JP2012071318A

JP2012071318A - レーザ加工機

Info

Publication number: JP2012071318A
Application number: JP2010216740A
Authority: JP
Inventors: Masami Suzuki; 正美鈴木
Original assignee: Kataoka Corp
Current assignee: Kataoka Corp
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2012-04-12

Abstract

【課題】レーザ光を大形の加工対象物の所要の箇所に照射して加工を行うレーザ加工機に関し、ガルバノスキャナを採用する場合の問題を回避する。
【解決手段】加工対象となる基板０を支持しながら所定の回転軸Ａ回りに基板０を回動させることが可能な支持体１と、前記支持体１に支持させた基板０の被加工面に向けてレーザ光を照射するとともにそのレーザ光軸を前記回転軸Ａと略平行な軸Ｂ回りに回動させることが可能なレーザ照射装置２とを具備するレーザ加工機を構成した。基板０の被加工面に向かうレーザ光の光軸の鉛直方向に対する角度θ₁と、支持体１に支持させた基板０の被加工面の水平方向に対する角度θ₂とは、θ₂≒θ₁／２の関係に維持する。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ光を大形の加工対象物の所要の箇所に照射して加工を行うレーザ加工機に関する。

加工対象物の所要の箇所にレーザ光を照射する加工機には、レーザ光軸の方向を操作するものが存在する。レーザ光軸の方向を変化させるための具体的手段としては、ガルバノスキャナ（例えば、下記特許文献を参照）と集光レンズとの組み合わせが一般的である。

ガルバノスキャナを介してレーザ光軸の方向を変化させる態様の加工機では、幾つかの問題に直面する。まず、レーザ光の照射箇所によって、レーザ光軸の方向と加工対象物の被加工面とがなす角度が変化することが挙げられる。レーザ光軸が被加工面に対して直交する状態と、被加工面に対して傾倒している状態とでは、被加工面上におけるレーザ光の投影形状が当然に異なる。そのような投影形状の歪み変形は、被加工面に照射されるレーザビームのプロファイル（エネルギ分布）の変動に直結し、加工精度を低下させる要因となる。

さらには、ガルバノスキャナの出射口から加工対象物の被加工面までの距離も、長くなったり短くなったりする。このため、レーザ光の焦点を常に被加工面に合わせるべく、集光レンズを適時変位させる制御を行わなくてはならない。だが、その変位制御は非線形的であって容易ではなく、高速な処理が難しい。

加えて、ガルバノスキャナの構成要素であるミラーの回転角と、レーザ光の照射箇所との関係も線形的ではない。レーザ光軸が被加工面に対して直交する状態と、被加工面に対して傾倒している状態とでは、ミラーを所定角度回転させたときのレーザ光の照射箇所の移動量が相異する。パルスレーザビームを連続的に照射して被加工面上に溝を切削するような加工を行う場合、ミラーの回転速度を適確に制御しないと、パルスレーザビームの照射箇所が飛び飛びとなり、連続した溝を形成できない。

特開２００８−１７０５７９号公報

本発明は、レーザ光を大形の加工対象物の所要の箇所に照射して加工を行うレーザ加工機に関し、ガルバノスキャナを採用する場合の上述の問題を回避することを所期の目的としている。

本発明では、加工対象となる基板を支持しながら所定の回転軸回りに基板を回動させることが可能な支持体と、前記支持体に支持させた基板の被加工面に向けてレーザ光を照射するとともにそのレーザ光軸を前記回転軸と略平行な軸回りに回動させることが可能なレーザ照射装置とを具備するレーザ加工機を構成した。

本発明は特に、薄膜太陽電池の製造過程において、前記基板に製膜された透明性導電膜、発電層または裏面電極膜にレーザ光を照射してこれを切削する加工機としての利用に好適となる。薄膜太陽電池の製造は、特定の方向に延伸する溝を複数本切削形成する工程を伴うが、本発明に係るレーザ加工機によれば、前記回転軸に対して略直交する方向に基板の被加工面を走査する加工処理を精度よく実施することが可能である。

本発明によれば、ガルバノスキャナを採用する場合の上述の問題を有効に回避できる。

本発明の一実施形態のレーザ加工機の概略構成を示す斜視図。同レーザ加工機によるレーザ加工時の基板の姿勢及びレーザ光軸の向きの制御の模様を示す側面図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態のレーザ加工機は、例えば薄膜太陽電池の製造過程において使用されるものであり、加工対象物であるガラス基板０の被加工面に製膜される薄膜、即ち透明導電膜、光電変換膜（発電層となるアモルファスシリコン、単結晶シリコン、多結晶シリコン若しくは微結晶シリコンの膜）または裏面電極膜にレーザ光を照射して、当該薄膜を分断する分離溝等のパターニングを行うものである。

説明の簡明化のため、ここでは、（基板０を水平姿勢とした場合に）薄膜に形成される分離溝が延伸している方向をＹ軸（前後）方向と定義し、複数本の分離溝が間欠的に並んでいる方向をＸ軸（左右）方向と定義して記述する。図１に示すように、本実施形態のレーザ加工機は、基板０を支持する支持体１と、その支持体１の上方に配置したレーザ照射装置２とを具備している。

支持体１は、例えば上下方向に貫通した中空の枠体であり、その上面側に被加工面を下に向けた基板０を載置して支持することができる。支持体１には、図示しないクランプ装置等を付設しておき、当該クランプ装置等を介して基板０の外周縁部を挟持する。支持体１は、Ｙ軸方向に伸びる回転軸Ａ回りに回動する。即ち、自らが支持している基板０を、同回転軸Ａ回りに回動させる機能を有する。

レーザ照射装置２は、支持体１に支持させた基板０の被加工面に向けてレーザ光を照射するものである。本実施形態では、透明な基板０の上方から、レーザ光をこの基板０を透過させて下に向けた被加工面に照射する。レーザ照射装置２は、複数の加工ノズル２１と、各加工ノズル２１から出射したレーザ光を基板０に向けて屈折させるミラー２２とを要素とする。

加工ノズル２１は、Ｘ軸方向に並んでおり、各々がＸ軸方向に変位することが可能であるようにレーザ設置ベース２３に支持させてある。加工ノズル２１は、レーザ光の焦点を調整するためのレンズを内蔵している。各加工ノズル２１は、ミラー２２に向け、Ｙ軸方向にレーザ光を出射する。

ミラー２２は、Ｘ軸方向に拡張しており、一枚で複数の加工ノズル２１から出射したレーザ光を受け、それらを基板０に向けて反射させる。ミラー２２は、支持体１の回転軸Ａに対して略平行Ｂな軸回りに、換言すればＹ軸方向に伸びる回転軸Ｂ回りに回動する。なお、ミラー２２の回転軸Ｂは、各加工ノズル２１から出射するレーザ光が当たる位置に所在している。即ち、ミラー２２の回転角度によらず、ミラー２２においてレーザ光が当たる箇所は不動である。

支持体１の回動と、ミラー２２の回動とは同期する。支持体１及びミラー２２をそれぞれ回転駆動する駆動源（ステッピングモータ等）の制御、加えて各加工ノズル２１のＸ軸方向位置を変位させる駆動源（リニアモータ台車等）の制御を司る図示しない制御部は、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、またはプログラマブルコントローラ（シーケンサ）等を主体とするもので、プロセッサ、メモリ、Ｉ／Ｏインタフェース等を有し、これらが連携動作する。メモリは、主記憶デバイスの他、フラッシュメモリやハードディスクドライブといった補助記憶デバイスを含む。制御処理において実行するべきプログラムは、メモリに記憶されており、プログラム実行の際にプロセッサによって解読される。

制御部は、支持体１に支持させた基板０の回動角度と、ミラー２２の回転角度とを同期させる。図２に示しているように、基板０の被加工面に向かうレーザ光の光軸の鉛直方向に対する角度θ₁と、支持体１に支持させた基板０の被加工面の水平方向に対する角度θ₂との間には、θ₂≒θ₁／２の関係が成立する。

本実施形態では、加工対象となる基板０を支持しながら所定の回転軸Ａ回りに基板０を回動させることが可能な支持体１と、前記支持体１に支持させた基板の被加工面に向けてレーザ光を照射するとともにそのレーザ光軸を前記回転軸Ａと略平行な軸Ｂ回りに回動させることが可能なレーザ照射装置２とを具備するレーザ加工機を構成した。本レーザ加工機は、前記回転軸Ａ、Ｂに対して略直交するＹ軸方向にレーザ光の照射位置を変位させるに際して、θ₂≒θ₁／２の関係が成立するように、支持体１及びレーザ照射装置２のミラー２２の回転角度を制御する。

これにより、レーザ光の光軸を回転軸Ｂ回りに回転させ、レーザ光のＹ軸方向に沿った照射位置を変位させる加工を行う場合において、ミラー２２から基板０の被加工面までの距離が殆ど変化せず、レーザ光の焦点を細かく調整する必要がなくなる。つまり、加工ノズル２１に内蔵しているレンズを高速に操作せずに済むため、タクトタイムの短縮に奏功する。

のみならず、基板０の被加工面と、当該被加工面に照射するレーザ光の光軸とがなす角度を、常に略一定に保つことができるので、被加工面に照射されるレーザビームのプロファイル（エネルギ分布）が変動せず、加工精度が改善する。

さらに、基板０の被加工面に照射されるレーザ光軸の回転角度θ₁と、被加工面上におけるレーザ光のＹ軸方向に沿った照射位置との関係が線形的となることから、ミラー２２を回転駆動する駆動源の制御がより容易となり、その意味でも処理を高速化することが可能となる。

本実施形態のレーザ加工機は、基板０の被加工面に製膜した薄膜にＹ軸方向に延伸する溝を切削形成する加工に特に適している。

なお、以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、レーザ照射装置２の要素としてミラー２２を採用し、このミラー２２を回転させることを通じてレーザ光軸の向きを変化させるものとしていたが、ミラー２２を採用せず、レーザ光を発射する加工ノズル２１自体を前記回転軸Ｂ回りに回動可能に配設するようにしても構わない。

また、上記実施形態では、基板０、レーザ光軸がともにＹ軸方向に伸びる回転軸Ａ、Ｂ回りに回動するのみであった。即ち、被加工面に対するレーザ光の照射位置をＸ軸方向に変位させるためには、加工ノズル２１自体をＸ軸方向に移動させる必要があった。これに対し、基板０及びレーザ光軸をともに、Ｙ軸方向に伸びる回転軸回りにも、Ｘ軸方向に伸びる回転軸回りにも、回動可能に構成することも考えられる。この場合、例えば、基板０を支持する支持体１と、レーザ照射装置２の要素であるミラー２２とをそれぞれ、Ｙ軸方向に伸びる軸回りにもＸ軸方向に伸びる軸回りにも回動させ得るようにする。このようなものであれば、加工ノズル２１をリニアモータ台車等でＸ軸方向に移動させる必要がなく、また、複数の加工ノズル２１を配備せずとも基板０の被加工面の広範囲に亘ってレーザ加工を施すことが可能となる。この場合、加工ノズル２１から発射するレーザ光は、ミラー２２における、Ｙ軸方向に伸びる回転軸とＸ軸方向に伸びる回転軸との交点の箇所に当てるようにする。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、例えば太陽電池パネル等の製造過程における、薄膜のレーザスクライブ、アブレーション、パターニングを実施する加工機として利用できる。

０…基板
１…支持体
２…レーザ照射装置

Claims

加工対象となる基板を支持しながら所定の回転軸回りに基板を回動させることが可能な支持体と、
前記支持体に支持させた基板の被加工面に向けてレーザ光を照射するとともにそのレーザ光軸を前記回転軸と略平行な軸回りに回動させることが可能なレーザ照射装置と、
を具備するレーザ加工機。
前記レーザ光は、前記回転軸に対して略直交する方向に前記基板の被加工面を走査する請求項１記載のレーザ加工機。
薄膜太陽電池を製造するための加工機であり、
前記基板に製膜された透明性導電膜、発電層または裏面電極膜にレーザ光を照射してこれを切削する請求項１または２記載のレーザ加工機。