Trotz vieler Übereinstimmungen mit den Anforderungen der traditionellen Halbleiterbranche und vor allem der IC23-Fertigung divergieren die spezifischen Anforderungen der Solarindustrie immer stärker in eine komplementäre Richtung. Dies gilt auch für Prozessanlagen, welche in der klassischen Halbleiterbranche immer kleinere Strukturen erzeugen, in der Photovoltaik jedoch immer schneller produzieren müssen. Die für die Laserbearbeitung von Solarzellen verwendeten Anlagen können prinzipiell der Gruppe der Mikromaterialbearbeitungsanlagen zugeordnet werden, wobei die Bezeichnung „Mikro-„
bereits verdeutlich, dass kleine Strukturen bearbeitet werden sollen, was vor allem an die Genauigkeit der Laseranlagen zusätzliche Anforderungen mit sich bringt. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass die Probe auf einem Halter in der x-y-Ebene befestigt ist und der Strahl aus der z-Richtung auf die Probe geleitet wird. Dies spiegelt die Anordnung von Probe und Strahlzuführung bei der breiten Mehrheit der Laseranlagen wider.
3.3.1 Auswahl des geeigneten Lasers / Laseranlage
Primäres Auswahlkriterium für eine geeignete Laserstrahlquelle müssen immer prozess-spezifische Anforderungen sein. Auf diese wird in den Kapiteln 5-7 für die unterschiedlichen Anwendungen gesondert eingegangen. Allen dort erwähnten Prozesse sind folgende prozessunabhängige Anforderungen gemein:
− Stabilität / Homogenität: Abhängig von der Breite des Prozessfensters im Parameterraum kann die Stabilität des Lasers entscheidenden Einfluss auf die Prozessausbeute haben.
Abhängig vom Hersteller werden hier verschiedene Parameter spezifiziert:
• Die Puls-zu-Puls-Stabilität gibt die absolute Leistungsschwankung an, welche von einem zum nächsten Puls auftreten kann. Unabhängig hiervon kann sich die Leistungsstabilität über einen längeren Zeitraum verhalten. Die zugrundeliegende Messnorm ist das relative Intensitätsrauschen RIN24, welches die spektrale Dichte der Leistungsschwankung, normiert auf das Quadrat der mittleren Leistung als Funktion der Frequenz f, angibt. Da dies ein intuitiv nicht direkt zugänglicher Wert ist, wird üblicherweise eine graphische Darstellung von Dauermessungen verwendet.
• Die Beam Pointing Stability gibt Aufschluss über die Genauigkeit der Absolutposition des Strahlaustritts aus dem Laserkopf. Sie ist vor allem wichtig, wenn man den Laserstrahl durch sensible optische Elemente, wie beispielsweise Strahlformungsoptiken, leiten will. Darüber hinaus verkürzt ein niedriger Wert die Justagedauer nach einem Austausch einer Laserstrahlquelle deutlich, was vor allem bei industriellen Anwendungen, bei denen die Laseranlage möglichst kontinuierlich arbeiten muss, vorteilhaft ist.
− Flexible Ansteuerbarkeit: Ein großer Vorteil des Lasers als Werkzeug ist, dass er abhängig von der Konstruktion der Laseranlage eine große Flexibilität bezüglich der erzeugbaren Strukturen bietet. Diese Flexibilität kann durch eine reduzierte Ansteuerbarkeit des Lasers eingeschränkt sein. Um zum Beispiel die unweigerlich auftretenden Beschleunigungs- und Abbremsrampen der Positioniereinheiten eliminieren zu können, ist entweder eine variable Pulsenergie oder eine abstimmbare Repetitionsrate
23 aus dem englischen „Integrated Circuit“, übersetzt: integrierter Schaltkreis. Grundeelement der Computerindustrie zur Herstellung komplexer Schaltkreise, welche auf einem Halbleitersubstrat untergebracht (integriert) werden.
24 aus dem Englischen „Relative Intensity Noise“ wörtlich übersetzt
bei gleich bleibender Pulsenergie notwendig, um die Gesamtenergieeinwirkung über die Struktur hinweg konstant zu halten.
− Diverses: Über diese den Laser betreffenden Punkte hinaus sollte es selbstverständlich sein, dass die Laseranlage zum Beispiel benutzerfreundlich ist, so wenig wie möglich Wartungsaufwand hat (und diese Wartungen leicht durchführbar sind), der Laserschutzklasse 1 entspricht (laut [68] bedeutet dies, dass die vom Lasergerät emittierte Strahlung ungefährlich ist und keine weiteren Schutzmaßnahmen ergriffen werden müssen) und auch sonst den Benutzer keinerlei Gefahren durch beispielsweise Stäube, Abluft oder mechanische Bauteile aussetzt.
3.3.2 Optionen der Strahlzuführung zum Werkstück
Für die Zustellung des Laserstrahls zum Werkstück existieren verschiedene Möglichkeiten.
Sie lassen sich grob in zwei Varianten unterteilen, nämlich den fixierten Strahlengang, bei dem das Werkstück bewegt wird, und diverse Arten von flexiblen Strahlengängen, bei denen das Werkstück ortsfest ist und die Strahlzuführung variabel ist. Die Vor- und Nachteile der verschiedenen Strahlzuführungsmöglichkeiten sind in Tabelle 3-3 zusammengefasst.
Fixierte Strahlzustellung
Ganz allgemein steht die fixierte Strahlzustellung für eine mechanisch unveränderliche Führung des Strahls direkt auf das Werkstück. Der einfachste Fall ist hierbei die direkte Zustellung des Laserstrahls über ein starres Gebilde aus Spiegeln und Linsen zum Bearbeitungsort. Da der Strahl durch die feste Positionierung der optischen Elemente zunächst immer an exakt der gleichen Stelle auf das Substrat trifft, muss dieses zur Erzeugung von beliebigen Markiermustern relativ zum Laserstrahl bewegt werden. Dies geschieht üblicherweise über Linearachsen. Häufig wird dabei anstelle des Substrats die Fokussierlinse in z-Richtung verfahren (siehe Abbildung 3-11 links). Falls die Laserstrahlquelle sowie die optischen Elemente des Strahlengangs leicht genug sind und unsensibel auf Bewegung reagieren, kann als Sonderfall der fixierten Strahlzustellung auch der Laser inklusive des kompletten Strahlengangs mit Hilfe von Linearachsen verfahren werden. Dies gilt hauptsächlich für eine kleine Menge von Laserquellen wie beispielsweise Halbleiter-Diodenlaser.
Eine weitere Sonderform ist die Führung des Lasers innerhalb eines Flüssigkeitsstrahls [69].
Dieses System basiert ebenfalls auf einem fixierten Strahlengang. Anstatt den Laserstrahl zur Bearbeitung jedoch über eine Linse auf die Bearbeitungebene zu fokussieren, wird er in einen feinen Flüssigkeitsstrahl eingekoppelt. Dieser Flüssigkeitsstrahl dient als Lichtwellenleiter, d.h. das Licht wird durch interne Totalreflektion innerhalb des Flüssigkeitsstrahls geleitet. Dadurch lassen sich Fokustiefen von mehreren Zentimetern Länge erreichen. Weiterhin können die Ablationseigenschaften durch den Flüssigkeitsstrahl beeinflusst werden, indem dieser beispielsweise kühlt oder Chemikalien an die Bearbeitungsposition befördert.
Flexible Strahlzustellung
Eine leicht abgeänderte Version der fixierten Strahlzustellung ist die „fliegende Optik“. Eine Realisierungsmöglichkeit ist die Verwendung eines Portalachsensystems, bei welchem der Laserstrahl jeweils exakt parallel zu den einzelnen Portalachsen verläuft. Somit kann jede Achse verfahren werden, ohne dass die Position auf den Umlenkspiegeln verändert wird und
der Strahl konstant von oben durch die Fokussierlinse trifft (siehe Abbildung 3-11 rechts).
Dieses Vorgehen bietet sich vor allem dann an, wenn das zu bearbeitende Werkstück entweder sehr schwer ist oder keinen großen Beschleunigungen ausgesetzt werden soll. Die Verwendung eines Portalachsensystems erfordert einen erhöhten Justageaufwand des kompletten Strahlengangs, da Abweichungen in der Parallelität des Strahls zur Achse in einer variierenden Position auf der Fokussierlinse resultiert. Dies erschwert die Verwendung von Optiken, welche auf eine möglichst positionsgetreue Abbildung angewiesen sind, wie beispielsweise Blenden und Aperturen. Darüber hinaus können lediglich Laser mit einer vernachlässigbaren Divergenz verwendet werden, da ansonsten der Strahldurchmesser zu stark von der Gesamtlänge des Strahlengangs abhängt.
x y z Spiegel
Fokussierlinse
x
y
z
Spiegel
Fokussierlinse
Werkstück Werkstück
x y z Spiegel
Fokussierlinse
x
y
z
Spiegel
Fokussierlinse
Werkstück Werkstück
Abbildung 3-11: Schematische Darstellung der Strahlzuführung im Falle der fixierten Strahlzustellung („Festoptik“, links) sowie der flexiblen Strahlzustellung („fliegende Optik“, rechts). Beide Male trifft der Strahl unter konstanten Winkeln auf die Spiegel und senkrecht von oben auf das Werkstück.
Eine elegante Lösung des Problems der flexiblen Strahlzustellung ist die Verwendung von Lichtwellenleitern (LWL, [54, 63]), um den Strahl vom Ausgang des Laserkopfes zum Werkstück bzw. zur Fokussieroptik zu führen. Lichtwellenleiter bestehen üblicherweise aus dünnen Glasfaserkabeln, in welchen das Licht aufgrund interner Totalreflektion an den Außenwänden geführt werden kann. Unter Berücksichtigung des minimalen Biegeradius sowie der internen Abschwächung des Laserlichts aufgrund der Absorption können beinahe beliebige Strahlzuführungen realisiert werden. Nicht unüblich ist die Verwendung von Roboterarmen, an welchen die optische Faser auf die Fokussierlinse gerichtet ist.
Hauptnachteile dieser Methode sind einerseits die geringe Zerstörschwelle der Faser, welche die Verwendung von Lasern mit kurzen Pulsen ausschließt sowie der eingeschränkte nutzbare Wellenlängenbereich, in dem die Absorption der Faser gering genug für eine Verwendung ist.
Der Galvanometer-Scanner (auch nur „Scanner“ oder „Galvo“ genannt) ist gewissermaßen eine Mischung aus fester und flexibler Strahlzuführung. Hier wird die Laserstrahlung zunächst über einen fixierten Strahlengang zum Scanner geführt. Die Strahlpositionierung über dem Werkstück erfolgt dann über ein System aus zwei kleinen Spiegeln, welche mit Hilfe von Elektromotoren (sogenannte Galvomotoren) und geringen Winkelauslenkungen den Strahl an eine beliebige Position im Scanfeld ablenken können. Je nach Größe der Spiegel und damit ihrer Massenträgheit lassen sich hier sehr hohe Verfahrgeschwindigkeiten des Strahls auf dem Werkstück realisieren, weswegen Scanner üblicherweise im Markier- und Beschriftungsbereich eingesetzt werden. Zur Fokussierung passiert der Laserstrahl eine
große Fokussierlinse, welche für diese Anwendung speziell geformt sein muss (F-Theta-Linse), um auch bei schrägem Lichtweg die Fokusebene beizubehalten. Die Größe des Scanfelds wird durch die maximale freie Apertur der Linse bestimmt. Hier muss zwischen möglichst großer Bearbeitungsfläche, hoher möglicher Bearbeitungsgeschwindigkeit und großer Fokuslänge einerseits (große Brennweite der Linse) und feineren Strukturen durch bessere Fokussierbarkeit sowie höherer Genauigkeit andererseits (kleine Brennweite der Linse) abgewägt werden.
Tabelle 3-3: Übersicht über die verschiedenen Möglichkeiten der Strahlzuführung einer Laseranlage mit den jeweiligen Vor- und Nachteilen.
Strahlführung Vorteile Nachteile
Fixiert:
Standard
+ einfache, stabile und robuste Strahljustage
+ Verwendbarkeit von beliebigen optischen Elementen
+ hohe Genauigkeit möglich + große Bearbeitungsfelder realisierbar
- geringe Verfahrgeschwindig- keit erreichbar
- Mehraufwand bei integration mit mehreren Bearbeitungsstationen - Beschleunigung des Bauteils
Fixiert:
Flüssigkeitsstrahl
+ große Tiefenschärfe erzielbar + Flüssigkeit begünstigt Kühlung und Materialabtransport + Verwendung von Chemikalien möglich, um Zusatzprozesse zu generieren
- Flüssigkeit muss nach Bearbeitung abgeführt werden - Mehraufwand bei der Strahl- justage in den Wasserstrahl Limitierung bezüglich Wellen- länge und Pulsenergie
Flexibel:
„fliegende Optik“
+ hohe Genauigkeit möglich + große Bearbeitungsfelder realisierbar
+ vereinfachte Anlagen- integration mit mehreren Bearbeitungsstationen
- leichte Positionsänderung des Strahls bei Achsbewegungen - dadurch Verwendung von div.
opt. Elementen erschwert - erschwerte Verwendung von stark divergenten Stahlen Flexibel:
Lichtwellenleiter
+ hohe Bewegungsflexibilität, dadurch Anlagendesign frei wählbar
+ sehr einfaches Anlagendesign
- LWL nicht kompatibel mit vielen Lasern, vor allem für
+ hohe Geschwindigkeit von Strahl auf Werkstück möglich + wenig bewegte Masse, darum schnellere und Abbremsvorgänge
- niedrigere Genauigkeit als Achsensysteme
- maximale Bearbeitungsfeld- größe eingeschränkt
3.3.3 Anforderungen an die Anlage
Wie bereits eingangs erwähnt sind viele der zur industriellen Fertigung verwendeten Prozesse angelehnt an die Halbleiterindustrie. Zur Befriedigung der speziellen Anforderungen der Solarzellenfertigung müssen jedoch teilweise neue Anlagenkonzepte entwickelt werden. Im Folgenden wird kurz auf die wichtigsten Punkte eingegangen.
Prozesstakt / Anlagengeschwindigkeit
Aufgrund der hohen Stückzahlen einer Fertigungslinie in der Solarzellenindustrie ist ein hoher Durchsatz von Werkstücken durch die Anlage ein entscheidender Faktor, um die stückbasierten Prozesskosten zu minimieren. Um dies zu erreichen, müssen entweder viele Werkstücke parallel prozessiert werden (Parallel- oder Batchprozessierung) oder aber die Prozesszeit eines einzelnen Werkstücks so kurz wie möglich gehalten werden. Dabei gilt für den Durchsatz einer Anlage DAnlage [Stück/h]:
[ ]
Takt ozess HandlingTakt
Anlage mit t t t
s n t
D = ⋅ 3600 = Pr +
n Anzahl der parallel prozessierten Werkstücke
(3-20)
Moderne Produktionslinien werden bereits mit ~ 3000 Stück/h Durchsatz projektiert. Bis vor kurzem basierten Produktionslinien auf Durchsätzen von ~ 1200 Stück/h als absolute Minimalanforderung, d.h. bei einer Einzelprozessierung darf die Taktzeit pro Wafer maximal drei Sekunden betragen. Der Übergang zu aktuellen Linien wird bei vielen Prozessschritten dabei durch Parallelisierung von mehreren Anlagen erreicht. Darum wird für die Rechnung ein Takt von ~ 3 Sekunden unter Berücksichtigung von ~ 1 Sekunde Handlingzeit tHandling pro Wafer für das Be- und Entladen der Bearbeitungsstation, Bilderkennung und Ausrichtung angenommen. Unter Annahme einer resultierenden Prozesszeit tProzess pro Wafer können die Anforderungen an die Laserprozesse anhand von zwei Beispielen präzisiert werden:
− Laserkantenisolation (Kapitel 5.3): Um am Rand der Solarzelle den Kurzschluss von Vorder- zu Rückseite mit einem Lasergraben zu trennen, muss eine Minimalstrecke von 500 mm (bei 125 x 125 mm2 Zellgröße) bzw. 625 mm (bei 156 x 156 mm2 Zellgröße) abgefahren werden.
− Selektive Ablation für die Vorderseitenmetallisierung (Kapitel 6.4): Unter der Annahme eines Fingerabstands von 2 mm und den oben genannten Zellformaten muss alleine für die Finger (keine Berücksichtigung des Busbars) eine Strecke von ca. 8 m bzw. 12 m zurückgelegt werden.
Während bei der Laserkantenisolation Verfahrgeschwindigkeiten von > 250 mm/s bzw.
> 310 mm/s ausreichend sind, um den gewünschten Prozesstakt einhalten zu können, sind aufgrund der um etwa einen Faktor 20 längeren Strecke bereits Verfahrgeschwindigkeiten im Bereich von 10 m/s notwendig. Dabei wird offensichtlich, dass die benötigten Geschwindigkeiten für einige Laserprozesse bereits außerhalb des mit achsbasierten Systemen erreichbaren Bereichs liegen. Zukünftige Anlagenkonzepte mit gesteigerter Produktivität müssen darum mehrere Routen gleichzeitig verfolgen, um die Durchsatzanforderungen zu erfüllen. Ein leichter Zugewinn an Prozesszeit kann durch eine weitere Reduzierung der Handlingszeit tHandling, beispielsweise durch schnellere Automatisierung und Bilderkennung oder parallele bzw. sequenzielle Durchführung dieser Prozesse, erreicht werden. Für Prozesse, bei denen jedoch größere Strukturen erzeugt werden müssen bzw. große Flächenanteile bearbeitet werden sollen, sind allerdings die
Parallelprozessierung sowie die Verwendung von Strahlformungsoptiken unumgänglich.
Hierdurch können Teilstücke der gewünschten Struktur mit einzelnen Pulsen prozessiert werden, was auch weiterhin die Verwendung von langsameren und damit genaueren Achssystemen ermöglicht.
Genauigkeit
Abhängig vom verwendeten Prozess muss dieser nicht nur schnell sein, sondern auch möglichst präzise positioniert durchgeführt werden, um Leistungsverluste durch verlorene Flächen aufgrund von hohen Toleranzen zu minimieren. Zur Verdeutlichung kann hier ebenfalls eine einfache Rechnung auf Basis der Laserkantenisolation (siehe Kapitel 5.3) gemacht werden, da hier die Fläche außerhalb des lasererzeugten Grabens nicht zur Stromerzeugung beiträgt und somit zu Einbußen im Gesamtstrom der Solarzelle führt.
Bei der Rechnung wird eine Solarzelle mit η = 16.5 % und einer Kantenlänge von 156 mm, ein nach [70] abgeschätzter Verkaufspreis von 2 €/Wp sowie eine durchschnittliche Produktionslinie mit einem jährlichen Ausstoß von ca. 7.4 Millionen Zellen (entspricht einer Jahresproduktion von ca. 30 MWp bei einem Durchsatz von 1200 Stück/h, einer Verfügbarkeit der Anlage von ca. 70 % und 100 % Ausbeute) verwendet. Dies führt zu einem Jahresverlust von ~ 1300 € pro Mikrometer Randabstand und somit beispielsweise zu
~ 152 T€ Verlust bei 100 µm Randabstand. Eine Reduzierung des Randabstands kann somit zu signifikanten Kosteneinsparungen führen. Bei dieser groben Abschätzung wurden jedoch mehrere mindernde Effekte außer Acht gelassen, wie beispielsweise die Reduzierung der Ausbeute bei Reduzierung des Randabstands oder bei Alternativprozessen ebenfalls auftretende Flächenverluste.
Reinheit / Sauberkeit
Aufgrund der deutlich größeren Strukturgrößen als in der Halbleiterindustrie üblich sind die Anforderungen bezüglich Staubverunreinigungen relaxiert, da diese nicht in ähnlich starkem Maßstab zur Reduzierung der Ausbeute führen. Dies ermöglicht eine Platzierung von Laserbearbeitungsanlagen für die Solarzellenfertigung in Arbeitsumgebungen außerhalb des Reinraums. Aufgrund der hohen Stückzahlen in der industriellen Fertigung ist jedoch eine sorgfältige Entfernung der Prozessrückstände notwendig. Auch hier dient die Laserkantenisolation mit dem oben genannten Durchsatz als Beispiel. Hier entsteht pro Jahr bei einer Grabengeometrie von 50 µm Breite 10 µm Tiefe insgesamt mehr als 4 kg feinster Siliziumstaub, welcher nicht nur toxisch ist, sondern auch eine Brandgefährdung darstellt.
Diese Menge wächst deutlich an, wenn man Prozesse wie das Via-Loch-Bohren oder die Strukturierung eines rückseitigen Emitters für Hocheffizienzzellen betrachtet. Beim Via-Loch-Bohren fällt pro Solarzelle ein ablatiertes Volumen von 9 - 18 mm2 bzw. 20 - 40 mg an [71], was einer Gesamtmenge von 150 - 300 kg entspricht. Aufgrund der Verwendung des kompletten Siliziumwafers als aktives Zellmaterial ist darüber hinaus auf eine absolut kontaminationsfreie Prozessumgebung zu achten. Hier sind vor allem Metalle mit einem Defektniveau mittig in der Bandlücke sowie einer hohen Diffusivität bei niedrigen Temperaturen zu vermeiden wie beispielsweise Gold oder Kupfer [72].