JP5329505B2 - レーザ加工機 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池パネル等の製造過程における、薄膜のレーザスクライブ、パターニングを実施するレーザ加工機に関する。
レーザ加工機に関する。

薄膜太陽電池の製造に用いられるレーザ加工機が公知である（例えば、下記特許文献を参照）。この種のレーザ加工機は、基板の被加工面に製膜した単層または積層の薄膜にレーザ光を照射して除去加工することを主務とする。一般的には、基板の被加工面に向けてレーザ光を照射可能な複数本の加工ノズルと、これら加工ノズルを基板に対して相対的に移動させるための移動機構とを具備している。

基板に透明性導電膜や半導体膜、金属電極膜を蒸着すると、基板の温度が上昇し、基板の寸法が伸張する。また、製膜後高温化した基板を加工機に搬入することで、加工機本体やリニアスケール等の寸法も微妙に変化し得る。それ故、薄膜のレーザ加工時に、移動機構に付帯したリニアスケールを介して加工ノズルの位置を精密にフィードバック制御したとしても、所望の加工位置にレーザ光が正しく照射されることは必ずしも保証されず、加工位置の誤差に誤差を生ずるおそれがある。このようにして起こる加工精度の低下は製品性能の低下に直結し、決して好ましくない。

レーザ加工位置の誤差を低減するために、基板及び加工機の温度管理を行い、一定の温度条件下における基板または加工機の伸縮分を較正することが考えられる。だが、その温度管理は非常にシビアなものとなる。

特許第４２３１５３８号公報 特開２０１０−０４２４３７号公報

本発明は、薄膜太陽電池等の製造に用いられるレーザ加工機において、加工位置の精度の向上を図ることを所期の目的としている。

本発明では、加工対象となる基板を支持する本体と、前記本体に対して相対的に移動し、本体に支持させた基板の被加工面に向けてレーザ光を照射する複数個の加工ノズルと、前記複数個の加工ノズルのそれぞれの位置を検出するための、複数個の加工ノズルに共通のリニアスケールと、前記複数個の加工ノズルのうちの少なくとも二個の加工ノズルに付設した、基板上の少なくとも二つの特定点をそれぞれ検出するカメラと、前記カメラの各々により同時に検出した二つの特定点の位置を前記共通のリニアスケールを参照して知得し、それらの位置に基づき、各加工ノズルから基板の被加工面に向けてレーザ光を照射する際の各加工ノズルの目標照射位置を補正する制御部とを具備するレーザ加工機を構成した。特定点とは、例えば、基板に予め付されたアライメントマーク、基板に既に施された加工痕、または基板の縁辺等である。

前記加工ノズルが所定方向に散開し、その各々が同方向に沿って移動可能である場合には、前記カメラを、前記加工ノズルのうち前記所定方向の両外側方に所在する二個の加工ノズルにそれぞれ付設しておき、前記基板上における同方向の両外側部の特定点を検出した上、前記制御部が、レーザ光を照射する際の各加工ノズルの前記本体に対する前記所定方向に沿った相対位置を補正するものとすることが好ましい。

前記基板の前記所定方向の両外側端のうちの一辺を前記本体に対して不動となるように保定する保定機構を具備していれば、基板（または、レーザ加工機自体）の前記所定方向に沿った伸縮度合いに基づく各加工ノズルの位置の補正量を決定するための補間計算が簡便となる。

薄膜太陽電池の製造過程には、基板上に製膜された薄膜に多数本の溝を切削形成する工程が含まれている。前記複数個の加工ノズルの各々が前記所定方向に対して交差する方向に沿って移動可能であるならば、当該方向に伸びる多数本の溝の切削を高速に実行できる上、それら溝の形成位置を精確に制御することが可能である。

本発明に係るレーザ加工機は、薄膜太陽電池の製造に好適に用いることができる。即ち、本加工機は、前記基板に製膜された透明性導電膜、発電層または裏面電極膜にレーザ光を照射してこれを切削する。

本発明によれば、薄膜太陽電池等の製造に用いられるレーザ加工機において、加工位置の精度の向上を図ることができる。

本発明の一実施形態のレーザ加工機の概略構成を示す斜視図。 同レーザ加工機によるレーザ加工時の加工ノズルの目標位置の補正量を算出する手法を説明する平面図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態のレーザ加工機は、薄膜太陽電池の製造過程において使用されるものであり、加工対象物であるガラス基板０の被加工面に製膜される薄膜、即ち透明導電膜、光電変換膜（発電層となるアモルファスシリコン、単結晶シリコン、多結晶シリコン若しくは微結晶シリコンの膜）または裏面電極膜にレーザ光を照射して、当該薄膜を分断する分離溝等のパターニングを行うものである。

説明の簡明化のため、ここでは、加工ノズル２が薄膜に分離溝を形成するべく往復走行する方向をＹ軸（前後）方向と定義し、加工ノズル２がピッチ送りする方向をＸ軸（左右）方向と定義して記述する。図１に示すように、本実施形態のレーザ加工機は、基板０を支持する加工機本体１と、その本体１の上方に配置した複数の加工ノズル２とを具備している。

本体１は、レーザ加工機に搬入した基板０を動かないように保定する保定機構３を有する。保定機構３は、Ｘ軸方向の一方側に設けた当接体３１と、Ｘ軸方向の他方側に設けた予圧装置３３と、Ｙ軸方向の一方側に設けた当接体３２と、Ｙ軸方向の他方側に設けた予圧装置３４とを要素とする。

各当接体３１、３２は、本体１に対してＸ軸方向及びＹ軸方向に移動し得ないように固定してある。当接体３１は、基板０の左側端辺に当接するとともに、基板０の搬出入時に基板０の左側端辺に沿って転動することができるローラである。同様に、当接体３２は、基板０の前端辺に当接するとともに、基板０の搬出入時に基板０の前端辺に沿って転動することができるローラである。当接体３１、３２は、基板０を本体１に対して位置決めするための基準となる。即ち、基板０の左側端辺及び前端辺は、温度による基板０の伸縮の度合いにかかわらず常に、当接体３１、３２によって規定される一定の基準位置に位置づけられる。これら当接体３１、３２は、合計で三個存在している（図示例では、当接体３１が二個、当接体３２が一個）。

各予圧装置３３、３４は、先端を進退させることのできるエアシリンダ、液圧シリンダ等を用いてなる。予圧装置３３は、基板０の右側端辺に当接し、基板０を当接体３１に押し付ける役割を担う。また、予圧装置３４は、基板０の後端辺に当接し、基板０を当接体３２に押し付ける役割を担う。

加工ノズル２は、本体１（及び、本体１に支持させた基板０）に対してＸ軸方向及びＹ軸方向に移動可能であるように、移動機構４に支持させてある。移動機構４は、Ｙ軸方向に延伸するＹ軸レール４１と、Ｙ軸レール４１に案内されてＹ軸方向に走行するとともにＸ軸方向に拡張したＸ軸ユニット４２と、このＸ軸ユニット４２に設けたＸ軸方向に延伸するＸ軸レール４３と、Ｘ軸レール４３に案内されてＸ軸方向にピッチ送り移動する台車４４とを備えてなる。Ｘ軸ユニット４２及び台車４４はともに、リニアサーボ可動子を駆動源とするリニアモータ台車である。本実施形態では、Ｘ軸ユニット４２に複数基の台車４４を配し、各台車４４にそれぞれ加工ノズル２を搭載している。

移動機構４には、各加工ノズル２の本体１に対する相対位置を検出するための機構であるリニアスケールが付随している。Ｘ軸リニアスケールは、各加工ノズル２のＸ軸方向の位置を検出し、Ｙ軸リニアスケールは、加工ノズル２のＹ軸方向の位置を検出する。Ｘ軸リニアスケールは、例えば、各ノズル２を支持する台車４４にそれぞれ設けた磁気センサヘッドと、Ｘ軸ユニット４２に設けた磁気格子縞を目盛りとした、各ノズル２に対して共通の磁気式リボンスケールとを要素とする。そして、磁気センサヘッドでリボンスケールの目盛りを読み取ることにより、各台車４４ひいては各ノズル２のＸ軸方向位置を検知してその位置を指し示す信号を出力する。Ｙ軸リニアスケールもまた、Ｘ軸ユニット４２に設けた磁気センサヘッドと、Ｙ軸レール４１に沿って設けた磁気式リボンスケールとを要素とし、Ｘ軸ユニット４２ひいてはノズル２のＹ軸方向位置を検知してその位置を指し示す信号を出力する。

加工ノズル２は、複数種類のレーザ光、例えば波長１０６４ｎｍの赤外レーザビームや、波長５３２ｎｍの緑色レーザビーム等を薄膜に照射する。各加工ノズル２にはそれぞれ、レーザ発振器（図示せず）から供給される複数種類のレーザ光を導く複数本の光ファイバを接続している。レーザ発振器から供給されるレーザ光は、光ファイバを通じて加工ノズル２に導入され、加工ノズル２内の集光レンズ等の光学系を経て、ノズル２上部の出射端から鉛直下方に出射する。

薄膜太陽電池の製造に必要なレーザ加工を行うにあたっては、まず、透明導電膜、光電変換膜または裏面電極膜を製膜した基板０を搬入、加工機本体１上に保定する。例えば、搬送用クランパ（図示せず）で基板０の後端部をクランプしつつ、搬送ユニット（図示せず）を駆動して基板０を本体１上に送り込み、本体１に載置する。次いで、予圧装置３３、３４を駆動し、予圧装置３３、３４の先端に取り付けた保定用押付板を基板０の右側端辺及び後端辺に当接させ、基板０を左方及び前方に押圧する。これにより、基板０の左側端辺及び前端辺が当接体３１、３２に当接した状態となって、基板０が左右両側及び前後両側から挟圧される。

その後、加工ノズル２を所要の加工部位に移動させてレーザ光を発射し、被加工面にある薄膜に照射する。具体的には、Ｘ軸ユニット４２をＹ軸方向に走行させながらパルスレーザを連続的に照射して、Ｙ軸方向に伸びる分離溝を薄膜に形成する。さらに、加工ノズル２を搭載した台車４４をＸ軸方向にピッチ送り移動させ、分離溝の形成位置を遷移させる。そして、各加工ノズル２のピッチ送りと、パルスレーザ照射を伴う走行とを反復することで、Ｘ軸方向に並んだ多数本の分離溝を薄膜に形成する。

因みに、台車４４をＸ軸方向にピッチ送り移動させながらパルスレーザを連続的に照射して、Ｘ軸方向に伸びる溝を薄膜に形成することも可能である。

レーザ加工が完了したら、基板０を搬出する。即ち、予圧装置３３、３４の保定用押付板による基板０の保定を解除し、搬送用クランパで基板０の後端部をクランプしつつ搬送ユニットを駆動して、基板０を本体１上から送り出す。

移動機構４のＸ軸ユニット４２及び台車４４の制御を司る制御部（図示せず）は、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、またはプログラマブルコントローラ（シーケンサ）等を主体とするものである。制御部は、プロセッサ、メモリ、Ｉ／Ｏインタフェース等を有し、これらが連携動作するものである。メモリは、主記憶デバイスの他、フラッシュメモリやハードディスクドライブといった補助記憶デバイスを含む。制御処理において実行するべきプログラムは、メモリに記憶されており、プログラム実行の際にプロセッサによって解読される。

制御部は、各加工ノズル２から基板０の被加工面に向けてレーザ光を照射する際のその照射位置、換言すればレーザ光を出射するノズル２の加工機本体１に対する相対位置座標（Ｘ，Ｙ）を、各加工ノズル２毎にフィードバック制御する。

制御部は、Ｘ軸リニアスケール、Ｙ軸リニアスケールがそれぞれ出力する信号をＩ／Ｏインタフェースを介して受信し、加工ノズル２を運搬する各台車４４のＸ軸方向の位置座標と、全ての加工ノズル２を運搬するＸ軸ユニット４２のＹ軸方向の位置座標とをリアルタイムに知得している。

並びに、制御部は、基板０に製膜した薄膜に分離溝を切削するべき目標位置、つまりはレーザ光を照射する際の各加工ノズル２のＸ軸方向の位置の情報を、予めメモリの所要の記憶領域に記憶している。この情報は、各加工ノズル２を運搬する台車４４をピッチ送り移動させるときの、各台車４４個別の目標位置を示す。この情報は、制御プログラムが参照する、制御プログラムとは別のデータであることもあれば、プログラム（または、スクリプト）の形でプログラム内に直接記述されていることもある。

制御部は、各加工ノズル２を運搬する各台車４４毎に、そのＸ軸方向の現在位置をＸ軸リニアスケールを介して知得し、知得した現在位置とメモリに記憶している目標位置との偏差を縮小する方向に台車４４を制御する。但し、このフィードバック制御における目標位置は、温度による基板０、加工機本体１またはＸ軸リニアスケール（のリボンスケール）の寸法変化に応じて、補正する必要がある。

本実施形態のレーザ加工機では、少なくとも、Ｘ軸方向の両外側方に所在する二個の加工ノズル２、または、当該二個のノズル２を運搬する台車４４に、それぞれカメラ５を付設している。カメラ５は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等のカメラセンサを用いたものである。本実施形態では、カメラ５の一方を最も左側にあるノズル２に付設し、もう一方を最も右側にあるノズル２に付設している。必ずしも最外側のノズル２にカメラ５を付設しなければならないわけではなく、最外側のノズル２から数えて何個か内側にあるノズル２にカメラ５を付設しても構わない。

因みに、実際には、全てのノズル２にカメラを付設している。これは、レーザ加工により切削した分離溝を撮影し、品質管理を行うためである。

二個の加工ノズル２に付設した各カメラ５は、基板０上の、Ｘ軸方向の両外側部に存在している特定点Ｐを光学的に感知する。左方のカメラ５は左方の特定点Ｐを、右方のカメラ５は右方の特定点Ｐを、それぞれ感知する。本実施形態では、基板０のＸ軸方向の両外側部に予めアラインメントマークを付しておき、このアラインメントマークを特定点Ｐとして感知する。アラインメントマークではなく、基板０の左側端辺及び右側端辺を特定点Ｐとして感知するようにしてもよいし、あるいは、先に基板０（の薄膜）に施された分離溝その他の加工痕を特定点Ｐとして感知するようにしてもよい。

制御部は、両カメラ５が略同時に撮影した、各特定点Ｐを含む領域の画像をＩ／Ｏインタフェースを介して受信し、その画像中に写っている特定点Ｐを既知の画像処理手法を以て検出する。しかして、画像中の特定点Ｐの位置と、当該画像を撮影したカメラ５が付帯している台車４４の画像撮影時の位置座標とを参酌して、基板０上の二つの特定点Ｐの、加工機本体１に対する相対位置の座標を得ることができる。複数の加工ノズル２は共通のリニアスケールによって位置座標が知得される。そして、各カメラ５は別々の場所にある特定点Ｐを略同時に撮影することができる。従って、本実施携帯のレーザ加工機では、基板０上の複数の特定点Ｐの位置座標を略同時に、一挙に知得することが可能である。

制御部は、検出した二つの特定点Ｐの位置座標に基づき、基板０の薄膜に分離溝を切削する各加工ノズル２のＸ軸方向の目標位置を補正する。本実施形態のレーザ加工機は、基板０の薄膜に、Ｙ軸方向に伸びＸ軸方向に並ぶ分離溝を形成するものであるので、言うまでもなく、Ｘ軸方向のノズル２の位置制御が特に重要となる。

目標位置の補正量の算出方法は、種々考えられる。具体例を挙げて述べると、基板０（または、Ｘ軸リニアスケール）がＸ軸方向に沿って伸縮し、その伸縮を補正するべき場合、検出した左方の特定点ＰのＸ座標と、右方の特定点ＰのＸ座標とから、両特定点ＰのＸ軸方向に沿った離間距離を演算する。そして、この実測した離間距離と、本来想定している（基板０が不当に伸縮していないと仮定したときの）離間距離との誤差に基づいて、レーザ光を出射する各加工ノズル２の目標Ｘ位置座標に補正を加える。

既に述べた通り、本実施形態では、基板０の左側端縁を基準位置たる当接体３１に当接せしめている。よって、温度により基板０が伸縮した場合における、左方の特定点Ｐの加工機本体１に対する位置のずれ量は比較的小さく、右方の特定点Ｐの加工機本体１に対する位置のずれ量は比較的大きくなる。そこで、基準位置からの距離に比例して補正量を算出する。図２に示すように、本来想定している基板０のＸ軸方向に沿った幅寸法をＸ０、本来想定している両特定点ＰのＸ軸方向距離をＸＲ、実測した両特定点ＰのＸ軸方向距離をＸＤ、基準位置を起点とした加工ノズル２の本来のＸ軸方向の目標位置をＸ１、その目標位置に加味する補正量をＸ２とおくと、補正量Ｘ２は、
Ｘ２＝（ＸＤ−ＸＲ）×（Ｘ１／Ｘ０）
となる。

さらに、加工機自体の伸縮等により、基準位置たる当接体３１がＸ軸リニアスケールに対してＸ軸方向に相対変位し、その変位を補正するべき場合には、検出した左方の特定点ＰのＸ座標と、本来想定している（当接体３１が不当に変位していないと仮定したときの）当該特定点ＰのＸ座標との誤差を演算して、レーザ光を出射する各加工ノズル２の目標Ｘ位置座標に補正を加える。この誤差による補正量Ｘ３と、上述した補正量Ｘ２とを用い、補正した加工ノズル２のＸ軸方向の目標位置ＸＴは、
ＸＴ＝Ｘ１＋Ｘ２＋Ｘ３
となる。尤も、補正量Ｘ３を算出してＸ１に加味することは必須ではない。

制御部は、各加工ノズル２毎に個別に目標位置ＸＴを算定して、各加工ノズル２をそれぞれの目標位置ＸＴに位置づけるべく、移動機構４をフィードバック制御する。

本実施形態によれば、加工対象となる基板０を支持する本体１と、前記本体１に対して相対的に移動し、本体１に支持させた基板０の被加工面に向けてレーザ光を照射する複数個の加工ノズル２と、前記本体１に支持させた基板０上の特定点Ｐを感知するカメラ５、及び当該基板０上の前記特定点Ｐから離間した別の特定点Ｐを感知するカメラ５と、前記カメラ５の各々を介して検出した二つの特定点Ｐの前記本体１に対する相対位置に基づき、各加工ノズル２から基板０の被加工面に向けてレーザ光を照射する際の各加工ノズル２の目標照射位置を補正する制御部とを具備するレーザ加工機を構成したため、二つの特定点Ｐの位置座標を同時並行的に知得し、レーザ加工時のレーザ光の照射位置を補正することができる。つまり、製品製造のタクトタイムを徒に長大化させることなく、加工位置精度の向上を図ることが可能となる。

前記加工ノズル２は、所定方向に散開し、その各々が同方向に沿って移動可能であり、前記カメラ５は、前記加工ノズル２のうち前記所定方向の両外側方に所在する二個の加工ノズル２にそれぞれ付設され、前記基板０上における同方向の両外側部の特定点Ｐを感知し、前記制御部は、レーザ光を照射する際の各加工ノズル２の前記本体１に対する前記所定方向に沿った相対位置を補正するものであるので、二つの特定点Ｐの検出、補正量の算定を速やかに実行することができる。

前記基板０の前記所定方向の両外側端のうちの一辺を前記本体１に対して不動となるように保定する保定機構３を具備しているので、温度による基板０の伸縮を補正するための、加工ノズル２の目標位置の補正量の算出が容易となる。

前記複数個の加工ノズル２は、各々が前記所定方向に対して交差する方向に沿って移動可能であるので、互いに平行な複数本の溝を切削形成する用途に好適に供することができ、それら複数の溝の切削位置を精密に制御することが可能である。

なお、以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、リニアスケールは、フォトセンサを用いた光学式のものであっても構わない。この場合のＸ軸リニアスケールは、各ノズル２を支持する台車４４にそれぞれ設けた光源と、Ｘ軸ユニット４２に所定ピッチで設けた光透過孔と、各光透過孔の下に配したフォトセンサとを要素とし、台車４４に設けた光源からの光を光透過光を介してフォトセンサで受光それぞれ検知することにより、各台車４４ひいては各ノズル２のＸ軸方向位置を検知してその位置を指し示す信号を出力する。同様に、Ｙ軸リニアスケールも、Ｘ軸ユニット４２に設けた光源と、Ｙ軸レール４１に沿って所定ピッチで設けた光透過孔と、光透過孔の下に配したフォトセンサとを要素とし、Ｘ軸ユニット４２ひいてはノズル２のＹ軸方向位置を検知してその位置を指し示す信号を出力する。

また、リニアスケール以外の既知の位置検出機構を採用することも許容される。

上記実施形態における加工機は、加工時に加工ノズル２を加工対象物０に対して移動させる態様のものであったが、加工時に加工対象物０を加工ノズル２に対して移動させる態様の加工機に、本発明の思想を適用することも当然に可能である。特に、加工ノズル２（Ｘ軸ユニット４２）がＹ軸方向に移動せず、加工対象物となる基板０が加工ノズル２に対してＹ軸方向に往復動する態様が考えられる。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、太陽電池パネル等の製造過程における、薄膜のレーザスクライブ、アブレーション、パターニングを実施する加工機として利用できる。

０…基板
Ｐ…特定点
１…加工機本体
２…加工ノズル
６…カメラ

Claims (6)

1. 加工対象となる基板を支持する本体と、
   前記本体に対して相対的に移動し、本体に支持させた基板の被加工面に向けてレーザ光を照射する複数個の加工ノズルと、
   前記複数個の加工ノズルのそれぞれの位置を検出するための、複数個の加工ノズルに共通のリニアスケールと、
   前記複数個の加工ノズルのうちの少なくとも二個の加工ノズルに付設した、基板上の少なくとも二つの特定点をそれぞれ検出するカメラと、
   前記カメラの各々により同時に検出した二つの特定点の位置を前記共通のリニアスケールを参照して知得し、それらの位置に基づき、各加工ノズルから基板の被加工面に向けてレーザ光を照射する際の各加工ノズルの目標照射位置を補正する制御部と
   を具備するレーザ加工機。
2. 前記加工ノズルは、所定方向に散開し、その各々が同方向に沿って移動可能であり、
   前記カメラは、前記加工ノズルのうち前記所定方向の両外側方に所在する二個の加工ノズルにそれぞれ付設され、前記基板上における同方向の両外側部の特定点を感知し、
   前記制御部は、レーザ光を照射する際の各加工ノズルの前記本体に対する前記所定方向に沿った相対位置を補正する請求項１記載のレーザ加工機。
3. 前記基板の前記所定方向の両外側端のうちの一辺を前記本体に対して不動となるように保定する保定機構を具備する請求項２記載のレーザ加工機。
4. 前記複数個の加工ノズルは、各々が前記所定方向に対して交差する方向に沿って移動可能である請求項２または３記載のレーザ加工機。
5. 前記カメラは、前記基板に予め付されたアライメントマーク、基板に既に施された加工痕、または基板の縁辺を前記特定点として感知するものである請求項１、２、３または４記載のレーザ加工機。
6. 薄膜太陽電池を製造するための加工機であり、
   前記基板に製膜された透明性導電膜、発電層または裏面電極膜にレーザ光を照射してこれを切削する請求項１、２、３、４または５記載のレーザ加工機。

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