein Trumpf TruMicro 3140 Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm zur Markierung der kommissionierten Wafern. Durch die Verwendung eines Galvanometerscanners mit einer F-Theta-Linse der Brennweite f = 300 mm ist die Bearbeitung von Wafern mit 210 mm Kantenlänge in einem Schritt möglich. Die Lageerkennung der Proben auf dem Transportband erfolgt hier über eine kollinear über den Scanner eingespiegelte Kamera und eine umfassende Bildverarbeitungssoftware. Die gesamte Bearbeitungsposition ist lasersicher eingehaust und wird durch ein leistungsstarkes Absaugsystem vom Laserstaub gereinigt. Durch diese Eigenschaften ist die Anlage zu deutlich komplexeren und positioniergenaueren Prozessen in der Lage. Im Rahmen dieser Arbeit wurden jedoch hauptsächlich Experimente zum Markieren der Proben durchgeführt.

ACR

Die Herstellerfirma „Automation in Cleanrooms“ ACR gehört mittlerweile zur Gebr. Schmid GmbH. Auf dieser Pilotanlage wurden am Fraunhofer ISE ursprünglich die Prozesse der Laserkantenisolation (siehe Kapitel 5.3) sowie LFC (siehe Kapitel 7.2) entwickelt. Sie ist mit einer Sonderversion des diodengepumpten Rofin PowerLine 100 D ausgerüstet, welche durch mechanischen Umbau von der Nd:YAG Grundwellenlänge 1064 nm auf 532 nm frequenzverdoppelt werden kann. Der Strahl wird mit Hilfe eines Galvanometerscanners und F-Theta-Linsen der Brennweiten 254 mm, 160 mm sowie 100 mm auf das Werkstück gelenkt. Eine Absaugung der Prozessprodukte erfolgt durch eine Kammer über der Bearbeitungsposition. Aufgrund der Positionierung mit Hilfe von Anschlägen und der stark abgenutzten Waferaufnahme ist die maximal mögliche Positioniergenauigkeit gering.

Innolas I

Diese industrienahe ILS 700-210 Anlage der InnoLas GmbH wurde ebenfalls im Rahmen des PVTEC-Neubaus in Betrieb genommen. Sie ist mit einer Automatisierung für die gängigen Formate 125 mm, 156 mm und 210 mm mit einem nominellen Durchsatz von

ca. 1000 Wafern / h ausgerüstet. Eine Positionierung der zu bearbeitenden Proben auf einem der beiden Waferaufnahmen kann über verschiedene zur Verfügung stehende Kamerasysteme erfolgen und ermöglicht die Bearbeitung von beliebigen Wafergeometrien.

Der Coherent AVIA-X 355 UV-Laser kann wahlweise über ein Portalachsensystem (Brennweite f = 60 mm) oder einen am Portalachsensystem montierten Galvanometerscanner (Brennweite f = 250 mm) auf eines der beiden Bearbeitungsnester geleitet werden. In beiden Fällen werden die ablatierten Stäube über eine mit dem Portalachsensystem verbundene Absaugeinrichtungen entfernt. Bei Verwendung der Festoptik können zusätzlich diverse Prozessgase durch eine am Bearbeitungskopf befestigte Düse verwendet werden. Die Anlage ist nachträglich mit einem variablen Abschwächer ausgerüstet worden (siehe Kapitel 3.2.5). Weiterhin ist eine Strahlprofilformung vorhanden, welche den Gaußstrahl in einen 30 x 30 µm großes Flat Top Profil umformt (siehe Kapitel 3.1.5). An einer zweiten, unbesetzten Einbauposition inklusive separatem Strahlengang wurden zusätzliche Laserstrahlquellen integriert und evaluiert.

Innolas II

Eine weitere, im Rahmen dieser Arbeit in Betrieb genommene ILS 700 Anlage der InnoLas GmbH beinhaltet die letzten beiden Laserstrahlquellen, den Rofin StarDisc 100 ICQ sowie den Lumera SuperRapid. Der Rofin-Laser kann identisch zur ersten Anlage über einen am Portalachsensystem montierten Galvanometerscanner (f = 254 mm) oder über eine fliegende Optik (f = 60 mm) zugestellt werden. Auch hier ist ein variabler Abschwächer zur stufenlosen Reduzierung der Leistung vorhanden (siehe Kapitel 3.2.5). Der Lumera-Laser bietet die Möglichkeit, die ausgekoppelte Wellenlänge per Software zwischen der fundamentalen (1064 nm) oder der zweiten bzw. dritten harmonischen Wellenlänge umzuschalten. Während für die Fundamentalwellenlänge die gleichen Optionen der Strahlzuführung wie für den Scheibenlaser existieren, können die Harmonischen mangels entsprechend beschichteter Spiegel und Linsen lediglich über die fliegende Optik positioniert werden. Die Absaugung und Prozessgaszuführung ist hier identisch zur anderen Innolas-Anlage ausgeführt, verfügt jedoch über keine Automatisierung und lediglich ein einzelnes Bearbeitungsnest.

Tabelle 3-4: Auflistung der am Fraunhofer ISE vorhandenen Laseranlage mit Bewertung einzelner Punkte durch + (gut) und - (schlecht).

Anlage Positionierung Geschw. Flexibilität Format

Flexibilität Laser Baasel + Kamera, kleine

Brennweite, keine

Start-Stop-Routinen + beliebige Formate bis 160 mm

Kantenlänge - feste Quelle, wenig Parameter

Automatisierung - Standardformate bis 156 mm

Kantenlänge o feste Quelle, eingeschränkte Parameter

Manz

Eingangstester o koll. In Scanner eingesp. Kamera, Abbildungsfehler

+ +

< 10 m/s, schnelle

Automatisierung o Kantenlänge 125 / 156 / 210 mm

quadratisch o feste Quelle, eingeschränkte

2 Positionen vorh.

Innolas II + bewegl. Kameras, Bildverarbeitung,

Auflösung limitiert + < 2 bzw. 10 m/s, Proz. ident. Innolas I, keine Autom.