JP5145598B2 - レーザ加工方法及それに使用する装置 - Google Patents

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本発明は、被加工物を所定方向に一定速度で搬送しながら被加工物上にレーザビームを間欠的に照射して複数の穴を形成するレーザ加工方法に関し、詳しくは、複数の穴のレーザ加工処理時間を短縮しようとするレーザ加工方法及びそれに使用する装置に係るものである。
従来のこの種のレーザ加工方法は、回折光学素子又は回折光学素子と集光レンズの組み合わせを用いて単一のレーザビームを複数のレーザビームに分割、集光し、レーザビームと加工対象物を相対的に移動させて、複数のレーザビームにより複数のライン状の加工を 同時に行なう際に、光軸を中心に回折光学素子を回転させ、その回転角度の調整によって加工ラインのピッチ間隔を調整するようになっていた(例えば、特許文献1参照)。
特開2004−268144号公報
しかし、このような従来のレーザ加工方法において、被加工物の表面の全面に亘って、複数の穴をマトリクス状に形成する場合には、被加工物の相対的な移動及び停止を繰り返してXY平面内を移動させ、停止状態にてレーザビームを照射して加工しなければならず、レーザ加工処理時間が長くなるという問題がある。特に、1回のレーザ加工で形成される複数の穴の間の部分に更に別の穴をレーザ加工して配列ピッチの狭い複数の穴を形成しようとするときには、被加工物の相対的な移動及び停止の繰り返し回数が増し、レーザ加工処理時間がより長くなるという問題がある。
そこで、本発明は、このような問題点に対処し、複数の穴のレーザ加工処理時間を短縮しようとするレーザ加工方法及びレーザ加工装を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によるレーザ加工方法は、被加工物を所定方向に一定速度で搬送しながら、複数の単位レンズが所定ピッチでマトリクス状に並べられたフライアイレンズでレーザ光源から間欠的に放射されるレーザ光の強度分布を均一化し、前記被加工物の搬送方向に略直交する方向に複数の集光レンズを所定ピッチで並べて形成した複数のレンズ列を有するマイクロレンズアレイの前記各集光レンズで前記均一化されたレーザ光を前記被加工物上に集光して、前記フライアイレンズの各単位レンズの配置と相似形に配置された複数のビームスポットを生成し、前記複数のビームスポットにより前記被加工物をレーザ加工して複数の穴を形成し、前記マイクロレンズアレイの前記被加工物の搬送方向先頭側に位置するレンズ列により形成される前記複数の穴の間を、前記被加工物の搬送方向に略直交する方向に夫々所定寸法だけずらして形成した後続のレンズ列により形成される複数の穴で補完する、ものである。
また、前記マイクロレンズアレイの隣接するレンズ列間の前記ずれ寸法は、前記被加工物上に生成される前記複数のビームスポットの前記被加工物の搬送方向に略直交する方向の配列ピッチの整数分の1に正比例する寸法である。これにより、被加工物上に生成される複数のビームスポットの被加工物の搬送方向に略直交する方向の配列ピッチの整数分の1に正比例する寸法だけマイクロレンズアレイの隣接するレンズ列を相互にずらして、被加工物の搬送方向先頭側に位置するレンズ列により形成される複数の穴の間を、後続のレンズ列により形成される複数の穴で補完する。
そして、前記レーザ光源は、前記被加工物が前記マイクロレンズアレイのレンズ列の配列ピッチの半ピッチ分だけ搬送される毎にレーザ光を放射するものである。これにより、被加工物がマイクロレンズアレイのレンズ列の配列ピッチの半ピッチ分だけ搬送される毎にレーザ光源からレーザ光を放射する。
また、本発明によるレーザ加工装置は、レーザ加工中、常時、被加工物を所定方向に一定速度で搬送する搬送手段と、前記被加工物に照射するレーザ光を間欠的に放射するレーザ光源と、複数の単位レンズが所定ピッチでマトリクス状に並べられ、前記レーザ光源から間欠的に放射されるレーザ光の強度分布を均一化するフライアイレンズと、前記搬送される被加工物に対向して設けられ、前記被加工物の搬送方向に略直交する方向に複数の集光レンズを所定ピッチで並べて形成した複数のレンズ列を有し、前記各集光レンズで前記均一化されたレーザ光を前記被加工物上に集光して、前記フライアイレンズの各単位レンズの配置と相似形に配置された複数のビームスポットを生成するマイクロレンズアレイと、を備えて成り、前記マイクロレンズアレイの前記被加工物の搬送方向先頭側に位置するレンズ列により形成される複数の穴の間を後続のレンズ列により形成される複数の穴により補完してレーザ加工可能に、前記後続のレンズ列を前記被加工物の搬送方向に略直交する方向に夫々所定寸法だけずらして形成したものである。
このような構成により、搬送手段でレーザ加工中、常時、被加工物を所定方向に一定速度で搬送し、レーザ光源から被加工物に照射するレーザ光を間欠的に放射し、複数の単位レンズが所定ピッチでマトリクス状に並べられたフライアイレンズでレーザ光源から間欠的に放射されるレーザ光の強度分布を均一化し、搬送される被加工物に対向して設けられ、被加工物の搬送方向に略直交する方向に複数の集光レンズを所定ピッチで並べて形成した複数のレンズ列を有するマイクロレンズアレイの各集光レンズで均一化されたレーザ光を被加工物上に集光して、フライアイレンズの各単位レンズの配置と相似形に配置された複数のビームスポットを生成し、マイクロレンズアレイの被加工物の搬送方向先頭側に位置するレンズ列により形成される複数の穴の間を、被加工物の搬送方向に略直交する方向に夫々所定寸法だけずらして形成した後続のレンズ列により形成される複数の穴により補完してレーザ加工する。
さらに、前記マイクロレンズアレイの隣接するレンズ列間の前記ずれ寸法は、前記被加工物上に生成される前記複数のビームスポットの前記被加工物の搬送方向に略直交する方向の配列ピッチの整数分の1に正比例する寸法である。これにより、被加工物上に生成される複数のビームスポットの被加工物の搬送方向に略直交する方向の配列ピッチの整数分の1に正比例する寸法だけマイクロレンズアレイの隣接するレンズ列を相互にずらして、被加工物の搬送方向先頭側に位置するレンズ列により形成される複数の穴の間を、後続のレンズ列により形成される複数の穴で補完する。
そして、前記レーザ光源は、前記被加工物が前記マイクロレンズアレイのレンズ列の配列ピッチの半ピッチ分だけ搬送される毎にレーザ光を放射するものである。これにより、被加工物がマイクロレンズアレイのレンズ列の配列ピッチの半ピッチ分だけ搬送される毎にレーザ光源からレーザ光を放射する。
請求項1及び4に係る発明によれば、被加工物を所定方向に一定速度で搬送しながら、マイクロレンズアレイの被加工物の搬送方向先頭側に位置するレンズ列により形成される複数の穴の間を、被加工物の搬送方向に略直交する方向に夫々所定寸法だけずらして形成した後続のレンズ列により形成される複数の穴により補完して加工することができる。したがって、被加工物の表面の全面に亘って、複数の穴をマトリクス状に形成する場合にも、レーザ加工処理時間を短縮することができる。
また、請求項2及び5に係る発明によれば、マイクロレンズアレイの被加工物の搬送方向先頭側に位置するレンズ列の任意の一つの集光レンズにより生成される複数のビームスポットにより加工される複数の穴の被加工物の搬送方向に略直交する方向の間の部分を、後続のレンズ列による複数のビームスポットで補完してレーザ加工することができる。したがって、形成される複数の穴の被加工物の搬送方向と直交する方向の配列ピッチをより狭くすることができる。したがって、複数の穴をより稠密に形成することができる。
そして、請求項3及び6に係る発明によれば、マイクロレンズアレイの各レンズ列によりレーザ加工される複数の穴の、被加工物の搬送方向の直ぐ後ろ側に続いて複数の穴を加工することができる。したがって、被加工物の搬送方向に所定ピッチで並べて複数の穴を加工することができる。
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図1は本発明によるレーザ加工装置の実施形態を示す概要図である。このレーザ加工装置は、被加工物を所定方向に一定速度で搬送しながら被加工物上にレーザビームを間欠的に照射して複数の穴を形成するレーザ加工方法に使用するもので、搬送手段1と、光源装置2と、フライアイレンズ3と、マイクロレンズアレイ4と、制御手段5とを備えて構成されている。なお、ここでは、被加工物が表面にシリコン窒化膜を形成した単結晶又は多結晶シリコン基板6である場合について説明する。
このシリコン基板6は、太陽電池用半導体基板となるもので、図2(a)に示すように、シリコン基板6の表面を覆って形成されたシリコン窒化膜7を貫通させて複数の穴8をマトリクス状に並べて形成し、同図(b)に示すように上記複数の穴8を形成したシリコン窒化膜7をマスクとしてシリコン基板6をウェットエッチングし、同図(c)に示すようにシリコン窒化膜7除去することにより、表面に複数の半球面状の凹部9が形成された太陽電池用半導体基板が製造される。
本発明は、図2(a)に示すようなシリコン窒化膜7を貫通する複数の穴8をレーザ加工する工程において使用されるものである。以下、本発明のレーザ加工装置の構成を詳細に説明する。
上記搬送手段1は、シリコン基板6を上面に載置して、レーザ加工中、常時、図1に示す矢印A方向に一定速度で搬送するものであり、例えばモータとギア等を組み合わせて構成した搬送機構と、図示省略の速度センサー及び位置センサーとを備えている。
上記搬送手段1の上方には、光源装置2が設けられている。この光源装置2は、シリコン基板6に照射するレーザ光を間欠的に放射するものであり、レーザ光源10と、ビーム径拡張手段11とを備えている。ここで、レーザ光源10は、波長が355nmのレーザ光を放射するもので、後述の制御手段5によって制御されて間欠的に発光するようになっている。また、ビーム径拡張手段11は、レーザ光源10から放射されたレーザ光のビーム径を所定の大きさまで拡張し、コリメートして射出するものである。
上記光源装置2のレーザ光の放射方向前方には、フライアイレンズ3が設けられている。このフライアイレンズ3は、レーザ光源10から間欠的に放射されるレーザ光の強度分布を均一化するもので、図3に示すように複数の単位レンズ12を所定ピッチでマトリクス状に並べて設けたものである。
上記搬送手段1とフライアイレンズ3との間には、搬送されるシリコン基板6に対向してマイクロレンズアレイ4が設けられている。このマイクロレンズアレイ4は、図4に示すように、シリコン基板6の搬送方向(矢印A方向)に略直交する方向に複数の集光レンズ13をWピッチで並べて形成した複数のレンズ列14を有し、各集光レンズ13でフライアイレンズ3により均一化されたレーザ光をシリコン基板6上に集光し、図5に示すように、任意の一つの集光レンズ13に対応してフライアイレンズ3の各レンズの配置と相似形に配置された複数のビームスポット15を生成するもので、図6に示すように矢印Aと略直交方向に同方向への集光レンズ13の配列ピッチW(図4参照)の半ピッチ(W/2)だけ相互にずれて位置する少なくとも二つのエリア16内(図6には四つのエリア16a,16b,16c,16dで示す)に図5に示す複数の集光レンズ13を設けたものある。そして、図4に示すように、マイクロレンズアレイ4のシリコン基板6の搬送方向(矢印A方向)先頭側に位置するレンズ列14aにより形成される複数の穴8の間を後続のレンズ列14b,14c,14d,14eにより形成される複数の穴8により補完してレーザ加工可能に、後続のレンズ列14b〜14eをシリコン基板6の搬送方向(矢印A方向)に略直交する方向に夫々所定寸法だけずらして形成している。
具体的には、マイクロレンズアレイ4の隣接するレンズ列14間の上記ずれ寸法は、シリコン基板6上に生成される複数のビームスポット15のシリコン基板6の搬送方向(矢印A方向)に略直交する方向の配列ピッチP(図5参照)の整数分の1に正比例する寸法である。即ち、図4に示すように、矢印A方向先頭側に位置するレンズ列14aを基準にして、その後続のレンズ列14b〜14eは、夫々矢印Aと略直交する方向にP/5,2P/5,3P/5,4P/5だけずれて設けられている。
上記搬送手段1及びレーザ光源10に結線して制御手段5が設けられている。この制御手段5は、シリコン基板6の搬送を制御すると共に、レーザ光源10の発光タイミングを制御するものであり、図7に示すようにメモリ17と、搬送手段駆動コントローラ18と、レーザ光源駆動コントローラ19と、制御部20とを備えている。
ここで、メモリ17は、図示省略の操作手段を操作して入力されるシリコン基板6の搬送速度、レーザ光源10のパワー及び発光時間並びに発光タイミング等の初期設定値を記憶するものである。また、搬送手段駆動コントローラ18は、搬送手段1に備える速度センサーの出力を入力し、これをメモリ17から読み出した搬送速度の設置値と比較して、搬送速度が設定値となるように搬送手段1を制御するものである。さらに、レーザ光源駆動コントローラ19は、メモリ17から読み出したパワー及び発光時間でレーザ光源10を発光させると共に、例えばシリコン基板6がマイクロレンズアレイ4のレンズ列14の配列ピッチD(図4参照)の半ピッチ(D/2)分だけ搬送される毎に発光させるように制御するものである。そして、制御部20は、上記各構成要素が適切に動作するように統合して制御するものである。
次に、このように構成されたレーザ加工装置の動作及びそれを使用して行うレーザ加工方法について説明する。
先ず、図示省略の操作手段を操作してシリコン基板6の搬送速度、レーザ光源10のパワー及び発光時間並びに発光タイミング(発光の時間間隔又はシリコン基板6の移動距離)等の初期設定値を入力し、メモリ17に記憶する。
次に、搬送手段1の上面の所定位置にシリコン基板6が載置され、図1に示す矢印A方向に搬送される。このとき、搬送手段1は、搬送手段駆動コントローラ18によって制御され、メモリ17に記憶された搬送速度の設定値と等しい速度でシリコン基板6を搬送する。そして、例えば、図示省略の光センサーにより、シリコン基板6の矢印A方向の先頭側縁部が検出されてから、所定距離だけシリコン基板6が矢印A方向に搬送されると、レーザ光源駆動コントローラ19が駆動し、メモリ17から読み出した設定値に基づいてレーザ光源10を所定のパワーで所定時間だけ発光させる。なお、上記シリコン基板6の移動距離は、搬送手段1に備えた図示省略の位置センサーにより計測される。
レーザ光源10から放射されたレーザ光は、ビーム径拡張手段11によりビーム径が拡張され、且つコリメートされてフライアイレンズ3に入射する。さらに、レーザ光は、フライアイレンズ3により光軸に直交する横断面内の強度分布が均一化されてマイクロレンズアレイ4に入射する。
マイクロレンズアレイ4は、各集光レンズ13で上記強度分布が均一化されたレーザ光をシリコン基板6上に集光する。このとき、シリコン基板6上には、図5に示すように、任意の一つの集光レンズ13に対応してフライアイレンズ3の各単位レンズ12の配置と相似形の配置を有する複数のビームスポット15が生成される。そして、この複数のビームスポット15によりシリコン基板6が加工され、シリコン基板6のシリコン窒化膜7を貫通して複数の穴8が形成される。
以後、搬送手段1の位置センサーによりシリコン基板6の移動距離が計測され、シリコン基板6がマイクロレンズアレイ4のレンズ列14の配列ピッチDの半ピッチ(D/2)だけ移動する毎にレーザ光源駆動コントローラ19により制御されてレーザ光源10が発光する。
ここで、シリコン基板6の搬送方向(矢印A方向)と略直交する方向に着目すると、マイクロレンズアレイ4の各レンズ列14a〜14eが、図4に示すように、矢印A方向先頭側に位置するレンズ列14aを基準にして、夫々矢印Aと略直交する方向にP/5,2P/5,3P/5,4P/5(Pは、シリコン基板6上の複数のビームスポット15の矢印Aに直交方向の配列ピッチ(図5参照))だけずれて設けられているため、シリコン基板6のシリコン窒化膜7には、図8(a)に示すように、矢印A方向先頭側のレンズ列14aにより形成される複数の穴8(同図に黒点で示す)を基準として、矢印Aに直交する方向にP/5だけずれた位置にレンズ列14bにより生成された複数のビームスポット15により複数の穴8が加工される。また、同図(b)に示すように、レンズ列14aを基準にして矢印Aに直交する方向に2P/5だけずれた位置には、レンズ列14cによる複数の穴8が加工される。さらに、同図(c)に示すように、レンズ列14aを基準にして矢印Aに直交する方向に3P/5だけずれた位置には、レンズ列14dにより生成された複数のビームスポット15により複数の穴8が加工される。そして、同図(d)に示すように、レンズ列14aを基準にして矢印Aに直交する方向に4P/5だけずれた位置には、レンズ列14eにより生成された複数のビームスポット15により複数の穴8が加工される。これにより、シリコン基板6のシリコン窒化膜7にレンズ列14aによる複数の穴8の矢印Aに直交方向の間の部分を後続のレンズ列14b〜14eにより補完して複数の穴8を形成することができる。
ここで、レンズ列14aの隣接する集光レンズ13間に対応したシリコン基板6上の領域(図8において破線で囲った領域21)は、図6に示すエリア16b内のマイクロレンズにより形成される複数の穴8で補完される。
次に、シリコン基板6の搬送方向(矢印A方向)に着目すると、図4に示すように、マイクロレンズアレイ4の各レンズ列14a〜14eが矢印A方向に配列ピッチDで設けられており、シリコン基板6が距離D/2だけ移動する毎にレーザ光源10がレーザ光源駆動コントローラ19に制御されて発光するようにされているので、図9に示すように、シリコン基板6のシリコン窒化膜7には、例えばシリコン基板6の搬送方向先頭側のレンズ列14aにより複数の穴8(同図に黒点で示す)が矢印A方向に連なって形成されることになる。また、他のレンズ列14b〜14eにより形成される複数の穴8についても同様であり、結局、同図に示すようにシリコン基板6全面に亘って複数の穴8が所定ピッチでマトリクス状に形成されることになる。
なお、本実施形態においては、図6に示すように、エリア16a,16bと同じ組み合わせの複数の集光レンズ13を後方のエリア16c,16dにも備えているため、エリア16a,16b内の複数の集光レンズ13で加工された複数の穴8を後方に位置するエリア16c,16d内の複数の集光レンズ13で更に加工することになる。即ち、本実施形態は、一つの穴8をレーザビームの2ショットで加工する場合を示している。レーザビームのエネルギーがシリコン窒化膜7を1ショットで貫通させるのに十分なものである場合には、マイクロレンズアレイ4は、二つのエリア16a,16b内の集光レンズ13だけで構成してもよく、レーザビームのエネルギーが不足している場合には、上記二つのエリア16a,16b内の集光レンズ13を1組として複数組をシリコン基板6の搬送方向(矢印A方向)に並べて設けて、一つの穴8をレーザビームの複数ショットで加工するようにするとよい。
上述のようにして、シリコン基板6のシリコン窒化膜7に複数の穴8がレーザ加工されると、図2(b)に示すように上記シリコン窒化膜7をマスクとしてシリコン基板6がウェットエッチングされる。その後、シリコン窒化膜7を除去すると、同図(c)に示すように、表面に複数の半球面状の凹部9が形成された太陽電池用半導体基板が完成することになる。
なお、上記実施形態においては、被加工物が表面にシリコン窒化膜7を備えたシリコン基板6である場合について説明したが、本発明はこれに限られず、被加工物は、多層配線基板であってもよい。この場合、上下層間を電気的に接続するためのスルーホールの形成に本発明を適用することができる。
本発明によるレーザ加工装置の実施形態を示す概要図である。 上記レーザ加工装置を使用して複数の穴を形成したシリコン窒化膜をマスクとして太陽電池用半導体基板を製造する一製造例を断面で示す工程図である。 上記レーザ加工装置に使用するフライアイレンズの一構成例を示す平面図である。 上記レーザ加工装置に使用するマイクロレンズアレイの複数の集光レンズの配置例を示す平面図である。 上記マイクロレンズアレイの一つの集光レンズでシリコン基板上に形成される複数のビームスポットの配置例を示す平面図である。 上記マイクロレンズアレイの全体の概略構成を示す平面図である。 上記レーザ加工装置の制御手段の概略構成を示すブロック図である。 上記レーザ加工装置による複数の穴の形成について示す図であり、特にシリコン基板の搬送方向に略直交する方向の複数の穴の形成について示す説明図である。 上記レーザ加工装置による複数の穴の形成について示す図であり、特にシリコン基板の搬送方向への複数の穴の形成について示す説明図である。
符号の説明
1…搬送手段
3…フライアイレンズ
4…マイクロレンズアレイ
6…シリコン基板(被加工物)
8…穴
10…レーザ光源
12…単位レンズ
13…集光レンズ
14,14a〜14e…レンズ列
15…ビームスポット

Claims (6)

  1. 被加工物を所定方向に一定速度で搬送しながら、
    複数の単位レンズが所定ピッチでマトリクス状に並べられたフライアイレンズでレーザ光源から間欠的に放射されるレーザ光の強度分布を均一化し、
    前記被加工物の搬送方向に略直交する方向に複数の集光レンズを所定ピッチで並べて形成した複数のレンズ列を有するマイクロレンズアレイの前記各集光レンズで前記均一化されたレーザ光を前記被加工物上に集光して、前記フライアイレンズの各単位レンズの配置と相似形に配置された複数のビームスポットを生成し、
    前記複数のビームスポットにより前記被加工物をレーザ加工して複数の穴を形成し、
    前記マイクロレンズアレイの前記被加工物の搬送方向先頭側に位置するレンズ列により形成される前記複数の穴の間を、前記被加工物の搬送方向に略直交する方向に夫々所定寸法だけずらして形成した後続のレンズ列により形成される複数の穴で補完する、
    ことを特徴とするレーザ加工方法。
  2. 前記マイクロレンズアレイの隣接するレンズ列間の前記ずれ寸法は、前記被加工物上に生成される前記複数のビームスポットの前記被加工物の搬送方向に略直交する方向の配列ピッチの整数分の1に正比例する寸法であることを特徴とする請求項1記載のレーザ加工方法。
  3. 前記レーザ光源は、前記被加工物が前記マイクロレンズアレイのレンズ列の配列ピッチの半ピッチ分だけ搬送される毎にレーザ光を放射することを特徴とする請求項1又は2記載のレーザ加工方法。
  4. レーザ加工中、常時、被加工物を所定方向に一定速度で搬送する搬送手段と、
    前記被加工物に照射するレーザ光を間欠的に放射するレーザ光源と、
    複数の単位レンズが所定ピッチでマトリクス状に並べられ、前記レーザ光源から間欠的に放射されるレーザ光の強度分布を均一化するフライアイレンズと、
    前記搬送される被加工物に対向して設けられ、前記被加工物の搬送方向に略直交する方向に複数の集光レンズを所定ピッチで並べて形成した複数のレンズ列を有し、前記各集光レンズで前記均一化されたレーザ光を前記被加工物上に集光して、前記フライアイレンズの各単位レンズの配置と相似形に配置された複数のビームスポットを生成するマイクロレンズアレイと、を備えて成り、
    前記マイクロレンズアレイの前記被加工物の搬送方向先頭側に位置するレンズ列により形成される複数の穴の間を後続のレンズ列により形成される複数の穴により補完してレーザ加工可能に、前記後続のレンズ列を前記被加工物の搬送方向に略直交する方向に夫々所定寸法だけずらして形成したことを特徴とするレーザ加工装置。
  5. 前記マイクロレンズアレイの隣接するレンズ列間の前記ずれ寸法は、前記被加工物上に生成される前記複数のビームスポットの前記被加工物の搬送方向に略直交する方向の配列ピッチの整数分の1に正比例する寸法であることを特徴とする請求項4記載のレーザ加工装置。
  6. 前記レーザ光源は、前記被加工物が前記マイクロレンズアレイのレンズ列の配列ピッチの半ピッチ分だけ搬送される毎にレーザ光を放射することを特徴とする請求項4又は5記載のレーザ加工装置。
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