TWI650876B

TWI650876B - 溝槽加工工具及安裝有該溝槽加工工具之刻劃裝置

Info

Publication number: TWI650876B
Application number: TW104105763A
Authority: TW
Inventors: 廣野嘉文
Original assignee: 日商三星鑽石工業股份有限公司
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2015-02-24
Publication date: 2019-02-11
Also published as: TW201537769A; JP2015195347A; JP6406006B2

Abstract

本發明之溝槽加工工具及安裝有該溝槽加工工具之刻劃裝置，係藉由對刃前端之前端形狀加以處理，而能夠使耐磨耗性提高、延長使用壽命，並且抑制溝槽加工時之膜剝落等現象。

溝槽加工工具，具備棒狀之本體81、形成於本體81下部之尖細狀錐部82、以及於錐部82之前端部或連接於錐部82而形成之圓柱部83之前端部所形成之刃前端區域84；刃前端區域84，由水平之底面85、和於底面85與圓柱部83或錐部82之外周側面86之角部所形成之刃前端87構成；外周側面86鍍膜由較工具素材更硬之硬質材料構成之被膜，並且底面85露出工具素材之質地。

Description

溝槽加工工具及安裝有該溝槽加工工具之刻劃裝置

本發明係關於一種在製造使用有黃銅礦(chalcopyrite)化合物或碲化鎘(cadmium telluride)等化合物等之積體型薄膜太陽電池時使用之溝槽加工工具及安裝有該溝槽加工工具之刻劃裝置。

此處，所謂的黃銅礦化合物，除了CIGS(Cu(In,Ga)Se₂)外，還包括CIGSS(Cu(In,Ga)(Se,S)₂)、CIS(CuInS₂)等。

在使用化合物半導體作為光吸收層之薄膜太陽電池中，一般係在基板上串聯連接有多個單位晶胞(unit cell)之積體型構造。

針對習知的黃銅礦化合物積體型薄膜太陽電池之製造方法進行說明。圖7，係表示CIGS薄膜太陽電池之製造步驟的示意圖。首先，如圖7(a)所示，在由鈉鈣玻璃(soda-lime glass；SLG)等構成之絕緣基板21上，以濺鍍法(sputtering)形成有成為正側之下部電極的Mo(鉬)電極層22後，藉由刻劃加工形成下部電極分離用之溝槽P1。

之後，如圖7(b)所示，在Mo電極層22上，積層由化合物半導體(CIGS)薄膜構成之光吸收層23，並在其上形成用於異質接合之由ZnS薄膜等構成之緩衝(buffer)層24，進一步地在其上形成由ZnO薄膜構成之絕緣層25。而且，在從下部電極分離用之溝槽P1往橫方向隔離既定距離之位置，藉由刻劃加工形成到達Mo電極層22之電極間接觸用之溝槽P2。

接著，如圖7(c)所示，從絕緣層25上形成由ZnO：AI薄膜構成之作為上部電極之透明電極層26，藉由刻劃加工形成到達下部之Mo電極層22的電極分離用之溝槽P3。

在上述之製造積層型薄膜太陽電池的步驟中，作為藉由刻劃而加工電極分離用之溝槽P2及P3的技術，一直以來係使用雷射刻劃法與機械刻劃法。

雷射刻劃法，例如在專利文獻1所揭示般，係藉由弧光燈(arc lamp)等連續放電燈，照射激發Nd：YAG結晶而發出之雷射光而藉此形成電極分離用之溝槽，但恐有在刻劃時因雷射光之熱而使光吸收層23之光電轉換特性劣化之虞。

此外，機械刻劃法，例如在專利文獻2及專利文獻3所揭示般，係藉由將前端成為尖細狀之溝槽加工工具之刃前端以既定壓力按壓於基板並使其移動，而加工電極分離用之溝槽的技術。現今大多為採用該機械刻劃法。

專利文獻1：日本特開平11-312815號公報

專利文獻2：日本特開2002-094089號公報

專利文獻3：日本特開2004-115356號公報

在機械刻劃法中所使用之溝槽加工工具，一般而言大多係使用成本低廉且可高精度地精加工之旋盤的圓斷面形狀者。作為如此般之圓斷面形狀之溝槽加工工具，在專利文獻2、3中揭示有如圖8(a)所示般之將棒狀之本體27之下方設成尖細狀之圓錐梯形之錐部28並水平地切割其前端，且將水平之底面29之角部作為刃前端30者。

此外，為了精密地精加工被加工溝槽之左右側壁之平行度，存在有如圖8(b)所示般之在錐部28之下部形成上下均等直徑之圓柱部31，且將其前端角部32作為刃前端者。工具前端之水平的底面29，係為了在溝槽加工時作為銳利的刃前端之前端以藉此不傷及Mo電極層而設置。

雖將該溝槽加工工具以不從薄膜太陽電池基板分離之方式一邊以一定之壓力按壓，並一邊使其沿刻劃預定線相對移動而進行溝槽加工，但在被加工面之凹凸，由於溝槽加工工具承受慣性力產生之上下方向之力而彈跳，因此為了抑制此情況而一定之按壓力、例如0.5N以上之力是必要的。

然而，一旦一邊將溝槽加工工具之刃前端以上述之按壓力按壓於薄膜太陽電池一邊進行使用，則相當於加工溝槽深度h之外周側面與底面之刃前端之角部30、32因與太陽電池基板之膜接觸而從圖9(a)之新品狀態產生磨耗，如圖9(b)所示般，刃前端之左右寬度變小並且切割能力劣化。一旦刃前端之前端部之左右寬度變小，則被加工溝槽寬度變狹窄從而無法精度佳地加工規定尺寸之溝槽，亦會產生在圖7之電極分離用之溝槽P2、P3無法得到充分之絕緣效果的情況。此外，若刃前端之切割能力劣化，則不僅無法漂亮地加工溝槽，亦存在有一部分薄膜不規則地大剝落而去除了必要程度以上的情況，且存在有太陽電池之特性及良率降低的問題。

因此，本發明有鑑於上述之課題，目的在於提供一種藉由對刃前端部分加以處理，而能夠提高耐磨耗性並延長使用壽命，並且能夠抑制溝槽加工時之膜剝落等現象的溝槽加工工具及安裝有此溝槽加工工具之刻劃裝置。

為了解決上述課題而完成之本發明之薄膜太陽電池用之溝槽加工工具，係使薄膜太陽電池基板之薄膜剝離而形成溝槽，其構成為：具備棒狀之本體、形成於該本體下部之尖細狀錐部、以及於該錐部之前端部或連接於該錐部而形成之圓柱部之前端部所形成之刃前端區域；該刃前端區域，由水平之底面、和於該底面與該圓柱部或該錐部之外周側面之角部所形成之刃前端構成；該外周側面鍍膜(coating)由較工具素材更硬之硬質材料構成之被膜，並且該底面露出工具素材之質地。

本發明之溝槽加工工具，係安裝在被組入於刻劃裝置之刻劃頭之保持具而使用。在刻劃加工時，由於在本發明之溝槽加工工具中，外周側面以較工具素材更硬之硬質材料鍍膜，因此外周側面之耐磨耗性提高，且緩和上述之刃前端部分因磨耗而變細般之情況。此外，藉此能夠將被加工溝槽寬度保持一定並進行高精度的溝槽加工，並且能夠延長工具壽命。

此外，由於底面係以工具素材之質地露出之狀態殘留，因此使形成於外周側面之高硬度之被膜之磨耗速度、與比該被膜硬度低之底面(工具素材)之磨耗速度均衡，且使磨耗以大致水平之姿勢且幾乎均等地進行。藉此，具有能夠保持成為刃前端之尖的角部並防止切割能力劣化之效果。

在本發明中，亦可構成為：該刃前端區域形成於該錐部之前端部，該錐部之外周側面之中心角於(以20°為中心)10°~30°之範圍內形成。

藉此，能夠將工具之振動(衝擊)如實驗值所示般抑制成較小，並且藉由將中心角設為較小而能夠維持被加工溝槽之左右側壁面之平行度，且能夠精密地加工漂亮的溝槽。此外，不會有被加工溝槽左右之邊緣被傾斜地切削般之情況並能夠抑制膜剝落的產生。進一步地，錐部由於角度係從較小的底面至上方的直徑變大，因此與正圓柱體之工具相比能夠提高強度，且能夠抑制在刻劃中產生彎折等不佳情況。

在本發明中，亦可構成為：該錐部藉由上段錐部、與外周側面之中心角度較該上段錐部小的下段錐部而以2段形狀形成，下段錐部之前端部分形成該刃前端區域，該下段錐部之中心角於(以20°為中心)10°~30°之範圍內形成，且該下段錐部之高度形成為大於應加工溝槽深度之尺寸，小於該底面之直徑。

藉此，能夠將工具之振動(衝擊)抑制成較小，並且藉由將中心角設為較小而不會有被加工溝槽左右之邊緣被傾斜地切削般之情況並能夠抑制膜剝落的產生。而且，下段錐部，以較對應於應加工溝槽寬度而以較小的直徑所形成之底面更小的尺寸之高度(身高)形成，而且其上部連設於具有大於下段錐部角度之上段錐部而獲得補強，因此能夠在刻劃中不使下段錐部從中間部彎折等問題產生。此外，由於下段錐部之高度係以大於應加工溝槽深度之尺寸形成，因此能夠確實地加工既定深度之溝槽。

A‧‧‧刻劃裝置

W‧‧‧太陽電池基板

P1、P2、P3‧‧‧刻劃溝槽

8‧‧‧溝槽加工工具

81‧‧‧本體

82‧‧‧錐部

82a‧‧‧上段錐部

82b‧‧‧下段錐部

83‧‧‧圓柱部

84‧‧‧刃前端區域

85‧‧‧底面

86‧‧‧外周側面

87‧‧‧刃前端

88‧‧‧被膜

10‧‧‧刻劃頭

11‧‧‧保持具

圖1，係表示使用有本發明之溝槽加工工具的刻劃裝置之一實施形態的概略性前視圖。

圖2，係表示本發明之溝槽加工工具的整體立體圖與一部分放大剖面圖。

圖3，係表示本發明之溝槽加工工具之其他實施例的整體立體圖與一部分放大剖面圖。

圖4，係表示使用前端角度不同之3種工具加工了3000m之溝槽時的刃前端之振動與膜剝落寬度的圖表。

圖5，係表示在圖4之實驗中使用之3種溝槽加工工具的圖式。

圖6，係表示本發明之溝槽加工工具之再其他實施例的整體立體圖與一部分放大剖面圖。

圖7，係表示一般的CIGS薄膜太陽電池之製造步驟的示意圖。

圖8，係表示習知的溝槽加工工具之例子的前視圖。

圖9，係表示習知的溝槽加工工具之刃前端之磨耗的說明圖。

以下，針對本發明之細節，根據表示其實施形態之圖式詳細地進行說明。

圖1係表示使用有本發明之溝槽加工工具的積層型薄膜太陽電池用刻劃裝置之實施形態的概略性前視圖。

刻劃裝置A，具備有載置並保持太陽電池基板W之平台1。平台1，成為能夠沿水平之軌條2而於Y方向(圖1之前後方向)移動，並由藉由馬達(省略圖示)而旋轉之螺桿軸3驅動。進一步地，平台1成為能夠藉由內藏馬達之旋轉驅動部4而於水平面內旋動。

具備有夾著平台1設置之兩側支承柱5、5、及於X方向水平延伸之樑(橫樑)6的橋架7，設置成橫跨於平台1上。

在樑6，設置有於X方向水平延伸之導引件9，且在該導引件9安裝有刻劃頭10，以使該刻劃頭10能夠藉由馬達M而於X方向移動。

在刻劃頭10之下部，設置有保持具11，該保持具11保持對載置於平台1上之太陽電池基板W之薄膜表面進行刻劃加工之溝槽加工工具8。保持具11，形成為能夠藉由流體汽缸12而與溝槽加工工具8一起升降。

圖2係表示本發明之溝槽加工工具8之圖式，其中，圖2(a)係表示整體形狀之立體圖，圖2(b)係刃前端部分之放大剖面圖。該溝槽加工工具8，由鋼材或超硬合金等工具特性佳之材料製作。

溝槽加工工具8,由實質上成為往保持具11安裝之安裝部的剖面圓形之棒狀本體81、一體形成於該本體81之下部的尖細狀之錐部82、在錐部82之較細之前端部一體形成之由正圓柱體構成之細徑之圓柱部83、以及形成於該圓柱部83之前端部分之刃前端區域84所構成。本體81、錐部82及圓柱部83，亦可形成為各自的軸心成為同軸。藉此，藉由使本體81以旋盤等加工機械之夾盤(chunk)夾持並旋轉，且以刃具(bit)研削本體81之前端部分，而能夠容易且精密地加工錐部82及圓柱部83。

溝槽加工工具8之刃前端區域84，由圓柱部83之水平的底面85、和於該底面85與圓柱部83之外周側面86之角部所形成的刃前端87構成。

而且，圓柱部83之外周側面86，藉由較工具素材更硬的硬質材料之被膜88鍍膜。被膜88之厚度為0.5μm~2μm左右。

作為硬質材料雖較佳為DLC(類鑽碳膜；diamond-like carbon)，但即使是TiN(氮化鈦)、TiC(碳化鈦)、TiCN(氮碳化鈦)之類的硬質陶瓷等亦具有效果，且可藉由CVD法(化學氣相沉積法)或PVD法(物理氣相沉積法)進行鍍膜。

另外，對於鍍膜之硬質材料係選擇硬度較工具素材更高者。例如，在工具素材係超硬合金的情形時，可使用DLC。

硬質材料之被膜88，雖亦可為在外周側面86包含嵌入於應加工溝槽之部分的一部分周面，但亦可鍍膜至外周側面86之全域、或錐部82之外周側面。但是，底面85不鍍膜而使質地(工具素材之表面)殘留。在該情形，例如，在以電漿CVD法進行DLC成膜之步驟中，可藉由在將工具放入真空腔室內並於外周側面86進行成膜時，先將包含底面85之無需成膜的部分以可剝離之遮斷膜遮蔽，之後將該遮斷膜剝離而進行製作。

另外，取代藉由將無需成膜的部分以可剝離之遮斷膜遮蔽而進行鍍膜之上述方法，亦可先與外周側面86一起地對底面85進行鍍膜，之後磨去底面85之鍍膜而去除。

在使用上述之溝槽加工工具8進行刻劃加工的情形，以將工具前端朝向下方的姿勢將溝槽加工工具8安裝於刻劃頭10之保持具11。然後，在使平台1於Y方向移動並以太陽電池基板W之刻劃預定線成為溝槽加工工具8之緊鄰下方的方式進行定位後，使溝槽加工工具8往下移動並在已將其前端藉由流體汽缸12而按壓於太陽電池基板W之表面的狀態下使其於X方向移動而進行X方向之刻劃加工。此外，在對太陽電池基板W之表面進行Y方向之刻劃加工的情形，使平台1旋轉90度，並進行與上述同樣之動作。

在上述之刻劃加工時，在本實施例之溝槽加工工具8中，由於圓柱部83之外周側面86之至少包含嵌入於太陽電池基板W之溝槽的部分之一部分係藉由較工具素材更硬的硬質材料鍍膜，因此在刻劃時嵌入於太陽電池基板之溝槽而承受較大阻力之外周側面的耐磨耗性提高。藉此，可緩和上述之刃前端部分因磨耗而變細般之情況，且能夠將被加工溝槽寬度保持為一定而進行高精度之溝槽加工，並且能夠延長工具壽命。

此外，由於底面85係以質地露出之狀態殘留，因此可均衡形成於外周側面86之硬度較高之被膜86之磨耗速度、與硬度比該被膜88低之底面85(工具素材)之磨耗速度，並以大致水平之姿勢均等地磨耗。藉此，能夠抑制成為刃前端87之角部之形狀變化，且能夠較到目前為止以經歷更長的期間保持尖的狀態並防止切割能力劣化。

圖3係表示本發明之其他實施例之圖式，其中，圖3(a)係整體之立體圖，圖3(b)係刃前端部分之放大剖面圖。在該實施例中，在形成於本體81之下部之尖細狀之錐部82之前端部分，直接設有刃前端區域84。此外，硬質材料之鍍膜之被膜88，形成於錐部82之刃前端區域84附近之外周側面。

錐部82之外周側面86之中心角α，根據發明者們之下述實驗資料而設定成以20°為中心之10°~30°之範圍。

圖4係表示發明者們使用刃前端角度分別不同之超硬合金製之3種溝槽加工工具，檢驗加工了3000m之太陽電池基板之溝槽時之工具的振動與加工溝槽之膜剝落寬度之結果的圖表。在表中，工具種類欄中的角度，係表示實驗中所使用之3種工具之外周圓錐面(外周側面)之中心角α。此外，圖5係表示在上述實驗中所使用之溝槽加工工具的圖式，其中，圖5(b)係中心角α為20°者，圖5(c)係中心角α為45°者。此外，圖5(a)係將形成刃前端之角部設為直角者，此處為將中心角α設為0°。

從該等實驗可知，中心角為20°者，其膜剝落寬度比角度較大之45°者小一半左右。此外，關於刃前端之前端之負載之位移量(振動)，中心角為20°者亦小於其他者，而明顯可知工具之衝擊較少。

而且明顯可知，若將外周圓錐面之中心角α設定為以20°為中心之±10°之範圍，則能夠將膜剝落寬度抑制成幾乎相同程度。

因此，在本實施例中，將錐部之中心角α設定為以20°為中心之10°~30°範圍。

在該實施例中，能夠將工具之振動(衝擊)如實驗值所示般抑制成較小，並且藉由將中心角α設為較小而能夠維持被加工溝槽之左右側壁面之平行度，且能夠精密地加工漂亮的溝槽。此外，不會有被加工溝槽之左右之邊緣被傾斜地切削般之情況而能夠抑制膜剝落的產生。此外，錐部82，由於角度係從較小的底面至上方而直徑變大，因此與習知的正圓柱體之工具相比能夠提高強度，且能夠抑制在刻劃中產生彎折等不佳情況。

圖6係表示本發明之溝槽加工工具之再其他實施例之圖式，其中，圖6(a)係整體之立體圖，圖6(b)係刃前端部分之放大剖面圖。

在該實施例中，在棒狀本體81之下部以中心角度α較大之錐部82、與角度較該上段錐部82a小之下段錐部82b的2段形狀形成，且在下段錐部82b之前端部分形成有上述刃前端區域84。而且，從下段錐部82b至上段錐部82a，於其外周側面藉由鍍膜而形成有由硬質材料構成之被膜88。下段錐部82b之中心角α 1，在圖4之實驗資料中為較佳之數值之以20°為中心之10°~30°之範圍內形成，上段錐部82a之中心角α 2以140°以上之較大角度形成。此外，下段錐部82b之高度H形成為大於應加工溝槽深度之尺寸，小於該底面85之直徑D。

在該2段形狀之溝槽加工工具8中，除了硬質材料之鍍膜之耐磨耗性提高外，由於將下段錐部82b之中心角α 1以20°為中心之10°~30°範圍設定，因此如上述實驗值所示般，亦能夠將工具之振動(衝擊)抑制成較小。此外，藉由將中心角α 1設為較小，而不會有被加工溝槽之左右之邊緣被傾斜地切削般之情況而能夠抑制膜剝落的產生。而且，下段錐部82b，以較對應於應加工溝槽寬度而以較小的直徑所形成之底面85更小的尺寸之高度(身高)形成，而且其上部連設於具有大於下段錐部82b之角度之上段錐部82a而獲得補強，因此不會有在刻劃中下段錐部82b從中間部彎折般之情況。此外，由於下段錐部82b之高度H係以大於應加工溝槽深度之尺寸形成，因此能夠確實地加工既定深度之溝槽。

以上雖已針對本發明之代表性的實施例進行了說明，但本發明並不特定於僅上述之實施例構造，可在達成該目的、不脫離申請專利範圍之範圍內適當地進行修改、變更。

本發明可適用於能在使用有黃銅礦化合物或碲化鎘等化合物半導體膜之積體型薄膜太陽電池之製造中使用之溝槽加工工具。

Claims

一種溝槽加工工具，係使薄膜太陽電池基板之薄膜剝離而形成溝槽，其特徵在於：具備棒狀之本體、形成於該本體下部之尖細狀錐部、以及於該錐部之前端部或連接於該錐部而形成之圓柱部之前端部所形成之刃前端區域；該刃前端區域，由水平之底面、和於該底面與該圓柱部或該錐部之外周側面之角部所形成之刃前端構成；該外周側面，鍍膜由較工具素材更硬之硬質材料構成之被膜，並且該底面露出工具素材之質地。
如申請專利範圍第1項之溝槽加工工具，其中，該刃前端區域形成於該錐部之前端部，該錐部之外周側面之中心角於10°~30°之範圍內形成。
如申請專利範圍第1項之溝槽加工工具，其中，該錐部藉由上段錐部、與外周側面之中心角度較該上段錐部小的下段錐部而以2段形狀形成，下段錐部之前端部分形成該刃前端區域；該下段錐部之中心角於10°~30°之範圍內形成，且該下段錐部之高度形成為大於應加工溝槽深度之尺寸，小於該底面之直徑。
如申請專利範圍第1至3項中任一項之溝槽加工工具，其中，溝槽加工工具之素材為超硬合金，該被膜為類鑽碳膜(DLC)。
一種刻劃裝置，其特徵在於：具備透過保持具保持上述申請專利範圍第1~4項中任一項之溝槽加工工具的刻劃頭、及載置薄膜太陽電池基板之平台，藉由使該刻劃頭相對於該薄膜太陽電池基板相對移動而以該溝槽加工工具之刃前端對該薄膜太陽電池基板之表面加工溝槽。