WO2013145682A1 - パターニング用レーザ加工装置 - Google Patents

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WO2013145682A1
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laser
laser processing
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睦裕 中澤
一典 高原
修己 大串
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川崎重工業株式会社
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to a laser processing apparatus used for patterning in a manufacturing process of a thin film solar cell or a flexible solar cell.
  • thin film solar cells for photovoltaic power generation
  • This thin film solar cell forms a thin film layer (for example, about several hundred nm to several tens of ⁇ m) by depositing a semiconductor such as a metal film or a silicon film (“deposition” or “film formation”) on one surface of a glass substrate.
  • a semiconductor such as a metal film or a silicon film
  • film formation a semiconductor
  • the thin film layer is subjected to patterning.
  • the thin film solar cell substrate hereinafter, also simply referred to as “work” will be described as an example.
  • a transparent electrode layer (thin film layer) 111 is formed on the upper surface of the glass substrate 110 (FIG. 8A) (FIG. 8B).
  • a transparent electrode layer 111 is partially removed, and a linear processing line 112A is patterned (FIG. 8C).
  • a photoelectric conversion layer (thin film layer) 113 is formed on the upper surface of the transparent electrode layer 111 (FIG. 8D).
  • the processing line 112B is patterned by irradiating the laser beam 115 (FIG. 8E). Thereafter, a back electrode layer (thin film layer) 114 is formed on the upper surface of the photoelectric conversion layer 113 on the substrate 110 on which the processing line 112B is formed on the photoelectric conversion layer 113 (FIG. 8F). Then, the back surface electrode layer 114 is irradiated with a laser beam 115 from a laser processing apparatus to pattern the processing line 112C (FIG. 8G).
  • the substrate 110 patterned in this way becomes a modularized solar cell.
  • a laser beam 102 (hereinafter also simply referred to as “beam”) from a laser oscillator 101 is split into a plurality of beams by a beam spectrometer 103, and these beams are separated.
  • the direction is changed toward the work 106 by the light guide mirror 104.
  • the beam condensing lens 105 irradiates the focal length of the beam 102 with the thin film layer 107 of the workpiece 106 to peel off the thin film layer 107 to form a processing line 108.
  • the work 106 is fixed to the table of the work feeding apparatus 109, the work 106 is sent in the X direction, and the laser beam 102 is irradiated to the work 106 to form a processing line 108. To do. Thereafter, the workpiece 106 is fed in the Y direction by a predetermined amount (for the machining line pitch), and then the workpiece 106 is fed in the X direction in the direction opposite to the above feeding, and the workpiece 106 is irradiated with the laser beam 102 to be machined. 108 is formed. Then, by repeating this operation, a processing line 108 is sequentially formed on the workpiece 106. That is, the work 106 is intermittently repeated for the work 106 to be sent in the X direction to form the machining line 108 and for the work 106 to be sent in the Y direction.
  • a laser beam emitted from a laser oscillator is dispersed with a mirror, and the processing line is formed by irradiating the thin film layer of the solar cell with the laser beam through a condenser lens.
  • a condenser lens there is something like this (for example, see Patent Document 1).
  • a cylindrical lens generates a laser beam having a thin cross-section in cross section, and the thin laser beam is overlapped in a partially overlapped state to form a fine line-shaped processing trace.
  • the laser beam 102 from the laser oscillator 101 is processed with a plurality of beams 102 that are split and distributed, the quality of each beam is likely to vary, and the processing quality is not stable. If an attempt is made to mount a plurality of laser oscillators 101 so that a plurality of stable beams can be used, a large space is required and the laser processing apparatus 100 becomes expensive.
  • Patent Document 1 has the same problem.
  • an object of the present invention is to provide a patterning laser processing apparatus capable of forming a processing line on a thin film layer of a work with high efficiency while feeding the work at a predetermined speed.
  • the present invention provides a patterning laser processing apparatus for forming a processing line with a laser beam on a thin film layer formed on a work, wherein the work is sent in one direction at a predetermined feed speed. From the irradiation start side to the irradiation end side in a direction crossing the feed direction of the workpiece while feeding the workpiece at a predetermined speed with the fast feed device and the constant speed feed device or detecting the feed speed of the workpiece A beam head unit having a plurality of beam heads that scan a thin film layer of a workpiece with a laser beam, a laser oscillator that irradiates the beam head with a laser beam, and a scanning speed of the laser beam that is irradiated from the beam head And a control device for controlling a processing line formed on the workpiece to be fed at a predetermined speed by relatively controlling the workpiece feeding speed, Serial control device is configured to machine simultaneously or alternately the processing line by switching the beam head for machining the machining line.
  • the laser beam head unit scans the thin film layer of the workpiece while supporting and feeding the workpiece at an accurate position, and a processing line is formed in a direction intersecting the workpiece feeding direction. Since it can be formed, the processing line can be processed with high efficiency into the thin film layer of the workpiece.
  • the laser beam is irradiated almost continuously and efficiently to form a processing line, thus further reducing the tact time in the solar cell production process and improving production efficiency. You can plan.
  • a method of detecting the speed of the workpiece, performing feedback control, and adjusting the scanning timing of the laser beam it is possible to cope with a continuously flowing workpiece such as a roll-to-roll manufacturing method.
  • a switch for switching which of the plurality of beam heads is irradiated with the laser beam irradiated from the laser oscillator wherein the beam head unit has at least one beam head irradiated from the irradiation start side.
  • a reciprocating motion type in which at least one beam head returns to the irradiation start side while moving toward the laser beam and performing laser processing, and the control device switches the switch to perform laser processing.
  • the head may be configured to irradiate a laser beam.
  • the other beam head is returned to the irradiation start side during the laser processing operation by one beam head, the time during which laser processing is interrupted can be greatly reduced, and the processing time can be shortened.
  • a circuit breaker configured to block the laser beam irradiated from the laser oscillator from being applied to the beam head, wherein the beam head unit has at least one beam head directed from the irradiation start side to the irradiation end side.
  • the controller is configured to return at least one beam head to the irradiation start side during laser processing while moving, and the control device controls the circuit breaker to perform laser processing on the beam head that performs laser processing. You may be comprised so that a beam may be irradiated.
  • the other beam head is returned to the irradiation start side during the laser processing operation by one beam head, the time during which laser processing is interrupted can be greatly reduced, and the processing time can be shortened.
  • the beam head unit may have a circulation mechanism for circulating the plurality of beam heads in a horizontal direction or a vertical direction.
  • the beam head is circulated in the horizontal direction or the vertical direction according to the use conditions and the like, while performing laser processing from the irradiation start side to the irradiation end side with one beam head, Since the beam head is returned from the irradiation end side toward the irradiation start side, laser processing can be performed almost continuously, and efficient laser processing with reduced tact time of laser processing can be performed.
  • the beam head unit may be provided with a mechanism for constant optical path length of laser beams to be irradiated to the plurality of beam heads.
  • the intensity of the laser beam irradiated onto the workpiece from the beam head moved from the irradiation start side to the irradiation end side can be made constant.
  • control device may be configured to determine a scanning position in the feed direction with respect to the workpiece from the arrangement of the plurality of beam heads, one beam head for laser processing, and the workpiece feed speed. .
  • a machining line that intersects the workpiece feeding direction with a single laser beam can be machined substantially continuously and efficiently. Can be greatly speeded up.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a laser processing apparatus according to the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view schematically showing a processing line by the laser processing apparatus shown in FIG.
  • FIG. 3 is a plan view showing the configuration of the laser processing apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a side view of the laser processing apparatus shown in FIG.
  • FIG. 5 is a schematic view of an optical path length constant device provided in the laser processing apparatus shown in FIG.
  • FIG. 6 is a perspective view showing a configuration of a laser processing apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective view showing a configuration of a laser processing apparatus according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a laser processing apparatus according to the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view schematically showing a processing line by the laser processing apparatus shown in FIG.
  • FIG. 3 is a plan view showing the configuration of the laser processing apparatus according to the first
  • FIG. 8A is a side cross-sectional view showing the manufacturing procedure of the thin-film solar cell by the laser processing apparatus.
  • FIG. 8B is a side cross-sectional view showing the manufacturing procedure of the thin-film solar cell following FIG. 8A.
  • FIG. 8C is a side cross-sectional view showing the manufacturing procedure of the thin-film solar cell following FIG. 8B.
  • FIG. 8D is a side cross-sectional view showing the manufacturing procedure of the thin-film solar cell following FIG. 8C.
  • FIG. 8E is a side cross-sectional view showing the manufacturing procedure of the thin-film solar cell following FIG. 8D.
  • FIG. 8F is a side cross-sectional view showing the manufacturing procedure of the thin-film solar cell following FIG. 8E.
  • FIG. 8G is a side cross-sectional view showing the manufacturing procedure of the thin-film solar cell following FIG. 8F.
  • FIG. 9 is a perspective view schematically showing a conventional laser processing apparatus.
  • the laser processing apparatus 1 of this embodiment includes a camera 2 that detects a processing reference position (such as an end face) of a workpiece 5 and a feed direction (Y direction, hereinafter “Y”) of the position-detected workpiece 5.
  • a constant-speed feeding device 3 that accurately feeds the The constant speed feeding device 3 of this embodiment is a work chuck carriage system that grips the work 5 with the work chuck 4 and feeds it on the roller 9 of the work support mechanism 8.
  • This constant-speed feeding device 3 includes a work shaft 4 having a rotation axis ( ⁇ axis) in a planar direction and, if necessary, a driving axis of an X axis (a direction intersecting with the feeding direction) and a Y axis (a direction parallel to the feeding direction). Is provided so as to be synchronized with the feed of the constant speed feeding device 3 and can be processed while correcting in a direction to suppress the twist generated in the workpiece 5.
  • the constant speed feeding device 3 may have other configurations such as a conveyor system and a driving roller conveyor system.
  • work 5 sent with the constant speed feeder 3 is sent in the state which supported the glass substrate 7 from the downward direction in the state which made the thin film layer 6 the upper surface.
  • the work support mechanism 8 in addition to the roller 9, for example, a free bearing, a non-contact air adsorbing unit (such as an attracting mechanism for attracting the work 5 by air from below) or the like is used.
  • a beam head unit 20 that performs patterning processing on the workpiece 5 to be fed is provided at a predetermined position in the feeding direction of the workpiece 5 fed by the constant speed feeding device 3.
  • the beam head unit 20 is arranged so as to scan the laser beam 70 in a scanning direction (X direction, hereinafter referred to as “X”) that intersects the feed direction Y of the workpiece 5.
  • X direction a scanning direction
  • the left side shown is the irradiation start side S, and the right side is the irradiation end side E.
  • the beam head unit 20 is disposed at a predetermined position, and the laser beam 70 is accurately emitted from the beam head unit 20.
  • a processing line (scribe line) 11 can be formed with high accuracy on the workpiece 5 that is accurately fed by the constant speed feeding device 3.
  • the feeding of the workpiece 5 and the irradiation of the laser beam 70 by the constant speed feeding device 3 are controlled by the control device 60.
  • the beam head unit 20 includes a plurality of beam heads (FIGS. 3, 4, 6, and 7) 22, 23 that perform patterning by bending the laser beam 70 emitted from the laser oscillator 21 and irradiating the workpiece 5 with the laser beam 70. Is provided.
  • the laser beam 70 irradiated from the beam head unit 20 toward the workpiece 5 is irradiated with one laser beam 70 irradiated from the laser oscillator 21 toward the workpiece 5. Details of the beam head unit 20 will be described later.
  • the processing unit 10 provided with the beam head unit 20 is provided with a workpiece position holding mechanism (not shown) that supports and feeds the workpiece 5 fed by the constant speed feeding device 3 to an accurate position (level). .
  • a workpiece position holding mechanism for example, an air blow that presses the workpiece 5 from above without contact, a workpiece pressing mechanism that presses the workpiece 5 with a pressing roller, or the like is employed.
  • the workpiece pressing mechanism and the roller 9 of the workpiece support mechanism 8 the workpiece 5 is fed at an accurate position in the beam head unit 20.
  • These workpiece pressing mechanisms and workpiece support mechanisms 8 can employ known techniques.
  • the vertical position (level) of the workpiece 5 sent in the feeding direction Y in the processing unit 10 can be changed. If it does not fluctuate, the focal point of the laser beam 70 that processes the processing line 11 while feeding the workpiece 5 can be prevented from being shifted.
  • a suction duct (not shown) for sucking the thin film or transpiration removed during the formation of the processing line 11 is provided above the workpiece 5, the removed thin film or transpiration is re-applied to the thin film layer 6 or the like. It can be prevented from sticking.
  • the laser scanning position is fixed. Then, the laser beam 70 is scanned in the scanning direction X from the irradiation start side S to the irradiation end side E at regular intervals, and patterning is performed on the workpiece 5 sent at a predetermined speed by the laser beam 70. ing.
  • the feeding speed of the workpiece 5 and the scanning speed of the laser beam 70 are relatively set so that the processing line 11 by the combined speed of the laser beam scanning direction X and the workpiece feeding direction Y is perpendicular to the feeding direction Y. It is controlled by the control device 60.
  • the feed speed of the work 5 is “feed speed VY”
  • the scanning direction seen from the ground is “ground scanning direction XG”
  • the scanning speed with respect to the ground is “ground scanning speed VXG”
  • the scanning direction is “relative scanning direction XW”
  • the scanning speed in the width direction of the workpiece 5 is “relative scanning speed VXW”
  • the relative scanning speed VXW VXG ⁇ cos ⁇ .
  • the workpiece 5 is parallel to the relative scanning direction XW.
  • the processing line 11 can be continuously formed at a predetermined interval LY.
  • the relative control of the workpiece feed speed VY and the laser beam scanning speed VXG is performed by the control device 60 (FIG. 1).
  • the patterning processing is completed by feeding the workpiece 5 once in the feeding direction Y. Also, since the patterning process is completed by sending the workpiece 5 once in one direction, patterning is performed not only on the workpiece 5 of a predetermined length but also on a continuous workpiece such as a roll-to-roll system. Processing becomes possible.
  • the processing line 11 can be processed at a higher speed by using a flat beam (including a line beam) as the laser beam 70.
  • a flat beam including a line beam
  • the direction of the flat beam is controlled so that the processing line 11 is perpendicular to the workpiece feed direction Y, and is irradiated.
  • This laser processing apparatus 30 is an example of a reciprocating operation type in which a plurality of beam heads 22 and 23 are reciprocated between an irradiation start side S and an irradiation end side E.
  • two beam heads 22 and 23 are provided, and the first beam head 22 and the second beam head 23 are reciprocally moved in opposite directions.
  • a rail 31 extending in the scanning direction X intersecting the feeding direction Y of the workpiece 5 is provided above the workpiece 5 conveyed by the constant speed feeding device 3.
  • the first beam head 22 and the second beam head 23 are provided on both sides of the rail 31 so as to reciprocate between the irradiation start side S and the irradiation end side E, respectively.
  • the beam heads 22 and 23 are guided by a linear guide (not shown) provided along the rail 31, and the irradiation start side S and the irradiation end side E are driven by a drive motor or the like.
  • a constant speed drive mechanism or the like that reciprocates between the two can be employed.
  • Other configurations may be used as the configuration for reciprocating the beam heads 22 and 23.
  • the laser oscillator 21 is provided on the irradiation start side S of the rail 31.
  • the laser oscillator 21 is arranged so as to irradiate a laser beam 70 in parallel with the moving direction of the beam heads 22 and 23.
  • the laser beam 70 emitted from the laser oscillator 21 is bent in the orthogonal direction by the first bend mirror 24.
  • the bent laser beam 70 is bent in the orthogonal direction by the second bend mirror 25 or 26 and applied to the beam heads 22 and 23.
  • two bend mirrors 24A and 24B are arranged in the vertical direction.
  • One bend mirror 24 ⁇ / b> A is arranged so that the laser beam 70 is accurately bent toward one second bend mirror 25.
  • the other bend mirror 24B is arranged so that the laser beam 70 is bent accurately toward the other second bend mirror 26.
  • the bend mirrors 24A and 24B are integrally moved in the vertical direction and can be switched.
  • a configuration for example, a fluid pressure cylinder or the like that integrally moves these bend mirrors 24A and 24B up and down is a switch 29.
  • the switching of the first bend mirror 24 is controlled by the control device 60 (FIG. 1).
  • two bend mirrors 24A and 24B are provided and switched.
  • the angle of one bend mirror 24 is controlled so that the laser beam 70 is accurately applied to each of the second bend mirrors 25 and 26. You may make it bend toward.
  • a third bend mirror 27 that bends the laser beam 70 irradiated in the horizontal direction downward and the laser beam 70 bent by the third bend mirror 27 are condensed on the beam heads 22 and 23.
  • a condensing lens 28 is provided.
  • the laser beam 70 bent by the first bend mirror 24 ⁇ / b> A is transmitted from the first beam head 22 by the second bend mirror 25.
  • the first beam head 22 is irradiated with the beam bent in the scanning direction.
  • the laser beam 70 irradiated on the first beam head 22 is bent toward the work 5 by the third bend mirror 27 provided on the first beam head 22, and is irradiated toward the work 5 from the condenser lens 28.
  • the A machining line 11 is formed on the workpiece 5 by the laser beam 70.
  • the first bend mirror 24 is switched from the bend mirror 24A to the bend mirror 24B by the switch 29. Then, the laser beam 70 is bent toward the second bend mirror 26.
  • the laser beam 70 applied to the second bend mirror 26 is applied to the second beam head 23 from the second bend mirror 26.
  • the laser beam 70 applied to the second beam head 23 is bent toward the work 5 by a third bend mirror 27 provided on the second beam head 23 in the same manner as the first beam head 22 and is condensed. Irradiation from the lens 28 toward the workpiece 5.
  • a machining line 11 is formed on the workpiece 5 by the laser beam 70.
  • the rail 31 is provided as shown by a two-dot chain line in FIG.
  • a third beam head 22B (a fourth beam head (not shown) if necessary) may be provided on the rail 31B in parallel with the workpiece feed direction Y.
  • the second bend mirror 25 in the direction in which the rail 31B is newly provided can be moved in the vertical direction, and when the laser beam is processed by the third beam head 22B, the second bend mirror 25 is lowered to allow the laser beam 70 to pass through.
  • the second bend mirror 25B provided may be bent toward the third beam head 22B.
  • FIG. 5 illustrates the first beam head 22 side as an example.
  • a laser beam 70 bent by the second bend mirror 25 (26) is provided in the fourth and fifth bend mirrors 41 provided in front of the beam head 22 (23) in the moving direction. , 42 is applied to the beam head 22 (23) through a reflecting mirror unit 43.
  • the fourth and fifth bend mirrors 41 and 42 of the constant optical path length device 40 are provided so as to reflect the laser beam 70 from the second bend mirror 25 (26) in the opposite direction by 180 °.
  • This constant optical path length device 40 is configured to move the reflecting mirror unit 43 by a distance that is half the amount of movement of the beam head 22 (23).
  • the reflection mirror unit 43 is moved in the same direction by half the amount of movement of the beam head 22 (23), thereby maintaining the optical path length of the laser beam 70 constant. 22 (23) can be irradiated.
  • This optical path length constant device 40 is an example, and the optical path length of the laser beam 70 may be constant with another configuration using a link, a fiber, or the like.
  • the laser processing apparatus 1 of the first embodiment when one of the beam heads 22 (23) performs laser processing by the beam head unit 20 including the plurality of beam heads 22 and 23.
  • the other beam head 23 (22) can be moved to the irradiation start side S. Therefore, if both beam heads 22 and 23 are moved in the opposite direction at the same speed, when one beam head 22 (23) reaches the machining end position, the other beam head 23 (22) is placed at the machining start position. can do.
  • the processing line 11 of [1] shown in FIG. 3 is processed by the first beam head 22, the processing line 11 of [2] is processed by the second beam head 23, and the processing is alternately repeated to be almost continuous.
  • Laser processing is possible. Therefore, for example, it is possible to efficiently perform almost continuous laser processing by moving the beam heads 22 and 23 at 10 to 20 m / sec.
  • machining the machining line 11 while feeding the workpiece 5 in one direction toward the feeding direction Y can greatly reduce the tact of the machining line formation work and greatly improve the productivity of solar cells and the like. It becomes possible to make it. In addition, this makes it possible to reduce the cost of the solar cell and promote the use of the solar cell.
  • FIG. 6 is a view showing a main part of the laser processing apparatus 50 according to the second embodiment.
  • the laser processing apparatus 50 according to the second embodiment is an example in which a plurality of beam heads are circulated between an irradiation start side S and an irradiation end side E. In other words, this is an example in which a plurality of beam heads are operated in a return system that circulates in the same direction.
  • a configuration related to the beam head unit 51 will be described, and the same configuration as the configuration shown in FIGS.
  • the beam head unit 51 is disposed below the workpiece 5 will be described.
  • the laser processing apparatus 50 of this embodiment is also provided with two beam heads 22 and 23. These beam heads 22 and 23 have the same configuration as the beam heads 22 and 23 shown in FIGS.
  • the beam heads 22 and 23 of these embodiments are moved between the irradiation start side S and the irradiation end side E by a timing belt 53 driven by a timing pulley 52, and are swung horizontally at both ends. Circulated.
  • the laser oscillator 21 is disposed on the extension line.
  • the laser oscillator 21 is arranged so as to accurately irradiate the laser beam 70 toward the beam head 22 (23) moving from the irradiation start side S toward the irradiation end side E.
  • a beam shutter 54 for interrupting the laser beam 70 is provided between the laser oscillator 21 and the beam heads 22 and 23 for a predetermined period during which the beam heads 22 and 23 are swung at the ends.
  • an electric shutter, a mechanical shutter, or the like is used as the beam shutter 54 .
  • the beam shutter 54 irradiates the beam heads 22 and 23 with the laser beam 70 irradiated from the laser transmitter 21 within a predetermined range in which the beam heads 22 and 23 circulated at a predetermined speed move in the laser beam scanning direction X. Control is performed to perform laser processing.
  • the opening and closing of the beam shutter 54 is controlled based on information such as a stepping motor that drives the timing pulley 52, for example.
  • the beam heads 22 and 23 are the same as those shown in FIGS. 3 and 4.
  • the beam heads 22 and 23 are provided below the workpiece 5, and laser beams are directed upward from these beam heads 22 and 23.
  • the beam 70 is irradiated.
  • the laser beam 70 irradiated from the laser oscillator 21 is bent toward the workpiece 5 by the third bend mirror 27 of the beam head 22 (23), and is irradiated toward the workpiece 5 from the condenser lens 28.
  • the other beam head 23 (22) when one of the beam heads 22 (23) performs laser processing from the irradiation start side S, the other beam head 23 (22) is irradiated from the irradiation end side E. It can be moved toward the start side S.
  • FIG. 7 shows a laser processing apparatus 55 according to the third embodiment which is a modification of the laser processing apparatus 50 according to the second embodiment shown in FIG.
  • the beam heads 22 and 23 are moved between the irradiation start side S and the irradiation end side E, and swung in the vertical direction at both ends to circulate.
  • a laser oscillator 21 is arranged on the extension line on the side (left side in the drawing) that moves from the irradiation start side S toward the irradiation end side E.
  • the laser oscillator 21 is arranged to irradiate a laser beam 70 toward the beam heads 22 and 23 that move from the irradiation start side S toward the irradiation end side E.
  • a shutter 54 for interrupting the laser beam 70 is provided between the laser oscillator 21 and the beam head 22 (23) while the beam head 22 (23) is turning at the end. Yes. Since others are the same as the said 2nd Embodiment, description is abbreviate
  • the other beam head 23 (22) is moved from the irradiation end side E. It can be moved toward the irradiation start side S.
  • optical path length constant device for example, a link type optical path length constant device is employed, unlike the optical path length constant device 40 described above.
  • the laser beam 70 is irradiated from below the workpiece 5 as in the second and third embodiments, the thin film layer 6 formed on the upper surface of the workpiece 5 through the glass substrate 7 is focused. A laser beam 70 is irradiated.
  • the beam head unit 51 including the plurality of beam heads 22 and 23 is used for the irradiation start side S of one beam head 22 (23). Since the other beam head 23 (22) can be moved toward the irradiation start side S when performing laser processing from the laser beam toward the irradiation end side E, it is possible to efficiently perform substantially continuous laser processing. it can.
  • machining the machining line 11 while feeding the workpiece 5 in one direction toward the feeding direction Y can greatly reduce the tact of the machining line formation work and greatly improve the productivity of solar cells and the like. It becomes possible to make it. In addition, this makes it possible to reduce the cost of the solar cell and promote the use of the solar cell.
  • the work 5 is continuously fed in the feed direction Y at a constant speed (or intermittently fed at regular intervals) while intersecting the feed direction Y.
  • a laser beam 70 is irradiated in the scanning direction X at a predetermined scanning speed.
  • the feeding speed of the workpiece 5 and the scanning speed of the laser beam 70 are relatively compared by the control device 60 so that the processing line 11 of one laser beam 70 is perpendicular to the feeding direction Y of the workpiece 5. Therefore, the thin film layer 6 can be patterned at high speed. Then, since the laser processing is completed by sending the workpiece 5 once in the feed direction Y at a predetermined speed, the processing for one workpiece 5 can be completed in a short time.
  • laser processing is completed by forming the processing line 11 by scanning the laser beam 70 while feeding the workpiece 5 in one direction. Therefore, not only processing of the workpiece 5 for each substrate but also roll-to-roll of the flexible solar cell. ⁇ High-speed continuous machining is possible even for continuous workpieces produced by the roll manufacturing method.
  • a plurality of laser processing apparatuses 1 and film forming machines are provided in the feed direction even when the processing lines 11 are formed in a plurality of film forming layers. If they are arranged side by side, it is possible to continuously perform patterning while conveying the workpiece 5 in one direction, and it is possible to greatly reduce the tact of patterning and greatly improve the productivity of solar cells and the like. Become. In addition, this makes it possible to reduce the cost of the solar cell and promote the use of the solar cell.
  • the laser processing apparatus 1 capable of manufacturing a solar cell with stable processing quality can be manufactured at low cost.
  • the laser oscillator 21 is configured separately from the beam heads 22 and 23. However, if the laser oscillator 21 is small and light, it is configured to move integrally with the head units 22 and 23. May be.
  • the laser processing apparatus according to the present invention can be used in the manufacturing process of thin film solar cells and flexible solar cells (roll-to-roll manufacturing method).
  • SYMBOLS 1 Laser processing apparatus 3 Constant speed feeder 5 Workpiece 6 Thin film layer 7 Substrate (glass substrate) 11 Processing line (scribe line) DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 Beam head unit 21 Laser oscillator 22 1st beam head 23 2nd beam head 24 1st bend mirror 24A, 24B Bend mirror 25, 26 2nd bend mirror 27 3rd bend mirror 28 Condensing lens 29 Switch 30 Laser processing apparatus 31 rail 32 beam scanning unit 40 optical path length constant device 41 fourth bend mirror 42 fifth bend mirror 43 reflecting mirror unit 50 laser processing device 51 beam head unit 54 beam shutter 55 laser processing device 60 control device 70 laser beam S irradiation start side E End of irradiation X Laser beam scanning direction Y Work feed direction

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Abstract

　定速送り装置（３）でワーク（５）を所定速度で一方向に送りながらワーク（５）の送り方向と交差する方向に照射開始側（Ｓ）から照射終了側（Ｅ）に向けて１本のレーザビーム（７０）をワーク（５）の薄膜層（６）に対して走査するビームヘッド（２２，２３）を有するビームヘッドユニット（２０）と、ビームヘッド（２２，２３）にレーザビーム（７０）を照射するレーザ発振器（２１）と、ビームヘッド（２２，２３）から照射するレーザビーム（７０）の走査速度とワーク（５）の送り速度とを相対的に制御して所定速度で送るワークに形成する加工ライン（１１）を制御する制御装置（６０）とを備え、制御装置（６０）は、加工ライン（１１）を加工するビームヘッド（２２，２３）を切替えて加工ライン（１１）を交互に加工するように構成する。これにより、所定速度でワークを送りながら、そのワークの薄膜層に加工ラインを高効率で形成できるようにする。

Description

パターニング用レーザ加工装置
　本発明は、薄膜系の太陽電池やフレキシブル太陽電池等の製造工程におけるパターニングに用いられるレーザ加工装置に関する。
　従来、太陽光発電のための太陽電池として、例えば、薄膜シリコンやＣＩＧＳ太陽電池（この明細書及び特許請求の範囲の書類中では、総称して「薄膜太陽電池」という）がある。この薄膜太陽電池は、ガラス基板の片面に金属膜やシリコン膜などの半導体を成膜（「deposition」又は「film formation」）して薄膜層（例えば、数百ｎｍ～数十μｍ程度）を形成し、その薄膜層にパターニング加工が施されたものが用いられる。以下、この薄膜太陽電池の基板（以下、単に「ワーク」ともいう）を例に説明する。
　薄膜太陽電池の基板の製造工程としては、例えば、図８Ａ～図８Ｇに示すように、ガラス基板１１０（図８Ａ）の上面に透明電極層（薄膜層）１１１を成膜し（図８Ｂ）、その透明電極層１１１にレーザ加工装置からレーザビーム１１５を照射することで、透明電極層１１１を部分的に除去して直線状の加工ライン１１２Ａがパターニング加工される（図８Ｃ）。透明電極層１１１に加工ライン１１２Ａが形成された基板１１０は、透明電極層１１１の上面に光電変換層（薄膜層）１１３が成膜され（図８Ｄ）、その光電変換層１１３にレーザ加工装置からレーザビーム１１５を照射して加工ライン１１２Ｂがパターニング加工される（図８Ｅ）。その後、この光電変換層１１３に加工ライン１１２Ｂが形成された基板１１０は、光電変換層１１３の上面に裏面電極層（薄膜層）１１４が成膜される（図８Ｆ）。そして、この裏面電極層１１４に、レーザ加工装置からレーザビーム１１５を照射して加工ライン１１２Ｃがパターニング加工される（図８Ｇ）。このようパターニング加工された基板１１０が、モジュール化された太陽電池となる。
　この種のレーザ加工装置１００として、例えば、図９に示すように、レーザ発振器１０１からのレーザビーム１０２（以下、単に「ビーム」ともいう）をビーム分光器１０３で複数に分光し、それらのビームを導光ミラー１０４でワーク１０６に向けて方向変換する。そして、ビーム集光レンズ１０５でそのビーム１０２の焦点距離をワーク１０６の薄膜層１０７に合わせて照射することで、薄膜層１０７を剥がして加工ライン１０８を形成するものがある。
　このレーザ加工装置１００によるパターニング加工は、ワーク送り装置１０９のテーブルにワーク１０６を固定し、そのワーク１０６をＸ方向に送り、そのワーク１０６に対してレーザビーム１０２を照射して加工ライン１０８を形成する。その後、ワーク１０６をＹ方向に所定量（加工ラインピッチ分）送った後、そのワーク１０６を上記送りと逆向きでＸ方向に送り、そのワーク１０６に対してレーザビーム１０２を照射して加工ライン１０８を形成する。そして、この作業を繰り返すことにより、ワーク１０６に順次加工ライン１０８が形成される。つまり、ワーク１０６は、Ｘ方向に送って加工ライン１０８を形成する作業と、Ｙ方向に送られる作業とが間欠的に繰り返される。
　なお、この種の先行技術として、例えば、レーザ発振器から出射したレーザビームをミラーで分光し、それらのレーザビームを集光レンズを介して太陽電池の薄膜層に照射することで加工ラインを形成するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
　また、他の先行技術として、シリンドリカルレンズで横断面細線状のレーザビームを生成し、この細線状のレーザビームにより一部が重なった状態で重ねて細線状の加工痕を形成することで基板の搬送速度を速くして、これによってレーザ加工のタクトを短縮しようとしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
日本国　特開２００４－１７０４５５号公報 日本国　特開２０１０－２２１２７４号公報
　ところで、近年、自然エネルギによる発電が更に注目され、太陽電池の生産性の向上等による低コスト化によって更なる促進を図ろうとする動きがある。そのため、太陽電池の生産工程における更なるタクト（１工程当たりの作業時間）の短縮化（高速化）が求められている。
　しかしながら、上記したように、ワーク１０６の全面をワーク送り装置１０９のテーブルに固定してレーザ加工を行う場合、ワーク１０６を搬送方向に何回も往復させて加工を行うため、１枚のワーク１０６を加工し終わるまで次工程に移送することができない。そのため、加工に多くの時間を要して効率が悪い。
　また、レーザ発振器１０１からのレーザビーム１０２を分光して振分けした複数のビーム１０２で加工するため、各ビーム品質にバラツキを生じ易く加工品質が安定しない。仮に、複数のレーザ発振器１０１を搭載して安定した複数のビームを使用できるようにしようとすると、大きなスペースが必要になるとともに、レーザ加工装置１００が高コストになる。
　そのため、このようなレーザ加工装置１００における加工時間の長さや高コスト等が、太陽電池の低コスト化の妨げになっている。なお、上記特許文献１に記載の発明も同様の課題を有する。
　さらに、上記特許文献２に記載の先行技術による加工時間の短縮化はビームの加工方向長さによるものであるため、短縮できる時間は限られており、さらなる加工時間の短縮による加工効率の向上が望まれる。
　そこで、本発明は、所定速度でワークを送りながら、そのワークの薄膜層に加工ラインを高効率で形成できるパターニング用レーザ加工装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明は、ワークに形成された薄膜層にレーザビームで加工ラインを形成するパターニング用レーザ加工装置であって、前記ワークを所定の送り速度で一方向に送る定速送り装置と、前記定速送り装置でワークを所定速度で送りながら又はワークの送り速度を検出して送りながら、前記ワークの送り方向と交差する方向に照射開始側から照射終了側に向けて１本のレーザビームをワークの薄膜層に対して走査する複数のビームヘッドを有するビームヘッドユニットと、前記ビームヘッドにレーザビームを照射するレーザ発振器と、前記ビームヘッドから照射するレーザビームの走査速度と前記ワークの送り速度とを相対的に制御して所定速度で送るワークに形成する加工ラインを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記加工ラインを加工するビームヘッドを切替えて前記加工ラインを同時又は交互に加工するように構成されている。
　この構成により、ワークを正確な位置で支持して送りながらビームヘッドユニットから１本のレーザビームをワークの薄膜層に対して走査して、ワークの送り方向に対して交差する方向に加工ラインを形成することができるので、ワークの薄膜層に加工ラインを高効率で加工することが可能となる。しかも、複数のビームヘッドを切替えることで、ほぼ連続的に効率良くレーザビームを照射して加工ラインを形成するので、太陽電池の生産工程における更なるタクトの短縮化を図って生産効率の向上を図ることができる。その上、ワークの速度を検出してフィードバック制御し、レーザビームの走査タイミングを調整する方式を用いることで、ロール・ツー・ロール製法等、連続的に流れるワークに対応することもできる。
　また、前記レーザ発振器から照射されるレーザビームを前記複数のビームヘッドのいずれに照射するかを切替る切替器を有し、前記ビームヘッドユニットは、少なくとも１つのビームヘッドが照射開始側から照射終了側に向けて移動してレーザ加工をしている間に少なくとも１つのビームヘッドを前記照射開始側に戻す往復動作式で構成され、前記制御装置は、前記切替器を切替えてレーザ加工を行うビームヘッドにレーザビームを照射するように構成されていてもよい。
　このように構成すれば、１つのビームヘッドによるレーザ加工動作中に他のビームヘッドを照射開始側に戻すので、レーザ加工が途切れる時間を非常に少なくして加工時間のタクト短縮を図ることができる。
　また、前記レーザ発振器から照射されるレーザビームが前記ビームヘッドに照射されるのを遮断する遮断器を有し、前記ビームヘッドユニットは、少なくとも１つのビームヘッドが照射開始側から照射終了側に向けて移動してレーザ加工をしている間に少なくとも１つのビームヘッドを前記照射開始側に戻す循環式で構成され、前記制御装置は、前記遮断器を制御してレーザ加工を行うビームヘッドにレーザビームを照射するように構成されていてもよい。
　このように構成すれば、１つのビームヘッドによるレーザ加工動作中に他のビームヘッドを照射開始側に戻すので、レーザ加工が途切れる時間を非常に少なくして加工時間のタクト短縮を図ることができる。
　また、前記ビームヘッドユニットは、前記複数のビームヘッドを水平方向又は垂直方向に循環させる循環機構を有していてもよい。
　このように構成すれば、使用条件等に応じて、ビームヘッドを水平方向又は垂直方向に循環させて、一つのビームヘッドで照射開始側から照射終了側に向けてレーザ加工を行いながら、他のビームヘッドを照射終了側から照射開始側に向けて戻すので、レーザ加工をほぼ連続的に行うことができ、レーザ加工のタクトを短縮した効率のよいレーザ加工ができる。
　また、前記ビームヘッドユニットは、前記複数のビームヘッドに照射するレーザビームの光路長一定機構を具備していてもよい。
　このように構成すれば、照射開始側から照射終了側に向けて移動させるビームヘッドからワークに照射されるレーザビームの強度を一定にすることができる。
　また、前記制御装置は、前記複数のビームヘッドの配置と、レーザ加工する１つのビームヘッドと、ワークの送り速度と、からワークに対する送り方向の走査位置を決定するように構成されていてもよい。
　このように構成すれば、複数のビームヘッドによるワークに対する走査位置を予め制御装置で決定するので、複数のビームヘッドによってワークに対して正確なパターニング加工ができる。
　本発明によれば、所定速度でワークを送りながら、そのワークに１本のレーザビームでワークの送り方向に対して交差する加工ラインをほぼ連続的に効率良く加工することができるので、パターニング加工を大幅に高速化することが可能となる。
図１は本発明に係るレーザ加工装置を模式的に示す斜視図である。 図２は図１に示すレーザ加工装置による加工ラインを模式的に示す平面図である。 図３は本発明の第１実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す平面図である。 図４は図３に示すレーザ加工装置の側面図である。 図５は図３に示すレーザ加工装置に具備させた光路長一定装置の概略図である。 図６は本発明の第２実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す斜視図である。 図７は本発明の第３実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す斜視図である。 図８Ａはレーザ加工装置による薄膜太陽電池の製造手順を示す側断面図である。 図８Ｂは図８Ａに続く薄膜太陽電池の製造手順を示す側断面図である。 図８Ｃは図８Ｂに続く薄膜太陽電池の製造手順を示す側断面図である。 図８Ｄは図８Ｃに続く薄膜太陽電池の製造手順を示す側断面図である。 図８Ｅは図８Ｄに続く薄膜太陽電池の製造手順を示す側断面図である。 図８Ｆは図８Ｅに続く薄膜太陽電池の製造手順を示す側断面図である。 図８Ｇは図８Ｆに続く薄膜太陽電池の製造手順を示す側断面図である。 図９は従来のレーザ加工装置を模式的に示す斜視図である。
　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態では、ガラス基板７に薄膜層６が形成されたワーク５を例に説明する。
　図１に示すように、この実施形態のレーザ加工装置１は、ワーク５の加工基準位置（端面等）を検出するカメラ２と、位置検出したワーク５を送り方向（Ｙ方向、以下「Ｙ」で示す）に正確に送る定速送り装置３とを備えている。この実施形態の定速送り装置３は、ワークチャック４でワーク５を把持してワーク支持機構８のローラ９上を送るワークチャック台車方式となっている。
　この定速送り装置３は、ワークチャック４に平面方向の回転軸（θ軸）及び必要な場合には、Ｘ軸（送り方向と交差方向）・Ｙ軸（送り方向と平行方向）の駆動軸を設け、定速送り装置３の送りと同期させて、ワーク５に生じる捻りを抑制する方向に補正しながら加工できるようになっている。この定速送り装置３としては、例えば、コンベア方式、駆動ローラコンベア方式等、他の構成であってもよい。また、この実施形態では、定速送り装置３で送られるワーク５は、薄膜層６を上面とした状態でガラス基板７を下方から支持した状態で送られる。さらに、上記ワーク支持機構８としては、上記ローラ９以外に、例えば、フリーベアリング、非接触エアー吸着ユニット（ワーク５を下方からエアーによって引き付ける引付機構等）などが用いられる。
　そして、上記定速送り装置３で送られるワーク５の送り方向所定位置には、送られるワーク５に対してパターニング加工を行うビームヘッドユニット２０が設けられている。ビームヘッドユニット２０は、ワーク５の送り方向Ｙと交差する走査方向（Ｘ方向、以下「Ｘ」で示す）にレーザビーム７０を走査するように配置されている。図示する左側が照射開始側Ｓであり、右側が照射終了側Ｅである。このようにビームヘッドユニット２０を所定位置に配置し、このビームヘッドユニット２０からレーザビーム７０を正確に照射している。これにより、上記定速送り装置３によって正確に送られるワーク５に対して精度よく加工ライン（スクライブ線）１１が形成できるようにしている。これら定速送り装置３によるワーク５の送りや、レーザビーム７０の照射は、制御装置６０によって制御されている。
　ビームヘッドユニット２０には、レーザ発振器２１から照射されたレーザビーム７０を曲げてワーク５に向けて照射することでパターニング加工を行う複数のビームヘッド（図３，４，６，７）２２，２３が備えられている。このビームヘッドユニット２０からワーク５に向けて照射されるレーザビーム７０は、レーザ発振器２１から照射された１本のレーザビーム７０をワーク５に向けて照射するようになっている。ビームヘッドユニット２０の詳細は、後述する。
　なお、上記ビームヘッドユニット２０が設けられた加工部１０には、定速送り装置３で送られるワーク５を正確な位置（レベル）に支持して送るワーク位置保持機構（図示略）が備えられる。このワーク位置保持機構としては、例えば、ワーク５を上方から非接触で押付けるエアブローや、押し付けローラ等で押し付けるワーク押付機構等が採用される。このワーク押付機構と、上記ワーク支持機構８のローラ９によって、ビームヘッドユニット２０の部分でワーク５が正確な位置で送られる。これらのワーク押付機構及びワーク支持機構８は公知の技術を採用することができる。
　このように、ワーク５の下方にワーク支持機構８を設け、上方にワーク押付機構（図示略）を設けることで、加工部１０において送り方向Ｙに送られるワーク５の上下方向位置（レベル）が変動しないようにすれば、ワーク５を送りながら加工ライン１１を加工するレーザビーム７０の焦点がズレないようにできる。
　なお、上記ワーク５の上方に、加工ライン１１の形成時に除去された薄膜や蒸散物を吸引する吸引ダクト（図示略）を設ければ、除去された薄膜や蒸散物が薄膜層６等に再付着しないようにできる。
　一方、図２に示すように、上記レーザ加工装置１によるワーク５をワーク送り方向Ｙに送りながらレーザビーム７０を照射して行うパターニング加工は、レーザ走査位置は固定としている。そして、レーザビーム７０を一定間隔時間で照射開始側Ｓから照射終了側Ｅに向けて走査方向Ｘに走査し、このレーザビーム７０によって所定速度で送られるワーク５に対してパターニング加工を行うようにしている。
　この場合、レーザビーム走査方向Ｘとワーク送り方向Ｙとの合成速度による加工ライン１１が送り方向Ｙに対して直角となるように、ワーク５の送り速度とレーザビーム７０の走査速度とが相対的に制御装置６０で制御される。
　具体的には、ワーク５の送り速度を「送り速度ＶＹ」、地面から見た走査方向を「対地走査方向ＸＧ」、地面に対する走査速度を「対地走査速度ＶＸＧ」、ワーク５の幅方向である走査方向を「相対走査方向ＸＷ」、ワーク５の幅方向に走査する速度を「相対走査速度ＶＸＷ」とし、水平面内での対地走査方向ＸＧと相対走査方向ＸＷとが成す角度を「傾斜角φ」とする。そして、送り速度ＶＹを対地走査速度ＶＸＧで除算すれば、傾斜角φの正弦を得ることができる（sinφ＝ＶＹ／ＶＸＧ）。また、対地走査速度ＶＸＧに傾斜角φの余弦を乗算すれば、相対走査速度ＶＸＷを得ることができる（ＶＸＷ＝ＶＸＧ×cosφ）。さらに、ワーク５送り方向における加工ライン１１同士の間隔ＬＹを、ワーク５の幅方向における加工ライン１１の長さＬＸで除算すれば、傾斜角φの正弦として得ることができる（tanφ＝ＬＹ／ＬＸ）。
　従って、このような関係から所定の送り速度ＶＹで送るワーク５に対して対地走査速度ＶＸＧで対地走査方向ＸＧにレーザビーム７０を走査すれば、ワーク５に対しては相対走査方向ＸＷに、平行な加工ライン１１を所定間隔ＬＹで連続的に形成することができる。これらワーク送り速度ＶＹとレーザビーム走査速度ＶＸＧとの相対的な制御は、制御装置６０（図１）によって行われる。
　そして、このような加工をレーザ加工装置１で連続的に行うことにより、送り方向Ｙにワーク５を１回送ることでパターニング加工が完了する。また、ワーク５を一方向に１回送ることでパターニング加工が完了するので、所定長さのワーク５の加工だけではなく、ロール・ツー・ロール方式のような連続体のワークに対してもパターニング加工が可能となる。
　なお、上記レーザビーム７０としては、扁平ビーム（ラインビーム等を含む）を用いることで、加工ライン１１をより高速で加工することができる。扁平ビームとしては、加工ライン１１がワーク送り方向Ｙに対して直角となるように扁平ビームの方向が制御されて照射される。
　次に、図３，４に基づいて、第１実施形態に係るレーザ加工装置の構成を説明する。なお、上記図１に示す構成と同一の構成には同一符号を付して説明する。
　このレーザ加工装置３０は、複数のビームヘッド２２，２３を照射開始側Ｓと照射終了側Ｅとの間で往復させる往復動作式の例である。この実施形態では２つのビームヘッド２２，２３が備えられ、これら第１ビームヘッド２２と第２ビームヘッド２３とを逆方向に往復動作させるパラレル方式としている。
　図示するように、定速送り装置３で搬送されるワーク５の上方に、このワーク５の送り方向Ｙと交差する走査方向Ｘに延びるレール３１が設けられている。このレール３１の両側には、上記第１ビームヘッド２２と第２ビームヘッド２３とがそれぞれ照射開始側Ｓと照射終了側Ｅとの間で往復移動するように設けられている。このビームヘッド２２，２３を往復移動させる構成としては、例えば、レール３１に沿って設けられたリニアガイド（図示略）に案内されるようにし、駆動モータ等で照射開始側Ｓと照射終了側Ｅとの間を往復動させるような等速駆動機構等を採用することができる。このビームヘッド２２，２３を往復移動させる構成としては、他の構成であってもよい。
　また、上記レール３１の照射開始側Ｓに上記レーザ発振器２１が設けられている。このレーザ発振器２１は、ビームヘッド２２，２３の移動方向と平行にレーザビーム７０を照射するように配置されている。このレーザ発振器２１から照射されたレーザビーム７０は、第１ベンドミラー２４によって直交方向に曲げられる。この曲げられたレーザビーム７０は、第２ベンドミラー２５又は２６によって直交方向に曲げられて、上記ビームヘッド２２，２３に照射される。
　図４に示すように、この実施形態の上記第１ベンドミラー２４は、上下方向に２枚のベンドミラー２４Ａ，２４Ｂが配置されている。一方のベンドミラー２４Ａは、レーザビーム７０を一方の第２ベンドミラー２５に向けて正確に曲げるように配置されている。他方のベンドミラー２４Ｂは、レーザビーム７０を他方の第２ベンドミラー２６に向けて正確に曲げるように配置されている。
　そして、これらのベンドミラー２４Ａ，２４Ｂは、一体的に上下方向に移動させられて切替え可能となっている。これらのベンドミラー２４Ａ，２４Ｂを一体的に上下動させる構成（例えば、流体圧シリンダ等）が切替器２９である。この第１ベンドミラー２４の切替えは、上記制御装置６０（図１）によって制御される。
　なお、この実施形態では２つのベンドミラー２４Ａ，２４Ｂを設けて切替えるようにしているが、１枚のベンドミラー２４を角度制御して、レーザビーム７０を正確に第２ベンドミラー２５，２６のそれぞれに向けて曲げるようにしてもよい。
　さらに、上記ビームヘッド２２，２３には、水平方向に照射されたレーザビーム７０を下方に向けて曲げる第３ベンドミラー２７と、この第３ベンドミラー２７で曲げられたレーザビーム７０を集光する集光レンズ２８とがそれぞれ設けられている。
　そして、図３，４に示すように、第１ビームヘッド２２によってレーザ加工を行う場合、上記第１ベンドミラー２４Ａで曲げられたレーザビーム７０は、第２ベンドミラー２５によって第１ビームヘッド２２の走査方向に曲げられて、第１ビームヘッド２２に照射される。この第１ビームヘッド２２に照射されたレーザビーム７０は、第１ビームヘッド２２に設けられた第３ベンドミラー２７によってワーク５に向けて曲げられ、集光レンズ２８からワーク５に向けて照射される。このレーザビーム７０によってワーク５に加工ライン１１が形成される。
　また、第１ビームヘッド２２とはレール３１の反対側面に設けられた第２ビームヘッド２３によってレーザ加工を行う場合、上記切替器２９によって第１ベンドミラー２４がベンドミラー２４Ａからベンドミラー２４Ｂに切替えられ、レーザビーム７０が第２ベンドミラー２６に向けて曲げられる。この第２ベンドミラー２６に照射されたレーザビーム７０は、第２ベンドミラー２６から第２ビームヘッド２３に照射される。この第２ビームヘッド２３に照射されたレーザビーム７０は、上記第１ビームヘッド２２と同様に、第２ビームヘッド２３に設けられた第３ベンドミラー２７によってワーク５に向けて曲げられ、集光レンズ２８からワーク５に向けて照射される。このレーザビーム７０によってワーク５に加工ライン１１が形成される。
　なお、この第１実施形態では２つのビームヘッド２２，２３を備えた例を説明したが、３つ以上のビームヘッドを備えさせる場合、図３に二点鎖線で示すように、上記レール３１をワーク送り方向Ｙに並設し、そのレール３１Ｂに第３ビームヘッド２２Ｂ（必要に応じて第４ビームヘッド（図示略））を備えさせればよい。この場合、新たにレール３１Ｂを設ける方向の第２ベンドミラー２５を上下方向に移動可能とし、第３ビームヘッド２２Ｂによるレーザ加工時には第２ベンドミラー２５を下げてレーザビーム７０を通過させ、新たに設けた第２ベンドミラー２５Ｂによって第３ビームヘッド２２Ｂに向けて曲げるようにすればよい。
　また、３つ以上のビームヘッドを備えさせた場合、複数のビームヘッドを切替えて行う交互加工すると、一部のビームヘッドによる同時加工とを組合わせて行うことで、更なる加工時間の短縮化も可能である。
　一方、上記したようにビームヘッド２２，２３を移動させる場合、レーザ発振器２１からの距離が変化してビーム強度が変化する。そのため、図５に示すように、ビームヘッド２２，２３の移動量に関係なく、レーザビーム７０を同一光路長でビームヘッド２２，２３に照射する光路長一定装置４０を設けてもよい。図５は、第１ビームヘッド２２側を例にしている。
　図５に図示する光路長一定装置４０は、第２ベンドミラー２５（２６）で曲げたレーザビーム７０を、ビームヘッド２２（２３）の移動方向前方に設けられた第４，第５ベンドミラー４１，４２を有する反射ミラーユニット４３を介してビームヘッド２２（２３）に照射する構成となっている。この光路長一定装置４０の第４，第５ベンドミラー４１，４２は、第２ベンドミラー２５（２６）からのレーザビーム７０を１８０°反対方向に反射するように設けられている。この光路長一定装置４０は、反射ミラーユニット４３をビームヘッド２２（２３）の移動量の半分の距離で移動させるようになっている。
　このような光路長一定装置４０によれば、ビームヘッド２２（２３）の移動量の半分で反射ミラーユニット４３を同一方向に移動させることで、レーザビーム７０の光路長を一定に保ってビームヘッド２２（２３）に照射することができる。この光路長一定装置４０は一例であり、リンク、ファイバー等を用いた他の構成でレーザビーム７０の光路長を一定にしてもよい。
　以上のような第１実施形態のレーザ加工装置１によれば、複数のビームヘッド２２，２３を備えたビームヘッドユニット２０により、一方のビームヘッド２２（２３）でレーザ加工を行っているときに他方のビームヘッド２３（２２）を照射開始側Ｓに移動させることができる。従って、両ビームヘッド２２，２３を同一速度で逆方向に移動させれば、一方のビームヘッド２２（２３）が加工終了位置に達する時に、他方のビームヘッド２３（２２）を加工開始位置に配置することができる。
　そのため、両ビームヘッド２２，２３で交互にレーザ加工を行うことでほぼ連続したレーザ加工ができる。例えば、図３に示す［１］の加工ライン１１は第１ビームヘッド２２によって加工し、［２］の加工ライン１１は第２ビームヘッド２３によって加工し、その加工を交互に繰り返すことでほぼ連続したレーザ加工が可能となる。そのため、例えば、１０～２０ｍ／ｓｅｃでビームヘッド２２，２３を移動させて、ほぼ連続したレーザ加工を効率良く行うことができる。
　従って、ワーク５を送り方向Ｙに向けて一方向に送りながら加工ライン１１を加工することで、加工ライン形成作業のタクトを大幅に短縮することができ、太陽電池等の生産性を大幅に向上させることが可能となる。また、これにより、太陽電池の低コスト化を図ることができ、太陽電池利用の促進を図ることができる。
　図６は、第２実施形態に係るレーザ加工装置５０の要部を示す図面である。この第２実施形態のレーザ加工装置５０は、複数のビームヘッドを照射開始側Ｓと照射終了側Ｅとの間で循環させる循環式とした例である。つまり、複数のビームヘッドを同一方向に循環させるリターン方式で動作させるようにした例である。なお、この実施形態では、ビームヘッドユニット５１に関する構成を説明し、上記図３，４に示す構成と同一の構成には同一符号を付して説明する。また、この第２実施形態では、ビームヘッドユニット５１をワーク５の下方に配置した例で説明する。
　図示するように、この実施形態のレーザ加工装置５０も、２つのビームヘッド２２，２３が備えられている。これらのビームヘッド２２，２３は、駆動方式を除くと上記図３，４に示すビームヘッド２２，２３と同一の構成である。
　これらの実施形態のビームヘッド２２，２３は、タイミングプーリ５２で駆動されるタイミングベルト５３により照射開始側Ｓと照射終了側Ｅとの間を移動させられ、両端部で水平方向に旋回させることで循環させられる。
　また、図示するように、タイミングベルト５３の一方で、照射開始側Ｓから照射終了側Ｅに向けて移動する方（図示する左側）には、延長線上にレーザ発振器２１が配置されている。このレーザ発振器２１は、照射開始側Ｓから照射終了側Ｅに向けて移動するビームヘッド２２（２３）に向けて正確にレーザビーム７０を照射するように配置されている。
　さらに、このレーザ発振器２１とビームヘッド２２，２３との間には、ビームヘッド２２，２３が端部で旋回している所定の間はレーザビーム７０を遮断するビームシャッタ５４が設けられている。ビームシャッタ５４としては、電気式シャッタや機械式シャッタ等が用いられる。このビームシャッタ５４により、所定速度で循環させるビームヘッド２２，２３がレーザビーム走査方向Ｘに移動する所定範囲で、レーザ発信器２１から照射されるレーザビーム７０をビームヘッド２２，２３に照射してレーザ加工を行うように制御される。ビームシャッタ５４の開閉は、例えば、上記タイミングプーリ５２を駆動するステッピングモータ等の情報に基づいて制御される。
　また、ビームヘッド２２，２３は、上記図３，４と同一であるが、この実施形態では、ワーク５の下方にビームヘッド２２，２３が設けられ、これらのビームヘッド２２，２３から上向きにレーザビーム７０を照射する例としている。レーザ発振器２１から照射されたレーザビーム７０は、ビームヘッド２２（２３）の第３ベンドミラー２７でワーク５に向けて曲げられ、集光レンズ２８からワーク５に向けて照射される。
　この第２実施形態のレーザ加工装置５０の場合、一方のビームヘッド２２（２３）で照射開始側Ｓからレーザ加工を行っている時に、照射終了側Ｅから他方のビームヘッド２３（２２）を照射開始側Ｓに向けて移動させることができる。
　図７は、上記図６に示す第２実施形態のレーザ加工装置５０の変形例である第３実施形態のレーザ加工装置５５である。上記図６に示す第２実施形態と同一の構成には同一符号を付して、その説明は省略する。
　この実施形態のレーザ加工装置５５は、上記ビームヘッド２２，２３を照射開始側Ｓと照射終了側Ｅとの間で移動させ、両端部で垂直方向に旋回させて循環するようになっている。この実施形態も、照射開始側Ｓから照射終了側Ｅに向けて移動する方（図示する左側）には、延長線上にレーザ発振器２１が配置されている。このレーザ発振器２１は、照射開始側Ｓから照射終了側Ｅに向けて移動するビームヘッド２２，２３に向けてレーザビーム７０を照射するように配置されている。
　さらに、この実施形態でも、レーザ発振器２１とビームヘッド２２（２３）との間に、ビームヘッド２２（２３）が端部で旋回している間にレーザビーム７０を遮断するシャッタ５４が設けられている。他は、上記第２実施形態と同一であるため、説明は省略する。
　この第３実施形態のレーザ加工装置５５の場合も、一方のビームヘッド２２（２３）で照射開始側Ｓからレーザ加工を行っている時に、照射終了側Ｅから他方のビームヘッド２３（２２）を照射開始側Ｓに向けて移動させることができる。
　なお、これら第２、第３実施形態において光路長一定装置を設ける場合、上述した光路長一定装置４０とは異なり、例えばリンク式の光路長一定装置が採用される。
　また、これら第２、第３実施形態のようにワーク５の下方からレーザビーム７０を照射する場合、ワーク５のガラス基板７を透過して上面に形成された薄膜層６で焦点が合うようにレーザビーム７０が照射される。
　以上のような第２，第３実施形態のレーザ加工装置５０，５５によっても、複数のビームヘッド２２，２３を備えたビームヘッドユニット５１により、一方のビームヘッド２２（２３）で照射開始側Ｓから照射終了側Ｅに向けてレーザ加工を行っているときに他方のビームヘッド２３（２２）を照射開始側Ｓに向けて移動させることができるので、ほぼ連続したレーザ加工を効率良く行うことができる。
　従って、ワーク５を送り方向Ｙに向けて一方向に送りながら加工ライン１１を加工することで、加工ライン形成作業のタクトを大幅に短縮することができ、太陽電池等の生産性を大幅に向上させることが可能となる。また、これにより、太陽電池の低コスト化を図ることができ、太陽電池利用の促進を図ることができる。
　以上のように、上記レーザ加工装置１，５０，５５によれば、送り方向Ｙにワーク５を一定速度で連続送り（又は、一定間隔で断続送り）ながら、この送り方向Ｙに対して交差する走査方向Ｘにレーザビーム７０を所定の走査速度で照射する。そして、これらワーク５の送り速度とレーザビーム７０の走査速度とを、１本のレーザビーム７０の加工ライン１１がワーク５の送り方向Ｙに対して直角となるように制御装置６０で相対的に制御するので、薄膜層６に高速でパターニング加工を行うことができる。そして、送り方向Ｙにワーク５を所定速度で１回送ることでレーザ加工が完了するので、短い時間で１枚のワーク５に対する加工を完了することができる。
　しかも、ワーク５を一方向に送りながらレーザビーム７０を走査して加工ライン１１を形成することでレーザ加工が完了するので、基板毎のワーク５の加工だけでなく、フレキシブル太陽電池のロール・ツー・ロール製法の連続したワークでも高速の連続加工が可能となる。
　その上、上述した図８Ａ～図８Ｇに示すように、複数の成膜層に加工ライン１１を形成する場合でも、上記レーザ加工装置１と成膜機（図示略）とを送り方向に複数台並設すれば、ワーク５を一方向に搬送しながら連続的にパターニング加工を行うことができ、パターニング加工のタクトを大幅に短縮して太陽電池等の生産性を大幅に向上させることが可能となる。また、これにより、太陽電池の低コスト化を図ることができ、太陽電池利用の促進を図ることができる。
　さらに、分光・振分け・複数発振器搭載による複数のビームを用いることがないので、加工品質が安定した太陽電池を作製できるレーザ加工装置１を低コストで製作することも可能となる。
　なお、上記実施形態では、ワーク５を一定速度で送り方向Ｙに連続的に送りながら加工する例を説明したが、ワーク５の送りは加工条件等に応じて、一定間隔で断続的に送りながら加工するようにしてもよく、上記実施形態に限定されるものではない。
　また、上記実施形態では、レーザ発振器２１をビームヘッド２２，２３と別体で構成しているが、小型軽量のレーザ発振器２１であればヘッドユニット２２，２３と一体的に移動させるように構成してもよい。
　さらに、上述した実施形態は一例を示しており、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
　本発明に係るレーザ加工装置は、薄膜太陽電池やフレキシブル太陽電池（ロール・ツー・ロール製法）の製造工程において利用できる。
　　　　　　１　レーザ加工装置
　　　　　　３　定速送り装置
　　　　　　５　ワーク
　　　　　　６　薄膜層
　　　　　　７　基板（ガラス基板）
　　　　　１１　加工ライン（スクライブ線）
　　　　　２０　ビームヘッドユニット
　　　　　２１　レーザ発振器
　　　　　２２　第１ビームヘッド
　　　　　２３　第２ビームヘッド
　　　　　２４　第１ベンドミラー
２４Ａ，２４Ｂ　ベンドミラー
　　２５，２６　第２ベンドミラー
　　　　　２７　第３ベンドミラー
　　　　　２８　集光レンズ
　　　　　２９　切替器
　　　　　３０　レーザ加工装置
　　　　　３１　レール
　　　　　３２　ビーム走査ユニット
　　　　　４０　光路長一定装置
　　　　　４１　第４ベンドミラー
　　　　　４２　第５ベンドミラー
　　　　　４３　反射ミラーユニット
　　　　　５０　レーザ加工装置
　　　　　５１　ビームヘッドユニット
　　　　　５４　ビームシャッタ
　　　　　５５　レーザ加工装置
　　　　　６０　制御装置
　　　　　７０　レーザビーム
　　　　　　Ｓ　照射開始側
　　　　　　Ｅ　照射終了側
　　　　　　Ｘ　レーザビーム走査方向
　　　　　　Ｙ　ワーク送り方向

Claims (6)

  1. 　ワークに形成された薄膜層にレーザビームで加工ラインを形成するパターニング用レーザ加工装置であって、
    　前記ワークを所定の送り速度で一方向に送る定速送り装置と、
    　前記定速送り装置でワークを所定速度で送りながら又はワークの送り速度を検出して送りながら、前記ワークの送り方向と交差する方向に照射開始側から照射終了側に向けて１本のレーザビームをワークの薄膜層に対して走査する複数のビームヘッドを有するビームヘッドユニットと、
    　前記ビームヘッドにレーザビームを照射するレーザ発振器と、
    　前記ビームヘッドから照射するレーザビームの走査速度と前記ワークの送り速度とを相対的に制御して所定速度で送るワークに形成する加工ラインを制御する制御装置と、を備え、
    　前記制御装置は、前記加工ラインを加工するビームヘッドを切替えて前記加工ラインを同時又は交互に加工するように構成されていることを特徴とするパターニング用レーザ加工装置。
  2. 　前記レーザ発振器から照射されるレーザビームを前記複数のビームヘッドのいずれに照射するかを切替る切替器を有し、
    　前記ビームヘッドユニットは、少なくとも１つのビームヘッドが照射開始側から照射終了側に向けて移動してレーザ加工をしている間に少なくとも１つのビームヘッドを前記照射開始側に戻す往復動作式で構成され、
    　前記制御装置は、前記切替器を切替えてレーザ加工を行うビームヘッドにレーザビームを照射するように構成されている請求項１に記載のパターニング用レーザ加工装置。
  3. 　前記レーザ発振器から照射されるレーザビームが前記ビームヘッドに照射されるのを遮断する遮断器を有し、
    　前記ビームヘッドユニットは、少なくとも１つのビームヘッドが照射開始側から照射終了側に向けて移動してレーザ加工をしている間に少なくとも１つのビームヘッドを前記照射開始側に戻す循環式で構成され、
    　前記制御装置は、前記遮断器を制御してレーザ加工を行うビームヘッドにレーザビームを照射するように構成されている請求項１に記載のパターニング用レーザ加工装置。
  4. 　前記ビームヘッドユニットは、前記複数のビームヘッドを水平方向又は垂直方向に循環させる循環機構を有している請求項３に記載のパターニング用レーザ加工装置。
  5. 　前記ビームヘッドユニットは、前記複数のビームヘッドに照射するレーザビームの光路長一定機構を具備している請求項２又は３に記載のパターニング用レーザ加工装置。
  6. 　前記制御装置は、前記複数のビームヘッドの配置と、レーザ加工する１つのビームヘッドと、ワークの送り速度と、からワークに対する送り方向の走査位置を決定するように構成されている請求項５に記載のパターニング用レーザ加工装置。
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