JP4123390B2 - ハイブリッド加工装置およびハイブリッド加工方法 - Google Patents

Description

本発明はハイブリッド加工装置およびハイブリッド加工方法に関し、より詳しくは、被加工物に圧力液体を噴射すると同時にレーザ光線を照射して所要のレーザ加工を行うハイブリッド加工装置およびハイブリッド加工方法に関する。

従来、ハイブリッド加工装置として、次のような構成を備えたものは知られている。
すなわち、レーザ光線を発振するレーザ発振器と、上記レーザ発振器から発振されたレーザ光線を集光する集光レンズと、先端の開口部から被加工物に向けて圧力液体を噴射するノズルと、上記ノズルの内部空間に圧力液体を供給する圧力液体供給手段とを備え、上記集光レンズで集光したレーザ光線を上記ノズルから噴射される圧力液体の内部に導光してから被加工物に照射して、被加工物に所要の加工を施すようにしたものは知られている（例えば、特許文献１）。
上記従来の公報の加工装置においては、レーザ光線によって被加工物に切断加工を施すと同時に、該切断加工個所を圧力液体によって冷却し、かつ加工くずを除去するようにしている。このような従来のハイブリッド加工装置においては、加工時における被加工物の炭化を防止することができる。したがって、従来のハイブリッド加工装置は半導体ウエハや合成樹脂の薄板の加工に用いられる事が多かった。
特公平２−１６２１号公報

しかしながらノズルの内面を単に円錐形状とすると、該円錐形状のノズルの下端開口部から噴射された圧力液体が拡散するという欠点が生じる。
そこで、本発明の目的は、上述した従来のものと比較して、ノズルから噴射される圧力液体が飛散しないハイブリッド加工装置およびハイブリッド加工方法を提供するものである。

すなわち請求項１の発明は、レーザ光線を発振するレーザ発振器と、上記レーザ発振器から発振されたレーザ光線を集光する集光レンズと、先端の開口部から被加工物の加工位置に向けて圧力液体を噴射するノズルと、上記ノズルの内部空間に圧力液体を供給する圧力液体供給手段とを備え、上記集光レンズで集光したレーザ光線を上記ノズルから噴射される圧力液体の内部に導光し、該圧力液体内部を透過して被加工物の上記加工位置に照射して、被加工物に所要の加工を施すようにしたハイブリッド加工装置において、
上記ノズルの内面に、先端側が縮径される円錐面と、この円錐面の小径部から連続して上記開口部に至る小径の円筒面とを形成し、上記集光レンズで集光されるレーザ光線を円錐面で反射させて更に収束させるとともに、上記円筒面により拡散されないように噴射された圧力液体内に導光させることを特徴とするものである。
また請求項３の発明は、レーザ光線を発振するレーザ発振器と、上記レーザ発振器から発振されたレーザ光線を集光する集光レンズと、先端の開口部から被加工物の加工位置に向けて圧力液体を噴射するノズルと、上記ノズルの内部空間に圧力液体を供給する圧力液体供給手段とを備え、上記集光レンズで集光したレーザ光線を上記ノズルから噴射される圧力液体の内部に導光し、該圧力液体内部を透過して被加工物の上記加工位置に照射して、被加工物に所要の加工を施すようにしたハイブリッド加工方法であって、
上記ノズルの内面に、先端側が縮径される円錐面と、この円錐面の小径部から連続して上記開口部に至る小径の円筒面とを形成し、上記円筒面により圧力液体を拡散させないように被加工物に向けて噴射させるとともに、上記集光レンズで集光されるレーザ光線を円錐面で反射させて更に収束させて、上記開口部から噴射される圧力液体内に導光させることを特徴とするものである。

上述した発明によれば、ノズル内面の開口部の隣接位置に小径の円筒面を備えているので、この円筒面を通過して開口部から被加工物に向けて噴射される圧力液体が拡散することを防止できる。
したがって、噴射される圧力液体を拡散させないようにできるので加工中におけるノズルと被加工物との距離を長くすることができるとともに、平行な加工面を得ることができる。
また、集光レンズを透過したレーザ光線Ｌは、円錐面および円筒面によって反射されるので、一層収束させることができる。
さらに、ウォータジェット加工装置と比較した場合、研磨材も必要とせず、しかも従来一般のウォータジェット加工装置よりも低い圧力の水を用いることが可能なので、ランニングコストを安くすることができる。

以下図示実施例について本発明を説明すると、図１において、１は本発明にかかるハイブリッド加工装置である。このハイブリッド加工装置１は、薄板状の被加工物２を支持して水平面におけるＸ方向に移動可能な従来公知の加工テーブル３と、この加工テーブル３の上方側に配置されて、水平面における上記Ｘ方向と直交するＹ方向に移動可能な加工ヘッド４とを備えている。
本実施例のハイブリッド加工装置１によって加工する被加工物２としては、板厚が薄い半導体ウエハやエポキシ樹脂板が好適である。
本実施例においては、加工ヘッド４が備えるノズル５から圧力液体としての水６を被加工物２の加工位置２Ａに噴射すると同時に、レーザ発振器７から発振したレーザ光線Ｌを水６の内部に導光して透過させてから被加工物２の加工位置２Ａに照射するようにしている。その状態において、加工テーブル３及び加工ヘッド４を水平面におけるＸＹ方向に相対移動させることにより、薄板状の被加工物２を所要の形状に切断するようにしている。

本実施例の加工ヘッド４は、図示しない駆動機構によって上記Ｙ方向に移動可能でかつ昇降可能な板状の支持部材８と、この支持部材８の貫通孔８Ａの下方部に嵌着したノズル５と、上記貫通孔８Ａの位置となる支持部材８の上面に取り付けた環状のホルダ１１と、このホルダ１１の内周部によって保持されて上記貫通孔８Ａおよびノズル５内に向けたレーザ発振器７とを備えている。
しかして、本実施例においては、レーザ発振器７として、高出力の半導体レーザ発振器を用いており、このレーザ発振器７から発振されたレーザ光線Ｌは、上記ノズル５内の集光レンズ１２によって集光されてからノズル５の下端開口部５Ａを通過して被加工物２に照射されるようになっている。
レーザ発振器７のハウジングには、冷却水が流通可能な図示しない冷却通路を形成してあり、この冷却通路の一端に冷却水を供給する供給管１３を接続するとともに、上記冷却通路の他端に冷却水を回収する回収管１４を接続している。
上記供給管１３は図示しないポンプに接続してあり、このポンプおよびレーザ発振器７の作動は、図示しない制御装置によって制御するようにしている。
制御装置によってレーザ発振器７が作動されている時にはポンプも作動されるので、上記供給管１３を介して冷却水がレーザ発振器７のハウジングに供給されるようになっている。また、これと同時にレーザ発振器７のハウジングの熱は円筒状のホルダ１１にも伝達されるようになっている。
つまり、ホルダ１１および上記供給管１３からの冷却水によってレーザ発振器７を冷却するようにしている。なお、レーザ発振器７のハウジングに供給された冷却水は、回収管１４を介して図示しない回収槽に回収されるようになっている。
以上の説明からも理解できるように、本実施例では、レーザ発振器７として半導体レーザ発振器を用いているので、レーザ発振器７そのものを小型化することができ、それによってレーザ発振器７を加工ヘッドの一部として構成している。また、本実施例では、レーザ発振器７として半導体レーザ発振器を用いることにより、ＹＡＧレーザ発振器を用いた場合よりも、電源効率が良好になっている。

次に、本実施例のノズル５は、内部に集光レンズ１２を保持したリング状のレンズホルダ１５と、このレンズホルダ１５の下面に一体に取り付けた円筒状の本体部１６とから構成している。
上記レンズホルダ１５を支持部材８の貫通孔８Ａに下方側から嵌着することにより、該レンズホルダ１５及び本体部１６は鉛直下方に向けて支持されるとともに、レーザ発振器７から照射されるレーザ光線Ｌの光軸とノズル５の軸心とを一致させている。
レンズホルダ１５の内周部には環状溝１５Ａを形成してあり、この環状溝１５Ａ内に集光レンズ１２の外周部を嵌合している。なお、環状溝１５Ａの下面には環状のシール部材１７を設けてあり、このシール部材１７を集光レンズ１２の下面の外周部に密着させている。これによって、集光レンズ１２の下面の外周部と環状溝１５Ａとの間の気密及び液密を保持している。この集光レンズ１２よりも下方側となる本体部１６の内部空間によって圧力液体としての水６が一時的に貯溜されるチャンバー１９を構成している。

本体部１６における上方部には、その外周面から内周面まで貫通する横方向の液通路１８を形成してあり、この液通路１８の外方側の端部は導管２１を介して高圧ポンプ２２に接続している。
この高圧ポンプ２２は、図示しない制御装置によって作動を制御されるようになっており、制御装置によって高圧ポンプ２２が作動される。すると、図示しない水タンク内に貯溜された水が高圧ポンプ２２によって吸引されて圧力を高められた後、導管２１及び液通路１８を介して本体部１６のチャンバー１９に給送される。チャンバー１９内に水が充満されると、本体部１６の下端の開口部５Ａを介して圧力液体としての水６が被加工物２の加工位置２Ａに噴射されるようになっている。なお、本実施例においては、上記高圧ポンプ２２によってノズル５のチャンバー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。
このようにノズル５の開口部５Ａから圧力液体としての水６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７が作動されるようになっている。そして、レーザ発振器７からレーザ光線Ｌは、ノズル５のチャンバー１９内の水６および開口部５Ａから噴射される水６の内部に導光されて、それらの内部を通過して被加工物２の加工位置２Ａに照射されるようになっている。
既に上述したように、この状態において、加工ヘッド４と加工テーブル３とを水平面内においてＸＹ方向に相対移動させて被加工物２を所要の形状にレーザ切断するようにしている。加工位置２Ａはノズル５の開口部５Ａから噴射される水６によって冷却されると同時に、加工位置２Ａに発生する加工くずはノズル５の開口部５Ａから噴射される水６によって除去されるようになっている。
なお、本実施例においては、圧力液体として水６を用いているが、これに限定されるものではなく、レーザ光線Ｌに対して吸収率が低い液体であれば、上記水６の代わりの圧力液体として使用することができる。

さらに、本実施例ではノズル５の本体部１６の内面を以下のように改良している。すなわち、本体部１６の内面は、下端部（先端部）側が縮径される円錐面１６Ａとしてあり、さらにこの円錐面１６Ａから連続する実質的な下端部およびその近接上方側の領域は、内径を同一とした円筒面１６Ｂとしている。上記円錐面１６Ａは、軸方向の断面が直線となる正確な円錐面から構成している。なお、上記円錐面１６Ａは、後述する図２の第２実施例のように、その断面が軸心側に向けてわずかに膨出する円弧状の円錐面であっても良い。
円筒面１６Ｂの下端部が開口部５Ａとなっており、円筒面１６Ｂの内径は本体部１６において最も内径を小さく設定している。
上記円錐面１６Ａおよび円筒面１６Ｂの表面の全域は、つまり、チャンバー１９を構成する本体部１６の内面の全域は、レーザ光線Ｌを反射する従来公知の反射材によって被覆している。これにより、集光レンズ１２を透過したレーザ光線Ｌは、本体部１６の円錐面１６Ａおよび円筒面１６Ｂによって反射されてより一層収束され易くなっている。
そしてさらに、本実施例のノズル５は、上記円錐面１６Ａから連続して先端部（開口部の隣接上方側）の位置に小径の円筒面１６Ｂを形成しているので、単に本体部１６の内部に円錐面１６Ａだけを形成したものと比較すると、ノズル５の開口部５Ａから噴射される圧力液体としての水６が拡散することを防止できる。そのため、円筒面１６Ｂの内径を小さくすれば、被加工物２を切断加工する際の切断幅を小さくすることができる。そこで、円筒面１６Ｂの内径が異なる複数のノズル５を用意しておき、被加工物２の板厚や材質に応じて、好適なノズル５を選択して使用することができる。
このようにして、開口部５Ａから噴射される水６の内部に導光してその内部を通過させるレーザ光線Ｌの焦点の径を小さくすることができる。つまり、従来一般に半導体レーザ発振器から発振されるレーザ光線Ｌは、集光レンズ１２によって集光しても焦点の径を最小で０.８ないし１ｍｍ程度までしか収束できなかったものである。
これに対して、本実施例においては、被加工物２として板厚５０μｍ程度の半導体ウエハを切断加工する際には、ノズル５の開口部５Ａの径（円筒面１６Ｂの内径）を１５０μｍ以下とすることも可能である。その場合には、開口部５Ａから噴射される水６の直径も１５０μｍ以下とすることができ、その水６内にレーザ光線Ｌを導光することにより、レーザ光線Ｌの焦点の径を、従来の半導体レーザ発振器では得られなかった１５０μｍ以下とすることができる。
さらに、噴射される圧力液体を拡散させないようにできることにより、加工中におけるノズル５と被加工物２との距離を長くすることができるとともに、平行な加工面を得ることができる。

以上のように、本実施例によれば、本体部１６の内面の下端部に小径の円筒面１６Ｂを形成しているので、ノズル５の開口部５Ａから噴射される水６が拡散することを防止することができる。そのため、レーザ光線Ｌの焦点の径を小さくすることができる。
また、本実施例のハイブリッド加工装置１をウォータジェット加工装置としてみた場合においては、研磨材も必要とせず、しかも従来一般のウォータジェット加工装置よりも低い圧力（５〜５０ＭＰａ程度）の水を用いることができる。したがって、従来一般のものよりもランニングコストや設備コストを安くすることができる。

（第２実施例について）
次に、図２は本発明の第２実施例を示したものである。上記第１実施例においてはレーザ発振器を１台だけ設けていたが、この第２実施例においてはレーザ光線Ｌの出力を上げるために、レーザ発振器を２台設けている。
すなわち、この第２実施例においては、ホルダ１１を箱型に形成してあり、このホルダ１１の開口部を支持部材８の上面に被せて一体に連結してあり、それによって貫通孔８Ａを閉鎖している。
このホルダ１１の上面に第１レーザ発振器７を鉛直下方に向けて取り付けてあり、他方、第２レーザ発振器７’をホルダ１１の側面に水平方向を向けて取り付けている。
第１レーザ発振器７および第２レーザ発振器７’として、高出力の半導体レーザ発振器を用いている。また、これらのレーザ発振器７、７’には、従来公知のビームコレクティング集光レンズ２５、２５を設けている。さらに、これらの両方のレーザ発振器７、７’のハウジングには、上述した第１実施例と同様に図示しない冷却通路を設けてあり、この冷却通路に供給管１３から冷却水を供給するととともに回収管１４によって冷却水を回収するようにしている。
また、ホルダ１１の内部には、図示しない支持手段によってプリズム２６を支持している。したがって、上記両レーザ発振器７、７’からレーザ光線Ｌが発振されると、レーザ光線Ｌはまずコレクティング集光レンズ２５、２５によって集光されてからプリズム２６へ案内され、そのプリズム２６によってレーザ光線Ｌが１つに収束されてから下方側に位置するノズル５内の集光レンズ１２へ案内されるようになっている。
さらに、この第２実施例では、ノズル５の円錐面１６Ａは、軸方向の断面が軸心側に向けて僅かに膨出する円弧状の円錐面としている。なお、この第２実施例における円錐面１６Ａも上記第１実施例のものと同様に断面が直線となる完全な円錐面としても良い。この他の構成は上述した第１実施例の構成と同じであり、それらについての説明を省略する。
このような構成とした第２実施例のハイブリッド加工装置１であっても、上述した第１実施例と同様の作用効果を得ることができる。

なお、上述した各実施例においては、被加工物２として板厚が小さな半導体ウエハやエポキシ樹脂の薄板が好適であるが、被加工物２としては、光が透過しない材料であればよい。つまり、金属、セラミックス、合成樹脂および異なる材料を積層した複合材に対しても本実施例のハイブリッド加工装置１によって所要の切断加工を施すことができる。
また、上述した各実施例においては、本体部１６の下端部に上記円筒面１６Ｂを設けてあり、その円筒面１６Ｂを設けた円筒部は、上方側の円錐面１６Ａを設けた部分と一体に形成している。しかしながら、円筒面１６Ｂを設けた円筒部とそれよりも上方側の円錐面１６Ａを形成した部分とを別体に形成して、それらをねじによって一体に連結するようにしてもよい。そのように構成することにより、レーザ光線Ｌによって円錐面１６Ａが損傷した時に、該円錐面１６Ａを設けた部分とその下方側の円筒面１６Ｂとを分離させて、新しい円錐面１６Ａを設けた部分と損傷した部分とを交換するようにしてもよい。

本発明の第１実施例を断面図。 本発明の第２実施例を示す断面図。

符号の説明

１…ハイブリッド加工装置 ２…被加工物
４…加工ヘッド ５…ノズル
６…水（圧力液体） ７…レーザ発振器
１２…集光レンズ １６…本体部
１６Ａ…円錐面 １６Ｂ…円筒面
２２…高圧ポンプ Ｌ…レーザ光線

Claims (4)

1. レーザ光線を発振するレーザ発振器と、上記レーザ発振器から発振されたレーザ光線を集光する集光レンズと、先端の開口部から被加工物の加工位置に向けて圧力液体を噴射するノズルと、上記ノズルの内部空間に圧力液体を供給する圧力液体供給手段とを備え、上記集光レンズで集光したレーザ光線を上記ノズルから噴射される圧力液体の内部に導光し、該圧力液体内部を透過して被加工物の上記加工位置に照射して、被加工物に所要の加工を施すようにしたハイブリッド加工装置において、
   上記ノズルの内面に、先端側が縮径される円錐面と、この円錐面の小径部から連続して上記開口部に至る小径の円筒面とを形成し、上記集光レンズで集光されるレーザ光線を円錐面で反射させて更に収束させるとともに、上記円筒面により拡散されないように噴射された圧力液体内に導光させることを特徴とするハイブリッド加工装置。
2. 上記ノズルの開口部の内径が１５０μｍ以下となるように構成したことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド加工装置。
3. レーザ光線を発振するレーザ発振器と、上記レーザ発振器から発振されたレーザ光線を集光する集光レンズと、先端の開口部から被加工物の加工位置に向けて圧力液体を噴射するノズルと、上記ノズルの内部空間に圧力液体を供給する圧力液体供給手段とを備え、上記集光レンズで集光したレーザ光線を上記ノズルから噴射される圧力液体の内部に導光し、該圧力液体内部を透過して被加工物の上記加工位置に照射して、被加工物に所要の加工を施すようにしたハイブリッド加工方法であって、
   上記ノズルの内面に、先端側が縮径される円錐面と、この円錐面の小径部から連続して上記開口部に至る小径の円筒面とを形成し、上記円筒面により圧力液体を拡散させないように被加工物に向けて噴射させるとともに、上記集光レンズで集光されるレーザ光線を円錐面で反射させて更に収束させて、上記開口部から噴射される圧力液体内に導光させることを特徴とするハイブリッド加工方法。
4. レーザ光線を発振するレーザ発振器と、上記レーザ発振器から発振されたレーザ光線を集光する集光レンズと、先端の開口部から半導体ウエハの加工位置に向けて圧力液体を噴射するノズルと、上記ノズルの内部空間に圧力液体を供給する圧力液体供給手段とを備え、上記集光レンズで集光したレーザ光線を上記ノズルから噴射される圧力液体の内部に導光し、該圧力液体内部を透過して半導体ウエハの上記加工位置に照射して、半導体ウエハに所要の加工を施すようにしたハイブリッド加工方法であって、
   上記ノズルの内面に、先端側が縮径される円錐面と、この円錐面の小径部から連続して上記開口部に至る小径の円筒面とを形成し、上記円筒面により圧力液体を拡散させないように半導体ウエハに向けて噴射させるとともに、上記集光レンズで集光されるレーザ光線を円錐面で反射させて更に１５０μｍ以下となるように収束させて、上記開口部から噴射される圧力液体内に導光させて半導体ウエハに照射させることを特徴とするハイブリッド加工方法。

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