(57)【要約】【課題】刃先の先端形状を工夫して耐摩耗性を向上させ、使用寿命を延ばすと共に、溝加工時の膜剥がれ等の現象を抑制することができる溝加工ツール並びにこれを取り付けたスクライブ装置を提供する。【解決手段】棒状のボディ８１と、ボディ８１下部に形成された先細り状のテーパ部８２と、テーパ部８２の先端部、又はテーパ部８２に連なって形成される円柱部８３の先端部に形成された刃先領域８４とを備える溝加工ツールであって、刃先領域８４は、水平な底面８５と、底面８５と円柱部８３又はテーパ部８２の外周側面８６との角部に形成された刃先８７とからなり、外周側面８６はツール素材よりも硬い硬質材料からなる被膜がコーティングされるとともに、底面８５はツール素材の地肌が露出した構成とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜太陽電池基板の薄膜を剥離させて溝を形成する溝加工ツールであって、
棒状のボディと、前記ボディの下部に形成された先細り状のテーパ部と、前記テーパ部の先端部、もしくは、当該テーパ部に連なって形成される円柱部の先端部に形成された刃先領域とを備え、
前記刃先領域は、水平な底面と、当該底面と前記円柱部又は前記テーパ部の外周側面との角部に形成された刃先とからなり、
前記外周側面は、ツール素材よりも硬い硬質材料からなる被膜がコーティングされるとともに、前記底面はツール素材の地肌が露出している溝加工ツール。
【請求項２】
前記刃先領域は前記テーパ部の先端部に形成され、当該テーパ部の外周側面の中心角が１０°〜３０°の範囲内で形成されている請求項１に記載の溝加工ツール。
【請求項３】
前記テーパ部が、上段テーパ部と、当該上段テーパ部より外周側面の中心角度の小さな下段テーパ部とによって２段形状で形成され、下段テーパ部の先端部分が前記刃先領域を形成しており、
前記下段テーパ部の中心角が１０°〜３０°の範囲内で形成され、かつ、当該下段テーパ部の高さが加工すべき溝深さの寸法より大きく、前記底面の直径より小さく形成されている請求項１に記載の溝加工ツール。
【請求項４】
溝加工ツールの素材が超硬合金であり、前記被膜がＤＬＣである請求項１〜３のいずれかに記載の溝加工ツール。
【請求項５】
前記請求項１〜４のいずれかに記載の溝加工ツールを、ホルダを介して保持するスクライブヘッドと、前記薄膜太陽電池基板を載置するテーブルを備え、前記スクライブヘッドを薄膜太陽電池基板に対して相対的に移動させることにより前記溝加工ツールの刃先で前記薄膜太陽電池基板の表面に溝を加工するようにしたスクライブ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カルコパイライト化合物やテルル化カドミウムなどを用いた化合物系等の集積型薄膜太陽電池を製造する際に用いられる溝加工ツール並びにこの溝加工ツールを取り付けたスクライブ装置に関する。
ここで、カルコパイライト化合物とは、ＣＩＧＳ（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２）の他に、ＣＩＧＳＳ（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）２）、ＣＩＳ（ＣｕＩｎＳ２）等が含まれる。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体を光吸収層として用いる薄膜太陽電池においては、基板上に複数のユニットセルを直列接続した集積型構造が一般的である。
【０００３】
従来のカルコパイライト化合物系集積型薄膜太陽電池の製造方法について説明する。図７は、ＣＩＧＳ薄膜太陽電池の製造工程を示す模式図である。まず、図７（ａ）に示すように、ソーダライムガラス（ＳＬＧ）等からなる絶縁基板２１上に、プラス側の下部電極となるＭｏ電極層２２をスパッタリング法によって形成した後、スクライブ加工により下部電極分離用の溝Ｐ１を形成する。
【０００４】
その後、図７（ｂ）に示すように、Ｍｏ電極層２２上に、化合物半導体（ＣＩＧＳ）薄膜からなる光吸収層２３を積層して、その上に、ヘテロ接合のためのＺｎＳ薄膜等からなるバッファ層２４を形成し、さらにその上に、ＺｎＯ薄膜からなる絶縁層２５を形成する。そして、下部電極分離用の溝Ｐ１から横方向に所定距離離隔した位置に、スクライブ加工によりＭｏ電極層２２にまで到達する電極間コンタクト用の溝Ｐ２を形成する。
【０００５】
続いて、図７（ｃ）に示すように、絶縁層２５の上からＺｎＯ：ＡＩ薄膜からなる上部電極としての透明電極層２６を形成し、スクライブ加工により下部のＭｏ電極層２２にまで到達する電極分離用の溝Ｐ３を形成する。
【０００６】
上述した集積型薄膜太陽電池を製造する工程において、電極分離用の溝Ｐ２およびＰ３をスクライブにより溝加工する技術として、レーザスクライブ法とメカニカルスクライブ法が用いられてきた。
【０００７】
レーザスクライブ法は、例えば特許文献１で開示されているように、アークランプ等の連続放電ランプによって、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶を励起して発信したレーザ光を照射することにより電極分離用の溝を形成するものであるが、スクライブ時にレーザ光の熱によって光吸収層２３の光電変換特性が劣化するおそれがあった。
【０００８】
また、メカニカルスクライブ法は、例えば特許文献２および特許文献３で開示されているように、先端が先細り状となった溝加工ツールの刃先を、所定の圧力をかけて基板に押しつけながら移動させることによって、電極分離用の溝を加工する技術である。現在ではこのメカニカルスクライブ法が多く行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−３１２８１５号公報
【特許文献２】特開２００２−０９４０８９号公報
【特許文献３】特開２００４−１１５３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
メカニカルスクライブ法で用いられる溝加工ツールは、一般的には安いコストで、かつ高精度に仕上げることのできる旋盤を使用した丸断面形状のものが多い。このような丸断面形状の溝加工ツールとして、図８（ａ）に示すような、棒状のボディ２７の下方を先細り状の円錐台形のテーパ部２８としてその先端を水平にカットし、水平な底面２９の角部を刃先３０としたものが特許文献２、３で開示されている。
また、加工される溝の左右側壁の平行度を精密に仕上げるために、図８（ｂ）に示すような、テーパ部２８の下部に上下均等な直径の円柱部３１を形成し、その先端角部３２を刃先としたものがある。ツール先端の水平な底面２９は、溝加工の際に鋭利な刃先先端とすることによって、Ｍｏ電極層を傷つけないようにするために設けられたものである。
【００１１】
この溝加工ツールを、薄膜太陽電池基板から離れないように一定の圧力で押しつけながら、スクライブ予定ラインに沿って相対的に移動させて溝加工を行うのであるが、被加工面の凹凸で溝加工ツールは慣性力による上下方向の力を受けてバウンドするため、それを抑えるためには一定の押圧力、例えば０．５Ｎ以上の力が必要となる。
しかし、溝加工ツールの刃先を上記の押圧力で薄膜太陽電池に押しつけながら使用していると、図９（ａ）の新品の状態から、加工溝の深さｈに相当する外周側面と底面との刃先の角部３０、３２が太陽電池基板の膜との接触によって摩耗し、図９（ｂ）に示すように、刃先の左右幅が小さくなるとともに切れ味が劣化する。刃先先端部の左右幅が小さくなると、加工される溝幅が狭くなって規定された寸法の溝を精度よく加工することができず、図７の電極分離用の溝Ｐ２、Ｐ３では充分な絶縁効果が得られない場合も発生する。また、刃先の切れ味が劣化すると、溝をきれいに加工することができないだけでなく、一部の薄膜が不規則に大きく剥がれて必要以上に除去してしまうことがあり、太陽電池の特性および歩留まりが低下するといった問題点があった。
【００１２】
そこで本発明は上記の課題に鑑み、刃先部分に工夫を加えることによって、耐摩耗性が向上して使用寿命を延ばすことができると共に、溝加工時の膜剥がれ等の現象を抑制することができる溝加工ツール並びにこれを取り付けたスクライブ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するためになされた本発明の薄膜太陽電池用の溝加工ツールは、薄膜太陽電池基板の薄膜を剥離させて溝を形成する溝加工ツールであって、棒状のボディと、当該ボディの下部に形成された先細り状のテーパ部と、前記テーパ部の先端部、もしくは、当該テーパ部に連なって形成される円柱部の先端部に形成された刃先領域とを備え、前記刃先領域は、水平な底面と、当該底面と前記円柱部又は前記テーパ部の外周側面との角部に形成された刃先とからなり、前記外周側面はツール素材よりも硬い硬質材料からなる被膜がコーティングされるとともに、前記底面はツール素材の地肌が露出している構成とした。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の溝加工ツールは、スクライブ装置に組み込まれているスクライブヘッドのホルダに取り付けて使用される。スクライブ加工の際、本発明に係る溝加工ツールでは、外周側面がツール素材よりも硬い硬質材料によってコーティングされているので外周側面の耐摩耗性が向上し、前述した刃先部分が摩耗して細くなるようなことが緩和される。また、これにより、加工される溝幅を一定に保持して高精度の溝加工を行うことができると共に、ツール寿命を延ばすことができる。
また、底面はツール素材の地肌が露出した状態で残されていることから、外周側面に形成された硬度の高い被膜の摩耗速度と、この被膜に比べて硬度の低い底面（ツール素材）の摩耗速度とが均衡し、略水平な姿勢でほぼ均等に摩耗が進行することになる。これにより、刃先となる尖った角部を保持して切れ味の劣化を防ぐことができるといった効果がある。
【００１５】
本発明において、前記刃先領域は前記テーパ部の先端部に形成され、当該テーパ部の外周側面の中心角が（２０°を中心とした）１０°〜３０°の範囲内で形成されている構成とするのがよい。
これにより、ツールにかかる振動（衝撃）を実験値で示すように小さく抑えることができるとともに、中心角を小さくすることで加工される溝の左右側壁面の平行度を維持することができ、きれいな溝を精密に加工することができる。また、加工される溝の左右のエッジが斜めに削られるようなことがなくなって膜剥がれの発生を抑制することができる。さらに、テーパ部は、角度は小さいものの底面から上方にかけての直径が太くなっているので、正円柱体のツールに比べて強度を高めることができ、スクライブ中に折れる等の不具合の発生を抑制することができる。
【００１６】
本発明において、前記テーパ部が、上段テーパ部と、当該上段テーパ部より外周側面の中心角度の小さな下段テーパ部とによって２段形状で形成され、下段テーパ部の先端部分が前記刃先領域を形成しており、前記下段テーパ部の中心角が（２０°を中心とした）１０°〜３０°の範囲内で形成され、かつ、当該下段テーパ部の高さが加工すべき溝深さの寸法より大きく、前記底面の直径より小さく形成されている構成とするのがよい。
これにより、ツールにかかる振動（衝撃）を小さく抑えることができるとともに、中心角を小さくすることで加工される溝の左右のエッジが斜めに削られるようなことがなくなって膜剥がれの発生を抑制することができる。しかも下段テーパ部は、加工すべき溝幅に対応して小さい直径で形成された底面よりもさらに小さい寸法の高さ（背丈）で形成され、しかもその上部が下段テーパ部より大きな角度を有する上段テーパ部に連設して補強されているので、スクライブ中に下段テーパ部が中間部から折れる等のトラブルの発生をなくすことができる。また、下段テーパ部の高さが、加工すべき溝深さより大きな寸法で形成されているので、所定深さの溝を確実に加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の溝加工ツールを用いたスクライブ装置の一実施形態を示す概略的正面図。
【図２】本発明の溝加工ツールを示す全体斜視図と一部拡大断面図。
【図３】本発明の溝加工ツールの別実施例を示す全体斜視図と一部拡大断面図。
【図４】先端角度が異なる３種のツールを用いて３０００ｍ溝加工したときの刃先にかかる振動と膜剥がれ幅を示す表。
【図５】図４の実験に使用した３種の溝加工ツールを示す図。
【図６】本発明に係る溝加工ツールのさらなる別実施例を示す全体斜視図と一部拡大断面図。
【図７】一般的なＣＩＧＳ系の薄膜太陽電池の製造工程を示す模式図。
【図８】従来の溝加工ツールの例を示す正面図。
【図９】従来の溝加工ツールの刃先の摩耗を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下において、本発明の詳細を、その実施の形態を示す図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る溝加工ツールを用いた集積型薄膜太陽電池用スクライブ装置の実施形態を示す概略的な正面図である。
スクライブ装置Ａは、太陽電池基板Ｗを載置して保持するテーブル１を備えている。テーブル１は、水平なレール２に沿ってＹ方向（図１の前後方向）に移動できるようになっており、モータ（図示略）によって回転するネジ軸３により駆動される。さらに、テーブル１はモータを内蔵する回転駆動部４により水平面内で回動できるようになっている。
【００１９】
テーブル１を挟んで設けてある両側の支持柱５、５と、Ｘ方向に水平に延びるビーム（横桟）６とを備えたブリッジ７が、テーブル１上を跨ぐようにして設けられている。
ビーム６には、Ｘ方向に水平に延びるガイド９が設けられ、このガイド９にはスクライブヘッド１０がモータＭによってＸ方向に移動できるように取り付けられている。
【００２０】
スクライブヘッド１０の下部には、テーブル１上に載置される太陽電池基板Ｗの薄膜表面をスクライブ加工する溝加工ツール８を保持するホルダ１１が設けられている。ホルダ１１は、流体シリンダ１２によって溝加工ツール８と共に昇降できるように形成されている。
【００２１】
図２は、本発明に係る溝加工ツール８を示すものであって、図２（ａ）は全体形状を示す斜視図であり、図２（ｂ）は刃先部分の拡大断面図である。この溝加工ツール８は、鋼材や超硬合金等の工具特性に優れた材料で作製される。
溝加工ツール８は、実質的にホルダ１１への取付部となる断面円形の棒状のボディ８１と、このボディ８１の下部に一体的に形成された先細り状のテーパ部８２と、テーパ部８２の細くなった先端部で一体的に形成された正円柱体からなる細径の円柱部８３と、この円柱部８３の先端部分に形成された刃先領域８４とからなる。ボディ８１、テーパ部８２並びに円柱部８３は、それぞれの軸心が同軸となるように形成するのがよい。これにより、ボディ８１を旋盤などの加工機械のチャックで掴んで回転させ、バイトでボディ８１の先端部分を研削することにより、容易かつ精密にテーパ部８２並びに円柱部８３を加工することができる。
【００２２】
溝加工ツール８の刃先領域８４は、円柱部８３の水平な底面８５と、この底面８５と円柱部８３の外周側面８６との角部に形成された刃先８７からなる。
そして、円柱部８３の外周側面８６が、ツール素材よりも硬い硬質材料の被膜８８によってコーティングされる。被膜８８の厚みは０．５μｍ〜２μｍ程度である。
硬質材料としてはＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）が好ましいが、ＴｉＮ（窒化チタン）、ＴｉＣ（チタンカーバイト）、ＴｉＣＮ（窒化チタンカーバイト）といった硬質セラミックスなどでも効果があり、ＣＶＤ法やＰＶＤ法によりコーティングすることができる。
なお、コーティングされる硬質材料にはツール素材よりも硬度の高いものが選択される。例えば、ツール素材が超硬合金の場合にはＤＬＣが用いられる。
【００２３】
硬質材料による被膜８８は、外周側面８６で加工すべき溝に嵌まり込む部分を含む一部の周面でよいが、外周側面８６の全域、もしくはテーパ部８２の外周側面にかけてコーティングしても差し支えない。ただし、底面８５はコーティングせず地肌（ツール素材の表面）を残しておくようにする。この場合、例えば、プラズマＣＶＤ法でＤＬＣの成膜を行う工程では、ツールを真空チャンバ内に入れて外周側面８６に成膜するときに、底面８５を含む成膜不要な部分を剥離可能な遮断膜で塞いでおき、後でこの遮断膜を剥離することにより作製することができる。
なお、成膜不要な部分を剥離可能な遮断膜で塞ぐことによりコーティングする上記の方法に代えて、外周側面８６と共に底面８５をコーティングしておき、その後底面８５のコーティングを摩滅させて除去するようにしてもよい。
【００２４】
上述した溝加工ツール８を用いてスクライブ加工を行う場合は、ツール先端を下方に向けた姿勢で溝加工ツール８をスクライブヘッド１０のホルダ１１に取り付ける。そして、テーブル１をＹ方向に移動させて太陽電池基板Ｗのスクライブ予定ラインが溝加工ツール８の直下になるよう位置決めをした後に、溝加工ツール８を下動させてその先端を流体シリンダ１２により太陽電池基板Ｗの表面に押しつけた状態でＸ方向に移動させてＸ方向のスクライブ加工を行う。また、太陽電池基板Ｗの表面にＹ方向のスクライブ加工を行う場合には、テーブル１を９０度回転させて、上記と同様の動作を行う。
【００２５】
上記のスクライブ加工の際、本実施例の溝加工ツール８では、円柱部８３の外周側面８６の少なくとも太陽電池基板Ｗの溝に嵌まり込む部分を含む一部がツール素材よりも硬い硬質材料によってコーティングされているので、スクライブ時に太陽電池基板の溝に嵌まり込んで大きな抵抗を受ける外周側面の耐摩耗性が向上する。これにより、前述した刃先部分が摩耗して細くなるようなことが緩和され、加工される溝幅を一定に保持して高精度の溝加工を行うことができると共に、ツール寿命を延ばすことができる。
【００２６】
また、底面８５は地肌が露出した状態で残されているので、外周側面８６に形成された硬度の高い被膜８８の摩耗速度と、この被膜８８に比べて硬度の低い底面８５（ツール素材）の摩耗速度とが均衡して、略水平な姿勢で均等に摩耗していくことになる。これにより、刃先８７となる角部の形状変化を抑制することができ、これまでよりも長い期間にわたって尖った状態を保持して切れ味の劣化を防ぐことができる。
【００２７】
図３は本発明の別の実施例を示すものであって、図３（ａ）は全体の斜視図であり、図３（ｂ）は刃先部分の拡大断面図である。この実施例では、ボディ８１の下部に形成された先細り状のテーパ部８２の先端部分に、直接、刃先領域８４が設けられている。また、硬質材料のコーティングによる被膜８８は、テーパ部８２の刃先領域近傍８４の外周側面に形成されている。
テーパ部８２の外周側面８６の中心角αは、発明者等による下記実験のデータから２０°を中心とした１０°〜３０°の範囲に設定されている。
【００２８】
図４は、発明者等が刃先の角度がそれぞれ異なる超硬合金製の３種の溝加工ツールを用いて、太陽電池基板の溝を３０００ｍ加工したときのツールにかかる振動と加工溝の膜剥がれ幅を検証した結果を示す表である。表中、ツール種欄における角度は、実験に用いた３種のツールの外周円錐面（外周側面）の中心角αを示すものである。また、図５は上記実験に用いた溝加工ツールを示すものであって、図５（ｂ）は中心角αが２０°のものであり、図５（ｃ）は４５°のものである。また図５（ａ）は刃先を形成する角部を直角にしたものであり、ここでは中心角αを０°とした。
これらの実験から、中心角２０°のものが、角度の大きな４５°のものに比べて膜剥がれ幅が半分程度と小さいことがわかる。また、刃先先端にかかる荷重の変位量（振動）についても、中心角２０°のものが他に比べて小さく、ツールにかかる衝撃が少ないことが判明した。
そして、外周円錐面の中心角αを、２０°を中心とした±１０°の範囲とすれば、膜剥がれ幅をほぼ同程度に抑えられることが判明した。
そこで、本実施例では、テーパ部の中心角αを、２０°を中心とした１０°〜３０°としている。
この実施例では、ツールにかかる振動（衝撃）を実験値で示すように小さく抑えることができるとともに、中心角αを小さくすることで加工される溝の左右側壁面の平行度を維持することができ、きれいな溝を精密に加工することができる。また、加工される溝の左右のエッジが斜めに削られるようなことがなくなって膜剥がれの発生を抑制することができる。また、テーパ部８２は、角度は小さいものの底面から上方にかけて直径が太くなっているので、従来の正円柱体のツールに比べて強度を高めることができ、スクライブ中に折れる等の不具合の発生を抑制することができる。
【００２９】
図６は本発明に係る溝加工ツールのさらに別の実施例を示すもので、図６（ａ）は全体の斜視図であり、図６（ｂ）は刃先部分の拡大断面図である。
この実施例では、棒状ボディ８１の下部に中心角度αの大きなテーパ部８２と、この上段テーパ部８２ａより角度の小さな下段テーパ部８２ｂとの２段形状で形成され、下段テーパ部８２ｂの先端部分に上記刃先領域８４が形成されている。そして、下段テーパ部８２ｂから上段テーパ部８２ａにかけてその外周側面に硬質材料からなる被膜８８がコーティングにより形成されている。下段テーパ部８２ｂの中心角α１は、図４の実験データで好ましい数値とされた２０°を中心とした１０°〜３０°の範囲内で形成され、上段テーパ部８２ａの中心角α２は１４０°以上の大きな角度で形成されている。また、下段テーパ部８２ｂの高さＨが加工すべき溝深さの寸法より大きく、前記底面８５の直径Ｄより小さく形成されている。
【００３０】
この２段形状の溝加工ツール８では、硬質材料のコーティングによる耐摩耗性の向上の他に、下段テーパ部８２ｂの中心角α１が、２０°を中心とした１０°〜３０°で設定されているので、上記実験値で示されたように、ツールにかかる振動（衝撃）を小さく抑えることができる。また、中心角α１を小さくすることで、加工される溝の左右のエッジが斜めに削られるようなことがなくなって膜剥がれの発生を抑制することができる。しかも、下段テーパ部８２ｂは、加工すべき溝幅に対応して小さい直径で形成された底面８５よりもさらに小さい寸法の高さ（背丈）で形成され、しかもその上部が下段テーパ部８２ｂより大きな角度を有する上段テーパ部８２ａに連設して補強されているので、スクライブ中に下段テーパ部８２ｂが中間部から折れてしまうようなことがなくなる。また、下段テーパ部８２ｂの高さＨが、加工すべき溝深さより大きな寸法で形成されているので、所定深さの溝を確実に加工することができる。
【００３１】
以上、本発明の代表的な実施例について説明したが、本発明は必ずしも上記の実施例構造のみに特定されるものでなく、その目的を達成し、請求の範囲を逸脱しない範囲内で適宜修正、変更することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、カルコパイライト化合物やテルル化カドミウムなどの化合物系半導体膜を用いた集積型薄膜太陽電池の製造に用いることのできる溝加工ツールに適用することができる。
【符号の説明】
【００３３】
Ａ  スクライブ装置
Ｗ  太陽電池基板
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３  スクライブ溝
８  溝加工ツール
８１  ボディ
８２  テーパ部
８２ａ  上段テーパ部
８２ｂ  下段テーパ部
８３  円柱部
８４  刃先領域
８５  底面
８６  外周側面
８７  刃先
８８  被膜
１０  スクライブヘッド
１１  ホルダ
【図１】
2015195347.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】
2015195347.tif 000009
【図８】
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【図９】
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