JP2993373B2 - パターン加工方法およびパターンを備えるセラミックス部材 - Google Patents

パターン加工方法およびパターンを備えるセラミックス部材

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JP2993373B2 JP6166568A JP16656894A JP2993373B2 JP 2993373 B2 JP2993373 B2 JP 2993373B2 JP 6166568 A JP6166568 A JP 6166568A JP 16656894 A JP16656894 A JP 16656894A JP 2993373 B2 JP2993373 B2 JP 2993373B2
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス部材、例
えばSiウェハーのラッピングプレートの表面に文字、記
号、絵画、バーコード等の識別記号(パターン)を付与
する方法に関し、特にセラミックス部材の表面にパター
ンが付与されても強度低下の少ないパターン加工方法
と、その加工方法によって形成されたパターンを備える
セラミックス部材に関する。
【0002】
【従来の技術】セラミックス部材の表面に識別用の刻印
あるいは印字などの記号(以下、これを総称して「パタ
ーン」と記載する。)を付与することが行われている。
その加工方法として、砥石やサンドブラストによる機械
的除去加工、レーザービーム等による熱的除去加工など
が広く知られている。
【0003】砥石による機械的除去加工では、溝の深さ
による識別のみであるから、識別が困難であり、また、
ハンドグラインダーによる手作業のため、寸法精度が悪
く効率が上がらないという問題があった。
【0004】サンドブラストによる機械的除去加工で
は、砥石による場合と同様に識別が困難で、また加工し
ない部分にパターンに合わせるためのマスクが新たに必
要になるので、パターン付け作業が煩雑になるという問
題があった。
【0005】上述の機械的除去加工方法は、識別と寸法
精度を要する細い線の加工が難しいという問題があるの
に対し、レーザービームの照射による方法は、着色され
るので識別が容易であり、またパターンの拡大・縮小な
どの自由度が大きく、高出力のレーザービーム発振器が
開発されるなどして、セラミックスの加工に多用されて
いる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、レーザ
ービームによる熱的除去加工では、加工部に熱影響部が
発生するため部分的に強度低下をもたらし、さらにはパ
ターン形成時に破壊することがあった。
【0007】図2は、従来の方法によるレーザービーム
照射で形成されたパターン(数字「4」)を示す図であ
り、(a) は1回の照射で形成したパターンを示す図、
(b) および(c) は照射位置をずらせて複数回の照射で形
成したパターンを示す図である。同図に示すとおり、通
常のパターン形成方法では、ビームを照射する位置をプ
ログラミングされたパターンの線に沿って、1回もしく
は文字の線の幅を太くするため、ビームをずらしながら
(間隔 100μm以下)複数回加工する。このとき、照射
するパターンの線の重なり部A、BおよびCでは溝の深
さが深くなり、この部分の強度が低下し、高い強度を求
められる機械部品や電子部品に使用できなかったり、さ
らにはパターン形成時に破壊することがあった。
【0008】これはパターンの溝の重なり部にマスクを
して照射すれば重複照射が避けられるが、パターンが変
わるたびにマスクを交換する必要があり、煩雑であると
いう問題があった。
【0009】本発明の目的は、セラミックス表面の一部
を熱的加工で除去して形成したパターンであっても、そ
れによる強度低下を軽減することのできる照射方法と、
その方法で形成されたパターンを表面に備えるセラミッ
クス部材を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明者は、セラミック
スの表面にレーザービームを種々の条件で照射し、パタ
ーンの溝深さを調査した結果、(イ) パターンを形成する
線に交差部があり、レーザービームが重複して照射さ
れ、その部分が他の部分よりも溝の深さが深くなる、
(ロ) パターンの線の幅を広くするためにレーザービーム
を僅かにずらして照射するので、線の屈曲部にはレーザ
ービームが重複して照射され、結果的にそれらの部分が
他の部分より溝の深さが深くなる、ことを確認し、本発
明を完成した。
【0011】本発明の要旨は、エネルギービームを照射
して形成される溝によって例えば図1に示すようなパタ
ーンを加工する方法()と、そのパターンを表面に備
えるセラミックス部材()にある。
【0012】エネルギービームの照射によるセラミッ
クス表面へのパターン加工方法であって、エネルギービ
ームの照射部が交差も重複もしないように溝を形成し、
次いでその溝にガラスあるいは樹脂を埋め込むことを特
徴とするセラミックス表面へのパターン加工方法
【0013】上記の溝の形成は、パターンを構成する直
線または曲線を縦線、横線および斜線のエレメントに分
解し、それぞれのエレメントが交差も重複もしないよう
に組合せ、そのエレメントに沿ってエネルギービームを
照射して溝(パターン)を形成することによって行う
【0014】上記のパターン加工方法によって形成
されたパターンを表面に有するセラミックス部材
【0015】
【作用】本発明の方法で得られたパターンは、パターン
を構成する直線または曲線に沿ってエネルギービームを
照射し、創生された溝で形成される。その溝は、例えば
縦、横および斜等のエレメントに分解し、それぞれのエ
レメントに沿ってエネルギービームを照射し、エネルギ
ービームの照射部が交差または重複することなく形成す
るものである。
【0016】また、本発明のセラミックス部材は、縦、
横および斜等の溝で形成され、最大深さが 200μm以
下、その最大深さと最小深さの差が30μm以下である溝
で形成されたパターンを表面に備えるのが望ましい。溝
部にはガラスあるいは樹脂を埋め込む
【0017】セラミックス表面にパターンを形成する溝
を加工するためのレーザーは、汎用されているYAG 、CO
2 、エキシマレーザー発振器の何れであってもよい。
【0018】図3は、ビームスキャン方式のレーザービ
ーム加工機の構成を示す図である。
【0019】1はレーザー発振器、2はレーザー発振電
源、3はビームスキャン装置、4は駆動装置、5は制御
装置、6はセラミックス部材である。
【0020】これを加工手順に従って説明すると、まず
セラミックス部材6の所定部分をビームスキャン装置3
に対向させて配置する。その後、レーザー発振器1から
放出されるレーザービームを、ビームスキャン装置3に
よって集光、照射する。ビームスキャン装置は、制御装
置5によって任意のパターンにビームを走査させ、セラ
ミックス部材上の任意の位置にレーザービームを集光さ
せ、得たい文字や記号をパターン通りに走査させること
でパターンを形成する。
【0021】セラミックス部材は、アルミナ、ジルコニ
ア、窒化珪素、炭化珪素、ムライト、フォルステライ
ト、窒化アルミ等の従来公知の材料が使用される。
【0022】セラミックス部材の強度を高めるために溝
に埋め込むガラスは、セラミックスに対して熱膨張係数
が0〜10×10-7/℃小さいものを使用するのが好まし
く、電気炉、ガス炉等で焼成される。同様に耐熱性に優
れたアクリル樹脂やテフロン等が用いられる。
【0023】I.パターンの作成方法について:従来の
レーザービームによるパターン形成方法では、図3に示
す制御装置5に予めプログラミングされたパターンの線
に沿って1回照射乃至は複数回照射され、線の重なり部
や屈曲部では、溝深さが増大する。即ち、図2に示す数
字「4」を形成する場合、1回の照射加工でも縦線と横
線が交差する部分Aは、2回の照射を受け、溝の深さが
深くなり、複数回の照射加工では縦線と横線が交差する
部分Aおよび斜線が縦線・横線と屈曲して交わる部分
B,Cの溝の深さが深くなる。この深さの増加が約50%
以上になることがあり、局部的な強度低下を引き起こす
ことがわかった。
【0024】図1は、本発明の方法によるレーザービー
ム照射で形成されたパターンの一例を示す図であり、
(a) は1回の照射で形成されるパターンを示す図、(b)
および(c) は複数照射で形成されるパターンを示す図で
ある。本発明のパターン加工方法は、図1に示すように
溝深さの局部的に深くなることを回避するため、パター
ンを構成する線を縦線、横線および斜線のエレメントに
分解し、それぞれのエレメントを交差・重複することな
く組合せ、そのエレメントに沿ってエネルギービームを
照射して形成するものである。(b) および(c) は線の幅
を広くするためビームの間隔をあけて複数回照射するも
ので、文字の構成方法は(a) と同様である。
【0025】溝部の最大深さを 200μm以下、その最大
深さと最小深さとの差を30μm以下とする理由は、レー
ザー照射で形成された溝のノッチ効果(切欠効果)によ
る強度低下を防ぐためである。
【0026】セラミックス部材の表面を熱的に除去する
加工を行うと、加工後の溝底部にはマイクロクラックな
どの熱影響層が発生し、特に抗折強度が低下する。その
抗折強度は、溝の深さと相関があり、例えば99%アルミ
ナでは深さ 200μmの溝によって50%程度の抗折強度の
低下をもたらすことが知られている。また、セラミック
スは脆性材料であるから、マイクロクラックが存在する
と、部材全体に引張応力が作用した場合、マイクロクラ
ックが開口し、割れにつながるクラックとなり、すばや
く伝播して破壊する。これらのことから、レーザー照射
加工により形成された溝深さを極力浅くすること、その
最大深さと最小深さとの差を小さくする(30μm以下)
ことが望ましい。
【0027】しかし、この様なパターンは識別のために
付与されるので、使用中に摩耗などで消失することがあ
ってはならない。従って、機械的摩耗によってパターン
部が消失しないようにし、かつ抗折強度を確保するに
は、パターン凹溝の深さは少なくとも 200μm以下とす
るのが望ましい。
【0028】レーザービームの照射による溝深さのばら
つきは、セラミックス部材の密度のばらつき、レーザー
加工条件のばらつきによっても発生するが、ここではこ
れらを等しく調整し、無視できる程度であることを前提
とする。
【0029】複数回照射する場合、その回数は得たい線
幅の大きさによって任意に決定されるものであり、例え
ば 0.5mmの線幅であれば、間隔を0.05〜0.1mm として5
〜10回ずらし加工する。
【0030】II.ガラスまたは樹脂の埋め込みについ
て:本発明は、レーザービーム照射による熱影響部の強
度低下を軽減させるため、レーザービームの照射によっ
て形成された溝部にガラス、または樹脂を埋め込む。こ
れは溝底に存在するマイクロクラックの開口部をガラス
または樹脂で塞ぎ、引張り応力が負荷されても、マイク
ロクラック先端部に応力集中が発生しないようにして、
強度低下を軽減するものである。
【0031】埋め込み後の埋込み材の表面形状は、母材
表面に対し凹状であっても、同一であっても、または凸
状であってもよい。また、埋込み材はマイクロクラック
先端部にまで入りこまなくてもよく、マイクロクラック
の開口部が埋込み材で塞がれておればよい。このような
状態で引張応力が負荷された場合、ガラスや樹脂に応力
が作用し、マイクロクラック先端部には応力集中が発生
しないため、強度低下を軽減できる。
【0032】溝底部のマイクロクラックは、かなりアス
ペクト比の大きいものもあるため、ガラスなどを埋込み
材として用いた場合、103dPa・s 以下の粘度となるよう
な作業温度で熱処理をしても、クラック先端部に残留し
ている気泡は抜けにくい。しかし、上述したようにマイ
クロクラックの開口部が埋込み材で塞がれておれば強度
低下を軽減できる。
【0033】ガラスや樹脂の埋込み方法は、塗布法が用
いられ、透明ガラスだけでなく、黒色、青色、赤色等の
顔料を混ぜたガラスを使用することによって、強度と視
認性を向上させることができる。
【0034】以上アルミナについてマイクロクラック存
在下の強度低下を説明したが、窒化珪素やジルコニアそ
の他のセラミックス部材についても同様である。
【0035】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。
【0036】図3に示したビームスキャン方式のレーザ
ー加工機(最大出力60WのQスイッチYAGレーザー加
工機)によって、図1および図2に示す数字の「4」を
種々のセラミックス表面にマーキングした。
【0037】素材セラミックスには、99%アルミナ、窒
化珪素、ジルコニア焼結体を使用し、いずれも厚さ3m
m、横4mm、長さ40mmのJIS抗析試験片の形状とし
た。
【0038】埋込み材は、99%アルミナに対して PbO−
SiO2−B2O3ガラス、窒化珪素に対して ZnO−B2O3−SiO2
ガラス、ジルコニアに対してNa2O−BaO −SiO2ガラスを
用いた。塗布後、電気炉で PbO−SiO2−B2O3ガラスでは
800℃、 ZnO−B2O3−SiO2ガラスとNa2O−BaO −SiO2
ラスでは 700℃に加熱し、1時間保持したのち室温まで
冷却する処理を行った。
【0039】レーザービームの照射は、横4mm、長さ40
mmの表面の中央部に3mm×3mmの正方形の中に数字の
「4」のパターンを、1回および間隔50μmづつ5回ず
らして複数の照射を行った。Qスイッチ周波数、ランプ
電流値を設定し、溝深さはビームの走査速度を変化させ
ることで対応した。
【0040】溝深さの測定には、ピン先端径が50μm以
下の測定子を装着したデップスゲージを使用し、溝中央
部の深さを測定した。
【0041】本発明のパターンの形成は、図1(a) およ
び(b) に示す数字の「4」を、縦線と横線のエレメント
に分解し、3本の縦線エレメントと1本の横線エレメン
トの集合体とする。各エレメントの縦線1本の長さを
1.2mm、横線1本の長さを2mmとし、これらのエレメン
トが重なり合わないように照射のスキャン開始座標を定
めた。5回の複合照射は、照射間隔50μmづつずらして
照射し、エレメントを形成した。表1に文字形状として
図番を表示した。
【0042】
【表1】
【0043】また、比較例のパターンの形成は、図2
(a) および(b) に示す数字の「4」を、それぞれ1本づ
つの縦線、横線および斜線のエレメントの集合体とし、
それぞれのエレメントの照射開始座標を定めた。表1に
文字形状として図番を表示した。
【0044】レーザー加工条件は、Qスイッチパルス周
波数を2kHz 、パルス幅を100nsecとし、ランプ電流値
を99%Al2O3 に対して18A、ZrO 2 に対して17A、Si3N4
に対して16Aとした。
【0045】パターンを形成した試験片は、そのまま、
またはガラス等を埋込み焼成後、JIS 3点曲げ抗折試験
を行った。抗折試験は、パターン形成部に引張応力が作
用するように、パターン形成部の裏面に負荷した。それ
らの結果を表1に示した。なお、セラミックス素材の強
度は、99%アルミナは 40kgf/mm2、ジルコニア(ZrO 2 )
80kgf/mm2、窒化珪素(Si3N4) は 60kgf/mm2であった。
【0046】抗折強度の評価を元強度に対する抗折強度
の割合で示し、これが50%以上になるものをここでは本
発明例とした
【0047】本発明例のNo.1からNo.11 は、パターンの
線をエレメントに分割し、そのエレメントに沿って照射
したので、溝深さの最大値は 200μm以下、その最大深
さと最小深さとの差は30μm以下であり、元強度に対す
る抗折強度の割合は50%以上であった。
【0048】これに対し、比較例のNo.12 からNo.17
は、従来の照射方法でパターンを形成したので、溝深さ
の最大値は 245〜250 μmと深く、またその最大値
小値との差も50〜150 μmと大きくなって、元強度に対
する抗折強度の割合は 48.75%以下となった。
【0049】さらに、発明例のうちレーザー照射溝にガ
ラスを埋め込んだNo.3、4 、7 、8および10は、元強度
に対する抗折強度の割合が埋め込みなしと比較していず
れも高くなっている。
【0050】
【発明の効果】本発明によれば、レーザー照射の重なり
を完全に排除し、溝深さのばらつきが少なく、局部的な
強度低下を軽減することができる。また、パターンを形
成する溝部に、ガラスまたは樹脂を埋込むことでマイク
ロクラックの開口部を塞ぎ、強度低下をさらに軽減する
ことができる。さらに顔料を混ぜたガラスを使用するこ
とによって、視認性に優れたパターンを形成することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法によるレーザービーム照射で形成
されたパターンの一例を示す図である。
【図2】従来の方法によるレーザービーム照射で形成さ
れたパターンを示す図である。
【図3】ビームスキャン方式のレーザー加工機の構成を
示す図である。
【符号の説明】
1.レーザー発振器 2.レーザー発振電源
3.ビームスキャン装置 4.駆動装置 5.制御装置
6.セラミックス部材

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】エネルギービームの照射によるセラミック
    ス表面へのパターン加工方法であって、パターンを構成
    する直線または曲線を縦線、横線および斜線のエレメン
    トに分解し、それぞれのエレメントが交差も重複もしな
    いように組合せ、そのエレメントに沿ってエネルギービ
    ームを照射することによって溝を形成し、次いでその溝
    にガラスあるいは樹脂を埋め込むことを特徴とするセラ
    ミックス表面へのパターン加工方法
  2. 【請求項2】請求項1に記載のパターン加工方法によっ
    て形成されたパターンを表面に有するセラミックス部
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JP5534038B2 (ja) * 2011-01-06 2014-06-25 日立金属株式会社 炭化珪素単結晶基板への識別マークの形成方法、及び炭化珪素単結晶基板
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