Sägen ohne Späne: Treffen der Kristallspezialisten am Fraunhofer CSP

Dünne Halbleitersubstrate als Basis für Mikrochips oder Solarzellen werden üblicherweise aus großen Kristallen gesägt. Gearbeitet wird dabei allerdings nicht mit dem Fuchsschwanz, sondern meist mit einem hauchfeinen Draht mit der Dicke eines kräftigen Haares, um den Verschnitt gering zu halten. Um den Verschnitt weiter zu senken, ist die Branche auf der Suche nach so genannten Kerfless-Technologien, Methoden, die keinen »Kerf«, also Verschnitt produzieren.

Am Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP in Halle befasst sich eine zehnköpfige Gruppe mit der Bewertung neuer Säge- und Trennverfahren. In den InnoProfile-Tansfer-Projekten DiaCell und MechSi des Bundesministeriums für Bildung und Forschung untersucht das Team um Prof. Dr. Stephan Schönfelder diese Technologien auf ihre Tauglichkeit.

Dazu kombinieren sie klassische Ansätze der Werkstoffmechanik mit ausgefeilten Computersimulationen. »Zurzeit ist das Wafering ein großer Abenteuerspielplatz für Ingenieure. Es gibt wirklich sehr viele spannende Ansätze«, führt Schönfelder in das Thema ein. Zwei wichtige Ansätze im Kerfless-Wafering seien das Abschälen durch Eigenspannung und Epitaxie-basierte Methoden zur Erzeugung dünner Schichten.

Beim Abschälen durch Eigenspannung wird das Silizium über eine an der Schnittstelle zwischen Silizium und einem aufgebrachten Dickschicht-Film eines anderen Materials induzierte Spannung getrennt. Eine ähnliche aber noch sehr neue Technik zum Spalten von Wafern kommt aus Sachsen. Die Firma Siltectra arbeitet dort ebenfalls mit der unterschiedlichen Ausdehnung von Materialien bei Temperaturänderungen.

Die Forscher aus Dresden bekleben Wafer mit dünnen Kunststoffschichten und schockfrosten sie dann in einem Stickstoffbad. Der Wafer wird exakt der Länge nach halbiert. »Diese Technik hat Charme, da sie derzeit als eine der wenigen in der Standardgröße der Wafer anwendbar ist. Wie bei allen Kerfless-Technologien muss die Eignung für einen Massendurchsatz noch gezeigt werden, da im Vergleich zum Drahtsägen je Prozessdurchlauf immer nur ein Wafer hergestellt werden kann«, sagt Schönfelder.

Die Herstellung und Aufbereitung von Silizium bis hin zum Wafer macht bei der kristallinen Photovoltaik derzeit noch ungefähr ein Drittel der Gesamtkosten am PV-Modul aus. Sparpotenzial besteht also auch bei etablierten Technologien und für Schönfelder ist auch die Sägetechnik noch nicht ausgereift:

„Sägen klingt so archaisch und einfach, aber was genau dort passiert, ist immer noch unzureichend verstanden. Am CSP arbeitet er mit Hilfe von mikrostrukturellen Analysen, mechanischen Experimenten und rechenintensiven Simulationen und Modellen gemeinsam mit Forschungspartnern daher daran, den Sägeprozess in der Tiefe zu verstehen und auch etablierte Techniken wie strukturierten oder Diamantsägedraht zu optimieren“.

Ultradünne Scheiben aus edlem Material werden aktuell auch in einem anderen Markt interessant: Smartphone-Displays. Normales Fensterglas ist für einen Gegenstand, den man fast täglich in Hand-oder Hosentasche transportiert, zu anfällig für Kratzer. Aus diesem Grund setzen die meisten Hersteller extra gehärtete Gläser, wie beispielsweise so genanntes Gorilla-Glas, ein.

Noch härter ist der Kristall Saphir, den Apple schon bei IPhones für die Abdeckung von Fingerabdrucksensoren und Kameralinsen einsetzt. Auch künstliche Saphirkristalle sind allerdings immer noch sehr teuer und der Schnittverlust in der Herstellung ein großer Kostenfaktor. Ein interessanter Ansatz könnte die Herstellung von hauchdünnen Scheiben mit Kerfless-Techniken sein, um sie als zusätzliche Schutzschicht über gehärtetes Displayglas zu legen.

Schönfelder und die anderen Wissenschaftler vom Fraunhofer CSP sind jedenfalls bereit. Um kreative Lösungen in diesem jungen Forschungsfeld auszutauschen und zu diskutieren, treffen sie sich auf den PV Days gemeinsam mit anderen Experten und großen Herstellern am 21. und 22. Oktober 2014 in Halle (Saale).

Im Rahmen dieser  2-Tages-Konferenz finden dort insgesamt fünf Workshops mit hochkarätigen Teilnehmern aus der ganzen Welt statt, um die neuesten Entwicklungen in der Photovoltaik in Bereichen wie Wafering, Sonder- und Dünnschicht-Module oder Defektanalysen zu diskutieren.

http://www.pv-days.com Weitere Informationen zu der Veranstaltung
http://www.csp.fraunhofer.de Weitere Informationen zum Veranstalter