CN101990481A - 激光切割平台 - Google Patents
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Abstract
本发明提供激光切割系统(100)及平移平台(102)，其可操作以在激光切割期间支撑一工件(104)。一激光切割系统(100)包括一基座区段；一床台(102)，其由该基座区段所支撑；一激光(202、302、442)；一第一驱动构件(114、116)，其可操作以沿着该床台(102)而纵向地移动一工件(104)；以及一第二驱动构件(134、136、522、524)。该床台(102)包含一可移动区段(554、620)，其经配置以相对于该基座区段平移。该可移动区段(554、620)包含一间隙以允许一激光束穿过。该激光(202、302、442)经设置以导引激光束通过该间隙。该第二驱动构件(134、136、522、524)可操作以横向平移该激光(202、320、442)及该可移动区段(554、620)，藉以在该工件(104)上切割一图案。
Description
相关申请的交叉引用
本发明主张受益于美国临时申请案第61/044,021号(2008年4月10日申请)、第61/047,372号(2008年4月23日申请)以及第61/075,682号(2008年6月25日申请)，在此将上述申请案并入以做为参考。
发明背景
本文描述的许多具体实施方式大体上关于材料的切割(scribing)，以及用于切割材料的系统及方法。这些系统及方法在切割单结(single-junction)太阳能电池及薄膜多结(multi-junction)太阳能电池方面可为尤其有效。
目前用于形成薄膜太阳能电池的方法涉及沉积或形成多个层在一基板上，例如适合形成一或多个p-n结的一玻璃、金属或聚合物基板。一太阳能电池的实例具有一沉积于一基板上的氧化层(如，透明导电氧化物(TCO)层)，继而为一非晶硅层及一金属衬垫层(metal-back layer)。可用来形成太阳能电池的材料，以及用于形成电池的方法及设备的实例，描述于(例如)2007年2月6日申请的同时另案待审的美国专利申请案第11/671,988号中，其名称为“MULTI-JUNCTION SOLAR CELLS AND METHODS AND APPARATUSESFOR FORMING THE SAME(多结太阳能电池及其形成方法及设备)”，在此将其并入以做为参考。当一面板由一大型基板形成时，典型地在各层内使用一系列的切割道(scribe line)以划界各个电池。切割道是藉由从一工件激光剥蚀(laser ablating)材料而形成，该工件由一具有至少一层沉积于其上的基板所组成。激光切割工艺典型发生时，工件被支撑在一平面平台(stage)或床台(bed)的顶部上。
藉由激光束及工件间的相对运动而在工件上形成激光切割图案。在先前方法中，此是藉由使激光束固定及移动工件来完成。若工件静止地固持在平台或床台上时，则此将涉及移动平台或床台。若工件具有一些自由度以在平台或床台上移动，则此将涉及移动工件及/或移动平台或床台的一些组合。另外，若工件相对于一固定激光移动，则床台可能必须高达工件尺寸的四倍，或必须旋转工件，以使用工件的所有区域。此外，在此固定激光束方法下，自切割用激光至工件的光束路径典型为长。激光及工件间的长固定光束路径产生光束会聚(beam convergence)及稳定性问题。此外，平台或床台典型由一单一平面件组成，其静止地固持工件并与工件一同移动。为容纳该工件(其在一实例中可能如一平方米一般大)，此平台亦必须大，使其难以从制造商地点运送至使用者地点。
因此，期望发展一种系统及方法，其能克服现有切割法及太阳能面板制造装置中的至少部分缺陷以及可能的其它缺陷。
发明简要
以下呈现本发明的一些具体实施方式的简要发明内容，以提供对于本发明的基本理解。此发明内容并非本发明的广泛性综述。其并非意欲认定本发明的重要/关键元件或划界本发明的范畴。其唯一目的是要以简化形式呈现本发明的一些具体实施方式，藉以作为对于后续呈现的实施方式的前序。
本文提供用于激光切割一工件及用于在激光切割期间支撑一工件的平移平台的系统及方法。许多具体实施方式可提供而用于改进控制，并且提供在多方向切割及/或无须旋转工件而可切割图案的能力。依据许多具体实施方式的系统及方法提供用于通用、高产量、在大型薄膜沉积基板上导引图案化激光切割。这些系统及方法对于切割单结太阳能电池及薄膜多结太阳能电池方面可为尤其有效。
在许多具体实施方式中，提供一种用于切割一工件的系统。该系统包含：一激光，其可操作以产生能自该一工件的至少一部分移除材料的输出；一扫描装置，其可操作以控制来自该激光的输出的一位置；一平移平台，其可操作以支撑该工件及相对于该扫描装置而沿着一纵向平移向量移动该工件；及一横向平移构件，其可操作以横向平移该扫描装置。该平移平台包括至少一静止区段及一横向平移区段。该平移平台的横向平移区段及该扫描装置能够在一协同横向中移动。
在许多具体实施方式中，提供一种可操作以在激光切割期间支撑一工件的平移平台。该平移平台包含一基座区段及一由该基座区段所支撑的床台。该床台包含一可平移中央区段，且该可平移中央区段经配置以相对于该基座区段而横向地平移。该可平移中央区段包含至少一间隙以允许一激光束穿过。该可平移中央区段被设置而高于该床台的其余部分，藉此，当工件从该可平移中央区段平移时，在该床台上纵向平移的任何工件将不会对该工件的一前缘(leadingedge)造成伤害，该工件的至少一部分在纵向平移期间保持在该可平移中央区段上。
在许多具体实施方式中，提供一种激光切割系统。该激光切割系统包括：一基座区段；一床台，其由该基座区段所支撑；一激光；一第一驱动构件，其可操作以沿该床台而纵向地移动一工件；及一第二驱动构件。该床台包含一可平移中央区段，且该可平移中央区段经配置以相对于该基座区段而横向地平移。该可平移中央区段包含至少一间隙以允许一激光束穿过。该激光束经配置以被导引通过该间隙。该第二驱动构件可操作以横向平移该激光及该可平移中央区段，以在该工件上切割一图案。
附图简要说明
本发明的本质及优点的进一步了解可藉由参考说明书的其余部分及图来实现，其中相似元件符号遍及数个图使用以提及类似部件。图并入至本发明的详细描述部分内。
图1说明在一薄膜太阳能电池组件中的激光切割道。
图2说明一依据许多具体实施方式的激光切割系统的立体视图。
图3说明一依据许多具体实施方式的激光切割系统的侧视图。
图4说明一依据许多具体实施方式的激光切割系统的端视图。
图5说明一依据许多具体实施方式的激光切割系统的俯视图。
图6说明依据许多具体实施方式的一组激光组件。
图7说明一依据许多具体实施方式的激光组件的部件。
图8说明依据许多具体实施方式的多个扫描区域的产生。
图9示意性说明一依据许多具体实施方式在一激光扫描组件内的相机的整合。
图10A说明依据许多具体实施方式用于平行于一工件的运动方向切割的一方法。
图10B说明依据许多具体实施方式用于平行于一工件的移动方向切割的另一方法。
图11A说明依据许多具体实施方式用于垂直于一工件的移动方向切割的一方法。
图11B说明依据许多具体实施方式用于垂直于一工件的移动方向切割的另一方法。
图12说明依据许多具体实施方式使用切割道感测光学元件(line sensingoptics)以将一激光切割道的形成与先前形成的激光切割道对准。
图13说明依据许多具体实施方式使用光束检视器(beam viewer)以测量一激光束的位置。
图14说明可依据许多具体实施方式用来移动一工件及切割系统部件的平台。
图15说明依据许多具体实施方式具有倾侧角及平直性校准的工件移动。
图16A及图16B说明可依据许多具体实施方式使用的一“三区段”平面平台或床台的俯视图。
图17A至图17D说明可依据许多具体实施方式使用的一“三区段”平面平台或床台(显示在图16A至16B中)的不同断面图。图17A说明区段1-1断面图，图17B说明区段2-2断面图，图17C说明区段3-3断面图，图17D说明区段4-4断面图。
图18A至18B说明依据许多具体实施方式沿着Y方向在一“三区段”平面平台或床台(显示在图16A至16B中)上的工件的极端位置。
图19A至19B说明依据许多具体实施方式沿着X方向的“三区段”平面平台或床台(在图16A至16B中显示)的可移动中央区段的极端位置。
详细描述
依据本揭示内容的许多具体实施方式的系统及方法可克服在现有切割方法中的一或多个上述及其它缺点。许多具体实施方式可提供改良的控制，及在多方向及/或图案中切割而无须旋转基板的能力。依据许多具体实施方式的系统和方法针对通用、高产量、及将图案化激光切割导引至大薄膜沉积基板上而提供。此系统及方法允许双向切割、图案化切割、任意图案切割及/或可调整间距(pitch)切割，而无须旋转工件。
依据许多具体实施方式的系统及方法提供使用简单纵向玻璃移动及多激光扫描仪的激光切割，藉以切割工件，例如用于部分太阳能电池装置的薄膜沉积基板。工件可在切割期间移动，且激光导引光束至可平移扫描仪，其导引光束向上通过基板至待切割的薄膜。扫描仪可提供用于纬向及纵向切割两者。
许多具体实施方式可提供从切割激光至工件的较短光束路径，其可明显地减轻任何光束会聚及稳定性问题。在许多具体实施方式中，一自切割用激光至工件的较短光束路径藉由使激光光源接近工件来实现。在许多具体实施方式中，藉由使激光光源根据激光尝试切割的图案而横向移动以使光束路径甚至更短。允许激光光源接近工件允许使激光束路径最小化，而此可协助使例如光束会聚及稳定性问题最少化。在许多具体实施方式中，工件纵向地移动，且激光束能经由一扫描装置而横向及纵向两方向移动，但因为激光光源使用一能相对于工件而横向平移激光组件的平移构件，因此激光束路径仍可被最小化。
在许多具体实施方式中，平移平台或床台用分离区段(例如实质为平面的区段)实施。在许多具体实施方式中，中央区段可横向运动，允许当藉由平移构件横向平移时，床台的中央区段与激光光源及光学元件一起移动，允许一所需图案切割在工件上，而床台的两末端区段保持静止。此协同运动亦提供如本文他处所述的各种其它优点。在许多具体实施方式中，平移平台或床台由三或更多个区段组成，其允许使用不同组装等级而将该基座以三或多个部分运送，且在现地(on site)组装，使其易于从制造商地点运送至使用者地点。
举例来说，当一太阳能面板由一大型基板形成时，典型地在各层内使用一系列的激光切割道(scribe line)以划界各个电池。图1说明用在一薄膜太阳能电池中的一实例组件10内的激光切割道。在组件10形成期间，一玻璃基板12具有一透明导电氧化物(TCO)层14沉积在其上。TCO层14接着经由激光切割P1道16而分隔成隔离区。接着，一非晶硅(a-Si)层18沉积在TCO层14顶部上及切割的P1道16内。一第二组道(“P2”道19)接着被激光切割在非晶硅(a-Si)层18中。一金属衬垫层20接着沉积在非晶硅(a-Si)层18顶部及切割的P2道19内。一第三组道22(“P3”道)如图所示而激光切割。所得组件的多数区域构成太阳能电池面板的作用区(active region)，而置于P1道16及P3道22之间的各个区构成太阳能电池的非作用区，亦称为“死区(dead zone)”。
为了最佳化这些太阳能电池面板的效率，应使这些面板的太阳能电池非作用区(即“死区”)减至最少。为了使死区减至最少，应使各P3道22尽可能对准一对应P1道16。如以下将更详细讨论，可使用切割道感测光学元件以调整道的切割，藉以使一组件上的死区减至最少。
图2说明一依据许多具体实施方式的激光切割系统100的实例。该系统包括一平移平台或床台102(如本文描述)，其典型为水平的，而用于容纳及调动一工件104(例如一具有至少一层沉积于其上的基板)。在一实例中，工件104能以各种速率(如自0m/s至2m/s或更快)沿一单一方向向量(如针对一Y平台)移动。典型地，将工件对准于一固定定向，而使工件的长轴实质上平行于装置中的工件的运动，其基于本文中他处所述的原因。对准可藉由获取工件上的标示的相机或成像装置的使用来辅助。在此实例中，激光及光学元件(在后续图中显示)定位在工件下方且位于桥接件(bridge)106的对面，该桥接件106支托住部分的排气构件108，而排气构件108在切割工艺期间用于抽出自基板剥蚀或移除的材料。工件104典型地装载于平台102的一第一端上，其中基板侧向下(而朝向激光)且分层侧向上(而朝向排气装置)。工件初始承接在一阵列的滚轮(roller)110上，且可接着藉由多个平行的空气轴承(air bearing)112支撑，而用于支撑及允许工件的平移，然而亦可使用本领域中已知的其它轴承或平移类型对象以承接及平移工件。在此实例中，该阵列的滚轮皆指向单一方向(沿基板的传递方向)，以致工件104可在纵向中相对于激光组件而前后移动。
系统100包括一可控的驱动构件，用于控制工件104在平台102上的方向及平移速度。可控的驱动构件包括设置在工件104的相对侧上的两个Y方向平台(平台Y1114及平台Y2116)。平台Y1 114包括两个X方向平台(平台XA1118及平台XA2 120)及Y1平台支撑件122。平台Y2 116包括两个X方向平台(平台XB1 124及平台XB2 126)及Y2平台支撑件128。四个X方向平台118、120、124、126包括用于固持工件104的工件夹持器(gripper)。Y方向平台114、116每一个包括一或多个空气轴承、一线性马达及一位置感测系统。如以下参考图14及15而将更详细描述，X方向平台118、120、124、126藉由校准存在于Y方向平台支撑件122、128中的平直度变化，以提供更准确的工件移动。平台102、桥接件106及Y平台支撑件122、128可由至少一适当材料制造，例如花岗岩的Y平台支撑件122、128。
工件104的运动亦在图3所示的系统100的侧视图中说明，其中工件104沿一置于图的平面中的向量而前后移动。为了简单及解释目的，针对某些类似元件而在图之间继续使用相同的元件符号，但应理解此不应被解释为对于各种具体实施方式的限制。随着工件藉由Y方向平台而在平台102上前后平移时，激光组件的一切割区域自靠近基板的一边缘区而有效地切割至靠近基板的一相对边缘区。工件的平移部分藉由平台Y2的移动而促进(即藉由X方向平台124、126沿着Y2平台支撑件128的移动)。
为了确保正确地形成切割道，则可使用额外装置。例如，一成像装置可在切割后成像至少一道。此外，一光束剖面(beam profiling)装置130可用来在基板处理之间或在其它适当时间处校准光束。在其中使用扫描仪(例如其会随着时间漂移)的许多具体实施方式中，光束剖面仪允许光束的校准及/或光束位置的调整。
图4说明系统100的端视图，其说明用以切割工件的各层的一系列激光组件132。虽然可使用任何数目的激光组件132，但在此特定实例中，有四个激光组件132。激光组件132每个可包括需要用于聚焦或调整激光的方位(aspect)的一激光装置及元件(例如透镜及其它光学元件)。激光装置可为可操作以剥蚀或者切割工件的至少一层的任何适当激光装置，例如一脉冲固态激光。如可见，排气装置108的一部分经定位以相对于工件而与各激光组件相对面设置，以有效地排放经由各自的激光装置而从工件剥蚀或者移除的材料。在许多具体实施方式中，该系统是一分离轴(split-axis)系统，其中平台102沿一纵向轴(如图3中的右至左)而平移工件104。激光与光学元件可附接至一平移构件，其能相对于工件104而横向平移激光组件132(如图4中的右至左)。例如，激光组件可设置在一支撑件或平台134上，而该支撑件或平台134能在一横向轨136上平移，或使用一如可藉由一控制器及伺服马达驱动的平移构件的另一平移构件。在一系统中，激光及激光光学元件皆连同床台及排气装置的中央部分一起在支撑件134上横向移动。此允许横向移动扫描区域，同时维持一小光束路径及保持排气装置位于待被激光剥蚀的部分的正上方。在一些具体实施方式中，激光、光学元件、中央平台部分及排气装置皆藉由一单一臂、平台或其它构件而一起移动。在其它具体实施方式中，不同部件使得至少部分的这些部件平移，而其移动藉由一控制器协调，举例来说，如在2008年4月10日申请的美国专利申请案第61/044,021号(代理人档案第016301-087200US号)中所述，其先前已并入本文以做为参考(经由以上声明)。
图5说明一显示Y方向平台114、116的部件的系统100的俯视图。Y方向平台Y1 114包括X方向平台XA1 118及XA2 120，且X方向平台XA1 118及XA2 120沿Y1平台支撑件122而平移。Y方向平台Y2 116包括X方向平台XB1 124及XB2 126，且X方向平台XB1 124及XB2 126沿Y2平台支撑件128而平移。Y方向平台114、116每个包括一线性马达，且该线性马达具有一设置于Y方向平台支撑件122、128的顶部部分中的磁性沟道(magneticchannel)138。Y方向平台114、116每个亦包括一位置感测系统，该系统包括一设置在各自的Y方向平台支撑件122、128上的编码条(encoder strip)140。Y方向平台114、116的各者包括一读取器头，其用于经由读取各自的编码条140来监控Y方向平台的位置。
图6系一显示该系统100的各激光装置实际上产生可用以切割工件的两个有效光束142的重点视图。在其它具体实施方式中，各激光装置可用来产生任何数目的有效光束，例如二、三或更多个有效光束。为了提供成对的光束，各激光组件132包括至少一光束分离(beam splitting)装置。如可见，排气装置108的各部分在此实例中覆盖该成对光束的一扫描场或作用区域，然而排气装置可进一步分开以具有针对各个别光束的扫描场的分离部分。在此实例中的各光束在床台的空气轴承间通过，且空气轴承间的光束位置系在可移动中央区段、激光及光学元件的横向平移期间保持。
由于基板间及/或在一单一基板中的变动，基板厚度传感器144提供可用来在系统中调整高度的数据，以维持与基板的适当分离。例如，各激光例如可使用一z平台、马达及控制器而(如沿Z轴)调整高度。在许多具体实施方式中，系统能够处理3至5mm的基板厚度差异，但是许多其它此类调整亦为可能。该z马达亦可藉由调整激光本身的垂直位置而调整各激光在基板上的焦点。各激光的一期望垂直焦距可藉由将光束集中在所需垂直位置或垂直位置的范围处，以选择性地剥蚀该工件的一或多数层，藉以产生期望的剥蚀。藉由调整各激光的焦点而使其适应工件的局部变动，则可达到更一致的线宽度及光点(spot)形状。
图7示意性说明一可依据许多具体实施方式使用的示例性激光组件200的基本元件，然应理解可适当地使用额外或其它元件。在组件200中，一单一激光装置202产生一光束，并使用一扩束器(beam expander)204扩展该光束而使其接着传递至一光束分离器206，如一部分透射镜、半银镜(half-silveredmirror)、棱镜组件等等，以形成第一及第二光束部分。光束的一或多个部分可藉由一反射镜207而改向。在此组件中，各光束部分通过一衰减元件208以衰减光束部分，并调整在该部分中的脉冲的强度，且一光闸(shutter)210控制光束部分的各脉冲的形状。接着，各光束部分接着亦通过一自动聚焦元件212以聚焦光束部分至一扫描头214上。各扫描头214包括能调整光束位置的至少一元件，例如用作为一方向偏移构件的一电流计扫描仪(galvanometerscanner)。在许多具体实施方式中，此是一能沿纬度方向(正交于工件的移动向量)而调整光束位置的可旋转反射镜(rotatable mirror)，其可允许光束相对于工件的位置的调整。
在许多具体实施方式中，各扫描头214包括一对可旋转反射镜216，或能在二维(2D)中调整激光束的一位置的至少一元件。各扫描头包括至少一驱动元件218，且该驱动元件218可操作以接收一控制信号，而用以调整光束的“光点”在扫描场内且相对于工件的位置。可使用各种光点尺寸及扫瞄场尺寸。例如，在一些实施方式中，工件上的一光点尺寸在一约60mmx60mm的扫描场中系约数十微米的量级，然各种其它尺寸及/或尺寸的组合皆为可能。此一方法允许工件上的光束位置的改进校准，同时其亦可允许工件上的图案或其它非线性切割特征结构的产生。此外，在二维中扫描光束的能力意味着任何图案可经由切割而在工件上形成，且无须旋转工件。例如，图8说明一示范性激光组件的透视图。一来自各激光220的脉冲光束沿两路径分离，且各自被导向一2D扫描头222。如所示，一2D扫描头222的使用导致一针对各光束的实质上方形的扫描场，其藉由一离开各扫描头222的角锥(pyramid)224表示。藉由控制方形扫描场相对于工件的尺寸及位置，则激光220能够有效地切割基板上的任何位置，并且同时造成通过基板上方的次数为最少。若扫描场的位置实质上符合或重迭，则整个表面能在基板相对于激光组件的一单次通过中而被切割。
图9示意性说明一依据许多具体实施方式的激光组件300。激光组件300与图7的激光组件200类似，但包括两个整合式的成像装置以用于工件的特征结构的成像。激光组件300包括一激光装置302。激光装置302可包括各种相关装置及特征结构。例如激光装置可包括一用于监控激光功率输出的内部功率计。至于另一实例，激光装置可包括一衰减调整，例如在两等级(level)间(如5％及95％间)手动衰减调整。一藉由激光装置302产生的光束可藉由一光束分离器304(如一部分透射镜、半银镜、棱镜组件等等)而分离成第一及第二光束部分。在一些具体实施方式中，光束分离器304可手动调整，以改变藉由激光装置302产生的光束构成第一及第二光束部分的相对部分(如在一特定光束中的45％至55％)。各光束部分通过一光闸308以控制各脉冲的形状。光闸308可经选择以具有一达到各脉冲的期望成形的充分快速速率。例如，在一些具体实施方式中，可选择光闸308以具有50毫秒或更少的速率。各光束部分亦通过一准直器310。可使用各种准直器。例如，可使用一具有正或负1mm手动焦点调整的3至4倍的向上准直器(up-collimator)。各光束部分亦通过一光束成形元件312，例如一具有2mm的孔径的光束成形元件，其在各光束部分被提供至各个扫描仪314(可类似图7的扫描仪214)之前，将各光束部分成形。两个成像装置316与系统300整合，藉以通过扫描仪314观察工件。从工件上的特征结构反射的光进入各个扫描仪314，而在该扫描仪314之处，光藉由扫描仪而改向至二色性(dichromatic)光束分离器318。二色性光束分离器318的每一个使反射光改向而使其朝向成像装置316之一，例如一电荷耦合装置(CCD)相机或一互补式金属氧化物半导体(CMOS)装置。如图标，成像装置316的每一个可使用二色性光束分离器318而整合，藉以提供一成像装置观察方向(view direction)，而该观察方向实质上对应于一方向，且一分离激光束部分沿着该方向而提供至各个扫描仪314。虽然可实施一范围的相对位置，但可整合一成像装置316，以致成像装置316的观察中心及切割用激光302的输出指向工件(该扫描仪314的目标)上的相同位置。
各种方法可使用本文揭示的系统及方法的具体实施方式而于不同方向上激光切割出多个切割道。例如，方向平行于工件移动方向的激光切割道可采数种方式形成。图10A说明一此类方法，其中在工件相对于激光而平移的同时，使用一或多个扫描仪来固定激光输出的一或多者的位置。当玻璃相对于激光而在第一方向(即，自图10A中的底部至顶部)移动时，可形成激光切割道402。当工件改变方向时，可接着调整光束位置。当玻璃相对于激光而在相反方向(如自图10A中的顶部至底部)移动时，可接着形成激光切割道404。在许多具体实施方式中，玻璃可依各种速率(如0m/s至2m/s或更快)移动。图10B说明用于形成其方向平行于工件移动方向的切割道的另一方法，其中切割道在分离区块406、408、410、412中形成。使用此方法，工件可更缓慢地移动，而此可引入较少的位置误差。切割道可“联结(stitched)”在一起以产生长的切割道。可使用一或多个扫描仪而采用期望速率(如0m/s至2m/s或更快)在工件上扫描激光输出，因而使得在两方法之间无须对于激光参数做改变。亦可使用数种方法来形成具有垂直于工件移动方向的方向的切割道。在图11A中说明的一方法中，当玻璃缓慢移动时，藉由使用扫描仪来扫描激光输出以形成激光切割道414。在图11B中说明的另一方法中，光学平台可移动而工件保持固定，且切割道可在区块416、418中形成，而这些切割道可联结在一起以形成长的切割道。在两方法中，可使用一或多个扫描仪而采用期望速率(例如，每秒2米)在工件上扫描激光输出，及/或使得在两方法之间无须对激光参数做改变。
可使用切割道感测光学元件来判定一或多个先前形成的特征结构的位置数据。此位置数据可用来控制其后形成的特征结构相对于先前形成的特征结构的形成。例如，在一先前形成P1道上的一或多个位置的数据指示可用来控制一P2道相对于P1道的形成。切割道感测光学元件可包括一光源及一相机，其侦测自工件及/或切割道所反射的光。
图12说明一用于使用切割道感测光学元件的方法，并显示出一组先前形成的P1道420及一组部分形成的P2道422，而这些P2道422形成而与先前形成的P1道420紧邻。图显示出在P2道422的其中之一的形成期间，一扫描仪视野424及目前目标位置426。一切割道感测光学元件视野428可用以判定P1道420的位置数据，例如，紧邻于待形成的P2道422位置处的P1道420的位置数据。此位置数据可用以更严谨地控制P2道422的形成，而使其与P1道420更紧密地间隔设置。
一激光切割系统可包括可用于控制在工件上的激光道切割的数个部件。例如，如图13中说明，一光束检视器(viewer)430可用来测量来自激光的输出的位置。来自光束检视器430的数据可用于光束位置的快速再校准。如说明，光束检视器430可设置在一工件432之上，藉此，当光束434通过工件432时可撷取光束434的位置。可比较光束434的预期及实际位置，以计算出一校准值，而该校准值可针对发生的任何偏移的校准提供高度准确的调整。所测量的光束可藉由一激光组件440投射，该激光组件440包括一激光442、光束分离光学元件444及扫描仪446。如以上讨论，激光组件440可位于一光学元件支架(optics gantry)(未显示)上。一功率计(未显示)亦可设置在光学元件支架上，而用于监控入射在玻璃上的激光功率。亦可使用一显微镜(未显示)。显微镜的主要功能在于玻璃的校准及对准。亦可使用显微镜来观察切割质量及测量剥蚀光点的尺寸。切割道传感器448亦可用来产生先前形成特征结构的位置数据。切割道传感器448可设置于能够检视先前形成的特征结构的数个位置中，例如，如图所示而设置在工件432下方。
依据许多具体实施方式，图14示意性说明一系统500，其包括可用来移动切割装置部件的各种平台。如以下将更详细描述，各种平台提供工件、激光切割组件、排气组件及显微镜的移动。
平台Y1502、Y2504可用来提供在激光切割期间的一工件的Y方向移动。平台Y1及Y2各可包括一线性马达及一或多个空气轴承，而用于沿着Y平台支撑件506、508的Y方向的行进。各线性马达可包括一磁性沟道及缠绕在磁性沟道内的线圈。举例来说，可将磁性沟道整合至Y平台支撑件506、508中。支撑件506、508较佳被精确地制造，因而使其符合预定平直性要求。支撑件506、508可由一适合材料(例如花岗岩)制成。平台Y1及Y2为工件移动的主要Y方向控制。当未载入工件时，Y1及Y2平台间无机械性连接。当载入一工件时，Y1平台可为主平台(master)且Y2平台可为从动平台(follower)。
平台Y1、Y2的每一个可包括一位置感测系统，例如一编码条(encoderstrip)及一读取头。一编码条可设置至各支撑件506、508，且读取头可设置于平台Y1及Y2的移动部分，例如，Y1的移动架及Y2的移动架。可将来自读取头的输出经过处理，以用于控制Y平台的各者的位置、速率及/或加速度。一示范性读取头为Renishaw Signum RELM线性编码器读取头SR0xxA，其可与接口单元(interface unit)Si-NN-0040耦接。SR0xxA是一高分辨率模拟编码器读取头。接口单元Si-NN-0040缓冲模拟编码器信号，且产生0.5μm数字编码器信号。读取头及接口单元可从美国伊利诺伊州Hoffman Estates，TrilliumBlvd.5277号的Renishaw有限公司购得。
平台XA1 510及XA2 512设置而用于与平台Y1一同移动，及当工件藉由Y平台在Y方向中平移时，平台XA1 510及XA2 512系用于X方向的精细调节控制。可用此X方向控制来补偿支撑件506的平直性偏差。一外部激光测量系统(具有平直性及倾侧角(yaw)光学元件/干涉仪)可在初始校准期间用来测量主平台(Y1平台)的平直性及倾侧角数据。所测得的数据可用来产生误差表，而在工件的Y方向移动期间，可使用该误差表以提供校准数据至一运动控制器。平台XA1、XA2与Y1平台耦合。平台XA1、XA2可各包括一滚珠螺杆(ball screw)平台，并可利用针对高准确性及重复性的双回路控制(如旋转及线性编码器)而设置在Y1平台上。平台XA1、XA2可各自配有一工件夹持器模块。各夹持器模块可包括一或多个传感器，用于侦测夹持器模块的一位置(如，开、关)。各夹持器模块亦可包括一或多个排接销(banking pin)，用于控制藉由夹持器模块所固持的工件的数量。
平台XB1 514、XB2 516设置而用于与平台Y2一同移动。平台XB1、XB2可各包括一工件夹持器模块，例如上述的夹持器模块。平台XB1、XB2可包括一线性平台，其可利用一开放回路控制系统而受到控制，藉以维持跨越工件的期望张力层级。
在一工件的激光切割期间，X激光平台518可用来提供激光组件520的X方向移动。X激光平台可包括一线性马达及一或多个空气轴承，用于使一激光组件支撑件522沿着一支撑轨524行进。激光组件支撑件522可由一适合材料(例如，花岗岩)而精确制造。线性马达可包括一与支撑轨整合的磁性沟道，以及缠绕在磁性沟道内的线圈。
可使用Z方向平台Z1526、Z2528、Z3530及Z4532来调整激光组件的垂直位置。可针对多种目的而使用此位置调整，例如以上参照图6所讨论的。
Xe排气平台534可用以在一工件的激光切割期间提供一排气组件的X方向移动。Xe排气平台可包括一设置至一桥接件536的一侧(如图所示的前侧)的线性平台。桥接件可由一适合材料(例如花岗岩)制造。一Ye排气平台538可用以提供排气组件的Y方向移动。此Y方向移动可用来使排气组件移动远离一激光切割区域，藉以允许用一显微镜来检测激光切割区域。该Ye排气平台可包括一线性致动器，例如，一滚珠螺杆致动器。
可使用Xm显微镜平台540来提供一显微镜的X方向移动。Xm平台可包括一线性平台且可装设至一桥接件536的一侧，例如所示的背侧。一Ym显微镜平台542可包括一线性平台且装设至Xm平台。一Zm显微镜平台544可包括一线性平台且系装设至Ym平台。Xm、Ym及Zm平台的组合可用于对显微镜进行再定位，以检视一工件的选定区域。
可使用滚轮平台R1546及R2548来分别装载及卸载一工件。R1、R2滚轮平台可配置以在装载及卸载顺序期间相对于一空气轴承床台(未显示)而升高。例如，当正在装载一工件时，滚轮平台R1 546可位于一升高位置。接着可降低该滚轮平台R1以将工件置放在空气轴承床台上。工件接着可藉由平台XA1、XA2、XB1及XB2的夹持器模块而被夹持住。在卸载期间，上述顺序可以为反向，以致工件从夹持器模块释放，且滚轮平台R2548接着可升高，以将工件自空气轴承床台而升举。
图15描述Y平台支撑件506、508的Y方向平直性偏差的一放大视图，藉以说明可在一工件的Y方向移动期间藉由使用平台XA1 510及XA2 512而可进行X方向校准。可判定X方向校准，藉此，工件550行进的平直性偏差会比Y平台支撑件506、508的平直性偏差还要小。例如，Y1平台支撑件506的Y方向平直性偏差(如，与一真实Y方向定向平直线的X方向偏差)可沿着Y1平台502的行进长度而测量。所测量到的偏差可用来控制平台XA1及XA2，藉此，工件550受限制而相较于Y1平台支撑件以较少的偏差(与一真实Y方向定向平直线的偏差)行进。如以上所讨论，可使用一开放回路控制系统而控制平台XB1 514及XB2 516，藉以维持跨越工件550的一期望张力层级。
在工件的Y方向移动期间，工件藉由空气轴承床台552、554及556而支撑。中央空气轴承床台554可与X激光平台518耦合，以保持两者的相对位置，而中央空气轴承床台554提供其区段之间的间隙，而激光脉冲可通过这些间隙。
可使用上述系统来产生精确控制于部分范围内的基板运动。例如，工件可采用各种加速/减速率(rate)(如，高达0.8G或更高)而加速/减速。工件可在以一瞬时速度行进时被切割，而此瞬时速度与切割激光的瞬时发射率(firingrate)相符。例如，工件可在以一实质恒定速度行进时而被切割，且该恒定速度与切割激光的恒定发射率(如，比2.0m/s更慢、相等或更快)相符。在切割期间平移时的工件的平直性及倾侧角亦可保持在设定范围内。在许多具体实施方式中，平直性及倾侧角可被控制在±3μm平直性及±0.5角秒(arc sec.)内。
图16A及16B示意性说明依据许多具体实施方式的“三区段”平移平台或床台的俯视图。在此“三区段”平台中，中央区段620可横向移动(图式中的上下)及具有间隙(如，可能在空气轴承或其它支撑部件之间)，且同时两个末端区段(610及630)保持静止。中央区段620中的间隙用以允许激光束通过，并允许减少床台重量。工件104可采用基板侧向下(朝向激光)及分层侧向上(朝向排气装置)的方式而装载至平移平台102的第一末端区段610上。在许多具体实施方式中，激光束由基板侧进入工件，且激光定位在工件下方并与用于固持住部分排气构件108的桥接件106为相对设置，其中排气构件108在切割工艺期间将自基板剥蚀或移除的材料抽出。在可移动的中央区段620中形成的间隙或孔能够在切割期间与激光束一起横向移动，藉以允许激光束通过。在许多具体实施方式中，一扫描头可调整切割用激光束至一扫描场650内的任何点。在许多具体实施方式中，这些间隙必须至少足够大以容纳激光束的扫描场。例如，若一激光束的扫描场覆盖一60mmx60mm的正方形，则间隙可为约60mm宽或更大(或更小，其取决于间隙与工件的距离，及扫描仪的扫描角范围)。在图16A及16B中，有八个激光束，因此七个矩形条状物(strip)用来提供所需的六间隙及二开口(在中央区段的外部边缘)。在一些具体实施方式中，这些矩形条状物可测量1100mmx200mm。可以在两个外部激光束的外侧使用额外的条状物，且在一些具体实施方式中，当一个以上的激光可通过一间隙时，则可使用较少的条状物。其中所需的条状物的数目取决于工件所需的支撑件的数量及/或类型。
在许多具体实施方式中，工件104被装载至三区段平台的一第一末端区段610及中央区段620上。位于第一末端区段610的七个矩形条状物之间的滚轮110数组系使工件104移动至“适当位置”(即，工件104座落在第一末端区段610及中央区段620两者的顶部上，如图16A中显示)。在工件104已移动至“适当位置”后，当工件在末端区段(610及630)及中央区段620上时，滚轮降低且空气轴承接管而支撑该工件104。在许多具体实施方式中，工件104的初始“适当位置”(即在滚轮降低之后)在第16B图中显示出。在此处，工件104仍座落在第一末端区段610及中央区段620两者的顶部上，但此刻的切割用激光束的输出并未被覆盖住。工件104在平台102上沿着纵向或Y方向(图中的右至左)的移动使用夹具640来实现，该夹具640固持在工件104的相对边缘上(如第16A及16B图中显示)。在许多具体实施方式中，工件104并不沿着X方向(图中的顶部至底部)移动，因为沿着X方向的移动仅可藉由移动激光及光学元件来操作。在许多具体实施方式中，工件104亦可沿着X方向(图中的顶部至底部)移动，但沿着X方向的移动主要藉由移动激光及光学元件来操作。
图17A至17D说明如透过“三区段”平移平台(显示在图16A及16B中)的不同断面图见到的工件104、各个平台区段、夹具640及滚轮110阵列的高度差。
图17A显示夹具640及中央区段620间的高度差。在一些具体实施方式中，夹具640将位于中央区段620上方的约50μm的标称高度处(该高度接近于其气隙(air gap))，然而不同系统及应用可利用不同的高度。工件104可藉由空气轴承而支撑于中央区段620及两个末端区段(610及630)上方，其可经过调整以使所有三平台区段具有约50μm的标称气隙。
在许多具体实施方式中，夹具640之间的工件的预期下垂现象(sag)可藉由在中央区段620及末端区段610、630的每一个之间具有一高度的些微落差而补偿。例如，图17B显示根据一些具体实施方式，夹具640比第一末端区段610较高150μm，因为在这些具体实施方式中，第一末端区段610将会比中央平台620降低至少100μm，以允许由于例如重量及非平坦的因素而在工件中产生的预期下垂现象。此100μm高度差可能取决于用作为工件104的基板的容许度(tolerance)。此一设计的有利特征为工件始终至少部分覆盖在中央区段620上，且当玻璃基板在末端区段之间移动时，工件的前缘仅可由较高的高度移动至较低的高度。若平台部分在大约相同高度时，则当工件从一区段平移至其它区段时，工件的稍微弯曲或变形会造成工件的前缘卡住床台的一区段的边缘，而其可能导致工件的剥落、破裂或者损伤。玻璃基板中的一弯曲(例如)估计为少于100μm(每100mm)，其在正常条件下产生可忽视的应力。图17C显示，在一些具体实施方式中，一楔形物(wedge)710(例如宽度为5mm，斜率为10∶1)可在玻璃基板的非平坦度超过100μm(每100mm)估计值的情况下，用于侧平台610的边缘处。此楔形物710可防止玻璃基板的剥落(chipping)或碎裂(shattering)，并且易于置换以防止玻璃基板挖蚀(scour)该楔形物。
图17D依据一些具体实施方式，而当工件104藉由位于第一末端区段610的七个矩形条状物之间的滚轮110阵列移动至“适当位置”时，显示出工件104在三区段平台的一部分上方的高度。在所示实例中，此高度是15mm，而该高度远大于足以预防当工件从一区段平移至其它区段时工件104的前缘卡住床台的一区段的边缘的一距离。在工件104已移动至“适当位置”后，滚轮110下降，且空气轴承接管而支撑该工件104，如图17C中显示。
因为两末端区段610、630实质彼此齐平，故用于第一末端区段610的所有上述测量及描述将同等地应用至第二末端区段630。
依据许多具体实施方式，图18A至18B显示工件104的一部分始终可覆盖中央区段620的一部分，且当玻璃基板从中央移动至末端区段时，工件的前缘在平移时仅可从高移动至低。例如，在图18A中，工件104座落在第一末端区段610及中央区段620两者的上方。在切割工艺期间，工件104可沿着Y方向移动至第二末端区段630上。当此发生时，将中央区段620定位比第二末端区段630稍微更高可防止工件104的前缘(图中的右方)剥落。同样的，若工件104同时座落在中央区段620及第二末端区段630两者上(如图18B中所示)，则将中央区段620定位比第一末端区段610稍微更高将会防止当工件104移动至第一末端区段610上时工件104的前缘(图中的左方)剥落。图18A及18B显示工件104在平台102上沿着Y方向的末端位置(extreme position)，因此可见到工件104的一部分将始终座落在中央区段620的顶部上。此确保工件104将始终自一较高区段移动至一较低区段，从而不会发生边缘的剥落。
图19A及19B说明依据许多具体实施方式的平移平台的可移动中央区段620相对于工件104的极端(extreme)横向位置。图19A显示当中央区段620沿着X方向横向移动至其极端底部位置时，中央区段620的顶部边缘(在图中)与末端区段610、630的顶部边缘对齐。图19B显示当中央区段620沿着X方向横向移动至其极端顶部位置时，中央区段620的底部边缘(在图中)与末端区段610、630的底部边缘对齐。再次，这些配置可当工件自中央区段移动至侧区段时协助防止工件边缘的剥落。若侧区段的边缘已配置以朝中央区段的边缘外延伸时，则在中央区段的边缘与夹具之间的工件的下垂或非平坦现象可能潜在地低于此延伸侧区段并造成剥落。
应理解，本文描述的实例及具体实施方式用于说明性目的，且根据其的各种修改或改变将提出给本领域的技术人员且包括在此申请的精神及范围与随附权利要求的范畴中。各种不同组合是可行的，且这些组合视为本发明的部分。
Claims (15)
1.一种用于切割一工件的系统，该工件包括一基板以及至少一层，且该工件用于形成一太阳能电池，该系统包含：
一激光，其可操作以产生能自该工件的至少一层移除材料的一输出；
一扫描装置，其可操作以控制来自该激光的该输出的一位置；
一平移平台，其可操作以支撑该工件，并相对于该扫描装置而沿着一纵向平移向量移动该工件，该平移平台包括至少一静止区段及一横向平移区段；以及
一横向平移构件，其可操作以横向平移该扫描装置，
其中该平移平台的该横向平移区段及该扫描装置能够以一协同横向运动而移动，以在二维中于该工件上切割图案而无须旋转该工件。
2.如权利要求1所述的系统，其中该横向平移构件包含一激光平台，该激光平台可操作以相对于该纵向平移向量而横向地再定位该扫描装置。
3.如权利要求1所述的系统，更包含一基板厚度传感器，该基板厚度传感器用于判定该工件的一厚度，且其中该激光的一焦点能够相应于该判定厚度而调整。
4.如权利要求1所述的系统，更包含一排气构件，该排气构件用于抽出在该切割制程期间从该工件剥蚀或者移除的材料。
5.如权利要求1所述的系统，更包含一成像装置，该成像装置用于撷取一先前形成工件特征结构的一图像。
6.如权利要求1所述的系统，其中该平移平台包含一平台，该平台可受到控制，藉此，当该工件沿着该平移向量移动时减少工件行进路径的平直性及倾侧角的偏差。
7.如权利要求6所述的系统，其包含多个平台，该多个平台可受到控制，藉此，当该工件沿着该平移向量移动时减少工件行进路径的平直性及倾侧角的偏差。
8.如权利要求1所述的系统，其中该平移平台包含一位置感测系统。
9.一种可操作以在激光切割期间支撑一工件的平移平台，该平移平台包含：
一基座区段；以及
一床台，由该基座区段所支撑，该床台包含一可平移中央区段，且该可平移中央区段配置以相对于该基座区段而横向地平移，该可平移中央区段包含至少一间隙以允许一激光束穿过，
其中该可平移中央区段经设置而高于该床台的一其余部分，藉此，当该工件从该可平移中央区段而平移时，在该床台上纵向平移的任何的该工件将不会对该工件的一前缘造成伤害，且该工件的至少一部分在纵向平移期间保持在该可平移中央区段上。
10.如权利要求9所述的平移平台，其中该床台更包含一第一末端区段及一第二末端区段，且该第一末端区段及该第二末端区段设置而相邻于该可平移中央区段的相对侧。
11.如权利要求10所述的平移平台，其中该可平移中央区段可操作以在该工件的纵向平移期间横向地平移。
12.一种激光切割系统，其包含：
一基座区段；
一床台，其由该基座区段所支撑，该床台包含一可平移中央区段，且该可平移中央区段经配置以相对于该基座区段而横向地平移，该可平移中央区段包含至少一间隙以允许一激光束穿过；
一激光，产生该激光束，且该激光束经配置以被导引通过该间隙；
一第一驱动构件，其可操作以沿着该床台而纵向地移动一工件；以及
一第二驱动构件，其可操作以横向平移该激光及该可平移中央区段，以在该工件上切割一图案。
13.如权利要求12所述的激光切割系统，其中该第二驱动构件更可操作以使得用于该激光的光学元件偕同该激光及可移动区段而横向平移。
14.如权利要求12所述的激光切割系统，更包含：
一排气构件，其经定位以相对于该床台上的一工件而与该激光相对设置，
其中该第二驱动构件更可操作以使得该排气构件偕同该激光及该可平移中央区段而横向平移。
15.如权利要求12所述的激光切割系统，其中该可平移中央区段经设置而高于该床台的一其余部分，藉此，在该床台上纵向平移的任何的该工件将不会对该工件的一前缘造成伤害，且该工件的至少一部分在纵向平移期间保持在该可平移中央区段上。
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