JP2019166625A - 加工方法、及び、穴加工システム - Google Patents
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Abstract
Description
次世代パワー半導体材料の一つとして注目されている炭化ケイ素(SiC)は、ウエハの高品質化・大口径化、製造プロセス技術の進展によりパワーデバイス開発・量産化への動きが活発化しており、電車や自動車用途に高効率パワーデバイスとして本格的に普及する見込みである。
しかしながら、SiCパワーデバイスの製造におけるプロセス装置内に使われるSiCシャワープレート(消耗品)は、非常に硬く厚いため、貫通穴が数百穴になると加工が困難となる。また、貫通穴からパーティクルが発生すると成膜欠陥を引き起こすおそれがあるため、貫通穴の内壁面が鏡面状であることが必要となる。
そこで、本発明では、SiCシャワープレート用の高アスペクト比の貫通細径穴加工のため特殊光学レーザによる一方面からの下穴加工技術(ドライ加工)と、高精細画像カメラによる穴位置決め技術と、単結晶ダイヤモンドドリルによる貫通鏡面研削加工技術(ウエット加工)を組み合わせたハイブリッド穴加工システム、及び、ハイブリッド穴加工方法を提供する。
図1は、穴加工システム1の構成を説明する図である。
図1に例示するように、穴加工システム1は、被加工物Wに鏡面研削加工を施した貫通穴を穿設する穿孔システムである。ここで、被加工物Wは、例えば、主成分が炭化ケイ素(SiC)、酸化アルミニウム(Al2O3)、ダイヤモンド、二酸化ケイ素( SiO2)、シリコン(S i)、二酸化チタン(TiO2)を主成分とする基板材料であり、本実施形態の被加工物Wは、単結晶炭化ケイ素(SiC)シャワープレート用の円柱状のインゴットである。また、被加工物Wの厚みは、例えば、5.0mm以上10.0mm以下の厚みであり、本実施形態の被加工物Wの厚みは7.5mmである。
(レーザ装置20)
レーザ装置20は、被加工物Wに下穴となる貫通穴を穿設する下穴加工装置であり、本発明に係るレーザ加工機の一例である。レーザ装置20は、レーザ照射部22と、加工位置決め用カメラ30とを有する。レーザ装置20は、加工位置決め用カメラ30により撮影された、被加工物Wの加工面におけるオリエンテーションフラットの撮影画像に基づいて、加工面における加工位置の座標を算出し、算出された座標から加工位置を決定し下穴加工を行う。
研削装置40は、レーザ装置20により穿設した貫通穴に鏡面研削加工を行う研削装置であり、本発明に係る研磨加工機の一例である。研削装置40は、研削部42と、貫通穴位置取得用カメラ32とを有する。研削装置40は、貫通穴位置取得用カメラ32により撮影された、被加工物Wの加工面の撮影画像に基づいて、被加工物Wの貫通穴の軸心を算出し(軸心特定手段)、算出された軸心と研削ドリルの軸心とを一致させた状態で、貫通穴の鏡面研削加工を行う。
研削部42は、チャックに固定した研削ドリル44を軸方向に回転させ、回転させた研削ドリル44で被加工物Wの貫通穴を研削する。貫通穴を研削する研削ドリル44は、図2に例示するように、先端に単結晶ダイヤモンドドリルをロウ付けした工具であり、スカート長さLsは、例えば、50μm(マイクロメール)以上500μm(マイクロメール)以下の長さである。研削ドリル44は、スカート長さLsを長くすることにより、工具寿命を長く保つことができる。
貫通穴位置取得用カメラ32により撮影される画像は、静止画像または動画像であり、本実施形態の貫通穴位置取得用カメラ32は、静止画像を撮影する。
このように、本実施形態の穴加工システム1は、レーザ装置20と研削装置40とにより構成されている。
図4は、プリズムレンズ24と集光レンズ26との離間距離に対するレーザ光21の軸外れ量を示すグラフである。
図3に例示するように、レーザ照射部22は、プリズムレンズ24と平凸型の集光レンズ26とを有し、プリズムレンズ24と集光レンズ26とが互いに離間し、かつ、2つのレンズが互いに対向する位置に配置されている。
レーザ照射部22は、光源から照射したレーザ光21をプリズムレンズ24に入射させ、プリズムレンズ24に入射したレーザ光21を光軸から軸外し、これを集光レンズ26で集光することにより加工が偏心する(図4)。ここに、プリズムレンズ24を回転させる(回転プリズム)ことにより真円を描かせることができる。
また、レーザ照射部22は、被加工物Wの加工面(表面)における加工位置にレーザ21を照射し貫通穴を形成するときにおいて、焦点位置Fの位置を、被加工物Wの加工面から加工面の反対面(裏面)の方向に徐々に移動させながらレーザ21を照射する。具体的には、焦点位置F1の位置から焦点位置Fxの位置まで移動させる。これにより、被加工物Wに形成された貫通穴の形状が、被加工物Wの表面から裏面の方向にテーバ状となることを軽減し略円筒状とすることができる。
なお、SiCインゴットの厚さが薄い場合は、図3の様な光学系を用いなくても単純な静止光学系(たとえば凸レンズ等による集光光学系)でQCWファイバーレーザにより比較的良好な貫通穴をあけることができることを実験から確認した。
作業者は、穴加工方法(S10)を行う前に、予め加工用テーブルに被加工物Wを設置し、設置後に穴加工システム1にS10を実施させる。
図5に例示するように、ステップ100(S100)において、レーザ装置20は、加工位置決め用カメラ30に被加工物Wの加工面(表面)におけるオリエンテーションフラットを撮影させる。レーザ装置20は、撮影された撮影画像に基づいて、加工面における加工位置の座標を算出し、算出された座標から加工位置を決定する。
次に、穴加工システム1は、形成した被加工物Wの貫通穴のピアス粉(言い換えるとSiCにおいては、グラファイト粉)を圧縮エアー又は高圧ウォータージェットで洗浄する。なお、圧縮エアーでの洗浄の場合、被加工物Wの表面付近のピアス粉は簡単に除去できるが、貫通内部にあるピアス粉は下穴径が小さいため除去は難しい。一方、高圧ウォータージェットでの洗浄の場合、圧縮エアーに比べて、表面付近のピアス粉も、貫通内部にあるピアス粉も除去が容易である。なお、本実施形態では、高圧ウォータージェットで貫通穴を洗浄する。なお、高圧ウォータージェットで貫通穴を洗浄する場合、研磨材を混入してもよい。これにより、ピアス粉の除去と同時に内壁面を研磨することができる。
次に、高圧ウォータージェットで貫通穴を洗浄後、被加工物Wを乾燥させる。
研削部42は、被加工物Wの貫通穴の軸心と、研削ドリル44の軸心とが一致する位置において、被加工物Wの表面から厚み半分程度までを貫通穴の内壁面を鏡面研削する。なお本実施形態では、被加工物Wの表面から4mm程度までを研削する。
研削部42は、被加工物Wの貫通穴の軸心と、研削ドリル44の軸心とが一致する位置において、被加工物Wの裏面から厚み半分程度までを貫通穴の内壁面を鏡面研削する。なお本実施形態では、被加工物Wの表面から4mm程度までを研削する。
次に、穴加工システム1は、形成した被加工物Wの貫通穴のピアス粉(SiCにおいては、グラファイト粉)を高圧ウォータージェットで貫通穴を洗浄する。高圧ウォータージェットで貫通穴を洗浄後、被加工物Wを乾燥させる。
このように、穴加工システム1により、穴加工方法(S10)を実施することができる。
また、穴加工システム1によれば、レーザによる下穴加工と単結晶ダイヤモンドドリルによる研削加工が分業化できるため、専用装置を用いる必要がない。
また、本実施形態の穴加工システム1によれば、ミニマルファブ化することができる。
次に、上記実施形態における変形例を説明する。
上記実施形態の穴加工方法(S10)において、研削ドリル44による鏡面研削加工を行う場合を説明したが、これに限定するものではなく、研削ドリル44の代替として研磨材を高圧ウォータジェットに混入させたアブレーシブジェットによる鏡面研削加工を実施しても良い。
Prima Power社製のレーザ加工設備「Laserdyne795+QCWファイバーレーザ」を用いて、QCWファイバーレーザを用いた被加工物Wの加工を行い、被加工物Wの表裏における貫通穴の直径を測定した。
図6は、QCWファイバーレーザ加工における加工条件を示す図である。
図7は、貫通穴の測定結果(A)、及び、貫通穴の撮影画像(B)を示す図である。
図6に示すように、加工条件として、パルス幅0.3msec、周波数30Hz、出力19kw、アシストガス:ドライ空気、ガス圧1.6MPa、ノズル径2.0mm、ノズル高さ1.5mm、ピアスタイム12secとして実験を行った。
その結果、ドライ空気をアシストガスとして、30Hz@10sec加工を行った貫通穴のバラツキは、図7(A)に示すようになった。このとき、被加工物Wの貫通穴断面の状態と、入射側(表面)の穴および出射側(裏面)の穴の状態とは、図7(B)に示すようになった。
SiC加工において熱伝導率が金属より小さいことからクラックや剥離が生じやすい。クラックや剥離が生じやすい原因は、過度な入熱によることが原因ではないかと想定し、以下のQCWファイバーレーザ加工の冷却シミュレーションを実施した。
図8は、被加工物Wの加工時における空冷(A)及び強制空冷(B)を行った場合の温度変化のシミュレーションを示する図である。
図9は、被加工物Wの加工時における水ミスト冷却を行った場合の温度変化のシミュレーションを示する図である。
図8及び図9に示すシミュレーションから、アシストガスは、酸素(O2)、又は、ドライ空気のうち、ドライ空気を使用することが好適であることを確認した。これにより、化学反応熱低減することができる。
また、アシストガスノズルの高さは、1.5mm以下、具体的には0.2mm以上0.8mm以下、より具体的には0.5mmとすることが好適であることを確認した。これにより、アシストガスを効率的に貫通穴に流入させることができ、冷却効果の向上をはかることができる。
また、繰り返し周波数を30Hz@レーザピーク出力19kwで短時間加工を行うにあたり、アシストガスにドライ空気を使用し、水ミスト冷却を行いながらレーザ穴加工を行うことが熱影響を低減することに効果的であることを確認した。
20…レーザ装置
21…レーザ光
22…レーザ照射部
30…加工位置決め用カメラ
40…研削装置
42…研削部
44…研削ドリル
32…貫通穴位置取得用カメラ
24…プリズムレンズ
26…集光レンズ
Claims (8)
- 基板材料に対して、レーザにより貫通孔を形成する孔形成工程と、
形成された貫通孔の内壁面に対して、ドリルによって研磨加工を施す研磨工程と
を有する加工方法。 - 前記孔形成工程において、貫通孔をドライで形成し、
前記研磨工程において、単結晶ダイヤモンドからなる研磨ドリルを用いて、ウェットにて研磨する
請求項1に記載の加工方法。 - 形成された貫通孔の軸心を特定する軸心特定工程
をさらに有し、
前記研磨工程において、特定された軸心と同軸となるように、ドリルを位置決めして研磨する
請求項2に記載の加工方法。 - 前記軸心特定工程において、貫通孔が形成された基板材料を撮影し、撮影された画像データに基づいて、貫通孔の軸心を特定する
請求項3に記載の加工方法。 - 前記基板材料に形成された貫通孔の近傍に対いて、研磨剤が混入した洗浄液を高圧噴射する洗浄工程
をさらに有し、
前記研磨工程において、前記洗浄液により処理された後の貫通孔に対して、研磨加工を施す
請求項2に記載の加工方法。 - 基板材料に対して、レーザにより貫通孔を形成する孔形成工程と、
形成された貫通孔の内壁面に対して、研磨剤が混入した洗浄液を高圧噴射する研磨洗浄工程と
を有する加工方法。 - 炭化ケイ素からなる基板材料に対して、レーザにより貫通孔を形成するレーザ加工機と、
前記レーザ加工機により形成された貫通孔の内壁面に対して、研磨加工を施す研磨加工機と
を有する穴加工システム。 - 前記レーザ加工機により形成された貫通孔の軸心を特定する軸心特定手段
をさらに有し、
前記研磨加工機は、前記軸心特定手段により特定された軸心に基づいて、研磨加工を施す
請求項7に記載の穴加工システム。
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JP2018058672A JP2019166625A (ja) | 2018-03-26 | 2018-03-26 | 加工方法、及び、穴加工システム |
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2018
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