(57)【要約】      （修正有）【課題】ガウシアン型レーザビームのエネルギー強度分布の平坦化を高めて高精度のレーザ加工を行えるようにする。【解決手段】エネルギー強度分布がガウシアン型を有するレーザビームを射出するレーザ発振器１と、レーザビームのビーム径を拡大するビームエキスパンダ３と、ビーム径を拡大されたレーザビームのエネルギー強度分布を平坦化する光学フィルタユニット７と、レーザビームを集束して加工対象物Ｗの部位に照射する集光レンズ８とを備える。光学フィルタユニット７は、偏平な基板７１ａに、当該基板の中心部から外周部に向けて放射状に広がる遮光性の遮光ゾーンと光透過性の透光ゾーンとが設けられ、その透光ゾーンが基板の外周部に向かって漸次幅広となる形態とされている構造の光学フィルタを少なくとも１つ有している。【選択図】図１
2011143421.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏平な基板に、当該基板の中心部から外周部に向けて放射状に広がる遮光性の遮光ゾーンと、その遮光ゾーンにより区切られた放射状に広がる光透過性の透光ゾーンとが設けられ、その透光ゾーンが前記基板の外周部に向かって漸次幅広となる形態とされている構造の光学フィルタを用い、加工対象物にレーザ加工を施す方法であり、
レーザ発振器から射出されたガウシアン型のエネルギー強度分布を有するレーザビームのビーム径を拡大して前記光学フィルタに入射させると共に、その光学フィルタを透過したレーザビームを集束して加工対象物の部位に照射することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
エネルギー強度分布がガウシアン型を有するレーザビームを射出するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から射出されたレーザビームのビーム径を拡大するビームエキスパンダと、
前記ビームエキスパンダによりビーム径を拡大されたレーザビームのエネルギー強度分布を平坦化する光学フィルタユニットと、
前記光学フィルタユニットを透過したレーザビームを集束して加工対象物の部位に照射する集光レンズと、を備え、
前記光学フィルタユニットは、偏平な基板に、当該基板の中心部から外周部に向けて放射状に広がる遮光性の遮光ゾーンと、その遮光ゾーンにより区切られた放射状に広がる光透過性の透光ゾーンとが設けられ、その透光ゾーンが前記基板の外周部に向かって漸次幅広となる形態とされている構造の光学フィルタを少なくとも１つ有していることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項３】
偏平な基板に、当該基板の中心部から外周部に向けて放射状に広がる遮光性の遮光ゾーンと、その遮光ゾーンにより区切られた放射状に広がる光透過性の透光ゾーンとが設けられ、その透光ゾーンが前記基板の外周部に向かって漸次幅広となる形態とされている構造の光学フィルタを２つ相対回転自在に対面結合して成ることを特徴とするレーザ加工用光学フィルタユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームによる加工技術に係わり、特に太陽電池の製造などに際して加工対象物にレーザビームによる溝を掘削するのに用いて好適な方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザビーム（レーザ光）は位相が揃ったコヒーレント光であり、その光源となるレーザ発振器にはレーザ媒質の種類により、固体レーザ（ＹＶＯ４レーザ、ＹＡＧレーザ、サファイアレーザなど）、気体レーザ（炭酸ガスレーザ、アルゴンイオンレーザなど）、半導体レーザ、色素レーザ、エキシマレーザ、ならびに自由電子レーザなどがあるが、その種のレーザ発振器から射出されるレーザビームは、最低次でのモードにおいて光軸中心のエネルギー強度が最大で光軸中心から離れるに従ってエネルギー強度が漸次小さくなるガウシアン型となる。これをガウスビームと呼ぶが、ガウシアン型のレーザビームでは高精度の加工を行えない。
【０００３】
例えば、薄膜型太陽電池の製造に際し、ガウスビームを用いてパターニングを行うと、図９（ａ）のように透明電極Ｔｅにのみ形成すべきスクライブ溝Ｇが、ガウスビームのプロファイルにより、図９（ｂ）のように下層のシリコン層Ｓｉにまで食い込んでしまったり、あるいは図９（ｃ）のようにスクライブ溝Ｇにより絶縁分割されるべき透明電極Ｔｅが絶縁分割されずに連なってしまったりするという問題を引き起こす。
【０００４】
このため、高精度のレーザ加工が要求される場合、多くはビームホモジナイザと呼ばれる光学機器を用い、ガウスビームの分割と重畳とを行ってそのエネルギー強度を平坦化するようにしているが、その種の光学機器は複数のプリズム、反射鏡、及びレンズなどを組み合わせて構成されるため、極めて高価である。
【０００５】
そこで、特許文献１では、中央領域と外側領域とで厚さを相違させた位相板を用い、これにガウスビームを通して当該ガウスビームのエネルギー強度分布を平坦化するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０５−３２６７１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１では、位相板の中央領域を外側領域よりも薄くし、位相板を透過したガウスビームが中央部分と周縁部分とで半波長の位相差を生ずるようにしていることから、位相板の製作自体に高精度の加工技術を要求される。
【０００８】
又、特許文献１によれば、ガウスビームの大部分を位相板の中央領域に透過させながら、位相板の外側領域を透過した光成分のエネルギー強度を、中央領域を透過した光成分との干渉により低減させるようにしていることから、係る位相板の透過により得られるレーザビーム（中央領域を透過した光成分）も光軸中心と周縁部分で強度差が大きく、エネルギー強度分布の平坦化に関して必ずしも十分とは言えない。
【０００９】
本発明は以上のような事情に鑑みて成されたものであり、その目的はガウシアン型レーザビームのエネルギー強度分布の平坦化を高めて高精度のレーザ加工を行えるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記目的を達成するため、偏平な基板に、当該基板の中心部から外周部に向けて放射状に広がる遮光性の遮光ゾーンと、その遮光ゾーンにより区切られた放射状に広がる光透過性の透光ゾーンとが設けられ、その透光ゾーンが前記基板の外周部に向かって漸次幅広となる形態とされている構造の光学フィルタを用い、加工対象物にレーザ加工を施す方法であり、
レーザ発振器から射出されたガウシアン型のエネルギー強度分布を有するレーザビームのビーム径を拡大して前記光学フィルタに入射させると共に、その光学フィルタを透過したレーザビームを集束して加工対象物の部位に照射することを特徴とするレーザ加工方法を提供する。
【００１１】
又、本発明は、エネルギー強度分布がガウシアン型を有するレーザビームを射出するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から射出されたレーザビームのビーム径を拡大するビームエキスパンダと、
前記ビームエキスパンダによりビーム径を拡大されたレーザビームのエネルギー強度分布を平坦化する光学フィルタユニットと、
前記光学フィルタユニットを透過したレーザビームを集束して加工対象物の部位に照射する集光レンズと、を備え、
前記光学フィルタユニットは、偏平な基板に、当該基板の中心部から外周部に向けて放射状に広がる遮光性の遮光ゾーンと、その遮光ゾーンにより区切られた放射状に広がる光透過性の透光ゾーンとが設けられ、その透光ゾーンが前記基板の外周部に向かって漸次幅広となる形態とされている構造の光学フィルタを少なくとも１つ有していることを特徴とするレーザ加工装置を提供する。
【００１２】
更に、本発明は、偏平な基板に、当該基板の中心部から外周部に向けて放射状に広がる遮光性の遮光ゾーンと、その遮光ゾーンにより区切られた放射状に広がる光透過性の透光ゾーンとが設けられ、その透光ゾーンが前記基板の外周部に向かって漸次幅広となる形態とされている構造の光学フィルタを２つ相対回転自在に対面結合して成ることを特徴とするレーザ加工用光学フィルタユニットを提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、偏平な基板にその中心部から外周部に向けて放射状に広がる遮光性の遮光ゾーンと、その遮光ゾーンにより区切られた放射状に広がる光透過性の透光ゾーンとが設けられ、その透光ゾーンが基板の外周部に向かって漸次幅広となる形態とされている構造の光学フィルタにガウシアン型のエネルギー強度分布を有するレーザビームを透過させることから、高価な光学機器を使用せずしてガウシアン型レーザビームのエネルギー強度分布を平坦化して高精度のレーザ加工を行うことが可能となる。
【００１４】
又、上記のような特定構造を有する光学フィルタの２つが相対回転自在に対面結合されているものでは、その２つを相対的に回転移動されることにより、加工対象物の材質などに応じて光エネルギーの透過量を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るレーザ加工装置の要部を示す斜視図
【図２】同レーザ加工装置の概略図
【図３】同レーザ加工装置に装備される光学フィルタユニットを示す断面図
【図４】光学フィルタユニットを示す斜視図
【図５】光学フィルタユニットを構成する光学フィルタを示す平面図
【図６】レーザビームのエネルギー強度分布を示す図
【図７】本発明に係る光学フィルタの作用を示す説明図
【図８】レーザスクライブにより形成した溝の輪郭を拡大して示した線図
【図９】レーザビームにより形成される溝の態様を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面に基づいて本発明を詳しく説明する。先ず、図１に本発明に係るレーザ加工装置の要部を示してその構成を説明すれば、係るレーザ加工装置は二系統のレーザ照射系１０を備えている。両系統のレーザ照射系１０は同一の構成であり、それぞれレーザ光源としてガウシアン型のエネルギー強度分布を有するレーザビームを射出するレーザ発振器１を備えている。
【００１７】
本例において、レーザ発振器１はＹＶＯ４レーザであり、波長５３２ｎｍ、ビーム径５００μｍのレーザビームを射出し、その光軸上にはレーザビームのエネルギーを減衰調整するロータリアテニュエータ２と、そのロータリアテニュエータ２から出力されるレーザビームのビーム径を拡大するビームエキスパンダ３が設けられる。
【００１８】
図２に示すように、ビームエキスパンダ３は平凹レンズ３ａ及び凸レンズ３ｂなどを内蔵するレンズユニットであり、本例ではこのビームエキスパンダ３によりレーザ発振器１からのレーザビームがビーム径５００μｍ（０．５ｍｍ）から４ｍｍに拡大され、ビーム径４ｍｍの平行光として出力されるようになっている。
【００１９】
又、図１および図２において、４はビームエキスパンダ３から射出されるレーザビームの光軸方向を変換する平面鏡、５は平面鏡４で全反射されたレーザビームを二方向に分ける半透鏡（ハーフミラー）、６は半透鏡５を透過したレーザビームを半透鏡５で反射されたレーザビームと同方向に全反射する反射鏡であり、半透鏡５と反射鏡６とにより反射されたレーザビームの光軸上には、それぞれ光学フィルタユニット７を介して集光レンズ８が配置されている。
【００２０】
光学フィルタユニット７は、ガウシアン型であるレーザビームのエネルギー強度分布を平坦化するための光学素子（光学フィルタ）を有するものであり、これにはビームエキスパンダ３から平面鏡４および半透鏡５ないしは反射鏡６を介して、ガウシアン型のエネルギー強度分布を有したままのレーザビームが入射される。そして、集光レンズ８は、光学フィルタユニット７を透過したレーザビームを集束して加工対象物Ｗの部位に照射する。尚、加工対象物Ｗは、例えば薄膜型太陽電池の基材となる積層板であり、これは図示せぬ可動台上に固定されて集光レンズ８からのレーザビームの光軸と直交する方向に移動される。
【００２１】
ここで、光学フィルタユニット７の構成について言及すれば、係る光学フィルタユニット７は、図３に示すように２つの光学フィルタ７１，７１を対面結合して構成される。図３において、７２は光学フィルタ７１を保持する外枠であり、この外枠７２はリング状の固定枠７２ａと可動枠７２ｂとを相対回転自在に結合して構成されている。そして、２つの光学フィルタ７１，７１は片面同士が触れ合う状態で、それぞれ固定枠７２ａと可動枠７２ｂに同心状に固定されている。従って、２つの光学フィルタ７１，７１も固定枠７２ａと可動枠７２ｂとの相対回転により相対的な回転が可能とされている。尚、本例において、固定枠７２ａはレーザ加工装置のフレームに固定され、その固定枠７２ａとこれに固定された光学フィルタ７１の一方に対し、可動枠７２ｂと光学フィルタ７１の他方を回転させ得るようになっている。
【００２２】
又、図４から明らかなように、固定枠７２ａと可動枠７２ｂの外周面には、目盛ｍが付されており、これにより２つの光学フィルタ７１，７１の相対的な回転移動量の把握が可能とされている。
【００２３】
次に、図５において、光学フィルタ７１は１．５ｍｍの板厚を有する無色透明の偏平なガラス板７１ａを基板とし、この基板７１ａに直径６２．５ｍｍの円形状のパターン部Ｐを設けてなる。パターン部Ｐは、基板７１ａの中心部から外周部に向けて放射状に広がる遮光性の遮光ゾーンＰｅと、その遮光ゾーンＰｅにより区切られた放射状に広がる光透過性の透光ゾーンＰｔとより構成され、その遮光ゾーンＰｅと透光ゾーンＰｔがパターン部Ｐの周方向に交互に現れるようになっている。
【００２４】
図５から明らかなように、遮光ゾーンＰｅと透光ゾーンＰｔは、基板７１ａの外周部に向かって漸次幅広となる細長い円弧状の形態で、その各々の広がり角度（ウエッジ角）は本例において２．２５度とされている。尚、本例では、透明な基板７１ａの片面に金属膜を付着せしめて放射状に広がる遮光ゾーンＰｅを形成し、遮光ゾーンＰｅの間を光透過性の透光ゾーンＰｔとしているが、基板７１ａに遮光性を有する金属板などを用い、これに放射状の切欠孔を穿設して透光ゾーンＰｔを形成しながら、その間を遮光ゾーンＰｅとして残すようにしてもよい。
【００２５】
そして、係る光学フィルタ７１は、その２つが上記のように相対回転自在に対面結合されることにより、光学フィルタユニット７を構成する。又、その光学フィルタユニット７は、レーザビームの光軸中心に対し、光学フィルタ７１の中心（遮光ゾーンＰｅと透光ゾーンＰｔの放射中心）が一致するようにして、集光レンズ８の前段でレーザビームの光路上に配置される。
【００２６】
ここで、上記のように構成される光学フィルタユニット７を備えたレーザ加工装置の使用によるレーザ加工方法と、光学フィルタ７１の作用について説明する。先ず、本発明に係るレーザ加工方法として、加工対象物Ｗ（例えば、薄膜太陽電池の基材として、透明絶縁基板上にシリコン層を介して透明電極層を設けた積層板）に透明電極を絶縁分割するスクライブ溝を形成する場合について概説すれば、係る加工対象物Ｗは、集光レンズ８の下方において図示せぬ可動台上に固定され、集光レンズ８からのレーザビームの照射と同時に一方向に等速で移動される。
【００２７】
一方、レーザビームの光源となるレーザ発振器１からは、ロータリアテニュエータ２に向けてガウシアン型のエネルギー強度分布を有するレーザビームが射出される。そのレーザビームはロータリアテニュエータ２によりエネルギーを減衰され、次いでビームエキスパンダ３に入射され、そのビームエキスパンダ３により例えばビーム径４ｍｍの平行光とされる。そして、ビーム径を拡大されたレーザビームは、平面鏡４、半透鏡５、ならびに反射鏡６を介して光学フィルタユニット７に入射され、その光学フィルタユニット７により図６に示されるようなガウシアン型のエネルギー強度分布Ａ（光軸横断面での強度分布）が、同図Ｂのように平坦化される。
【００２８】
即ち、図７に示す光学フィルタ７１の部分拡大図において、半径Ｒなる位置で隣り合う透光ゾーンＰｔを透過したレーザビームは、各々その透光ゾーンＰｔと直交するＤ１−Ｄ１方向およびＤ２−Ｄ２方向に回折し、それよりも外周側で透光ゾーンＰｔを透過したレーザビームの回折光と干渉しながら一点鎖線で示すよう外周側に広がって行くが、透光ゾーンＰｔの幅は外周側より内周側が狭いので、透光ゾーンＰｔの内周側で回折がより顕著となる。このため、透光ゾーンＰｔの放射中心部を透過するレーザビームの光軸中心部の光エネルギーが外周方向に発散されるようになり、結果としてそのエネルギー強度分布が平坦化されるようになる。
【００２９】
そして、エネルギー強度分布が平坦化されたレーザビームは、光学フィルタユニット７から集光レンズ８に入射され、その集光レンズ８によりビーム径が例えば５０μｍ程度に集束されて加工対象物Ｗの表面上に照射される。このため、本発明によれば、加工対象物Ｗに対してビーム径に相当する幅を有して底部が平坦な所定深さの溝を正確に形成することができる。
【００３０】
図８は、レーザスクライブにより加工対象物Ｗに形成した溝の輪郭を示す拡大線図で、（ａ）は光学フィルタユニット７によりエネルギー強度分布を平坦化したレーザビームによるもの、（ｂ）は比較として光学フィルタユニット７を用いないガウシアン型のレーザビームによるものであり、この図から本発明では高精度の加工を行えることが理解される。
【００３１】
尚、光学フィルタユニット７は、単一の光学フィルタ７１を外枠７２で保持する構成としてもよいが、上記のように２つの光学フィルタ７１，７１を相対回転自在に対面結合した構成では、双方の遮光ゾーンＰｅを光軸方向に合致させた状態を光エネルギーの最大透過量にして、複数の光学フィルタユニット７から射出される光エネルギーが一定になるように調整して半透鏡５による分光誤差を補正したり、光エネルギーの透過量を加工対象物Ｗの材質などに応じて減ずる方向に調整したりすることができる。
【００３２】
以上、本発明について説明したが、レーザ発振器１は、ＹＶＯ４レーザに限らず、その他の固体レーザ（ＹＡＧレーザ、サファイアレーザなど）、あるいは気体レーザ（炭酸ガスレーザ、アルゴンイオンレーザなど）、半導体レーザ、色素レーザ、エキシマレーザ、ならびに自由電子レーザなどでもよい。
【００３３】
又、上記例では光学フィルタ７１の遮光ゾーンＰｅと透光ゾーンＰｔを各々同一形状、同一面積としたが、使用するレーザビームの波長などに応じて遮光ゾーンＰｅと透光ゾーンＰｔを同一円周上での幅が１：２〜３などとなるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３４】
１  レーザ発振器
２  ロータリアテニュエータ
３  ビームエキスパンダ
４  平面鏡
５  半透鏡
６  反射鏡
７  光学フィルタユニット
７１  光学フィルタ
７１ａ  基板
Ｐ  パターン部
Ｐｅ  遮光ゾーン
Ｐｔ  透光ゾーン
８  集光レンズ
【図１】
2011143421.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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