JP2008238229A - Laser beam machining method and apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インラインで供給される被加工物に対してガルバノスキャンミラーを用いてレーザ光を走査し、この被加工物上に予め形成した1次パターニングラインを基準として2次パターニングラインを形成するレーザ加工技術に関し、特に、太陽電池用の薄膜パターン形成に好適なレーザ加工方法および装置に関する。 In the present invention, a workpiece supplied in-line is scanned with laser light using a galvano scan mirror, and a secondary patterning line is formed on the basis of a primary patterning line previously formed on the workpiece. More particularly, the present invention relates to a laser processing method and apparatus suitable for forming a thin film pattern for a solar cell.
薄膜太陽電池は、単一の領域に第1電極、薄膜半導体層からなる光電変換層、および第2電極の3層が積層された光電変換素子(または太陽電池素子)が、フレキシブルな絶縁性基板上に多数並設され、それらが相互に直列接続されることで、単位モジュールを構成している。 In a thin film solar cell, a photoelectric conversion element (or solar cell element) in which three layers of a first electrode, a thin film semiconductor layer, and a second electrode are stacked in a single region is a flexible insulating substrate. A large number of units are arranged in parallel, and they are connected in series to form a unit module.
すなわち、ある光電変換素子の第1電極と、それに隣接する光電変換素子の第2電極とが電気的に接続され、並設されたすべての光電変換素子間でこのような直列接続がなされることで、単位モジュールの一端に位置した光電変換素子の第1電極と、他端に位置した光電変換素子の第2電極との間に、所望する電圧を出力させることができる。例えば、インバータを用いて交流100Vの商用電力源を得るためには、100V以上の直流電圧を出力させるようにすることが望ましく、実用的なモジュールでは、数十個以上の光電変換素子が直列に接続される。 That is, the first electrode of a certain photoelectric conversion element and the second electrode of the photoelectric conversion element adjacent thereto are electrically connected, and such a series connection is made between all the photoelectric conversion elements arranged in parallel. Thus, a desired voltage can be output between the first electrode of the photoelectric conversion element positioned at one end of the unit module and the second electrode of the photoelectric conversion element positioned at the other end. For example, in order to obtain a commercial power source of AC 100V using an inverter, it is desirable to output a DC voltage of 100V or more. In a practical module, several tens or more photoelectric conversion elements are connected in series. Connected.
上記のような光電変換素子の直列接続構造は、各電極層および光電変換層の成膜と各層のパターニング、およびそれらの組み合わせ手順により形成される。このうちパターニングでは、前工程で加工された1次パターニングラインに重ねて2次パターニングラインを加工する必要がある。このような加工には、位置決めの精度が高く、微細なパターニングラインの形成が可能なレーザ加工が適している。 The series connection structure of the photoelectric conversion elements as described above is formed by film formation of each electrode layer and photoelectric conversion layer, patterning of each layer, and a combination procedure thereof. Among these, in patterning, it is necessary to process the secondary patterning line so as to overlap the primary patterning line processed in the previous step. For such processing, laser processing with high positioning accuracy and capable of forming a fine patterning line is suitable.
図6は、従来のレーザ加工装置の構成例を示している。このレーザ加工装置は、フィルム基板1上の薄膜に形成された1次パターニングライン上に、レーザ照射により薄膜を除去し、2次パターニングラインを重ねて加工するために、フィルム基板1の巻き出しロール2と、加工済みのフィルム基板1の巻き取りロール3を備えており、巻き出しロール2から巻き取りロール3に至るフィルム基板1の搬送経路に加工処理ステージ40が設けられている。
FIG. 6 shows a configuration example of a conventional laser processing apparatus. This laser processing apparatus removes the thin film by laser irradiation on the primary patterning line formed on the thin film on the film substrate 1 and rolls the secondary patterning line to process the unrolling roll of the film substrate 1. 2 and a
加工処理ステージ40は、フィルム基板1にレーザ光を照射して、2次パターニングラインを加工するための領域であり、この加工処理ステージ40に搬送されたフィルム基板1は、該フィルム基板1上に設けられているマーカホールを位置決めセンサ4が検出することにより、加工処理ステージ40に位置決めされて停止され、加工処理ステージ40に吸着固定されるようになっている。
The processing stage 40 is an area for irradiating the film substrate 1 with laser light to process a secondary patterning line. The film substrate 1 conveyed to the processing stage 40 is placed on the film substrate 1. When the
加工処理ステージ40の下方には、加工光学ユニット41が設けられている。この加工光学ユニット41は、X−Yステージ42上に搭載されており、レーザ発振器43から出射されたレーザ光が、光ファイバからなるファイバ光学系44を通じて加工光学ユニット41に入射されるように構成されている。加工光学ユニット41に入射されたレーザ光は、該加工光学ユニット41内の入射光学系41aを通じて、特定の波長のみ反射するダイクロイックミラー41bに入射され、加工処理ステージ40の方向に反射される。
A processing optical unit 41 is provided below the processing stage 40. The processing optical unit 41 is mounted on an
そして、ダイクロイックミラー41bで反射されたレーザ光は、出射光学系41cによりフィルム基板1上の薄膜に焦点が合うように調整されてフィルム基板1に照射される。これと共に、X−Yステージ42の動作により、加工光学ユニット41がフィルム基板1に平行なX−Y方向に移動され、フィルム基板1上にレーザ光が走査される。
Then, the laser light reflected by the dichroic mirror 41b is adjusted by the emission optical system 41c so as to be focused on the thin film on the film substrate 1, and is irradiated onto the film substrate 1. At the same time, the processing optical unit 41 is moved in the XY direction parallel to the film substrate 1 by the operation of the
また、ダイクロイックミラー41bの下方には、CCD(電荷結合素子)カメラ等からなる撮像部41dが、レーザ光と光軸が一致するように設けられている。この撮像部41dは、レーザ光が照射されたフィルム基板1上の領域を、ダイクロイックミラー41b(ハーフミラー)を介して撮像する。 An imaging unit 41d made of a CCD (charge coupled device) camera or the like is provided below the dichroic mirror 41b so that the laser beam and the optical axis coincide. The imaging unit 41d images an area on the film substrate 1 irradiated with the laser light via a dichroic mirror 41b (half mirror).
さらに、このレーザ加工装置は、上記の各機構を制御するための処理機能ブロックとして、画像処理ユニット45と、制御ユニット46とを具備している。画像処理ユニット45は、振像部41dによって撮像された画像信号の入力を受けて画像処理を行い、フィルム基板1の薄膜上に形成された1次パターニングラインの基準位置座標を検出して、位置情報として制御ユニット46に出力する。制御ユニット46は、画像処理ユニット45からの位置情報を基に、後述する位置ずれを補正しながらX−Yステージ42およびレーザ発振器43の動作を制御し、2次パターニングラインの加工を実行させる。
Further, the laser processing apparatus includes an image processing unit 45 and a
ところで、実用的なモジュールにおける光電変換素子の形成では、1次パターニング工程と2次パターニング工程との間に熱処理工程が行われるため、フィルム基板1への熱影響によりパターニングエリアにずれが生じる場合がある。また、フィルム基板1の搬送時における蛇行や、位置決め精度の誤差等の影響により、制御ユニット46からの指示に基づくX−Yステージ42の座標系と、実際にフィルム基板1上に形成された1次パターニングエリアの座標系との間にずれが生じる場合もある。
By the way, in the formation of a photoelectric conversion element in a practical module, since a heat treatment process is performed between the primary patterning process and the secondary patterning process, the patterning area may be shifted due to the thermal effect on the film substrate 1. is there. The coordinate system of the
そこで、制御ユニット46は、画像処理ユニット45からの位置情報に応じて、上記のような位置ずれを補正した位置情報を算出し、X−Yステージ42に指定するようにしている。このような位置ずれを補正するためのアラインメント手順は、例えば以下のように行われる。
Therefore, the
まず、フィルム基板1上の1次パターニングエリアの始端部および終端部の各近傍領域において、1次パターニングラインの交点を基準位置として指定しておく。そして、X−Yステージ42を駆動して、これらの領域を撮像部41dにより撮像する。この撮像画像に基づいて画像処理ユニット45が各基準位置の座標を検出し、制御ユニット46に出力する。制御ユニット46は、これらの基準位置座標を基に、X−Yステージ42の座標系と1次パターニングエリアの座標系との間の位置ずれに対して、位置および角度の補正を行う。
First, the intersection of the primary patterning lines is designated as a reference position in each of the areas near the start and end of the primary patterning area on the film substrate 1. Then, the
次に、1次パターニングラインと重ね合わせて2次パターニングラインを加工する際には、上記の各基準位置間において、加工を行う1次パターニングライン上の交点を撮像部41dにより撮像して、この交点の座標を画像処理によって取得する。そして、制御ユニット46は、この座標を基にX−Yステージ42およびレーザ発振器43を制御し、2次パターニングラインを加工する。同様にして、加工対象の交点の取得と加工処理とを繰り返すことで、パターニングエリア上の全域で2次パターニングラインが形成される。
Next, when processing the secondary patterning line by overlapping with the primary patterning line, the intersection on the primary patterning line to be processed is imaged by the imaging unit 41d between the reference positions, The coordinates of the intersection are acquired by image processing. Then, the
このようなレーザ加工装置を用いたパターニング工程では、加工光学ユニット41をX−Yステージ42上で移動させて加工を行うために、レーザ発振器43と加工光学ユニット41とがファイバ光学系44を介して接続されていることや、加工光学ユニット41等の移動体の慣性負荷が大きくなること等により、レーザ光の走査速度の高速化が困難であり、生産性が低いという問題があった。
In the patterning process using such a laser processing apparatus, the
これに対して、レーザ光の走査にX−Yステージを使用せず、慣性負荷を小さくして高速でレーザ光を照射できる方法として、ガルバノスキャニング方式が知られている。ガルバノスキャニング方式では、2枚の反射ミラーをモータ等の回転駆動機構により回転される構造を有するガルバノスキャンミラーを用い、レーザ発振器からの出射光の反射角度を変化させることで、フィルム基板上でX−Y方向に高速に走査させることが可能となる。 On the other hand, a galvano scanning method is known as a method capable of irradiating a laser beam at a high speed by reducing an inertia load without using an XY stage for scanning the laser beam. In the galvano scanning method, a galvano scan mirror having a structure in which two reflection mirrors are rotated by a rotary drive mechanism such as a motor is used, and the reflection angle of light emitted from the laser oscillator is changed, so that X is reflected on the film substrate. It becomes possible to scan in the −Y direction at high speed.
このようなガルバノスキャニング方式のレーザ加工装置のうち、大面積への加工を目的としたFθレンズを用いないレーザ加工装置では、あらかじめプログラムされた数値データを基にレーザ光を走査させる方法が一般的に採られている。特許文献1には、このようなレーザ加工装置において、連続シート状の被加工物に予め設けられた特定パターンを、固定または停止状態において撮像カメラで撮像して基準位置からのずれ量を検出し、XYガルバノミラーおよびスキャンレンズを用いてレーザ光を走査させる際に、検出したずれ量に基づいて補正する方法が開示されている。 Among such galvano-scanning laser processing apparatuses, a laser processing apparatus that does not use an Fθ lens intended for processing on a large area generally uses a method of scanning laser light based on pre-programmed numerical data. Has been adopted. In Patent Document 1, in such a laser processing apparatus, a specific pattern provided in advance on a continuous sheet-like workpiece is imaged with an imaging camera in a fixed or stopped state, and a deviation amount from a reference position is detected. , A method of correcting based on a detected amount of deviation when scanning a laser beam using an XY galvanometer mirror and a scan lens is disclosed.
また、特許文献2には、ガルバノスキャニング方式を用いて、被加工物上に形成されている1次パターニングラインを基準とした位置に2次パターニングラインを形成するレーザ加工装置において、位置測定のための撮像位置に配置して被加工物の被加工面を撮像し、その撮像信号を基に1次パターニングライン上の複数点の位置座標値を算出する位置測定工程と、レーザ照射のための加工位置に被加工物を配置して、位置測定工程により算出された位置座標値に基づいてレーザ光の走査位置を補正する方法が開示されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228561 uses a galvano scanning method to measure a position in a laser processing apparatus that forms a secondary patterning line at a position based on a primary patterning line formed on a workpiece. A position measurement step of imaging a processing surface of a workpiece placed at the imaging position and calculating position coordinate values of a plurality of points on the primary patterning line based on the imaging signal, and processing for laser irradiation A method is disclosed in which a workpiece is arranged at a position and the scanning position of the laser beam is corrected based on the position coordinate value calculated by the position measuring step.
上記特許文献1に開示されたレーザ加工装置における位置ずれ補正方法では、画像処理による位置ずれ量の検出に際して、被加工物に予め設けた特定パターンを用いるため、前工程においてその被加工物に形成された任意の1次パターニングラインに、熱影響等による位置ずれが生じていた場合に、この位置ずれは補正に反映されないので、補正精度が低い上、応用範囲も狭いという問題があった。 In the misalignment correction method in the laser processing apparatus disclosed in Patent Document 1 above, a specific pattern provided in advance on the workpiece is used when detecting the misalignment amount by image processing. In the case where a position shift due to a thermal effect or the like has occurred in any given primary patterning line, this position shift is not reflected in the correction, so that there is a problem that the correction accuracy is low and the application range is narrow.
また、上記特許文献2に開示されたレーザ加工装置における位置ずれ補正方法では、画像処理による1次パターニングラインの位置測定工程と、2次パターニングラインの加工工程とが分離されているため、全体としての工程に時間を要する上、位置測定工程での撮像光学系と、加工工程でのレーザ光学系との間の光軸ずれにより、補正精度が低下するという問題があった。
Moreover, in the position shift correction method in the laser processing apparatus disclosed in
本発明はこのような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、被加工物上に形成された1次パターニングラインに基づいて、2次パターニングラインを高速かつ高精度に加工することが可能なレーザ加工方法および装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object thereof is to process a secondary patterning line at high speed and with high accuracy based on a primary patterning line formed on a workpiece. It is an object of the present invention to provide a laser processing method and apparatus capable of performing the above.
上記従来技術の有する課題を解決するため、本発明のレーザ加工方法は、インラインで供給される被加工物に対してガルバノスキャンミラーを用いてレーザ光を走査し、前記被加工物上に形成されている1次パターニングラインを基準とした所定の位置に2次パターニングラインを形成するレーザ加工方法において、
レーザ加工中に、前記1次パターニングラインと前記被加工物の被加工面でのレーザ反射光とを撮像して得られた画像上で1次パターニングラインとレーザ反射光の相対位置を検出し、該検出された相対位置と、1次パターニングラインを基準とした2次パターニングラインの所定の位置とを比較して補正量を検出し、それに基づいてレーザ光の走査位置を補正することを特徴とする。
In order to solve the above-described problems of the prior art, the laser processing method of the present invention is formed on the workpiece by scanning the workpiece supplied in-line with a laser beam using a galvano scan mirror. In a laser processing method for forming a secondary patterning line at a predetermined position with reference to the primary patterning line,
Detecting a relative position between the primary patterning line and the laser reflected light on an image obtained by imaging the primary patterning line and the laser reflected light on the processing surface of the workpiece during laser processing; Comparing the detected relative position with a predetermined position of the secondary patterning line with reference to the primary patterning line, a correction amount is detected, and the scanning position of the laser beam is corrected based thereon. To do.
上記レーザ加工方法において、レーザ加工の開始前に、前記被加工物を損傷しない低強度のレーザ光を照射し、前記1次パターニングラインと前記被加工物の被加工面での低強度レーザ反射光とを撮像して得られた画像上で1次パターニングラインと低強度レーザ反射光の相対位置を検出し、該検出された相対位置と、1次パターニングラインを基準とした2次パターニングラインの所定の位置とを比較して初期補正量を検出し、それに基づいてレーザ光の走査開始位置を補正し、次いで、加工可能な強度にてレーザ加工を開始することが好適である。 In the laser processing method, before starting laser processing, low-intensity laser light that does not damage the workpiece is irradiated, and low-intensity laser reflected light on the primary patterning line and the processing surface of the workpiece. The relative position of the primary patterning line and the low-intensity laser reflected light is detected on the image obtained by imaging the image, and a predetermined secondary patterning line is determined based on the detected relative position and the primary patterning line. It is preferable that the initial correction amount is detected by comparing with the position of the laser beam, the laser beam scanning start position is corrected based on the detected initial correction amount, and then laser processing is started at a workable intensity.
上記レーザ加工方法において、前記補正量を検出する工程が、前記画像上でレーザ反射光の中心位置を検出し、その中心位置を基準とした所定の位置に、少なくとも2つの検出領域を設定し、これら2つの検出領域の平均輝度の差から補正量を算出する画像処理工程を含むことが好適である。 In the laser processing method, the step of detecting the correction amount detects the center position of the laser reflected light on the image, sets at least two detection areas at predetermined positions with reference to the center position, It is preferable to include an image processing step of calculating a correction amount from the difference in average luminance between these two detection areas.
また、本発明は、上記レーザ加工方法を実施するための装置として、
前記被加工物の被加工面に対してガルバノスキャンミラーを用いてレーザ光を走査するためのレーザ光学系と、
前記1次パターニングラインと前記被加工物の被加工面でのレーザ反射光とを撮像する撮像手段と、
前記撮像手段により撮像して得られた画像上で1次パターニングラインとレーザ反射光の相対位置を検出し、検出された相対位置と、1次パターニングラインを基準とした2次パターニングラインの所定の位置とを比較して補正量を検出する補正量検出手段と、
を備え、前記補正量に基づいてレーザ光の走査位置を補正可能なレーザ加工装置を構成した。
The present invention also provides an apparatus for carrying out the laser processing method.
A laser optical system for scanning the processing surface of the workpiece with a laser beam using a galvano scan mirror;
Imaging means for imaging the primary patterning line and the laser reflected light on the workpiece surface of the workpiece;
A relative position between the primary patterning line and the laser reflected light is detected on an image obtained by imaging by the imaging means, and a predetermined position of the secondary patterning line based on the detected relative position and the primary patterning line is determined. Correction amount detection means for detecting a correction amount by comparing the position;
And a laser processing apparatus capable of correcting the scanning position of the laser beam based on the correction amount.
上記レーザ加工装置において、前記レーザ光学系は、レーザ光を減衰する減衰器を含むことが好適である。
また、前記撮像手段は、前記レーザ発振器と前記ガルバノスキャンミラーとの間に挿入され、レーザ光の波長の光とレーザ光の波長を含まない光のうち、いずれか一方を透過させ他方を反射させることにより、レーザ光の波長の光からレーザ光の波長を含まない光を分離するダイクロイックミラーと、前記レーザ光の波長の光を減衰させる波長フィルタと、を備え、前記ガルバノスキャンミラー、前記ダイクロイックミラー、および、前記波長フィルタを介して、前記1次パターニングラインと前記被加工物の被加工面でのレーザ反射光とを撮像可能であることが好適である。
In the laser processing apparatus, it is preferable that the laser optical system includes an attenuator that attenuates laser light.
The imaging means is inserted between the laser oscillator and the galvano scan mirror, and transmits one of the light having the wavelength of the laser light and the light not including the wavelength of the laser light, and reflects the other. A dichroic mirror that separates light that does not include the wavelength of the laser light from light having the wavelength of the laser light, and a wavelength filter that attenuates light having the wavelength of the laser light, and the galvano scan mirror and the dichroic mirror It is preferable that the primary patterning line and the laser reflected light on the processing surface of the workpiece can be imaged via the wavelength filter.
また、前記補正量検出手段は、前記撮像手段により撮像された画像上で前記レーザ反射光の中心位置を検出し、その中心位置を基準とした所定の位置に、少なくとも2つの検出領域を設定し、これら2つの検出領域の平均輝度の差から補正量を算出する画像処理手段を含むことが好適である。
さらに、前記撮像手段の撮像範囲を、前記レーザ光の光軸と異なる方向から照明する照明手段をさらに備えていることが好適である。
Further, the correction amount detection means detects the center position of the laser reflected light on the image picked up by the image pickup means, and sets at least two detection areas at predetermined positions based on the center position. It is preferable to include image processing means for calculating a correction amount from the difference in average luminance between these two detection areas.
Furthermore, it is preferable to further include illumination means for illuminating the imaging range of the imaging means from a direction different from the optical axis of the laser light.
本発明のレーザ加工方法および装置は、上述のように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。 Since the laser processing method and apparatus of the present invention are configured as described above, the following effects can be obtained.
1次パターニングラインとレーザ反射光とを撮像して、1次パターニングラインと加工される2次パターニングラインとの位置ずれを、レーザ加工中にリアルタイムで補正しながら、レーザ光を走査させて2次パターニングラインを加工することができ、被加工物の搬送時の蛇行や位置決め精度の影響等による加工位置での被加工物の位置ずれは勿論、熱影響等による被加工物上の1次パターニングラインの位置ずれをも補正することが可能となり、高速かつ高精度のレーザ加工を行うことができる。 The primary patterning line and the laser reflected light are imaged, and the laser beam is scanned and the secondary pattern is corrected in real time during laser processing while correcting the positional deviation between the primary patterning line and the processed secondary patterning line. The patterning line can be processed, and the primary patterning line on the workpiece due to thermal influence as well as the workpiece displacement at the machining position due to meandering during positioning of the workpiece and positioning accuracy, etc. It is possible to correct the misalignment of the laser beam, and high-speed and high-precision laser processing can be performed.
また、1次パターニングラインを基準とした補正量検出と、それに基づくレーザ走査位置の補正を、レーザ加工と共通の光学系を介して加工と同時に行えるため、1次パターニングラインの位置を測定する別の工程が不要となり、加工全体の工程時間を短縮することが可能である。 Further, since the correction amount detection based on the primary patterning line and the correction of the laser scanning position based on the detection can be performed simultaneously with the processing via the optical system common to the laser processing, the measurement of the position of the primary patterning line is possible. This process is unnecessary, and the process time of the entire processing can be shortened.
さらに、レーザ反射光の位置を基準として、補正量を検出するようにしたことで、レーザ光学系の光軸と撮像手段の光軸とにずれが発生した場合でも、正確な補正量を検出することが可能であり、温度変化、経年変化等による光軸ずれの較正が不要となり、保守性を向上するとともに維持コストを低減することが可能となる。 Further, since the correction amount is detected with reference to the position of the laser reflected light, an accurate correction amount is detected even when a deviation occurs between the optical axis of the laser optical system and the optical axis of the imaging means. This eliminates the need for calibration of the optical axis deviation due to temperature change, secular change, etc., improving maintainability and reducing maintenance costs.
また、レーザ加工の開始前に、被加工物を損傷しない低強度のレーザ光を照射して初期補正量を検出し、それに基づいてレーザ光の走査開始位置を補正し、次いで、加工可能な強度にてレーザ加工を開始する態様では、レーザ加工と共通の光学系を介して、加工中の補正量検出と同様の制御でレーザ光の走査開始位置を補正でき、加工開始から加工終了に至る全工程で高精度のレーザ加工を行うことができるとともに、制御系が簡素化される利点もある。 Also, before starting laser processing, irradiate a low-intensity laser beam that does not damage the workpiece, detect the initial correction amount, correct the laser beam scanning start position based on it, and then processable intensity In the mode in which laser processing is started, the laser beam scanning start position can be corrected by the same control as the correction amount detection during processing through an optical system common to laser processing. High-precision laser processing can be performed in the process, and there is an advantage that the control system is simplified.
1次パターニングラインを基準とした補正量の検出工程または手段が、画像上でレーザ反射光の中心位置を検出し、その中心位置を基準とした所定の位置に、少なくとも2つの検出領域を設定し、これら2つの検出領域の平均輝度の差から補正量を算出する画像処理工程または手段を含む態様では、加工範囲全体の照度分布に関係なく、撮像領域における相対的な輝度差から正確な補正量を検出することが可能である。 A correction amount detection step or means based on the primary patterning line detects the center position of the laser reflected light on the image, and sets at least two detection areas at predetermined positions based on the center position. In an aspect including an image processing step or means for calculating a correction amount from a difference in average luminance between these two detection areas, an accurate correction amount can be obtained from a relative luminance difference in the imaging region regardless of the illuminance distribution in the entire processing range. Can be detected.
また、前記撮像手段の撮像範囲を、前記レーザ光の光軸と異なる方向から照明する照明手段を備えることにより、1次パターニングラインの加工領域と未加工領域との輝度差が明確になり、一層正確な補正量の検出が可能となる。 Further, by providing illumination means for illuminating the imaging range of the imaging means from a direction different from the optical axis of the laser beam, the brightness difference between the processed area and the unprocessed area of the primary patterning line becomes clear, and further An accurate correction amount can be detected.
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図1は本発明実施形態のレーザ加工装置の概略を示す構成図である。図1に示すレーザ加工装置は、フィルム基板1上に形成された薄膜に対してレーザ照射を行い、当該部分における薄膜を除去して所定のパターンを形成するための装置であり、特に、前工程においてフィルム基板1上の薄膜に形成された1次パターニングラインを基準とした所定の位置に2次パターニングラインを正確に加工するものである。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on illustrated embodiments.
FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of a laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention. The laser processing apparatus shown in FIG. 1 is an apparatus for forming a predetermined pattern by irradiating a thin film formed on a film substrate 1 with a laser and removing the thin film in the portion. The secondary patterning line is accurately processed at a predetermined position based on the primary patterning line formed on the thin film on the film substrate 1.
このレーザ加工装置は、フィルム基板1の巻き出しロール2と、加工済みのフィルム基板1の巻き取りロール3を備えており、巻き出しロール2から巻き取りロール3に至るフィルム基板1の搬送経路に加工処理ステージ10が設けられている。
This laser processing apparatus includes an
加工処理ステージ10は、フィルム基板1にレーザ光を照射して、2次パターニングラインを加工するための領域であって、フィルム基板1のパスラインに沿って配設された平坦面に多数の吸着用孔を備えている。この加工処理ステージ10に搬送されたフィルム基板1は、該フィルム基板1上に設けられているマーカホールを位置決めセンサ4が検出することにより、加工処理ステージ10に位置決めされて停止され、次いで、吸着用孔に吸引を生じさせることで吸着固定されるようになっている。
The processing stage 10 is an area for irradiating the film substrate 1 with laser light to process a secondary patterning line, and a large number of adsorptions are made on a flat surface arranged along the pass line of the film substrate 1. It has a hole. The film substrate 1 transported to the processing stage 10 is positioned and stopped by the processing stage 10 when the
加工処理ステージ10の下方には、加工処理ステージ10に位置決めされたフィルム基板1に対してレーザを照射するためのレーザ光学系が設けられている。このレーザ光学系は、レーザ発振器11、減衰器12、焦点調整ユニット13およびガルバノスキャンミラー14などから構成されている。なお、加工処理ステージ10およびレーザ光学系は、図示しない遮光部材(加工室)で覆われ、外乱光が遮断される一方、加工処理ステージ10をレーザの光軸と異なる方向から照らす照明ランプ(図示せず)が設けられている。
Below the processing stage 10, a laser optical system for irradiating the film substrate 1 positioned on the processing stage 10 with a laser is provided. The laser optical system includes a
レーザ発振器11は、フィルム基板1上の薄膜を加工するためのレーザ光を出射するレーザ光源であり、波長変換ユニットを含むNd:YAGレーザ発振器が好適であるが、加工材料の種類に応じて、YAG、YLF、YVO等のレーザ光を用いることもできる。減衰器12は、レーザ光源から出射されたレーザ光がフィルム基板上で所望の光量を有するように該レーザ光を減衰させる機能を有し、後述する初期補正量検出時の低光量レーザと、レーザ加工時のレーザ光量とを切換可能な光減衰器、または可変光減衰器を用いることができる。焦点調整ユニット13は、レーザ発振器11からの出射光がフィルム基板1上で結像するようにその焦点を調整可能な集光レンズ等で構成されている。
The
ガルバノスキャンミラー14は、それぞれ加工面上におけるX−Y方向への走査に対応した一対の反射ミラー(ガルバノミラー)と、それらを回動させるサーボモータ等の回転駆動機構から構成されており、レーザ発振器11からの出射光を反射させて加工処理ステージ10に導くとともに、その反射角を変化させることによって、加工処理ステージ10に配置されたフィルム基板1上で、レーザ光をX−Y方向に高速に走査することが可能である。
The
また、レーザ発振器11とガルバノスキャンミラー14の間には、レーザ光の波長は透過し、それ以外の波長の光は反射するダイクロイックミラー15(ビームスプリッタ)が設けられ、ダイクロイックミラー15からの反射光の光軸に沿って波長フィルタ16と撮像部17が設けられている。この撮像部17は、CCDカメラ等の撮像手段で構成されており、波長フィルタ16、ダイクロイックミラー15およびガルバノスキャンミラー14を介して、レーザ光が照射されるフィルム基板1上の領域および該領域で反射されたレーザ反射光を撮像可能である。
Further, a dichroic mirror 15 (beam splitter) is provided between the
さらに、このレーザ加工装置は、上記の各機構を制御するための処理機能ブロックとして、面像処理ユニット21と、制御ユニット22とを具備している。
Further, the laser processing apparatus includes a surface image processing unit 21 and a
画像処理ユニット21は、撮像部17によって撮像された画像を基に2次パターニングラインを形成するための補正量を検出し、その補正量を制御ユニット22に出力する。上記撮像部17によって撮像された画像データにおいて、1次パターニングラインが加工された領域は、薄膜が除去されることによってフィルム面が露出し、未加工領域に比べて表面が平滑になるため、拡散反射が起き難く、照明光は正反射され、反射光がガルバノスキャンミラー14に到達しないので、低輝度領域となる。一方、未加工領域では、フィルム基板1の表面にスパッタリングやプラズマCVDなどの成膜工程で形成された金属電極膜や半導体膜が残存しており、これらの表面はフィルム面に比べて粗面であるため、照明光が拡散反射され、反射光がガルバノスキャンミラー14に到達するので、高輝度領域となる。従って、このような画像データの輝度情報から1次パターニングラインが加工された領域を識別可能である。
The image processing unit 21 detects a correction amount for forming the secondary patterning line based on the image captured by the
制御ユニット22は、制御プログラムや加工情報を予め記憶させておくための記憶手段を含み、該記憶手段から得られる所定の座標値と画像処理ユニット21から出力された補正量に基づいて、レーザ発振器11、減衰器12、焦点調整ユニット13およびガルバノスキャンミラー14の動作を制御し、加工処理ステージ10上のフィルム基板1に対して、位置ずれが補正された正確なレーザ光が照射されるようにするものである。
The
次に、上記実施形態に基づくレーザ加工装置の動作の概要について、1次パターニングラインを基準とした所定の位置に2次パターニングラインを形成するレーザ加工工程に沿って図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明においては、理解を容易にするため、1次パターニングラインの中心に2次パターニングラインを加工する場合を例に述べる。 Next, an outline of the operation of the laser processing apparatus based on the above embodiment will be described with reference to the drawings along a laser processing step of forming a secondary patterning line at a predetermined position with reference to the primary patterning line. In the following description, for ease of understanding, a case where a secondary patterning line is processed at the center of the primary patterning line will be described as an example.
図2は、上記のレーザ加工装置における2次パターニングラインの加工工程の流れを示すフローチャートであり、1つの1次パターニングエリアに対して、2次パターニングラインの加工が終了するまでの工程を示している。 FIG. 2 is a flowchart showing the flow of a secondary patterning line processing step in the laser processing apparatus described above, and shows the steps until the secondary patterning line processing is completed for one primary patterning area. Yes.
先ず、ステップS11では、巻き出しロール2および巻き取りロール3を回転させてフィルム基板1を搬送し、位置決めセンサ4の検出信号により搬送を停止することで、フィルム基板1上の加工対象となる1次パターニングエリアが加工処理ステージ10に位置決めされ、その状態でフィルム基板1が加工処理ステージ10に吸着固定される。なお、フィルム基板1の巻き取りや吸着の動作は、制御ユニット22、あるいは図示しない他の制御回路によって制御される。
First, in step S11, the unwinding
次に、ステップS12では、補正量を検出するための領域の設定が行われる。図3は、ステップS12の詳細を示すフローチャートであり、図4は、画像上のレーザ反射光の位置と、2つの補正量検出領域A,Bの関係を示す模式図である。なお、図4において、ガルバノスキャンミラー14の走査方向は上下方向となっている。
Next, in step S12, an area for detecting the correction amount is set. FIG. 3 is a flowchart showing details of step S12, and FIG. 4 is a schematic diagram showing the relationship between the position of the laser reflected light on the image and the two correction amount detection areas A and B. In FIG. 4, the scanning direction of the
このステップS12では、ステップS121において、制御ユニット22により、減衰器12を制御して、フィルム基板1に損傷を与えない程度の強度にレーザ光量を調整し、この低光量レーザ光をフィルム基板1に照射する。次いで、ステップS122では、レーザ反射光を撮像部17により撮像し、画像処理ユニット21によりレーザ反射光の中心位置Cを検出する。
In this step S12, in step S121, the
続いて、ステップS123では、レーザ反射光の中心位置Cを基準に、2つの補正量検出領域A,Bを設定する。このとき、補正量検出領域A,B間の中心位置Dは、レーザ反射光の中心位置Cに対して、2次パターニングラインの加工内容に応じた所定量だけ左右方向にずれた位置に設定し、各補正量検出領域A,Bは、それらの左右方向の中心が仮想1次パターニングラインEの左右のエッジと一致する位置に設定する。 Subsequently, in step S123, two correction amount detection areas A and B are set based on the center position C of the laser reflected light. At this time, the center position D between the correction amount detection areas A and B is set to a position shifted in the left-right direction by a predetermined amount corresponding to the processing content of the secondary patterning line with respect to the center position C of the laser reflected light. The correction amount detection areas A and B are set at positions where their horizontal centers coincide with the left and right edges of the virtual primary patterning line E.
例えば、1次パターニングラインの中心に2次パターニングラインの加工を行う場合は、レーザ反射光の中心位置Cと補正量検出領域A,B間の中心位置Dとが左右方向に一致するように設定する。この場合、上記所定量は「0」ということになる。また、2次パターニングラインを1次パターニングラインから一定間隔の位置に加工する場合には、レーザ反射光の中心位置Cに対して、補正量検出領域A,B間の中心位置Dを画像倍率から決まる所定の間隔だけ左右方向にオフセットした位置に設定すれば良い。 For example, when the secondary patterning line is processed at the center of the primary patterning line, the center position C of the laser reflected light and the center position D between the correction amount detection areas A and B are set to coincide with each other in the left-right direction. To do. In this case, the predetermined amount is “0”. Further, when the secondary patterning line is processed at a predetermined interval from the primary patterning line, the center position D between the correction amount detection areas A and B is determined from the image magnification with respect to the center position C of the laser reflected light. What is necessary is just to set to the position offset in the left-right direction by the predetermined interval decided.
次に、ステップS13では、制御ユニット22により、ガルバノスキャンミラー14を制御して、レーザ光を加工開始位置に移動させ、ステップS14では、画像処理ユニット21により補正量を検出する。図5は補正量の検出方法を示す模式図である。図5Aは、位置ずれがない状態、図5Bは位置ずれがある場合を示している。このとき、補正量は、次式で表される。
補正量=k(補正量検出領域Aの平均輝度−補正量検出領域Bの平均輝度)
Next, in step S13, the
Correction amount = k (average luminance of correction amount detection region A−average luminance of correction amount detection region B)
ここでkは比例係数であり、平均輝度の差と位置ずれ量との関係から決定される。図5(A)のようにレーザ反射光の中心位置Cに対して、1次パターニングラインFの位置がずれていない場合は、補正量検出領域A,Bの平均輝度は等しく、補正量は「0」となる。一方、図5(B)のように位置ずれがある場合には、補正量検出領域A,Bの平均輝度は異なり、図5(B)の場合には、補正量検出領域Aの平均輝度が補正量検出領域Bの平均輝度よりも小さくなり、これに伴い補正量が検出される。 Here, k is a proportional coefficient, and is determined from the relationship between the difference in average luminance and the amount of displacement. When the position of the primary patterning line F is not shifted from the center position C of the laser reflected light as shown in FIG. 5A, the average brightness of the correction amount detection areas A and B is equal, and the correction amount is “ 0 ". On the other hand, when there is a positional shift as shown in FIG. 5B, the average brightness of the correction amount detection areas A and B is different. In FIG. 5B, the average brightness of the correction amount detection area A is different. It becomes smaller than the average luminance of the correction amount detection area B, and the correction amount is detected accordingly.
続いて、ステップS15では補正量を判定し、補正量が「0」の場合、つまり位置ずれがない場合は、そのまま次のステップS17に進む。補正量が「0」でない場合、つまり位置ずれがある場合は、ステップS16に進む。ステップS16では、制御ユニット22により、補正量に基づいて、ガルバノスキャニングミラー14を制御して、レーザ光を移動させ、ステップS14に戻る。このループを繰り返すことにより位置ずれが補正され、補正量が「0」となった時点で、次のステップS17に進む。
Subsequently, in step S15, the correction amount is determined. If the correction amount is “0”, that is, if there is no positional deviation, the process proceeds to the next step S17 as it is. If the correction amount is not “0”, that is, if there is a displacement, the process proceeds to step S16. In step S16, the
ステップS17では、制御ユニット22により、レーザ発振器11、減衰器12、焦点調整ユニット13およびガルバノスキャンミラー14の動作を制御し、レーザ光の強度を加工可能な強度としてレーザ光の走査を行い、2次パターニングラインを加工する。この加工中にはステップS18で、1つのパターニングラインの加工終了を監視し、加工終了の場合はステップS22に進む。ステップS22では、全2次パターニングラインの加工終了の判定を行い、判定結果に基づいて次の2次パターニングラインの加工または、加工終了に進む。
In step S17, the
ステップS19では、2次パターニングラインの加工中に、上記ステップS14と同様に補正量の検出を行い、さらに、上記ステップS15,S16と同様に補正量が「0」でなければ、その補正量に基づいて制御ユニット22でガルバノスキャニングミラー14を制御し、走査方向と直交する方向にレーザ光を移動させて位置ずれを補正する。
In step S19, during the processing of the secondary patterning line, the correction amount is detected in the same manner as in step S14. If the correction amount is not “0” as in steps S15 and S16, the correction amount is set. Based on this, the
以上の処理では、1次パターニングラインとレーザ反射光とを撮像して、1次パターニングラインと加工される2次パターニングラインとの位置ずれを検出して、走査位置をリアルタイムで補正しながらレーザ光の走査を行い、2次パターニングラインを加工するので、被加工物の搬送時の蛇行や位置決め精度の影響等による加工位置上の被加工物の位置ずれと共に、熱影響等による被加工物上の1次パターニングラインの位置ずれをも補正することが可能である。また、加工と同時に共通の光学系を介して位置ずれの補正を行うので、1次パターニングラインの位置を測定する別工程および装置が不要となり、加工全体の工程時間を短縮することが可能であるとともに、加工装置の構成が簡素化される。 In the above processing, the primary patterning line and the laser reflected light are imaged, the positional deviation between the primary patterning line and the processed secondary patterning line is detected, and the laser beam is corrected in real time. Since the secondary patterning line is processed, the position of the workpiece on the processing position due to the meandering during positioning of the workpiece and the influence of positioning accuracy, etc., as well as on the workpiece due to thermal effects, etc. It is also possible to correct the displacement of the primary patterning line. In addition, since the misalignment is corrected through a common optical system at the same time as the processing, a separate process and apparatus for measuring the position of the primary patterning line becomes unnecessary, and the process time of the entire processing can be shortened. At the same time, the configuration of the processing apparatus is simplified.
さらに、レーザ反射光の位置を基準として、補正量を検出するようにしたことで、レーザ光学系の光軸と撮像手段の光軸とにずれが発生した場合でも、正確な補正量を検出することが可能であり、温度変化、経年変化等による光軸ずれに対する較正が不要となるため、保守性を向上することが可能である。 Further, since the correction amount is detected with reference to the position of the laser reflected light, an accurate correction amount is detected even when a deviation occurs between the optical axis of the laser optical system and the optical axis of the imaging means. It is possible to improve the maintainability because calibration for the optical axis deviation due to temperature change, secular change and the like is not necessary.
なお、上記実施形態では、主に1次パターニングラインの中心に2次パターニングラインを加工する場合の例について述べたが、例えば、1次パターニングライン上の一部に2次パターニングラインを重ね合わせて形成する場合や、1次パターニングライン上の所定位置から一定の間隔を有して離間した位置に2次パターニングラインを形成する場合等にも、正確かつ高速な加工を行うことが可能である。 In the above embodiment, the example in which the secondary patterning line is processed mainly at the center of the primary patterning line has been described. For example, the secondary patterning line is overlapped with a part of the primary patterning line. When forming, or when forming a secondary patterning line at a position spaced apart from a predetermined position on the primary patterning line, accurate and high-speed processing can be performed.
また、上記実施形態では、レーザ発振器11とガルバノスキャンミラー14の間に、レーザ光の波長は透過し、それ以外の波長の光は反射するダイクロイックミラー15が設けられ、ダイクロイックミラー15からの反射光の光軸に沿って波長フィルタ16と撮像部17が設けられている場合を示したが、これとは逆に、レーザ光の波長は反射し、それ以外の波長の光は透過するダイクロイックミラー(ビームスプリッタ)を設け、ダイクロイックミラーからの透過光の光軸に沿って波長フィルタ16と撮像部17を設け、ダイクロイックミラーからの反射光の光軸に沿ってレーザ光学系(11、12、13)を構成するようにしても良い。
In the above embodiment, the dichroic mirror 15 is provided between the
また、上記実施形態では、レーザ反射光の中心位置Cに対する1次パターニングラインFの位置ずれの補正量を、画像中に設定した補正量検出領域A,Bの平均輝度の差を利用した画像処理を通じて検出する場合を示したが、位置ずれの補正量を他の画像処理方法により検出することもできる。 Further, in the above-described embodiment, the image processing using the difference between the average luminances of the correction amount detection areas A and B set in the image as the correction amount of the positional deviation of the primary patterning line F with respect to the center position C of the laser reflected light. However, the amount of correction of misregistration can also be detected by other image processing methods.
例えば、撮像部17によって撮像された画像から得られる二値化画像から、1次パターニングラインFの両側のエッジ位置を検出し、それらの中心位置と、レーザ反射光の中心位置Cとの相対的な変位から補正量を検出することもできる。但し、この方法では、輝度データの二値化、エッジ位置の検出、中心位置の検出などの処理を要するため、処理速度の点では、平均輝度差を利用する画像処理方法が有利である。
For example, the edge positions on both sides of the primary patterning line F are detected from the binarized image obtained from the image captured by the
また、上記実施形態では、水平下向きに配設された加工処理ステージ10の下面に沿ってフィルム基板1を搬送し、加工処理ステージ10の下方にレーザ光学系を設ける場合を示したが、加工処理ステージの向きやフィルム基板の搬送方向はこれに限定されるものではなく、垂直に配設された加工処理ステージに対して、上下方向または横方向にフィルム基板1を搬送する場合にも実施可能である。さらに、本発明のレーザ加工装置は、薄膜太陽電池の加工に限定されるものではなく、ロールから供給される他の被加工物は勿論、ロール以外の搬送手段で供給される被加工物などに対しても実施可能である。 In the above embodiment, the film substrate 1 is transported along the lower surface of the processing stage 10 disposed horizontally downward, and the laser optical system is provided below the processing stage 10. The direction of the stage and the conveyance direction of the film substrate are not limited to this, and can also be implemented when the film substrate 1 is conveyed in the vertical direction or the horizontal direction with respect to the processing stage arranged vertically. is there. Furthermore, the laser processing apparatus of the present invention is not limited to the processing of thin film solar cells, but can be applied not only to other workpieces supplied from a roll but also to workpieces supplied by a conveying means other than a roll. It can also be implemented.
以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、上記以外にも本発明の技術的思想に基づいて各種の変形および変更が可能であることを付言する。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, In addition to the above, various deformation | transformation and change are possible based on the technical idea of this invention. I will add.
1 フィルム基板
2 巻き出しロール
3 巻き取りロール
10 加工処理ステージ
11 レーザ発振器
12 減衰器
13 焦点調整ユニット
14 ガルバノスキャンミラー
15 ダイクロイックミラー
16 波長フィルタ
17 撮像部
21 画像処理ユニット
22 制御ユニット
A,B 補正量検出領域
C レーザ反射光の中心位置
D 2つの領域の中心位置
E 仮想1次パターニングライン
F 1次パターニングライン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (8)
レーザ加工中に、前記1次パターニングラインと前記被加工物の被加工面でのレーザ反射光とを撮像して得られた画像上で1次パターニングラインとレーザ反射光の相対位置を検出し、該検出された相対位置と、1次パターニングラインを基準とした2次パターニングラインの所定の位置とを比較して補正量を検出し、それに基づいてレーザ光の走査位置を補正することを特徴とするレーザ加工方法。 A workpiece to be supplied in-line is scanned with a laser beam using a galvano scan mirror, and a secondary patterning line is formed at a predetermined position on the basis of the primary patterning line formed on the workpiece. In the laser processing method to be formed,
During laser processing, a relative position between the primary patterning line and the laser reflected light is detected on an image obtained by imaging the primary patterning line and the laser reflected light on the processing surface of the workpiece; Comparing the detected relative position with a predetermined position of the secondary patterning line with reference to the primary patterning line, a correction amount is detected, and the scanning position of the laser beam is corrected based thereon. Laser processing method.
前記被加工物の被加工面に対してガルバノスキャンミラーを用いてレーザ光を走査するためのレーザ光学系と、
前記1次パターニングラインと前記被加工物の被加工面でのレーザ反射光とを撮像する撮像手段と、
前記撮像手段により撮像して得られた画像上で1次パターニングラインとレーザ反射光の相対位置を検出し、検出された相対位置と、1次パターニングラインを基準とした2次パターニングラインの所定の位置とを比較して補正量を検出する補正量検出手段と、
を備え、前記補正量に基づいてレーザ光の走査位置を補正可能であることを特徴とするレーザ加工装置。 Laser processing for forming a secondary patterning line at a predetermined position on the basis of the primary patterning line formed on the workpiece by scanning a laser beam on the workpiece supplied in-line. A device,
A laser optical system for scanning a laser beam on a workpiece surface of the workpiece using a galvano scan mirror;
Imaging means for imaging the primary patterning line and the laser reflected light on the workpiece surface of the workpiece;
A relative position between the primary patterning line and the laser reflected light is detected on the image obtained by imaging by the imaging means, and a predetermined position of the secondary patterning line based on the detected relative position and the primary patterning line is determined. Correction amount detection means for detecting a correction amount by comparing the position;
And a laser processing apparatus capable of correcting the scanning position of the laser beam based on the correction amount.
前記レーザ発振器と前記ガルバノスキャンミラーとの間に挿入され、レーザ光の波長の光とレーザ光の波長を含まない光のうち、いずれか一方を透過させ他方を反射させることにより、レーザ光の波長の光からレーザ光の波長を含まない光を分離するダイクロイックミラーと、
前記レーザ光の波長の光を減衰させる波長フィルタと、を備え、
前記ガルバノスキャンミラー、前記ダイクロイックミラー、および、前記波長フィルタを介して、前記1次パターニングラインと前記被加工物の被加工面でのレーザ反射光とを撮像可能であることを特徴とする請求項4に記載のレーザ加工装置。 The imaging means includes
The wavelength of the laser light is inserted between the laser oscillator and the galvano scan mirror, and transmits one of the light of the wavelength of the laser light and the light not including the wavelength of the laser light and reflects the other. A dichroic mirror that separates the light that does not include the wavelength of the laser light from the light of
A wavelength filter for attenuating light of the wavelength of the laser light,
The image of the primary patterning line and the laser reflected light on the processing surface of the workpiece can be imaged via the galvano scan mirror, the dichroic mirror, and the wavelength filter. 4. The laser processing apparatus according to 4.
前記撮像手段により撮像された画像上で前記レーザ反射光の中心位置を検出し、その中心位置を基準とした所定の位置に、少なくとも2つの検出領域を設定し、これら2つの検出領域の平均輝度の差から補正量を算出する画像処理手段を含むことを特徴とする請求項4に記載のレーザ加工装置。 The correction amount detecting means includes
A center position of the laser reflected light is detected on the image picked up by the image pickup means, and at least two detection areas are set at predetermined positions based on the center position, and an average luminance of these two detection areas is set. The laser processing apparatus according to claim 4, further comprising an image processing unit that calculates a correction amount from the difference between the two.
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