JP2011143421A - Laser beam machining method, laser beam machining device and optical filter unit for laser beam machining - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザビームによる加工技術に係わり、特に太陽電池の製造などに際して加工対象物にレーザビームによる溝を掘削するのに用いて好適な方法および装置に関する。 The present invention relates to a processing technique using a laser beam, and more particularly, to a method and an apparatus suitable for use in excavating a groove using a laser beam in an object to be processed when manufacturing a solar cell.
レーザビーム(レーザ光)は位相が揃ったコヒーレント光であり、その光源となるレーザ発振器にはレーザ媒質の種類により、固体レーザ(YVO4レーザ、YAGレーザ、サファイアレーザなど)、気体レーザ(炭酸ガスレーザ、アルゴンイオンレーザなど)、半導体レーザ、色素レーザ、エキシマレーザ、ならびに自由電子レーザなどがあるが、その種のレーザ発振器から射出されるレーザビームは、最低次でのモードにおいて光軸中心のエネルギー強度が最大で光軸中心から離れるに従ってエネルギー強度が漸次小さくなるガウシアン型となる。これをガウスビームと呼ぶが、ガウシアン型のレーザビームでは高精度の加工を行えない。 The laser beam (laser light) is coherent light having the same phase, and the laser oscillator used as the light source is a solid laser (YVO 4 laser, YAG laser, sapphire laser, etc.), gas laser (carbon dioxide laser), depending on the type of laser medium. , Argon ion lasers, etc.), semiconductor lasers, dye lasers, excimer lasers, free electron lasers, etc., but the laser beam emitted from such a laser oscillator has the energy intensity at the center of the optical axis in the lowest order mode. Becomes a Gaussian type in which the energy intensity gradually decreases as the distance from the center of the optical axis increases. This is called a Gaussian beam, but high-precision processing cannot be performed with a Gaussian laser beam.
例えば、薄膜型太陽電池の製造に際し、ガウスビームを用いてパターニングを行うと、図9(a)のように透明電極Teにのみ形成すべきスクライブ溝Gが、ガウスビームのプロファイルにより、図9(b)のように下層のシリコン層Siにまで食い込んでしまったり、あるいは図9(c)のようにスクライブ溝Gにより絶縁分割されるべき透明電極Teが絶縁分割されずに連なってしまったりするという問題を引き起こす。 For example, when a thin film solar cell is manufactured by patterning using a Gaussian beam, a scribe groove G to be formed only in the transparent electrode Te as shown in FIG. As shown in FIG. 9 (b), the lower silicon layer Si bites into the lower layer, or the transparent electrodes Te to be insulated and divided by the scribe grooves G are connected without being divided. Cause problems.
このため、高精度のレーザ加工が要求される場合、多くはビームホモジナイザと呼ばれる光学機器を用い、ガウスビームの分割と重畳とを行ってそのエネルギー強度を平坦化するようにしているが、その種の光学機器は複数のプリズム、反射鏡、及びレンズなどを組み合わせて構成されるため、極めて高価である。 For this reason, when high-precision laser processing is required, an optical device called a beam homogenizer is often used to divide and superimpose the Gaussian beam to flatten its energy intensity. Since the optical apparatus is configured by combining a plurality of prisms, reflectors, lenses, and the like, it is extremely expensive.
そこで、特許文献1では、中央領域と外側領域とで厚さを相違させた位相板を用い、これにガウスビームを通して当該ガウスビームのエネルギー強度分布を平坦化するようにしている。
Therefore, in
しかしながら、特許文献1では、位相板の中央領域を外側領域よりも薄くし、位相板を透過したガウスビームが中央部分と周縁部分とで半波長の位相差を生ずるようにしていることから、位相板の製作自体に高精度の加工技術を要求される。
However, in
又、特許文献1によれば、ガウスビームの大部分を位相板の中央領域に透過させながら、位相板の外側領域を透過した光成分のエネルギー強度を、中央領域を透過した光成分との干渉により低減させるようにしていることから、係る位相板の透過により得られるレーザビーム(中央領域を透過した光成分)も光軸中心と周縁部分で強度差が大きく、エネルギー強度分布の平坦化に関して必ずしも十分とは言えない。
According to
本発明は以上のような事情に鑑みて成されたものであり、その目的はガウシアン型レーザビームのエネルギー強度分布の平坦化を高めて高精度のレーザ加工を行えるようにすることにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to increase the flatness of the energy intensity distribution of a Gaussian laser beam so that high-precision laser processing can be performed.
本発明は上記目的を達成するため、偏平な基板に、当該基板の中心部から外周部に向けて放射状に広がる遮光性の遮光ゾーンと、その遮光ゾーンにより区切られた放射状に広がる光透過性の透光ゾーンとが設けられ、その透光ゾーンが前記基板の外周部に向かって漸次幅広となる形態とされている構造の光学フィルタを用い、加工対象物にレーザ加工を施す方法であり、
レーザ発振器から射出されたガウシアン型のエネルギー強度分布を有するレーザビームのビーム径を拡大して前記光学フィルタに入射させると共に、その光学フィルタを透過したレーザビームを集束して加工対象物の部位に照射することを特徴とするレーザ加工方法を提供する。
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a flat substrate, a light-blocking light-blocking zone that spreads radially from the center to the outer periphery of the substrate, and a light-transmitting light that spreads radially by the light-blocking zone. A light-transmitting zone is provided, and the light-transmitting zone is a method of performing laser processing on an object to be processed using an optical filter having a structure in which the light-transmitting zone is gradually widened toward the outer peripheral portion of the substrate.
The diameter of a laser beam having a Gaussian-type energy intensity distribution emitted from a laser oscillator is enlarged and incident on the optical filter, and the laser beam transmitted through the optical filter is focused and irradiated on a part to be processed. A laser processing method is provided.
又、本発明は、エネルギー強度分布がガウシアン型を有するレーザビームを射出するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から射出されたレーザビームのビーム径を拡大するビームエキスパンダと、
前記ビームエキスパンダによりビーム径を拡大されたレーザビームのエネルギー強度分布を平坦化する光学フィルタユニットと、
前記光学フィルタユニットを透過したレーザビームを集束して加工対象物の部位に照射する集光レンズと、を備え、
前記光学フィルタユニットは、偏平な基板に、当該基板の中心部から外周部に向けて放射状に広がる遮光性の遮光ゾーンと、その遮光ゾーンにより区切られた放射状に広がる光透過性の透光ゾーンとが設けられ、その透光ゾーンが前記基板の外周部に向かって漸次幅広となる形態とされている構造の光学フィルタを少なくとも1つ有していることを特徴とするレーザ加工装置を提供する。
The present invention also provides a laser oscillator that emits a laser beam having a Gaussian energy intensity distribution;
A beam expander that expands the beam diameter of the laser beam emitted from the laser oscillator;
An optical filter unit for flattening an energy intensity distribution of a laser beam having a beam diameter expanded by the beam expander;
A condensing lens that focuses the laser beam transmitted through the optical filter unit and irradiates a portion of the object to be processed,
The optical filter unit includes a flat substrate, a light shielding zone that spreads radially from the center to the outer periphery of the substrate, and a light transmissive zone that spreads radially and is divided by the light shielding zone. Is provided, and the light transmitting zone has at least one optical filter having a structure in which the light transmitting zone gradually becomes wider toward the outer peripheral portion of the substrate.
更に、本発明は、偏平な基板に、当該基板の中心部から外周部に向けて放射状に広がる遮光性の遮光ゾーンと、その遮光ゾーンにより区切られた放射状に広がる光透過性の透光ゾーンとが設けられ、その透光ゾーンが前記基板の外周部に向かって漸次幅広となる形態とされている構造の光学フィルタを2つ相対回転自在に対面結合して成ることを特徴とするレーザ加工用光学フィルタユニットを提供する。 Furthermore, the present invention provides a flat substrate, a light shielding zone that spreads radially from the center to the outer periphery of the substrate, and a light transmissive zone that spreads radially and is divided by the light shielding zone. And two optical filters having a structure in which the translucent zone is gradually widened toward the outer peripheral portion of the substrate. An optical filter unit is provided.
本発明によれば、偏平な基板にその中心部から外周部に向けて放射状に広がる遮光性の遮光ゾーンと、その遮光ゾーンにより区切られた放射状に広がる光透過性の透光ゾーンとが設けられ、その透光ゾーンが基板の外周部に向かって漸次幅広となる形態とされている構造の光学フィルタにガウシアン型のエネルギー強度分布を有するレーザビームを透過させることから、高価な光学機器を使用せずしてガウシアン型レーザビームのエネルギー強度分布を平坦化して高精度のレーザ加工を行うことが可能となる。 According to the present invention, a flat substrate is provided with a light shielding zone that spreads radially from its center to the outer periphery, and a light transmissive zone that spreads radially and is divided by the light shielding zone. Since an optical filter having a structure in which the translucent zone gradually becomes wider toward the outer peripheral portion of the substrate is transmitted through a laser beam having a Gaussian-type energy intensity distribution, an expensive optical device is used. Accordingly, it is possible to flatten the energy intensity distribution of the Gaussian laser beam and perform high-precision laser processing.
又、上記のような特定構造を有する光学フィルタの2つが相対回転自在に対面結合されているものでは、その2つを相対的に回転移動されることにより、加工対象物の材質などに応じて光エネルギーの透過量を調整することができる。 In addition, in the case where two optical filters having a specific structure as described above are connected to each other so as to be relatively rotatable, the two are relatively rotated and moved in accordance with the material of the workpiece. The amount of light energy transmitted can be adjusted.
以下、図面に基づいて本発明を詳しく説明する。先ず、図1に本発明に係るレーザ加工装置の要部を示してその構成を説明すれば、係るレーザ加工装置は二系統のレーザ照射系10を備えている。両系統のレーザ照射系10は同一の構成であり、それぞれレーザ光源としてガウシアン型のエネルギー強度分布を有するレーザビームを射出するレーザ発振器1を備えている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, FIG. 1 shows a main part of a laser processing apparatus according to the present invention and its configuration will be described. The laser processing apparatus includes two
本例において、レーザ発振器1はYVO4レーザであり、波長532nm、ビーム径500μmのレーザビームを射出し、その光軸上にはレーザビームのエネルギーを減衰調整するロータリアテニュエータ2と、そのロータリアテニュエータ2から出力されるレーザビームのビーム径を拡大するビームエキスパンダ3が設けられる。
In this example, the
図2に示すように、ビームエキスパンダ3は平凹レンズ3a及び凸レンズ3bなどを内蔵するレンズユニットであり、本例ではこのビームエキスパンダ3によりレーザ発振器1からのレーザビームがビーム径500μm(0.5mm)から4mmに拡大され、ビーム径4mmの平行光として出力されるようになっている。
As shown in FIG. 2, the
又、図1および図2において、4はビームエキスパンダ3から射出されるレーザビームの光軸方向を変換する平面鏡、5は平面鏡4で全反射されたレーザビームを二方向に分ける半透鏡(ハーフミラー)、6は半透鏡5を透過したレーザビームを半透鏡5で反射されたレーザビームと同方向に全反射する反射鏡であり、半透鏡5と反射鏡6とにより反射されたレーザビームの光軸上には、それぞれ光学フィルタユニット7を介して集光レンズ8が配置されている。
In FIGS. 1 and 2, 4 is a plane mirror for converting the optical axis direction of the laser beam emitted from the
光学フィルタユニット7は、ガウシアン型であるレーザビームのエネルギー強度分布を平坦化するための光学素子(光学フィルタ)を有するものであり、これにはビームエキスパンダ3から平面鏡4および半透鏡5ないしは反射鏡6を介して、ガウシアン型のエネルギー強度分布を有したままのレーザビームが入射される。そして、集光レンズ8は、光学フィルタユニット7を透過したレーザビームを集束して加工対象物Wの部位に照射する。尚、加工対象物Wは、例えば薄膜型太陽電池の基材となる積層板であり、これは図示せぬ可動台上に固定されて集光レンズ8からのレーザビームの光軸と直交する方向に移動される。
The
ここで、光学フィルタユニット7の構成について言及すれば、係る光学フィルタユニット7は、図3に示すように2つの光学フィルタ71,71を対面結合して構成される。図3において、72は光学フィルタ71を保持する外枠であり、この外枠72はリング状の固定枠72aと可動枠72bとを相対回転自在に結合して構成されている。そして、2つの光学フィルタ71,71は片面同士が触れ合う状態で、それぞれ固定枠72aと可動枠72bに同心状に固定されている。従って、2つの光学フィルタ71,71も固定枠72aと可動枠72bとの相対回転により相対的な回転が可能とされている。尚、本例において、固定枠72aはレーザ加工装置のフレームに固定され、その固定枠72aとこれに固定された光学フィルタ71の一方に対し、可動枠72bと光学フィルタ71の他方を回転させ得るようになっている。
Here, referring to the configuration of the
又、図4から明らかなように、固定枠72aと可動枠72bの外周面には、目盛mが付されており、これにより2つの光学フィルタ71,71の相対的な回転移動量の把握が可能とされている。
Further, as is apparent from FIG. 4, the outer peripheral surfaces of the
次に、図5において、光学フィルタ71は1.5mmの板厚を有する無色透明の偏平なガラス板71aを基板とし、この基板71aに直径62.5mmの円形状のパターン部Pを設けてなる。パターン部Pは、基板71aの中心部から外周部に向けて放射状に広がる遮光性の遮光ゾーンPeと、その遮光ゾーンPeにより区切られた放射状に広がる光透過性の透光ゾーンPtとより構成され、その遮光ゾーンPeと透光ゾーンPtがパターン部Pの周方向に交互に現れるようになっている。
Next, in FIG. 5, the
図5から明らかなように、遮光ゾーンPeと透光ゾーンPtは、基板71aの外周部に向かって漸次幅広となる細長い円弧状の形態で、その各々の広がり角度(ウエッジ角)は本例において2.25度とされている。尚、本例では、透明な基板71aの片面に金属膜を付着せしめて放射状に広がる遮光ゾーンPeを形成し、遮光ゾーンPeの間を光透過性の透光ゾーンPtとしているが、基板71aに遮光性を有する金属板などを用い、これに放射状の切欠孔を穿設して透光ゾーンPtを形成しながら、その間を遮光ゾーンPeとして残すようにしてもよい。
As is clear from FIG. 5, the light shielding zone Pe and the light transmitting zone Pt are in the form of an elongated arc that gradually becomes wider toward the outer peripheral portion of the
そして、係る光学フィルタ71は、その2つが上記のように相対回転自在に対面結合されることにより、光学フィルタユニット7を構成する。又、その光学フィルタユニット7は、レーザビームの光軸中心に対し、光学フィルタ71の中心(遮光ゾーンPeと透光ゾーンPtの放射中心)が一致するようにして、集光レンズ8の前段でレーザビームの光路上に配置される。
The two
ここで、上記のように構成される光学フィルタユニット7を備えたレーザ加工装置の使用によるレーザ加工方法と、光学フィルタ71の作用について説明する。先ず、本発明に係るレーザ加工方法として、加工対象物W(例えば、薄膜太陽電池の基材として、透明絶縁基板上にシリコン層を介して透明電極層を設けた積層板)に透明電極を絶縁分割するスクライブ溝を形成する場合について概説すれば、係る加工対象物Wは、集光レンズ8の下方において図示せぬ可動台上に固定され、集光レンズ8からのレーザビームの照射と同時に一方向に等速で移動される。
Here, the laser processing method using the laser processing apparatus including the
一方、レーザビームの光源となるレーザ発振器1からは、ロータリアテニュエータ2に向けてガウシアン型のエネルギー強度分布を有するレーザビームが射出される。そのレーザビームはロータリアテニュエータ2によりエネルギーを減衰され、次いでビームエキスパンダ3に入射され、そのビームエキスパンダ3により例えばビーム径4mmの平行光とされる。そして、ビーム径を拡大されたレーザビームは、平面鏡4、半透鏡5、ならびに反射鏡6を介して光学フィルタユニット7に入射され、その光学フィルタユニット7により図6に示されるようなガウシアン型のエネルギー強度分布A(光軸横断面での強度分布)が、同図Bのように平坦化される。
On the other hand, a laser beam having a Gaussian-type energy intensity distribution is emitted from a
即ち、図7に示す光学フィルタ71の部分拡大図において、半径Rなる位置で隣り合う透光ゾーンPtを透過したレーザビームは、各々その透光ゾーンPtと直交するD1−D1方向およびD2−D2方向に回折し、それよりも外周側で透光ゾーンPtを透過したレーザビームの回折光と干渉しながら一点鎖線で示すよう外周側に広がって行くが、透光ゾーンPtの幅は外周側より内周側が狭いので、透光ゾーンPtの内周側で回折がより顕著となる。このため、透光ゾーンPtの放射中心部を透過するレーザビームの光軸中心部の光エネルギーが外周方向に発散されるようになり、結果としてそのエネルギー強度分布が平坦化されるようになる。
That is, in the partially enlarged view of the
そして、エネルギー強度分布が平坦化されたレーザビームは、光学フィルタユニット7から集光レンズ8に入射され、その集光レンズ8によりビーム径が例えば50μm程度に集束されて加工対象物Wの表面上に照射される。このため、本発明によれば、加工対象物Wに対してビーム径に相当する幅を有して底部が平坦な所定深さの溝を正確に形成することができる。
Then, the laser beam whose energy intensity distribution is flattened is incident on the condensing
図8は、レーザスクライブにより加工対象物Wに形成した溝の輪郭を示す拡大線図で、(a)は光学フィルタユニット7によりエネルギー強度分布を平坦化したレーザビームによるもの、(b)は比較として光学フィルタユニット7を用いないガウシアン型のレーザビームによるものであり、この図から本発明では高精度の加工を行えることが理解される。
FIG. 8 is an enlarged diagram showing the outline of the groove formed in the workpiece W by laser scribing. FIG. 8A shows a laser beam whose energy intensity distribution is flattened by the
尚、光学フィルタユニット7は、単一の光学フィルタ71を外枠72で保持する構成としてもよいが、上記のように2つの光学フィルタ71,71を相対回転自在に対面結合した構成では、双方の遮光ゾーンPeを光軸方向に合致させた状態を光エネルギーの最大透過量にして、複数の光学フィルタユニット7から射出される光エネルギーが一定になるように調整して半透鏡5による分光誤差を補正したり、光エネルギーの透過量を加工対象物Wの材質などに応じて減ずる方向に調整したりすることができる。
The
以上、本発明について説明したが、レーザ発振器1は、YVO4レーザに限らず、その他の固体レーザ(YAGレーザ、サファイアレーザなど)、あるいは気体レーザ(炭酸ガスレーザ、アルゴンイオンレーザなど)、半導体レーザ、色素レーザ、エキシマレーザ、ならびに自由電子レーザなどでもよい。
Although the present invention has been described above, the
又、上記例では光学フィルタ71の遮光ゾーンPeと透光ゾーンPtを各々同一形状、同一面積としたが、使用するレーザビームの波長などに応じて遮光ゾーンPeと透光ゾーンPtを同一円周上での幅が1:2〜3などとなるようにしてもよい。
In the above example, the light shielding zone Pe and the light transmitting zone Pt of the
1 レーザ発振器
2 ロータリアテニュエータ
3 ビームエキスパンダ
4 平面鏡
5 半透鏡
6 反射鏡
7 光学フィルタユニット
71 光学フィルタ
71a 基板
P パターン部
Pe 遮光ゾーン
Pt 透光ゾーン
8 集光レンズ
DESCRIPTION OF
Claims (3)
レーザ発振器から射出されたガウシアン型のエネルギー強度分布を有するレーザビームのビーム径を拡大して前記光学フィルタに入射させると共に、その光学フィルタを透過したレーザビームを集束して加工対象物の部位に照射することを特徴とするレーザ加工方法。 A flat substrate is provided with a light shielding zone that spreads radially from the center to the outer periphery of the substrate and a light transmissive zone that spreads radially and is divided by the light shielding zone. The optical zone is a method of performing laser processing on an object to be processed using an optical filter having a structure in which the optical zone is gradually widened toward the outer peripheral portion of the substrate.
The diameter of a laser beam having a Gaussian-type energy intensity distribution emitted from a laser oscillator is enlarged and incident on the optical filter, and the laser beam transmitted through the optical filter is focused and irradiated on a part to be processed. And a laser processing method.
前記レーザ発振器から射出されたレーザビームのビーム径を拡大するビームエキスパンダと、
前記ビームエキスパンダによりビーム径を拡大されたレーザビームのエネルギー強度分布を平坦化する光学フィルタユニットと、
前記光学フィルタユニットを透過したレーザビームを集束して加工対象物の部位に照射する集光レンズと、を備え、
前記光学フィルタユニットは、偏平な基板に、当該基板の中心部から外周部に向けて放射状に広がる遮光性の遮光ゾーンと、その遮光ゾーンにより区切られた放射状に広がる光透過性の透光ゾーンとが設けられ、その透光ゾーンが前記基板の外周部に向かって漸次幅広となる形態とされている構造の光学フィルタを少なくとも1つ有していることを特徴とするレーザ加工装置。 A laser oscillator that emits a laser beam having a Gaussian type energy intensity distribution;
A beam expander that expands the beam diameter of the laser beam emitted from the laser oscillator;
An optical filter unit for flattening an energy intensity distribution of a laser beam having a beam diameter expanded by the beam expander;
A condensing lens that focuses the laser beam transmitted through the optical filter unit and irradiates a portion of the object to be processed,
The optical filter unit includes a flat substrate, a light shielding zone that spreads radially from the center to the outer periphery of the substrate, and a light transmissive zone that spreads radially and is divided by the light shielding zone. And a light-transmitting zone having at least one optical filter having a structure in which the light-transmitting zone gradually becomes wider toward the outer peripheral portion of the substrate.
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