JP5468046B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置、特に、基板上の複数の加工予定ラインに沿ってレーザ光を照射するレーザ加工装置に関する。

太陽電池の製造においては、基板上の薄層に対して複数のラインに沿ってレーザ光が照射され、複数のサブセルに分割される。そして、分割されたサブセルが相互に接続される。

このような太陽電池基板にレーザ光を照射して加工するパターニング工程では、所定ピッチの多数の加工予定ラインに沿ってレーザ光が照射される。

例えば特許文献１の装置では、それぞれが４本のレーザビームを出力可能な複数の光学ユニットが設けられている。そして、複数の光学ユニットを走査することによって、所定ピッチの複数のスクライブ溝が形成される。

特表２０１０−５０９０６７号公報

前述のように、太陽電池のパターニング工程では、多数のパターニングラインを所定のピッチで加工することが求められる。そして、パターニングは、固定された光学系とステージ移動を組み合わせた装置や、ガルバノスキャナ等のスキャン光学系を用いた装置で実行される。

以上のような装置構成では、パターニングラインのピッチ精度は、ステージの移動ピッチ精度やスキャナの位置決め精度で決まり、一般的に数μm〜数十μmである。また、パターニングライン毎にサーボモータによる位置決めが必要となる。したがって、多数のパターニングラインを加工する場合、加工のタクトタイムが長くなり、ピッチの要求精度が高くなれば、位置決めのためにさらに長時間を要することになる。

本発明の課題は、複数の加工ラインのピッチを、短時間で精度良く調整することができるレーザ加工装置を提供することにある。

第１発明に係るレーザ加工装置は、基板上の複数の加工予定ラインに沿ってレーザ光を照射する装置であって、レーザ光を出射するレーザ光出射装置と、第１光学ユニット及び第２光学ユニットと、第１回転駆動機構及び第２回転駆動機構と、移動機構と、を備えている。第１光学ユニット及び第２光学ユニットは、それぞれ、レーザ光出射装置からのレーザ光を複数のレーザ光に分岐する回折光学素子と、回折光学素子からの複数のレーザ光を基板上に集光させるレンズと、を有し、基板上の１つの直線に沿って複数のビームスポットを等間隔のピッチで形成する。第１回転駆動機構及び第２回転駆動機構は、第１光学ユニットの回折光学素子及び第２光学ユニットの回折光学素子のそれぞれを、レーザ光の光軸の回りに回転させる。移動機構は、第１光学ユニット及び第２光学ユニットの少なくとも一方を、加工予定ラインと直交する方向に移動させる。また、移動機構は、第１及び第２光学ユニットのそれぞれの最も外側に形成されかつ他方の光学ユニットに最も近い位置のビームスポット同士の１つの直線に沿った方向の間隔が、各光学ユニットによって形成される複数のビームスポットのピッチと同じになるように第１光学ユニットと第２光学ユニットとの間のピッチを調整する。

ここで、回折光学素子は製造技術上の特徴から、高い精度が保障されている。そこで、この回折光学素子を含む各光学ユニットを回転駆動機構により回転させることによって、各光学ユニットによって基板上に形成される複数のビームスポットのピッチを精度良く調整することが可能になる。また、各光学ユニットを回転させてビームスポットのピッチを調整した場合、２つの光学ユニットの間のピッチが変化する。そこで、各光学ユニットを、移動機構により加工予定ラインと直交する方向に移動させ、２つの光学ユニット間のピッチを調整する。

以上のような構成によって、複数のビームスポットのピッチを容易に高い精度で調整することができる。

第２発明に係るレーザ加工装置は、第１発明の装置において、第１光学ユニット及び第２光学ユニットは、第１光学ユニットによって基板上に集光させられる複数のビームスポットを結んだ第１直線と、第２光学ユニットによって基板上に集光させられる複数のビームスポットを結んだ第２直線とがずれるように配置されている。

ここで、光学ユニットは、枠体としての鏡筒を有しているので、隣り合う鏡筒を最大限接近させても、一方の鏡筒内部に形成されたビームスポットと、他方の鏡筒内部に形成されたビームスポットとの間には、互いの鏡筒の厚み分の距離があくことになる。このため、パターニングラインのピッチが小さい場合は、隣り合う光学ユニット間のパターニングラインのピッチが、他のパターニングラインのピッチより大きくなり、等ピッチにすることができない。

しかし、この発明では、２つの光学ユニットが段違いで配置されているために、複数の加工予定ラインのピッチが小さく、かつ各光学ユニットの鏡筒等の枠体の厚みが厚い場合でも、複数の光学ユニットによって、複数の等ピッチの加工予定ラインに沿って同時にレーザ光を照射することが可能になる。

一方で、第１光学ユニットと第２光学ユニットとが同じ直線上に配置されている場合は、両光学ユニットを１つの回転中心の回りに回転させることによって、ビームスポットのピッチ調整を行うことができる。しかし、本発明のように２つの光学ユニットが段違いで配置されている場合は、両光学ユニットを１つの回転中心の回りに回転させると、両光学ユニットの間のピッチが変化する。

そこで、２つの光学ユニットの少なくとも一方を移動機構によって移動させ、２つの光学ユニット間のピッチを調整するようにしている。

第３発明に係るレーザ加工装置は、第２発明の装置において、第１光学ユニットのレンズの中心と第２光学ユニットのレンズの中心とを結んだ直線は、加工予定ラインに直交する直線に対して傾斜している。

第４発明に係るレーザ加工装置は、第２又は第３発明の装置において、第１光学ユニット及び第２光学ユニットの中心間距離は、加工予定ラインと直交する直線に沿った第１光学ユニットの中心と第２光学ユニットの中心との間の距離より長い。

第５発明に係るレーザ加工装置は、第１から第４発明のいずれかの装置において、第１光学ユニットは、レーザ光出射装置からのレーザ光を分岐するビームスプリッタをさらに有している。そして、第２光学ユニットは、ビームスプリッタからのレーザ光を反射して第２光学系の回折光学素子に導く反射ミラーをさらに有している。

ここでは、簡単な構成で、複数の加工予定ラインに沿ってレーザ光を照射することができる。

以上のように、本発明では、複数の加工ラインのピッチを、短時間で精度良く調整することができる。

本発明の一実施形態によるレーザ加工装置の概略構成図。 複数の光学ユニットの配置を示す概略平面図。 ピッチ調整の原理を説明するための図。

［全体構成］
図１に本発明の一実施形態によるレーザ加工装置の模式図を示す。レーザ加工装置１は、レーザ光を出射するレーザ発振器２と、レンズ・ミラー機構３と、第１〜第４光学ユニット４１〜４４と、太陽電池パネル用の基板Ｇが載置されるＸＹステージ５と、を備えている。ここでは、基板Ｇの複数の加工予定ラインに沿ってレーザ光のビームスポットを走査し、基板Ｇ上に複数のサブセルを形成する場合の加工を例にとって説明する。

［レンズ・ミラー機構］
レンズ・ミラー機構３は、レーザ光を平行光にするためのコリメートレンズ３ａと、反射ミラー３ｂと、ビームスプリッタ３ｃと、を有している。

［光学ユニット］
第１光学ユニット４１は、反射ミラー５１と、回折光学素子５２と、ｆ-sinθレンズ５３と、を有している。反射ミラー５１は、第２光学ユニット４２からのレーザ光を回折光学素子５２に反射する。回折光学素子５２はレーザ光を複数のレーザ光に分岐する。ｆ-sinθレンズ５３は複数のレーザ光のそれぞれをＸＹステージ５上の基板Ｇに集光する。この第１光学ユニット４１によって、図２に示すように、基板Ｇ上に、分岐された複数のビームスポットが第１直線Ｌ１上に並んで照射される。

第２光学ユニット４２は、ビームスプリッタ５５と、回折光学素子５２及びｆ-sinθレンズ５３と、を有している。ビームスプリッタ５５は、レンズ・ミラー機構３からのレーザ光を、第１光学ユニット４１の反射ミラー５１と下方の回折光学素子５２とに分岐する。回折光学素子５２及びｆ-sinθレンズ５３は、第１光学ユニット４１と同様である。この第２光学ユニット４２によって、図２に示すように、基板Ｇ上に、分岐された複数のビームスポットが第２直線Ｌ２上に並んで照射される。なお、第２直線Ｌ２は第１直線Ｌ１と平行な直線である。

第３光学ユニット４３は、ビームスプリッタ５５と、回折光学素子５２及びｆ-sinθレンズ５３と、を有している。ビームスプリッタ５５は、第２光学ユニット４２のビームスプリッタと同様の構成であり、レンズ・ミラー機構３からのレーザ光を、第４光学ユニット４４と下方の回折光学素子５２とに分岐する。回折光学素子５２及びｆ-sinθレンズ５３は、第１光学ユニット４１と同様である。この第３光学ユニット４３によって、図２に示すように、基板Ｇ上に、分岐された複数のビームスポットが第１直線Ｌ１上に並んで照射される。

第４光学ユニット４４は、反射ミラー５１と、回折光学素子５２と、ｆ-sinθレンズ５３と、を有している。反射ミラー５１は、第１光学ユニット４１の反射ミラーと同様の構成であり、第３光学ユニット４３からのレーザ光を回折光学素子５２に反射する。回折光学素子５２及びｆ-sinθレンズ５３は第１光学ユニット４１と同様である。この第４光学ユニット４４によって、図２に示すように、基板Ｇ上に、分岐された複数のビームスポットが第２直線Ｌ２上に並んで照射される。

図２は、４つの光学ユニット４１〜４４の配置を示す模式的な平面図である。この図２に示すように、第１光学ユニット４１と第３光学ユニット４３によって基板Ｇ上に照射される多数のビームスポットを結んだ第１直線Ｌ１と、第２光学ユニット４２と第４光学ユニット４４によって基板Ｇ上に照射される多数のビームスポットを結んだ第２直線Ｌ２１とは、互いに平行でずれている。言い換えれば、隣接する光学ユニットの中心を結んだ直線は、第１直線Ｌ１及び第２直線Ｌ２に対して角度αだけ傾斜している。

また、図２に示すように、４つの光学ユニット４１〜４４は、同じ直径Ｄで、かつ同じ厚みの円筒状の鏡筒４１ａ，４２ａ，４３ａ，４４ａを有している。この鏡筒４１ａ〜４４ａ内に、回折光学素子やｆ-sinθレンズ等の部材が支持されている。そして、隣接する光学ユニット間の中心間距離Ｃはすべて同じに設定されている。言い換えれば、隣接する光学ユニットの中心間距離Ｃは、第１直線Ｌ１及び第２直線Ｌ２に沿った隣接する光学ユニットの中心間距離Ｅより長い。そして、各光学ユニット４１〜４４の配置は、互いに隣接する光学ユニットの最も外側に形成された他方の光学ユニットに最も近い位置のビームスポットＢ同士の、第１直線Ｌ１及び第２直線Ｌ２に沿った距離Ｆが、各光学ユニット４１〜４４によって形成された複数のビームスポットＢのピッチＰと同じになるように設定されている。より具体的には、第１直線Ｌ１及び第２直線Ｌ２に沿った隣接する光学ユニットの中心間距離Ｅは、１つの光学ユニットによって形成される複数のビームスポットＢの最も外側に位置する２つのビームスポットＢ間の距離Ｇに、各光学ユニットによって形成される複数のビームスポットＢ間のピッチＰを加えた長さに設定されている。このような配置によって、光学ユニット４１〜４４によって形成される多数のビームスポットBの位置は、第１直線Ｌ１及び第２直線Ｌ２に垂直な方向から見て等間隔になる。

図１に示すように、各光学ユニット４１〜４４のそれぞれには、回転用モータＭ１及び移動用モータＭ２が設けられている。図１では、第１光学ユニット４１の回転用モータＭ１及び移動用モータＭ２のみを示しているが、各光学ユニット４１〜４４にも同様に２つのモータＭ１，Ｍ２が設けられている。

回転用モータＭ１は、各光学ユニット４１〜４４の回折光学素子５２を、光軸回りに回転するためのモータである。また、移動用モータＭ２は、各光学ユニット４１〜４４の鏡筒４１ａ〜４４ａ全体をＸ方向に移動するためのモータである。各光学ユニット４１〜４４に設けられた２つのモータＭ１，Ｍ２によって、回折光学素子５２を個別に回転させることができ、また各光学ユニット４１〜４４を個別に移動させることができる。

［ＸＹステージ］
ＸＹステージ５は、基板Ｇを載置するテーブルであり、互いに直交するＸ方向及びＹ方向に移動可能である。このＸＹステージ５をＸ方向及びＹ方向に所定の速度で移動させることにより、ＸＹステージ５に載置された基板Ｇとレーザ光との相対位置を自在に変更することができる。通常は、ＸＹステージ５を移動させて、基板Ｇの加工予定ラインに沿ってレーザ光が走査される。この実施形態では、基板Gを第１直線Ｌ１及び第２直線Ｌ２に垂直な方向に移動させることにより、光学ユニット４１〜４４によって形成される多数のビームスポットによって加工されたラインは、等間隔になる。

［動作］
このレーザ加工装置では、レーザ発振器２から発射されたレーザ光は、コリメートレンズ３ａによって平行光にされ、反射ミラー３ｂによって下方に反射される。反射ミラー３ｂからのレーザ光は、ビームスプリッタ３ｃによって、第２光学ユニット４２と第３光学ユニット４３とに分岐される。第２光学ユニット４２に入射したレーザ光は、ビームスプリッタ５５によって下方と第１光学ユニット４１とに分岐される。第１光学ユニット４１に入射したレーザ光は、反射ミラー５１によって下方に反射される。一方、第３光学ユニット４３に入射したレーザ光は、ビームスプリッタ５５によって下方と第４光学ユニット４４とに分岐される。第４光学ユニット４４に入射したレーザ光は、反射ミラー５１によって下方に反射される。

以上のようにして各光学ユニット４１〜４４の回折光学素子５２に入射したレーザ光は、複数のレーザ光に分岐され、さらにｆ-sinθレンズ５３を通過して、基板Ｇの複数の加工予定ライン上に同時にビームスポットとして照射される。

以上のようにして、基板Ｇ上に多数のビームスポットが照射された状態で、ＸＹステージ５を駆動して基板Ｇを一方向に移動させれば、複数の加工予定ラインに沿ってビームスポットが走査されて加工される。

［ピッチ調整］
ビームスポットのピッチを調整する場合は、まず、回折光学素子５２を回転用モータＭ１によって例えば反時計回りに角度θだけ回転する。回転前のピッチｄ１と回転後のピッチｄ２との関係は、図３に示すように、
ｄ２＝ｄ１・ｃｏｓθ
である。一方、各光学ユニット４１〜４４の回折光学素子５２が回転されると、隣接する光学ユニット間のビームスポットのピッチが広くなる。例えば、図２において、第１光学ユニット４１の右端のビームスポットは反時計回りに回転することによって左方に移動し、第１直線Ｌ１及び第２直線Ｌ２に垂直な方向から見て第２光学ユニット４２から離れる。同様に、第２光学ユニット４２の左端のビームスポットは反時計回りに回転することによって右方に移動し、第１直線Ｌ１及び第２直線Ｌ２に垂直な方向から見て第１光学ユニット４１から離れる。したがって、各光学ユニット４１〜４４を回転させた後に、隣接する光学ユニット間のピッチを調整する必要がある。この光学ユニット間のピッチ調整のための各光学ユニット４１〜４４のＸ方向の移動量を以下に示す。

＜偶数分岐の場合＞
回折光学素子５２によってレーザ光が偶数のレーザ光の分岐される場合、各光学ユニット４１〜４４のＸ方向の移動量は、以下の通りである。なお、図１において、右側への移動を＋方向とし、逆を−方向とする。

第２光学ユニット４２：
→固定
第１光学ユニット４１：
→ {(ｄ１−ｄ２)×(分岐数)／２−(ｄ１−ｄ２)／２}×２＋(ｄ１−ｄ２)}
第３光学ユニット４３：
→ −{(ｄ１−ｄ２)×(分岐数)／２−(ｄ１−ｄ２)／２}×２＋(ｄ１−ｄ２)}
第４光学ユニット４４：
→ −｛(ｄ１−ｄ２)×(分岐数)／２−(ｄ１−ｄ２)／２｝×４＋(ｄ１−ｄ２)×２}
＜奇数分岐の場合＞
回折光学素子５２によってレーザ光が奇数のレーザ光の分岐される場合、各光学ユニット４１〜４４のＸ方向の移動量は、以下の通りである。

第２光学ユニット４２：
→ 固定
第１光学ユニット４１：
→ {(ｄ１−ｄ２)×((分岐数)−１)／２}×２＋(ｄ１−ｄ２)}
第３光学ユニット４３：
→ −{(ｄ１−ｄ２)×((分岐数)−１)／２}×２＋(ｄ１−ｄ２)}
第４光学ユニット４４：
→ −{(ｄ１−ｄ２)×((分岐数)−１)／２}×４＋(ｄ１−ｄ２)×２}

一例として、２６分岐で、ピッチをｄ１＝１．５mmからｄ２＝１．４mmに調整する場合の具体的回転量及び移動量を以下に示す。

回折光学素子５２の回転量：２１°
第１光学ユニット４１の移動量は＋２．６mm
第３光学ユニット４３の移動量は−２．６mm
第４光学ユニット４４の移動量は−５．２mm
この実施形態では、回折光学素子５２を含む各光学ユニット４１〜４４の回折光学素子５２を回転用モータＭ１により回転させることによって、各光学ユニット４１〜４４によって基板Ｇ上に形成される複数のビームスポットのピッチを精度良く調整することが可能になる。

また、各光学ユニット４１〜４４を回転させた後の光学ユニット間のピッチについては、移動用モータＭ２によって調整でき、結果的に、複数の光学ユニット４１〜４４による多数のビームスポットのピッチを、精度よくかつ容易に調整することができる。

特に、複数の光学ユニット４１〜４４が互い違いに配置されている場合は、本装置によって、容易に短時間で、高い精度のピッチ調整を行うことができる。

［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。

(a) 前記実施形態では、太陽電池パネル用基板上にサブセルを形成する場合について説明したが、本発明は、太陽電池用の基板上に塗布されたドーパント層にレーザ光を照射し、ドーパントを基板中に取り込む場合にも同様に適用することができる。

(b) 前記実施形態では、回折光学素子のみを回転用モータＭ１によって回転させるようにしたが、回折光学素子及びｆ-sinθレンズの両方を回転させるようにしてもよい。

(c) 前記実施形態の光学ユニットの個数や配置は一例であって、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。また、各光学ユニットの構成についても限定されない。

１ レーザ加工装置
２ レーザ発振器
３ レンズ・ミラー機構
４１〜４４ 光学ユニット
４１ａ〜４４ａ 鏡筒
５２ 回折光学素子
５３ ｆ-sinθレンズ
Ｍ１ 回転用モータ
Ｍ２ 移動用モータ

Claims (5)

1. 基板上の複数の加工予定ラインに沿ってレーザ光を照射するレーザ加工装置であって、
   レーザ光を出射するレーザ光出射装置と、
   それぞれ、前記レーザ光出射装置からのレーザ光を複数のレーザ光に分岐する回折光学素子と、前記回折光学素子からの複数のレーザ光を基板上に集光させるレンズと、を有し、基板上の１つの直線に沿って複数のビームスポットを等間隔のピッチで形成する第１光学ユニット及び第２光学ユニットと、
   前記第１光学ユニットの回折光学素子及び前記第２光学ユニットの回折光学素子のそれぞれを、前記レーザ光の光軸の回りに回転させるための第１回転駆動機構及び第２回転駆動機構と、
   前記第１光学ユニット及び前記第２光学ユニットの少なくとも一方を、前記加工予定ラインと直交する方向に移動させるための移動機構と、
   を備え、
   前記移動機構は、前記第１及び第２光学ユニットのそれぞれの最も外側に形成されかつ他方の光学ユニットに最も近い位置のビームスポット同士の前記１つの直線に沿った方向の間隔が、前記各光学ユニットによって形成される複数のビームスポットのピッチと同じになるように前記第１光学ユニットと前記第２光学ユニットとの間のピッチを調整する、
   レーザ加工装置。
2. 前記第１光学ユニット及び前記第２光学ユニットは、前記第１光学ユニットによって基板上に集光させられる複数のビームスポットを結んだ第１直線と、前記第２光学ユニットによって基板上に集光させられる複数のビームスポットを結んだ第２直線とがずれるように配置されている、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記第１光学ユニットのレンズの中心と前記第２光学ユニットのレンズの中心とを結んだ直線は、前記加工予定ラインに直交する直線に対して傾斜している、
   請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記第１光学ユニット及び前記第２光学ユニットの中心間距離は、前記加工予定ラインと直交する直線に沿った前記第１光学ユニットの中心と前記第２光学ユニットの中心との間の距離より長い、
   請求項２又は３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記第１光学ユニットは、前記レーザ光出射装置からのレーザ光を分岐するビームスプリッタをさらに有し、
   前記第２光学ユニットは、前記ビームスプリッタからのレーザ光を反射して前記第２光学系の回折光学素子に導く反射ミラーをさらに有している、
   請求項１から４のいずれかに記載のレーザ加工装置。

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