JP2009509770A - マイクロレーザアシスト加工 - Google Patents

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Abstract

半導体またはセラミックワークピースの一部に高圧相変態を起こしてワークピースの残りの部分から変更した光学特性を有する高圧相変態部分を形成する機械加工方法並びに装置である。レーザを高圧相変態部分に放射して高圧相変態部分を加熱して軟化させ、その後軟化させた部分に沿ってより小さな負荷、力で塑性変形させることにより、ワークピースの機械加工を行う。

Description

本発明は、レーザを用いて、ワークピース材料に高圧相変態を施すと共にワークピースを軟化させ、さらにワークピースの高圧相変態部分を物理的に軟化および変形させる、ワークピースを機械加工するまたは変形させる方法に関する。
また本発明はレーザ放射を発生するレーザ源と、機械加工具ホルダと、レーザ放射を透過可能な機械加工具と、少なくともワークピースの硬度の圧力で機械加工具をワークピースと接触させる力発生手段と、ワークピースと機械加工具との間の相対移動を生じる手段とを備える、ワークピースの高圧相変態機械加工を行う装置を対象とする。
加工が困難な材料のレーザアシスト機械加工が近年非常に一般的になっている。これらの従来の方法はワークピースへ熱を印加することによるワークピース材料の軟化と、ワークピースの機械加工の円滑化と、を含む。これらの従来の方法によれば、切削具により除去されるべき材料の一部のみを熱にさらして、ワークピースの残りの部分に恒久的ダメージを発生させないことが必要である。ワークピース材料の加熱を生じさせるためにプラズマチューブが用いられてきたが、このタイプの装置は大きく、現実的には切削具に近接したワークピースの材料のより小さい領域の局所的加熱が可能ではない。
また従来のレーザアシスト機械加工は、レーザと機械加工具とが分離されること、すなわちワークピースを加熱するおよび軟化させるレーザ放射が機械加工具の前にあることを必要とする。これにより従来のレーザアシスト機械加工を行うために必要な装置は非常に複雑、高価且つサイズが巨大になる。
特許文献１は、切刃とワークピース材から削りくずを持ち上げる隣接の先端面とを有する切削具の使用によりワークピースを機械加工する方法を開示しており、除去しようとするワークピース材料の局所的加熱を、切削具に隣接するワークピースの２つの別々の局所領域を加熱するように配置されたレーザ光線により行う。しかし巨視的変形が少なくとも材料のガラス転移温度より高い、または多結晶材料の結合剤／焼結材料の熱軟化点を超える非常に高温で達成されるため、この方法および装置は大量のエネルギーを必要とし、その結果大型のレーザ源と相当量のエネルギー（ｋＷ）が必要である。
米国特許第４２２９６４０号明細書
発明の概要
本発明の目的は、ワークピースの一部をレーザによる放射に露出しながらワークピースのこの部分に高圧相変態を形成することによりワークピースの微視的変形を行う、ワークピースを機械加工する方法および装置を提供することである。
発明の詳細な説明
通常の条件下では半導体およびセラミック材料は硬く脆く、容易に塑性変形しない。これらの材料の巨視的変形は非常に高温でのみ達成することができる。従来のレーザアシスト機械加工では、ワークピースをワークピースの材料のガラス転移温度より高い、または結合材（焼結助剤）の熱軟化温度を超える温度まで加熱することにより巨視的変形が可能になる。マイクロメートルからミリメートルのサイズスケールでは、半導体およびセラミック材料の脆性破壊が延性または塑性応答を支配する傾向があるが、それはクラックの発生、伝播に必要なエネルギーが、大量の材料を塑性変形するために必要とするエネルギーより小さいためである。これらの名目上脆弱な材料の延性または塑性応答は、高圧相変態の形成による低温における小さいサイズスケールに限定される。本発明はレーザを用いて小さいサイズスケールの延性塑性応答を利用することにより、ワークピースの高圧相変態材料を優先的に加熱する。
図はワークピースのマイクロレーザアシスト高圧相変態機械加工を行う本発明の装置１を示す。この装置はレーザ放射を発生するレーザ源２と、フェルールなどの機械加工具ホルダ１１と、機械加工具２１とワークピースホルダ３１とを備える。本発明のワークピース３２は本発明で用いられるレーザ放射の波長に対して透過可能な材料で作製されているが、高圧相変態中に不透明または反射材料相を形成する。すなわちその通常な状態ではワークピース３２はレーザ放射を透過させるが、高圧相変態中にレーザ放射を吸収または反射する。ワークピース３２は好適にはシリコンまたはゲルマニウムなどの半導体材料、もしくは窒化シリコンまたは炭化シリコンなどのセラミック材料で作製されている。ワークピース３２の材料は、その通常の状態で用いられるレーザ光の波長に対して透明であるとともに高圧相変態して不透明または反射相を形成することが可能である限り、限定されない。
レーザ光を発生するレーザ源２は、１〜５ミクロンの波長を有するレーザ放射を発生可能な任意の従来のレーザ放射発生装置でよい。特に好適なのはＩＲダイオードなどの赤外レーザ放射を発生可能なレーザ放射発生装置である。
本発明は機械加工具２１とワークピース３２との間の接触界面に発生するような非常な高圧下で、半導体およびセラミック材料が共有および／またはイオン結合構造から高圧相変態金属構造に変態するという発見に基づいている。これらの高圧相変態材料は、常圧または低圧条件下の材料の構造と比べて、βスズ構造などの異なる結晶構造を有することが発見された。高圧相変態材料を形成するのに必要な圧力は、材料の硬度と少なくとも同等であることが分かった。ワークピース３２の高圧変態相がレーザ放射を反射または吸収する一方で、ワークピース３２の残りがレーザ放射を透過するため、高圧変態相は選択的に熱くなるとともに軟化する一方で、基板の残りは影響を受けない。レーザ放射を発生するレーザ源のパワー範囲は８ｍＷ〜１ｋＷであり、８ｍＷ〜１００Ｗが好ましい。
機械加工具２１として、レーザ光の所望の波長を透過でき、基板より硬いとともに基板に対して不活性であり、さらに所望の形状に形成できる任意の材料を用いることができる。本発明の機械加工具２１の材料として特に好適であるのはダイヤモンドである。圧力が単位面積当たりの力で規定されるため、機械加工具２１の先端半径が可能な限り小さいことが望ましく、２０ナノメートル〜１２ミクロンであることが好ましい。機械加工具２１の先端半径が十分に小さい場合には、ワークピース３２の表面に沿った機械加工具２１の並進は、ワークピース３２上に高圧変態相を形成するのに十分であり得る。代替的には外部加重、力または負荷１２を機械加工具ホルダに付加して、機械加工具２１の先端を十分な圧力でワークピース３２表面と接触させ、高圧相変態を生じるまたは発生することができるとともに、この圧力を負荷センサで監視することができる。
機械加工具２１を通る図２および３の矢印により示されたレーザ放射の集束を助けるため、図３に示すように集束レンズ２２をレーザ放射を発生するレーザ源２と機械加工具２１との間に備えることができる、或いは図２に示すように機械加工具を金またはアルミニウムなどの反射金属２３で被覆することができる。
接着剤が機械加工具２１と機械加工具ホルダ１１とに付着でき、且つ用いられるレーザ光の波長に対して透明である限り、接着剤を用いて機械加工具２１を機械加工具ホルダ１１に接合することができる。接着剤を機械加工具１１の外周の周囲にまたはその後端に設けて、機械加工具２１を機械加工具ホルダ１１に固定することができる。紫外線硬化エポキシが接着剤として好適に用いられる。
必要に応じてレーザ源２からのレーザ放射を機械加工具２１へ透過する際の柔軟性を向上させるために光ファイバーケーブル１３を用いることができる。
機械加工具２１の先端の鋭さのため、機械加工具２１をワークピース３２の表面と接触させるとともにそれらの間の相対移動を生じることにより、機械加工具２１とワークピース３２との間の接触点に高圧相変態が発生する。
機械加工具２１とワークピース３２との間の相対移動を、機械加工具２１、ワークピースホルダ３１、または両方を互いに移動させることにより達成することができる。
レーザ光が機械加工具２１を介して高圧変態相に送られるため、高圧変態相は優先的に加熱されるとともに軟化し、それに沿った塑性変形を可能にする。これは本発明の装置１を旋盤などの機械加工具のように動作させてワークピース３２を形作ることを可能にし、光、半導体および構造用セラミック産業において特に有用である。加えてレーザ放射はその前方と対向するように機械加工具２１内を透過するため、機械加工具２１およびレーザは互いに結合でき、装置の複雑さを低減する。さらにまたワークピース３２の高圧変態相のみが加熱されるため、より小さいレーザ源２およびより低いエネルギーしか必要とされず、それにより機械加工手順がより経済的になる。
本発明によるワークピースのマイクロレーザアシスト高圧相変態機械加工を行う装置を図示する。 レーザ放射を集束させるために反射被覆が上に設けられた機械加工具を図示する。 レーザ放射を集束させるためにレンズを利用する機械加工具を図示する。
符号の説明
１ 装置
２ レーザ源
１１ 機械加工具ホルダ
１２ 負荷
１３ 光ファイバーケーブル
２１ 機械加工具
２２ 集束レンズ
２３ 反射金属
３１ ワークピースホルダ
３２ ワークピース

Claims (14)

  1. ワークピースの一部に高圧相変態を起こしてワークピースの残りの部分から変更した光学特性を有する高圧相変態部分を形成する工程、
    前記のワークピースの残りの部分を透過するが高圧相変態部分には反射または吸収されるレーザ放射を、高圧相変態部分に放射し、高圧相変態部分を加熱して軟化させる工程、
    軟化した高圧相変態部分に沿ってワークピースを変形させる工程、
    を含むワークピース機械加工方法。
  2. ワークピースが半導体である請求項１記載の方法。
  3. ワークピースがセラミックである請求項１記載の方法。
  4. レーザ放射が、ＩＲ光である請求項１記載の方法。
  5. ダイヤモンドが、前記ワークピースの一部に高圧相変態を起こすために使用される請求項１記載の方法。
  6. レーザ放射の集束を助けるため、前記ダイヤモンドの少なくとも一部を金膜で被覆する工程を更に含む請求項１に記載の方法。
  7. レンズでレーザ放射を集束する工程を含む請求項１記載の方法。
  8. 前記のワークピースの一部が該ワークピースの硬度と少なくとも同等の圧力を受ける請求項１に記載の方法。
  9. レーザ放射を発生するレーザ源と、
    機械加工具ホルダと、
    レーザ放射を透過可能な機械加工具と、
    少なくともワークピースの硬度の圧力で機械加工具をワークピースと接触させる力発生手段と、
    ワークピースと機械加工具との間の相対移動を生じる手段と、
    を備えるワークピースの高圧相変態機械加工を行う装置。
  10. レーザ放射をレーザ源から機械加工具に透過する手段を更に備える請求項９記載の装置。
  11. 機械加工具がダイヤモンドを有する請求項９記載の装置。
  12. レーザ放射を集束するために、機械加工具の少なくとも一部が金属膜で被覆されている請求項９記載の装置。
  13. レーザ放射を集束するために、集束レンズをレーザ源と機械加工具との間に備えた請求項９記載の装置。
  14. レーザ放射をレーザ源から機械加工具に透過する光ファイバーケーブルを更に含む請求項９記載の装置。
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