JP2010158703A - レーザ加工装置、及び、レーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 良質の加工を行う。
【解決手段】 レーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持するステージと、外部から与えられる制御信号に基づいて、レーザ光源を出射したレーザビームを、ステージに保持された加工対象物上で走査するビーム走査器と、ビーム走査器を介して、ステージに保持された加工対象物の画像を取得する受光装置と、受光装置で取得された加工対象物の画像のデータに基づいて、ステージに保持された加工対象物上にレーザビームを入射させる複数の入射目標位置を設定し、入射目標位置にレーザビームが照射されるようにビーム走査器に制御信号を与える制御装置とを有するレーザ加工装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、加工対象物にレーザビームを照射して加工を行うレーザ加工装置、及び、レーザ加工方法に関する。

図６（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、レーザビームを照射して行うパターニング加工の従来技術について説明する。

図６（Ａ）は、パターニング加工の加工対象物であるパネル５０を示す平面図である。パネル５０は、たとえば太陽電池製造の一工程に現れるパネルである。パネル５０には、線状の凹部５０ｂが縦横に形成されている。

図６（Ｂ）に、図６（Ａ）の６Ｂ−６Ｂ線に沿う断面図を示す。パネル５０は、表面に複数の凹部５０ｂが形成された厚さ０．５ｍｍ〜０．７ｍｍのガラス基板５０ａと、ガラス基板５０ａ表面上に形成された透明導電膜、たとえば厚さ０．１μｍ〜０．２μｍのＩＴＯ(Indium Tin Oxide)膜５０ｃを含んで構成される。ＩＴＯ膜５０ｃは、ガラス基板５０ａの凹部５０ｂ内にも形成される。

太陽電池製造のため、レーザビーム６０を凹部５０ｂ上方からパネル５０に照射し、照射位置のＩＴＯ膜５０ｃの除去加工を行う。本図には、レーザビーム６０の照射により除去されるＩＴＯ膜５０ｃに右下がりの斜線を付して示した。レーザビーム６０は、凹部５０ｂの長さ方向に沿って走査される。この結果、凹部５０ｂ内のＩＴＯ膜５０ｃを、凹部５０ｂの長さ方向に連続的に除去するパターニング加工が行われる。

図６（Ｃ）を参照して、上述のパターニング加工の従来方法について説明する。図６（Ｃ）は、図６（Ａ）において点線で囲んだ領域を拡大して示した概略図である。

図６（Ａ）に示す複数の線状凹部５０ｂのそれぞれの座標は、パネル５０上に画定された座標系によって、ＣＡＤデータで与えられている。そこでまず複数の凹部５０ｂの端点の座標や、縦方向に伸びる凹部５０ｂと横方向に伸びる凹部５０ｂの複数の交点の座標を、パネル５０上に画定された座標系において求める。

次に、パネル５０をレーザパターニング装置のステージ上に載置し、上記端点や交点を撮像して画像処理を行うことで計測し、偏差を求めて、レーザパターニング装置の座標系における実際の交点の座標、たとえば図６（Ｃ）に示した範囲においては交点５０ｘ及び５０ｙの座標を測定する。

そして両交点５０ｘ、５０ｙを結んだ線分（加工目標線５０ｚ）に沿う位置にレーザビームを入射させ、加工目標線５０ｚに沿ってレーザパターニングを行う。

しかしこのレーザパターニング方法では、交点５０ｘ、５０ｙ間の凹部５０ｂが直線状に形成されていない場合などには、高精度でパターニングを行うことができない。

基板上に形成された１次パターニングラインを基に正確にレーザビームを照射して、２次パターニングラインを高速に加工することが可能なレーザ加工装置及びレーザ加工方法の発明が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。

特許文献１記載のレーザ加工装置においては、撮像処理ステージと加工処理ステージとが異なる位置に設けられている。加工対象となる１次パターニングエリアは、まず撮像処理ステージに配置されて処理され、その後加工処理ステージに移送されて２次パターニングラインの加工が行われる。加工処理ステージで２次パターニングラインの加工が行われる間に、撮像処理ステージで他の１次パターニングエリアの処理を行うことができるので、高速な加工を実現することができる。

しかしながら、このレーザ加工装置は、撮像処理ステージと加工処理ステージとを異なる位置に備えるため、装置が大型化しやすい。

特開２００５−８１３９２号公報

本発明の目的は、良質の加工を実現する、小型化可能なレーザ加工装置を提供することである。

また、良質の加工を行うことのできるレーザ加工方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持するステージと、外部から与えられる制御信号に基づいて、前記レーザ光源を出射したレーザビームを、前記ステージに保持された加工対象物上で走査するビーム走査器と、前記ビーム走査器を介して、前記ステージに保持された加工対象物の画像を取得する受光装置と、前記受光装置で取得された該加工対象物の画像のデータに基づいて、前記ステージに保持された加工対象物上にレーザビームを入射させる複数の入射目標位置を設定し、該入射目標位置にレーザビームが照射されるように前記ビーム走査器に制御信号を与える制御装置とを有するレーザ加工装置が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、（ａ）ビーム走査器を用いて、受光装置の画界を加工対象物の表面上で走査することにより、該加工対象物の表面に描画されたパターンの画像データを取得する工程と、（ｂ）前記工程（ａ）で取得された画像データに基づいて、レーザビームが前記パターンに沿って走査されるように、前記ビーム走査器を制御して加工を行う工程とを有するレーザ加工方法が提供される。

本発明によれば、良質の加工を実現する、小型化可能なレーザ加工装置を提供することができる。

また、良質の加工を行うことの可能なレーザ加工方法を提供することができる。

実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。 パネル５０の概略的な平面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、実施例によるレーザ加工方法について説明するための図である。 変形例によるレーザ加工装置を示す概略図である。 ＣＣＤカメラ１７で撮影される画像の一例を示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、レーザビームを照射して行うパターニング加工の従来技術について説明するための図である。

図１は、実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。実施例によるレーザ加工装置は、レーザ光源１０、アッテネータ１１、マスク１２、フォーカスレンズ１３、レンズ移動機構１４、ダイクロイックミラー１５、ガルバノスキャナ１６、制御装置１８、ラインセンサカメラ１９ａ、１９ｂ、ハーフミラー２０、折り返しミラー２１、及び加工テーブル２２を含んで構成される。

レーザ光源１０が、制御装置１８から送られるトリガ信号を受けて、パルスレーザビーム３０を出射する。レーザ光源１０は、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器、及び非線形光学結晶を含む。パルスレーザビーム３０は、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波である。

パルスレーザビーム３０は、アッテネータ１１でエネルギを減衰された後、マスク１２に入射する。マスク１２は透光領域と遮光領域とを有し、パルスレーザビーム３０の断面形状を整形する。マスク１２で断面形状を整形されたパルスレーザビーム３０は、フォーカスレンズ１３、ダイクロイックミラー１５を透過してガルバノスキャナ１６に入射する。

ガルバノスキャナ１６は２枚の揺動鏡を含んで構成され、制御装置１８からの制御信号を受けて、パルスレーザビーム３０を２次元方向に走査して出射することができる。パルスレーザビーム３０は、ガルバノスキャナ１６で出射方向を変化されて、加工テーブル２２上に載置されたパネル５０に入射する。

パネル５０は、たとえば図６（Ａ）〜（Ｃ）に示した、太陽電池製造の一工程に現れるパネルである。パネル５０にパルスレーザビーム３０を照射して、ガラス基板５０ａの線状パターン上（凹部５０ｂ内）に形成されたＩＴＯ膜５０ｃを、凹部５０ｂの長さ方向に沿って連続的に除去するパターニング加工を行う。

レンズ移動機構１４は、フォーカスレンズ１３を、パルスレーザビーム３０の光軸方向（進行方向）に移動可能に保持する。レンズ移動機構１４によるフォーカスレンズ１３の移動の制御は、制御装置１８の信号により行われる。フォーカスレンズ１３の移動により、パネル５０上におけるパルスレーザビーム３０の入射位置が変化しても、パルスレーザビーム３０はパネル５０上に焦点を結んで入射する。

ラインセンサカメラ１９ａ、１９ｂは、パネル５０の画像データを取得し、制御装置１８に送信する。ガルバノスキャナ１６を駆動することにより、パネル５０の表面全領域の像を得ることが可能である。ラインセンサカメラ１９ａは、ガルバノスキャナ１６を経由してダイクロイックミラー１５で反射され、ハーフミラー２０で二分岐された光の一方を受光する。ハーフミラー２０で二分岐された光の他方は折り返しミラー２１で反射された後、ラインセンサカメラ１９ｂで受光される。

ラインセンサカメラ１９ａ、１９ｂで受光される光は、たとえばガルバノスキャナ１６内において、レーザ光源１０から加工テーブル２２上のパネル５０までのパルスレーザビーム３０の経路を逆向きに進行する光である。

加工テーブル２２は、制御装置１８からの制御信号を受けて、パネル５０を図の上下方向（パネル５０の面内方向と交差する方向、たとえばパネル５０の法線方向）に移動させることができる。これによりラインセンサカメラ１９ａ、１９ｂの焦点合わせを行うことができる。

図２及び図３（Ａ）〜（Ｃ）を参照して実施例によるレーザ加工方法について説明する。

図２はパネル５０の概略的な平面図である。実施例によるレーザ加工方法においては、まずラインセンサカメラ１９ａを用いて本図中に点線で示した領域内の画像を取得する。たとえばガルバノスキャナ１６を用いてラインセンサカメラ１９ａの画界をパネル５０の表面上で図面左側から右側にスキャンしながらパネル５０を撮像し、凹部５０ｂの画像データを連続的に制御装置１８に取り込む。

画像を取り込みながら、またはすべて取り込んだ後に制御装置１８は画像処理を行い、パネル５０上の凹部５０ｂの位置座標を検出、計測する。画像を取り込んだ位置情報と取得された画像データとから凹部５０ｂの位置座標を検出、計測することができる。

図３（Ａ）を参照する。画像の取り込みと凹部５０ｂの位置計測とは独立に行われる。画像の取り込みは、ガルバノスキャナ１６を用いてラインセンサカメラ１９ａの画界を移動し、たとえば画界の移動完了後に行われる。

凹部５０ｂの位置計測は、取り込まれた凹部５０ｂの画像の有無の判定を行い、有りと判定された場合に行われる。無しと判定された場合は、エラーとして中止となる。

図３（Ｂ）及び（Ｃ）に、ラインセンサカメラの画界とパルスレーザビーム３０のビームスポットの中心Ｃ_Ｌとの、パネル５０上における位置関係を示す。図３（Ｂ）及び（Ｃ）には、ラインセンサカメラ１９ａ、１９ｂの画界をそれぞれ画界２５ａ、２５ｂと示した。

ラインセンサカメラ１９ａは、パネル５０の横方向（図２の横方向、図３（Ｂ）及び（Ｃ）においては縦方向）に形成された凹部５０ｂの撮像に用いる。また、ラインセンサカメラ１９ｂは、パネル５０の縦方向（図２の縦方向、図３（Ｂ）及び（Ｃ）においては横方向）に形成された凹部５０ｂの撮像に用いる。

実施例によるレーザ加工方法においては、パルスレーザビーム３０の入射位置（ビームスポットの中心Ｃ_Ｌの位置）とラインセンサカメラ１９ａ、１９ｂの画界２５ａ、２５ｂの位置をあらかじめ計測しておく。

ラインセンサカメラ１９ａ、１９ｂの画界２５ａ、２５ｂと、パルスレーザビーム３０の入射位置（ビームスポットの中心Ｃ_Ｌの位置）との相対的な位置関係は、図３（Ｂ）に示すようにオフセットしていてもよいし、図３（Ｃ）に示すように一致させることも可能である。

ラインセンサカメラ１９ａを用い、図２に点線で示した領域内のパネル５０の画像データを得、凹部５０ｂの位置座標を検出した後、パターニングを行うためにパルスレーザビーム３０を入射させる複数の入射目標位置（加工位置座標）を、凹部５０ｂの形成位置上に、たとえば凹部５０ｂの幅方向の中心線に沿って設定する。

なお、取り込まれた画像から直接、制御に必要な距離間隔で入射目標位置（加工位置座標）を計測、設定してもよい。

入射目標位置（加工位置座標）が設定されたら、制御装置１８はガルバノスキャナ１６に制御信号を送信し、パルスレーザビーム３０がパネル５０上の入射目標位置（加工位置座標）に入射するように、ガルバノスキャナ１６の位置決めを行う。また、レーザ光源１０にトリガ信号を与えて、パルスレーザビーム３０を出射させる。

パルスレーザビーム３０が凹部５０ｂに沿って走査されるようにガルバノスキャナ１６が制御され、図２に点線で示した領域内の凹部５０ｂのパターニング加工が行われる。

以下、他の凹部５０ｂについても同様に、ラインセンサカメラ１９ａ、１９ｂを用いて画像データを得、位置座標を検出した後、検出された凹部５０ｂ上に入射目標位置（加工位置座標）を設定し、当該入射目標位置（加工位置座標）にパルスレーザビーム３０を入射させてパターニング加工を行う。

画界移動、画像取り込みの作業とパルスレーザビーム３０のパネル５０への照射は、ともにガルバノスキャナ１６を用いて行うため、同時並行的に行うことはできない。一方、凹部５０ｂの位置座標の計測と、これらの作業とは並行して行うことができる。

したがって上述のように、（ｉ）凹部５０ｂの１本ごとに画界移動、画像取り込み、位置座標計測、パルスレーザビーム３０の照射を行い、これをパネル５０上のすべての凹部５０ｂについて１本ずつ繰り返してもよいし、（ｉｉ）たとえばパネル５０上のすべての凹部５０ｂについてまず画界移動、画像取り込みの作業を行い、これが終了した後にパルスレーザビーム３０の照射を開始することもできる。レーザビームの照射を優先する（ｉ）と取り込み作業優先の（ｉｉ）の中間態様の方法を採用することも可能である。

１本の凹部５０ｂの画像取り込みに要する時間と、位置座標の計測に要する時間とでは、後者の方がより時間がかかる。このためたとえば上記（ｉｉ）の場合においては、２本めの凹部５０ｂについて画界移動、画像取り込みの作業を行っているときに、１本めの凹部５０ｂの位置座標の計測が行われているということもありうる。また、２本めの凹部５０ｂにパルスレーザビーム３０を入射させているときに、５本めの凹部５０ｂの位置座標の計測が行われているということもありうる。

実施例によるレーザ加工方法によれば、加工対象領域の画像を連続的に取り込み画像計測するため、レーザビームの入射目標位置を詳細に望ましく設定することができる。したがって、たとえば凹部５０ｂの幅方向の中心線に沿って、高い加工品質で加工を行うことができる。

また、実施例によるレーザ加工装置は、レーザビームの走査と加工対象領域の画像取得を、ともに同じガルバノスキャナ１６を用いて行うので装置を小型化することが可能である。

更に、実施例によるレーザ加工装置においては、加工対象領域の画像取得にラインセンサカメラを用いている。ラインセンサカメラを用いると高速で画像を取得することができるため、短時間の加工が可能となる。

図４は、変形例によるレーザ加工装置を示す概略図である。変形例によるレーザ加工装置は、受光装置としてラインセンサカメラ１９ａ、１９ｂではなくＣＣＤカメラ１７が用いられている点において実施例によるレーザ加工装置と異なる。

ＣＣＤカメラ１７もラインセンサカメラ１９ａ、１９ｂと同様、パネル５０の画像データを取得し、制御装置１８に送信する。ガルバノスキャナ１６を駆動することにより、パネル５０の表面全領域の像を得ることが可能である。

図５にＣＣＤカメラ１７で撮影される画像の一例を示す。本図には、画界の中心Ｃ_ｖとパルスレーザビーム３０のビームスポットの中心Ｃ_Ｌとが一致する場合を示した。両中心Ｃ_ｖ、Ｃ_Ｌとが一致しない場合であっても、両者の相対的位置関係がわかっていれば問題はない。

変形例によるレーザ加工装置を用いて、実施例によるレーザ加工方法と同様のレーザ加工を行うことができる。

たとえばＣＣＤカメラ１７を用いてパネル５０表面を撮像し、凹部５０ｂの画像データを得、位置座標を検出した後、検出された凹部５０ｂ上に入射目標位置（加工位置座標）を設定し、当該入射目標位置（加工位置座標）にパルスレーザビーム３０を入射させてパターニング加工を行う。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。

たとえば、実施例においてはラインセンサカメラを用い、変形例においてはＣＣＤカメラを使用したが、両者をともに用いて装置を構成することもできる。

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

レーザ加工一般、殊にレーザパターニング加工に好適に利用することができる。

１０ レーザ光源
１１ アッテネータ
１２ マスク
１３ フォーカスレンズ
１４ レンズ移動機構
１５ ダイクロイックミラー
１６ ガルバノスキャナ
１７ ＣＣＤカメラ
１８ 制御装置
１９ａ、１９ｂ ラインセンサカメラ
２０ ハーフミラー
２１ 折り返しミラー
２２ 加工テーブル
２５ａ ラインセンサカメラ１９ａの画界
２５ｂ ラインセンサカメラ１９ｂの画界
３０ パルスレーザビーム
５０ パネル
５０ａ ガラス基板
５０ｂ 凹部
５０ｃ ＩＴＯ膜
５０ｘ、５０ｙ 交点
５０ｚ 加工目標線
６０ レーザビーム

Claims (9)

1. レーザビームを出射するレーザ光源と、
   加工対象物を保持するステージと、
   外部から与えられる制御信号に基づいて、前記レーザ光源を出射したレーザビームを、前記ステージに保持された加工対象物上で走査するビーム走査器と、
   前記ビーム走査器を介して、前記ステージに保持された加工対象物の画像を取得する受光装置と、
   前記受光装置で取得された該加工対象物の画像のデータに基づいて、前記ステージに保持された加工対象物上にレーザビームを入射させる複数の入射目標位置を設定し、該入射目標位置にレーザビームが照射されるように前記ビーム走査器に制御信号を与える制御装置と
   を有するレーザ加工装置。
2. 前記ビーム走査器内において、前記レーザ光源から前記ステージに保持された加工対象物までのレーザビームの経路を逆向きに進行する光が前記受光装置に入射する請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記ステージに保持された加工対象物上にパターンが描画されており、前記制御装置は、前記受光装置が取得した加工対象物の画像を取り込み、該取り込まれた加工対象物の画像より該パターンの位置を計測し、該パターン上にレーザビームを入射させる複数の入射目標位置を設定する請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記パターンが第１及び第２のパターンを含んで複数存在し、前記制御装置は、前記第１のパターンの描画された位置の前記加工対象物の画像を取り込みながら、並行的に既に取り込まれた前記加工対象物の画像より前記第２のパターンの位置を計測する請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記パターンが第１及び第２のパターンを含んで複数存在し、前記制御装置は、取り込まれた前記加工対象物の画像より前記第１のパターンの位置を計測しながら、並行的に既に複数の入射目標位置の設定された前記第２のパターン上の該入射目標位置に、レーザビームが照射されるように前記ビーム走査器に制御信号を与える請求項３に記載のレーザ加工装置。
6. （ａ）ビーム走査器を用いて、受光装置の画界を加工対象物の表面上で走査することにより、該加工対象物の表面に描画されたパターンの画像データを取得する工程と、
   （ｂ）前記工程（ａ）で取得された画像データに基づいて、レーザビームが前記パターンに沿って走査されるように、前記ビーム走査器を制御して加工を行う工程と
   を有するレーザ加工方法。
7. 前記工程（ａ）が、（ａ１）前記パターンの画像を取り込む工程と、（ａ２）該取り込まれた画像より前記パターンの位置を計測する工程とを含み、前記工程（ａ１）と前記工程（ｂ）とは並行的に行われない請求項６に記載のレーザ加工方法。
8. 前記パターンが第１及び第２のパターンを含んで複数存在し、前記工程（ａ１）において前記第１のパターンの画像を取り込みながら、並行的に前記工程（ａ２）において既に画像が取り込まれた前記第２のパターンの位置を計測する請求項７に記載のレーザ加工方法。
9. 前記パターンが第１及び第２のパターンを含んで複数存在し、前記工程（ａ２）において前記第１のパターンの位置を計測しながら、並行的に前記工程（ｂ）において、レーザビームが既に位置の計測された前記第２のパターンに沿って走査されるように、前記ビーム走査器を制御する請求項７に記載のレーザ加工方法。

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