JP2005034889A

JP2005034889A - 加工装置

Info

Publication number: JP2005034889A
Application number: JP2003276069A
Authority: JP
Inventors: Motoi Sasaki; 基佐々木; Ryoji Koseki; 良治小関
Original assignee: Shibuya Kogyo Co Ltd
Current assignee: Shibuya Corp
Priority date: 2003-07-17
Filing date: 2003-07-17
Publication date: 2005-02-10

Abstract

【解決手段】加工装置１は、水Ｗを供給する高圧ポンプ５と、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器４と、その内部が先端の縮径する円錐面１４Ａに加工されたノズル１４とを備え、該ノズルの内面には透明な円錐状部材１５を設け、該円錐状部材の外周円錐面１５Ａにレーザ光を反射させるコーティング層１５Ｃを形成するとともに、その中央には高圧ポンプからの液体を流通させる液体通路１５Ｂが穿設されている。
上記液体通路に液体供給手段からの液体を流入させて被加工物へと液体を噴射するとともに、円錐状部材の後端よりレーザ発振器からのレーザ光を入射させてコーティング層に反射収束させることで、該レーザ光は噴射された液体に導光されて被加工物に照射される。
【効果】噴射される液体の径を細くして照射されるレーザ光を細くすることができるので、従来よりも高精度の加工が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は加工装置に関し、詳しくはノズルから噴射される液体にレーザ光を導光し、被加工物に向けて照射させる加工装置に関する。

従来、液体供給手段からの液体とレーザ発振器からのレーザ光とをノズルに供給し、該ノズルから噴射される液体にレーザ光を導光し、被加工物に向けて照射させるようにした加工装置が知られている。（特許文献１）
また、上記ノズルにおける液体の噴射される開口部の径を小さくするとともに、ノズルの内面にレーザ光を反射させるコーティング層を形成した加工装置も知られ（特許文献２）、この加工装置ではレーザ光をノズル内で反射させることでノズルより噴射される液体にレーザ光を導光しており、この特許文献２の構成によればレーザ発振器より発振されたレーザ光の径をノズルより噴射される液体の径にまで収束させることができ、より高精度な加工が行えるようになっている。
特公平２−１６２１号公報特開２００１−３２１９７７号公報

しかしながら、上記特許文献２におけるノズルの場合、開口部の径をあまりにも細くしてしまうと、噴射口がコーティング層によってふさがれてしまうため、上記開口部の径を所定の径以下に設定することができず、上記構成ではより高精度な加工を行うことができなかった。
以上の問題に鑑み、本発明の加工装置はノズルより噴射する液体の径を従来よりも細くすることで、より高精度な加工が可能な加工装置を提供するものである。

すなわち、本発明における加工装置は、液体供給手段からの液体とレーザ発振器からのレーザ光とをノズルに供給し、該ノズルから噴射される液体にレーザ光を導光し、被加工物に向けて照射させるようにした加工装置において、
上記ノズルにレーザ光を透過させる光透過材料からなる円錐状部材を設け、該円錐状部材の外周円錐面に円錐状部材内を透過するレーザ光を反射させるコーティング層を形成するとともに、該円錐状部材にこれを貫通する液体通路を穿設し、上記液体を液体通路から被加工物へ噴射させるとともに、レーザ光をコーティング層の内面で反射収束させて、液体通路から噴射される液体に当該レーザ光を導光させることを特徴としている。

上記発明によれば、円錐状部材の外周円錐面にコーティングを施せばよいので、当該液体通路の径を従来よりも細くしても、コーティング層によって液体通路がふさがれることはなく、液体を噴射させることが可能である。
このように噴射する液体の径を従来に比べて細くすることができるので、この噴射された液体に反射収束されるレーザ光の径も細くすることができ、従来に比べて高精度な加工を行うことができる。

以下図示実施例について説明すると、図１には本発明にかかる加工装置１を示し、薄板状の被加工物２を支持して水平面内のＸ方向に移動させる従来公知の加工テーブル３と、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器４と、液体としての水Ｗを供給する液体供給手段としての高圧ポンプ５と、上記加工テーブル３の上方側に配置されて、上記Ｘ方向と直交するＹ方向に移動して被加工物２に水Ｗを噴射するとともにレーザ光Ｌを照射する加工ヘッド６とを備えている。
そしてこの加工装置１は上記加工テーブル３と加工ヘッド６とをＸＹ方向に相対移動させながら、加工ヘッド６は高圧ポンプ５より供給された水Ｗを被加工物２に噴射するとともに、レーザ発振器４より照射されたレーザ光Ｌを水Ｗに導光して被加工物２にレーザ光Ｌを照射することで、被加工物２の加工を行うようになっている。
本実施例における加工装置１では、被加工物２として板厚の薄い半導体ウエハを加工し、この他にもエポキシ樹脂板や樹脂と金属からなる複合材料などを加工することができる。
また上記レーザ発振器４はＹＡＧレーザであり、加工に応じてＣＷ発振又はパルス発振が可能であり、またその出力やパルスの発振周期を適宜調整できるようになっている。
なお、レーザ発振器４としてこの他にも半導体レーザやＣＯ_２レーザ等を用いることができるが、ＣＯ_２レーザのように照射されるレーザ光が水に吸収されやすい波長である場合には、加工ヘッド６より噴射される液体を水からレーザ光が吸収されないような液体にすればよい。すなわち、照射されるレーザ光と液体の性質によって使用するレーザ発振器と噴射される液体の組み合わせを任意に変化させることができる。

つぎに、上記加工ヘッド６は図示しない移動手段によってＹ方向に移動可能であり、移動手段に固定されたハウジング１１と、レーザ光Ｌを集光する集光レンズ１２を保持するとともに水Ｗの供給されるレンズホルダ１３と、その下端から水Ｗを噴射するとともにレーザ光Ｌを照射するノズル１４とによって構成されている。
ハウジング１１には集光レンズ１２と同径の開口部１１Ａが穿設され、加工ヘッド６組立の際には集光レンズ１２を開口部１１Ａの上部より挿入し、その後当該開口部１１Ａ内に円筒状のレンズ押さえ１６を螺着させて上記レンズホルダ１３との間で挟持するようになっている。
そしてレンズホルダ１３の上面には集光レンズ１２と嵌合する切欠き１３Ａが設けられ、さらに集光レンズ１２の底面と当接する部分にはシール部材１７が設けられている。そしてこの切欠き１３Ａと上記レンズ押さえ１６とによって集光レンズ１２を挟持することで、集光レンズ１２とレンズホルダ１３との間の気密及び液密が保持されるようになっている。
またレンズホルダ１３における切欠き１３Ａの下方には、その外周面から内周面まで貫通する液通路１３Ｂを形成してあり、この液通路１３Ｂの外方側の端部と上記高圧ポンプ５とを接続することで、レンズホルダ１３内に水Ｗが供給されるようになっている。

ノズル１４は上記レンズホルダ１３にシール部材１８を介して気密及び液密が保持された状態で固定され、その内面の形状は下端部（先端部）側が縮径される円錐面１４Ａとなっている。
そしてノズル１４の下端部にはレーザ光Ｌの光軸に合わせて開口部１４Ｂが形成されており、本実施例において当該開口部１４Ｂの径は１００μｍに設定されている。
さらに、上記レンズホルダ１３における集光レンズ１２より下方の空間と、ノズル１４の円錐面１４Ａとによって形成される空間によって、上記液通路１３Ｂより供給される水Ｗを一時的に貯留するとともに、上記レーザ発振器４より照射されるレーザ光Ｌの通過するチャンバ１９が形成されている。

そして本実施例におけるノズル１４には光透過材料としての石英で作成された円錐状部材１５が設けられている。この光透過材料としてはその他にもガラスやサファイヤなどが考えられるが、加工ヘッド６より噴射される液体同様、使用されるレーザ発振器の種類によって、照射されるレーザ光が吸収されないような光透過材料を選択するのが好ましい。
この円錐状部材１５はノズル１４の内面における先端部に設けられるとともに、円錐状部材１５の外周円錐面１５Ａは上記ノズル１４の円錐面１４Ａに当接するよう、ノズル１４の円錐面１４Ａと同形状に作成されている。また円錐状部材１５の下端部（先端部）は上記ノズル１４の開口部１４Ｂの位置と同一面となるように加工されている。
さらに円錐状部材１５にはその上面から下面にかけて貫通する円筒状の液体通路１５Ｂが形成されており、この液体通路１５Ｂの中心も上記ノズル１４の開口部１４Ｂと同様、レーザ光Ｌの光軸に合わせて加工され、本実施例においてその径は上記開口部１４Ｂよりも小径の５０μｍに設定されている。
そして、上記外周円錐面１５Ａにはレーザ光Ｌを反射する金からなるコーティング層１５Ｃが形成されており、このコーティング層１５Ｃが形成された状態で、円錐状部材１５とノズル１４とが紫外線硬化接着剤等により接着されている。
なお、上記コーティング層１５Ｃは金に限らず誘電体多層膜などのレーザ光Ｌを反射するものであれば良く、蒸着やスパッタリングなどの方法によってコーティングされたものである。

以上のような構成による加工装置１の動作について説明すると、被加工物２を加工テーブル３にセットした状態から加工装置１を作動させると、高圧ポンプ５によって圧力を高められた水Ｗが液通路１３Ｂを介してレンズホルダ１３及びノズル１４内に形成されたチャンバ１９内に供給される。
そしてチャンバ１９内に水Ｗが充満されると、円錐状部材１５の液体通路１５Ｂを介して水Ｗが被加工物２に噴射される。なお、本実施例においては、上記高圧ポンプ５によってノズル１４のチャンバ１９内に供給される水圧は、被加工物２の材質や板厚に応じて調節できるようになっている。
この円錐状部材１５の液体通路１５Ｂから水Ｗが噴射されている状態において、制御装置によってレーザ発振器４が作動され、レーザ発振器４から照射されたレーザ光Ｌは、集光レンズ１２によって集光された後、円錐状部材１５の上面より円錐状部材１５に入射する。
円錐状部材１５に入射したレーザ光Ｌは円錐状部材１５の外周円錐面１５Ａに施されたコーティング層１５Ｃで反射することで収束し、その後液体通路１５Ｂより噴射された水Ｗの空気との境界面で反射を繰り返しながら被加工物２に照射されるようになっている。
このとき、上述したように加工ヘッド６と加工テーブル３とはＸＹ方向に相対移動しているので、被加工物２はレーザ光Ｌによって所要の形状に切断され、さらに液体通路１５Ｂより噴射された水Ｗによって、被加工物２における加工位置とその周辺の冷却と、切断によって生じる加工くずの除去が行われる。
なお、本実施例においては、液体として水Ｗを用いているが、これに限定されるものではなく、レーザ光Ｌの吸収率が低い液体であれば、上記水Ｗの代わりの液体として使用することができる。

以上のように、ノズル１４の内面に円錐状部材１５を設けてその外周円錐面１５Ａにコーティング層１５Ｃを施すことにより、以下のような効果が得られる。
まず特許文献２のような従来の加工装置では、直接ノズル１４の内面にコーティング層１５Ｃを施してレーザ発振器４からのレーザ光Ｌをノズル１４の内面で反射させ、これをノズル１４先端の開口部１４Ｂより噴射される水Ｗに導光することで、照射されるレーザ光Ｌの径を収束させるようになっていた。
しかしながら本実施例のように噴射される水Ｗの径を本実施例のような５０μｍに設定すると、コーティングを行う際にノズル１４の噴射口がコーティング層によってふさがれてしまい、この噴射口をコーティングすることができなかった。
そこで、本実施例では外周円錐面１５Ａにコーティング層１５Ｃの形成された円錐状部材１５をノズル１４の内部に取り付けたものであり、このため水Ｗの流通する液体通路１５Ｂの径を細くしてもコーティング層によって当該液体通路１５Ｂがふさがれてしまうことはない。
以上のことから、本実施例の加工装置１では液体通路１５Ｂから噴射される水Ｗの径を所要の細い径にすることができ、しかも上記コーティング層１５Ｃによってレーザ光Ｌを反射させることで噴射される水Ｗにレーザ光Ｌを収束させ、径の細いレーザ光Ｌを被加工物２に照射して高精度な加工を行うことができる。

そして上記実施例では開口部１４Ｂの径を１００μｍとする事で円錐状部材１５の先端部の径を１００μｍとし、液体通路１５Ｂの径を５０μｍとしていたが、このように円錐状部材１５の先端部の径と、液体通路１５Ｂの径との差をなるべく小さくすることが望ましい。
それは、液体通路１５Ｂの開口端から円錐状部材１５の先端部の外周端までの距離が広いと、コーティング層１５Ｃに反射したレーザ光Ｌが当該液体通路１５Ｂと開口部１４Ｂの間より外部に飛び出してしまい、噴射される水Ｗにレーザ光Ｌが収束しなくなるおそれがあるからである。

次に、図２は第２実施例としての加工装置１を示し、上記実施例における加工装置１の加工ヘッド６に対し、ノズル１４及び円錐状部材１５の形状を異ならせた加工装置１となっている。そして以下に述べる点を除いては、全て上記第１の実施例における加工装置１と同一の構成を有している。
最初に、本実施例の円錐状部材１５では、外周円錐面１５Ａの断面形状をその中央部が外方に向かって膨出する曲率を有した断面形状とし、これに伴いノズル１４の円錐面１４Ａも同形状に加工されている。
また円錐状部材１５の先端部をノズル１４の開口部よりも下方に突出させており、この突出した部分における外周円錐面１５Ａにもコーティング層１５Ｃが形成されている。
さらに、液体通路１５Ｂはその上端から下端に向けて縮径するテーパ形状を有している。
このような構成であっても、レーザ発振器４より照射されたレーザ光Ｌをコーティング層１５Ｃに反射させ、液体通路１５Ｂより噴射される水Ｗに導光することで、被加工物２の加工を行うことができる
また本実施例におけるノズル１４の場合には、円錐状部材１５の先端部がノズル１４の開口部１４Ｂより突出しているので、開口部１４Ｂの径を上記第１の実施例における開口部１４Ｂの径よりも大きくすることができる。
このようにすることで、後述するようにノズル１４の円錐面１４Ａにもコーティング層を形成するような場合に、当該開口部１４Ｂがコーティング層によってふさがれてしまうのが防止される。

なお、上述したようにレーザ発振器４より照射されたレーザ光Ｌをコーティング層１５Ｃに反射させ、液体通路１５Ｂより噴射される水Ｗに導光することができる形状であれば、円錐状部材１５の形状を適宜変更することも可能である。
例えば、外周円錐面１５Ａの断面形状を中央部が内方に向けて膨出する曲率を有した断面形状としたり、円錐状部材１５の上方を円柱形状とし、その下方を円錐形状とするような断面形状としても良い。
また液体通路１５Ｂについても、上記実施例のように直線的に上端部から下端部に貫通させなくとも良く、液体通路１５Ｂ内上方の径が拡径された段差を形成したり、その断面に曲率を設けてもよい。

さらに、上記実施例ではレーザ光Ｌを集光レンズ１２によって集光しているが、レーザ発振器４より発振されるレーザ光Ｌの径が細い場合には、集光レンズ１２によってレーザ光Ｌを集光せずとも良く、この場合単なるガラス板をレンズホルダ１３に設けて、当該ガラス板内にレーザ光Ｌを透過させるようにしてもよい。
また、上記実施例ではレーザ光Ｌは最初から円錐状部材１５の外周円錐面１５Ａに反射させているが、上記ノズル１４の円錐面１４Ａにもレーザ光Ｌを反射するコーティング層を形成し、レーザ光Ｌを当該円錐面１４Ａに反射させてから円錐状部材１５の外周円錐面１５Ａに反射させるようにしても良い。
一方、上記実施例のようにレーザ光Ｌを直接円錐状部材１５のコーティング層１５Ｃに反射させるような場合には、ノズル１４の面を円錐状に加工する必要はなく、液体通路１５Ｂに水Ｗを供給するための上記チャンバ１９が形成されるような構造となっていれば良い。

本実施例に係る加工装置についての断面図。第２の実施例に係る加工ヘッドの先端部についての断面図。

符号の説明

１加工装置２被加工物
４レーザ発振器５高圧ポンプ
６加工ヘッド１４ノズル
１５円錐状部材１５Ａ外周円錐面
１５Ｂ液体通路１５Ｃコーティング層

Claims

液体供給手段からの液体とレーザ発振器からのレーザ光とをノズルに供給し、該ノズルから噴射される液体にレーザ光を導光し、被加工物に向けて照射させるようにした加工装置において、
上記ノズルにレーザ光を透過させる光透過材料からなる円錐状部材を設け、該円錐状部材の外周円錐面に円錐状部材内を透過するレーザ光を反射させるコーティング層を形成するとともに、該円錐状部材にこれを貫通する液体通路を穿設し、上記液体を液体通路から被加工物へ噴射させるとともに、レーザ光をコーティング層の内面で反射収束させて、液体通路から噴射される液体に当該レーザ光を導光させることを特徴とする加工装置。
上記ノズルの内面を先端の縮径された円錐形状としてその先端部に開口部を形成し、さらに上記円錐状部材の外周円錐面を当該ノズルの内部の先端側に当接させ、上記液体通路の径を上記開口部の径よりも小さくすることを特徴とする請求項１に記載の加工装置。