JP2015192113A

JP2015192113A - 溝加工ツール並びにこの溝加工ツールを取り付けたスクライブ装置

Info

Publication number: JP2015192113A
Application number: JP2014070212A
Authority: JP
Inventors: 充山田; Mitsuru Yamada
Original assignee: Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd
Current assignee: Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2015-11-02

Abstract

【課題】刃先の形状を工夫して溝加工時の膜剥がれ等の現象を抑制するとともに、使用寿命を延ばした溝加工ツール並びにこれを取り付けたスクライブ装置を提供する。【解決手段】棒状のボディ８１と、ボディ８１下部に形成されたテーパ部８２と、テーパ部８２下端に形成された円錐台部８３とを備える溝加工ツールであって、円錐台部８３は水平な底面８４を有し、この底面８４と円錐台部８３の外周側面８３ａとの角部が刃先８５を形成しており、円錐台部８３の外周側面８３ａと底面８４との角度β１が９０?〜１１０?の範囲で形成され、テーパ部８２の外周側面８２ａと底面８４との角度β２が円錐台部の角度β１より大きな角度で形成されており、円錐台部８３の高さＨが加工すべき溝深さの寸法より大きく、底面８４の直径より小さく形成されるようにする。【選択図】図３

Description

本発明は、カルコパイライト化合物やテルル化カドミウムなどを用いた化合物系等の集積型薄膜太陽電池を製造する際に用いられる溝加工ツール並びにこの溝加工ツールを取り付けたスクライブ装置に関する。
ここで、カルコパイライト化合物とは、ＣＩＧＳ（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２）の他に、ＣＩＧＳＳ（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）_２）、ＣＩＳ（ＣｕＩｎＳ_２）等が含まれる。

化合物半導体を光吸収層として用いる薄膜太陽電池においては、基板上に複数のユニットセルを直列接続した集積型構造が一般的である。

従来のカルコパイライト化合物系集積型薄膜太陽電池の製造方法について説明する。図６は、ＣＩＧＳ薄膜太陽電池の製造工程を示す模式図である。まず、図６（ａ）に示すように、ソーダライムガラス（ＳＬＧ）等からなる絶縁基板２１上に、プラス側の下部電極となるＭｏ電極層２２をスパッタリング法によって形成した後、スクライブ加工により下部電極分離用の溝Ｐ１を形成する。

その後、図６（ｂ）に示すように、Ｍｏ電極層２２上に、化合物半導体（ＣＩＧＳ）薄膜からなる光吸収層２３を積層して、その上に、ヘテロ接合のためのＺｎＳ薄膜等からなるバッファ層２４を形成し、さらにその上に、ＺｎＯ薄膜からなる絶縁層２５を形成する。そして、下部電極分離用の溝Ｐ１から横方向に所定距離離隔した位置に、スクライブ加工によりＭｏ電極層２２にまで到達する電極間コンタクト用の溝Ｐ２を形成する。

続いて、図６（ｃ）に示すように、絶縁層２５の上からＺｎＯ：ＡＩ薄膜からなる上部電極としての透明電極層２６を形成し、スクライブ加工により下部のＭｏ電極層２２にまで到達する電極分離用の溝Ｐ３を形成する。

上述した集積型薄膜太陽電池を製造する工程において、電極分離用の溝Ｐ２およびＰ３をスクライブにより溝加工する技術として、レーザスクライブ法とメカニカルスクライブ法が用いられてきた。

レーザスクライブ法は、例えば特許文献１で開示されているように、アークランプ等の連続放電ランプによって、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶を励起して発信したレーザ光を照射することにより電極分離用の溝を形成するものであるが、スクライブ時にレーザ光の熱によって光吸収層２３の光電変換特性が劣化するおそれがあった。

また、メカニカルスクライブ法は、例えば特許文献２および特許文献３で開示されているように、先端が先細り状となった溝加工ツールの刃先を、所定の圧力をかけて基板に押しつけながら移動させることによって、電極分離用の溝を加工する技術である。現在ではこのメカニカルスクライブ法が多く行われている。

特開平１１−３１２８１５号公報特開２００２−０９４０８９号公報特開２００４−１１５３５６号公報

メカニカルスクライブ法で用いられる溝加工ツールは、一般的には安いコストで、かつ高精度に仕上げることのできる旋盤を使用した丸断面形状のものが多い。このような丸断面形状の溝加工ツールとして、図７（ａ）に示すような、棒状のボディ２７の下方を先細り状の円錐台部２８としてその先端を水平にカットし、水平な底面２９の角部３０を刃先としたものが特許文献２、３で開示されている。なお、底面２９の直径は、加工される溝幅に相応して４０〜５０μｍとなっている。

しかし、上記図７（ａ）で示した従来の溝加工ツールでは、刃先の強度を維持するため円錐台部２８の外周円錐面の中心角α’が概ね６０°以上の大きな角度で形成されており、これにより加工される溝の左右縁部が斜めに削られることになって膜剥がれの大きな原因となるとともに、垂直に掘り下げたきれいな溝を加工することができないといった問題点があった。

そこで、加工される溝の左右側壁の平行度を精密に仕上げるために、図７（ｂ）に示すような、円錐台部２８の下部に上下均等な直径の正円柱体からなる円柱部３１を形成し、その先端角部３２を刃先としたものが提案されている。円柱部３１の底面３３の直径は、加工される溝幅に相応して４０〜５０μｍとなっており、刃先角部３２が使用により摩耗や破損した際に、底面３３を研磨して対応できるように所定の長さ、例えば、５０μｍ程度の長さで形成されている。
この溝加工ツールを、薄膜太陽電池基板から離れないように一定の圧力で押しつけながら、スクライブ予定ラインに沿って相対的に移動させて溝加工を行うのであるが、被加工面の凹凸で溝加工ツールは慣性力による上下方向の力を受けてバウンドするため、それを抑えるためには一定の押圧力、例えば０．５Ｎ以上の力が必要となる。
しかし、溝加工ツールの刃先を上記の押圧力で太陽電池基板に押しつけながら連続使用していると、細い円柱部３１がその中間部から折れることがある。この現象は、円柱部３１の底面が一度も研磨されていない初期長さを有する新品時に発生する確率が高く、平均使用寿命が短くなるという欠点となっていた。

そこで本発明は上記の課題に鑑み、刃先の形状に工夫を加えることによって、溝加工時の膜剥がれ等の現象を抑制するとともに、使用寿命を延ばすことができる溝加工ツール並びにこれを取り付けたスクライブ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の薄膜太陽電池用の溝加工ツールは、薄膜太陽電池基板の薄膜を剥離させて溝を形成する溝加工ツールであって、棒状のボディと、当該ボディの下部に形成されたテーパ部と、前記テーパ部の下端に形成された円錐台部とを備え、前記円錐台部は水平な底面を有し、当該底面と円錐台部の外周側面との角部が刃先を形成しており、前記円錐台部の外周側面と前記底面との角度が、９０°より大きく１１０°までの角度で形成され、前記テーパ部の外周側面と前記底面との角度が、前記円錐台部の外周側面と前記底面との角度より大きな角度で形成されており、前記円錐台部の高さが加工すべき溝深さの寸法より大きく、前記底面の直径より小さく形成されている構成とした。
なお、上記円錐台部の外周側面と前記底面との角度は、１００°に近い角度とするのが好ましい。
また、「テーパ部」と「円錐台部」とは、いずれも先細りの周壁を有する形状であるが、本書では「円錐台部」は刃先となる角部が形成された構成要素として用いるとともに、「テーパ部」は大径のボディから小径の円錐台部までの径を調整する構成要素として用いるように使い分けることとした。

本発明の溝加工ツールは、スクライブ装置に組み込まれているスクライブヘッドのホルダに取り付けて使用される。スクライブ加工の際、本発明に係る溝加工ツールでは、下段側となる円錐台部の外周側面と底面との角度を９０°〜１１０°の範囲としたので、従来の大きな傾斜角度で形成されたツールのように、加工される溝の左右のエッジが斜めに削られるようなことがなくなって膜剥がれの発生を抑制することができるとともに、角度を小さくすることで加工される溝の左右側壁面の平行度を維持することができ、きれいな溝を精密に加工することができる。
また、円錐台部が、加工すべき溝幅に対応して小さい直径で形成された底面よりもさらに小さい寸法の高さ（背丈）で形成され、しかもその上部が円錐台部より大きな角度を有するテーパ部に連設して補強されているので、スクライブ中に円錐台部が中間部から折れる等のトラブルの発生をなくして使用寿命を延ばすことができる。また、円錐台部の高さが、加工すべき溝深さより大きな寸法で形成されているので、所定深さの溝を確実に加工することができる。

本発明の溝加工ツールを用いたスクライブ装置の一実施形態を示す概略的正面図。本発明に係る溝加工ツールの全体斜視図。本発明に係る溝加工ツールの刃先部分の拡大正面図。先端角度が異なる３種のツールを用いて３０００ｍ溝加工したときの刃先にかかる振動と膜剥がれ幅を示す表。図４の実験に使用した３種の溝加工ツールを示す図。一般的なＣＩＧＳ系の薄膜太陽電池の製造工程を示す模式図。従来の溝加工ツールの例を示す正面図。

以下において、本発明の詳細を、その実施の形態を示す図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る溝加工ツールを用いた集積型薄膜太陽電池用スクライブ装置の実施形態を示す概略的な正面図である。
スクライブ装置Ａは、太陽電池基板Ｗを載置して保持するテーブル１を備えている。テーブル１は、水平なレール２に沿ってＹ方向（図１の前後方向）に移動できるようになっており、モータ（図示略）によって回転するネジ軸３により駆動される。さらに、テーブル１はモータを内蔵する回転駆動部４により水平面内で回動できるようになっている。

テーブル１を挟んで設けてある両側の支持柱５、５と、Ｘ方向に水平に延びるビーム（横桟）６とを備えたブリッジ７が、テーブル１上を跨ぐようにして設けられている。
ビーム６には、Ｘ方向に水平に延びるガイド９が設けられ、このガイド９にはスクライブヘッド１０がモータＭによってＸ方向に移動できるように取り付けられている。

スクライブヘッド１０の下部には、テーブル１上に載置される太陽電池基板Ｗの薄膜表面をスクライブ加工する溝加工ツール８を保持するホルダ１１が設けられている。ホルダ１１は、流体シリンダ１２によって溝加工ツール８と共に昇降できるように形成されている。

図２は、本発明に係る溝加工ツール８の全体形状を示す斜視図であり、図３は刃先部分の拡大正面図である。この溝加工ツール８は、鋼材や超硬合金等の工具特性に優れた材料で作製される。
溝加工ツール８は、実質的にホルダ１１への取付部となる断面円形の棒状のボディ８１と、このボディ８１の下部に一体的に形成された先細り状のテーパ部８２と、このテーパ部８２の細くなった先端部に形成された先細り状の円錐台部８３とを備えており、これによりツール８の下端部分は２段形状で形成されている。
下段側の円錐台部８３の水平な底面８４と円錐台部８３の外周側面８３ａとの角部が刃先８５として形成されている。ボディ８１、テーパ部８２並びに円錐台部８３は、それぞれの軸心が同軸となるように形成するのがよい。これにより、ボディ８１を旋盤などの加工機械のチャックで掴んで回転させ、バイトでテーパ部８２や円錐台部８３を研削することにより、容易かつ精密に２段形状となったツール下部を加工することができる。

さらに、下段側となる円錐台部８３の外周側面８３ａと底面８４との角度β１は、９０°より大きく１１０°までの角度で形成されており、上段側となるテーパ部８２の外周側面８２ａと底面８４との角度β２が、下段側の円錐台部８３の角度β１の角度よりも大きな角度、すなわち、１１０°よりも大きな角度で形成されている。これにより、実質的な刃先となって大きな負荷を受ける下段側の円錐台部８３を上段側のテーパ部８２が補強し、ツールとしての強度を高めている。
また、底面８４の直径Ｄは、加工される溝幅に合わせて４０〜５０μｍで形成され、円錐台部８３の高さＨがそれより小さい寸法で、かつ、加工すべき溝の深さより大きな寸法で形成されている。具体的には、加工すべき溝幅が４５μｍで溝深さが３μｍとした場合、底面８４の直径Ｄを４０μｍに、円錐台部８３の高さＨを３５μｍとして形成する。
また、円錐台部８３の外周側面８３ａと底面８４との角度β１は、下記の実験結果を参照して設定した。

図４は、発明者等が刃先の角度がそれぞれ異なる超硬合金製の３種の溝加工ツールを用いて、太陽電池基板の溝を３０００ｍ加工したときのツールにかかる振動と加工溝の膜剥がれ幅を検証した結果を示す表である。表中、ツール種欄における角度は、実験に用いた３種のツールの外周円錐面（外周側面）の中心角αを示すものである。また、図５は上記実験に用いた溝加工ツールを示すものであって、図５（ｂ）は中心角αが２０°のものであり、図５（ｃ）は４５°のものである。また図５（ａ）は刃先を形成する角部を直角にしたものであり、ここでは中心角αを０°とした。
これらの実験から、中心角２０°のものが、角度の大きな４５°のものに比べて膜剥がれ幅が半分程度と小さいことがわかる。また、刃先先端にかかる荷重の変位量（振動）についても、中心角２０°のものが他に比べて小さく、ツールにかかる衝撃が少ないことが判明した。
そして、外周円錐面の中心角αを、２０°を中心とした±１０°の範囲とすれば、膜剥がれ幅をほぼ同程度に抑えられることが判明した。
そこで、本実施例では、円錐台部８３の外周側面８３ａと底面８４との角度β１の範囲を、上記中心角αの２０°に相当する１００°を中心として、９０°より大きく１１０°までとした。

上述した溝加工ツール８を用いてスクライブ加工を行う場合は、ツール先端を下方に向けた姿勢で溝加工ツール８をスクライブヘッド１０のホルダ１１に取り付ける。そして、テーブル１をＹ方向に移動させて太陽電池基板Ｗのスクライブ予定ラインが溝加工ツール８の直下になるよう位置決めをした後に、溝加工ツール８を下動させてその先端を流体シリンダ１２により太陽電池基板Ｗの表面に押しつけた状態でＸ方向に移動させてＸ方向のスクライブ加工を行う。また、太陽電池基板Ｗの表面にＹ方向のスクライブ加工を行う場合には、テーブル１を９０度回転させて、上記と同様の動作を行う。

上記のスクライブ加工の際、本実施例の溝加工ツールでは、下段側となる円錐台部８３の外周側面８３ａと底面８４との角度β１を１００°近傍としたので、上記実験値で示された通り、膜剥がれ幅を小さく抑えることができるとともに角度を小さくすることで加工される溝の左右側壁面の平行度を維持することができ、きれいな溝を精密に加工することができる。
また、円錐台部８３が、加工すべき溝幅に対応して小さい直径で形成された底面８４よりもさらに小さい寸法の高さ（背丈）で形成され、しかもその上端に連なって形成された上記角度β１より大きな角度を有するテーパ部８２によって補強されているので、スクライブ中に円錐台部８３が中間部から折れる等のトラブルの発生を抑制することができ、使用寿命を長くすることができる。また、円錐台部８３の高さが、加工すべき溝深さより大きな寸法で形成されているので、所定深さの溝を確実に加工することができる。

以上、本発明の代表的な実施例について説明したが、本発明は必ずしも上記の実施例構造のみに特定されるものでなく、その目的を達成し、請求の範囲を逸脱しない範囲内で適宜修正、変更することが可能である。

本発明は、カルコパイライト化合物やテルル化カドミウムなどの化合物系半導体膜を用いた集積型薄膜太陽電池の製造に用いることのできる溝加工ツールに適用することができる。

Ａスクライブ装置
Ｗ太陽電池基板
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３スクライブ溝
β１円錐台部の角度
β２テーパ部の角度
８溝加工ツール
８１ボディ
８２テーパ部
８２ａテーパ部の外周側面
８３円錐台部
８３ａ円錐台部の外周側面
８４底面
８５刃先
１０スクライブヘッド
１１ホルダ

Claims

薄膜太陽電池基板の薄膜を剥離させて溝を形成する溝加工ツールであって、
棒状のボディと、当該ボディの下部に形成されたテーパ部と、前記テーパ部の下端に形成された円錐台部とを備え、
前記円錐台部は水平な底面を有し、当該底面と円錐台部の外周側面との角部が刃先を形成しており、
前記円錐台部の外周側面と前記底面との角度が、９０°より大きく１１０°までの角度で形成され、
前記テーパ部の外周側面と前記底面との角度が、前記円錐台部の外周側面と前記底面との角度より大きな角度で形成されており、
前記円錐台部の高さが加工すべき溝深さの寸法より大きく、前記底面の直径より小さく形成されている溝加工ツール。
前記底面の直径が４０〜５０μｍであり、前記円錐台部の外周側面の高さが３０〜４０μｍである請求項１に記載の溝加工ツール。
前記請求項１又は２に記載の溝加工ツールを、ホルダを介して保持するスクライブヘッドと、前記薄膜太陽電池基板を載置するテーブルを備え、前記スクライブヘッドを薄膜太陽電池基板に対して相対的に移動させることにより前記溝加工ツールの刃先で前記薄膜太陽電池基板の表面に溝を加工するようにしたスクライブ装置。