JP2013125878A - 薄膜太陽電池用溝加工ツール及び薄膜太陽電池の溝加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溝加工ツールを揺動させて往動側及び復動側で溝の加工を可能にした装置において、ツールの姿勢をスムーズに切り替えられるようにする。
【解決手段】この溝加工ツール２は、ホルダ１７に保持され、ホルダ１７とともに集積型薄膜太陽電池基板のスクライブ予定ラインに沿って相対的に往復移動させて基板上に溝を形成するためのツールである。このツール２は、ホルダ１７に保持されるツール本体３６と、刃先部３７と、を備えている。刃先部３７は、ツール本体３６の先端部に形成され、移動方向の往動側の先端と復動側の先端に刃３８ａ，３８ｂを有している。また、刃先部３７は、移動方向の幅の中央部に底面から下方に突出する突起部３９を有している。
【選択図】図４

Description

本発明は、薄膜太陽電池用溝加工ツール、特に、ホルダに保持され、ホルダとともに集積型薄膜太陽電池基板のスクライブ予定ラインに沿って相対的に往復移動させて基板上に溝を形成するための溝加工ツールに関する。

また、本発明は、溝加工装置、特に、集積型薄膜太陽電池基板のスクライブ予定ラインに沿って溝加工ツールを基板に対して相対的に移動させ、基板上に溝を形成する溝加工装置に関する。

薄膜太陽電池は、例えば特許文献１に示されるような方法で製造される。この特許文献１に記載された製造方法では、ガラス等の基板上にMo膜からなる下部電極膜が形成され、その後、下部電極膜に溝が形成されることによって短冊状に分割される。次に、下部電極膜上にCIGS膜等のカルコパイライト構造化合物半導体膜を含む化合物半導体膜が形成される。そして、これらの半導体膜の一部が溝加工によりストライプ状に除去されて短冊状に分割され、これらを覆うように上部電極膜が形成される。最後に、上部電極膜の一部が溝加工によってストライプ状に剥離されて短冊状に分割される。

以上のような工程における溝加工技術の１つとして、ダイヤモンド等のメカニカルツールによって薄膜の一部を除去するメカニカルスクライブ法が用いられている。このメカニカルスクライブ法において、安定した幅の溝加工を行うことができるように、特許文献２に示される方法が提案されている。この特許文献２に示された方法では、加工負荷を調整する加工負荷調整機構を備えた溝加工ツール及び剥離ツールが用いられている。

実開昭63-16439号公報 特開2002-033498号公報

従来の溝加工装置あるいは溝加工方法では、連続して複数の溝を加工する場合、１本の溝を加工した後に、ヘッドを上昇させ、加工開始位置まで移動させ、続いて次の溝を加工する、といった動作が繰り返される。このような従来の装置及び方法では、加工に時間がかかり、また先に調整されたツールの押圧力を再調整しなければならない場合がある。

そこで、本件発明者らは、効率よく迅速に溝加工を行うことができる加工装置を開発し、既に出願している（特願２０１０−０８２９５３）。この加工装置は、ヘッドに上下移動可能にツールホルダが取り付けられており、さらに、このツールホルダに所定の角度範囲内で揺動部材が揺動可能に取り付けられている。揺動部材には溝加工ツールが保持されており、揺動部材は往動時の切削姿勢と復動時の切削姿勢とで反転させられる。溝加工ツールには、往動側及び復動側に対称的な前部及び後部の刃が設けられている。そして、揺動部材が往動切削姿勢にあるときに前部の刃が太陽電池基板に接触し、復動切削姿勢にあるときに後部の刃が太陽電池基板に接触する。

このような装置では、移動方向を変更する際には、エアシリンダ等のアクチュエータで揺動部材を積極的に往動切削姿勢と復動切削姿勢との間で切り替える方法がある。また、別の方法として、中立位置の溝加工ツールを基板に押し付けてヘッドを移動させることにより、ツールと基板との間の摩擦を利用して揺動部材を揺動させ、往動切削姿勢と復動切削姿勢との間で切り替える方法がある。

しかし、前者の方法では、エアシリンダ等のアクチュエータが必要になるために、構造が複雑になり、コストアップにつながる。また、後者の方法では、切替動作が不安定になる場合がある。この点について、以下に詳細に説明する。

前述のように、溝加工ツールは、揺動部材に保持されており、往動側及び復動側の端部のそれぞれに刃が設けられている。そして、往動時及び復動時には、これらの刃が基板に接触する。一方で、往動時と復動時との間の切替時（中立状態）には、両刃の間のツール底面が基板に接触する。このため、ヘッドが移動している加工時と中立状態の時とでは、溝加工ツールの基板との接触点と揺動部材の揺動中心との距離（揺動半径）が異なってしまう。具体的には、ツール底面が基板に接触しているときより、刃が基板に接触しているときの方が、揺動半径は長くなる。

このような状況では、ツールの姿勢切替時において、ツールが中立状態から切削姿勢に移行する際にエアシリンダのロッドが上方に押し戻されることになり、エアシリンダのエア圧の設定によっては、ツールが上昇しにくくなり、スムーズに姿勢を切り替えることができない。あるいは、ツールの姿勢切替動作が不安定になる。

本発明の課題は、溝加工ツールを揺動させて往動側及び復動側で溝の加工を可能にした装置において、ツールの姿勢をスムーズに切り替えられるようにすることにある。

第１発明に係る薄膜太陽電池用溝加工ツールは、ホルダに保持され、ホルダとともに集積型薄膜太陽電池基板のスクライブ予定ラインに沿って相対的に往復移動させて基板上に溝を形成するためのツールである。このツールは、ホルダに保持されるツール本体と、刃先部と、を備えている。刃先部は、ツール本体の先端部に形成され、移動方向の往動側の先端と復動側の先端に刃を有している。また、刃先部は、移動方向の幅の中央部に底面から下方に突出する突起部を有している。

この溝加工ツールは往復移動され、往動時と復動時の両方において基板上に溝が形成される。また、往動時と復動時との間でツールの姿勢が切り替えられる場合は、ツールは中立状態を経由するが、中立状態においては、ツール底面に設けられた突起部が基板に接触する。すなわち、ツールの姿勢切替時には、突起部を支点としてツールの姿勢を変えることができる。

このような溝加工ツールを、溝加工ツールを揺動させて往動側及び復動側で溝の加工を可能にした装置に用いることにより、ツールの姿勢をスムーズに切り替えられることができる。このため、ツールの姿勢切替動作を安定させることができる。

第２発明に係る薄膜太陽電池用溝加工ツールは、第１発明の溝加工ツールにおいて、突起部は下方側の先端に行くにしたがって移動方向の幅が狭くなっている。

ここでは、突起部を支点として、ツールの姿勢をよりスムーズに切り替えることができる。

第３発明に係る薄膜太陽電池用溝加工ツールは、第２発明の溝加工ツールにおいて、突起部は、移動方向の側部が、移動方向と直交する方向視で直線状である。

第４発明に係る薄膜太陽電池用溝加工ツールは、第２発明の溝加工ツールにおいて、突起部は、移動方向と直交する方向視で円弧状である。

第５発明に係る薄膜太陽電池の溝加工装置は、集積型薄膜太陽電池基板のスクライブ予定ラインに沿って溝加工ツールを基板に対して相対的に移動させ、基板上に溝を形成する装置である。この溝加工装置は、薄膜太陽電池基板が載置されるテーブルと、第１発明から第４発明のいずれかに記載の溝加工ツールが装着されるヘッドと、テーブルとヘッドとを水平面内で相対的に移動させるための移動機構と、を備えている。ヘッドは、上下移動可能なホルダと、揺動部材と、押圧部材と、を備えている。揺動部材は、溝形成方向と直交する揺動軸を支点としてホルダに揺動自在に支持され、溝加工ツールを保持する。押圧部材はホルダに保持された溝加工ツールを基板に対して所定の押圧力で押圧する。

この装置では、ヘッドの揺動部材に第１発明から第４発明のいずれかの溝加工ツールが保持される。そして、溝加工ツールは押圧部材によって基板に所定の押圧力で押圧される。この状態でテーブルとヘッドとをスクライブ予定ラインに沿って相対的に移動させると、ツールが保持された揺動部材は、移動に伴って所定角度揺動する。すなわち、ツールが適切な加工姿勢になる。また、ツールの姿勢切替時には、ツールの底面に形成された突起部を支点としてツールの姿勢を変えることができる。

第６発明に係る薄膜太陽電池の溝加工装置は、第５発明の溝加工装置において、揺動部材の揺動支点と溝加工ツールの突起部の先端とを結んだ線の長さは、揺動支点と刃を結んだ線の長さと等しい。

ここでは、溝加工ツールの底面に突起部が形成されており、揺動部材の揺動支点と突起部の先端とを結んだ線の長さは、揺動支点と刃を結んだ線の長さと等しいので、ツールの姿勢切替動作時において、揺動支点が上下せず、安定してツールの姿勢を切り替えることができる。

以上のような本発明では、簡単な機構で高い加工精度を確保でき、しかも効率よく溝を加工することができる。

本発明の一実施形態が採用された溝加工装置の外観斜視図。 前記装置のヘッドの正面図。 前記装置に装着される溝加工ツールの正面図及び側面図。 溝加工ツールの先端部を拡大して示す図。 溝加工時の動作を説明するための模式図。 溝加工ツールの他の実施形態による図４に相当する図。

本発明の一実施形態を採用した集積型薄膜太陽電池用スクライブ装置の外観斜視図を図１に示す。

［スクライブ装置の全体構成］
この装置は、太陽電池基板Ｗが載置されるテーブル１と、溝加工ツール（以下、単にツールと記す）２が装着されたヘッド３と、それぞれ２つのカメラ４及びモニタ５と、を備えている。

テーブル１は水平面内において図１のＹ方向に移動可能である。また、テーブル１は水平面内で任意の角度に回転可能である。なお、図１では、ヘッド３の概略の外観を示しており、ヘッド３の詳細は後述する。

ヘッド３は、移動支持機構６によって、テーブル１の上方においてＸ，Ｙ方向に移動可能である。なお、Ｘ方向は、図１に示すように、水平面内でＹ方向に直交する方向である。移動支持機構６は、１対の支持柱７ａ，７ｂと、１対の支持柱７ａ，７ｂ間にわたって設けられたガイドバー８と、ガイドバー８に形成されたガイド９を駆動するモータ１０と、を有している。各ヘッド３は、ガイド９に沿って、前述のようにＸ方向に移動可能である。

２つのカメラ４はそれぞれ台座１２に固定されている。各台座１２は支持台１３に設けられたＸ方向に延びるガイド１４に沿って移動可能である。２つのカメラ４は上下動が可能であり、各カメラ４で撮影された画像が対応するモニタ５に表示される。

［ヘッド］
図２にヘッド３を抽出して示している。ヘッド３は、板状のベース１６と、ホルダ１７と、揺動部材１８と、エアシリンダ（押圧部材）１９と、を有している。

ホルダ１７は、図示しないレールを介して、ベース１６に対して上下方向にスライド自在に支持されている。ホルダ１７は、ホルダ本体２２と、ホルダ本体２２の表面に固定された支持部材２３と、を有している。ホルダ本体２２は、板状に形成され、上部に開口２２ａを有している。支持部材２３は横方向に長い矩形状の部材であり、内部に揺動部材１８が挿通する貫通孔２３ａが形成されている。

揺動部材１８は、下部のツール装着部２４と、ツール装着部２４から上方に延びて形成された延長部２５と、を有している。ツール装着部２４には溝が形成され、この溝にツール２が挿入され、さらに固定プレート２４ａによってツール２が溝内に固定されている。延長部２５の下部には水平方向で、溝形成方向と直交する方向に貫通する孔２５ａが形成されている。そして、この孔２５ａを貫通するピン２６を中心に揺動部材１８は揺動自在となっている。延長部２５の上端部２５ｂの左右両側には、１対の規制部材２７ａ，２７ｂが設けられている。各規制部材２７ａ，２７ｂは、図５に示すように、ホルダ本体２２に固定された筒状部材２８ａ，２８ｂと、筒状部材２８ａ，２８ｂの内部に挿入されたスプリング２９ａ，２９ｂと、を有している。そして、各スプリング２９ａ，２９ｂの先端が延長部２５の上端部２５ｂに当接することにより、揺動部材１８は図２及び図５（ｂ）に示すような中立位置に維持されている。また、揺動部材１８が揺動していずれかのスプリング２９ａ，２９ｂを押し、延長部２５の上端部２５ｂが筒状部材２８ａ，２８ｂに当接することにより、揺動角度が規制されるようになっている。この実施形態では、±3°の角度範囲で揺動部材１８の揺動角度が規制されるように設定されているが、±5°以内で規制されることが好ましい。

エアシリンダ１９はシリンダ支持部材３０の上面に固定されている。シリンダ支持部材３０は、ホルダ１７の上部に配置され、ベース１６に固定されている。シリンダ支持部材３０には上下方向に貫通する孔が形成されており、エアシリンダ１９のピストンロッド（図示せず）がこの貫通孔を貫通し、ロッド先端がホルダ１７に連結されている。

また、ベース１６の上部にはスプリング支持部材３１が設けられている。スプリング支持部材３１とホルダ１７との間にはスプリング３２が設けられており、このスプリング３２によってホルダ１７は上方に付勢されている。このスプリング３２によって、ホルダ１７の自重をほぼキャンセルすることができる。

ホルダ１７の左右両側には、１対のエア供給部３４ａ，３４ｂが設けられている。１対のエア供給部３４ａ，３４ｂはともに同じ構成であり、それぞれジョイント３５とエアノズル３６とを有している。

［ツール］
図３にツール２の詳細を示している。図３（ａ）はツール２の正面図であり、同図（ｂ）はその側面図である。図３（ａ）にツール２の移動方向Ｍを示している。

ツール２は、ホルダ１７に保持されるツール本体３６と、ツール本体３６の先端部に形成された刃先部３７と、を有している。刃先部３７の先端両側にはそれぞれ刃３８ａ，３８ｂが形成されている。ここでは、一方の刃３８ａが往動時に溝加工をするための刃であり、他方の刃３８ｂが復動時に溝加工をするための刃である。また、これらの刃３８ａ，３８ｂの間において、移動方向の幅における中央部に、下方に突出する突起部３９が形成されている。

具体的には、刃先部３７は、移動方向の幅w（図３（ａ）参照）が先端に行くにしたがって狭くなっている。すなわち、刃先部３７の対向する往動側の側面３７ａと復動側の側面３７ｂとが傾斜し、かつ対称に形成されている。刃先部３７の先端は、ホルダ１７（揺動部材１８）に取り付けられた中立状態では、水平方向に直線状に形成されている。そして、往動側の側面３７ａと復動側の側面３７ｂの刃に対する掬い面角度αは、この実施形態では70°に設定されている。なお、この掬い面角度は、50°以上80°以下が好ましい。また、刃先部３７の先端の溝形成方向の幅ｗは50μｍ以上200μｍ以下が好ましい。

図４に刃先部３７の先端部を拡大して示している。この図４に示すように、突起部３９は、下方側の先端に行くにしたがって移動方向の幅が狭くなっている。また、突起部３９は、移動方向の側部が、移動方向と直交する方向視で直線状に形成されている。そして、突起部３９は、揺動中心（ピン２６の中心）から突起部３９の先端までの距離が、揺動中心から各刃３８ａ，３８ｂまでの距離Ｒと等しくなるように形成されている。

［溝加工動作］
以上のような装置を用いて薄膜太陽電池基板に溝加工を行う場合は、移動機構６によりヘッド３を移動させるとともにテーブル１を移動させ、カメラ４及びモニタ５を用いてツール２をスクライブ予定ライン上に位置させる。

以上のような位置合わせを行った後、エアシリンダ１９を駆動してホルダ１７及び揺動部材１８を下降させて、ツール２の先端を薄膜に当てる。このときの、ツール２の薄膜に対する加圧力は、エアシリンダ１９に供給されるエア圧によって調整される。

次にモータ１０を駆動して、ヘッド３をスクライブ予定ラインに沿って走査する。このときの揺動部材１８及びツール２の姿勢を、図５に模式的に示している。

往動時（図５において右側への移動時）は、図５（ａ）に示すように、刃３８ａと基板上の薄膜との接触抵抗によって、揺動部材１８はピン２６を中心に時計回りに揺動する。この揺動は、揺動部材１８の上端部２５ｂが右側の筒状部材２８ａに当接することによって、規制される。したがって、ツール２は図５（ａ）に示すような傾斜姿勢のまま、刃３８ａが基板上の薄膜に当接し、刃３８ｂが基板の表面に当接していない状態で＋M方向に移動され、溝が形成される。

この後、ヘッド３を基板に対して相対的に移動させて、ツール２を次に下降すべきスクライブ予定ライン上に移動させる。そして、前記同様に、ツール２を基板上の薄膜に押し付けて、前記とは逆方向にヘッド３を移動させる。

この復動時（図５において左側への移動時）においては、図５（ｃ）に示すように、刃３８ｂと基板上の薄膜との接触抵抗によって、揺動部材１８はピン２６を中心に反時計回りに揺動する。この揺動は、揺動部材１８の上端部２５ｂが左側の筒状部材２８ｂに当接することによって、規制される。したがって、ツール２は図５（ｃ）に示すような傾斜姿勢のまま、刃３８ｂが基板上の薄膜に当接し、刃３８ａが基板の表面に当接していない状態で−M方向に移動され、溝が形成される。

以上の動作において、ツール２が中立位置から往動時及び復動時の傾斜姿勢に移行する際、ツール２を含む揺動部材１８は、ツール２の底面に形成された突起部３９を支点として揺動する。例えば、往動時には、一方の刃３８ａによって基板上に溝が形成される。そして、この移動が停止し、移動方向が変更された場合は、ツール２と基板との接触は、刃３８ａから突起部３９に移り、さらに他方の刃３８ｂに移る。このとき、揺動支点から刃３８ａ，３８ｂまでの距離と、揺動支点から突起部３９の先端までの距離とは等しく設定されているので、このツール２の姿勢の切替時に、揺動支点が上下する移動量が小さくなる。したがって、ツール２は往動時の姿勢から中立位置を経て復動時の姿勢にスムーズに切り替えられることになる。

なお、揺動支点から突起部３９の先端までの距離は、溝加工時のツールの傾斜姿勢において突起部が基板表面に接触しない範囲で、揺動支点から刃３８ａ，３８ｂまでの距離よりも短くしてもよいし長くしてもよい。ただし、揺動支点から突起部３９の先端までの距離と揺動支点から刃３８ａ，３８ｂまでの距離との差が、揺動支点からツール２の底面までの距離と揺動支点から刃３８ａ，３８ｂまでの距離との差よりも小さくなるように設定するのが好ましい。これにより、突起部３９がない場合と比較して揺動支点の上下動を小さくすることができる。

なお、溝加工中あるいは溝加工終了時において、各エア供給部３４ａ，３４ｂのエアノズル３６からエアが噴出され、基板から剥離された膜が除去される。

［特徴］
以上のような溝加工時において、ツール２と基板との接触抵抗を利用して揺動部材１８及びツール２を揺動させてツール２の姿勢を切り替えており、しかも揺動部材１８の揺動角度が微少であるので、アクチュエータによる駆動力なしにツール２の姿勢を切り替えることができる。

また、揺動部材１８及びツール２の揺動支点から刃３８ａ，３８ｂまでの距離と、揺動支点から突起部３９の先端までの距離とが等しいので、溝加工時と中立状態とでツール２が上下することがない。このため、ツール２の姿勢の切替をスムーズに行うことができる。さらに、同様の理由により、ツール２の振れ幅が小さくなるので、精度がバラツキにくくなり、高い精度で溝加工を行うことができる。

［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。

例えば、ツール２の形状や、突起部の形状は前記実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

図６にツール２の底面に形成される突起部の他の実施形態を示している。この実施形態では、ツールの刃先部３７’には、前記実施形態と同様に、刃３８ａ’，３８ｂ’が形成されている。そして、これらの刃３８ａ’，３８ｂ’の間には、下方に膨らむ円弧状の突起部３９’が形成されている。突起部３９’は、移動方向の幅の中央が最も突出する形状である。そして、揺動支点から各刃３８ａ’，３８ｂ’までの距離と、揺動支点から突起部３９’の先端までの距離とは等しい。

このような実施形態によっても、前記実施形態と同様の効果が得られる。

１ テーブル
２ ツール
３ ヘッド
１７ ホルダ
１８ 揺動部材
１９ エアシリンダ
３６ ツール本体
３７ 刃先部
３８ａ，３８ｂ，３８ａ’，３８ｂ’ 刃
３９，３９’ 突起部

Claims (6)

1. ホルダに保持され、前記ホルダとともに集積型薄膜太陽電池基板のスクライブ予定ラインに沿って相対的に往復移動させて基板上に溝を形成するための溝加工ツールであって、
   前記ホルダに保持されるツール本体と、
   前記ツール本体の先端部に形成され、移動方向の往動側の先端と復動側の先端に刃を有するとともに、底面における移動方向の幅の中央部に前記底面から下方に突出する突起部を有する刃先部と、
   を備えた薄膜太陽電池用溝加工ツール。
2. 前記突起部は下方側の先端に行くにしたがって移動方向の幅が狭くなっている、請求項１に記載の薄膜太陽電池用溝加工ツール。
3. 前記突起部は、移動方向の側部が、移動方向と直交する方向視で直線状である、請求項２に記載の薄膜太陽電池用溝加工ツール。
4. 前記突起部は、移動方向と直交する方向視で円弧状である、請求項２に記載の薄膜太陽電池用溝加工ツール。
5. 集積型薄膜太陽電池基板のスクライブ予定ラインに沿って溝加工ツールを基板に対して相対的に移動させ、前記基板上に溝を形成する溝加工装置であって、
   薄膜太陽電池基板が載置されるテーブルと、
   請求項１から４のいずれかに記載の溝加工ツールが装着されるヘッドと、
   前記テーブルと前記ヘッドとを水平面内で相対的に移動させるための移動機構と、
   を備え、
   前記ヘッドは、
   上下移動可能なホルダと、
   前記溝形成方向と直交する揺動軸を支点として前記ホルダに揺動自在に支持され、前記溝加工ツールを保持する揺動部材と、
   前記ホルダに保持された溝加工ツールを基板に対して所定の押圧力で押圧する押圧部材と、
   を有する、薄膜太陽電池の溝加工装置。
6. 前記揺動部材の揺動支点と前記溝加工ツールの突起部の先端とを結んだ線の長さは、前記揺動支点と前記刃を結んだ線の長さと等しい、請求項５に記載の薄膜太陽電池の溝加工装置。

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