(57)【要約】【課題】基板の凹凸に沿って溝加工ツールを上下に追随させて均一な深さで精密に溝を形成できる加工装置を提供する。【解決手段】溝加工ツール１０と、これを保持するパターニングヘッド８と、パターニングヘッド８の一部を囲む第一ガイド面７ｅを備えた垂直移動部材７と、垂直移動部材７を保持するＹ軸移動部材６と、パターニングヘッド８を垂直方向に付勢する付勢機構９と、パターニングヘッド８を非接触で保持する非接触保持手段とからなり、パターニングヘッド８上端の軸部材８ｄの周側面には、エア流入口８ｅと支持部７ｇが設けられ、支持部７ｇは、エアダクト１８を連結するエア取入口７ｈと、エア流入口８ｅに向かって開口するエア流出口７ｉとを有し、エア流出口７ｉからエア流入口８ｆへエアを供給する際に、間隙に漏れたエアによって軸部材８ｄが支持部７ｇの第二ガイド面７ｆに対して非接触で支持される構成とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜層が形成された太陽電池基板の前記薄膜層の一部を除去して溝を形成する加工装置であって、
先端に刃先を有する溝加工ツールと、
前記溝加工ツールを保持するパターニングヘッドと、
前記パターニングヘッドの周側面の一部を取り囲む第一ガイド面を備えた垂直移動部材と、
前記垂直移動部材を垂直方向に移動可能に保持するＹ軸移動部材と、
前記パターニングヘッドを垂直方向に付勢する付勢機構と、
前記パターニングヘッドの周側面に開口させた複数のエア噴出孔から前記第一ガイド面に向かってエアを噴出することにより、前記パターニングヘッドを垂直方向に移動可能な状態で前記第一ガイド面に対して非接触で保持する非接触保持手段とからなり、
前記パターニングヘッドの上端には垂直な周側面を有する軸部材が設けられ、当該軸部材の周側面に前記エア噴出孔に連なるエア流入口が設けられており、
前記軸部材の周側面との間で間隙を残した状態で当該軸部材を取り囲む第二ガイド面を有する支持部が前記垂直移動部材に連なって設けられており、
前記支持部に、外部のエア供給源からのエアダクトを連結するエア取入口と、当該エア取入口に連なって前記軸部材の前記エア流入口に向かって開口するエア流出口とが設けられ、当該エア流出口から噴出するエアを前記エア流入口に供給する際に、前記間隙に漏れたエアによって軸部材がガイド面に対して非接触で垂直方向に移動可能に支持されるように形成されている加工装置。
【請求項２】
前記パターニングヘッドの少なくとも第一ガイド面に取り囲まれる部分が、四方に垂直な面を有する立方体で形成され、この各垂直な面に前記エア噴出孔が設けられている請求項１に記載の加工装置。
【請求項３】
前記軸部材が円柱体である請求項１に記載の加工装置。
【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などを用いた集積型薄膜太陽電池の製造に用いられる加工装置に関し、特に、薄膜層の一部を除去してパターニングを行う加工装置に関する。
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は、例えば図８に示すように、ソーダガラスなどのガラス板２１上に、裏面電極となるモリブデン（Ｍｏ）膜２２をスパッタリング法で成膜し、このモリブデン層２２の上に、ＣＩＧＳもしくはＣＩＳからなるｐ型の光吸収層２３、ＣｄＳからなる高抵抗バッファ層２４、ＩＴＯなどからなるｎ型の酸化物透明電極層２５を、それぞれに適した成膜法で順次成膜することによって作製される。
【０００４】
上記の太陽電池の製造プロセスの途中において、太陽電池基板（以下単に「基板」という）上に形成された複数のユニットセル間の絶縁を確保するために、先に形成された薄膜層の一部を直線状に除去して絶縁用の（セル分離用の）溝を形成するパターニング加工が行われる。このパターニング加工には、モリブデン層２２をパターニングして溝Ｐ１を加工するＰ１工程と、光吸収層２３およびバッファ層２４をパターニングして溝Ｐ２を加工するＰ２工程と、透明電極層２５から光吸収層２３までをパターニングして溝Ｐ３を加工するＰ３工程とがある。
【０００５】
このうち、Ｐ１工程はレーザ光により行われるが、Ｐ２、Ｐ３工程はパターニングツールとも称される溝加工ツールによってメカニカルに行うのが一般的である。この溝加工ツールによる溝加工は、通常、溝加工ツールの刃先を基板に接触させた状態で基板に対して水平に相対移動させることにより、溝加工ツールが接触した部分の薄膜層を除去することで行われる。
【０００６】
しかしながら、溝加工される基板は必ずしも平坦ではなく、多少の反りや撓みを有することがある。したがって、溝加工ツールの刃先を一定の高さに保って相対移動させるだけでは、刃先と基板との接触が十分ではなく、刃先が基板に接触しない部分が発生して、溝を精度よく加工することができないことがある。そのため、予め基板の凹凸分布を測定しておき、測定データに従ってツールの高さを変えることにより、基板とツールとの高さ方向における相対的な位置関係を一定に保って加工を行う態様が、従来より周知である。
【０００７】
また、パターニングによって形成される溝の加工精度を高めるために、溝加工ツールが基板に与える力を一定に保つように制御しながら加工する装置も、例えば特許文献１などで知られている。この装置によれば、溝加工ツールを保持するスクライブヘッドに、溝加工ツールを加圧するエアシリンダが設けられており、刃先が基板を押圧する力が一定となるようにエアシリンダの加圧力が調整される。これにより、直線的で加工精度のよい溝を形成することができる。また、この装置では、上下動可能に設けられた刃先が基板に対して一定の圧力で当接されているので、溝加工中の刃先は基板の凹凸に追随するように上下動することとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−１５５１５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
溝加工ツールにより基板表面に溝を形成する場合、理想的には、薄膜層を所望の溝幅で除去するのに最低限必要な力が、基板に対する刃先の相対移動方向において刃先から基板に（より詳細には、刃先と接触する薄膜層に）加わるようにするのがよい。基板に対して必要以上の力が加わると、例えば先に述べたＰ２加工の場合に、溝加工で除去しようとする薄膜層の下のＭｏ層を損傷させたり、溝加工ツールを不必要に摩耗させたりして好ましくない。また、移動方向に直交する方向において刃先から基板に作用する力は、直接加工に利用される力ではないので、溝加工が確実に実現される限りにおいて、できるだけ小さいことが望ましい。
【００１０】
さらに、基板表面に凹凸がある場合には、溝加工ツールを基板に対して移動させながら、基板の凹凸に沿って上下に追随させることが必要である。それゆえ、溝加工ツールの垂直方向の動作には迅速性と精密性が求められる。
【００１１】
そこで本発明は、上記課題に鑑み、溝加工ツールを必要最低限度の押圧力で基板に溝を加工することができると共に、基板の凹凸に沿って上下に追随させて均一な深さで精密に溝を形成することができる加工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】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明は、薄膜層が形成された太陽電池基板の前記薄膜層の一部を除去して溝を形成する加工装置であって、先端に刃先を有する溝加工ツールと、前記溝加工ツールを保持するパターニングヘッドと、前記パターニングヘッドの周側面の一部を取り囲む第一ガイド面を備えた垂直移動部材と、前記垂直移動部材を垂直方向に移動可能に保持するＹ軸移動部材と、前記パターニングヘッドを垂直方向に付勢する付勢機構と、前記パターニングヘッドの周側面に開口させた複数のエア噴出孔から前記第一ガイド面に向かってエアを噴出することにより、前記パターニングヘッドを垂直方向に移動可能な状態で前記第一ガイド面に対して非接触で保持する非接触保持手段とからなり、前記パターニングヘッドの上端には垂直な周側面を有する軸部材が設けられ、当該軸部材の周側面に前記エア噴出孔に連なるエア流入口が設けられており、前記軸部材の周側面との間で間隙を残した状態で当該軸部材を取り囲む第二ガイド面を有する支持部が前記垂直移動部材に連なって設けられており、前記支持部に、外部のエア供給源からのエアダクトを連結するエア取入口と、当該エア取入口に連なって前記軸部材の前記エア流入口に向かって開口するエア流出口とが設けられ、当該エア流出口から噴出するエアを前記エア流入口に供給する際に、前記間隙に漏れたエアによって軸部材がガイド面に対して非接触で垂直方向に移動可能に支持されるように形成されている構成を特徴とする。
【００１３】
上記発明において、前記パターニングヘッドの少なくとも第一ガイド面に取り囲まれる部分が、四方に垂直な面を有する立方体で形成され、この各垂直な面に前記エア噴出孔が設けられている構成とするのが好ましい。また、前記軸部材が円柱体で形成されるようにするのが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
上記のごとく構成された加工装置では、溝加工ツールを用いて基板にパターニングを行っている間、溝加工ツールを取り付けたパターニングヘッドは、四方の外面と第一ガイド面および軸部材と第二ガイド面との間で圧力エアを介在させて非接触で保持されているので、摺動面の摩擦抵抗はゼロになり、基板Ｗの表面凹凸に対する精度の高い追随性や、溝加工ツールの基板Ｗに対する押圧力（付勢力）の安定性を良好に保つことができる。
特に、本発明ではパターニングヘッドに対してエアダクトなどの配管を直接的に接続することなく、非接触でエア流入口にエアを供給するようにしたので、エアダクトを直接的にパターニングヘッドに接続した場合に発生する弊害、すなわち、基板の凹凸に沿ってパターニングヘッドが上下に追随したときに、エア供給源まで繋がっているエアダクトも一緒に上下動することによるエアダクトの変位や隣接する他の部材への接触、あるいは自重によってパターニングヘッドの追随性が阻害されるといった弊害をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る加工装置の一実施形態を示す概略的な斜視図。
【図２】図１の加工装置におけるパターニングヘッド近傍部分の拡大正面図。
【図３】図１の加工装置におけるパターニングヘッド近傍部分の拡大側面図。
【図４】図１の加工装置におけるパターニングヘッド部分を示す拡大断面図。
【図５】図４におけるＢ−Ｂ線断面図。
【図６】図４におけるＣ−Ｃ線断面図。
【図７】本発明に係る加工装置の機能的構成を示すブロック図。
【図８】一般的な太陽電池基板の構成を説明する断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下において、本発明の詳細を、その実施の形態を示す図１〜７に基づいて詳細に説明する。
本発明に係る加工装置は、主として、冒頭に述べた太陽電池の加工プロセスにおいて、溝加工ツールで光吸収層２３およびバッファ層２４をパターニングして溝Ｐ２を加工するＰ２工程に適用される。
【００１７】
本発明に係る加工装置Ａは、基台１上に設置されたテーブル２と、ヘッド移動機構３とを備えている。なお、図１において、後述する溝加工ツール１０による加工方向をＸ軸方向、水平面内においてＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向とする。
【００１８】
テーブル２は、その上面に開口された多数のエア吸引孔を含む公知のエア吸引手段２ａを備え、このエア吸引手段２ａにより、テーブル２上面に載置した基板Ｗを吸着保持するようにしている。また、テーブル２は、ボールネジ機構などの公知の駆動機構２ｂによってレール２ｃに沿ってＸ軸方向に往復移動できるようになっている。このテーブル２のＸ軸方向への移動によって、溝加工ツール１０によるＸ軸方向への溝加工が実現される。
【００１９】
ヘッド移動機構３は、テーブル２の上方でＹ軸方向に延在するガイドバー５と、このガイドバー５に形成されたレール５ａ、５ａに沿ってＹ軸方向に移動可能なＹ軸移動部材６と、このＹ軸移動部材６によって垂直方向に移動可能に保持された垂直移動部材７と、垂直移動部材７に保持されたパターニングヘッド８（図２〜６参照）とを備えている。ガイドバー５は、左右の支柱４、４によって水平に保持されている。また、Ｙ軸移動部材６は、モータ５ｂを駆動源とするボールネジ機構（図示外）によって駆動される。
【００２０】
垂直移動部材７は、図２〜４に示すように、Ｙ軸移動部材６に設けられた上下に延びるレール６ａ、６ａに沿って垂直方向に昇降できるように形成され、モータ７ａを駆動源とするボールネジ機構７ｂによって昇降動作する。また、垂直移動部材７には、垂直方向に貫通する断面矩形状の貫通孔７ｃを備えたガイド部７ｄが一体的に設けられている。この貫通孔７ｃの四方の内面が垂直な第一ガイド面７ｅを形成しており、当該貫通孔７ｃにパターニングヘッド８の一部が挿入されている。
【００２１】
パターニングヘッド８は、少なくとも上記貫通孔７ｃに挿入される部分が水平断面において矩形状であり、かつ、四方に垂直な外面８ａを有する立方体で形成されており、この四方の外面８ａと、これを取り囲む第一ガイド面７ｅとの間に間隙Ｌ１を残した状態で、貫通孔７ｃに昇降可能に挿入されている。間隙Ｌ１は５〜２０μｍ程度とするのが好ましい。また、パターニングヘッド８の上端には水平板部８ｂが形成され、下端には溝加工ツール１０が着脱自在に取り付けられている。
【００２２】
パターニングヘッド８の四方の外面８ａにはそれぞれ複数のエア噴出孔８ｃが設けられており、このエア噴出孔８ｃから第一ガイド面７ｅに向かってエアを噴出することにより発生するエア圧によって、パターニングヘッド８が第一ガイド面７ｅに対して非接触状態を保ちつつ、垂直方向の動作を抑制するようになっている。四方の各外面８ａに設けられるエア噴出孔８ｃは、第一ガイド面７ｅに相対する各外面８ａがそれぞれ均等な圧力で非接触状態に維持できるように、エア噴出孔８ｃの数や位置が設定されている。これにより、第一ガイド面７ｅと外面８ａとの間に形成される四方の間隙Ｌ１は、全て均等に維持される。
【００２３】
パターニングヘッド８の上部には、図４、６に示すように、垂直な周側面を有する円柱状の軸部材８ｄが設けられ、当該軸部材８ｄの周側面には、エア流路８ｅを介してエア噴出孔８ｃに連なるエア流入口８ｆが設けられている。また、この軸部材８ｄの周側面との間には、間隙Ｌ２を残した状態で当該軸部材８ｄを取り囲む第二ガイド面７ｆを有する支持部７ｇが設けられている。支持部７ｇは、パターニングヘッド８の上部をＸ軸方向（図４における前後方向）にくり抜いた空間８ｇ内に配置され、その両端部分で垂直移動部材７のガイド部７ｄに連接保持されている。そして、この支持部７ｇに、外部のエア供給源１５（図７参照）からのエアダクト１８を連結するエア取入口７ｈと、このエア取入口７ｈに連なって軸部材８ｄのエア流入口８ｆに向かって開口するエア流出口７ｉとが設けられている。これにより、パターニングヘッド８に対してエアダクト１８を接続することなく、エア流入口８ｆにエアを供給することができるようになっている。また、エア流入口８ｆへのエア供給の際に、間隙Ｌ２に漏れたエア圧によって軸部材８ｄが第二ガイド面７ｆに対して非接触状態で垂直方向に移動可能に支持される。なお、間隙Ｌ２は１０〜３０μｍ程度とするのがよい。
【００２４】
一方、パターニングヘッド８の上方には、付勢機構としてのエアシリンダ９が垂直移動部材７に保持された状態で配置されている。このエアシリンダ９の押圧部９ａがパターニングヘッド８の水平板部８ｂを上方から押圧するようになっている。このような態様で押圧部９ａがパターニングヘッド８を押圧することで、パターニングヘッド８が基板Ｗに与える力を調整できるようになっている。また、エアシリンダ９の加圧状態は、電空レギュレータ１４（図７参照）によって制御される。
【００２５】
さらに、パターニングヘッド８の水平板部８ｂには、垂直移動部材７との間に自重キャンセル機構としてのバネ８ｈ（図２参照）が設けられている。バネ８ｈは、パターニングヘッド８に対して垂直方向の弾性引張力を加えることにより、パターニングヘッド８並びにこれに付帯する部材の自重をキャンセルするようになっている。なお、溝加工中においてパターニングヘッド８が基板Ｗに与える力を、パターニングヘッド８並びにこれに付帯する部材の自重による押圧力よりも大きな値に設定する場合には、バネ８ｈは省略してもよい。
【００２６】
溝加工ツール１０の刃先１０ａの幅は、数十μｍ〜数百μｍとするのが好ましく、加工される溝幅によって選択される。また、溝加工ツール１０は種々の形状を取り得る。例えば刃先１０ａに向かって先細りとなる形状などが好適な一例である。
【００２７】
また、図示は省略するが、ヘッド移動機構３にはレーザ変位計が設けられている。このレーザ変位計は、基板Ｗを載置したテーブル２がＸ軸方向に移動する間に、基板Ｗの表面の形状変化、すなわち、局所的な凹凸変化を断続的もしくは連続的に計測するために設けられる。レーザ変位計によって取得されたデータは、形状データ１３ｃとして記憶部１３に記憶される（図７参照）。また、このレーザ変位計は公知のものを適用することが可能である。
【００２８】
さらに、本発明の加工装置Ａは、図７のブロック図で示すように、コントローラ１１と、電空レギュレータ１４と、エア供給源１５と、入力操作部１６と、表示部１７を備えている。
【００２９】
コントローラ１１は、加工装置Ａにおける種々の動作や演算等を担うものであって、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどのコンピュータハードウエアにより実現される機能的構成要素として、加工制御部１２を備えている。さらに、コントローラ１１は、例えばハードディスクなどの記憶媒体である記憶部１３を備えている。記憶部１３は、加工装置Ａを動作させるためのプログラム１３ａと、個々の加工を行う際の加工条件が記述された加工レシピ１３ｂと、基板Ｗの凹凸表面形状のデータである形状データ１３ｃと、加工時にエアシリンダ９の押圧部９ａがパターニングヘッド８を押圧する力である押圧力が記述された押圧力データ１３ｄとが入力されている。プログラム１３ａがＣＰＵにおいて実行されることにより、加工制御部１２が機能して加工装置Ａの種々の動作が実現される。
【００３０】
加工制御部１２は、エア吸引手段２ａによる基板Ｗの吸着保持、駆動機構２ｂによるテーブル２の移動、モータ５ｂ、７ａによるＹ軸移動部材６や垂直移動部材７の移動、エアシリンダ９によるパターニングヘッド８の押圧動作、エア供給源１５によるエア噴出孔８ｃからのエア噴出、レーザ変位計による基板Ｗの計測など、基板Ｗに対する加工処理動作全般の制御を行う。
【００３１】
形状データ１３ｃは、レーザ変位計によって取得される、基板Ｗの表面の凹凸形状が記述されたデータである。また、押圧力データ１３ｄは、基板Ｗを加工する際に、押圧部９ａがパターニングヘッド８に与える押圧力の大きさが記述されたデータである。押圧力は、一定値として定められた態様であってもよいし、Ｘ軸に対する関数として定められる態様であってもよい。
【００３２】
電空レギュレータ１４は、押圧部９ａがパターニングヘッド８に与える押圧力を押圧力データ１３ｄに基づいて制御する。
【００３３】
入力操作部１６は、オペレータが加工装置Ａに対して種々の操作指示やデータを入力するためのインターフェースである。また、表示部１７は、加工装置Ａの処理メニューや動作状況などを表示するためのものである。
【００３４】
以上の構成を有する加工装置Ａは、加工レシピ１３ｂの記述内容に基づく加工制御部１２の制御によって、テーブル２上に基板Ｗを吸着させ、かつ、溝加工ツール１０の刃先１０ａを基板Ｗの表面に当接させた状態で、予め取得あるいは設定された形状データ１３ｃや押圧力データ１３ｄの記述内容に従って、テーブル２をＸ軸方向に移動させる。これにより、刃先１０ａ当接部分の薄膜層を剥離除去して、基板ＷにＸ軸方向に沿った直線の溝を加工することができる。
【００３５】
また、パターニングヘッド８の位置をＹ軸方向に変更して、テーブル２をＸ軸方向に移動させることにより、平行な複数の溝を加工することができる。
【００３６】
さらに、形成予定ラインの形状が曲線的である場合は、Ｘ軸方向へのテーブル２の移動と、パターニングヘッド８のＹ軸方向の移動を重畳させることにより加工することができる。
【００３７】
なお、加工を行っている間の溝加工ツール１０と基板Ｗとの接触状態の維持は、エアシリンダ９による押圧によってパターニングヘッド８を垂直方向に動作させることによって実現される。この場合、両者の垂直方向の位置関係が一定に保たれるように、エアシリンダ９の与える押圧力が形状データ１３ｃに従って調整されるようにするか、あるいは、押圧力を予め押圧力データ１３ｄに記述されている大きさで保たれるようにしてもよい。
【００３８】
以上述べたように、本発明に係る加工装置Ａでは、溝加工ツール１０で基板Ｗにパターニングを行っている間、溝加工ツール１０を取り付けたパターニングヘッド８は、四方の外面８ａと第一ガイド面７ｅおよび軸部材８ｄと第二ガイド面７ｆとの間で圧力エアを介在させて非接触で保持されているので、摺動面の摩擦抵抗はゼロになり、基板Ｗの表面凹凸に対する精度の高い追随性や、溝加工ツール１０の基板Ｗに対する押圧力の安定性を良好に保つことができる。
特に、本願の加工装置Ａでは、パターニングヘッド８に対してエアダクト１８を直接接続することなく、非接触でエア流入口８ｆにエアを供給するようにしたので、エアダクト１８を直接的にパターニングヘッド８に接続した場合に発生する弊害、すなわち、基板Ｗの凹凸に沿ってパターニングヘッド８が上下に追随したときに、エア供給源１５まで繋がっているエアダクト１８も一緒に上下動することによるエアダクト１８の変位や隣接する他の部材への接触、あるいは自重によってパターニングヘッド８の追随性が阻害されるといった弊害をなくすことができる。
【００３９】
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い。例えば、上記実施例では、垂直移動部材７に対して一つのパターニングヘッド８を取り付けた構成を示したが、複数のパターニングヘッド８をＹ軸方向に列設させた態様で構成することも可能である。また、パターニングヘッド８は、傾斜姿勢を採ることもあり、この態様も本発明に包含される。その他本発明では、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】
【００４０】
本発明は、カルコパイライト化合物などを用いた集積型薄膜太陽電池基板の薄膜層の一部を除去してパターニングを行う加工装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
Ａ  加工装置
Ｗ  基板（太陽電池基板）
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３  溝
１  基台
２  テーブル
３  ヘッド移動機構
６  Ｙ軸移動部材
７  垂直移動部材
７ｄ  ガイド部
７ｅ  第一ガイド面
７ｆ  第二ガイド面
７ｇ  支持部
７ｈ  エア取入口
７ｉ  エア流出口
８  パターニングヘッド
８ａ  外面
８ｃ  エア噴出孔
８ｄ  軸部材
８ｆ  エア流入口
９  エアシリンダ（付勢機構）
１０  溝加工ツール
１０ａ  刃先
１８  エアダクト
【図１】
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【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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