JP4141809B2 - レーザー加工方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザーを利用した加工であって、特に異なる複数の材料が積層されてなる積層部材の加工に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、異なる複数の材料が積層されてなる積層部材のうちの特定の材料に対して所定の形状に切断又はくり貫き加工を行うためには、プレスやドリルを利用した機械加工、レーザーを利用したレーザー加工、化学反応を利用したエッチング加工等が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１９２７０１号公報（第１０ページ、段落１２１〜１２２、段落１３９、段落１４２、図５及び図９）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、プレスやドリルによる加工形状は、プレス型やドリル形状に拘束されるため、複雑で微細な変化を持つ形状の制御は困難である。また、硬脆材料を機械加工する場合、脆性モードの破壊が生じる事が多く、高品位化は困難となる。
また、レーザー加工する場合には、切断形状に合わせてレーザーを照射するための正確な位置決め制御が必要となる。しかも、切断部位以外にレーザーによるダメージを与えないようにするため、切断部位以外にフォトマスクを別途設ける等の対応が必要であった。
さらに、エッチング加工にあっては、フォトリソ・エッチング工程によるプロセスの煩雑化や、コスト的な問題が生じる。また、薬液の処理に関わる費用や環境問題も考慮する必要があり、より簡略的な加工法が望まれている。
加えて、金型やフォトマスク等を用いる上記の方法にあっては、加工形状が金型やフォトマスク等の形状に依存するため、加工部寸法に固体差がある場合や少量多品種生産には、効率的に対応できないといった問題がある。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みて成されたもので、第１材料と第２材料とが積層され、第１材料が第２材料から突出してなる積層部材の加工方法において、金型やフォトマスクを使用することなく簡易な構成で、目的とする形状の加工を精度良く行うことができる加工方法、並びにその方法を利用した液滴吐出ヘッドを提案するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザー加工方法は、第１材料と第２材料とが積層され、前記第１材料が前記第２材料からはみ出した部分又は露出した部分を有した積層部材の加工方法であって、
前記第１材料に対しての光吸収率が前記第２材料に対しての光吸収率より高くなる波長のレーザーを、前記はみ出し部分又は前記露出部分における前記第２材料と前記第１材料との境界部に照射することとし、
前記第１材料の光吸収率より大きな光吸収率を有する材料を前記第１材料の加工箇所に被膜し、
前記レーザーとして異なる複数の波長のレーザーを同時に前記第２材料と前記第１材料との境界部に照射することを特徴とする。
【０００７】
また、第１材料と第２材料とが積層され、前記第１材料が前記第２材料からはみ出した部分又は露出した部分を有した積層部材の加工方法であって、
前記第１材料に対しての光吸収率が前記第２材料に対しての光吸収率より高くなる波長のレーザーを、前記はみ出し部分又は前記露出部分における前記第２材料と前記第１材料との境界部に照射することとし、
前記第１材料の加工箇所に複数の微細凹凸を形成し、
前記レーザーとして異なる複数の波長のレーザーを同時に前記第２材料と前記第１材料との境界部に照射することを特徴とする。
【０００８】
また、前記積層部材に対する前記レーザーの照射方向を調整可能としておくと、例えば、加工部位の構成又は形状に応じて適切な方向からレーザーの照射が可能となる。また、加工飛散物の飛散方向を変更させて積層部材への再付着を抑制することもできる。
また、加工飛散物を前記積層部材の外側へ飛ばす空気流を供給するようにしておくと、加工飛散物の積層部材への再付着を防止する等ができる。
また、前記積層部材に対する前記レーザーの照射を真空中で行うことで、加工品位を向上させることができる。
【０００９】
また、前記積層部材に対する前記レーザーの照射は、ガルバノミラーを利用してレーザーを走査させながら行っても良い。これにより、簡易な構成でより高精度にレーザーの照射が可能となる。
また、レーザーを複数のビームに分岐させ、分岐した複数のビームを前記積層部材に同時に照射しても良い。これにより、加工効率が向上できる。
また、前記積層部材の加工部位をカメラで撮影して画像処理し、該処理を基にレーザー照射位置を決定するようにしても良い。これにより、微細な加工も可能となる。
なお、上記積層部材の例としては、前記第１材料が金属であり、前記第２材料がシリコンである場合、前記第１材料がシリコンであり、前記第２材料がガラスである場合、前記第２材料が液体材料リザーバとなる凹部を備えた液滴吐出ヘッド用キャビティ基板であり、前記第１材料が前記キャビティ基板の液体材料リザーバ部に形成された多層膜である場合等を挙げることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、第１材料層と第２材料とが積層され、第１材料が第２材料から突出してなる積層部材における第１材料に対する加工方法であって、積層部材の各層が持つ光吸収率の相違に着目して、第１材料の加工（切断、除去、くり貫き等）に際して、第２材料の端部をガイドとして利用するものである。従って、第１材料層（加工層）に対しては光吸収率が高くなり、ガイドとして利用しようとする第２材料層（ガイド層）に対しては光吸収率が低くなる波長のレーザーを選択して用い、そのレーザーをレンズ等により集光して、ガイドとなる第２材料層の端部と第１材料の境界部に照射する。この場合、ガイドとなる第２材料層の端部にレーザーの集光スポットの一部がかかるようにするのが良い。なお、必要に応じて、レーザーの集光スポットと積層部材とを相対移動させる。これにより、集光スポット内では、光吸収率の高い第１材料層のみが選択的に除去されるため、第２材料層の端部形状に多少の誤差やバラツキが生じていたとしても、照射レーザーの走査軌跡を正確に第２材料層の端形状に沿わせることなく、第１材料層を第２材料層の端部に沿って正確に加工できることになる。
【００１２】
実施形態１
図１は本発明の実施形態１に係る加工概念図である。加工対象の積層部材１０は、シリコン基板１１に金属薄膜１２（これは異なる種類の材料が多数積層された多層膜でも良い）が積層されており、金属薄膜１２はシリコン基板１１の下面から突出した状態となっている。この積層部材１０の加工対象は金属薄膜１２であり、シリコン基板１１の端部１１Ａを加工の際のガイドに利用する。従って、金属薄膜１２に対しては吸収率が高くなり、シリコン基板１１に対しては吸収率が低くなる波長のレーザーを加工に用いる。ここでは、ＹＡＧレーザーで波長が１．０６４μｍの基本波レーザーを用いた。
【００１３】
実際の加工にあっては、図１（ａ）のように、レーザー１６をレンズ１５で集光させ、その集光スポットがシリコン基板１１の端部１１Ａと金属薄膜１２の双方にまたがるように照射しながら、シリコン基板１１の端部１１Ａに沿って集光スポットを走査させるか又は積層部材部１０を移動させる。こうすることで、図１（ｂ）に示すように、レーザーが照射された積層部材１０のうち、光吸収率の高い金属薄膜１２の対応部分のみが、シリコン基板１１の端部１１Ａによってアラインメントされた状態に除去される。
なお、実際には、シリコン基板１１の真下に位置する金属薄膜１２にもレーザーが入射しているが、レーザーはシリコン基板１１を貫通する時の減衰で、その強度が低下する。従って、シリコン基板１１の真下に位置する金属薄膜１２に蓄えられるレーザーエネルギーは、金属薄膜１２を加工可能なしきい値を下回ってしまい、シリコン基板１１の下側に位置する金属薄膜１２は加工されない。
【００１４】
実施形態２
図２は本発明の実施形態２に係る加工概念図である。加工対象の積層部材２０は、上下のガラス基板２１，２２の間にシリコン層２３が積層されたもので、シリコン層２３は上側ガラス基板２１の下面から突出した状態となっている。この積層部材２０の実際の加工対象はシリコン層２３であり、上側ガラス基板２１の端部２１Ａを加工の際のガイドに利用する。従って、シリコン層２３に対しては吸収率が高くなり、ガラス基板２１，２２に対しては吸収率が低くなる波長のレーザーを加工に用いる。ここでは、ＹＡＧレーザーの波長が５３２ｎｍの第２高調波レーザーを用いた。
【００１５】
実際の加工にあっては、図２（ａ）のように、レーザー２６をレンズ２５で集光させ、その集光スポットが上側ガラス基板２１の端部２１Ａとシリコン層２３とに属薄膜１２にまたがるように照射しながら、上側ガラス基板２１の端部２１Ａに沿って集光スポットを走査させるか又は積層部材部２０を移動させる。こうすることで、図２（ｂ）に示すように、レーザーが照射された積層部材２０のうち、光吸収率の高いシリコン層２３の上側ガラス基板２１より突出した部分のみに、加工しきい値を越えるレーザーエネルギーが蓄えられ、シリコン層２３のその対応部分が、上側ガラス基板２１の端部２１Ａによってアラインメントされた状態に除去される。
【００１６】
実施形態３
図３は、圧電素子の変位を利用してインク滴をノズルより吐出させる圧電型インクジェットヘッドの製造過程の一部を示す工程図である。ここでは液滴吐出ヘッドの一例として圧電型インクジェットヘッドを取り上げるが、本発明はその他方式のインクジェットヘッドであっても、またインク以外の液体を吐出するヘッドであっても実施することが可能である。圧電型インクジェットヘッドは、既に良く知られているように、インクを外部から取り入れて保持しておくインクリザーバ及びインクリザーバと連通しノズルからインクを吐出させるための圧力を発生する圧力発生室等のキャビティが形成されているキャビティ基板と、キャビティ基板に成膜され上記圧力発生室の一部を構成すると共に実際の圧力変化を生じさせる圧電素子を含んだ多層膜と、ノズル孔を備えたノズルプレートと、多層膜の一部を封止しキャビティ基板を固定する封止板（又は固定板）とを備えてなる。
【００１７】
次に、圧電型インクジェットヘッドの製造方法について説明する。なお、図３中、符号１５０は将来インクジェットヘッドとなるべきものを示しているが、ここでは説明の便宜上、符号１５０をインクジェットヘッドと称する。インクジェットヘッド１５０は、これ以前の工程によって、シリコンキャビティ基板１００に圧電素子となる後述する構成の多層膜１１０が積層され、さらに、シリコンキャビティ基板１００の多層膜１１０側には、例えばシリコン等からなる封止板１３０が固定されている。封止板１３０には、外部から供給されたインクを取り込んで保存する封止板側リザーバ１３１が形成されている。
【００１８】
図３（ａ）では、封止板１３０に保護フィルム１４０を被膜した後、キャビティ基板１００にエッチングを施して、圧力発生室１０１、キャビティ基板側リザーバ１０２等に対応した凹部を形成する。その後、キャビティ基板側リザーバ１０２と封止板側リザーバ１３１とを連通するために、それらの間を仕切っている多層膜１１０を、レーザー８１を利用し、実施形態１と同様の方法によりくり貫く。この多層膜１１０のくり貫きは、シリコンキャビティ基板１００の端部１００Ａと多層膜１１０との双方にレーザーを照射させながら、レーザーをシリコンキャビティ基板１００の端部１００Ａに沿って一巡させることで、シリコンキャビティ基板１００の端部１００Ａを境界としてその内側の多層膜１１０を切り抜くものである。図３（ｂ）が、多層膜１１０のくり貫きが行われ、かつ保護フィルム１４０がとり除かれた状態のインクジェットヘッド１５０を示している。続いて、図３（ｃ）に示すように、シリコンキャビティ基板１００の凹部開口側に、ノズル孔１２１を備えたノズルプレート１２０を、ノズル孔１２１が圧力発生室１０１に対応する位置に来るようにして固着する。なお、インクジェットヘッド１５０は、この後、ワイヤボンディング、ケースヘッド装着、基板ヘッド実装、組込部品取り付け等を経て、製品として完成する。
【００１９】
ところで、この実施形態３では、シリコンキャビティ基板１００、多層膜１１０が、実施形態１のシリコン基板１１と金属薄膜１２にそれぞれ対応している。シリコンキャビティ基板１００の厚みは、例えば７０μｍ程度、多層膜１１０の厚みは、例えば１〜５μｍ程度である。なお、多層膜１１０の具体的な構成の一例を図４に示しておく。これによれば、シリコンキャビティ基板１００に近い側から、ＳｉＯ２（二酸化珪素）１１１、ＺｎＯ２（過酸化亜鉛）１１２、下電極１１３、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）１１４、上電極１１５、配線１１６からなる。下電極１１３は、Ｐｔ（白金）層、ＩｎＯ（酸化インジウム）及びＴｉ（チタン）層、ＩｎＯ、Ｔｉ及びＰｂ（鉛）層等から構成できる。また、上電極１１５はＩｎ（インジウム）等から、配線は、Ａｕ及びチタン層等から構成できる。このような多層膜１１０を上記のレーザー加工によりくり貫くと、シリコンキャビティ基板１００の端部１００Ａにより境界づけられた貫通穴が、脆性モードの破壊無しにしかも高品質に形成される。また、このくり貫き後、ノズルプレート１２０は、極めて微細な誤差範囲内でシリコンキャビティ基板１００に固着される必要があるが、先に照射されたレーザーがシリコンキャビティ基板１００にダメージを与えないようなものに選択されているため、シリコンキャビティ基板１００の表面がノズルプレート１２０の固着に悪影響を及ぼすことも生じない。従って、この方法によりシリコンキャビティ基板側リザーバ１０２と封止板側リザーバ１３１とが貫通されたインクジェットヘッド１５０は、インクの吐出性能の安定性が向上する。
【００２０】
なお、上記各実施形態において、デフォーカスによって照射レーザーの集光位置をずらしたり、レンズの焦点距離ｆや、集光レンズへの入射ビーム径を調整することで、照射スポット径を拡大すると、ガイド層の端部１１Ａ，２１Ａ、１００Ａと、加工層１２，２３，１１０との境界部にレーザーを容易に位置決めできる。なお、デフォーカスにおいては、積層部材の加工部位が、集光レンズとその集光レンズによるレーザーの集光点との間に来るように設定するのが、加工品質の観点から好ましい。また、加工に使用する照射レーザーは、必ずしも集光するレーザーである必要はない。
【００２１】
ところで、上記各実施形態において以下のような工夫を加えても良い。例えば、異なる複数の波長のレーザーを、同時にガイド層の端部と加工層との境界部に照射させても良い。これにより、加工層が複数の材料の積層からなる場合等には、各材料毎により効果的な波長のレーザーを加工に供することが可能となり、加工対象範囲を広げることができる。
また、加工層とガイド層との間の光吸収率の差が小さい場合には、加工層自体が有する光吸収率より大きな光吸収率を有する材料、例えば黒インク、を加工層に被膜し、あるいは、加工層の加工箇所表面に複数の凹凸を形成しても良い。なお、この凹凸は光の反射を抑制させるためのものなので、凹凸の深さはレーザーの波長よりも小さくするのが良い。これらの処理により、加工層とガイド層との間の光吸収率の差が大きくなり、ガイド層にダメージを与えることなく加工層のみを加工できる。
【００２２】
また、レーザーの照射方向を調整可能としておくと、複雑な構造となっている加工部位であってもレーザーの照射が可能となる。また、加工飛散物の積層部材への再付着を少なくする方向からレーザーを照射するように調整も可能となる。さらに、積層部材の加工部位付近に、加工飛散物を積層部材の外側へ飛ばす空気流を供給するようにしても良い。なお、積層部材に対するレーザーの照射を真空中で行うと、酸化が防止され、かつドロスの発生が抑制されるので加工品質を向上させることができる。
【００２３】
上記実施形態に示したレーザー加工の効果をまとめれば、次の通りである。ガイド層の端部で加工層の加工端がセルフアラインメントされるので、装置精度の要求を軽減できる。そして、複雑な形状の加工であっても高精度で加工できる。また、特別に用意される金型やマスクが不要なため、多品種少量生産にも対応できる。加工に際しての前処理等が不要なので、加工プロセスを簡略化できる。
【００２４】
（本発明に利用されるレーザー加工装置について）
ここで、本発明の方法に使用するレーザー加工装置の構成例について説明しておく。このレーザー加工装置５０は、加工エネルギー源となるレーザー発振器５１、レーザー発振器５１から射出されたレーザーのビーム径を拡大するビームエキスパンダ５２、拡径されたレーザーの強度を調整するレーザー強度調整器５３、光の進行方向を調整するミラー５４（これは必要に応じて任意の個数設けて良い）、加工しようとするワーク（積層部材１０，２０，１５０等）を載置してＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動可能な３軸自動ステージ５６、３軸自動ステージ５６の動作を制御するステージコントローラ５７、ステージコントローラ５７をコンピュータ制御するＰＣ５８等からなる。なお、レーザー発振器５１から射出されるレーザーの種類及び波長は、実際に加工される層の材料とガイドとして機能させる層の材料とに応じて個々に定める。
【００２５】
この装置５０では、ワークとワークに照射するレーザーとの相対移動を、３軸自動ステージ５６の移動により行っているが、レーザーの方を走査させても良い。レーザーを走査する手段としては、図６に示すような、ガルバノミラーを２台組み合わせたものが利用できる。図６において、７０はＸ軸方向に対して回転する第１のガルバノミラー、７１はＹ軸方向に対して回転する第２のガルバノミラーで、両者７０，７１は、所定の位置に精度よく配置され、駆動手段（図示せず）によって同期して駆動される。このようになガルバノミラー７０，７１を有する加工装置においては、レーザー発振器（図示せず）から発振されたレーザービーム７２は、第１のガルバノミラー７０で反射されるとともに第２のガルバノミラー７１で反射され、図示しない集光レンズによって集光されて、被加工物に照射される。このとき、照射されたレーザービームの集光スポットは、ガイドとされた層の端部沿って走査され、例えば、走査軌跡７３に対応した孔がくり貫き形成される。レーザー加工の場合、被加工物を移動させてその被加工物を所定の形状に切断するより、被加工物へ照射されるレーザーを走査させて被加工物を所定の形状に切断する方が、その加工精度を高くでき、かつ、加工能率が向上し量産に適している。
【００２６】
図７は上記各実施形態で利用可能なレーザー加工装置の別の構成図である。このレーザー加工装置５０Ａは、図５のレーザー加工装置５０を、さらに有効に利用可能とする構成のいくつかを追加したものである。例えば、ワーク１０、２０，１５０等に同じ形状の加工箇所が複数あるような場合に、それら複数の加工箇所に同時にレーザーを照射させて多点同時加工ができれば効率的である。それを可能とするため、レーザーを複数に分岐する回折光学素子５９を集光レンズ５５の手前に配置している。なお、レーザーを複数に分岐する手段としては、他にハーフミラー等も利用できる。また、加工により発生した飛散物を吸引する吸引装置６０を加工部位近くに配置している。
【００２７】
さらに、ワーク１０、２０，１５０の加工部位を撮影するカメラ６１と、そのカメラ６１で撮影された加工部位の画像を基にガイド層の端部と加工層との境界を決定して、レーザー照射経路を算出する画像処理装置６２とを備える。画像処理装置６２で算出されたレーザー照射経路は、ステージコントローラ５７に送られて、３軸自動ステージ５６の駆動制御に利用される。
なお、回折光学素子５９、吸引装置６０、カメラ６１及び画像処理装置６２は、これら全てを備える必要はなく、必要に応じて個別に採用して良い。
【００２８】
上記実施形態では、加工用レーザーにＹＡＧレーザーの基本波、第２高調波を使用したが、加工用レーザーは、ガイド層の材料と実際に加工される加工層の材料とに応じて個々に定められる。その場合、例えば、ＹＬＦレーザーの基本波及び高調波、ＹＶＯ４レーザーの基本波及び高調波、ＣＯ２レーザー等の使用も検討されて良い。また、加工品質の点からはフェムト秒レーザーの使用も考慮されて良い。なお、この加工に使用するレーザーの選択の際に考慮すべきは、積層部材の部材間におけるレーザーエネルギの蓄積率の相違、及び、積層部材を構成する各部材におけるレーザーエネルギによる加工開始のエネルギーしきい値である。すなわち、加工しようとする部材にはそのしきい値以上のレーザーエネルギが蓄積されるようにし、ガイドとして利用される部材には、そのしきい値以上のレーザーエネルギが蓄積されないようにすることが必須となる。
また、上記各実施形態では、加工層とガイド層とが水平方向に積層された状態での加工を示したが、本発明は、加工層とガイド層とが垂直方向に積層された状態である場合に、その立設状態のまま、そのそれらの層の境界部にレーザーを照射して、加工層を加工することも含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１の方法を示す加工概念図。
【図２】 本発明の実施形態２の方法を示す加工概念図。
【図３】 本発明の実施形態３の方法に係るインクジェットヘッドの製造工程の一部を示す工程図。
【図４】 本発明の実施形態３の方法でくり貫かれる多層膜の構成説明図。
【図５】 上記各実施形態で利用可能なレーザー加工装置の構成図。
【図６】 照射レーザーを走査させるための構成図。
【図７】 上記各実施形態で利用可能なレーザー加工装置の別の構成図。
【符号の説明】
１０…積層部材（ワーク）、１１…シリコン基板、１１Ａ…シリコン基板の端部、１２…金属薄膜、２０…積層部材（ワーク）、２１，２２…上下のガラス基板、２１Ａ…上側ガラス基板の端部、２３…シリコン層、５１…レーザー発振器、ビームエクスパンダー、５３…レーザー強度調整器、５４…ミラー、５５…集光レンズ、５６…３軸自動ステージ、５７…ステージコントローラー、５８…ＰＣ、５９…回折光学素子、６０…吸引ノズル、６１…カメラ、６２…画像処理装置、７０…第１のガルバノミラー、７１…第２のガルバノミラー、１００…シリコンキャビティ基板、１０１…シリコンキャビティ基板の端部、１０１…圧力発生室、１０２…シリコンキャビティ基板側リザーバ、１１０…多層膜、１２０…ノズルプレート、１３０…封止板、１３１…封止板側リザーバ、１４０…保護フィルムメモリ、１５０…インクジェットヘッド。
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザーを利用した加工であって、特に異なる複数の材料が積層されてなる積層部材の加工に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、異なる複数の材料が積層されてなる積層部材のうちの特定の材料に対して所定の形状に切断又はくり貫き加工を行うためには、プレスやドリルを利用した機械加工、レーザーを利用したレーザー加工、化学反応を利用したエッチング加工等が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１９２７０１号公報（第１０ページ、段落１２１〜１２２、段落１３９、段落１４２、図５及び図９）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、プレスやドリルによる加工形状は、プレス型やドリル形状に拘束されるため、複雑で微細な変化を持つ形状の制御は困難である。また、硬脆材料を機械加工する場合、脆性モードの破壊が生じる事が多く、高品位化は困難となる。
また、レーザー加工する場合には、切断形状に合わせてレーザーを照射するための正確な位置決め制御が必要となる。しかも、切断部位以外にレーザーによるダメージを与えないようにするため、切断部位以外にフォトマスクを別途設ける等の対応が必要であった。
さらに、エッチング加工にあっては、フォトリソ・エッチング工程によるプロセスの煩雑化や、コスト的な問題が生じる。また、薬液の処理に関わる費用や環境問題も考慮する必要があり、より簡略的な加工法が望まれている。
加えて、金型やフォトマスク等を用いる上記の方法にあっては、加工形状が金型やフォトマスク等の形状に依存するため、加工部寸法に固体差がある場合や少量多品種生産には、効率的に対応できないといった問題がある。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みて成されたもので、第１材料と第２材料とが積層され、第１材料が第２材料から突出してなる積層部材の加工方法において、金型やフォトマスクを使用することなく簡易な構成で、目的とする形状の加工を精度良く行うことができる加工方法、並びにその方法を利用した液滴吐出ヘッドを提案するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザー加工方法は、第１材料と第２材料とが積層され、前記第１材料が前記第２材料からはみ出した部分又は露出した部分を有した積層部材の加工方法であって、
前記第１材料に対しての光吸収率が前記第２材料に対しての光吸収率より高くなる波長のレーザーを、前記はみ出し部分又は前記露出部分における前記第２材料と前記第１材料との境界部に照射することとし、
前記第１材料の光吸収率より大きな光吸収率を有する材料を前記第１材料の加工箇所に被膜し、
前記レーザーとして異なる複数の波長のレーザーを同時に前記第２材料と前記第１材料との境界部に照射することを特徴とする。
【０００７】
また、第１材料と第２材料とが積層され、前記第１材料が前記第２材料からはみ出した部分又は露出した部分を有した積層部材の加工方法であって、
前記第１材料に対しての光吸収率が前記第２材料に対しての光吸収率より高くなる波長のレーザーを、前記はみ出し部分又は前記露出部分における前記第２材料と前記第１材料との境界部に照射することとし、
前記第１材料の加工箇所に複数の微細凹凸を形成し、
前記レーザーとして異なる複数の波長のレーザーを同時に前記第２材料と前記第１材料との境界部に照射することを特徴とする。
【０００８】
また、前記積層部材に対する前記レーザーの照射方向を調整可能としておくと、例えば、加工部位の構成又は形状に応じて適切な方向からレーザーの照射が可能となる。また、加工飛散物の飛散方向を変更させて積層部材への再付着を抑制することもできる。
また、加工飛散物を前記積層部材の外側へ飛ばす空気流を供給するようにしておくと、加工飛散物の積層部材への再付着を防止する等ができる。
また、前記積層部材に対する前記レーザーの照射を真空中で行うことで、加工品位を向上させることができる。
【０００９】
また、前記積層部材に対する前記レーザーの照射は、ガルバノミラーを利用してレーザーを走査させながら行っても良い。これにより、簡易な構成でより高精度にレーザーの照射が可能となる。
また、レーザーを複数のビームに分岐させ、分岐した複数のビームを前記積層部材に同時に照射しても良い。これにより、加工効率が向上できる。
また、前記積層部材の加工部位をカメラで撮影して画像処理し、該処理を基にレーザー照射位置を決定するようにしても良い。これにより、微細な加工も可能となる。
なお、上記積層部材の例としては、前記第１材料が金属であり、前記第２材料がシリコンである場合、前記第１材料がシリコンであり、前記第２材料がガラスである場合、前記第２材料が液体材料リザーバとなる凹部を備えた液滴吐出ヘッド用キャビティ基板であり、前記第１材料が前記キャビティ基板の液体材料リザーバ部に形成された多層膜である場合等を挙げることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、第１材料層と第２材料とが積層され、第１材料が第２材料から突出してなる積層部材における第１材料に対する加工方法であって、積層部材の各層が持つ光吸収率の相違に着目して、第１材料の加工（切断、除去、くり貫き等）に際して、第２材料の端部をガイドとして利用するものである。従って、第１材料層（加工層）に対しては光吸収率が高くなり、ガイドとして利用しようとする第２材料層（ガイド層）に対しては光吸収率が低くなる波長のレーザーを選択して用い、そのレーザーをレンズ等により集光して、ガイドとなる第２材料層の端部と第１材料の境界部に照射する。この場合、ガイドとなる第２材料層の端部にレーザーの集光スポットの一部がかかるようにするのが良い。なお、必要に応じて、レーザーの集光スポットと積層部材とを相対移動させる。これにより、集光スポット内では、光吸収率の高い第１材料層のみが選択的に除去されるため、第２材料層の端部形状に多少の誤差やバラツキが生じていたとしても、照射レーザーの走査軌跡を正確に第２材料層の端形状に沿わせることなく、第１材料層を第２材料層の端部に沿って正確に加工できることになる。
【００１２】
実施形態１
図１は本発明の実施形態１に係る加工概念図である。加工対象の積層部材１０は、シリコン基板１１に金属薄膜１２（これは異なる種類の材料が多数積層された多層膜でも良い）が積層されており、金属薄膜１２はシリコン基板１１の下面から突出した状態となっている。この積層部材１０の加工対象は金属薄膜１２であり、シリコン基板１１の端部１１Ａを加工の際のガイドに利用する。従って、金属薄膜１２に対しては吸収率が高くなり、シリコン基板１１に対しては吸収率が低くなる波長のレーザーを加工に用いる。ここでは、ＹＡＧレーザーで波長が１．０６４μｍの基本波レーザーを用いた。
【００１３】
実際の加工にあっては、図１（ａ）のように、レーザー１６をレンズ１５で集光させ、その集光スポットがシリコン基板１１の端部１１Ａと金属薄膜１２の双方にまたがるように照射しながら、シリコン基板１１の端部１１Ａに沿って集光スポットを走査させるか又は積層部材部１０を移動させる。こうすることで、図１（ｂ）に示すように、レーザーが照射された積層部材１０のうち、光吸収率の高い金属薄膜１２の対応部分のみが、シリコン基板１１の端部１１Ａによってアラインメントされた状態に除去される。
なお、実際には、シリコン基板１１の真下に位置する金属薄膜１２にもレーザーが入射しているが、レーザーはシリコン基板１１を貫通する時の減衰で、その強度が低下する。従って、シリコン基板１１の真下に位置する金属薄膜１２に蓄えられるレーザーエネルギーは、金属薄膜１２を加工可能なしきい値を下回ってしまい、シリコン基板１１の下側に位置する金属薄膜１２は加工されない。
【００１４】
実施形態２
図２は本発明の実施形態２に係る加工概念図である。加工対象の積層部材２０は、上下のガラス基板２１，２２の間にシリコン層２３が積層されたもので、シリコン層２３は上側ガラス基板２１の下面から突出した状態となっている。この積層部材２０の実際の加工対象はシリコン層２３であり、上側ガラス基板２１の端部２１Ａを加工の際のガイドに利用する。従って、シリコン層２３に対しては吸収率が高くなり、ガラス基板２１，２２に対しては吸収率が低くなる波長のレーザーを加工に用いる。ここでは、ＹＡＧレーザーの波長が５３２ｎｍの第２高調波レーザーを用いた。
【００１５】
実際の加工にあっては、図２（ａ）のように、レーザー２６をレンズ２５で集光させ、その集光スポットが上側ガラス基板２１の端部２１Ａとシリコン層２３とに属薄膜１２にまたがるように照射しながら、上側ガラス基板２１の端部２１Ａに沿って集光スポットを走査させるか又は積層部材部２０を移動させる。こうすることで、図２（ｂ）に示すように、レーザーが照射された積層部材２０のうち、光吸収率の高いシリコン層２３の上側ガラス基板２１より突出した部分のみに、加工しきい値を越えるレーザーエネルギーが蓄えられ、シリコン層２３のその対応部分が、上側ガラス基板２１の端部２１Ａによってアラインメントされた状態に除去される。
【００１６】
実施形態３
図３は、圧電素子の変位を利用してインク滴をノズルより吐出させる圧電型インクジェットヘッドの製造過程の一部を示す工程図である。ここでは液滴吐出ヘッドの一例として圧電型インクジェットヘッドを取り上げるが、本発明はその他方式のインクジェットヘッドであっても、またインク以外の液体を吐出するヘッドであっても実施することが可能である。圧電型インクジェットヘッドは、既に良く知られているように、インクを外部から取り入れて保持しておくインクリザーバ及びインクリザーバと連通しノズルからインクを吐出させるための圧力を発生する圧力発生室等のキャビティが形成されているキャビティ基板と、キャビティ基板に成膜され上記圧力発生室の一部を構成すると共に実際の圧力変化を生じさせる圧電素子を含んだ多層膜と、ノズル孔を備えたノズルプレートと、多層膜の一部を封止しキャビティ基板を固定する封止板（又は固定板）とを備えてなる。
【００１７】
次に、圧電型インクジェットヘッドの製造方法について説明する。なお、図３中、符号１５０は将来インクジェットヘッドとなるべきものを示しているが、ここでは説明の便宜上、符号１５０をインクジェットヘッドと称する。インクジェットヘッド１５０は、これ以前の工程によって、シリコンキャビティ基板１００に圧電素子となる後述する構成の多層膜１１０が積層され、さらに、シリコンキャビティ基板１００の多層膜１１０側には、例えばシリコン等からなる封止板１３０が固定されている。封止板１３０には、外部から供給されたインクを取り込んで保存する封止板側リザーバ１３１が形成されている。
【００１８】
図３（ａ）では、封止板１３０に保護フィルム１４０を被膜した後、キャビティ基板１００にエッチングを施して、圧力発生室１０１、キャビティ基板側リザーバ１０２等に対応した凹部を形成する。その後、キャビティ基板側リザーバ１０２と封止板側リザーバ１３１とを連通するために、それらの間を仕切っている多層膜１１０を、レーザー８１を利用し、実施形態１と同様の方法によりくり貫く。この多層膜１１０のくり貫きは、シリコンキャビティ基板１００の端部１００Ａと多層膜１１０との双方にレーザーを照射させながら、レーザーをシリコンキャビティ基板１００の端部１００Ａに沿って一巡させることで、シリコンキャビティ基板１００の端部１００Ａを境界としてその内側の多層膜１１０を切り抜くものである。図３（ｂ）が、多層膜１１０のくり貫きが行われ、かつ保護フィルム１４０がとり除かれた状態のインクジェットヘッド１５０を示している。続いて、図３（ｃ）に示すように、シリコンキャビティ基板１００の凹部開口側に、ノズル孔１２１を備えたノズルプレート１２０を、ノズル孔１２１が圧力発生室１０１に対応する位置に来るようにして固着する。なお、インクジェットヘッド１５０は、この後、ワイヤボンディング、ケースヘッド装着、基板ヘッド実装、組込部品取り付け等を経て、製品として完成する。
【００１９】
ところで、この実施形態３では、シリコンキャビティ基板１００、多層膜１１０が、実施形態１のシリコン基板１１と金属薄膜１２にそれぞれ対応している。シリコンキャビティ基板１００の厚みは、例えば７０μｍ程度、多層膜１１０の厚みは、例えば１〜５μｍ程度である。なお、多層膜１１０の具体的な構成の一例を図４に示しておく。これによれば、シリコンキャビティ基板１００に近い側から、ＳｉＯ２（二酸化珪素）１１１、ＺｎＯ２（過酸化亜鉛）１１２、下電極１１３、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）１１４、上電極１１５、配線１１６からなる。下電極１１３は、Ｐｔ（白金）層、ＩｎＯ（酸化インジウム）及びＴｉ（チタン）層、ＩｎＯ、Ｔｉ及びＰｂ（鉛）層等から構成できる。また、上電極１１５はＩｎ（インジウム）等から、配線は、Ａｕ及びチタン層等から構成できる。このような多層膜１１０を上記のレーザー加工によりくり貫くと、シリコンキャビティ基板１００の端部１００Ａにより境界づけられた貫通穴が、脆性モードの破壊無しにしかも高品質に形成される。また、このくり貫き後、ノズルプレート１２０は、極めて微細な誤差範囲内でシリコンキャビティ基板１００に固着される必要があるが、先に照射されたレーザーがシリコンキャビティ基板１００にダメージを与えないようなものに選択されているため、シリコンキャビティ基板１００の表面がノズルプレート１２０の固着に悪影響を及ぼすことも生じない。従って、この方法によりシリコンキャビティ基板側リザーバ１０２と封止板側リザーバ１３１とが貫通されたインクジェットヘッド１５０は、インクの吐出性能の安定性が向上する。
【００２０】
なお、上記各実施形態において、デフォーカスによって照射レーザーの集光位置をずらしたり、レンズの焦点距離ｆや、集光レンズへの入射ビーム径を調整することで、照射スポット径を拡大すると、ガイド層の端部１１Ａ，２１Ａ、１００Ａと、加工層１２，２３，１１０との境界部にレーザーを容易に位置決めできる。なお、デフォーカスにおいては、積層部材の加工部位が、集光レンズとその集光レンズによるレーザーの集光点との間に来るように設定するのが、加工品質の観点から好ましい。また、加工に使用する照射レーザーは、必ずしも集光するレーザーである必要はない。
【００２１】
ところで、上記各実施形態において以下のような工夫を加えても良い。例えば、異なる複数の波長のレーザーを、同時にガイド層の端部と加工層との境界部に照射させても良い。これにより、加工層が複数の材料の積層からなる場合等には、各材料毎により効果的な波長のレーザーを加工に供することが可能となり、加工対象範囲を広げることができる。
また、加工層とガイド層との間の光吸収率の差が小さい場合には、加工層自体が有する光吸収率より大きな光吸収率を有する材料、例えば黒インク、を加工層に被膜し、あるいは、加工層の加工箇所表面に複数の凹凸を形成しても良い。なお、この凹凸は光の反射を抑制させるためのものなので、凹凸の深さはレーザーの波長よりも小さくするのが良い。これらの処理により、加工層とガイド層との間の光吸収率の差が大きくなり、ガイド層にダメージを与えることなく加工層のみを加工できる。
【００２２】
また、レーザーの照射方向を調整可能としておくと、複雑な構造となっている加工部位であってもレーザーの照射が可能となる。また、加工飛散物の積層部材への再付着を少なくする方向からレーザーを照射するように調整も可能となる。さらに、積層部材の加工部位付近に、加工飛散物を積層部材の外側へ飛ばす空気流を供給するようにしても良い。なお、積層部材に対するレーザーの照射を真空中で行うと、酸化が防止され、かつドロスの発生が抑制されるので加工品質を向上させることができる。
【００２３】
上記実施形態に示したレーザー加工の効果をまとめれば、次の通りである。ガイド層の端部で加工層の加工端がセルフアラインメントされるので、装置精度の要求を軽減できる。そして、複雑な形状の加工であっても高精度で加工できる。また、特別に用意される金型やマスクが不要なため、多品種少量生産にも対応できる。加工に際しての前処理等が不要なので、加工プロセスを簡略化できる。
【００２４】
（本発明に利用されるレーザー加工装置について）
ここで、本発明の方法に使用するレーザー加工装置の構成例について説明しておく。このレーザー加工装置５０は、加工エネルギー源となるレーザー発振器５１、レーザー発振器５１から射出されたレーザーのビーム径を拡大するビームエキスパンダ５２、拡径されたレーザーの強度を調整するレーザー強度調整器５３、光の進行方向を調整するミラー５４（これは必要に応じて任意の個数設けて良い）、加工しようとするワーク（積層部材１０，２０，１５０等）を載置してＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動可能な３軸自動ステージ５６、３軸自動ステージ５６の動作を制御するステージコントローラ５７、ステージコントローラ５７をコンピュータ制御するＰＣ５８等からなる。なお、レーザー発振器５１から射出されるレーザーの種類及び波長は、実際に加工される層の材料とガイドとして機能させる層の材料とに応じて個々に定める。
【００２５】
この装置５０では、ワークとワークに照射するレーザーとの相対移動を、３軸自動ステージ５６の移動により行っているが、レーザーの方を走査させても良い。レーザーを走査する手段としては、図６に示すような、ガルバノミラーを２台組み合わせたものが利用できる。図６において、７０はＸ軸方向に対して回転する第１のガルバノミラー、７１はＹ軸方向に対して回転する第２のガルバノミラーで、両者７０，７１は、所定の位置に精度よく配置され、駆動手段（図示せず）によって同期して駆動される。このようになガルバノミラー７０，７１を有する加工装置においては、レーザー発振器（図示せず）から発振されたレーザービーム７２は、第１のガルバノミラー７０で反射されるとともに第２のガルバノミラー７１で反射され、図示しない集光レンズによって集光されて、被加工物に照射される。このとき、照射されたレーザービームの集光スポットは、ガイドとされた層の端部沿って走査され、例えば、走査軌跡７３に対応した孔がくり貫き形成される。レーザー加工の場合、被加工物を移動させてその被加工物を所定の形状に切断するより、被加工物へ照射されるレーザーを走査させて被加工物を所定の形状に切断する方が、その加工精度を高くでき、かつ、加工能率が向上し量産に適している。
【００２６】
図７は上記各実施形態で利用可能なレーザー加工装置の別の構成図である。このレーザー加工装置５０Ａは、図５のレーザー加工装置５０を、さらに有効に利用可能とする構成のいくつかを追加したものである。例えば、ワーク１０、２０，１５０等に同じ形状の加工箇所が複数あるような場合に、それら複数の加工箇所に同時にレーザーを照射させて多点同時加工ができれば効率的である。それを可能とするため、レーザーを複数に分岐する回折光学素子５９を集光レンズ５５の手前に配置している。なお、レーザーを複数に分岐する手段としては、他にハーフミラー等も利用できる。また、加工により発生した飛散物を吸引する吸引装置６０を加工部位近くに配置している。
【００２７】
さらに、ワーク１０、２０，１５０の加工部位を撮影するカメラ６１と、そのカメラ６１で撮影された加工部位の画像を基にガイド層の端部と加工層との境界を決定して、レーザー照射経路を算出する画像処理装置６２とを備える。画像処理装置６２で算出されたレーザー照射経路は、ステージコントローラ５７に送られて、３軸自動ステージ５６の駆動制御に利用される。
なお、回折光学素子５９、吸引装置６０、カメラ６１及び画像処理装置６２は、これら全てを備える必要はなく、必要に応じて個別に採用して良い。
【００２８】
上記実施形態では、加工用レーザーにＹＡＧレーザーの基本波、第２高調波を使用したが、加工用レーザーは、ガイド層の材料と実際に加工される加工層の材料とに応じて個々に定められる。その場合、例えば、ＹＬＦレーザーの基本波及び高調波、ＹＶＯ４レーザーの基本波及び高調波、ＣＯ２レーザー等の使用も検討されて良い。また、加工品質の点からはフェムト秒レーザーの使用も考慮されて良い。なお、この加工に使用するレーザーの選択の際に考慮すべきは、積層部材の部材間におけるレーザーエネルギの蓄積率の相違、及び、積層部材を構成する各部材におけるレーザーエネルギによる加工開始のエネルギーしきい値である。すなわち、加工しようとする部材にはそのしきい値以上のレーザーエネルギが蓄積されるようにし、ガイドとして利用される部材には、そのしきい値以上のレーザーエネルギが蓄積されないようにすることが必須となる。
また、上記各実施形態では、加工層とガイド層とが水平方向に積層された状態での加工を示したが、本発明は、加工層とガイド層とが垂直方向に積層された状態である場合に、その立設状態のまま、そのそれらの層の境界部にレーザーを照射して、加工層を加工することも含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１の方法を示す加工概念図。
【図２】 本発明の実施形態２の方法を示す加工概念図。
【図３】 本発明の実施形態３の方法に係るインクジェットヘッドの製造工程の一部を示す工程図。
【図４】 本発明の実施形態３の方法でくり貫かれる多層膜の構成説明図。
【図５】 上記各実施形態で利用可能なレーザー加工装置の構成図。
【図６】 照射レーザーを走査させるための構成図。
【図７】 上記各実施形態で利用可能なレーザー加工装置の別の構成図。
【符号の説明】
１０…積層部材（ワーク）、１１…シリコン基板、１１Ａ…シリコン基板の端部、１２…金属薄膜、２０…積層部材（ワーク）、２１，２２…上下のガラス基板、２１Ａ…上側ガラス基板の端部、２３…シリコン層、５１…レーザー発振器、ビームエクスパンダー、５３…レーザー強度調整器、５４…ミラー、５５…集光レンズ、５６…３軸自動ステージ、５７…ステージコントローラー、５８…ＰＣ、５９…回折光学素子、６０…吸引ノズル、６１…カメラ、６２…画像処理装置、７０…第１のガルバノミラー、７１…第２のガルバノミラー、１００…シリコンキャビティ基板、１０１…シリコンキャビティ基板の端部、１０１…圧力発生室、１０２…シリコンキャビティ基板側リザーバ、１１０…多層膜、１２０…ノズルプレート、１３０…封止板、１３１…封止板側リザーバ、１４０…保護フィルムメモリ、１５０…インクジェットヘッド。
Claims (11)
- 第１材料と第２材料とが積層され、前記第１材料が前記第２材料からはみ出した部分又は露出した部分を有した積層部材の加工方法であって、
前記第１材料に対しての光吸収率が前記第２材料に対しての光吸収率より高くなる波長のレーザーを、前記はみ出し部分又は前記露出部分における前記第２材料と前記第１材料との境界部に照射することとし、
前記第１材料の光吸収率より大きな光吸収率を有する材料を前記第１材料の加工箇所に被膜し、
前記レーザーとして異なる複数の波長のレーザーを同時に前記第２材料と前記第１材料との境界部に照射することを特徴とするレーザー加工方法。 - 第１材料と第２材料とが積層され、前記第１材料が前記第２材料からはみ出した部分又は露出した部分を有した積層部材の加工方法であって、
前記第１材料に対しての光吸収率が前記第２材料に対しての光吸収率より高くなる波長のレーザーを、前記はみ出し部分又は前記露出部分における前記第２材料と前記第１材料との境界部に照射することとし、
前記第１材料の加工箇所に複数の微細凹凸を形成し、
前記レーザーとして異なる複数の波長のレーザーを同時に前記第２材料と前記第１材料との境界部に照射することを特徴とするレーザー加工方法。 - 前記積層部材に対する前記レーザーの照射方向を調整可能としたことを特徴とする請求項１または２記載のレーザー加工方法。
- 前記第１材料が金属であり、前記第２材料がシリコンであることを特徴とする請求項１または２記載のレーザー加工方法。
- 前記第１材料がシリコンであり、前記第２材料がガラスであることを特徴とする請求項１または２記載のレーザー加工方法。
- 前記第２材料がインクリザーバとなる凹部を備えたインクジェットヘッド用キャビティ基板であり、前記第１材料が前記キャビティ基板の前記リザーバ底面に積層された多層膜であることを特徴とする請求項１または２記載のレーザー加工方法。
- 前記レーザーをデフォーカスさせ、そのデフォーカスさせた集光スポットを前記第２材料と前記第１材料にまたがって照射することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のレーザー加工方法。
- 加工飛散物を前記積層部材の外側へ飛ばす空気流を供給することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のレーザー加工方法。
- 前記積層部材に対する前記レーザーの照射を真空中で行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のレーザー加工方法。
- 前記積層部材に対する前記レーザーの照射をガルバノミラーを利用して該レーザーを走査させながら行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のレーザー加工方法。
- 前記積層部材の加工部位をカメラで撮影して画像処理し、該処理に基づきレーザー照射位置を決定することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のレーザー加工方法。
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