DE102012102239B4 - Substrate pick-up method and substrate separation system - Google Patents
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Abstract
Substrataufnahmeverfahren, bei dem ein Substrat (1) von einem eine Mehrzahl an Substraten (1, 2) umfassenden Substratstapel (3) mittels eines Aufnahmeelementes (4) aufgenommen wird, wobei vor und / oder während des Aufnehmens des Substrates (1) vom Substratstapel (3) das Substrat (1) in mechanische Schwingung in seiner Eigenresonanz versetzt wird, indem das Substrat (1), mehrere Substrate (1, 2) des Substratstapels (3) oder der Substratstapel (3) mit einer Eigenfrequenz des Substrates (1) mechanisch angeregt wird, wobei zur mechanischen Anregung:- eine Blasvorrichtung verwendet wird, mittels der ein pulsförmiger Gasstrom auf das Substrat (1), auf mehrere Substrate (1, 2) des Substratstapels (3) oder auf den Substratstapel (3) gerichtet wird oder- ein Schallerzeuger verwendet wird, wobei die mechanische Anregung des Substrates (1) mittels des Schallerzeugers durch den Substratstapel (3) hindurch erfolgt.Substrate pick-up method in which a substrate (1) is picked up by a substrate stack (3) comprising a plurality of substrates (1, 2) by means of a pick-up element (4), wherein before and / or during the pick-up of the substrate (1) from the substrate stack ( 3) the substrate (1) is set into mechanical oscillation in its natural resonance by the substrate (1), several substrates (1, 2) of the substrate stack (3) or the substrate stack (3) mechanically at a natural frequency of the substrate (1) is excited, wherein for mechanical excitation: - a blowing device is used, by means of which a pulsed gas flow is directed onto the substrate (1), onto several substrates (1, 2) of the substrate stack (3) or onto the substrate stack (3) or- a sound generator is used, the mechanical excitation of the substrate (1) taking place through the substrate stack (3) by means of the sound generator.
Description
Die Erfindung betrifft ein Substrataufnahmeverfahren und ein Substrattrennungssystem.The invention relates to a substrate receiving method and a substrate separation system.
Bei der Herstellung moderner Solarzellen müssen von den Produktionsmaschinen Substrate mit zunehmend kleineren Dickenabmessungen gehandhabt werden. Insbesondere wird bei Halbleiterwafern für kristalline oder multikristalline Solarzellen versucht, die Waferdicke immer weiter zu reduzieren, um sowohl Wafer-Material zu sparen, als auch die Effizienz der Solarzellen zu steigern.In the manufacture of modern solar cells, the production machines have to handle substrates with increasingly smaller thickness dimensions. In particular, in the case of semiconductor wafers for crystalline or multicrystalline solar cells, attempts are being made to continue to reduce the wafer thickness in order to save both wafer material and to increase the efficiency of the solar cells.
Die Aufnahme von derart dünnen Substraten stellt besondere Anforderungen an die Greifer der automatisierten Produktionsvorrichtungen. Beispielsweise muss das Greifen dieser Substrate sanft erfolgen, ohne die Substrate übermäßig mechanisch zu belasten. Hier kommen in der Regel mit Saugvorrichtungen ausgestattete Greifer zum Einsatz. Bei der Entnahme eines obersten Substrates aus einem Substratstapel kann es hierbei vorkommen, dass zwei oder mehr Substrate aufgrund von Kräften aneinander haften und gemeinsam vom Greifer aufgenommen werden. Um derartige Probleme zu vermeiden und die Substrate vor dem Greifen voneinander zu trennen, werden üblicherweise Vereinzelungsvorrichtungen eingesetzt, welche die obersten Substrate eines Substratstapels mittels Luftströmung aus einer Luftdüse trennen.The inclusion of such thin substrates places special demands on the grippers of the automated production devices. For example, these substrates must be gripped gently without placing excessive mechanical stress on the substrates. As a rule, grippers equipped with suction devices are used here. When removing an uppermost substrate from a substrate stack, it can happen that two or more substrates adhere to one another due to forces and are picked up jointly by the gripper. In order to avoid such problems and to separate the substrates from one another before gripping, separating devices are usually used which separate the uppermost substrates of a substrate stack by means of an air flow from an air nozzle.
Diese bekannten Vorrichtungen sind jedoch nicht effizient. Sie arbeiten in der Regel mit konstanten Luftströmen oder mit gepulsten Luftströmen mit niedriger Impulsfrequenz. Hierbei können besonders stark aneinander haftende Substrate nicht oder nur mit besonders großen Luftdrücken oder mittels langandauernder Luftstromzufuhr getrennt werden. Darüber hinaus ist bei der in Zukunft angestrebten Dickenreduzierung eine weitere Verringerung der mechanischen Stabilität der Wafer absehbar, so dass eine effizientere und sanftere Substrattrennung notwendig sein wird. Bei derart dünnen Substraten können zudem die Haftkräfte zwischen zwei Substraten vergrößert sein.However, these known devices are not efficient. They usually work with constant air flows or with pulsed air flows with a low pulse frequency. In this case, substrates that adhere particularly strongly to one another cannot be separated or can only be separated with particularly high air pressures or by means of a long-lasting air flow supply. In addition, a further reduction in the mechanical stability of the wafer is foreseeable in the case of the thickness reduction aimed for in the future, so that a more efficient and gentler substrate separation will be necessary. In the case of such thin substrates, the adhesive forces between two substrates can also be increased.
Weiterhin beschreibt
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Substrataufnahmeverfahren und ein Substrattrennungssystem bereitzustellen, welche ein besonders effizientes und trotzdem mechanisch schonendes Trennen und Aufnehmen einzelner Substrate aus einem Substratstapel erlauben.It is the object of the invention to provide a substrate pick-up method and a substrate separation system which allow a particularly efficient and nevertheless mechanically gentle separation and pick-up of individual substrates from a substrate stack.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Substrataufnahmeverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Substrattrennungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.The object is achieved according to the invention by a substrate receiving method with the features of
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, mittels einer Anregung eine dynamische Separation oder Auffächerung der aufeinandergestapelten Substrate zu erzielen, damit ein einzelnes Substrat aus dem Substratstapel mittels eines Aufnahmeelementes entnommen werden kann. Bei einem rein konstanten Gasstrom gemäß bisherigen Vorgehensweisen oder bei Verwendung eines impulsförmigen Luftstroms, bei dem die Impulsfrequenz fern von der Eigenfrequenz der Substrate liegt, erfolgt hingegen eine rein statische Auffächerung.The invention is based on the idea of using an excitation to achieve dynamic separation or fanning of the stacked substrates so that a single substrate can be removed from the substrate stack by means of a receiving element. In the case of a purely constant gas flow according to previous procedures or when using a pulsed air flow in which the pulse frequency is far from the natural frequency of the substrates, a purely static fanning out takes place.
Die Anregung erfolgt derart, dass das oberste Substrat oder mehrere oben aufliegende Substrate in dem Stapel in mechanischen Schwingungen in seiner oder ihrer Eigenresonanz versetzt wird/werden. Dies kann dadurch erfolgen, dass das Substrat mit einer seiner Eigenfrequenzen angeregt wird. Das bedeutet, dass die Anregung selbst in einer Frequenz erfolgt, welche sehr nahe der Eigenfrequenz ist oder mit der Eigenfrequenz im Wesentlichen identisch ist. In einer nicht-erfindungsgemäßen Ausführungsform kann die Anregung auch bei einer anderen Frequenz erfolgen, solange sichergestellt ist, beispielsweise aufgrund der Geometrie der Anordnung, dass dadurch das Substrat in seiner Eigenfrequenz schwingt.The excitation takes place in such a way that the uppermost substrate or a plurality of substrates lying on top of the stack is / are set in mechanical vibrations in its natural resonance. This can be done by exciting the substrate with one of its natural frequencies. This means that the excitation itself takes place at a frequency which is very close to the natural frequency or is essentially identical to the natural frequency. In an embodiment not according to the invention, the excitation can also take place at a different frequency, as long as it is ensured, for example due to the geometry of the arrangement, that the substrate will vibrate at its natural frequency.
Die Eigenfrequenzen des Substrates können experimentell ermittelt und/oder mit nummerischen Verfahren errechnet oder simuliert werden. Aufgrund der geringen Substratstärke kann das Substrat beispielsweise als eine Membran modelliert werden. Bei der Eigenfrequenz handelt es sich um eine Schwingungsfrequenz, bei der das Substrat eine Eigenschwingung ausführt. Da ein Substrat neben der Grundschwingung eine unendliche Anzahl an Oberschwingungen ausführen kann, umfassen die möglichen Eigenfrequenzen entsprechend eine Grundfrequenz und Oberfrequenzen, die idealerweise jeweils vielfache der Grundfrequenz sind, jedoch in der Realität hiervon etwas abweichen können. Vorzugsweise erfolgt die Anregung bei einer Anregungsfrequenz von mindestens 5, 10, 15, 20, 50, 100 oder 150 Hertz.The natural frequencies of the substrate can be determined experimentally and / or calculated or simulated using numerical methods. Due to the low substrate thickness, the substrate can be modeled as a membrane, for example. The natural frequency is an oscillation frequency at which the substrate oscillates naturally. Since a substrate can carry out an infinite number of harmonics in addition to the basic oscillation, the possible natural frequencies accordingly include a basic frequency and upper frequencies, which are ideally in each case a multiple of the basic frequency, but can differ slightly in reality. The excitation preferably takes place at an excitation frequency of at least 5, 10, 15, 20, 50, 100 or 150 Hertz.
Während oder nach dem Erzeugen der mechanischen Schwingungen, vorzugsweise während das Substrat schwingt, wird es mittels des Aufnahmeelementes aufgenommen und vom Stapel separiert. Bei dem Aufnahmeelement handelt es sich um einen Substratgreifer, welcher beispielsweise das Substrat mithilfe einer Vakuumvorrichtung greift.During or after the generation of the mechanical vibrations, preferably while the substrate is vibrating, it is picked up by means of the receiving element and separated from the stack. The receiving element is a substrate gripper which, for example, grips the substrate with the aid of a vacuum device.
Das Substrattrennungssystem, mit dem die Substrataufnahme vorgenommen wird, umfasst somit das Aufnahmeelement und eine Anregungsvorrichtung, welche ausgebildet ist, das Substrat, mehrere Substrate des Substratstapels oder den Substratstapel insgesamt mechanisch mit einer Eigenfrequenz des Substrates anzuregen. Die Anregung kann auch mit einer Eigenfrequenz der mehreren Substrate erfolgen, für den Fall, dass eine Mehrzahl von aneinander liegenden Substraten andere Eigenfrequenzen aufweist, als ein einzelnes Substrat.The substrate separation system with which the substrate is picked up thus comprises the pickup element and an excitation device which is designed to mechanically excite the substrate, several substrates of the substrate stack or the substrate stack as a whole with a natural frequency of the substrate. The excitation can also take place with a natural frequency of the plurality of substrates, in the event that a plurality of substrates lying next to one another have different natural frequencies than a single substrate.
Bei dem Substrat handelt es sich vorzugsweise um einen Halbleiterwafer, auf dem in einem Herstellungsprozess weitere Schichten und Komponenten aufgebracht werden, um eine Halbleitervorrichtung zu erzeugen, insbesondere eine oder mehrere Solarzellen. Es kann sich jedoch auch um ein Halbzeug handeln, also um ein Substrat, auf dem bereits einige Herstellungsschritte vollzogen sind, beispielsweise Abscheideschritte, Ätzschritte und dergleichen, auf dem Weg hin zu einer fertigen Halbleitervorrichtung. Ferner kann es sich bei dem hierin beschriebenen Substrat tatsächlich um eine fertige Halbleitervorrichtung, insbesondere um eine Solarzelle wie eine Wafersolarzelle, handeln, welche beispielsweise aus einem Solarzellenstapel entnommen wird, um ein Solarmodul zu bestücken.The substrate is preferably a semiconductor wafer, on which further layers and components are applied in a manufacturing process in order to produce a semiconductor device, in particular one or more solar cells. However, it can also be a semifinished product, that is to say a substrate on which some manufacturing steps have already been carried out, for example deposition steps, etching steps and the like, on the way to a finished semiconductor device. Furthermore, the substrate described herein can actually be a finished semiconductor device, in particular a solar cell such as a wafer solar cell, which is removed, for example, from a solar cell stack in order to equip a solar module.
Das Substrat wird in mechanische Schwingung versetzt, indem das Substrat, mehrere Substrate des Substratstapels oder der gesamte Substratstapel mit einer Eigenfrequenz des Substrates mechanisch angeregt wird/werden. Zur mechanischen Anregung wird eine Blasvorrichtung, mittels der ein pulsförmiger Gasstrom auf das Substrat, auf mehrere Substrate des Substratstapels oder auf den Substratstapel gerichtet wird, oder ein Schallerzeuger verwendet, wobei die mechanische Anregung des Substrates mittels des Schallerzeugers durch den Substratstapel hindurch erfolgt. Hierbei ist der Schallerzeuger also unterhalb des Substratstapels angeordnet. Die mechanische Anregung kann nicht-erfindungsgemäß beispielsweise mittels eines mechanischen Schwingungserzeugers erfolgen, wie zum Beispiel eines akustischen Wandlers, der mit dem Substratstapel mechanisch oder akustisch gekoppelt ist. In anderen nicht-erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann ein mechanischer Aktuator vorgesehen sein, welcher Translations- und/oder Rotationsbewegungen ausführt. Zum Beispiel kann ein Motor, beispielsweise ein Elektromotor, mit einer Unwucht vorgesehen sein, der den Stapel in Schwingung versetzen kann.The substrate is set into mechanical vibration in that the substrate, several substrates of the substrate stack or the entire substrate stack is / are mechanically excited with a natural frequency of the substrate. A blower device is used for mechanical excitation, by means of which a pulse-shaped gas stream is directed onto the substrate, onto several substrates of the substrate stack or onto the substrate stack, or a sound generator, the mechanical excitation of the substrate by means of the sound generator taking place through the substrate stack. In this case, the sound generator is thus arranged below the substrate stack. The mechanical excitation can take place not according to the invention, for example, by means of a mechanical vibration generator, such as an acoustic transducer that is mechanically or acoustically coupled to the substrate stack. In other embodiments not according to the invention, a mechanical actuator can be provided which executes translational and / or rotational movements. For example, a motor, for example an electric motor, can be provided with an imbalance that can set the stack in vibration.
Der pulsförmige Gasstrom kann beispielsweise parallel oder in einem Winkel zu einer Substratoberfläche des Substrates auf einen Substratrandbereich oder eine Substratkante gerichtet werden. Beispielsweise kann der Gasstrom zu der Substratoberfläche einen Winkel von weniger als 45°, weniger als 30° oder weniger als 15° aufweisen.The pulsed gas flow can be directed, for example, parallel to or at an angle to a substrate surface of the substrate onto a substrate edge region or a substrate edge. For example, the gas flow to the substrate surface can have an angle of less than 45 °, less than 30 ° or less than 15 °.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, dass zur Anregung eine Blasvorrichtung verwendet wird, welche eine Düse mit einem Schaltelement umfasst, welches mit einem Impulsgeber oder Impulsgenerator verbunden ist. Bei dem Schaltelement kann es sich zum Beispiel um ein Magnetventil handeln.In an expedient embodiment it is provided that a blowing device is used for the excitation which comprises a nozzle with a switching element which is connected to a pulse generator or pulse generator. The switching element can be a solenoid valve, for example.
Als Schallerzeuger wird insbesondere ein Lautsprecher verwendet. Die mechanische Anregung des Substrates mittels des Schallerzeugers erfolgt durch den Substratstapel hindurch. Hierbei ist der Schallerzeuger also unterhalb des Substratstapels angeordnet. Beispielsweise können ein oder mehrere Schallerzeuger oberhalb und/oder seitlich des Substratstapels zusätzlich vorgesehen sein.In particular, a loudspeaker is used as the sound generator. The mechanical excitation of the substrate by means of the sound generator takes place through the substrate stack. In this case, the sound generator is thus arranged below the substrate stack. For example, one or more sound generators can additionally be provided above and / or to the side of the substrate stack.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die mechanische Anregung einen Frequenzbereich durchläuft. Das bedeutet, dass die Frequenz der mechanischen Anregung, und damit auch die Frequenz, mit der die Substrate im Stapel schwingen, zeitlich variiert werden. Diese Vorgehensweise ist dann vorteilhaft, wenn die optimale Anregungs-Frequenz nicht bekannt ist, oder von Substrat zu Substrat leicht variiert. Hierbei kann die Anregungs-Frequenz aufsteigend oder absteigend durchlaufen werden. Das Durchlaufen des Frequenzbereichs kann kontinuierlich oder in diskreten Schritten erfolgen.It is advantageously provided that the mechanical excitation runs through a frequency range. This means that the frequency of the mechanical excitation, and thus also the frequency with which the substrates vibrate in the stack, are varied over time. This procedure is advantageous when the optimal excitation frequency is not known or varies slightly from substrate to substrate. The excitation frequency can be run through in ascending or descending order. The frequency range can be traversed continuously or in discrete steps.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mittels des durchlaufenen Frequenzbereichs mehrere mechanische Eigenschwingungen des Substrates angeregt werden. Der durchlaufene Frequenzbereich weist somit zwei oder mehr Eigenfrequenzen des Substrates, zweier oder mehr Substraten oder des Substratstapels auf.According to a preferred embodiment, it is provided that several mechanical natural vibrations of the substrate are excited by means of the frequency range traversed. The frequency range traversed thus has two or more natural frequencies of the substrate, two or more substrates or the substrate stack.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass der Frequenzbereich Frequenzen von größer als 5, 10, 15, 20, 50, 100 oder 150 Hertz umfasst. Wenn beispielsweise die Grundfrequenz des Substrates etwa 27 Hz und die erste Oberfrequenz 63 Hz sind, kann der Frequenzbereich zwischen 20 Hz und 70 Hz durchlaufen werden, um zwei Eigenschwingungen anzuregen, oder der Frequenzbereich zwischen 20 Hz und 30 Hz kann durchlaufen werden, um eine einzelne Eigenschwingungen anzuregen, nämlich die Grundschwingung.It is preferably provided that the frequency range comprises frequencies greater than 5, 10, 15, 20, 50, 100 or 150 Hertz. If, for example, the base frequency of the substrate is about 27 Hz and the first harmonic frequency is 63 Hz, the frequency range between 20 Hz and 70 Hz can be passed through in order to excite two natural oscillations, or the frequency range between 20 Hz and 30 Hz can be passed through in order to excite a single natural oscillation, namely the fundamental oscillation.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Substrat, nachdem es in mechanische Schwingung versetzt wurde, mittels eines weiteren Gasstromes von den übrigen Substraten im Stapel getrennt gehalten wird. Der weitere Gasstrom ist vorteilhafterweise konstant, also nicht gepulst. Vorzugsweise handelt es sich um einen konstanten Luftstrom, mit dem das separierte Substrat getrennt gehalten wird. Das getrennt Halten des Substrates mittels eines konstanten Gasstromes hat den Vorteil, dass ein nachfolgendes sicheres Greifen des Substrates mittels eines Greifers, beispielsweise eines vakuumbasierten Greifers erleichtert wird. Denn bei einem konstanten Gasstrom wird auch das Substrat eine definierte, zeitlich konstante Form beibehalten und nicht mehr schwingen, wodurch das Greifen des Substrates erleichtert wird.In an expedient development, it is provided that the substrate, after it has been set into mechanical vibration, is kept separated from the other substrates in the stack by means of a further gas flow. The further gas flow is advantageously constant, that is to say not pulsed. It is preferably a constant flow of air with which the separated substrate is kept separate. Holding the substrate separately by means of a constant gas flow has the advantage that subsequent secure gripping of the substrate by means of a gripper, for example a vacuum-based gripper, is made easier. Because with a constant gas flow, the substrate will also maintain a defined shape that is constant over time and will no longer vibrate, which makes it easier to grasp the substrate.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 ein Substrattrennungssystem mit einem Aufnahmeelement und einer Anregungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform; -
2 einige Schritte eines mittels des Systems aus der1 durchgeführten Substrataufnahmeverfahrens; -
3 errechnete Schwingungsformen bei unterschiedlichen Schwingungsfrequenzen für ein mechanisch angeregtes Substrat; -
4 eine schematische Seitenansicht auf einen Substratstapel zur Veranschaulichung der Problematik haftender Substrate bei konstanter Anregung (sogenannte Doppelzellen); -
5 wie das Problem aus der4 mittels einer pulsförmigen Anregung gelöst wird; -
6 eine schematische Seitenansicht auf einen Substratstapel zur Veranschaulichung der Prozessabfolge bei einem Wechsel zwischen pulsförmiger und konstanter Anregung; -
7 eine schematische Seitenansicht auf einen Substratstapel zur Veranschaulichung des Trennungseffektes bei einer Gleichtaktschwingung aneinander haftender Substrate; und -
8 eine schematische Seitenansicht auf einen Substratstapel zur Veranschaulichung des Trennungseffektes bei einer Gegentaktschwingung aneinander haftender Substrate.
-
1 a substrate separation system with a receiving element and an excitation device according to an embodiment; -
2 a few steps one by means of the system from the1 substrate uptake process carried out; -
3 Calculated waveforms at different vibration frequencies for a mechanically excited substrate; -
4th a schematic side view of a substrate stack to illustrate the problem of adhering substrates with constant excitation (so-called double cells); -
5 like the problem from the4th is released by means of a pulse-shaped excitation; -
6th a schematic side view of a substrate stack to illustrate the process sequence with a change between pulsed and constant excitation; -
7th a schematic side view of a substrate stack to illustrate the separation effect in a common mode oscillation of adhering substrates; and -
8th a schematic side view of a substrate stack to illustrate the separation effect in a push-pull oscillation of substrates adhering to one another.
Die
Zum Anheben des Substrates
Nachdem das Substrat
Die
In dem in
In der in den
Bei der mechanischen Schwingung verhält sich das Substrat
Wenngleich diese Eigenfrequenzen errechnet werden können, ist es vorteilhaft, wenn die impulsförmige Anregung einen Frequenzbereich durchläuft, um die optimale Anregungsfrequenz experimentell zu ermitteln. Beispielsweise kann es unter Umständen von Vorteil sein, wenn die Anregungsfrequenz nicht ganz mit der Eigenfrequenz des Substrates
Ferner kann das Substrataufnahmeverfahren derart vorgesehen sein, dass die mechanische Anregung bei jedem Separationsvorgang einen bestimmten Frequenzbereich durchläuft. Denn möglicherweise besitzen die Substrate
Eine mögliche Problematik, welche bei Anregung des Substrats
Anders ist die Situation bei einer Anregung mit einem gepulsten Gasstrom, wie in der
Bei einer bevorzugten, anhand der
Die
Die
In der
Der Fall, bei dem die ursprünglich aneinander haftenden Substrate
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- SubstratSubstrate
- 1111
- RandbereichEdge area
- 1212th
- MittenbereichMiddle area
- 1313th
- BerührungsflächeContact surface
- 22
- weiteres Substratanother substrate
- 33
- Substratstapel Substrate stack
- 44th
- Aufnahmeelement (Greifer)Receiving element (gripper)
- 4141
- SaugnäpfeSuction cups
- 4242
- Vakuumleitungen Vacuum lines
- 55
- Düsejet
- 66th
- StapelrahmenStacking frame
- 77th
- StapelheberPile lifter
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