Verfahren zum flüssigkeitsbasierten Vereinzeln kontaminierter Photovoltaikwafer

Der Erfolg der Photovoltaik in Deutschland und der Welt basiert derzeit auf der indirekten Subventionierung durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) und vergleichbare Instrumente in anderen Regionen. Auch unter der Prämisse, dass der derzeitige Gestehungspreis für konventionell erzeugte Elektrizität die realen Kosten, bedingt durch mögliche zukünftige Umweltschäden und Ressourcenknappheit, nur unzureichend widerspiegelt, sind weitere Kostensenkungen in der Produktion unabdingbar. Durch den hohen Kostenanteil der Wafer am Modul liegt in der Waferfertigung das größte Kostensenkungspotential. Die Vereinzelung feuchter Siliziumwafer ist aus Durchsatz- und Qualitätsaspekten ein wichtiger Schritt in der Fertigung. Durch die hohe Bruchgefahr bei der Handhabung von Wafern kann die Vereinzelung auch wesentlich zur Kostenreduktion beitragen. Die in Literatur und Patenten beschriebenen Verfahren sind derzeit noch nicht in einem ausgereiften Zustand, um die Vereinzelung von Wafern sicher und zuverlässig durchzuführen. Daher sind weitere Anstrengungen in Forschung und Entwicklung nötig, um die derzeitigen und zukünftigen Anforderungen zu erfüllen. Gleichzeitig muss das Verständnis über die Vorgänge bei der Vereinzelung sowie die Einflüsse auf den Wafer weiter vertieft werden. Insbesondere das Schädigungspotential der Vereinzelung auf den Wafer bestimmt die Auslegung eines solchen Systems in besonderem Maße. Die vorliegende Arbeit analysiert zunächst die Ausgangssituation in der derzeitigen Waferproduktion. Die Umgebung in der Waferproduktion ist geprägt durch eine Vielzahl von Einflüssen, besonders durch flüssige Betriebsstoffe wie der Slurry oder auch den Reinigungsmedien. Die zu vereinzelnden Wafer sind fragile und spröde Substrate welche in dieser Umgebung verarbeitet werden müssen. Entsprechend vielseitig ist der derzeitige Stand der Technik zur Vereinzelung, welcher größtenteils in Patentschriften beschrieben ist. Zur weiteren Entwicklung eines Vereinzelungsverfahrens wird die Aufgabe weiter analysiert. Durch Versuche in einer realen Fertigungsumgebung erscheint die Vereinzelung vom Stapel als vielversprechender Ansatz. Die Fragilität des Substrats führt zu der Überlegung, Flüssigkeitsstrahlen zur Vereinzelung der Wafer einzusetzen. Damit soll eine schonende Handhabung der Wafer erzielt werden. Das Prinzip dieser Vereinzelung vom Stapel wird dann zunächst in einem Modell beschrieben und entsprechend berechnet. Zur Überprüfung und Validierung des Modells wird zunächst ein Versuchsstand entwickelt an welchem die Einflüsse der Flüssigkeitsstrahlen auf den Wafer detailliert untersucht werden können. Die Erkenntnisse aus dem Betrieb des Versuchsstandes fließen in die Konstruktion eines Prototypen ein. Gleichzeitig können die Einstellungen des Prototypen anhand der Ergebnisse aus den Versuchsreihen initial eingestellt werden. Die Tests mit dem Prototypen zeigen eine prinzipielle Machbarkeit des Verfahrens. Weiterer Bedarf in Forschung und Entwicklung liegt in der Optimierung von Verfahren im industriellen Umfeld. Eine hohe Zuverlässigkeit bei der Vereinzelung bei gleichzeitig störungsunempfindlichem Betrieb sind dabei wichtige Indikatoren für den Erfolg von Vereinzelungsverfahren. Technologisch kommen weitere Anforderungen auf die Waferbehandlung zu. Der Trend zu dünneren Wafern (kleiner als 180- 210 µm) ist derzeit durch die gesunkenen Kosten für das reine Silizium nicht mehr der zentrale Fokus der Entwicklung. Sobald jedoch weitere Kostensenkungspotentiale an anderer Stelle realisiert werden können, wird die Dicke der Wafer vermutlich wieder an Bedeutung zunehmen. Möglicherweise werden auch größere Waferformate (gröoßer 200mm Kantenlänge) in Zukunft in die Massenfertigung eingeführt werden. Die Verfahren und Anlagen müssen dann entsprechend angepasst werden. Eine weitere einflussreiche Entwicklung kann die Umstellung Slurry-basierter Trennverfahren auf alternative Technologien darstellen. Insbesondere das Sägen mit Diamantdraht (mit Industriediamanten besetzter Schneidedraht) wird die Vereinzelung vor neue Herausforderungen stellen, da sich die Oberflächeneigenschaften damit ändern.

The separation of crystalline photovoltaic wafer after sawing is an important but difficult automation challenge. In wafer manufacturing, wafers are cut out of an ingot with a wire saw. A slurry mainly based on glycol and silicon carbide is typically used as the abrasive medium. The ingots are glued to a plate. After the wafers are cut out, they are still glued to the plate. In many factories the wafers are separated manually. However due to reasons of costs, quality and the dimensions of the wafers, an automation solution is highly desirable. This thesis presents experiments to define pre-conditions and requirements for an automated separation process. Based on this requirements a model is developed which leads to a possible solution for the implementation. The thesis concludes with the description of a prototype equipment and the conducted tests.