JP2010082651A

JP2010082651A - レーザ加工装置

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Publication number: JP2010082651A
Application number: JP2008253897A
Authority: JP
Inventors: Motoi Sasaki; 基佐々木; Ryoji Koseki; 良治小関
Original assignee: Shibuya Kogyo Co Ltd
Current assignee: Shibuya Corp
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2028-09-30
Also published as: JP5195238B2

Abstract

【解決手段】レーザ加工装置１は、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器２と、高圧の液体を供給する液体供給手段１４と、上記液体を液柱Ｗにして噴射するとともに該液柱Ｗにレーザ光を導光して被加工物Ｐに照射する加工ヘッド３と、上記加工ヘッド３と被加工物Ｐとを相対移動させる移動手段としての加工テーブル５とを備えている。
上記レーザ発振器２が発振したレーザ光Ｌは、上記ビームホモジナイザ７を透過してから、上記噴射ノズル１２より噴射される液柱Ｗに導光され、該液柱Ｗを導光路として上記被加工物Ｐに照射されるようになっている。
【効果】光起電用パネルを構成する薄膜にレーザ光を照射しても、発電に寄与しない熱影響部分の形成される範囲を小さくするとともに、分割溝の幅を狭くすることが可能である。
【選択図】図２

Description

本発明はレーザ加工装置に関し、詳しくはレーザ光を薄膜の形成された光起電用パネルとなる被加工物に照射して、上記薄膜を分割するレーザ加工装置に関する。

従来、光起電用パネルとして、絶縁性基板上に下部電極層となる金属膜、光起電活性層としての半導体膜、上記電極層となる透明導電膜を積層して形成された複数の薄膜太陽電池セルを、電気的に直列に接続されるように形成したものが知られている。
この光起電用パネルを製造する際、絶縁性基板上に金属膜を形成し、この金属膜をレーザ光により短冊状に分割したら、さらに金属膜の上面に半導体膜を形成し、この半導体膜もレーザ光により短冊状に分割する方法が採用されている（特許文献１）。
特許文献１では、上記半導体膜などの薄膜を分割するためにレーザ光を所定の相対移動速度で走査しながら照射しており、その際、レーザ光を照射して分割溝を形成することで、熱による盛り上がり、溶融残留物、溶融だれ、膜質劣化という問題が発生し、特許文献１ではその対策としてレーザ光のパルス幅を調整することが行われている。
特開平１１−３１２８１５号公報

しかしながら、特許文献１の対策を行ったとしても、レーザ光により半導体膜に分割溝を形成するとレーザ光の熱影響により半導体膜の組成が変わってしまい、光電変換できない部分が分割溝の周辺に形成されてしまうことから、光電変換効率の改善には限界があった。
さらに、従来のレーザ加工装置において照射されるレーザ光は、レーザ光の断面における中央部分のエネルギー強度が高く、周辺部分が低くなっていることから、分割溝を形成することになる薄膜の加工端面がなだらかなテーパ面に形成されてしまい、分割溝の幅が広くなってしまうという問題もあった。
このような問題に鑑み、本発明は半導体膜における発電に寄与しない熱影響部分を小さくするとともに、薄膜に形成される分割溝の幅を極力狭くすることの可能なレーザ加工装置を提供するものである。

すなわち、本発明にかかるレーザ加工装置は、レーザ発振器から発振されたレーザ光を薄膜の形成された光起電用パネルとなる被加工物に照射する加工ヘッドと、該加工ヘッドと上記被加工物とを相対移動させる移動手段とを備え、
上記レーザ光により上記薄膜を分割して、上記光起電用パネルを製造するレーザ加工装置において、
高圧の液体を供給する液体供給手段と、上記加工ヘッドの先端に設けられて上記液体供給手段からの液体を液柱にして噴射する噴射ノズルとを備えるとともに、
上記加工ヘッドにビームホモジナイザを設け、
上記レーザ発振器から発振されたレーザ光は、上記ビームホモジナイザを透過してから、上記噴射ノズルより噴射される液柱に導光され、該液柱を導光路として上記被加工物に照射されることを特徴としている。

本発明では、加工ヘッドに設けた噴射ノズルから液体を液柱にして噴射し、当該液柱を導光路としてレーザ光を光起電用パネルとなる被加工物に照射しているので、レーザ光によって溶融した部分の周辺は直ちに上記液体によって冷却され、これによりレーザ光による熱影響部分の範囲を小さく抑えることができる。
さらに、ビームホモジナイザを通過させることによってレーザ光の強度分布を理想的なトップハット型に近づけることができるので、分割溝を形成することによる薄膜の加工端面が可及的に垂直となるよう、シャープに形成することができ、溝幅を狭くすることができる。
このため、光電変換効率の良い光起電用パネルを製造することができる。

以下図示実施例について説明すると、図１は光起電用パネルとなる被加工物Ｐの表面に施された薄膜に分割溝を形成するレーザ加工装置１を示し、図示しない薄膜形成装置とともに光起電用パネルの製造装置を構成している。
レーザ加工装置１は、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器２を備え、上記レーザ光Ｌを上記被加工物Ｐに照射する２つの加工ヘッド３と、上記各加工ヘッド３を図示左右方向となるＹ軸方向に移動させるヘッド移動手段４と、上記被加工物ＰをＹ軸方向に直交する水平なＸ軸方向に移動させる移動手段としての加工テーブル５とを備えている。
上記２つの加工ヘッド３はそれぞれ支持部材３ａをベースとしており、２つの支持部材３ａは所定間隔離れた位置にヘッド移動手段４により支持され、ヘッド移動手段４は各支持部材３ａを上記間隔を維持した状態でＹ軸方向に移動させるとともに、上下に昇降させるようになっている。

図２は、図１におけるＩＩ―ＩＩ部の断面図を示しており、各加工ヘッド３は上記レーザ発振器２と後述するハウジング１１との間に、レーザ発振器２のレーザ光出射部に固定されたコリメータレンズ６と、上記支持部材４ａに固定されたビームホモジナイザ７および集光レンズ８とを備えている。
上記レーザ発振器２は、紫外線領域の波長のレーザ光Ｌを発振する紫外半導体レーザ（ＵＶ−ＬＤ）となっており、図示しない制御手段によって、発振するレーザ光Ｌの発振周波数、デューティー比、出力等を変更することが可能となっている。
また上記紫外半導体レーザは固体レーザなどに比較して非常に小型軽量であるため、各支持部材３ａに固定することが可能であり、ヘッド移動手段４によって移動させることが可能となっており、複数の加工ヘッド３による加工を行うことが可能となっている。
上記コリメータレンズ６はレーザ発振器２より発振される発散角を有するレーザ光Ｌをほぼ平行な光線に変換し、上記ビームホモジナイザ７は通過するレーザ光Ｌの断面強度分布を、いわゆるトップハット型のほぼ一定の強度分布に変換し、上記集光レンズ８は通過するレーザ光Ｌを集束するように光径を縮小するようになっている。
そして、上記レーザ発振器２より発振されるレーザ光Ｌは直線偏光となっており、またレーザ発振器２はレーザ光Ｌの偏光方向がＸ軸方向を向くように、上記支持部材３ａに支持されている。

上記加工ヘッド３は、上記支持部材３ａの下端部に固定されて内部に液体通路１１ａが形成された筒状のハウジング１１と、該液体通路１１ａの下部に設けられた噴射ノズル１２と、ハウジング１１の下部に設けられた囲い部材１３とを備えている。
またレーザ加工装置１は、上記液体通路１１ａに高圧の液体を供給する液体供給手段１４と、囲い部材１３の内部を負圧にするための負圧発生手段１５とを備えている。本実施例では、液体供給手段１４から供給する液体として、紫外線領域の波長のレーザ光をほとんど吸収しない水を使用している。
上記ハウジング１１に形成された液体通路１１ａは、上記集光レンズ８によって集束するように進行するレーザ光Ｌの光路上に形成され、該液体通路１１ａの上部にはレーザ光Ｌを透過させる透過窓１６が液密を保った状態で設けられている。
上記液体通路１１ａに液体供給手段１４が供給した液体は、上記噴射ノズル１２から液柱Ｗとなって下方に噴射されるようになっており、また上記レーザ発振器２からのレーザ光Ｌは上記集光レンズ８によって上記液柱Ｗの内部に集光されるようになっている。
これにより、レーザ光Ｌは上記液柱Ｗを導光路として案内され、被加工物Ｐの表面には上記液体が吹付けられるとともにレーザ光Ｌが照射されるようになっている。
ここで、本実施例では上記噴射ノズル１２の噴射孔の径を３０〜１００μｍの範囲に設定し、この噴射孔の径に応じて上記液体供給手段１４から供給される液体の圧力を８〜１５ＭＰａの範囲に設定するようになっている。具体的には、所定流量の液体が噴射されるよう、噴射孔の径を細くする場合は液圧を上げるようになっている。

上記囲い部材１３は液柱Ｗを中心に円筒形状に形成されたゴムなどの弾性部材から製造されており、内部の負圧によって囲い部材１３が変形することがない程度の剛性を有している。
そして、上記囲い部材１３の軸方向長さは、被加工物Ｐに衝突して跳ね返った液体が噴射ノズル１２に届かない程度の長さに設定してあり、囲い部材１３の直径は、小さすぎると囲い部材１３の内部空間に発生するエアの流れが乱れて液柱Ｗを乱し、大きすぎると囲い部材１３内に導入する負圧の供給能力を大きくしなければならないことから、両者の兼ね合いで好適な大きさとなるように形成してある。
上記負圧発生手段１５による負圧は囲い部材１３の下端部近傍に設けられた接続部１５ａを介して供給され、この接続部１５ａは囲い部材１３の接線方向にエアを吸引するようになっている。これにより、囲い部材１３内のエアの流れをスパイラル状として、液柱Ｗ周りのエアの乱れを低減し、液柱Ｗの乱れを抑制するようにしてある。
囲い部材１３の下端部は、上記ヘッド移動手段４によって被加工物Ｐの表面に近接した高さに維持されるようになっており、上記噴射ノズル１２から噴射された被加工物Ｐ上の液体の表面に囲い部材１３の下端部を接触させることで、該液体により囲い部材１３の内部を外部から可及的に閉鎖するようにしている。

以下、図３を用いて光起電用パネルの製造工程を説明する。このうち図３（ａ）、（ｃ）、（ｅ）は図示しない薄膜形成装置による工程であり、図３（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）が本実施例におけるレーザ加工装置１による工程となっている。なお、上記薄膜形成装置については従来公知であるので詳細な説明は省略する。
図３（ａ）は薄膜形成装置によってガラスなどの絶縁性の基板Ｐ０の表面に金属膜Ｐ１を形成する工程を示している。上記金属膜Ｐ１はＭｏなどからなり、その厚さは０．５〜２．０μｍ程度となっている。
図３（ｂ）は上記レーザ加工装置１により上記金属膜Ｐ１にレーザ光Ｌを照射し、これにより該金属膜Ｐ１を溶融除去することにより分割溝ｇ１を形成して短冊状に分割する工程を示している。
図３（ｃ）は上記分割された金属膜Ｐ１の表面に、薄膜形成装置によって半導体膜Ｐ２を形成する工程を示している。上記半導体膜Ｐ２はＣＩＧＳ（Ｃｕ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｓｅ）やＣＩＳ（Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｅ）などからなり、その厚さは０．４〜４．０μｍ程度となっている。
図３（ｄ）は上記レーザ加工装置１により上記金属膜Ｐ２の分割溝ｇ１とは異なる位置の上記半導体膜Ｐ２にレーザ光Ｌを照射し、この半導体膜Ｐ２を除去することにより金属膜Ｐ２が露出する深さの分割溝ｇ２を形成することで、該半導体膜Ｐ２を短冊状に分割する工程を示している。
図３（ｅ）は上記分割された半導体膜Ｐ２の表面に、薄膜形成装置によって透明導電膜Ｐ３を形成する工程を示している。上記透明導電膜Ｐ３はＺｎＯなどからなり、その厚さは０．０５〜１．０μｍ程度となっている。
図３（ｆ）は上記レーザ加工装置１により上記透明導電膜Ｐ３の表面側から上記金属膜Ｐ１および半導体膜Ｐ２の分割溝ｇ１、ｇ２とは異なる位置にレーザ光Ｌを照射し、金属膜Ｐ１が露出する深さの分割溝ｇ３を形成することで、該透明導電膜Ｐ４及び半導体膜Ｐ２を短冊状に分割する工程を示している。
このように、本実施例のレーザ加工装置１は、上記金属膜Ｐ１、半導体膜Ｐ２、透明導電膜Ｐ３のそれぞれにレーザ光Ｌを照射して分割溝ｇ１、ｇ２、ｇ３を形成するようになっている。

そして、上記図３（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）に示す各工程における、本実施例のレーザ加工装置１の動作について説明する。なお、各工程におけるレーザ加工装置１の動作は同じとなっている。
最初に、レーザ加工装置１が始動すると、上記ヘッド移動手段４および加工テーブル５により加工ヘッド３および被加工物Ｐを相対移動させ、加工ヘッド３が被加工物Ｐの加工開始位置の上方に位置するようにし、このとき囲い部材１３の下端部は被加工物Ｐの表面に近接した高さに位置している。
次に、上記液体供給手段１４が高圧の液体を加工ヘッド３の液体通路１１ａに供給し、上記噴射ノズル１２からは液体が液柱Ｗとなって被加工物Ｐに噴射される。
この液体は被加工物Ｐに到達すると、そのまま被加工物Ｐの表面を放射状に広がり、上記囲い部材１３の下端部と被加工物Ｐの表面との間に形成された間隙を満たすことで、囲い部材１３の内部を外部から閉鎖するようになる。
一方、上記噴射ノズル１２から液柱Ｗが噴射されるのと同時に、負圧発生手段１５が囲い部材１３内に負圧を導入し、これにより上記囲い部材１３内のエアは接続部１５ａを介して負圧発生手段１５に吸引される。
上記接続部１５ａは囲い部材１３の接線方向に形成されているため、囲い部材１３内のエアは囲い部材１３の内周面に沿ってスパイラル状に流れることで、上記液柱Ｗの乱れが抑制されるようになっている。
また、上記負圧により囲い部材１３の内部が真空状態になると、液柱Ｗは周囲の気流にほとんど影響を受けなくなることから、径の細い液柱Ｗであっても安定した状態を長く保つことが可能となる。
なお、上記液体は囲い部材１３の下端部と被加工物Ｐの表面との間隙から外部に流出しようとするが、大部分の液体は接続部１５ａを介して負圧発生手段１５に吸引され、囲い部材１３の外部には流出しないようになっている。

このようにして、囲い部材１３内が真空状態となり、それに伴って上記噴射ノズル１２より噴射される液柱Ｗが安定した状態となると、レーザ発振器２がレーザ光Ｌを発振する。
ここで、上記レーザ発振器２はレーザ光Ｌの波長を３７５ｎｍとし、パルス周波数を１〜５ｋＨｚとし、デューティー比を５〜１５％とするようになっており、また各膜の材質や厚さに応じた出力でレーザ光Ｌを発振するようになっている。
レーザ光Ｌは上記コリメータレンズ６によって平行光線に変換された後、上記ビームホモジナイザ７によって強度分布がトップハット型に変換され、その後さらに上記集光レンズ８を透過することによって集束するように、ハウジング１１の透過窓１６からハウジング１１内に入射し、液体通路１１ａを通過して噴射ノズル１２より噴射されている液柱Ｗの内部に導光される。
そして、レーザ光Ｌは液柱Ｗにより案内されて被加工物Ｐの表面に照射され、これに伴って上記加工テーブル５が被加工物Ｐを例えば６０００ｍｍ／ｍｉｎの速度でＸ軸方向に移動させることで、被加工物Ｐの表面にＸ軸方向に分割溝ｇ１〜ｇ３が形成されることとなる。
なお、レーザ光Ｌを液柱Ｗで案内する場合、該液柱Ｗを長くすることで液柱Ｗ内部での反射が繰り返されて強度分布をトップハット型に近づけることができるが、その場合液柱Ｗの径を細いまま維持することが困難となるので、ビームホモジナイザ７により予め強度分布を変換したものとなっている。

このように、液柱Ｗの内部にレーザ光Ｌを導光して被加工物Ｐにレーザ光Ｌを照射すれば、レーザ光Ｌによって溶融した分割溝ｇ１〜ｇ３の開口部分の周辺を上記液体によって速やかに冷却することができる。
その結果、特に半導体膜Ｐ２の加工の際に分割溝ｇ２の開口部分に隣接した位置における溶融による熱影響部分を可及的に小さくすることができ、これにより光起電用パネルの受光面積を広くして発電効率を高くすることができる。
ここで、形成される分割溝ｇ１〜ｇ３の幅は上記液柱Ｗの径によって定めることができるが、この液柱Ｗは上記囲い部材１３の内部を真空状態にすることで細い状態に維持している。
また、本実施例では上記レーザ光Ｌを上記ビームホモジナイザ７によって強度分布をトップハット型に変換しているため、レーザ光Ｌの照射範囲における中央部分とその周囲の部分とを均一に除去することができ、加工端面を垂直に近く加工することができるので、分割溝ｇ１〜ｇ３をシャープに形成することができ、溝幅を狭くすることができる。
さらに、本実施例では、レーザ発振器２から照射されたレーザ光Ｌの偏光方向をＸ軸方向に向けているので、加工テーブル５が被加工物Ｐをこの偏光方向と同じＸ軸方向に移動させることで、分割溝ｇ１〜ｇ３の形成される方向にレーザ光の偏光方向が一致するようにしている。このため、Ｘ軸方向に沿う加工端面をさらに垂直に近く加工することができるので、分割溝ｇ１〜ｇ３をシャープに形成することができる。
そして、レーザ光Ｌの照射による溶融などによって薄膜の加工屑が発生するが、この加工屑は上記噴射ノズル１２より噴射された液体によって洗い流され、また上記囲い部材１３に設けられた接続部１５ａを介して負圧発生手段１５によって吸引されるようになっており、この工程の後に被加工物Ｐを洗浄する工程を省略または簡略化することが可能となる。

なお、上記実施例で説明した光起電用パネルは、いわゆるカルコパイライト系の化合物系光起電用パネルであるが、その他の化合物系光起電用パネルや、シリコン膜を備えたいわゆるシリコン系光起電用パネルであっても良い。
また、図１においては上記加工ヘッド３ごとにレーザ発振器２を設けているが、一台のレーザ発振器２と分光手段とを設けて、該分光手段によってレーザ光Ｌを複数台の加工ヘッド３に分配する構成としても良い。
さらに、上記ヘッド移動手段４を移動手段として、加工ヘッド３をＹ軸方向に移動させることで分割溝ｇ１〜ｇ３を形成してもよい。その場合、照射されるレーザ光Ｌの偏光方向をＹ軸方向に向けることが望ましい。

本実施例にかかるレーザ加工装置の正面図。図１におけるＩＩ―ＩＩ部の拡大断面図。光起電用パネルの製造工程を示す図。

符号の説明

１レーザ加工装置２レーザ発振器
３加工ヘッド５加工テーブル
７ビームホモジナイザ１２噴射ノズル
１３囲い部材１４液体供給手段
１５負圧発生手段

Claims

レーザ発振器から発振されたレーザ光を薄膜の形成された光起電用パネルとなる被加工物に照射する加工ヘッドと、該加工ヘッドと上記被加工物とを相対移動させる移動手段とを備え、
上記レーザ光により上記薄膜を分割して、上記光起電用パネルを製造するレーザ加工装置において、
高圧の液体を供給する液体供給手段と、上記加工ヘッドの先端に設けられて上記液体供給手段からの液体を液柱にして噴射する噴射ノズルとを備えるとともに、
上記加工ヘッドにビームホモジナイザを設け、
上記レーザ発振器から発振されたレーザ光は、上記ビームホモジナイザを透過してから、上記噴射ノズルより噴射される液柱に導光され、該液柱を導光路として上記被加工物に照射されることを特徴とするレーザ加工装置。
上記移動手段は加工ヘッドを加工時に所要のＸ軸方向に移動させ、上記レーザ光は偏光方向がＸ軸方向を向いた状態で被加工物に照射されるように構成したことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
上記レーザ発振器は紫外線領域の波長のレーザ光を発振する紫外半導体レーザであって、加工ヘッドと一体で移動するように設けられることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のレーザ加工装置。
上記加工ヘッドと被加工物との間に形成される液柱を囲む囲い部材と、この囲い部材内に負圧を導入する負圧発生手段とを設け、
加工時には噴射ノズルから噴射されて被加工物上に残る液体を上記囲い部材の下端部に接触させて、上記負圧発生手段により囲い部材内を負圧にすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のレーザ加工装置。