JPH0453630B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【発明の属する技術分野】

この発明は、太陽電池としての薄膜型光電変換
基板である被加工物として、該被加工物の加工面
上にレーザ光を照射してレーザスクライブ加工を
施すことにより、薄膜加工面に所定パターンの開
溝を形成するレーザ加工装置に関する。

【従来技術とその問題点】

従来より頭記した光電変換基板を対象に、絶縁
基板上に成層した第１の導電性被膜をレーザスク
ライブ加工して所定形状の第１の開溝を形成して
パターンニングを行い、次に前記導電性被膜の上
にアモルフアス半導体被膜を成層した後に前記第
１の開溝部を基準として所定位置にレーザスクラ
イブ加工を施して半導体被膜に第２の開溝を形成
してパターンニングを行い、さらに半導体被膜の
上に第２の導電性被膜を形成した後に前記した第
２の開溝部を基準にレーザスクライブ加工により
所定位置に第３の開溝を形成して回路のパターン
ニングを行うようにしたレーザ光による薄膜のパ
ターンニング加工方法が知られている。 次に上記したレーザスクライブ加工を行うため
の従来におけるレーザ加工装置のブロツク図を第
６図に示して説明する。第６図において、１は先
記した光電変換基板等の被加工物２を搭載したＸ
−Ｙテーブル、３は例えばYAGレーザのレーザ
発振器、４はコリメータレンズ、５は反射ミラ
ー、６は集光レンズ、７は運転制御用のコンピユ
ータである。かかる構成で加工の際にはコンピユ
ータ７のプログラム実行により、レーザ発振器３
より発振したレーザ光８はコリメータレンズ４、
反射ミラー５、集光レンズ６を経由して被加工物
２の加工面に照射され、一方ではレーザ光の照射
に連動してコンピユータ７の数値制御によりＸ−
Ｙテーブル１が所定のパターンにしたがつてＸ
軸、Ｙ軸方向に移動制御され、これによりレーザ
光の集光スポツトが被加工面上を走査してレーザ
スクライブ加工を行い、所定の回路パターンに沿
つた開溝部９を形成する。 ところで前記構成におけるレーザ発振器３から
発振出力されたレーザ光のビームスポツトは通常
円形状であり、該レーザ光をそのままコリメータ
レンズ、集光レンズを通じて被加工面上に照射し
てレーザスクライブ加工を行う従来のレーザ加工
方式では、レーザ光の集光スポツトの形状が第７
図のイで示すように円形状を呈しており、かつそ
の集光径方向の光強度分布は図示ロのように集光
スポツトの中心部でエネルギー密度が最も高く、
スポツト周辺部に向けてエネルギー密度が急激に
減衰する一種のガウシアン分布を呈している。 しかして上記のようにレーザ光の集光スポツト
が円形状で、かつその光強度分布がガウシアン分
布を呈しているパルスレーザ光の集光スポツトを
そのまま被加工面に照射し、かつ所定のパターン
にしたがつて走査しながらレーザスクライブ加工
を行う従来の加工方式では次記のような問題があ
る。すなわち円形状の集光スボツトをそのまま被
加工面に走査して全域にわたり均一幅の開溝部９
を形成するには、第８図のように開溝部を９に沿
つて集光スポツトイの繰り返しパルスを細かく重
ね合わせながら矢印Ｙ方向に走査して繰り返し照
射を行わなければならず、結果的に集光スポツト
の重ね合わせによるロス分が大きくなつて開口部
９を形成する加工速度が遅くなる。逆に加工速度
を高めるように繰り返しパルスの集光スポツトの
重なり幅を第９図のようち少なくすると、開溝部
９の側縁が波形を呈するようになつて均一幅の開
溝を形成することが困難となる。さらに前記のよ
うに集光スポツトの光強度分布はその中心部分で
高いエネルギー密度を呈するガウシアン分布であ
ることから、第１０図に示すように薄膜型光電変
換基板を対象に、その絶縁基板１０の上に第１の
導電性被膜１１を成層して第１の開溝部１２をレ
ーザスクライブ加工した後に、この上に成層され
たアモルフアスの半導体被膜１３に付いて第２の
開溝部１４をレーザ加工して形成した際には、前
記したレーザ光の集光スポツトの光強度分布に起
因して開溝部１４の溝底部加工面が平坦となら
ず、図示のように開溝図の加工深さが溝の中央部
で局部的に過度となつて極端に深まり、加工深さ
が第１の導電性被膜１１にまで達してこの被膜１
１に加工損傷のダメージを与えるとともに、開溝
部内の側縁部では逆に加工深さが不足して溶融残
存物１５が残留するようになる。また開溝部１４
の開口縁には突起物１６や、飛散物１７の付着等
も生じ易い。しかも図示のように薄膜積層体とし
てなる光電変換素子等の薄膜を被加工物とてここ
に選択的に開溝を形成して積層領域を分離加工す
るに際し、前記のような開溝部１４に加工面の不
均一，下層被膜への加工損傷等が発生すると、積
層領域の短絡，抵抗の増大に繋かつて光電変換効
率を低める等、製品としての特性のばらつきが大
となつて製品の歩留りが低下する不具合を招くこ
とになる。

【発明の目的】

この発明は上記の点にかんがみなされたもので
あり、前記した従来のレーザ加工方式による欠点
を除去し、薄膜加工物を対象に開溝部の加工損傷
の発生を防止して、開溝部の薄膜の選択的加工を
可能とし、かつ均一幅の開溝部を高速度でレーザ
スクライブ加工できるようにしたレーザ加工装置
を提供することを目的とする。

【発明の要点】

上記目的を達成するために、本発明によれば、
薄膜型光電変換基板である被加工物を対象に、レ
ーザ発振器より発振したパルスレーザ光をレーザ
光学系を通じて被加工物の加工面に照射し、かつ
被加工物を搭載したＸ−Ｙテーブルの移動操作に
より前記レーザ光の集光スポツトを被加工面上で
走査して開溝部をレーザスクライブ加工するよう
にしたレーザ加工装置において、前記レーザ光学
系の系内に、被加工物の加工面に照射するレーザ
光の集光スポツトを走査方向と平行な方形状でか
つフラツトな光強度分布を呈する集光スポツトに
成形する視野絞り手段と、レーザ光を被加工面に
集光させる焦点距離が10mmないし15mmの集光レン
ズとを装備し、かつ前記Ｘ−Ｙテーブルは、前記
集光スポツトの被加工面上の重なり率が小さくな
るように前記集光スポツトを走査する駆動系を備
えて成るものとする。これによりレーザスクライ
ブ加工に際してそのレーザ光の繰り返しパルスに
よる集光スポツトの重なり率を少なくして均一幅
な開溝部が高速加工できるようにするとともに、
併せて薄膜加工面の開溝部に加工損傷を与えるこ
となしに加工深さ精度の高い均一な開溝部を加工
パターンに沿つて形成できるようにしたものであ
る。

【発明の実施例】

第１図はこの発明の実施例によるレーザ加工装
置のブロツク図を示すものであり、第６図と対応
する同一部材には同じ符号が付してある。すなわ
ちレーザ加工装置は大別してレーザ光学系と、被
加工物を搭載して移動制御されるＸ−Ｙテーブル
の駆動系と、レーザ光照射スポツトのピン合わせ
を行う監視光学系とから構成されている。ここで
レーザ光学系はレーザ発振器３、コリメータレン
ズ４、ダイクロイツクミラー５、集光レンズ６、
およびこの発明で新たに追加設置された視野絞り
体１８、集光レンズ６の焦点合わせ用モータドラ
イブ機構１９等から構成されている。ここで前記
した集光レンズ６は焦点距離が例えば10〜15mm程
度である極めて焦点距離の短いレンズが採用され
ている。また視野絞り体１８はレーザ光８の光軸
に中心位置を合わせ集光レンズ６の手前側のコリ
メータレンズ４とミラー５との間に介装配備され
ており、かつその絞り体には方形状の絞り穴１８
ａが開口されている。なおレーザ発振器３には例
えば波長1.06μｍ、繰り返しパルス周波数１〜
40KHzｚ、出力0.1〜12WのYAGレーザが使用さ
れる。 一方、Ｘ−Ｙテーブル駆動系は架台20と、該架
台２０上に設置されてコンピユータ７により駆動
制御されるＸ−Ｙテーブル１と、該Ｘ−Ｙテーブ
ル１上に設置された微調整用のステージ２１と、
および該ステージ２１の上に設置され、かつその
上面に搭載した薄膜型光電変換基板である被加工
物２を定位置に保持する真空吸着式の保持台２２
等で構成されている。なおこの保持台２２はその
上面に真空ポンプ２３に連通する多数の吸着穴が
開口しており、被加工物２を搭載した状態で真空
ポンプ２３を運転することにより、被加工物２を
台上に真空吸着して所定位置に保持するものであ
る。 また監視光学系は照明ランプ２４，照明レンズ
２５，ダイクロイツクミラー２６、結像レンズ２
７、位置合わせ用の十字線２８、テレビカメラ２
９、およびモニタテレビ３０の組合せからなり、
前記したレーザ光学系の集光レンズ６に光軸を合
わせてその上方に配備されている。さらに被加工
物２と対面する集光レンズ６に近接して符号３１
で示す真空式吸引ノズルが前記した真空ポンプ２
３に接続して配備されている。この吸引ノズル３
１は被加工物２をレーザ加工する際に加工面から
周囲に蒸発、飛散する飛散物を吸引して系外に除
去するものである。 次に上記構成のレーザ加工装置による加工操作
の手順および加工動作に付いて説明すると、まず
被加工物２を保持台２２の上に搭載した状態で真
空ポンプ２３を始動して被加工物２を保持台２２
上の定位置に真空吸着させる。続いてＸ−Ｙテー
ブル１を加工開始位置にセツトし、監視光学系を
作動してモニタテレビ３０の画面を目視しながら
モータドライブ機構１９により集光レンズ６を上
下移動させて焦点合わせを行う。また同時にＸ−
Ｙテーブル駆動系の微調整ステージ２１を調整し
て被加工物の加工開始位置および水平度を正しく
初期設定する。次にコンピユータ７に加工開始指
令を与えてレーザ発振器３を作動させ、同時にＸ
−Ｙテーブル１をあらかじめコンピユータに書き
込んである所定の加工パターンにしたがつて移動
制御する。これにより被加工物２の加工面に照射
したレーザ光の集光スポツトが重なり率を小さく
して所定のパターンに沿つて走査され、加工面を
レーザスクライブ加工して開溝を形成する。 この場合にレーザ発振器３から発振してコリメ
ータレンズ４を透過した直後のレーザ光ビームの
スポツト形状、およびその光強度分布は第２図ａ
のハ，ニであるのに対し、前述した方形状の視野
絞り体１８を透過した後のスポツト形状、光強度
分布は第２図ｂにおけるホ，ヘで示すように円形
状を呈するレーザ光ビームの周辺域がトリミング
されて方形状に変わり、かつその光強度分布もガ
ウシアン分布ニから高エネルギー密度でかつビー
ムスポツト全域でほぼ均等な光強度となるフラツ
ト分布ヘに変化する。なお前記した視野絞り体１
８の絞り穴１８ａの縦，横寸法比を様々に変える
ことにより、ビームスポツトの形状を正方形、長
方形等種々に選択できる。この場合に視野絞り体
１８の向きは、方形状の集光スポツトホがその平
行な２辺をレーザ光の走査方向と平行にして被加
工物の加工面を照射するようにセツトされる。ま
た視野絞り体１８を透過したレーザ光の光強度分
布はコリメータレンズ４によるビーム径の拡大倍
率を変えることにより第３図ａ，ｂ，ｃの分布を
選択できる。なお第３図ａ，ｂ，ｃの分布はビー
ム径の拡大倍率の大きい方から順に示している。 また上記したレーザ加工装置によれば、まず被
加工物２の加工面を照射する集光スポツトの繰り
返しパルス走査に伴う重なり状況は第４図のよう
になる。この図から明らかなように各パルスの集
光スポツトは方形状を呈し、かつその走査方向Ｙ
に沿つて平行移動する。これにより集光スポツト
と次のパルスの集光スポツトとの間の重なり幅が
僅少であつても走査方向Ｙに沿つて均一幅の開溝
部９を形成することが可能となり、したがつて第
９図のように円形状の集光スポツトを呈するパル
スレーザ光を走査する場合に生じる波形状の開溝
部を形成することなく、レーザ光照射点の移動速
度を高めつつ均一幅の開溝部を加工することがで
き、それだけレーザスクライブ加工速度の高速化
が図れるようになる。この点に付いて発明者の行
つた加工実験によれば、視野絞り体１８の絞り穴
の形状を正方形として加工面上の加工パターンに
沿つて均一幅の開溝部をレーザスクライブ加工す
るのに、円形状の集光スポツトを走査する従来方
式と比べて加工速度を約4.5倍に高めることがで
きることが確認されている。なおこの場合に先記
した視野絞り体１８の絞り穴の形状を横長の長方
形に選定し、かつこの長辺を集光スポツトの走査
方向に合わせて照射を行うことにより、より一層
の加工速度の高速化が得られることは容易に理解
されることであり、これにより従来方式と比べて
加工速度を約10倍程度まで高めることができる。 さらに、集光スポツト間の重なり率によつて、
レーザ光の強度分布を、上記第３図ａ，ｂ，ｃか
ら適宜選択することにより、集光スポツトの重な
る部分と重ならない部分とを含めて、開溝部全域
での溝深さを、むらを生じることなくほぼ均一に
形成することができる。 また第１図の装置では、先記のように集光レン
ズ６として焦点距離が10〜15mm程度である短焦点
距離のレンズが使用されているのでその焦点深度
は極めて浅く、かつ前記した方形状の視野絞り体
１８の採用により集光スポツト光強度分布がフラ
ツト分布であることから、薄膜加工面に対して残
存物を生成することなく高精度でかつ均一な加工
深さの開溝部をレーザスクライブ加工によつて形
成することができ、さらに加えて第１図に示した
真空式吸引ノズル３１を加工面の近傍に配備して
加工の際に生じる飛散物を排除するようにしたこ
とにより、第１０図で述べたような開溝底部で下
層へのダメージを与える加工損傷、突起物、付着
物等の発生を良好に防止してより一層高い加工性
能が得られるようになる。 本発明が対象とする太陽電池に用いられる薄膜
の加工に際しては、例えばその薄膜がアモルフア
ス半導体膜である場合、膜厚はおよそ3000〜7000
〓と薄い。よつてレンズとしてはできるだけ焦点
距離の短いレンズが適しているが、本実施例にお
いては、一般に市販されており実用的である焦点
距離が10〜15mmのレンズを用いている。 第５図は薄膜を積層してなる光電変換基板を被
加工物として、第１０図と同様に絶縁基板１０の
上に導電性被膜１１，半導体被膜１３を成層した
段階で半導体被膜１３に対して第１図のレーザ加
工装置によりレーザスクライブ加工を行つて開溝
部１４を形成した場合の加工部分の断面図を描い
たものであり、この図から明らかなように開溝部
１４には第１０図に見られた溶融残存物、突起
物、付着物が殆ど発生せず、かつ開溝部１４の加
工深さは幅方向でほぼ均一となり下層の導電性被
膜１１に対する加工損傷も無視し得る程度に抑え
ることができた。このことは集光レンズの焦点深
度が極めて浅く、かつ集光スポツトの光強度分布
がフラツト分布であり、半導体被膜１３の薄膜加
工面に焦点を正しく合わせることにより、下層の
導電性被膜１１は焦点深度域から外れてレーザ光
の照射エネルギーが大幅に減衰するためである。
またレーザ加工に伴つて生じた一種の微粒の蒸発
物である飛散物は、真空式吸引ノズル３１により
その場から直ちに吸引排除されるので、周囲への
飛散物の付着を防止して付着物の発生が良好に防
止できる。

【発明の効果】

以上述べたようにこの発明によれば、上記の構
成を採用した結果、下記の効果を奏する。 集光スポツトの重なり率を少なくしたことに
より、均一巾の開溝部を形成する際の加工速度
を大幅に高めて作業能率の向上を図ることがで
きる。 集光スポツトの重なり率を少なくしたことに
加え、焦点距離が10〜15mmのレンズを用いたこ
とにより、集光スポツトが重ならない大部分の
開溝部全域を、より一層むらなくほぼ均一に形
成することができる。 集光スポツトの重なり率を少なくし、また焦
点距離が10〜15mmのレンズを用いたことによ
り、開溝部における加工損傷の発生を防止する
ことができる。 上記，により、薄膜型光電変換基板を対
象として、開溝部の薄膜の選択的加工を確実に
実現することができる。 以上により、製品の特性ばらつきも少なく、
製品を量産する場合の歩留りを大幅に向上する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図はこの発明の実施例、第６
図ないし第１０図は従来装置に対応する図を示す
ものであり、第１図，第６図はそれぞれこの発明
の実施例、および従来におけるレーザ加工装置の
ブロツク図、第２図ａ，ｂおよび第７図はそれぞ
れレーザ光のスポツト形状およびその光強度分布
図、第３図ａ〜ｃはそれぞれ第１図実施例におけ
る集光スポツトの光強度分布図、第４図，第８図
および第９図はそれぞれ被加工物の加工面に照射
される繰り返しパルスによる集光スポツトの走査
方式への重なり状態を表す説明図、第５図，第１
０図はそれぞれ薄膜型光電変換基板を被加工物と
してレーザ加工を施した際の開溝部の断面図であ
る。図において、 １……Ｘ−Ｙテーブル、２……被加工物、３…
…レーザ発振器、４……コリメータレンズ、６…
…集光レンズ、８……レーザ光、９，１４……レ
ーザ加工により形成された開溝部、１８……視野
絞り体、１８ａ……絞り穴、１９……モータドラ
イブ機構、２２……真空吸着式保持台、２９……
監視光学系のテレビカメラ、３０……モニターテ
レビ、３１……真空式吸引ノズル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 薄膜型光電変換基板である被加工物を対象
   に、レーザ発振器より発振したパルスレーザ光を
   レーザ光学系を通じて被加工物の加工面に照射
   し、かつ被加工物を搭載したＸ−Ｙテーブルの移
   動操作により前記レーザ光の集光スポツトを被加
   工面上で走査して開溝部をレーザスクライブ加工
   するようにしたレーザ加工装置において、前記レ
   ーザ光学系の系内に、被加工物の加工面に照射す
   るレーザ光の集光スポツトを走査方向と平行な方
   形状でかつフラツトな光強度分布を呈する集光ス
   ポツトに成形する視野絞り手段と、レーザ光を被
   加工面に集光させる焦点距離が10mmないし15mmの
   集光レンズとを装備し、かつ前記Ｘ−Ｙテーブル
   は、前記集光スポツトの被加工面上の重なり率が
   小さくなるように前記集光スポツトを走査する駆
   動系を備えて成ることを特徴とするレーザ加工装
   置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のレーザ加工装置
   において、視野絞り手段がレーザ発振器より発振
   したレーザ光に光軸を合わせて集光レンズの手前
   側に配備された方形状の絞り穴を有する視野絞り
   体であることを特徴とするレーザ加工装置。 ３ 特許請求の範囲第１項記載のレーザ加工装置
   において、レーザ光学系に集光レンズの焦点合わ
   せ用のモータドライブ機構を備え、さらに前記集
   光レンズの焦点合わせを監視する監視光学系を装
   備していることを特徴とするレーザ加工装置。 ４ 特許請求の範囲第３項記載のレーザ加工装置
   において、監視光学系が被加工面上の集光スポツ
   トを撮像するテレビカメラとモニターテレビを装
   備したものであることを特徴とするレーザ加工装
   置。 ５ 特許請求の範囲第１項記載のレーザ加工装置
   において、被加工物と対面する集光レンズの近傍
   にレーザ加工の際に加工物面から発生する飛散物
   を吸引して系外に除去する真空式の吸引ノズルが
   配備されていることを特徴とするレーザ加工装
   置。 ６ 特許請求の範囲第１項記載のレーザ加工装置
   において、Ｘ−Ｙテーブル上には被加工物を所定
   位置に吸着保持する真空吸着式の保持台が設置さ
   れていることを特徴とするレーザ加工装置。