Scopingsensor verbetert Solaytec’s ALD-systeem

Sentech en TNO-spin-off Solaytec werken sinds 2012 samen aan de ontwikkeling van atomic layer deposition (ALD-)machines. Met deze door Solaytec geoptimaliseerde nanotechnologie halen producenten een aanzienlijk hoger rendement uit hun zonnecellen.

Sentech heeft als R&D-partner sensoroplossingen voor de machines ontwikkeld om het ALD-proces goed te kunnen monitoren – oplossingen die andere sensorleveranciers niet binnen het budget van Solaytec konden aanbieden. Samen leveren de Brabantse bedrijven nu een staaltje precisiemechanica over de hele wereld.

Met ALD hoger rendement uit zonnecellen

ALD is een depositietechnologie waarmee op atomair niveau laagjes kunnen worden gelegd. Een substraat komt achtereenvolgens met twee verschillende procesgassen in aanraking. Na elk gaspaar is er precies één atoomlaag gevormd door twee opeenvolgende chemische reacties. Door de cyclus vaker te herhalen, ontstaat de gewenste laagdikte.

ALD heeft daarbij een bijzonder voordeel: omdat de chemische reactie vanzelf stopt als het oppervlak is bedekt, is het proces zelflimiterend. Daardoor kunnen de laagdikte en homogeniteit van het materiaal ongekend nauwkeurig onder controle worden gehouden.

Hoewel ALD allang bestaat, was de technologie veel te langzaam en te duur om industrieel toe te passen. Daar heeft TNO verandering in gebracht. In 2008 startte het onderzoeksinstituut een onderzoek om ALD significant sneller te maken.

In dezelfde periode toonden meerdere instituten, waaronder de TU Eindhoven, aan dat een met ALD aangebracht laagje aluminiumoxide bij silicium zonnecellen zorgt voor een sterke rendementsverbetering. “Voor een optimaal effect is een mooie homogene film aluminiumoxide erg belangrijk”, legt Solaytec-cto Ronald van Dijk uit.

Een gemiddeld zonnepaneel heeft een efficiency van achttien tot twintig procent. Door aluminiumoxide als uiterst dunne ALD-film toe te voegen aan een zonnecel verbetert het absolute rendement met ruim één procent. Relatief een aanzienlijke verbetering van vijf tot zeven procent.

ALD-machine verwerkt 4000 wafers per uur

In 2009 behaalde TNO een doorbraak die zonnecelfabrikanten in staat stelt om het rendementsverhogende ALD-laagje aluminiumoxide in hun producten toe te passen: met het spatial ALD-proces van het onderzoeksinstituut kan de film snel maar toch precies worden neergelegd. Tot dan toe paste TNO het standaard temporal ALD toe. Daarbij wordt het substraat in één ruimte achtereenvolgens blootgesteld aan de verschillende gassen.

Met spatial ALD heeft het de spoelfase met een factor duizend weten te verkorten. Eén cyclus, waarbij de silicium zonnecelwafer contactloos door een serie depositie-units wordt getransporteerd, duurt sindsdien enkele milliseconden in plaats van zes seconden.

In de eerste unit vormt het precursorgas trimethylaluminium (tma) de helft van de eerste monolaag. In de ruimte erna maakt waterdamp de laag af door een reactie tussen het tma en water. Al naargelang de gewenste dikte herhaalt dit proces zich een aantal keren in de depositie-unit. Tussen de depositie-units zorgt inert stikstofgas voor gordijntjes die voorkomen dat de precursorgassen onderling contact met elkaar hebben.

TNO’s onderzoek leidde in 2010 tot een gepatenteerde depositiekop in een prototype ALD-machine. “De doorbraak bracht een businesscase binnen bereik”, vertelt Van Dijk. “In 2010 ontstond Solaytec als spin-off met de prototype ALD-machine als basis om de TNO-vinding te vermarkten.”

Volgens Van Dijk was het destijds de uitdaging om meer elektrisch vermogen te krijgen uit eenzelfde zonnecel tegen gelijkblijvende kosten. “De hectische start-upfase leidde tot de eerste productiemachine met één depositie-unit. Deze hebben we verder ontwikkeld tot een machine met meerdere depositie-units, die nu maximaal vierduizend wafers per uur kan verwerken.”

Solaytec heeft wereldwijd klanten, maar de machines zijn vooral in China gewild. Van Dijk: “De solar-energymarkt is een groeimarkt, die conjunctuurgevoelig is. China heeft een energie- en vervuilingsprobleem en produceert massaal zonnepanelen voor de hele wereld.”

Alleen Sentech was in staat de sensorbehoefte van Solaytec in te vullen

Erik Kremers, systeemarchitect bij Solaytec, legt uit hoe Sentech in beeld kwam. “In onze eerste machine zat een aantal bewegingssensoren om de beweging van de wafer door de depositie-unit te bepalen. De sensor die wij daarvoor gebruikten, voldeed niet aan onze eisen qua betrouwbaarheid en kostprijs. Betrouwbare meting van de waferpositie in de gesloten depositie-unit bij een temperatuur van tweehonderd graden Celsius is cruciaal voor de prestaties en uptime van onze machines. Als de wafer niet volgens het setpoint beweegt, kan dit voor storing en breuk zorgen, wat leidt tot een productiestop bij onze klanten. Downtime kost onze klanten geld.”

De sensor meet op verschillende posities in de depositie-unit de rand van de wafer die voorbijkomt. Met de meetgegevens kan Solaytec de positie van de wafer softwarematig bijsturen, zodat deze het gewenste setpoint volgt.

Kremers: “We hebben specificaties voor een nieuwe sensor opgesteld en voorgelegd aan de toenmalige leverancier en andere sensorleveranciers. Deze konden geen van alle een sensor leveren die binnen ons budget paste. Totdat Sentech in beeld kwam.”

Peter Verstappen, accountmanager bij Sentech, is vervolgens met Solaytec om de tafel gaan zitten om helemaal opnieuw een kosteneffectieve sensoroplossing te ontwikkelen. Verstappen: “Sentech is een specialist in sensorintegratie en het ontwikkelen van sensoroplossingen. Wij willen eerst de concrete behoefte van een klant weten. De behoefte van Solaytec kun je niet in een sensorcatalogus vinden. Solaytec had een R&D-partner nodig. De technologie was niet het probleem, wel de prijs waarvoor de sensoroplossing geleverd moest kunnen worden. Een te hoge prijs maakt de ALD-machine te duur om het gewenste efficiencyvoordeel voor producenten van zonnepanelen te kunnen bereiken.”

Temperatuur en kostprijs grootste uitdagingen

Volgens Verstappen was de grootste uitdaging de hoge temperatuur in de depositie-unit. In een open samenwerking is het Sentech binnen enkele maanden gelukt om een compleet nieuwe sensoroplossing binnen het beoogde productiebudget te integreren in de eerste generatie depositie-unit: de DU 1.0.

Deze optische positioneringssensor bevat een glasvezelzender met versterker, die een rode lichtbundel naar een ontvanger stuurt. Digitale detectie gebeurt op een aantal posities wanneer de rand van de wafer langs de sensor komt en de lichtbundel onderbreekt, resulterend in elf meetwaardes.

Volgens Van Dijk heeft Sentech met de DU 1.0 de R&D-behoefte van Solaytec voor zijn productiemachines naar grote tevredenheid ingevuld. “Maar Solaytec wil meer”, vult Kremers aan. “Ik zat nog steeds met de wens om een sensor te hebben die de waferpositie continu kan meten in plaats van de huidige discrete punten. We willen het liefst een lijnsensor over de volle slag van tweehonderd millimeter die de wafer in de depositie-unit maakt. Tijdens een brainstormsessie zei Peter Verstappen niet direct nee toen ik een schets maakte van mijn idee. Sentech begreep heel goed waarom ik de positie van de wafer nodig heb: om de betrouwbaarheid van toekomstige machines te verbeteren.”

Co-R&D leidt tot scopingsensor die betrouwbaarheid ALD-machines verbetert

“Digitale detectie met de DU 1.0 heeft haar beperkingen omdat de sensor slechts enkele waardes registreert. We zijn aan de slag gegaan met analoge signalering omdat je daarmee posities in de ruimte kunt meten. Dat resulteerde in een scopingsensor, die ook de zijdelingse beweging meet, als aanvulling op de positioneringssensor. Gecombineerd geven de meetwaardes van beide sensoren een ruimtelijk beeld van de beweging van de wafer door de depositie-unit.”

Volgens Kremers komt dat resultaat behoorlijk in de buurt van zijn oorspronkelijke wens. “De nieuwe versie biedt zo’n grote schat aan nieuwe informatie die ons weer stappen verder helpt.”

Kremers en Van Dijk waarderen de openheid van Sentech over zijn ontwikkelproces. Van Dijk: “Samen bedrijven we open innovatie. Het succes van co-R&D wordt bepaald door de openheid en bereidheid om R&D-inzichten met elkaar te delen. Die openhoudingcultuur bezitten Sentech en Solaytec allebei.”

Dé manier van werken bij een succesvolle sensorintegratie

Tijdens een sensorintegratieproject weeg jij steeds drie belangen af: kosten, kwaliteit en levertijd. Wat zijn de risico’s en consequenties van mijn keuze? Is de technologie die ik gedachten heb, wel de juiste oplossing voor mijn toepassing?

Scrol door ons e-book voor de antwoorden hierop. Ook lees je praktische voorbeelden van veel voorkomende sensorvraagstukken en oplossingen.

Gun jezelf deze kennis en download het gratis.