JP2012143787A - Thin film laser patterning method and device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ光を用いた薄膜のパターニング方法及び装置一般に適用可能なものである。具体的には、近年注目を集めている薄膜太陽電池のセルを形成する工程において、導電薄膜やシリコン薄膜を高速かつ確実に切断するための薄膜レーザパターニング方法及び装置に関するものである。 The present invention is generally applicable to a thin film patterning method and apparatus using laser light. Specifically, the present invention relates to a thin film laser patterning method and apparatus for cutting a conductive thin film or a silicon thin film at high speed and reliably in a process of forming a thin film solar cell that has been attracting attention in recent years.
アモルファスシリコンや微結晶シリコンを用いた薄膜太陽電池では発電効率の向上が大きな課題となっている。このため、発電層及び透明導電膜をセルに分割し、これらを直列に接続することで高電圧を得ることが一般に行われている。このセルの分割においては、膜の除去による面積ロスを必要最小限にするため、セル間に設けられた直線状のスクライブ領域に沿って精度良く分割することが求められる。このスクライブ領域に沿って精度良くセルの分割を行う方法として、レーザを用いて加工する方法が有る。 In thin-film solar cells using amorphous silicon or microcrystalline silicon, improvement in power generation efficiency is a major issue. For this reason, generally, a high voltage is obtained by dividing the power generation layer and the transparent conductive film into cells and connecting them in series. In this cell division, in order to minimize the area loss due to the removal of the film, it is required to divide the cells with high accuracy along a linear scribe region provided between the cells. As a method of dividing cells with high accuracy along the scribe region, there is a method of processing using a laser.
レーザを用いた薄膜の加工光学系については特許文献1に挙げたようなものがある。これは、加工形状を均一にするために、ホモジナイザを用いてビーム強度分布を均一化するとともに、ビームのディセンタを防止して均一性を向上させるものである。
A thin film processing optical system using a laser is disclosed in
また特許文献2には、レーザによる加工精度を向上させるために、レーザの分布強度を変えて試料に照射する構成が開示されている。
上記の直線状のスクライブ領域を加工するためには、YAGレーザなどのパルスレーザによる加工スポットを直線状に連続するように照射すれば良い。ここで、透明電極の絶縁分割を良好に行うには、下地膜にダメージを与えずに、かつ、スクライブ領域に膜残りが生じないようにする必要があり、均一な加工形状が得られることが望ましい。上記特許文献1には、1パルス毎のレーザエネルギ分布をトップハットに形成して均一パワーで像を被加工物上に転写する方法が述べられている。ところが、この方法で直線状のスクライブ領域を加工するには、スポットを連続的に照射して直線状に繋げる際、各スポット間に重なり部分が発生しないようにし、かつ隣り合うスポット間に隙間が発生しないようにレーザを照射しなければならない。しかし実際にはこのようなビームの照射を行うことは難しく、実際には隣り合うビーム間で一部が重なり合うように照射する。しかし、この場合、特許文献1に記載されている方法ではスポット間の重畳部においてエネルギが過剰となり、下地へのダメージが発生しやすい。この場合、下地のガラス中の不純物がスクライブ部に付着して、絶縁不良や寿命低下の原因となる。これを避けるために、スポット間の間隔を大きくすると、スポット間の境界で膜残りが生じやすくなる。すなわち、下地へのダメージ回避と膜残りの回避とは相補的な関係で、両者を両立するのが難しい。
In order to process the linear scribe region, a processing spot by a pulse laser such as a YAG laser may be irradiated so as to be continuous linearly. Here, in order to perform the insulation division of the transparent electrode satisfactorily, it is necessary to prevent damage to the underlying film and to prevent the film residue from occurring in the scribe region, and a uniform processed shape can be obtained. desirable.
特許文献2には、ビーム成形ユニットを用いてレーザビームの空間エネルギ分布をトップハット分布にすることが記載されているが、被加工物にスポットを連続的に照射して直線状に繋げる際に下地膜にダメージを与えずに、かつ、スクライブ領域に膜残りが生じないようにレーザビームを照射することについては記載されていない。
本発明の課題は、薄膜のレーザを用いたスクライブにおいて、加工スポット間の重畳部でエネルギが過剰になることを防ぎ、下地へのダメージを発生させないようにすると共に、膜残りが発生しないようにスクライブ領域を加工することを可能にする薄膜レーザパターニング方法及びその装置を提供することにある。 It is an object of the present invention to prevent excessive energy at the overlapping portion between processing spots in scribing using a thin film laser so as not to cause damage to the ground and to prevent film residue from occurring. An object of the present invention is to provide a thin film laser patterning method and apparatus capable of processing a scribe region.
上記した課題を解決するために、本発明では、試料の表面に形成された薄膜にパルスレーザ光を試料の表面に対して相対的に走査しながら照射することで試料の表面から薄膜を部分的に除去加工する薄膜レーザパターニング方法において、パルスレーザを相対的に走査する方向に対して非対称なトップハット形状の強度分布を有するように成形し、この成形したパルスレーザの照射領域を一部重複させながら照射して相対的に走査することによりこの相対的に走査して照射した領域の薄膜を除去加工するようにした。
また、上記した課題を解決するために、本発明では、薄膜レーザパターニング装置を、パルスレーザビームを発射するパルスレーザ光源と、試料を載置して平面内で移動可能なステージ手段と、パルスレーザ光源から発射されたパルスレーザビームをこのパルスレーザビームの光軸に直角な断面内での光強度分布が非対称なトップハット形状に成形する光学素子を有してこの光学素子により光強度分布が非対称なトップハット形状に成形されたパルスレーザビームを試料に照射するビーム照射光学系とを備えて構成し、ステージ手段は、ビーム照射光学系の光学素子により光強度分布が非対称なトップハット形状に成形されたパルスレーザビームが照射される試料上の領域が順次前回照射された領域と一部が重なるように試料を移動させ、ビーム照射光学系はステージ手段による試料の移動方向に応じてパルスレーザビームの光強度分布の非対称なトップハット形状を変更するトップハット形状変更部を有するようにした。
In order to solve the above-described problems, in the present invention, a thin film is partially formed from the surface of a sample by irradiating the thin film formed on the surface of the sample with pulsed laser light while being scanned relative to the surface of the sample. In the thin-film laser patterning method, the pulse laser is shaped so as to have a top hat intensity distribution that is asymmetric with respect to the scanning direction, and the irradiated areas of the shaped pulse laser are partially overlapped. The thin film in the region scanned and irradiated relatively was removed by irradiating and relatively scanning.
In order to solve the above-described problems, in the present invention, a thin film laser patterning device includes a pulse laser light source that emits a pulse laser beam, stage means on which a sample can be placed and moved in a plane, and a pulse laser. It has an optical element that shapes the pulse laser beam emitted from the light source into a top hat shape in which the light intensity distribution in the cross section perpendicular to the optical axis of the pulse laser beam is asymmetric. The stage means is shaped into a top hat shape with an asymmetrical light intensity distribution by the optical elements of the beam irradiation optical system. The sample is moved so that the region on the sample irradiated with the pulsed laser beam is partially overlapped with the previously irradiated region. Beam irradiation optical system is to have a top-hat shape changing unit that changes an asymmetrical top hat shape of the light intensity distribution of the pulse laser beam in accordance with the moving direction of the sample by the stage unit.
本発明によれば、薄膜のスクライブにおいて、レーザエネルギの過剰によるダメージを防止することが可能になり、薄膜を高精度にスクライブできるようになった。 According to the present invention, it is possible to prevent damage due to excessive laser energy in scribing a thin film, and it is possible to scribe a thin film with high accuracy.
また、本発明を薄膜太陽電池のセルの切断に適用した場合、ユニットセル間の絶縁性向上や膜中への不純物混入防止の効果があり、ひいては信頼性・寿命の向上へ寄与できる。 In addition, when the present invention is applied to the cutting of cells of a thin-film solar battery, it has the effect of improving the insulation between unit cells and preventing impurities from being mixed into the film, thereby contributing to the improvement of reliability and life.
以下に、本発明の実施例を図を用いて説明する。
図1に本発明の一実施例における加工原理を示す。本図は基板にレーザ光が照射される状況を断面方向から見たものである。図1(a)〜(c)はレーザビーム2の光軸に垂直な断面の強度分布が左右対称なトップハット像(以下対称トップハット像と記す)による加工、(d)〜(i)はレーザビーム2の光軸に垂直な断面の強度分布が左右非対称なトップハット像(以下非対称トップハット像と記す)による加工を示す。各々(a)、(d)、(g)は1回目のパルスレーザビーム2を照射の状態を、(b)、(e)、(h)はパルス間の状態を、(c)、(f)、(i)は2回目のパルスレーザビーム2を照射の状態を示す。図中2はレーザビーム、810はガラス基板、811は下地膜、820は透明導電膜、821は透明導電膜820上のレーザビーム2の照射領域、822はレーザビーム2が照射されて透明導電膜820が除去されたスクライブ領域、812は下地膜811に発生したダメージ領域である。また、図1(a)、(c)、(d)、(f)、(g)、(i)の基板下側に示した201〜203はレーザビーム2の光軸に垂直な断面の強度分布を示す。この中でEaは透明導電膜820の加工閾値、Ebは下地膜811のダメージ閾値を示す。一般に、透明導電膜82より下地膜811の沸点が高いため、図示したようにEbはEaより高い値となる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a processing principle in one embodiment of the present invention. This figure shows the situation where the substrate is irradiated with laser light as seen from the cross-sectional direction. FIGS. 1A to 1C show processing by a top hat image (hereinafter referred to as a symmetric top hat image) in which the intensity distribution of a cross section perpendicular to the optical axis of the
以下、図の順に従い説明する。図1(a)のように、レーザビーム2の断面の強度分布が対称トップハット像で透明導電膜82に照射される領域821の全領域に渡ってレーザビーム2の断面の強度が下地膜811のダメージ閾値Ebよりも大きい場合、1回目のパルスレーザ2の照射により、該照射領域821の全領域の透明導電膜820が蒸発して、図1(b)のようにスクライブ領域822が形成される。図1(c)に示した2回目のパルスレーザ2の照射は、ガラス基板810が図示していないテーブルで一方向に連続的に移動しているために1回目の照射位置から一定距離左方向にずれて一部が1回目のパルスレーザビームが照射された領域821と重なる位置にて行われるが、このレーザビーム2が照射される領域823の右側の端部は、1回目のパルスレーザビーム照射により形成された透明導電膜820が蒸発して下地膜811が露出したスクライブ領域822に照射される。対称トップハット像の場合は、ビーム全体が下地膜811のダメージ閾値Ebを超える強度となっているため、上記下地膜811が露出したスクライブ領域822のレーザ光ビーム2が照射された箇所には下地膜811にダメージ領域812が発生する。
Hereinafter, description will be given in the order of the drawings. As shown in FIG. 1A, the cross-sectional intensity distribution of the
次にレーザビーム2の断面の強度分布が202に示すような非対称トップハット像の場合について、図1(d)〜(f)により説明する。この3つは図の右側から左側に向かって加工が進んでいく場合を示している。レーザビーム2’の強度分布202は右側で下地膜811のダメージ閾値Ebより低くなるように設定される。ただし、レーザビーム2’の光軸に垂直な断面の全体にわたり透明導電膜820の加工閾値Eaを超える強度となっているので、図1(d)のように1回目のパルスレーザを照射することにより、図1(e)に示すように照射領域821’の透明導電膜820が蒸発してスクライブ領域822’が形成されるのは、図1(b)で説明した対称トップハット像の場合と同じである。2回目のパルスレーザビーム2’の照射は、1回目の照射位置821’から一定距離左方向にずれて一部が1回目のパルスレーザビームが照射された領域821’と重なる位置823’にて行われる。この2回目の照射によりレーザビーム2’が照射された領域823’の右側の端部は1回目のパルスレーザビーム2’の照射により透明導電膜820が蒸発して下地膜811が露出しているが、この露出した下地膜811に照射されてパルスレーザビーム2’の強度は下地膜811のダメージ閾値Ebより低い強度となっている。そのため、1回目のパルスレーザ照射により形成されたスクライブ領域822'に202のような強度分布を持つレーザビーム2’が照射されても、露出した下地膜811にダメージが発生することはない。
Next, the case of an asymmetric top hat image in which the intensity distribution of the cross section of the
図1(g)〜(i)は、図1(d)〜(f)の場合とは逆に、図の左側から右側に向かって加工が進んでいく場合を示している。レーザビーム2”の強度分布203は図1(d)〜(f)の場合と左右反転している。この場合、加工の方向(ガラス基板810に対するレーザビーム2’及び2”の走査方向)が反対であることを除き、加工原理は図1(d)〜(f)の場合と全く同じである。即ち、図1(g)に示すように203のような強度分布を持たせたパルスレーザ2”を1回目の照射で透明導電膜820上の領域821”に照射し、図1(h)に示すようにパルスレーザ2”が照射された領域821”の透明導電膜820を蒸発させてスクライブ領域822”を形成し、下地膜811の一部を露出させる。次に2回目の照射により一部が1回目の照射領域821"と重なる領域823"にパルスレーザ2”を照射する。このとき、1回目のパルスレーザ2”の照射により形成されたスクライブ領域822”に露出した下地膜811にパルスレーザ2”が照射されるが、パルスレーザ2”は203に示すような強度分布を有しており、露出した下地膜811に照射されるパルスレーザ2”のビーム強度は、下地膜811のダメージ閾値Ebより低い強度となっている。そのため、1回目のパルスレーザ2”の照射により形成されたスクライブ領域822”に203のような強度分布を持つレーザビーム2”が照射されても、露出した下地膜811にダメージが発生することはない。
1 (g) to (i) show a case in which processing proceeds from the left side to the right side of the drawing, contrary to the case of FIGS. 1 (d) to (f). The
したがって、非対称トップハット像の強度分布を202と203のように左右反転するだけで、左右いずれの方向に加工を進める場合でも、下地膜811にダメージを発生させることなく、透明導電膜820を選択的に加工することが可能である。
Therefore, the transparent
図2〜4に非対称トップハット形成光学系の原理を示す。本例では回折光学素子を用いた光学系を示す。各図において、7は回折光学素子、71は内側領域、72は外側領域、2はレーザ光である。 2 to 4 show the principle of the asymmetric top hat forming optical system. In this example, an optical system using a diffractive optical element is shown. In each figure, 7 is a diffractive optical element, 71 is an inner region, 72 is an outer region, and 2 is a laser beam.
非対称トップハット像に先立ち、図2(a)により、対称トップハット像の形成原理を説明する。図2(a)の左側にある光源(図示せず)から発射されたレーザ光2は平行光の状態で矢印の方向に進んで回折光学素子7に入射する。本例では、回折光学素子7は内側領域71と外側領域72の2つの光学特性の異なる領域からなっており、各々の焦点距離はfi及びfoで互いに異なる距離となっている。すなわち、故意に球面収差を作り出しているものと解釈できる。
Prior to the asymmetric top hat image, the principle of forming the symmetric top hat image will be described with reference to FIG.
図2(b)〜(e)にトップハット像が形成される原理を示す。(b)〜(e)は各々回折光学素子7の入射側及び回折光学素子出射側の距離Wd、fo、fiにおける像の形成を示している。入射側レーザ光210は図2(b)に示すように、内側領域213と外側領域211,212とに分割される。出射側で各々の領域からの光はfi及びfoに集光し、内側領域71からの光と外側領域72からの光はそれぞれこれらの距離で最もシャープで高いピーク強度を持つようになる。即ち、foの位置では図2(d)に示すように回折格子7の外側領域からから出射した成分232及び233が最もシャープで高いピーク強度を持つようになり、これと内側領域から出射した成分231とが合成された光束230となり、fiの位置では図2(e)に示すように回折格子7の内側領域から出射した成分241が最もシャープで高いピーク強度を持つようになり、これと外側領域からから出射した成分242及び243とが合成された光束240となる。ここで、foはfiより近い位置にあるため、foの手前で、図2(c)に示すように回折格子7から出射した光は回折格子7の内側領域71から出射した光のピーク強度221より、外側領域72から出射した光のピーク強度222及び223の法が大きくなる位置WDが存在する。したがってこの位置でトップハット像が形成されることになる。この回折光学素子7からWDの位置までの距離を通常、回折光学素子7のワーキングディスタンスと呼ぶ。
FIGS. 2B to 2E show the principle of forming a top hat image. (B) to (e) show image formation at distances Wd, fo, and fi on the incident side and the diffractive optical element exit side of the diffractive
上記と同様、図3(a)により非対称トップハット像の形成原理を説明する。図3(a)は回折光学素子7に入射するレーザ光2の光軸を、図2(a)と比べて下方にずらしたものである。即ち、図3(b)に示すように、回折光学素子7に入射するレーザ2の光束310は、成分311が回折光学素子7の内側領域71に入射し、成分312が回折光学素子7の外側領域72に入射する。従ってこの場合、内側領域71に入射する光は減少し、外側領域72に入射する光は増加する。これにより、図3(c)に示すように、WDの位置で形成されるトップハット像320は、下側の成分322で強度が増大し、上側の成分321で強度が減少する。このようにして非対称なトップハット像320が形成される。
Similar to the above, the principle of forming an asymmetric top hat image will be described with reference to FIG. FIG. 3A shows the optical axis of the
図4(a)は図3(a)とは反対方向にレーザ光2の光軸をずらした場合を示す。この場合、図4(b)に示すように、回折光学素子7に入射するレーザ2の光束410は、成分411が回折光学素子7の内側領域71に入射し、成分412が回折光学素子7の外側領域72に入射する。その結果、図4(c)にように、WDの位置で形成されるトップハット像420は、上側の成分422で強度が増大し、下側の成分421で強度が減少する。
FIG. 4A shows a case where the optical axis of the
したがって、レーザ光2の光軸を回折光学素子7に対して上下にずらすだけで、非対称トップハット像の傾斜方向を切り替えることができる。
Therefore, the tilt direction of the asymmetric top hat image can be switched by merely shifting the optical axis of the
以上のように、本実施例によれば、回折光学素子を用いて非対称トップハット像を形成することが可能になり、図1の(d)〜(i)で説明したような照射を行うことで下地膜811にダメージを与えず表面の透明導電膜820だけを選択的に加工することが可能である。
As described above, according to this embodiment, an asymmetric top hat image can be formed using a diffractive optical element, and irradiation as described with reference to (d) to (i) of FIG. 1 is performed. Thus, it is possible to selectively process only the transparent
上記した説明では、透明導電膜820の上でレーザビームを直線状に走査する場合であったが、本発明はこれに限らず、薄膜上でレーザビームを円形又は任意の軌跡で走査することで、薄膜を円形又は任意の形状に選択的に加工することができる。
In the above description, the laser beam is scanned linearly on the transparent
また、本例には示さないが、非球面レンズを用いたトップハット光学系の場合も同様に光軸をずらすことにより非対称トップハットを得ることが可能である。 Although not shown in this example, an asymmetric top hat can be obtained by similarly shifting the optical axis in the case of a top hat optical system using an aspheric lens.
なお、上記に説明した非対称トップハット像の形成においては内側領域71と外側領域72とで光学特性が異なる回折光学素子7を用いる構成で説明したが、回折光学素子7の代わりに通常の集光レンズを用いて、これに強度分布が例えば図2(b)に示したようなガウシアン分布を持つレーザビーム2を、集光レンズの光軸に対して図3又は図4で説明したようにずらして入射させるようにしても良い。この場合、集光レンズから出射した光は集光レンズのコマ収差によりWD面で非対称な強度分布となり非対称ガウシアン像が形成され、下地膜811上に透明導電膜820を形成したガラス基板810に対して図1の(d)〜(i)で説明したような照射を行うことで、下地膜811にダメージを与えず表面の透明導電膜820だけを選択的に加工することが可能になる。
In the above-described formation of the asymmetric top hat image, the diffractive
図3及び図4で説明した非対称トップハット像は、同心円状に形成した回折光学素子7から出射した光をそのままガラス基板810に照射する構成で説明したが、回折光学素子7から出射した光を、例えば周辺を遮光する遮光マスクを用いて、ひし形、または楕円形状に成形してガラス基板810に照射するようにしても良い。
The asymmetric top hat image described with reference to FIGS. 3 and 4 has been described with the configuration in which the light emitted from the diffractive
図5に非対称トップハット像を形成するための非対称トップハットリレー光学系を示す。図5に示した構成において、2はレーザで矢印の方向に進む。7は回折光学素子、8はリレーレンズ、9は集光レンズである。本光学系では、回折光学素子7のワーキングディスタンスWDと、リレーレンズ8の焦点距離f8と、集光レンズ9の焦点距離f9とを概略等しい値としている。したがって、回折光学素子7で形成された非対称トップハット像は等倍で集光レンズ9の焦点距離f9の位置に転送される。図中実線はレーザ光2の光軸と回折光学素子7とを一致させた場合、点線はレーザ2の光軸と回折光学素子7とをずらした場合である。図2乃至4で説明した場合と同様、回折光学素子7からWDの距離で、前者は対称トップハット像が、後者は非対称トップハット像が形成される。また、リレーレンズ8から出射した光は平行光となって集光レンズ9に入射し、集光レンズ9からf9の距離において、再度対称トップハット像または非対称トップハット像が形成される。リレーレンズ8から出射した光は平行光なので、リレーレンズ8と集光レンズ9との間隔を変えることで、非対称トップハット像の形成位置を変更可能である。また、f8及びf9の値の片方または双方を変更することにより、トップハット像のサイズを変更することも可能である。
FIG. 5 shows an asymmetric top hat relay optical system for forming an asymmetric top hat image. In the configuration shown in FIG. 5,
以上のように、図5に示したような光学系を用いることのより非対称トップハット像は、その位置及びサイズが必要に応じて可変にできる。 As described above, the position and size of the asymmetric top hat image obtained by using the optical system as shown in FIG. 5 can be varied as necessary.
図6及び7に薄膜レーザパターニング装置の構成及び動作を示す。図6において、1はレーザ光源、2はレーザ光源1から発射されたレーザ、3はビームコリメータ、4a〜4eは鏡、7は回折光学素子、73は回折光学素子走査機構、8はリレーレンズ、9a〜9dは集光レンズ、10a〜10cはビームスプリッタ、21a〜21dはそれぞれ分岐されたレーザ光、810はガラス基板、821及び822はスクライブ領域である。図では詳細は示さないがガラス基板810の上には下地膜811が形成され、その上に透明電極膜820があらかじめ成膜されている。
6 and 7 show the configuration and operation of a thin film laser patterning apparatus. In FIG. 6, 1 is a laser light source, 2 is a laser emitted from the
図6により本実施例の動作を詳細に説明する。レーザ光源1から発生したレーザ光2はビームコリメータ3により平行度を改善された後、鏡4aで光路が曲げられて回折光学素子7に入射する。これにより形成されたトップハット像がリレーレンズ8と集光レンズ9a〜dによって転送されることは図5で説明した原理と同じである。図6に示した構成では、リレーレンズ8と集光レンズ9a〜9dとの間にハーフビームスプリッタ10a〜10cを挿入することにより、4本の分岐レーザ21a〜21dを形成し、集光レンズ9a〜9dの各々についてトップハット像を形成する構成としている。集光レンズ9a〜9dの像位置がガラス基板810の表面にあるように位置決めを行うことにより、ガラス基板810の4箇所において同時にトップハット像によるスクライブ領域821の形成が可能である。このときのトップハット像は、図1(d)〜(f)における照射に用いた202に示したような、レーザビーム2又はガラス基板810の進行方向にピークを持つ強度分布特性を持っている。これにより、例えばガラス基板810が5.5Gと大きいサイズであっても高効率の加工が可能である。
The operation of this embodiment will be described in detail with reference to FIG. The
ここで、回折光学素子走査機構73により回折光学素子7はx方向に走査される。これにより回折光学素子7の出口側にはx方向に非対称なトップハット像が形成される。さらに、図5を用いて説明したように、リレーレンズ8と集光レンズ9a〜9dとにより非対称トップハット像は転送され、集光レンズ9a〜9dの下に方向に非対称なトップハット像が形成される。図の矢印で示すように、ガラス基板810はx方向に走査され、同じ方向に非対称なトップハット像を一部が重なった状態で連続的に照射することにより、ガラス基板810に形成された下地膜811にダメージを与えず基板上の透明電極膜820だけを選択的に除去加工することが可能である。
Here, the diffractive
図7は図6と同じ装置で、ガラス基板810が左方向(−X方向)に走査された後、逆向きの右方向(+X方向)に走査され始めた状態を示す。即ち、基板の左端から右端までスクライブ領域821が形成された後、y方向に所定のピッチずらしてからガラス基板810を逆の方向(+X方向)連続的に移動させてガラス基板810上にスクライブ領域822が途中まで形成されている。図6と比較すればわかるように、回折光学素子7は回折素子駆動機構73により駆動されてレーザ光2の光軸に対して図6の場合とは反対側に配置されている。したがって、図6の場合とは非対称トップハット像は反対方向に傾斜を持った形状となる。即ち、このときのトップハット像は、図1(g)〜(i)における照射に用いた203に示したような、レーザビーム2又はガラス基板810の進行方向にピークを持つ強度分布特性を持っている。
FIG. 7 shows a state where the
引き続き、ガラス基板810をx方向に往復運動する毎に、回折光学素子7はレーザ光2に対して左右交互に移動する。この動作はガラス基板810の全面にスクライブ領域821、822・・・が形成されるまで継続される。以上により、ガラス基板810の全面にわたって、ガラス基板810上に形成された下地膜811にダメージを与えず透明導電膜820だけを選択的に加工することが可能である。また、基板の往復両方向とも非対称トップハットによる加工が行えるため、時間のロスなく、かつ、どのスクライブ領域も除去残りがない高品質の加工が可能である。
なお、図には示さないが、回折光学素子7を左右に移動させる代わりに、リレーレンズ8または集光レンズ9a〜dを左右に移動させることによっても、同様の結果を得られることは原理的に明らかである。
Subsequently, each time the
Although not shown in the drawing, the same result can be obtained in principle by moving the
図8(a)及び(b)に、図6及び7で説明した装置で加工した透明導電膜820のスクライブ領域821及び822を基板表面側から見た形状を示す。(a)は、図6に示した装置構成でガラス基板810を図6の矢印で示した方向、即ち図の右から左に移動させて加工したスクライブ領域821を示し、(b)は、図7に示した装置構成でガラス基板810を図7の矢印で示した方向、即ち図の左から右に移動させて加工したスクライブ領域822である。言い換えれば(a)は矢印で示すようにレーザスポットをガラス基板810に対して相対的に左から右に、(b)はレーザスポットをガラス基板810に対して相対的に右から左に移動させたものである。いずれも、加工方向は異なるものの、図1(d)及び(g)で説明したような強度分布202及び203を持つレーザビームを照射することにより透明導電膜820が平滑に除去されて、連続したスクライブ領域821、822が形成される。
FIGS. 8A and 8B show shapes of the
これに対して図8(c)は、本発明の方法を用いず、対称なトップハットのビームプロファイルを有するレーザビーム2でガラス基板810を加工したときの透明導電膜820のスクライブ領域821及び822を基板表面側から見た形状である。黒く塗りつぶした領域811はガラス基板810上に形成された下地膜811に発生したダメージ領域を示す。図示するように、レーザスポットが互いに重畳した箇所でガラス基板810のダメージ領域811が発生している。これは、レーザスポットが重畳する箇所でエネルギが過剰となるためである。
On the other hand, FIG. 8C shows the
なお、移動方向と垂直な方向、すなわち図の上下方向の強度分布に関しては、図8(a)、(b)に示した本発明の場合と、図8(c)に示した従来の場合とはいずれも対称なトップハット形状である。
本実施例に係る図8(a)及び(b)のビーム走査方法を、ビームの強度分布が単純なトップハット形状の場合の(c)と比較すると、ビーム走査方向に対して非対称なトップハット形状に成形することの効果が明らかである。
Regarding the intensity distribution in the direction perpendicular to the moving direction, that is, the vertical direction in the figure, the case of the present invention shown in FIGS. 8A and 8B and the conventional case shown in FIG. Are symmetric top-hat shapes.
When the beam scanning method of FIGS. 8A and 8B according to the present embodiment is compared with (c) in the case of a top hat shape with a simple beam intensity distribution, the top hat is asymmetric with respect to the beam scanning direction. The effect of molding into a shape is clear.
以上のように、本実施例によれば、ガラス基板にダメージを与えず基板上の膜だけを選択的に加工することが可能である。 As described above, according to this embodiment, it is possible to selectively process only the film on the substrate without damaging the glass substrate.
図9は非対称なトップハット形状の変形例を示す図である。図8で説明したレーザビームでは非対称トップハット像のレーザビームの光軸に直角な断面の形状は円形であったが、本実施例では正方形の非対称トップハット像の場合である。なお、移動方向と垂直な方向、すなわち図の上下方向に関しては、従来と同じく対称なトップハット形状である。これは、図2〜7の装置で回折光学素子7を正方形のトップハットを形成するタイプに置き換えること又は回折光学素子7の出射側に正方形の非対称トップハット像を形成するためのマスクを設置することで実施できる。本実施例においてもレーザスポットの重畳した箇所でガラス基板のダメージが防止できることは図8で説明した場合と全く同じである。また、正方形に限らず長方形のスポットや、先に説明したひし形や楕円形スポットの場合にも本手法が適用できることは自明である。一般に、レーザスポットの形状は材料の性質や目標とする加工品質によって選択されるが、本発明による加工方法はいずれのスポット形状にも適用可能である。
FIG. 9 is a view showing a modification of the asymmetric top hat shape. In the laser beam described with reference to FIG. 8, the shape of the cross section perpendicular to the optical axis of the laser beam of the asymmetric top hat image is circular, but in the present embodiment, this is a square asymmetric top hat image. In addition, regarding the direction perpendicular to the moving direction, that is, the vertical direction in the figure, the top hat shape is symmetric as in the conventional case. This is because the diffractive
図10Aに薄膜太陽電池の構成を示す。薄膜太陽電池は、非晶質光電変換膜830を、透明電極膜820と裏面電極膜840とで挟むようにしてガラス基板810上に形成した積層構造を有する。
FIG. 10A shows a configuration of a thin film solar cell. The thin film solar cell has a stacked structure in which an amorphous
また、同図に示すように、この薄膜太陽電池は、ガラス基板810に積層された非晶質光電変換膜830、透明電極幕820及び裏面電極膜840からなる複数のユニットセルを電気的に直列接続して集積した構造を有し、各ユニットセルの透明電極膜820と裏面電極膜840との間に、太陽光に励起されて非晶質光電変換膜830が生じる起電力が現れる現象を利用している。従って、これら直列接続された複数のユニットセルの両端の電極の間には、各ユニットセルの起電力を足し合わせた起電力が、この太陽電池の出力電圧として現れることとなる。
Further, as shown in the figure, this thin-film solar cell is formed by electrically connecting a plurality of unit cells composed of an amorphous
このように複数のユニットセルを集積した構造を得るため、レーザスクライブ法を用いてパターニングしながら各薄膜層を積層して薄膜太陽電池を製作する。 In order to obtain a structure in which a plurality of unit cells are integrated in this manner, thin film solar cells are manufactured by laminating each thin film layer while patterning using a laser scribing method.
透明導電膜820に形成されたスクライブ領域821、822、823は波長1064nmのレーザ光を非対称トップハット像にして加工したものである。また、実施例4と同様に、スクライブ領域821は図の左下から右上に向かって加工し、スクライブ領域822は右上から左下に向かって、スクライブ領域823は左下から右上に向かって加工している。このように基板を往復しながら加工しても、実施例4に述べたように非対称トップハット像の傾斜方向を交互に反転することで、どのスクライブ領域もガラス基板のダメージのない高品質の加工が可能である。
The
図10Bにより製造工程を具体的に説明する。先ず、(a)ガラス基板810を準備し、(b)ガラス基板810の主面に透明電極膜820を形成する。(c)レーザを照射し走査して所定のピッチ(ユニットセルのピッチ:d)で透明電極膜820を除去することにより透明電極膜820に第1のスクライブ領域821,822,・・・を形成して透明電極膜820を短冊状に絶縁分割する。このプロセスでは、レーザ光として1064nmの非対称トップハット像を用いる。これにより、ガラス基板810にダメージを与えることなく透明電極膜820を選択的に除去できる。
The manufacturing process will be specifically described with reference to FIG. 10B. First, (a) a
次に、(d)レーザ加工された透明電極膜820の上に、非晶質光電変換膜830を積層し、(e)先に形成された透明電極膜820の上に形成した第1のスクライブ領域821,822,・・・と重なる領域からずらした領域にレーザを照射し走査して所定のピッチdで非晶質光電変換膜830を除去することにより非晶質光電変換膜830に第2のスクライブ領域831,832,・・・を形成して非晶質光電変換膜830を短冊状に絶縁分割する。このプロセスでは、レーザ光として532nmの非対称トップハット像を用いる。これにより、透明導電膜820にダメージを与えることなく非晶質光電変換膜830を選択的に除去できる。
Next, (d) an amorphous
更に、(f)レーザ加工された非晶質光電変換膜830の上に裏面電極膜840を積層し、(g)非晶質光電変換膜830に形成した第2のスクライブ領域831,832・・・と重なる領域からずらした領域に所定のピッチdでレーザを照射し走査して裏面電極膜840を除去することにより、裏面電極膜840に第3のスクライブ領域841,842・・・を形成し、裏面電極膜840を短冊状に絶縁分割する。このプロセスでは、レーザ光として532nmの非対称トップハット像を用いる。これにより、透明導電膜820にダメージを与えることなく裏面電極膜840を選択的に除去できる。
Further, (f) a
一般的な太陽電池と同様。裏面電極膜840は、非晶質光電変換膜830に形成した第2のスクライブ領域831,832,・・・を通じて透明電極膜820と電気的に接続されている。本発明によれば、透明電極膜820、非晶質光電変換膜830、裏面電極膜840は各々選択的に除去され、同じスクライブ領域で他の膜が除去されることがないため、短絡や断線が生じることなく、高い発電効率を得ることができる。また、ガラス基板810や他の膜へのダメージが防止できることにより、劣化の原因となる不純物の混入も防止できる。
以上のように、本発明によれば高性能・高信頼の太陽電池が製造可能である。
Same as general solar cell. The
As described above, according to the present invention, a high-performance and highly reliable solar cell can be manufactured.
なお、本実施例では透明電極膜820、非晶質光電変換膜830、裏面電極膜840とも非対称トップハット像による加工を行っているが、一部の膜のみを非対称トップハット像による加工とすることも勿論可能である。
In this embodiment, the
本発明は、太陽電池基板の加工に用いることができるのは勿論であるが、液晶表示素子など大型基板上に形成された膜の加工により作成されるデバイス一般の製造装置に適用可能である。 The present invention can of course be used for processing of a solar cell substrate, but can be applied to a general device manufacturing apparatus created by processing a film formed on a large substrate such as a liquid crystal display element.
1・・・レーザ光源 2・・・レーザ光 3・・・ビームコリメータ 4a、4b,4c,4d,4e・・・鏡 7・・・回折光学素子 71・・・内側領域 72・・・外側領域 73・・・回折光学素子走査機構 8・・・リレーレンズ 9a、9b、9c、9d・・・対物レンズ 10a、10b、10c・・・ハーフビームスプリッタ 810・・・ガラス基板 811・・・ダメージ領域 820・・・透明電極膜 821、822、823・・・スクライブ領域 830・・・非晶質光電変換膜 831、832、833・・・スクライブ領域 840・・・裏面電極膜 841、842、843・・・スクライブ領域
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