(57)【要約】  被加工面を上にした状態で加工対象を保持して加工対象を一定速度で第１の方向に搬送する搬送手段と、パルスレーザビームを出射するレーザ発振器と、パルスレーザビームを既定の周期構造を有する周期パターンへ分岐する分割手段と、分岐されたパルスレーザビームを第１の方向と略垂直な方向において走査させる第１偏向手段と、第１偏向手段で偏向された分岐されたパルスレーザビームを、被加工面において第１の方向において調整し、偏向して被加工面に対して加工対象の搬送速度と等しい一定速度で走査する第２偏向手段と、第２偏向手段で偏向された分岐されたパルスレーザビームを被加工面上に集光する集光手段と、を備え、１パルスで分割手段による周期パターンを加工する。
2010070940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工面を上にした状態で加工対象を保持するとともに前記加工対象を一定速度で第１の方向に搬送する加工対象搬送手段と、
パルスレーザビームを出射するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射された前記パルスレーザビームを、既定の周期構造を有するレーザビームの周期パターンへ分岐するレーザビーム分割手段と、
前記レーザビーム分割手段で分岐された前記パルスレーザビームを前記被加工面における第１の方向と略垂直な方向において走査させる第１レーザビーム偏向手段と、
前記第１レーザビーム偏向手段で偏向された前記分岐されたパルスレーザビームを、前記被加工面において前記第１の方向において調整し、偏向して前記被加工面に対して前記加工対象の搬送速度と等しい一定速度で走査する第２レーザビーム偏向手段と、
前記第２レーザビーム偏向手段で偏向された前記分岐されたパルスレーザビームを前記被加工面上に集光する集光手段と、
を備え、
前記パルスレーザビームの１パルスで前記レーザビーム分割手段による周期パターンを加工すること、
を特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記パルスレーザビーム走査中は、前記パルスレーザビームを連続的に発振させること、
を特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
被加工面を上にした状態で加工対象を一方向に一定速度で移動させながら前記被加工面上にパルスレーザビームを、互いに走査方向が略直交する２つのレーザビーム偏向手段により走査してレーザ加工を行うレーザ加工方法であって、前記２つのレーザビーム偏向手段のうち一方のレーザビーム偏向手段により前記加工対象の移動方向と垂直な方向に前記パルスレーザビームを走査すると同時に、他のレーザビーム偏向手段により前記加工対象の移動速度と等しい一定速度でレーザビームを走査し、
前記パルスレーザビームを、既定の周期構造を有するパルスレーザビームの周期パターンへ分岐した状態でパルスレーザビームを走査し、
前記パルスレーザビームの走査中は前記パルスレーザビームを連続的に発振させ、前記パルスレーザビームの１パルスで上記レーザビーム分割手段による周期パターンを加工すること、
を特徴とするレーザ加工方法。
【請求項４】
前記被加工面における前記パルスレーザビームの走査対象である第１の領域に前記パルスレーザビームの走査を行う第１走査処理と、前記第１の領域に隣接する領域であって前記パルスレーザビームを走査しない非加工領域を介して前記第１の領域と隣り合う前記パルスレーザビームの走査対象である第２の領域に前記パルスレーザビームの走査を行う第２走査処理と、を前記被加工面において実施すること、
を特徴とする請求項３に記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
加工対象であるシリコン基板の被加工面にウェットエッチングに対する耐性を有する耐エッチング膜を形成し、請求項３または４に記載のレーザ加工方法により前記耐エッチング膜に開口部を形成した後、前記開口部を介して前記加工対象に対してウェットエッチングを行うことにより前記シリコン基板の表面に凹凸を形成すること、
を特徴とする光起電力装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工対象にレーザビームを照射することで加工対象を加工するためのレーザ加工装置、レーザ加工方法、および光起電力装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、加工対象にレーザを照射することで加工対象を加工するレーザ加工装置が広く用いられている。例えば、加工対象を搬送する加工対象搬送手段とレーザビームの走査を行うレーザビーム走査手段とを備え、加工対象搬送手段により加工対象を一方向に一定速度で移動させつつレーザビーム走査手段によりレーザビームを走査して加工をする際に、加工対象の搬送速度に応じてレーザビーム走査方向と搬送方向とのなす角度を変化させることで、搬送速度によらず搬送方向と直角方向の直線にレーザ加工するレーザ加工装置がある（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２５９８６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の技術の場合、幾何学的な周期構造を有して整列した開口をレーザ加工により形成する際に、レーザビーム偏向手段によるビーム位置ずれ、およびレーザビーム偏向手段によるレーザ走査と加工対象の移動とレーザ発振の同期制御のずれにより、幾何学的な周期構造単位のつなぎ部分において隣接する周期構造同士を精度良くつなげて開口を形成することが困難である、という問題があった。【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、幾何学的な周期構造を有して整列した開口部を精度良く形成可能なレーザ加工装置、レーザ加工方法、および光起電力装置の製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるレーザ加工装置は、被加工面を上にした状態で加工対象を保持するとともに前記加工対象を一定速度で第１の方向に搬送する加工対象搬送手段と、パルスレーザビームを出射するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から出射された前記パルスレーザビームを、既定の周期構造を有するレーザビームの周期パターンへ分岐するレーザビーム分割手段と、前記レーザビーム分割手段で分岐された前記パルスレーザビームを前記被加工面における第１の方向と略垂直な方向において走査させる第１レーザビーム偏向手段と、前記第１レーザビーム偏向手段で偏向された前記分岐されたパルスレーザビームを、前記被加工面において前記第１の方向において調整し、偏向して前記被加工面に対して前記加工対象の搬送速度と等しい一定速度で走査する第２レーザビーム偏向手段と、前記第２レーザビーム偏向手段で偏向された前記分岐されたパルスレーザビームを前記被加工面上に集光する集光手段と、を備え、前記パルスレーザビームの１パルスで前記レーザビーム分割手段による周期パターンを加工すること、を特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、パルスレーザビーム走査および加工対象の移動を同時に行うレーザ加工において、パルスレーザビームを周期パターンへ分割して加工対象に照射するため、ピッチ精度良く周期パターン上に整列した開口を高速で加工することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１にかかるレーザ加工装置の概略構成を説明するための模式図である。
【図２−１】図２−１は、多結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造の形成工程を説明するための模式図である。
【図２−２】図２−２は、多結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造の形成工程を説明するための模式図である。
【図２−３】図２−３は、多結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造の形成工程を説明するための模式図である。
【図２−４】図２−４は、多結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造の形成工程を説明するための模式図である。
【図２−５】図２−５は、多結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造の形成工程を説明するための模式図である。
【図３】図３は、三角格子状のパターンから外れたレーザ開口部の例を示す模式図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１における多結晶シリコン基板のレーザ加工の加工動作を説明するための模式図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態１におけるレーザビームの分割パターンを示す模式図である。
【図６】図６は、レーザビーム走査方向（ｘ方向）において三角格子状のパターンから外れたレーザ開口部の例を示す模式図である。
【図７−１】図７−１は、本発明の実施の形態１における加工可能領域内におけるレーザビーム照射方法を説明するための模式図である。
【図７−２】図７−２は、図７−１における領域２１ａを拡大して示す図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態１にかかるレーザ加工装置により形成したレーザ開口部の配列例を示す模式図である。
【図９−１】図９−１は、本発明の実施の形態２にかかる多結晶シリコン太陽電池用の多結晶シリコン基板の表面におけるテクスチャー構造の加工領域を説明するための模式図である。
【図９−２】図９−２は、本発明の実施の形態２にかかる多結晶シリコン太陽電池用の多結晶シリコン基板の表面におけるテクスチャー構造の加工領域を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明にかかるレーザ加工装置、レーザ加工方法、および光起電力装置の製造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、本発明は以下の記述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適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。
【００１０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態にかかるレーザ加工装置の概略構成を説明するための模式図である。本実施の形態にかかるレーザ加工装置は、加工対象搬送手段２と、レーザ発振器３と、レーザビーム分割手段４と、レーザビーム偏向手段５と、集光手段６とを備える。
【００１１】
加工対象搬送手段２は、被加工面を上にした状態で加工対象１を保持するとともに加工対象１を一定速度で一定方向（図１におけるｙ方向）に移動させる。
【００１２】
レーザ発振器３は、レーザビームＢを出射する。レーザ発振器３は、例えばその代表的な繰り返し周波数として１００ｋＨｚのＱスイッチＬＤ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザの３倍波を使用することができる。
【００１３】
レーザビーム分割手段４は、レーザ発振器３から出射されたレーザビームＢを、既定の幾何学的な周期構造を有するレーザビーム周期パターンへ分岐する。レーザビーム分割手段４としては、例えば回折光学素子を使用することができる。他のレーザビーム分割手段として、例えば、複数開口のマスクも使用出来るが、ビームの均一性及び効率の点から回折光学素子を使用することが望ましい。なお、レーザビーム周期パターンは任意のパターンに変更可能である。
【００１４】
レーザビーム偏向手段５は、第１の方向（図１におけるｘ方向）において偏向方向を調整してレーザビームＢを偏向するレーザビーム偏向手段５ａと、被加工面において第１の方向に対して略直交する方向である第２の方向（図１におけるｙ方向）において偏向方向を調整してレーザビームＢを偏向し、走査するレーザビーム偏向手段５ｂと、で構成され、レーザビーム分割手段４において周期パターンへ分岐されたレーザビームＢを略直交する２方向にレーザビームＢを偏向する。レーザビーム偏向手段５としては、ポリゴンミラーやガルバノミラーが一般的である。ポリゴンミラーは高速の走査に向いているが、６面程度までが一般的でありレーザビームの偏向角度が大きい。このため、レーザビームＢの偏向角度が小さい（加工可能領域が狭い）レーザビーム走査では効率が悪い。このような場合には、ガルバノミラーを使用することにより比較的狭い加工可能領域を効率よく加工することができる。
【００１５】
集光手段６は、レーザビーム偏向手段５ｂで偏向されたレーザビームＢを加工対象１の被加工面上に集光する。集光手段６には、例えばＦθレンズが用いられる。以下、Ｆθレンズ６と呼ぶ。
【００１６】
次に、本実施の形態にかかるレーザ加工装置による加工を、光起電力装置である多結晶シリコン太陽電池の表面（太陽光の入射側の面）にテクスチャー構造を形成する場合を例に説明する。ここで、テクスチャー構造とは多結晶シリコン基板の表面に設けた凹凸構造であり、反射光の抑制に効果的である。多結晶シリコン太陽電池の表面にテクスチャー構造を形成することで、表面での反射光を抑制でき、光電変換効率を向上することが可能である。以下では、多結晶シリコン太陽電池の製造プロセスのうち、多結晶シリコン太陽電池の表面にテクスチャー構造を形成する工程について図２−１〜図２−５を参照して説明する。図２−１〜図２−５は、多結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造の形成工程を説明するための模式図である。
【００１７】
まず、テクスチャー構造の形成工程の流れについて説明する。最初に多結晶シリコン太陽電池用の多結晶シリコン基板１１の表面の全面に、ウェットエッチングに対して耐性を有する耐エッチング膜１２としてシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４膜）を形成する（図２−１）。なお、耐エッチング膜１２としては、シリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４膜）の他にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）なども使用可能である。
【００１８】
次に、本実施の形態にかかるレーザ加工装置により、耐エッチング膜１２に幾何学的な周期構造を有して整列したレーザ開口部１３を形成する（図２−２）。続いてレーザ開口部１３を通じて多結晶シリコン基板１１に対して等方性ウェットエッチングを行う。これにより、レーザ開口部１３の下部領域およびその近傍領域の多結晶シリコン基板１１がエッチングされて凹凸構造が形成される（図２−３）。このウェットエッチングは、隣接する凹部１４ａが接した時点で停止する。最後に耐エッチング膜１２を前記のウェットエッチングとは異なるエッチング方法により除去することで、テクスチャー構造１４を形成する（図２−４）。図２−５は、テクスチャー構造１４を説明するための図であり、テクスチャー構造１４を拡大して示す図である。以上により、多結晶シリコン基板１１の表面に、テクスチャー構造１４を形成することができる。
【００１９】
レーザビームによって直接凹凸を形成するのではなく、上記のように耐エッチング膜１２にレーザ開口部１３を形成した後に等方性ウェットエッチングによって多結晶シリコン基板１１の表面に凹凸構造を形成することで、レーザビームのエネルギーを低減でき、レーザビーム分割数を多くすることができるため、高速のレーザ加工が可能となる。
【００２０】
また、上記のように加工対象が多結晶シリコン基板１１である場合は、レーザ照射によりレーザ照射部付近の多結晶シリコン基板１１が高熱となり、多結晶シリコン基板１１の電気的特性が劣化する領域が生じる。しかしながら、本実施の形態ではこの劣化した領域をウェットエッチングにより除去できるため、加工後の多結晶シリコン基板１１の電気的特性の劣化を防止することができる。
【００２１】
多結晶シリコン太陽電池の多結晶シリコン基板１１の厚みは１００μｍ〜２００μｍ程度である。テクスチャー構造を形成したことにより多結晶シリコン基板１１の厚みが薄くなると、光と多結晶シリコン基板１１との相互作用距離が短くなるため、光電変換効率が低下する。したがって、多結晶シリコン太陽電池の表面に形成する反射防止用のテクスチャー構造は、凹部サイズＳ（凹部１４ａの最上部と底面との距離）が数十μｍ程度以下であることが好ましい。
【００２２】
等方性ウェットエッチングによって凹部１４ａを形成するため、テクスチャー構造における各凹部１４ａは底面が平坦な半球に近い形状となる。凹部１４ａの底面が平坦となるのは、ほぼレーザ開口部１３の投影面積を有するレーザ開口部１３の下部領域は、等方性ウェットエッチングにより平坦なままエッチングされるためである。略半球状の凹部１４ａの集合により最も効率良く反射光を抑制できるテクスチャー構造は、単位面積当たりの凹部１４ａの数を最大にできる三角格子状のパターンで凹部１４ａを配列した構造である。
【００２３】
したがって、耐エッチング膜１２に形成するレーザ開口部１３は、数十μｍ程度以内のピッチ（隣接格子間の間隔）を有する三角格子状のパターンとされることが好ましい。本実施の形態においては、１４μｍのピッチをその代表的な値とする。以下、この値を用いて説明する。
【００２４】
また、凹部１４ａの底面の平坦部は反射率低減効果が劣るため、レーザ開口部１３は極力小さいことが好ましい。レーザビームの集光径を小さくすることで、レーザ開口部１３を小さくすることが可能であり、本実施の形態においては、レーザビームの集光径（強度１／ｅ２となる径）の典型例をφ４μｍと定める。
【００２５】
図３は、三角格子状のパターンから外れたレーザ開口部１３の例を示す模式図である。図３においては、三角格子状のパターンからのずれがない場合の三角格子を点線で、三角格子状のパターンからのずれがない場合のレーザ開口部１３の位置を白丸で、三角格子状のパターンから外れたレーザ開口部１３を黒丸で示している。レーザ開口部１３が三角格子状のパターンから外れると、ウェットエッチング時に隣接する凹部１４ａがつながる、多結晶シリコン基板１１の表面に平坦部が残るなどの状態が発生して反射光抑制効果が低減される。本実施の形態にかかるレーザ加工装置は、このような微細なパターンのレーザ開口部１３を三角格子状のパターンからのずれがピッチに対して微小な状態で、精度良く且つ高速に加工することができる。
【００２６】
次に、テクスチャー構造の形成のために、本実施の形態にかかるレーザ加工装置を用いて多結晶シリコン基板１１の表面にレーザ開口部１３を形成する方法を説明する。
【００２７】
加工対象１は１５６ｍｍ角の多結晶シリコン基板１１の表面上に形成した耐エッチング膜１２である。レーザ発振器３から出射されたレーザビームＢは、レーザビーム分割手段４によって既定の周期パターンへ分岐される。分岐されたレーザビームＢは、レーザビーム偏向手段５ａ、５ｂにより直交する２方向（図１におけるｘ方向、ｙ方向）に偏向される。すなわち、分岐されたレーザビームＢは、レーザビーム偏向手段５ａに入射し、ｘ方向において偏向されてレーザビーム偏向手段５ｂに入射する。レーザビーム偏向手段５ｂに入射したレーザビームＢは、ｙ方向において偏向、走査される。
【００２８】
レーザビーム偏向手段５ｂにより偏向、走査されたレーザビームＢは、Ｆθレンズ６により多結晶シリコン基板１１の被加工面である耐エッチング膜１２上に集光される。耐エッチング膜１２のレーザビームＢが照射された部位では、レーザアブレーションにより多結晶シリコン基板１１上の耐エッチング膜１２にレーザ開口部１３が形成される。また、加工対象搬送手段２の移動により多結晶シリコン基板１１は定速移動している。
【００２９】
図４は、多結晶シリコン基板１１のレーザ加工の加工動作を説明するための模式図である。レーザビーム偏向手段５およびＦθレンズ６を用いて加工できる領域（以下、加工可能領域１０と呼ぶ）を拡大すると高速の加工が可能となるが、レンズの収差によりレーザビームＢが集光できなくなる。このため、加工可能領域１０は、要求される集光径が小さいほど狭くなる。加工可能領域１０は一般的に数十ｍｍ角の領域である。本実施の形態においては、加工可能領域１０は約２０ｍｍ角である。
【００３０】
以下では、２０ｍｍ角の加工可能領域１０で１５６ｍｍ角の多結晶シリコン基板１１を加工する場合を例に説明する。本実施の形態では、加工対象搬送手段２をｙ方向に定速移動し、レーザビーム偏向手段５によるレーザビーム走査と同時に連続的にレーザ発振してレーザ加工を実施する。
【００３１】
なお、加工対象搬送手段２をｙ方向に定速移動させずに、加工可能領域１０の加工が完了した後に加工対象搬送手段２によって多結晶シリコン基板１１を移動し、加工が完了した領域に隣接する領域の２０ｍｍ角の加工可能領域１０を加工する操作を繰り返すことにより多結晶シリコン基板１１を加工する加工方法もある。しかしながら、この方法では加工対象搬送手段２を移動・停止するごとに位置決めが必要となり、十分な加工速度で加工を実施することはできない。本実施の形態にかかるレーザ加工装置を用いることで、一枚の多結晶シリコン基板１１あたりの加工時間を、上記の方法の１／２以下にすることができる。
【００３２】
レーザ発振器３は、繰り返し周波数として１００ｋＨｚのＱスイッチＬＤ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザの３倍波を使用する。耐エッチング膜１２は３倍波に対して比較的高い吸収係数を持つため、３倍波を使用することで耐エッチング膜１２を効率よく加工できる。また、２倍波または基本波を用いても耐エッチング膜１２にレーザ開口部１３を形成することは可能である。
【００３３】
３倍波を使用した場合は波長が短いため集光した際の焦点深度を大きくすることが可能であり、厚みのばらつきのある多結晶シリコン基板１１を加工するには有利であるが、紫外線であるため光学素子などの劣化が懸念される。一方、２倍波や基本波を使用した場合は、初期コスト、光学系の寿命および信頼性の面でメリットがある。したがって、レーザ発振器３においては、上記のメリットとデメリットを鑑みて波長を選択すればよい。
【００３４】
レーザビーム分割手段４には、回折光学素子を使用する。図５は、実施の形態１におけるレーザビームＢの分割パターンを示す模式図である。図５においては、レーザビームＢの分割パターンを黒丸で示している。本実施の形態においては、例えば、ｘ方向に２分割、ｙ方向に１５０分割の計３００点にレーザビームＢを分割した例を示す。レーザビームＢの分割パターンは、テクスチャー構造を形成するための三角格子を反映して三角格子状のパターンとした。図５においては、点線の円で囲んで示した領域２０内の格子が、三角格子を形成する単位格子となる。
【００３５】
このようにレーザ開口部１３のパターンである１４μｍピッチの三角格子状のパターンを反映したレーザビーム分割パターンとし、分割パターン中の全ての開口をレーザパルス１パルスで一括して加工することで、精度良く且つ高速で１４μｍピッチの三角格子状に整列したレーザ開口部１３を形成することが可能である。
【００３６】
レーザビーム偏向手段５は、２０ｍｍ角と比較的狭い加工可能領域１０を効率良く加工するためにガルバノミラーを使用する。ガルバノミラーを使用する場合は、高速な走査をする際には加工対象１上のレーザビームＢの位置精度は±１０μｍ程度である。更に、ガルバノミラー使用時、ポリゴンミラー使用時の両者において、本実施の形態のようにレーザビーム走査および加工対象搬送手段２の移動と同時にレーザを発振させて加工する場合には、レーザビーム走査と加工対象搬送手段２の移動とレーザ発振の同期タイミングずれによってもレーザ開口部１３にレーザビーム走査方向（ｘ方向）において位置ずれが生じる。
【００３７】
図６は、レーザビーム走査方向（ｘ方向）において三角格子状のパターンから外れたレーザ開口部１３の例を示す模式図である。図６においては、三角格子状のパターンからのずれがない場合の三角格子を点線で、三角格子状のパターンからのずれがない場合のレーザ開口部１３の位置を白丸で、レーザビーム走査方向（ｘ方向）において三角格子状のパターンから外れたレーザ開口部１３を黒丸で示している。レーザビームＢをパターンに分割せずに加工した場合は、図６に示すように、１０μｍレベルのレーザ開口部１３のｘ方向位置精度にうもれ、数十μｍといった微細なピッチのレーザ開口部１３を得ることは不可能であった。
【００３８】
一方、本実施の形態のように、ｙ方向に１５０分割したレーザビーム分割パターンにより加工を実施すると、レーザビーム分割パターン内でずれのない三角格子状のパターンのレーザ開口部１３を得られる。ただし、レーザビーム分割パターン同士のつなぎ目の部分では、レーザビーム走査と加工対象搬送手段２の移動とレーザ発振の同期タイミングずれにより、レーザ開口部１３は三角格子からずれる。
【００３９】
図７−１は、加工可能領域１０内におけるレーザビーム照射方法を説明するための模式図である。図７−２は、図７−１における領域２１ａを拡大して示す図である。図７−１では、説明の容易化のためレーザビーム分割パターンの記載は省略し、レーザビームＢの中心点（レーザビーム中心点）の軌跡２１のみを示している。実際のレーザ加工においては、レーザビーム中心点を中心としたレーザビーム分割パターンによりレーザ開口部１３が形成される。すなわち、一点のレーザビーム中心点に対して、図５で示したレーザビーム分割パターンの三角格子状に整列した３００点のレーザ開口部１３が得られる。
【００４０】
また、図７−１では、多結晶シリコン基板１１上のレーザビーム中心点の軌跡２１が加工対象搬送手段２による定速移動方向（ｙ方向）と直交する方向（ｘ方向）に平行であり、隣接するレーザビーム中心点の軌跡２１間の間隔が２．０９ｍｍ、レーザビーム中心点の軌跡２１の長さが２０ｍｍ（加工可能領域１０の幅）である線分列である場合を示している。図７−２に示すように、一本のレーザビーム中心点の軌跡２１の内部において、ｘ方向に隣り合うレーザビーム中心点の軌跡２１間の代表的な距離は２４．２μｍである。レーザビームＢの繰り返し周波数を１００ｋＨｚとした場合、レーザパルスのパルス間隔は１０μ秒となり、上記２４．２μｍを１０μ秒で走査するための走査速度は２．４２ｍ／秒となり、ｘ方向のレーザビーム走査速度は２．４２ｍ／秒となる。
【００４１】
したがって、上記の例の場合には、加工可能領域１０の幅２０ｍｍを１回加工するためには、約８．３ｍ秒かかることがわかる。一本の線分を加工した後は、一度レーザ発振を停止し、逆方向にｘ方向のレーザビーム走査を実施する。すなわち右から左へとレーザ走査して加工した後に次の線分を加工するときには、左から右へとレーザビームを走査する。
【００４２】
加工対象搬送手段２による多結晶シリコン基板１１の定速移動方向と平行な方向（ｙ方向）のレーザビーム偏向を実施しない場合には、レーザビーム中心点は図７−１中のｙ方向にレーザビームを偏向しないときのレーザビーム中心点の軌跡２２上に整列する。加工したい線分列はｘ方向に平行な線分列であるので、レーザビーム偏向手段５は、ｙ方向のレーザビーム偏向により、ｙ方向にレーザビームを偏向しないときのレーザビーム中心点の軌跡２２とレーザビーム中心点の軌跡２１との間、図７−１中の矢印２３で示した分だけはレーザビームを偏向すればよい。加工対象搬送手段２の移動は定速移動であるので、レーザ照射中のｙ方向のレーザビーム偏向は、加工対象搬送手段２の移動速度と等速度の走査となる。
【００４３】
図７−１の（ａ）に太い実線で示した線分（レーザビーム中心点の軌跡２１）をｘ方向に左から右にレーザビームを走査して加工した後に図７−１の（ｂ）に太い実線で示した線分（レーザビーム中心点の軌跡２１）を加工する際には、レーザ発振を停止している間に、レーザビーム偏向手段５は、ｙ方向のレーザビーム偏向は図７−１の（ａ）に太い実線で示した線分（レーザビーム中心点の軌跡２１）の右端の上向きの矢印２３で示した位置に対応するレーザビーム偏向角度から図７−１の（ｂ）に太い実線で示した線分の右端の下向きの矢印２３で示した位置に対応するレーザビーム偏向角度へと回動する。そして、レーザ発振と同時に、レーザビーム偏向手段５は、図７−１の（ａ）に太い実線で示した線分（レーザビーム中心点の軌跡２１）を加工したときと同様に、加工対象搬送手段２の移動速度と等速度の走査を実施する。図７−１の（ｃ）〜（ｅ）に太い実線で示した線分（レーザビーム中心点の軌跡２１）をｘ方向にレーザビームを走査する場合も、上記と同様にして前回の走査とｘ方向およびｙ方向を反転させてレーザビームを走査する。
【００４４】
レーザビーム偏向手段５は、レーザ発振を停止している間にこのｙ方向のレーザビーム偏向の反転と、ｘ方向のレーザビーム走査速度の反転を実施する。この間にも加工対象搬送手段２のｙ方向の移動により、多結晶シリコン基板１１は移動されている。本実施の形態においては、例えば、代表的な値として、ｙ方向の加工対象搬送手段２の移動速度は２００ｍｍ／秒とし、レーザビーム中心点の軌跡２１の間隔が２．０９ｍｍになるように、レーザ発振を停止している時間は２．２ｍ秒と設定する。
【００４５】
上記の手順により、レーザビーム中心点の軌跡２１をｘ方向の間隔が２４．２μｍ、ｙ方向の間隔が２．０９ｍｍの点列に配置することができる。そして、これら条件をレーザビーム分割パターンと組みあわせることにより、三角格子状に整列したレーザ開口部１３を形成することができる。
【００４６】
また、幅２０ｍｍの加工可能領域１０でレーザ開口部１３を形成した後、加工対象搬送手段２により多結晶シリコン基板１１をｘ方向に２０ｍｍ移動した後、加工対象搬送手段２をｙ方向の逆向きに２００ｍｍ／秒で定速移動して、上記の操作により、幅２０ｍｍの加工可能領域１０でレーザ開口部１３を形成する。幅２０ｍｍのレーザ加工を８回繰り返すことで、１５６ｍｍ角の多結晶シリコン基板１１の全面にレーザ開口部１３を形成し、等方性ウェットエッチングによりテクスチャー構造を形成する。
【００４７】
図８は、実施の形態１にかかるレーザ加工装置により図５に示したレーザビーム分割パターンで形成したレーザ開口部１３の配列例を示す模式図である。図８において点線の楕円で囲んだ領域２４がレーザビーム分割パターン同士のつなぎ目の部分であり、テクスチャー構造１４の配列はくずれて反射率低減効果は少なくなるが、ｙ方向の１５０列に１列の出現頻度なので、その影響は１％以下となり十分小さなレベルである。
【００４８】
本実施の形態においては、三角格子状に整列したレーザ開口部１３を形成する場合について説明したが、本発明は正方格子、六方格子など幾何学的な周期構造を有して整列したレーザ開口部１３を形成することも可能であり、この場合にも同様の効果が得られる。
【００４９】
上述したように、実施の形態１にかかるレーザ加工装置によれば、幾何学的な周期構造を有するレーザビーム周期パターンへ分岐するレーザビーム分割手段４を備えるため、レーザビームの走査および加工対象１の移動を同時に実施するレーザ加工において、単位レーザビーム周期パターン内においては、ピッチの精度良く周期パターン上に整列したレーザ開口部１３を高速で形成することができる。これにより、レーザビーム偏向手段５によるレーザビーム偏向・走査の位置ずれおよびレーザビーム偏向手段５によるレーザ走査と加工対象搬送手段２による加工対象１の搬送とレーザ発振の同期制御とのずれによるレーザ開口部１３の周期構造からのずれを抑制して、全体としてピッチ精度良く周期パターン上に整列した開口部１３を高速に加工することができる。
【００５０】
なお、上記の説明で示した数値は本発明を実現できる典型的な数値であり、本発明の効果は、これらの数値を用いた場合に限定されないことは言うまでもない。
【００５１】
実施の形態２．
実施の形態１においては多結晶シリコン太陽電池用の多結晶シリコン基板１１の表面全面にテクスチャー構造を形成する場合について説明したが、実施の形態２においては多結晶シリコン太陽電池の表面の電極パターンを反映したテクスチャー構造を形成する場合について説明する。なお、多結晶シリコン基板１１の表面におけるテクスチャー構造の形成領域が異なること以外は、レーザ加工装置およびその動作は実施の形態１と同様であるので詳細な説明は省略する。
【００５２】
多結晶シリコン太陽電池の表面において、光入射側電極と接合する部分の周囲のみにテクスチャーを形成しないことにより、フィルファクターを向上させて多結晶シリコン太陽電池の特性を向上させることができる上、良好な抵抗性接合を得るために光入射側面の電極と接合する部分の拡散層に選択的に不純物高濃度拡散を行う際のパターニングの手段とすることが可能である。
【００５３】
図９−１は、実施の形態２にかかる多結晶シリコン太陽電池用の多結晶シリコン基板１１の表面におけるテクスチャー構造の加工領域を説明するための模式図である。図９−２は、実施の形態２にかかる多結晶シリコン太陽電池用の多結晶シリコン基板１１の表面におけるテクスチャー構造の加工領域を説明するための模式図であり、図９−１におけるテクスチャー構造の加工領域を拡大して示す図である。図９−１および図９−２に示すように、多結晶シリコン基板１１の表面において、テクスチャー形成プロセスの後に電極を形成する電極形成領域３２にはテクスチャーを形成せず、電極形成領域３２間のテクスチャー形成領域３１のみにテクスチャーを形成している。
【００５４】
電極形成領域３２は、例えば７０本のグリッド電極が形成される領域であって正方形形状の多結晶シリコン基板１１の一辺に平行なグリッド電極形成領域３２ａと、例えば２本のバス電極が形成される領域であってグリッド電極に直交するバス電極形成領域３２ｂと、からなる領域である。すなわち、電極形成領域３２にはレーザ開口部１３は形成せず、テクスチャー形成領域３１にのみレーザ開口部１３を形成し、等方性ウェットエッチングによりテクスチャーを形成している。レーザ開口部１３が形成されない電極形成領域３２は等方性ウェットエッチングによりエッチングされないので、この領域は平坦領域となる。以下にテクスチャー形成領域３１へのレーザ開口部１３の形成方法を説明する。
【００５５】
ここでは、電極形成領域３２のｙ方向のピッチを２．２ｍｍ、電極形成領域３２のｙ方向の幅を２００μｍとして、１４μｍピッチの三角格子状に整列したレーザ開口部１３を形成する場合について説明する。
【００５６】
レーザビーム分割手段４よるレーザビーム分割数は、１４３（ｙ方向）×２（ｘ方向）＝２８６とした。レーザビーム走査によって加工できる幅は、約２ｍｍである。ｙ方向のレーザビーム中心間の距離を２．２ｍｍとして、本レーザビーム分割パターンによって加工すると、幅２００μｍの平坦領域が得られる。
【００５７】
実施の形態１の場合と同様に、レーザ加工は、レーザビームＢの偏向と、加工対象搬送手段２による多結晶シリコン基板１１の移動を同時に実施し、レーザビームの繰り返し周波数を１００ｋＨｚ、ｘ方向のレーザビーム走査速度を２．４２ｍ／秒とし、加工対象搬送手段２の移動速度およびｙ方向のレーザビーム走査速度を約２１０ｍｍ／秒とした。実施の形態１の場合と比較して、加工対象搬送手段２の移動速度を高速化したことにより、レーザビーム中心点のｙ方向の間隔は、２．２ｍｍとなる。
【００５８】
実施の形態１の場合は、ｙ方向に隣り合うレーザビーム分割パターン同士の位置精度が悪いために、レーザ開口部１３が三角格子からずれる領域が存在した。しかし、実施の形態２の場合は、レーザ開口部１３が形成されない電極形成領域３２が存在するため、ｙ方向においてレーザビーム分割パターン同士が隣接しない。このことから、レーザ開口部１３が三角格子状のパターンからずれる領域は存在しない。
【００５９】
このようにｙ方向に等間隔の電極形成領域３２を形成する場合には、レーザビーム分割パターンを、電極形成領域３２のピッチから電極形成領域３２のｙ方向の幅を引いた値に設定し、隣り合う電極形成領域３２間のテクスチャー形成領域３１を一回のレーザビーム走査により加工する。このような方法で、ある第１のテクスチャー形成領域３１にレーザビーム走査を１回行った後に、テクスチャー形成領域３１に隣接する領域であってレーザビームを走査しない非加工領域である電極形成領域３２を介して第１のテクスチャー形成領域３１と隣り合う第２のテクスチャー形成領域３１に前記レーザビームの走査を１回行う。そして、この第１のテクスチャー形成領域３１と第２のテクスチャー形成領域３１へのレーザビームの走査を単位処理として、耐エッチング膜１２の全面において単位処理を複数回繰り返すことにより、耐エッチング膜１２の表面の全面において、ピッチの精度の良い幾何学的な周期構造を有して整列したレーザ開口部１３を得ることができる。
【００６０】
上述したように、実施の形態２によれば、実施の形態１の場合と同様に幾何学的な周期構造を有するレーザビーム周期パターンへ分岐するレーザビーム分割手段４を備えるため、レーザビームの走査および加工対象１の移動を同時に実施するレーザ加工において、単位レーザビーム周期パターン内においては、ピッチの精度良く周期パターン上に整列したレーザ開口部１３を高速で形成することができる。これにより、レーザビーム偏向手段５によるレーザビーム偏向・走査の位置ずれ、およびレーザビーム偏向手段５によるレーザ走査と加工対象搬送手段２による加工対象１の搬送とレーザ発振の同期制御とのずれによるレーザ開口部１３の周期構造からのずれを抑制して、全体としてピッチ精度良く周期パターン上に整列した開口部１３を高速に加工することができる。
【００６１】
また、実施の形態２によれば、レーザ開口部１３が形成されない電極形成領域３２を等ピッチで設け、該電極形成領域３２間の領域をレーザビーム偏向手段５による１回のレーザビーム走査で加工する。これにより、ｙ方向においてレーザビーム分割パターン同士が隣接せず、レーザ開口部１３が三角格子状のパターンからずれる領域が発生しない。したがって、所望する全ての領域において、レーザビーム偏向手段５によるレーザビーム偏向・走査の位置ずれ、およびレーザビーム偏向手段５によるレーザ走査と加工対象搬送手段２による加工対象１の搬送とレーザ発振の同期制御とのずれによるレーザ開口部１３の周期構造からのずれに因らず等ピッチのパターンのレーザ開口部１３を形成することができる。
【００６２】
なお、本実施の形態においても、上記の説明で示した数値は本発明を実現できる典型的な数値であり、本発明の効果は、これらの数値を用いた場合に限定されないことは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
以上のように、本発明にかかるレーザ加工装置は、幾何学的な周期構造を有して整列した開口部の形成に有用である。
【符号の説明】
【００６４】
１  加工対象
２  加工対象搬送手段
３  レーザ発振器
４  レーザビーム分割手段
５  レーザビーム偏向手段
５ａ  レーザビーム偏向手段
５ｂ  レーザビーム偏向手段
６  集光手段（Ｆθレンズ）
１０  加工可能領域
１１  多結晶シリコン基板
１２  耐エッチング膜
１３  レーザ開口部
１４  テクスチャー構造
１４ａ  凹部
２１  レーザビームの中心点（レーザビーム中心点）の軌跡
２２  ｙ方向にレーザビームを偏向しないときのレーザビーム中心点の軌跡
２３  矢印
３１  テクスチャー形成領域
３２  電極形成領域
３２ａ  グリッド電極形成領域
３２ｂ  バス電極形成領域
【図１】
2010070940.tif 000003
【図２−１】
2010070940.tif 000004
【図２−２】
2010070940.tif 000005
【図２−３】
2010070940.tif 000006
【図２−４】
2010070940.tif 000007
【図２−５】
2010070940.tif 000008
【図３】
2010070940.tif 000009
【図４】
2010070940.tif 000010
【図５】
2010070940.tif 000011
【図６】
2010070940.tif 000012
【図７−１】
2010070940.tif 000013
【図７−２】
2010070940.tif 000014
【図８】
2010070940.tif 000015
【図９−１】
2010070940.tif 000016
【図９−２】
2010070940.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成23年1月19日(2011.1.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるレーザ加工装置は、被加工面を上にした状態で加工対象を保持するとともに前記加工対象を一定速度で第１の方向に搬送する加工対象搬送手段と、パルスレーザビームを出射するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から出射された前記パルスレーザビームを、所定の幾何学的なピッチを有するレーザビームのパターンへ分岐するレーザビーム分割手段と、前記レーザビーム分割手段で分岐された前記パルスレーザビームを前記被加工面における第１の方向と略垂直な方向において走査させる第１レーザビーム偏向手段と、前記第１レーザビーム偏向手段で偏向された前記分岐されたパルスレーザビームを、前記被加工面において前記第１の方向において調整し、偏向して前記被加工面に対して前記加工対象の搬送速度と等しい一定速度で走査する第２レーザビーム偏向手段と、前記第２レーザビーム偏向手段で偏向された前記分岐されたパルスレーザビームを前記被加工面上に集光する集光手段と、を備えること、を特徴とする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工面を上にした状態で加工対象を保持するとともに前記加工対象を一定速度で第１の方向に搬送する加工対象搬送手段と、
パルスレーザビームを出射するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射された前記パルスレーザビームを、所定の幾何学的なピッチを有するレーザビームのパターンへ分岐するレーザビーム分割手段と、
前記レーザビーム分割手段で分岐された前記パルスレーザビームを前記被加工面における第１の方向と略垂直な方向において走査させる第１レーザビーム偏向手段と、
前記第１レーザビーム偏向手段で偏向された前記分岐されたパルスレーザビームを、前記被加工面において前記第１の方向において調整し、偏向して前記被加工面に対して前記加工対象の搬送速度と等しい一定速度で走査する第２レーザビーム偏向手段と、
前記第２レーザビーム偏向手段で偏向された前記分岐されたパルスレーザビームを前記被加工面上に集光する集光手段と、
を備えること、
を特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記パルスレーザビーム走査中は、前記パルスレーザビームを一定の周波数で発振させること、
を特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
被加工面を上にした状態で加工対象を一方向に一定速度で移動させながら前記被加工面上にパルスレーザビームを、互いに走査方向が略直交する２つのレーザビーム偏向手段により走査してレーザ加工を行うレーザ加工方法であって、前記２つのレーザビーム偏向手段のうち一方のレーザビーム偏向手段により前記加工対象の移動方向と垂直な方向に前記パルスレーザビームを走査すると同時に、他のレーザビーム偏向手段により前記加工対象の移動速度と等しい一定速度でレーザビームを走査し、
前記パルスレーザビームを、所定の幾何学的なピッチを有するパルスレーザビームのパターンへ分岐した状態でパルスレーザビームを走査し、
前記パルスレーザビームの走査中は前記パルスレーザビームを一定の周波数で発振させること、
を特徴とするレーザ加工方法。
【請求項４】
前記被加工面における前記パルスレーザビームの走査対象である第１の領域に前記パルスレーザビームの走査を行う第１走査処理と、前記第１の領域に隣接する領域であって前記パルスレーザビームを走査しない非加工領域を介して前記第１の領域と隣り合う前記パルスレーザビームの走査対象である第２の領域に前記パルスレーザビームの走査を行う第２走査処理と、を前記被加工面において実施すること、
を特徴とする請求項３に記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
加工対象であるシリコン基板の被加工面にウェットエッチングに対する耐性を有する耐エッチング膜を形成し、請求項３または４に記載のレーザ加工方法により前記耐エッチング膜に開口部を形成した後、前記開口部を介して前記加工対象に対してウェットエッチングを行うことにより前記シリコン基板の表面に凹凸を形成すること、
を特徴とする光起電力装置の製造方法。
【国際調査報告】
2010070940.tif 000018
2010070940.tif 000019
2010070940.tif 000020
2010070940.tif 000021