レーザ加工装置およびレーザ加工方法
【課題】並行して使用するレーザ光のスポットの形状や大きさを簡単に個別に調整する。
【解決手段】レーザ光λａは、レンズ１２０ａにより結像位置Ｐ１ａにおいて結像した後、レンズ１２１ａによりコリメートされ、２波長性ミラー１２３に入射する。レーザ光λｂは、レンズ１２０ｂにより結像位置Ｐ１ｂにおいて結像した後、レンズ１２１ｂによりコリメートされ、全反射ミラー１２２により反射され、２波長性ミラー１２３に入射する。そして、レーザ光λａおよびレーザ光λｂは、２波長性ミラー１２３により光路が結合され、２波長性レンズ１２４により結像位置Ｐ２において結像する。本発明は、例えば、薄膜太陽電池パネルを加工するレーザ加工装置に適用できる。
【解決手段】レーザ光λａは、レンズ１２０ａにより結像位置Ｐ１ａにおいて結像した後、レンズ１２１ａによりコリメートされ、２波長性ミラー１２３に入射する。レーザ光λｂは、レンズ１２０ｂにより結像位置Ｐ１ｂにおいて結像した後、レンズ１２１ｂによりコリメートされ、全反射ミラー１２２により反射され、２波長性ミラー１２３に入射する。そして、レーザ光λａおよびレーザ光λｂは、２波長性ミラー１２３により光路が結合され、２波長性レンズ１２４により結像位置Ｐ２において結像する。本発明は、例えば、薄膜太陽電池パネルを加工するレーザ加工装置に適用できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、複数のレーザ光を並行して使用するレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、波長等が異なる２種類のレーザ光を所定の時間差で加工対象物に照射し、加工精度を向上させるようにしたレーザ加工装置が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３１３８５８号公報
【特許文献２】特開２０１０−１４２８２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような複数のレーザ光を並行して使用するレーザ加工装置においては、各レーザ光のスポットの形状や大きさを簡単に個別に調整できるようにすることが望まれている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１および２に記載の発明では、各レーザ光のスポットの形状や大きさを個別に調整できるようにすることは考慮されていない。
【０００６】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、並行して使用するレーザ光のスポットの形状や大きさを簡単に個別に調整できるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の側面のレーザ加工装置は、第１のレーザ光および第２のレーザ光を少なくとも用いて加工対象物の加工を行うレーザ加工装置であって、第１のレーザ光が通過する第１の光路上の第１の結像位置において、第１のレーザ光を結像する第１のレンズと、第１の光路上の第１の結像位置より後で第１のレーザ光をコリメートする第２のレンズと、第２のレーザ光が通過する第２の光路上の第２の結像位置において、第２のレーザ光を結像する第３のレンズと、第２の光路上の第２の結像位置より後で第２のレーザ光をコリメートする第４のレンズと、第２のレンズおよび第４のレンズの後段において、第１のレーザ光と第２のレーザ光の光路を結合する結合手段と、結合手段と加工対象物の間に設けられ、第１のレーザ光および第２のレーザ光を結像する第５のレンズとを備える。
【０００８】
本発明の第１の側面のレーザ加工装置においては、第１のレーザ光が第１の光路上の第１の結像位置において結像した後、コリメートされ、第２のレーザ光が第２の光路上の第２の結像位置において結像した後、コリメートされ、その後、第１のレーザ光と第２のレーザ光の光路が結合された後、第１のレーザ光および第２のレーザ光が結像する。
【０００９】
従って、並行して使用するレーザ光のスポットの形状や大きさを簡単に個別に調整することができる。
【００１０】
この結合手段は、例えば、２波長性ミラーにより構成される。
【００１１】
このレーザ加工装置には、第１の結像位置付近に設けられる第１のスリットと、第２の結像位置付近に設けられる第２のスリットとをさらに設けることとができる。
【００１２】
これにより、レーザ光のスポットのエッジが鮮明になり、その結果、加工品質が向上する。
【００１３】
このレーザ加工装置には、第１のスリットおよび第２のスリットのうち少なくとも一方の光軸方向の位置を調整する調整手段をさらに設けることができる。
【００１４】
これにより、並行して使用するレーザ光の光軸方向の結像位置を異なる位置に設定することができ、例えば、多層構造の加工対象物の加工品質が向上する。
【００１５】
この調整手段は、例えば、アクチュエータ等を用いたシフト機構により構成される。
【００１６】
第１のスリットおよび第２のスリットのうち少なくとも一方の開口部の形状を調整可能にすることができる。
【００１７】
これにより、並行して使用するレーザ光による各スポットの形状を異なる形状に設定することができる。
【００１８】
第１のレーザ光および第２のレーザ光の出射タイミングを個別に調整できるようにすることができる。
【００１９】
これにより、多層構造の加工対象物に対して、各層に対する加工を並行して行いながら、簡単に各層の加工領域の幅や形状を個別に調整することができる。
【００２０】
このレーザ加工装置には、第１のレーザ光および第２のレーザ光を伝送する光ファイバと、光ファイバから出射された第１のレーザ光および第２のレーザ光をコリメートする第６のレンズと、第６のレンズの後段において、第１のレーザ光と第２のレーザ光の光路を第１の光路と第２の光路に分離する分離手段とをさらに設けることができる。
【００２１】
これにより、レーザ光の断面の強度を均一化することができ、その結果、加工品質が向上する。
【００２２】
この分離手段は、例えば、２波長性ミラーにより構成される。
【００２３】
光ファイバの出射端面の形状を角形にすることができる。
【００２４】
これにより、例えば、スリットによるレーザ光の損失を軽減することができる。
【００２５】
本発明の第２の側面のレーザ加工方法は、少なくとも第１のレーザ光および第２のレーザ光を用いて加工対象物の加工を行うレーザ加工方法において、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光を時間差をつけて発生させ、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光をそれぞれ異なる形状で加工対象物の表面に結像させ、前記結像させた場所と次に結合させる場所が一部重なるように、結像位置を移動させ、もしくは加工対象物の相対的な位置を移動させ、連続的に対象物の表面を加工する。
【００２６】
本発明の第２の側面においては、第１のレーザ光と前記第２のレーザ光が時間差をつけて発生され、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光がそれぞれ異なる形状で加工対象物の表面に結像され、前記結像させた場所と次に結合させる場所が一部重なるように、結像位置が移動され、もしくは加工対象物の相対的な位置が移動され、連続的に対象物の表面が加工される。
【００２７】
従って、簡単に異なる形状の加工を並行して行なうことができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の第１の側面によれば、並行して使用するレーザ光のスポットの形状や大きさを簡単に個別に調整することができる。
【００２９】
また、本発明の第２の側面によれば、簡単に異なる形状の加工を並行して行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明を適用したレーザ加工装置の第１の実施の形態を示す図である。
【図２】本発明を適用したレーザ加工装置の第２の実施の形態を示す図である。
【図３】本発明を適用したレーザ加工装置の第３の実施の形態を示す図である。
【図４】本発明を適用したレーザ加工装置の第４の実施の形態を示す図である。
【図５】薄膜太陽電池パネルのパターニング工程における膜面加工について説明するための図である。
【図６】出射信号の入力タイミングとレーザスポットの照射タイミングの例を示すグラフである。
【図７】本発明を適用したレーザ加工装置の第５の実施の形態を示す図である。
【図８】３種類の波長のレーザ光を用いて薄膜太陽電池パネルを加工する例を説明するための図である。
【図９】３種類の波長のレーザ光を用いて薄膜太陽電池パネルを加工する例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（基本形）
２．第２の実施の形態（ＸＹスリット機構を用いた例）
３．第３の実施の形態（ＸＹスリット機構の開口部の形状の変形例）
４．第４の実施の形態（各レーザ光の出射タイミングに時間差を設ける例）
５．第５の実施の形態（レーザ光の光軸方向の結像位置を調整可能にする例）
６．変形例
【００３２】
＜１．第１の実施の形態＞
［レーザ加工装置の構成例］
図１は、本発明を適用したレーザ加工装置の第１の実施の形態を示す図である。
【００３３】
なお、以下、レーザ光の進行方向をｚ軸方向とし、ｚ軸方向に垂直で、かつ互いに直交する所定の方向を、それぞれｘ軸方向およびｙ軸方向とする。
【００３４】
レーザ加工装置１０１は、レーザ発振器１１１ａ，１１１ｂ、ビームエキスパンダ１１２ａ，１１２ｂ、全反射ミラー１１３、ビームスプリッタ１１４、２波長性（Dichroic）ファイバ結合レンズ１１５、光ファイバ１１６、２波長性（Dichroic）結像加工光学系レンズ１１７、２波長性（Dichroic）ミラー１１８、全反射ミラー１１９、結像加工光学系レンズ１２０ａ，１２０ｂ，１２１ａ，１２１ｂ、全反射ミラー１２２、２波長性（Dichroic）ミラー１２３、および、２波長性（Dichroic）結合加工光学系レンズ１２４を含むように構成される。
【００３５】
なお、２波長性結像加工光学系レンズ１１７，１２４は、それぞれ１枚の凸レンズとして図示されているが、複数の凸レンズや凹レンズの組み合わせにより構成される場合がある。同様に、結像加工光学系レンズ１２０ａ，１２０ｂ，１２１ａ，１２１ｂも、それぞれ１枚の凸レンズとして図示されているが、複数の凸レンズや凹レンズの組み合わせにより構成される場合がある。
【００３６】
なお、以下、２波長性結像加工光学系レンズ１１７，１２４を、単に２波長性レンズ１１７，１２４と称し、結像加工光学系レンズ１２０ａ，１２０ｂ，１２１ａ，１２１ｂを、単にレンズ１２０ａ，１２０ｂ，１２１ａ，１２１ｂと称する。
【００３７】
レーザ発振器１１１ａは、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザにより構成され、図示せぬ制御装置から入力されるパルス状の出射信号Ｓに同期して、所定の波長λａのパルス状のレーザ光（以下、レーザ光λａと称する）を発振し、出射する。レーザ発振器１１１ａから出射されたレーザ光λａは、ビームエキスパンダ１１２ａによりビーム径が拡大されて、ビームスプリッタ１１４に入射する。
【００３８】
レーザ発振器１１１ｂは、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザにより構成され、図示せぬ制御装置から入力される出射信号Ｓに同期して、所定の波長λｂのパルス状のレーザ光（以下、レーザ光λｂと称する）を発振し、出射する。レーザ発振器１１１ｂから出射されたレーザ光λｂは、ビームエキスパンダ１１２ｂによりビーム径が拡大された後、全反射ミラー１１３により反射され、ビームスプリッタ１１４に入射する。
【００３９】
なお、以下、波長λａが、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの基本波の波長である１０６４ｎｍに設定され、波長λｂが、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（ＳＨＧ）の波長である５３２ｎｍに設定されている場合について説明する。
【００４０】
ビームスプリッタ１１４は、波長λａの光を透過し、波長λｂの光を反射する特性を有している。従って、レーザ光λａがビームスプリッタ１１４を透過し、レーザ光λｂがビームスプリッタ１１４により反射されることにより、レーザ光λａとレーザ光λｂの光路が結合する。そして、レーザ光λａおよびレーザ光λｂは、２波長性ファイバ結合レンズ１１５により集光されて、光ファイバ１１６に入射し、伝送される。
【００４１】
光ファイバ１１６の出射端面１１６Ａの断面は正方形になっており、光ファイバ１１６から出射されるレーザ光λａ，λｂの断面Ｂ１は、幅（一辺の長さ）ｄ１の正方形となる。また、レーザ光λａ，λｂの断面Ｂ１の強度がほぼ均一化される。そして、光ファイバ１１６から出射されたレーザ光λａ，λｂは、２波長性レンズ１１７によりコリメートされ、２波長性ミラー１１８に入射する。
【００４２】
２波長性ミラー１１８は、波長λａの光を透過し、波長λｂの光を反射する特性を有している。従って、レーザ光λａが２波長性ミラー１１８を透過し、レーザ光λｂが２波長性ミラー１１８により反射されることにより、レーザ光λａとレーザ光λｂの光路が分離される。
【００４３】
２波長性ミラー１１８を透過したレーザ光λａは、レンズ１２０ａにより結像位置Ｐ１ａにおいて結像する。結像位置Ｐ１ａにおけるレーザ光λａの像Ｂ２ａ（レンズ１２０ａにより形成される光ファイバ１１６の出射端面１１６Ａの像Ｂ２ａ）の幅ｄ２ａは、次式（１）により求められる。
【００４４】
ｄ２ａ＝ｄ１×（ｆ２ａ／ｆ１） ・・・（１）
【００４５】
なお、ｆ１は２波長性レンズ１１７の焦点距離を表し、ｆ２ａはレンズ１２０ａの焦点距離を表している。
【００４６】
その後、レーザ光λａは、結像位置Ｐ１ａより後で、レンズ１２１ａによりコリメートされ、２波長性ミラー１２３に入射する。
【００４７】
一方、２波長性ミラー１１８により反射されたレーザ光λｂは、さらに全反射ミラー１１９により反射された後、レンズ１２０ｂにより結像位置Ｐ１ｂにおいて結像する。結像位置Ｐ１ｂにおけるレーザ光λｂの像Ｂ２ｂ（レンズ１２０ｂにより形成される光ファイバ１１６の出射端面１１６Ａの像Ｂ２ｂ）の幅ｄ２ｂは、次式（２）により求められる。
【００４８】
ｄ２ｂ＝ｄ１×（ｆ２ｂ／ｆ１） ・・・（２）
【００４９】
なお、ｆ２ｂは、レンズ１２０ｂの焦点距離を表している。
【００５０】
その後、レーザ光λｂは、結像位置Ｐ１ｂより後で、レンズ１２１ｂによりコリメートされ、全反射ミラー１２２により反射され、２波長性ミラー１２３に入射する。
【００５１】
２波長性ミラー１２３は、波長λａの光を透過し、波長λｂの光を反射する特性を有している。従って、レーザ光λａが２波長性ミラー１２３を透過し、レーザ光λｂが２波長性ミラー１２３により反射されることにより、レーザ光λａとレーザ光λｂの光路が結合する。
【００５２】
その後、レーザ光λａおよびレーザ光λｂは、２波長性レンズ１２４により結像位置Ｐ２において結像する。そして、加工対象物の加工面が結像位置Ｐ２付近に設置されることにより、結像位置Ｐ２付近におけるレーザ光λａの像Ｂ３ａ（以下、レーザスポットＢ３ａと称する）、および、レーザ光λｂの像Ｂ３ｂ（以下、レーザスポットＢ３ｂと称する）により加工対象物の加工が行われる。
【００５３】
なお、結像位置Ｐ２におけるレーザスポットＢ３ａの幅ｄ３ａ、および、レーザスポットＢ３ｂの幅ｄ３ｂは、それぞれ次式（３）および（４）により求められる。
【００５４】
ｄ３ａ＝ｄ２ａ×（ｆ４／ｆ３ａ）
＝ｄ１×（ｆ２ａ・ｆ４／ｆ１・ｆ３ａ） ・・・（３）
ｄ３ｂ＝ｄ２ｂ×（ｆ４／ｆ３ｂ）
＝ｄ１×（ｆ２ｂ・ｆ４／ｆ１・ｆ３ｂ） ・・・（４）
【００５５】
なお、ｆ３ａはレンズ１２１ａの焦点距離を表し、ｆ３ｂはレンズ１２１ｂの焦点距離を表し、ｆ４は２波長性レンズ１２４の焦点距離を表している。
【００５６】
式（３）および式（４）より、レーザスポットＢ３ａの幅ｄ３ａは、レンズ１２０ａの焦点距離ｆ２ａに比例し、レーザスポットＢ３ａの幅ｄ３ｂは、レンズ１２０ｂの焦点距離ｆ２ｂに比例する。従って、レーザ加工装置１０１では、レンズ１２０ａやレンズ１２０ｂを交換することにより、レーザスポットＢ３ａおよびレーザスポットＢ３ｂの大きさを、それぞれ個別に簡単に調整することができる。
【００５７】
＜２．第２の実施の形態＞
［レーザ加工装置の構成例］
図２は、本発明を適用したレーザ加工装置の第２の実施の形態を示す図である。なお、図中、図１と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【００５８】
図２のレーザ加工装置２０１は、図１のレーザ加工装置１０１に、ＸＹスリット機構２１１ａ，２１１ｂを追加したものである。
【００５９】
ＸＹスリット機構２１１ａは、開口部Ｏａがレーザ光λａの結像位置Ｐ１ａとほぼ一致するように設置される。また、ＸＹスリット機構２１１ａは、矩形の開口部Ｏａの縦横の幅を個別に調整することができ、レンズ１２０ａにより結像されたレーザ光λａの断面を開口部Ｏａの形状に整形して、レンズ１２１ａに入射させる。
【００６０】
ＸＹスリット機構２１１ｂは、開口部Ｏｂがレーザ光λｂの結像位置Ｐ１ｂとほぼ一致するように設置される。また、ＸＹスリット機構２１１ｂは、矩形の開口部Ｏｂの縦横の幅を個別に調整することができ、レンズ１２０ｂにより結像されたレーザ光λｂの断面を開口部Ｏｂの形状に整形して、レンズ１２１ｂに入射させる。
【００６１】
これにより、レーザスポットＢ３ａおよびレーザスポットＢ３ｂのエッジが鮮明になり、加工エッジがシャープになる。その結果、加工精度を向上させることができる。
【００６２】
また、ＸＹスリット機構２１１ａの開口部Ｏａの形状を調整することにより、レンズ１２０ａを交換することなく、レーザスポットＢ３ａの形状および大きさを簡単に調整することができる。同様に、ＸＹスリット機構２１１ｂの開口部Ｏｂの形状を調整することにより、レンズ１２０ｂを交換することなく、レーザスポットＢ３ｂの形状および大きさを簡単に調整することができる。
【００６３】
＜３．第３の実施の形態＞
［レーザ加工装置の構成例］
図３は、本発明を適用したレーザ加工装置の第３の実施の形態を示す図である。なお、図中、図２と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【００６４】
図３のレーザ加工装置３０１は、図２のレーザ加工装置２０１のＸＹスリット機構２１１ｂをＸＹスリット機構２１１ｂ’に置き換えたものである。
【００６５】
ＸＹスリット機構２１１ｂ’は、円形の開口部Ｏｂ’を有しており、レンズ１２０ａにより結像されたレーザ光λａの断面を開口部Ｏｂ’の形状に整形して、レンズ１２１ａに入射させる。その結果、加工結像位置Ｐ２におけるレーザ光λｂによるレーザスポットＢ３ｂは半径ｄ３ｂ’の円形となる。また、ＸＹスリット機構２１１ｂ’は、開口部Ｏｂ’の半径を調整することができ、これによりレーザスポットＢ３ｂ’の半径ｄ３ｂ’を調整することが可能である。
【００６６】
このように、レーザスポットＢ３ａとレーザスポットＢ３ｂを簡単に異なる形状に設定することができる。従って、加工用途や加工形状に応じて、異なる形状のレーザスポットを使い分けることにより、所望の加工をより迅速かつ正確に行うことが可能になる。
【００６７】
＜４．第４の実施の形態＞
［レーザ加工装置の構成例］
図４は、本発明を適用したレーザ加工装置の第４の実施の形態を示す図である。なお、図中、図２と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【００６８】
図４のレーザ加工装置４０１は、図２のレーザ加工装置２０１において、レーザ発振器１１１ａ，１１１ｂに個別に出射信号を入力するようにしたものである。すなわち、レーザ発振器１１１ａは、図示せぬ制御装置から入力されるパルス状の出射信号Ｓａに同期して、パルス状のレーザ光λａを出射し、レーザ発振器１１１ｂは、図示せぬ制御装置から入力されるパルス状の出射信号Ｓｂに同期して、パルス状のレーザ光λａを出射する。これにより、レーザ光λａおよびレーザ光λｂの出射タイミングを個別に調整し、レーザスポットＢ３ａおよびレーザスポットＢ３ｂが加工対象物に照射されるタイミングを個別に調整することができる。
【００６９】
［レーザ加工の具体例］
ここで、図５および図６を参照して、レーザ加工装置４０１を用いたレーザ加工の具体例として、図５の薄膜太陽電池パネル４５１に対して、パターニング工程における膜面加工を行う場合について説明する。
【００７０】
この場合、ＸＹスリット機構２１１ａの開口部Ｏａは、いずれか一方の辺が幅ｄ２ａより短くなるように設定される。従って、レーザスポットＢ３ａの形状は、長辺と短辺を有する矩形となる。なお、以下、このときのレーザスポットＢ３ａの短辺の長さをｄ３ａ’とする。
【００７１】
なお、図５の左側の図は、薄膜太陽電池パネル４５１の加工面にレーザスポットＢ３ａ，Ｂ３ｂが照射される位置を模式的に示している。具体的には、点線の矩形で示される領域がレーザスポットＢ３ａの照射位置を示し、実線の正方形で示される領域がレーザスポットＢ３ｂの照射位置を示している。また、矢印Ａ１は、レーザスポットＢ３ａ，Ｂ３ｂの走査方向を示している。
【００７２】
図５の右側の図は、薄膜太陽電池パネル４５１の層構造の断面を模式的に示している。薄膜太陽電池パネル４５１は、ａ−Ｓｉ膜４５１Ａ、ＴＣＯ膜４５１Ｂ、ガラス基板４５１Ｃの３層により構成されている。なお、レーザ光λａおよびレーザ光λｂは、例えば、ガラス基板４５１Ｃの方向から照射されるものとする。
【００７３】
また、図６の上のグラフは、出射信号Ｓａおよび出射信号Ｓｂがレーザ発振器１１１ａおよびレーザ発振器１１１ｂにそれぞれ入力されるタイミングを示している。図６の下のグラフは、レーザスポットＢ３ａおよびレーザスポットＢ３ｂが加工結像位置Ｐ２に照射されるタイミングを示している。
【００７４】
図６の上のグラフに示されるように、出射信号Ｓｂがレーザ発振器１１１ｂに入力されてから所定の時間ΔＴの経過後、出射信号Ｓａがレーザ発振器１１１ａに入力される。これに伴い、図６の下のグラフに示されるように、レーザスポットＢ３ｂが加工結像位置Ｐ２に照射されてから時間ΔＴの経過後、レーザスポットＢ３ａが加工結像位置Ｐ２に照射される。
【００７５】
さらに、図５の左側の図に示されるように、レーザスポットＢ３ｂ同士、レーザスポットＢ３ａ同士の一部が重なるように、レーザスポットＢ３ａおよびレーザスポットＢ３ｂが矢印Ａ１の方向に走査される。
【００７６】
そして、レーザスポットＢ３ｂが照射された領域からレーザ光λｂに対する吸収係数が高いａ−Ｓｉ膜４５１Ａが除去される。次に、レーザスポットＢ３ａが照射された領域からレーザ光λａに対する吸収係数が高いＴＣＯ膜４５１Ｂが除去される。
【００７７】
これにより、図５の右側の図に示されるように、ａ−Ｓｉ膜４５１Ａから幅ｄ３ｂの領域が除去され、ＴＣＯ膜４５１Ｂから幅ｄ３ａ’の領域が除去される。
【００７８】
このように、レーザ加工装置４０１では、多層構造の加工対象物に対して、各層に対する加工を並行して行いながら、簡単に各層の加工領域の幅や形状を個別に調整することができる。
【００７９】
＜５．第５の実施の形態＞
［レーザ加工装置の構成例］
図７は、本発明を適用したレーザ加工装置の第５の実施の形態を示す図である。なお、図中、図４と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【００８０】
図７のレーザ加工装置５０１は、図４のレーザ加工装置４０１に、リニアステージ機構５１１を追加したものである。
【００８１】
リニアステージ機構５１１は、電動または手動で、ＸＹスリット機構２１１ｂを矢印Ａ１１の方向にレーザ光λｂの光路に沿って移動させ、ＸＹスリット機構２１１ｂの光軸方向の位置を調整するものである。そして、ＸＹスリット機構２１１ｂを矢印Ａ１１の方向に移動させることにより、レーザスポットＢ３ｂの結像位置Ｐ２’をレーザ光λｂの光路の方向に移動させることができる。
【００８２】
これにより、例えば、上述した図５の薄膜太陽電池パネル４５１のような多層構造の加工対象物を加工する場合、各層の加工に用いるレーザスポットの結像位置を各層の表面に正確に合わせることができる。その結果、例えば、上層の膜厚が厚い場合や下層の材質が加工波長に対して加工性が悪い場合などに、各層に対してエッジがシャープで品質の高い加工を行うことが可能になる。
【００８３】
＜６．変形例＞
以下、本発明の実施の形態の変形例について説明する。
【００８４】
［変形例１］
本発明の実施の形態では、例えば、レーザ発振器１１１ａから出射されたレーザ光λａおよびレーザ発振器１１１ｂから出射されたレーザ光λｂを、光路を結合せずに、それぞれ直接レンズ１２０ａまたはレンズ１２０ｂに入射するようにすることも可能である。この場合、レーザ発振器１１１ａとレンズ１２０ａの間において、レーザ光λａのビーム径を拡大したり、レーザ光λａをコリメートしたり、レーザ光λａの断面の強度を均一化するようにすることが望ましい。強度の均一化には、例えば、ホモジナイザ、カライドスコープを用いることができる。レーザ発振器１１１ｂとレンズ１２０ｂの間についても同様である。
【００８５】
［変形例２］
また、図３のレーザ加工装置３０１において、ＸＹスリット機構２１１ｂ’の開口部Ｏｂ’の形状を円形にする例を示したが、ＸＹスリット機構２１１ａの開口部Ｏａの形状を円形にするようにしてもよい。また、上述した各ＸＹスリット機構の開口部の形状は、その一例であり、別の形状に設定することも可能である。
【００８６】
［変形例３］
さらに、図７のレーザ加工装置５０１において、ＸＹスリット機構２１１ｂにのみリニアステージ機構５１１を設ける例を示したが、例えば、ＸＹスリット機構２１１ａに設けるようにしてもよいし、両方に設けるようにしてもよい。
【００８７】
［変形例４］
また、本発明は、３種類以上の波長のレーザ光を用いる場合にも適用することが可能である。３種類以上の波長のレーザ光を用いる場合、例えば、光ファイバ１１６からレーザ光が出射された後、各レーザ光の光路を分岐し、光路毎に、図１、図２、図３、図４または図７を参照して上述したレーザ光λａまたはレーザ光λｂの光路上の構成と同様の構成を設けるようにすればよい。その後、各レーザ光の光路を合成した後、２波長性レンズ１２４に入射するようにすればよい。なお、３波長以上の波長を用いる場合、２波長レンズ１２４には、その波長に対応した多波長レンズが用いられる。
【００８８】
なお、必ずしも全てのレーザ光の光路を個々に分岐する必要はなく、複数のレーザ光の光路を共通にするようにしてもよい。例えば、レーザ光λａ，λｂ，λｃの３種類のレーザ光を使用する場合、レーザ光λｂだけ分岐し、レーザ光λａとレーザ光λｃの光路を共通にするようにしてもよい。
【００８９】
なお、３種類以上の波長のレーザ光を用いる場合として、以下のような例が考えられる。
【００９０】
レーザ発振器にＮｄ：ＹＡＧレーザを用いる場合、基本波（波長１０６４ｎｍ）、ＳＨＧ（波長５３２ｎｍ）、ＴＨＧ（波長３５５ｎｍ）、ＦＨＧ（波長２６６ｎｍ）のうち３種類の波長（例えば、近赤外光である基本波および可視光であるＳＨＧと、紫外光であるＴＨＧまたはＦＨＧのいずれか）を選択して使用することにより、薄膜加工において残渣のない加工や、スパッタの少ない加工を実現することができる。
【００９１】
例えば、図８に示される薄膜太陽電池パネル６０１のように、薄膜が３層構造になっている場合などに、各層に対する吸収係数が高い波長のレーザ光を選択して加工する場合について説明する。
【００９２】
薄膜太陽電池パネル６０１は、ガラス基板６０１Ａ上に、ＴＣＯ（透明導電膜）６０１Ｂ、ａ−Ｓｉ発電層６０１Ｃ、および、Ａｇ（またはＡｌ）電極６０１Ｄの３層が積層されている。
【００９３】
例えば、ガラス基板６０１Ａ側から加工ができず、Ａｇ（Ａｌ）電極６０１Ｄ側から加工する場合、最初に、図９のいちばん上の図に示されるように、Ａｇ（Ａｌ）電極６０１Ｄおよびａ−Ｓｉ発電層６０１Ｃに対する吸収係数が比較的大きいＳＨＧ（波長５３２ｎｍ）のレーザ光Ｌ１を用いて、これらの２層が除去される。なお、図９の左の図は、右に示す波長により加工された後の状態を示している。次に、ＴＣＯ６０１Ｂは可視光では加工できないため、図９の中央の図に示されるように、基本波（波長１０６４ｎｍ）のレーザ光Ｌ２を用いて、ＴＣＯ６０１Ｂが除去される。このとき、レーザ光Ｌ２で除去しきれなかったＴＣＯ６０１Ｂの残渣６０１Ｂ’が残る。この残渣６０１Ｂ’はリーク電流を引き起こし、太陽電池の発電効率を悪化させるため、最後に、図９のいちばん下の図に示されるように、ＴＣＯ６０１Ｂに対する吸収係数が高いＦＨＧ（波長２６６ｎｍ）のレーザ光Ｌ３を用いて、残渣６０１Ｂ’が完全に除去される。
【００９４】
［変形例５］
また、以上の説明では、それぞれ異なるレーザ発振器から異なる波長のレーザ光を出射する例を示したが、１台のレーザ発振器から異なる波長のレーザ光を出射するようにしてもよい。この場合、例えば、１台のレーザ発振器から、異なる波長のパルス状のレーザ光が、所定の時間間隔で所定の順番で出射される。
【００９５】
［変形例６］
さらに、以上の説明では、波長がそれぞれ異なる複数のレーザ光を並行して使用する例を示したが、本発明は、波長が同じで、他の要素（例えば、エネルギー等）がそれぞれ異なる複数のレーザ光を並行して使用する場合にも適用することができる。もちろん、本発明は、波長を含む複数の要素がそれぞれ異なる複数のレーザ光を並行して使用する場合にも適用することができる。
【００９６】
［変形例７］
また、レーザ光の光路を分離または結合したり、レーザ光の光路の方向を変更したりする手段は、上述した例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、上述した例以外に、プリズムやハーフミラー等を用いることも可能である。
【００９７】
［変形例８］
さらに、レーザスポットＢ３ａ，Ｂ３ｂの走査は、例えば、ガルバノミラー等による結像位置Ｐ２ａ，Ｐ２ｂの走査、加工対象物の移動、レーザ加工装置の移動、またはそれらの組み合わせにより実施することができる。
【００９８】
なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００９９】
１０１ レーザ加工装置
１１１ａ，１１１ｂ レーザ発振器
１１２ａ，１１２ｂ ビームエキスパンダ
１１３ 全反射ミラー
１１４ ビームスプリッタ
１１５ ２波長性ファイバ結合レンズ
１１６ 光ファイバ
１１７ ２波長性結像加工光学系レンズ
１１８ ２波長性ミラー
１１９ 全反射ミラー
１２０ａ乃至１２１ｂ 結像加工光学系レンズ
１２２ 全反射ミラー
１２３ ２波長性ミラー
１２４ ２波長性結合加工光学系レンズ
２０１ レーザ加工装置
２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｂ’ ＸＹスリット機構
３０１，４０１，５０１ レーザ加工装置
５１１ リニアステージ機構
【技術分野】
【０００１】
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、複数のレーザ光を並行して使用するレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、波長等が異なる２種類のレーザ光を所定の時間差で加工対象物に照射し、加工精度を向上させるようにしたレーザ加工装置が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３１３８５８号公報
【特許文献２】特開２０１０−１４２８２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような複数のレーザ光を並行して使用するレーザ加工装置においては、各レーザ光のスポットの形状や大きさを簡単に個別に調整できるようにすることが望まれている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１および２に記載の発明では、各レーザ光のスポットの形状や大きさを個別に調整できるようにすることは考慮されていない。
【０００６】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、並行して使用するレーザ光のスポットの形状や大きさを簡単に個別に調整できるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の側面のレーザ加工装置は、第１のレーザ光および第２のレーザ光を少なくとも用いて加工対象物の加工を行うレーザ加工装置であって、第１のレーザ光が通過する第１の光路上の第１の結像位置において、第１のレーザ光を結像する第１のレンズと、第１の光路上の第１の結像位置より後で第１のレーザ光をコリメートする第２のレンズと、第２のレーザ光が通過する第２の光路上の第２の結像位置において、第２のレーザ光を結像する第３のレンズと、第２の光路上の第２の結像位置より後で第２のレーザ光をコリメートする第４のレンズと、第２のレンズおよび第４のレンズの後段において、第１のレーザ光と第２のレーザ光の光路を結合する結合手段と、結合手段と加工対象物の間に設けられ、第１のレーザ光および第２のレーザ光を結像する第５のレンズとを備える。
【０００８】
本発明の第１の側面のレーザ加工装置においては、第１のレーザ光が第１の光路上の第１の結像位置において結像した後、コリメートされ、第２のレーザ光が第２の光路上の第２の結像位置において結像した後、コリメートされ、その後、第１のレーザ光と第２のレーザ光の光路が結合された後、第１のレーザ光および第２のレーザ光が結像する。
【０００９】
従って、並行して使用するレーザ光のスポットの形状や大きさを簡単に個別に調整することができる。
【００１０】
この結合手段は、例えば、２波長性ミラーにより構成される。
【００１１】
このレーザ加工装置には、第１の結像位置付近に設けられる第１のスリットと、第２の結像位置付近に設けられる第２のスリットとをさらに設けることとができる。
【００１２】
これにより、レーザ光のスポットのエッジが鮮明になり、その結果、加工品質が向上する。
【００１３】
このレーザ加工装置には、第１のスリットおよび第２のスリットのうち少なくとも一方の光軸方向の位置を調整する調整手段をさらに設けることができる。
【００１４】
これにより、並行して使用するレーザ光の光軸方向の結像位置を異なる位置に設定することができ、例えば、多層構造の加工対象物の加工品質が向上する。
【００１５】
この調整手段は、例えば、アクチュエータ等を用いたシフト機構により構成される。
【００１６】
第１のスリットおよび第２のスリットのうち少なくとも一方の開口部の形状を調整可能にすることができる。
【００１７】
これにより、並行して使用するレーザ光による各スポットの形状を異なる形状に設定することができる。
【００１８】
第１のレーザ光および第２のレーザ光の出射タイミングを個別に調整できるようにすることができる。
【００１９】
これにより、多層構造の加工対象物に対して、各層に対する加工を並行して行いながら、簡単に各層の加工領域の幅や形状を個別に調整することができる。
【００２０】
このレーザ加工装置には、第１のレーザ光および第２のレーザ光を伝送する光ファイバと、光ファイバから出射された第１のレーザ光および第２のレーザ光をコリメートする第６のレンズと、第６のレンズの後段において、第１のレーザ光と第２のレーザ光の光路を第１の光路と第２の光路に分離する分離手段とをさらに設けることができる。
【００２１】
これにより、レーザ光の断面の強度を均一化することができ、その結果、加工品質が向上する。
【００２２】
この分離手段は、例えば、２波長性ミラーにより構成される。
【００２３】
光ファイバの出射端面の形状を角形にすることができる。
【００２４】
これにより、例えば、スリットによるレーザ光の損失を軽減することができる。
【００２５】
本発明の第２の側面のレーザ加工方法は、少なくとも第１のレーザ光および第２のレーザ光を用いて加工対象物の加工を行うレーザ加工方法において、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光を時間差をつけて発生させ、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光をそれぞれ異なる形状で加工対象物の表面に結像させ、前記結像させた場所と次に結合させる場所が一部重なるように、結像位置を移動させ、もしくは加工対象物の相対的な位置を移動させ、連続的に対象物の表面を加工する。
【００２６】
本発明の第２の側面においては、第１のレーザ光と前記第２のレーザ光が時間差をつけて発生され、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光がそれぞれ異なる形状で加工対象物の表面に結像され、前記結像させた場所と次に結合させる場所が一部重なるように、結像位置が移動され、もしくは加工対象物の相対的な位置が移動され、連続的に対象物の表面が加工される。
【００２７】
従って、簡単に異なる形状の加工を並行して行なうことができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の第１の側面によれば、並行して使用するレーザ光のスポットの形状や大きさを簡単に個別に調整することができる。
【００２９】
また、本発明の第２の側面によれば、簡単に異なる形状の加工を並行して行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明を適用したレーザ加工装置の第１の実施の形態を示す図である。
【図２】本発明を適用したレーザ加工装置の第２の実施の形態を示す図である。
【図３】本発明を適用したレーザ加工装置の第３の実施の形態を示す図である。
【図４】本発明を適用したレーザ加工装置の第４の実施の形態を示す図である。
【図５】薄膜太陽電池パネルのパターニング工程における膜面加工について説明するための図である。
【図６】出射信号の入力タイミングとレーザスポットの照射タイミングの例を示すグラフである。
【図７】本発明を適用したレーザ加工装置の第５の実施の形態を示す図である。
【図８】３種類の波長のレーザ光を用いて薄膜太陽電池パネルを加工する例を説明するための図である。
【図９】３種類の波長のレーザ光を用いて薄膜太陽電池パネルを加工する例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（基本形）
２．第２の実施の形態（ＸＹスリット機構を用いた例）
３．第３の実施の形態（ＸＹスリット機構の開口部の形状の変形例）
４．第４の実施の形態（各レーザ光の出射タイミングに時間差を設ける例）
５．第５の実施の形態（レーザ光の光軸方向の結像位置を調整可能にする例）
６．変形例
【００３２】
＜１．第１の実施の形態＞
［レーザ加工装置の構成例］
図１は、本発明を適用したレーザ加工装置の第１の実施の形態を示す図である。
【００３３】
なお、以下、レーザ光の進行方向をｚ軸方向とし、ｚ軸方向に垂直で、かつ互いに直交する所定の方向を、それぞれｘ軸方向およびｙ軸方向とする。
【００３４】
レーザ加工装置１０１は、レーザ発振器１１１ａ，１１１ｂ、ビームエキスパンダ１１２ａ，１１２ｂ、全反射ミラー１１３、ビームスプリッタ１１４、２波長性（Dichroic）ファイバ結合レンズ１１５、光ファイバ１１６、２波長性（Dichroic）結像加工光学系レンズ１１７、２波長性（Dichroic）ミラー１１８、全反射ミラー１１９、結像加工光学系レンズ１２０ａ，１２０ｂ，１２１ａ，１２１ｂ、全反射ミラー１２２、２波長性（Dichroic）ミラー１２３、および、２波長性（Dichroic）結合加工光学系レンズ１２４を含むように構成される。
【００３５】
なお、２波長性結像加工光学系レンズ１１７，１２４は、それぞれ１枚の凸レンズとして図示されているが、複数の凸レンズや凹レンズの組み合わせにより構成される場合がある。同様に、結像加工光学系レンズ１２０ａ，１２０ｂ，１２１ａ，１２１ｂも、それぞれ１枚の凸レンズとして図示されているが、複数の凸レンズや凹レンズの組み合わせにより構成される場合がある。
【００３６】
なお、以下、２波長性結像加工光学系レンズ１１７，１２４を、単に２波長性レンズ１１７，１２４と称し、結像加工光学系レンズ１２０ａ，１２０ｂ，１２１ａ，１２１ｂを、単にレンズ１２０ａ，１２０ｂ，１２１ａ，１２１ｂと称する。
【００３７】
レーザ発振器１１１ａは、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザにより構成され、図示せぬ制御装置から入力されるパルス状の出射信号Ｓに同期して、所定の波長λａのパルス状のレーザ光（以下、レーザ光λａと称する）を発振し、出射する。レーザ発振器１１１ａから出射されたレーザ光λａは、ビームエキスパンダ１１２ａによりビーム径が拡大されて、ビームスプリッタ１１４に入射する。
【００３８】
レーザ発振器１１１ｂは、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザにより構成され、図示せぬ制御装置から入力される出射信号Ｓに同期して、所定の波長λｂのパルス状のレーザ光（以下、レーザ光λｂと称する）を発振し、出射する。レーザ発振器１１１ｂから出射されたレーザ光λｂは、ビームエキスパンダ１１２ｂによりビーム径が拡大された後、全反射ミラー１１３により反射され、ビームスプリッタ１１４に入射する。
【００３９】
なお、以下、波長λａが、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの基本波の波長である１０６４ｎｍに設定され、波長λｂが、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（ＳＨＧ）の波長である５３２ｎｍに設定されている場合について説明する。
【００４０】
ビームスプリッタ１１４は、波長λａの光を透過し、波長λｂの光を反射する特性を有している。従って、レーザ光λａがビームスプリッタ１１４を透過し、レーザ光λｂがビームスプリッタ１１４により反射されることにより、レーザ光λａとレーザ光λｂの光路が結合する。そして、レーザ光λａおよびレーザ光λｂは、２波長性ファイバ結合レンズ１１５により集光されて、光ファイバ１１６に入射し、伝送される。
【００４１】
光ファイバ１１６の出射端面１１６Ａの断面は正方形になっており、光ファイバ１１６から出射されるレーザ光λａ，λｂの断面Ｂ１は、幅（一辺の長さ）ｄ１の正方形となる。また、レーザ光λａ，λｂの断面Ｂ１の強度がほぼ均一化される。そして、光ファイバ１１６から出射されたレーザ光λａ，λｂは、２波長性レンズ１１７によりコリメートされ、２波長性ミラー１１８に入射する。
【００４２】
２波長性ミラー１１８は、波長λａの光を透過し、波長λｂの光を反射する特性を有している。従って、レーザ光λａが２波長性ミラー１１８を透過し、レーザ光λｂが２波長性ミラー１１８により反射されることにより、レーザ光λａとレーザ光λｂの光路が分離される。
【００４３】
２波長性ミラー１１８を透過したレーザ光λａは、レンズ１２０ａにより結像位置Ｐ１ａにおいて結像する。結像位置Ｐ１ａにおけるレーザ光λａの像Ｂ２ａ（レンズ１２０ａにより形成される光ファイバ１１６の出射端面１１６Ａの像Ｂ２ａ）の幅ｄ２ａは、次式（１）により求められる。
【００４４】
ｄ２ａ＝ｄ１×（ｆ２ａ／ｆ１） ・・・（１）
【００４５】
なお、ｆ１は２波長性レンズ１１７の焦点距離を表し、ｆ２ａはレンズ１２０ａの焦点距離を表している。
【００４６】
その後、レーザ光λａは、結像位置Ｐ１ａより後で、レンズ１２１ａによりコリメートされ、２波長性ミラー１２３に入射する。
【００４７】
一方、２波長性ミラー１１８により反射されたレーザ光λｂは、さらに全反射ミラー１１９により反射された後、レンズ１２０ｂにより結像位置Ｐ１ｂにおいて結像する。結像位置Ｐ１ｂにおけるレーザ光λｂの像Ｂ２ｂ（レンズ１２０ｂにより形成される光ファイバ１１６の出射端面１１６Ａの像Ｂ２ｂ）の幅ｄ２ｂは、次式（２）により求められる。
【００４８】
ｄ２ｂ＝ｄ１×（ｆ２ｂ／ｆ１） ・・・（２）
【００４９】
なお、ｆ２ｂは、レンズ１２０ｂの焦点距離を表している。
【００５０】
その後、レーザ光λｂは、結像位置Ｐ１ｂより後で、レンズ１２１ｂによりコリメートされ、全反射ミラー１２２により反射され、２波長性ミラー１２３に入射する。
【００５１】
２波長性ミラー１２３は、波長λａの光を透過し、波長λｂの光を反射する特性を有している。従って、レーザ光λａが２波長性ミラー１２３を透過し、レーザ光λｂが２波長性ミラー１２３により反射されることにより、レーザ光λａとレーザ光λｂの光路が結合する。
【００５２】
その後、レーザ光λａおよびレーザ光λｂは、２波長性レンズ１２４により結像位置Ｐ２において結像する。そして、加工対象物の加工面が結像位置Ｐ２付近に設置されることにより、結像位置Ｐ２付近におけるレーザ光λａの像Ｂ３ａ（以下、レーザスポットＢ３ａと称する）、および、レーザ光λｂの像Ｂ３ｂ（以下、レーザスポットＢ３ｂと称する）により加工対象物の加工が行われる。
【００５３】
なお、結像位置Ｐ２におけるレーザスポットＢ３ａの幅ｄ３ａ、および、レーザスポットＢ３ｂの幅ｄ３ｂは、それぞれ次式（３）および（４）により求められる。
【００５４】
ｄ３ａ＝ｄ２ａ×（ｆ４／ｆ３ａ）
＝ｄ１×（ｆ２ａ・ｆ４／ｆ１・ｆ３ａ） ・・・（３）
ｄ３ｂ＝ｄ２ｂ×（ｆ４／ｆ３ｂ）
＝ｄ１×（ｆ２ｂ・ｆ４／ｆ１・ｆ３ｂ） ・・・（４）
【００５５】
なお、ｆ３ａはレンズ１２１ａの焦点距離を表し、ｆ３ｂはレンズ１２１ｂの焦点距離を表し、ｆ４は２波長性レンズ１２４の焦点距離を表している。
【００５６】
式（３）および式（４）より、レーザスポットＢ３ａの幅ｄ３ａは、レンズ１２０ａの焦点距離ｆ２ａに比例し、レーザスポットＢ３ａの幅ｄ３ｂは、レンズ１２０ｂの焦点距離ｆ２ｂに比例する。従って、レーザ加工装置１０１では、レンズ１２０ａやレンズ１２０ｂを交換することにより、レーザスポットＢ３ａおよびレーザスポットＢ３ｂの大きさを、それぞれ個別に簡単に調整することができる。
【００５７】
＜２．第２の実施の形態＞
［レーザ加工装置の構成例］
図２は、本発明を適用したレーザ加工装置の第２の実施の形態を示す図である。なお、図中、図１と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【００５８】
図２のレーザ加工装置２０１は、図１のレーザ加工装置１０１に、ＸＹスリット機構２１１ａ，２１１ｂを追加したものである。
【００５９】
ＸＹスリット機構２１１ａは、開口部Ｏａがレーザ光λａの結像位置Ｐ１ａとほぼ一致するように設置される。また、ＸＹスリット機構２１１ａは、矩形の開口部Ｏａの縦横の幅を個別に調整することができ、レンズ１２０ａにより結像されたレーザ光λａの断面を開口部Ｏａの形状に整形して、レンズ１２１ａに入射させる。
【００６０】
ＸＹスリット機構２１１ｂは、開口部Ｏｂがレーザ光λｂの結像位置Ｐ１ｂとほぼ一致するように設置される。また、ＸＹスリット機構２１１ｂは、矩形の開口部Ｏｂの縦横の幅を個別に調整することができ、レンズ１２０ｂにより結像されたレーザ光λｂの断面を開口部Ｏｂの形状に整形して、レンズ１２１ｂに入射させる。
【００６１】
これにより、レーザスポットＢ３ａおよびレーザスポットＢ３ｂのエッジが鮮明になり、加工エッジがシャープになる。その結果、加工精度を向上させることができる。
【００６２】
また、ＸＹスリット機構２１１ａの開口部Ｏａの形状を調整することにより、レンズ１２０ａを交換することなく、レーザスポットＢ３ａの形状および大きさを簡単に調整することができる。同様に、ＸＹスリット機構２１１ｂの開口部Ｏｂの形状を調整することにより、レンズ１２０ｂを交換することなく、レーザスポットＢ３ｂの形状および大きさを簡単に調整することができる。
【００６３】
＜３．第３の実施の形態＞
［レーザ加工装置の構成例］
図３は、本発明を適用したレーザ加工装置の第３の実施の形態を示す図である。なお、図中、図２と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【００６４】
図３のレーザ加工装置３０１は、図２のレーザ加工装置２０１のＸＹスリット機構２１１ｂをＸＹスリット機構２１１ｂ’に置き換えたものである。
【００６５】
ＸＹスリット機構２１１ｂ’は、円形の開口部Ｏｂ’を有しており、レンズ１２０ａにより結像されたレーザ光λａの断面を開口部Ｏｂ’の形状に整形して、レンズ１２１ａに入射させる。その結果、加工結像位置Ｐ２におけるレーザ光λｂによるレーザスポットＢ３ｂは半径ｄ３ｂ’の円形となる。また、ＸＹスリット機構２１１ｂ’は、開口部Ｏｂ’の半径を調整することができ、これによりレーザスポットＢ３ｂ’の半径ｄ３ｂ’を調整することが可能である。
【００６６】
このように、レーザスポットＢ３ａとレーザスポットＢ３ｂを簡単に異なる形状に設定することができる。従って、加工用途や加工形状に応じて、異なる形状のレーザスポットを使い分けることにより、所望の加工をより迅速かつ正確に行うことが可能になる。
【００６７】
＜４．第４の実施の形態＞
［レーザ加工装置の構成例］
図４は、本発明を適用したレーザ加工装置の第４の実施の形態を示す図である。なお、図中、図２と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【００６８】
図４のレーザ加工装置４０１は、図２のレーザ加工装置２０１において、レーザ発振器１１１ａ，１１１ｂに個別に出射信号を入力するようにしたものである。すなわち、レーザ発振器１１１ａは、図示せぬ制御装置から入力されるパルス状の出射信号Ｓａに同期して、パルス状のレーザ光λａを出射し、レーザ発振器１１１ｂは、図示せぬ制御装置から入力されるパルス状の出射信号Ｓｂに同期して、パルス状のレーザ光λａを出射する。これにより、レーザ光λａおよびレーザ光λｂの出射タイミングを個別に調整し、レーザスポットＢ３ａおよびレーザスポットＢ３ｂが加工対象物に照射されるタイミングを個別に調整することができる。
【００６９】
［レーザ加工の具体例］
ここで、図５および図６を参照して、レーザ加工装置４０１を用いたレーザ加工の具体例として、図５の薄膜太陽電池パネル４５１に対して、パターニング工程における膜面加工を行う場合について説明する。
【００７０】
この場合、ＸＹスリット機構２１１ａの開口部Ｏａは、いずれか一方の辺が幅ｄ２ａより短くなるように設定される。従って、レーザスポットＢ３ａの形状は、長辺と短辺を有する矩形となる。なお、以下、このときのレーザスポットＢ３ａの短辺の長さをｄ３ａ’とする。
【００７１】
なお、図５の左側の図は、薄膜太陽電池パネル４５１の加工面にレーザスポットＢ３ａ，Ｂ３ｂが照射される位置を模式的に示している。具体的には、点線の矩形で示される領域がレーザスポットＢ３ａの照射位置を示し、実線の正方形で示される領域がレーザスポットＢ３ｂの照射位置を示している。また、矢印Ａ１は、レーザスポットＢ３ａ，Ｂ３ｂの走査方向を示している。
【００７２】
図５の右側の図は、薄膜太陽電池パネル４５１の層構造の断面を模式的に示している。薄膜太陽電池パネル４５１は、ａ−Ｓｉ膜４５１Ａ、ＴＣＯ膜４５１Ｂ、ガラス基板４５１Ｃの３層により構成されている。なお、レーザ光λａおよびレーザ光λｂは、例えば、ガラス基板４５１Ｃの方向から照射されるものとする。
【００７３】
また、図６の上のグラフは、出射信号Ｓａおよび出射信号Ｓｂがレーザ発振器１１１ａおよびレーザ発振器１１１ｂにそれぞれ入力されるタイミングを示している。図６の下のグラフは、レーザスポットＢ３ａおよびレーザスポットＢ３ｂが加工結像位置Ｐ２に照射されるタイミングを示している。
【００７４】
図６の上のグラフに示されるように、出射信号Ｓｂがレーザ発振器１１１ｂに入力されてから所定の時間ΔＴの経過後、出射信号Ｓａがレーザ発振器１１１ａに入力される。これに伴い、図６の下のグラフに示されるように、レーザスポットＢ３ｂが加工結像位置Ｐ２に照射されてから時間ΔＴの経過後、レーザスポットＢ３ａが加工結像位置Ｐ２に照射される。
【００７５】
さらに、図５の左側の図に示されるように、レーザスポットＢ３ｂ同士、レーザスポットＢ３ａ同士の一部が重なるように、レーザスポットＢ３ａおよびレーザスポットＢ３ｂが矢印Ａ１の方向に走査される。
【００７６】
そして、レーザスポットＢ３ｂが照射された領域からレーザ光λｂに対する吸収係数が高いａ−Ｓｉ膜４５１Ａが除去される。次に、レーザスポットＢ３ａが照射された領域からレーザ光λａに対する吸収係数が高いＴＣＯ膜４５１Ｂが除去される。
【００７７】
これにより、図５の右側の図に示されるように、ａ−Ｓｉ膜４５１Ａから幅ｄ３ｂの領域が除去され、ＴＣＯ膜４５１Ｂから幅ｄ３ａ’の領域が除去される。
【００７８】
このように、レーザ加工装置４０１では、多層構造の加工対象物に対して、各層に対する加工を並行して行いながら、簡単に各層の加工領域の幅や形状を個別に調整することができる。
【００７９】
＜５．第５の実施の形態＞
［レーザ加工装置の構成例］
図７は、本発明を適用したレーザ加工装置の第５の実施の形態を示す図である。なお、図中、図４と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【００８０】
図７のレーザ加工装置５０１は、図４のレーザ加工装置４０１に、リニアステージ機構５１１を追加したものである。
【００８１】
リニアステージ機構５１１は、電動または手動で、ＸＹスリット機構２１１ｂを矢印Ａ１１の方向にレーザ光λｂの光路に沿って移動させ、ＸＹスリット機構２１１ｂの光軸方向の位置を調整するものである。そして、ＸＹスリット機構２１１ｂを矢印Ａ１１の方向に移動させることにより、レーザスポットＢ３ｂの結像位置Ｐ２’をレーザ光λｂの光路の方向に移動させることができる。
【００８２】
これにより、例えば、上述した図５の薄膜太陽電池パネル４５１のような多層構造の加工対象物を加工する場合、各層の加工に用いるレーザスポットの結像位置を各層の表面に正確に合わせることができる。その結果、例えば、上層の膜厚が厚い場合や下層の材質が加工波長に対して加工性が悪い場合などに、各層に対してエッジがシャープで品質の高い加工を行うことが可能になる。
【００８３】
＜６．変形例＞
以下、本発明の実施の形態の変形例について説明する。
【００８４】
［変形例１］
本発明の実施の形態では、例えば、レーザ発振器１１１ａから出射されたレーザ光λａおよびレーザ発振器１１１ｂから出射されたレーザ光λｂを、光路を結合せずに、それぞれ直接レンズ１２０ａまたはレンズ１２０ｂに入射するようにすることも可能である。この場合、レーザ発振器１１１ａとレンズ１２０ａの間において、レーザ光λａのビーム径を拡大したり、レーザ光λａをコリメートしたり、レーザ光λａの断面の強度を均一化するようにすることが望ましい。強度の均一化には、例えば、ホモジナイザ、カライドスコープを用いることができる。レーザ発振器１１１ｂとレンズ１２０ｂの間についても同様である。
【００８５】
［変形例２］
また、図３のレーザ加工装置３０１において、ＸＹスリット機構２１１ｂ’の開口部Ｏｂ’の形状を円形にする例を示したが、ＸＹスリット機構２１１ａの開口部Ｏａの形状を円形にするようにしてもよい。また、上述した各ＸＹスリット機構の開口部の形状は、その一例であり、別の形状に設定することも可能である。
【００８６】
［変形例３］
さらに、図７のレーザ加工装置５０１において、ＸＹスリット機構２１１ｂにのみリニアステージ機構５１１を設ける例を示したが、例えば、ＸＹスリット機構２１１ａに設けるようにしてもよいし、両方に設けるようにしてもよい。
【００８７】
［変形例４］
また、本発明は、３種類以上の波長のレーザ光を用いる場合にも適用することが可能である。３種類以上の波長のレーザ光を用いる場合、例えば、光ファイバ１１６からレーザ光が出射された後、各レーザ光の光路を分岐し、光路毎に、図１、図２、図３、図４または図７を参照して上述したレーザ光λａまたはレーザ光λｂの光路上の構成と同様の構成を設けるようにすればよい。その後、各レーザ光の光路を合成した後、２波長性レンズ１２４に入射するようにすればよい。なお、３波長以上の波長を用いる場合、２波長レンズ１２４には、その波長に対応した多波長レンズが用いられる。
【００８８】
なお、必ずしも全てのレーザ光の光路を個々に分岐する必要はなく、複数のレーザ光の光路を共通にするようにしてもよい。例えば、レーザ光λａ，λｂ，λｃの３種類のレーザ光を使用する場合、レーザ光λｂだけ分岐し、レーザ光λａとレーザ光λｃの光路を共通にするようにしてもよい。
【００８９】
なお、３種類以上の波長のレーザ光を用いる場合として、以下のような例が考えられる。
【００９０】
レーザ発振器にＮｄ：ＹＡＧレーザを用いる場合、基本波（波長１０６４ｎｍ）、ＳＨＧ（波長５３２ｎｍ）、ＴＨＧ（波長３５５ｎｍ）、ＦＨＧ（波長２６６ｎｍ）のうち３種類の波長（例えば、近赤外光である基本波および可視光であるＳＨＧと、紫外光であるＴＨＧまたはＦＨＧのいずれか）を選択して使用することにより、薄膜加工において残渣のない加工や、スパッタの少ない加工を実現することができる。
【００９１】
例えば、図８に示される薄膜太陽電池パネル６０１のように、薄膜が３層構造になっている場合などに、各層に対する吸収係数が高い波長のレーザ光を選択して加工する場合について説明する。
【００９２】
薄膜太陽電池パネル６０１は、ガラス基板６０１Ａ上に、ＴＣＯ（透明導電膜）６０１Ｂ、ａ−Ｓｉ発電層６０１Ｃ、および、Ａｇ（またはＡｌ）電極６０１Ｄの３層が積層されている。
【００９３】
例えば、ガラス基板６０１Ａ側から加工ができず、Ａｇ（Ａｌ）電極６０１Ｄ側から加工する場合、最初に、図９のいちばん上の図に示されるように、Ａｇ（Ａｌ）電極６０１Ｄおよびａ−Ｓｉ発電層６０１Ｃに対する吸収係数が比較的大きいＳＨＧ（波長５３２ｎｍ）のレーザ光Ｌ１を用いて、これらの２層が除去される。なお、図９の左の図は、右に示す波長により加工された後の状態を示している。次に、ＴＣＯ６０１Ｂは可視光では加工できないため、図９の中央の図に示されるように、基本波（波長１０６４ｎｍ）のレーザ光Ｌ２を用いて、ＴＣＯ６０１Ｂが除去される。このとき、レーザ光Ｌ２で除去しきれなかったＴＣＯ６０１Ｂの残渣６０１Ｂ’が残る。この残渣６０１Ｂ’はリーク電流を引き起こし、太陽電池の発電効率を悪化させるため、最後に、図９のいちばん下の図に示されるように、ＴＣＯ６０１Ｂに対する吸収係数が高いＦＨＧ（波長２６６ｎｍ）のレーザ光Ｌ３を用いて、残渣６０１Ｂ’が完全に除去される。
【００９４】
［変形例５］
また、以上の説明では、それぞれ異なるレーザ発振器から異なる波長のレーザ光を出射する例を示したが、１台のレーザ発振器から異なる波長のレーザ光を出射するようにしてもよい。この場合、例えば、１台のレーザ発振器から、異なる波長のパルス状のレーザ光が、所定の時間間隔で所定の順番で出射される。
【００９５】
［変形例６］
さらに、以上の説明では、波長がそれぞれ異なる複数のレーザ光を並行して使用する例を示したが、本発明は、波長が同じで、他の要素（例えば、エネルギー等）がそれぞれ異なる複数のレーザ光を並行して使用する場合にも適用することができる。もちろん、本発明は、波長を含む複数の要素がそれぞれ異なる複数のレーザ光を並行して使用する場合にも適用することができる。
【００９６】
［変形例７］
また、レーザ光の光路を分離または結合したり、レーザ光の光路の方向を変更したりする手段は、上述した例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、上述した例以外に、プリズムやハーフミラー等を用いることも可能である。
【００９７】
［変形例８］
さらに、レーザスポットＢ３ａ，Ｂ３ｂの走査は、例えば、ガルバノミラー等による結像位置Ｐ２ａ，Ｐ２ｂの走査、加工対象物の移動、レーザ加工装置の移動、またはそれらの組み合わせにより実施することができる。
【００９８】
なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００９９】
１０１ レーザ加工装置
１１１ａ，１１１ｂ レーザ発振器
１１２ａ，１１２ｂ ビームエキスパンダ
１１３ 全反射ミラー
１１４ ビームスプリッタ
１１５ ２波長性ファイバ結合レンズ
１１６ 光ファイバ
１１７ ２波長性結像加工光学系レンズ
１１８ ２波長性ミラー
１１９ 全反射ミラー
１２０ａ乃至１２１ｂ 結像加工光学系レンズ
１２２ 全反射ミラー
１２３ ２波長性ミラー
１２４ ２波長性結合加工光学系レンズ
２０１ レーザ加工装置
２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｂ’ ＸＹスリット機構
３０１，４０１，５０１ レーザ加工装置
５１１ リニアステージ機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１のレーザ光および第２のレーザ光を用いて加工対象物の加工を行うレーザ加工装置において、
前記第１のレーザ光が通過する第１の光路上の第１の結像位置において、前記第１のレーザ光を結像する第１のレンズと、
前記第１の光路上の前記第１の結像位置より後で前記第１のレーザ光をコリメートする第２のレンズと、
前記第２のレーザ光が通過する第２の光路上の第２の結像位置において、前記第２のレーザ光を結像する第３のレンズと、
前記第２の光路上の前記第２の結像位置より後で前記第２のレーザ光をコリメートする第４のレンズと、
前記第２のレンズおよび前記第４のレンズの後段において、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光の光路を結合する結合手段と、
前記結合手段と前記加工対象物の間に設けられ、前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光を結像する第５のレンズと
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記第１の結像位置付近に設けられる第１のスリットと、
前記第２の結像位置付近に設けられる第２のスリットと
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記第１のスリットおよび前記第２のスリットのうち少なくとも一方の光軸方向の位置を調整する調整手段を
さらに備えることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記第１のスリットおよび前記第２のスリットのうち少なくとも一方の開口部の形状が調整可能である
ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光の出射タイミングを個別に調整することが可能である
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光を伝送する光ファイバと、
前記光ファイバから出射された前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光をコリメートする第６のレンズと、
前記第６のレンズの後段において、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光の光路を前記第１の光路と前記第２の光路に分離する分離手段と
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記光ファイバの出射端面の形状が角形である
ことを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
少なくとも第１のレーザ光および第２のレーザ光を用いて加工対象物の加工を行うレーザ加工方法において、
前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光を時間差をつけて発生させ、
前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光をそれぞれ異なる形状で加工対象物の表面に結像させ、
前記結像させた場所と次に結合させる場所が一部重なるように、結像位置を移動させ、もしくは加工対象物の相対的な位置を移動させ、
連続的に対象物の表面を加工することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項１】
少なくとも第１のレーザ光および第２のレーザ光を用いて加工対象物の加工を行うレーザ加工装置において、
前記第１のレーザ光が通過する第１の光路上の第１の結像位置において、前記第１のレーザ光を結像する第１のレンズと、
前記第１の光路上の前記第１の結像位置より後で前記第１のレーザ光をコリメートする第２のレンズと、
前記第２のレーザ光が通過する第２の光路上の第２の結像位置において、前記第２のレーザ光を結像する第３のレンズと、
前記第２の光路上の前記第２の結像位置より後で前記第２のレーザ光をコリメートする第４のレンズと、
前記第２のレンズおよび前記第４のレンズの後段において、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光の光路を結合する結合手段と、
前記結合手段と前記加工対象物の間に設けられ、前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光を結像する第５のレンズと
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記第１の結像位置付近に設けられる第１のスリットと、
前記第２の結像位置付近に設けられる第２のスリットと
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記第１のスリットおよび前記第２のスリットのうち少なくとも一方の光軸方向の位置を調整する調整手段を
さらに備えることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記第１のスリットおよび前記第２のスリットのうち少なくとも一方の開口部の形状が調整可能である
ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光の出射タイミングを個別に調整することが可能である
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光を伝送する光ファイバと、
前記光ファイバから出射された前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光をコリメートする第６のレンズと、
前記第６のレンズの後段において、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光の光路を前記第１の光路と前記第２の光路に分離する分離手段と
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記光ファイバの出射端面の形状が角形である
ことを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
少なくとも第１のレーザ光および第２のレーザ光を用いて加工対象物の加工を行うレーザ加工方法において、
前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光を時間差をつけて発生させ、
前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光をそれぞれ異なる形状で加工対象物の表面に結像させ、
前記結像させた場所と次に結合させる場所が一部重なるように、結像位置を移動させ、もしくは加工対象物の相対的な位置を移動させ、
連続的に対象物の表面を加工することを特徴とするレーザ加工方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１３５８０７（Ｐ２０１２−１３５８０７Ａ）
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９１３３６（Ｐ２０１０−２９１３３６）
【出願日】平成２２年１２月２７日（２０１０．１２．２７）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２７日（２０１０．１２．２７）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
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