JP5392943B2 - レーザ加工方法、レーザ加工装置及びソーラパネル製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を用いて薄膜等を加工するレーザ加工方法、レーザ加工装置及びソーラパネル製造方法に係り、特にソーラーパネル作成時に行なわれるレーザスクライブ加工処理の主走査軸の可動距離を大幅に改善したレーザ加工方法、レーザ加工装置及びソーラパネル製造方法に関する。

従来、ソーラパネルの製造工程では、透光性基板（ガラス基板）上に、透明電極層、半導体層、金属層を順次形成し、形成後の各工程で各層をレーザ光で短冊状に加工してソーラパネルモジュールを完成している。このようにしてソーラパネルモジュールを製造する場合、ガラス基板上の薄膜に例えば約１０ｍｍピッチでレーザ光でスクライブ線を形成している。このスクライブ線の線幅は約３０μｍで、線と線の間隔は約３０μｍとなるような３本の線で構成されている。レーザ光でスクライブ線を形成する場合、通常は定速度で移動するガラス基板上にレーザ光を照射していた。これによって、深さ及び線幅の安定したスクライブ線を形成することが可能であった。

図１は、ガラス基板を搭載したステージの移動速度（レーザ光とステージとの間の相対的な移動速度のことである）と時間との関係を示す図である。図に示すように、ステージが移動して、所定速度ｖ０（安定領域）に到達するまでに時間ｔ０を要する。ステージ速度が所定速度ｖ０に到達してから、レーザ光による加工処理（スクライブ線形成処理）を実行し、時間ｔ１前に加工を終了し、ステージを減速して停止させていた。このようなソーラパネルの製造方法については、特許文献１，２に記載のようなものが知られている。

特開２００７−０９８４０４号公報 特開２００６−０５４２５５号公報

特許文献１には、移動機構の移動に伴ってレーザ光でガラス基板上の薄膜を加工するものが記載されている。特許文献２には、レーザビームの直径と繰り返し周波数の積によって、スクライブ線の加工時におけるＸＹテーブルの移動速度が規定されるとの記載がある。
しかしながら、これらの従来の文献は、スクライブ線の加工速度すなわちタクトタイムを向上するための手法については全く言及していないので、スクライブ線の加工時のステージが所定速度ｖ０に到達するまでの加速時間、加工終了から停止するまでの減速時間がタクトタイムに対して大きな値をとるため、タクトタイムが長くなって、スループットが低下するという問題を有していた。

本発明の目的は、上述の点に鑑みてなされたものであり、レーザ光加工時のタクトタイムを短くし、全体的なスループットと主走査軸の可動距離を向上することのできるレーザ加工方法、レーザ加工装置及びソーラパネル製造方法を提供することである。

本発明に係るレーザ加工方法の第１の特徴は、ワークに対してレーザ光を相対的に移動させながら照射することによってワークに所定の加工を施すレーザ加工方法において、前記相対的な移動の速度が一定速度の場合及びこの一定速度の前後で前記移動速度が加減速している場合に、前記相対的な移動の速度に応じて前記レーザ光のレーザ周波数及びレーザパワーを制御してレーザ加工を行なうことにある。
従来は、ワークを保持したステージが移動して、一定速度ｖ０（安定領域）に到達してから、レーザ光をワークに照射してレーザ加工処理を行なっていたため、ステージが一定速度に到達するまでの時間及びレーザ加工処理終了後にステージが停止するまでの間はレーザ加工処理を行なっていなかった。この発明では、ステージが一定速度で移動する前後の時間、すなわちステージが一定速度に到達するまでの加速時及びステージが停止するまでの減速時の両方又はいずれか一方でレーザ加工処理を行なう。この場合、レーザ加工処理時のレーザパワー及びレーザ周波数をステージの移動速度に応じて制御する。例えば、ステージ速度が徐々に加速して一定速度ｖ０となるまでの加速時は、ステージ速度の増大に応じてレーザ周波数を徐々に大きくすると共に最大限抑制していたレーザパワーを徐々に解除していくように制御する。一方、ステージ速度が停止するまでの減速時は、ステージ速度の減少に応じてレーザ周波数を徐々に小さくすると共にレーザパワーの抑制値を徐々に大きくするように制御してレーザ加工処理を行なうようにした。これによって、レーザ光加工時のタクトタイムを短くし、全体的なスループットと主走査軸の可動距離を向上することができる。

本発明に係るレーザ加工方法の第２の特徴は、前記第１の特徴に記載のレーザ加工方法において、前記一定速度におけるレーザパワーを１００パーセントとした場合に、前記加減速時に１００パーセント以上に上がるレーザパワーを前記移動速度に応じて前記１００パーセントに抑制して出力することにある。
これは、ステージ速度が一定速度ｖ０の場合におけるレーザパワーを１００パーセントとした場合、ステージ速度が徐々に加速して一定速度ｖ０となるまでの加速時及びステージ速度が一定速度から減速して停止するまでの減速時におけるレーザパワーをステージ速度に応じ、１００パーセントに抑制するようにしたものである。

本発明に係るレーザ加工方法の第３の特徴は、前記第１又は第２の特徴に記載のレーザ加工方法において、前記レーザ光のレーザ周波数とレーザパワーとの関係を示す曲線に基づいて作成された前記移動速度とパワー制御値との関係を示すパワー変換テーブルを用いて、前記移動速度を前記パワー制御値に変換し、前記レーザ光のレーザパワーを前記パワー制御値に応じて抑制して出力することにある。
レーザ光のレーザ周波数とレーザパワーとの関係は、図５（Ａ）に示すような曲線ＬＰとなり、レーザ周波数が２０ｋＨｚ付近でほぼ最大の値ＬＰｍａｘとなり、レーザ周波数が１００ｋＨｚ付近で安定した値ＬＰｍｉｎとなるような特性を示す。そこで、レーザ周波数が１００ｋＨｚよりも小さい場合でも、レーザ周波数１００ｋＨｚの時と同じレーザパワー値ＬＰｍｉｎとなるようにレーザパワーを抑制する値（パワー制御値：曲線ＬＰＣ）を曲線ＬＰに基づいて算出し、レーザ周波数（ステージ速度）に対応したパワー制御値を用いてレーザパワーを抑制して出力するようにしたものである。これによって、レーザ周波数が低い場合でもレーザパワーは一定の値となり、安定したレーザ加工を行なうことができるようになる。

本発明に係るレーザ加工装置の第１の特徴は、保持手段に保持されたワークに対してレーザ光を相対的に移動させながら照射することによってワークに所定の加工を施すレーザ加工装置において、前記相対的な移動速度が一定速度の場合及びこの一定速度の前後で前記移動速度が加減速している場合に、前記移動速度に応じて前記レーザ光のレーザ周波数及びレーザパワーを制御してレーザ加工を行なう制御手段を備えたことにある。これは、前記レーザ加工方法の第１の特徴に対応したレーザ加工装置の発明である。

本発明に係るレーザ加工装置の第２の特徴は、前記第１の特徴に記載のレーザ加工装置において、前記制御手段が、前記一定速度におけるレーザパワーを１００パーセントとした場合に、前記加減速時に１００パーセント以上に上がるレーザパワーを前記移動速度に応じて前記１００パーセントに抑制して出力するように制御することにある。これは、前記レーザ加工方法の第２の特徴に対応したレーザ加工装置の発明である。

本発明に係るレーザ加工装置の第３の特徴は、前記第１又は第２の特徴に記載のレーザ加工装置において、前記制御手段が、前記レーザ光のレーザ周波数とレーザパワーとの関係を示す曲線に基づいて作成された前記移動速度とパワー制御値との関係を示すパワー変換テーブルを用いて、前記移動速度を前記パワー制御値に変換し、前記レーザ光のレーザパワーを前記パワー制御値に応じて抑制して出力するように制御することにある。これは、前記レーザ加工方法の第３の特徴に対応したレーザ加工装置の発明である。

本発明に係るソーラパネル製造方法の特徴は、前記第１から第３までのいずれか１に記載のレーザ加工方法、又は前記第１から第３までのいずれか１に記載のレーザ加工装置を用いて、ソーラパネルを製造することにある。前記レーザ加工方法又は前記レーザ加工装置のいずれかを用いて、ソーラパネルを製造するようにしたものである。

本発明によれば、レーザ光加工時のタクトタイムを短くし、全体的なスループットと主走査軸の可動距離を向上することができるという効果がある。

ガラス基板を搭載したステージの移動速度と時間との関係を示す図である。 本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す図である。 制御装置の処理の詳細を示すブロック図である。 本発明のスクライブ処理の動作を説明するための図であり、ガラス基板を搭載したステージの移動速度と時間と関係を示す図である。 図３のパワー変換手段の動作を説明するための図であり、図５（Ａ）は、レーザ周波数とレーザパワーとの関係を示す図であり、図５（Ｂ）は、図３のパワー変換手段に内蔵されるパワー変換テーブルの一例を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。図２は、本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す図である。このレーザ加工装置は、ソーラパネル製造装置のレーザ光加工処理（レーザスクライブ）工程を行なうものである。

図２のソーラパネル製造装置は、台座１０、ＸＹテーブル２０、レーザ発生装置４０と、光学系部材５０、アライメントカメラ装置６０、リニアエンコーダ７０、制御装置８０及び検出光学系部材等によって構成されている。台座１０上には台座１０上でＸ軸方向及びＹ軸方向（ＸＹ平面）に沿って駆動制御されるＸＹテーブル２０が設けられている。

ＸＹテーブル２０は、Ｘ方向及びＹ方向へ移動制御される。なお、ＸＹテーブル２０の駆動手段としては、ボールネジやリニアモータ等が用いられるが、これらの図示は省略してある。ＸＹテーブル２０の上側にはレーザ加工の対象となるワーク１が保持されている。また、台座１０の上には光学系部材を保持しながらＹ軸方向にスライド駆動されるスライドフレーム３０が設けられている。ＸＹテーブル２０は、Ｚ軸を回転軸としてθ方向に回転可能に構成されている。なお、スライドフレーム３０によりＹ軸方向の移動量が十分に確保できる場合には、ＸＹテーブル２０は、Ｘ軸方向の移動だけを行なう構成であってもよい。この場合、ＸＹテーブル２０はＸ軸テーブルの構成でもよい。

スライドフレーム３０は、台座１０上の四隅に設けられた移動台に取り付けられている。スライドフレーム３０は、この移動台によってＹ軸方向へ移動制御される。ベース板３１と移動台との間には除振部材（図示せず）が設けられている。スライドフレーム３０のベース板３１には、レーザ発生装置４０、光学系部材５０、制御装置８０及び検出光学系部材が設置されている。光学系部材５０は、ミラーやレンズの組み合わせで構成され、レーザ発生装置４０で発生したレーザ光を４系列に分割してＸＹテーブル２０上のワーク１上に導くものである。なお、レーザ光の分割数は４系列に限るものではなく、２系列以上であればよい。

アライメントカメラ装置６０は、ＸＹテーブル２０上であってワーク１の両端部（Ｘ軸方向の前後縁部）付近の画像を取得する。このアライメントカメラ装置６０で取得された画像は、制御装置８０に出力される。制御装置８０は、アライメントカメラ装置６０からの画像を、ワーク１のＩＤデータと共にデータベース手段に格納し、これ以降のワーク１のアライメント処理に利用する。リニアエンコーダ７０は、ＸＹテーブル２０のＸ軸移動テーブルの側面に設けられたスケール部材と検出部とから構成される。

リニアエンコーダ７０は、ＸＹテーブル２０のＸ軸移動テーブルの側面に設けられたスケール部材と検出部とか構成される。リニアエンコーダ７０の検出信号は、制御装置８０に出力される。制御装置８０は、リニアエンコーダ７０からの検出信号に基づいてＸＹテーブル２０のＸ軸方向の移動速度（移動周波数）を検出し、レーザ発生装置４０の出力（レーザ周波数）を制御する。

光学系部材５０は、図示のように、ベース板３１の下面側に設けられている。レーザ発生装置４０から出射されるレーザ光を光学系部材５０に導くための反射ミラー３３，３５がベース板３１上に設けられている。レーザ発生装置４０から出射されたレーザ光は、反射ミラー３３によって反射ミラー３５へ向かって反射され、反射ミラー３５は、反射ミラー３３からの反射レーザ光をベース板３１に設けられた挿通穴を介して光学系部材５０に導く。なお、レーザ光発生装置４０から出射されたレーザ光は、ベース板３１に設けられた挿通穴から光学系部材５０に対して上側から導入されるように構成されれば、どのような構成のものであってもよい。例えば、レーザ発生装置４０を挿通穴の上側に設け、挿通穴を介して光学系部材５０に直接レーザ光を導くようにしてもよい。

図３は、制御装置８０の処理の詳細を示すブロック図である。制御装置８０は、分岐手段８１、周波数計測手段８２、パワー変換手段８３及びレーザコントローラ８４から構成される。分岐手段８１は、リニアエンコーダ７０の検出信号（クロックパルス）を分岐して後段の周波数計測手段８２及びレーザコントローラ８４に出力する。周波数計測手段８２は、分岐手段８１によって分岐されたリニアエンコーダ７０の検出信号に基づいて周波数、すなわちＸＹテーブル２０の移動速度ｖを計測してパワー変換手段８３に出力する。

パワー変換手段８３は、パワー変換テーブルに基づいて、周波数計測手段８２からの周波数（移動速度）に基づいてレーザ発生装置４０のパワー制御値をレーザコントローラ８４に出力する。レーザコントローラ８４は、パワー変換手段８３から出力されるパワー制御値に基づいてレーザ発生装置４０のパワーを制御すると共に分岐手段８１によって分岐されたリニアエンコーダ７０の検出信号に基づいてレーザ発生装置４０のレーザ発振周波数を制御するものである。

図４は、本発明のスクライブ処理の動作を説明するための図であり、ガラス基板を搭載したＸＹテーブル２０の移動速度（ステージ速度）と時間の関係を示す図である。この実施の形態では、図４に示すように、ＸＹテーブル２０が移動を開始して速度ｖ１に達した時刻ｔ２でレーザ光をワーク１に照射して、レーザ加工すなわちスクライブ処理を開始する。そして、ステージ速度がｖ０（安定領域）に達する時刻ｔ３までは、レーザ周波数及びレーザパワーをステージ速度に同期させたステージ同期加工処理を行なう。その後、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間では、ステージ速度がｖ０（安定領域）と安定しているので、この期間は従来と同様に、レーザ周波数１００ｋＨｚ、レーザパワーＬＰｍｉｎのレーザ光をワーク１に照射する通常のスクライブ処理を行なう。そして、時刻ｔ４から時刻ｔ５までの間は、前述と同様にレーザ周波数及びレーザパワーをステージ速度に同期させたステージ同期加工処理を行なう。

図５は、図３のパワー変換手段の動作を説明するための図であり、図５（Ａ）は、レーザ周波数とレーザパワーとの関係を示す図であり、図５（Ｂ）は、図３のパワー変換手段に内蔵されるパワー変換テーブルの一例を示すである。図５（Ａ）に示すように、レーザ発生装置４０の出力であるレーザパワーは、曲線ＬＰのように、レーザ周波数が２０ｋＨｚ付近でほぼ最大の値ＬＰｍａｘとなり、レーザ周波数が１００ｋＨｚ付近で安定した値ＬＰｍｉｎとなるような特性を示す。すなわち、レーザ周波数に応じてレーザパワーは曲線ＬＰのように変化する。

従って、この実施の形態では、図４に示すように時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間、及び時刻ｔ４から時刻ｔ５までの間のステージ同期加工処理期間では、レーザ周波数及びレーザパワーがステージ速度に応じて変化するように制御している。時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間は、ステージ速度がｖ１から徐々に加速してｖ０となり、時刻ｔ４から時刻ｔ５までの間は、ステージ速度がｖ０から徐々に減速してｖ１となるので、この実施の形態では、図４に示すように、ステージ速度ｖ１でレーザ周波数約２０ｋＨｚでスクライブ処理を開始し、その後徐々にステージ速度の増大に応じてレーザ周波数を大きくしながらスクライブ処理を行なう。

このとき、図５（Ａ）に示すように、レーザ周波数が１００ｋＨｚを基準にしてこれより小さくなるに従って、レーザパワーは徐々に大きくなるような特性を示す。従って、ステージ速度ｖ０でレーザ周波数約５０ｋＨｚのレーザ光を用いてスクライブ処理を行なう場合は、ステージ速度ｖ１の時点ではレーザパワーは大きく、かつステージ速度がｖ０に比べて半分の速度と遅いためにワーク１に対するレーザの照射時間も長くなる。その結果、スクライブ線の加工による深さが通常よりも増大し、所望形状のスクライブ線を形成することができなくなるという問題がある。

この実施の形態では、図５（Ｂ）に示すようなパワー変換テーブルを用いて、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間、及び時刻ｔ４から時刻ｔ５までの間のステージ同期加工処理期間では、レーザパワーをこのパワー変換テーブルに基づいて制御（抑制）するようにした。このパワー変換テーブルは、レーザ周波数１００ｋＨｚ時のレーザパワー制御値を１００％とし、レーザ周波数が徐々に小さくなるに従って、レーザパワーを抑制するような曲線で構成されている。実際に使用する時は、ステージ速度ｖ０の加工周波数を１００％とし、パワー変換テーブルを再計算する。従って、パワー変換手段８３は、レーザ周波数が１００ｋＨｚ以下の場合は、パワー変換テーブルの曲線ＬＰＣに従ってパワー制御値をレーザコントローラ８４に出力する。レーザコントローラ８４は、レーザパワーを可変制御して、ワーク１にレーザ光を照射する。これによって、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間、及び時刻ｔ４から時刻ｔ５までの間のステージ同期加工処理期間中にワーク１に照射されるレーザ光のパワーは、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの通常の加工期間中と同じ値となり、所望形状のスクライブ線を形成することが可能となる。このように、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間、及び時刻ｔ４から時刻ｔ５までの間にスクライブ処理を行なうことができるようになるので、スクライブ処理に要する時間と主走査軸の可動距離を短縮することが可能となる。

上述の実施の形態では、薄膜の形成されたワーク１の表面からレーザ光を照射して薄膜にスクライブ線（溝）を形成する場合について説明したが、ワーク１の裏面からレーザ光を照射して、ワーク表面の薄膜にスクライブ線を形成するようにしてもよい。

上述の実施の形態では、ソーラパネル製造装置を例に説明したが、本発明はＥＬパネル製造装置、ＥＬパネル修正装置、ＦＰＤ修正装置などのレーザ加工を行なう装置にも適用可能である。

１…ワーク
１０…台座
２０…ＸＹテーブル
３０…スライドフレーム
３１…ベース板
４０…レーザ発生装置
５０…光学系部材
６０…アライメントカメラ装置
７０…リニアエンコーダ
８０…制御装置

Claims (2)

1. 主走査軸に沿って一定速度で移動するワークに対してレーザ光を照射することによって前記ワークに深さ及び線幅の安定したスクライブ線加工を施すレーザ加工方法において、
   前記ワークの移動速度が前記一定速度の場合及びこの一定速度の前後で前記移動速度が加減速している場合に、前記移動速度に応じて前記レーザ光のレーザ周波数及びレーザパワーを制御して前記スクライブ線加工を行なうレーザ加工方法であって、前記一定速度におけるレーザパワーを１００パーセントとした場合に、前記加減速時に１００パーセント以上に上がるレーザパワーを前記移動速度に応じて前記１００パーセントに抑制して出力すると共に前記レーザ光のレーザ周波数とレーザパワーとの関係を示す曲線に基づいて作成された前記移動速度とパワー制御値との関係を示すパワー変換テーブルを用いて、前記移動速度を前記パワー制御値に変換し、前記レーザ光のレーザパワーを前記パワー制御値に応じて抑制して出力することを特徴とするレーザ加工方法。
2. 保持手段に保持され、主走査軸に沿って一定速度で移動するワークに対してレーザ光を照射することによって前記ワークに深さ及び線幅の安定したスクライブ線加工を施すレーザ加工装置において、
   前記ワークの移動速度が前記一定速度の場合及びこの一定速度の前後で前記移動速度が加減速している場合に、前記移動速度に応じて前記レーザ光のレーザ周波数及びレーザパワーを制御して前記スクライブ線加工を行なう制御手段を備え、
   前記制御手段は、前記一定速度におけるレーザパワーを１００パーセントとした場合に、前記加減速時に１００パーセント以上に上がるレーザパワーを前記移動速度に応じて前記１００パーセントに抑制して出力すると共に前記レーザ光のレーザ周波数とレーザパワーとの関係を示す曲線に基づいて作成された前記移動速度とパワー制御値との関係を示すパワー変換テーブルを用いて、前記移動速度を前記パワー制御値に変換し、前記レーザ光のレーザパワーを前記パワー制御値に応じて抑制して出力するように制御することを特徴とするレーザ加工装置。

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