JP2001225182A

JP2001225182A - レーザー加工装置

Info

Publication number: JP2001225182A
Application number: JP2000037779A
Authority: JP
Inventors: Kazutaka Uda; 和孝宇田; Yasuhiro Yamauchi; 康弘山内; Masayoshi Murata; 正義村田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-02-16
Filing date: 2000-02-16
Publication date: 2001-08-21

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザビームを良好に整形して、金属電極の
レーザエッチング加工が切れ味良く実施できるレーザ加
工装置を提供する。【解決手段】パルスレーザと、光強度空間分布を整形
するレンズ系と、被加工材を載置するＸ−Ｙステージ
と、該ステージとパルスレーザとを同期制御する制御装
置とを備えたレーザ加工装置において、前記パルスレー
ザを複数台設置し、かつ、該複数台のパルスレーザから
発射のパルスレーザビームの発射タイミングを同期させ
る同期装置を設置するとともに、発射されるレーザビー
ムを拡散光源に変換する拡散板と、該拡散板に照射して
得られるレーザ拡散光源の像を被加工材表面に結像させ
る集光円柱レンズ系および結像円柱レンズ系と、該レン
ズ系の間に介装されてレーザビームを整形するスリット
と、を設けたことを特徴とするレーザ加工装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アモルファスシリ
コン太陽電池や光センサ等光電変換装置製造用のレーザ
加工装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図５に、従来のアルモルファスシリコン
太陽電池製造用のレーザ加工装置を示し、図９に、製造
された太陽電池の基本構造を示す。

【０００３】図５において、１はパルスレーザであり、
後述の被加工材１１の表面にてパワー密度１〜１０×１
０⁷Ｗ／ｃｍ²程度になる出力を発生するもので、通常Ｙ
ＡＧレーザ（波長０．５３μｍあるいは１．０６μｍ）
及びエキシマレーザ（波長０．２４８μｍ）等が用いら
れる。

【０００４】図５中の１７は第１の円柱レンズであり、
後述のコリメータレンズ１８と組み合わせて用いること
により、レーザビーム４の光強度空間分布を整形する。
１８はコリメータレンズであり、上記第１の円柱レンズ
１７と組み合わせて用いられる。即ち、レーザビーム４
の光強度空間分布は、図６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に
示すように、ガウシアン分布となっているが、これを第
１の円柱レンズ１７及びコリメータレンズ１８によっ
て、図７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すような楕円形
あるいは長方形の光強度空間分布をもつレーザビーム４
に整形する。

【０００５】また、５，５及び８は、それぞれ第１，第
２及び第３の反射鏡であり、上記レーザビーム４を後述
の第２の円柱レンズ１０に導くものである。なお、第
１，第２及び第３の反射鏡５，５及び８を介して第２の
円柱レンズ１０まで伝搬してきたレーザビームをレーザ
ビーム９と呼ぶ。第２の円柱レンズ１０は、上記レーザ
ビーム９の光強度空間分布を、図８の（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）に示すように、幅の狭い長方形分布に整形する。

【０００６】図５中の１１は、被加工材である。１２は
ワークテーブルで、後述の制御装置１３との組み合わせ
により、上記被加工材１１を平面内で任意に移動させる
ことができる。１３は制御装置で、これに内蔵されたマ
イクロコンピュータにより、上記パルスレーザ１により
発射されるレーザ光と同期して、上記ワークテーブル１
２を作動させることができる。なお、１４はレーザビー
ムで、その光強度空間分布は図８の（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）のようになっており、ワークテーブル１２に設置
された被加工材１１の表面に照射される。

【０００７】次に、図５において、図９に示す構造を持
つアモルファスシリコン太陽電池を製造することを例に
とり、以下に説明する。

【０００８】図９は、ガラス基板２０の上に、透明電極
２１ａ〜２１ｃ、ＰＩＮ接合の半導体膜２２ａ〜２２ｃ
及び金属電極２３ａ〜２３ｃが、積層されたものであ
る。金属電極２３ｂは、透明電極２１ｃと電気的に導通
状態であるが、太陽電池の特性上、金属電極２３ａとは
絶縁状態になることが必要である。

【０００９】上記条件を満たすには、図５に示す装置及
び図示しないプラズマＣＶＤ装置及びＡｌ蒸着装置等を
用いて、図１０に示す手順で製造する。

【００１０】即ち、ガラス基板２０に付着している透明
電極２１を図５の装置によりレーザエッチングする（図
１０の（ａ）〜（ｂ）参照）。次に、図示しないプラズ
マＣＶＤ装置により、ｐ型、ｉ型、ｎ型の半導体膜２２
を積層し（図１０の（ｃ）参照）、その後その半導体膜
２２をレーザエッチングする（図１０の（ｄ）参照）。
次に図示しないＡｌ蒸着装置により、Ａｌ膜（金属電
極）２３を蒸着した（図１０の（ｅ）参照）後、そのＡ
ｌ膜２３をレーザエッチングする（図１０の（ｆ）参
照）。

【００１１】さて、上記アモルファスシリコン太陽電池
製造において、先ず、透明電極のレーザエッチングの加
工について説明する。図５において、ワークテーブル１
２の上に透明電極２１付きのガラス基板２０を設置す
る。そして、パルスレーザ１からレーザビーム４を発射
させ、第１の円柱レンズ１７，コリメータレンズ１８，
第１の反射鏡５，第２の反射鏡５，第３の反射鏡８及び
第２の円柱レンズ１０を介して、レーザビーム１４が上
記透明電極２１に照射される。

【００１２】そうすると、レーザビームの出力強度が１
〜１０×１０⁷Ｗ／ｃｍ²程度であれば、上記透明電極２
１に吸収された光エネルギーにより、レーザビーム１４
が照射された部分のみ、上記透明電極２１が蒸発し、図
１０の（ｂ）に示したようなレーザエッチング加工がで
きる。

【００１３】上記アモルファスシリコン太陽電池製造工
程中、半導体膜２２のレーザエッチング加工及び金属電
極２３のレーザエッチング加工についても、上記透明電
極２１のレーザエッチング加工と同様に行う。なお、金
属電極２３のレーザエッチング加工において、レーザビ
ームを金属電極２３付着面の反対側より照射する場合も
ある。この場合、金属電極２３の下地層である半導体膜
２２が気化することにより、レーザエッチング加工形態
は上記の場合と異なっている。以上説明した製造方法に
より、図９に示した構造のアモルファスシリコン太陽電
池が得られる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】従来のレーザ加工装置
によれば、次のような問題がある。（１）レーザエッチングによる金属電極加工において、
レーザビーム光強度空間分布、即ちエネルギー密度分布
が、図８に示すように、周辺部においてなだらかである
ために、切れ味が良くない。これにより、図１１に示す
ように、金属電極２３の溶融物あるいは金属とアモルフ
ァルシリコンの化合物等残留物２４が残存する。その結
果、太陽電池の出力電圧が低下したり、あるいは出力さ
れなくなり、実用に供せられない。（２）レーザエッチングによる金属電極加工において、
レーザビームを金属電力付着面の反対側より照射させた
場合、図１２に示すように、金属電極２３の溶融物が針
状残留物２５，２６として残存する。その結果、この針
状残留物２５，２６が折れ曲がったり、折損してブリッ
ジを組んだりして、太陽電池の出力電圧が低下したり、
あるいは出力されなくなり、実用に供せられない。（３）更に、パルスレーザ装置の出力が小さいと、図４
（ａ）に示すように、パルスレーザ光１発当りの加工痕
跡の長さが短いので、加工速度が遅い。実用上は加工痕
跡の長さとしては１０ｍｍ以上が必要である。（４）上記（１）、（２）の問題点によって程度の差は
あっても、太陽電池製造工程等での歩留り大幅低下の要
因となっている。

【００１５】そこで、本発明の目的は、レーザビームを
良好に整形して金属電極のレーザエッチング加工が切れ
味良く実施できるレーザ加工装置を提供することにあ
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明に係るレーザ加工装置は、次のように構成さ
れる。所定出力のレーザビームを発射するパルスレーザ
と、該レーザビームの光強度空間分布を整形するレンズ
系と、整形後のレーザビームが照射される被加工材を載
置するＸ−Ｙステージと、該Ｘ−Ｙステージと前記パル
スレーザとを同期制御する制御装置とを備えたレーザ加
工装置であって、前記パルスレーザを複数台設置し、か
つ、該複数台のパルスレーザから発射のパルスレーザビ
ームの発射タイミングを同期させる同期装置を設置する
とともに、前記パルスレーザからＸ−Ｙステージまでの
レーザ伝播経路に、発射されるレーザビームを拡散光源
に変換する拡散板と、該拡散板に照射して得られるレー
ザ拡散光源の像を被加工材表面に結像させる集光円柱レ
ンズ系および結像円柱レンズ系と、該レンズ系の間に介
装されてレーザビームを整形するスリットと、を設けた
レーザ加工装置である。

【００１７】すなわち本発明の装置は、複数個のパルス
レーザ装置と、該複数個のパルスレーザ装置より発射さ
れる複数個の所定出力のレーザビームを重ね合せるレー
ザビーム加算光学系と、該加算されたレーザビームの光
強度分布を整形するレンズ系と、前記整形後のレーザビ
ームが照射される被加工材を載置するＸ−Ｙステージ
と、該Ｘ−Ｙステージと前記パルスレーザとを同期制御
する制御装置とを備えており、複数個のパルスレーザ装
置のそれぞれの出射パルスレーザ光が同時に発射するよ
うに、パルス発振器の出力を複数個のパルス遅延回路を
介して該複数個のパルスレーザ装置の出射パルスレーザ
のタイミングを制御するようにしたこと、上記複数個の
パルスレーザビームを重ね合わせるのに、複数個のレー
ザビーム径拡大光学系と１個の拡散板を用いたこと、上
記拡散板より出射するパルスレーザ光を集光円柱レンズ
と矩形スリットを用いて、短冊状断面をもつレーザビー
ムに整形したこと、及び上記矩形スリット上のレーザビ
ームを該Ｘ−Ｙステージ上の被加工材表面に結像するた
め、結像円柱レンズを用いたことを特徴とするレーザ加
工装置である。

【００１８】レーザエッチングに用いる光源の出力は、
パルスレーザ業界の技術レベルにより、例えばパルス幅
２０ｍ秒〜４０ｍ秒、数ｍＪ／パルスというような光強
度上の制約があった。その為、レーザエッチングの切れ
味、加工速度は著しい制約を受けていた。本発明の構成
によれば、現状入手できる最善のパルスレーザ装置の数
倍の出力値が簡単に、安価に実現できる。その結果、従
来困難であったＡｌ薄膜のレーザエッチングが切れ味良
く、加工できるようになった。

【００１９】また、従来装置では、レーザエッチングに
用いる光源がコヒーレント光で、光学系の傷やパーティ
クル付着等ゴミによる回折現象により干渉縞が発生し易
いことに起因して、被加工材表面に、光強度分布の周辺
部がシャープになるようにすることができなかったが、
本発明によれば、レーザビームを拡散板で一度拡散した
後、円柱レンズ系で再び結像すると共にスリットで整形
することにより、被加工材行面での光強度分布の周辺部
がシャープな分布が得られる。即ち、レーザエッチング
での切れ味が著しく向上するのである。更に、パルスレ
ーザビームの強度が、パルスレーザ装置１台の場合よ
り、複数倍強くなるので、図４（ｂ）に示すように、従
来装置に比べ、レーザ加工痕跡が複数倍、例えば図４
（ｂ）では３倍長くなっており、３倍の加工速度が得ら
れる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るレーザ加工装
置を実施例に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の
一実施例を示すレーザ加工装置の構成図、図２は同じく
レーザビーム光強度空間分布の説明図、図３は同じくア
モルファスシリコン太陽電池製造におけるＡｌ膜加工の
説明図である。

【００２１】図１において、１−ａ、１−ｂ及び１−ｃ
は、それぞれ、第１、第２及び第３のパルスレーザ装置
であり、各々、１発のパルスレーザ光当り、数ｍＪ以下
のエネルギーのパルスレーザを発射する。波長は、被加
工材に適したものとしては、例えば半導体膜の場合、
０．５３μｍが好ましく選定される。２−ａ、２−ｂ及
び２−ｃは、それぞれ、第１，第２及び第３のパルス遅
延回路で、後述のパルス発振器と組合せて、第１，第２
及び第３のパルスレーザ装置１−ａ、１−ｂ、１−ｃか
ら発射されるパルスレーザ光の発射タイミングを同期さ
せ、同時に発射させる。３はパルス発振器で、上記第
１、第２及び第３のパルスレーザ装置のパルスレーザ光
発射の同期信号として、パルス電圧を発生する。４−
ａ、４−ｂ及び４−ｃは、それぞれ、第１、第２及び第
３のパルスレーザビームで、上記第１，第２及び第３の
パルスレーザ装置１−ａ、１−ｂ、１−ｃより発射され
る。

【００２２】５−ａ、５−ｂは直角プリズムで、第１の
パルスレーザビーム４−ａを後述の第１の凹レンズ６−
ａへ伝送する。５−ｃ、５−ｄは直角プリズムで、第２
のパルスレーザビーム４−ｂを後述の第２の凹レンズ６
−ｂへ伝送する。５−ｅ、５−ｆは直角プリズムで第３
のパルスレーザビーム４−ｃを、後述の第３の凹レンズ
６−ｃへ伝送する。６−ａ、６−ｂ及び６−ｃは、それ
ぞれ、第１、第２及び第３の凹レンズで、第１、第２及
び第３のパルスレーザビーム４−ａ、４−ｂ、４−ｃの
ビーム径を拡大し、後述の拡散板１００へ伝送する。１
００は拡散板で、第１、第２及び第３のパルスレーザビ
ーム４−ａ、４−ｂ、４−ｃを混合して、かつ、拡散光
に変換する。なお、これはスリガラスあるいはエシュレ
ット格子を用いることで実現可能である。

【００２３】８は反射鏡で、拡散板１００より出射され
た拡散光を、後述の集光円柱レンズ１０１に導くもので
ある。

【００２４】１０１は集光円柱レンズで、拡散板１００
から出射した拡散光を後述の矩形スリット１０２上に集
光する。

【００２５】１０２は矩形スリットで、上記集光レンズ
１０１で結像された拡散板１００の像の周辺部を遮断す
る機能を持つ。なお、上記スリットはタングステンある
いはチタン等の高融点を有する金属を用い、かつ厚みは
数１０μｍ程度が好適である。

【００２６】１０３は結像円柱レンズで、上記スリット
１０２上に結像された拡散板１００の像を通常約１／１
０〜１／１００に縮小して、後述の被加工材１１の面上
に結像させる。

【００２７】１１は被加工材である。１２はＸ−Ｙステ
ージとしてのワークテーブルであり、後述の制御装置１
３と組み合わせて使用することにより、上記被加工材１
１を平面内で任意に移動させることができる。１３は制
御装置で、これに内蔵されたマイクロコンピュータによ
り、上記第１、第２及び第３のパルスレーザ装置１−
ａ、１−ｂ、１−ｃにより発射されるレーザ光と同期し
て、上記ワークテーブル１２を作動させることができ
る。なお、１５はワークテーブル１２に設置された被加
工材１１の表面に照射されるレーザビームで、上記拡散
板１００の像であり、その周辺部分は、図２に示すよう
に、エッジがシャープになっている。

【００２８】次に、本加工装置により、図９に示す構造
を持つアモルファスシリコン太陽電池を製造することを
例にとり、以下説明する。

【００２９】先ず、透明電極のレーザエッチング加工に
ついて説明する。図１において、ワークテーブル１２の
上に透明電極２１付きのガラス基板２０を設置する。そ
して、第１、第２及び第３のパルスレーザ装置１−ａ、
１−ｂ、１−ｃから第１、第２及び第３のパルスレーザ
ビーム４−ａ、４−ｂ、４−ｃを発射させ、それぞれ、
直角プリズム５−ａ、５−ｂと第１の凹レンズ６−ａ、
直角プリズム５−ｃ、５−ｄと第２の凹レンズ６−ｂ、
及び直角プリズム５−ｅ、５−ｆと第３の凹レンズ６−
ｃを介して、拡散板１００を照射する。

【００３０】拡散板１００より出射する拡散光は、反射
鏡８、集光円柱レンズ１０１、矩形スリット１０２及び
結像円柱レンズ１０３を介して、上記透明電極２１に照
射される。なお、その照射面積は通常、幅約３０μｍ〜
約６０μｍ、長さ４ｍｍ〜８ｍｍ程度であり、代表例と
しては、幅約５０μｍ、長さ約５ｍｍである。

【００３１】そうすると、被加工材表面でのレーザ光強
度が１〜１０×１０⁷Ｗ／ｃｍ²程度であれば、上記透明
電極２１に吸収された光エネルギーにより、上記透明電
極２１が蒸発し、図１０の（ｂ）に示したようなレーザ
エッチング加工ができる。

【００３２】上記アモルファスシリコン太陽電池製造工
程中、半導体膜２２のレーザエッチング加工及び金属電
極２３のレーザエッチング加工についても、上記透明電
極２１のレーザエッチング加工と同様に行うことができ
る。ただし、通常、被加工材が半導体膜２２の場合、パ
ルスレーザ１はＹＡＧレーザの波長０．５３μｍを用
い、Ａｌ金属電極２３の場合には、エキシマレーザの波
長０．２４８μｍを用いる。

【００３３】以上説明した装置により、図３に示すよう
に、Ａｌ金属電極２３の接合部２００が理想的に、シャ
ープに加工できる。なお、Ａｌ金属電極２３のレーザエ
ッチング加工結果の状況は、ＳＥＭ（走査型電子顕微
鏡：スキャニング・エレクトロン・マイクロスコープ）
写真で計測、評価することにより、加工状態を確認す
る。

【００３４】なお、本発明は上記実施例に限定されず、
本発明の要旨を逸脱しない範囲で、拡散板やスリット及
び集光レンズ、結像レンズ数の変更等各種変更が可能で
ある。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように本発明のレーザ加工
装置によれば、従来制約があったレーザ光源の出力を増
大可能であり、被加工材表面に照射されるレーザビーム
を光学系を用いて結果的に整形するようにしたため、被
加工材表面でのレーザビーム光強度分布の周辺部が従来
装置に比べ著しくシャープになった。その結果、従来は
困難視されていたＡｌ膜のレーザエッチング加工が、切
れ味良く実施可能となった。したがって、本発明は、ア
モルファスシリコン太陽電池及び光センサ等の製造分野
での工業的価値が著しく大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すレーザ加工装置の構成
図である。

【図２】レーザビーム光強度空間分布の説明図である。

【図３】アモルファスシリコン太陽電池製造における膜
加工の説明図である。

【図４】パルスレーザ装置におけるレーザショットの加
工痕跡の長さを示す図である。

【図５】従来のアルモルファスシリコン太陽電池製造用
のレーザ加工装置の構成図である。

【図６】レーザビームの光強度空間分布を示す図であ
る。

【図７】レンズ系によって整形された楕円形・長方形の
レーザビームの光強度空間分布を示す図である。

【図８】レンズ系によって整形された幅狭い長方形のレ
ーザビームの光強度空間分布を示す図である。

【図９】製造された太陽電池の基本的な層構造を示す図
である。

【図１０】図９に示す構造を持つアモルファスシリコン
太陽電池を製造する際の工程を説明した図である。

【図１１】レーザエッチングによる金属電極加工におい
て、図８に示すような光強度空間分布のレーザビームを
用いて加工した場合の図である。

【図１２】レーザエッチングによる金属電極加工におい
て、レーザビームを金属電力付着面の反対側より照射さ
せた場合の図である。

【符号の説明】

１パルスレーザ装置２パルス遅延回路３パルス発振器４パルスレーザビーム５直角プリズム６凹レンズ８反射鏡９，１４レーザビーム１０，１７円柱レンズ１１被加工材１２ワークテーブル１３制御装置１８コリメータレンズ２０ガラス基板２１透明電極２２半導体膜２３金属電極２４残留物２５，２６針状残留物１００拡散板１０１集光円柱レンズ１０２矩形スリット１０３結像円柱レンズ２００金属電極の接合部

フロントページの続き (72)発明者村田正義長崎県長崎市深堀町五丁目717番地１長菱エンジニアリング株式会社内Ｆターム(参考） 4E068 CD02 CD05 CD10 CD13 DA09 5F072 AA06 AB02 JJ20 KK12 KK30 MM08 MM09 MM17 QQ02 RR01 RR03 RR05 SS06 YY06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定出力のレーザビームを発射するパル
スレーザと、該レーザビームの光強度空間分布を整形す
るレンズ系と、整形後のレーザビームが照射される被加
工材を載置するＸ−Ｙステージと、該Ｘ−Ｙステージと
前記パルスレーザとを同期制御する制御装置とを備えた
レーザ加工装置において、前記パルスレーザを複数台設置し、かつ、該複数台のパ
ルスレーザから発射のパルスレーザビームの発射タイミ
ングを同期させる同期装置を設置するとともに、前記パ
ルスレーザからＸ−Ｙステージまでのレーザ伝播経路
に、発射されるレーザビームを拡散光源に変換する拡散
板と、該拡散板に照射して得られるレーザ拡散光源の像
を被加工材表面に結像させる集光円柱レンズ系および結
像円柱レンズ系と、該レンズ系の間に介装されてレーザ
ビームを整形するスリットと、を設けたことを特徴とす
るレーザ加工装置。