JP5585135B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置に関し、特に、加工品質を向上させるようにしたレーザ加工装置に関する。

従来、薄膜太陽電池パネル（以下、単にパネルとも称する）のエッジデリーションやパターニングなどの製造工程において、レーザ光を用いたレーザ加工が行われている。そして、薄膜太陽電池パネルに対してレーザ加工を行う際に、ガウシアン分布のビームプロファイルのレーザ光を用いると、レーザ光の断面の光強度が中心部で強くなり、周辺部で弱くなるため、レーザ光が照射されたスポットの中央でパネルがダメージを受け、スポットの端部で変質した膜が除去されずに残ってしまい、加工品質が低下してしまう場合がある。

そこで、従来、加工品質を向上させるために、断面の光強度分布のピークがほぼフラットなフラットトップビームを得る手段が種々提案されている。

例えば、ホモジナイズ光学素子を用いてガウシアン分布のレーザ光をフラットトップビームに変換する方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

また、例えば、スリットを用いてガウシアン分布の中心部のみを切り取ることによって、フラットトップビームを得る方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

さらに、例えば、ガウシアン分布のレーザ光を光ファイバを通過させることにより、フラットトップビームを得る方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

また、例えば、レーザ光を拡散板を通過させることにより、フラットトップビームを得る方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３３０５２０６号公報

岩間、「薄膜Ｓｉ太陽電池のレーザパターニング加工」、第７２回レーザ加工学会講演論文集、社団法人高温学会、平成２１年１２月１６日、１７日、ｐ．１０３−１０８

しかしながら、性能が良いホモジナイズ光学素子は非常に高価であり、必要なコストが上昇する。一方、安価なホモジナイズ光学素子を用いると、レーザ光の断面の光強度分布にばらつきが生じ、きれいなフラットトップビームを得ることができない。

また、スリットを用いてガウシアン分布の中心部を切り取ると、加工に用いられない光量が多くなり、レーザ光の利用効率が低下し、消費電力が増大する。

さらに、光ファイバではコアからクラッドにエバネッセント光が漏れるため、いわゆるビームプロファイルが裾を引く状態となる。すなわち、光ファイバから出射されるレーザ光の断面の中央部では光強度分布がほぼ均一になるが、端部で光強度が弱くなってしまう。そのため、光強度が弱い部分において、変質した膜が除去されずに残ってしまう。

図１は、層１Ａおよび層１Ｂの２層構造の加工対象物１に対して、光ファイバから出射されるフラットトップビームを用いて層１Ａの一部を直線状に除去した場合の加工部分を模式的に示している。図１の上の図は、加工対象物１の加工面の平面図であり、下の図は加工対象物１のＡＡ断面図である。

この例では、レーザ光を右方向に走査することにより、楕円形のスポット２ａ乃至２ｈが加工対象物１に照射され、スポット２ａ乃至２ｈが照射された部分で層１Ａが除去されている。ただし、上述したように、光ファイバから出射されるレーザ光の断面の端部の光強度が弱い。そのため、スポット２ａ乃至２ｂの端部で、層１Ａを構成する膜が変質し、除去されずに残ってしまう。この変質した膜は、スポットが重なる部分においても除去されずに残ってしまう。そして、例えば、加工対象物１が薄膜太陽電池パネルである場合、除去されずに残った膜により漏電が発生し、発電効率が悪化する。

また、特許文献１に記載の技術では、拡散板の拡散面がワークの加工面に結像され、加工面に映り込むため、均質な加工を行うことができない。さらに、拡散板によりレーザ光が拡散されるので、十分な光量のレーザ光が加工面に到達しなかったり、レーザ光の利用効率が低下したりする。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、コストの上昇およびレーザ光の利用効率の低下を抑制しつつ、レーザ加工の品質を向上させるようにするものである。

本発明の一側面のレーザ加工装置は、レーザ光を出射するレーザ出射手段と、レーザ光が導入され、レーザ光の出射端面での強度をほぼ均一にして出射する光ファイバと、レーザ光が通過する開口部の周囲がレーザ光を透過する誘電体により形成され、誘電体の光軸方向の厚みが開口部に近いほど小さくなるように誘電体に傾斜面が設けられているスリットと、光ファイバから出射されたレーザ光を、スリットの入射面において、開口部を含むように結像させる第１の結像手段と、スリットの開口部を通過したレーザ光を結像させる第２の結像手段とを含み、開口部の外周における誘電体の光軸方向の厚みによる開口部の結像位置のズレ量が、第２の結像手段の焦点深度以下になる。

本発明の一側面のレーザ加工装置においては、レーザ光が、光ファイバにより断面の光強度がほぼ均一にされ、スリットの入射面においてスリットの開口部を含むように結像され、スリットにより断面の端部の光強度の弱い部分が除去されてから結像する。

従って、断面の光強度分布が均一なレーザ光を容易に得ることができる。また、コストの上昇およびレーザ光の利用効率の低下を抑制しつつ、レーザ加工の品質を向上させることができる。さらに、誘電体の光軸方向の厚みによるスリット像のボケの発生を防止することができる。

このレーザ出射手段は、例えば、ＬＤを励起光源に用い、Ｎｄ：ＹＡＧをレーザ媒体に用いたマルチモードのＱ−ＳＷレーザ発振器により構成される。この第１の結像手段は、例えば、コリメータレンズと結像レンズにより構成される。この第２の結像手段は、例えば、結像レンズとｆθレンズまたは結像レンズと対物レンズにより構成される。

この光ファイバの断面およびこのスリットの開口部は、矩形にすることができる。

これにより、より有効にレーザ光を利用することができる。

スリットの誘電体により屈折されたレーザ光を遮光する遮光手段をさらに設けることができる。

これにより、屈折されたレーザ光が外部に漏れないようにすることができる。

この遮光手段は、例えば、遮光板により構成される。

本発明の一側面によれば、断面の光強度分布が均一なレーザ光を容易に得ることができる。また、本発明の一側面によれば、コストの上昇およびレーザ光の利用効率の低下を抑制しつつ、レーザ加工の品質を向上させることができる。

従来のレーザ加工装置による加工結果の例を模式的に示す図である。 本発明を適用したレーザ加工装置の第１の実施の形態を示す図である。 角形光ファイバの端面を示す図である。 角形光ファイバに導入される前と導入され出射された後のマルチモードのレーザ光の断面の光強度分布の例を示す図である。 角形光ファイバに導入される前と導入され出射された後のシングルモードのレーザ光の断面の光強度分布の例を示す図である。 スリットの第１の実施の形態の構成例を示す平面図である。 スリットの第１の実施の形態の構成例を示す斜視図である。 スリットの第１の実施の形態の構成例を示す断面図である。 本発明を適用したレーザ加工装置による加工結果の例を模式的に示す図である。 スリットの設計値について説明するための図である。 本発明を適用したレーザ加工装置の第２の実施の形態を示す図である。 プリズムの固定方法の例を説明するための図である。 プリズムの固定方法の例を説明するための図である。 スリットの第２の実施の形態の構成例を示す平面図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（エッジデリーションを行うレーザ加工装置の例）
２．第２の実施の形態（パターニングを行うレーザ加工装置の例）
３．変形例など

＜１．第１の実施の形態＞
図２乃至図９を参照して、本発明の第１の実施の形態について説明する。

［レーザ加工装置の構成例］
図２は、本発明を適用したレーザ加工装置の第１の実施の形態を示す図である。図２のレーザ加工装置１０１は、薄膜太陽電池パネル１０２のエッジデリーションを行うための装置である。

レーザ加工装置１０１は、パルス発生器１１１、遅延回路１１２、ＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）レーザ発振器１１３、基本波レーザ発振器１１４、アッテネータ（ＡＴＴ）１１５ａ，１１５ｂ、コリメータレンズ１１６ａ，１１６ｂ、調整機構付きの全反射ミラー１１７、２波長結合ミラー１１８、２波長結合レンズ１１９、角形光ファイバ１２０、２波長コリメータレンズ１２１、２波長結像レンズ１２２、スリット１２３、遮光板１２４ａ乃至１２４ｄ、２波長結像レンズ１２５、２波長スキャンミラー１２６ａ，１２６ｂ、および、２波長ｆθレンズ１２７を含むように構成される。

パルス発生器１１１は、所定の周波数のパルス信号（以下、出射指令信号と称する）を生成し、生成した出射指令信号を、ＳＨＧレーザ発振器１１３に直接供給するととともに、遅延回路１１２を介して、基本波レーザ発振器１１４に供給する。

遅延回路１１２は、パルス発生器１１１から供給される出射指令信号を、設定された時間だけ遅延させて、基本波レーザ発振器１１４に供給する。なお、遅延回路１１２は、出射指令信号の遅延時間Ｄを、電気的なコントロールにて自在に変更することが可能である。

ＳＨＧレーザ発振器１１３は、例えば、レーザダイオード（以下、ＬＤと称する）を励起光源に用い、Ｎｄ：ＹＡＧをレーザ媒体に用いたマルチモードのＱ−ＳＷレーザ発振器により構成される。ＳＨＧレーザ発振器１１３は、パルス発生器１１１から供給される出射指令信号に同期して、基本波（波長が１０６４ｎｍ）の１／２の波長（５３２ｎｍ）の横モードがマルチモードのパルス状のレーザ光（以下、ＳＨＧレーザ光と称する）を出射する。ＳＨＧレーザ発振器１１３から出射されたＳＨＧレーザ光は、アッテネータ１１５ａにより減衰され、コリメータレンズ１１６ａによりコリメートされ、２波長結合ミラー１１８に入射する。

基本波レーザ発振器１１４は、例えば、ＬＤを励起光源に用い、Ｎｄ：ＹＡＧをレーザ媒体に用いたマルチモードのＱ−ＳＷレーザ発振器により構成される。基本波レーザ発振器１１４は、遅延回路１１２を介してパルス発生器１１１から供給される出射指令信号に同期して、ＳＨＧレーザ発振器１１３からＳＨＧレーザ光が出射されてから遅延時間Ｄが経過した後、基本波（波長が１０６４ｎｍ）の横モードがマルチモードのパルス状のレーザ光（以下、基本波レーザ光と称する）を出射する。基本波レーザ発振器１１４から出射された基本波レーザ光は、アッテネータ１１５ｂにより減衰され、コリメータレンズ１１６ｂによりコリメートされ、全反射ミラー１１７により２波長結合ミラー１１８の方向に反射される。

なお、アッテネータ１１５ａ，１１５ｂの減衰量は可変であり、任意の値に設定することが可能である。

２波長結合ミラー１１８は、ＳＨＧレーザ光の波長域を透過し、基本波レーザ光の波長域を反射する特性を有している。従って、２波長結合ミラー１１８に入射したＳＨＧレーザ光は、そのまま２波長結合ミラー１１８を透過し、２波長結合レンズ１１９に入射する。また、２波長結合ミラー１１８に入射した基本波レーザ光は、２波長結合ミラー１１８により２波長結合レンズ１１９の方向に反射され、２波長結合レンズ１１９に入射する。

２波長結合レンズ１１９は、ＳＨＧレーザ光および基本波レーザ光の波長が異なる２つのレーザパルスを同じ焦点位置に集光し、角形光ファイバ１２０に導入する。

角形光ファイバ１２０は、マルチモードの光ファイバにより構成される。また、図３は、角形光ファイバ１２０の端面（入射面または出射面）を示しているが、このように、角形光ファイバ１２０の出射口１４１の断面は矩形となっている。従って、角形光ファイバ１２０を通過したＳＨＧレーザ光および基本波レーザ光は、その断面が矩形に成形されて角形光ファイバ１２０から出射される。

また、上述したように、ＳＨＧレーザ光および基本波レーザ光は、マルチモードのレーザパルスであり、角形光ファイバ１２０に導入される前の各レーザ光の断面の光強度分布は、図４の左側に示されるように、いくつかのピークを有する。一方、マルチモードのレーザパルスは干渉性（コヒーレンシ）が低いため、角形光ファイバ１２０内で多重反射されてから出射される各レーザ光の断面の光強度分布は、図４の右側に示されるように、干渉縞がなく、ピークがほぼフラットになる。すなわち、角形光ファイバ１２０の出射端面での各レーザ光の断面の光強度は、その中心からの距離に関わらずほぼ均一となる。ただし、上述したように、角形光ファイバ１２０のコアからクラッドにエバネッセント光が漏れるため、点線で囲まれる部分のように、レーザ光の断面の端部で光強度が弱い領域が現れる。

なお、仮に、ＳＨＧレーザ光および基本波レーザ光にシングルモードのレーザパルスを用いるようにした場合、角形光ファイバ１２０に導入される前の各レーザ光の断面の光強度分布は、図５の左側に示されるように、レーザ光の中心を中心とするガウス分布に従う。そして、シングルモードのレーザパルスは干渉性が高いため、角形光ファイバ１２０の内部で干渉し、角形光ファイバ１２０から出射される各レーザ光には、干渉縞の一種であるスペックルが生じてしまう。すなわち、角形光ファイバ１２０から出射される各レーザ光の断面の光強度分布において、図５の右側に示されるように、不均一で非常に高いピークがいくつか生じてしまう。

角形光ファイバ１２０から出射されたＳＨＧレーザ光および基本波レーザ光は、２波長コリメータレンズ１２１によりコリメートされ、２波長結像レンズ１２２により、スリット１２３の入射面において結像する。スリット１２３は、矩形の開口部１２３Ａ（図６）が設けられており、ＳＨＧレーザ光および基本波レーザ光の断面を、開口部１２３Ａの形状に制限する。

ここで、図６乃至図８を参照して、スリット１２３の開口部１２３Ａ付近の構成例について説明する。図６は、２波長結像レンズ１２２側から見たスリット１２３の平面図である。なお、位置を分かりやすくするために開口部１２３Ａに網掛けを付している。図７は、２波長結像レンズ１２５側から見たスリット１２３の斜視図である。図８は、スリット１２３のＡＡ断面図である。

なお、以下、ＳＨＧレーザ光および基本波レーザ光を個々に区別する必要がない場合、単にレーザ光と称する。

スリット１２３の開口部１２３Ａは、同じ形状のプリズム１５１ａ乃至プリズム１５１ｄの４つのプリズムにより形成されている。プリズム１５１ａ乃至１５１ｄは、例えば、石英、ルビー、ＢＫ７（商標）、パイレックス（登録商標）など、レーザ光を透過する透明または半透明の誘電体からなる。

また、プリズム１５１ａ乃至１５１ｄは、板状の誘電体の長手方向の一端に傾斜面（テーパ面）を設けた形状を有している。例えば、プリズム１５１ａの長手方向の一端には、互いに平行な面１６１ａおよび面１６２ａに対して所定の角度だけ傾けられた傾斜面１６３ａが形成されている。他のプリズム１５１ｂ乃至１５１ｄも同様に、長手方向の一端に傾斜面１６３ｂ乃至１６３ｄが設けられている。

なお、以下、プリズム１５１ａ乃至１５１ｄ、面１６１ａ乃至１６１ｄ、面１６２ａ乃至１６２ｄ、および、傾斜面１６３ａ乃至１６３ｄを、それぞれ個々に区別する必要がない場合、単に、プリズム１５１、面１６１、面１６２、および、傾斜面１６３と称する。

図６に示されるように、プリズム１５１ａ乃至１５１ｄは、２波長結像レンズ１２２側から見て、２波長結像レンズ１２２の光軸Ｐを中心に十字に配置されている。

具体的には、プリズム１５１ａとプリズム１５１ｂは、所定の間隔を開けて、光軸Ｐを中心に対称に配置されている。より具体的には、プリズム１５１ａは、面１６１ａおよび面１６２ａが光軸Ｐに対して垂直となり、面１６２ａおよび傾斜面１６３ａが２波長結像レンズ１２２側を向くように配置されている。同様に、プリズム１５１ｂは、面１６１ｂおよび面１６２ｂが光軸Ｐに対して垂直となり、面１６２ｂおよび傾斜面１６３ｂが２波長結像レンズ１２２側を向くように配置されている。また、プリズム１５１ａの傾斜面１６３ａが形成されている端部（以下、プリズム１５１ａの先端と称する）と、プリズム１５１ｂの傾斜面１６３ｂが形成されている端部（以下、プリズム１５１ｂの先端と称する）とが共に光軸Ｐ側を向き、互いに対面している。従って、開口部１２３Ａの周辺におけるプリズム１５１ａおよびプリズム１５１ｂの光軸Ｐ方向の厚みは、傾斜面１６３ａおよび傾斜面１６３ｂにより、開口部１２３Ａに近いほど小さくなり、遠いほど大きくなる。

また、プリズム１５１ｃとプリズム１５１ｄは、プリズム１５１ａとプリズム１５１ｂの並びに対して光軸Ｐを中心に９０度回転した方向に、所定の間隔を開けて、光軸Ｐを中心に対称に配置されている。より具体的には、プリズム１５１ｃは、面１６１ｃおよび面１６２ｃが光軸Ｐに対して垂直となり、面１６２ｃおよび傾斜面１６３ｃが２波長結像レンズ１２５側を向くように配置されている。同様に、プリズム１５１ｄは、面１６１ｄおよび面１６２ｄが光軸Ｐに対して垂直となり、面１６２ｄおよび傾斜面１６３ｄが２波長結像レンズ１２５側を向くように配置されている。すなわち、プリズム１５１ａおよびプリズム１５１ｂの傾斜面１６３と、プリズム１５１ｃおよびプリズム１５１ｄの傾斜面１６３との向きが逆になっている。

また、プリズム１５１ｃの傾斜面１６３ｃが形成されている端部（以下、プリズム１５１ｃの先端と称する）と、プリズム１５１ｄの傾斜面１６３ｄが形成されている端部（以下、プリズム１５１ｄの先端と称する）とが共に光軸Ｐ側を向き、互いに対面している。従って、開口部１２３Ａの周辺におけるプリズム１５１ｃおよびプリズム１５１ｄの光軸Ｐ方向の厚みは、傾斜面１６３ｃおよび傾斜面１６３ｄにより、開口部１２３Ａに近いほど小さくなり、遠いほど大きくなる。

また、プリズム１５１ａとプリズム１５１ｂは、プリズム１５１ｃとプリズム１５１ｄより、２波長結像レンズ１２２に近い側に配置されている。さらに、２波長結像レンズ１２２側から見て、プリズム１５１ａの一部が、プリズム１５１ｃの一部およびプリズム１５１ｄの一部と重なり、プリズム１５１ｂの一部が、プリズム１５１ｃの一部およびプリズム１５１ｄの一部と重なっている。そして、２波長結像レンズ１２２側から見て、プリズム１５１ａ乃至１５１ｄの先端により囲まれる位置に、開口部１２３Ａが形成される。開口部１２３Ａの中心は、光軸Ｐの中心と一致する。

従って、図８に示されるように、スリット１２３に入射したレーザ光のうち、開口部１２３Ａに入射した光は、そのまま開口部１２３Ａを通過し、２波長結像レンズ１２５に入射する。一方、スリット１２３に入射したレーザ光のうち、プリズム１５１ｃに入射した光は、プリズム１５１ｃにより屈折して遮光板１２４ｃに入射し、２波長結像レンズ１２５には入射しない。同様に、プリズム１５１ａに入射した光は、プリズム１５１ａにより屈折して遮光板１２４ａに入射し、プリズム１５１ｂに入射した光は、プリズム１５１ｂにより屈折して遮光板１２４ｂに入射し、プリズム１５１ｄに入射した光は、プリズム１５１ｃにより屈折して遮光板１２４ｄに入射し、それぞれ２波長結像レンズ１２５には入射しない。また、遮光板１２４ａ乃至１２４ｄにより、各プリズム１５１により屈折されたレーザ光が外部に漏れることが防止される。

なお、入射位置によって、プリズム１５１ａとプリズム１５１ｂのいずれかと、プリズム１５１ｃとプリズム１５１ｄのいずれかの２つのプリズムを通過する光が存在するが、その光も遮光板１２４ａ乃至１２４ｄのいずれかに入射し、２波長結像レンズ１２５には入射しない。

また、プリズム１５１ａ乃至１５１ｄは、その長手方向に平行移動させることができ、開口部１２３Ａの形や大きさを調整することができる。従って、開口部１２３Ａの形と大きさを適切に調整することにより、角形光ファイバ１２０から出射されたレーザ光の断面の端部の光強度の弱い部分（図４の点線で囲まれる部分）のみを除去し、光強度が均一な部分のみを通過させることができる。これにより、断面の光強度分布がより均一なレーザ光を得ることができるとともに、レーザ光の損失を抑え、利用効率を高めることができる。

さらに、プリズム１５１は、レーザ光を透過するので、強いレーザ光を照射しても熱がほとんど発生せず、レーザ光による損傷がほぼ発生しない。

図２に戻り、スリット１２３を通過したＳＨＧレーザ光および基本波レーザ光は、２波長結像レンズ１２５を透過し、２波長スキャンミラー１２６ａ，１２６ｂにより２波長ｆθレンズ１２７の方向に反射され、２波長ｆθレンズ１２７を透過し、薄膜太陽電池パネル１０２の加工面において結像する。

２波長スキャンミラー１２６ａ，１２６ｂは、例えば、ガルバノミラーまたはマイクロミラーなどにより構成され、所定の回転軸を中心に回転し、その回転角により、ＳＨＧレーザ光および基本波レーザ光の２波長ｆθレンズ１２７への入射位置および入射角が変化する。そして、２波長ｆθレンズ１２７への入射角および入射位置の変化に応じて、薄膜太陽電池パネル１０２の加工面におけるＳＨＧレーザ光および基本波レーザ光の結像位置が水平方向に移動する。すなわち、２波長スキャンミラー１２６ａ，１２６ｂにより、ＳＨＧレーザ光および基本波レーザ光の薄膜太陽電池パネル１０２への照射位置がスキャンされる。

また、スリット１２３を通過したＳＨＧレーザ光および基本波レーザ光の像（スリット１２３の開口部１２３Ａの像）は、２波長結像レンズ１２５および２波長ｆθレンズ１２７の焦点距離により定められる倍率で縮小されて結像する。具体的には、２波長結像レンズ１２５の焦点距離をａ、２波長ｆθレンズ１２７の焦点距離をｂとすると、スリット１２３の開口部１２３Ａの像はｂ／ａ倍に縮小される。

薄膜太陽電池パネル１０２は、シングル型の薄膜太陽電池パネルであり、図内上から、ガラス製の透明基板１０２Ａ、ＩＴＯ、ＳｎＯ_２、ＺｎＯなどのＴＣＯ（透明導電性酸化物）からなる透明電極層１０２Ｂ、ａ−Ｓｉからなる半導体層１０２Ｃ、Ａｇ電極からなる裏面電極層１０２Ｄの順に積層されている。そして、薄膜太陽電池パネル１０２に対して、セル集積領域の周縁部の裏面電極層１０２Ｄおよび半導体層１０２ＣをＳＨＧレーザ光により除去し、透明電極層１０２Ｂを基本波レーザ光により除去するエッジデリーションが行われる。

このようにして、レーザ加工装置１０１では、ホモジナイズ光学素子等の高価な部品や装置を用いずに、マルチモードのレーザ光を角形光ファイバ１２０およびスリット１２３を通過させるだけの安価で簡易な構成で、エッジデリーションに適した断面の光強度が均一なレーザ光を得るこができ、加工品質が向上する。また、レーザ光の損失を抑え、レーザ光の利用効率を高めることができる。

［レーザ加工装置による加工結果の例］
図９は、レーザ加工装置１０１による加工結果の例を模式的に示している。なお、図９では、先に示した図１と対応するように、層２０１Ａおよび層２０１Ｂの２層構造の加工対象物２０１に対して、ＳＨＧレーザ光または基本波レーザ光のいずれかのレーザ光を用いて、層２０１Ａの一部を直線上に除去した場合の加工部分を模式的に示している。図９の上の図は、加工対象物２０１の加工面の平面図であり、下の図は加工対象物２０１のＡＡ断面図である。

この例では、レーザ光を右方向に走査することにより、矩形のスポット２０２ａ乃至２０２ｆが加工対象物２０１に照射され、スポット２０２ａ乃至２０２ｆが照射された部分で層２０１Ａが除去されている。このとき、スリット１２３によりレーザ光の断面の端部の強度が弱い光が除去され、断面の光強度分布がほぼ均一になるので、スポット２０２ａ乃至２０２ｆの端部で、層２０１Ａを構成する膜が変質し、除去されずに残る量が削減される。その結果、例えば、加工対象物２０１が薄膜太陽電池パネルである場合、除去されずに残った膜により発生する漏電量が減少し、発電効率が向上する。

また、スポット２０２ａ乃至２０２ｆのような矩形のスポットを用いることにより、図１に示されるような楕円形のスポットを用いる場合と比較して、スポットをオーバラップさせる面積を減らすことができ、レーザ光の利用効率を高くしたり、加工スピードを速くしたりすることができる。

［プリズムの各部の設計値］
次に、図１０を参照して、プリズム１５１の各部の設計値について説明する。

図１０に示されるように、プリズム１５１の先端部は、機械強度や加工精度を保つために、ある程度の幅が設けられる。この幅、すなわち、開口部１２３Ａの外周におけるプリズム１５１の光軸Ｐ方向の厚み（≒開口部１２３の厚み）をｃとした場合、この厚みｃにより、薄膜太陽電池パネル１０２の加工面におけるスリット像（開口部１２３Ａの像）の結像位置にズレが生じる。このズレ量（ボケ量）をｄとした場合、２波長結像レンズ１２５の焦点距離ａ、２波長ｆθレンズ１２７の焦点距離ｂを用いて、ズレ量ｄ＝ｃ×（ｂ／ａ）^２となる。

一方、２波長ｆθレンズ１２７の焦点深度ｗは、レーザ光の波長をλ、２波長ｆθレンズ１２７の集光角を２θとすると、ｗ＝λ／（ｓｉｎθ）^２となる。なお、ｓｉｎθは、２波長ｆθレンズ１２７のＮＡである。そして、ズレ量ｄ≦２波長ｆθレンズ１２７の焦点深度ｗとなるようにプリズム１５１の先端の厚みｃを設計することにより、厚みｃによるスリット像のボケの発生を防止することができる。

なお、例えば、プリズム１５１の代わりに、レーザ光を遮断する金属板を用いた場合、プリズム１５１を用いる場合と比較して、厚みｃを大きくする必要がある。なぜなら、金属板はレーザ光を吸収し、それによって熱が発生するため、厚みｃを小さくすると、その熱によって金属板が溶解し、開口部の形状が変形してしまう恐れがあるためである。

また、図６乃至図８に示されるように、プリズム１５１ａおよびプリズム１５１ｂの面１６１と、プリズム１５１ｃおよびプリズム１５１ｄの面１６１とが対面するように配置されており、各プリズム１５１の先端を近接させることが可能である。従って、プリズム１５１ａおよびプリズム１５１ｂの先端と、プリズム１５１ｃおよびプリズム１５１ｄの先端との間の光軸Ｐ方向の隙間によるスリット像のボケの発生を防止することができる。

このように、スリット像のボケの発生を防止することにより、ボケにより生じるレーザ光の強度のムラがなくなり、加工品質が向上する。

また、プリズム１５１の先端の角度αは、プリズム１５１から出射されるレーザ光と、開口部１２３Ａを通過するレーザ光との間の角度が所定の大きさ以上となり、２つのレーザ光を十分に分離できる値に設定される。なお、図１０に示されているプリズム１５１ｃの傾斜面１６３ｃから出射されるレーザ光の出射角βは、プリズム１５１ｃの屈折率をｎとした場合、β＝ｎ×ｓｉｎαとなる。

＜２．第２の実施の形態＞
次に、図１１を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。

［レーザ加工装置の構成例］
図１１は、本発明を適用したレーザ加工装置の第２の実施の形態を示す図である。図１１のレーザ加工装置３０１は、薄膜太陽電池パネル１０２にパターンを描画するパターニングを行う装置である。なお、図中、図２と対応する部分には同じ符号を付してあり、処理が同じ部分については、繰返しになるので、その説明は省略する。

レーザ加工装置３０１は、ＳＨＧレーザ発振器１１３、アッテネータ（ＡＴＴ）１１５ａ、コリメータレンズ１１６ａ、レンズ３１１、角形光ファイバ１２０、コリメータレンズ３１２、結像レンズ３１３、スリット１２３、遮光板１２４ａ乃至１２４ｄ、結像レンズ３１４、ミラー３１５ａ，３１５ｂ、対物レンズ３１６、および、アクチュエータ３１７ａ，３１７ｂを含むように構成される。

ＳＨＧレーザ発振器１１３から出射されたＳＨＧレーザ光は、アッテネータ１１５ａにより減衰され、コリメータレンズ１１６ａによりコリメートされ、レンズ３１１により集光されて、角形光ファイバ１２０に導入される。

角形光ファイバ１２０に導入されたＳＨＧレーザ光は、その断面が矩形に成形されて角形光ファイバ１２０から出射され、コリメータレンズ３１２によりコリメートされ、結像レンズ３１３により、スリット１２３の入射面において結像する。

スリット１２３に入射したＳＨＧレーザ光のうち開口部１２３Ａに入射した光は、開口部１２３Ａを通過し、結像レンズ３１４を透過し、ミラー３１５ａ，３１５ｂにより対物レンズ３１６の方向に反射され、対物レンズ３１６を透過し、薄膜太陽電池パネル１０２の加工面において結像する。一方、スリット１２３に入射したＳＨＧレーザ光のうちプリズム１５１ａ乃至１５１ｄ（ただし、図１１ではプリズム１５１ｃ，１５１ｄのみ図示している）に入射した光は、プリズム１５１ａ乃至１５１ｄにより屈折され、遮光板１２４ａ乃至１２４ｄ（ただし、図１１では遮光板１２４ｃ，１２４ｄのみ図示している）に入射し、結像レンズ３１４には入射しない。

また、一般的に、パターニングは、エッジデリーションと比較して加工サイズが小さいため、レーザ加工装置１０１の２波長ｆθレンズ１２７より焦点距離の短いレンズが対物レンズ３１６に使用される。そして、焦点距離が短くなると焦点深度が浅くなるため、薄膜太陽電池パネル１０２の上下動に合わせて、対物レンズ３１６の焦点が加工面に合うように対物レンズ３１６を上下動させるアクチュエータ３１７ａ，３１７ｂが設けられている。

さらに、スリット１２３を通過したＳＨＧレーザ光の像（スリット１２３の開口部１２３Ａの像）は、結像レンズ３１４および対物レンズ３１６の焦点距離により定められる倍率で縮小されて結像する。具体的には、結像レンズ３１４の焦点距離をａ、対物レンズ３１６の焦点距離をｂとすると、スリット１２３の開口部１２３Ａの像はｂ／ａ倍に縮小される。

そして、例えば、ガントリローダなどによりレーザ加工装置３０１を移動させたり、薄膜太陽電池パネル１０２をステージに載置して移動させたり、あるいは、両方を移動させたりして、加工面におけるＳＨＧレーザ光の照射位置を移動させながら、薄膜太陽電池パネル１０２に対してパターニングが行われる。

レーザ加工装置１０１と同様に、レーザ加工装置３０１でも、ホモジナイズ光学素子等の高価な部品や装置を用いずに、マルチモードのレーザ光を角形光ファイバ１２０およびスリット１２３を通過させるだけの安価で簡易な構成で、パターニングに適した断面の光強度が均一なレーザ光を得るこができ、加工品質が向上する。また、レーザ光の損失を抑え、レーザ光の利用効率を高めることができる。

＜３．変形例など＞
［プリズムの固定方法］
図１２および図１３は、プリズム１５１の固定方法の例を示す図である。

図１２の例では、各プリズム１５１にキリ穴とザグリ穴からなる取付穴が２つずつ設けられている。例えば、プリズム１５１ａには、面１６１ａと面１６２ａを貫通するように取付穴４０１ａおよび取付穴４０２ａの２つの取付穴が設けられている。他のプリズム１５１についても同様である。そして、各プリズム１５１が、取付穴を介して、例えば、ボルトやネジなどにより所定の部材に固定される。

図１３の例では、プリズム１５１ａ乃至１５１ｄの面１６２に、それぞれ溝４１１ａ乃至４１１ｄが形成されている（ただし、溝４１１ｃは図示されていない）。そして、例えば、各プリズム１５１の溝に、例えば、テフロン（登録商標）製の帯を引っかけ、その帯によりプリズム１５１を所定の部材に固定する。

また、以上の説明では、プリズム１５１の片面のみに傾斜面１６３を設ける例を示したが、傾斜面を両面に設けるようにすることも可能である。ただし、傾斜面を両面に設けるようにした場合、プリズム１５１ａ乃至１５１ｄの先端を近接させることができなくなるので、注意が必要である。

さらに、以上の説明では、プリズム１５１によりレーザ光を屈折させる例を示したが、例えば、傾斜面１６３を反射面とすることで、レーザ光を反射させるようにしてもよい。

また、以上の説明では、スリット１２３の開口部１２３Ａを４つのプリズム１５１により形成する例を示したが、プリズム１５１の数は、この例に限定されるものではない。

さらに、例えば、図１４に示されるように、１つの誘電体によりスリットを構成するようにしてもよい。図１４の上の図は、スリット４５１の平面図を示し、下の図は、スリット４５１のＡＡ断面図を示している。なお、位置を分かりやすくするために開口部４５１Ａに網掛けを付している。

スリット４５１は、スリット１２３のプリズム１５１と同様の誘電体からなる。スリット４５１の中央には、開口部４５１Ａが形成され、開口部４５１Ａの周囲に傾斜面４５１Ｂ乃至４５１Ｅが形成されている。傾斜面４５１Ｂ乃至４５１Ｅは、スリット４５１の断面が、開口部４５１Ａに近いほど薄くなり、遠いほど厚くなるように形成されている。これにより、スリット１２３と同様に、スリット４５１に入射するレーザ光のうち、傾斜面４５１Ｂ乃至４５１Ｄに入射するレーザ光が屈折され、開口部４５１Ａを通過するレーザ光から分離される。

また、以上の説明では、角形光ファイバ１２０およびスリット１２３により、レーザ光の断面を矩形に成形して加工を行う例を示したが、本発明は、レーザ光の断面を矩形に成形せずに、円形のまま使用する場合にも適用できる。例えば、出射口の断面が円形の光ファイバ、および、開口部が円形で、スリット１２３およびスリット４５１と同様に開口部の周囲に傾斜面が設けられているスリットを用いることにより、断面が円形で、断面の光強度分布が均一なレーザ光を得ることができる。

例えば、このレーザ光を用いてエッジデリーションやパターニングを行った場合、断面が矩形のレーザ光を用いる場合と同様に、変質して除去されない膜の量を削減することができる。また、例えば、このレーザ光を用いて穴開け加工を行った場合、断面の光強度分布が均一なので、加工部分のエッジがシャープで美観に優れた加工を行うことができる。

さらに、角形光ファイバ１２０から出射されたレーザ光がスリット１２３の開口部１２３Ａを含むように結像される範囲で、角形光ファイバ１２０の出射口１４１の断面の角に丸みを帯びさせるようにすることも可能である。

また、以上の説明では、各プリズム１５１に対して１つずつ遮光板を設ける例を示したが、各プリズム１５１で屈折されるレーザ光を遮光することができれば、プリズムの数はこれに限定されるものではない。例えば、遮光板の形状を断面が円形または矩形の筒状とし、筒の中心と光軸Ｐとが一致するように遮光板を配置するようにしてもよい。

なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。なお、本発明の範囲は、特許請求の範囲と均等の範囲内での全ての変更が含まれる。

１０１ レーザ加工装置
１０２ 薄膜太陽電池パネル
１１３ ＳＨＧレーザ発振器
１１４ 基本波レーザ発振器
１２０ 角形光ファイバ
１２１ ２波長コリメータレンズ
１２２ ２波長結像レンズ
１２３ スリット
１２３Ａ 開口部
１２４ａ乃至１２４ｄ 遮光板
１２５ ２波長結像レンズ
１２７ ２波長ｆθレンズ
１５１ａ乃至１５１ｄ プリズム
１６３ａ乃至１６３ｄ 傾斜面
３０１ レーザ加工装置
３１２ コリメータレンズ
３１３，３１４ 結像レンズ
３１６ 対物レンズ
４５１ スリット
４５１Ａ 開口部
４５１Ｂ乃至４５１Ｅ 傾斜面

Claims (3)

1. レーザ光を出射するレーザ出射手段と、
   前記レーザ光が導入され、前記レーザ光の出射端面での強度をほぼ均一にして出射する光ファイバと、
   レーザ光が通過する開口部の周囲が前記レーザ光を透過する誘電体により形成され、前記誘電体の光軸方向の厚みが前記開口部に近いほど小さくなるように前記誘電体に傾斜面が設けられているスリットと、
   前記光ファイバから出射された前記レーザ光を、前記スリットの入射面において、前記開口部を含むように結像させる第１の結像手段と、
   前記スリットの前記開口部を通過した前記レーザ光を結像させる第２の結像手段と
   を含み、
   前記開口部の外周における前記誘電体の光軸方向の厚みによる前記開口部の結像位置のズレ量が、前記第２の結像手段の焦点深度以下になる
   ことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記光ファイバの断面および前記スリットの前記開口部が矩形である
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記スリットの前記誘電体により屈折された前記レーザ光を遮光する遮光手段を
   さらに含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。

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