JP2000208798A

JP2000208798A - 薄膜構成体の加工方法

Info

Publication number: JP2000208798A
Application number: JP11006814A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Suzuki; 孝之鈴木; Masataka Kondo; 正隆近藤
Original assignee: Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 1999-01-13
Filing date: 1999-01-13
Publication date: 2000-07-28

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザのパルス周波数で制限されていた薄膜
積層体のレーザ加工の速度を飛躍的に向上させ、実質的
な加工速度の限界を加工点の走査速度にかえること。【解決手段】前記レーザパルスの照射元が複数の同型
式レーザ発振器と該レーザ発振器からのレーザ光線を略
同一の加工点に集光する光学系で構成され、前記複数の
同型式レーザ発振器のＱスイッチの動作が同期して動作
し、パルス発生のタイミングを相互に調整できるように
する。特に薄膜太陽電池の加工に有効な発明である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板上に構成され
た薄膜構成体のレーザ加工方法、特に加工速度を高速化
するための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】産業界では、レーザを用いた加工方法が
広く一般的に普及しており、材料の切断、溶接、表面の
改質、さらには基板表面の材料の除去がこの方法で行わ
れている。基板表面の材料の除去するには、材料が吸収
する波長のレーザ光をその表面に直接あるいは透明な基
板や透明な膜を介して照射する。その光線エネルギーは
材料によって吸収され熱に変わることにより、材料の熱
変化あるいは蒸発を誘発して材料の除去が行われる。

【０００３】透明基板を用いる場合においては、たとえ
ば特開昭６１−１４７２７に開示されているように基板
側の膜にレーザ光を照射して蒸発、または剥離を発生さ
せて、その上にある膜を同時に除去する方法も行われて
いる。

【０００４】これらの技術は、大面積の基板に精密な加
工が成される分野に特に有効であり、プラズマディスプ
レー（ＰＤＰ）、薄膜太陽電池等のパターニングが実際
に活用されている。本発明が特に意図する応用分野は後
者の薄膜太陽電池である。

【０００５】この方式の太陽電池では、既に特開昭５７
−１２５６８などで開示されているようにレーザパター
ニング技術により短冊形状の薄膜太陽電池素子を複数直
列接続するように構成する集積技術が用いられている。

【０００６】集積構造では、透明基板上の透明電極を等
間隔に施された第１の分離線によって互いに隔てられた
複数個の短冊状の透明電極細条を形成し、光によって起
電力を発生する半導体層を形成した後に、第１の分離線
から近接した部分に施された第１の分離線と概略同じ間
隔の第２の分離線によって互いに隔てられた半導体層細
条を形成し、裏面電極層を形成した後に第２の分離線か
ら近接した部分に第１の分離線と反対側に施された第１
の分離線と等間隔に施された第３の分離線によって互い
に隔てられた裏面電極細条からなり、隣同志の素子の透
明電極細条と裏面電極細条とは第２の分離線の部分で接
続され、その結果多数の素子が直列接続された構造にな
っている。

【０００７】この集積構造もしくは第３の分離線で裏面
電極層と半導体層を分離した集積構造は、昭和５５年よ
り広く用いられている。また、発電領域である直列接続
された短冊状太陽電池素子の並びの両端には発生した電
力を取り出す為の電極領域が形成されている。発電領域
及び電極領域が透明絶縁基板の全体にわたることは通常
はなく、モジュールに組み込む場合にフレームに隠れる
部分や半導体や裏面電極を製膜する装置の基板支持枠に
隠れて製膜されない部分があるために、基板周辺の５ｍ
ｍ〜１０ｍｍ前後の部分は周辺領域となっている。

【０００８】透明電極には、以前はＩＴＯ（酸化インジ
ウムと酸化スズの混ざったもの）が蒸着法で製膜された
ものが用いられていたが、最近熱ＣＶＤで形成されたＳ
ｎＯ２（酸化スズ）のテクスチャー膜が広く用いられて
いる。熱ＣＶＤ膜の場合はマスク等によって製膜部分を
限定することが困難であり、製膜領域は基板全面にわた
る。

【０００９】その結果として前記周辺領域には導電体が
存在し、周辺領域と発電領域及び電極領域を絶縁分離す
る必要が生じている。その方法としては、透明電極を発
電領域及び電極領域の周囲において部分的に除く絶縁分
離ラインによって、周辺領域と絶縁分離されている。絶
縁分離ラインの幅は、素子面を樹脂にて封止した時に絶
縁分離ラインに必要な絶縁耐圧１５００Ｖが得られるこ
とが重要であり、その為に１００μｍ以上を設定してい
る。

【００１０】レーザ加工にて、この幅を得る方法として
は、特開平８−８３９１９に開示されている様に、複数
のレーザスクライブ線を書くことによって作成されてい
る。

【００１１】この様に形成された薄膜太陽電池に、ＥＶ
Ａ等の充填樹脂のシート並びにテドラーなどのフッ素系
の樹脂シートを重ねて真空ラミネート法で封止し、アル
ミフレームと端子箱を設置して薄膜太陽電池モジュール
を作成する。

【００１２】以上の様にレーザ加工法はパターニングに
極めて有効な技術であり、既に多数の発明がなされ技術
が開示されている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この加工法
の大きな問題点は、基板上に集光点を走査してなされ
る、いわゆる点書きの一筆書きの加工の為に、速度を上
げるのが困難なことである。

【００１４】レーザ発振器は、通常の場合、連続発振が
可能であるが、材料加工をする為の高エネルギーの集光
点を得るためには、レーザ媒体にエネルギーを蓄えて、
Ｑスイッチを用いて充分貯まった時点で光を発生するジ
ャイアントパルスレーザ方式が用いられている。また、
エキシマレーザの様に短時間にしかレーザ発振媒体が存
在せず本質的にパルス発振しかできないレーザが存在
し、この分野の加工のレーザではパルスレーザが用いら
れると考えるのが通常である。

【００１５】一方、走査はレーザ光学系と基板を相対的
に移動することによって行われる。近年の機械工学の進
歩により、その速度は１００ｃｍ／秒程度にまで高速化
することが可能である。ところが、レーザのＱスイッチ
周波数は有限であり、単発的なレーザの集光点（スポッ
ト）を続けて線を描く為には、スポットサイズの周波数
倍より少し遅い速度で走査しなければならず、これが加
工速度の限界となっていた。たとえば、一般的に販売さ
れているネオジウムＹＡＧレーザ発振器でガラス上の酸
化錫膜を加工する場合、２Ｗで１０ｋＨｚのものを用い
て、ビームスポット５０μｍで加工する条件があるが、
この場合、加工速度の限界は５０μｍ×１００００で５
０ｃｍ／秒、実際はスポットの重なりの関係から４０ｃ
ｍ／秒が限界である。これを更に高速にするためのは周
波数を上げる必要があるが、スポット当たりのエネルギ
ーを維持するする必要も同時にあり、例えば倍の速度に
するとして４Ｗで２０ｋＨｚのレーザがあればよいので
あるが、現実にはそのようなレーザ発振器を作るのは極
めて困難である。ＹＶＯ₂の様に１００ｋＨｚ程度の高
いＱスイッチ周波数で発振可能なレーザがあるが残念な
がらパワーが一桁低く実用上問題があった。

【００１６】ところで、５０ｃｍ／秒という速度は一見
充分だと思われるが、例えば１ｍ角の太陽電池モジュー
ルを作る場合、太陽電池素子の幅を１０ｍｍとしてもレ
ーザの走査距離は１００ｍ以上に及び、単純に計算した
だけでも２００秒、現実には５分程度の加工時間が必要
である。これでは、大量生産をするうえで問題となる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】この様な、問題に対し
て、同時に複数のレーザビームを基板に照射して加工す
る方法が提案されたがレーザの相対的位置の精度確保の
問題と、加工する一方向にしか加工速度を確保できない
等の問題から、ビーム走査速度を上げることが可能な高
いＱスイッチ周波数でもパワーの確保が可能なレーザ発
振器の開発が急務となっていた。

【００１８】

【課題を解決するための手段】このような課題は本発明
によれば、レーザ発振器を複数発振させ、そのレーザ発
振器からのレーザ光線を略同一の加工点に集光する光学
系を用いて集光するとともに前記複数のレーザ発振器の
Ｑスイッチを同期させてパルス発生のタイミングを相互
に調整できるようにすることで解決する。

【００１９】

【発明の実施の形態】ここで用いるレーザ発振器は、Ｑ
スイッチのタイミング機構を有している他は本質的には
市販されている従来のものと変わるものでない。また、
一部の商品には外部トリガーによりＱスイッチよりレー
ザ光線の発生タイミングを調整できるものも存在する。

【００２０】レーザ光線を略同一の加工点に集光する光
学系としては、ハーフミラーを用いたもの、可動式ミラ
ーを用いるものが用いられる。

【００２１】また、Ｑスイッチの同期には外部トリガー
端子付きＱスイッチにおいては、外部のパルス発生器を
利用してコントロールするなどの方法が採られる。

【００２２】この装置の概略構成のブロックダイアグラ
ムの例を図１に示す。複数のレーザ発振器１ａ〜１ｃか
らの光線はコリメーターにより幅のある平行光線に変換
されて集光光学系２に入射し、この光学系の出射系から
は３つの光が同一の光軸に束ねられて出射する。この光
はアッティネータ、出射光学系４で所望の強度に調整さ
れ、加工光学系５に入射する、加工光学系ではレーザ光
線は所望の大きさに集光され材料の表面の加工点７に到
達する。基板と加工点は加工走査系６により相対的な位
置が移動してレーザ加工がなされる。この図では３つの
レーザビームがあたかも同時に一つの光線に束ねられる
様に見られるが、実際はタイミングをトリガー装置３ず
らしてレーザ光線が発生しているので現実にはどれか一
つのレーザが時間間隔をおいて光線を出射している状態
となる。

【００２３】図２にその光線の発生のタイミングを示
す。１ａ’、１ｂ’、１ｃ’はレーザのパルスを示す。
たとえば１ｋＨｚのＱスイッチでの動作を想定すると１
ａのレーザのパルスの間隔は１ｍｓｅｃである。これに
同期遅延をかけて３３３μｓｅｃだけずらして１ｂのレ
ーザの発振をするようにする。さらに１ａから６６７μ
ｓｅｃだけずらして１ｃのレーザを発振するよにする。
すると加工点７で得られるレーザの発振は３３３μｓｅ
ｃおきとなりこのレーザは実効的には３ｋＨｚで秒当た
りのパワーが３倍のレーザとなる。

【００２４】この例では３台のレーザを同期する場合を
述べたが、本発明によれば２台でもｎ台でもよく、理論
的にはｎ台のレーザを用いると周波数がｎ倍、時間当た
りのパワーがｎ倍のレーザが実効的に得られることにな
る。

【００２５】複数のレーザを一つの光速に収束する方法
としては、ハーフミラーを用いる方法もあるが、ミラー
がその周波数で動かすことが可能であれば通常のミラー
を用いるのが好ましい。一例として図３の様に回転する
９０度のミラーで同期をかける方法を示した。この方法
では個別のレーザとミラーが正規の場所にある時に発信
する様に同期すればよい。

【００２６】また、この様な、構成の他に収束後のレー
ザを分割して複数の加工点にレーザが照射される構成に
しても、本発明の効果はいかんなく発揮される。すなわ
ち、ｍ個に分割することで本発明のレーザの台数ｎの効
果と加え、一台のレーザで一つのビームの加工の時と比
較して、理論的にはｎ×ｍ倍の速度で加工することが可
能になる。

【００２７】また、以上の説明では、レーザの種類をネ
オジウムＹＡＧレーザで説明してきたがむろんこれらに
限定されるものではない。ネオジウムＹＡＧレーザの第
２高調波、第３高調波、エキシマレーザはもとより、Ｙ
ＶＯ₂レーザなども好適に用いられる。

【００２８】本発明の別の効果として、同時に発振させ
ることで、周波数を高くすることは可能であるが、発振
強度が得られないレーザでも台数に応じてパワーを稼ぐ
ことが可能である。先述のＹＶＯ₂などの場合は特に有
効である。この場合は同じ光軸に収束するときにハーフ
ミラーが必要になる。

【００２９】また、例えば複数台の出力が異なるレーザ
を用いるときは、出力の高い方のレーザの周波数を上げ
て同期をとることでレーザの能力を無駄なく生かすこと
も可能である。

【００３０】光軸を同一にすることが困難である場合は
複数台のレーザの加工点をずらすことで充分な強度でか
つ一つのパルスで加工面積が広いビームを実効的に得る
ことが可能である。この場合はスポットサイズを所望の
方向のみに大きくしたことになり、やはり加工速度を早
くすることが可能である。

【００３１】一般的にはレーザの周波数が１〜２０ｋＨ
ｚ程度であるのに対して、レーザのパルスは２００ｎｓ
と短く、２０ｋＨｚの場合でも１パルスあたりの時間は
５０μｓｅｃと長い、この場合デューティー比は２５０
倍であり、この発明での実効的周波数の限界は発振器の
台数で実質的に制限されるとみてよい、また、多くの場
合、加工点の大きさは小さい方がよく、加工の形状の問
題からＴＥＭ₀₀で行うのが好ましい。これらの制限事項
は、本発明の要部ではなく、従来からの技術で述べられ
てきた要部であると言える。従って、本発明の方法では
それらの技術要件を採用することで更に好ましい結果が
得られることは言うまでもない。

【００３２】また、図４に同一の速度で加工した場合と
本発明の加工の形態の比較を示す。従来法の場合は図４
（ａ）の様に点線上にしか加工できないでいるのが、図
４（ｂ）の様に複数のスポットがつながって直線上に加
工できる。

【００３３】

【実施例】次に、本発明の実施例を同一の形式のレーザ
発振器を複数用いてガラス上に構成された薄膜太陽電池
という特定の応用について詳細に述べる。

【００３４】（実施例１）図５は本発明により薄膜太陽
電池のパターニングを行う際の工程の概略断面図を示
す。

【００３５】図５（ａ）においては、２ｍｍの厚さのガ
ラス基板９上に熱ＣＶＤ法などの公知の方法で薄い導電
性酸化物からなる透明電極、例えば酸化亜鉛またはフッ
素をドーピングした酸化錫からなる１μｍの厚さの膜が
析出されている。全面に設けられた電極膜はＮｄ：ＹＡ
Ｇレーザの直接照射によりストライプ上の個別電極１０
に分割される。酸化錫の蒸発温度は非常に高いためレー
ザパルスの強度が要求されることとからビームスポット
を５０μｍに絞ってエネルギー強度を増加させ、Ｑスイ
ッチ周波数１０ｋＨｚ、レーザパワー４Ｗのレーザを３
台用いて加工することで、１００ｃｍ／ｓｅｃの速度で
加工することができた。

【００３６】図５（ｂ）においてはストライプ状電極１
０上に光電変換半導体膜１１、例えば約０．５μｍのア
モルファスシリコンが析出される。これはシランガスを
主な原料ガスとしたＲＦグロー放電析出プロセスにより
行われ、ドーピングガスとしてジボランおよびホスフィ
ンを混合することにより半導体膜１１内にｐ−ｉ−ｎ接
合が形成される。

【００３７】ストライプ状電極１０により規定された個
別の薄膜太陽電池素子を後で直列接続するために、光電
変換膜はストライプ状電極を加工した線に隣接した位置
で除去される。このときは、半導体膜１１の吸収が大き
い領域の波長を有するグリーンのＮｄ：ＹＡＧレーザの
第２高調波が好適に用いられる。このレーザをガラス基
板と透明電極を通してビームスポット１００μｍに収束
して照射した。この場合、除去される部分１２は直線の
必要はなく透明電極と半導体の界面で発生した熱により
半導体ははじけ飛ぶ、この場合、レーザパルスの長さは
２００ｎｓ以下の短いパルスにすると急峻な温度分布が
生じてはじけ飛ぶことが可能である。発明者らの解析に
より、この半導体の加工方法の要点として離散した点状
の加工でも充分であるが、後に付ける金属の応力により
加工点の周辺の膜が剥がれる事故が起こらないために、
加工点の周辺の半導体が強固に透明電極に付着している
必要があることが判った。そのためには、ビームのエネ
ルギー形状が急峻に立ち上がったものである必要があ
り、ＴＥＭ₀₀を用いて１００μｍに集光することがほぼ
適当であることが判明した。

【００３８】この加工においては先述の様にスポットが
離散していても問題ないためＱスイッチ周波数１０ｋＨ
ｚ、レーザパワー２Ｗのレーザを１台用いるだけで１０
０ｃｍ／ｓｅｃの速度で加工することができた。

【００３９】ここで用いた装置では、レーザの光学系を
固定した状態にしておき、ＸＹの方向に基板を移動する
加工テーブルを用いた。加工テーブルは精度を持たせる
ために、ボールネジを用い、位置の検出にはガラススケ
ールを用いて測定し、位置とボールネジのモーターには
クローズドループの帰還制御をかけている。

【００４０】図５（ｃ）はこの方法を用いて加工した状
態を示している。

【００４１】図５（ｄ）では、この状態に裏面電極を構
成し、最初の透明電極の加工線から、半導体を除去した
点線、さらにそれと離して裏面電極を除去して完成した
薄膜太陽電池を示す。裏面電極としては約０．１μｍの
ＺｎＯと０．２μｍのＡｌを積層して反射率を増大させ
て半導体内部での光閉じこめ効果を得る構成とした。こ
のときの加工は、レーザの単一のパルスの条件は、半導
体の加工とほぼ同じであるが、裏面電極の除去部分は連
続した線である必要があるため、加工点のビームスポッ
トを１００μｍとし、Ｑスイッチ周波数１０ｋＨｚ、レ
ーザパワー２Ｗのレーザを２台用いて１００ｃｍ／ｓｅ
ｃの速度で加工することができた。

【００４２】このようにして直列接続のパターニングを
従来の技術では実現不可能な１００ｃｍ／秒で実現する
ことができた。

【００４３】従来の装置では、４０ｃｍ／秒が限界であ
り、装置の台数を増やして対応するしか方法がない。

【００４４】

【発明の効果】以上の様に、本発明によれば、従来の方
法で不可能であった薄膜積層体のレーザ加工の速度を理
論上は集光点の走査系の機械的速度の限界まで高速化す
ることが可能になった。これにより、装置の台数を減ら
すことが可能になりコストを著しく低減することができ
るばかりでなく、運転の際のメンテナンスの手間、工場
の面積の低減が実現した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により薄膜積層体をレーザ加工するため
の装置のブロックダイアグラム

【図２】本発明により薄膜積層体をレーザ加工するため
の装置の複数のレーザ発振器の同期のタイミングの説明
図

【図３】本発明により薄膜積層体をレーザ加工するため
の装置の複数のレーザ発振器からのレーザ光線を一つに
収束する装置要部の模式図

【図４】本発明により薄膜積層体をレーザ加工するため
の装置と、同じＱスイッチ周波数で運転した従来装置の
加工部分の形状の比較

【図５】本発明により薄膜太陽電池を加工する場合の加
工工程図

【符号の説明】

１ａ、１ｂ、１ｃ複数のレーザ発振器２コリメータ、収束光学系３Ｑスイッチトリガー系４アッティネーター、出射光学系５加工光学系６加工走査機構７集光加工点８回転ミラー９ガラス基板１０透明電極ストライプ状電極１１光電変換半導体膜１２半導体膜加工部分１３裏面電極ストライプ状電極

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年１２月２７日（１９９９．１２．
２７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２５】複数のレーザを一つの光束に収束する方法
としてはハーフミラーを用いる方法もあるが、ミラーが
その周波数で動かすことが可能であれば通常のミフーを
用いるのが好ましい。一例として図３の様に回転する９
０度のミラーで同期をかける方法を示した。この方法で
は個別のレーザとミラーが正規の場所にある時に発信す
る様に同期すればよい。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３５】図５（ａ）においては、２ｍｍの厚さのガ
ラス基板９上に熱ＣＶＤ法などの公知の方法で薄い導電
性酸化物からなる透明電極、例えば酸化亜鉛またはフッ
素をドーピングした酸化錫からなる１μｍの厚さの膜が
析出されている。全面に設けられた電極膜はＮｄ：ＹＡ
Ｇレーザの直接照射によりストライプ状の個別電極１０
に分割される。酸化錫の蒸発温度は非常に高いためレー
ザパルスの強度が要求されることとからビームスポット
を５０μｍに絞ってエネルギー強度を増加させ、Ｑスイ
ツチ周波数１０ｋＨｚ、レーザパワー４Ｗのレーザを３
台用いて加工することで、１００ｃｍ／ｓｅｃの速度で
加工することができた。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成された薄膜構成体を、波長
が薄膜の吸収範囲内にあるレーザパルスを照射して、一
部または全部の薄膜層を他の薄膜層からあるいは基板か
ら切り離す薄膜構成体の加工方法において、前記レーザ
パルスの照射元が複数のレーザ発振器と該レーザ発振器
からのレーザ光線を略同一の加工点に集光する光学系で
構成され、前記複数のレーザ発振器のＱスイッチの動作
が同期して動作し、パルス発生のタイミングを相互に調
整できることを特徴とする薄膜構成体のレーザ加工方
法。
【請求項２】前記複数のレーザ発振器のＱスイッチの
周波数が同一であることを特徴とする請求項１記載の薄
膜構成体のレーザ加工方法。
【請求項３】前記複数のレーザ発振器のＱスイッチの
周波数が整数倍で異なることを特徴とする請求項１記載
の薄膜構成体のレーザ加工方法。
【請求項４】前記複数のレーザ発振器のパルス発生タ
イミングが同時であることを特徴とする請求項１、２記
載の薄膜構成体のレーザ加工方法。
【請求項５】前記複数のレーザ発振器のパルス発生タ
イミングがレーザパルス周波数で規定される発生間隔を
レーザ発振器の台数で等分割したタイミングで発生する
様に調整されていることを特徴とする請求項１、２記載
の薄膜構成体のレーザ加工方法。
【請求項６】前記略同一の加工点が加工の進行方向に
ずれていることを特徴とする請求項１、２記載の薄膜構
成体のレーザ加工方法。
【請求項７】レーザは２００ｎｓ以下のパルス長を有
することを特徴とする請求項１〜６記載の薄膜構成体の
レーザ加工方法。
【請求項８】レーザパルス周波数が１〜１００ｋＨｚ
であることを特徴とする請求項１〜７記載の薄膜構成体
のレーザ加工方法。
【請求項９】レーザのＴＥＭ₀₀が使用されることを特
徴とする請求項１〜８記載の薄膜構成体のレーザ加工方
法。
【請求項１０】透明基板を有する薄膜太陽電池のパタ
ーニングに使用されることを特徴とする請求項１〜９記
載の薄膜構成体のレーザ加工方法。
【請求項１１】不透明基板を有する薄膜太陽電池のパ
ターニングに使用されることを特徴とする請求項１〜９
記載の薄膜構成体のレーザ加工方法。
【請求項１２】前記複数のレーザ発振器が同一の形式
のれーざ発振器であることを特徴とする請求項１〜１１
記載の薄膜構成体のレーザ加工方法。