Für die Fertigung von Solarzellen und -modulen werden Wafer, dünner als 800 µm, verwendet. Dazu werden Ingot genannte Silizium-Blöcke in Scheiben gesägt. Um nur passgenaue Wafer zu produzieren wird der Ingot noch vor dem Sägen vermessen. Ein automatisches Mess­system übernimmt jetzt die Aufgabe, die Geometrie des Ingots zu überprüfen. Die Ergebnisse sind schnell verfügbar, zuverlässig und reproduzierbar - im Gegensatz zur bisherigen manuellen Prüfung.

Silizium-Wafer werden als Substrat für die Solarzellen-Produktion verwendet. Dazu werden von bearbeiteten Silizium-Blöcken Scheiben abgesägt. Diese Scheiben sind dünner als 800 µm. Um deren Abmessung sicherzustellen, wird der Silizium-Block noch vor dem Säge-Prozess untersucht. Denn wenn fehlerhafte Ingots gesägt und Wafer außerhalb der zulässigen Toleranz weiterverarbeitet werden, entstehen unnötige Kosten durch Materialeinsatz und Zeitverlust. Die bislang manuell durchgeführte Geometrieprüfung ist sehr zeitaufwändig und liefert lediglich lokale Aussagen über die Qualität des Silizium-Blockes. Deshalb bietet Micro-Epsilon jetzt ein vollautomatisches Prüfsystem mit berührungslos arbeitender Sensorik an.

Bisheriger Prozess
Unabhängig davon, nach welchem Verfahren ein Silizium-Block oder Ingot hergestellt wurde, ob er mono- oder polykristalliner Natur ist, kann er von der gewünschten Form abweichen. Überschreiten die geometrischen Abweichungen des Ingots eine vorgegebene Toleranz, muss entschieden werden, ob er durch Nachbearbeitung in den zulässigen Bereich gebracht werden kann. Diese Stellen werden markiert und abgetrennt. Übrig bleiben einzelne Teile des Ingots, die als Bricks bezeichnet werden, und aus denen die Wafer gesägt werden. Diese passen später geometrisch exakt in die Matrix des Solarmoduls.
Bei der manuellen Geometrieprüfung wird der gefaste und quadrierte Ingot (Brick) mittels Messschieber kontrolliert. Der Prüfer misst meist an nur drei verschiedenen Stellen auf der Länge des Blocks und übergibt die Daten über einen PC an eine Datenbank. Ausbrüche an der Oberfläche sind visuell gut erkennbar. Planheitsabweichungen der Seitenfläche oder eine „Bananenform" des Ingots sind allerdings nicht zu sehen. Solche Fehler können jedoch das Aufkleben des Trägerglases, das zum späteren Sägen erforderlich ist, erschweren. Sollte sich während des Sägens der Brick vom Trägermaterial lösen, hat dies einen längeren Ausfall der Drahtsäge zur Folge. Der gesamte Vorgang des manuellen Messens dauert etwa 20 Minuten. Alle als NIO deklarierten Bereiche am Silizium-Block markiert der Prüfer von Hand. Anschließend gelangt der Ingot zur Nachbearbeitung der markierten Stellen zur Sägestation.

Automatische Prüfung
Um den Prozess der manuellen und wenig zuverlässigen Geometrieprüfung zu optimieren, bietet Micro-Epsilon eine vollautomatische Lösung, bei der der Ingot (Brick) nur noch in die Messstation eingelegt und nach der Geometriemessung wieder entnommen wird. Die Anlage mit dem Namen „dimensionControl 8260 for Ingots" überprüft mit mehreren laseroptischen Sensoren (Linien-Scannern) die Oberfläche des Ingots. Dabei führt sie selbstständig Messungen der Seitenlängen, Fasenlängen, Winkel und Diagonallängen durch. Auch die Planheit der Seitenflächen sowie das Gewicht kann überprüft werden.
Für die automatische Prüfung wird der Ingot mittels Hebezeug manuell in das Messsystem eingelegt. Anschließend kalibriert sich die Anlage völlig selbstständig durch integrierte Masterteile. Zur Kalibrierung stehen die gängigen Ingotgrößen 125 mm x 125 mm, 156 mm x 156 mm und 210 mm x 210 mm zur Verfügung. Die Nennwerte werden dem Messsystem vom Leitrechner übermittelt. Alternativ kann der Bediener einen Barcodeleser einsetzen oder die Werte manuell eingeben.

Messpunkte im Abstand von 1 mm
Auf einer Sensor-Grundplatte befinden sich vier laseroptische Linien-Scanner. Sie projizieren je eine Laserlinie auf den Ingot. Die reflektierte Linie wird von dem Scanner aufgenommen und ausgewertet. Sie enthält präzise Informationen über die Geometrie des Ingots. Während des Messvorgangs traversiert die Sensorgrundplatte mit der Sensorik entlang des Prüflings. Dabei werden in bestimmten Abständen Messungen durchgeführt. Typisch ist eine Messung der Ingot-Geometrie im Abstand von 1 mm. Die Profil-Informationen werden bereits während der Messung aneinander gereiht, sodass die Oberfläche virtuell rekonstruiert werden kann. Fehlerhafte Stellen werden automatisch durch eine integrierte Markiereinheit oder manuell durch den Werker gekennzeichnet. Ab welcher Größe ein Fehler erkannt werden soll, lässt sich softwareseitig festlegen. Beispielsweise kann definiert werden, dass ein neuer Brick erst ab 10 in Folge gemessenen Fehlern markiert werden soll. Die Anlage vergleicht nach Abschluss der Messung die Solldaten mit den gemessenen Werten und klassifiziert damit den Ingot.

Spiegelnde und matte Oberflächen
Je nach Bearbeitungszustand des Ingots wechselt die Oberfläche zwischen spiegelnd und matt. Im Normalfall regelt sich die Belichtungszeit am Sensor abhängig vom Reflexionsgrad der Oberfläche automatisch je Profil. Ändert sich aber die Oberfläche innerhalb einer Laserlinie, sind viele herkömmliche Scanner überfordert. Micro-Epsilon hat für diese Anforderung eine dynamische Belichtungsumschaltung entwickelt. Mit dieser Funktion werden schlecht reflektierende und spiegelnde Bereiche optimal beleuchtet.
Derzeit ist die Anlage für Ingots mit einer Länge von bis zu 800 mm im Einsatz beim Kunden. Eine Erweiterung auf bis zu 2.500 mm ist problemlos möglich. Erhältlich ist das Messsystem auch mit integrierter Wägezelle, um die Ausbeute im Vorfeld zu bestimmen.

Fazit
Die optische Prüfung mittels Laser-Scannern bietet gegenüber der manuellen Messung Vorteile: Die Ergebnisse sind reproduzierbar und zuverlässig. Der Ingot wird umfassend vermessen, es muss nicht mehr auf nur lokale Messungen zurückgegriffen werden. Der Mess-Vorgang selbst findet berührungslos statt, übt also keinerlei mechanische Einflüsse auf den Prüfling aus. Die verwendete Sensorik und Software sowie das Design für Mechanik und Elektrotechnik stammt aus dem Hause Micro-Epsilon. Das Unternehmen ist daher in der Lage, alle Komponenten zu modifizieren und optimal aufeinander abstimmen. Die automatische Geometrievermessung verhilft dem Anwender zu einer Zeit- und Materialersparnis bei der Ingotprüfung und stellt die Weiterverarbeitung von ausschließlich intakten Bricks sicher.