JP5611455B2 - レーザ加工装置及び方法 - Google Patents
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Description
本発明は、薄膜太陽電池、液晶、有機ＥＬ、プラズマディスプレイ等のフラットパネル機器における基板上の薄膜分断加工（スクライブ）および結晶系太陽電池のパッシベーション膜開口加工を行うレーザ加工装置及び方法に関する。
一般的に、薄膜シリコン太陽電池は、透明絶縁基板上に透明電極層、一つ以上の光電変換ユニット層、裏面電極層をこの順に積層して製造され、透明絶縁基板側から透明導電膜を透過した光を、光電変換層で吸収して透明電極層及び裏面電極層に電流を発生させる構造となっている。
一つの光電変換ユニット層は、ｐ型半導体からなるｐ型層とｎ型半導体からなるｎ型層とを用いて真性半導体からなるｉ型層を挟み込む構造となっており、光電変換作用は主にこのｉ型層内で生じる。
ｐ型層及びｎ型層が非晶質シリコンであるか結晶質シリコンであるか否かに関わらず、ｉ型層が非晶質シリコンからなる光電変換ユニットを非晶質系光電変換ユニット、ｉ型層が結晶質シリコンからなる光電変換ユニットを結晶質系光電変換ユニットと称する。
非晶質ｉ型層は、主に可視域の波長の光を吸収するのに対して、結晶質ｉ型層は赤外域の波長まで吸収することが可能であるため、結晶質系光電変換ユニットは非晶質系光電変換ユニットと比較すると、長波長の光まで光電変換に利用できるという利点を持つ。
ただし、非晶質ｉ型層の光吸収係数が約３×１０４であるのに対して、結晶質ｉ型層の光吸収係数は約３×１０３であるため、結晶質系光電変換ユニットのｉ型層は非晶質系光電変換ユニットのｉ型層と比べると約１０倍程度の厚さが必要とされる。
この非晶質系光電変換ユニットと結晶質系光電変換ユニットとの吸収波長域の違いを利用して薄膜シリコン太陽電池の変換効率を向上させる試みがなされている。光入射側に１以上の非晶質系光電変換ユニットを配置し、その後ろに１以上の結晶質系光電変換ユニットを配置するという手法である。このとき、さらなる発電効率の向上のため、非晶質系光電変換ユニットと結晶質系光電変換ユニットとの間にシリコンとゲルマニウムとの合金を配置する場合もある。
このような２種類の光電変換ユニットを積層させた薄膜シリコン太陽電池をタンデム型薄膜シリコン太陽電池と称する。
薄膜シリコン太陽電池の製造においては、１枚の基板を複数のセルに分割し各セルを直列接続させる（以降、直列接続させた薄膜シリコン太陽電池を“集積型薄膜シリコン太陽電池”といい、直列接続させることを“集積化”と言う。）ことにより、透明電極層の抵抗に起因する電流のロスを抑制している。
薄膜シリコン太陽電池を１枚の基板内で直列接続するためには、まず透明絶縁基板上に成膜された透明電極層を絶縁分離する溝（以下、層を分離するための溝を“スクライブ溝”と言う。）を形成する（以下、スクライブ溝を形成することを“スクライブする”と言う。）。次に、透明電極層上に成膜された光電変換ユニット層をスクライブし、裏面電極層と透明電極層とをコンタクトさせるためのスクライブ溝を形成する。さらに、光電変換ユニット層上に成膜された裏面電極層をスクライブし、各セルを絶縁分離するためのスクライブ溝を形成する。各セルを絶縁するためのスクライブ溝は裏面電極層だけでなく光電変換ユニット層も同時に除去している。各セルを絶縁するためのスクライブ溝は、透明電極層を絶縁分離するスクライブ溝に対して光電変換ユニット層をスクライブするスクライブ溝をずらした方向と同じ方向にずらして形成する。以上により、薄膜シリコン太陽電池の１枚の基板上で複数のセルが直列に接続される。
このとき、透明電極層を絶縁分離するスクライブ溝と各セルを絶縁分離するためのスクライブ溝とに短絡が発生すると、太陽電池として機能しなくなるため、薄膜シリコン太陽電池の直列接続形成において、基板に形成された透明電極層、光電変換ユニット層、裏面電極層などの薄膜をスクライブする技術は非常に重要である。
一般的に集積型薄膜シリコン太陽電池を製造するためのスクライブには、フォトエッチングと比較して工程数を減らすことができるなどの理由から、レーザ加工が用いられている。レーザ加工を用いた薄膜シリコン太陽電池のスクライブ（以下、“レーザスクライブ法”と言う。）では、薄膜の光吸収波長に合わせたレーザを用いて、薄膜を加熱、あるいは、薄膜に含まれる一部の成分の気化を利用して、レーザ照射部の薄膜を取り除いている（例えば、特許文献１参照。）。
裏面電極層と透明電極層とをコンタクトさせるためのスクライブ溝の形成の際は、光電変換ユニット層側からのレーザの照射では清浄なスクライブ溝を形成することが困難である。このため、透明絶縁基板側からレーザを照射し、光電変換ユニット層にビームエネルギーを吸収させ加熱することにより、光電変換ユニット層内に含まれる水素原子の気化による爆発を利用して光電変換ユニット層を吹き飛ばすことによって裏面電極層と透明電極層とをコンタクトさせるためのスクライブ溝を形成する。
各セルを絶縁分離するためのスクライブ溝の形成の際は、裏面電極層側からのレーザの照射では清浄なスクライブ溝を形成することが困難であり、また裏面電極層が光反射性を有していることから高い照射エネルギー密度が必要となる。このため、透明絶縁基板側からレーザを照射し、光電変換ユニット層にビームエネルギーを吸収させ光電変換ユニット層に含まれる水素原子の気化による爆発を利用して光電変換ユニット層及び光電変換ユニット層上に成膜された裏面電極層を同時に吹き飛ばすことにより各セルを絶縁分離するためのスクライブ溝を形成する。
このようにして作成された集積型薄膜シリコン太陽電池において、発電に寄与するのはスクライブ溝が形成されていない領域（発電領域）であり、スクライブ溝が形成されている領域（接続領域）は発電には寄与しない。よって、接続領域が拡大すると受光面積当たりの発電効率が低下するため、接続領域はできるだけ小さくすることが望まれる。
タンデム型薄膜シリコン太陽電池に関しても、上記の薄膜シリコン太陽電池の集積化と同様の手順により集積化がなされる（例えば、特許文献２参照。）。
タンデム型薄膜シリコン太陽電池は、光電変換ユニット層において厚さ３００ｎｍ程度の非晶質系光電変換ユニット層の上部に厚さ３μｍ程度の結晶質系光電変換ユニット層が積層されているため、裏面電極層と透明電極層とをコンタクトさせるためのスクライブ溝及び各セルを絶縁分離するためのスクライブ溝を形成する際、透明絶縁基板側から照射されたレーザは、非晶質系光電変換ユニット層で約９５％程度吸収されることとなり、結晶質系光電変換ユニット層へは入射エネルギーの約５％程度しか到達しないこととなる。そのため、結晶質系光電変換ユニット層を吹き飛ばすほど結晶質形光電変換ユニット層に含まれる水素原子を加熱することができず、結晶質系光電変換ユニット層のスクライブは下部層の非晶質系光電変換ユニット層の爆発によってなされることとなる。
結晶質系光電変換ユニット層は非晶質系光電変換ユニット層の十倍程度の厚さを持っているため、ビーム径３０〜６０μｍ程度のビームを用いてレーザスクライブを行うと、非晶質系光電変換ユニット層に含まれる水素原子の爆発では、結晶質系光電変換ユニット層を吹き飛ばすのに十分な力を加えることができず、結晶系光電変換ユニット層で膜剥がれが発生する。その結果、裏面電極層と透明電極層とをコンタクトさせるためのスクライブ溝及び各セルを絶縁分離するためのスクライブ溝の側面には横方向の長さが１０〜２０μｍ程度のテーパが発生し、非晶質系光電変換ユニットのみで形成された薄膜シリコン太陽電池（以下、“非晶質系薄膜シリコン太陽電池”と言う。）と比較してスクライブ溝幅が拡がることとなる。
このように、集積型タンデム型薄膜シリコン太陽電池のテーパ部を含めたスクライブ溝の幅は非晶質系薄膜シリコン太陽電池のスクライブ溝の幅と比較して約２０〜４０μｍ程度拡がることとなり、接続領域を縮小することが困難となる。すなわち、タンデム型薄膜シリコン太陽電池は集積化に起因して受光面積当たりの変換効率が低下してしまうという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、集積型タンデム型薄膜シリコン太陽電池の集積化に伴う変換効率の低下を抑制可能なレーザ加工装置及び方法を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、レーザ源から発せられたレーザビームを透明基板上に積層された薄膜へ照射して薄膜の分断加工を行うレーザ加工装置であって、薄膜に照射されるレーザビームの断面形状を、分断加工の進行方向前方に突出する第１の突起部を有する形状に整形するビーム形状整形光学系を有することを特徴とする。
本発明によれば、レーザスクライブによってスクライブ溝を形成する際に生じるテーパ面の幅を小さくできるという効果を奏する。
以下に、本発明にかかるレーザ加工装置及び方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
まず、長方形ビームでスクライブを行った集積型タンデム型薄膜シリコン太陽電池の課題について図面に基づいて説明する。図８は、集積型薄膜シリコン太陽電池の模式的な断面図であり、ここでは透明絶縁基板１１側を下側、裏面電極層１４（１４１、１４２、１４３、・・・）側を上側とする。また、この例においては、太陽光は透明絶縁基板１１側から照射される。スクライブ溝２０１（２０１１、２０１２、・・・）は、透明電極層１２（１２１、１２２、１２３、・・・）を絶縁分離しており、紙面に直交する方向に直線状に延びている。スクライブ溝２０２（２０２１、２０２２、・・・）も、紙面に直交する方向に直線状に延びており、スクライブ溝２０１とは交差しない。スクライブ溝２０３（２０３１、２０３２、・・・）も紙面に直交する方向に直線状に延びており、スクライブ溝２０２と交差していない。
まず、長方形ビームでスクライブを行った集積型タンデム型薄膜シリコン太陽電池の課題について図面に基づいて説明する。図８は、集積型薄膜シリコン太陽電池の模式的な断面図であり、ここでは透明絶縁基板１１側を下側、裏面電極層１４（１４１、１４２、１４３、・・・）側を上側とする。また、この例においては、太陽光は透明絶縁基板１１側から照射される。スクライブ溝２０１（２０１１、２０１２、・・・）は、透明電極層１２（１２１、１２２、１２３、・・・）を絶縁分離しており、紙面に直交する方向に直線状に延びている。スクライブ溝２０２（２０２１、２０２２、・・・）も、紙面に直交する方向に直線状に延びており、スクライブ溝２０１とは交差しない。スクライブ溝２０３（２０３１、２０３２、・・・）も紙面に直交する方向に直線状に延びており、スクライブ溝２０２と交差していない。
スクライブ溝２０２は、透明絶縁基板１１側からレーザを照射し、光電変換ユニット層１３（１３１、１３２、１３３、・・・）にビームエネルギーを吸収させ加熱することにより、光電変換ユニット層１３内に含まれる水素原子の気化による爆発を利用して光電変換ユニット層１３を吹き飛ばすことによって形成される。
スクライブ溝２０３は、透明絶縁基板１１側からレーザを照射し、光電変換ユニット層１３にビームエネルギーを吸収させ光電変換ユニット層１３に含まれる水素原子の気化による爆発を利用して光電変換ユニット層１３及び光電変換ユニット層１３上に成膜された裏面電極層１４を同時に吹き飛ばすことにより形成されている。
図８に示す集積型薄膜シリコン太陽電池において、発電に寄与するのは発電領域Ａであり、接続領域Ｂは発電には寄与しない。
図９は、集積型タンデム型薄膜シリコン太陽電池の模式的な断面図である。ここでは透明絶縁基板１１側を下側、裏面電極層１４（１４１、１４２、１４３、・・・）側を上側とする。また、この例においては、太陽光は透明絶縁基板１１側から照射される。スクライブ溝２０１（２０１１、２０１２、・・・）は、透明電極層１２（１２１、１２２、１２３、・・・）を絶縁分離している。タンデム型薄膜シリコン太陽電池に関しても、上記の薄膜シリコン太陽電池の集積化と同様に集積化がなされる。ただし、タンデム型薄膜シリコン太陽電池は、光電変換ユニット層１３（１３１、１３２、１３３、・・・）において厚さ３００ｎｍ程度の非晶質系光電変換ユニット層２１（２１１、２１２、２１３、・・・）の上部に厚さ３μｍ程度の結晶質系光電変換ユニット層２２（２２１、２２２、２２３、・・・）が積層されているため、スクライブ溝２０２（２０２１、２０２２、・・・）及びスクライブ溝２０３（２０３１、２０３２、・・・）を形成する際、透明絶縁基板１１側から照射されたレーザは、非晶質系光電変換ユニット層２１で約９５％程度吸収されることとなり、結晶質系光電変換ユニット層２２へは入射エネルギーの約５％程度しか到達しないこととなる。そのため、結晶質系光電変換ユニット層２２を吹き飛ばすほど結晶質形光電変換ユニット層２２に含まれる水素原子を加熱することができず、結晶質系光電変換ユニット層２２のスクライブは下部層の非晶質系光電変換ユニット層２１の爆発によってなされることとなる。
結晶質系光電変換ユニット層２２は非晶質系光電変換ユニット層２１の十倍程度の厚さを持っているため、ビーム径３０〜６０μｍ程度のビームを用いてレーザスクライブを行うと、非晶質系光電変換ユニット層２１に含まれる水素原子の爆発では、結晶質系光電変換ユニット層２２を吹き飛ばすのに十分な力を加えることができず、結晶系光電変換ユニット層２２で膜剥がれが発生する。その結果、スクライブ溝２０２及びスクライブ溝２０３の側面には横方向の長さＤ（１０〜２０μｍ程度）のテーパが発生し、非晶質系薄膜シリコン太陽電池のスクライブ溝幅Ｌと比較してスクライブ溝幅が拡がることとなる。これにより、裏面電極層１４（１４１、１４２、１４３、・・・）の面積も小さくなるため、受光面積当たりの変換効率が低下してしまう。
図１は、長方形ビームによりタンデム型薄膜シリコン太陽電池をスクライブした際の加工痕を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）で観測した結果を示す顕微鏡写真である。図２は、ビーム形状による最大応力点の発生場所を説明するための図である。図３は、実施の形態１のレーザスクライブ法に用いるレーザビームのビーム形状の一例である。図４は、実施の形態１のレーザスクライブ法を用いた加工装置の一例である。図５は、実施の形態１のレーザスクライブ法によるタンデム型薄膜シリコン太陽電池の加工痕形状図及びその断面図である。図６は、実施の形態１のレーザスクライブ法によって加工された集積型タンデム型薄膜シリコン太陽電池の構造を示す図である。
図１に示すＳＥＭ画像は、断面形状が長方形で大きさが約４０μｍ×８０μｍのレーザビームを用いて、タンデム型薄膜シリコン太陽電池のレーザスクライブを行った結果を示すものである。図１に示すように、長方形ビームをレーザスクライブに用いると、加工痕の長辺側においては幅２０μｍ程度の幅の広いテーパ３０２が発生し、短辺側においては幅５〜１０μｍの幅の狭いテーパ３０１が発生することが見てとれる。スクライブ溝底面４０１はビーム形状を反映しており、ほぼ同じ形状・大きさになっている。長方形ビームをタンデム型薄膜シリコン太陽電池に照射すると、非晶質系光電変換ユニット層２１に含まれる水素原子の爆発も長方形状に発生することとなる。そのため、水素爆発によって非晶質系光電変換ユニット２１の上部層である結晶系光電変換ユニット層２２及び裏面電極層１４にかかる応力は、長方形の長辺側中央において最大となる。
図１に示した長方形ビームによる加工痕の長辺側と短辺側とにおいて幅の異なるテーパが形成された原因について以下に説明する。まず、長辺側の最大応力点から膜の亀裂が発生するが、これは水素爆発による膜の亀裂であるため幅の広いテーパ３０２が形成される。その後、長辺側から発生した膜の亀裂が短辺側まで伸展して短辺側のテーパを形成し、水素爆発によるテーパの形成を抑制するため、短辺側においては幅の狭いテーパ３０１が形成される。すなわち、最大応力点で発生した膜の亀裂が伸展することによってレーザスクライブが実現される。
これにより、レーザスクライブの進行方向に最大応力点が存在するビーム形状によりスクライブを行うことで、タンデム型薄膜シリコン太陽電池のレーザスクライブにおいてテーパの発生を抑制可能であることが分かる。
図２は、レーザスクライブの進行方向部に最大応力点を発生させるビーム形状を説明するための図であり、圧力を加える領域を示している。図２（ａ）におけるエリア５０１は、主として圧力を加える領域であり、エリア５０２は補助的に圧力を加える領域を示している。このとき、エリア５０１およびエリア５０２に加える圧力は均一であり同じ大きさとする。図２（ａ）に示すように、エリア５０１に加えている圧力に対して補助圧力をエリア５０２に加えると、図２において点線で示している応力集中領域１００にはエリア５０１、エリア５０２の二つのエリアからの圧力が加わることとなるため、図２（ａ）において破線で示す応力集中領域１００に応力が集中することとなり、最大応力点となる。このとき、矢印５００の向きをレーザスクライブの進行方向とすれば、図２に示すビーム形状はレーザスクライブの進行方向部に最大応力点が存在するビーム形状となる。
このように、エリア５０１、エリア５０２を重ねたビーム形状は、エリア５０１に対しエリア５０２が突起形状を形成していることが特徴である。このようなビーム形状とすることにより、長方形ビームを用いる場合よりも低い出力でレーザスクライブを実施でき、消費エネルギーを低減することが可能となる。なお、実際にはエリア５０１とエリア５０２とは、異なるビームスポットが重なっている必要はなく、エリア５０２に相当する部分がエリア５０１から突出してさえいれば、応力集中領域１００は形成される。
このとき、エリア５０１、エリア５０２の形状は円形でなくてもよく、三角形や四角形などの任意の形状をとることができる。
なお、エリア５０１が長方形の場合、短辺側にエリア５０２を設けることで、膜の亀裂の発生の起点を短辺側とすることができる。したがって、短辺側をレーザスクライブの進行方向とすることで、スクライブ溝自体の幅を拡大することなくテーパを狭くすることが可能となる。
レーザスクライブの進行方向に最大圧力点が存在するものであれば、補助圧力の数は一つでなくても良く、図２（ｂ）、（ｃ）に示すようにエリア５０３、エリア５０４を加えて二つ以上としても良い。特に図２（ｂ）のように補助圧力の数が二つの場合は最大応力点が一箇所に集中するため膜の亀裂をスムーズに伸展させるのに適している。なお、エリア５０３やエリア５０４についてもエリア５０２と同様であり、異なるビームスポットとしてエリア５０１と重なっている必要はなく、エリア５０１から突出してさえいれば、応力集中領域１００は形成される。
また、膜の亀裂をスムーズに伸展させるためにはビームの輪郭は全体的になめらかな曲線で構成されていること、換言すると尖点の無い閉曲線であることが好ましい。例えば、図２（ａ）〜（ｃ）のようにビームの輪郭に尖点があると、尖点の部分で亀裂が伸展しにくくなるため、曲線を滑らかに接続した尖点のない形状とすることが好ましい。
また、ビーム形状は、レーザスクライブの進行方向に対して線対称な形状であると、ビームの幅方向の中央から対称に亀裂が伸展するため、加工中心線両側へのテーパの伸展を効果的に抑制できる。
図３において、図示するビーム形状１０１は、以上を踏まえて構成されたビーム形状であり、応力解析を行ったところ、この形状に沿って均一に圧力を加えた場合、点線で示している部分に応力集中領域１００（最大応力点）が発生することがわかっている。このとき、図３に示す形状に沿って圧力を均一に加えるにはビーム強度分布を均一にすればよい。ただし、点線に示した部分に応力集中領域１００が発生するものであればビーム強度分布は必ずしも均一にする必要はなく、たとえばレーザスクライブの進行方向へビーム強度分布のピークを偏らせるなどしてもよい。
図３において、矢印５００はレーザスクライブの進行方向を示しているため、最大応力点はレーザスクライブの進行方向前方に発生することとなる。よって、レーザスクライブによる膜の亀裂は最大応力点の存在するレーザスクライブの進行方向前方から発生することとなる。
図３において所望のビーム形状１０１は、マスク転写、ＨＯＥ（Holographic Optical element）などを使用することによるビームホモジナイズなどによって得られる。
図４において、図に示す加工装置は、実施の形態１におけるレーザスクライブ法を用いた加工装置の一例であり、レーザ源及び制御系６０１から出射されたレーザビーム６０２をビーム形状整形光学系６０３によりビーム整形し、加工点６０４において図３に示したビーム形状となるように調整する。このとき、Ｘステージ６０５及びＹステージ６０６をＸステージ移動方向６０７及びＹステージ移動方向６０８へ移動させることにより被加工物である基板６０９の全面にわたってスクライブ溝６１０が形成されることとなる。
図５（ａ）は、実施の形態１におけるレーザスクライブ法を光電変換ユニット層１３及び裏面電極層１４のスクライブ（以下、“Ｐ３スクライブ”と言う。）において使用した場合のタンデム型薄膜シリコン太陽電池の加工痕形状を示す図であり、図５（ｂ）はその断面図である。なお、図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＶｂ−Ｖｂ断面を示している。スクライブの進行方向は矢印５００の方向であり、スクライブの進行方向部には最大応力点から発生した爆発による幅１０〜２０μｍ程度の幅の広いテーパ３０２が形成されているが、その最大応力点から発生した爆発による亀裂がビームの進行方向に垂直な方向にまで伸展することにより、ビームの進行方向に垂直な方向では、長方形ビームを用いる従来のレーザスクライブ法によって形成される幅１０〜２０μｍ程度のテーパに比べて、幅の狭い５μｍ程度のテーパ３０１が形成されることとなる。したがって、一本の裏面電極層１４のスクライブ溝２０３につき１０〜３０μｍ程度のスクライブ溝幅の低減が可能となる。また、このときスクライブ溝底面４０１の形状はビーム形状とほぼ同じ形状及び大きさとなる。
以上のことは、タンデム型薄膜シリコン太陽電池の光電変換ユニット層１３のスクライブ（以下、“Ｐ２スクライブ”と言う。）についても同様のことが言える。
図６は、実施の形態１におけるレーザスクライブ法を、タンデム型薄膜シリコン太陽電池のＰ２スクライブ及びＰ３スクライブに用いた場合の集積型タンデム型薄膜シリコン太陽電池の断面図である。この集積型タンデム型薄膜シリコン太陽電池は、透明絶縁基板１１、透明電極層１２（１２１、１２２、１２３、・・・）、非晶質系光電変換ユニット層２１及び結晶質系光電変換ユニット層２２を含む光電変換ユニット層１３（１３１、１３２、１３３、・・・）、並びに裏面電極層１４（１４１、１４２、１４３、・・・）から構成されており、透明電極層１２のスクライブ溝２０１（２０１１、２０１２、・・・）、光電変換層１３のスクライブ溝２０２（２０２１、２０２２、・・・）、裏面電極層１４のスクライブ溝２０３（２０３１、２０３２、・・・）が形成されていることにより発電領域Ａ１、Ａ２、Ａ３・・・が直列接続されている。
光電変換ユニット層１３のスクライブ溝２０２及び裏面電極層１４のスクライブ溝２０３においてそれぞれ一本当たり１０〜３０μｍ程度溝幅が低減されるため、集積型タンデム型薄膜シリコン太陽電池全体では、約２０００〜６０００ｍｍ２の発電無効領域の低減となり、約０．０３〜０．１％の変換効率の向上が見込まれる。
このとき、Ｐ２スクライブ及びＰ３スクライブを行う際は、ビームエネルギーを吸収させ加熱することにより光電変換ユニット層１３内に含まれる水素原子の気化による爆発を利用して光電変換ユニット層１３を吹き飛ばすことによってスクライブ溝２０２、２０３を形成するため、レーザは透明絶縁基板１１側から照射される。
レーザスクライブに用いるレーザの種類は、スクライブの対象物の光吸収特性により選択される。一般に透明電極層１２のスクライブではＹＡＧ等の固体レーザ、ファイバレーザの基本波（波長１μｍ程度）が用いられ、光電変換ユニット層１３及び裏面電極層１４のスクライブではＹＡＧ等の固体レーザ、ファイバレーザの第二高調波（波長０．５μｍ程度）、第三高調波（波長０．３〜０．４μｍ程度）が使用される。
以上のように実施の形態１では、スクライブの進行方向から膜の亀裂が発生するビーム形状を用いてスクライブを行い、発生した亀裂をスクライブの進行方向と垂直な方向にまで伸展させ、スクライブの進行方向と垂直な方向に発生するテーパの大きさを水素爆発起因のみで発生する場合よりも低減させる。これにより、タンデム型薄膜シリコン太陽電池において光電変換ユニット層１３及び裏面電極層１４をスクライブする際に問題となっていたスクライブ溝２０２、２０３における水素爆発起因のテーパの発生による接続領域の拡大を防ぐことが可能となる。よって、集積化に伴う受光面積当たりの発電効率の低下を最小限に抑えることができる。
実施の形態２．
図７は、実施の形態２のレーザスクライブ法に用いるレーザビームのビーム形状の一例を示す図である。図７においてビーム形状はレーザスクライブの進行方向の前後に応力集中領域１００（最大応力点）が発生する形状をしている。その他の構成及び動作については実施の形態１と同様であり、対応する部分には図１と同一の符号を付して説明を省略する。
図７は、実施の形態２のレーザスクライブ法に用いるレーザビームのビーム形状の一例を示す図である。図７においてビーム形状はレーザスクライブの進行方向の前後に応力集中領域１００（最大応力点）が発生する形状をしている。その他の構成及び動作については実施の形態１と同様であり、対応する部分には図１と同一の符号を付して説明を省略する。
実施の形態２では、最大応力点をスクライブの進行方向の前後にそれぞれ発生させているため、スクライブの進行方向を逆転させる場合でも、ビームを反転させることなくテーパの発生抑制効果が得られる。すなわち、レーザビームを往復走査しながらレーザスクライブを行う際に、往路だけでなく復路においてもレーザスクライブを行えるため、処理の高速化を実現できる。
なお、ここではレーザ形状がスクライブの進行方向の前後で対称である場合を例としたが、最大応力点をスクライブの進行方向の前後にそれぞれ発生させることができれば前後対称でなくともよい。例えば、一方は突起を二つ備え、他方は一つ備えるレーザ形状であっても良い。
上記各実施の形態においては、薄膜シリコン太陽電池のレーザスクライブを例として説明したが、これに限定されることはなく、透明基板上に積層された薄膜に透明基板を透過してレーザビームを照射して行う薄膜の分断加工全般に適用可能である。例えば、結晶系太陽電池におけるパッシベーション膜開口加工、液晶パネルや有機ＥＬパネル、プラズマディスプレイパネル等における基板上の薄膜分断加工に適用可能である。
以上のように、本発明にかかるレーザ加工装置及び方法は、薄膜シリコン太陽電池のレーザスクライブに有用であり、特に、タンデム型薄膜シリコン太陽電池のレーザスクライブに適している。
１１ 透明絶縁基板
１２ 透明電極層
１３ 光電変換ユニット層
１４ 裏面電極層
２１ 非晶質系光電変換ユニット層
２２ 結晶質系光電変換ユニット層
１００ 応力集中領域
２０１、２０２、２０３、６１０ スクライブ溝
３０１ 幅の狭いテーパ
３０２ 幅の広いテーパ
４０１ スクライブ溝底面
５０１、５０２、５０３、５０４ エリア
６０１ レーザ源及び制御系
６０２ レーザビーム
６０３ ビーム形状整形光学系
６０４ 加工点
６０５ Ｘステージ
６０６ Ｙステージ
６０９ 基板
１２ 透明電極層
１３ 光電変換ユニット層
１４ 裏面電極層
２１ 非晶質系光電変換ユニット層
２２ 結晶質系光電変換ユニット層
１００ 応力集中領域
２０１、２０２、２０３、６１０ スクライブ溝
３０１ 幅の狭いテーパ
３０２ 幅の広いテーパ
４０１ スクライブ溝底面
５０１、５０２、５０３、５０４ エリア
６０１ レーザ源及び制御系
６０２ レーザビーム
６０３ ビーム形状整形光学系
６０４ 加工点
６０５ Ｘステージ
６０６ Ｙステージ
６０９ 基板
Claims (8)
- レーザ源から発せられたレーザビームを、透明基板上に積層された光電変換ユニット層を含む薄膜に対して前記透明基板側から照射して前記光電変換ユニット層を吹き飛ばして前記薄膜の分断加工を行うレーザ加工装置であって、
前記レーザビームの断面形状を整形するビーム形状整形光学系を備え、
前記ビーム形状整形光学系は、前記レーザビームを、前記分断加工の進行方向前方に突出し、前記レーザビームの前記進行方向に垂直な方向の幅よりも狭い幅を有する第１の突起部を備え、前記進行方向に垂直な方向の幅が前記進行方向の幅よりも短い幅を有する形状に整形することを特徴とするレーザ加工装置。 - 前記薄膜に照射される前記レーザビームの断面形状は、前記第１の突起部を２以上備える形状であることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
- 前記薄膜に照射される前記レーザビームの輪郭は、尖点の無い閉曲線であることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
- 前記薄膜に照射される前記レーザビームの断面形状は、前記分断加工の進行方向後方に突出する第２の突起部を有することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
- 前記薄膜に照射される前記レーザビームの断面形状は、前記分断加工の前後方向に対称であることを特徴とする請求項４記載のレーザ加工装置。
- 前記薄膜に照射される前記レーザビームの断面形状は、前記分断加工の幅方向に対称であることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
- 前記薄膜に照射される前記レーザビームのビーム強度分布は、均一であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載のレーザ加工装置。
- レーザ源から発せられたレーザビームを、透明基板上に積層された光電変換ユニット層を含む薄膜へ照射して該薄膜を分断するレーザ加工方法であって、
前記薄膜に照射される前記レーザビームの断面形状を、前記分断の進行方向前方に突出し、前記レーザビームの前記進行方向に垂直な方向の幅よりも狭い幅を有する突起部を備え、前記進行方向に垂直な方向の幅が前記進行方向の幅よりも短い幅を有する形状に整形するビーム整形工程と、
前記ビーム整形工程において整形されたレーザビームを前記透明基板側から前記薄膜に照射し、前記突起部を前記進行方向前方として前記薄膜を走査して、前記光電変換ユニット層を吹き飛ばして前記薄膜を分断する工程とを有することを特徴とするレーザ加工方法。
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