JP2012020303A - 積層基板の溝加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】薄膜太陽電池等の積層基板における金属膜に溝を形成する際に、良好な絶縁性を維持し、かつ溝の端部不良を抑える。
【解決手段】この積層基板の溝加工方法は、基板上に形成された金属薄膜の一部を除去して溝を形成するための方法であって、レーザビーム照射工程と、レーザビーム走査工程と、を備えている。レーザビーム照射工程は、金属薄膜の溝予定ライン上に、矩形のレーザビームを照射する。レーザビーム走査工程は、レーザビームを、ビーム重なり率が６０％を越え８５％以下の範囲になるように溝予定ラインに沿って走査する。
【選択図】図４Ａ

Description

本発明は、溝加工方法、特に、集積型薄膜太陽電池等の積層基板における金属薄膜の一部を除去して溝を形成するための積層基板の溝加工方法に関する。

薄膜太陽電池を製造する方法として、例えば特許文献１に示されるような方法が提供されている。この特許文献１に記載された製造方法では、ガラス等の基板上にモリブデン（Ｍｏ）膜からなる下部電極膜が形成され、その後、下部電極膜が短冊状に分割される。次に、下部電極膜上にＣＩＧＳ膜等のカルコパイライト構造化合物半導体膜を含む化合物半導体膜が形成される。そしてさらに、これらの半導体膜の一部がストライプ状に除去されて短冊状に分割され、これらを覆うように上部電極膜が形成される。そして最後に、上部電極膜の一部がストライプ状に剥離されて短冊状に分割される。

また、薄膜太陽電池の基板上に形成された金属膜を分離するための加工方法が特許文献２に示されている。この特許文献２に示された方法は、以下の通りである。

まず、金属膜を含む積層膜の表面に照射されるレーザビームの加工スポットの形状が、マスクを用いて略矩形状に整形される。次に、レーザビームの加工スポットを、一定の重ね合わせ率で積層膜に対して移動させる。その際、レーザビームのエネルギ強度分布の中心を、略矩形状の加工スポットの中心に対して移動方向に偏芯させるようにしている。

また、特許文献３においても、特許文献２と同様に、矩形状のレーザビームを被加工物に照射するとともに一定の方向に所定の重なり率で走査し、スクライブ加工を行う装置が示されている。

特開２００２−３３４９８号公報 特開２００６−３０５６０１号公報 特開昭６２−１６８６８８号公報

薄膜太陽電池パネルには金属膜としてのＭｏ膜が形成される。そして、隣接する素子同士を絶縁するために、Ｍｏ膜の一部を剥離して溝を形成する必要がある。このＭｏ膜は比較的硬度の高い材質であるために、特許文献２及び特許文献３に示されるように、レーザビームを所定の重なり率で照射して溝を形成する方法が提案されている。例えば、特許文献２では、レーザビームの重なり率を１０〜６０％の範囲で移動させてレーザ加工を行うことが記載されており、また特許文献３では、重なり率を約７％又は約１０％でレーザ加工を行うことが記載されている。

しかし、従来のレーザ加工方法を用いて低いレーザ出力でＭｏ膜の剥離加工を行うと、形成された溝のエッジ部分に盛り上がりが形成されて端部不良が生じる。また、逆に高いレーザ出力で加工を行うと、溝のエッジ部分の盛り上がりを抑えることができるが、溶融したＭｏとその酸化物が溝内部に溶け出す。この場合は、絶縁性が低下してしまう。

本発明の課題は、薄膜太陽電池等の積層基板における金属膜に溝を形成する際に、良好な絶縁性を維持し、かつ溝の端部不良を抑えることにある。

第１発明に係る積層基板の溝加工方法は、基板上に形成された金属薄膜の一部を除去して溝を形成するための方法であって、レーザビーム照射工程と、レーザビーム走査工程と、を備えている。レーザビーム照射工程は、金属薄膜の溝予定ライン上に、矩形のレーザビームを照射する。レーザビーム走査工程は、レーザビームを、ビーム重なり率が６０％を越え８５％以下の範囲になるように溝予定ラインに沿って走査する。

ここでは、レーザビーム走査工程において、例えばレーザの繰り返し周波数を上げることによってレーザビームの重なり率を６０％〜８５％にしている。このため、金属薄膜を確実に除去して十分な絶縁性を保てるとともに、溝のエッジ部分の高さを抑えることができる。また、重なり率が低い従来の加工方法に比較して、レーザの出力幅を大きくすることができる。

第２発明に係る積層基板の溝加工方法は、第１発明の溝加工方法において、レーザビームの繰り返し周波数は８０kHz以上１４０kHz以下である。

第３発明に係る積層基板の溝加工方法は、第１又は第２発明において、金属薄膜はモリブデン薄膜である。

以上のような本発明では、レーザビームを適切な重なり率で走査して溝加工を行うので、溝予定ラインの金属薄膜を確実に除去して良好な絶縁性を得ることができ、しかも溝のエッジ部分の高さを抑えることができる。

本発明の一実施形態によるレーザ加工方法を実施するためのレーザ加工装置。 パルス繰り返し周波数２０kHz−出力１．５Ｗの実験例1の実験データを示す図。 パルス繰り返し周波数２０kHz−出力１．９Ｗの実験例２の実験データを示す図。 パルス繰り返し周波数２０kHz−出力２．２Ｗの実験例３の実験データを示す図。 パルス繰り返し周波数４０kHz−出力３．２Ｗの実験例４の実験データを示す図。 パルス繰り返し周波数４０kHz−出力３．４Ｗの実験例５の実験データを示す図。 パルス繰り返し周波数４０kHz−出力３．６Ｗの実験例６の実験データを示す図。 パルス繰り返し周波数８０kHz−出力７．０Ｗの実験例７の実験データを示す図。 パルス繰り返し周波数８０kHz−出力８．５Ｗの実験例８の実験データを示す図。 パルス繰り返し周波数１２０kHz−出力１１．０Ｗの実験例９の実験データを示す図。 パルス繰り返し周波数１２０kHz−出力１２．５Ｗの実験例１０の実験データを示す図。 パルス繰り返し周波数１６０kHz−出力１５．０Ｗの実験例１１の実験データを示す図。

［レーザ加工装置］
本発明の一実施形態によるレーザ加工装置を図１に示す。このレーザ加工装置は、Ｍｏ薄膜付きのガラス基板にレーザビームを照射するとともに、溝予定ラインに沿ってレーザビームを照射し、溝予定ラインのＭｏ薄膜を除去するものである。レーザ加工装置は、レーザ発振器等を含むレーザヘッド１と、光学系２と、走査機構３と、を備えている。

レーザヘッド１はパルスレーザビームを出射する。レーザヘッド１に設けられたレーザ発振器は、ＹＡＧレーザ、ＩＲレーザ等の周知のパルスレーザ光の発振器であれば、特に限定されるものではない。ここでは、波長が１０６４nm、パルス幅３０〜２００nsのレーザビームが出射される。

光学系２は、第１レンズ５、第２レンズ６、第３レンズ７、及び矩形コアファイバ８を有している。矩形コアファイバ８は、レーザヘッド１側に配置された第１レンズ５と走査機構３側に配置された第２レンズ６との間に配置されている。この光学系２においては、第１レンズ５を通過したレーザビームは矩形コアファイバ８に導入される。そして、矩形コアファイバ８から出射された矩形状のレーザビームは、第２レンズ６で平行光にされ、さらに第３レンズ７で集光されて基板に照射される。もちろん、１つのレンズによって直接ガラス基板Ｇ上にレーザビームを集光するようにしてもよい。

走査機構３は、Ｘ方向に移動可能な走査ステージ１０と、Ｘ方向と直交するＹ方向に所定のピッチ毎に移動可能なピッチ送りステージ１１と、を有している。そして、ピッチ送りステージ１１にガラス基板Ｇを載置し、各ステージ１０，１１を移動させることにより、ガラス基板Ｇとレーザビームとの相対位置を自在に変更することができる。加工時の走査ステージ１０の移動速度は、図示しない制御部により制御され、これによりレーザビームが所定の重なり率でガラス基板Ｇ上に照射されることになる。

［レーザ加工方法］
ガラス基板５のＭｏ膜を剥離する場合は、レーザヘッド１から出射されたパルスレーザビームは、光学系２によって、ビーム形状が矩形にされ、さらに集光されてガラス基板５の溝予定ライン上に照射される（レーザビーム照射工程）。次に、このパルスレーザビームは、走査ステージ１０を移動することによって溝予定ラインに沿って走査される（レーザビーム走査工程）。そして、１つの溝加工が終了すれば、ピッチ送りステージ１１が１ピッチだけ送られ、同様の処理によって別の溝が加工される。

以上のレーザビーム照射工程及びレーザビーム走査工程によって、溝予定ラインのＭｏ膜が溶融除去される。

［実験例］
以下に、Ｍｏ薄膜付きのガラス基板に対してパルスレーザビームを照射及び走査し、Ｍｏ薄膜を所定の幅で除去した実験例を示す。以下の実験におけるレーザ加工条件は次の通りである。

ビーム形状：４５×４６μmの矩形で均質ビーム
走査速度（固定）：１０００mm/s
また、Ｍｏ薄膜付きガラス基板は、ガラス基板の厚みが１．１mm、Ｍｏ薄膜の厚みは４０nmである。

各実験例に関連する図を図２〜図６に示している。各図において、（ａ）はレーザ顕微鏡で加工部を観察した写真であり、（ｂ）は加工部及びその周辺の横断面図である。（ｂ）において、「高さ（左）」は溝エッジ部分のうち左側エッジ部の盛り上がり高さを、「高さ（右）」は溝エッジ部分のうち右側エッジ部の盛り上がり高さを示し、「高さ(max)」は盛り上がり高さの最大値を示ししている。「高さ」の単位は、すべて「μm」である。

＜実験例１〜３＞
繰り返し周波数が２０kHzで、重なり率が「０」の場合の実験例１〜３を図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃに示している。実験例１〜３はレーザ出力が異なっており、それぞれのレーザ出力は１．５W，１．９W，２．２Wである。

出力が１．５Ｗでは、出力不足のために、Ｍｏ膜を除去することができなかった。出力が１．９Wでは、Ｍｏ膜は除去されるが、溝エッジ部分の最大高さが約１．８μmであり、高い盛り上がりが観察された。また、出力が２．２Wでは、溝エッジ部分の最大高さは約０．７μmであり、低いが、溝内部が変色しており、溶融又は酸化したＭｏが残っている。このため、絶縁不良を招くことになる。

＜実験例４〜６＞
繰り返し周波数が４０kHz、すなわち重なり率を４４％にした場合の実験例４〜６を図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃに示している。実験例４〜６はレーザ出力が異なっており、それぞれのレーザ出力は３．２W，３．４W，３．６Wである。

出力が３．２Ｗ及び３．４Wでは、溝部のＭｏは除去されているが、溝エッジ部分の最大高さがいずれも約０．９μmであり、高い盛り上がりが観察された。また、出力が３．６Wでは、溝エッジ部分の最大高さは約０．７μmであり、盛り上がりは低いが、溝内部が変色しており、溶融したＭｏが残っている。このため、絶縁不良を招くことになる。

＜実験例７，８＞
繰り返し周波数が８０kHz、すなわち重なり率を７２％にした場合の実験例７，８を図４Ａ、図４Ｂに示している。実験例７，８のレーザ出力は、それぞれ７．０W，８．５Wである。

ここでは、いずれの出力においても、Ｍｏ膜は除去され、かつ溝部分に変色が見あたらない。また、溝エッジ部分の最大高さはいずれも約０．５μｍであって、エッジ部分の盛り上がりは低い。さらに、レーザ出力の幅は１．５W（８．５−７．０）であって、幅広い出力マージンが得られる。

＜実験例９，１０＞
繰り返し周波数が１２０kHz、すなわち重なり率を８２％にした場合の実験例９，１０を図５Ａ、図５Ｂに示している。実験例９，１０のレーザ出力は、それぞれ１１．０W，１２．５Wである。

ここでは、いずれの出力においても、Ｍｏ膜は除去され、かつ溝部分に変色が見あたらない。また、溝エッジ部分の最大高さは約０．４μｍあるいは約０．３μmであって、エッジ部分の盛り上がりは低い。さらに、レーザ出力の幅は１．５W（１２．５−１１）であって、幅広い出力マージンが得られる。

＜実験例１１＞
繰り返し周波数が１６０kHz、すなわち重なり率を８６％にした場合の実験例１１を図６に示している。この例では、レーザ出力は１５．０Wである。

ここでは、図６（ｃ）に示すように、溝加工部の周囲に大きなクラックが発生しており、Ｍｏ膜が剥がれかけて浮き上がっている。

＜まとめ＞
以上の実験結果から、ビーム重なり率が６０％以下で低出力ではエッジ部分の盛り上がり高さが高くなり、ビーム重なり率が６０％以下で高出力では溝部分にＭｏが残ることがわかった。また、ビーム重なり率が８５％以上では、エッジ部分のＭｏが浮き上がる傾向があることがわかった。このＭｏの浮き上がりは、基板（ガラス）とＭｏの熱膨張が異なることに起因していると考えられる。

以上から、溝部分のＭｏが除去されて変色せず、エッジ部分の高さが０．５μm以下になり、しかもＭｏ膜が剥がれたり、浮き上がったりしないレーザ加工条件は以下の範囲であることがわかる。

ビーム形状：矩形で強度分布が均質であること。

ビーム重なり率：６０％を越え８５％以下
［特徴］
以上のように本実施形態では、レーザビーム走査工程において、レーザビームの重なり率を６０％を越え８５％以下としているので、Ｍｏ膜を確実に除去して十分な絶縁性を保てるとともに、溝のエッジ部分の盛り上がり高さを抑えることができる。

［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。

１ レーザヘッド
２ 光学系
３ 走査機構
８ 矩形コアファイバ
１０ 走査ステージ
１１ ピッチ送りステージ

Claims (3)

1. 基板上に形成された金属薄膜の一部を除去して溝を形成するための積層基板の溝加工方法であって、
   前記金属薄膜の溝予定ライン上に、矩形のレーザビームを照射するレーザビーム照射工程と、
   前記レーザビームを、ビーム重なり率が６０％を越え８５％以下の範囲になるように溝予定ラインに沿って走査するレーザビーム走査工程と、
   を備えた積層基板の溝加工方法。
2. 前記レーザビームの繰り返し周波数は８０kHz以上１４０kHz以下である、請求項１に記載の積層基板の溝加工方法。
3. 前記金属薄膜はモリブデン薄膜である、請求項１又は２に記載の積層基板の溝加工方法。