Để tự động hóa quy trình xếp dỡ các khay chứa wafer với nhiều kích thước khác nhau trước khi phủ màng PECVD, công ty acp systems đã phát triển một giải pháp robot tích hợp công nghệ xử lý hình ảnh cho nhà sản xuất hàng đầu trong lĩnh vực công nghệ pin mặt trời Lĩnh vực. Hệ thống này đảm bảo độ chính xác định vị ở mức ± 0,1 mm trong các khe chứa wafer, đồng thời bù trừ sai số về dung sai sản xuất của khay và sự co ngót do làm lạnh trong quá trình thao tác.
Azur Space Solar Power, trụ sở tại Heilbronn, là một trong những công ty hàng đầu thế giới trong việc phát triển và sản xuất các Cell năng lượng mặt trời đa tiếp giáp siêu hiệu suất dành cho cả ứng dụng ngoài vũ trụ lẫn hệ thống tập trung mặt đất (CPV). Tất cả các Cell quang điện đều dựa trên công nghệ tiếp giáp ba và bốn lớp tiên tiến, được xây dựng trên nền tảng germani.
Trong quy trình sản xuất, các tấm wafer có đường kính 4, 6 và 8 inch (100, 150 và 200 mm) trải qua quá trình phủ màng PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition) trên các thiết bị của Singulus Technologies. Các Cell năng lượng được cung cấp trong các cassette, sau đó lấy ra và đặt vào các khe trên khay làm bằng sợi carbon đặc biệt, mỗi khe rộng hơn wafer vài trăm micromet. Tùy theo kích thước wafer, khay kích thước 1000 x 600 mm có thể chứa 4, 9 hoặc 16 tấm. Để tránh các va đập, độ chính xác định vị ± 0,1 mm khi xếp dỡ phải được đảm bảo tuyệt đối. Sau khi được phủ màng ở một hoặc hai mặt, các Cell này lại được đưa trở lại các cassette.
Azur Space mong muốn thay thế quy trình thủ công trước đây khá tốn thời gian và chi phí, vốn sử dụng các ống hút để di chuyển Cell. Vị trí của wafer trong cassette có thể lệch ± 5 độ và ± 3 mm do bản thân chi tiết wafer có các rãnh phẳng định vị, nên việc xác định điểm cầm nắm cần độ chính xác cao. Bên cạnh đó, dung sai sản xuất khay và sự co ngót do nhiệt độ giảm khi lấy ra khỏi buồng phủ (lên đến 350 °C) cũng phải được bù trừ chính xác.
Đảm bảo độ chính xác định vị tuyệt đối
Để giải quyết bài toán này, chuyên gia tự động hóa acp systems đã phát triển một giải pháp xử lý thông minh có trợ giúp thị giác máy tính kết hợp robot công nghiệp. Với Lĩnh vực hạn chế, robot được lắp trên trần khu vực tải liệu của thiết bị phủ màng, có tầm với lên đến 1 mét. Robot SCARA trang bị hệ thống kẹp hút chân không phẳng có thể thay thế nhanh chóng để xử lý wafer ở các kích thước khác nhau.
Robot xếp hơi nhẹ nhàng lấy wafer ra khỏi cassette và đặt lên bàn định vị có đèn nền, ở trên có hệ thống camera 12 megapixel cách bàn làm việc 680 mm. Camera này phát hiện vị trí chính xác của wafer và truyền dữ liệu tới phần mềm Cognex Vision Pro. Phần mềm tính toán vị trí dịch chuyển và góc độ bù trừ cần thiết để đặt wafer vào khe trên khay, rồi gửi tín hiệu điều khiển về robot. Mọi méo hình từ hệ thống camera đã được hiệu chỉnh bằng tấm kiểm tra dạng ô vuông (checker plate) khi triển khai.
Để khắc phục dung sai sản xuất của khay và sự co ngót nhiệt, mỗi khay đầu tiên được căn chỉnh bằng cách kéo sát vào điểm dừng cố định và tiến hành đánh dấu vị trí. Qua đó, hệ tọa độ gốc của tất cả khay trong hệ thống được xác định ổn định và lặp lại chính xác. Tiếp đến, tất cả khay được đo đạc tỉ mỉ trong trạng thái lạnh mới nguyên và được mã hóa bằng dữ liệu ma trận riêng biệt để nhận diện riêng. Mỗi mã sẽ lưu trữ dữ liệu liên quan để controller có thể tính toán và bù trừ dung sai khe chứa trên từng khay.
Để bù trừ sự co ngót do nhiệt khay làm lạnh, người ta đã đánh dấu vết fiducial ở góc khay đối diện với điểm gốc tọa độ, đo đạc chính xác trong trạng thái lạnh. Hệ thống camera thứ hai trên cao sẽ đo sự sai lệch vị trí của vết fiducial so với trạng thái lạnh này. Phần mềm dùng thông tin này để tính toán độ bù cần thiết giúp đặt wafer chính xác. Quy trình này được lập lại với từng wafer cần xử lý.
Trạm lật wafer linh hoạt
acp systems cũng tích hợp trạm lật wafer giúp quay các tấm Cell năng lượng để phủ màng cả hai mặt. Trạm này nhận wafer từng chiếc từ robot và giữ ở các điểm hút chân không được định vị chính xác. Sau khi wafer được xoay 180 độ, tay robot sẽ nhấc lên và chuyển đến bàn định vị để tiếp tục xử lý.
Trước khi đưa các Cell đã phủ màng trở lại cassette, hệ thống camera trên bàn định vị tiến hành kiểm tra chất lượng cuối cùng, đảm bảo rìa wafer không bị hư hại hay sai lệch.
Giải pháp robot tích hợp thị giác máy tính này không chỉ đảm bảo thao tác chính xác đến từng micron với các wafer cực kỳ mỏng manh mà còn tăng cường độ tin cậy. Kể từ khi triển khai, chưa từng xảy ra trường hợp wafer bị vỡ do xử lý. Việc thay thế hoàn toàn cho thao tác thủ công đã giúp tăng đáng kể năng suất và hiệu quả sản xuất.