Verfahren zur automatisierten Handhabung von hochsensiblen Photovoltaik-Substraten aus Flüssigkeiten

Abstract

Bestrebungen in der Entwicklung und der Produktion zukünftiger kristalliner Photovoltaik-Zellen haben unter anderem den reduzierten Einsatz von hochreinem Silizium mittels neuer Produktionstechnologien im Fokus. Für die Herstellung von ultra-dünnen Siliziumsubstraten kann das thermomechanische Verhalten des Siliziums genutzt werden, um folienartige, stark gebogene Substrate mit Dicken zwischen 50 - 80 μm zu erzeugen. Diese müssen in anschließenden Prozessschritten gereinigt werden, um flache, nutzbare Substrate für Photovoltaikzellen zu gewinnen. Ziel dieser Arbeit ist es, für die Reinigung der sich transformierenden Substrate - von einem gebogenen in einen flachen Zustand während des Reinigungsschrittes - eine automatisierte Handhabung zu entwickeln und zu erproben. In der Folge werden die Randbedingungen für das Handhabungsverfahren analysiert, Anforderungen an das Verfahren abgeleitet und das Verfahren konzipiert. Unter der Berücksichtigung von unsteten Bedingungen durch die Prozessflüssigkeit wird das Handhabungsverfahren im aufgestellten Modell regelbar ausgelegt. Die Komplikationen des Handhabungsverfahrens werden erörtert und dabei die Wirkzusammenhänge zwischen Greifpunktpräzision und resultierender Positioniergenauigkeit für einen kontinuierlich stabilen Prozess deutlich. Mit dem Aufbau eines Demonstrators wird das konzipierte Verfahren umgesetzt und die einzelnen Verfahrensfunktionen experimentell untersucht und charakterisiert. Durch die Identifikation der signifikanten Parameter werden die Bedingungen für eine automatisierte Handhabung in Flüssigkeiten beschrieben. Für die Erprobung werden im Dauerversuch Handhabungsvorgänge bei unterschiedlichen Flüssigkeitszuständen bewertet. Die Erprobungsergebnisse zeigen die potentielle Anwendbarkeit des Verfahrens für die industrielle Nutzung. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Grundlagen für die Automatisierung eines Schlüsselprozesses geschaffen, der die zukünftige Produktion ultra-dünner Siliziumsubstrate und deren Handhabung aus Prozessflüssigkeiten heraus ermöglicht. Es wird ein hoher Erfüllungsgrad der an das Verfahren gestellten Anforderungen aufgezeigt. Synergien des automatisierten Handhabungsverfahrens lassen sich aus den eigens entwickelten Teilsystemen der Greifpunktbestimmung und der Handhabungsbewertung für die situative Prozesslenkung auf weitere, vergleichbare Anwendungsfälle übertragen.

New approaches for wafer manufacturing generate silicon substrates as thick as foils (50 - 80 μm) by using the thermal-mechanic behavior of silicon and a previously deposited stress-inducing layer. After the detachment from a ‘parent‘ ingot the generated silicon wafer samples may be heavily bound and deformed due to the applied stress layer. A cleaning step by a wet chemical process solves the attached stress-inducing layer and allows to unbend the substrate in the cleaning bath. The scope of this work is the development of an automated handling process for the shapetransforming substrates during cleaning. Thus, the goal of this thesis is to develop a reliable and reproducible automated handling process for the removal of highly sensitive silicon substrates from a cleaning process bath. The in-process transforming substrate cannot be supported by carriers or belts and requires the direct removal by pneumatic grippers from the liquid. The theoretical process model focuses on the detection of the flat substrate in the cleaning basin. The advanced complication of the substrate detection in the liquid is given by considering different conditions of the liquid cleaning bath. As a feedback control a developed handling quality number allows to integrate the substrate detection evaluation in combination with the handling result. Thus, the stabilization of the handling results by the selection of appropriate parameters was enabled and characterized. Taking into consideration the Advanced-Process-Control method a control framework which integrates the detection and the handling quality result was developed for a continuous process run. The setup of an experiment platform enables to test the handling functions in both single and integrated ways. Significant parameters were identified as well as the restrictions and opportunities due to appearing process forces during the handling in the liquid. As a result, the control framework had to act in almost every fifth handling cycle, determining the bath condition and adapting the amount of the detection requests. The result classification again reveals, that a good detection information and an average handling speed for the removal allows to achieve stable handling process results. The development shows a high degree of fulfillment in terms of the identified process requirements. The verified removal process of ultra-thin silicon substrates from a liquid bath is feasible and demonstrates the automated direct handling for future immersion bath process applications in photovoltaics cell or analogous productions.