JP4870438B2 - レーザ・ジェット加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光線と、砥粒を含む高圧液体（液体ジェット）とを同時に被加工物に当てて切断等の所要の加工を施すレーザ・ジェット加工装置に関する。

水等の液体を高圧ビーム状に射出させた液体ジェットにレーザ光線を同軸的に合わせて射出し、両者を被加工物に当ててレーザ加工と液体ジェット加工を同時に行う複合型の加工装置が知られている（例えば特許文献１，２等）。このような加工装置は、レーザ光線の熱で生じる加工屑を液体ジェットの圧力で除去して再付着を防止したり、加工点を液体ジェットで冷却するといった作用により、レーザ光線のみの加工で生じる問題を液体ジェットを当てることにより解消するものである。対象となる被加工物としては、半導体ウエーハや樹脂の薄板からなる基板等の比較的脆性の高いものが有効とされている。

特開２００１−３２１９７７号公報 特開２００１−２８７０７１号公報

特許文献１に記載の加工装置は、円錐筒状のノズル内に導入して水流を高圧化させた液体ジェットと、ノズルに固定した集光レンズに通したレーザ光線を、ノズル先端の開口から射出する構成となっている。この加工装置では、集光レンズがノズルとともに水流を高圧化させる密閉空間を形成しているため、この集光レンズ、あるいは集光レンズの取り付け部分が強度上の弱点となっている。このため、ノズル内で液体ジェットの圧力を高くするにも限度があり、より高圧のジェット水流を生成するには不向きである。

その点、特許文献２に記載の加工装置は、ハウジング内に導入したレーザ光線が反射鏡で反射してハウジングから射出し、一方、ハウジング外に設けた射出口から液体ジェットがハウジングを通過する構成であるから、ハウジングの強度に関係なく高い圧力で液体を射出させることができる。ところが、レーザ光線を導入して反射させるハウジングが間にあるため、液体ジェットの射出口を被加工物に接近させることができず、したがって液体ジェットが被加工物に当たる際には水流が分散して圧力が低減し、加工効率の低下が生じて実用的ではないと想定される。

このようにレーザ光線と液体ジェットで被加工物を加工するといえども、従来では被加工物に作用する液体ジェットを十分な圧力に高めることが困難であり、液体ジェットによる加工はレーザ加工をあくまで補助するといった形態が実状である。しかしながら、液体ジェット単独でも加工が可能であれば、用途に応じてレーザ光線と使い分けることができたり、あるいはレーザ光線の補助効果を一層高めたりすることができるので、液体ジェットをより高圧化させることのできる技術が要望されてきた。

よって本発明は、液体ジェットの圧力を大幅に向上させることができ、これによって液体ジェット単独でも加工が可能になったり、レーザ光線の補助効果を一層高めたりすることができるレーザ・ジェット加工装置を提供することを目的としている。

本発明は、レーザ光線と、砥粒を含む液体ジェットの双方を同時かつ同軸的に射出し得る射出口を有する円筒状のノズルと、該ノズル内にレーザ光線を導入するレーザ光線導入部と、該ノズル内に砥粒を含む液体ジェットを導入する液体ジェット導入部とを具備し、前記ノズルの内部は、軸方向中間部に形成された内径絞り部によって、一端側の大径流路と他端側の小径流路とに分けられており、前記大径流路側に前記射出口が配されるとともに前記液体ジェット導入部が接続され、前記小径流路側に前記レーザ光線導入部が接続されるとともに、前記レーザ光線導入部から該ノズル内に導入したレーザ光線を前記射出口に向けて反射させる反射鏡が配設されていることを特徴としている。本発明の液体ジェットは、液体に砥粒を適量混合させたものを高圧で射出させた流体であり、砥粒としては、レーザ光線を吸収または反射しない石英やガラス、ダイヤモンド、あるいはフロロカーボンやポリスチレン等の有機物が好適に用いられる。

本発明によれば、砥粒を含む液体ジェットとレーザ光線をノズルに導入し、そのノズルの射出口から両者を同軸的に射出して被加工物に当てることにより、所要の加工が施される。ノズルにはレーザ光線導入部と液体ジェット導入部が接続されているが、これら以外のものは不要である。したがってノズルは単一材料で一体に、かつ高い強度を有するように構成することができ、強度を向上させたノズルを用いることにより、ノズル内に導入して射出する液体ジェットの圧力を大幅に向上させることができる。このため、液体ジェットによる加工効率を向上させることができ、その結果、液体ジェット単独でも加工が可能になる。また、液体ジェットに砥粒を混合させてもノズルの損傷を抑えることができるので、液体だけではなく砥粒を交えた液体ジェットによる加工を行うことができる。砥粒混合の液体ジェットを加工部分に当てると研磨効果が発揮され、これによってレーザ加工での面粗さが低減されて優れた加工品質を得ることができる。

ノズルに接続されているレーザ光線導入部と液体ジェット導入部の形態としては、管状のものが挙げられる。これら導入部のうちの少なくとも一方がノズルに着脱可能に装着されることは、本発明の好ましい形態である。これは、例えばノズル内に導入された砥粒が接触することによってこれら導入部が傷付いた場合、新品に交換することができるためである。また、レーザ光線導入部には、該導入部内に液体ジェットが入り込むことを防ぐ透明な遮蔽板を装備することが望ましく、その場合、遮蔽板が砥粒の接触によって傷付く可能性が高い。遮蔽板が傷付くとレーザ光線の透過効率が低下するので遮蔽板を新たなものに交換する必要が生じ、そのためには、レーザ光線導入部ごと遮蔽板を交換すべく、レーザ光線導入部がノズルに着脱可能に装着されている形態は好ましい。

レーザ光線導入部からノズル内に導入するレーザ光線は、ＹＡＧレーザ発振器等のレーザ発振器から発振されるものであるが、ノズルに対するレーザ発振器の配置の自由度を高くするために、レーザ光線を屈折させる場合がある。レーザ光線の屈折は反射鏡で反射させることによるが、本発明ではノズルの内面に反射鏡を配設することにより、上記のようにノズルの強度を損ねることなく設けることができる。

反射鏡をノズル内に設ける形態は一例であり、反射鏡はノズルに着脱可能に装着されたレーザ光線導入部に設けることもできる。その場合、レーザ光線導入部をノズルに着脱可能に装着する構成にすれば、反射鏡が砥粒で傷付いても、その反射鏡をレーザ光線導入部ごと容易に交換することができる。反射鏡が傷付くとレーザ光線の反射効率が低下してレーザ光線の強度が低下してしまうので、交換は必要である。

また、本発明では、ノズルは円筒状であるが、その内部が、軸方向中間部に形成された内径絞り部によって、一端側の大径流路と他端側の小径流路とに分けられ、大径流路側に射出口が配されるとともに液体ジェット導入部が接続され、小径流路側にレーザ光線導入部が接続されるとともに反射鏡が配設されている構造であるため、次の点で有用である、すなわち、液体ジェットは液体ジェット導入部から大径流路に導入され射出口から射出されるが、内径絞り部があることにより、射出口とは反対側の小径流路に入り込みにくく、したがってレーザ光線導入部に液体ジェットが入って逆流することが抑えられる。また、レーザ光線導入部に上記遮蔽板が設けられている場合には、液体ジェットが内径絞り部に遮られてその遮蔽板に当たりにくく、交換時期を延長させることができる。

本発明によれば、レーザ光線と、砥粒を含む液体ジェットの双方を導入してこれらを射出するノズルを、高い強度を有するように構成することができる。このため、液体ジェットの圧力を大幅に向上させることができ、これに加えて砥粒混合の液体ジェットを用いることにより、液体ジェットによる加工効率を向上させることができ、また、液体ジェット単独でも加工が可能になる。さらに、砥粒を含む液体ジェットにより加工部分を同時に研磨することができるので、レーザ加工での面粗さが低減されて優れた加工品質を得ることができる。

以下、図面を参照して本発明に係る一実施形態を説明するが、先に、一実施形態の元となる構造を有する基本形態のレーザ・ジェット加工装置を説明する。
［１］レーザ・ジェット加工装置の構成
図１は基本形態のレーザ・ジェット加工装置１を示しており、該装置１は、上面が水平な直方体状の基台１０を有している。この基台１０上には、水平なＸ方向およびＹ方向に移動自在とされたＸＹ移動テーブル１１が設けられており、このＸＹ移動テーブル１１上に円盤状のワークテーブル１２が水平に設置されている。レーザ・ジェット加工が施されるワークはワークテーブル１２上に保持され、上方に配置されたノズル５０から射出されるレーザ光線および液体ジェットによって加工される。ワークテーブル１２は、空気吸引によってワークを吸着、保持する真空チャック式である。加工の対象となるワークは、半導体ウエーハや樹脂の薄板からなる基板等の比較的脆性の高いものとされ、そのワークに切断や溝形成といった所要の加工が施される。

ＸＹ移動テーブル１１は、基台１０上にＸ方向に移動自在に設けられたＸ軸ベース２０と、このＸ軸ベース２０上にＹ方向に移動自在に設けられたＹ軸ベース３０との組み合わせで構成されている。Ｘ軸ベース２０は基台１０上に固定されたＸ方向に延びる一対の平行なガイドレール２１，２１に摺動自在に取り付けられており、Ｘ軸駆動機構２２によってＸ方向に移動させられる。Ｙ軸ベース３０はＸ軸ベース２０上に固定されたＹ方向に延びる一対の平行なガイドレール３１，３１に摺動自在に取り付けられており、Ｙ軸駆動機構３２によってＹ方向に移動させられる。

ワークテーブル１２はＹ軸ベース３０上に回転自在あるいは固定状態で設置されており、Ｘ軸ベース２０およびＹ軸ベース３０の移動に伴って、Ｘ方向あるいはＹ方向に移動させられる。Ｘ軸ベース２０およびＹ軸ベース３０の移動方向および移動速度を適宜に調節することにより、Ｘ方向およびＹ方向の直線移動のみならず、ワークテーブル１２を曲線状に移動させて曲線加工を施すことができるようになっている。

ワークテーブル１２の中央には矩形状の開口１２ａが空いており、この開口１２ａの下方であってＹ軸ベース３０内には、ノズル５０から射出された液体ジェットを受ける受水槽が設けられている。この受水槽には、液体ジェットを回収して清浄化した後に再びノズル５０に戻す循環装置が接続されている（受水槽および循環装置は図示略）。

基台１０の一側面（図１で右奥側の見えない側面）には鉛直方向（Ｚ方向）上方に延びる角柱状のコラム１３が固定されており、このコラム１３の基台１０側の面には、ワークテーブル１２上までＹ方向に沿って延びる円筒状の加工軸４０が設けられている。この加工軸４０はコラム１３に沿って上下動自在に設けられ、コラム１３内に収容された図示せぬ上下駆動機構によって上下動させられる。そして、その加工軸４０の先端には、ブラケット４１を介してレーザ光線および液体ジェットを下方に射出するノズル５０が取り付けられている。

ノズル５０は、図２に示すように、外径が一定の円筒部５１の一端（図２で下端）から円錐部５２が延びている円筒体であり、円筒部５１の他端（図２で上端）は端板部５３で塞がれ、円錐部５２の先端に射出口５４が開口している。このノズル５０は、射出口５４を下に配し、軸方向をＺ方向と平行にしてブラケット４１に取り付けられている。その取付状態での円筒部５１の上端には、レーザ光線導入管（レーザ光線導入部）６０が、また下端には液体ジェット導入管（液体ジェット導入部）７０が、それぞれ着脱可能に挿入されて装着されている。各導入管６０，７０は円筒状で、互いに平行な状態でノズル５０の径方向に延びている。なお、図１では各導入管６０，７０の図示を省略している。

レーザ光線導入管６０には、ＹＡＧレーザ発振器等の図示せぬレーザ発振器が接続されており、このレーザ発振器で発振されたレーザ光線がレーザ光線導入管６０内を同軸的に通ってノズル５０内に導入されるようになっている。レーザ発振器で発振されるレーザ光線は、例えば出力１〜５Ｗ、波長１０６４ｎｍの特性を有するものなどが好適に用いられる。

レーザ光線導入管６０は、図３に示すように円筒状の本体部６１を主体としており、その本体部６１の先端にステー部６２を介して反射鏡６３が設けられている。ステー部６２は本体部６１の一部を残して切り欠くことにより形成されたもので断面円弧状であり、本体部６１の軸方向に延びている。そしてこのステー部６２の先端に、凹面状に形成された反射鏡６３がステー部６２に一体に設けられている。レーザ光線導入管６０内を通ってノズル５０内に導入されたレーザ光線は、反射鏡６３で集光されるとともにビーム状に細く変換され、下方に向けて９０°に屈折させられるようになっている（図２の符号Ｌはレーザ光線を示している）。また、本体部６１の先端には、先端開口を塞ぐ透明な遮蔽板６４が固定されている。この遮蔽板６４により、ノズル５０内に導入された液体ジェットがレーザ光線導入管６０内に入り込んで逆流することが防がれるようになっている。レーザ光線導入管６０は、反射鏡６３で集光され細いビーム状に反射したレーザ光線が射出口５４から同軸的に射出されるように、本体部６１がノズル５０の円筒部５１に装着される。

液体ジェット導入管７０には、砥粒が適宜な割合で混入された水を高圧化して該導入管７０内に供給する図示せぬ液体ジェット供給装置が接続されており、この液体ジェット供給装置から供給された砥粒を含む液体ジェットが液体ジェット導入管７０内を通ってノズル５０内に導入されるようになっている。砥粒は、レーザ光線を吸収または反射しない石英やガラス、ダイヤモンド、あるいはフロロカーボンやポリスチレン等の有機物が好適に用いられ、金属製は好ましくない。砥粒の大きさ、すなわち砥粒径は、レーザ光線導入管６０からノズル５０内に導入されるレーザ光線の波長の５分の１程度あるいはそれ以下が望ましく、１０分の１以下がより望ましい。砥粒径がレーザ光線の波長の５分の１〜１０分の１程度である場合には、水への砥粒の混合割合は１０％以下が望ましく、５％以下がより望ましい。また、水圧は液体ジェットによる加工効果を得るためには５０ＭＰａ以上とすることが好ましく、さらに加工効果を充分得るためには２００ＭＰａ程度とすることがより好ましい。

［２］レーザ・ジェット加工装置の作用
以上が基本形態のレーザ・ジェット加工装置１の構成である。該加工装置１によると、ワークテーブル１２上にワークが吸着、保持され、そのワークに対して加工軸４０を下降させてノズル５０を近付け、そのノズル５０からビーム状に下方に射出されるレーザ光線および液体ジェットを同時に当てながらＸＹ移動テーブル１１を適宜に移動させることにより、ワークに対して切断や溝形成といった所要の加工が施される。

ノズル５０内においては、液体ジェット導入管７０から導入された液体ジェットがノズル５０内に充満してさらに高圧化し、その液体ジェットは射出口５４から下方に向けてビーム状に射出してワークに当たる。一方、レーザ光線導入管６０から導入されたレーザ光線は反射鏡６３で９０°屈折して射出口５４から射出する液体ジェット中に同軸的に導光され、射出口５４から射出してワークに照射される。ワークはレーザ光線で溶融されて加工され、液体ジェットは、例えばレーザ光線の熱で生じる加工屑を除去して再付着を防止し、また、レーザ光線の加工点を冷却するように機能する。

上記基本形態のレーザ・ジェット加工装置１によれば、ノズル５０にはレーザ光線導入管６０と液体ジェット導入管７０が装着されているが、これら以外のものはノズル５０に付加する不要はない。したがってノズル５０自体は単一材料で一体に、かつ高い強度を有するように構成することができる。例えばノズル５０は耐久性の高いステンレス等の金属で形成して強度を向上させたものとすることにより、ノズル５０内に導入して射出する液体ジェットの圧力を大幅に向上させることができる。このため、ワークに当たる液体ジェットの圧力を高めることができる。さらに、ノズル５０の強度向上に伴い液体ジェットに砥粒を混合させることができるため、圧力の向上とあいまって液体ジェット単独でも切断等の加工が可能になる。さらに砥粒混合の液体ジェットを加工部分に当てると研磨効果が発揮され、これによってレーザ加工での面粗さが低減されて優れた加工品質を得ることができる。

また、ノズル５０内では液体ジェット中の砥粒が高い圧力で散乱している状態であるから、その砥粒が反射鏡６３や遮蔽板６４に当たって傷付く可能性が高い。反射鏡６３が傷付くとレーザ光線の反射効率が低下してレーザ光線の強度が低下してしまうので交換が必要となってくる。また、遮蔽板６４が傷付くとレーザ光線の透過効率が低下し、やはり強度が低下する。そこで、反射鏡６３や遮蔽板６４が傷付いたら、レーザ光線導入管６０をノズル５０から取り外し、新たなものに交換すればよい。上記基本形態では、このようにレーザ光線導入管６０ごと反射鏡６３および遮蔽板６４を交換することにより、反射鏡６３および遮蔽板６４の交換を容易に行うことができる。

［３］本発明に係るノズルを有する一実施形態
次いで、本発明に係る一実施形態を説明する。図４は、上記基本形態のレーザ・ジェット加工装置１に、本発明に係るノズル５０を具備させた一実施形態を示している。このノズル５０は上記ノズル５０と外形は同じであるが、内部構造が異なっている。
図４に示すノズル５０の内部には、軸方向の中間部に、軸方向に直交する平面で形成された段部５５が形成されており、この段部５５によって、軸方向に延びる流路が、射出口５４側の大径流路５６と、小径流路５７とに分けられている。これら流路５６，５７は断面円形でノズル５０と同軸的に形成されている。

そして、液体ジェット導入管７０は大径流路５６に連通するように装着され、反射鏡６３を備えたレーザ光線導入管６０は小径流路５７に連通するように装着されている。この場合のレーザ光線導入管６０は上記ステー部６２を有してはおらず、反射鏡６３は本体部６１に直接設けられている。

このノズル５０によれば、反射鏡６３で反射したレーザ光線（図４の符号Ｌで示す）は小径流路５７から大径流路５６を経て射出口５４から射出され、液体ジェットは大径流路５６を通って射出口５４から射出される。この場合、液体ジェットは段部があることにより小径流路５７に入り込みにくく、このため、反射鏡６３や遮蔽板６４が砥粒で傷付きにくくなり、レーザ光線導入管６０の交換時期を延長させることができるといった利点を有する。

なお、図４に示した一実施形態では、レーザ光線導入管６０からノズル５０内に導入したレーザ光線Ｌを射出口５４に向けて反射させる反射鏡は、レーザ光線導入管６０に設けられているが（反射鏡６３）、これに代えて、反射鏡はノズル５０の小径流路５７の内面に形成してもよい。このように反射鏡をノズル５０の内面に形成すると、反射鏡をノズル５０の強度を損ねることなく設けることができる。

本発明の一実施形態の元となる基本形態のレーザ・ジェット加工装置の全体斜視図である。 レーザ光線および液体ジェットを射出するノズルの縦断面図である。 ノズルに装着されるレーザ光線導入管の先端部の斜視図である。 本発明に係るノズルの一実施形態を示す縦断面図である。

符号の説明

１…レーザ・ジェット加工装置
５０…ノズル
５４…射出口
５５…段部（内径絞り部）
５６…大径流路
５７…小径流路
６０…レーザ光線導入管
６３…反射鏡
７０…液体ジェット導入管
Ｌ…レーザ光線

Claims (6)

1. レーザ光線と、砥粒を含む液体ジェットの双方を同時かつ同軸的に射出し得る射出口を有する円筒状のノズルと、
   該ノズル内にレーザ光線を導入するレーザ光線導入部と、
   該ノズル内に砥粒を含む液体ジェットを導入する液体ジェット導入部とを具備し、
   前記ノズルの内部は、軸方向中間部に形成された内径絞り部によって、一端側の大径流路と他端側の小径流路とに分けられており、
   前記大径流路側に前記射出口が配されるとともに前記液体ジェット導入部が接続され、
   前記小径流路側に前記レーザ光線導入部が接続されるとともに、前記レーザ光線導入部から該ノズル内に導入したレーザ光線を前記射出口に向けて反射させる反射鏡が配設されていることを特徴とするレーザ・ジェット加工装置。
2. 前記レーザ光線導入部および前記液体ジェット導入部が管状であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ・ジェット加工装置。
3. 前記レーザ光線導入部と前記液体ジェット導入部の少なくとも一方が前記ノズルに着脱可能に装着されることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ・ジェット加工装置。
4. 前記ノズルの内面に、前記反射鏡が配設されていることを特徴とする請求項１または２に記載レーザ・ジェット加工装置。
5. 前記レーザ光線導入部が前記ノズルに着脱可能に装着され、該レーザ光線導入部に、前記反射鏡が設けられていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ・ジェット加工装置。
6. 前記液体ジェットは、液体に、前記砥粒として石英が所定割合で分散、混入されたものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ・ジェット加工装置。

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