DE102012223289B4

DE102012223289B4 - Verfahren und Fertigungsanlage zur Herstellung elektronischer Komponenten

Info

Publication number: DE102012223289B4
Application number: DE102012223289.3A
Authority: DE
Inventors: Frank Allenstein; Sebastian Wötzel
Original assignee: 3D Micromac AG
Current assignee: 3D Micromac AG
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2021-02-11
Anticipated expiration: 2032-12-15
Also published as: DE102012223289A1

Abstract

Verfahren zur mehrstufigen Herstellung elektronischer Komponenten mit einem beschichteten Substrat (210), welches durch unterschiedliche Arbeitsstationen einer Fertigungsanlage bewegt wird, mit folgenden Schritten:Bearbeiten eines Abschnitts des beschichteten Substrats an einer ersten Laserbearbeitungsstation (300) in einer ersten Laserbearbeitu ngsope ration;Transportieren des Abschnitts in einer Transportrichtung von der ersten Laserbearbeitungsstation zu einer gesonderten zweiten Laserbearbeitungsstation (400);Bearbeiten des Abschnitts an der zweiten Laserbearbeitungsstation in einer zweiten Laserbearbeitungsoperation; wobeider Abschnitt vor der ersten Laserbearbeitungsoperation mittels eines ersten Kamerasystems (330) erfasst wird, welches erste Kamerasignale erzeugt;der Abschnitt zusätzlich unmittelbar vor oder unmittelbar nach der zweiten Laserbearbeitungsoperation mittels eines zweiten Kamerasystems (430) erfasst wird, welches zweite Kamerasignale erzeugt;die erste Laserbearbeitungsoperation in Abhängigkeit von den ersten Kamerasignalen oder daraus abgeleiteten Signalen gesteuert wird; unddie zweite Laserbearbeitungsoperation in Abhängigkeit von den ersten Kamerasignalen und den zweiten Kamerasignalen oder daraus abgeleiteten Signalen gesteuert wird.

Description

HINTERGRUND
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mehrstufigen Herstellung elektronischer Komponenten mit einem beschichteten Substrat, welches durch unterschiedliche Arbeitsstationen einer Fertigungsanlage bewegt wird, sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Fertigungsanlage. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Herstellung von serienverschalteten Dünnschicht-Solarzellen auf einem flexiblen Substrat in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren.
Die Herstellung von serienverschalteten Dünnschicht-Solarzellen erfolgt in mehrstufigen Herstellungsverfahren mit Hilfe von Fertigungsanlagen, die mehrere Arbeitsstationen haben, welche von einem beschichteten Substrat nacheinander durchlaufen werden. Dünnschicht-Solarzellen haben ein starres oder flexibles Substrat, das als Träger für mehrere (typischerweise drei) darauf aufgebrachte dünne Funktionsschichtsysteme dient. Ein Dünnschicht-Solarmodul hat eine Vielzahl von Zellen, die durch Übergangsbereiche voneinander getrennt sind. In den Zellen findet bei Bestrahlung mit Licht die Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie statt. In den Übergangsbereichen befinden sich die Strukturen für die elektrische Verschaltung und Kontaktierung der einzelnen Zellen. In den Übergangsbereichen werden dazu bei der Herstellung Schnitte eingebracht, in denen Material einer dünnen Schicht entfernt wird, um es gegebenenfalls durch ein anderes Material, beispielsweise einen elektrisch leitendes Material, zu ersetzen. In den Übergangsbereichen liegen mehrere Trennlinien bzw. Schnitte in einer bestimmten Abfolge nebeneinander vor. Die Trennlinien dürfen sich nicht überschneiden, da es sonst zu elektrischen Kurzschlüssen bzw. Leerlauf kommen kann, die zum Ausfall einzelner Zellen oder des gesamten Moduls führen können. Daher werden bei der Herstellung ausreichend große laterale Sicherheitsabstände zwischen benachbarten Trennlinien vorgesehen. Je größer die Sicherheitsabstände sind, desto größer ist auch der Flächenanteil der Übergangsbereiche und desto geringer ist der verbleibende, für die Energieerzeugung nutzbare Flächenanteil. Die Größe der Übergangsbereiche beschränkt somit den Wirkungsgrad von Dünnschicht-Solarzellen.
In der EP 1 918 994 A1 wird ein Verfahren zu Strukturierung von Dünnschicht-Solarmodulen vorgestellt, mit dem sich Dünnschicht-Solarmodule mit verbessertem Wirkungsgrad herstellen lassen. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass vor oder während des Einbringens eines neuen Trennschnitts der Verlauf eines vorhandenen Schnitts bestimmt wird und dass beim Einbringen eines neuen Trennschnitts der Verlauf des neuen Trennschnitts relativ zum Verlauf des vorhandenen Trennschnitts geregelt wird. Dabei werden alle neuen Trennschnitte mit Hilfe einer Orientierung an vorhandenen Trennschnitten erstellt. Bei einer entsprechenden Vorrichtung ist ein optischer Spurlagensensor vorgesehen, der den Verlauf einer vorhandenen Trennlinie detektiert. Die neue Linie wird anhand der Position des Spurlagensensors parallel zur vorhanden Linie mittels Laserstrahl erzeugt.
Die DE 10 2010 027 516 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur hochgenauen Strukturierung von Dünnschicht-Solarzellmodulen. Die Vorrichtung hat eine Spurerfassungseinheit mit einer Kamera, mit der bereits in einem vorherigen Prozessschritt eingebrachte Spuren (Trennlinien) mit ihrer Lage und ihrem Spurverlauf erfasst werden können. Die erfassten Informationen werden einer Spursteuereinheit zur Verfügung gestellt, die mit einzelnen Antrieben einer Prozesseinheit in Verbindung steht, die an einer Schiene senkrecht zur Transportrichtung voneinander unabhängig ansteuerbare, bewegliche Halterungen aufweist, wobei jede Halterung genau ein Strukturierungswerkzeug trägt, die Schiene an einer zu dieser parallel angeordneten Hauptschiene senkrecht zur Transporteinrichtung beweglich ist und ein zusätzlicher, mit der Schiene in Verbindung stehende Haupt-Linearantrieb vorhanden ist, um die Schiene über die Breite eines Dünnschicht-Solarzellenmoduls entlang der Haupt-Schiene versetzen zu können. Bei einem Ausführungsbeispiel werden als Strukturierungswerkzeuge mechanische Ritznadeln verwendet.
Aus der DE 10 2008 059 763 A1 ist ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Substrats bekannt, bei dem mehrere Laserstrahlen auf einen jeweiligen Fokuspunkt auf dem Substrat abgelenkt werden. Die ursprünglichen, entlang einer geraden Referenzbahn verlaufenden ersten Bearbeitungsbahnen werden infolge eines inhomogenen Abkühlens des Substrats gekrümmt, so dass sich veränderte erste Bearbeitungsbahnen bilden. Um die verfügbare Fläche des Substrats optimal nutzen zu können, werden die Positionen des jeweiligen Fokuspunktes der Laserstrahlen beim abschließenden Einbringen weiterer paralleler Bearbeitungsbahnen in Abhängigkeit der mittels eines Sensors erfassten Abweichung einer einzigen vorhergehenden Bearbeitungsbahn bestimmt. Aufgrund des erfassten Verlaufs dieser veränderten vorhergehenden Bearbeitungsbahn werden alle weiteren Bearbeitungsbahnen nachgeführt.
Die DE 10 2006 051 556 A1 beschreibt ein Verfahren zum Strukturieren von Solarmodulen und eine Strukturierungsvorrichtung. Bei dem Verfahren wird mittels eines Strukturierungswerkzeugs eine Spur in ein Solarmodul eingebracht. Die Spur wird von einem nachlaufenden Sensor erfasst. Dadurch ist eine Qualitätskontrolle möglich.
Um bei derartigen Herstellungsprozessen hohe Qualität bei geringen Ausschussraten zu erzielen, müssen die einzelnen Fertigungsschritte möglichst genau aufeinander abgestimmt sein. Dabei kommt der Positionierung der Bearbeitungswerkzeuge bei den Strukturierungsschritten besondere Bedeutung zu.
AUFGABE UND LÖSUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Fertigungsanlage zur mehrstufigen Herstellung elektronischer Komponenten bereitzustellen, die zwei oder mehr Arbeitsstationen zur Durchführung von Strukturierungsoperationen aufweisen und die es erlauben, unter Verwendung von Laserstrukturierungsoperationen elektronische Komponenten hoher Qualität bei günstigen Herstellungskosten herzustellen.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereit. Weiterhin wird eine Fertigungsanlage mit den Merkmalen von Anspruch 8 bereitgestellt.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Bei dem Verfahren wird ein zu strukturierender Abschnitt des beschichteten Substrats an einer ersten Laserbearbeitungsstation in einer ersten Laserbearbeitungsoperation in Abhängigkeit von Steuersignalen einer ersten Steuereinheit mittels Laserstrahl bearbeitet. Der Abschnitt wird in einer Transportrichtung von der ersten Laserbearbeitungsstation zu einer von dieser gesonderten zweiten Laserbearbeitungsstation transportiert. Dort erfolgt mit zeitlichem Abstand zur ersten Laserbearbeitungsoperation eine Bearbeitung des gleichen Abschnitts mittels Laserstrahl in einer zweiten Laserbearbeitungsoperation in Abhängigkeit von Steuersignalen einer zweiten Steuereinheit. Es werden somit mindestens zwei Laserbearbeitungsoperationen an mindestens zwei voneinander gesonderten Laserbearbeitungsstationen in zeitlichem und räumlichem Abstand nacheinander durchgeführt.
Vor der ersten Laserbearbeitungsoperation wird der zu bearbeitende Abschnitt mittels eines ersten Kamerasystems erfasst. Dieses erzeugt erste Kamerasignale, welche den zu bearbeitenden Abschnitt zeitlich vor Durchführung der ersten Laserbearbeitungsoperation repräsentieren.
Dazu weist die erste Laserbearbeitungsstation ein erstes Kamerasystem auf, welches in Transportrichtung des Substrats vor einer ersten Laserbearbeitungseinheit angeordnet ist.
Der gleiche Abschnitt wird zeitlich später zeitnah zu der zweiten Laserbearbeitungsoperation mittels eines zweiten Kamerasystems erfasst, welches zweite Kamerasignale erzeugt. Die zeitliche Nähe der Erfassung der zweiten Kamerasignale zur zweiten Laserbearbeitungsoperation kann z.B. dadurch erreicht werden, dass der Abschnitt unmittelbar vor der zweiten Laserbearbeitungsoperation oder unmittelbar nach der zweiten Laserbearbeitungsoperation mittels des zweiten Kamerasystems erfasst wird.
Dazu weist die zweite Laserbearbeitungsstation ein vom ersten Kamerasystem unabhängiges zweites Kamerasystem auf, welches in Transportrichtung des Substrats unmittelbar vor oder unmittelbar hinter einer zweiten Laserbearbeitungseinheit angeordnet ist.
Die erste Laserbearbeitungsoperation wird in Abhängigkeit von den ersten Kamerasignalen (bzw. daraus abgeleiteten Signalen) gesteuert. Dadurch wird erreicht, dass die erste Laserbearbeitungsoperation so durchgeführt werden kann, dass diese auf den Zustand des zu bearbeitenden Abschnitts vor der ersten Laserbearbeitungsoperation präzise angepasst werden kann.
Die zweite Laserbearbeitungsoperation wird in Abhängigkeit von den ersten Kamerasignalen und den zweiten Kamerasignalen gesteuert. Dies bedeutet, dass bei der Steuerung der zweiten Laserbearbeitungsoperation sowohl der Zustand des zu bearbeitenden Abschnitts vor Durchführung der ersten Laserbearbeitungsoperation berücksichtigt wird, als auch der Zustand des Abschnitts nach der ersten Laserbearbeitungsoperation in unmittelbarer zeitlicher Nähe zur Durchführung der zweiten Laserbearbeitungsoperation. Die zweite Laserbearbeitungsstation arbeitet somit nicht unabhängig von den Informationen, die durch das erste Kamerasystem ermittelt wurden. Die Laserbearbeitung mittels der zweiten Laserbearbeitungsstation kann dadurch wesentlich präziser an die Bearbeitungsergebnisse der vorangegangenen Laserbearbeitungsoperation angepasst werden als in Abwesenheit von Informationen, die mit Hilfe des ersten Kamerasystems ermittelt wurden.
Bei der Fertigungsanlage wird dies dadurch ermöglicht, dass die Steuereinheiten der mindestens zwei Laserbearbeitungsstationen (erste und die zweite Steuereinheit) so zur Signalübertragung verknüpft sind, dass die zweite Laserbearbeitungsstation in Abhängigkeit von den ersten Kamerasignalen und den zweiten Kamerasignalen steuerbar ist. Die Steuereinheiten können hierzu in ein gemeinsames Datennetzwerk eingebunden sein.
Besonders vorteilhaft ist eine Variante, bei der der strukturierte Abschnitt zur Erfassung der zweiten Kamerasignale unmittelbar nach der zweiten Laserbearbeitungsoperation durch das zweite Kamerasystem erfasst wird. Die zweiten Kamerasignale enthalten dann Informationen, welche auch das Bearbeitungsergebnis der zweiten Laserbearbeitungsoperation repräsentieren.
Konstruktiv kann dies dadurch erreicht werden, dass das zweite Kamerasystem in Transportrichtung des Substrats gesehen hinter der zweiten Laserbearbeitungseinheit angeordnet ist.
Eine besonders hohe Präzision der Laserbearbeitung lässt sich bei manchen Ausführungsformen dadurch erreichen, dass sowohl die erste Laserbearbeitungsoperation als auch die zweite Laserbearbeitungsoperation in Abhängigkeit von den ersten Kamerasignalen und den zweiten Kamerasignalen oder jeweils daraus abgeleiteten Signalen gesteuert wird. Bei dieser Konfiguration des Signalaustauschs zwischen den Steuereinheiten kann jede der Laserbearbeitungsstationen bei den Strukturierungsschritten diejenigen Informationen nutzen, die einerseits durch das erste Kamerasystem und andererseits das zweite Kamerasystem erfasst wurden. Bei dieser Variante existieren für jede der Laserbearbeitungsstation somit ein Kamerasystem (erstes Kamerasystem), welches einen zu strukturierenden Abschnitt des beschichteten Substrats vor der jeweiligen Laserbearbeitungsoperation erfasst, sowie ein anderes Kamerasystem (zweites Kamerasystem), welches den gleichen Abschnitt nach der jeweiligen Laserbearbeitungsoperation erfasst.
Vorzugsweise ist außer dem ersten Kamerasystem, welches der ersten Laserbearbeitungsstation zugeordnet ist und den Abschnitt vor der ersten Laserbearbeitungsoperation erfasst, sowie dem zweiten Kamerasystem, welches der zweiten Laserbearbeitungsstation zugeordnet ist und den Abschnitt nach Ende der zweiten Laserbearbeitungsoperation erfasst, an den ersten und zweiten Laserbearbeitungsstationen kein weiteres Kamerasystem zur Steuerung der Laserbearbeitungsstationen vorgesehen. Hierdurch ergibt sich ein besonders kostengünstiger Aufbau der Fertigungsanlage.
Ein zweites Kamerasystem, welches hinter der zweiten Laserbearbeitungsstation angeordnet ist, bietet weitere Vorteile. Mittels des zweiten Kamerasystems wird ggf. eine 100% Qualitätskontrolle aller vorgelagerten Strukturierungsprozesse, insbesondere aller vorher erzeugten Schnitte (P1, P2, P3), ermöglicht. Dadurch kann eine zusätzlich separate Qualitätsinspektion bzw. ein dafür erforderliches gesondertes Kamerasystem eines Qualitätsinspektionssystems entfallen. Alle optisch detektierbaren Qualitätsparameter können durch das zweite Kamerasystem erfasst werden. Im Rahmen der Qualitätsinspektion kann z.B. ermittelt werden, ob Strukturierungsschnitte überhaupt an den vorgesehenen Stellen erzeugt wurden, welche Abstände und/oder Winkel zwischen Strukturierungsschnitte vorliegen etc.
Bei manchen Ausführungsformen ist das zweite Kamerasystem in ein Qualitätsinspektionssystem derart integriert, dass zweite Kamerasignale einer Qualitätsauswerteeinheit zugeleitet und durch diese hinsichtlich unterschiedlicher Qualitätsmerkmale ausgewertet werden können. Ein vom zweiten Kamerasystem unabhängiges Qualitätsinspektionssystem ist nicht vorgesehen. Dadurch ergeben sich weitere Kostenvorteile.
Zwischen der ersten Laserbearbeitungsoperation und der zweiten Laserbearbeitungsoperation kann mindestens eine weitere Bearbeitungsoperation an dem beschichteten Substrat durchgeführt werden. Beispielsweise kann mittels mindestens eines zwischengeschalteten Beschichtungsmoduls eine Beschichtungsoperation durchgeführt werden, um auf das vorher strukturierte beschichtete Substrat eine oder mehrere weitere Materialschichten aufzubringen, bevor die zweite Laserbearbeitungsoperation an dem zusätzlich beschichteten Substrat durchgeführt wird.
Es ist auch möglich, einen oder mehrere, z.B. zwei oder drei, Laserbearbeitungsoperationen bzw. Laserbearbeitungsstationen zwischenzuschalten, um komplexere Strukturierungsaufgaben in mehr als zwei hintereinander geschalteten Laserbearbeitungsoperationen erfüllen zu können. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass zwischen der ersten Laserbearbeitungsoperation und der zweiten Laserbearbeitungsoperation mindestens eine weitere Laserbearbeitungsoperation an dem beschichteten Substrat durchgeführt wird, wobei der Abschnitt vor der weiteren Laserbearbeitungsoperation mittels eines unabhängig vom ersten und zweiten Kamerasystem arbeitenden weiteren Kamerasystems erfasst wird, welches weitere Kamerasignale erzeugt, wobei dann die weitere Laserbearbeitungsoperation u.a. in Abhängigkeit von den weiteren Kamerasignalen oder daraus abgeleiteten Signalen gesteuert werden kann. Das weitere Kamerasystem ermöglicht dann eine „Eingangskontrolle“ für die weitere Laserbearbeitungsstation. Vorzugsweise wird die weitere Laserbearbeitungsoperation in Abhängigkeit von den weiteren Kamerasignalen und den zweiten Kamerasignalen oder daraus abgeleiteten Signalen gesteuert, so dass auch die in nachgelagerten Prozessstufen erhaltene Information zur Steuerung der weiteren Laserbearbeitungsstation zur Verfügung steht, um deren Bearbeitungspräzision zu verbessern.
An der Fertigungsanlage kann dies dadurch realisiert werden, dass zwischen der ersten Laserbearbeitungsstation und der zweiten Laserbearbeitungsstation mindestens eine weitere Laserbearbeitungsstation zur Durchführung der weiteren Laserbearbeitungsoperation an dem gleichen Abschnitt in Abhängigkeit von Steuersignalen einer weiteren Steuereinheit angeordnet ist, wobei die weitere Laserbearbeitungsstation ein weiteres Kamerasystem zur Erfassung des Abschnitts vor der weiteren Laserbearbeitungsoperation und zur Erzeugung weiterer Kamerasignale aufweist, und die weitere und die zweite Steuereinheit so verknüpft sind, dass die zweite Laserbearbeitungsstation in Abhängigkeit von den weiteren Kamerasignalen und den zweiten Kamerasignalen steuerbar ist. Vorzugsweise kann die weitere Laserbearbeitungsstation in Abhängigkeit von den weiteren Kamerasignalen und den zweiten Kamerasignalen oder daraus abgeleiteten Signalen steuerbar sein.
Ein mit mehreren Laserbearbeitungsstationen ausgestattetes Laserbearbeitungssystem kann somit so aufgebaut sein, dass die Anzahl der Kamerasysteme, welche zur Steuerung von Laserbearbeitungsoperationen dienen, gleich der Anzahl der Laserbearbeitungsstationen ist, wobei ein letztes Kamerasystem hinter der letzten Laserbearbeitungsstation des Laserbearbeitungssystems angeordnet ist und bei den übrigen Laserbearbeitungsstationen jeweils ein Kamerasystem vorgeschaltet ist.
Zwischen den einzelnen Laserbearbeitungsstationen können weitere Arbeitsstationen liegen. Beispielsweise können zwischen der ersten Laserbearbeitungsstation und der weiteren Laserbearbeitungsstation und/oder zwischen der weiteren Laserbearbeitungsstation und der zweiten Laserbearbeitungsstation ein oder mehrere Beschichtungsstationen eingefügt sein.
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Fertigungsanlage zum Herstellen von elektronischen Komponenten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt eine Schnittansicht eines Schichtaufbaus einer serienverschalteten Dünnschicht-Solarzelle;
3 bis 6 zeigen verschiedene Phasen einer Prozesssteuerung für die Herstellung serienverschalteter Dünnschichtsolarzellen mit Hilfe der Anlage aus 1; und
7 zeigt in 7A bis 7C ein Beispiel für ein bei der Herstellung serienverschalteter Dünnschichtsolarzellen mögliches Fertigungsproblem.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1 zeigt eine Ausführungsform einer Fertigungsanlage 100 zur mehrstufigen Herstellung elektronischer Komponenten, deren wesentlicher Bestandteil ein beschichtetes Substrat ist, welches in einer Transportrichtung durch unterschiedliche, in Transportrichtung gesehen hintereinander angeordnete Arbeitsstationen der Fertigungsanlage bewegbar ist. Im Beispielsfall ist die Fertigungsanlage für die Herstellung von serienverschalteten Dünnschicht-Solarzellen auf einem flexiblen Substrat in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren eingerichtet. Die Arbeitsstationen sind im Beispielsfall in gerader Linie hintereinander angeordnet. Es können aber auch an einer oder mehreren Stellen Umlenkeinrichtungen vorgesehen sein, so dass andere Anordnungen der Arbeitsstationen in einer Produktionshalle möglich sind.
Die modular aufgebaute Fertigungsanlage verarbeitet im Beispielsfall in einer Fertigungslinie ein flexibles Substrat, das in Form eines langen flachen Bandes 200 vorliegt und beispielsweise durch eine elektrisch nichtleitende Kunststofffolie gebildet sein kann, auf die in vorgeschalteten Prozessen bereits eine strukturierte, elektrisch leitende, für sichtbares Licht transparente Schicht aufgebracht wurde. Das beschichtete Substratmaterial wird von einer Vorratsrolle 122 abgerollt, welche sich in einer Abwickeleinrichtung 120 an der Eingangsseite der Anlage befindet. Von dort wird das beschichtete Substrat durch verschiedene Einrichtungen bzw. Module der Anlage hindurch in Transportrichtung 202 kontinuierlich bis zu einer Aufwickelrolle 182 gefördert, die sich in einer Aufwickeleinrichtung 180 am Ende der Anlage 100 befindet. Während des Transports eines Abschnitts des beschichteten Substrats durch die Anlage durchläuft jeder Abschnitt des bahnförmigen beschichteten Substrats nacheinander unterschiedliche Arbeitsstationen der aus mehreren Modulen aufgebauten Anlage, die jeweils zur Durchführung eines oder mehrerer Arbeitsschritte des Herstellungsverfahrens konfiguriert sind.
Zum besseren Verständnis der in der Fertigungsanlage durchgeführten Operationen und spezifischer Anforderungen des Fertigungsprozesses wird anhand der Schnittansicht von 2 ein typischer Schichtaufbau einer serienverschalteten Dünnschicht-Solarzelle erläutert.
Eine einzelne Solarzelle liefert im Betrieb normalerweise weniger als 1 V Spannung, während der Strom proportional mit der Fläche der Solarzelle zunimmt. Um zu praxistauglichen Werten für Strom und Spannung zu gelangen, werden mehrere Solarzellen zu Dünnschicht-Solarmodulen serienverschaltet. Die Herstellung von Dünnschichtsolarzellen erlaubt es, die Serienverschaltung integriert während der Zellherstellung durchzuführen, so dass sich als Endprodukt der Fertigung ein integriertes serienverschaltetes Dünnschicht-Solarmodul ergibt. Dazu werden einzelne Schichten nach der Abscheidung an geeigneter Stelle durch Schnitte entlang von Trennlinien aufgetrennt.
Als Träger für die Funktionsschichten dient ein elektrisch isolierendes, für sichtbares Licht transparentes Substrat 210 in Form einer KunststoffFolie. Zunächst wird in einem Beschichtungsprozess auf Substrat 210 eine Vorderseitenkontaktschicht 220 aufgebracht. Für den Vorderseitenkontakt wird typischerweise ein transparentes leitfähiges Oxidmaterial (TCO) verwendet, z.B. ZnO. Diese Schicht wird in einem Trennschritt mit Hilfe eines Lasers in Streifen mehr oder weniger parallel zur Bahnlängsrichtung geschnitten. Dieser erste Schnitt wird üblicherweise mit P1 bzw. P1-Schnitt bezeichnet.
Auf die derart in Streifen geschnittene Vorderseitenkontaktschicht wird eine Absorberschicht 230 aufgebracht, z.B. eine CuInS₂-Schicht. Andere Absorbermaterialien sind ebenfalls möglich, z.B. Silizium oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid oder organische Absorber. Das Aufbringen der Absorberschicht kann z.B. mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD), thermischer Verdampfung oder Elektronenstrahlverdampfung erfolgen.
Ein zweiter Schnitt (P2) entfernt die Absorberschicht (z.B. CuInS₂) dicht neben dem ersten Schnitt P1. Für den lateralen Abstand D12 zwischen den Schnitten P1 und P2 sind in der Regel enge Spezifikationen vorgegeben. Der Abstand (Zielabstand) sollte möglichst klein sein, damit die für die Stromerzeugung nicht nutzbaren Totbereiche möglichst klein bleiben. Der Zielabstand kann z.B. in der Größenordnung von 10 µm bis 200 µm liegen. Durch den P2-Schnitt soll erreicht werden, dass das in einem nachfolgenden Beschichtungsschritt aufgebrachte Schichtmaterial des Rückseitenkontakts 240 einen elektrischen Linienkontakt zum Vorderseitenkontakt 220 herstellt. Danach wird eine Metallschicht 240 als Rückseitenkontakt aufgebracht, z.B. eine Molybdänschicht, eine Silberschicht oder eine Aluminiumschicht..
Als letztes erfolgt ein dritter Schnitt (P3), der wiederum mit einem Abstand (Sicherheitsabstand) D23 möglichst dicht neben P2 liegen soll und die Absorberschicht und den Rückseitenkontakt auftrennt.
Manchmal wird in einem nachfolgenden Prozessschritt auf diese Schichtanordnung noch eine nicht-transparente Schutzfolie auf die Rückseitenkontaktschicht aufgebracht.
Während die Schnitte P1 und P3 die beiden Kontaktschichten (Rückseitenkontakt und Vorderseitenkontakt) auftrennen und somit zwei benachbarte Zellen Z1 und Z2 gegeneinander isolieren, sorgt der zweite Schnitt P2 für einen Kontakt der Rückseitenelektrode der ersten Zelle Z1 mit der Vorderseitenelektrode der zweiten Zelle Z2 und stellt damit die Serienverschaltung dieser Zellen her. Als Modulspannung ergibt sich die Zellspannung multipliziert mit der Anzahl der in Serie verschalteten Zellen
Die Fertigungsanlage 100 verarbeitet als Eingangsprodukt ein zu der Vorratsrolle 122 aufgewickeltes, bereits mit der Vorderseitenkontaktschicht beschichtetes Substrat, bei dem in einem vorgeschalteten Prozess bereits der im Wesentlichen parallel zur Bahnrichtung verlaufende P1-Schnitt mittels eines Lasers oder auf andere Weise vorgenommen wurde. Der Beschichtungsschritt kann extern oder innerhalb der Anlage z.B. mittels Sputtering, plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) oder mittels Druckprozess durchgeführt werden. Bei dem beispielhaft erläuterten Prozess befindet sich die Absorberschicht bereits auf dem zur Vorratsrolle aufgewickelten Substrat. Die Schnitte P2 und P3 und mindestens ein zwischengeschalteter Beschichtungsschritt werden nacheinander in Arbeitsstationen der Anlage 100 am kontinuierlich durchlaufenden beschichteten Substrat durchgeführt.
Die Fertigungsanlage 100 umfasst ein mehrstufig arbeitendes Laserbearbeitungssystem mit zwei räumlich getrennten, jedoch steuerungstechnisch miteinander verknüpften und kooperierenden Laserbearbeitungsstationen 300 und 400.
Eine erste Laserbearbeitungsstation 300 ist zur Durchführung einer ersten Laserbearbeitungsoperation an einem durch die erste Laserbearbeitungsstation geführten Abschnitt des Bandes eingerichtet. Die erste Laserbearbeitungsstation hat eine erste Laserbearbeitungseinrichtung 310 in Form eines Laser-Scanners, welcher durch eine erste Steuereinheit 320 gesteuert wird. Zu der ersten Laserbearbeitungsstation gehört ein erstes Kamerasystem 330, welches in Transportrichtung 202 gesehen vor der ersten Laserbearbeitungseinrichtung 310 angeordnet ist und dazu dient, den in der ersten Laserbearbeitungsstation zu bearbeitenden Abschnitt des Bandes unmittelbar vor der ersten Laserbearbeitungsoperation optisch ortsauflösend zu erfassen und entsprechende erste Kamerasignale oder daraus abgeleitete Signale an die erste Steuereinheit 320 zu übermitteln. Bei der Herstellung von serienverschalteten Dünnschicht-Solarzellen ist die erste Laserbearbeitungsstation dazu vorgesehen, in unmittelbarer Nähe der bereits am beschichteten Substrat eingebrachten ersten Schnitte (P1-Schnitt) die parallel dazu in einem Zielabstand (vgl. Abstand D12) verlaufenden zweiten Schnitte (P2-Schnitte) zu erzeugen.
Mit Abstand hinter der ersten Laserbearbeitungsstation 300 sind ein oder mehrere Beschichtungsstationen in Form geeignet eingerichteter Beschichtungsmodule angeordnet. Im Beispielsfall wird in einem Beschichtungsmodul 500 eine metallische Rückseitenkontaktschicht 240 auf die mit dem zweiten Schnitt (P2) in Längsstreifen geteilte Absorberschicht 230 z.B. mittels Sputtern, thermischer Verdampfung, Elektronenstrahlverdampfung oder Druckprozess aufgebracht. Gegebenenfalls können auch weitere Schichten aufgebracht werden.
Nach diesem mindestens einen weiteren Beschichtungsprozess läuft jeder zu bearbeitende Abschnitt des beschichteten Substrats durch eine zweite Laserbearbeitungsstation 400, welche dazu eingerichtet ist, den dritten Schnitt (P3-Schnitt) in einem geringen seitlichen Abstand D23 zum zweiten Schnitt (P2) in die Mehrschichtstruktur einzubringen. Die zweite Laserbearbeitungsstation 400 hat eine zweite Laserbearbeitungseinrichtung 410 in Form eines Laser-Scanners, der von einer zweiten Steuereinheit 420 gesteuert wird. An die zweite Steuereinheit ist ein zweites Kamerasystem 430 angeschlossen, welches in Transportrichtung unmittelbar hinter der zweiten Laserbearbeitungseinheit 410 angeordnet ist und dazu dient, unmittelbar nach der zweiten Laserbearbeitungsoperation den mit dem dritten Schnitt (P3) versehenen Abschnitt des beschichteten Substrats ortsauflösend zu erfassen und entsprechende zweite Kamerasignale oder daraus abgeleitete Signale an die zweite Steuereinheit 420 zu übertragen.
Mit beiden Laserbearbeitungseinheiten können zusätzlich noch Querstrukturierungen, Marken (z.B. ein Data-Matrix-Code) und/oder andere Strukturierungen strukturiert werden.
Das Laserbearbeitungssystem hat nur das erste und das zweite Kamerasystem, weitere Kamerasysteme sind nicht erforderlich und auch nicht vorgesehen.
Jedes der Kamerasysteme ist in der Lage, das durchlaufende beschichtete Substrat über die gesamte relevante Breite lückenlos mit geeigneter örtlicher Auflösung in der Größenordnung von 1 µm bis 50 µm zu erfassen. Ein Kamerasystem kann eine einzelne Kamera mit entsprechend großem (breiten) Erfassungsbereich haben. Es ist auch möglich, dass ein Kamerasystem mehrere parallel arbeitende Kameras, beispielsweise zwei, drei, vier oder mehr Kameras, enthält, die jeweils nur einen schmaleren Streifen der gesamten Bahnbreite erfassen. Die Kamerasignale werden in beiden Fällen durch ein angeschlossenes Bildverarbeitungssystem mit entsprechender Bildverarbeitungssoftware aufbereitet und ausgewertet.
Im Beispielsfall hat ein Kamerasystem eine oder mehrere Zeilenkameras, die trotz hoher Ortsauflösung nur eine relativ geringe, schnell verarbeitbare Datenmenge erzeugen. Alternativ können auch Flächenkameras (Matrixkameras) mit entsprechend großem zweidimensionalen Bildfeld verwendet werden.
Hinter der zweiten Laserbearbeitungsstation können noch eine oder mehrere weitere Stationen (z.B. zur Kantenbearbeitung und zur Laminierung mit einer Schutzschicht) angeordnet sein, bevor die fertiggestellte serienverschaltete Dünnschicht-Solarzelle auf die auf Aufwickelrolle 182 aufgerollt wird.
Die beiden Laserbearbeitungsstationen 300 und 400 arbeiten nicht unabhängig voneinander, sondern sind Bestandteile eines mehrstufiges (hier: zweistufigen) Laserbearbeitungssystem, welches in der Lage ist, die beiden Laserbearbeitungsoperationen (P2-Schnitt und P3-Schnitt) in Abhängigkeit von den Kamerasignalen des ersten Kamerasystems und des zweiten Kamerasystems so zu steuern, dass durch die Laserbearbeitungsoperationen die entsprechenden Schnitte mit hoher Positionsgenauigkeit an dem jeweils einlaufenden Abschnitt des beschichteten Substrats angebracht werden können. Hierzu sind die erste und die zweite Steuereinheit 320, 420 miteinander zur Signalübertragung in der Weise verknüpft, dass die zweite Laserbearbeitungsoperation in Abhängigkeit sowohl der ersten Kamerasignale (oder daraus abgeleiteter Signale) als auch der zweiten Kamerasignale (oder daraus abgeleiteter Signale) gesteuert werden kann. Weiterhin ist vorgesehen, dass auch die erste Laserbearbeitungsoperation sowohl in Abhängigkeit von den ersten Kamerasignalen des ersten Kamerasystems als auch von den zweiten Kamerasignalen des zweiten Kamerasystems (oder jeweils daraus abgeleiteter Signale) gesteuert werden kann.
Im Folgenden wird erläutert, wie bei dem Ausführungsbeispiel auf Basis dieser Konfiguration eine Laserstrukturierung flexibler beschichteter Substrate mit automatischer Positionsregelung für die beiden zeitlich nacheinander ablaufenden Laserbearbeitungsoperationen realisiert werden kann. Dabei können wesentliche, die Positionierung der Schnitte beeinflussende Effekte kontrolliert und so weit korrigiert werden, dass eine präzise mehrstufige Laserbearbeitung möglich ist. Unter anderem erlaubt das Laserbearbeitungssystem, eventuellen seitlichen Versatz zwischen den verschiedenen Schnitten an den Ansatzstellen der Schnitte zu berücksichtigen, eventuelle laterale Bewegungen der flexiblen Bahn in die Steuerung für die Laserbearbeitungsoperationen einzubeziehen und eine eventuelle Drift von Kamerapositionen im Verhältnis zu den Laserbearbeitungseinrichtungen zu erkennen und zu kompensieren.
Zum besseren Verständnis seien einige bei der Herstellung von Dünnschicht-Solarzellen auftretende Probleme näher erläutert. Das Ziel der Positionierung eines nachfolgenden Laserschnitts ist es im Beispielsfall, so nah wie möglich am vorherigen Laserschnitt zu positionieren, jedoch einen Mindestabstand (Zielabstand) zum vorherigen Laserschnitt einzuhalten. Die P1-, P2- und P3-Schnitte, die mit Hilfe eines geeignet angesteuerten fokussierten Laserstrahls erzeugt werden, sind in der Regel keine kontinuierlichen Linien, sondern werden mit Hilfe eines Scanners aus kürzeren Teillinien mit üblichen Längen zwischen 1 mm und ca. 50 cm zusammengesetzt. Dies resultiert u.a. daraus, dass der von einem Scanner gesteuerte Laserstrahl wesentlich schneller über das zu schneidende Material bewegt werden kann als die typische Bahngeschwindigkeit des beschichteten Substrats beim Transport durch eine Laserbearbeitungsstation. Diese kann z.B. im Bereich von 0.1 m/s bis 30 m/s liegen, insbesondere im Bereich 0.5 m/s bis 2 m/s. Aufgrund des Zusammensetzens der Schnitte aus Teillinien bzw. Teilschnitten kann an den Ansatzstellen jeweils ein seitlicher Versatz innerhalb einer Linie auftreten. Zusätzlich kann sich die Substratbahn als Ganzes in transversaler Richtung (quer zur Transportrichtung) hin- und her bewegen. Der resultierende Bahnlauffehler kann sich insbesondere auf die Präzision auswirken, mit der die mit der zweiten Laserbearbeitungsstation eingebrachten Schnitte in Bezug auf die vorher eingebrachten Schnitte positioniert werden können. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass der entlang der Bahn gemessene Abstand zwischen der ersten Laserbearbeitungsstation und der zweiten Laserbearbeitungsstation durchaus einige Meter betragen kann.
Am beschichteten Substrat werden typischerweise viele mehr oder weniger parallel zueinander verlaufende Schnitte über die Breite des beschichteten Substrats erzeugt. Um Ausschuss zu vermeiden, wird angestrebt, die Bilderfassung durch die Kamerasysteme, die Analyse der Kamerasignale oder der daraus abgeleiteten Signale und die daraus resultierende Bestimmung eventueller seitlicher (transversaler) Positionsunterschiede (Offset-Bestimmung) für jeden Laserschnitt auf der Bahn gesondert durchführen zu können, um eine einhundertprozentige Detektion eventueller korrekturbedürftiger transversaler Positionsunterschiede über die gesamte Breite des beschichteten Substrats zu erzielen. Hiermit wird u.a. berücksichtigt, dass es durch Bahnspannungen innerhalb der Folie zu Streckungen und Stauchungen des Bahnmaterials kommen kann, so dass sich die lateralen Abstände bereits eingebrachter Schnitte zueinander zwischen den Laserbearbeitungsoperationen noch verändern können.
Nachfolgend wird anhand der 3 bis 6 eine bevorzugte Variante einer Prozesssteuerung für die Herstellung serienverschalteter Dünnschichtsolarzellen mit Hilfe der Anlage 100 erläutert. Die Bewegung des flexiblen Substrats erfolgt in x-Richtung, welche der Bahnlaufrichtung bzw. Transportrichtung 202 entspricht. Die in der Bahnebene senkrecht dazu verlaufende Querrichtung oder Transversalrichtung ist die y-Richtung. Der Begriff „Versatz“ bezeichnet dabei laterale Positionsunterschiede von Schnitten in Transversalrichtung. Dieser Versatz kann als Offset-Wert in Bezug auf eine Referenzposition in y-Richtung parametrisiert werden.
Eine wichtige Aufgabe des ersten Kamerasystems 330 ist es, die laterale Position des bereits am beschichteten Substrat erzeugten ersten Schnitts (P1-Schnitt) zu ermitteln (3). Hierzu wird aus den ersten Kamerasignalen mit Hilfe eines in der Steuereinheit integrierten Bildverarbeitungssystems ein Datenpaar POS1 bzw. P1 (y,x) ermittelt, welches die laterale Position des P1-Schnitts als Offset-Wert in Bezug auf eine Referenzposition in y-Richtung sowie die zugehörige Position in Bahnlaufrichtung (x-Richtung) enthält.
Zusätzlich wird an Ansatzstellen zwischen zwei aufeinander folgenden, lateral gegeneinander versetzten Teilabschnitten noch der laterale Versatz (Positionsunterschied in y-Richtung) gemeinsam mit der Position in x-Richtung als Datenpaar POSDELTA1 bzw. P1(dy, x) ermittelt.
Die im Datenpaar POS1 enthaltene Informationen, welche u.a. auch Information über laterale Bahnlaufschwankungen enthalten, werden von der ersten Steuereinheit 320 zur Steuerung der ersten Laserbearbeitungseinrichtung 310 genutzt, um den P2-Schnitt möglichst genau im gewünschten Zielabstand neben den P1-Schnitt zu positionieren ( 4). Der Zielabstand wird auch eingehalten an Stellen, an denen einzelne P1-Schnitte leicht gegeneinander versetzt, aber noch zusammenhängend sind.
Die Information POSDELTA1 über den Versatz (transversaler Positionsunterschied) an den Ansatzstellen wird weiterhin auch zur zweiten Steuereinheit 420 übertragen. Diese nutzt diese Information, um bei Erreichen der entsprechenden Bahnposition den seitlichen Versatz zwischen P1 und P2 an den Ansatzstellen bei der Erzeugung des dritten Schnitts (P3) zu berücksichtigen.
Die erste Laserbearbeitungseinheit 310 erzeugt den P2-Schnitt im gewünschten Zielabstand D12 lateral versetzt zum P1-Schnitt. Dazu wird der Laserstrahl unter Nutzung der mittels des ersten Kamerasystems ermittelten Daten durch die erste Steuereinheit 320 entsprechend gesteuert.
Optional kann die erste Steuereinrichtung außerdem einen zusätzlichen Offset-Wert POSOFFSET12 (Korrekturwert P12(dy,x) der Position in y-Richtung) vom zweiten Kamerasystems 430 empfangen, der sich aus einem Vergleich zwischen dem lateralen Sollabstand zwischen P1 und P2 und dem mit Hilfe des zweiten Kamerasystems 430 ermittelten lateralen Ist-Abstand zwischen den P1-Schnitten und den P2-Schnitten ergeben kann. Hierdurch können beispielsweise thermische Drifteffekte bei Dauerprozessen bei der Erzeugung der zweiten Schnitte (P2) berücksichtigt werden. Das zweite Kamerasystem 430 liefert somit mit dem Offset-Wert POSOFFSET12 Daten für eine „Erfolgskontrolle“ für das Bearbeitungsergebnis der ersten Laserbearbeitungsstation.
Zwischen der ersten Laserbearbeitungsoperation und der zweiten Laserbearbeitungsoperation können ein oder mehrere weitere Operationen durchgeführt werden, beispielsweise eine Abscheidung zusätzlicher Schichten an dem mit P1- und P2-Schnitten versehenen beschichteten Substrat in dem Beschichtungsmodul 500.
Der mit P1- und P2-Schnitten versehene und gegebenenfalls weiter beschichtete Abschnitt des beschichteten Substrats gelangt dann in die zweite Laserbearbeitungsstation 400, in der die zweite Laserbearbeitungsoperation durch Erzeugung des dritten Schnitts (P3-Schnitt) in einem vorgegebenen Zielabstand zum P2-Schnitt vorgenommen wird ( 5). Unmittelbar danach durchläuft der dann mit den Schnitten P1, P2 und P3 versehene Abschnitt des beschichteten Substrats den Erfassungsbereich des zweiten Kamerasystems 430 (vgl. 6), welches die zweiten Kamerasignale erzeugt. Diese enthalten Information über den Verlauf aller drei Schnitte P1, P2 und P3. Hierzu gehört der oben schon erwähnte Offset-Wert POSOFFSET12 bzw. P12(dy,x), sowie ein Offset-Wert POSOFFSET23 bzw. P23(dy,x), welcher den lateralen Ist-Abstand zwischen den P2-Schnitten und den P3-Schnitten repräsentiert.
Die zweite Steuereinheit 420 empfängt Informationen über die laterale Position des dritten Schnittes (P3) aus der mit dem zweiten Kamerasystem 430 ermittelten Position durch einen Soll/Ist-Vergleich zwischen der angestrebten lateralen Position und der tatsächlich erzeugten lateralen Position, so dass die laterale Positionierung des P3-Schnittes in einem Regelkreis unter Nutzung der vom zweiten Kamerasystem 430 erzeugten Bildinformation erfolgt. Der entsprechende Offset-Wert POSOFFSET23 wird nur zur Steuerung der zweiten Laserbearbeitungseinheit genutzt.
Der Offset-Wert POSOFFSET12 wird ebenfalls zur Steuerung der zweiten Laserbearbeitungseinheit verarbeitet. Damit wird sichergestellt, dass bei einer lateralen Verschiebung des P2-Schnitts auch die laterale Position des P3-Schnitts entsprechend korrigiert wird, um den Zielabstand D23 einzuhalten.
Bei der Steuerung der zweiten Laserbearbeitungseinheit wird zusätzlich derjenige Offset-Wert POSDELTA1 berücksichtigt, der mit Hilfe des ersten Kamerasystems 330 ermittelt wurde und der den lateralen Versatz in y-Richtung der Ansatzstellen als Wertepaar (mit Positionsangabe in x-Richtung auf dem Substrat) enthält.
Das zweite Kamerasystem 430 mit der angeschlossenen Bildverarbeitungseinheit bestimmt somit den lateralen Abstand D12 zwischen dem P1-Schnitt und dem P2-Schnitt und kontrolliert dadurch das Bearbeitungsergebnis der ersten Laserbearbeitungsoperation. Ein entsprechender Offset-Wert POSOFFSET12 wird an die erste Steuereinheit zur Steuerung der ersten Laserbearbeitungseinheit übertragen. Dieser Offset-Wert berücksichtigt u.a. eine eventuelle Langzeitdrift in der relativen Position des ersten Kamerasystems zur ersten Laserbearbeitungseinheit und/oder langzeitliche Drifterscheinungen an Komponenten der ersten Laserbearbeitungseinheit, die z.B. durch Temperaturschwankungen in der Produktionshalle verursacht werden können. Solche Langzeiteffekte, die typischerweise mit Zeitkonstanten im Stundenbereich ablaufen, können durch die Rückkopplung zwischen dem zweiten Kamerasystem und erster Laserbearbeitungsstation korrigiert werden.
Außerdem wird der laterale Abstand D23 zwischen dem P2-Schnitt und dem P3-Schnitt bestimmt, also das Bearbeitungsergebnis der zweiten Laserbearbeitungsoperation. Ein entsprechender Offset-Wert POSOFFSET23 wird an die zweite Steuereinheit der zweiten Laserbearbeitungsstation übertragen. Durch diese Rückkopplung ist in einem Regelkreis eine exakte Positionierung der P3-Schnitte in Bezug auf die P2-Schnitte möglich.
Wenn der laterale Abstand D12 des P2-Schnitts zum P1-Schnitt nicht dem Zielabstand innerhalb vorgegebener Toleranzen entspricht, wird ein entsprechender Korrekturwert als Offset zur ersten Steuereinrichtung 320 übertragen, welche diesen Offset zusätzlich zu anderen Offsets bei der Steuerung der ersten Laserbearbeitungseinheit 310 berücksichtigt.
Bei dem Ausführungsbeispiel wird die zweite Laserbearbeitungsstation nicht nur in Abhängigkeit von Kamerasignalen des zweiten Kamerasystems 430 gesteuert, sondern auch in Abhängigkeit von Kamerasignalen des ersten Kamerasystems 330. Nachfolgend wird anhand von 7 erläutert, welche Folgen resultieren könnten, wenn die durch das erste Kamerasystem erfasste Offset-Information für die zweite Laserbearbeitungsstation nicht zur Verfügung stünde. In den 7A bis 7C markiert der quer zur Bahnlaufrichtung verlaufende schmale rechteckige Bereich SB den späteren Schnittbereich des Bahnmaterials zur Vereinzelung in separate Module. Diese Schnittbereiche haben in Bahnrichtung typische Längen in der Größenordnung von 1 cm. Innerhalb dieser Bereiche müssen die aufeinanderfolgenden Schnitte des gleichen Typs (z.B. P1-Schnitte wie in 7A) nicht ineinander übergehen, da diese Bereiche ohnehin verworfen werden. 7B zeigt die Situation nach Erzeugung des P2-Schnitts. Diese liegt im geeigneten Zielabstand zum P1-Schnitt, da der seitliche Sprung der aufeinanderfolgenden P1-Schnitte im späteren Schnittbereich durch das erste Kamerasystem unmittelbar vor der ersten Laserbearbeitungsoperation erkannt und durch Erzeugung eines entsprechenden Offset-Wertes bei der Steuerung der ersten Laserbearbeitungsoperation berücksichtigt wurde.
7C zeigt eine Situation, in der der dritte Schnitt (P3) ohne Berücksichtigung der lateralen Versatzinformation V1 des ersten Kamerasystems erzeugt wurde. In diesem Fall kann es sein, dass der P3-Schnitt an falscher lateraler Position erzeugt wird. Erst nach Erkennung dieses Problems durch das zweite Kamerasystem könnte der seitliche Versatz wieder korrigiert werden. Wird dagegen die Information des ersten Kamerasystems auch zur Steuerung der zweiten Laserbearbeitungseinheit genutzt, können derartige Probleme vermieden werden.
Anhand des Ausführungsbeispiels wurde demonstriert, dass es mit Hilfe des mehrstufigen Laserbearbeitungssystems bzw. mit dem Verfahren unter Nutzung von nur zwei Kamerasystemen möglich ist, langzeitliche thermische Drifts sowie eventuelle laterale Bahnbewegungen zwischen der ersten Laserbearbeitungsoperation und der zweiten Laserbearbeitungsoperation zu kompensieren. Zusätzlich können auch eventuelle seitliche Versätze an Ansatzstellen der P1-Schnitte sowohl bei der Erzeugung der P2-Schnitte als auch bei der Erzeugung der P3-Schnitte positionsgenau (in Bahnrichtung sowie bezüglich des Ausmaßes des lateralen Versatzes) berücksichtigt werden. Damit werden mit Hilfe eines relativ kostengünstigen Aufbaus (nur zwei Kamerasysteme) wesentliche Störeinflüsse, die zu einer Ausschussproduktion führen könnten, zuverlässig vermieden.
Eine deutlich teurere Variante könnte realisiert werden, wenn bei jeder Laserbearbeitungsstation sowohl unmittelbar vor der Laserbearbeitungseinheit als auch unmittelbar hinter der Laserbearbeitungseinheit ein Kamerasystem installiert würde. Das vorgeschaltete Kamerasystem könnte laterale Bahnbewegungen und Ansatzstellen-Offsets bestimmen. Die Bildinformationen des unmittelbar nachgeschalteten Kamerasystems könnte dazu genutzt werden, eventuelle thermische Drifts noch zu korrigieren. Bei dieser Auslegung wäre jede Laserbearbeitungsoperation komplett unabhängig von der jeweils anderen Laserbearbeitungsoperation durchführbar. Allerdings würden zwei weitere Kamerasysteme benötigt, wodurch die Fertigungskosten steigen würden.
Aspekte von Ausführungsformen der Erfindung wurden am Beispiel der Herstellung von serienverschalteten Dünnschicht-Solarzellen auf einem flexiblen Substrat in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren dargestellt. Die Anwendung der Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Das Verfahren und die Vorrichtung können z.B. auch bei der Herstellung von organischen Solarzellen oder von organischen Leuchtdioden (OLEDs) oder vergleichbaren elektronischen Komponenten genutzt werden.

Claims

Verfahren zur mehrstufigen Herstellung elektronischer Komponenten mit einem beschichteten Substrat (210), welches durch unterschiedliche Arbeitsstationen einer Fertigungsanlage bewegt wird, mit folgenden Schritten: Bearbeiten eines Abschnitts des beschichteten Substrats an einer ersten Laserbearbeitungsstation (300) in einer ersten Laserbearbeitu ngsope ration; Transportieren des Abschnitts in einer Transportrichtung von der ersten Laserbearbeitungsstation zu einer gesonderten zweiten Laserbearbeitungsstation (400); Bearbeiten des Abschnitts an der zweiten Laserbearbeitungsstation in einer zweiten Laserbearbeitungsoperation; wobei der Abschnitt vor der ersten Laserbearbeitungsoperation mittels eines ersten Kamerasystems (330) erfasst wird, welches erste Kamerasignale erzeugt; der Abschnitt zusätzlich unmittelbar vor oder unmittelbar nach der zweiten Laserbearbeitungsoperation mittels eines zweiten Kamerasystems (430) erfasst wird, welches zweite Kamerasignale erzeugt; die erste Laserbearbeitungsoperation in Abhängigkeit von den ersten Kamerasignalen oder daraus abgeleiteten Signalen gesteuert wird; und die zweite Laserbearbeitungsoperation in Abhängigkeit von den ersten Kamerasignalen und den zweiten Kamerasignalen oder daraus abgeleiteten Signalen gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Abschnitt unmittelbar nach der zweiten Laserbearbeitungsoperation zur Erfassung der zweiten Kamerasignale durch das zweite Kamerasystem (430) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen der ersten Laserbearbeitungsoperation und der zweiten Laserbearbeitungsoperation keine Erfassung des Abschnitts durch ein Kamerasystem einer Laserbearbeitungsstation stattfindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Laserbearbeitungsoperation und die zweite Laserbearbeitungsoperation in Abhängigkeit von den ersten und den zweiten Kamerasignalen oder daraus abgeleiteten Signalen gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der ersten Laserbearbeitungsoperation und der zweiten Laserbearbeitungsoperation mindestens eine weitere Bearbeitungsoperation an dem Substrat durchgeführt wird, vorzugsweise eine Beschichtungsoperation.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der ersten Laserbearbeitungsoperation und der zweiten Laserbearbeitungsoperation mindestens eine weitere Laserbearbeitungsoperation an dem Substrat durchgeführt wird, wobei der Abschnitt vor der weiteren Laserbearbeitungsoperation mittels eines weiteren Kamerasystems erfasst wird, welches weitere Kamerasignale erzeugt, wobei die weitere Laserbearbeitungsoperation in Abhängigkeit von den weiteren Kamerasignalen oder daraus abgeleiteten Signalen gesteuert wird, wobei vorzugsweise die weitere Laserbearbeitungsoperation in Abhängigkeit von den weiteren Kamerasignalen und den zweiten Kamerasignalen oder daraus abgeleiteten Signalen gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweiten Kamerasignale einer Qualitätsauswerteeinheit zugeleitet und mittels der Qualitätsauswerteeinheit hinsichtlich unterschiedlicher Qualitätsmerkmale ausgewertet werden.
Fertigungsanlage (100) zur mehrstufigen Herstellung elektronischer Komponenten mit einem beschichteten Substrat, welches durch unterschiedliche Arbeitsstationen des Fertigungssystems bewegbar ist, mit einer ersten Laserbearbeitungsstation (300) zur Durchführung einer ersten Laserbearbeitungsoperation in einem Abschnitt des Substrats in Abhängigkeit von Steuersignalen einer ersten Steuereinheit (320); und mindestens einer zweiten Laserbearbeitungsstation (400) zur Durchführung einer der ersten Laserbearbeitungsoperation zeitlich nachgeschalteten zweiten Laserbearbeitungsoperation an dem gleichen Abschnitt in Abhängigkeit von Steuersignalen einer zweiten Steuereinheit (420), wobei die erste Laserbearbeitungsstation (300) ein erstes Kamerasystem (330) zur Erfassung des Abschnitts vor der ersten Laserbearbeitungsoperation und zur Erzeugung erster Kamerasignale aufweist; die zweite Laserbearbeitungsstation (400) ein zweites Kamerasystem (430) zur Erfassung des Abschnitts unmittelbar vor oder unmittelbar nach der zweiten Laserbearbeitungsoperation und zur Erzeugung zweiter Kamerasignale aufweist; und die erste und die zweite Steuereinheit (320, 420) so verknüpft sind, dass die zweite Laserbearbeitungsstation (400) in Abhängigkeit von den ersten Kamerasignalen und den zweiten Kamerasignalen steuerbar ist.
Fertigungsanlage nach Anspruch 8, wobei das zweite Kamerasystem (430) in Transportrichtung hinter einer Laserbearbeitungseinheit (410) der zweiten Laserbearbeitungsstation (400) angeordnet ist.
Fertigungsanlage nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Steuereinheiten (320, 420) so verknüpft sind, dass die erste Laserbearbeitungsstation (300) in Abhängigkeit von den ersten Kamerasignalen und den zweiten Kamerasignalen steuerbar ist.
Fertigungsanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die ersten und zweiten Laserbearbeitungsstationen (300, 400) außer dem ersten Kamerasystem (330) und dem zweiten Kamerasystem (430) kein weiteres Kamerasystem aufweisen.
Fertigungsanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei zwischen der ersten Laserbearbeitungsstation und der zweiten Laserbearbeitungsstation mindestens eine weitere Laserbearbeitungsstation zur Durchführung einer weiteren Laserbearbeitungsoperation an dem gleichen Abschnitt in Abhängigkeit von Steuersignalen einer weiteren Steuereinheit angeordnet ist, die weitere Laserbearbeitungsstation ein weiteres Kamerasystem zur Erfassung des Abschnitts vor der weiteren Laserbearbeitungsoperation und zur Erzeugung weiterer Kamerasignale aufweist; und die weitere und die zweite Steuereinheit so verknüpft sind, dass die zweite Laserbearbeitungsstation in Abhängigkeit von den weiteren Kamerasignalen und den zweiten Kamerasignalen steuerbar ist, wobei vorzugsweise die weitere Laserbearbeitungsstation in Abhängigkeit von den weiteren Kamerasignalen und den zweiten Kamerasignalen oder daraus abgeleiteten Signalen steuerbar ist.
Fertigungsanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das zweite Kamerasystem in ein Qualitätsinspektionssystem derart integriert ist, dass zweite Kamerasignale zu einer Qualitätsauswerteeinheit übertragbar und durch diese hinsichtlich unterschiedlicher Qualitätsmerkmale auswertbar sind.
Fertigungsanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei kein von dem zweiten Kamerasystem unabhängiges Qualitätsinspektionssystem vorgesehen ist.