JP2015020173A - レーザスクライブ装置およびレーザスクライブ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数層の各薄膜を下部層に影響を与えることなくスクライブ加工することができ、また、コスト低減を図ることができるレーザスクライブ装置およびレーザスクライブ加工方法を提供する。【解決手段】 このレーザスクライブ装置は、レーザビームを発振するレーザ光源と、このレーザ光源で発振したレーザビームを集光して各薄膜に照射する光学ユニットと、各層の高さ位置に対応して光学ユニットの集光による結像位置を変更する制御を行う光学ユニット制御手段１６ａとを有する。光学ユニット制御手段１６ａは、スクライブ加工する薄膜に応じて、この薄膜の高さ位置に合わせるレーザビームの位置を、結像位置またはビームウエスト位置に切換える結像・ビームウエスト位置切換制御部１６ａａを有する。【選択図】 図１

Description

この発明は、例えば、薄膜太陽電池デバイスを製造する工程で、前記薄膜をレーザビームにより短冊状に分断加工するスクライブ工程において適用されるレーザスクライブ装置およびレーザスクライブ加工方法に関する。

ガラス等の透明性絶縁基板上に透明電極膜、光電変換膜、裏面金属膜等が積層された薄膜太陽電池デバイスは、その製造工程にて前記透明電極膜、光電変換膜、裏面金属膜等は短冊状に形成され、隣接する一方の透明電極膜と他方の裏面金属膜とが接続されることにより、複数の薄膜太陽電池セル同士が直列に接続した状態にて構成される。
薄膜太陽電池デバイスの光電変換膜は、アモルファスシリコンや、ＣｕＩｎＳｅ_２（ＣＩＳ）あるいはＧａを固溶したＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２（ＣＩＧＳ）などの半導体薄膜にて形成され、このような太陽電池デバイスを製造する過程において、電極膜あるいは光電変換膜を短冊状に形成するための分断工程をスクライブ工程、またはパターニング工程と呼ぶ。

一般に上記分断工程では、加工線幅の細線化、非接触加工による加工タクトの短縮および被加工膜の下部に成膜された下部層へのダメージの軽減などの理由から、加工手段としてレーザ等が用いられている。
レーザを用いた加工では、被加工膜とその下部にある成膜層とのレーザ光の吸収率の違いや、レーザ光の波長による吸収率の差異を利用し、被加工膜のみを除去することが可能である。

例えば、ガラス等の透明性絶縁基板上に成膜された透明電極膜を除去する際には、透明性絶縁基板と透明電極膜のレーザ光の吸収率の差異を利用し、透明性絶縁基板にレーザ光の影響を与えずに、透明電極膜を除去できる出力にてレーザビームを照射することにより、透明電極膜のみを除去することが可能である。
また、透明電極膜上に成膜されたアモルフォスシリコンなどの発電層を除去する際には、透明電極膜が赤外波長を特に吸収する特性を持つのに対し、アモルフォスシリコンは可視光を吸収する特性を利用し、ＹＡＧレーザの第２高調波である５３２ｎｍの波長からなるレーザビームを照射することにより、アモルフォスシリコンのみを除去することが可能である。

特許第３４３６８５８号公報 特開２０００−１２４４８８号公報

一般に、レーザ発振器より照射されたレーザビームのエネルギー強度分布は、ガウス分布であり、ビーム中心部のエネルギー強度が高く、ビーム外周部に離れていくにつれてビームのエネルギー強度も低くなっていく。
例えば、被加工膜とその下部に成膜された下部層の波長吸収率が同様の特性を有する場合、上記ガウス分布のレーザビームを照射すると、エネルギー密度が低いビーム外周部では、被加工膜のみを除去することができる。しかし、エネルギー密度が高いレーザビーム中心部では、下部層までレーザの影響が及び、結果として下部層にダメージを与えてしまうだけでなく、被加工膜および下部層の両層を除去してしまう恐れがある。

また前記両層の除去を防止するために、レーザビームの出力を弱くしても、エネルギー密度の高いビーム中心部では被加工膜を除去することができるが、エネルギー密度の低いビーム外周部では、被加工膜を除去可能な閾値以上にエネルギーが達せず、被加工膜が溶融、変形し、結果としてバリやダレといった加工不良が発生する恐れがある。
よって先に述べた通り、薄膜太陽電池は、透明電極膜、光電変換膜、裏面金属膜等から成り立つため、各々に最適な加工を施すためには、被加工膜の特性にあったレーザビームを選択するだけでなく、被加工膜の下部層などに与える影響を考慮して加工条件を決定することが重要である。

先行技術として、「薄膜太陽電池の製造方法」がある（特許文献１）。
上記技術は、ＹＡＧレーザの第４高調波である２６６ｎｍの波長からなるレーザビームを用いて、薄膜太陽電池の裏面金属膜を除去する薄膜太陽電池の製造方法に関する技術である。また、レーザビームの形状を矩形とし、その強度分布が、加工走査方向側が高くなるよう勾配をつけることにより、スクライブライン両端のバリの発生を防止し、電気的短絡を防ぐものとしている。また上記方法により、裏面金属膜の下部層である光電変換膜にもダメージを与えることはない。
しかし、上記文献に記載の通り、一般的に透明電極膜は光透過率が高く、レーザ光の吸収率が低いため、光電変換膜や裏面金属膜と比較して、加工には高いエネルギー密度を有するレーザビームが必要となる。

特許文献１では、スクライブ加工条件は下記の通り記載されている。
透明電極膜（第１スクライブ）（波長：１０６４ｎｍ）：加工面出力５００Ｗ／ｍｍ^２
非晶質半導体光電変換層（第２スクライブ）（波長：５３２ｎｍ）：加工面出力１００Ｗ／ｍｍ^２
裏面反射電極層（第３スクライブ）（波長：２６６ｎｍ）：加工面出力４５Ｗ／ｍｍ^２

前記のように高いエネルギー密度を有するレーザビームを得るために、レーザ発振器を高出力なものに変更すると、装置価格が高価になってしまう。
また、同一のレーザ発振器を用いて、透明電極膜、光電変換膜や裏面金属膜等を下部層に与える影響を考慮しながら除去する先行技術は見受けられない。

この発明の目的は、複数層の各薄膜を下部層に影響を与えることなくスクライブ加工することができ、また、コスト低減を図ることができるレーザスクライブ装置およびレーザスクライブ加工方法を提供することである。

この発明のレーザスクライブ装置は、光透過性の基材５０上に複数層の薄膜５１，５２，５３が順次積層される被加工基板１につき、前記各層の薄膜５１，５２，５３の表面に対し、各層の薄膜５１，５２，５３が積層される毎にレーザビームを照射してスクライブ加工を施すレーザスクライブ装置において、
前記レーザビームを発振するレーザ光源１０と、
このレーザ光源１０で発振したレーザビームを集光して前記各薄膜５１，５２，５３に照射する光学ユニット２０と、
前記各層の高さ位置に対応して前記光学ユニット２０の集光による結像位置を変更する制御を行う光学ユニット制御手段１６ａとを有し、
前記光学ユニット２０は、前記レーザ光源１０で発振され前記光学ユニット２０から照射されるレーザビームに、エネルギー強度分布が均一な結像位置４０と、この結像位置４０よりも照射方向手前でエネルギー密度が高いビームウエスト位置４１とを生じさせるものであり、
前記光学ユニット制御手段１６ａは、スクライブ加工する薄膜に応じて、この薄膜の高さ位置に合わせるレーザビームの位置を、前記結像位置４０または前記ビームウエスト位置４１に切換える結像・ビームウエスト位置切換制御部１６ａａを有することを特徴とする。

この構成によると、基材上の表面に一層の薄膜５１が積層された状態で、この薄膜の表面に対し、レーザビームを照射してスクライブ加工を施す。このスクライブ加工を施す際、結像・ビームウエスト位置切換制御部１６ａａは、このスクライブ加工する薄膜の種類に応じて、この薄膜の高さ位置に合わせるレーザビームの位置を、結像位置４０またはビームウエスト位置４１に切換える。このスクライブ加工の後、スクライブ加工された露出した基材上の表面および前記薄膜の表面に所望の薄膜を積層する。この積層された薄膜の表面に対し、レーザビームを照射してスクライブ加工を施す。このような薄膜の積層、スクライブ加工を所定回数繰り返す。
特に、スクライブ加工する薄膜の種類に応じて、この薄膜の高さ位置に合わせるレーザビームの位置を、結像位置４０またはビームウエスト位置４１に切換える。例えば、各層の薄膜毎に、結像位置４０およびビームウエスト位置４１のいずれか一方がフラグ等により定められている。結像・ビームウエスト位置切換制御部１６ａａは、スクライブ加工しようとする薄膜に対応するフラグを認識して薄膜の高さ位置に合わせるレーザビームの位置を、結像位置４０またはビームウエスト位置４１に切換える。このようにレーザビームの位置を切り換えることで、下部層の薄膜および基材にダメージを与えずに所望の薄膜をスクライブ加工することができる。換言すれば、複数層の各薄膜をスクライブ加工するとき、レーザ光源１０を高出力なものに変更することなく、例えば、同一のレーザ光源１０を用いて結像・ビームウエスト位置切換制御部１６ａａによりレーザビームの位置を切り換えるだけで、下部層の薄膜および基材にダメージを与えずに所望の薄膜をスクライブ加工することができる。

前記複数層の薄膜は、前記基材５０上に積層される透明電極膜５１と、この透明電極膜５１の表面に積層される光電変換膜５２と、この光電変換膜５２の表面に積層される裏面金属膜５３とを有し、
前記結像・ビームウエスト位置切換制御部１６ａａは、前記透明電極膜５１をスクライブ加工するとき前記レーザビームの位置を前記ビームウエスト位置４１に切換え、前記光電変換膜５２または前記裏面金属膜５３をスクライブ加工するときに前記レーザビームの位置を前記結像位置４０に切換えるものとしても良い。

基材上の表面に、レーザ光の吸収率が低い透明電極膜５１が積層され、この透明電極膜５１をスクライブ加工する場合には、結像・ビームウエスト位置切換制御部１６ａａは、前記透明電極膜５１の高さ位置に合わせるレーザビームの位置をビームウエスト位置４１にする。このようにビームウエスト位置４１にすることで、他の位置よりも高いエネルギー密度を有するレーザビームにて前記透明電極膜５１をスクライブすることが可能となる。
従来のように、結像位置で前記透明電極膜を除去できるエネルギー閾値以下のレーザビームしか発振することができないレーザ発振器を用いて、レーザビームの位置を結像位置に合わせる技術では、前記透明電極膜を除去することができない。
本願発明のように、高いエネルギー密度を有するビームウエスト位置４１では、前記透明電極膜５１を除去できるエネルギー閾値を十分満たすため、前記透明電極膜５１をスクライブすることが可能である。またビームウエスト位置４１では、基材５０を除去できるエネルギー閾値に達していないため、基材５０にダメージを与えることはない。

前記透明電極膜５１の表面に積層された光電変換膜５２をスクライブ加工する場合には、結像・ビームウエスト位置切換制御部１６ａａは、前記光電変換膜５２の高さ位置に合わせるレーザビームの位置を結像位置４０に切り換える。このようにエネルギー強度分布を均一にした結像位置４０にて、前記光電変換膜５２をスクライブすることにより、下部層の透明電極膜５１および基材５０にダメージを与えることはない。さらに積層された裏面金属膜５３をスクライブ加工する場合も、結像・ビームウエスト位置切換制御部１６ａａは、前記裏面金属膜５３の高さ位置に合わせるレーザビームの位置を結像位置４０にして、前記裏面金属膜５３をスクライブすることにより、下部層の薄膜および基材５０にダメージを与えることはない。

以上のように、複数層の各薄膜をスクライブ加工するとき、レーザ光源１０を高出力なものに変更することなく、同一のレーザ光源１０を用いて結像・ビームウエスト位置切換制御部１６ａａによりレーザビームの位置を切り換えるだけで、下部層の薄膜および基材５０にダメージを与えずに所望の薄膜をスクライブ加工することができる。このように、各薄膜を下部層に影響を与えることなくスクライブ加工することができるうえ、コスト低減を図ることができる。

前記光学ユニット２０は、前記レーザ光源１０で発振したレーザビームを拡大するビームエキスパンダ１１と、このビームエキスパンダ１１で拡大されたレーザビームのうちビーム外周部を除くビーム中央部を通すように配置されたスリット１２と、このスリット１２を通過したレーザビームをスクライブ加工する薄膜に照射するレンズ１３，１４とを有するものとしても良い。
この場合、ビームエキスパンダ１１で拡大したレーザビームを、スリット１２によってビーム中央部のみを通過させると、スリット通過後のレーザビームは、低エネルギーの周辺部が除去されて裾に広がりのない切り立ったエネルギー強度分布となる。このため、スクライブライン両端にバリやダレが発生することを防止することができる。

前記ビームウエスト位置４１および前記結像位置４０をそれぞれ記憶する記憶手段４６を設け、
前記結像・ビームウエスト位置切換制御部１６ａａは、前記レーザビームの位置を、スクライブ加工する薄膜に応じて、前記記憶手段４６に記憶された前記ビームウエスト位置４１または前記結像位置４０に切換え制御するものとしても良い。この場合、結像・ビームウエスト位置切換制御部１６ａａは、スクライブ加工する薄膜に応じて、レーザビームの位置を自動で調整するため、例えば、レーザビームの位置を手動で調整する場合よりも、タクトタイムの短縮を図ることができる。

この発明のレーザスクライブ加工方法は、光透過性の基材上に複数層の薄膜が順次積層される被加工基板につき、前記各層の薄膜の表面に対し、各層の薄膜が積層される毎にレーザビームを照射してスクライブ加工を施すレーザスクライブ加工方法において、
スクライブ加工する薄膜に応じて、この薄膜の高さ位置に合わせるレーザビームの位置を、エネルギー強度分布が均一な結像位置、または、この結像位置よりも照射方向手前でエネルギー密度が高いビームウエスト位置に切換えることを特徴とする。
この構成によると、スクライブ加工する薄膜の種類に応じて、この薄膜の高さ位置に合わせるレーザビームの位置を、結像位置またはビームウエスト位置に切換えることで、下部層の薄膜および基材にダメージを与えずに所望の薄膜をスクライブ加工することができる。

この発明のレーザスクライブ装置は、光透過性の基材上に複数層の薄膜が順次積層される被加工基板につき、前記各層の薄膜の表面に対し、各層の薄膜が積層される毎にレーザビームを照射してスクライブ加工を施すレーザスクライブ装置において、前記レーザビームを発振するレーザ光源と、このレーザ光源で発振したレーザビームを集光して前記各薄膜に照射する光学ユニットと、前記各層の高さ位置に対応して前記光学ユニットの集光による結像位置を変更する制御を行う光学ユニット制御手段とを有し、前記光学ユニットは、前記レーザ光源で発振され前記光学ユニットから照射されるレーザビームに、エネルギー強度分布が均一な結像位置と、この結像位置よりも照射方向手前でエネルギー密度が高いビームウエスト位置とを生じさせるものであり、前記光学ユニット制御手段は、スクライブ加工する薄膜に応じて、この薄膜の高さ位置に合わせるレーザビームの位置を、前記結像位置または前記ビームウエスト位置に切換える結像・ビームウエスト位置切換制御部を有する。このため、複数層の各薄膜を下部層に影響を与えることなくスクライブ加工することができ、また、コスト低減を図ることができる。

この発明のレーザスクライブ加工方法は、光透過性の基材上に複数層の薄膜が順次積層される被加工基板につき、前記各層の薄膜の表面に対し、各層の薄膜が積層される毎にレーザビームを照射してスクライブ加工を施すレーザスクライブ加工方法において、スクライブ加工する薄膜に応じて、この薄膜の高さ位置に合わせるレーザビームの位置を、エネルギー強度分布が均一な結像位置、または、この結像位置よりも照射方向手前でエネルギー密度が高いビームウエスト位置に切換えるため、複数層の各薄膜を下部層に影響を与えることなくスクライブ加工することができ、また、コスト低減を図ることができる。

この発明の第１の実施形態に係るレーザスクライブ装置を簡略して示す斜視図である。 （Ａ）は、同レーザスクライブ装置の加工ツールの構成を示す図、（Ｂ）は、図２（Ａ）のＡ〜Ｄ位置でのレーザビームのビームプロファイルを示す図である。 各成膜層のレーザエネルギー加工閾値を示す図である。 （Ａ）は太陽電池基板の拡大断面図、（Ｂ）は太陽電池デバイス製造工程を段階的に示す概略図である。 ビームウエスト位置を用いた加工方法を示す図である。 結像位置を用いた加工方法を示す図である。

この発明の第１の実施形態に係るレーザスクライブ装置を図１ないし図６と共に説明する。このレーザスクライブ装置は、例えば、薄膜太陽電池デバイスを製造する過程において、太陽電池セルをレーザビームにより短冊状に分断加工するスクライブ工程において適用される。なお、以下の説明は、スクライブ加工方法についての説明をも含む。

先ず、薄膜太陽電池デバイスを製造する工程の一例を説明する。
図４（Ａ）は、太陽電池基板（被加工基板）１の拡大断面図であり、図４（Ｂ）は太陽電池デバイス製造工程を段階的に示す概略図である。図４（Ａ）に示すように、薄膜太陽電池デバイスは、複数の薄膜太陽電池セル５４を直列接続して構成される。図４（Ｂ）に示すように、薄膜太陽電池セル５４は、透明性絶縁基板（光透過性の基材）５０上に透明電極膜５１、光電変換膜５２、裏面金属膜５３が順に積層され、各層の薄膜が積層される毎に短冊状に形成される。図４（Ａ）に示すように、隣接する薄膜太陽電池セル５４間において、一方の透明電極膜５１と他方の裏面金属膜５３とが接続されることにより、複数の薄膜太陽電池セル５４が直列に接続された薄膜太陽電池デバイスが形成される。

このような太陽電池デバイスを製造する過程において、透明電極膜５１、裏面金属膜５３あるいは光電変換膜５２を短冊状に形成するために、図１に示すようなレーザスクライブ装置が用いられる。太陽電池デバイス製造工程において、図４（Ａ）に示すように、透明電極膜５１を分断する工程はＰ１、光電変換膜５２を分断する工程はＰ２、裏面金属膜５３および光電変換膜５２を分断する工程はＰ３とそれぞれ呼ばれる。同図の符号６０、６１、６２がＰ１、Ｐ２、Ｐ３に相当する。

また、Ｐ１の左端からＰ３の右端までの幅がデッドスペースと呼ばれ、発電に寄与しないエリアである。薄膜太陽電池デバイスの変換効率を向上させるためには、このデッドスペース５５を縮小することが重要であり、そのためには、各スクライブラインＰ１、Ｐ２、Ｐ３の幅を縮小することが有効である。しかし、スクライブラインの両端にバリなどが発生すると、それらが短絡し、薄膜太陽電池デバイスの性能を悪化させる原因となるため、最適な加工条件にてスクライブすることが重要である。

レーザスクライブ装置では、それぞれの工程に適した加工ツール７（図１）を用いることにより、Ｐ１からＰ３全てのスクライブ工程に対応可能である。また、スクライブ加工において、レーザを用いて透明性絶縁基板５０越しにスクライブ加工を実施する表面加工方法と、レーザを用いて裏面金属膜５３側からスクライブ加工を実施する裏面加工方法とがあるが、この実施形態に係るレーザスクライブ装置においては、裏面加工方法を例にし、以下に示す。

図１は、レーザスクライブ装置を簡略して示す斜視図である。同図に示すように、このレーザスクライブ装置は、主に、移動機構８と、加工ツール７と、制御手段４５とを有する。
移動機構８について説明する。
移動機構８は、架台２と、Ｙ方向移動部３と、アーチ５と、Ｘ方向移動部６と、Ｚ方向移動部９とを有する。架台２は、例えば、直方体形状で床面に支持される。この架台２の上面部には、Ｙ方向移動部３のテーブル３ａが架台２の長手方向に沿って移動可能に支持される。架台２の上面部には、テーブル３ａを跨ぐ門形のアーチ５が設置され、このアーチ５にＸ方向移動部６，Ｚ方向移動部９が設けられている。架台２の幅方向、長手方向、および高さ方向を、それぞれＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向とする直交３軸方向として図１において矢符で表記する。

Ｙ方向移動部３は、基板搭載部４および被加工基板１を支持するテーブル３ａと、このテーブル３ａをＹ方向に沿って移動させるＹ方向移動機構３ｂとを有する。Ｙ方向移動機構３ｂは、例えば、ボールねじ機構３ｂａと、このボールねじ機構３ｂａを駆動させるモータ等の駆動源３ｂｂとを有する。スクライブ加工時、前記駆動源３ｂｂを駆動することで、テーブル３ａは定められた移動速度で定められた移動量移動される。

アーチ５は、架台２の上面部におけるＸ方向両端部から立設する一対の柱部５ａ，５ａと、これら柱部５ａ，５ａの上端部にわたって架設される架橋部５ｂとを有する。この架橋部５ｂにＸ方向移動部６およびＺ方向移動部９を介して加工ツール７が設けられている。
Ｘ方向移動部６は、Ｚ方向移動部９を支持する長方形板状の移動部材６ａと、この移動部材６ａをＸ方向に沿って移動させるＸ方向移動機構６ｂとを有する。このＸ方向移動機構６ｂは、例えば、ボールねじ機構６ｂａと、このボールねじ機構６ｂａを駆動させるモータ等の駆動源６ｂｂとを有する。

Ｚ方向移動部９は、加工ツール７と太陽電池基板１との間のＺ方向の距離を調整するものであり、加工ツール７を支持する加工ツール支持部材９ａと、この加工ツール支持部材９ａをＺ方向に沿って移動させるＺ方向移動機構９ｂとを有する。このＺ方向移動機構９ｂは、例えば、ボールねじ機構（図示せず）と、このボールねじ機構を駆動させるモータ等の駆動源（図示せず）とを有する。

制御手段４５について説明する。
制御手段４５は、Ｘ・Ｙ方向移動機構制御手段１５と、加工ツール制御手段１６と、記憶手段４６とを有する。Ｘ・Ｙ方向移動機構制御手段１５はＸ，Ｙ方向移動機構６ｂ，３ｂをそれぞれ制御する。Ｘ・Ｙ方向移動機構制御手段１５は、例えば、スクライブ加工する複数のＸＹ座標からなる定められた軌跡に沿って、テーブル３ａおよび移動部材６ａを移動させるプログラムが設定されている。またＸ・Ｙ方向移動機構制御手段１５は、運転パラメータを書換え可能に記憶するパラメータ記憶部１５ａを含む。運転条件である前記運転パラメータは、例えば、駆動源３ｂｂ，６ｂｂをそれぞれ駆動する速度を含む。Ｘ・Ｙ方向移動機構制御手段１５は、スクライブ加工する加工指令により、パラメータ記憶部１５ａから運転パラメータを取得して前記プログラムを実行させる。これと共に、加工ツール制御手段１６は、加工ツール７のうち選択されたレーザ発振器１０（図２（Ａ））からレーザビームを発振させる制御を行う。これにより、テーブル３ａおよび移動部材６ａは、それぞれ定められた移動速度で定められた移動量移動され、この間選択されたレーザ発振器１０からレーザビームが発振されてスクライブ加工が実施される。

加工ツール制御手段１６は、各層の高さ位置に対応して加工ツール７の光学ユニット（後述する）の集光による結像位置を変更する制御を行う光学ユニット制御手段１６ａを有する。この光学ユニット制御手段１６ａは、スクライブ加工する薄膜に応じて、この薄膜の高さ位置に合わせるレーザビームの位置を、後述する結像位置またはビームウエスト位置に切換える結像・ビームウエスト位置切換制御部１６ａａを有する。前記記憶手段４６に、前記ビームウエスト位置および前記結像位置がそれぞれ記憶される。なお前記結像位置は、光学ユニットで集光する焦点のＺ方向位置を指す。

結像・ビームウエスト位置切換制御部１６ａａは、レーザビームの位置を、スクライブ加工する薄膜に応じて、記憶手段４６に記憶された前記ビームウエスト位置または前記結像位置に切換え制御する。例えば、各層の薄膜毎に、結像位置４０およびビームウエスト位置４１のいずれか一方が、例えば前記記憶手段４６または加工ツール制御手段１６における所定の記憶場所のフラグにより定められている。結像・ビームウエスト位置切換制御部１６ａａは、スクライブ加工しようとする薄膜に対応するフラグを認識して薄膜の高さ位置に合わせるレーザビームの位置を、結像位置４０またはビームウエスト位置４１に切換える。なおこの例に限らず、結像・ビームウエスト位置切換制御部１６ａａは、スクライブ加工する各薄膜毎に、レーザビームの結像位置であるＺ方向座標をそれぞれ定めておき、各層の薄膜の高さ位置に合わせるレーザビームの位置を、結像位置４０またはビームウエスト位置４１に切換えるようにしても良い。

加工ツール７について説明する。
図２（Ａ）に示すように、加工ツール７は、レーザビームＬを太陽電池基板１の薄膜に照射してこの薄膜をスクライブ加工する複数のレーザ発振器１０と、各レーザ発振器１０で発振したレーザビームを各薄膜に照射する光学ユニット２０とを有する。前記複数のレーザ発振器１０は、図１に示すように、移動部材６ａのＸ方向に沿って所定間隔おきで且つレーザビームを太陽電池基板１に対しＺ方向下向きに投光するように配置される。この実施形態の裏面金属膜５３（図４）側からスクライブ加工を実施する裏面加工方法においては、各レーザ発振器１０（図２（Ａ））として例えばＹＡＧレーザからなるレーザ光源が用いられ、スクライブ加工する膜に応じた発振波長にて太陽電池基板１を加工する。但し、レーザ発振器はＹＡＧレーザに限定されるものではない。

例えば、太陽電池基板１における透明電極膜５１をスクライブ加工するＰ１工程（図５）では波長１０６４ｎｍ、太陽電池基板１における光電変換膜５２をスクライブ加工するＰ２工程（図６）、または裏面金属膜５３（図４）および光電変換膜５２をスクライブ加工するＰ３工程（図示せず）では、第２高調波である波長５３２ｎｍにて加工される。制御手段４５の加工ツール制御手段１６は、スクライブ加工する工程、加工パターンに応じて、複数のレーザ発振器１０（図２（Ａ））のうち、定められた波長を発振するレーザ光源からなるレーザ発振器１０を選択する。但し、装置価格の上昇や、段取り作業による生産性の低下を防ぐため、レーザ発振器１０を波長５３２ｎｍのみ発振するレーザ光源を用いてもよい。なお、本実施形態では、レーザ光源が用いられるため、レーザビームの投光口周辺または装置全体を覆うカバー（図示せず）を設けている。

光学ユニットについて説明する。
図２（Ａ）は、レーザスクライブ装置の加工ツール７の構成を示す図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＡ〜Ｄ位置でのレーザビームＬのビームプロファイルを示す図である。光学ユニット２０は、レーザ発振器１０で発振され前記光学ユニット２０から出射されるレーザビームＬに、エネルギー強度分布が均一な結像位置４０と、この結像位置４０よりも照射方向手前でエネルギー密度が高いビームウエスト位置４１とを生じさせる。

図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、光学ユニット２０は、レーザ発振器１０で発振したレーザビームＬを拡大するビームエキスパンダ１１と、このビームエキスパンダ１１で拡大されたレーザビームＬのうちビーム外周部を除くビーム中央部を通すように配置されたスリット１２と、このスリット１２を通過したレーザビームＬを平行光に調整する結像レンズ１３と、この結像レンズ１３で平行光化したレーザビームＬを集光する集光レンズ１４とを有する。この実施形態の太陽電池基板１を製造するためには、透明電極加工閾値以上の高いエネルギー密度をもつレーザビームＬにて透明電極膜５１（図４（Ａ））をスクライブ加工し、ビームプロファイルが均一なレーザビームＬにて、光電変換膜５２（図４（Ａ））と裏面金属膜５３（図４（Ａ））とを順にスクライブ加工する。

結像位置について説明する。
先ずレーザビームＬをビームエキスパンダ１１にて拡大する。拡大したレーザビームＬをスリット１２によってビーム中央部のみを通過させると、スリット通過後のレーザビームＬは、低エネルギーのビーム周辺部が除去されてビームプロファイルＢ´に示したように、裾に広がりのない切り立ったエネルギー強度分布となる。スリット通過後のレーザビームＬを、結像レンズ１３および集光レンズ１４にて結像位置４０で所定のビーム幅となるように結像する。するとレーザビームＬは、裾に広がりのない切り立ったエネルギー強度分布となり、ビームプロファイルＤ´に示した通り、レーザビームＬのエネルギー分布は均一となる。例えば、スリット形状を矩形にして、結像位置４０でのビーム形状を矩形に結像することにより、スクライブライン両端のバリの発生をより抑えることができる。

次にビームウエスト位置４１について説明する。
結像レンズ１３により平行光に調整されたレーザビームＬは、集光レンズ１４によって集光される。このときのレーザビームＬのビームウエスト位置４１（ビームプロファイルＣ´）は、集光レンズ１４の焦点位置であり、結像位置４０に比べてエネルギー密度が高い。

前記ビームウエスト位置４１は、結像位置４０よりも照射方向手前、この例では結像位置４０の上方にあるため、前記Ｚ方向移動部９（図１）により、光学ユニット２０を有する加工ツール７をＺ方向に移動させ、図５に示すように、透明電極膜５１の高さ位置にビームウエスト位置４１を合わせる。つまり結像・ビームウエスト位置切換制御部１６ａａ（図１）は、透明電極膜５１の高さ位置にビームウエスト位置を合わせるように、Ｚ方向移動機構９（図１）の駆動源を駆動する制御を行う。これにより、エネルギー密度が高いレーザビームにて透明電極膜５１をスクライブし得る。

図６に示すように、透明電極膜５１をスクライブし光電変換膜５２を積層した後、前記と同様に加工ツール７（図１）をＺ方向に移動することにより、エネルギー強度分布が均一な結像位置にて光電変換膜５２をスクライブし得る。裏面金属膜５３（図４（Ａ））をさらに積層した後、加工ツール７をＺ方向に移動することにより、裏面金属膜５３も結像位置にてスクライブし得る。

作用効果について説明する
スクライブ加工する薄膜の種類に応じて、この薄膜の高さ位置に合わせるレーザビームの位置を、結像位置４０またはビームウエスト位置４１に切換えることで、下部層の薄膜および透明性絶縁基板５０にダメージを与えずに所望の薄膜をスクライブ加工することができる。換言すれば、複数層の各薄膜をスクライブ加工するとき、レーザ光源を高出力なものに変更することなく、例えば、同一のレーザ光源を用いて結像・ビームウエスト位置切換制御部１６ａａによりレーザビームの位置を切り換えるだけで、下部層の薄膜および透明性絶縁基板５０にダメージを与えずに所望の薄膜をスクライブ加工することができる。

基材上の表面に、レーザ光の吸収率が低い透明電極膜５１が積層され、この透明電極膜５１をスクライブ加工する場合には、結像・ビームウエスト位置切換制御部１６ａａは、前記透明電極膜５１の高さ位置に合わせるレーザビームの位置をビームウエスト位置４１にする。このようにビームウエスト位置４１にすることで、他の位置よりも高いエネルギー密度を有するレーザビームにて前記透明電極膜５１をスクライブすることが可能となる。
図３に示すように、結像位置で前記透明電極膜を除去できるエネルギー閾値以下のレーザビームしか発振することができないレーザ発振器を用いて、レーザビームの位置を結像位置に合わせる技術では、前記透明電極膜を除去することができない。
本願発明のように、高いエネルギー密度を有するビームウエスト位置４１では、前記透明電極膜５１を除去できるエネルギー閾値を十分満たすため、前記透明電極膜５１をスクライブすることが可能である。またビームウエスト位置４１では、透明性絶縁基板５０を除去できるエネルギー閾値に達していないため、透明性絶縁基板５０にダメージを与えることはない。

透明電極膜５１の表面に積層された光電変換膜５２をスクライブ加工する場合には、結像・ビームウエスト位置切換制御部１６ａａは、前記光電変換膜５２の高さ位置に合わせるレーザビームの位置を結像位置４０に切り換える。このようにエネルギー強度分布を均一にした結像位置４０にて、前記光電変換膜５２をスクライブすることにより、下部層の透明電極膜５１および透明性絶縁基板５０にダメージを与えることはない。さらに積層された裏面金属膜５３をスクライブ加工する場合も、結像・ビームウエスト位置切換制御部１６ａａは、前記裏面金属膜５３の高さ位置に合わせるレーザビームの位置を結像位置４０にして、前記裏面金属膜５３をスクライブすることにより、下部層の薄膜および透明性絶縁基板５０にダメージを与えることはない。

以上のように、複数層の各薄膜をスクライブ加工するとき、レーザ光源を高出力なものに変更することなく、同一のレーザ光源を用いて結像・ビームウエスト位置切換制御部１６ａａによりレーザビームの位置を切り換えるだけで、下部層の薄膜および透明性絶縁基板５０にダメージを与えずに所望の薄膜をスクライブ加工することができる。このように、各薄膜を下部層に影響を与えることなくスクライブ加工することができるうえ、コスト低減を図ることができる。

ビームエキスパンダ１１で拡大したレーザビームを、スリット１２によってビーム中央部のみを通過させると、スリット通過後のレーザビームは、低エネルギーの周辺部が除去されて裾に広がりのない切り立ったエネルギー強度分布となる。このため、スクライブライン両端にバリやダレが発生することを防止することができる。
結像・ビームウエスト位置切換制御部１６ａａは、前記レーザビームの位置を、スクライブ加工する薄膜に応じて、前記記憶手段４６に記憶された前記ビームウエスト位置４１または前記結像位置４０に切換え制御する。これにより、結像・ビームウエスト位置切換制御部１６ａａは、スクライブ加工する薄膜に応じて、レーザビームの位置を自動で調整するため、例えば、レーザビームの位置を手動で調整する場合よりも、タクトタイムの短縮を図ることができる。

この例では、加工ツール７をＺ方向に移動させてレーザビームの位置を調整しているが、この構成に限定されるものではない。加工ツール７のうち光学ユニット２０のみをＺ方向に移動させてレーザビームの位置を調整する形態としても良いし、さらに光学ユニット２０の集光レンズ１４のみをＺ方向に移動させてレーザビームの結像位置を調整しても良い。また加工ツール７に対して基板搭載部４をＺ方向に移動させてレーザビームの位置を調整しても良い。
また、基材上に積層する複数層の薄膜は、透明電極膜５１、光電変換膜５２、裏面金属膜５３だけに限定されるものではない。

１…太陽電池基板（被加工基板）
１０…レーザ発振器
１１…ビームエキスパンダ
１２…スリット
１３…結像レンズ
１４…集光レンズ
１６ａ…光学ユニット制御手段
１６ａａ…結像・ビームウエスト位置切換制御部
２０…光学ユニット
４０…結像位置
４１…ビームウエスト位置
５０…透明性絶縁基板
５１…透明電極膜
５２…光電変換膜
５３…裏面金属膜

Claims (5)

1. 光透過性の基材上に複数層の薄膜が順次積層される被加工基板につき、前記各層の薄膜の表面に対し、各層の薄膜が積層される毎にレーザビームを照射してスクライブ加工を施すレーザスクライブ装置において、
   前記レーザビームを発振するレーザ光源と、
   このレーザ光源で発振したレーザビームを集光して前記各薄膜に照射する光学ユニットと、
   前記各層の高さ位置に対応して前記光学ユニットの集光による結像位置を変更する制御を行う光学ユニット制御手段とを有し、
   前記光学ユニットは、前記レーザ光源で発振され前記光学ユニットから照射されるレーザビームに、エネルギー強度分布が均一な結像位置と、この結像位置よりも照射方向手前でエネルギー密度が高いビームウエスト位置とを生じさせるものであり、
   前記光学ユニット制御手段は、スクライブ加工する薄膜に応じて、この薄膜の高さ位置に合わせるレーザビームの位置を、前記結像位置または前記ビームウエスト位置に切換える結像・ビームウエスト位置切換制御部を有することを特徴とするレーザスクライブ装置。
2. 請求項１記載のレーザスクライブ装置において、前記複数層の薄膜は、前記基材上に積層される透明電極膜と、この透明電極膜の表面に積層される光電変換膜と、この光電変換膜の表面に積層される裏面金属膜とを有し、
   前記結像・ビームウエスト位置切換制御部は、前記透明電極膜をスクライブ加工するとき前記レーザビームの位置を前記ビームウエスト位置に切換え、前記光電変換膜または前記裏面金属膜をスクライブ加工するときに前記レーザビームの位置を前記結像位置に切換えるレーザスクライブ装置。
3. 請求項１または請求項２記載のレーザスクライブ装置において、前記光学ユニットは、前記レーザ光源で発振したレーザビームを拡大するビームエキスパンダと、このビームエキスパンダで拡大されたレーザビームのうちビーム外周部を除くビーム中央部を通すように配置されたスリットと、このスリットを通過したレーザビームをスクライブ加工する薄膜に照射するレンズとを有するレーザスクライブ装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のレーザスクライブ装置において、前記ビームウエスト位置および前記結像位置をそれぞれ記憶する記憶手段を設け、
   前記結像・ビームウエスト位置切換制御部は、前記レーザビームの位置を、スクライブ加工する薄膜に応じて、前記記憶手段に記憶された前記ビームウエスト位置または前記結像位置に切換え制御するレーザスクライブ装置。
5. 光透過性の基材上に複数層の薄膜が順次積層される被加工基板につき、前記各層の薄膜の表面に対し、各層の薄膜が積層される毎にレーザビームを照射してスクライブ加工を施すレーザスクライブ加工方法において、
   スクライブ加工する薄膜に応じて、この薄膜の高さ位置に合わせるレーザビームの位置を、エネルギー強度分布が均一な結像位置、または、この結像位置よりも照射方向手前でエネルギー密度が高いビームウエスト位置に切換えることを特徴とするレーザスクライブ加工方法。

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