JP2010142829A - レーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板上に形成された膜を除去するレーザ加工において、デブリ及び膜が残留することを回避する。
【解決手段】レーザ加工装置１０は、２個のレーザ光源１２、１４と、２本の導光ファイバ１６、１８及び矩形状光ファイバ２４、２６とを備える。レーザ光源１２から出射されるレーザ光Ｌ１は、好適には高パルス且つ低エネルギに設定され、一方、レーザ光源１２から出射されるレーザ光Ｌ２は、低パルス且つ高エネルギに設定される。ワークＷの加工部位に対しては、レーザ光Ｌ１が先に照射され、該レーザ光Ｌ１が通過して所定時間が経過した後、好ましくは０．００５〜０．５秒が経過した後にレーザ光Ｌ２が照射される。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板上に形成された膜に対してレーザ光を照射し、これにより前記膜中のレーザ照射部位を除去するレーザ加工方法に関する。

アモルファス太陽電池は、基板上に薄膜が積層された後、絶縁域を確保する目的でエッジ部分の薄膜を除去するエッジ除去加工が実施され、さらに、エッジ部分が除去された薄膜が前記基板とともに封止材によって封止されることで作製される。

前記エッジ除去加工に際しては、レーザ加工が主に採用される。すなわち、薄膜中のエッジ部分に対してレーザ光を照射し、これにより該エッジ部分の薄膜を除去して基板を露呈させる手法である。

ところで、近年においては、アモルファス太陽電池の変換効率を向上させるべく、吸収波長が異なる層同士を積層することが試みられている。この場合、エッジ除去加工において除去すべき膜の厚みが大きくなる。

このような場合、積層膜に対してレーザ照射を行うと、いわゆるデブリが副生する。このデブリは、レーザ照射部位の近傍に固着して剥離し難くなり、導電域を形成して短絡の原因ともなる。そこで、特許文献１に記載されるように、２回のレーザ照射を行うことが検討されている。すなわち、この場合、最初のレーザ照射によって薄膜が除去されるエッジ除去加工が営まれ、次回のレーザ照射によってデブリを除去することが試みられている。

また、特許文献２には、２回のレーザ照射を行うことで初回のレーザ照射時に発生した金属溶融粉を除去することが提案されている。すなわち、この場合、２回目のレーザ照射時に、初回に比して低エネルギ密度のレーザ光が用いられ、このレーザ光によってクリーニングが実行される、とのことである。

特開２００２−２４８５８９号公報 特開平５−３３５７２６号公報

特許文献１記載の従来技術では、初回及び２回目のレーザ照射時に出力条件が互いに同一のレーザ光が使用され、一方、特許文献２記載の従来技術では、上記したように、２回目のレーザ照射において、初回に比して低エネルギ密度のレーザ光が照射される。このようにレーザ光の出力条件を設定して２回のレーザ照射を行った場合、上記のように除去すべき膜の厚みが大きいときには、膜を除去することが容易ではない。すなわち、この場合、膜が残留するので、基板を露呈することが困難である。なお、仮に１回のレーザ照射で膜を除去しようとすると、レーザ光の出力を大きくする必要があるが、この場合、基板が変質する等の影響を受けたり、膜において除去された部位の近傍の特性が変化したりしてしまう。

また、初回及び２回目のレーザ光の出力条件を特許文献１、２のように設定すると、デブリが残留することが認められる。勿論、このような事態が生じると、短絡を回避し得なくなることが懸念される。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、膜の厚みが大きいときにも膜を除去して基板を露呈させることが容易であり、しかも、デブリを除去することも可能なレーザ加工方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、基板上に形成された膜における加工部位に対してレーザ光を照射することで前記膜中の前記加工部位を除去するレーザ加工方法であって、
前記加工部位に対し、第１のレーザ光を照射することで前記膜の前記加工部位の厚みを低減する工程と、
前記第１のレーザ光が照射された前記加工部位に対し、第２のレーザ光を照射することで、前記加工部位に残留した膜を除去して前記基板を露呈する工程と、
を有し、
前記第２のレーザ光によって除去される膜の厚みが、前記第１のレーザ光によって除去される膜の厚みに比して小さいことを特徴とする。

上記のようにしてレーザ光を照射することにより、初回のレーザ照射時に残留した膜を２回目のレーザ照射によって容易に除去することができる。すなわち、基板を露呈させることで絶縁域を形成することが容易となる。

なお、本発明においては、例えば、第１のレーザ光を照射する初回のレーザ照射時には、加工部位の膜を可及的に除去し、不可避的に残留した膜を、第２のレーザ光を照射する２回目のレーザ照射時に除去するようにすればよい。

ここで、上記したレーザ加工を行うと、初回のレーザ照射時に膜成分が蒸発して浮遊物となる。この浮遊物が存在する間に２回目のレーザ照射を行うと、該２回目のレーザ照射の最中ないしその終了後に、前記浮遊物が膜等に付着してデブリが生じる。

その一方で、初回のレーザ照射が終了してから２回目のレーザ照射を行うまでの間隔が過度に長いと、浮遊物が膜等に付着してデブリとなり、さらに冷却して固化する。この状態では、２回目のレーザ照射を行ってもデブリを除去することが容易でなくなる。

そこで、加工部位に対し、第１のレーザ光の照射が終了して、換言すれば、第１のレーザ光が通過して０．００５〜０．５秒後に第２のレーザ光を照射することが好ましい。これにより、浮遊物の略全てが付着して付着物（デブリ）となり、且つ該デブリが十分に固化せず軟質な状態である最中に２回目のレーザ照射が行われることになる。従って、デブリが再発生することが抑制されるとともに、初回のレーザ照射時に発生したデブリを容易に除去することができる。換言すれば、デブリが残留することが回避される。

いずれにおいても、第１のレーザ光及び第２のレーザ光として、断面形状が矩形状であるものを用いることが好ましい。断面形状が円形である一般的なレーザ光を使用してレーザ加工を行うと、膜が湾曲して除去される。従って、エッジ部分を直線状にするために、後加工が必要となる。これに対し、断面形状が矩形状であるレーザ光を用いた場合、膜のエッジ部分が直線状に加工されるので、後加工が不要となる。

しかも、この場合、ビームスポットにおけるレーザ光の強度分布が略均一となるので、レーザ加工をムラなく施すことができるという利点もある。

また、第２のレーザ光を、第１のレーザ光に比して低パルス且つ高エネルギに設定することが好ましい。初回及び２回目のレーザ照射において照射される各レーザ光の出力条件をこのように設定することにより、膜の除去作業を一層容易に遂行することができる。

本発明によれば、適切な出力条件で出射された第１のレーザ光及び第２のレーザ光を用い、同一の加工部位に対して２回のレーザ照射を行うようにしている。これにより、該加工部位の膜を除去して基板を露呈させることが容易となる。

また、初回のレーザ照射が終了してから２回目のレーザ照射を行うまでの間隔を調整することにより、デブリが残留することを回避することもできる。

以下、本発明に係るレーザ加工方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係るレーザ加工方法を実施するためのレーザ加工装置１０の概略要部構成図である。このレーザ加工装置１０は、レーザ光Ｌ１、Ｌ２をそれぞれ出射するレーザ光源１２、１４と、レーザ光Ｌ１、Ｌ２をワークＷに導くための導光ファイバ１６、１８とを有する。なお、本実施の形態においては、前記ワークＷは、基板Ｓ上に膜Ｆが所定の厚みで積層されることによって構成され、封止材に封止される前のアモルファス太陽電池用パネルである。

レーザ光源１２、１４は、図示しない制御部に電気的に接続されている。このため、レーザ光源１２、１４は、前記制御部からの指令に応じた出力条件でレーザ光Ｌ１、Ｌ２を発振することが可能である。後述するように、本実施の形態においては、レーザ光源１２、１４から出射されるレーザ光Ｌ１、Ｌ２のパルス及びエネルギが互いに相違する。

レーザ光Ｌ１、Ｌ２は、それぞれ、集光レンズ２０、２２によって集光・集束され、前記導光ファイバ１６、１８に入射される。換言すれば、レーザ光Ｌ１、Ｌ２は、集光レンズ２０、２２を通過することで拡散幅が狭くなる。

ここで、導光ファイバ１６、１８の先端には、長手方向に対して直交する方向の断面が略正方形である矩形状光ファイバ２４、２６が接続されている。図２に示すように、これら導光ファイバ１６、１８及び矩形状光ファイバ２４、２６は、それぞれ、円柱状コア２８、３０及び矩形状コア３２、３４と、該円柱状コア２８、３０及び矩形状コア３２、３４を被覆した円柱状クラッド３６、３８及び円柱状クラッド４０、４２とを有し、レーザ光Ｌ１、Ｌ２は円柱状コア２８、３０及び矩形状コア３２、３４内のみを伝播する。

矩形状光ファイバ２４、２６の矩形状コア３２、３４の一辺Ｍは、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の伝達損失を回避するべく、導光ファイバ１６、１８の円柱状コア２８、３０の直径Ｄ以下に設定することが好ましい。勿論、Ｍ＝Ｄとしてもよい。Ｍは２０μｍ以上であることが好ましく、例えば、０．５３ｍｍに設定することができる。

矩形状光ファイバ２４、２６から出射されたレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、それぞれ、図１に示される集光レンズ４４、４６によって集光・集束され、ワークＷの上方、すなわち、基板Ｓ上に形成された膜Ｆの所定箇所（加工部位）に照射される。ここで、レーザ光Ｌ１、Ｌ２は、矩形状光ファイバ２４、２６の矩形状コア３２、３４を通過して膜Ｆに照射される。このため、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の断面形状は双方ともに矩形状であり、従って、図３及び図４にそれぞれ示すように、レーザ光Ｌ１、Ｌ２によるビームスポット４８、５０の形状も矩形状になる。

以上の構成において、ワークＷとレーザ加工装置１０とは、相対的に変位することが可能である。このため、レーザ光Ｌ１、Ｌ２は、ワークＷのエッジの延在方向に沿って移動することができる。図１中の矢印Ｘ方向に沿うワークＷの相対的な変位速度は、例えば、４００ｍｍ／秒に設定される。

なお、集光レンズ４４、４６同士の間隔は、レーザ光Ｌ１がワークＷの所定箇所（加工部位）を通過して０．００５〜０．５秒後にレーザ光Ｌ２が同一の加工部位に照射されるように設定されている。具体的な間隔は、ワークＷの相対的な変位速度に応じて設定すればよい。

次に、本実施の形態に係るレーザ加工方法につき説明する。このレーザ加工方法においては、ワークＷにおける加工部位に対して２回のレーザ照射が行われる。

具体的には、先ず、加工部位に対して初回のレーザ照射が行われる。すなわち、レーザ光源１２、１４が付勢され、これにより、該レーザ光源１２、１４の各々からレーザ光Ｌ１、Ｌ２が出射される。

この中、レーザ光Ｌ１は、集光レンズ２０によって集束された後、導光ファイバ１６及び矩形状光ファイバ２４の各コア２８、３２を伝播し、さらに、集光レンズ４４によって集束されて膜Ｆの加工部位に入射される。上記したように、膜Ｆに入射するレーザ光Ｌ１は矩形状光ファイバ２４の矩形状コア３２を通過しているため、その断面形状は矩形状である。

レーザ光Ｌ１は、アブレーションを膜Ｆに生じさせ得るエネルギを有し、そのエネルギは、膜Ｆを厚み方向に沿って除去するために膜Ｆに吸収される。従って、レーザ光Ｌ２が照射された加工部位では、図５に示すように、膜Ｆの大部分が除去され、若干の厚みが不可避的に残留する。

このように、初回のレーザ照射では膜Ｆの大部分を除去するので、膜Ｆに吸収されるエネルギ量が大きい。従って、レーザ光Ｌ１として、比較的高パルスであり、且つ低エネルギであるものが照射されることが好ましい。すなわち、レーザ光Ｌ１は、パルス周期、換言すれば、ショット間隔が短い。

レーザ光Ｌ１が照射されている間、ワークＷがエッジの延在方向（矢印Ｘ方向）に沿って相対的に変位される。この変位により、ワークＷ（膜Ｆ）に対するレーザ光Ｌ１の照射位置がエッジの延在方向に沿って変化する。上記したように、レーザ光Ｌ１は高パルスであり、ショット間隔（パルス周期）が短い。従って、レーザ光Ｌ１によるビームスポット４８、４８同士は、図３に示すように、部分的に重なり合う。なお、図３においては、重なり合った領域が存在することが容易に把握し得るように隣接するビームスポット４８、４８同士を偏倚させて示しているが、実際には、ビームスポット４８、４８は直線状に重なり合って隣接する。図４においても同様である。

このように高パルスのレーザ光Ｌ１が照射された加工部位には、アブレーションが生じる。すなわち、膜Ｆが厚み方向に蒸発して揮散し、これにより膜Ｆの厚みが低減する。

揮散して浮遊した膜成分の一部は、レーザ光Ｌ１の照射が通過してから概ね０．００５秒の間に、例えば、加工部位に不可避的に残留した膜Ｆ上に付着する。すなわち、レーザ光Ｌ１の通過から約０．００５秒が経過すると、浮遊物の略全てが付着物となる。

この付着物は、図５に示すように、デブリＤＢとして残留する。なお、デブリＤＢは時間の経過とともに固化して硬質化するが、レーザ光Ｌ１が通過してからおよそ０．５秒が経過するまでは固化が終了しておらず、従って、この間は軟質な状態が保たれる。

一方、レーザ光Ｌ２は、集光レンズ２２によって集束された後、導光ファイバ１８及び矩形状光ファイバ２６の各コア３０、３４を伝播し、さらに、集光レンズ４６によって集束される。レーザ光Ｌ２は、その後、上記したように、集光レンズ４４、４６同士が互いに離間して配置されていることに基づき、レーザ光Ｌ１が通過した０．００５〜０．５秒後に同一の加工部位に照射される。このレーザ光Ｌ２も、矩形状光ファイバ２６の矩形状コア３４を通過していることに基づいて断面形状が矩形状となる。

レーザ光Ｌ２も、アブレーションを膜Ｆに生じさせ得るエネルギを有する。ここで、レーザ光Ｌ２は、レーザ光Ｌ１で除去されることなく不可避的に残留して厚みが極僅かとなった膜Ｆを除去するためのものである。従って、膜Ｆに吸収されるエネルギ量が小さいので、レーザ光Ｌ２としては、比較的低パルス、換言すれば、パルス周期（ショット間隔）が長いものであり、且つ高エネルギであるものが照射されることが好ましい。すなわち、レーザ光Ｌ２によるビームスポット５０、５０同士の重なり部分の面積は、図３及び図４を対比して諒解されるように、レーザ光Ｌ１によるビームスポット４８、４８同士の重なり部分に比して小さくなる。

このようなレーザ光Ｌ２が照射されることにより、図６に示すように、加工部位に残留した膜Ｆ及びデブリＤＢが同時に除去される。その結果、基板Ｓが露呈する。

ここで、上記したように、本実施の形態では、レーザ光Ｌ１が照射されてから少なくとも０．００５秒を経過した後、すなわち、浮遊物が略残留していない状態となった後、同一の加工部位にレーザ光Ｌ２が照射される。従って、レーザ光Ｌ２が照射される間ないしその後に浮遊物が付着してデブリＤＢが再発生することが回避される。

また、本実施の形態では、レーザ光Ｌ１が通過してから０．５秒以内にレーザ光Ｌ２を照射するようにしている。すなわち、デブリＤＢが固化しておらず軟質な状態である間に、該デブリＤＢに対してレーザ光Ｌ２が照射される。このため、デブリＤＢを容易に除去することができる。

このように、レーザ光Ｌ１が通過して０．００５〜０．５秒が経過した後にレーザ光Ｌ２を照射することにより、デブリＤＢの再付着・残留がほとんど認められないアモルファス太陽電池用パネルを得ることができる。従って、アモルファス太陽電池の外観が良好となるとともに、デブリＤＢに起因して短絡が生じることを回避することが可能となる。

例えば、１辺が略６００μｍであるレーザ光Ｌ１のみを１５０Ｗ、１０ｋＨｚの出力条件下で照射してエッジ除去加工を行う場合、ワークＷの相対的な変位速度が１００ｍｍ／秒であってもデブリＤＢが残留し、絶縁域を確保することが困難である。これに対し、同一出力条件でレーザ光Ｌ１を照射した後、１辺が略６００μｍであるレーザ光Ｌ２を１００Ｗ、５ｋＨｚの出力条件下で照射してエッジ除去加工を行うと、ワークＷの相対的な変位速度を４００ｍｍ／秒に設定した場合であってもデブリＤＢが認められず、絶縁域を容易に確保することができる。

しかも、本実施の形態においては、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の断面形状、すなわち、ビームスポット４８、５０の形状がともに矩形である（図３及び図４参照）。このため、ビームスポット４８、５０中においては、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の強度分布が均一となる。また、膜Ｆの加工断面も矩形となるので、エッジ部分を直線的に加工することが可能となる。このため、断面形状が円形である一般的なレーザ光Ｌ１を使用する場合に必要とされる後加工が不要となる。

以上のように、本実施の形態によれば、デブリＤＢ及び膜Ｆを除去して基板Ｓを露呈させることが容易であり、従って、絶縁域を確保することも容易である。

なお、上記した実施の形態では、レーザ光Ｌ１を高パルス及び低エネルギに設定するとともに、レーザ光Ｌ２を低パルス及び高エネルギに設定しているが、初回及び２回目のレーザ加工の各々において入射されるレーザ光の出力条件は、特にこれに限定されるものではない。そして、初回及び２回目のレーザ光の出力条件によっては、図７に示すように、１個のレーザ光源６０を用い、このレーザ光源６０から射出されたレーザ光Ｌ３を２個のレーザ光Ｌ４、Ｌ５に分岐するレーザ加工装置６２を構成するようにしてもよい。

この分岐には、ビームスプリッタ６４が用いられる。すなわち、レーザ光源１２から出射されたレーザ光Ｌ３は、ビームスプリッタ６４の作用下にレーザ光Ｌ４、Ｌ５に分岐される。そして、ワークＷ（膜Ｆ）に対し、集光レンズ２０、導光ファイバ１６、矩形状光ファイバ２４及び集光レンズ４４を通過したレーザ光Ｌ４が先に入射され、好適には、レーザ光Ｌ４が通過して０．００５〜０．５秒後、集光レンズ２２、導光ファイバ１８、矩形状光ファイバ２６及び集光レンズ４６を通過したレーザ光Ｌ５が入射される。

レーザ光Ｌ３の出射条件を適切に設定することにより、この場合においても上記と同様にデブリＤＢが再付着及び残留することを容易に回避することができ、従って、基板Ｓを露呈させて絶縁域を確保することができる。

以上の実施の形態では、アモルファス太陽電池用パネルに対してエッジ除去加工を行う場合を例示して説明したが、本発明は、これに特に限定されるものではなく、各種のワークに対してレーザ加工を行う場合に適用することが可能である。

また、初回のレーザ照射による膜の除去量を制御して不可避的に残留するよりも厚い膜を残留させ、２回目のレーザ照射において、この残留した膜を除去するようにしてもよい。

さらに、レーザ光として断面が矩形状であるものを採用することは必須ではなく、断面形状が円形である一般的なレーザ光を用いるようにしてもよい。

本実施の形態に係るレーザ加工方法を実施するためのレーザ加工装置の概略要部構成図である。 断面形状が矩形状であるレーザ光を出射するための矩形状光ファイバの概略構成を示す要部拡大斜視図である。 初回のレーザ照射時に照射されるレーザ光によるビームスポットを模式的に示した平面図である。 ２回目のレーザ照射時に照射されるレーザ光によるビームスポットを模式的に示した平面図である。 初回のレーザ照射が行われている加工部位を模式的に示した縦断面図である。 ２回目のレーザ照射が行われている加工部位を模式的に示した縦断面図である。 図１とは別のレーザ加工装置の概略要部構成図である。

符号の説明

１０、６２…レーザ加工装置 １２、１４、６０…レーザ光源
１６、１８…導光ファイバ ２０、２２、４４、４６…集光レンズ
２４、２６…矩形状光ファイバ ３２、３４…矩形状コア
４８、５０…ビームスポット ６４…ビームスプリッタ
ＤＢ…デブリ Ｆ…膜
Ｌ１〜Ｌ５…レーザ光 Ｓ…基板
Ｗ…ワーク

Claims (5)

1. 基板上に形成された膜における加工部位に対してレーザ光を照射することで前記膜中の前記加工部位を除去するレーザ加工方法であって、
   前記加工部位に対し、第１のレーザ光を照射することで前記膜の前記加工部位の厚みを低減する工程と、
   前記第１のレーザ光が照射された前記加工部位に対し、第２のレーザ光を照射することで、前記加工部位に残留した膜を除去して前記基板を露呈する工程と、
   を有し、
   前記第２のレーザ光によって除去される膜の厚みが、前記第１のレーザ光によって除去される膜の厚みに比して小さいことを特徴とするレーザ加工方法。
2. 請求項１記載のレーザ加工方法において、前記第１のレーザ光が照射された際に前記加工部位に不可避的に残留した前記膜を前記第２のレーザ光によって除去することを特徴とするレーザ加工方法。
3. 請求項１又は２記載のレーザ加工方法において、前記加工部位に対し、前記第１のレーザ光の照射が終了して０．００５〜０．５秒が経過した後に前記第２のレーザ光を照射することを特徴とするレーザ加工方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工方法において、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光として、断面形状が矩形状であるものを用いることを特徴とするレーザ加工方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工方法において、前記第２のレーザ光が前記第１のレーザ光に比して低パルス且つ高エネルギであることを特徴とするレーザ加工方法。

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