Bild 2 | Bei der Überprüfung der Linien, die in den ersten beiden Strukturierungsprozessen entstehen, sorgen Lasermodule des Typs Z-Laser Z-Q1 für die optimale Beleuchtung. (Bild: Z-Laser)
Hohe Anforderungen
Die als P1 und P2 bezeichneten Strukturierungslinien werden von einem Festkörper-Bearbeitungslaser im IR-Bereich erzeugt. Vor allem bei der Einbringung der P2-Linie kommt der Laserbeleuchtung besondere Bedeutung zu: Um die Dead-Area zu minimieren, wird während der Einbringung der zweiten Linie (P2-Struktur) die Position des Lasers aktiv geregelt, um diese möglichst nahe und parallel zur bereits vorhandenen P1-Struktur zu erzeugen. „Der Bearbeitungslaser für den P2-Prozess wird mittels einer schnellen Matrix-Kamera positioniert. Sie misst die P1-Linie mit einer Frequenz von 1.000Hz und einer Genauigkeit von weniger als 5µm im Vorlauf zum Bearbeitungslaser ein. Die so erfassten Daten werden dann direkt an den Laserscanner übertragen, welcher eine zweite Linie parallel zur ersten Linie schreibt.“, beschreibt Sattler den Vorgang. Neben der Genauigkeit und der Frequenz bestand die Herausforderung darin, den für die Beleuchtung eingesetzten Laser sicher vom Bearbeitungslaser zu trennen, so dass der Bearbeitungslaser weder die Kamera noch den Beleuchtungslaser beschädigt. „Die ganze Integration in den optischen Pfad der Laserkomponenten konnten wir nur durch eine sehr enge Zusammenarbeit mit unserer Laser-Prozessgruppe und der mechanischen Konstruktion realisieren“, so der Abteilungsleiter. Auch die Auswahl der optimalen Laserbeleuchtung war nicht einfach, erinnert sich Sattler: „Wir benötigten dafür eine Wellenlänge von über 1.000nm, da die verwendete CIGS-Schicht der Solarzellen ab da beginnt, transparent zu werden und die geeignete CMOS-Kamera in diesem Bereich noch empfindlich genug ist, um ein verwertbares Bild zu erzeugen.“
Spezialisierte Lasermodule
Während der Designphase der Anlagen verwendeten Sattler und seine Kollegen einen selbst entwickelten Prototypen für die Beleuchtung mit einer Laserdiode, die die benötigten Eigenschaften aufwies. „Als es dann ans Seriendesign ging, suchten wir nach einem Partner, der mehr Expertise im Bereich von Laserdioden hatte“, so Sattler. Nach der Überprüfung verschiedener Optionen entschied sich Sattler für Z-Laser: „Das Angebot war für uns die sicherste und interessante Variante. Die Hardwarekosten waren dabei zwar etwas höher als von uns kalkuliert, doch das konnten wir dadurch kompensieren, dass die Module sehr exakt gefertigt und vorjustiert waren. Die Justage-Zeiten in den Maschinen waren dadurch deutlich geringer als ursprünglich geplant.“ Auch die Baugröße bereitete den Manz-Entwicklern zu Beginn noch Kopfzerbrechen. „Diese Herausforderung konnten wir jedoch mit einigen guten Ideen in der mechanischen Konstruktion meistern.“ Sattler nennt ein weiteres Argument, mit Z-Laser zusammenzuarbeiten: „Die für diese Vermessung benötigte Laserdiode wurde exakt von uns vorgegeben. Unser Partner hatte bereits ein Lasermodul zur Verfügung, in dem diese Laserdiode mit geringem Aufwand eingesetzt werden konnte. Schon der erste Prototyp und auch die späteren Serienmodelle, die wir erhielten, haben auf Anhieb funktioniert. Die Lernkurve, die man typischerweise mit neuen Lieferanten und Komponenten hat, war dabei deutlich kürzer als üblich.“ Auch bei der Qualitätsinspektion der Module nach jedem der drei Prozessschritte sorgen Lasermodule im Durchlicht für eine optimale Beleuchtung, um perfekte Kamerabilder zu ermöglichen. In einem zweiten Messsystem wird in der finalen Qualitätsinspektion das ganze Substrat mit einem Contact Image Sensor gescannt, um die Vollständigkeit der Linien des dritten Strukturierungsprozess sicherzustellen und um Beschädigungen zu erkennen. „Die Lasermodule von Z-Laser spielen bei allen drei Vermessungsschritten eine entscheidende Rolle und tragen dazu bei, den Produktionsprozess der Dünnschicht-Solarmodule zu optimieren“, erläutert Bernd Sattler. „In jeder CIGSfab sind mehrere der beschriebenen Systeme im Einsatz. Nur so können wir sicherstellen, dass bei dem geplanten Durchsatz eine 100% Kontrolle erfolgt und fehlerfreie Substrate die Anlage verlassen.“
