JP4126377B2 - ダイヤモンドの加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、ダイヤモンドの加工方法、特にダイヤモンドウエハを高精度で切断等の超音波加工ができるダイヤモンドの加工方法に関する。

ダイヤモンドは、その優れた材料特性、すなわち高硬度、高い磨耗耐性、低い摩擦係数、高い光透過特性、高い熱伝導性、耐薬品性などの特性を有するため、多くの利用が考えられている。
ダイヤモンド自体は非常に硬く脆い物質であるため、従来ダイヤモンドの切断や研磨等の加工に際しては、砥石に同質のダイヤモンドの粉末を混ぜ合わせて使用するのが一般的であった。
最近では、ダイヤモンドの局所加工、特定領域の加工の要求があるが、砥石形状に制限があることから、単純な形状のみの研削又は研磨加工を、時間をかけて行う必要があった。例えば溝形状を作製するには、非常に強度の高い砥石が必要で、深く掘り進むと砥石自体が熱によって変形する恐れがあった。したがって、従来の砥石による研削又は研磨方法は、加工効率が著しく悪いという問題があった。

近年、上記のダイヤモンドの局所加工又は特定領域の加工の要求に対して、従前のダイヤモンド砥石を使用した研削加工に替え、レーザーによる加工が行われ、切断や表面の加工が可能になっている。また、微小領域に集光させたレーザーによる加工も行われている。
しかしながら、レーザー加工によって表面に炭素化した黒い層が残り、この部分がダイヤモンドとしての利用の妨げになる場合もあった。さらに、気相合成技術の発展により10mmを越えるような大型ダイヤモンドにおいては、レーザー光を通すための切り代が大きくなるために適用が難しかった。さらに、ブロックや薄片に切り出す場合又は微細な部品を作成する場合には、ダイヤモンド深部への加工自体が大きな課題となっている。

レーザーは長波長領域の光に対して高い透過性を有することから、レーザーを用いる場合でも、表面から短波長のレーザーを用いて加工する必要がある。しかし、レーザー光が深度のある加工先端部にまで十分に届かないという問題が発生している。
このため、レーザー加工装置を用いる場合、ビーム特性を向上させることが必要となるが、そのためには高価なレーザー装置の部品が必要となり、そのような機器にかかる費用が莫大になるという問題があった。

このように、現在エキシマレーザーなどの短波長光を集光させ内部まで加工する手法が考案されているが、レーザー光の集光が難しいことから切り代を小さくすることが困難である。さらに、レーザー光の処理に特別な光学部品が必要であって、その加工コストは非常に高価であった。
このように、レーザー加工はダイヤモンドの加工方法としては十分な発達を遂げておらず、非能率的手段であり、加工精度も十分と言えなかった。

一方、従来の砥石を利用したダイヤモンドの切断等の加工を改良し、加工具に超音波を併用した技術が提案されている。超音波は、軸振動、捻り振動、たわみ振動等に、振動モードを使い分けることが可能である。
このような振動モードを利用することにより、ダイヤモンドの加工を行う提案がなされている。

その例を挙げると、超音波による振動を付与しながら加工を行う小型の加工工具を配設して、大形の被加工材を加工する超音波振動複合加工具（特許文献１参照）、超音波振動を被加工物に付加した機械加工において、球形等の自由工具を被加工物に押しつけるために、工具に遠隔から磁力や遠心力等の外力を与える超音波振動加工法（特許文献２参照）、ダイヤモンド研削用砥石を用いて研削することにより焼結ダイヤモンド材を工具に加工する方法において、前記ダイヤモンド研削用砥石に超音波ねじり振動を作用させる焼結ダイヤモンド製工具加工方法（特許文献３参照）、超音波専用軸付一体型のダイヤモンド電着工具（特許文献４参照）、圧縮機の回転環に設けられるスパイラル溝を精度良く超音波加工する方法（特許文献５参照）がある。
しかし、このような技術は、必ずしも高精度のダイヤモンドの加工ができるとはいえず、また加工速度も十分ではないという問題があった。
特開平１１−１２３３６５号公報 特開平２００２−２３９８７９号公報 特開２００１−２３９４２８号公報 特開平１１−３３８８５号公報 特開平７−１３２４４９号公報

本発明は、セラミックスや宝石などの加工に用いられてきた従来の超音波加工をさらに改良し、研磨条件を最適化することにより、極端に難加工材料であるダイヤモンドに対して、従来では難しかった３次元形状に加工することを可能とし、その加工速度が砥石による研削に比べて有意に大きく、１００μｍ以下の加工精度を実現する加工技術を課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、１）１０-１００ｋＨｚの発信周波数の超音波で生じさせた往復運動を厚さ１０００μｍ以下の短冊状の加工用シートに伝え、該短冊状の加工用シートに張力を与えて補強し、該短冊状の加工用シートの端面と被加工材の間に存在するダイヤモンド砥粒の衝突によって加工することを特徴とするダイヤモンドの加工法、２）ダイヤモンド砥粒の平均粒径が３０μｍ〜２００μｍであることを特徴とする１記載のダイヤモンドの加工方法、３）１０-１００ｋＨｚの発信周波数の超音波で生じさせた往復運動を厚さ１０００μｍ以下の短冊状の加工用シートに伝え、ダイヤモンドと加工シートが接する部分に対して進行波が形成されるように、該短冊状の加工用シートの端面と被加工材の間に存在するダイヤモンド砥粒の衝突によって加工することを特徴とするダイヤモンドの加工法、４）ダイヤモンドと加工シートが接する部分に対して進行波が形成されるように加工することを特徴とする１又は２記載のダイヤモンドの加工方法、を提供する。

また、本発明は、５）ダイヤモンドの加工方向に対して、加工方向と該加工方向に垂直なシート端面方向の二方向の振動を与えることを特徴とする１〜４のいずれかに記載のダイヤモンドの加工方法、６）加工速度及び超音波振動子の投入パワーを調節して進行波を形成することを特徴とする３〜５のいずれかに記載のダイヤモンドの加工方法、７）ダイヤモンドと加工シートが接する部分に投入された古いダイヤモンド砥粒を、加工シート若しくは被加工材に加えられた超音波振動による進行波により強制的に排出させることを特徴とする１〜６のいずれかに記載のダイヤモンドの加工方法、８）被加工材が気相合成ダイヤモンドであることを特徴とする１〜７のいずれかに記載のダイヤモンドの加工法、９）被加工材が単結晶ダイヤモンドであることを特徴とする１〜７のいずれかに記載のダイヤモンドの加工法、を提供するものである。

本発明によれば、上記の加工条件でダイヤモンドを研削することにより、加工が著しく困難であったダイヤモンドウエハを100μm/min.以上という、高速での加工ができ、さらに比較的出力の弱い50W以下の超音波振動素子を用いて高精度加工が可能となった。すなわち、極端に難加工材料であるダイヤモンドに対して、従来では難しかった３次元形状に加工することを可能とし、その加工速度が砥石による研削に比べて有意に大きく、１００μｍ以下の加工精度を実現することができるという著しい効果を有する。
これによって、本発明は、加工コストと加工精度の、両者の問題を一挙に解決することが可能となるという優れた効果を有する。

次に、図及び表等を用いて具体的に説明する。しかし、本発明は以下の説明に拘束され、限定されるものでない。すなわち、本発明の技術思想の範囲での改変、他の実施例又は態様は全て本発明に含まれるものである。
本発明のダイヤモンドの超音波加工方法は、10-100kHzの発信周波数で生じさせた往復運動を、厚さ1000μm以下の短冊状の加工用シートに伝え、該加工用シートによりダイヤモンドを加工するものである。
図１と図２にダイヤモンドウエハ１と加工用シート材（ツール）２を示す。符号３は砥粒を、符号４は超音波振動を示す。
図１は研削加工開始直前の概念説明図であり、図２は研削加工がある程度進行した状況を示す概念説明図である。
加工用シート材としては、軟鋼、普通鋼、ステンレス鋼、焼き入れ鋼、ばね鋼、特殊鋼など、その他非鉄金属などの普通の金属材料を使用することができ、特にこれらの材料に制限されるものではない。

超音波加工では、この厚さ1000μm以下の短冊状の加工用シートを使用することにより、加工領域を十分小さくすることができ、精密加工が可能となる。ダイヤモンドは非常に高価な材料であることから、切り代をできるだけ小さくすることが必要である。本発明は、このような要求に適合するものである。
発信周波数10kHz未満では、ダイヤモンドを研削できる程度の効果的な超音波を得ることができず、また発信周波数1000kHzを超えるとダイヤモンドに過度な衝撃を与えることになり、チッピングや割れが発生し易くなるので、好適な範囲は10-100kHzの発信周波数である。通常、20〜100kHz程度を使用する。

短冊状の加工用シートを単なる保持のみでは、剛性の高い、例えば超硬を用いたとしても不十分である場合がある。その例を、図３及び図４に示す。この図３及び図４では、短冊状シートにブレ又はシートの面方向のゆれが生じ、シートスキャン時に直線状に加工することができず、十分な加工精度が得られないという問題がある。
このため、加工領域に干渉しない構造、例えば被加工材であるダイヤモンドよりも大きいサイズの補強を取り付け、超音波振動時にブレが生じないように工夫を凝らした。これによって、加工用シートの歪みを防止し、加工精度を維持することができる。
短冊状の加工用シートの補強手段として、該加工用シートに張力を与えて補強することも有効な手段である。図５に短冊状の加工用シートに補強を設けた例を示す。本発明は、これらを包含する。

短冊状の加工用シートに複合振動を与えることは、研削等の加工効率を上げるための、さらに有効な手段である。具体的には、ダイヤモンドの加工方向に対して、加工方向（Ｚ軸方向振動）と該加工方向に垂直なシート端面方向（Ｘ軸方向振動）の二方向の振動を与えることが有効である。
これによって、ダイヤモンドと加工シートが接する部分の加工シートに、加工溝の長さ方向に対して進行波が形成される。この概念図を図６に示す。
図６に示すように、主としてＸ軸振動方向に凹凸のある波形状となる。この進行波はダイヤモンド研削に有効である。この進行波は、加工速度及び超音波振動子の投入パワーを調節することにより効果的に形成することができる。

ダイヤモンドと加工シートが接する部分にダイヤモンド砥粒を投入することが、加工能率を上げるために、さらに有効である。
加工に用いられるダイヤモンド砥粒の選定については、30μｍ−200μｍのダイヤモンド粉が望ましい。一般に、サブミクロン（1/2-1/4μｍ）の微細なダイヤモンド粉末のほうが加工面粗度は良くなるが、本発明の条件下では、加工速度の著しい低下が観察された。
加工速度を上げるために、振動子への投入パワーを上昇させることも考えられる。しかし、過度な超音波振動子へのパワーの供給は、衝撃に弱いダイヤモンドにとって苛酷な環境となり、多くのチッピングや割れが生じることが観察された。したがって、加工速度の無制限な上昇は避けなければならない。この実験結果を表１に示す。
表１に示すように、砥粒と加工速度、加工負荷のバランスは実験の結果から、30μｍ−200μｍのダイヤモンドを用いるのが適切であることが分かった。

図６に示すように、ダイヤモンドと加工シートが接する部分の加工シートには、加工溝の長さ方向に対して進行波が形成されるが、この進行波の凹部にダイヤモンド粉末からなる砥粒が一時的に滞留し、ダイヤモンドウエハを研削する効果を高める。
超音波加工において早い加工速度が継続される理由は、常に新しい砥粒が加工領域に供給され、かつダイヤモンドと加工シートが接する部分に投入した古いダイヤモンド砥粒が排出されることも大きな要因である。
本発明においては、上記の通り加工に用いられる振動子のモードを加工方向の縦軸振動に加えて、平面方向に進行波が生じるように加わるので、加工が進行し、溝が深くなっても積極的に砥粒の供給が行われる。また、古いダイヤモンド砥粒は加工シートの進行波の端より排出される。

その結果、加工速度は１０％ほど向上し、加えて切断に至るまでの加工速度の低下は５％以下に抑制された。さらに、砥粒補給のための加工シートを一時適に取り除く必要が無くなり、シートの再挿入に際して生じるチッピングなどの事故が回避可能となった。
本発明の超音波加工方法は、主としてダイヤモンドについて説明したが、他の硬質の金属若しくはセラミックス材料やガラス等に適用できることは言うまでもない。しかし、特にダイヤモンドウエハの加工に有用である。

本発明は、超音波素子に結合させた1000μm以下の短冊状の加工用シートを使用し、特に補強されたシートを組み合わせ、振動モードを最適に制御することで、極めて短時間（厚さ１ｍｍ程度の 多結晶ダイヤモンドウエハを１０分以内）に切断することが可能となった。
したがって、ダイヤモンド加工製品の製造コストの５０％近くを占める加工費の大幅な低減が可能となり、また従来加工が困難であったアスペクト比の高い溝・穴も容易に加工できるようになった。以上に示す通り、本発明はダイヤモンドウエハの加工に極めて有用である。

本発明の研削加工開始直前の説明図である。 本発明の研削加工がある程度進行した状況を示す説明図である。 短冊状シートにブレ又はシートの面方向のゆれが生じた例を示す説明図である（短冊状シートが小幅の例）。 短冊状シートにブレ又はシートの面方向のゆれが生じ生じた例を示す説明図である（短冊状シートが広幅の例）。 短冊状の加工用シートに補強を設けた例を示す説明図である。 ダイヤモンドと加工シートが接する部分の加工シートに、加工溝の長さ方向に対して進行波が形成された説明図である。

符号の説明

１．ダイヤモンドウエハ
２．加工用シート
３．ダイヤモンド砥粒（パウダー）
４．超音波振動

Claims (9)

1. １０-１００ｋＨｚの発信周波数の超音波で生じさせた往復運動を厚さ１０００μｍ以下の短冊状の加工用シートに伝え、該短冊状の加工用シートに張力を与えて補強し、該短冊状の加工用シートの端面と被加工材の間に存在するダイヤモンド砥粒の衝突によって加工することを特徴とするダイヤモンドの加工法。
2. ダイヤモンド砥粒の平均粒径が３０μｍ〜２００μｍであることを特徴とする請求項１記載のダイヤモンドの加工方法。
3. １０-１００ｋＨｚの発信周波数の超音波で生じさせた往復運動を厚さ１０００μｍ以下の短冊状の加工用シートに伝え、ダイヤモンドと加工シートが接する部分に対して進行波が形成されるように、該短冊状の加工用シートの端面と被加工材の間に存在するダイヤモンド砥粒の衝突によって加工することを特徴とするダイヤモンドの加工法。
4. ダイヤモンドと加工シートが接する部分に対して進行波が形成されるように加工することを特徴とする請求項１又は２記載のダイヤモンドの加工方法。
5. ダイヤモンドの加工方向に対して、加工方向と該加工方向に垂直なシート端面方向の二方向の振動を与えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のダイヤモンドの加工方法。
6. 加工速度及び超音波振動子の投入パワーを調節して進行波を形成することを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載のダイヤモンドの加工方法。
7. ダイヤモンドと加工シートが接する部分に投入された古いダイヤモンド砥粒を、加工シート若しくは被加工材に加えられた超音波振動による進行波により強制的に排出させることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のダイヤモンドの加工方法。
8. 被加工材が気相合成ダイヤモンドであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のダイヤモンドの加工法。
9. 被加工材が単結晶ダイヤモンドであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のダイヤモンドの加工法。