道康寧公司（Dow Corning）用一種全自動(dòng)激光系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用于光伏行業(yè)的硅基太陽(yáng)能電池。這種兼具科研用途、被稱(chēng)為“微型工廠”的激光系統(tǒng)占用空間特別小，所執(zhí)行的作業(yè)通常是需要多級(jí)激光工作站才能完成。
如果有人想知道光伏電池將來(lái)是如何生產(chǎn)出來(lái)的，就應(yīng)去比利時(shí)的瑟內(nèi)夫（Seneffe）看一看。在那里，全球化工業(yè)巨頭道康寧公司正致力于研究多晶硅光伏電池的生產(chǎn)工藝。做此研究的核心工具就是集成了所有相關(guān)生產(chǎn)步驟而且占用空間非常小的激光工作站。其功能是有選擇地、精確地剝離硅晶圓上的功能性涂層，打出幾千個(gè)貫通整個(gè)硅晶圓的穿孔，再修剪硅晶圓的邊緣，最后刻上 Data Matrix 碼。
各種不同的工藝步驟通常需要由多個(gè)制造階段完成，而每個(gè)階段需要不同的激光器。但是，正如道康寧公司太陽(yáng)能電池部門(mén)負(fù)責(zé)人解釋的那樣：“現(xiàn)代的太陽(yáng)能電池生產(chǎn)正越來(lái)越多地使用激光工藝。因此，我們想要一種激光工作站用于研發(fā)項(xiàng)目，它既要可以完成目前已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用的激光工藝，同時(shí)又要具備足夠的研究靈活性，將更先進(jìn)的激光工藝應(yīng)用到太陽(yáng)能技術(shù)上。”基于這樣的想法，道康寧公司項(xiàng)目經(jīng)理給通快集團(tuán)打了一次電話。
通快集團(tuán)負(fù)責(zé)這個(gè)項(xiàng)目的工程師對(duì)當(dāng)時(shí)的情形回憶道：“這個(gè)想法很誘人，而且我們確信可以制定出一個(gè)激光部件的解決方案。但是我們需要一個(gè)全套系統(tǒng)合作廠商，它必須能夠設(shè)計(jì)出十分復(fù)雜的激光技術(shù)自動(dòng)化解決方案。”
集三項(xiàng)功能于一身
通快集團(tuán)的項(xiàng)目工程師給比利時(shí)的艾普特（IPTE）公司打了個(gè)電話。這家工業(yè)自動(dòng)化解決方案供應(yīng)商已經(jīng)和通快集團(tuán)合作了很多自動(dòng)化項(xiàng)目了。他的電話是由艾普特公司業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理接的：“我們非常熟悉這些生產(chǎn)步驟，因?yàn)槲覀冊(cè)诠夥a(chǎn)業(yè)開(kāi)展了很多項(xiàng)目。把一整個(gè)工廠集成到盡量小的空間內(nèi)并實(shí)現(xiàn)微米級(jí)別的精確控制，我們對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)很有興趣。”
通快集團(tuán)的產(chǎn)品應(yīng)用工程師建議使用兩種激光源，其中一個(gè)激光源是激光打標(biāo)機(jī)。TruMark 系列激光打標(biāo)機(jī)性能可靠、結(jié)構(gòu)緊湊，選擇其它的產(chǎn)品毫無(wú)意義可以發(fā)射出波長(zhǎng) 532nm 的綠色納秒激光毫無(wú)疑問(wèn)十給硅晶圓打標(biāo)得理想工具。
高精度的系統(tǒng)工程
為了控制盒子、掃描儀和整套激光系統(tǒng)，艾普特公司制定了一套特殊的自動(dòng)化解決方案。艾普特公司表示：“我們面臨的最大挑戰(zhàn)就是將硅晶圓定位在激光器下面時(shí)必須滿足精度的要求”。有時(shí)，這種無(wú)所不能的激光系統(tǒng)必須以小于 10 微米的精度定位硅晶圓，但是同時(shí)也要能加工各種各樣規(guī)格的硅晶圓。
艾普特公司的小組決定采用一個(gè)高精度的圖像采集系統(tǒng)。斯密爾斯對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的基本構(gòu)思闡述道：“只要機(jī)器能夠識(shí)別輸送進(jìn)來(lái)的是何工件及其位置，那么工件的形狀就不重要了”。用于采集圖像的攝像機(jī)具有 12x12 兆像素的分辨率，用于定位的驅(qū)動(dòng)裝置使用了可以精確調(diào)節(jié)的電機(jī)和高精度編碼器。為了確保該系統(tǒng)的高精度工作不受外部因素的干擾，艾普特公司將人對(duì)該系統(tǒng)的干預(yù)限制在只能通過(guò)用戶友好型界面對(duì)工藝步驟進(jìn)行編程，以及人工向機(jī)器輸送新的硅晶圓。這就是這個(gè)“微型工廠”與其它大型機(jī)器的明顯區(qū)別：對(duì)于大型機(jī)器，艾普特公司同樣也將硅晶圓的進(jìn)料過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。
自 2012 年秋天以來(lái)，這套激光系統(tǒng)一直在研究中心運(yùn)行。對(duì)于為什么必須采用激光設(shè)備這個(gè)問(wèn)題，該太陽(yáng)能電池部門(mén)負(fù)責(zé)人的解釋是，道康寧公司將其視為光伏產(chǎn)業(yè)未來(lái)必備的工具。“激光器非常靈活、快速、可靠。且易于控制，確保實(shí)現(xiàn)可重現(xiàn)的工藝流程。而且與其它可想到的替代方案相比，激光器的占用空間和整體設(shè)備擁有成本都具有優(yōu)勢(shì)，” 他表示：“對(duì)于生產(chǎn)先進(jìn)的太陽(yáng)能電池而言，激光器是必不可少的工具。”這個(gè)道理不僅適用于大規(guī)模生產(chǎn)的工藝，同樣也適用于道康寧公司研究新型工藝的這個(gè)微型工廠。艾普特公司表示：“我們和通快集團(tuán)提供了一種十分靈活的工具，可以應(yīng)用于許多不同的工藝步驟，這是一件多么令人興奮的事情。”
如果有人想知道光伏電池將來(lái)是如何生產(chǎn)出來(lái)的，就應(yīng)去比利時(shí)的瑟內(nèi)夫（Seneffe）看一看。在那里，全球化工業(yè)巨頭道康寧公司正致力于研究多晶硅光伏電池的生產(chǎn)工藝。做此研究的核心工具就是集成了所有相關(guān)生產(chǎn)步驟而且占用空間非常小的激光工作站。其功能是有選擇地、精確地剝離硅晶圓上的功能性涂層，打出幾千個(gè)貫通整個(gè)硅晶圓的穿孔，再修剪硅晶圓的邊緣，最后刻上 Data Matrix 碼。
各種不同的工藝步驟通常需要由多個(gè)制造階段完成，而每個(gè)階段需要不同的激光器。但是，正如道康寧公司太陽(yáng)能電池部門(mén)負(fù)責(zé)人解釋的那樣：“現(xiàn)代的太陽(yáng)能電池生產(chǎn)正越來(lái)越多地使用激光工藝。因此，我們想要一種激光工作站用于研發(fā)項(xiàng)目，它既要可以完成目前已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用的激光工藝，同時(shí)又要具備足夠的研究靈活性，將更先進(jìn)的激光工藝應(yīng)用到太陽(yáng)能技術(shù)上。”基于這樣的想法，道康寧公司項(xiàng)目經(jīng)理給通快集團(tuán)打了一次電話。
通快集團(tuán)負(fù)責(zé)這個(gè)項(xiàng)目的工程師對(duì)當(dāng)時(shí)的情形回憶道：“這個(gè)想法很誘人，而且我們確信可以制定出一個(gè)激光部件的解決方案。但是我們需要一個(gè)全套系統(tǒng)合作廠商，它必須能夠設(shè)計(jì)出十分復(fù)雜的激光技術(shù)自動(dòng)化解決方案。”
集三項(xiàng)功能于一身
通快集團(tuán)的項(xiàng)目工程師給比利時(shí)的艾普特（IPTE）公司打了個(gè)電話。這家工業(yè)自動(dòng)化解決方案供應(yīng)商已經(jīng)和通快集團(tuán)合作了很多自動(dòng)化項(xiàng)目了。他的電話是由艾普特公司業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理接的：“我們非常熟悉這些生產(chǎn)步驟，因?yàn)槲覀冊(cè)诠夥a(chǎn)業(yè)開(kāi)展了很多項(xiàng)目。把一整個(gè)工廠集成到盡量小的空間內(nèi)并實(shí)現(xiàn)微米級(jí)別的精確控制，我們對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)很有興趣。”
為了使這種激光系統(tǒng)確實(shí)能夠涵蓋以激光技術(shù)生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的所有生產(chǎn)步驟，并且為將來(lái)的研發(fā)工作提供足夠的靈活施展空間，道康寧公司在項(xiàng)目任務(wù)書(shū)中要求項(xiàng)目合作商發(fā)射3種波長(zhǎng)的激光且不多于兩種光源：1030 nm（紅外），515 nm（綠）和 343 nm（紫外線）。道康寧公司表示，“此外我們想進(jìn)一步調(diào)制激光，使激光脈沖長(zhǎng)度達(dá)到納秒和皮秒級(jí)別。只有這樣，激光束才能燒蝕各種基底，同時(shí)仍有足夠的能量將材料切開(kāi)” 。這樣設(shè)計(jì)的目的是，使整個(gè)加工步驟保持靈活性。
通快集團(tuán)的產(chǎn)品應(yīng)用工程師建議使用兩種激光源，其中一個(gè)激光源是激光打標(biāo)機(jī)。TruMark 系列激光打標(biāo)機(jī)性能可靠、結(jié)構(gòu)緊湊，選擇其它的產(chǎn)品毫無(wú)意義可以發(fā)射出波長(zhǎng) 532nm 的綠色納秒激光毫無(wú)疑問(wèn)十給硅晶圓打標(biāo)得理想工具。
第二種激光源是 TruMicro 5000 系列超短脈沖激光器，承擔(dān)了主要的加工任務(wù)。它能發(fā)射波長(zhǎng)不超過(guò) 10 皮秒、脈沖能量高達(dá) 250 微焦和平均輸出功率 100 瓦的激光。這樣的性能參數(shù)就可以使激光轉(zhuǎn)化為綠色激光和紫外線激光，方便進(jìn)行作業(yè)。通快集團(tuán)以它為基礎(chǔ)制定出了三種頻率解決方案。位于德國(guó)凱澤斯勞滕的 Xiton Photonics與通快集團(tuán)合作研制出一種“盒子”，在這里起到了激光頻率轉(zhuǎn)換器的作用。它既可以讓紅外線激光直接通過(guò)，也可以根據(jù)要求將激光脈沖轉(zhuǎn)化為綠光或者紫外線激光，每種激光束都能被輸送到各自獨(dú)立的掃描鏡頭中。
高精度的系統(tǒng)工程
為了控制盒子、掃描儀和整套激光系統(tǒng)，艾普特公司制定了一套特殊的自動(dòng)化解決方案。艾普特公司表示：“我們面臨的最大挑戰(zhàn)就是將硅晶圓定位在激光器下面時(shí)必須滿足精度的要求”。有時(shí)，這種無(wú)所不能的激光系統(tǒng)必須以小于 10 微米的精度定位硅晶圓，但是同時(shí)也要能加工各種各樣規(guī)格的硅晶圓。
艾普特公司的小組決定采用一個(gè)高精度的圖像采集系統(tǒng)。斯密爾斯對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的基本構(gòu)思闡述道：“只要機(jī)器能夠識(shí)別輸送進(jìn)來(lái)的是何工件及其位置，那么工件的形狀就不重要了”。用于采集圖像的攝像機(jī)具有 12x12 兆像素的分辨率，用于定位的驅(qū)動(dòng)裝置使用了可以精確調(diào)節(jié)的電機(jī)和高精度編碼器。為了確保該系統(tǒng)的高精度工作不受外部因素的干擾，艾普特公司將人對(duì)該系統(tǒng)的干預(yù)限制在只能通過(guò)用戶友好型界面對(duì)工藝步驟進(jìn)行編程，以及人工向機(jī)器輸送新的硅晶圓。這就是這個(gè)“微型工廠”與其它大型機(jī)器的明顯區(qū)別：對(duì)于大型機(jī)器，艾普特公司同樣也將硅晶圓的進(jìn)料過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。
自 2012 年秋天以來(lái)，這套激光系統(tǒng)一直在研究中心運(yùn)行。對(duì)于為什么必須采用激光設(shè)備這個(gè)問(wèn)題，該太陽(yáng)能電池部門(mén)負(fù)責(zé)人的解釋是，道康寧公司將其視為光伏產(chǎn)業(yè)未來(lái)必備的工具。“激光器非常靈活、快速、可靠。且易于控制，確保實(shí)現(xiàn)可重現(xiàn)的工藝流程。而且與其它可想到的替代方案相比，激光器的占用空間和整體設(shè)備擁有成本都具有優(yōu)勢(shì)，” 他表示：“對(duì)于生產(chǎn)先進(jìn)的太陽(yáng)能電池而言，激光器是必不可少的工具。”這個(gè)道理不僅適用于大規(guī)模生產(chǎn)的工藝，同樣也適用于道康寧公司研究新型工藝的這個(gè)微型工廠。艾普特公司表示：“我們和通快集團(tuán)提供了一種十分靈活的工具，可以應(yīng)用于許多不同的工藝步驟，這是一件多么令人興奮的事情。”
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