DE102009016288A1

DE102009016288A1 - Verfahren und Vorrichtung für die Ausrichtung von Substraten

Info

Publication number: DE102009016288A1
Application number: DE102009016288A
Authority: DE
Inventors: Edgar RÜTH; Wolfgang Becker; Marjan Filipovic; Reiner Rohrmann
Original assignee: Singulus Technologies AG
Current assignee: Singulus Technologies AG
Priority date: 2009-01-02
Filing date: 2009-04-03
Publication date: 2010-07-15
Anticipated expiration: 2029-04-04
Also published as: US8961094B2; DE102009016288B4; US20120009051A1

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Ausrichtung von Substraten (2) in einer X-Y-Ebene vorgestellt. Ein mehreckiges, flächiges Substrat (2), dessen Substratebene zur X-Y-Ebene parallel ist, oder in dieser liegt, wird bezüglich Referenzkoordinaten und einer Referenzwinkellage in der X-Y-Ebene ausgerichtet. Mit einer Bilderfassungseinrichtung (9) wird eine Ecke (12) des Substrats (2) erfasst. Zusätzlich werden die Positionskoordinaten des Substrats (2) bestimmt. Mit einer Auswerteeinrichtung (10) wird die Winkellage der Ecke (12) des Substrats (2) in der X-Y-Ebene ermittelt, und die Positionsdifferenzen zwischen den Referenzkoordinaten und den Positionskoordinaten sowie die Winkeldifferenz zwischen der Referenzwinkellage und der Winkellage der Substratecke (12) berechnet. Entsprechend der ermittelten Positionsdifferenz bzw. der Winkeldifferenz wird das Substrat (2) in der X-Y-Ebene verschoben und/oder verdreht. Durch mehrmaliges Drehen des Substrats (2) kann jede Ecke (12) und Kante (13, 14) des Substrats (2) mit der Bilderfassungseinrichtung (9) erfasst werden. Dies ermöglicht eine Kanteninspektion während des Substrattransports, damit zusätzliche Prozessschritte wie das Ablegen und das erneute Aufnehmen des Substrats (2) entfallen können (Fig. 1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Ausrichtung und den Transport von Substraten und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung bei der ein beliebig parallel zur X-Y-Ebene ausgerichtetes Substrat durch Referenzkoordinaten und eine Referenzwinkellage in der X-Y-Ebene ausgerichtet wird, wobei während des Transports zusätzlich eine Kanteninspektion durchgeführt werden kann.
Das Aufnehmen von Substraten aus vorgelagerten Maschinen und/oder Anlagen und das Ablegen der Substrate auf den nachfolgenden Maschinen oder Anlagen ist eine Standardaufgabe in der Produktionstechnik. Dabei ist es von großer Bedeutung die Substrate auf den nachfolgenden Maschinen positionsgenau und lagerichtig ausgerichtet abzulegen. Dies erfordert eine Ausrichtung der Substrate. Die Ausrichtung eines quadratischen Substrats kann dadurch erreicht werden, dass das Substrat mit einer seiner Seitenflächen bündig an einem Substrataufnehmer anliegt. D. h. der Substrataufnehmer muss mindestens eine Kante des Substrats berühren. Im Fall von nicht quadratischen bzw. bei mehreckigen Substraten lässt sich durch den Kontakt des Substrataufnehmers mit einer Seite des Substrats eine exakte Ausrichtung nicht erzielen. Es muss eine Überprüfung durchgeführt werden, welche Seite des Substrats mit dem Substrataufnehmer in Kontakt steht. Soll zusätzlich eine Qualitätskontrolle der Substrate, d. h. eine Kanteninspektion erfolgen, dann muss das Substrat in einem weiteren Prozessschritt abgelegt werden, so dass alle Kanten für eine Überprüfung frei zugänglich sind.
Für einen möglichst effektiven Ablauf sind solche zusätzlichen Prozessschritte unerwünscht. Ein weiterer Nachteil, der sich aus dem Stand der Technik ergibt, besteht darin, dass die empfindlichen Kanten durch den Substrataufnehmer berührt werden. Eine Beschädigung der Kanten des zerbrechlichen Substrats ist dadurch leicht möglich.
Im Hinblick auf die vorstehend erwähnten Probleme des Stands der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Ausrichtung von Substraten bereitzustellen, wobei die Substrate durch den Substrataufnehmer nicht an der Seite gehalten bzw. berührt werden und trotzdem positionsgenau und lagerichtig ausgerichtet abgelegt werden. Bereits während des Transports soll die Möglichkeit einer Qualitätskontrolle bestehen, wodurch zusätzliche Prozessschritte entfallen. Diese und weitere Aufgaben werden durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.
Dabei geht die Erfindung von folgendem Grundgedanken aus: Ein mehreckiges, flächiges, parallel zu einer X-Y-Ebene liegendes Substrat wird bezüglich der Differenz der Positionskoordinaten zu den Referenzkoordinaten und der Differenz der Winkellage zur Referenzwinkellage der Ecke des Substrats in der X-Y-Ebene verschoben und/oder verdreht. Durch mehrmaliges Drehen des Substrats um eine Achse senkrecht zur Substratebene kann zusätzlich eine Überprüfung weiterer oder aller Substratkanten und Substratecken während des Substrattransports erfolgen.
Durch einen Substrataufnehmer (z. B. einen Sauger) kann ein mehreckiges, flächiges (vorzugsweise quadratisches) Substrat in der Mitte gehalten (angesaugt) werden. Der Substrataufnehmer ist vorzugsweise in XYZ-Richtung bewegbar und zusätzlich um die Z-Achse d. h. senkrecht zur Substratebene oder X-Y-Ebene drehbar. Durch eine Bilderfassungseinrichtung wird eine Ecke des Substrats erfasst. Danach werden die Positionskoordinaten und die Winkellage der Ecke des Substrats ermittelt. Mit Hilfe einer Auswerteeinrichtung können die Positionsdifferenzen zwischen den Referenzkoordinaten und den Positionskoordinaten sowie die Winkeldifferenz zwischen der Referenzwinkellage und der Winkellage der Substratecke bestimmt werden. Mit der Kenntnis der Positionsdifferenz und der Winkeldifferenz kann eine entsprechende Verschiebung und/oder Rotation des Substrataufnehmers erfolgen, so dass das Substrat positionsgenau und lagerichtig ausgerichtet abgelegt werden kann. Eine Beschädigung der Substratkanten kann vermieden werden, da die Substratkanten nicht berührt werden. Das Substrat kann mehrmals um eine Achse senkrecht zur Substratoberfläche gedreht werden. Dadurch werden alle Ecken und Kanten des Substrats mit der Bilderfassungseinrichtung erfasst. Mit Hilfe der Auswerteeinrichtung kann aus den gewonnen Daten eine Überprüfung der Ecken und Kanten vorgenommen werden. Ein zusätzlicher Prozessschritt (wie z. B. das Ablegen oder das erneute Aufnehmen des Substrats) ist nicht erforderlich. Durch diese Kanteninspektion können unbrauchbare oder beschädigte Substrate aussortiert werden.
Vor der Aufnahme oder nach der Ablage des Substrats mit dem Substrataufnehmer kann zusätzlich eine kostengünstige Eingangskontrolle durchgeführt werden. Hierbei werden die Substrate mit Hilfe einer Beleuchtung von unten beleuchtet. Eine Zeilenkamera kann über das durchscheinende Licht Haarrisse und defekte Stellen auf dem Substrat erkennen.
Die Erfindung ist insbesondere auch für den Photovoltaikbereich geeignet, d. h. bei der Bearbeitung und Handhabung sogenannter PV-Substrate (PV = Photovoltaik).
Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines in XYZ-Richtung bewegbaren und zusätzlich um die Z-Achse drehbaren erfindungsgemäßen Substrataufnehmer;
2a eine schematische Darstellung des Bilderfassungsbereichs einer Bilderfassungseinrichtung von einem Substrat in der Draufsicht; und
2b eine Schnittansicht entlang der gestrichelten Linie in 2a.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Transport und zum lagerichtigen Positionieren eines Substrats 2. Das Substrat 2 wird aus einer vorgelagerten nicht dargestellten. Maschine bzw. Anlage auf einem Förderband 1 abgelegt. Das Förderband bewegt sich in Richtung des Pfeils in 1. Anschließend wird das Substrat 2 lagerichtig und positionsgenau auf einem weiteren Förderband 11 abgelegt. Dieses Förderband 11 transportiert das Substrat 2 in Pfeilrichtung zu einer nachfolgenden (ebenfalls nicht dargestellten) Maschine bzw. Anlage. Durch das erste Förderband 1 wird eine X-Y-Ebene definiert. Das Substrat 2 liegt willkürlich ausgerichtet in der X-Y-Ebene auf dem in Pfeilrichtung bewegten Förderband 1. Im Folgenden wird auch jede zu dieser Ebene parallele Ebene mit X-Y-Ebene bezeichnet. Das mehreckige, flächige Substrat 2 kann, wie in 1 dargestellt, quadratisch sein. Dabei kann es sich um ein Substrat aus Silizium mit z. B. einer Seitenlänge von 156 mm und einer Dicke von 150 μm handeln.
Das Substrat 2 wird mit einem z. B. auf- und abbewegbaren (vgl. den Doppelpfeil P in 2b) Substrataufnehmer 5 von dem Förderband 1 aufgenommen, wobei die empfindlichen Substratkanten nicht berührt werden. Das Substrat 2 wird bevorzugt in der Mitte aufgenommen. Der Substrataufnehmer 5 kann als Sauger ausgebildet sein. Der Substrataufnehmer 5 ist mit einem auf einer Schiene 3 in der X-Y-Ebene in X-Richtung bewegbaren Schlitten 4-1 verbunden. Die Schiene 3 wird über zwei weitere Schlitten 4-2 und 4-3 entlang der Schiene 7 bzw. der Schiene 8 in Y-Richtung bewegt. Damit kann der Substrataufnehmer 5 mit Hilfe der beweglichen Schlitten 4-1, 4-2 und 4-3 mit Servomotoren (nicht dargestellt) in X- und Y-Richtung verfahren werden. Zusätzlich kann der Substrataufnehmer 5 durch einen weiteren Servomotor in Z-Richtung, d. h. senkrecht zur Zeichenebene bewegt werden (die Möglichkeit der Bewegung in Z-Richtung ist in 1 ebenfalls nicht dargestellt). Dabei können die Servomotoren direkt an den Schlitten 4-1, 4-2 und 4-3 montiert werden. Es ist jedoch ebenfalls möglich, die Servomotoren ortsfest zu installieren und eine geeignete Kraftübertragung (z. B. über einen Ketten- oder Zahnriemenantrieb) von den Servomotoren auf die Schlitten zu wählen. Mit einem weiteren nicht dargestellten Servomotor erfolgt eine Drehung des Substrataufnehmers 5 um seine Mittelachse. Dadurch ist der Substrataufnehmer 5 in der Lage, mit dem aufgenommenen Substrat 2 während des Substrattransports in XYZ-Richtung eine Drehbewegung in der X-Y-Ebene auszuführen.
Die 2a und 2b zeigen das durch den Substrataufnehmer 5 aufgenommene Substrat 2. Dabei zeigt 2a eine Draufsicht von oben auf das Substrat 2, das von dem Substrataufnehmer 5 gehalten wird. Der Bilderfassungsbereich 6 einer Bilderfassungseinrichtung 9 wird durch den Abstand des Substrats 2 von der Bilderfassungseinrichtung 6 und den Winkel, mit dem die Bilderfassungseinrichtung 9 aufnimmt, bestimmt. 2b zeigt einen Schnitt durch das Substrat 2 und den Substrataufnehmer 5 entlang der gestrichelten Linie in 2a. Gemäß 2b erfasst die Bilderfassungseinrichtung 9 eine Ecke 12 und die angrenzenden beiden Kanten 13, 14 des Substrats 2 von schräg oben. Die Bilderfassungseinrichtung 9 kann mit dem Schlitten 4-1 verbunden sein, wie dies in 1 schematisch angedeutet ist (in 2a und 2b ist der Schlitten 4-1 nicht gezeigt). Dabei kann die Bilderfassungseinrichtung eine Kamera 9, die am Schlitten 4-1 befestigt ist, und eine Datenverarbeitungseinrichtung 10 aufweisen. Die Datenverarbeitungseinrichtung 10 kann, wie in 1 gezeigt, mit einem Kabel oder über eine Funkverbindung mit der Kamera 9 verbunden sein. Alternativ kann die Datenverarbeitungseinrichtung 10 auch in der Kamera 9 integriert sein. Mit Hilfe der Kamera 9 wird die Ecke 12 des Substrats 2 erfasst, die sich in dem Bilderfassungsbereich 6 der Kamera 9 befindet. Die Daten der Bilderfassungseinrichtung 9 werden an eine Auswerteeinrichtung 10 übermittelt. Mit Hilfe der Auswerteeinrichtung 10 wird die Winkellage dieser Ecke 12 und der angrenzenden beiden Kanten 13, 14 des Substrats in der X-Y-Ebene ermittelt. Im Anschluss wird die Winkeldifferenz zwischen der Referenzwinkellage (d. h. der gewünschten Ausrichtung des Substrats 2 in der X-Y-Ebene am Ablagepunkt) und der Winkellage der Substratecke 12 berechnet. Zusätzlich werden die Positionskoordinaten des Substrats 2 mit einer Positionskoordinatenerfassungseinrichtung erfasst. Die Auswerteeinrichtung 10 berechnet ebenfalls die Positionsdifferenzen zwischen den Referenzkoordinaten (gewünschte Position des Substrats bei der Ablage) und den Positionskoordinaten. Aus der Positionsdifferenz und der Winkeldifferenz kann mit Hilfe der XYZ-Positionierung und der Drehung des Substrataufnehmers 5 der positionsgenaue Transport zum Ablagepunkt und die lagerichtige Ausrichtung des Substrats 2 erfolgen. Dabei erfolgt die Rotationsausrichtung des Substrats 2 während des Substrattransports.
Bei der oben beschriebenen Methode wird das Substrat 2 mit dem Substrataufnehmer 5 aufgenommen, wobei alle Kanten des Substrats 2 berührungsfrei bleiben. Der große Vorteil ist, dass die zerbrechlichen Kanten somit nicht beschädigt werden können.
Erfindungsgemäß können die notwendigen Bildbearbeitungszeiten sowie die Verfahr-Reaktionszeiten kurz gehalten werden. Die Zeit von der Aufnahme des Substrats 2 bis zum Ablegen des richtig positionierten Substrats 2 kann bei einem ca. 1 m entfernten Ablagepunkt im Bereich von 350 bis 500 ms liegen.
Erfindungsgemäß kann während des Transports und/oder während der Ausrichtung des Substrats gleichzeitig eine Kanteninspektion durchgeführt werden. Wie oben be schrieben, wird das Substrat 2 mit dem Substrataufnehmer 5 aufgenommen, und die Ecke 12 und große Abschnitte der angrenzenden beiden Kanten 13, 14 des Substrats 2, die sich im Bilderfassungsbereich 6 der Kamera 9 befinden; erfasst. Nach der ersten Bildaufnahme der Bilderfassungseinrichtung 9 wird das mehreckige, flächige Substrat 2 in der X-Y-Ebene soweit um eine Achse senkrecht zur Substratebene (X-Y-Ebene) gedreht, bis sich die nächste Ecke im Bilderfassungsbereich 6 befindet. Dann wird diese Ecke 12 und große Abschnitte der beiden angrenzenden Kanten 13, 14 erfasst. Dabei muss sichergestellt sein, dass die Kante zwischen den beiden erfassten Ecken 12 ebenfalls vollständig erfasst wird. Dazu muss sich der Bilderfassungsbereich 6 bei der Aufnahme der ersten Ecke 12 mit dem Bilderfassungsbereich 6 bei der Aufnahme der nachfolgenden Ecke 12 überlappen. Das Drehen des Substrats 2 und das Erfassen der Ecke 12 und der angrenzenden Kanten 13, 14 wird solange wiederholt, bis alle Ecken und Kanten des Substrats erfasst sind. Im Falle eines quadratischen Substrats 2 ergibt sich nach drei Drehungen um 90° um die Achse senkrecht zur Substratebene eine komplette Aufnahme der Substratkante. Die aufgenommenen Daten werden an die Auswerteeinrichtung 10 übermittelt. Mit dem Auswerteergebnis lassen sich Defekte an der Substratkante erkennen und anzeigen. Diese Substrate 2 können z. B. als defekte Substrate 2 aussortiert werden. Im Anschluss an die Qualitätskontrolle erfolgt die Ausrichtung und Ablage der Substrate. Vorteilhaft ist dabei, dass schon während des Transportvorgangs eine Qualitätskontrolle der Substrate 2 stattfindet. Bei dieser kostengünstigen und zeitsparenden Qualitätskontrolle wird sichergestellt, dass die empfindlichen Kanten der Substrate 2 nicht berührt und somit auch nicht beschädigt werden. Das zusätzliche Anfahren einer separaten Prüfposition entfällt.
Zusätzlich zu der oben beschriebenen Überprüfung der Substratkanten 13, 14 kann eine kostengünstige Eingangskontrolle für die kompletten Substrate 2 durchgeführt werden. Eine Eingangskontrolle für die kompletten Substrate kann z. B. an einer Position zwischen zwei Förderbändern, d. h. zwischen zwei Transportbändern, Linearförderern, Drehtischen usw. erfolgen. Dabei leuchtet eine Beleuchtung von unten zwischen den beiden Förderbändern hindurch auf die Substrate. Mit einer Zeilenkamera wird das durchscheinende Licht oberhalb des Förderbandes erfasst. Damit können Haarrisse und defekte Stellen auf dem Substrat 2 erkannt werden. Substrate können damit kostengünstig auf Vorschädigungen untersucht und gegebenenfalls aussortiert werden.

Claims

Verfahren zum Ausrichten eines mehreckigen, flächigen Substrats (2) in einer X-Y-Ebene, dessen Substratebene zur X-Y-Ebene parallel ist oder in dieser liegt, bezüglich Referenzkoordinaten und einer Referenzwinkellage in der X-Y-Ebene, durch: a) Bilderfassen einer Ecke (12) des Substrats (2), b) Ermitteln der Positionskoordinaten und der Winkellage der Ecke (12) des Substrats (2) in der X-Y-Ebene, c) Berechnen der Positionsdifferenzen zwischen Referenzkoordinaten und Positionskoordinaten sowie der Winkeldifferenz zwischen der Referenzwinkellage und der Winkellage der Substratecke (12), und d) Verschieben und/oder Verdrehen des Substrats (2) in der X-Y-Ebene entsprechend der ermittelten Positionsdifferenz bzw. der Winkeldifferenz.
Verfahren nach Anspruch 1, mit dem folgenden Schritt nach Schritt a): e) Auswerten der erfassten Bildinformationen bezüglich der Qualität der Substratecke (12) und der an der Ecke angrenzenden Substratkanten (13, 14).
Verfahren nach Anspruch 2, mit den Schritten: f) Drehen des Substrats (2) zu einer anderen Ecke (12) um eine Achse senkrecht zur Substratebene und g) Wiederholen der Schritte a) und e).
Verfahren nach Anspruch 3 mit der Wiederholung der Schritte f) und g) für alle Ecken während des Substrattransports.
Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei das Substrat (2) mit nicht ausreichender Qualität einer Substratkante (13, 14) oder Substratecke (12) aussortiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Substrat (2) zum Verschieben, Verdrehen und/oder zum Transport ohne Berührung der Substratkanten aufgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Substrat (2) rechteckig, vorzugsweise quadratisch ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Substrat (2) eine Seitenlänge von 100 bis 160 mm, vorzugsweise von 156 mm, und/oder eine Dicke von 50 bis 250 μm, bevorzugt von 130 bis 170 μm, vorzugsweise von 150 μm, aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Substrat (2) Silizium aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einer Eingangskontrolle für das komplette Substrat (2) vor oder nach dem Ausrichten des Substrats zur Feststellung von Vorschädigungen.
Vorrichtung zum Ausrichten eines mehreckigen, flächigen Substrats (2) in einer X-Y-Ebene, dessen Substratebene zur X-Y-Ebene parallel ist oder in dieser liegt, bezüglich Referenzkoordinaten und einer Referenzwinkellage in der X-Y-Ebene, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit: a) einer Bilderfassungseinrichtung (9) zum Erfassen einer Ecke (12) des Substrats (2), b) einer Einrichtung zum Erfassen der Positionskoordinaten des Substrats (2), c) einer Auswerteeinrichtung (10) zum Ermitteln der Winkellage der Ecke (12) des Substrats (2) in der X-Y-Ebene und zum Berechnen der Positionsdifferenzen zwischen den Referenzkoordinaten und den Positionskoordinaten sowie der Winkeldifferenz zwischen der Referenzwinkellage und der Winkellage der Substratecke (12), und d) einer Einrichtung zum Verschieben und/oder Verdrehen des Substrats (2) in der X-Y-Ebene entsprechend der ermittelten Positionsdifferenz bzw. der Winkeldifferenz.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Auswerteeinrichtung (10) die Informationen der Bilderfassungseinrichtung (9) bezüglich der Qualität der Substratecke (12) und der angrenzenden Substratkanten (13, 14) auswertet.
Vorrichtung nach Anspruch 12, mit einer Einrichtung zum Aussortieren eines Substrats (2) mit nicht ausreichender Qualität einer Substratkante (13, 14) oder Substratecke (12).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, mit einem Substrataufnehmer (5), der das Substrat (2) ohne Berührung der Substratkanten aufnimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das Substrat (2) rechteckig, vorzugsweise quadratisch ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, mit einer Einrichtung zur Durchführung einer zusätzlichen Kontrolle, bei der das komplette Substrat (2) auf Vorschädigungen untersucht wird.
Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16 bei der Bearbeitung oder Herstellung von Photovoltaik-Substraten.