JP3305206B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

レーザ加工装置

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JP3305206B2
JP3305206B2 JP21080096A JP21080096A JP3305206B2 JP 3305206 B2 JP3305206 B2 JP 3305206B2 JP 21080096 A JP21080096 A JP 21080096A JP 21080096 A JP21080096 A JP 21080096A JP 3305206 B2 JP3305206 B2 JP 3305206B2
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slit
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正義 村田
和孝 宇田
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    • Y02E10/548Amorphous silicon PV cells

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  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Drying Of Semiconductors (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、アモルファスシリ
コン太陽電池や光センサ等光電変換装置製造用のレーザ
加工装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来のアモルファスシリコン太陽電池製
造用のレーザ加工装置を図5に、製造された太陽電池の
基本構造を図9に示す。
【0003】図5において、1はパルスレーザであり、
後述の被加工材11の表面にてパワー密度1〜10×1
17W/cm2 程度になる出力を発生するもので、通常
YAGレーザ(波長0.53μmあるいは1.06μ
m)及びエキシマレーザ(波長0.248μm)等が用
いられる。
【0004】2は第1の円柱レンズで、後述のコリメー
タレンズ4を組み合わせて用いられることにより、レー
ザビーム3の光強度空間分布を整形する。4はコリメー
タレンズで、上記第1の円柱レンズ2と組み合わせて用
いられる。即ち、レーザビーム3の光強度空間分布は、
図6の(a),(b),(c)に示すように、ガウシア
ン分布となっているが、これを第1の円柱レンズ2及び
コリメータレンズ4によって、図7の(a),(b),
(c)に示すような楕円形あるいは長方形の光強度空間
分布をもつレーザビーム5に整形される。
【0005】6,7及び8は、それぞれ第1,第2及び
第3の反射鏡で、上記レーザビーム5を後述の第2の円
柱レンズ10に導くものである。尚、第1,第2及び第
3の反射鏡6,7及び8を介して第2の円柱レンズ10
まで伝搬してきたレーザビームをレーザビーム9と呼ぶ
ことにする。第2の円柱レンズ10は、上記レーザビー
ム9の光強度空間分布を、図8の(a),(b),
(c)に示すように、幅の狭い長方形分布に整形する。
【0006】11は被加工材である。12はワークテー
ブルで、後述の制御装置13との組み合わせにより、上
記被加工材11を平面内で任意に移動させることができ
るものである。13は制御装置で、これに内蔵されたマ
イクロコンピュータにより、上記パルスレーザ1により
発射されるレーザ光と同期して、上記ワークテーブル1
2を作動させることができる。尚、14はレーザビーム
で、その光強度空間分布は図8の(a),(b),
(c)のようになっており、ワークテーブル12に設置
された被加工材11の表面に照射される。
【0007】次に、図5において、図9に示す構造を持
つアモルファスシリコン太陽電池を製造することを例に
とり、以下説明する。
【0008】図9は、ガラス基板20の上に、透明電極
21a〜21c,PIN接合の半導体膜22a〜22c
及び金属電極23a〜23cが、積層されたものである
が、金属電極23bは、透明電極21cと電気的に導通
状態で、金属電極23aとは絶縁状態になることが、太
陽電池の特性上、必要である。
【0009】上記条件を満たすには、図5に示す装置及
び図示しないプラズマCVD装置及びAl蒸着装置等を
用いて、図10に示す手順で製造する。
【0010】即ち、ガラス基板20に付着している透明
電極21を図5の装置によりレーザエッチングする[図
10の(a)〜(b)参照]。次に、図示しないプラズ
マCVD装置により、p型,i型,n型の半導体膜22
を積層し[図10の(c)参照]、その後その半導体膜
22をレーザエッチングする[図10の(d)参照]。
次に、図示しないAl蒸着装置により、Al膜(金属電
極)23を蒸着し[図10の(e)参照]、その後その
Al膜23をレーザエッチングする[図10の(f)参
照]。
【0011】さて、上記アモルファスシリコン太陽電池
製造において、先ず、透明電極のレーザエッチングの加
工について説明する。
【0012】図5において、ワークテーブル12の上に
透明電極21付きのガラス基板20を設置する。そし
て、パルスレーザ1からレーザビーム3を発射させ、第
1の円柱レンズ2,コリメータレンズ4,第1の反射鏡
6,第2の反射鏡7,第3の反射鏡8及び第2の円柱レ
ンズ10を介して、レーザビーム14が上記透明電極2
1に照射される。
【0013】そうすると、レーザビームの出力強度が1
〜10×1017W/cm2 程度であれば、上記透明電極
21に吸収された光エネルギーにより、レーザビーム1
4が照射された部分のみ、上記透明電極21が蒸発し、
図10の(b)に示したようなレーザエッチング加工が
できる。
【0014】上記アモルファスシリコン太陽電池製造工
程中、半導体膜22のレーザエッチング加工及び金属電
極23のレーザエッチング加工についても、上記透明電
極21のレーザエッチング加工と同様に行う。尚、金属
電極23のレーザエッチング加工において、レーザビー
ムを金属電極23付着面の反対側より照射する場合もあ
る。この場合、金属電極23の下地層である半導体膜2
2が気化することにより、レーザエッチング加工形態は
上記の場合と異なっている。以上説明した製造方法によ
り、図9に示した構造のアモルファスシリコン太陽電池
が得られる。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】従来のレーザ加工装置
によれば、次のような問題がある。 (1) レーザエッチングによる金属電極加工において、レ
ーザビーム光強度空間分布即ち、エネルギー密度分布
が、図8に示すように、周辺部においてなだらかである
ために、切れ味が良くない。これにより、図11に示す
ように、金属電極23の溶融物あるいは金属とアモルフ
ァスシリコンの化合物等残留物24が残存する。その結
果、太陽電池の出力電圧が低下したり、あるいは出力さ
れなくなり、実用に供せられない。 (2) レーザエッチングによる金属電極加工において、レ
ーザビームを金属電極付着面の反対側より照射させた場
合、図12に示すように、金属電極23のらかであるた
めに、切れ味が良くない。これにより、図11に示すよ
うに、金属電極23の溶融物が針状残留物25,26と
して残存する。その結果、この針状残留物25,26が
折れ曲がったり、折損してブリッジを組んだりして、太
陽電池の出力電圧が低下したり、あるいは出力されなく
なり、実用に供せられない。 (3) 上記(1) ,(2) の問題点は程度の差はあるが、いず
れにしても太陽電池製造工程等での歩留り大幅低下の要
因となっている。
【0016】そこで、本発明の目的は、レーザビームを
良好に整形して金属電極のレーザエッチング加工が切れ
味良く実施できるレーザ加工装置を提供することにあ
る。
【0017】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明に係るレーザ加工装置は、次のように構成さ
れる。 (1) 所定出力のレーザビームを発射するパルスレーザ
と、前記レーザビームの光強度空間分布を整形するレン
ズ系と、前記整形後のレーザビームが照射される被加工
材を載置するX−Yステージと、該X−Yステージと前
記パルスレーザとを同期制御する制御装置とを備えたレ
ーザ加工装置において、前記パルスレーザからX−Yス
テージまでのレーザ伝搬経路に、前記レーザビームを拡
散光源に変換する拡散板と、この拡散光源の像を被加工
材表面に結像させるリレーレンズ系と、該リレーレンズ
系に介装されてレーザビームを整形するスリットとを設
けたことを特徴とする。
【0018】
【0019】[作用](1) の構成によれば、従来装置で
は、レーザエッチングに用いるレーザ光源が、コヒーレ
ント光で、光学系の傷やパーティクル付着等ゴミによる
回折現象により干渉縞が発生し易いことに起因して、被
加工材表面に、光強度分布の周辺部がシャープになるよ
うにすることができなかったが、レーザビームを拡散板
で一度拡散した後リレーレンズ系で再び結像すると共に
スリットで整形することにより、被加工材表面での光強
度分布の周辺部がシャープな分布が得られる。即ち、レ
ーザエッチングでの切れ味が著しく向上されるのであ
る。
【0020】
【0021】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係るレーザ加工装
置を実施例に基づいて詳細に説明する。
【0022】[第1実施例]図1は本発明の第1実施例
を示すレーザ加工装置の構成図、図2は同じくレーザビ
ーム光強度空間分布の説明図、図3は同じくアモルファ
スシリコン太陽電池製造におけるAl膜加工の説明図で
ある。尚、これらの図において、図5と同一部材には同
一符号を付して説明する。
【0023】図1において、1はパルスレーザであり、
後述の被加工材11の表面にてパワー密度1〜10×1
7 W/cm2 程度になる出力を発生するもので、被加
工材が透明電極の場合には、YAGレーザの波長1.0
6μmを、半導体膜の場合には、YAGレーザの波長
0.53μmを、Al金属電極の場合には、エキシマレ
ーザの波長0.248μmを用いる。
【0024】2は第1の円柱レンズで、後述のコリメー
タレンズ4と組み合わせて用いられることにより、レー
ザビーム3の光強度空間分布を整形する。4はコリメー
タレンズで、上記第1の円柱レンズ2と組み合わせて用
いられる。
【0025】6,7及び8は、それぞれ第1,第2及び
第3の反射鏡で、レーザビーム5を後述の第1の結像レ
ンズ101に導くものである。
【0026】100は拡散板で、上記レーザビーム5を
拡散光に変換するもので、伝搬方向が多方向に向くよう
になる。尚、これはスリガラスあるいはエシュレット格
子を用いることで実現できた。
【0027】101は第1の結像レンズで、上記拡散板
100の像を後述のスリット102の面上に結像させ
る。尚、上記レーザビーム5の形状及び概略寸法は、長
方形でかつ後述の被加工材面上でのレーザビームサイズ
の約10〜20倍程度であり、ここでは500μm×1
0mmであった。
【0028】102はスリットで、上記第1の結像レン
ズ101で結像された拡散板100の像の周辺部を遮断
する機能を持つ。尚、上記スリットはタングステンある
いはチタン等高融点の金属を用い、かつ厚みは数10μ
mであった。
【0029】103は第2の結像レンズで、上記スリッ
ト102上に結像された拡散板100の像を約1/10
に縮小して、後述の被加工材11の面上に結像させるも
のである。
【0030】11は被加工材である。12はX−Yステ
ージとしてのワークテーブルで、後述の制御装置13と
組み合わせて使用することにより、上記被加工材11を
平面内で任意に移動させることができる。13は制御装
置で、これに内蔵されたマイクロコンピュータにより、
上記パルスレーザ1により発射されるレーザ光と同期し
て、上記ワークテーブル12を作動させることができ
る。尚、15はワークテーブル12に設置された被加工
材11の表面に照射されるレーザビームで、上記拡散板
100の像であり、その周辺部分は、図2に示すよう
に、エッジがシャープになっている。。
【0031】次に、本加工装置により、図9に示す構造
を持つアモルファスシリコン太陽電池を製造することを
例にとり、以下説明する。
【0032】先ず、透明電極のレーザエッチング加工に
ついて説明する。図1において、ワークテーブル12の
上に透明電極21付きのガラス基板20を設置する。そ
して、パルスレーザ1からレーザビーム3を発射させ、
第1の円柱レンズ2,コリメータレンズ4,第1の反射
鏡6,第2の反射鏡7,拡散板100,第3の反射鏡
8,第1の結像レンズ101,スリット102,第2の
結像レンズ103を介して、レーザビーム15が上記透
明電極21に照射される。
【0033】そうすると、レーザビーム15の出力強度
が1〜10×107 W/cm2 程度であれば、上記透明
電極21に吸収された光エネルギーにより、レーザビー
ム15が照射された部分のみ、上記透明電極21が蒸発
し、図10の(b)に示したようなレーザエッチング加
工ができる。
【0034】上記アモルファスシリコン太陽電池製造工
程中、半導体膜22のレーザエッチング加工及び金属電
極23のレーザエッチング加工についても、上記透明電
極21のレーザエッチング加工と同様に行う。ただし、
被加工材が半導体膜22の場合、パルスレーザ1はYA
Gレーザの波長0.53μmを用い、Al金属電極23
の場合には、エキシマレーザの波長0.248μmを用
いる。
【0035】以上説明した装置により、図3に示すよう
に、Al金属電極23の接合部200が理想的に、シャ
ープに加工できた。尚、Al金属電極23のレーザエッ
チング加工結果の状況はSEM(スキャニング エレク
トロン マイクロスコープ)写真で計測,評価して確認
済みである。
【0036】[第2実施例]図4は本発明の第2実施例
を示すレーザ加工装置の構成図である。
【0037】図において、1はパルスレーザであり、後
述の被加工材11の表面にてパワー密度1〜10×10
7 W/cm2 程度になる出力を発生するもので、例えば
エキシマレーザを用い発振波長0.248μmを用い
る。
【0038】2は第1の円柱レンズで、後述のコリメー
タレンズ4と組み合わせて用いられることにより、レー
ザビーム3の光強度空間分布を整形する。4はコリメー
タレンズで、上記第1の円柱レンズ2と組み合わせて用
いられる。
【0039】6,7及び8は、それぞれ第1,第2及び
第3の反射鏡で、レーザビーム5を後述の第1の結像レ
ンズ101に導くものである。
【0040】104は第1のスリットで、上記レーザビ
ーム5の断面形状を長方形に整形する。尚、後述の第1
の結像レンズ及び第2の結像レンズと組み合わせて用い
ることにより、第1のスリット104の像を被加工材表
面に結像する。
【0041】101は第1の結像レンズで、上記第1の
スリット104の像を後述の第2のスリット102の面
上に結像させる。尚、上記第1のスリット104の形状
及び概略寸法は、長方形でかつ後述の被加工材面上での
レーザビームサイズの約10〜20倍程度であり、ここ
では500μm×10mmであった。
【0042】102は第2のスリットで、上記第1の結
像レンズ101で結像された第1のスリット104の像
の周辺部を遮断する機能を持つ。尚、上記第1及び第2
のスリット104,102はタングステンあるいはチタ
ン等高融点の金属を用い、かつ厚みは数10μmであっ
た。
【0043】103は第2の結像レンズで、上記第2の
スリット102上に結像された第1のスリット104の
像を約1/10に縮小して、後述の被加工材11の面上
に結像させるものである。その他の構成は、図1に示し
た第1実施例と同様である。
【0044】次に、本加工装置により、図9に示す構造
を持つアモルファスシリコン太陽電池を製造することを
例にとり、以下説明する。
【0045】先ず、透明電極のレーザエッチング加工に
ついて説明する。図4において、ワークテーブル12の
上に透明電極21付きのガラス基板20を設置する。そ
して、パルスレーザ1からレーザビーム3を発射させ、
第1の円柱レンズ2,コリメータレンズ4,第1の反射
鏡6,第2の反射鏡7,第1のスリット104,第3の
反射鏡8,第1の結像レンズ101,第2のスリット1
02,第2の結像レンズ103を介して、レーザビーム
15が上記透明電極21に照射される。
【0046】そうすると、レーザビーム15の出力強度
が1〜10×107 W/cm2 程度であれば、上記透明
電極21に吸収された光エネルギーにより、レーザビー
ム15が照射された部分のみ、上記透明電極21が蒸発
し、図10の(b)に示したようなレーザエッチング加
工ができる。
【0047】上記アモルファスシリコン太陽電池製造工
程中、半導体膜22のレーザエッチング加工及び金属電
極23のレーザエッチング加工についても、上記透明電
極21のレーザエッチング加工と同様に行う。ただし、
被加工材が半導体膜22及び透明電極21の場合、エキ
シマレーザに代えてYAGレーザ(波長0.53μm)
を用い、Al金属電極23の場合には、エキシマレーザ
の波長0.248μmを用いるのが、歩留りの良い加工
ができる。
【0048】以上説明した装置により、図3に示すよう
に、Al金属電極23の接合部200が理想的に、シャ
ープに加工できた。尚、Al金属電極23のレーザエッ
チング加工結果の状況はSEM(スキャニング エレク
トロン マイクロスコープ)写真で計測,評価して確認
済みである。
【0049】尚、本発明は上記各実施例に限定されず、
本発明の要旨を逸脱しない範囲で、拡散板やスリット及
びリレーレンズの数の変更等各種変更が可能であること
は言うまでもない。
【0050】
【発明の効果】以上説明したように本発明のレーザ加工
装置によれば、被加工材表面に照射されるレーザビーム
を光学系を用いて効果的に整形するようにしたため、被
加工材表面でのレーザビーム光強度分布の周辺部が従来
装置に比べ著しくシャープになった。その結果、従来困
難視されていたAl膜のレーザエッチング加工が切れ味
良く実施可能となった。依って、アモルファスシリコン
太陽電池及び光センサ等の製造分野での工業的価値が著
しく大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示すレーザ加工装置の構
成図である。
【図2】同じくレーザビーム光強度空間分布の説明図で
ある。
【図3】同じくアモルファスシリコン太陽電池製造にお
けるAl膜加工の説明図である。
【図4】本発明の第2実施例を示すレーザ加工装置の構
成図である。
【図5】従来のレーザ加工装置の構成図である。
【図6】従来装置によるレーザビーム光強度空間分布の
説明図である。
【図7】同じく従来装置によるレーザビーム光強度空間
分布の説明図である。
【図8】同じく従来装置によるレーザビーム光強度空間
分布の説明図である。
【図9】アモルファスシリコン太陽電池の構造図であ
る。
【図10】アモルファスシリコン太陽電池の製造工程図
である。
【図11】従来装置によるAl膜加工状況を示すアモル
ファスシリコン太陽電池の構造図である。
【図12】従来装置による異なったAl膜加工状況を示
すアモルファスシリコン太陽電池の構造図である。
【符号の説明】
1 パルスレーザ 2 円柱レンズ 4,101,103 レンズ 6,7,8 反射板 11 被加工材 12 ワークテーブル 13 制御装置 100 拡散板 102,104 スリット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−40986(JP,A) 特開 昭57−94482(JP,A) 特開 平7−185863(JP,A) 特開 平7−266064(JP,A) 特開 昭63−160780(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 26/06 B23K 26/00 B23K 26/08 H01L 21/302 H01L 31/04

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 所定出力のレーザビームを発射するパル
    スレーザと、前記レーザビームの光強度空間分布を整形
    するレンズ系と、前記整形後のレーザビームが照射され
    る被加工材を載置するX−Yステージと、該X−Yステ
    ージと前記パルスレーザとを同期制御する制御装置とを
    備えたレーザ加工装置において、前記パルスレーザから
    X−Yステージまでのレーザ伝搬経路に、前記レーザビ
    ームを拡散光源に変換する拡散板と、この拡散光源の像
    を被加工材表面に結像させるリレーレンズ系と、該リレ
    ーレンズ系に介装されてレーザビームを整形するスリッ
    トとを設けたことを特徴とするレーザ加工装置。
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