JP4801634B2 - レーザ加工装置、及び、レーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、加工対象物にレーザビームを照射して加工を行うレーザ加工装置、及び、レーザ加工方法に関する。

基板のパターニングにおけるレーザビームの走査方法には、ＸＹステージを用いて基板を移動させ、レーザビームの基板への入射位置を変化させる方法と、たとえばガルバノスキャナを用いてレーザビームの出射方向を変えることで、レーザビームの基板上の入射位置を変化させる方法とがある。

前者の方法においては、ステージをＸ方向及びＹ方向に駆動させる必要があるため、装置のフットプリントが大きくなるという欠点がある。後者の方法においては、ＸＹステージを用いる場合よりも、レーザビームの照射位置精度が悪くなるという欠点がある。

図６を参照して、ガルバノスキャナを用いて行うレーザ加工の問題点について説明する。

たとえば基板上の近接する目標加工軌跡８１、８３で示す位置にレーザビームを照射してパターニングを行おうとする場合、ガルバノスキャナによるレーザビームの照射位置精度が原因で、実際の加工軌跡が加工痕８２、８４となってしまう場合がある。図６においては、目標加工軌跡８１に沿ってレーザビームを入射させる制御を行った場合に、実際にレーザビームが入射して得られる加工軌跡が加工痕８２であり、同様に目標加工軌跡８３に対応する加工軌跡が加工痕８４である。

図示するように２つの加工痕８２、８４は相互に交わっている。パターニング加工において加工痕が交わりをもつことは好ましくない。

加工対象物の表面にアライメントマークを形成し、これをＣＣＤカメラで観察することによって、レーザビームの照射位置精度を高める技術が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００６−３５２２７号公報

本発明の目的は、高品質の加工を行うことのできるレーザ加工装置を提供することである。

また、本発明の他の目的は、高品質の加工を行うことのできるレーザ加工方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持するステージと、前記レーザ光源を出射したレーザビームを、その入射位置が前記ステージに保持された加工対象物上で移動するように走査する第１の光偏向器を含む光学系と、第２の光偏向器と、前記第１及び第２の光偏向器を介して、前記ステージに保持された加工対象物の表面上の一部の領域を撮像する撮像素子と、前記ステージに保持された加工対象物の表面のうち前記レーザビームの入射している位置とは異なる領域であって、既に加工された領域が、前記撮像素子で撮像されるように前記第２の光偏向器を制御する制御装置とを有するレーザ加工装置が提供される。
更に、本発明の他の観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、加工痕を有する加工対象物を保持するステージと、前記レーザ光源を出射したレーザビームを、前記ステージに保持された加工対象物上に伝搬する伝搬光学系と、前記ステージに保持された加工対象物の加工痕の、基準位置からのずれ量を検出する検出手段と、前記検出手段による加工痕のずれ量の検出と併行的に、検出されたずれ量に基いて、前記伝搬光学系を介し、前記ステージに保持された加工対象物上へのレーザビームの入射位置を制御する制御装置とを有し、レーザビームは、ずれ量を検出する位置とは異なる位置に照射されるレーザ加工装置が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、レーザ加工すべき第１の目標線と第２の目標線とが画定された加工対象物を準備する工程と、前記加工対象物上の第１の目標線上をレーザビームが走査するようにレーザ照射光学系を制御してレーザ加工を行い第１の加工痕を形成する工程と、前記第１の目標線に対する前記第１の加工痕のずれを測定しながら、測定結果に基づいて第２の目標線を補正し、補正後の第２の目標線上をレーザビームが走査するように前記レーザ照射光学系を制御してレーザ加工を行い第２の加工痕を形成する工程とを有するレーザ加工方法が提供される。

本発明によれば、高品質の加工を行うことの可能なレーザ加工装置を提供することができる。

また、高品質の加工を行うことの可能なレーザ加工方法を提供することができる。

図１（Ａ）及び（Ｂ）に、実施例によるレーザ加工装置及び方法で加工される加工対象物であるパネル５０を示す。パネル５０は、太陽電池の製造工程で加工されるパネルである。

図１（Ａ）は、太陽電池製造の一工程におけるパネル５０を示す概略的な平面図である。パネル５０は、たとえば縦１０００ｍｍ、横１４００ｍｍの矩形状である。

図１（Ｂ）に、パネル５０の概略的な断面を示す。パネル５０は、たとえば厚さ０．５〜０．７ｍｍのガラス基板５１上に、厚さ０．１〜０．２μｍの透明電極膜、たとえばＩＴＯ(Indium Tin Oxide)膜５２、厚さ１μｍのアモルファスシリコン膜５３、及び厚さ０．１μｍのＡｇ（銀）膜５４がこの順に積層されて形成される。

太陽電池製造の各工程で、レーザビームをパネル５０に照射して、照射位置のＩＴＯ膜５２、アモルファスシリコン膜５３、及びＡｇ膜５４を除去し、パターニングを行う。本図においては、ＩＴＯ膜５２、アモルファスシリコン膜５３、及びＡｇ膜５４の除去される部分を、除去部５２ａ〜５４ａとして示した。太陽電池の製造においては、ＩＴＯ膜５２のパターニングが終了した後、ＩＴＯ膜５２上にアモルファスシリコン膜５３を形成し、アモルファスシリコン膜５３のパターニングが終了した後、その上にＡｇ膜５４を形成する。

以下の実施例に示すレーザ加工方法は、たとえばアモルファスシリコン膜５３とＡｇ膜５４との間に適用されるだけでなく、ＩＴＯ膜５２とアモルファスシリコン膜５３との間や、ＩＴＯ膜５２とＡｇ膜５４との間に適用することもできる。また、上下の膜間だけでなく、同一膜内、たとえばＩＴＯ膜５２内におけるパターニングに適用することも可能である。

図２は、実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。実施例によるレーザ加工装置は、レーザ光源２１、バリアブルアッテネータ２２、エキスパンダ２３、均一光学系２４、マスク２５、可動式イメージングレンズ２６、３２、ダイクロイックミラー２７、ガルバノスキャナ２８、３１、照明光源２９、ステージ３０、ＣＣＤカメラ３３、及び制御装置３４を含んで構成される。

レーザ光源２１が、制御装置３４から送られるトリガ信号を受けて、パルスレーザビーム３５を出射する。レーザ光源２１は、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器、及び非線形光学結晶を含む。パルスレーザビーム３５は、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波である。パルスレーザビーム３５のパルス幅は、たとえば３０ｎｓｅｃである。

パルスレーザビーム３５は、入射するレーザビームの光量を減衰率可変で減衰させるバリアブルアッテネータ２２、及び、入射するレーザビームのビーム径を拡大して出射するエキスパンダ２３を経て、たとえばホモジナイザを含んで構成される均一光学系２４に入射する。なお、バリアブルアッテネータ２２によるパルスレーザビーム３５の光量の減衰率は、制御装置３４から送信される制御信号によって制御される。

均一光学系２４は、ホモジナイザのホモジナイズ面において、パルスレーザビーム３５のビーム断面内の光強度分布を均一化する。ホモジナイズ面には、透光領域と遮光領域とを有し、パルスレーザビーム３５の断面形状を整形するマスク２５が配置されている。

マスク２５によって断面形状を整形されたパルスレーザビーム３５は、可動式イメージングレンズ２６に入射する。

ステージ３０上には、パネル５０が載置されている。パネル５０は、たとえば図１（Ａ）及び（Ｂ）を参照して説明したパネル５０である。ただしＡｇ膜５４のパターニングは行われていない。

可動式イメージングレンズ２６は、マスク２５面におけるパルスレーザビーム３５をパネル５１のＡｇ膜５４上に結像する。

可動式イメージングレンズ２６を出射したパルスレーザビーム３５は、ダイクロイックミラー２７を透過する。ダイクロイックミラー２７を透過したパルスレーザビーム３５は、ガルバノスキャナ２８を経てパネル５０に入射する。ガルバノスキャナ２８は、２枚の揺動鏡（ガルバノミラー）を含んで構成され、入射するレーザビームの出射方向を２次元方向に変化させて出射する。ガルバノスキャナ２８により、パルスレーザビーム３５は、パネル５０のＡｇ膜５４上を走査し、入射位置のＡｇ膜５４を除去してパターニングを行う。可動式イメージングレンズ２６は、パルスレーザビーム３５のパネル５０上の入射位置が変化しても、常にマスク２５面におけるパルスレーザビーム３５がパネル５０のＡｇ膜５４上に結像されるように、パルスレーザビーム３５の光軸方向（進行方向）と平行な方向に変位される。

ガルバノスキャナ２８によるパルスレーザビーム３５の走査、及び、可動式イメージングレンズ２６の変位は、制御装置３４によって制御される。

ステージ３０の上方に、照明光源２９が設置されている。照明光源２９から出射した照明光により、ステージ３０に載置されたパネル５０が照明される。

パネル５０の所定位置で反射された照明光は、本図に一点鎖線で示した経路を進行して、すなわち、ガルバノスキャナ２８、ダイクロイックミラー２７、ガルバノスキャナ３１、及び可動式イメージングレンズ３２を経て、ＣＣＤカメラ３３に入射する。

可動式イメージングレンズ３２は、パネル５０の所定位置をＣＣＤカメラ３３の受光面上に結像させる。ＣＣＤカメラ３３で撮像され得られたパネル５０の画像情報は、制御装置３４に送信される。

ガルバノスキャナ２８、３１を動作させることによって、パネル５０の全領域の画像情報を得ることが可能である。また、ガルバノスキャナ３１は、ガルバノスキャナ２８と直列に配置されているため、Ａｇ膜５４のパターニングと同時に、これと対応して、パネル５０の画像情報を得ることができる。なお、ガルバノスキャナ３１の動作は、制御装置３４によって制御される。

可動式イメージングレンズ３２は、パネル５０上の撮像位置が変化しても、撮像位置で反射された照明光が常にＣＣＤカメラ３３の受光面上に結像されるように、照明光の光軸方向（進行方向）と平行な方向に変位される。可動式イメージングレンズ３２の変位に関する制御も、制御装置３４によって行われる。

制御装置３４は、記憶装置３４ａを含む。記憶装置３４ａは、たとえばレーザ光源２１から出射されたパルスレーザビーム３５を入射させるべきパネル５０上の位置を表す目標入射位置情報を記憶している。以下詳述するように、制御装置３４は、ＣＣＤカメラ３３で撮像されたパネル５０の画像情報に基づいて、記憶装置３４ａに記憶されている目標入射位置情報を補正し、補正後の目標入射位置情報で表される位置にパルスレーザビーム３５が入射するように、ガルバノスキャナ２８を制御する。

図３を参照して、実施例によるレーザ加工装置を用いて行うレーザ加工方法について説明する。

目標加工軌跡８１は、たとえば直線であり、Ａｇ膜５４の下層であるアモルファスシリコン膜５３のパターニング加工を行うために、当該加工に先立ち、記憶装置３４ａに記憶された目標入射位置情報によって画定された、レーザビームの目標照射位置である。また加工痕８５は、目標加工軌跡８１上をレーザビームが走査するように照射光学系を制御したにもかかわらず、たとえばガルバノスキャナによるレーザビームの照射位置精度が原因で、目標加工軌跡８１とは異なる位置のアモルファスシリコン膜５３に、実際にレーザビームが入射し形成されたパターニング軌跡である。更に、目標加工軌跡８３は、Ａｇ膜５４のパターニング加工を行うために、当該加工に先立って画定された、レーザビームの目標照射位置であり、パネル５０の鉛直方向から見た場合、たとえば目標加工軌跡８１と平行な直線である。

以後の説明の便宜のために、目標加工軌跡８１、８３の直線の延在方向（図３においては図面下方向）をＸ軸方向、Ｘ軸方向と直交する方向（図３においては図面右方向）をＹ軸方向とする。

図３は、Ａｇ膜５４のパターニング加工途中の一状態を示している。図示した時点までにレーザビームによって除去されたＡｇ膜５４の除去部５４ａの軌跡（パターニング軌跡）が加工痕８６であり、図示した時点においては、加工位置８９にレーザビームが入射し、加工位置８９のＡｇ膜５４を除去している。Ａｇ膜５４のパターニング加工は全体としてＸ軸方向に向かって行われている。

この状態において、ＣＣＤカメラ３３は撮像領域８７を撮影している。撮像領域８７は、たとえば加工位置８９とＸ座標の等しい目標加工軌跡８１上の点から５０〜１００ｍｍ、たとえば５０ｍｍＸ軸方向に位置する点を中心に画定され、その点とＸ座標が等しい加工痕８５上の点（観察点８８）を含む領域である。

ＣＣＤカメラ３３で撮像された撮像領域８７の画像情報は、制御装置３４に送信され、観察点８８のＹ座標、及び、目標加工軌跡８１を基準とした場合の、観察点８８のＹ軸方向への変位ΔＹが検出される。

そして本図に示すＡｇ膜５４のパターニング加工において、観察点８８とＸ座標の等しい位置が加工されるとき、目標加工軌跡８３からＹ軸方向へΔＹだけ変位させた位置を、レーザビームの新たな目標照射位置と定める。

このように実施例によるレーザ加工方法においては、レーザ加工（パターニング加工）中に、下層の近接する加工痕８５（パターニング軌跡）のうち、現加工の進行方向に存在する位置に対応する位置をモニタし、加工前に画定されていたレーザビームの目標照射位置（目標加工軌跡８３）を補正しながら加工を行う。

たとえばガルバノスキャナ２８に含まれる２枚の揺動鏡（ガルバノミラー）のうちの１枚がレーザビームをＸ方向に走査し、他の１枚がレーザビームをＹ方向に走査しているとき、レーザビームをＹ方向に走査する揺動鏡（ガルバノミラー）に、加工前に与えられることになっていた指令値（制御装置３４から送信される制御信号）の補正を行う。

図４を参照して、実施例によるレーザ加工方法の説明を続ける。

前述のように、実施例によるレーザ加工方法は、加工中に、加工の進行方向に存在する加工痕８５の、基準位置（目標加工軌跡８１）からのずれ量を検出し、それに基づき新たなレーザビームの目標照射位置を定め、その位置に向けてレーザビームを出射して加工を行う。

図４には、目標加工軌跡８３を補正して得られた、新たなレーザビームの目標照射位置である目標加工軌跡９０を一点鎖線で示した。目標加工軌跡８１と８３とが相互に平行であるため、加工痕８５と目標加工軌跡９０とは相互に平行である。

Ａｇ膜５４のパターニング加工においては、レーザビームが目標加工軌跡９０上の点に結像されて入射するように、制御装置３４により、ガルバノスキャナ２８や可動式イメージングレンズ２６の動作が制御される。

加工痕８６は、目標加工軌跡９０上の点に向けてレーザビームを出射し、実際にＡｇ膜５４に入射したレーザビームによってパターニングされたパターニング軌跡である。

下層（アモルファスシリコン膜５３）の加工痕８５に基づいて、新たにレーザビームの目標照射位置を定めているため、ガルバノスキャナのレーザビーム照射位置に誤差が生じても、下層（アモルファスシリコン膜５３）の加工痕８５と交差しない加工痕８６をＡｇ膜５４に形成（パターニング）することができる。

図５を参照する。次に加工するときは、たとえば加工痕８６と目標加工軌跡８３とのずれを測定し、目標加工軌跡８３と平行に画定された目標加工軌跡９１を補正して加工痕８６と平行な目標加工軌跡９２を得、目標加工軌跡９２上をレーザビームが走査するようにレーザ照射光学系を制御して新たな加工痕を形成する。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。

たとえば、実施例によるレーザ加工装置においては結像光学系を用いたが、結像光学系ではなく集光光学系を採用してもよい。

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

レーザ加工一般、たとえばレーザビームを照射して行うパターニング加工に好適に利用することができる。

（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例によるレーザ加工装置及び方法で加工される加工対象物であるパネル５０を示す。 実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。 実施例によるレーザ加工方法を説明するための図である。 実施例によるレーザ加工方法を説明するための図である。 実施例によるレーザ加工方法を説明するための図である。 ガルバノスキャナを用いて行うレーザ加工の問題点について説明するための図である。

符号の説明

２１ レーザ光源
２２ バリアブルアッテネータ
２３ エキスパンダ
２４ 均一光学系
２５ マスク
２６ 可動式イメージングレンズ
２７ ダイクロイックミラー
２８ ガルバノスキャナ
２９ 照明光源
３０ ステージ
３１ ガルバノスキャナ
３２ 可動式イメージングレンズ
３３ ＣＣＤカメラ
３４ 制御装置
３４ａ 記憶装置
３５ パルスレーザビーム
５０ パネル
５１ ガラス基板
５２ ＩＴＯ膜
５３ アモルファスシリコン膜
５４ Ａｇ膜
５２ａ〜５４ａ 除去部
８１、８３ 目標加工軌跡
８２、８４ 加工痕
８５、８６ 加工痕
８７ 撮像領域
８８ 観察点
８９ 加工位置
９０、９１、９２ 目標加工軌跡

Claims (8)

1. レーザビームを出射するレーザ光源と、
   加工対象物を保持するステージと、
   前記レーザ光源を出射したレーザビームを、その入射位置が前記ステージに保持された加工対象物上で移動するように走査する第１の光偏向器を含む光学系と、
   第２の光偏向器と、
   前記第１及び第２の光偏向器を介して、前記ステージに保持された加工対象物の表面上の一部の領域を撮像する撮像素子と、
   前記ステージに保持された加工対象物の表面のうち前記レーザビームの入射している位置とは異なる領域であって、既に加工された領域が、前記撮像素子で撮像されるように前記第２の光偏向器を制御する制御装置と
   を有するレーザ加工装置。
2. 前記制御装置は、前記レーザ光源から出射されたレーザビームを入射させるべき位置を表す目標入射位置情報を記憶する記憶装置を有し、前記撮像素子で撮像された前記加工対象物の表面の画像情報に基づいて、前記目標入射位置情報を補正し、補正後の目標入射位置情報で表される位置にレーザビームが入射するように、前記第１の偏向器を制御する請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記制御装置は、前記撮像素子で撮像された前記加工対象物の表面の加工痕の位置に基づいて、前記目標入射位置情報を補正する請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. レーザビームを出射するレーザ光源と、
   加工痕を有する加工対象物を保持するステージと、
   前記レーザ光源を出射したレーザビームを、前記ステージに保持された加工対象物上に伝搬する伝搬光学系と、
   前記ステージに保持された加工対象物の加工痕の、基準位置からのずれ量を検出する検出手段と、
   前記検出手段による加工痕のずれ量の検出と併行的に、検出されたずれ量に基いて、前記伝搬光学系を介し、前記ステージに保持された加工対象物上へのレーザビームの入射位置を制御する制御装置と
   を有し、
   レーザビームは、ずれ量を検出する位置とは異なる位置に照射されるレーザ加工装置。
5. レーザ加工すべき第１の目標線と第２の目標線とが画定された加工対象物を準備する工程と、
   前記加工対象物上の第１の目標線上をレーザビームが走査するようにレーザ照射光学系を制御してレーザ加工を行い第１の加工痕を形成する工程と、
   前記第１の目標線に対する前記第１の加工痕のずれを測定しながら、測定結果に基づいて第２の目標線を補正し、補正後の第２の目標線上をレーザビームが走査するように前記レーザ照射光学系を制御してレーザ加工を行い第２の加工痕を形成する工程と
   を有するレーザ加工方法。
6. 前記加工対象物の表面にＸＹ直交座標系を定義したとき、
   前記第１の目標線及び第２の目標線が、Ｘ方向と平行であり、
   前記第２の加工痕を形成する工程が、
   現時点でレーザビームが入射している第１のＸ座標よりも走査方向前方の第２のＸ座標の位置における前記第１の加工痕を観測し、該第１の加工痕のＹ座標を算出する工程と、
   前記第２のＸ座標の位置における前記第１の目標線から前記第２の加工痕までのＹ軸方向のずれ量を計測する工程と、
   計測されたずれ量に基づいて、前記第２のＸ座標の位置における第２の目標線のＹ座標を補正する工程と、
   前記第２のＸ座標の位置にレーザビームが入射するとき、前記第２のＸ座標の位置における前記第２の目標線の補正後のＹ座標の位置にレーザビームが入射するように前記レーザ照射光学系を制御する工程と
   を含む請求項５に記載のレーザ加工方法。
7. 前記加工対象物に、さらにレーザ加工すべき第３の目標線が画定されており、
   前記第２の加工痕を形成した後、さらに、
   前記第２の目標線に対する前記第２の加工痕のずれを測定し、測定結果に基づいて前記第３の目標線を補正し、補正後の第３の目標線上をレーザビームが走査するように前記レーザ照射光学系を制御してレーザ加工を行い第３の加工痕を形成する工程を有する請求項５または６に記載のレーザ加工方法。
8. 前記加工対象物に、さらにレーザ加工すべき第３の目標線が画定されており、
   前記第２の加工痕を形成した後、さらに、
   前記第１の目標線に対する前記第１の加工痕のずれを測定し、測定結果に基づいて前記第３の目標線を補正し、補正後の第３の目標線上をレーザビームが走査するように前記レーザ照射光学系を制御してレーザ加工を行い第３の加工痕を形成する工程を有する請求項５または６に記載のレーザ加工方法。