News #41

Laseranlage für große Wafer-Formate verbindet hohen Durchsatz mit Präzision

Bereits heute werden weltweit mehrere Millionen Siliziumwafer pro Tag für die Photovoltaikindustrie produziert, mit stark steigendem Bedarf. Gleichzeitig stellt die Branche ihre Produktion zunehmend auf größere Wafer-Formate um. Die Herstellung dieser Solarzellen mit einer Kantenlänge von bis zu 210 Millimetern bei mindestens gleichbleibender Qualität und Taktrate stellt Anlagenhersteller insbesondere für die Laserbearbeitung vor neue Herausforderungen. Damit dieser Prozessschritt zukünftig nicht zum Nadelöhr wird, entwickelte ein Forschungsteam am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesystem ISE mit Industriepartnern ein neues Anlagenkonzept. Es setzt auf die geschickte Kombination von „on-the-fly“ Prozessierung mit ultraschneller Scantechnologie, ultraschnellen Laserquellen, High-End Optiken und Sensorik. Nach der erfolgreichen Demonstration im Jahr 2022 mit einem effektiven Durchsatz von über 15.000 Wafern pro Stunde ist nun ein weiterer Prototyp am Fraunhofer ISE im Einsatz, der UV-Wellenlängen nutzt und besonders kleine Strukturen verspricht.

© Fraunhofer ISE
Aufbau des Laser-Anlagen-Prototyps.

»Das Besondere am Aufbau des Demonstrators ist, dass große Werkstücke sehr schnell und mit kleiner Strukturgröße prozessiert werden können«, sagt Dr. Jale Schneider, Projektleiterin am Fraunhofer ISE. »Ein großes Bildfeld, schnelle Prozessierung, feine Strukturen – in der Branche der Lasermaterialbearbeitung ist der Gedanke fest verankert, dass man nur zwei dieser drei Eigenschaften gleichzeitig haben kann. Mit dieser Anlage haben wir alle drei Wünsche gleichzeitig erfüllt.«

Der Demonstrator prozessiert Wafer-Formate bis zur Größe M12 (210 mal 210 Millimeter) mit Strukturen mit weniger als 15 Mikrometern Größe. Dies ist um 30 Prozent kleiner im Vergleich zu den in aktuellen Anlagen realisierten Strukturen, die ebenfalls mit Wellenlängen im UV-Bereich arbeiten. Im Vergleich zu noch gängigeren, IR-Wellenlängen basierten Systemen sind die Strukturen sogar dreifach kleiner. Im Fall von zum Beispiel laser ablatierten Kontaktöffnungen führt die verringerte Breite zu  schmaleren Leiterbahnen, die den Materialverbrauch zur Metallisierung drastisch senken.

Für den Aufbau des Prototyps baute die MOEWE Optical Solutions GmbH einen ultraschnellen Polygonscanner für UV-Wellenlängen mit einer Linienfrequenz von bis zu 1800 Linien pro Sekunde. »Der Einsatz des Polygonscanners erlaubt eine 10 bis 20-fach schnellere Bearbeitung der Wafer, als es mit herkömmlichen Galvanometerscannern möglich ist«, sagt Dr. Florian Rößler von MOEWE Optical Solutions. 

© Fraunhofer ISE
Technische Spezifikationen des neuen Laser-Anlagen-Prototyps.

Die EdgeWave GmbH entwickelte einen UV-Laser, der eine hohe Repetitionsrate von bis zu 10 Megahertz bei einer maximalen Pulsenergie von 5,6 Micro Joule und komplett arbiträrere Pulsfolgen ermöglicht. »Die Realisierung einer ,pulse on demand´ Funktion ist anspruchsvoll, aber für die wachsenden Anforderungen in der Lasermaterialbearbeitung essenziell«, ergänzt Dr. Keming Du von der EdgeWave GmbH. Um das Potenzial des ultraschnellen Scanners und Lasers zu erschließen, integrierte das Fraunhofer ISE sie gemeinsam mit einer High-End Optik, einer Achse und der Strahlführung zu einem Anlagen-System. Aktuell werden mit dem Aufbau neue Prozessregimes erprobt und die Durchsatzsteigerung ermittelt. Die Weiterentwicklungsthemen adressieren Synchronisation und Absolutgenauigkeiten der Systemkomponenten, die bei einer solch hohen Geschwindigkeit und kleinen Strukturen besonders stark berücksichtigt werden müssen. 

Das neue Anlagenkonzept ermöglicht Solarzellenherstellern, Laserprozessierung bei höchster Geschwindigkeit durchzuführen, ohne bei der Struktur- oder Bearbeitungsfeldgröße Kompromisse eingehen zu müssen.

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