JP4764989B2 - レーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、薄膜太陽電池の製造等のために、基板上に成膜された少なくとも１層の金属膜を含む積層膜を、２以上の領域に分離するレーザ加工方法に関する。

一般的に、半導体膜として非単結晶シリコン系薄膜を用いた太陽電池は、気相成長法で形成できるために大面積化が容易であることや、また、形成温度が低いためにプラスチックフィルムのような可撓性の基板に形成できること等の特長を有している。さらに、基板にガラスやプラスチックフィルム等の絶縁材料を用いると集積型の直列接続構造を採用でき、１枚の基板で数十〜数百Ｖの高電圧を取り出せるというメリットがある。

直列接続構造としては、ガラス等の透光絶縁性基板を用い、複数の短冊状の太陽電池単位セルを一方の面で分離接続する方式と、特開平６−３４２９２４号公報のようにプラスチックフィルム基板を用い、主面に複数の短冊状の太陽電池単位セルを、背面に接続用電極を配置して、穴を介してこれら単位セルを接続する方式とが考えられている。

このような直列接続構造を実現するには、一辺が０．３〜２ｍ程度の大面積基板上に積層した半導体膜を、金属からなる電極膜とともに複数の短冊状に分離加工する技術が必要である。現在最も一般的に用いられているのは、ＹＡＧレーザ等を用いてこの積層膜をレーザスクライブするレーザ加工技術である。

レーザ加工装置としては、基板をＸ−Ｙステージ上に真空吸着して、これをＸ−Ｙ方向に移動してレーザビームにより加工する装置（特開平９−２６６３２５号公報）や、また、逆に基板をＸ−Ｙステージに固定し、レーザビームをファイバ光学系により出射光学部に導き、出射光学部をＸ−Ｙ方向に移動させながらレーザビームを出射してパターニングを行う装置が知られている。さらに、本出願人による特開２００４−３３５８６３号公報では、ガルバノミラーを用いて、集光用Ｆθレンズを介さずに角度を有した状態でレーザビームを直接加工面に照射する方式が提案されている。
特開平６−３４２９２４号公報 特開平９−２６６３２５号公報 特開２００４−３３５８６３号公報

このようなレーザビームによる分離加工は高いエネルギーを必要とするため、パルス状のレーザビームで加工面を断続的に照射する方法が一般的である。そこで、図３に示すように、従来の加工では、例えば、レーザビームによるφ２４０μｍの加工スポット３０ａを５０％重ね合わせて移動させて分離加工を行っていた。しかし、電気的絶縁距離として分離幅４００μｍを確保するためには、ビーム移動１ｖを往復させて加工することとなり、加工に時間を要していた。

また、１回のビーム移動１ｖで分離幅４００μｍを確保するためには、図４に示すように、加工スポット３０ｂを大きくすることができる。これにより、加工スポットの移動速度が向上し、加工回数も１回で済むため、加工の高速化に有効である。しかし、レーザビームのエネルギー強度分布は、半径方向に減衰するガウス分布状であるため、ビームの中心部分で膜を除去できても、周縁部分では膜除去に必要なエネルギーが得られず、この周縁部分で加工不良が発生するという問題が生じる。特にレーザビームの加工スポット大きくした場合には、加工不良の範囲も大きくなり太陽電池の性能にも影響を与えることになる。

このため、一般的には、周縁部分の膜除去に可能なエネルギーを持たない部分をマスクによって遮光して取り除き、特に加工端部をフラットにするため、図５に示すような略矩形の加工スポット３０ｃとし、これを上記のように移動させて加工するという手法が用いられている。

しかしながら、図５のようなマスクを用いた加工でも、次のような問題があった。図６（ａ）は、略矩形の開口を有するマスクを用いてレーザ加工する際における、マスクの開口とマスクに入射するレーザビームとの位置関係を示す図であり、（ｂ）及び（ｃ）は、略矩形の加工スポットによる金属膜の加工状態を示す側面図であり、（ｄ）は、その結果形成された分離溝を示す平面図である。

図６（ａ）に示すように、略矩形の開口３ａの４隅（図中の斜線部）は、レーザビームの断面形状１ａのうち、レーザビームが膜除去に必要なエネルギーを有する範囲である加工可能最大径内であるものの、膜除去はできるが端部不良を発生する端部不良発生領域内となる。ここでいう端部不良とは、膜除去の際の爆発力で膜が剥がれて反りかえった状態や、膜の熱溶融により厚さが増した状態などである。

そして、この端部不良発生領域では、図６（ｂ）に示すように、基板８上の金属膜９にレーザビーム１ｂを照射した際、金属からなる端部不良９ｆが発生する。この端部不良９ｆは、図６（ｃ）に示すように、一部が重なるように２回目のレーザビームを照射しても、完全に除去できず、加工残９ｒとなる。よって、図６（ｄ）に示すように、分離溝に加工残９ｒが連続的に発生した状態となるため、電気的絶縁不良の原因になるという問題がある。

これを防ぐ方法としては、端部不良発生領域を外すようにマスクの開口を設ければ良いが、加工スポットが小さくなるため生産能力が低下するという問題がある。また別の手段としては、レーザビームのエネルギーを全体的に上げることで端部不良の発生を無くすことができるが、ガウス分布状のエネルギー分布では中央部分のエネルギーも高くなってしまうため、基板へのダメージとなるという問題や、プラスチック基板では基板を透過して背面の電極に影響を及ぼすことになり、太陽電池の特性不良の原因となるという問題がある。

そこで本発明は、これら問題点に鑑み、高い生産性を維持したまま、且つ基板等に悪影響を及ぼさずに、端部不良の発生を防ぐことができるレーザ加工方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係るレーザ加工方法は、基板上に成膜された少なくとも１層の金属膜を含む積層膜に、繰り返しパルスレーザビームを照射して、前記積層膜を２以上の領域に分離するレーザ加工方法において、前記積層膜の表面に照射される前記レーザビームの加工スポットの形状を、マスクを用いて略矩形状に整形するステップと、前記レーザビームの加工スポットを、一定の重ね合わせ率で、前記積層膜に対して相対的に移動させるステップと、前記レーザビームのエネルギー強度分布の中心を、前記略矩形状の加工スポットの中心に対して前記移動方向に偏心させるステップとを含むことを特徴とする。

このように、レーザビームのエネルギー強度分布の中心を、略矩形状の加工スポットの中心に対して、レーザビームの相対的移動方向に偏心させることで、略矩形状の加工スポットのうちの移動方向側のエネルギー強度を上昇させることができる。よって、レーザビームの移動方向側にあった端部不良発生領域をなくすことができ、端部不良の発生を防止することができる。また、本発明では、加工スポットを小さくする必要がないので、高い生産性を維持できるとともに、レーザビームの出力を上げる必要もないので、基板等に悪影響を及ぼすこともない。

前記マスクは、前記レーザビームの加工スポットを前記略矩形状に整形するための開口を有するとともに、この開口を構成する４つの辺を定める４つの遮光部材を有しており、これら４つの遮光部材の位置は個別に調整可能なものであることが好ましい。そして本発明は、前記レーザビームの相対的な移動に応じて前記偏心を制御するために、この４つの遮光部材の位置を調整するステップを含むことが好ましい。

前記レーザビームとしては、波長が４００〜６５０ｎｍのレーザビームを使用することが好ましい。また、前記レーザビームのレーザ発生源としては、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯレーザ、又はＹＬＦレーザを使用することが好ましい。

上述したように、本発明によれば、高い生産性を維持したまま、且つ基板等に悪影響を及ぼさずに、端部不良の発生を防ぐことができるレーザ加工方法を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の一実施の形態について説明する。図１は、本発明のレーザ加工方法に用いるレーザ加工装置の構成の一例を示す模式図である。なお、前述した図３〜図６と同様の構成については同一の符号を付している。

図１に示すように、レーザ加工装置は、レーザビームを出射するレーザ光源１と、レーザビームのビーム径を拡大し、平行光として出射するエキスパンダ２と、この平行光を入射して、レーザビームの断面形状を略矩形に整形するマスク３と、この整形されたレーザビームを反射させる反射ミラー５と、この反射光をＸ−Ｙステージ７上の加工面に結像させる集光レンズ６とを備えている。

レーザ光源１は、波長変換ユニットを含むＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器であり、パルス状のＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波（波長５３２ｎｍ）を出射する。なお、プラスチック基板にダメージを与えないように、波長は４００〜６５０ｎｍの範囲にすることが好ましい。また、加工材料の種類に応じて、ＹＡＧ、ＹＬＦ、ＹＶＯ等のレーザ光を用いることができる。

マスク３は、略矩形状の開口３ａを有しており、この開口３ａは、４つの辺を定める４つの遮光部材から構成されている。これら４つの遮光部材の位置は、個別に調整することができる。すなわち、これら４つの遮光部材の位置を移動させることで、開口３ａを構成する４の辺が移動し、開口３ａの形状を正方形や長方形といった所定の矩形に変化させることができる。なお、図示していないが、マスク３には、これら４つの遮光部材を移動させて、開口３ａの形状を制御する機構が設けられている。

このような構成によれば、先ず、レーザ光源１から出射されたレーザビームは、エキスパンダ２によって、ビーム径が拡大されたレーザビーム１ａとなる。このレーザビーム１ａは、マスク３の開口３ａによりその周縁部が遮られ、断面形状が略矩形のレーザビーム１ｃとなる。このレーザビーム１ｃは、反射ミラー５で反射され、集光レンズ６を経て、Ｘ−Ｙステージ７上に照射される。

Ｘ−Ｙステージ７上には、基板８が真空吸着されており、この基板８上には加工対象である金属膜９が成膜されており、この金属膜９の表面に略矩形の加工スポットが結像される。これにより、この加工スポット部分の金属膜が除去される。加工スポットの寸法は、特に限定されないが、長さ２００〜４００μｍ、幅１００〜４００μｍが好ましい。

そして、繰り返しパルスに合わせて、金属膜９表面へのレーザビーム１ｃの結像位置が加工スポット３０ｃの加工長さの５０％ずつ移動するように（図６（ｄ）参照）、Ｘ−Ｙステージ７上の基板８を移動させる。これにより、加工スポット３０ｃ部分の金属膜が断続的に除去され、加工スポット３０ｃの加工幅を有する分離溝が形成される。よって、金属膜９が２つの領域に分離されることとなる。なお、重ね合わせ率は５０％に限定されるものではなく、１０〜６０％の範囲で移動させることができる。

ここで、図２に、マスク３の開口３ａとレーザビーム１ａとの位置関係を示す。従来のレーザ加工方法では、図２（ａ）に示すように、レーザビーム１ａの中心１ｘ（すなわち、エネルギー強度分布のピーク）とマスク３の開口３ａの中心３ｘとが一致するように、マスク３の位置を配置していた。

これに対し、本発明のレーザ加工方法では、図２（ｂ）に示すように、レーザビーム１ａの中心１ｘが、開口３ａの中心３ｘに対して相対的なビームの移動方向１ｖに偏心するように、マスク３の位置を配置する。

これにより、加工スポット３０ｃの４隅が端部不良発生領域であったのが、レーザ移動方向の２隅に関してはエネルギー強度が上昇し、端部不良発生領域ではなくなる。このようなエネルギー強度の分布を有するレーザビーム１ｃで金属膜９を走査することで、端部不良の発生がない分離加工を行うことができる。

なお、レーザ移動方向とは反対側の２隅ではエネルギー強度が低下するものの、この反対側の２隅が照射される箇所の金属膜は、既に最初の照射である程度の除去がなされているので、加工残となるような端部不良は発生しない。よって、レーザ光源１の全体の出力を高めなくても、加工残のない電気的絶縁性に優れた分離溝を形成することができる。

また、これとは逆に、レーザビーム１ａの中心１ｘを、開口３ａの中心３ｘに対してビーム移動方向１ｖとは反対方向に偏心させた場合は、ビーム移動方向１ｖ側に端部不良が発生するため、従来と同様に加工残となることから所望の効果を得ることはできない。

よって、Ｘ−Ｙステージ７上の基板８の移動方向を変えて、レーザビ一ムの移動方向１ｖを変更させる場合は、略矩形状の開口３ａを構成する４つの辺の位置を移動させることで、レーザビーム１ａの中心１ｘを、再び開口３ａの中心３ｘに対してビーム移動方向に偏心させることで対応する。

なお、図１では、Ｘ−Ｙステージ７上で基板８を移動させることで、加工スポット３０ｃを移動させたが、本発明はこれに限定されず、Ｘ−Ｙステージ上に基板を固定し、ファイバ光学系を用い、出射光学部を移動させることでも、加工スポットを移動させることができる。この場合も、レーザビームの中心を、開口の中心に対してビーム移動方向に偏心させることで、上記と同様に、端部不良を発生せず、加工残のない電気的絶縁性に優れた分離溝を形成することができる。

また、Ｘ−Ｙステージ上で基板を移動させることに代えて、Ｘ−Ｙステージ上に基板を固定し、ガルバノミラーを用い、ガルバノミラーを駆動させることでも、加工スポットを移動させることができる。この場合も、レーザビームの中心を、開口の中心に対してビーム移動方向に偏心させることで、上記と同様に、端部不良を発生せず、加工残のない電気的絶縁性に優れた分離溝を形成することができる。

なお、ガルバノミラーを駆動させると、レーザビームの基板への入射角度が変化するため、加工スポットの形状が変形する。すなわち、開口３ａの形状を略矩形状にしても、入射角度が９０度の場合を除いて、加工スポットの形状は略矩形状とならない。よって、ガルバノミラーの駆動に応じて、略矩形状の開口３ａを構成する４つの辺の位置を移動させることで、加工スポットの形状を略矩形状に維持することができる。

このように、本発明のレーザ加工方法によれば、基板上に成膜された金属膜を、端部不良を発生することなく、分離加工することができる。加工対象となる金属膜としては、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｉ等が好ましい。また、加工対象はこのような金属膜のみに限られず、金属膜と半導体膜および／または金属酸化物膜との積層膜に対しても好適に分離加工することができる。以下に、本発明のレーザ加工方法を用いた薄膜太陽電池の製造方法の一例を説明する。

先ず、直列接続用の貫通穴をあけたフィルム基板の裏面に第１の電極膜を、表面に第２の電極膜を積層する。これら電極膜はＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｉ等の金属が好ましく、その厚さは１００〜４００ｎｍが好ましい。また、これら電極膜は、直列接続用貫通孔を介して電気的に導通する。そして、本発明のレーザ加工方法を用いて第２の電極膜にレーザビームを照射し、第２の電極膜を複数の短冊状に分離加工する。また、これら電極膜の形成部分に、集電用の貫通孔をあける。

次に、第２の電極膜の上に、直列接続用の貫通孔の周辺を除いて、半導体膜と透明電極膜を順次積層する。半導体膜としてはα−Ｓｉ等が好ましく、その厚さは２００〜６００ｎｍが好ましい。透明電極膜としてはＩＴＯ、ＳｎＯ₂、ＺｎＯ等の金属酸化物が好ましく、その厚さは５０〜１００ｎｍが好ましい。また、第１の電極膜の上に、金属からなる第４の電極膜を積層する。第４電極の厚さは５０〜２００ｎｍが好ましい。第４の電極膜は集電用貫通孔を介して透明電極膜と電気的に導通する。

そして、再び本発明のレーザ加工方法を用いて、基板表面の第２の電極膜、半導体膜、透明電極膜からなる積層膜と、基板裏面の第１の電極膜、第４の電極膜からなる積層膜をそれぞれ短冊状に分離加工する。これにより、基板表面に形成された複数の短冊状の太陽電池単位セルは、基板裏面の電極を介して、直列接続する。

このように、本発明に係るレーザ加工方法によれば、レーザ出力を特に上げず、大径の加工スポットを用い、端部不良を発生せずに太陽電池単位セル間を分離加工することができるので、優れた性能を有する直列接続構造の太陽電池を、低コスト且つ高い生産性で製造することができる。

本発明のレーザ加工方法に用いるレーザ加工装置の構成の一例を示す模式図である。 マスクの開口とレーザビームとの位置関係を示す模式図であり、（ａ）が従来のレーザ加工方法の場合、（ｂ）が本発明のレーザ加工方法の場合を示す。 従来の加工スポットの往復移動を説明する模式図である。 従来の大径の加工スポットの移動を説明する模式図である。 略矩形の加工スポットの移動を説明する模式図である。 （ａ）は、マスクの開口とレーザビームとの位置関係を示す図であり、（ｂ）及び（ｃ）は、金属膜の加工状態を示す側面図であり、（ｄ）は、その平面図である。

符号の説明

１ レーザ光源
１ｘ エネルギー強度分布の中心
１ｖ ビーム移動方向
２ エキスパンダ
３ マスク
３ａ 開口
３ｘ 開口の中心
５ 反射ミラー
６ 集光レンズ
７ ＸＹテーブル
８ 基板
９ 金属膜

Claims (4)

1. 基板上に成膜された少なくとも１層の金属膜を含む積層膜に、繰り返しパルスレーザビームを照射して、前記積層膜を２以上の領域に分離するレーザ加工方法であって、
   前記積層膜の表面に照射される前記レーザビームの加工スポットの形状を、マスクを用いて略矩形状に整形するステップであって、前記略矩形状は、前記レーザビームが前記積層膜を除去するエネルギーを有する範囲である加工可能最大径内に、前記略矩形状の四隅が収まる大きさである、ステップと、
   前記レーザビームの加工スポットを、一定の方向に重ね合わせながら、前記積層膜に対して相対的に移動させるステップと、
   前記レーザビームのエネルギー強度分布の中心を、前記略矩形状の加工スポットの中心に対して前記移動方向に偏心させるステップと
   を含むレーザ加工方法。
2. 前記マスクが、前記レーザビームの加工スポットを前記略矩形状に整形するための開口を有するとともに、この開口を構成する４つの辺を定める４つの遮光部材を有しており、これら４つの遮光部材の位置は個別に調整可能なものであって、前記レーザビームの相対的な移動に応じて前記偏心を制御するために、この４つの遮光部材の位置を調整するステップを含む請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記レーザビームとして、波長が４００〜６５０ｎｍのレーザビームを使用する請求項１又は２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記レーザビームのレーザ発生源として、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯレーザ、又はＹＬＦレーザを使用する請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工方法。

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