JP4900655B2 - レーザー加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー光を用いて、ダイヤモンドなどを加工する装置に関する。

ダイヤモンドは高硬度、高熱伝導性で化学的安定性の高い物質であり、宝飾用以外に、工具、砥石をはじめヒートシンク、ＳＡＷデバイスなどの電子材料に用いられている。また、ダイヤモンドはワイドギャップ半導体であり、近年、電子材料や電極材料として利用する研究開発が盛んに行われている。

ダイヤモンドを各種用途に応用する場合、天然のダイヤモンド原石や人工合成されたダイヤモンドを加工（切断を含む）する必要がある。ダイヤモンドは高硬度であるため加工が非常に困難である。宝石を製造する場合の切断は、くさびを当ててハンマーで衝撃を与え、主に（１１１）結晶面でヘキ開することによって行われる。また、精密な切断においては、ソーイングマシンと呼ばれる高速回転する薄い金属板を切断刃とし、その表面にダイヤモンド砥粒を塗り込みながら切断刃をダイヤモンドに押し当てて切断する。ソーイングマシンを用いた切断は長時間の加工であり、生産性が低いので、工業用途では、レーザー加工機を用いた切断方法が一般的である。また、レーザー加工機などで部分的に切断して、それをノッチとして残りの切断をヘキ開によって行う技術も開発されている。

上記のようにダイヤモンドを使用した製品を製作するために必要な切断加工技術には、現状ではレーザー切断が適しており実用化されている。ダイヤモンドのレーザー加工機に用いるレーザー装置には、ＣＯ_２レーザー、ＹＡＧレーザー、エキシマレーザーがある。切断には高強度のレーザー光が必要であるため、レーザー光は切断対象物の上に、集光させて照射される。また切断試料全体が必要以上に加熱されることを防ぐために、レーザー光はパルス出力で用いられる場合が多い。

レーザー切断においては、レーザー照射により微小な照射部位を瞬間的に高温にし、レーザー強度密度を閾値以上にすることにより高温になったダイヤモンドを昇華・除去し、照射部位を走査することによって切断溝を形成する。レーザー加工機を用いた、金属や高分子材料などの一般的な材料の切断では、レーザー光の１回の走査によって切断する場合が多い。しかし、ダイヤモンドを切断するためには、レーザー光を切断対象物の表面上で繰り返し走査することが必要である。具体的には、レーザー強度および走査速度に依存するが、通常１回の走査によって形成される切断溝の深さは概ね１ｍｍ以下であり、１ｍｍ以上の厚さを持つダイヤモンドを切断する場合には、同じ切断部位を繰り返し走査して徐々に切断溝を深くしていき切断する必要がある。

例えば、下記特許文献１には、レーザー光を用いたダイヤモンドの加工方法が開示されている。特許文献１は、エキシマレーザーから出力される矩形の断面形状を有するレーザー光を、シリンドリカルレンズを用いて線状に収束させ、ダイヤモンド表面を研削加工する方法を開示している。

また、図１は、従来技術に係るレーザー加工装置の構成を概念的に示す斜視図である。レーザー発生装置１から出力された線状のレーザー光Ｌ１を、ビームエキスパンダ２によって断面積が拡張された円柱状のレーザー光Ｌ２に変換する。拡張されたレーザー光Ｌ２を、ミラー３によって反射させて進行方向を約９０度変化させ、集光レンズ４によって、ステージ５に搭載された加工対象物Ｔに照射する。このとき、円柱状のレーザー光Ｌ２は、集光レンズ４によって円錐状に集光され、加工対象物Ｔの表面上で略１点に収束する。
ビームエキスパンダ２を用いて、レーザー光Ｌ１の断面積を広げる理由は、集光レンズ４による収束性をよくし、切断部位におけるレーザー光を高強度密度とするためである。このようにレーザー光を集光させ、レーザー強度密度を閾値以上にすることによって、ダイヤモンドを昇華・除去する。そして、照射部位を走査することによって切断溝を形成する。このときの走査は、例えば、ステージ５として、搭載物を３次元的に変位可能なステージを用いて、加工対象物Ｔの位置を変化させることによって行うことができる。レーザー光の焦点位置の調節は集光レンズ４またはステージ５の上下移動によって行う。また、ミラー３は可視光に対して透過性があり、照射光軸の上方延長線上に観察用モニター装置６、例えばＣＣＤカメラを設置しており、切断部を確認することができる。
特開平６−３１６４０６号公報

図２は、図１の装置において、加工対象物Ｔの表面近傍で集光されたレーザー光を用いて加工対象物Ｔを切断する状態を示す斜視図である。図２に示したように、切断のために形成される切断溝が深くなると、レーザー光の一部が開口部周囲の加工対象物Ｔの表面で遮られ、切断部位すなわちレーザー光が集光される切断溝の先端部分を、有効なレーザー強度をもって照射できなくなる。従って、形成可能な溝の深さ、即ち切断可能な厚さに限界がある。これを回避するためには、レーザー光の強度を増大させること、およびレーザー光の収束角を小さくすることが有効である。

しかし、レーザー光の強度を増大するためには、レーザー発生装置１を大型化し、大電力化する必要があり、高価になる問題がある。

また、収束角を小さくすること、即ち最終の集光レンズの焦点距離を長くするとレーザー光の収束性が悪くなり、焦点である切断部位におけるレーザー強度密度を減少させる問題がある。

一方、レーザー光の走査位置を切断溝の幅方向（走査方向に直交する方向）に変位させて、レーザー光の多重走査を行うと、切断溝の開口幅を広げることができるので、レーザー光が遮られることがなく、上記した切断可能な厚さの制限は軽減される。しかし、レーザー光の収束角に相当する切断溝の開き角を維持する必要があるので、切断対象物の厚さに比例した切断溝の開口幅が必要となり、切断に伴って損失される切断対象物の量が多くなり、高価なダイヤモンド材料の場合多額の損失になる。

また、上記特許文献１に開示されたダイヤモンドの加工方法に関しても、ダイヤモンドの切断に適用する場合には、上記と同様の問題が生じる。

本発明は、上記した問題を解決するためになされたものであり、切断に伴う対象物の損失量が少なく、厚い対象物を切断可能な、特にダイヤモンドの切断に適したレーザー加工装置を提供することを目的とする。

本願発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、レーザー加工装置の光学系を工夫することによって、切断に伴う対象物の損失量を減少できることを見出した。本発明の目的は、以下の手段によって達成される。

即ち、本発明に係るレーザー加工装置（１）は、レーザー発生手段と、該レーザー発生手段から出力されるレーザー光を、該レーザー光の進行方向に垂直な面内の互いに垂直に交差する第１の方向および第２の方向のうち前記第１の方向に拡張させ、拡張レーザー光を出力するレーザー拡張手段と、前記拡張レーザー光を、少なくとも前記第１の方向に収束させ、加工対象物の表面近傍に集光させる集光手段とを備え、前記拡張レーザー光の進行方向に垂直な面内での断面形状が、前記拡張レーザー光の前記第１の方向の長さをｗとし、前記第２の方向の長さをｄとして、ｗ／ｄ≧５の関係を満たし、前記加工対象物の表面近傍に集光させた前記拡張レーザー光を、前記加工対象物に対して、前記レーザー拡張手段による前記拡張レーザー光の拡張方向と同じ前記第１の方向に走査して、前記第１の方向に延伸する切断溝を前記加工対象物に形成し、前記拡張レーザー光を、既に形成した前記切断溝上で複数回繰り返し走査して、厚さが１ｍｍ以上のダイヤモンドを切断することを特徴としている。

本発明の加工方法によれば、切断溝が深くなっても、開口部周囲の加工対象物の表面によってレーザー光が遮られることが無く、既に形成された切断溝を通過させて切断部位に有効にレーザー光を集光させることができる。従って、レーザー発生装置の出力強度を増大させたり、切断部の開口幅を増大させたりすること無く、最大限の切断厚さを実現でき、従来技術における切断溝の開口幅を増大させることによる損失を低減することができ、特にダイヤモンドを効率的に加工することができる。

以下、本発明に係る実施の形態を、添付した図面に基づいて説明する。図３は、本発明の実施の形態に係るレーザー加工装置の構成を示す斜視図である。尚、図３において、従来技術として説明した図１のレーザー加工装置と同じ機能の構成要素には、同じ符号を付している。

本実施の形態に係るレーザー加工装置は、レーザー発生装置１と、レーザー発生装置１から出力される線状のレーザー光Ｌ１をシート状に変形する光学系（以下、シート状レーザー形成部と記す）７と、ミラー３と、シート状レーザーＬ３を収束する集光レンズ４と、加工対象物Ｔを搭載するステージ５と、加工状態を観察するための観察用モニター装置６とを備えている。本レーザー加工装置を用いた加工方法は、図１と同様であり、以下では主として図１を用いて説明した内容と異なる点を説明する。

レーザー発生装置１から出力された線状のレーザー光Ｌ１を、シート状レーザー形成部７によって、レーザー光Ｌ１の光軸に対して直交する所定方向にのみ拡張させてシート状に形成する。シート状レーザー光Ｌ３を、ミラー３によって反射させて進行方向を約９０度変化させ、集光レンズ４によって集光させて、ステージ５に搭載された加工対象物Ｔに照射する。このとき、図４に示すように、シート状レーザー光Ｌ３は、集光レンズ４によってほぼ角錐状に収束され、加工対象物Ｔの表面に集光される。このとき、切断方向すなわちレーザー光を走査する方向が、集光レンズ４に入射する直前のシート状レーザー光Ｌ３の幅方向となるようにする。例えば、ステージ５として、搭載物に対して、直交する３軸（ＸＹＺ）方向への平行移動、及びＺ軸の周りの回転移動が可能な自動ステージを採用し、自動ステージのＺ軸方向をレーザーの光軸方向に設定すれば、ステージ５上に固定された加工対象物Ｔの切断方向（切断溝の方向）を、シート状レーザー光Ｌ３の幅方向に合わせることができる。ミラー３は可視光に対して透過性があり、照射光軸の上方延長線上に観察用モニター装置６を設置しており、切断部を確認しながら、走査方向を制御することができる。

このように、レーザー光を一方向に拡張させてシート状に形成することによって、切断溝が深くなっても、開口部周囲の加工対象物の表面によってレーザー光が遮られることが無く、既に形成された切断溝を通過させて切断部位に有効にレーザー光を集光させることができる。従って、レーザー発生装置１の出力強度を増大させたり、切断部の開口幅を増大させたりすること無く、最大限の切断厚さを実現でき、従来技術における切断溝の開口幅を増大させることによる損失を低減することができる。

レーザー光の波長は従来のレーザー加工装置に使用されるものが使用でき、加工に望ましいレーザー光の条件も同様である。レーザー発生装置１には、例えばＣＯ₂レーザー、
ＹＡＧレーザー、エキシマレーザーなどを使用することができる。

一般に加工に望ましいレーザー光の条件としては、レーザー切断には高強度のレーザー光の使用が加工速度と切断厚さ限界の観点から望ましい。また、同じ平均出力であれば、連続出力よりもパルス出力のピーク強度の大きいレーザー光が望ましい。また、レーザー光の発散角は小さいほど収束性が高いので望ましい。

切断溝の開口幅をできるだけ小さくするために、シート状レーザー形成部７によって形成されるシート状レーザー光Ｌ３の形状として、レーザー光Ｌ１の直径をｄとし、シート状レーザー光Ｌ３の幅をｗとすれば、ｗ／ｄ≧５であることが望ましい。なお、切断部位への集光性をよくするために、シート状レーザー光の幅ｗは、大きいほど望ましい。

シート状レーザー光を形成するためのレンズ配置など光学系の種類は問わない。例えば、レーザー発生装置１から出力されたレーザー光を、凸型または凹型シリンドリカルレンズ（第１レンズ）によって、一方向に広げ発散させてシート状とすることができる。その後、必要に応じて凸型シリンドリカルレンズ（第２レンズ）を通過させることによって平行なシート状レーザー光とすれば、集光レンズ４に導くのが容易となり、集光レンズ４を観察用モニター装置６の対物レンズとして兼用する場合に都合がよい。このとき、第２レンズは、焦点距離が第１レンズの焦点距離よりも長く、シリンダ軸（光が拡散または収束される方向と直交する方向）が第１レンズのシリンダ軸と平行であり、且つ焦点位置が第１レンズの焦点位置と略一致するように配置される。

また、シート状レーザー光Ｌ３の厚さは、可能な限り小さいことが望ましいので、シート状に拡張させた方向に直交する方向に、レーザー光を収縮させる手段をさらに配置してもよい。例えば、レーザー発生装置１とシート状レーザー形成部７との間、シート状レーザー形成部７とミラー３との間、若しくはミラー３と集光レンズ４との間に、シート状に
拡張させる方向に直交する方向にレーザー光を収縮させた後、平行光として出力する光学系、例えばシリンドリカルレンズ対を配置することができる。特に、レーザー発生装置としてエキシマレーザーを用いる場合、断面が矩形状のレーザー光を発生するので、レーザー光を一方向（シート状レーザー光の幅方向）に拡張させ、それに直交する方向（シート状レーザー光の厚さ方向）に収縮させる２組のシリンドリカルレンズ対を備えることが望ましい。

上記では、集光レンズ４によって、図４に示すように、方向に依存せずに一様にレーザー光を集光させる場合を説明したが、レーザーパワーが十分に強力であり、シート状レーザー光の厚さが十分に薄ければ、シート状レーザー光のシート面に平行な方向にのみ集光させてもよい。例えば、集光レンズ４に、凸型シリンドリカルレンズを使用して、シート状レーザー光のシート面に垂直な方向には集光させず、シート面に平行な方向にのみ集光させてもよい。

以下に、実施例を示し本発明の特徴をより明確にする。

具体的には、図５に示す装置を使用し、ダイヤモンドの単結晶に切断溝を形成する実験を行った。図５において、図３と同じ構成要素には同じ符号を付している。

レーザー発生装置１には、Ｑスイッチ・パルスＹＡＧレーザーを用い、波長１０３４ｎｍ、平均出力約２０Ｗ、ビーム直径約１ｍｍ、繰返し周波数３ｋＨｚのレーザー光を生成した。シート状レーザー形成部７には、焦点距離がそれぞれ１５ｍｍ及び２００ｍｍの凹型シリンドリカルレンズ７１及び凸型シリンドリカルレンズ７２の対を用い、それぞれのシリンダ軸が平行になるように、且つそれぞれの焦点位置が略一致するようにして相互に約１８０ｍｍ離して配置した。これによって、レーザー発生装置１から出力されたレーザー光が、最初に凹型シリンドリカルレンズ７１に入射し、拡張された後、凸型シリンドリカルレンズ７２に入射して、幅が十数ｍｍのシート状レーザー光が形成された。シート状レーザー光の形成において、厚さ方向の収束は行わなかった。集光レンズ４には、焦点距離７７ｍｍのレンズを用いた。加工対象物Ｔは自動ステージ５上に固定し、ステージ５を移動させて、シート状ビームの幅方向が切断方向に一致するようにレーザー光を、同一線上で約０．５ｍｍ／秒の速度で１００回走査した。なお、切断時には、切断部位に圧縮乾燥空気をアシストガスとして吹き付け、切断屑を吹き飛ばすとともに加工対象物Ｔを冷却した。

一方、比較実験として、シート状レーザー形成部７の代わりに、図１に示したようにビームエキスパンダ２を用い、レーザー光の直径を８倍に拡大して同様に実験を行った。レーザー発生装置は上記と同じ装置を用い、上記と同じ条件のレーザー光を発生させた。

ダイヤモンド単結晶（厚さ約０．５ｍｍ、幅約３ｍｍ）を加工した結果を図６に示す。図６の（ａ）は、図５の光学系を用いて加工を行い、形成された溝の写真である。図６の（ａ）から分かるように、深さ１．９ｍｍの溝を形成することができた。これに対して図６の（ｂ）は、比較実験（図１の光学系を使用）で形成された溝の写真である。この場合、深さが１．２ｍｍの溝しか形成できなかった。切断溝の幅は（ａ）、（ｂ）共に同程度である。

このように同じレーザー装置を用いた場合、本発明によれば、従来と同程度の切断溝の幅で、従来よりも深い切断溝を形成できることがわかる。

従来技術に係るレーザー加工装置を示す斜視図である。 図２に示したレーザー加工装置におけるレーザー光の集光状態を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係るレーザー加工装置を示す斜視図である。 図３に示したレーザー加工装置におけるレーザー光の集光状態を示す斜視図である。 実施例で使用した本発明を適用したレーザー加工装置を示す斜視図である。 実際の加工結果を示す写真であり、（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、本発明のレーザー加工装置および従来のレーザー加工装置を用いて加工した結果である。

符号の説明

１ レーザー発生装置
２ ビームエキスパンダ
３ ミラー
４ 集光レンズ
５ ステージ
６ 観察用モニター装置
７ シート状レーザー形成部
Ｔ 加工対象物

Claims (1)

1. レーザー発生手段と、
   該レーザー発生手段から出力されるレーザー光を、該レーザー光の進行方向に垂直な面内の互いに垂直に交差する第１の方向および第２の方向のうち前記第１の方向に拡張させ、拡張レーザー光を出力するレーザー拡張手段と、
   前記拡張レーザー光を、少なくとも前記第１の方向に収束させ、加工対象物の表面近傍に集光させる集光手段とを備え、
   前記拡張レーザー光の進行方向に垂直な面内での断面形状が、前記拡張レーザー光の前記第１の方向の長さをｗとし、前記第２の方向の長さをｄとして、ｗ／ｄ≧５の関係を満たし、
   前記加工対象物の表面近傍に集光させた前記拡張レーザー光を、前記加工対象物に対して、前記レーザー拡張手段による前記拡張レーザー光の拡張方向と同じ前記第１の方向に走査して、前記第１の方向に延伸する切断溝を前記加工対象物に形成し、
   前記拡張レーザー光を、既に形成した前記切断溝上で複数回繰り返し走査して、厚さが１ｍｍ以上のダイヤモンドを切断することを特徴とするレーザー加工装置。