レーザパターニング装置およびレーザパターニング方法
【課題】 スクライブ幅の狭幅化とスクライブピッチの狭ピッチ化を可能にしたレーザパターニング装置および方法を提供する。集積型薄膜太陽電池の電極等のパターニングに用いる。
【解決手段】 それぞれレーザビームを照射するレーザ加工用光学系４を複数搭載した光学ヘッド５と、この光学ヘッド５を基板１に対して直交２軸方向に相対移動させる光学ヘッド相対移動機構６とを備える。各レーザ加工用光学系４にオートフォーカス機構７を設ける。このオートフォーカス機構７の合焦機能を、基板１の加工開始位置でオンとし、加工終了位置でオフとするフォーカス機能制御手段３２を設ける。
【解決手段】 それぞれレーザビームを照射するレーザ加工用光学系４を複数搭載した光学ヘッド５と、この光学ヘッド５を基板１に対して直交２軸方向に相対移動させる光学ヘッド相対移動機構６とを備える。各レーザ加工用光学系４にオートフォーカス機構７を設ける。このオートフォーカス機構７の合焦機能を、基板１の加工開始位置でオンとし、加工終了位置でオフとするフォーカス機能制御手段３２を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、基板上に成膜された薄膜を、レーザを用いてパターニングするパターニング装置およびパターニング方法に関し、特に、透光性を有する基板を用いた集積型薄膜太陽電池の電極等をパターニングするのに好適なレーザパターニング装置およびレーザパターニング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、基板上に複数のユニットセルを集積した集積型太陽電池を製作する場合、この基板上に積層した薄膜を各ユニットセルに対応づけて短冊状に分割する必要があり、この薄膜を分割するための溝（以下、スクライブと記す）を形成するためのパターニングが行なわれる。このパターニングの方法として、レーザ光を照射して薄膜の一部を溶発させることによりスクライブを形成するレーザパターニング方法があり、この方法を用いた特許文献１に示したようなレーザパターニング装置（レーザ加工装置）が知られている。
【０００３】
特許文献１のレーザ加工装置では、スクライビング性能の向上を図るため、レーザビームの基本的なパワー分布であるガウシンアン分布（レーザスポットの中央のパワーが強くなる分布）を、光ファイバを用いることでフラット化し、レーザ照射した面内で均一に加工ができるようにしている。これは、光ファイバが、レーザ光をコア内で伝播する過程で、その光強度分布をビーム径方向でフラット化させるような特性を持っていることを利用している。また、レーザ光学系の光路に視野絞りを入れ、レーザビーム形状を矩形にすることで、図１２に示したように、レーザ光の重なり部分をできるだけ少なくして加工できるようにしている。レーザ光の重なり部分は、レーザ光が２度照射されることになるため、加工変動が発生し易い。この面積を小さくする工夫として上記対策を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−２４４５９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
最近では、太陽電池の発電効率向上のため、図１３に示したスクライブ幅の狭幅化や、スクライブピッチの狭ピッチ化が要求されてきている。これは、このスクライブした部分が太陽電池の発電に寄与しないため、この面積をできるだけ小さくして、太陽電池パネルの有効面積を増やせば、太陽電池の発電効率を向上させることができるからである。
上記、スクライブ幅を狭くするためには、レーザ光を細く集光させ、できるだけ加工面でのビーム径の変動を小さくして加工する必要がある。このためには、レーザ光学系において、常に基板表面との距離を一定に保って加工する必要がある。しかし、基板の厚みには変動があり、基板表面の高さは変動する。これに追従して距離を一定に保つためには、常にフォーカシングを行って加工する必要がある。しかし、特許文献１の装置にはオートフォーカス機構は搭載されていない。従って、スクライブ幅の狭幅化を図るには限界がある。
【０００６】
この発明の目的は、スクライブ幅の狭幅化とスクライブピッチの狭ピッチ化を可能にしたレーザパターニング装置およびレーザパターニング方法を提供することである。
具体的には、従来装置で課題となっていた狭幅化の限界の対策として、オートフォーカス機構を搭載し、さらに、このオートフォーカス機構の運用方法を工夫することで、比較的安価なオートフォーカス機構で、上述のスクライブ幅の狭幅化と狭ピッチ化が可能なレーザパターニング装置およびレーザパターニング方法を提供することである。
また、スクライブ幅の狭幅化とスクライブピッチの狭ピッチ化により、太陽電池パネルの発電効率の向上に寄与できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明のレーザパターニング装置は、基板１上に成膜された薄膜を短冊状に、レーザ光を用いて分断加工するレーザパターニング装置において、
前記基板１を載せる基板固定ステージ３と、それぞれレーザ加工ビームを照射するレーザ加工用光学系４が複数並べて設けられた光学ヘッド５と、前記基板固定ステージ３と光学ヘッド５とを相対的に前記基板１の加工面上の直交２軸方向（Ｘ，Ｙ）に移動させる光学ヘッド相対移動機構６と、この光学ヘッド相対移動機構６により前記光学ヘッド５を前記基板１に対して相対移動させる経路、並びにこの経路上で前記光学ヘッド５によるレーザ光の照射の開始および停止をそれぞれ行う基板１の加工開始位置Ｓおよび加工終了位置Ｅを制御する加工制御手段３１とを備え、
前記光学ヘッド５は、前記各レーザ加工用光学系４に、このレーザ加工用光学系４と前記基板１の加工面との距離を前記レーザ加工用光学系４の焦点距離に合わせるオートフォーカス機構７を有し、このオートフォーカス機構７の自動合焦機能であるフォーカス機能を、前記基板１の加工開始位置Ｓでオンとし、基板１の加工終了位置Ｅでオフとするフォーカス機能制御手段３２を設けたことを特徴とする。
但し、基板１の縁まで完全にスクライブする必要がある場合は、加工用レーザ光の照射開始位置は、加工開始位置Ｓの手前であっても構わない。また、加工用レーザ光の照射終了位置は、加工終了位置Ｅより後でも構わない。その場合も、フォーカス機能は加工開始位置Ｓでオンとし、加工終了位置Ｅでオフとする。
【０００８】
この構成によると、各レーザ加工用光学系４にオートフォーカス機構７を搭載しているため、加工対象である基板１の表面と加工用レンズ４ａとの距離を常に一定に保った状態でスクライブ加工が可能である。よって、スクライブ時のレーザスポットの変動を小さく抑えることができ、そのためスクライブ幅の狭幅化が可能で、これにより、スクライブピッチの狭ピッチ化も可能である。スクライブ加工を行う場合、等速状態で加工を行う必要があり、等速に至る加速期間においては、レーザ加工用光学系４下に加工対象となる基板１が存在しないため、通常のオートフォーカス機構を用いることができない。しかし、上記のように、オートフォーカス機構７のフォーカス機能を、前記基板１の加工開始位置Ｓでオンとし、基板１の加工終了位置Ｅでオフとするフォーカス機能制御手段３２を設けたため、基板１から離れた位置から加速させて等速状態で加工を開始する場合にも、適正なフォーカス機能が実現できる。
【０００９】
この発明において、前記オートフォーカス機構７に、前記レーザ加工用光学系４のフォーカス方向の位置であるフォーカス位置を検出する位置検出センサ２５を設け、前記フォーカス機能制御手段３２に、前記位置検出センサ２５の出力を記憶する検出フォーカス位置記憶手段３６と、前記フォーカス機能のオフ状態で、前記検出フォーカス位置記憶手段３６に記憶された位置に前記レーザ加工用光学系４の前記フォーカス位置を保持させるフォーカス位置保持制御手段３７とを設けるのが良い。
上記検出フォーカス位置記憶手段３６およびフォーカス位置保持制御手段３７を設けることによって、オートフォーカス機構７に位置を記憶・保持する機能を付加することで、加工開始位置Ｓでオートフォーカス機構をオンした時のフォーカス差を極力小さくできる。これにより、高性能なオートフォーカス機構を用いる必要がなく、安価な装置構成で高品位のスクライブ加工が実現可能である。
【００１０】
この発明において、前記フォーカス機能制御手段３２に、前記加工開始位置Ｓで位置させる前記レーザ加工用光学系４のフォーカス方向の位置であるフォーカス位置の指令位置を記憶し、前記レーザ加工用光学系４が前記加工開始位置Ｓに達するまでに、前記レーザ加工用光学系４の前記フォーカス位置を前記の記憶された指令位置としてこの位置を保持する開始前フォーカス位置制御手段３８を設けても良い。
この構成の場合、前記基板１の加工開始位置Ｓで前記フォーカス機能をオンしたときに、前記レーザ加工用光学系４が前記指令位置に位置する状態からフォーカス機能を開始させるようにでき、加工開始位置Ｓでオートフォーカス機能をオンした時のフォーカス差を極力小さくできる。
【００１１】
前記開始前フォーカス位置制御手段３８は、前記位置検出センサ２５、前記検出フォーカス位置記憶手段３６、および前記フォーカス位置保持制御手段３７を設けた場合、例えば次の構成とされる。
すなわち、前記開始前フォーカス位置制御手段３８は、前記加工制御手段３１に、前記光学ヘッド相対移動機構６に対して、実際の加工のための光学ヘッド５の相対移動の前に、前記光学ヘッド５を基板１の端から外れたホームポジションから基板１上の加工開始位置Ｓまで移動させ、この移動後に前記ホームポジションに戻す動作からなる加工前計測サイクルを実行させ、かつこの加工前計測サイクルで光学ヘッド５が加工開始位置Ｓに来たときの前記位置検出センサ２５で検出されたフォーカス位置を前記検出フォーカス位置記憶手段３６に記憶させ、前記フォーカス位置保持制御手段３７により、前記検出フォーカス位置記憶手段３６に記憶された位置に前記レーザ加工用光学系４の前記フォーカス位置を保持させる。この構成の場合、加工前計測サイクルで光学ヘッド５が加工開始位置Ｓに来たときの前記位置検出センサ２５で検出されたフォーカス位置が、前記フォーカス位置の指令位置となる。なお、「光学ヘッド５が加工開始位置Ｓに来た」とは、レーザ加工用光学系４が加工開始位置Ｓに来たことを言う。
このようにして、加工開始位置Ｓでオートフォーカス機能をオンした時のフォーカス差を極力小さくする制御が、具体的に実現できる。
【００１２】
なお、前記開始前フォーカス位置制御手段３８は、必ずしも前記加工前計測サイクルを行うものでなくても良い。例えば、前記フォーカス位置の指令位置を、前記位置検出センサ２５を用いることなく、適宜の入力手段から入力させるようにしても良く、また適宜定められた値としても良い。さらに、前記開始前フォーカス位置制御手段３８は、後述のキャリブレーションステージ２９を設けた場合、このキャリブレーションステージ２９を検出するサイクルを実行するものとしても良い。
【００１３】
この発明において、前記フォーカス機能制御手段３２に、前記加工終了位置Ｅでフォーカス機能をオフするときに、このオフへの切換時の、前記レーザ加工用光学系４のフォーカス方向の位置であるフォーカス位置を記憶し、記憶されたフォーカス位置に前記レーザ加工用光学系４を保持した状態としてフォーカス機能をオフする終了時フォーカス位置保持制御手段３９を設けても良い。
例えば、複数並ぶスクライブを加工するときに、加工時間の短縮のために、スクライブの加工方向を交互に逆方向として、直接に加工に寄与しない光学ヘッド５の相対移動時間を短くする方法が採られる。このような場合、加工終了位置Ｅから次の加工開始位置Ｓでの距離は僅かであるため、加工終了位置Ｅでフォーカス機能をオフしたときのレーザ加工用光学系４のフォーカス位置を保持し、次の加工を開始すれば、加工開始位置Ｓでオートフォーカス機能をオンした時のフォーカス差を小さくできる。
なお、上記の「オフへの切換時」は、オフへ切り換える瞬間時に限らず、この切換瞬間時の直前から直後までの間を含む意味である。
【００１４】
前記終了時フォーカス位置保持制御手段３９は、前記位置検出センサ２５、検出フォーカス位置記憶手段３６、およびフォーカス位置保持制御手段３７を設けた場合、例えば次の構成とされる。
すなわち、前記終了時フォーカス位置保持制御手段３９は、前記加工終了位置Ｅでフォーカス機能をオフするときに、このオフへの切換時のフォーカス位置を前記位置検出センサ２５で検出して前記検出フォーカス位置記憶手段３６に記憶させ、前記フォーカス位置保持制御手段３７により、前記検出フォーカス位置記憶手段３６に記憶された位置に前記レーザ加工用光学系４の前記フォーカス位置を保持させる。
このようにして、加工終了位置Ｅでフォーカス機能をオフするときのフォーカス位置を保持する制御が、具体的に実現できる。
【００１５】
なお、終了時フォーカス位置保持制御手段３９は、必ずしも上記位置検出センサ２５、検出フォーカス位置記憶手段３６等を用いるものでなくても良く、例えば、加工終了位置Ｅでフォーカス機能をオフするときに、単に、レーザ加工用光学系４のフォーカス位置を固定するものであっても良い。
【００１６】
この発明において、前記オートフォーカス機構７を、前記レーザ加工用光学系４に対し、レーザ加工用光学系４の並び方向の前後に取付位置の変更を可能とするフォーカス機構設置位置可変手段２８を設けても良い。
各レーザ加工用光学系４に対して全て同じ方向に隣り合うようにオートフォーカス機構７を設けた場合、配列端のレーザ加工用光学系４のオートフォーカス機構７が基板１から外れることがある。そのような場合、前記フォーカス機構設置位置可変手段２８により取付位置を配列の前後に交換することで、オートフォーカス機構７が基板から外れることが回避される。
【００１７】
この発明において、前記オートフォーカス機構７に、前記レーザ加工用光学系４の前記基板の加工面までのフォーカス距離を検出するフォーカスセンサ２３を、前記レーザ加工用光学系４に対して並べて設け、このフォーカスセンサ２３と前記レーザ加工用光学系４との並び距離を調整可能とするセンサ位置調整手段２７を設けても良い。
このセンサ位置調整手段２７が設けられていると、スクライブ加工ラインＬａに、オートフォーカス機構７のフォーカスセンサの光軸が重ならないように調整することができる。
【００１８】
この発明において、前記オートフォーカス機構７を、前記レーザ加工用光学系４に対し、スクライブ加工方向Ｌａａの前方側に設けても良い。
また、この発明において、前記オートフォーカス機構７を、前記レーザ加工用光学系４に対し、スクライブ加工方向Ｌａａの前方側と後方側とに設置位置の変更を自動で可能とするフォーカス機構設置位置自動可変手段２８Ｂを設けても良い。
このフォーカス機構設置位置自動可変手段２８Ｂは、例えば、オートフォーカス機構７を、レーザ加工用光学系４の光軸Ｏ１回りに旋回可能に設置し、モータ等の駆動源２８Ｂａによって１８０°正逆に旋回させる構成とされ、駆動源２８Ｂａの駆動方向を制御する位置変更制御部２８Ｂｂを有するものとされる。この位置変更制御部２８Ｂｂは、例えば、前記加工制御手段３１における光学ヘッド相対移動機構６を制御する移動制御手段３３における移動方向の指令からスクライブ加工方向Ｌａａを認識し、駆動源２８Ｂａを制御する。この制御は、スクライブ加工時には、スクライブ加工方向Ｌａａの前方側にオートフォーカス機構７を配置し、その後方にレーザ加工用光学系４を配置するように行う。
オートフォーカス機構７がレーザ加工用光学系４に対し、スクライブ加工方向Ｌａａの前方側に位置する場合、スクライブ加工ラインＬａ上をオートフォーカス機構７のフォーカスセンサ２３で検出することができる。このため、前記のレーザ加工用光学系４と並設してオートフォーカス機構７を設置した場合のように、隣接するスクライブ加工ラインＬａとフォーカスセンサ２３の検出位置が重なることが無いため、既存のスクライブ加工ラインＬａと重ならないように位置調整する必要は無い。
レーザ加工用光学系４に対して、スクライブ加工方向Ｌａａの前方にオートフォーカス機構７が配置されるため、フォーカス方向の位置変化を事前に検出することが可能となり、オートフォーカス機構７の追従動作の応答性にその分余裕を持たせることができる。
【００１９】
前記構成では、フォーカス機構設置位置自動可変手段２８Ｂにより自動で、オートフォーカス機構７の取り付け位置をレーザ加工用光学系４に対して、スクライブ加工方向Ｌａａの前後に自動で変更可能としたが、レーザ加工用光学系４の前後両方にオートフォーカス機構７を設けても良い。
この場合に、前記レーザ加工用光学系４に対し、スクライブ加工方向Ｌａａの前後両方に設置されたオートフォーカス機構７，７の内、スクライブ加工方向Ｌａａに対して、前記レーザ加工用光学系４の前方に設置された前記オートフォーカス機構７を選択して使用する選択使用手段２８Ｃを設けても良い。
【００２０】
この発明において、前記オートフォーカス機構７は、前記レーザ加工用光学系４のフォーカス方向の位置であるフォーカス位置を検出する位置検出センサ２５を有し、この位置検出センサ２５に検出させるキャリブレーションステージ２９を設け、このキャリブレーションステージ２９の高さを、前記基板１の加工面の加工開始位置Ｓにおける高さと略同じとしても良い。
前記キャリブレーションステージ２９が設けられていると、加工前に位置検出センサ２５でキャリブレーションステージ２９を検出し、その検出されたフォーカス位置にレーザ加工用光学系４を保持させることで、加工開始位置Ｓでオートフォーカス機能をオンした時のフォーカス差を極力小さくすることができる。
【００２１】
この発明において、前記薄膜を成膜した基板１が太陽電池パネルであっても良い。太陽電池パネルでは、太陽電池の発電効率向上のためにスクライブ幅を狭めることが要求される。そのため、この発明におけるスクライブ幅の狭幅化とスクライブピッチの狭ピッチ化が可能である効果が、効果的に発揮される。
【００２２】
この発明のレーザパターニング方法は、この発明の上記いずれかの構成のレーザパターニング装置を用い、基板１上に成膜された薄膜を短冊状に分断加工する方法である。この加工方法によると、この発明のレーザパターニング装置について前述したと同様に、スクライブ幅の狭幅化とスクライブピッチの狭ピッチ化が可能となる。
【００２３】
この発明の他のレーザパターニング方法は、基板１上に成膜された薄膜を短冊状に、レーザ光を用いて分断加工するレーザパターニング方法において、
前記基板１を載せる基板固定ステージ３と、それぞれレーザ加工ビームを照射するレーザ加工用光学系４が複数並べて設けられた光学ヘッド５と、前記基板固定ステージ３と光学ヘッド５とを相対的に前記基板１の加工面上の直交２軸方向に移動させる光学ヘッド相対移動機構６を備えたレーザパターニング装置を用い、
前記光学ヘッド５は、前記各レーザ加工用光学系４に、このレーザ加工用光学系４と前記基板１の加工面との距離を前記レーザ加工用光学系４の焦点距離に合わせるオートフォーカス機構７を有しており、このオートフォーカス機構７の自動合焦機能を、前記基板１の加工開始位置Ｓでオンとし、基板１の加工終了位置Ｅでオフとすることを特徴とする。 この方法によると、この発明のレーザパターニング装置について前述したと同様に、スクライブ幅の狭幅化とスクライブピッチの狭ピッチ化が可能となる。
【発明の効果】
【００２４】
この発明のレーザパターニング装置は、基板上に成膜された薄膜を短冊状に、レーザ光を用いて分断加工するレーザパターニング装置において、前記基板を載せる基板固定ステージと、それぞれレーザ加工ビームを照射するレーザ加工用光学系が複数並べて設けられた光学ヘッドと、前記基板固定ステージと光学ヘッドとを相対的に前記基板の加工面上の直交２軸方向に移動させる光学ヘッド相対移動機構と、この光学ヘッド相対移動機構により前記光学ヘッドを前記基板に対して相対移動させる経路、並びにこの経路上で前記光学ヘッドによるレーザ光の照射の開始および停止をそれぞれ行う基板の加工開始位置および加工終了位置を制御する加工制御手段とを備え、前記光学ヘッドは、前記各レーザ加工用光学系に、このレーザ加工用光学系と前記基板の加工面との距離を前記レーザ加工用光学系の焦点距離に合わせるオートフォーカス機構を有し、このオートフォーカス機構の自動合焦機能であるフォーカス機能を、前記基板の加工開始位置でオンとし、基板の加工終了位置でオフとするフォーカス機能制御手段を設けたため、前記オートフォーカス機構の搭載により、加工対象である基板の表面とレーザ加工用光学系との距離を常に一定に保った状態でスクライブ加工が可能となる。そのため、スクライブ時のレーザスポットの変動を小さく抑えることができて、スクライブ幅の狭幅化が可能で、これにより、スクライブピッチの狭ピッチ化も可能である。また、等速に至る加速期間においては、レーザ加工用光学系下に加工対象となる基板が存在しないが、上記のように、オートフォーカス機構の合焦機能を、前記基板の加工開始位置でオンとし、基板の加工終了位置でオフとするため、フォーカス機能が実現できる。
【００２５】
この発明のレーザパターニング方法は、この発明のレーザパターニング装置につき述べたと同様に、スクライブ時のレーザスポットの変動を小さく抑えることができて、スクライブ幅の狭幅化が可能で、これにより、スクライブピッチの狭ピッチ化も可能である。また、オートフォーカス機構のフォーカス機能を、前記基板の加工開始位置でオンとし、基板の加工終了位置でオフとするため、基板から離れた位置から加速させて等速状態で加工を開始する場合にも、適正なフォーカス機能が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の一実施形態に係るレーザパターニング装置の概念構成を示す説明図である。
【図２】（Ａ）（Ｂ）はそれぞれ、同レーザパターニング装置のレーザパターニング装置本体の一例につき、基板搬入時状態および加工時の状態を示す斜視図である。
【図３】基板と光学ヘッドの関係を示す斜視図である。
【図４】（Ａ）はレーザ加工用光学系およびオートフォーカス機構の一例を示す斜視図、（Ｂ）はそのオートフォーカス機構の取付箇所を変えた例を示す斜視図である。
【図５】移動速度とスクライブ加工範囲との関係を示す説明図である。
【図６】初期フォーカス差の説明図である。
【図７】加工前計測サイクルの説明図である。
【図８】加工動作の説明図である。
【図９】加工用レンズとフォーカス用レンズの光学オフセットの説明図である。
【図１０】フォーカスのキャリブレーションステージの説明図である。
【図１１】（Ａ）（Ｂ）はそれぞれ、同レーザパターニング装置のレーザパターニング装置本体の他の例につき、基板搬入時状態および加工時の状態を示す斜視図である。
【図１２】レーザ照射ピッチとスクライブ加工ラインの関係を示す説明図である。
【図１３】太陽電池パネルの部分拡大断面図である。
【図１４】（Ａ）はレーザ加工用光学系およびオートフォーカス機構の他の例を示す斜視図、（Ｂ）はそのオートフォーカス機構の設置位置を変えた例を示す斜視図、（Ｃ）は同図（Ａ）にフォーカス機構設置位置自動可変手段を加えた説明図である。
【図１５】図１４の例を用いた光学ヘッドと基板の関係を示し、（Ａ）は図の基板右奥方向からスクライブ加工する場合の斜視図、（Ｂ）は図の基板左手前方向からスクライブ加工する場合の斜視図である。
【図１６】レーザ加工用光学系およびオートフォーカス機構のさらに他の例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
この発明の一実施形態を図１ないし図９と共に説明する。このレーザパターニング装置は、基板１上に成膜された薄膜を短冊状に、レーザ光を用いてスクライブを加工することで分断加工する装置であって、機械部分であるパターニング装置本体２と、このパターニング装置本体２を制御する加工制御装置３０とで構成される。
【００２８】
基板１は、例えば透光性を有する太陽電池となる素材である。具体例を示すと、図１３に示すように、基板１上に、表面電極１ａ、光電変換層１ｂ、および裏面電極１ｃとなる複数層の薄膜が積層して形成されている。これらの薄膜がスクライブａの形成により分断加工されて個別のセルとなることで、集積型薄膜太陽電池とされる。同図において、Ｐ１〜Ｐ３の位置にスクライブａが加工される。
【００２９】
図１において、パターニング装置本体２は、基板１を載せる基板固定ステージ３と、それぞれレーザ加工ビームを照射するレーザ加工用光学系４が複数並べて設けられた光学ヘッド５と、前記基板固定ステージ３と光学ヘッド５とを相対的に前記基板１の加工面上の直交２軸方向（Ｘ，Ｙ方向）に移動させる光学ヘッド相対移動機構６とを有する。各レーザ加工用光学系４にはオートフォーカス機構７が設けられ、したがってオートフォーカス機構７はレーザ加工用光学系４と同数だけ設けられる。
【００３０】
図２は、パターニング装置本体２の一例を示す。この例では、基板固定ステージ３が前後方向（Ｙ軸方向）に移動可能なＹ軸ステージとなり、基台８のレール９上に基板固定ステージ３が前後方向（Ｙ軸方向）に移動自在に設置されている。基板固定ステージ３は、搬入された基板１を固定する機構（図示せず）を有しており、Ｙ軸の進退駆動機構（図示せず）により前後方向に進退駆動される。
レール９による基板固定ステージ移動経路の前部には、その左右両側に、基板固定ステージ３に対して基板１の搬入および搬出をそれぞれ行うローラコンベヤ等からなる基板搬入装置１０および基板搬出装置１１が設置されている。
【００３１】
基台８上の基板固定ステージ３が通過経する路の後部には、この通過経路に跨がって門形の支持フレーム１２が設置され、この支持フレーム１２上のレール１３に沿って、基板固定ステージ３の進退方向と直交する方向である左右方向（Ｘ軸方向）に進退自在にＸ軸ステージ１４が設置されている。Ｘ軸ステージ１４は、支持フレーム１２に設置されたＸ軸の進退駆動機構１５により進退させられる。
Ｘ軸ステージ１４には、光学ヘッド５を搭載したＺ軸ステージ１６が、前記Ｘ軸およびＹ軸に垂直な方向である鉛直方向に移動材に設置され、Ｘ軸ステージ１４に設置されたＺ軸の進退駆動機構（図示せず）により進退させられる。前記Ｘ軸の進退駆動機構１５、並びにＹ軸の進退駆動機構およびＺ軸の進退駆動機構は、それぞれ、サーボモータおよび送りねじ機構等からなる。
【００３２】
なお、パターニング装置本体２は、図２の例では基板固定ステージ３を基台８に対して前後方向（Ｙ軸方向）に移動させるようにしたが、例えば図１１に示すように、基板固定ステージ３を基台８に対して位置固定としても良い。その場合、前記門形の支持フレーム１２Ａが、基台８上のレール９Ａ上で前後移動自在なＹ軸ステージとなり、Ｙ軸の進退駆動機構（図示せず）により進退させられる。図１１の例におけるその他の構成は、図２の例と同様である。
【００３３】
図２において、光学ヘッド５には、前記のように、それぞれレーザ加工ビームを照射するレーザ加工用光学系４が複数並べて設けられており、その並び方向は、加工するスクライブの並び方向である左右方向（Ｘ軸方向）とされ、同時に複数本のスクライブの加工が可能とされている。レーザビームを発生させるレーザ発振機１７は、個々のレーザ加工用光学系４毎に設けても良く、１台のレーザ発振機１７で発生させたレーザビームを複数本に分割して各レーザ加工用光学系４に分配しても良い。いずれの場合も、レーザ発振機１７およびこのレーザ発振機１７からレーザビームをレーザ加工用光学系４に導く反射ミラー４８（図１）等の導光手段は、光学ヘッド５の一部となる。
【００３４】
図４において、オートフォーカス機構７およびレーザ加工用光学系４につき説明する。レーザ加工用光学系４は、対物レンズ等の加工用レンズ４ａと、この加工用レンズ４ａにレーザビームを導く光学部品であるビームエキスパンダ４ｂとでなり、ビームエキスパンダ４ｂに対して加工用レンズ４ａを遠近方向に移動させることで、レーザ加工用光学系４の焦点距離の調整が可能である。なお、この明細書、図面では、レンズとこのレンズを内蔵したケースとを含めて加工用レンズ４ａと称している。
【００３５】
オートフォーカス機構７は、ビームエキスパンダ４ｂに対して加工用レンズ４ａを遠近方向に移動させるレンズ移動機構７ａと、加工対象面のフォーカス方向の位置を検出して前記レンズ移動機構７ａに対して移動命令となる信号を与えるフォーカス自動化手段７ｂとでなる。
【００３６】
図４の例では、加工用レンズ４ａの隣に配置したフォーカス用レンズ１８を、加工用レンズ４ａと共に昇降体１９に搭載し、昇降体１９を光学系基台２０にリニアガイド２１を介して昇降自在に支持している。昇降体１９の昇降駆動は、光学系基台２０に設置されたボイスコイルモータ等からなる直動アクチュエータ２２により行う。これらリニアガイド２１と直動アクチュエータ２２とで前記レンズ移動機構７ａが構成される。光学系基台２０は、個々のレーザ加工用光学系４に設けられた基台であり、光学ヘッド５のフレームとなる部材（図示せず）に取付けられる。
【００３７】
フォーカス用レンズ１８の上方には、フォーカス用レンズ１８を介して加工対象面までのフォーカス距離を検出するフォーカスセンサ２３が、光学系基台２０に設置されている。フォーカスセンサ２３によるフォーカスの検出には、例えば、極一般的な非点収差法を用いて４分割フォトダイオードで検出する方式を採用する。これらフォーカスセンサ２３と、フォーカス用レンズ１８と、フォーカスセンサ２３の出力信号により直動アクチュエータ２２に動作命令を出力する信号伝達系２４とで、前記フォーカス自動化手段７ｂが構成される。信号伝達系２４は、前記出力信号を処理する機能を有するものであっても、また前記信号を単に伝達するものであっても良い。前記フォーカス自動化手段７ｂは、フォーカスセンサ２３の出力信号に応じて、前記直動アクチュエータ２２を駆動して加工用レンズ４ａとフォーカス用レンズ１８を基板１の加工面である上面に対して鉛直のＺ軸方向に移動させて、常に、加工用レンズ４ａのフォーカスを合焦させるように制御する。
【００３８】
前記リニアガイド２１には、リニアスケール等の位置検出センサ２５が搭載されてリニアガイド２１における移動側部材の位置の検出が可能となっている。これにより、加工用レンズ４ａの昇降位置であるフォーカス位置が検出される。前記フォーカス自動化手段７ｂの前記信号伝達系２４は、外部からの信号により、フォーカスセンサ２３の出力信号の伝達をオフにしてオートフォーカス機能をオフにする機能を有していて、前記直動アクチュエータ２２は、オートフォーカス機能をオフにした状態で、前記信号伝達系２４とは別の入力系から、駆動の制御が可能とされる。このとき、前記位置検出センサ２５の検出値を用いて、位置検出センサ２５の検出可能範囲で前記加工用レンズ４ａを任意のフォーカス位置に移動させ、また保持することが可能である。
【００３９】
フォーカスセンサ２３およびフォーカス用レンズ１８を含むオートフォーカス機構７は、図４（Ａ）ではレーザ加工用光学系４に対して図の左側に搭載されているが、図４（Ｂ）のようにレーザ加工用光学系４に対して図の右側に取付位置の変更を可能とするオートフォーカス機構設置位置可変手段２８が設けられている。このオートフォーカス機構設置位置可変手段２８は、例えばビームエキスパンダ４ｂおよび加工用レンズ４ａおよびの両側面に設けられてフォーカスセンサ２３およびフォーカス用レンズ１８をそれぞれ着脱可能に取付ける取付具からなる。この取付位置の変更は、次の理由で設けられる。すなわち、図４（Ａ）のように左側にオートフォーカス機構７が搭載されていると、図３に示したように複数個のレーザ加工用光学系４を配列した場合に、Ｘ軸方向の一番左側のオートフォーカス機構７においては、基板１の左端側のスクライブ加工時に、フォーカスセンサが基板１から外れてしまう可能性がある。そのため配列の左端のオートフォーカス機構７は、図３，図４（Ｂ）に示したように、加工用レンズ４ａの右側にオートフォーカス機構７を取付けることで、基板１から外れることを回避する。
【００４０】
また、図９に示したように、レーザ加工用光学系４の光軸Ｏ１とフォーカスセンサ２３の光軸Ｏ２（フォーカスレンズ１８の光軸Ｏ２）はオフセットしているが、このオフセット距離は、スクライブ加工ラインにフォーカスセンサ２３の光軸Ｏ２が重ならないように、センサ位置調整手段２７で調整可能とされている。スクライブ加工ラインＬａとフォーカスセンサ２３の光軸Ｏ２が重なってしまうと、既にスクライブ加工された段差により、フォーカスがずれてしまう可能性があるからである。センサ位置調整手段２７は、例えば互いにねじ部材で間隔調整可能に連結された２つの部材２７ａ，２７ｂに、それぞれレーザ加工用光学系４とフォーカスセンサ２３を取付けるようにしたものである。
【００４１】
図１４は、レーザ加工用光学系４とオートフォーカス機構７との配置関係の他の例を示す。この例では、レーザ加工用光学系４に対してオートフォーカス機構７を、スクライブ加工ラインＬａの方向と同一方向に並べて搭載している。スクライブ加工ラインＬａは、スクライブａ（図１，図１５）を加工するラインであり、その加工の進行方法をスクライブ加工方向Ｌａａと称す。オートフォーカス機構７は、スクライブ加工方向Ｌａａに対して、レーザ加工用光学系４の前方側に搭載される。図１４（Ａ）は、スクライブ加工方向Ｌａａが図の右奥方向から左手前方向の場合を示し、図１４（Ｂ）は、（Ａ）とは反対にスクライブ加工方向Ｌａａが図の左手前から右奥方向の場合を示している。
【００４２】
この例では、オートフォーカス機構７は、図１４（Ａ）と（Ｂ）の設置位置の切り替えを、オートフォーカス機構設置位置自動可変手段２８Ｂにより自動で変更可能となっており、スクライブ加工方向Ｌａａを変える前に自動で設置位置が変更できるようになっている。すなわち、オートフォーカス機構７を、レーザ加工用光学系４に対し、スクライブ加工方向Ｌａａの前方側と後方側とに設置位置の変更を自動で可能とするフォーカス機構設置位置自動可変手段２８Ｂを設けている。このフォーカス機構設置位置自動可変手段２８Ｂは、例えば、オートフォーカス機構７を、レーザ加工用光学系４の光軸Ｏ１回りに旋回可能に設置し、モータ等の駆動源２８Ｂａによって１８０°正逆に旋回させる構成とし、駆動源２８Ｂａの駆動方向を制御する位置変更制御部２８Ｂｂを有するものとされる。図示の例では、レーザ加工用光学系４のフォーカス用レンズ１８を設置した昇降体１９に、レーザ加工用光学系４の光軸Ｏ１回りに旋回自在に旋回台２８Ｂｃを設け、この旋回台２８Ｂｃにオートフォーカス機構７を搭載し、駆動源２８Ｂａによって旋回台２８Ｂｃを正逆回動させる構成とされている。前記位置変更制御部２８Ｂｂは、例えば、前記加工制御装置３０のフォーカス機能制御手段３２に設けられ、光学ヘッド相対移動機構６を制御する加工制御手段３１の移動制御手段３３による移動方向の指令からスクライブ加工方向Ｌａａを認識し、駆動源２８Ｂａを制御する。この制御は、スクライブ加工時には、スクライブ加工方向Ｌａａの前方側にオートフォーカス機構７を配置し、その後方にレーザ加工用光学系４を配置するように行う。なお、図１４において、加工制御装置３０は、特に説明した事項の他は、図１の例と同様であるが、簡略化して図示してある。
【００４３】
図１５（Ａ）は、図１４（Ａ）に示したレーザ加工用光学系４とオートフォーカス機構７の配置関係でスクライブ加工する場合の例を示し、図１５（Ｂ）は、図１４（Ｂ）に示した配置関係でスクライブ加工する場合の例を示している。
【００４４】
図１６は、レーザ加工用光学系４とオートフォーカス機構７との配置関係のさらに他の例を示す。この例では、レーザ加工用光学系４に対して、スクライブ加工方向Ｌａａの前後両方にオートフォーカス機構７を設置している。また、レーザ加工用光学系４に対し、スクライブ加工方向Ｌａａの前後両方に設置されたオートフォーカス機構７，７の内、スクライブ加工方向Ｌａａに対して、レーザ加工用光学系４の前方に設置されたオートフォーカス機構７を選択して使用する選択使用手段２８Ｃを設けている。選択使用手段２８Ｃは、例えば前記加工制御手段３０のフォーカス機能制御手段３２に設けられ、光学ヘッド相対移動機構６を制御する移動制御手段３３による移動方向の指令からスクライブ加工方向Ｌａａを認識し、使用するオートフォーカス機構７を選択する制御を行う。なお、図１６において、加工制御装置３０は、特に説明した事項の他は、図１の例と同様であるが、簡略化して図示してある。
この構成の機構を用いてスクライブ加工を行う場合は、スクライブ加工方向Ｌａａの切り替え時に、スクライブ加工方向Ｌａａに対してレーザ加工用光学系４の前方に位置するオートフォーカス機構７を選択して使用することで、前記と同様に両方のスクライブ加工方向Ｌａａに対応が可能である。
【００４５】
なお、上述のオートフォーカス機構７は、あくまでも例示であり、フォーカス用センサ２３は非点収差法を用いない別の方式でも構わない。また、直動アクチュエータ２２もボイスコイルモータでなくても、別の方式でも構わない。さらに、リニアガイド２１の位置を検出する方式も、リニスケール以外の方式でも構わない。
【００４６】
図１において、加工制御装置３０は、レーザパターニング装置本体２の全体を制御する手段であって、数値制御装置としての機能と、プログラマブルコントローラとしての機能を有するものである。加工制御装置３０は、パーソナルコンピュータ等のコンピュータと、このコンピュータに実行される加工プログラム（図示せず）とにより、次の加工制御手段３１と、フォーカス機能制御手段３２とが構成されている。加工制御手段３１は、移動制御手段３３、レーザ出力制御手段３４とでなる。
【００４７】
移動制御手段３３は、前記加工プログラムの指令に従って、光学ヘッド相対移動機構６の各軸の駆動機構の駆動源６ａ，６ｂ，６ｃに出力を行い、光学ヘッド５を基板１に対して相対移動させる経路および速度を制御する手段である。光学ヘッド５を基板１に対して相対移動させる経路は、基板１に形成する各スクライブａに沿って光学ヘッド５を相対移動させるスクライブ上経路と、各スクライブ上経路間で光学ヘッド５を相対移動させるスクライブ間経路とを含む。移動制御手段３３は、各軸の駆動源６ａ，６ｂ，６ｃに設けられた位置検出器（図示せず）または、各軸の駆動源６ａ，６ｂ，６ｃで移動させられる部材の位置を検出する位置検出器（図示せず）の検出値によって、光学ヘッド５の各軸方向の相対位置を検出し、各位置検出器の検出値によってフィードバック制御を行う機能を有する。また、移動制御手段３３は、その速度制御パターンとして、図５に示したように、１本のスクライブを加工するスクライブ加工範囲、またはこのスクライブ加工範囲よりも前後に若干の余裕を持たせた距離を定速範囲とし、その両側の加減速範囲では加速度（減速度）一定となる台形制御を行う。
【００４８】
レーザ出力制御手段３４は、レーザ発振機１７のオンオフの制御を行う手段である。レーザ出力制御手段３４は、光学ヘッド５と基板１の相対位置における、レーザ発振機１７をオンとする加工開始位置Ｓと、レーザ発振機１７をオフとする加工終了位置Ｅとを記憶している。これら加工開始位置Ｓと加工終了位置Ｅは、基板１に加工する各スクライブａの一端と他端の位置であり、前記加工プログラム等によって定められている。加工開始位置Ｓおよび加工終了位置Ｅに光学ヘッド５が位置したことは、移動制御手段３２で制御に用いる位置検出器の出力によって認識される。
【００４９】
フォーカス機能制御手段３２は、オートフォーカス機構７を制御する手段であり、フォーカス機能オンオフ手段３５と、検出フォーカス位置記憶手段３６と、フォーカス位置制御手段３７とを有し、さらに開始前フォーカス位置制御手段３８および終了時フォーカス位置保持制御手段３９を有している。
フォーカス機能オンオフ手段３５は、オートフォーカス機構７の自動合焦機能であるフォーカス機能を、基板１の加工開始位置Ｓでオンとし、加工終了位置Ｅでオフとする機能を有する。光学ヘッド５が加工開始位置Ｓおよび加工終了位置Ｅに位置したことは、前記移動制御手段３３で制御に用いる位置検出器の出力によって認識される。
【００５０】
検出フォーカス位置記憶手段３６は、各レーザ加工用光学系４のオートフォーカス機構７に設けられた位置検出センサ２５の検出値を記憶する手段である。
フォーカス位置保持制御手段３７は、検出フォーカス位置記憶手段３６に記憶された位置に、対応する各レーザ加工用光学系４のフォーカス位置を保持させる手段であり、フォーカス動作を行わせる前記直動アクチュエータ２２を停止状態に維持させることで、前記フォーカス位置の保持を行う。フォーカス位置保持制御手段３７は、フォーカス機能オンオフ手段３５によるフォーカス機能のオフ状態で、その機能が可能となる。
【００５１】
開始前フォーカス位置制御手段３８は、基板１の加工開始位置Ｓでフォーカス機能をオンしたときに、レーザ加工用光学系４が指令位置にある状態からフォーカス機能を開始させるようにした手段である。すなわち、開始前フォーカス位置制御手段３８は、加工開始位置Ｓで位置させるレーザ加工用光学系４のフォーカス位置の指令位置を記憶し、レーザ加工用光学系４が加工開始位置Ｓに達するまでに、レーザ加工用光学系４のフォーカス位置を前記の記憶された指令位置としてこの位置を保持する手段である。
【００５２】
開始前フォーカス位置制御手段３８は、具体的には、加工制御手段３１に、光学ヘッド相対移動機構６に対して、実際の加工のための光学ヘッド５の相対移動の前に、図７と共に後述するように、光学ヘッド５を基板１の端から外れたホームポジションから基板１上の加工開始位置Ｓまで移動させ、この移動後に前記ホームポジションに戻す動作からなる加工前計測サイクルを実行させる。かつ、この加工前計測サイクルで光学ヘッド５が加工開始位置Ｓに来たときの前記位置検出センサ２５で検出されたフォーカス位置を、前記の指令位置として検出フォーカス位置記憶手段３６に記憶させ、フォーカス位置保持制御手段３７により、前記検出フォーカス位置記憶手段３６に記憶された位置にレーザ加工用光学系４のフォーカス位置を保持させる。
【００５３】
なお、開始前フォーカス位置制御手段３８は、必ずしも前記加工前計測サイクルを行うものでなくても良い。例えば、前記フォーカス位置の指令位置を、前記位置検出センサ２５を用いることなく、適宜の入力手段から入力させるようにしても良く、また適宜定められた値としても良い。さらに、前記開始前フォーカス位置制御手段３８は、後述のキャリブレーションステージ２９を設けた場合、このキャリブレーションステージ２９を検出するサイクルを実行するものとしても良い。
【００５４】
終了時フォーカス位置保持制御手段３９は、前記加工終了位置Ｅでフォーカス機能をオフするときに、このオフへの切換時の、前記レーザ加工用光学系４のフォーカス位置を記憶し、記憶されたフォーカス位置にレーザ加工用光学系４を保持した状態としてから、フォーカス機能オンオフ手段３５にフォーカス機能をオフさせる手段である。
【００５５】
終了時フォーカス位置保持制御手段３９は、具体的には次の構成とされる。すなわち、加工終了位置Ｅでフォーカス機能をオフするときに、このオフへの切換時のフォーカス位置を前記位置検出センサ２５で検出して検出フォーカス位置記憶手段３６させ、前記フォーカス位置保持制御手段３７により、検出フォーカス位置記憶手段３６に記憶された位置にレーザ加工用光学系４のフォーカス位置を保持させる。
【００５６】
なお、終了時フォーカス位置保持制御手段３９は、必ずしも上記位置検出センサ２５や検出フォーカス位置記憶手段３６を用いるものでなくても良く、例えば、加工終了位置Ｅでフォーカス機能をオフするときに、単に、レーザ加工用光学系４のフォーカス位置を固定するものであっても良い。
【００５７】
次に、上記構成の作用を説明する。この例では基板１が太陽電池パネルである場合につき説明する。太陽電池のスクライブ加工を行う装置では、図３に示したように、同一の基板１内に１００本以上のスクライブａの加工を行う必要がある。そのため、複数本同時に加工できるように、レーザ加工用光学系４を複数本搭載している。このレーザ加工用光学系４の１本毎の焦点距離を基板１の表面と常に一定に保つため、それぞれの光学系４に、図４と共に前述したオートフォーカス機構７を搭載している。
【００５８】
スクライブ加工は、図１２に示したように、レーザ照射範囲Ｌの重なり部をできるだけ少なく、なおかつ重なり部の変動を少なくして加工するためには、図５に示したように、基板１をレーザ加工用光学系４に対する相対移動として、等速移動させた状態で加工する必要がある。また、スクライブ加工時間をより短くするため、近年では、基板１の移動速度が２０００ｍｍ／ｓと非常に高速での加工が要求されてきている。
【００５９】
オートフォーカス機構７は、フォーカスの対象となる基板１の表面位置を検出して、レーザ加工用光学系４の全体または加工用レンズ４ａを移動させて、常に基板表面との距離を一定に保つように働く。しかし、上述したように、２０００ｍｍ／ｓで等速になった状態でレーザ加工するためには、少なからず、助走距離（加速距離）が必要となる。図５に示したように、助走時にはレーザ加工ビームを基板表面に当てることはできない。従って、基板１が２０００ｍｍ／ｓに到達し、基板端にレーザ加工用光学系４が到達した時からしか、オートフォーカス機構７を働かせることができない。この場合において、従来の単にフォーカス機能をオンオフする制御では、図６に示したように、基板１の端にレーザ加工用光学系４が到達した時点で、初期のフォーカス差が大きい場合、これに追従して瞬時にフォーカスさせるためには、非常に高性能なオートフォーカス機構が必要となる。フォーカス性能が悪いと、フォーカスが合うまでに時間が掛かってしまい、図６に示した追従距離が長くなってしまう。この追従距離の間は、フォーカスが合っていない状態での加工となってしまい、スクライブ幅を狭幅化することはできない。
【００６０】
この実施形態では、上記課題を解決するため、オートフォーカス機構７の駆動機構に、加工用レンズ４ａの位置を検出する位置検出センサ２５を設け、フォーカス位置保持制御手段３７を設けることで、検出した位置に加工用レンズ４ａを保持することを可能としている。このフォーカス位置保持制御手段３７を設けると共に、オートフォーカスの運用方法を工夫し、非常に安価なオートフォーカス機構７でも、基板１の端からフォーカスの合った加工を実現している。
【００６１】
この実施形態のレーザパターニング装置では、加工開始位置Ｓである基板１の端において、レーザ加工用光学系４のフォーカス差が小さくなるように、予め基板端位置でフォーカス合わせを行い、そのフォーカス位置を保持した状態に保つことができるようになっている。
図７を用いて、フォーカス合わせの方法について説明する。図７（Ａ）は、パターニング装置の光学ヘッド５のホームポジションであり、この位置から基板１の端で等速になるように加速を開始する。図７（Ｂ）は、基板端位置で、この位置から実際のスクライブ加工を行う。この実施形態では、図１の開始前フォーカス位置制御手段３８の制御により、予めこの基板端位置にレーザ加工用光学系４が位置するように光学ヘッド５を移動させ、一度フォーカス合わせを行い、このフォーカス位置となる加工用レンズ４ａの位置を検出フォーカス位置記憶手段３６に記憶し、フォーカス位置保持制御手段３７によって、その記憶されたフォーカス位置を保持する。その後、図７（Ｃ）のように再度ホームポジションに戻る。
【００６２】
実際のスクライブ加工時には、図８（Ａ）のホームポジションから加速を開始し、基板端前で加工速度まで到達した状態となる。そして、図８（Ｂ）の基板端位置（Ａ位置）に到達した時点でオートフォーカス機構７をオンする。オートフォーカス機構７は、予め、上述したように基板端位置でフォーカスが合焦した状態で保持されているため、ほとんどフォーカスずれがなく、フォーカスオンした時点から高品位の加工が可能である。
【００６３】
次に、図１の終了時フォーカス位置保持制御手段３９の制御により、加工端であるもう一方の基板端（Ｂ位置）に到達した時点で、フォーカス機能をオフする。このオフへの切換時のオートフォーカス機構７のフォーカス位置を、検出フォーカス位置記憶手段３６に記憶し、その位置したフォーカス位置に、フォーカス位置保持制御手段３７によって保持させる。そして、減速し図８（Ｄ）の位置に到達し、１回のスクライブ加工が完了する。
【００６４】
スクライブ加工は、前述したように、基板１に、あるスクライブピッチで数百本の加工を行う必要があるため、加工時間の短縮のため往復での加工とする。よって、今度は、図８（Ｄ）の位置から加速し、Ｂ位置から加工開始となる。この場合は、Ｂ位置にレーザ光学系が到達した時点でオートフォーカスをオンして加工することになる。オートフォーカス機構７は、前述のように、Ｂ位置でオートフォーカス機能をオフした状態を記憶し、その位置を保持しているため、スクライブピッチ分基板の短手方向に移動してはいるが、その移動距離は数ｍｍであり、大きなフォーカス差はなく、直ぐに合焦した状態での加工が可能である。
【００６５】
図１０は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態は、図１〜図９に示す前記実施形態において、フォーカスセンサ２３に検出させるキャリブレーションステージ２９を、基板１の端から離れた位置に設け、このキャリブレーションステージ２９の表面高さを基板端の加工開始位置Ｓの高さと略同じにしたものである。
【００６６】
この実施形態の場合、前記キャリブレーションステージ２９でフォーカス合わせを行い、そのフォーカス位置を維持し、光学ヘッド５が基板端に達した時にオートフォーカス機構７の自動合焦機能をオンさせる。これによれば、スクライブ加工時に基板端（図８、Ａ位置）でオートフォーカスをオンした時のフォーカス差を、図７で示した方法の時と同じように小さくすることが可能である。この場合、図７の方法のように、基板端までレーザ光学系を移動させてフォーカス合わせを行う必要がなくなる。そのため加工サイクルが向上する。
なお、この実施形態の場合、図１の開始前フォーカス位置制御手段３８は、キャリブレーションステージ２９でフォーカス合わせを行い、そのフォーカス位置の検出値を検出フォーカス位置記憶手段３６に記憶させ、その記憶した位置にフォーカス位置を保持させる制御をフォーカス位置保持制御手段３７に行わせる。図１０の実施形態におけるその他の構成，効果は、図１等と共に説明した第１の実施形態と同様である。
【００６７】
これら実施形態によれば、上述のように、オートフォーカス機構７の位置の記憶・保持機能を用いて、基板端で初期フォーカス合わせ、加工端でのオートフォーカスオフ時にフォーカス位置を記憶・保持させ、オートフォーカスを加工開始位置Ｓと加工終了位置Ｅでオン／オフすることで、基板全域で自動合焦状態での高品位な加工を実現している。これにより、基板１の表面でレーザビーム径を均一に保つことが可能になり、スクライブ幅の狭幅が可能になる。狭幅化が可能になることで、スクライブピッチの狭ピッチ化も可能となる。
【符号の説明】
【００６８】
１…基板
２…レーザパターニング装置本体
３…基板固定ステージ
４…レーザ加工用光学系
４ａ…加工用レンズ
５…光学ヘッド
６…光学ヘッド相対移動機構
７…オートフォーカス機構
２３…フォーカスセンサ
２５…位置検出センサ
２７…センサ位置調整手段
２８…フォーカス機構設置位置可変手段
２８Ｂ…フォーカス機構設置位置自動可変手段
２８Ｃ…選択使用手段
２９…キャリブレーションステージ
３０…加工制御装置
３１…加工制御手段
３２…フォーカス機能制御手段
３６…検出フォーカス位置記憶手段
３７…フォーカス位置保持制御手段
３８…開始前フォーカス位置制御手段
３９…終了時フォーカス位置保持制御手段
ａ…スクライブ
Ｌａ…スクライブ加工ライン
Ｌａａ…スクライブ加工方向
Ｅ…加工終了位置
Ｓ…加工開始位置
【技術分野】
【０００１】
この発明は、基板上に成膜された薄膜を、レーザを用いてパターニングするパターニング装置およびパターニング方法に関し、特に、透光性を有する基板を用いた集積型薄膜太陽電池の電極等をパターニングするのに好適なレーザパターニング装置およびレーザパターニング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、基板上に複数のユニットセルを集積した集積型太陽電池を製作する場合、この基板上に積層した薄膜を各ユニットセルに対応づけて短冊状に分割する必要があり、この薄膜を分割するための溝（以下、スクライブと記す）を形成するためのパターニングが行なわれる。このパターニングの方法として、レーザ光を照射して薄膜の一部を溶発させることによりスクライブを形成するレーザパターニング方法があり、この方法を用いた特許文献１に示したようなレーザパターニング装置（レーザ加工装置）が知られている。
【０００３】
特許文献１のレーザ加工装置では、スクライビング性能の向上を図るため、レーザビームの基本的なパワー分布であるガウシンアン分布（レーザスポットの中央のパワーが強くなる分布）を、光ファイバを用いることでフラット化し、レーザ照射した面内で均一に加工ができるようにしている。これは、光ファイバが、レーザ光をコア内で伝播する過程で、その光強度分布をビーム径方向でフラット化させるような特性を持っていることを利用している。また、レーザ光学系の光路に視野絞りを入れ、レーザビーム形状を矩形にすることで、図１２に示したように、レーザ光の重なり部分をできるだけ少なくして加工できるようにしている。レーザ光の重なり部分は、レーザ光が２度照射されることになるため、加工変動が発生し易い。この面積を小さくする工夫として上記対策を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−２４４５９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
最近では、太陽電池の発電効率向上のため、図１３に示したスクライブ幅の狭幅化や、スクライブピッチの狭ピッチ化が要求されてきている。これは、このスクライブした部分が太陽電池の発電に寄与しないため、この面積をできるだけ小さくして、太陽電池パネルの有効面積を増やせば、太陽電池の発電効率を向上させることができるからである。
上記、スクライブ幅を狭くするためには、レーザ光を細く集光させ、できるだけ加工面でのビーム径の変動を小さくして加工する必要がある。このためには、レーザ光学系において、常に基板表面との距離を一定に保って加工する必要がある。しかし、基板の厚みには変動があり、基板表面の高さは変動する。これに追従して距離を一定に保つためには、常にフォーカシングを行って加工する必要がある。しかし、特許文献１の装置にはオートフォーカス機構は搭載されていない。従って、スクライブ幅の狭幅化を図るには限界がある。
【０００６】
この発明の目的は、スクライブ幅の狭幅化とスクライブピッチの狭ピッチ化を可能にしたレーザパターニング装置およびレーザパターニング方法を提供することである。
具体的には、従来装置で課題となっていた狭幅化の限界の対策として、オートフォーカス機構を搭載し、さらに、このオートフォーカス機構の運用方法を工夫することで、比較的安価なオートフォーカス機構で、上述のスクライブ幅の狭幅化と狭ピッチ化が可能なレーザパターニング装置およびレーザパターニング方法を提供することである。
また、スクライブ幅の狭幅化とスクライブピッチの狭ピッチ化により、太陽電池パネルの発電効率の向上に寄与できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明のレーザパターニング装置は、基板１上に成膜された薄膜を短冊状に、レーザ光を用いて分断加工するレーザパターニング装置において、
前記基板１を載せる基板固定ステージ３と、それぞれレーザ加工ビームを照射するレーザ加工用光学系４が複数並べて設けられた光学ヘッド５と、前記基板固定ステージ３と光学ヘッド５とを相対的に前記基板１の加工面上の直交２軸方向（Ｘ，Ｙ）に移動させる光学ヘッド相対移動機構６と、この光学ヘッド相対移動機構６により前記光学ヘッド５を前記基板１に対して相対移動させる経路、並びにこの経路上で前記光学ヘッド５によるレーザ光の照射の開始および停止をそれぞれ行う基板１の加工開始位置Ｓおよび加工終了位置Ｅを制御する加工制御手段３１とを備え、
前記光学ヘッド５は、前記各レーザ加工用光学系４に、このレーザ加工用光学系４と前記基板１の加工面との距離を前記レーザ加工用光学系４の焦点距離に合わせるオートフォーカス機構７を有し、このオートフォーカス機構７の自動合焦機能であるフォーカス機能を、前記基板１の加工開始位置Ｓでオンとし、基板１の加工終了位置Ｅでオフとするフォーカス機能制御手段３２を設けたことを特徴とする。
但し、基板１の縁まで完全にスクライブする必要がある場合は、加工用レーザ光の照射開始位置は、加工開始位置Ｓの手前であっても構わない。また、加工用レーザ光の照射終了位置は、加工終了位置Ｅより後でも構わない。その場合も、フォーカス機能は加工開始位置Ｓでオンとし、加工終了位置Ｅでオフとする。
【０００８】
この構成によると、各レーザ加工用光学系４にオートフォーカス機構７を搭載しているため、加工対象である基板１の表面と加工用レンズ４ａとの距離を常に一定に保った状態でスクライブ加工が可能である。よって、スクライブ時のレーザスポットの変動を小さく抑えることができ、そのためスクライブ幅の狭幅化が可能で、これにより、スクライブピッチの狭ピッチ化も可能である。スクライブ加工を行う場合、等速状態で加工を行う必要があり、等速に至る加速期間においては、レーザ加工用光学系４下に加工対象となる基板１が存在しないため、通常のオートフォーカス機構を用いることができない。しかし、上記のように、オートフォーカス機構７のフォーカス機能を、前記基板１の加工開始位置Ｓでオンとし、基板１の加工終了位置Ｅでオフとするフォーカス機能制御手段３２を設けたため、基板１から離れた位置から加速させて等速状態で加工を開始する場合にも、適正なフォーカス機能が実現できる。
【０００９】
この発明において、前記オートフォーカス機構７に、前記レーザ加工用光学系４のフォーカス方向の位置であるフォーカス位置を検出する位置検出センサ２５を設け、前記フォーカス機能制御手段３２に、前記位置検出センサ２５の出力を記憶する検出フォーカス位置記憶手段３６と、前記フォーカス機能のオフ状態で、前記検出フォーカス位置記憶手段３６に記憶された位置に前記レーザ加工用光学系４の前記フォーカス位置を保持させるフォーカス位置保持制御手段３７とを設けるのが良い。
上記検出フォーカス位置記憶手段３６およびフォーカス位置保持制御手段３７を設けることによって、オートフォーカス機構７に位置を記憶・保持する機能を付加することで、加工開始位置Ｓでオートフォーカス機構をオンした時のフォーカス差を極力小さくできる。これにより、高性能なオートフォーカス機構を用いる必要がなく、安価な装置構成で高品位のスクライブ加工が実現可能である。
【００１０】
この発明において、前記フォーカス機能制御手段３２に、前記加工開始位置Ｓで位置させる前記レーザ加工用光学系４のフォーカス方向の位置であるフォーカス位置の指令位置を記憶し、前記レーザ加工用光学系４が前記加工開始位置Ｓに達するまでに、前記レーザ加工用光学系４の前記フォーカス位置を前記の記憶された指令位置としてこの位置を保持する開始前フォーカス位置制御手段３８を設けても良い。
この構成の場合、前記基板１の加工開始位置Ｓで前記フォーカス機能をオンしたときに、前記レーザ加工用光学系４が前記指令位置に位置する状態からフォーカス機能を開始させるようにでき、加工開始位置Ｓでオートフォーカス機能をオンした時のフォーカス差を極力小さくできる。
【００１１】
前記開始前フォーカス位置制御手段３８は、前記位置検出センサ２５、前記検出フォーカス位置記憶手段３６、および前記フォーカス位置保持制御手段３７を設けた場合、例えば次の構成とされる。
すなわち、前記開始前フォーカス位置制御手段３８は、前記加工制御手段３１に、前記光学ヘッド相対移動機構６に対して、実際の加工のための光学ヘッド５の相対移動の前に、前記光学ヘッド５を基板１の端から外れたホームポジションから基板１上の加工開始位置Ｓまで移動させ、この移動後に前記ホームポジションに戻す動作からなる加工前計測サイクルを実行させ、かつこの加工前計測サイクルで光学ヘッド５が加工開始位置Ｓに来たときの前記位置検出センサ２５で検出されたフォーカス位置を前記検出フォーカス位置記憶手段３６に記憶させ、前記フォーカス位置保持制御手段３７により、前記検出フォーカス位置記憶手段３６に記憶された位置に前記レーザ加工用光学系４の前記フォーカス位置を保持させる。この構成の場合、加工前計測サイクルで光学ヘッド５が加工開始位置Ｓに来たときの前記位置検出センサ２５で検出されたフォーカス位置が、前記フォーカス位置の指令位置となる。なお、「光学ヘッド５が加工開始位置Ｓに来た」とは、レーザ加工用光学系４が加工開始位置Ｓに来たことを言う。
このようにして、加工開始位置Ｓでオートフォーカス機能をオンした時のフォーカス差を極力小さくする制御が、具体的に実現できる。
【００１２】
なお、前記開始前フォーカス位置制御手段３８は、必ずしも前記加工前計測サイクルを行うものでなくても良い。例えば、前記フォーカス位置の指令位置を、前記位置検出センサ２５を用いることなく、適宜の入力手段から入力させるようにしても良く、また適宜定められた値としても良い。さらに、前記開始前フォーカス位置制御手段３８は、後述のキャリブレーションステージ２９を設けた場合、このキャリブレーションステージ２９を検出するサイクルを実行するものとしても良い。
【００１３】
この発明において、前記フォーカス機能制御手段３２に、前記加工終了位置Ｅでフォーカス機能をオフするときに、このオフへの切換時の、前記レーザ加工用光学系４のフォーカス方向の位置であるフォーカス位置を記憶し、記憶されたフォーカス位置に前記レーザ加工用光学系４を保持した状態としてフォーカス機能をオフする終了時フォーカス位置保持制御手段３９を設けても良い。
例えば、複数並ぶスクライブを加工するときに、加工時間の短縮のために、スクライブの加工方向を交互に逆方向として、直接に加工に寄与しない光学ヘッド５の相対移動時間を短くする方法が採られる。このような場合、加工終了位置Ｅから次の加工開始位置Ｓでの距離は僅かであるため、加工終了位置Ｅでフォーカス機能をオフしたときのレーザ加工用光学系４のフォーカス位置を保持し、次の加工を開始すれば、加工開始位置Ｓでオートフォーカス機能をオンした時のフォーカス差を小さくできる。
なお、上記の「オフへの切換時」は、オフへ切り換える瞬間時に限らず、この切換瞬間時の直前から直後までの間を含む意味である。
【００１４】
前記終了時フォーカス位置保持制御手段３９は、前記位置検出センサ２５、検出フォーカス位置記憶手段３６、およびフォーカス位置保持制御手段３７を設けた場合、例えば次の構成とされる。
すなわち、前記終了時フォーカス位置保持制御手段３９は、前記加工終了位置Ｅでフォーカス機能をオフするときに、このオフへの切換時のフォーカス位置を前記位置検出センサ２５で検出して前記検出フォーカス位置記憶手段３６に記憶させ、前記フォーカス位置保持制御手段３７により、前記検出フォーカス位置記憶手段３６に記憶された位置に前記レーザ加工用光学系４の前記フォーカス位置を保持させる。
このようにして、加工終了位置Ｅでフォーカス機能をオフするときのフォーカス位置を保持する制御が、具体的に実現できる。
【００１５】
なお、終了時フォーカス位置保持制御手段３９は、必ずしも上記位置検出センサ２５、検出フォーカス位置記憶手段３６等を用いるものでなくても良く、例えば、加工終了位置Ｅでフォーカス機能をオフするときに、単に、レーザ加工用光学系４のフォーカス位置を固定するものであっても良い。
【００１６】
この発明において、前記オートフォーカス機構７を、前記レーザ加工用光学系４に対し、レーザ加工用光学系４の並び方向の前後に取付位置の変更を可能とするフォーカス機構設置位置可変手段２８を設けても良い。
各レーザ加工用光学系４に対して全て同じ方向に隣り合うようにオートフォーカス機構７を設けた場合、配列端のレーザ加工用光学系４のオートフォーカス機構７が基板１から外れることがある。そのような場合、前記フォーカス機構設置位置可変手段２８により取付位置を配列の前後に交換することで、オートフォーカス機構７が基板から外れることが回避される。
【００１７】
この発明において、前記オートフォーカス機構７に、前記レーザ加工用光学系４の前記基板の加工面までのフォーカス距離を検出するフォーカスセンサ２３を、前記レーザ加工用光学系４に対して並べて設け、このフォーカスセンサ２３と前記レーザ加工用光学系４との並び距離を調整可能とするセンサ位置調整手段２７を設けても良い。
このセンサ位置調整手段２７が設けられていると、スクライブ加工ラインＬａに、オートフォーカス機構７のフォーカスセンサの光軸が重ならないように調整することができる。
【００１８】
この発明において、前記オートフォーカス機構７を、前記レーザ加工用光学系４に対し、スクライブ加工方向Ｌａａの前方側に設けても良い。
また、この発明において、前記オートフォーカス機構７を、前記レーザ加工用光学系４に対し、スクライブ加工方向Ｌａａの前方側と後方側とに設置位置の変更を自動で可能とするフォーカス機構設置位置自動可変手段２８Ｂを設けても良い。
このフォーカス機構設置位置自動可変手段２８Ｂは、例えば、オートフォーカス機構７を、レーザ加工用光学系４の光軸Ｏ１回りに旋回可能に設置し、モータ等の駆動源２８Ｂａによって１８０°正逆に旋回させる構成とされ、駆動源２８Ｂａの駆動方向を制御する位置変更制御部２８Ｂｂを有するものとされる。この位置変更制御部２８Ｂｂは、例えば、前記加工制御手段３１における光学ヘッド相対移動機構６を制御する移動制御手段３３における移動方向の指令からスクライブ加工方向Ｌａａを認識し、駆動源２８Ｂａを制御する。この制御は、スクライブ加工時には、スクライブ加工方向Ｌａａの前方側にオートフォーカス機構７を配置し、その後方にレーザ加工用光学系４を配置するように行う。
オートフォーカス機構７がレーザ加工用光学系４に対し、スクライブ加工方向Ｌａａの前方側に位置する場合、スクライブ加工ラインＬａ上をオートフォーカス機構７のフォーカスセンサ２３で検出することができる。このため、前記のレーザ加工用光学系４と並設してオートフォーカス機構７を設置した場合のように、隣接するスクライブ加工ラインＬａとフォーカスセンサ２３の検出位置が重なることが無いため、既存のスクライブ加工ラインＬａと重ならないように位置調整する必要は無い。
レーザ加工用光学系４に対して、スクライブ加工方向Ｌａａの前方にオートフォーカス機構７が配置されるため、フォーカス方向の位置変化を事前に検出することが可能となり、オートフォーカス機構７の追従動作の応答性にその分余裕を持たせることができる。
【００１９】
前記構成では、フォーカス機構設置位置自動可変手段２８Ｂにより自動で、オートフォーカス機構７の取り付け位置をレーザ加工用光学系４に対して、スクライブ加工方向Ｌａａの前後に自動で変更可能としたが、レーザ加工用光学系４の前後両方にオートフォーカス機構７を設けても良い。
この場合に、前記レーザ加工用光学系４に対し、スクライブ加工方向Ｌａａの前後両方に設置されたオートフォーカス機構７，７の内、スクライブ加工方向Ｌａａに対して、前記レーザ加工用光学系４の前方に設置された前記オートフォーカス機構７を選択して使用する選択使用手段２８Ｃを設けても良い。
【００２０】
この発明において、前記オートフォーカス機構７は、前記レーザ加工用光学系４のフォーカス方向の位置であるフォーカス位置を検出する位置検出センサ２５を有し、この位置検出センサ２５に検出させるキャリブレーションステージ２９を設け、このキャリブレーションステージ２９の高さを、前記基板１の加工面の加工開始位置Ｓにおける高さと略同じとしても良い。
前記キャリブレーションステージ２９が設けられていると、加工前に位置検出センサ２５でキャリブレーションステージ２９を検出し、その検出されたフォーカス位置にレーザ加工用光学系４を保持させることで、加工開始位置Ｓでオートフォーカス機能をオンした時のフォーカス差を極力小さくすることができる。
【００２１】
この発明において、前記薄膜を成膜した基板１が太陽電池パネルであっても良い。太陽電池パネルでは、太陽電池の発電効率向上のためにスクライブ幅を狭めることが要求される。そのため、この発明におけるスクライブ幅の狭幅化とスクライブピッチの狭ピッチ化が可能である効果が、効果的に発揮される。
【００２２】
この発明のレーザパターニング方法は、この発明の上記いずれかの構成のレーザパターニング装置を用い、基板１上に成膜された薄膜を短冊状に分断加工する方法である。この加工方法によると、この発明のレーザパターニング装置について前述したと同様に、スクライブ幅の狭幅化とスクライブピッチの狭ピッチ化が可能となる。
【００２３】
この発明の他のレーザパターニング方法は、基板１上に成膜された薄膜を短冊状に、レーザ光を用いて分断加工するレーザパターニング方法において、
前記基板１を載せる基板固定ステージ３と、それぞれレーザ加工ビームを照射するレーザ加工用光学系４が複数並べて設けられた光学ヘッド５と、前記基板固定ステージ３と光学ヘッド５とを相対的に前記基板１の加工面上の直交２軸方向に移動させる光学ヘッド相対移動機構６を備えたレーザパターニング装置を用い、
前記光学ヘッド５は、前記各レーザ加工用光学系４に、このレーザ加工用光学系４と前記基板１の加工面との距離を前記レーザ加工用光学系４の焦点距離に合わせるオートフォーカス機構７を有しており、このオートフォーカス機構７の自動合焦機能を、前記基板１の加工開始位置Ｓでオンとし、基板１の加工終了位置Ｅでオフとすることを特徴とする。 この方法によると、この発明のレーザパターニング装置について前述したと同様に、スクライブ幅の狭幅化とスクライブピッチの狭ピッチ化が可能となる。
【発明の効果】
【００２４】
この発明のレーザパターニング装置は、基板上に成膜された薄膜を短冊状に、レーザ光を用いて分断加工するレーザパターニング装置において、前記基板を載せる基板固定ステージと、それぞれレーザ加工ビームを照射するレーザ加工用光学系が複数並べて設けられた光学ヘッドと、前記基板固定ステージと光学ヘッドとを相対的に前記基板の加工面上の直交２軸方向に移動させる光学ヘッド相対移動機構と、この光学ヘッド相対移動機構により前記光学ヘッドを前記基板に対して相対移動させる経路、並びにこの経路上で前記光学ヘッドによるレーザ光の照射の開始および停止をそれぞれ行う基板の加工開始位置および加工終了位置を制御する加工制御手段とを備え、前記光学ヘッドは、前記各レーザ加工用光学系に、このレーザ加工用光学系と前記基板の加工面との距離を前記レーザ加工用光学系の焦点距離に合わせるオートフォーカス機構を有し、このオートフォーカス機構の自動合焦機能であるフォーカス機能を、前記基板の加工開始位置でオンとし、基板の加工終了位置でオフとするフォーカス機能制御手段を設けたため、前記オートフォーカス機構の搭載により、加工対象である基板の表面とレーザ加工用光学系との距離を常に一定に保った状態でスクライブ加工が可能となる。そのため、スクライブ時のレーザスポットの変動を小さく抑えることができて、スクライブ幅の狭幅化が可能で、これにより、スクライブピッチの狭ピッチ化も可能である。また、等速に至る加速期間においては、レーザ加工用光学系下に加工対象となる基板が存在しないが、上記のように、オートフォーカス機構の合焦機能を、前記基板の加工開始位置でオンとし、基板の加工終了位置でオフとするため、フォーカス機能が実現できる。
【００２５】
この発明のレーザパターニング方法は、この発明のレーザパターニング装置につき述べたと同様に、スクライブ時のレーザスポットの変動を小さく抑えることができて、スクライブ幅の狭幅化が可能で、これにより、スクライブピッチの狭ピッチ化も可能である。また、オートフォーカス機構のフォーカス機能を、前記基板の加工開始位置でオンとし、基板の加工終了位置でオフとするため、基板から離れた位置から加速させて等速状態で加工を開始する場合にも、適正なフォーカス機能が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の一実施形態に係るレーザパターニング装置の概念構成を示す説明図である。
【図２】（Ａ）（Ｂ）はそれぞれ、同レーザパターニング装置のレーザパターニング装置本体の一例につき、基板搬入時状態および加工時の状態を示す斜視図である。
【図３】基板と光学ヘッドの関係を示す斜視図である。
【図４】（Ａ）はレーザ加工用光学系およびオートフォーカス機構の一例を示す斜視図、（Ｂ）はそのオートフォーカス機構の取付箇所を変えた例を示す斜視図である。
【図５】移動速度とスクライブ加工範囲との関係を示す説明図である。
【図６】初期フォーカス差の説明図である。
【図７】加工前計測サイクルの説明図である。
【図８】加工動作の説明図である。
【図９】加工用レンズとフォーカス用レンズの光学オフセットの説明図である。
【図１０】フォーカスのキャリブレーションステージの説明図である。
【図１１】（Ａ）（Ｂ）はそれぞれ、同レーザパターニング装置のレーザパターニング装置本体の他の例につき、基板搬入時状態および加工時の状態を示す斜視図である。
【図１２】レーザ照射ピッチとスクライブ加工ラインの関係を示す説明図である。
【図１３】太陽電池パネルの部分拡大断面図である。
【図１４】（Ａ）はレーザ加工用光学系およびオートフォーカス機構の他の例を示す斜視図、（Ｂ）はそのオートフォーカス機構の設置位置を変えた例を示す斜視図、（Ｃ）は同図（Ａ）にフォーカス機構設置位置自動可変手段を加えた説明図である。
【図１５】図１４の例を用いた光学ヘッドと基板の関係を示し、（Ａ）は図の基板右奥方向からスクライブ加工する場合の斜視図、（Ｂ）は図の基板左手前方向からスクライブ加工する場合の斜視図である。
【図１６】レーザ加工用光学系およびオートフォーカス機構のさらに他の例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
この発明の一実施形態を図１ないし図９と共に説明する。このレーザパターニング装置は、基板１上に成膜された薄膜を短冊状に、レーザ光を用いてスクライブを加工することで分断加工する装置であって、機械部分であるパターニング装置本体２と、このパターニング装置本体２を制御する加工制御装置３０とで構成される。
【００２８】
基板１は、例えば透光性を有する太陽電池となる素材である。具体例を示すと、図１３に示すように、基板１上に、表面電極１ａ、光電変換層１ｂ、および裏面電極１ｃとなる複数層の薄膜が積層して形成されている。これらの薄膜がスクライブａの形成により分断加工されて個別のセルとなることで、集積型薄膜太陽電池とされる。同図において、Ｐ１〜Ｐ３の位置にスクライブａが加工される。
【００２９】
図１において、パターニング装置本体２は、基板１を載せる基板固定ステージ３と、それぞれレーザ加工ビームを照射するレーザ加工用光学系４が複数並べて設けられた光学ヘッド５と、前記基板固定ステージ３と光学ヘッド５とを相対的に前記基板１の加工面上の直交２軸方向（Ｘ，Ｙ方向）に移動させる光学ヘッド相対移動機構６とを有する。各レーザ加工用光学系４にはオートフォーカス機構７が設けられ、したがってオートフォーカス機構７はレーザ加工用光学系４と同数だけ設けられる。
【００３０】
図２は、パターニング装置本体２の一例を示す。この例では、基板固定ステージ３が前後方向（Ｙ軸方向）に移動可能なＹ軸ステージとなり、基台８のレール９上に基板固定ステージ３が前後方向（Ｙ軸方向）に移動自在に設置されている。基板固定ステージ３は、搬入された基板１を固定する機構（図示せず）を有しており、Ｙ軸の進退駆動機構（図示せず）により前後方向に進退駆動される。
レール９による基板固定ステージ移動経路の前部には、その左右両側に、基板固定ステージ３に対して基板１の搬入および搬出をそれぞれ行うローラコンベヤ等からなる基板搬入装置１０および基板搬出装置１１が設置されている。
【００３１】
基台８上の基板固定ステージ３が通過経する路の後部には、この通過経路に跨がって門形の支持フレーム１２が設置され、この支持フレーム１２上のレール１３に沿って、基板固定ステージ３の進退方向と直交する方向である左右方向（Ｘ軸方向）に進退自在にＸ軸ステージ１４が設置されている。Ｘ軸ステージ１４は、支持フレーム１２に設置されたＸ軸の進退駆動機構１５により進退させられる。
Ｘ軸ステージ１４には、光学ヘッド５を搭載したＺ軸ステージ１６が、前記Ｘ軸およびＹ軸に垂直な方向である鉛直方向に移動材に設置され、Ｘ軸ステージ１４に設置されたＺ軸の進退駆動機構（図示せず）により進退させられる。前記Ｘ軸の進退駆動機構１５、並びにＹ軸の進退駆動機構およびＺ軸の進退駆動機構は、それぞれ、サーボモータおよび送りねじ機構等からなる。
【００３２】
なお、パターニング装置本体２は、図２の例では基板固定ステージ３を基台８に対して前後方向（Ｙ軸方向）に移動させるようにしたが、例えば図１１に示すように、基板固定ステージ３を基台８に対して位置固定としても良い。その場合、前記門形の支持フレーム１２Ａが、基台８上のレール９Ａ上で前後移動自在なＹ軸ステージとなり、Ｙ軸の進退駆動機構（図示せず）により進退させられる。図１１の例におけるその他の構成は、図２の例と同様である。
【００３３】
図２において、光学ヘッド５には、前記のように、それぞれレーザ加工ビームを照射するレーザ加工用光学系４が複数並べて設けられており、その並び方向は、加工するスクライブの並び方向である左右方向（Ｘ軸方向）とされ、同時に複数本のスクライブの加工が可能とされている。レーザビームを発生させるレーザ発振機１７は、個々のレーザ加工用光学系４毎に設けても良く、１台のレーザ発振機１７で発生させたレーザビームを複数本に分割して各レーザ加工用光学系４に分配しても良い。いずれの場合も、レーザ発振機１７およびこのレーザ発振機１７からレーザビームをレーザ加工用光学系４に導く反射ミラー４８（図１）等の導光手段は、光学ヘッド５の一部となる。
【００３４】
図４において、オートフォーカス機構７およびレーザ加工用光学系４につき説明する。レーザ加工用光学系４は、対物レンズ等の加工用レンズ４ａと、この加工用レンズ４ａにレーザビームを導く光学部品であるビームエキスパンダ４ｂとでなり、ビームエキスパンダ４ｂに対して加工用レンズ４ａを遠近方向に移動させることで、レーザ加工用光学系４の焦点距離の調整が可能である。なお、この明細書、図面では、レンズとこのレンズを内蔵したケースとを含めて加工用レンズ４ａと称している。
【００３５】
オートフォーカス機構７は、ビームエキスパンダ４ｂに対して加工用レンズ４ａを遠近方向に移動させるレンズ移動機構７ａと、加工対象面のフォーカス方向の位置を検出して前記レンズ移動機構７ａに対して移動命令となる信号を与えるフォーカス自動化手段７ｂとでなる。
【００３６】
図４の例では、加工用レンズ４ａの隣に配置したフォーカス用レンズ１８を、加工用レンズ４ａと共に昇降体１９に搭載し、昇降体１９を光学系基台２０にリニアガイド２１を介して昇降自在に支持している。昇降体１９の昇降駆動は、光学系基台２０に設置されたボイスコイルモータ等からなる直動アクチュエータ２２により行う。これらリニアガイド２１と直動アクチュエータ２２とで前記レンズ移動機構７ａが構成される。光学系基台２０は、個々のレーザ加工用光学系４に設けられた基台であり、光学ヘッド５のフレームとなる部材（図示せず）に取付けられる。
【００３７】
フォーカス用レンズ１８の上方には、フォーカス用レンズ１８を介して加工対象面までのフォーカス距離を検出するフォーカスセンサ２３が、光学系基台２０に設置されている。フォーカスセンサ２３によるフォーカスの検出には、例えば、極一般的な非点収差法を用いて４分割フォトダイオードで検出する方式を採用する。これらフォーカスセンサ２３と、フォーカス用レンズ１８と、フォーカスセンサ２３の出力信号により直動アクチュエータ２２に動作命令を出力する信号伝達系２４とで、前記フォーカス自動化手段７ｂが構成される。信号伝達系２４は、前記出力信号を処理する機能を有するものであっても、また前記信号を単に伝達するものであっても良い。前記フォーカス自動化手段７ｂは、フォーカスセンサ２３の出力信号に応じて、前記直動アクチュエータ２２を駆動して加工用レンズ４ａとフォーカス用レンズ１８を基板１の加工面である上面に対して鉛直のＺ軸方向に移動させて、常に、加工用レンズ４ａのフォーカスを合焦させるように制御する。
【００３８】
前記リニアガイド２１には、リニアスケール等の位置検出センサ２５が搭載されてリニアガイド２１における移動側部材の位置の検出が可能となっている。これにより、加工用レンズ４ａの昇降位置であるフォーカス位置が検出される。前記フォーカス自動化手段７ｂの前記信号伝達系２４は、外部からの信号により、フォーカスセンサ２３の出力信号の伝達をオフにしてオートフォーカス機能をオフにする機能を有していて、前記直動アクチュエータ２２は、オートフォーカス機能をオフにした状態で、前記信号伝達系２４とは別の入力系から、駆動の制御が可能とされる。このとき、前記位置検出センサ２５の検出値を用いて、位置検出センサ２５の検出可能範囲で前記加工用レンズ４ａを任意のフォーカス位置に移動させ、また保持することが可能である。
【００３９】
フォーカスセンサ２３およびフォーカス用レンズ１８を含むオートフォーカス機構７は、図４（Ａ）ではレーザ加工用光学系４に対して図の左側に搭載されているが、図４（Ｂ）のようにレーザ加工用光学系４に対して図の右側に取付位置の変更を可能とするオートフォーカス機構設置位置可変手段２８が設けられている。このオートフォーカス機構設置位置可変手段２８は、例えばビームエキスパンダ４ｂおよび加工用レンズ４ａおよびの両側面に設けられてフォーカスセンサ２３およびフォーカス用レンズ１８をそれぞれ着脱可能に取付ける取付具からなる。この取付位置の変更は、次の理由で設けられる。すなわち、図４（Ａ）のように左側にオートフォーカス機構７が搭載されていると、図３に示したように複数個のレーザ加工用光学系４を配列した場合に、Ｘ軸方向の一番左側のオートフォーカス機構７においては、基板１の左端側のスクライブ加工時に、フォーカスセンサが基板１から外れてしまう可能性がある。そのため配列の左端のオートフォーカス機構７は、図３，図４（Ｂ）に示したように、加工用レンズ４ａの右側にオートフォーカス機構７を取付けることで、基板１から外れることを回避する。
【００４０】
また、図９に示したように、レーザ加工用光学系４の光軸Ｏ１とフォーカスセンサ２３の光軸Ｏ２（フォーカスレンズ１８の光軸Ｏ２）はオフセットしているが、このオフセット距離は、スクライブ加工ラインにフォーカスセンサ２３の光軸Ｏ２が重ならないように、センサ位置調整手段２７で調整可能とされている。スクライブ加工ラインＬａとフォーカスセンサ２３の光軸Ｏ２が重なってしまうと、既にスクライブ加工された段差により、フォーカスがずれてしまう可能性があるからである。センサ位置調整手段２７は、例えば互いにねじ部材で間隔調整可能に連結された２つの部材２７ａ，２７ｂに、それぞれレーザ加工用光学系４とフォーカスセンサ２３を取付けるようにしたものである。
【００４１】
図１４は、レーザ加工用光学系４とオートフォーカス機構７との配置関係の他の例を示す。この例では、レーザ加工用光学系４に対してオートフォーカス機構７を、スクライブ加工ラインＬａの方向と同一方向に並べて搭載している。スクライブ加工ラインＬａは、スクライブａ（図１，図１５）を加工するラインであり、その加工の進行方法をスクライブ加工方向Ｌａａと称す。オートフォーカス機構７は、スクライブ加工方向Ｌａａに対して、レーザ加工用光学系４の前方側に搭載される。図１４（Ａ）は、スクライブ加工方向Ｌａａが図の右奥方向から左手前方向の場合を示し、図１４（Ｂ）は、（Ａ）とは反対にスクライブ加工方向Ｌａａが図の左手前から右奥方向の場合を示している。
【００４２】
この例では、オートフォーカス機構７は、図１４（Ａ）と（Ｂ）の設置位置の切り替えを、オートフォーカス機構設置位置自動可変手段２８Ｂにより自動で変更可能となっており、スクライブ加工方向Ｌａａを変える前に自動で設置位置が変更できるようになっている。すなわち、オートフォーカス機構７を、レーザ加工用光学系４に対し、スクライブ加工方向Ｌａａの前方側と後方側とに設置位置の変更を自動で可能とするフォーカス機構設置位置自動可変手段２８Ｂを設けている。このフォーカス機構設置位置自動可変手段２８Ｂは、例えば、オートフォーカス機構７を、レーザ加工用光学系４の光軸Ｏ１回りに旋回可能に設置し、モータ等の駆動源２８Ｂａによって１８０°正逆に旋回させる構成とし、駆動源２８Ｂａの駆動方向を制御する位置変更制御部２８Ｂｂを有するものとされる。図示の例では、レーザ加工用光学系４のフォーカス用レンズ１８を設置した昇降体１９に、レーザ加工用光学系４の光軸Ｏ１回りに旋回自在に旋回台２８Ｂｃを設け、この旋回台２８Ｂｃにオートフォーカス機構７を搭載し、駆動源２８Ｂａによって旋回台２８Ｂｃを正逆回動させる構成とされている。前記位置変更制御部２８Ｂｂは、例えば、前記加工制御装置３０のフォーカス機能制御手段３２に設けられ、光学ヘッド相対移動機構６を制御する加工制御手段３１の移動制御手段３３による移動方向の指令からスクライブ加工方向Ｌａａを認識し、駆動源２８Ｂａを制御する。この制御は、スクライブ加工時には、スクライブ加工方向Ｌａａの前方側にオートフォーカス機構７を配置し、その後方にレーザ加工用光学系４を配置するように行う。なお、図１４において、加工制御装置３０は、特に説明した事項の他は、図１の例と同様であるが、簡略化して図示してある。
【００４３】
図１５（Ａ）は、図１４（Ａ）に示したレーザ加工用光学系４とオートフォーカス機構７の配置関係でスクライブ加工する場合の例を示し、図１５（Ｂ）は、図１４（Ｂ）に示した配置関係でスクライブ加工する場合の例を示している。
【００４４】
図１６は、レーザ加工用光学系４とオートフォーカス機構７との配置関係のさらに他の例を示す。この例では、レーザ加工用光学系４に対して、スクライブ加工方向Ｌａａの前後両方にオートフォーカス機構７を設置している。また、レーザ加工用光学系４に対し、スクライブ加工方向Ｌａａの前後両方に設置されたオートフォーカス機構７，７の内、スクライブ加工方向Ｌａａに対して、レーザ加工用光学系４の前方に設置されたオートフォーカス機構７を選択して使用する選択使用手段２８Ｃを設けている。選択使用手段２８Ｃは、例えば前記加工制御手段３０のフォーカス機能制御手段３２に設けられ、光学ヘッド相対移動機構６を制御する移動制御手段３３による移動方向の指令からスクライブ加工方向Ｌａａを認識し、使用するオートフォーカス機構７を選択する制御を行う。なお、図１６において、加工制御装置３０は、特に説明した事項の他は、図１の例と同様であるが、簡略化して図示してある。
この構成の機構を用いてスクライブ加工を行う場合は、スクライブ加工方向Ｌａａの切り替え時に、スクライブ加工方向Ｌａａに対してレーザ加工用光学系４の前方に位置するオートフォーカス機構７を選択して使用することで、前記と同様に両方のスクライブ加工方向Ｌａａに対応が可能である。
【００４５】
なお、上述のオートフォーカス機構７は、あくまでも例示であり、フォーカス用センサ２３は非点収差法を用いない別の方式でも構わない。また、直動アクチュエータ２２もボイスコイルモータでなくても、別の方式でも構わない。さらに、リニアガイド２１の位置を検出する方式も、リニスケール以外の方式でも構わない。
【００４６】
図１において、加工制御装置３０は、レーザパターニング装置本体２の全体を制御する手段であって、数値制御装置としての機能と、プログラマブルコントローラとしての機能を有するものである。加工制御装置３０は、パーソナルコンピュータ等のコンピュータと、このコンピュータに実行される加工プログラム（図示せず）とにより、次の加工制御手段３１と、フォーカス機能制御手段３２とが構成されている。加工制御手段３１は、移動制御手段３３、レーザ出力制御手段３４とでなる。
【００４７】
移動制御手段３３は、前記加工プログラムの指令に従って、光学ヘッド相対移動機構６の各軸の駆動機構の駆動源６ａ，６ｂ，６ｃに出力を行い、光学ヘッド５を基板１に対して相対移動させる経路および速度を制御する手段である。光学ヘッド５を基板１に対して相対移動させる経路は、基板１に形成する各スクライブａに沿って光学ヘッド５を相対移動させるスクライブ上経路と、各スクライブ上経路間で光学ヘッド５を相対移動させるスクライブ間経路とを含む。移動制御手段３３は、各軸の駆動源６ａ，６ｂ，６ｃに設けられた位置検出器（図示せず）または、各軸の駆動源６ａ，６ｂ，６ｃで移動させられる部材の位置を検出する位置検出器（図示せず）の検出値によって、光学ヘッド５の各軸方向の相対位置を検出し、各位置検出器の検出値によってフィードバック制御を行う機能を有する。また、移動制御手段３３は、その速度制御パターンとして、図５に示したように、１本のスクライブを加工するスクライブ加工範囲、またはこのスクライブ加工範囲よりも前後に若干の余裕を持たせた距離を定速範囲とし、その両側の加減速範囲では加速度（減速度）一定となる台形制御を行う。
【００４８】
レーザ出力制御手段３４は、レーザ発振機１７のオンオフの制御を行う手段である。レーザ出力制御手段３４は、光学ヘッド５と基板１の相対位置における、レーザ発振機１７をオンとする加工開始位置Ｓと、レーザ発振機１７をオフとする加工終了位置Ｅとを記憶している。これら加工開始位置Ｓと加工終了位置Ｅは、基板１に加工する各スクライブａの一端と他端の位置であり、前記加工プログラム等によって定められている。加工開始位置Ｓおよび加工終了位置Ｅに光学ヘッド５が位置したことは、移動制御手段３２で制御に用いる位置検出器の出力によって認識される。
【００４９】
フォーカス機能制御手段３２は、オートフォーカス機構７を制御する手段であり、フォーカス機能オンオフ手段３５と、検出フォーカス位置記憶手段３６と、フォーカス位置制御手段３７とを有し、さらに開始前フォーカス位置制御手段３８および終了時フォーカス位置保持制御手段３９を有している。
フォーカス機能オンオフ手段３５は、オートフォーカス機構７の自動合焦機能であるフォーカス機能を、基板１の加工開始位置Ｓでオンとし、加工終了位置Ｅでオフとする機能を有する。光学ヘッド５が加工開始位置Ｓおよび加工終了位置Ｅに位置したことは、前記移動制御手段３３で制御に用いる位置検出器の出力によって認識される。
【００５０】
検出フォーカス位置記憶手段３６は、各レーザ加工用光学系４のオートフォーカス機構７に設けられた位置検出センサ２５の検出値を記憶する手段である。
フォーカス位置保持制御手段３７は、検出フォーカス位置記憶手段３６に記憶された位置に、対応する各レーザ加工用光学系４のフォーカス位置を保持させる手段であり、フォーカス動作を行わせる前記直動アクチュエータ２２を停止状態に維持させることで、前記フォーカス位置の保持を行う。フォーカス位置保持制御手段３７は、フォーカス機能オンオフ手段３５によるフォーカス機能のオフ状態で、その機能が可能となる。
【００５１】
開始前フォーカス位置制御手段３８は、基板１の加工開始位置Ｓでフォーカス機能をオンしたときに、レーザ加工用光学系４が指令位置にある状態からフォーカス機能を開始させるようにした手段である。すなわち、開始前フォーカス位置制御手段３８は、加工開始位置Ｓで位置させるレーザ加工用光学系４のフォーカス位置の指令位置を記憶し、レーザ加工用光学系４が加工開始位置Ｓに達するまでに、レーザ加工用光学系４のフォーカス位置を前記の記憶された指令位置としてこの位置を保持する手段である。
【００５２】
開始前フォーカス位置制御手段３８は、具体的には、加工制御手段３１に、光学ヘッド相対移動機構６に対して、実際の加工のための光学ヘッド５の相対移動の前に、図７と共に後述するように、光学ヘッド５を基板１の端から外れたホームポジションから基板１上の加工開始位置Ｓまで移動させ、この移動後に前記ホームポジションに戻す動作からなる加工前計測サイクルを実行させる。かつ、この加工前計測サイクルで光学ヘッド５が加工開始位置Ｓに来たときの前記位置検出センサ２５で検出されたフォーカス位置を、前記の指令位置として検出フォーカス位置記憶手段３６に記憶させ、フォーカス位置保持制御手段３７により、前記検出フォーカス位置記憶手段３６に記憶された位置にレーザ加工用光学系４のフォーカス位置を保持させる。
【００５３】
なお、開始前フォーカス位置制御手段３８は、必ずしも前記加工前計測サイクルを行うものでなくても良い。例えば、前記フォーカス位置の指令位置を、前記位置検出センサ２５を用いることなく、適宜の入力手段から入力させるようにしても良く、また適宜定められた値としても良い。さらに、前記開始前フォーカス位置制御手段３８は、後述のキャリブレーションステージ２９を設けた場合、このキャリブレーションステージ２９を検出するサイクルを実行するものとしても良い。
【００５４】
終了時フォーカス位置保持制御手段３９は、前記加工終了位置Ｅでフォーカス機能をオフするときに、このオフへの切換時の、前記レーザ加工用光学系４のフォーカス位置を記憶し、記憶されたフォーカス位置にレーザ加工用光学系４を保持した状態としてから、フォーカス機能オンオフ手段３５にフォーカス機能をオフさせる手段である。
【００５５】
終了時フォーカス位置保持制御手段３９は、具体的には次の構成とされる。すなわち、加工終了位置Ｅでフォーカス機能をオフするときに、このオフへの切換時のフォーカス位置を前記位置検出センサ２５で検出して検出フォーカス位置記憶手段３６させ、前記フォーカス位置保持制御手段３７により、検出フォーカス位置記憶手段３６に記憶された位置にレーザ加工用光学系４のフォーカス位置を保持させる。
【００５６】
なお、終了時フォーカス位置保持制御手段３９は、必ずしも上記位置検出センサ２５や検出フォーカス位置記憶手段３６を用いるものでなくても良く、例えば、加工終了位置Ｅでフォーカス機能をオフするときに、単に、レーザ加工用光学系４のフォーカス位置を固定するものであっても良い。
【００５７】
次に、上記構成の作用を説明する。この例では基板１が太陽電池パネルである場合につき説明する。太陽電池のスクライブ加工を行う装置では、図３に示したように、同一の基板１内に１００本以上のスクライブａの加工を行う必要がある。そのため、複数本同時に加工できるように、レーザ加工用光学系４を複数本搭載している。このレーザ加工用光学系４の１本毎の焦点距離を基板１の表面と常に一定に保つため、それぞれの光学系４に、図４と共に前述したオートフォーカス機構７を搭載している。
【００５８】
スクライブ加工は、図１２に示したように、レーザ照射範囲Ｌの重なり部をできるだけ少なく、なおかつ重なり部の変動を少なくして加工するためには、図５に示したように、基板１をレーザ加工用光学系４に対する相対移動として、等速移動させた状態で加工する必要がある。また、スクライブ加工時間をより短くするため、近年では、基板１の移動速度が２０００ｍｍ／ｓと非常に高速での加工が要求されてきている。
【００５９】
オートフォーカス機構７は、フォーカスの対象となる基板１の表面位置を検出して、レーザ加工用光学系４の全体または加工用レンズ４ａを移動させて、常に基板表面との距離を一定に保つように働く。しかし、上述したように、２０００ｍｍ／ｓで等速になった状態でレーザ加工するためには、少なからず、助走距離（加速距離）が必要となる。図５に示したように、助走時にはレーザ加工ビームを基板表面に当てることはできない。従って、基板１が２０００ｍｍ／ｓに到達し、基板端にレーザ加工用光学系４が到達した時からしか、オートフォーカス機構７を働かせることができない。この場合において、従来の単にフォーカス機能をオンオフする制御では、図６に示したように、基板１の端にレーザ加工用光学系４が到達した時点で、初期のフォーカス差が大きい場合、これに追従して瞬時にフォーカスさせるためには、非常に高性能なオートフォーカス機構が必要となる。フォーカス性能が悪いと、フォーカスが合うまでに時間が掛かってしまい、図６に示した追従距離が長くなってしまう。この追従距離の間は、フォーカスが合っていない状態での加工となってしまい、スクライブ幅を狭幅化することはできない。
【００６０】
この実施形態では、上記課題を解決するため、オートフォーカス機構７の駆動機構に、加工用レンズ４ａの位置を検出する位置検出センサ２５を設け、フォーカス位置保持制御手段３７を設けることで、検出した位置に加工用レンズ４ａを保持することを可能としている。このフォーカス位置保持制御手段３７を設けると共に、オートフォーカスの運用方法を工夫し、非常に安価なオートフォーカス機構７でも、基板１の端からフォーカスの合った加工を実現している。
【００６１】
この実施形態のレーザパターニング装置では、加工開始位置Ｓである基板１の端において、レーザ加工用光学系４のフォーカス差が小さくなるように、予め基板端位置でフォーカス合わせを行い、そのフォーカス位置を保持した状態に保つことができるようになっている。
図７を用いて、フォーカス合わせの方法について説明する。図７（Ａ）は、パターニング装置の光学ヘッド５のホームポジションであり、この位置から基板１の端で等速になるように加速を開始する。図７（Ｂ）は、基板端位置で、この位置から実際のスクライブ加工を行う。この実施形態では、図１の開始前フォーカス位置制御手段３８の制御により、予めこの基板端位置にレーザ加工用光学系４が位置するように光学ヘッド５を移動させ、一度フォーカス合わせを行い、このフォーカス位置となる加工用レンズ４ａの位置を検出フォーカス位置記憶手段３６に記憶し、フォーカス位置保持制御手段３７によって、その記憶されたフォーカス位置を保持する。その後、図７（Ｃ）のように再度ホームポジションに戻る。
【００６２】
実際のスクライブ加工時には、図８（Ａ）のホームポジションから加速を開始し、基板端前で加工速度まで到達した状態となる。そして、図８（Ｂ）の基板端位置（Ａ位置）に到達した時点でオートフォーカス機構７をオンする。オートフォーカス機構７は、予め、上述したように基板端位置でフォーカスが合焦した状態で保持されているため、ほとんどフォーカスずれがなく、フォーカスオンした時点から高品位の加工が可能である。
【００６３】
次に、図１の終了時フォーカス位置保持制御手段３９の制御により、加工端であるもう一方の基板端（Ｂ位置）に到達した時点で、フォーカス機能をオフする。このオフへの切換時のオートフォーカス機構７のフォーカス位置を、検出フォーカス位置記憶手段３６に記憶し、その位置したフォーカス位置に、フォーカス位置保持制御手段３７によって保持させる。そして、減速し図８（Ｄ）の位置に到達し、１回のスクライブ加工が完了する。
【００６４】
スクライブ加工は、前述したように、基板１に、あるスクライブピッチで数百本の加工を行う必要があるため、加工時間の短縮のため往復での加工とする。よって、今度は、図８（Ｄ）の位置から加速し、Ｂ位置から加工開始となる。この場合は、Ｂ位置にレーザ光学系が到達した時点でオートフォーカスをオンして加工することになる。オートフォーカス機構７は、前述のように、Ｂ位置でオートフォーカス機能をオフした状態を記憶し、その位置を保持しているため、スクライブピッチ分基板の短手方向に移動してはいるが、その移動距離は数ｍｍであり、大きなフォーカス差はなく、直ぐに合焦した状態での加工が可能である。
【００６５】
図１０は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態は、図１〜図９に示す前記実施形態において、フォーカスセンサ２３に検出させるキャリブレーションステージ２９を、基板１の端から離れた位置に設け、このキャリブレーションステージ２９の表面高さを基板端の加工開始位置Ｓの高さと略同じにしたものである。
【００６６】
この実施形態の場合、前記キャリブレーションステージ２９でフォーカス合わせを行い、そのフォーカス位置を維持し、光学ヘッド５が基板端に達した時にオートフォーカス機構７の自動合焦機能をオンさせる。これによれば、スクライブ加工時に基板端（図８、Ａ位置）でオートフォーカスをオンした時のフォーカス差を、図７で示した方法の時と同じように小さくすることが可能である。この場合、図７の方法のように、基板端までレーザ光学系を移動させてフォーカス合わせを行う必要がなくなる。そのため加工サイクルが向上する。
なお、この実施形態の場合、図１の開始前フォーカス位置制御手段３８は、キャリブレーションステージ２９でフォーカス合わせを行い、そのフォーカス位置の検出値を検出フォーカス位置記憶手段３６に記憶させ、その記憶した位置にフォーカス位置を保持させる制御をフォーカス位置保持制御手段３７に行わせる。図１０の実施形態におけるその他の構成，効果は、図１等と共に説明した第１の実施形態と同様である。
【００６７】
これら実施形態によれば、上述のように、オートフォーカス機構７の位置の記憶・保持機能を用いて、基板端で初期フォーカス合わせ、加工端でのオートフォーカスオフ時にフォーカス位置を記憶・保持させ、オートフォーカスを加工開始位置Ｓと加工終了位置Ｅでオン／オフすることで、基板全域で自動合焦状態での高品位な加工を実現している。これにより、基板１の表面でレーザビーム径を均一に保つことが可能になり、スクライブ幅の狭幅が可能になる。狭幅化が可能になることで、スクライブピッチの狭ピッチ化も可能となる。
【符号の説明】
【００６８】
１…基板
２…レーザパターニング装置本体
３…基板固定ステージ
４…レーザ加工用光学系
４ａ…加工用レンズ
５…光学ヘッド
６…光学ヘッド相対移動機構
７…オートフォーカス機構
２３…フォーカスセンサ
２５…位置検出センサ
２７…センサ位置調整手段
２８…フォーカス機構設置位置可変手段
２８Ｂ…フォーカス機構設置位置自動可変手段
２８Ｃ…選択使用手段
２９…キャリブレーションステージ
３０…加工制御装置
３１…加工制御手段
３２…フォーカス機能制御手段
３６…検出フォーカス位置記憶手段
３７…フォーカス位置保持制御手段
３８…開始前フォーカス位置制御手段
３９…終了時フォーカス位置保持制御手段
ａ…スクライブ
Ｌａ…スクライブ加工ライン
Ｌａａ…スクライブ加工方向
Ｅ…加工終了位置
Ｓ…加工開始位置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に成膜された薄膜を短冊状に、レーザ光を用いて分断加工するレーザパターニング装置において、
前記基板を載せる基板固定ステージと、それぞれレーザ加工ビームを照射するレーザ加工用光学系が複数並べて設けられた光学ヘッドと、前記基板固定ステージと光学ヘッドとを相対的に前記基板の加工面上の直交２軸方向に移動させる光学ヘッド相対移動機構と、この光学ヘッド相対移動機構により前記光学ヘッドを前記基板に対して相対移動させる経路、並びにこの経路上で前記光学ヘッドによるレーザ光の照射の開始および停止をそれぞれ行う基板の加工開始位置および加工終了位置を制御する加工制御手段とを備え、
前記光学ヘッドは、前記各レーザ加工用光学系に、このレーザ加工用光学系と前記基板の加工面との距離を前記レーザ加工用光学系の焦点距離に合わせるオートフォーカス機構を有し、このオートフォーカス機構の自動合焦機能であるフォーカス機能を、前記基板の加工開始位置でオンとし、基板の加工終了位置でオフとするフォーカス機能制御手段を設けたことを特徴とするレーザパターニング装置。
【請求項２】
請求項１において、前記オートフォーカス機構に、前記レーザ加工用光学系のフォーカス方向の位置であるフォーカス位置を検出する位置検出センサを設け、前記フォーカス機能制御手段に、前記位置検出センサの出力を記憶する検出フォーカス位置記憶手段と、前記フォーカス機能のオフ状態で、前記検出フォーカス位置記憶手段に記憶された位置に前記レーザ加工用光学系の前記フォーカス位置を保持させるフォーカス位置保持制御手段とを設けたレーザパターニング装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記フォーカス機能制御手段に、前記加工開始位置で位置させる前記レーザ加工用光学系のフォーカス方向の位置であるフォーカス位置の指令位置を記憶し、前記レーザ加工用光学系が前記加工開始位置に達するまでに、前記レーザ加工用光学系のフォーカス位置を前記の記憶された指令位置としてこの位置を保持する開始前フォーカス位置制御手段を設け、前記基板の加工開始位置で前記フォーカス機能をオンしたときに、前記レーザ加工用光学系が前記指令位置にある状態からフォーカス機能を開始させるようにしたレーザパターニング装置。
【請求項４】
請求項３において、前記オートフォーカス機構に、前記レーザ加工用光学系の前記フォーカス位置を検出する位置検出センサを設け、前記フォーカス機能制御手段に、前記位置検出センサの出力を記憶する検出フォーカス位置記憶手段と、前記フォーカス機能のオフ状態で、前記検出フォーカス位置記憶手段に記憶された位置に前記レーザ加工用光学系の前記フォーカス位置を保持させるフォーカス位置保持制御手段を設け、
前記開始前フォーカス位置制御手段は、前記加工制御手段に、前記光学ヘッド相対移動機構に対して、実際の加工のための光学ヘッドの相対移動の前に、前記光学ヘッドを基板の端から外れたホームポジションから基板上の加工開始位置まで移動させ、この移動後に前記ホームポジションに戻す動作からなる加工前計測サイクルを実行させ、かつこの加工前計測サイクルで光学ヘッドが加工開始位置に来たときの前記位置検出センサで検出されたフォーカス位置を前記検出フォーカス位置記憶手段に記憶させ、前記フォーカス位置保持制御手段により、前記検出フォーカス位置記憶手段に記憶された位置に前記レーザ加工用光学系の前記フォーカス位置を保持させるレーザパターニング装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４いずれか１項において、前記フォーカス機能制御手段に、前記加工終了位置でフォーカス機能をオフするときに、このオフへの切換時の、前記レーザ加工用光学系のフォーカス方向の位置であるフォーカス位置を記憶し、記憶されたフォーカス位置に前記レーザ加工用光学系を保持した状態としてフォーカス機能をオフする終了時フォーカス位置保持制御手段を設けたレーザパターニング装置。
【請求項６】
請求項５において、前記オートフォーカス機構に、前記レーザ加工用光学系の前記フォーカス位置を検出する位置検出センサを設け、前記フォーカス機能制御手段に、前記位置検出センサの出力を記憶する検出フォーカス位置記憶手段と、前記フォーカス機能のオフ状態で、前記検出フォーカス位置記憶手段に記憶された位置に前記レーザ加工用光学系の前記フォーカス位置を保持させるフォーカス位置保持制御手段とを設け、
前記終了時フォーカス位置保持制御部は、前記加工終了位置でフォーカス機能をオフするときに、このオフ直前のフォーカス位置を前記位置検出センサで検出して前記検出フォーカス位置記憶手段に記憶させ、前記フォーカス位置保持制御手段により、前記検出フォーカス位置記憶手段に記憶された位置に前記レーザ加工用光学系の前記フォーカス位置を保持させるレーザパターニング装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記オートフォーカス機構を、前記レーザ加工用光学系に対し、レーザ加工用光学系並び方向の前後に取付位置の変更を可能とするフォーカス機構設置位置可変手段を設けたレーザパターニング装置。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記オートフォーカス機構に、前記レーザ加工用光学系の前記基板の加工面までのフォーカス距離を検出するフォーカスセンサを、前記レーザ加工用光学系に対して並べて設け、このフォーカスセンサと前記レーザ加工用光学系との並び距離を調整可能とするセンサ位置調整手段を設けたレーザパターニング装置。
【請求項９】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記オートフォーカス機構を、前記レーザ加工用光学系に対し、スクライブ加工方向の前方側に設けたレーザパターニング装置。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記オートフォーカス機構を、前記レーザ加工用光学系に対し、スクライブ加工方向の前方側と後方側とに設置位置の変更を自動で可能とするフォーカス機構設置位置自動可変手段を設けたレーザパターニング装置。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記オートフォーカス機構を、前記レーザ加工用光学系に対し、スクライブ加工方向の前後両方に設置したレーザパターニング装置。
【請求項１２】
前記請求項１１において、前記レーザ加工用光学系に対し、スクライブ加工方向の前後両方に設置されたオートフォーカス機構の内、スクライブ加工方向に対して、前記レーザ加工用光学系の前方に設置された前記オートフォーカス機構を選択して使用する選択使用手段を設けたレーザパターニング装置。
【請求項１３】
請求項１ないし請求項１２のいずれか１項において、前記オートフォーカス機構は、前記レーザ加工用光学系のフォーカス方向の位置であるフォーカス位置を検出する位置検出センサを有し、この位置検出センサに検出させるキャリブレーションステージを設け、このキャリブレーションステージの高さを、前記基板の加工面の加工開始位置における高さと略同じとしたレーザパターニング装置。
【請求項１４】
請求項１ないし請求項１３のいずれか１項において、前記薄膜を成膜した基板が太陽電池パネルであるレーザパターニング装置。
【請求項１５】
請求項１ないし請求項１４のいずれか１項に記載のレーザパターニング装置を用い、基板上に成膜された薄膜を短冊状に分断加工するレーザパターニング方法。
【請求項１６】
基板上に成膜された薄膜を短冊状に、レーザ光を用いて分断加工するレーザパターニング方法において、
前記基板を載せる基板固定ステージと、それぞれレーザ加工ビームを照射するレーザ加工用光学系が複数並べて設けられた光学ヘッドと、前記基板固定ステージと光学ヘッドとを相対的に前記基板の加工面上の直交２軸方向に移動させる光学ヘッド相対移動機構を備えたレーザパターニング装置を用い、
前記光学ヘッドは、前記各レーザ加工用光学系に、このレーザ加工用光学系と前記基板の加工面との距離を前記レーザ加工用光学系の焦点距離に合わせるオートフォーカス機構を有しており、このオートフォーカス機構の自動合焦機能を、前記基板の加工開始位置でオンとし、基板の加工終了位置でオフとすることを特徴とするレーザパターニング方法。
【請求項１】
基板上に成膜された薄膜を短冊状に、レーザ光を用いて分断加工するレーザパターニング装置において、
前記基板を載せる基板固定ステージと、それぞれレーザ加工ビームを照射するレーザ加工用光学系が複数並べて設けられた光学ヘッドと、前記基板固定ステージと光学ヘッドとを相対的に前記基板の加工面上の直交２軸方向に移動させる光学ヘッド相対移動機構と、この光学ヘッド相対移動機構により前記光学ヘッドを前記基板に対して相対移動させる経路、並びにこの経路上で前記光学ヘッドによるレーザ光の照射の開始および停止をそれぞれ行う基板の加工開始位置および加工終了位置を制御する加工制御手段とを備え、
前記光学ヘッドは、前記各レーザ加工用光学系に、このレーザ加工用光学系と前記基板の加工面との距離を前記レーザ加工用光学系の焦点距離に合わせるオートフォーカス機構を有し、このオートフォーカス機構の自動合焦機能であるフォーカス機能を、前記基板の加工開始位置でオンとし、基板の加工終了位置でオフとするフォーカス機能制御手段を設けたことを特徴とするレーザパターニング装置。
【請求項２】
請求項１において、前記オートフォーカス機構に、前記レーザ加工用光学系のフォーカス方向の位置であるフォーカス位置を検出する位置検出センサを設け、前記フォーカス機能制御手段に、前記位置検出センサの出力を記憶する検出フォーカス位置記憶手段と、前記フォーカス機能のオフ状態で、前記検出フォーカス位置記憶手段に記憶された位置に前記レーザ加工用光学系の前記フォーカス位置を保持させるフォーカス位置保持制御手段とを設けたレーザパターニング装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記フォーカス機能制御手段に、前記加工開始位置で位置させる前記レーザ加工用光学系のフォーカス方向の位置であるフォーカス位置の指令位置を記憶し、前記レーザ加工用光学系が前記加工開始位置に達するまでに、前記レーザ加工用光学系のフォーカス位置を前記の記憶された指令位置としてこの位置を保持する開始前フォーカス位置制御手段を設け、前記基板の加工開始位置で前記フォーカス機能をオンしたときに、前記レーザ加工用光学系が前記指令位置にある状態からフォーカス機能を開始させるようにしたレーザパターニング装置。
【請求項４】
請求項３において、前記オートフォーカス機構に、前記レーザ加工用光学系の前記フォーカス位置を検出する位置検出センサを設け、前記フォーカス機能制御手段に、前記位置検出センサの出力を記憶する検出フォーカス位置記憶手段と、前記フォーカス機能のオフ状態で、前記検出フォーカス位置記憶手段に記憶された位置に前記レーザ加工用光学系の前記フォーカス位置を保持させるフォーカス位置保持制御手段を設け、
前記開始前フォーカス位置制御手段は、前記加工制御手段に、前記光学ヘッド相対移動機構に対して、実際の加工のための光学ヘッドの相対移動の前に、前記光学ヘッドを基板の端から外れたホームポジションから基板上の加工開始位置まで移動させ、この移動後に前記ホームポジションに戻す動作からなる加工前計測サイクルを実行させ、かつこの加工前計測サイクルで光学ヘッドが加工開始位置に来たときの前記位置検出センサで検出されたフォーカス位置を前記検出フォーカス位置記憶手段に記憶させ、前記フォーカス位置保持制御手段により、前記検出フォーカス位置記憶手段に記憶された位置に前記レーザ加工用光学系の前記フォーカス位置を保持させるレーザパターニング装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４いずれか１項において、前記フォーカス機能制御手段に、前記加工終了位置でフォーカス機能をオフするときに、このオフへの切換時の、前記レーザ加工用光学系のフォーカス方向の位置であるフォーカス位置を記憶し、記憶されたフォーカス位置に前記レーザ加工用光学系を保持した状態としてフォーカス機能をオフする終了時フォーカス位置保持制御手段を設けたレーザパターニング装置。
【請求項６】
請求項５において、前記オートフォーカス機構に、前記レーザ加工用光学系の前記フォーカス位置を検出する位置検出センサを設け、前記フォーカス機能制御手段に、前記位置検出センサの出力を記憶する検出フォーカス位置記憶手段と、前記フォーカス機能のオフ状態で、前記検出フォーカス位置記憶手段に記憶された位置に前記レーザ加工用光学系の前記フォーカス位置を保持させるフォーカス位置保持制御手段とを設け、
前記終了時フォーカス位置保持制御部は、前記加工終了位置でフォーカス機能をオフするときに、このオフ直前のフォーカス位置を前記位置検出センサで検出して前記検出フォーカス位置記憶手段に記憶させ、前記フォーカス位置保持制御手段により、前記検出フォーカス位置記憶手段に記憶された位置に前記レーザ加工用光学系の前記フォーカス位置を保持させるレーザパターニング装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記オートフォーカス機構を、前記レーザ加工用光学系に対し、レーザ加工用光学系並び方向の前後に取付位置の変更を可能とするフォーカス機構設置位置可変手段を設けたレーザパターニング装置。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記オートフォーカス機構に、前記レーザ加工用光学系の前記基板の加工面までのフォーカス距離を検出するフォーカスセンサを、前記レーザ加工用光学系に対して並べて設け、このフォーカスセンサと前記レーザ加工用光学系との並び距離を調整可能とするセンサ位置調整手段を設けたレーザパターニング装置。
【請求項９】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記オートフォーカス機構を、前記レーザ加工用光学系に対し、スクライブ加工方向の前方側に設けたレーザパターニング装置。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記オートフォーカス機構を、前記レーザ加工用光学系に対し、スクライブ加工方向の前方側と後方側とに設置位置の変更を自動で可能とするフォーカス機構設置位置自動可変手段を設けたレーザパターニング装置。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記オートフォーカス機構を、前記レーザ加工用光学系に対し、スクライブ加工方向の前後両方に設置したレーザパターニング装置。
【請求項１２】
前記請求項１１において、前記レーザ加工用光学系に対し、スクライブ加工方向の前後両方に設置されたオートフォーカス機構の内、スクライブ加工方向に対して、前記レーザ加工用光学系の前方に設置された前記オートフォーカス機構を選択して使用する選択使用手段を設けたレーザパターニング装置。
【請求項１３】
請求項１ないし請求項１２のいずれか１項において、前記オートフォーカス機構は、前記レーザ加工用光学系のフォーカス方向の位置であるフォーカス位置を検出する位置検出センサを有し、この位置検出センサに検出させるキャリブレーションステージを設け、このキャリブレーションステージの高さを、前記基板の加工面の加工開始位置における高さと略同じとしたレーザパターニング装置。
【請求項１４】
請求項１ないし請求項１３のいずれか１項において、前記薄膜を成膜した基板が太陽電池パネルであるレーザパターニング装置。
【請求項１５】
請求項１ないし請求項１４のいずれか１項に記載のレーザパターニング装置を用い、基板上に成膜された薄膜を短冊状に分断加工するレーザパターニング方法。
【請求項１６】
基板上に成膜された薄膜を短冊状に、レーザ光を用いて分断加工するレーザパターニング方法において、
前記基板を載せる基板固定ステージと、それぞれレーザ加工ビームを照射するレーザ加工用光学系が複数並べて設けられた光学ヘッドと、前記基板固定ステージと光学ヘッドとを相対的に前記基板の加工面上の直交２軸方向に移動させる光学ヘッド相対移動機構を備えたレーザパターニング装置を用い、
前記光学ヘッドは、前記各レーザ加工用光学系に、このレーザ加工用光学系と前記基板の加工面との距離を前記レーザ加工用光学系の焦点距離に合わせるオートフォーカス機構を有しており、このオートフォーカス機構の自動合焦機能を、前記基板の加工開始位置でオンとし、基板の加工終了位置でオフとすることを特徴とするレーザパターニング方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
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【図１１】
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【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−６０７７（Ｐ２０１２−６０７７Ａ）
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１２２２９（Ｐ２０１１−１１２２２９）
【出願日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
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