(57)【要約】【課題】基板上に形成された薄膜のレーザ加工をクリーンな環境下で行う。【解決手段】可撓性基板２が吸着ステージ５に吸着されてそのレーザ加工面２ａが鉛直になるようにし、そのレーザ加工面２ａ中央の法線上にガルバノミラー７を配置して２枚の反射ミラー７ａ，７ｂの角度の組み合わせによって、レーザ発振器９から発振されるレーザ光をレーザ加工面２ａ上の所望の位置に照射する。レーザ加工面２ａが鉛直になっていて、その鉛直下方領域にガルバノミラー７が配置されていないため、薄膜除去の際に生じる加工塵のレーザ加工面２ａおよびガルバノミラー７への飛散を大幅に低減でき、クリーンなレーザ加工プロセスを実現できる。【選択図】        図１
2005014083.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜が形成された基板にレーザ光を照射して前記薄膜の一部を除去するレーザ加工装置において、
前記レーザ光が照射される前記基板のレーザ加工面が鉛直または鉛直下向きに配置され、前記レーザ加工面における前記レーザ光の照射位置を調整して前記レーザ光を前記レーザ加工面で走査するためのガルバノミラーが前記レーザ加工面の鉛直下方領域外であって前記レーザ加工面中央の法線上に配置されていることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記レーザ加工面の一端側に配置され、前記レーザ加工面の一端側から他端側に向かって圧縮空気を吹き付け、前記薄膜から生じる加工塵を前記レーザ加工面の他端側に吹き飛ばすエアーブロー手段と、
前記レーザ加工面の他端側に配置され、前記エアーブロー手段によって吹き付けられた前記圧縮空気と共に前記加工塵を吸引する吸引手段と、
を有することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記エアーブロー手段は、前記レーザ光を走査するときの終点側に配置され、前記吸引手段は、前記レーザ光を走査するときの始点側に配置されていることを特徴とする請求項２記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
薄膜が形成された基板にレーザ光を照射して前記薄膜の一部を除去するレーザ加工方法において、
前記基板のレーザ加工面を鉛直または鉛直下向きに配置し、鉛直または鉛直下向きに配置された前記レーザ加工面の鉛直下方領域外であって前記レーザ加工面中央の法線上に配置したガルバノミラーを用いて、前記レーザ加工面に前記レーザ光を照射することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項５】
前記レーザ光を照射して前記薄膜の一部を除去する際に、前記レーザ加工面の一端側から他端側に向かって圧縮空気を吹き付け、前記薄膜から生じる加工塵を前記レーザ加工面の他端側に吹き飛ばし、前記レーザ加工面の他端側において前記圧縮空気と共に前記加工塵を吸引することを特徴とする請求項４記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
前記圧縮空気は、前記レーザ光を走査するときの終点側から前記レーザ光を走査するときの始点側に向かって吹き付けられることを特徴とする請求項５記載のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関し、特に薄膜太陽電池の製造において、その基板上に形成された薄膜を、レーザを用いて加工するためのレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原料ガスのグロー放電分解や光ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により形成されるアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、アモルファスシリコンゲルマニウム（ａ−ＳｉＧｅ）、微結晶シリコンなどの非単結晶シリコン系薄膜は、気相成長法で形成できるため、大面積化が容易であるという特徴を有している。さらに、これらの非単結晶シリコン系薄膜は、その形成温度が低いために、プラスチックフィルムのような基板にも形成できるという特徴を有している。
【０００３】
こうした非単結晶シリコン系薄膜を用いて薄膜太陽電池を形成する場合、基板にガラスやプラスチックフィルムなどの絶縁材料を用いて集積型の直列接続構造を実現でき、１枚の基板から数十Ｖ〜数百Ｖの高電圧を取り出せるというメリットがある。直列接続構造としては、例えば特開平６−３４２９２４号公報に開示されているように、ガラスなどの透光絶縁性基板を用いて短冊状の素子を一方の面で接続する構造や、プラスチックフィルム基板を用い、その主面に短冊状に素子を形成し、背面には接続用電極を形成して、接続孔を介して素子を接続する構造がある。
【０００４】
このような直列接続構造を実現するためには、一辺が０．３ｍ〜２ｍ程度の大面積基板上に一様に形成した非単結晶シリコン系薄膜を、短冊状に分離加工する技術が必要であり、このような分離加工にあたっては主に以下の（１）〜（３）に示すような条件が要求される。
【０００５】
（１）ピンホールを発生させないクリーンな加工プロセスであること。
（２）加工ライン幅が１０μｍ〜５００μｍ程度で安定性が良好であること。
（３）加工位置精度が良好であること。
【０００６】
これらの条件を満足し、現在、最も一般的に用いられているのはＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ  Ａｌｕｍｉｎｕｍ  Ｇａｒｎｅｔ）レーザ光を用いたレーザ加工技術である。薄膜の分離加工に用いるレーザ加工装置としては、基板をＸ−Ｙステージ上に吸着し、このＸ−ＹステージをＸ方向またはＹ方向に移動させることによって、その基板に対しレーザ光を走査するものがある。また、図４は従来のレーザ加工装置の一例を説明する図である。この図４に示すように、基板１００をＸ−Ｙステージ１０１に固定し、レーザ光をファイバ光学系１０２により出射光学部１０３に導き、出射光学部１０３をＸ方向またはＹ方向に移動させながら基板１００に対しレーザ光１０４を走査するものもある。
【０００７】
さらに、ガルバノミラーを用いてレーザ光をレーザ加工面の所望の位置に二次元照射できるようにしたものも提案されている。薄膜分離加工にガルバノミラーを用いたレーザ加工装置を用いることにより、１ｍ角以上の大面積基板も高速に加工することができ、薄膜膜太陽電池の低コスト化を図れる。
【０００８】
従来、ガルバノミラーを用いたレーザ加工装置としては、例えば、リチウム２次電池などの電池用電極板に塗着された活物質に対し、電極板が形成される電極材料のローラによる移送中に、ガルバノミラーを用いてレーザ光を上方から照射して速度０．６ｍ／ｓで走査し、照射部分の活物質を昇華させて除去するようにした装置が提案されている。さらに、この提案では、電極板表面およびレーザ光に対して傾斜角度を持たせたノズルからレーザ光の照射スポット付近に圧縮空気を吹き付け、活物質昇華時に発生する活物質の煙状物体を吹き飛ばし、それを集塵ダクトで集塵するようにした装置が示されている（特許文献１参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−１４９９１１号公報（段落番号［００１８］〜［００２０］，［００２５］，図１，図２）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
薄膜太陽電池製造における薄膜分離加工では、レーザ光の照射を受けて薄膜が昇華して除去される際に、薄膜から加工塵を含んだガスが発生するため、高速・低コスト化を図れるガルバノミラーを用いたレーザ加工装置による薄膜分離加工をクリーンな環境下で行うためには、そのような加工塵によって引き起こされ得るいくつかの問題を解決しなければならない。具体的には以下のような問題点が挙げられる。
【００１１】
まずレーザ加工の際に圧縮空気を吹き付けないタイプのレーザ加工装置の場合、第１に、レーザ加工面を上向きにして加工すると、レーザ加工面に加工塵が堆積してしまい、特にこれから加工しようとする部分に付着した加工塵はドライプロセスで除去することが難しい。第２に、基板のレーザ加工面を下向きにしてガルバノミラーを含むレーザ光学系を下方に配置した場合には、光学系に加工塵が降りかかって付着するのを防止する保護ガラスが必要になる。ところが、ガルバノミラーを用いたレーザ加工では、レーザ光が角度を有して照射されるため、レーザ光がその保護ガラスを通過する際に屈折し、加工精度を低下させる原因となる。第３に、レーザ加工面を上向きにすると下向きにするとを問わず、薄膜へのレーザ照射時に発生するガスに含まれている加工塵がレーザ光の光路を遮ると、薄膜加工状態に影響を及ぼしてしまうようになる。
【００１２】
また、薄膜太陽電池製造では基板が大面積化してきており、基板の一辺が１ｍ以上になることも少なくない。そのため、レーザ加工の際に圧縮空気を照射スポット付近に吹き付ける従来のレーザ加工装置では、そのような大面積基板に形成した薄膜のレーザ加工において発生する加工塵を含んだガスの影響を効果的に排除することが難しい。
【００１３】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、低コストで高い生産性を実現し、かつ、クリーンな環境下でのレーザ加工プロセスを実現するためのレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記問題を解決するために、薄膜が形成された基板にレーザ光を照射して前記薄膜の一部を除去するレーザ加工装置において、前記レーザ光が照射される前記基板のレーザ加工面が鉛直または鉛直下向きに配置され、前記レーザ加工面における前記レーザ光の照射位置を調整して前記レーザ光を前記レーザ加工面で走査するためのガルバノミラーが前記レーザ加工面の鉛直下方領域外であって前記レーザ加工面中央の法線上に配置されていることを特徴とするレーザ加工装置が提供される。
【００１５】
このようなレーザ加工装置によれば、レーザ加工面におけるレーザ光の照射位置を調整するガルバノミラーが、鉛直または鉛直下向きに配置された基板のレーザ加工面の鉛直下方領域外でレーザ加工面中央の法線上に配置されるので、薄膜除去の際に生じる加工塵のレーザ加工面およびガルバノミラーへの飛散、付着が低減される。
【００１６】
また、本発明では、薄膜が形成された基板にレーザ光を照射して前記薄膜の一部を除去するレーザ加工方法において、前記基板のレーザ加工面を鉛直または鉛直下向きに配置し、鉛直または鉛直下向きに配置された前記レーザ加工面の鉛直下方領域外であって前記レーザ加工面中央の法線上に配置したガルバノミラーを用いて、前記レーザ加工面に前記レーザ光を照射することを特徴とするレーザ加工方法が提供される。
【００１７】
このようなレーザ加工方法によれば、鉛直または鉛直下向きに配置された基板のレーザ加工面の鉛直下方領域外でレーザ加工面中央の法線上に配置されたガルバノミラーを用いてレーザ加工面にレーザ光を照射するので、薄膜除去の際に生じる加工塵のレーザ加工面およびガルバノミラーへの飛散、付着が低減される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
まず第１の実施の形態について説明する。
【００１９】
図１は第１の実施の形態のレーザ加工装置の概略図である。
レーザ加工装置１は、可撓性を有する厚さ５０μｍのポリイミドフィルム材の上に薄膜が形成された可撓性基板２が、直径１５０ｍｍのロールコアに巻き付けられた巻き出しロール３、この巻き出しロール３から送り出された可撓性基板２が巻き取られる巻き取りロール４を有している。巻き出しロール３と巻き取りロール４との間には、可撓性基板２のレーザ光で加工する範囲となるレーザ加工面２ａの裏面側に、可撓性基板２を吸着する吸着面５ａを有する吸着ステージ５が配置されている。この吸着ステージ５は、ここでは吸着面５ａが鉛直になるように配置されている。また、可撓性基板２のレーザ加工面２ａ側には、可撓性基板２にあらかじめ定められた位置に形成されているマーカホール２ｂを検出するためのマーカ検出器６が配置されている。
【００２０】
さらに、レーザ加工装置１は、可撓性基板２のレーザ加工面２ａ側であって吸着面５ａ上のレーザ加工面２ａ中央の法線上にガルバノミラー７が配置されている。ガルバノミラー７は、その取り付け姿勢に制約がないため、可撓性基板２のレーザ加工面２ａを鉛直にしての加工が可能である。このようなガルバノミラー７は、２枚の反射ミラー７ａ，７ｂをそれぞれサーボモータなどの回転駆動機構７ｃ，７ｄにより回転可能にした構成を有している。ガルバノミラー７への入射側には、レーザ加工面２ａ上でレーザ光が焦点を結ぶように調整するための焦点調整レンズ８が配置され、この焦点調整レンズ８を介してレーザ発振器９が配置されている。ガルバノミラー７、焦点調整レンズ８およびレーザ発振器９は、制御部１０によって駆動制御されるようになっている。
【００２１】
このレーザ加工装置１において、ガルバノミラー７は、レーザ発振器９から発振されたレーザ光のレーザ加工面２ａにおける照射位置を、反射ミラー７ａ，７ｂの角度の組み合わせによって高速で所望の位置に調整して移動させることができるようになっている。例えば、レーザ光の照射位置を速度０．９ｍ／ｓ程度で移動できるようにした回転駆動機構７ｃ，７ｄによって２枚の反射ミラー７ａ，７ｂを駆動する。それにより、レーザ加工面２ａが例えば１ｍ角の大きさであれば、レーザ光の照射位置をレーザ加工面２ａの一端から他端までおよそ１秒程度で移動させることが可能になる。なお、レーザ光のある照射終了位置から次の照射開始位置まで移動させる非加工時の移動の場合には、より高速で反射ミラー７ａ，７ｂを駆動させる構成としてもよい。
【００２２】
また、このレーザ加工装置１は、ガルバノミラー７を用いて、集光用Ｆθレンズを介さずに、角度を有した状態でレーザ光をレーザ加工面２ａに直接照射するように構成されている。
【００２３】
このような構成を有するレーザ加工装置１による可撓性基板２のレーザ加工では、まず、巻き出しロール３から送り出された可撓性基板２は、そのマーカホール２ｂが位置決め基準となり、マーカホール２ｂがマーカ検出器６で検出されることによって送り出しが停止する。送り出しが停止された可撓性基板２は、そのレーザ加工面２ａの裏面を吸着面５ａに吸着され、吸着ステージ５上に一時的に固定される。
【００２４】
吸着ステージ５に固定された可撓性基板２のレーザ加工面２ａに対しては、所定のパターン、例えば短冊状に、レーザ加工が施される。その際、レーザ光は、制御部１０からの指令に基づき、レーザ発振器９から発振されて焦点調整レンズ８に入射され、反射ミラー７ａ，７ｂの角度に応じた照射位置に照射される。レーザ加工面２ａでレーザ光の照射位置に形成されている薄膜は、レーザ光の照射によって加熱され、昇華する。
【００２５】
この第１の実施の形態のレーザ加工装置１では、吸着面５ａを鉛直とした吸着ステージ５を用い、レーザ加工面２ａが鉛直になっているため、昇華時に薄膜から生じるガスに含まれる加工塵のレーザ加工面２ａへの飛散、堆積が大幅に低減されるようになる。また、このレーザ加工装置１では、ガルバノミラー７がレーザ加工面２ａの鉛直下方領域に配置されていないため、加工塵がガルバノミラー７に降りかかることがなく、ガルバノミラー７への加工塵の飛散、付着が大幅に低減されるようになる。さらに、保護ガラスが不要であり、加工精度の向上が図られる。
【００２６】
図２はレーザ加工面とガルバノミラーとの間の別の配置関係を示す図である。ただし、図２では、図１に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
【００２７】
この図２では、吸着ステージ５がその吸着面５ａを鉛直下向きに向けて配置され、それによって可撓性基板２のレーザ加工面２ａが鉛直下向きに配置されるようになっており、この点で吸着面５ａを鉛直に配置した上記図１に示した例と相違している。この図２に示すように吸着面５ａがある角度で鉛直下向きに向いていても、ガルバノミラー７が、吸着面５ａ上のレーザ加工面２ａの鉛直下方領域２０外であってレーザ加工面２ａ中央の法線上に配置されていれば、レーザ加工面２ａにレーザ光を照射したときに発生する加工塵のレーザ加工面２ａやガルバノミラー７への飛散を抑制することができる。
【００２８】
以上述べたように、第１の実施の形態のレーザ加工装置１では、可撓性基板２のレーザ加工面２ａを鉛直または鉛直下向きになるように配置し、ガルバノミラー７をレーザ加工面２ａの鉛直下方領域外であってレーザ加工面２ａ中央の法線上に配置して、レーザ加工面２ａにレーザ光を照射する。これにより、レーザ加工面２ａやガルバノミラー７への加工塵の飛散が抑えられ、クリーンな環境下でのレーザ加工プロセスを実現できる。
【００２９】
次に第２の実施の形態について説明する。
図３は第２の実施の形態のレーザ加工装置の要部断面概略図である。ただし、図３では、図１に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
【００３０】
図３に示すレーザ加工装置３０は、吸着ステージ５の吸着面５ａ側の一端に、レーザ加工面２ａの幅方向の長さ以上の長さを有する吹き付けノズル３１が配置されている。この吹き付けノズル３１は、コンプレッサー３２に接続され、吹き付けノズル３１から圧縮空気が吹き出るようになっている。さらに、吸着ステージ５の吸着面５ａ側であって吹き付けノズル３１に対向する他端には、吹き付けノズル３１同様、レーザ加工面２ａの幅方向の長さ以上の長さを有していて、吹き付けノズル３１から吹き出された圧縮空気および加工塵を含んだガスを吸引するための吸引ダクト３３が配置されている。この吸引ダクト３３は、排気ポンプ３４に接続されている。吹き付けノズル３１およびコンプレッサー３２によってレーザ加工装置３０のエアーブロー手段が構成され、吸引ダクト３３および排気ポンプ３４によってレーザ加工装置３０の吸引手段が構成されている。
【００３１】
エアーブロー手段および吸引手段は、レーザ光の走査方向との関係では、レーザ光を走査するときの終点側に吹き付けノズル３１が配置され、レーザ光を走査するときの始点側に吸引ダクト３３が配置されるように構成されている。すなわち、吹き付けノズル３１から吸引ダクト３３へ向かって流れる圧縮空気は、レーザ光走査方向に対向して流れるようになっている。
【００３２】
なお、図３では図示を省略しているが、レーザ加工装置３０は、吹き付けノズル３１から吸引ダクト３３へ流れる圧縮空気の流れ方向に直交する方向にも、１対の吹き付けノズルと吸引ダクトが配置されており、それぞれコンプレッサーと排気ポンプに接続されてエアーブロー手段と吸引手段が構成されている。この場合も、圧縮空気はレーザ光走査方向に対向して流れるようになっている。
【００３３】
ここでは、第２の実施の形態のレーザ加工装置３０は、このようなエアーブロー手段と吸引手段を上記第１の実施の形態のレーザ加工装置１に設けた構成とする。
【００３４】
このようなレーザ加工装置３０を用い、例えば吹き付けノズル３１から吸引ダクト３３へ流れる圧縮空気の吸着ステージ５上での流速を約４ｍ／ｓとし、ガルバノミラー７によってレーザ光を圧縮空気の流れ方向と対向する方向に速度０．９ｍ／ｓで走査してレーザ加工を行う。このような条件で吸着面５ａに吸着された可撓性基板２のレーザ加工面２ａに対しレーザ光を照射すると、照射位置の薄膜は、レーザ光の照射によって加熱され、昇華する。その際、昇華時に生じる加工塵を含んだガスは、吹き付けノズル３１から吹き付けられる圧縮空気によって吹き飛ばされ、圧縮空気と共に吸引ダクト３３に吸引される。図３に示したレーザ走査方向に直交する方向にレーザ光を走査する場合も同様に、加工塵を含んだガスは、吹き付けノズルからの圧縮空気と共に吸引ダクトに吸引される。
【００３５】
このように、エアーブロー手段および吸引手段を有するレーザ加工装置３０では、レーザ加工時に発生した加工塵を含んだガスが、レーザ光走査方向に対向して吹き付けられる圧縮空気によって吹き飛ばされ、吸引される。レーザ光走査方向に対向する方向に圧縮空気を流し、加工塵が加工進行方向に流れるのを防ぐことにより、加工塵の加工する部分への付着が大幅に低減される。なお、このレーザ加工装置３０において、レーザ加工面２ａは、鉛直、鉛直下向きのいずれに向いていてもよく、いずれの場合であっても、上記図１または図２に示したように、ガルバノミラー７は、レーザ加工面２ａの鉛直下方領域外であってレーザ加工面２ａ中央の法線上に配置されるようにする。これにより、加工塵のレーザ加工面２ａやガルバノミラー７への飛散が大幅に低減され、一層クリーンで信頼性の高いレーザ加工プロセスを実現できる。
【００３６】
ただし、このレーザ加工装置３０では、吹き付けノズル３１と吸引ダクト３３との配置関係が固定されるため、その圧縮空気の流れ方向に対向する方向にレーザ光走査方向が限定されることになる。そのため、レーザ加工面２ａ上のレーザ光の照射位置をある照射終了位置から次の照射開始位置まで移動させる非加工時の移動距離が長くなる。その点、このレーザ加工装置３０は、ガルバノミラー７を高速で移動させることで、非加工時の移動距離が長くなっても、それが生産性を阻害する要因にならないようにしている。
【００３７】
なお、この第２の実施の形態では、第１の実施の形態のレーザ加工装置１にエアーブロー手段と吸引手段を設けた場合を例にして説明したが、このエアーブロー手段および吸引手段は、その他のレーザ加工装置、例えばレーザ加工面が水平に配置される従来のレーザ加工装置などにも適用可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、基板のレーザ加工面を鉛直または鉛直下向きに配置し、そのレーザ加工面の鉛直下方領域外でレーザ加工面中央の法線上に配置したガルバノミラーを用いてレーザ加工面にレーザ光を照射する。これにより、薄膜除去の際に生じる加工塵のレーザ加工面およびガルバノミラーへの飛散を大幅に低減でき、低コストで生産性の高いガルバノミラーを用いたレーザ加工装置によるクリーンなレーザ加工プロセスを実現できる。
【００３９】
さらに、このようなレーザ加工装置にエアーブロー手段および吸引手段を設けることにより、一層クリーンで信頼性の高いレーザ加工プロセスを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態のレーザ加工装置の概略図である。
【図２】レーザ加工面とガルバノミラーとの間の別の配置関係を示す図である。
【図３】第２の実施の形態のレーザ加工装置の要部断面概略図である。
【図４】従来のレーザ加工装置の一例を説明する図である。
【符号の説明】
１  レーザ加工装置
２  可撓性基板
２ａ  レーザ加工面
２ｂ  マーカホール
３  巻き出しロール
４  巻き取りロール
５  吸着ステージ
５ａ  吸着面
６  マーカ検出器
７  ガルバノミラー
７ａ，７ｂ  反射ミラー
７ｃ，７ｄ  回転駆動機構
８  焦点調整レンズ
９  レーザ発振器
１０  制御部
２０  鉛直下方領域
３０  レーザ加工装置
３１  吹き付けノズル
３２  コンプレッサー
３３  吸引ダクト
３４  排気ポンプ
【図１】
2005014083.tif 000003
【図２】
2005014083.tif 000004
【図３】
2005014083.tif 000005
【図４】
2005014083.tif 000006