JP4763583B2 - Laser processing method and apparatus, method for manufacturing brittle material, and method for manufacturing diamond material - Google Patents
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Description
本発明はレーザ加工方法及び装置、脆性材料素材の製造方法並びにダイヤモンド素材の製造方法に関する。さらに詳しくは、単結晶ダイヤモンド等の脆性材料をレーザを用いて切断したり、当該脆性材料表面にレーザを用いて溝を形成したりする加工方法及び加工装置、並びに前記脆性材料からなる各種素材を製造する方法に関する。 The present invention relates to a laser processing method and apparatus, a brittle material raw material manufacturing method, and a diamond raw material manufacturing method. More specifically, a processing method and processing apparatus for cutting a brittle material such as single crystal diamond using a laser or forming a groove using a laser on the surface of the brittle material, and various materials made of the brittle material. It relates to a method of manufacturing.
単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド焼結体、立方晶窒化硼素焼結体、超硬合金等の脆性材料は、強固な共有結合性物質を含み、高融点、高硬質であるため機械加工が困難であることから、レーザ光を照射して切断加工をしたり、溝加工をしたりすることが行われている(例えば、特許文献1〜3参照)。
Brittle materials such as single crystal diamond, polycrystalline diamond sintered body, cubic boron nitride sintered body and cemented carbide contain a hard covalent substance and have a high melting point and high hardness, making them difficult to machine. For this reason, laser beam irradiation is used to perform cutting or groove processing (see, for example,
例えば、脆性材料を切断する場合、レーザ発振器からのレーザ光を集光レンズで集光し、この集光されたレーザ光を前記集光レンズの焦点位置に配設された脆性材料に照射して当該脆性材料を切断加工している。 For example, when cutting a brittle material, the laser light from a laser oscillator is condensed by a condenser lens, and the condensed laser light is irradiated to the brittle material disposed at the focal position of the condenser lens. The brittle material is cut.
ところで、球面レンズからなる従来の集光レンズは、光強度分布が理想ガウシアン形状であるレーザ光が入射した場合、図6に示されるように、縮小したガウシアン形状に変換するような特性を有している。 By the way, a conventional condensing lens composed of a spherical lens has a characteristic that when laser light having an ideal Gaussian shape is incident, it is converted into a reduced Gaussian shape as shown in FIG. ing.
そして、このような特性を有する集光レンズを通過したレーザ光を用いて脆性材料を切断すると、当該レーザ光が、集光点を境に光軸方向で対称なビーム径変化又は光パワー密度変化を示す(図7参照)ことに起因するものと考えられるが、切断面において、レーザ抜け側のチッピング、テーパ(期待される加工面に対し傾いてしまうこと)又は面ダレといった不具合が発生することがある。また、脆性材料をレーザ加工して切削工具を得る場合、単に切断できればよいというものではなく、切削工具としては、「エッジ」の仕上精度がその生命線であるところ、そのエッジ部分に欠陥があると修復するのに多くの手間とコストがかかってしまう。 When the brittle material is cut using the laser beam that has passed through the condensing lens having such characteristics, the laser beam changes in the beam diameter or the optical power density that is symmetrical in the optical axis direction with the condensing point as a boundary. (See Fig. 7). However, in the cut surface, problems such as chipping on the laser missing side, taper (tilt with respect to the expected processing surface) or surface sag occur. There is. In addition, when cutting a brittle material by laser processing to obtain a cutting tool, it is not only necessary to be able to cut, but as a cutting tool, the finishing accuracy of the “edge” is its lifeline, but there is a defect in the edge part. It takes a lot of work and cost to repair.
このため、従来の集光レンズを用いた切断加工においては、前記チッピング等の発生を抑制するために、レーザの走査回数を増やすか、切断の幅を拡げるか、又はその両方を実施して、レーザ光が十分に脆性材料内部に届くようにしている。 For this reason, in the cutting process using the conventional condensing lens, in order to suppress the occurrence of the chipping or the like, increase the number of times of laser scanning, widen the cutting width, or both, The laser beam is made to reach the inside of the brittle material sufficiently.
しかしながら、レーザの走査回数を増やすと、加工速度が遅くなるという問題があり、また、切断の幅を拡げると、材料の損失が増加するという問題がある。さらには、従来の方法では、前記テーパや面ダレ等の発生をある程度抑制することはできても、これを完全に防ぐことは困難である。 However, when the number of times of laser scanning is increased, there is a problem that the processing speed is slowed down, and when the cutting width is widened, there is a problem that material loss increases. Furthermore, even if the conventional method can suppress the occurrence of the taper, the surface sag, and the like to some extent, it is difficult to completely prevent this.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、加工速度を上げるとともに、テーパや面ダレ等の発生のない高品質の加工を行うことができる、脆性材料の加工方法及び脆性材料製素材の製造方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a brittle material processing method and a brittle material capable of increasing the processing speed and performing high-quality processing without occurrence of taper, surface sagging, and the like. It aims at providing the manufacturing method of a raw material.
本発明のレーザ加工方法は、レーザ光を材料に照射して当該材料の加工を行うレーザ加工方法であって、前記レーザ光の集光性を表す指標であるM2値がM2<2であるとともに、前記レーザ光の波長λが100nm<λ<20000nmであり、かつ前記レーザ光のピークパワー密度の光軸方向における変化がレーザ加工を行うレンズ焦点位置の前後で非対称であることを特徴としている(請求項1)。 The laser processing method of the present invention is a laser processing method in which a material is processed by irradiating the material with laser light, and an M2 value that is an index representing the condensing property of the laser light is M2 <2. The wavelength λ of the laser beam is 100 nm <λ <20000 nm, and the change in the optical axis direction of the peak power density of the laser beam is asymmetric before and after the lens focus position where laser processing is performed ( Claim 1).
本発明のレーザ加工方法では、ピークパワー密度の光軸方向における変化がレーザ加工を行うレンズ焦点位置の前後で非対称であるレーザ光を用いて材料の加工を行っている。
すなわち、理想ガウシアン形状の光強度分布を有するレーザ光を入射すると光軸方向でのビーム径変化又はパワー密度変化がレンズの焦点位置を境に非対称であり、その伝搬途中においてレーザ光の断面強度分布がガウシアン形状でない部分が生じるレーザ光を用いて材料の加工を行っている。
In the laser processing method of the present invention, the material is processed using a laser beam in which the change in the optical axis direction of the peak power density is asymmetric before and after the lens focus position where the laser processing is performed .
That is, when laser light having an ideal Gaussian-shaped light intensity distribution is incident, the beam diameter change or power density change in the optical axis direction is asymmetrical with respect to the focal position of the lens, and the cross-sectional intensity distribution of the laser light during its propagation The material is processed using a laser beam that produces a portion that is not Gaussian.
そして、例えば、レンズの焦点位置の後方側(レンズから遠い側)にピークパワー密度が高い状態を多く生成するようにすると、焦点位置よりも材料内部方向にピークパワー密度が高い状態が維持されることから、レーザ光のエネルギーを材料に効率的に吸収させることができる。その結果、例えば切断加工を行う場合においては、従来の集光レンズを用いるよりも高速な切断加工を実現することができる。また、ピークパワー密度の非対称性を調整することで材料内部へのエネルギーの進入長を調整することができるので、材料内部への不要なエネルギーの進入を抑制することができ、これにより、レーザ抜け側のチッピング、テーパ又は面ダレといった不具合を確実に防止して、材料表面に対して高精度の加工を施すことができる。 For example, when a large number of states having a high peak power density are generated on the rear side (the side far from the lens) of the focal position of the lens, the state in which the peak power density is higher in the material internal direction than the focal position is maintained. Therefore, the energy of the laser beam can be efficiently absorbed by the material. As a result, for example, in the case of performing a cutting process, it is possible to realize a cutting process that is faster than using a conventional condenser lens. In addition, by adjusting the asymmetry of the peak power density, it is possible to adjust the energy penetration length into the material, so that unnecessary energy penetration into the material can be suppressed. It is possible to reliably prevent defects such as side chipping, taper or surface sagging, and to perform high-precision processing on the material surface.
また、逆に材料に対してレンズ側にピークパワー密度が高い状態を生成するようにすると、急峻なパワー密度上昇を得ることができるため、例えば、透明材料内部の穴あけやマイクロクラック生成等、材料の表面及び内部に局所的にエネルギーを吸収させるような加工を好適に行うことができる。 On the other hand, if a state in which the peak power density is high on the lens side with respect to the material is generated, a sharp increase in power density can be obtained. For example, the material such as drilling inside the transparent material or generation of microcracks It is possible to suitably perform processing that locally absorbs energy on the surface and inside of the substrate.
さらに、ピークパワー密度変化の非対称性を調整することにより、材料の表面改質処理や、半導体アニール等にも好適に適用することができる。半導体アニールの場合、ピークパワー密度変化の非対称性を調整することによって、ドーパントのデプスプロファイルを調整することができる。 Furthermore, by adjusting the asymmetry of the change in peak power density, it can be suitably applied to surface modification treatment of materials, semiconductor annealing, and the like. In the case of semiconductor annealing, the depth profile of the dopant can be adjusted by adjusting the asymmetry of the peak power density change.
前記レーザ光のピークパワー密度を、前記焦点位置を中心軸としてピークの値の半値まで小さくなるときの、当該焦点位置からの距離のうち大きいほうをX1、小さい方をX2とすると、X1/X2が1よりも大きく、10以下であるように変化させることができる(請求項2)。この場合、ピークパワー密度を材料が加工できる大きさに保ちつつ、当該ピークパワー密度を焦点位置を中心として非対称にすることで、前述した高速加工や高品質の加工を実現することができる。 When the peak power density of the laser beam is reduced to half the peak value with the focal position as the central axis, X1 is the larger distance from the focal position, and X2 is the smaller distance from the focal position. Can be changed to be larger than 1 and 10 or less (claim 2). In this case, the above-described high-speed machining and high-quality machining can be realized by keeping the peak power density asymmetric enough to process the material and making the peak power density asymmetric about the focal position.
そのピークパワー密度を、前記X2がレンズ側に、前記X1がレンズから遠い側に来るように焦点位置の前後で非対称に変化させたレーザ光で材料の切断を行うことができる(請求項3)。この場合、焦点位置よりも材料内部方向にピークパワー密度が高い状態が維持されることから、レーザ光のエネルギーを材料に効率的に吸収させることができる。その結果、従来の集光レンズを用いるよりも高速な切断加工を実現することができる。また、ピークパワー密度の非対称性を調整することで材料内部へのエネルギーの進入長を調整することができるので、材料内部への不要なエネルギーの進入を抑制することができ、これにより、レーザ抜け側のチッピング、テーパ又は面ダレといった不具合を確実に防止して、材料表面に対して高精度の加工を施すことができる。 The material can be cut with laser light whose peak power density is asymmetrically changed before and after the focal position so that X2 is on the lens side and X1 is on the side far from the lens. . In this case, since the state where the peak power density is higher in the material internal direction than the focal position is maintained, the energy of the laser beam can be efficiently absorbed by the material. As a result, it is possible to realize a cutting process at a higher speed than using a conventional condensing lens. In addition, by adjusting the asymmetry of the peak power density, it is possible to adjust the energy penetration length into the material, so that unnecessary energy penetration into the material can be suppressed. It is possible to reliably prevent defects such as side chipping, taper or surface sagging, and to perform high-precision processing on the material surface.
また、本発明のレーザ加工装置は、レーザ光を材料に照射して当該材料の加工を行うレーザ加工装置であって、前記レーザ光の集光性を表す指標であるM2値がM2<2であるとともに、前記レーザ光の波長λが100nm<λ<20000nmであり、かつ前記レーザ光のピークパワー密度の光軸方向における変化がレーザ加工を行うレンズ焦点位置の前後で非対称であることを特徴としている(請求項4)。 The laser processing apparatus according to the present invention is a laser processing apparatus that processes a material by irradiating the material with laser light, and an M2 value that is an index representing the condensing property of the laser light is M2 <2. In addition, the wavelength λ of the laser beam is 100 nm <λ <20000 nm, and the change in the optical axis direction of the peak power density of the laser beam is asymmetric before and after the lens focus position where laser processing is performed. (Claim 4).
本発明のレーザ加工装置は、前述したレーザ加工方法と同様に、例えば切断加工を行う場合においては、従来の集光レンズを用いるよりも高速な切断加工を実現することができる。また、ピークパワー密度の非対称性を調整することで材料内部へのエネルギーの進入長を調整することができるので、材料内部への不要なエネルギーの進入を抑制することができ、これにより、レーザ抜け側のチッピング、テーパ又は面ダレといった不具合を確実に防止して、材料表面に対して高精度の加工を施すことができる。 As in the laser processing method described above, the laser processing apparatus of the present invention can realize a cutting process at a higher speed than when using a conventional condensing lens, for example, when performing a cutting process. In addition, by adjusting the asymmetry of the peak power density, it is possible to adjust the energy penetration length into the material, so that unnecessary energy penetration into the material can be suppressed. It is possible to reliably prevent defects such as side chipping, taper or surface sagging, and to perform high-precision processing on the material surface.
本発明の脆性材料素材の製造方法は、脆性材料にレーザ光を照射して当該脆性材料を加工する脆性材料素材の製造方法であって、前記レーザ光の集光性を表す指標であるM2値をM2<2とするとともに、前記レーザ光の波長λを100nm<λ<20000nmとし、かつ前記レーザ光のピークパワー密度の光軸方向における変化がレーザ加工を行うレンズ焦点位置の前後で非対称となるようにしたことを特徴としている(請求項5)。 The brittle material raw material manufacturing method of the present invention is a brittle material raw material manufacturing method for processing a brittle material by irradiating the brittle material with laser light, and is an M2 value that is an index representing the condensing property of the laser light. Is M2 <2, the wavelength λ of the laser beam is 100 nm <λ <20000 nm, and the change in the optical axis direction of the peak power density of the laser beam is asymmetrical before and after the lens focus position where laser processing is performed. This is characterized in that (Claim 5).
本発明の脆性材料素材の製造方法は、前述したレーザ加工方法と同様に、例えば切断加工を行う場合においては、従来の集光レンズを用いるよりも高速な切断加工を実現することができる。また、ピークパワー密度の非対称性を調整することで脆性材料内部へのエネルギーの進入長を調整することができるので、脆性材料内部への不要なエネルギーの進入を抑制することができ、これにより、レーザ抜け側のチッピング、テーパ又は面ダレといった不具合を確実に防止して、材料表面に対して高精度の加工を施すことができる。 The brittle material raw material manufacturing method of the present invention can realize a cutting process at a higher speed than that using a conventional condensing lens, for example, in the case of performing a cutting process, similarly to the laser processing method described above. In addition, since the length of energy penetration into the brittle material can be adjusted by adjusting the asymmetry of the peak power density, unnecessary energy entry into the brittle material can be suppressed. It is possible to reliably prevent defects such as chipping, taper or surface sag on the laser missing side, and to perform highly accurate processing on the material surface.
本発明のダイヤモンド素材の製造方法は、超高圧、高温下で原料炭素を溶融した溶媒金属に溶かし込み、当該溶媒金属中の種結晶上に単結晶ダイヤモンドを成長させる工程、及び
得られた単結晶ダイヤモンドを、請求項1に記載の加工方法を用いて加工する工程
を含むことを特徴としている(請求項6)。
The method for producing a diamond material according to the present invention includes a step of dissolving a raw material carbon in a molten solvent metal under ultrahigh pressure and high temperature, and growing single crystal diamond on a seed crystal in the solvent metal, and the obtained single crystal The method includes processing a diamond using the processing method according to claim 1 (claim 6).
本発明のダイヤモンド素材の製造方法では、ピークパワー密度の光軸方向における変化がレーザ加工を行うレンズ焦点位置の前後で非対称であるレーザ光を用いて脆性材料の加工を行っているので、前述したような高速加工や高品質の加工を実現することができ、その結果、脆性材料であるダイヤモンド素材の製造速度を上げるとともに、その品質を向上させることができる。 In the method for producing a diamond material according to the present invention, the brittle material is processed using laser light in which the change in the optical axis direction of the peak power density is asymmetrical before and after the lens focal position where laser processing is performed . Such high-speed processing and high-quality processing can be realized, and as a result, the manufacturing speed of the diamond material, which is a brittle material, can be increased and its quality can be improved.
本発明のレーザ加工方法及び装置、脆性材料素材の製造方法並びにダイヤモンド素材の製造方法によれば、加工速度を上げるとともに、テーパや面ダレ等の発生のない高品質の加工を行うことができる。 According to the laser processing method and apparatus, the brittle material raw material manufacturing method, and the diamond raw material manufacturing method of the present invention, it is possible to increase the processing speed and perform high-quality processing without occurrence of taper or surface sag.
以下、添付図面を参照しつつ、本発明のレーザ加工方法(以下、単に加工方法ともいう)及び装置、脆性材料素材の製造方法並びにダイヤモンド素材の製造方法(以下、両製造方法について、単に製造方法ともいう)の実施の形態を説明する。 Hereinafter, with reference to the attached drawings, the laser processing method (hereinafter also simply referred to as a processing method) and apparatus of the present invention, a brittle material raw material manufacturing method, and a diamond raw material manufacturing method (hereinafter referred to simply as manufacturing methods). (Also referred to as an embodiment).
本発明の加工方法又は製造方法では、レーザを用いて脆性材料の加工又は当該脆性材料製の素材を製造している。対象となり得る脆性材料の例としては、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド焼結体、立方晶窒化硼素焼結体、タングステンカーバイド合金等の超硬合金、炭窒化チタン合金等のサーメット、窒化シリコン等のセラミックスを挙げることができる。また、レーザは、集光性を表す指標であるM2値がM2<2であるとともに、波長λが100nm<λ<20000nmであるレーザが用いられ、種類としては、YAG基本波及びその高調波レーザ、エキシマレーザ、CO2レーザ、半導体レーザ、フェムト秒レーザやピコ秒レーザ等の短パルスレーザ等の各種レーザを用いることができる。 In the processing method or the manufacturing method of the present invention, processing of a brittle material or a material made of the brittle material is manufactured using a laser. Examples of brittle materials that can be targeted include single crystal diamond, polycrystalline diamond sintered body, cubic boron nitride sintered body, cemented carbide such as tungsten carbide alloy, cermet such as titanium carbonitride alloy, silicon nitride, etc. Ceramics can be mentioned. As the laser, a laser having an M 2 value M 2 <2 that is an index indicating the light condensing property and a wavelength λ of 100 nm <λ <20000 nm is used. Various lasers such as a wave laser, an excimer laser, a CO 2 laser, a semiconductor laser, a short pulse laser such as a femtosecond laser and a picosecond laser can be used.
本発明の特徴は、レーザ発振器から発せられたレーザ光を集光するに際し、理想ガウシアン形状の光強度分布を有するレーザ光を入射すると光軸方向でのビーム径変化又はピークパワー密度変化がレンズの焦点位置を境に非対称であり、その伝搬途中においてレーザ光の断面強度分布がガウシアン形状でない部分が生じるように構成された伝送光学部品を用いることである。かかる伝送光学部品としては、ピークパワーの伝搬特性の非対称性が得られる限りどのような伝送光学部品でも用いることができるが、例えば非球面形状を有する非球面レンズ、回折型レンズ、屈折率分布型レンズ、放物面鏡等を用いることができる。そして、非球面レンズの場合、当該レンズの各種仕様のうち、曲率半径を変えることで、前記ピークパワーの伝搬特性の非対称性を調整することができる。また、回折レンズの場合は、位相分布を変えることで、前記ピークパワーの伝搬特性の非対称性を調整することができる。 A feature of the present invention is that when a laser beam having an ideal Gaussian light intensity distribution is incident upon condensing a laser beam emitted from a laser oscillator, a change in beam diameter or peak power density in the optical axis direction is caused by the lens. A transmission optical component is used which is asymmetrical with respect to the focal position and has a portion in which the cross-sectional intensity distribution of the laser light is not Gaussian during the propagation. As the transmission optical component, any transmission optical component can be used as long as the asymmetry of the propagation characteristic of peak power is obtained. For example, an aspherical lens having a spherical shape, a diffractive lens, a refractive index distribution type, and the like. A lens, a parabolic mirror, or the like can be used. In the case of an aspheric lens, the asymmetry of the propagation characteristic of the peak power can be adjusted by changing the radius of curvature among various specifications of the lens. In the case of a diffractive lens, the asymmetry of the propagation characteristic of the peak power can be adjusted by changing the phase distribution.
図1は、非球面レンズがレーザ光に与えるピークパワー密度変化の一例を示す図であり、図2は、図1に示されるピークパワー密度変化を有するレーザ光の断面強度分布を示す図である。図1において、横軸はレンズからの伝搬距離を表し、縦軸はピークパワー密度を表している。図1の例では、レンズの焦点距離は50.18mmであり、この位置(焦点位置)においてピークパワー密度は最大値27.2MW/cm2となる。また、図2の(a)は50.13mm伝搬後、(b)は50.18mm伝搬後、(c)50.23mm伝搬後の光強度分布を示している。 FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a change in peak power density given to laser light by an aspheric lens, and FIG. 2 is a diagram illustrating a cross-sectional intensity distribution of laser light having the peak power density change shown in FIG. . In FIG. 1, the horizontal axis represents the propagation distance from the lens, and the vertical axis represents the peak power density. In the example of FIG. 1, the focal length of the lens is 50.18 mm, and the peak power density at this position (focal position) is a maximum value of 27.2 MW / cm 2 . 2A shows the light intensity distribution after propagation of 50.13 mm, FIG. 2B shows the light intensity distribution after propagation of 50.18 mm, and (c) after propagation of 50.23 mm.
図1に示されるように、非球面レンズ通過後のレーザ光のピークパワー密度変化は焦点位置の前後で非対称である。具体的には、前記焦点位置を中心軸として、レンズ側(図1において左側)では、ピークパワー密度の変化が急峻であり、焦点位置からレンズ側に近づくと急激にピークパワー密度が小さくなる。一方、前記焦点位置を中心軸として、レンズから遠い側(図1において右側)では、ピークパワー密度の変化がレンズ側よりはなだらかであり、レンズから離れてもピークパワー密度が高い状態が維持されている。 As shown in FIG. 1, the peak power density change of the laser light after passing through the aspheric lens is asymmetric before and after the focal position. Specifically, the peak power density changes sharply on the lens side (left side in FIG. 1) with the focal position as the central axis, and the peak power density rapidly decreases as it approaches the lens side from the focal position. On the other hand, on the side far from the lens with the focal point as the central axis (right side in FIG. 1), the change in peak power density is gentler than that on the lens side, and the state where the peak power density is high is maintained even if it is far from the lens. ing.
前記ピークパワー密度の非対称性は、レンズの焦点位置を中心軸としてピークの値の半値まで小さくなるときの、当該焦点位置からの距離のうち大きいほうをX1、小さい方をX2とすると、X1とX2の比であるX1/X2を指標として表すことができる。図1に示される例では、ピークパワー密度の最大値27.2MW/cm2の半値である13.6MW/cm2を示す直線とピークパワー密度の変化を示す曲線との交点のX座標が50.14及び50.25であることから、前記X1は0.07であり、X2は0.04である。したがって、両者の比X1/X2は1.75である。 The asymmetry of the peak power density is X1 when the larger one of the distances from the focal position when the focal position of the lens is reduced to half the peak value is X1, and the smaller one is X2. X1 / X2 which is the ratio of X2 can be expressed as an index. In the example shown in FIG. 1, the X coordinate of the intersection of a straight line indicating 13.6 MW / cm 2 which is a half value of the maximum peak power density 27.2 MW / cm 2 and a curve indicating a change in peak power density is 50. .14 and 50.25, X1 is 0.07 and X2 is 0.04. Therefore, the ratio X1 / X2 of both is 1.75.
なお、ピークの値の半値になるときの焦点位置からの距離に代えて、ピーク値の1/e2(≒0.135)になるときの焦点位置からの距離を用いて前記非対称性の指標を求めるようにしてもよい。図1に示される例では、ピークパワー密度の最大値27.2MW/cm2の0.135倍である3.7MW/cm2を示す直線とピークパワー密度の変化を示す曲線との交点のX座標が50.12及び50.34であることから、前記X1は0.16であり、X2は0.06である。したがって、両者の比X1/X2は2.67である。 It should be noted that, instead of the distance from the focal position when the peak value becomes half value, the distance from the focal position when the peak value becomes 1 / e 2 (≈0.135), the asymmetry index is used. May be requested. In the example shown in FIG. 1, X at the intersection of a straight line indicating 3.7 MW / cm 2 , which is 0.135 times the maximum peak power density of 27.2 MW / cm 2 , and a curve indicating changes in peak power density. Since the coordinates are 50.12 and 50.34, X1 is 0.16 and X2 is 0.06. Therefore, the ratio X1 / X2 of both is 2.67.
前記比(X1/X2)は、1よりも大きく、10以下であるのが好ましい。この範囲であると、脆性材料が加工できる大きさにピークパワー密度を保ちつつ、当該ピークパワー密度を焦点位置を中心として非対称にすることで、当該脆性材料の高速加工や高品質の加工を実現することができる。 The ratio (X1 / X2) is preferably greater than 1 and 10 or less. Within this range, high-speed processing and high-quality processing of the brittle material can be realized by making the peak power density asymmetric about the focal position while maintaining the peak power density at a size that allows processing of the brittle material. can do.
前記ピークパワーの伝搬特性の非対称性について、例えば、図1の例のようにレンズの焦点位置の後方側(レンズから遠い側)にピークパワー密度が高い状態が多く存在するような非対称にすると、焦点位置よりも脆性材料内部方向にピークパワー密度が高い状態が維持されることから、レーザ光のエネルギーを脆性材料に効率的に吸収させることができる。その結果、例えば切断加工を行う場合においては、従来の集光レンズを用いるよりも高速な切断加工を実現することができる。また、ピークパワー密度の非対称性を調整することで脆性材料内部へのエネルギーの進入長を調整することができるので、材料内部への不要なエネルギーの進入を抑制することができ、これにより、レーザ抜け側のチッピング、テーパ又は面ダレといった不具合を確実に防止して、材料表面に対して高精度の加工を施すことができる。その結果、レーザ加工するだけで、例えば所定形状の工具を製造することが可能になる。また、仮に後工程での加工が必要になっても、その量を相当量減らすことが可能であり、生産性が大幅に向上する。 About the asymmetry of the propagation characteristics of the peak power, for example, as shown in the example of FIG. 1, if the asymmetry is such that there are many high peak power densities on the rear side (the side far from the lens) of the focal position of the lens, Since the state where the peak power density is higher in the brittle material internal direction than the focal position is maintained, the energy of the laser beam can be efficiently absorbed by the brittle material. As a result, for example, in the case of performing a cutting process, it is possible to realize a cutting process that is faster than using a conventional condenser lens. Also, by adjusting the asymmetry of the peak power density, it is possible to adjust the length of energy penetration into the brittle material, so that unnecessary energy penetration into the material can be suppressed, which allows the laser It is possible to reliably prevent defects such as chipping, taper, or surface sagging on the pull-out side, and to perform high-precision processing on the material surface. As a result, for example, a tool having a predetermined shape can be manufactured only by laser processing. In addition, even if processing in a later process is necessary, the amount can be reduced considerably, and the productivity is greatly improved.
また、逆に脆性材料に対してレンズ側にピークパワー密度が高い状態が多く存在するような非対称にすると、急峻なパワー密度上昇を得ることができるため、例えば、透明材料内部の穴あけやマイクロクラック生成等、脆性材料の表面及び内部に局所的にエネルギーを吸収させるような加工を好適に行うことができる。 On the other hand, if the asymmetry is such that many peak power densities exist on the lens side with respect to the brittle material, a sharp increase in power density can be obtained. It is possible to suitably perform processing such as the generation of energy locally absorbed in the surface and inside of the brittle material.
さらに、ピークパワー密度変化の非対称性を調整することにより、脆性材料の表面改質処理や、半導体アニール、割断等にも好適に適用することができる。半導体アニールの場合、ピークパワー密度変化の非対称性を調整することによって、ドーパントのデプスプロファイルを調整することができる。 Furthermore, by adjusting the asymmetry of the peak power density change, it can be suitably applied to surface modification treatment of brittle materials, semiconductor annealing, cleaving, and the like. In the case of semiconductor annealing, the depth profile of the dopant can be adjusted by adjusting the asymmetry of the peak power density change.
設計上、対称なピークパワー密度となるように設計された場合でも、製造誤差、材料の不均一性等の影響により、結果として厳密な意味での対称性を有さないという意味での非対称となることはある。しかし、このような場合と、本発明とが明らかに相違することはいうまでもない。 Even when designed to have a symmetric peak power density by design, due to the influence of manufacturing error, material non-uniformity, etc., asymmetry in the sense that it does not have strict symmetry in the result. There will be. However, it goes without saying that such a case is clearly different from the present invention.
前述した切断工程、及び必要に応じて研磨工程等を経ることで、前記脆性材料を材料とする各種素材を製造することができる。例えば、単結晶ダイヤモンド場合、これに切断加工を施して所定形状、所定寸法にすることで、ヒートシンク用素材、ダイス用素材、ドレッサ素材、バイト用素材等を製造することができる。 Various materials using the brittle material can be manufactured through the cutting step described above and, if necessary, a polishing step. For example, in the case of a single crystal diamond, a heat sink material, a die material, a dresser material, a bite material, etc. can be manufactured by cutting this into a predetermined shape and a predetermined size.
[実施例]
図3に示される光学系を用いて単結晶ダイヤモンドの切断加工を行った。この単結晶ダイヤモンド1は、厚さ0.8mmであり、5GPa・1300℃以上の超高圧、高温下で、原料炭素を溶融した溶媒金属中に溶かし込み、温度差法を用いて当該溶媒金属中の種結晶上に成長させた合成単結晶ダイヤモンドである。この単結晶ダイヤモンド1を厚さ3mmのガラス基板2上に載置した。
[Example]
The single crystal diamond was cut using the optical system shown in FIG. This
レーザ発振器として、7Wの出力のYAGレーザ発振器3を用いた。このYAGレーザ発振器3が発生するレーザ光7aは、繰り返し周期が3kHzであるパルスレーザであり、その基本波の波長は1064nmであった。発生するレーザ光7aの口径をビームエキスパンダー4で5倍に拡大して、口径10mmのレーザ光7bとした。このレーザ光7bを折り返しミラー5で90°方向転換し、非球面レンズ6で集光した後に前記単結晶ダイヤモンド1の所定箇所に照射して切断加工(図3において紙面垂直方向にレーザ光を走査して切断した)を行った。
A 7 W output YAG laser oscillator 3 was used as the laser oscillator. The
前記非球面レンズ6は屈折率が1.44963099@1064nmの合成石英で作製されており、焦点距離は50.18mmであり、レンズ表面には厚さ1064nmのAR(Anti Reflection)コーティングが施されていた。この非球面レンズ6の他の仕様を表1に示す。なお、表1において、Dはレンズ直径(mm)、CAはレンズ有効径(mm)、CTはレンズ中心厚(mm)、ETはレンズエッジ厚(mm)、A2〜A20は非球面係数を表している。
The
非球面レンズの曲面は、次の式(1)で表すことができる。 The curved surface of the aspheric lens can be expressed by the following equation (1).
式(1)において、rはレンズの径方向の距離(レンズ半径)である。また、レンズは中心対称性があるので、rの奇数次の係数は0である、従って、偶数次の非球面係数だけを求めればよい。 In equation (1), r is the distance in the radial direction of the lens (lens radius). Since the lens has central symmetry, the odd-order coefficient of r is 0. Therefore, only the even-order aspheric coefficient needs to be obtained.
[比較例]
非球面レンズ6に代えて、焦点距離が50.18mmの平凸レンズ(レンズ表面には厚さ1064nmのARコーティングが施されている)を用いた以外は、実施例と同様にして単結晶ダイヤモンド1の切断加工を行った。
[Comparative example]
In place of the
実施例及び比較例で切断加工した単結晶ダイヤモンドの断面を、それぞれ図4及び図5に示す。図4〜5において、(a)は切断面を正面、すなわち図3において矢印Xで示す方向から見た説明図であり、(b)は切断面を横、すなわち図3において紙面手前側から見た説明図である。また、図4〜5において、矢印Yで示す方向からレーザ光が照射された。 Cross sections of the single crystal diamond cut and processed in Examples and Comparative Examples are shown in FIGS. 4 and 5, respectively. 4-5, (a) is an explanatory view of the cut surface viewed from the front, that is, from the direction indicated by the arrow X in FIG. 3, and (b) is the cut surface viewed from the side, that is, from the front side in FIG. FIG. 4-5, the laser beam was irradiated from the direction shown by the arrow Y.
図4の(a)と図5の(a)との対比より明らかなように、非球面レンズ6を用いてレーザ光を集光した実施例では、レーザ抜け側の断面1aに乱れがほとんど見られないのに対し、従来の平凸レンズを用いてレーザ光を集光した比較例では、レーザ抜け側においてかなりのチッピング8が発生している。また、図4の(b)と図5の(b)との対比より明らかなように、実施例では、切断面1bに面ダレやテーパが発生していないが、比較例では、面ダレ9(レーザ入り側及び抜け側)及びテーパ10(レーザ入り側)が発生している。
As is clear from the comparison between FIG. 4A and FIG. 5A, in the embodiment in which the
また、加工速度に関し、実施例では、120秒で単結晶ダイヤモンド1の切断加工が完了したが、比較例では、150秒かかっており、実施例は、比較例の約1.4倍の加工速度で切断加工を行うことができた。
Moreover, regarding the processing speed, in the example, the cutting of the
1 単結晶ダイヤモンド
2 ガラス基板
3 レーザ発振器
4 ビームエキスパンダー
5 折り返しミラー
6 非球面レンズ
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記レーザ光の集光性を表す指標であるM2値がM2<2であるとともに、前記レーザ光の波長λが100nm<λ<20000nmであり、かつ
前記レーザ光のピークパワー密度の光軸方向における変化がレーザ加工を行うレンズ焦点位置の前後で非対称であることを特徴とするレーザ加工方法。 A laser processing method for processing a material by irradiating the material with laser light,
The M2 value, which is an index representing the condensing property of the laser light, is M2 <2, the wavelength λ of the laser light is 100 nm <λ <20000 nm, and the peak power density of the laser light in the optical axis direction A laser processing method characterized in that the change is asymmetrical before and after the lens focus position at which laser processing is performed .
前記レーザ光の集光性を表す指標であるM2値がM2<2であるとともに、前記レーザ光の波長λが100nm<λ<20000nmであり、かつ
前記レーザ光のピークパワー密度の光軸方向における変化がレーザ加工を行うレンズ焦点位置の前後で非対称であることを特徴とするレーザ加工装置。 A laser processing apparatus for processing a material by irradiating the material with laser light,
The M2 value, which is an index representing the condensing property of the laser light, is M2 <2, the wavelength λ of the laser light is 100 nm <λ <20000 nm, and the peak power density of the laser light in the optical axis direction A laser processing apparatus characterized in that the change is asymmetrical before and after the lens focal point for laser processing.
前記レーザ光の集光性を表す指標であるM2値をM2<2とするとともに、前記レーザ光の波長λを100nm<λ<20000nmとし、かつ
前記レーザ光のピークパワー密度の光軸方向における変化がレーザ加工を行うレンズ焦点位置の前後で非対称となるようにしたことを特徴とする脆性材料素材の製造方法。 A method of manufacturing a brittle material material in which a brittle material is irradiated with a laser beam to process the brittle material,
The M2 value, which is an index indicating the condensing property of the laser beam, is set to M2 <2, the wavelength λ of the laser beam is set to 100 nm <λ <20000 nm, and the change of the peak power density of the laser beam in the optical axis direction Is made asymmetric before and after the lens focus position where laser processing is performed .
得られた単結晶ダイヤモンドを、請求項1に記載の加工方法を用いて加工する工程
を含むことを特徴とするダイヤモンド素材の製造方法。 The process according to claim 1, wherein the raw material carbon is dissolved in a molten solvent metal under ultrahigh pressure and high temperature, and single crystal diamond is grown on a seed crystal in the solvent metal, and the obtained single crystal diamond is processed. The manufacturing method of the diamond raw material characterized by including the process processed using the method.
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