Die Produktion von Solar-Wafer stellt hohe Anforderungen an die Qualitätssicherung, vor allem wenn man bedenkt, dass die Wafer in der Regel nur etwa 200 µm dick sind. Somit liegen auch die zu messenden Abweichungen im µm-Bereich. Werden dann noch in der Qualitätssicherung von den Messgeräten kurze Zykluszeiten gefordert, wird der eingesetzten Messtechnik einiges abverlangt.
Die ATMvision AG aus Salem im Bodenseekreis hat sich auf die Entwicklung und Herstellung von Bildverarbeitungssystemen zur Qualitätssicherung sowie auf den Anlagenbau spezialisiert. Ziel des Unternehmens ist es, mit teil- und vollautomatisierter Produktion die Produktionsqualität zu erhöhen bei gleichzeitig gesenkten Fertigungskosten. Dazu haben die Salemer verschiedene Standardprodukte im Programm, die bei Kundenwunsch auch individuell an spezielle Anforderungen angepasst werden können. Zum Produktportfolio des Unternehmens gehört unter anderem eine Anlage zur Qualitätssicherung von Solar-Wafern (Bild 1).
Komplexe Messaufgaben auf kleinstem Raum in kurzer Zeit
Der Prüfstand zur Ermittlung der Qualität von Solar-Wafern untersucht einerseits deren Oberfläche auf Mikrorisse und ermittelt andererseits ihre genaue Geometrie. Zudem überprüft die Anlage verschiedene Parameter, die die Dicke des Wafers betreffen, dazu gehören z. B. die Dicke selbst, Dickenabweichungen, die Dickenvarianz, die Durchbiegung oder lokale Steigungen. Für die Vermessung dieser Dicken-Werte setzt das Unternehmen auf eine Sensorlösung aus dem Hause Omron:
In der Anlage sind immer zwei Sensoren einander gegenüber angeordnet. Je nach Anlagentyp sind es insgesamt zwischen sechs und zehn Sensoren. Die besondere Herausforderung lag vor allem in den geforderten hohen Geschwindigkeiten. Die Werte müssen nicht nur schnell gemessen, sondern auch in kurzer Zeit miteinander verrechnet werden, um die Dicke an einzelnen Punkten sowie den Dickenverlauf im gesamten Solar-Wafer zu ermitteln. Um hier ausreichend genaue Ergebnisse zu erzielen, müssen genug Messpunkte über die gesamte Länge verteilt ausgelesen werden. Dabei dauert der Messvorgang für einen Wafer gerade mal eine Sekunde. Daneben war eine sehr gute Höhenauflösung gefordert, da die zu messenden Abweichungen im Mikrometerbereich liegen.
Hochpräzise High-Speed-Messungen
Für eine solch anspruchsvolle Messaufgabe bietet die modulare Sensor-Produktfamilie ZS der Firma Omron Electronics GmbH die passende Lösung (Bild 2). Die ZS-Serie bietet Sensorköpfe und Controller für hochgradig dynamische Erfassungsbereiche bei Oberflächen aller Art. Hier stehen Sensorköpfe mit bis zu 2000 mm Tastweite zur Verfügung. Höchste Präzision von 0,25 µm bei einer Linearität von 0,05 % kann erreicht werden. Da in der Anlage zur Wafer-Prüfung „nur“ Auflösungen von 1 bis 2 µm gefordert werden, kommt das System hier also noch längst nicht an seinen Grenzen. Dank modular erweiterbarem Plattformkonzept lassen sich bis zu neun Sensoren kombinieren. Anwendung, Installation und Wartung wurden für alle Benutzerebenen bewusst einfach gehalten.
Bei den Qualitätssicherungsanlagen für Solar-Wafer vermessen je nach Ausführung der Anlage zwischen sechs und zehn Sensorköpfe die Waferdicke. Bei der Prüfung der Solar-Wafer werden die Messdaten aller Sensoren über einen speziellen Highspeedbus am Kommunikationscontroller gesammelt, der die einzelnen Messwerte miteinander verrechnet und diese Daten an den in der Anlage eingebauten Industrie-PC übergibt. Der Multi-Controller bietet standardmäßig „Messwerkzeuge“ zur Höhenmessung, Stufen- und Zwischenraummessung, Dickenmessung, Messung der Ebenheit (Min. und Max.), Mittelwertmessung, Messung der Exzentrizität als Berg-Tal-Wert sowie Messung von Verzug und Planheit. Insgesamt können bis zu neun Sensorköpfe an den Multi-Controller angeschlossen werden.
Moderne Technik und erfolgreiche Zusammenarbeit
Die eingesetzte Sensorfamilie arbeitet auf Basis von 2D-CMOS-Technologie und wurde speziell für anspruchsvolle Messaufgaben konzipiert. „Auch das war in der beschriebenen Anwendung sehr wichtig“, sagt Saban Akbasoglu, Key Account Manager Strategic Sales Semiconducter & Photo Voltaics Industry (Bild 3). „Je nach Wafer können die Farben der gemessenen Oberflächen unterschiedlich sein. Damit auch bei Standardeinstellungen des Sensors Fehler in der Dicke dennoch sicher erkannt werden können, passen wir in solchen Fällen die Intensität automatisch an. Dann sind die unterschiedlichen Farben oder Helligkeiten für den Sensor kein Problem. Deshalb ist mit der Produktfamilie z.B. auch die Detektion von Leiterplatten, Gummi und transparenten oder stark spiegelnden Objekten problemlos möglich.“
Auf der Suche nach der passenden Sensorlösung hatte das Salemer Unternehmen verschiedene Alternativen verglichen. Letztendlich haben sie sich für diese Sensorlösung entschieden, weil sich damit die benötigten Geschwindigkeiten, genügend Messpunkte über die gesamte Messstrecke sowie die geforderte Höhenauflösung im Mikrometerbereich realisieren lässt. Zusätzlich zu den technischen Eigenschaften der Sensoren war aber auch das Thema Support ein wesentliches Entscheidungskriterium. Neben den Sensoren kommen in dieser und anderen Anwendungen auch andere Produkte der Automatisierungsspezialisten zum Einsatz. So verwendet die Fa. ATM Vision AG in ihren Anlagen beispielsweise Linearmotor-Komplettachsen von Omron, wenn es auf hohen Gleichlauf bei gleichzeitig hoher Positioniergenauigkeit ankommt.
Omron Electronics, Langenfeld www.omron.de
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