JP5217930B2 - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、多角形の基板の縁部に沿って線状の溝をレーザ加工するレーザ加工方法に関し、詳しくは、レーザ加工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置に係るものである。

従来、この種のレーザ加工方法は、例えば結晶シリコン太陽電池の製造において、基板の外側面を覆ってｎ型ドーピング層が形成されているため、基板の縁部に非常に近い前面又は裏面の周囲をレーザースクライビングして表面電極と裏面電極とを電気的に分離する工程で行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００８−１５３６７０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は、一般に、基板の縁部に沿ってレーザ光を走査して加工するものであるため、レーザ加工に長時間を要していた。

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、レーザ加工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置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、多角形の基板を回転させ、前記回転する基板に横断面細線状に整形されたレーザ光を所定タイミングで照射して前記多角形の基板の各辺に沿って線状の溝を加工するものである。

このような構成により、多角形の基板を回転させながら、横断面細線状に整形されたレーザ光を所定タイミングで照射し、多角形の基板の各辺に沿って線状の溝を加工する。

また、前記基板を回転させながら同一箇所にレーザ光を複数回照射し、所定深さの線状の溝を加工するものである。これにより、回転する基板に対してレーザ光を所定のタイミングで照射し、同一箇所にレーザ光を複数回照射して所定深さの線状の溝を加工する。

さらに、前記基板の回転中心は、前記基板に照射される前記横断面細線状のレーザ光に対して直交方向に相対的に移動可能である。これにより、多角形の基板の各辺が回転中心から異なる距離にある場合でも、基板の回転中心を横断面細線状のレーザ光に対して直交方向に相対的に移動して、各辺に接近した位置に溝をレーザ加工する。

そして、前記基板は、太陽電池用の結晶シリコン基板である。これにより、多角形の太陽電池用結晶シリコン基板の各辺に沿って溝をレーザ加工する。

また、本発明によるレーザ加工装置は、多角形の基板を載置して回転するステージと、前記回転する基板に横断面細線状に整形されたレーザ光を照射するレーザ装置と、前記レーザ装置によるレーザ光の照射タイミングを制御し、前記多角形の基板の各辺に沿って線状の溝を加工させる制御手段と、を備えたものである。

このような構成により、ステージに多角形の基板を載置して回転し、制御手段でレーザ装置を制御して回転する基板に横断面細線状に整形されたレーザ光を所定タイミングで照射させ、多角形の基板の各辺に沿って線状の溝を加工させる。

さらに、前記制御手段は、前記基板を回転させながら同一箇所にレーザ光を複数回照射させ、所定深さの線状の溝を加工させるものである。これにより、制御手段でレーザ装置によるレーザ光の照射タイミングを制御し、回転する基板の同一箇所にレーザ光を複数回照射して所定深さの線状の溝を加工する。

さらにまた、前記ステージは、前記基板に照射される前記横断面細線状のレーザ光に対して直交方向に相対的に移動可能にされたものである。これにより、ステージを基板に照射される横断面細線状のレーザ光に対して直交方向に相対的に移動してレーザ光の照射位置を変え、回転中心からの距離が異なる基板の各辺に接近した位置に溝をレーザ加工する。

そして、前記基板は、太陽電池用の結晶シリコン基板である。これにより、多角形の太陽電池用結晶シリコン基板の各辺に沿って溝をレーザ加工する。

請求項１又は５に係る発明によれば、多角形の基板を回転させながら、横断面細線状に整形されたレーザ光を所定タイミングで照射し、多角形の基板の各辺に沿って線状の溝を加工することができる。したがって、多角形の基板の縁部に沿った溝のレーザ加工時間を短縮することができる。これにより、レーザ加工工程のスループットを向上することができる。

また、請求項２又は６に係る発明によれば、回転する基板に対してレーザ光を所定のタイミングで照射し、同一箇所にレーザ光を複数回照射して所定深さの線状の溝を加工することができる。したがって、レーザ光の照射エネルギーが小さい場合でも、所定の深さに溝を加工することができる。

さらに、請求項３又は７に係る発明によれば、多角形の基板の各辺が回転中心から異なる距離にある場合でも、基板の回転中心を横断面細線状のレーザ光に対して直交方向に相対的に移動して、各辺に接近した位置に溝をレーザ加工することができる。

そして、請求項４又は８に係る発明によれば、細線状のレーザ光により多角形の太陽電池用結晶シリコン基板の各辺に沿って溝をレーザ加工することができる。したがって、太陽電池用基板の表面電極と裏面電極とのアイソレーションを短時間に行なうことができる。

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第１の実施形態の概略構成を示す概要図である。このレーザ加工装置は、多角形の基板の縁部に沿って線状の溝をレーザ加工するもので、ステージ１と、レーザ装置２と、制御手段３とからなる。なお、以下の説明においては、基板が例えば八角形の結晶シリコン太陽電池用基板４である場合について述べる。

上記ステージ１は、八角形の結晶シリコン太陽電池用基板（以下、「太陽電池用基板」という）４を載置して所定速度で回転するものであり、図２示すように、上面には太陽電池用基板４を吸着して保持するための複数の吸引孔５が形成され、太陽電池用基板４の縁部に当接してステージ１の回転中心と太陽電池用基板４の中心とを合致させるための位置決め凸部６が設けられている。また、ステージ１は、その回転軸がモータ７の軸に連結されて、モータ７の回転に伴って回転するようになっている。さらに、ステージ１の回転軸には、ロータリーエンコーダ８が連結されており、ステージ１の回転角度θ及び回転数Ｎが検出可能となっている。そして、モータ７及びロータリーエンコーダ８は、筐体９内に収容されている。なお、図２は、ステージ１がニュートラル位置にある状態を示しており、ステージ１のこのニュートラル位置とロータリーエンコーダ８の基準位置とが一致するようにロータリーエンコーダ８が設けられている。

上記ステージ１の上方には、レーザ装置２が設けられている。このレーザ装置２は、回転する太陽電池用基板４に横断面細線状に整形されたレーザ光Ｌ１を照射するものであり、レーザ光源１０と、ビームエキスパンダ１１と、均一化手段１２と、コンデンサーレンズ１３と、シリンドリカルレンズ１４とを備えて構成されている。

ここで、レーザ光源１０は、レーザ光Ｌ２を放射するもので、波長が５３２ｎｍのレーザ光Ｌ２を間欠的に放射するパルスレーザである。また、ビームエキスパンダ１１は、レーザ光源１０から放射されたレーザ光Ｌ２の径を拡大すると共に平行光にして射出するものである。さらに、均一化手段１２は、径の拡大されたレーザ光Ｌ２を横断面内の光強度分布を均一化して射出するもので、例えばフライアイレンズ、ロッドレンズ、又はライトパイプ等のフォトインテグレータである。さらにまた、コンデンサーレンズ１３は、均一化されたレーザ光Ｌ２を光軸に平行な平行光として射出するものであり、その前焦点を均一化手段１２としての例えばフライアイレンズの後焦点位置に略合致させて配置されている。そして、シリンドリカルレンズ１４は、上記平行光を受けて横断面が例えば２０μｍ×６０ｍｍの細線状のレーザ光Ｌ１に整形して射出するものであり、例えば１０ｍｍ（幅）×６０ｍｍ（長さ）の形状に形成され、図２に示すようにステージ１のニュートラル位置において、ステージ１に保持された太陽電池用基板４の一つの辺１５ａに平行に、且つ該辺１５ａから所定距離だけ内側に入った位置をレーザ光Ｌ１が照射するように配置されている。

なお、図１において、符号１６はロータリーエンコーダ８のスリット円板、符号１７はフォトディテクターを示している。また、符号１８はレーザ装置２の反射ミラーを示している。さらに、図２に示すステージ１の複数の吸引孔５は、夫々図示省略の排気通路に繋がっており、排気通路の末端には排気管が接続されて図示省略の吸引ポンプで吸引可能となっている。

ステージ１のモータ７及びロータリーエンコーダ８と、レーザ装置２のレーザ光源１０とに接続して制御手段３が設けられている。この制御手段３は、レーザ装置２によるレーザ光Ｌ１の照射タイミングを制御して太陽電池用基板４の各辺１５に沿って線状の溝２５（図５参照）をレーザ加工させるものであり、図３に示すように、パルスカウンター１９と、モータ駆動コントローラ２０と、レーザ光源駆動コントローラ２１と、演算部２２と、メモリ２３と、制御部２４とを備えている。

ここで、パルスカウンター１９は、ステージ１のロータリーエンコーダ８から入力する基準パルス及び角度検出パルスをカウントするもので、基準パルスを検出すると角度検出パルスのカウント数をゼロにリセットするようになっている。また、モータ駆動コントローラ２０は、モータ７の駆動を制御し、ステージ１を一定速度で回転させるものである。さらに、レーザ光源駆動コントローラ２１は、レーザ光源１０に点灯指令を送信し、レーザ光源１０を所定時間だけ点灯させるものである。また、演算部２２は、パルスカウンター１９から入力する角度検出パルスのカウント数に基づいてステージ１の回転角度θを算出し、後述のメモリ２３に予め保存された目標回転角度θｓと比較して、両者が一致したときにトリガー信号をレーザ光源駆動コントローラ２１に出力してレーザ光源１０の点灯指令を送信させ、パルスカウンター１９から入力する基準パルスのカウント数ｎに基づいてステージ１の回転数Ｎ＝（ｎ−１）を算出し、ステージ１の回転数Ｎとメモリ２３に保存されたステージ１の目標回転数Ｎｓとを比較して両者が一致すると、以後の回転角度θの演算を停止して上記トリガー信号の出力を止めると共に、モータ駆動コントローラ２０に停止信号を出力するものである。さらに、メモリ２３は、ステージ１の目標回転角度θｓ、目標回転数Ｎｓ、及びレーザ光源１０のパワー等の初期設定値を記憶するものである。そして、制御部２４は、上記各構成要素が適切に駆動するように全体を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第１の実施形態に係るレーザ加工装置の動作及びレーザ加工方法について、図４に示すフローチャートを参照して説明する。
先ず、ステップＳ１においては、図示省略の例えばキーボード等の操作手段を操作してステージ１の目標回転角度θｓ（0度、45度、90度、135度、180度、225度、270度、315度、360度）、目標回転数Ｎｓ（例えば、５回のレーザ光の照射で目標の深さの溝２５が加工されるときには、“５”を設定）、及びレーザ光源１０のパワー等の初期設定値を入力し、制御手段３のメモリ２３に記憶する。

次に、ステップＳ２においては、八角形の太陽電池用基板４をその任意の辺１５をステージ１の位置決め凸部６に当接させて、ステージ１上に載置する。その後、図示省略の吸引ポンプを起動して、太陽電池用基板４を吸引孔５により吸引してステージ１上に吸着保持する。この状態で、レーザ加工開始スイッチを投入すると、ステージ１が図５に示す矢印Ａ方向に所定速度で回転を開始する。

ステップＳ３においては、制御手段３のパルスカウンター１９は、ロータリーエンコーダ８から入力する基準パルス及び角度検出パルスをカウントしてそのカウント数を演算部２２に出力する。演算部２２は、入力した基準パルス数ｎからステージ１の回転数Ｎを算出し、これをメモリ２３に記憶された目標回転数Ｎｓと比較すると共に、角度検出パルス数からステージ１の回転角度θを算出し、これをメモリ２３に記憶された目標回転角度θｓと比較する。ここでは、先ず、ステージ１の回転角度θと目標回転角度θｓとを比較し、ステージ１が所定角度（0度）だけ回転したか否かを判定する。この場合、パルスカウンター１９は、基準パルスを入力すると角度検出パルス数をゼロにリセットするため、演算部２２で算出される回転角度θは0度となり、ステージ１の回転角度θは目標回転角度θｓの0度と一致する。これにより、ステップＳ３は“ＹＥＳ”判定となってステップＳ４に進む。同時に、演算部２２は、レーザ光源駆動コントローラ２１にレーザ光Ｌ１を照射させるためのトリガー信号を出力する。なお、パルスカウンター１９は、ステージ１が回転を開始すると直ぐに基準パルス及び角度検出パルスのカウントを開始してもよく、ステージ１の回転速度が一定速度となってからカウントを開始してもよい。

ステップＳ４においては、レーザ光源駆動コントローラ２１は、演算部２２からトリガー信号を入力すると、レーザ光源１０に対して点灯指令を送信し、レーザ光源１０を所定のパワーで所定時間だけ点灯させる。これにより、レーザ光源１０から放射された後、均一化手段１２で光強度分布が均一化され、シリンドリカルレンズ１４で細線状に整形されたレーザ光Ｌ１が、図５（ａ）に示すように太陽電池用基板４の辺１５ａに略平行に、且つ該辺１５ａから所定距離だけ内側に入った位置を照射する。このようにして、太陽電池用基板４の一つの辺１５ａに沿って細線状の溝２５がレーザ加工される。

ステップＳ５においては、ステージ１が１周したか否かが、基準パルスの検出により判定される。ここで、ステージ１が１周目の回転途中である場合には、ステップＳ５は、“ＮＯ”判定となってステップＳ３に戻る。そして、演算部２２でパルスカウンター１９から入力する角度検出パルス数に基づいて回転角度θを算出し、メモリ２３に記憶された目標回転角度θｓ（45度）と比較する（ステップＳ３）。その結果、両者が一致すると上述と同様にしてレーザ光源１０からレーザ光Ｌ２を所定時間だけ放射させ、図５（ｂ）に示すように太陽電池用基板４の次の辺１５ｂに略平行に、且つ該辺１５ｂから所定距離だけ内側に入った位置に細線状のレーザ光Ｌ１を照射させ、該辺１５ｂに沿って細線状の溝２５を加工する（ステップＳ４）。

以後、ステップＳ５において、パルスカウンター１９で次の基準パルスが検出されてステージ１が１周したと判定（“ＹＥＳ”判定）されるまで、ステップＳ３〜Ｓ５が繰り返し実行され、ステージ１の回転角度θが90度、135度、180度、225度、270度、315度、360度となる毎に、細線状に整形されたレーザ光Ｌ１が太陽電池用基板４に照射される。その結果、図５（ｃ）に示すように、太陽電池用基板４の各辺１５に略平行に細線状の溝２５がレーザ加工される。そして、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６においては、パルスカウンター１９でカウントされた基準パルスのカウント数ｎに基づいて演算部２２でステージ１の回転数Ｎ＝（ｎ−１）を演算し、これをメモリ２３に記憶された目標回転数Ｎｓ＝５と比較する。この場合、ステージ１は、まだ１周しただけであるので、ステップＳ６は、“ＮＯ”判定となってステップＳ３に戻り、ステージ１は２周目の回転に入る。そして、ステージ１の２周目の回転中にステップＳ３〜Ｓ５を実行し、１周目に形成された溝２５に対して２回目のレーザ照射をしてレーザ加工し、溝２５を掘り下げる。以降、ステップＳ６において、“ＹＥＳ”判定となるまでステップＳ３〜Ｓ６が実行され、各溝２５が５回のレーザ照射により掘り下げられて目標の深さの溝２５が形成される。そして、ステップＳ６において、“ＹＥＳ”となるとステップＳ７に進む。

ステップＳ７においては、演算部２２は、ステージ１の回転数Ｎ及び回転角度θの演算を停止すると共に、モータ駆動コントローラ２０に停止信号を出力する。したがって、ステップＳ６において、“ＹＥＳ”判定となった以降は、演算部２２からは、レーザ光源１０を点灯させるためのトリガー信号が出力されることがなく、その結果、レーザ光源１０からのレーザ光Ｌ２の照射は停止される。

ステップＳ８においては、モータ駆動コントローラ２０は、演算部２２から入力した停止信号に基づいてモータ７の駆動を停止し、ステージ１の回転を止める。この場合、モータ７を急停止させてもよく、減速して停止させてもよい。

図６は本発明によるレーザ加工装置の第２の実施形態を示す要部拡大平面図である。ここでは、第１の実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
この第２の実施形態に係るレーザ加工装置は、ステージ１が太陽電池用基板４に照射される横断面細線状のレーザ光Ｌ１に対して略直交方向（同図の矢印Ｂ，Ｃ方向）に相対的に移動可能にされたものである。

このように構成したことにより、例えば四角形に形成され四つの隅角部が面取りされた太陽電池用基板４に対して好適に適用することができる。即ち、先ず、ステージ１上に太陽電池用基板４を載置して図７に示す矢印Ａ方向に回転しながら、ステージ１が90度回転する毎に太陽電池用基板４に横断面細線状のレーザ光Ｌ１を照射し、同図（ａ）に示すように太陽電池用基板４の四つの辺１５に沿って細線状の溝２５をレーザ加工する。次に、同図（ｂ）に示すように、ステージ１を矢印Ｂ方向に所定距離だけ移動する。これにより、太陽電池用基板４に照射するレーザ光Ｌ１の位置は、同図（ｂ）に破線で示す位置から実線で示す位置まで相対的に移動することになる。続いて、ステージ１を回転しながらステージ１が90度回転する毎に太陽電池用基板４に横断面細線状のレーザ光Ｌ１を照射し、同図（ｃ）に示すように太陽電池用基板４の四つの面取り辺１５ｃに沿って細線状の溝２５をレーザ加工する。これにより、太陽電池用基板４の各辺１５に沿って細線状の溝２５をレーザ加工することができる。

なお、上記第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、複数回のレーザ照射により一つの溝２５を加工してもよい。

また、上記第２の実施形態においては、ステージを横断面細線状のレーザ光Ｌ１に対して略直交方向に移動する場合について説明したが、本発明はこれに限られず、レーザ装置２又はシリンドリカルレンズ１４を移動してレーザ光Ｌ１の照射位置をシフトさせてもよい。

そして、上記第１及び第２の実施形態においては、基板が太陽電池用基板４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、基板は、多角形に形成されたものであれば如何なるものであってもよい。

本発明によるレーザ加工装置の第１の実施形態の概略構成を示す概要図である。 上記第１の実施形態におけるステージのニュートラル位置を示す拡大平面図である。 上記第１の実施形態の制御手段を示すブロック図である。 上記第１の実施形態によるレーザ加工方法を説明するフローチャートである。 上記第１の実施形態によるレーザ加工方法を示す説明図である。 本発明によるレーザ加工装置の第２の実施形態を示す要部拡大平面図である。 上記第２の実施形態によるレーザ加工方法を示す説明図である。

符号の説明

１…ステージ
２…レーザ装置
３…制御手段
４…太陽電池用基板
１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…太陽電池用基板の辺
２５…溝
Ｌ１…太陽電池用基板に照射するレーザ光

Claims (8)

1. 多角形の基板を回転させ、
   前記回転する基板に横断面細線状に整形されたレーザ光を所定タイミングで照射して前記多角形の基板の各辺に沿って線状の溝を加工する、
   ことを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記基板を回転させながら同一箇所にレーザ光を複数回照射し、所定深さの線状の溝を加工することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
3. 前記基板の回転中心は、前記基板に照射される前記横断面細線状のレーザ光に対して直交方向に相対的に移動可能であ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. 前記基板は、太陽電池用の結晶シリコン基板であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
5. 多角形の基板を載置して回転するステージと、
   前記回転する基板に横断面細線状に整形されたレーザ光を照射するレーザ装置と、
   前記レーザ装置によるレーザ光の照射タイミングを制御し、前記多角形の基板の各辺に沿って線状の溝を加工させる制御手段と、
   を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
6. 前記制御手段は、前記基板を回転させながら同一箇所にレーザ光を複数回照射させ、所定深さの線状の溝を加工させることを特徴とする請求項５記載のレーザ加工装置。
7. 前記ステージは、前記基板に照射される前記横断面細線状のレーザ光に対して直交方向に相対的に移動可能にされたことを特徴とする請求項５又は６記載のレーザ加工装置。
8. 前記基板は、太陽電池用の結晶シリコン基板であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

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