JPH07284967A

JPH07284967A - 窒化ケイ素セラミックスの加工方法

Info

Publication number: JPH07284967A
Application number: JP7028396A
Authority: JP
Inventors: Katsuko Harano; 佳津子原野; Yukihiro Ota; 進啓太田; Naoharu Fujimori; 直治藤森
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1994-02-23
Filing date: 1995-02-16
Publication date: 1995-10-31

Abstract

(57)【要約】【目的】被加工材としての窒化ケイ素セラミックスの
材料自体に悪影響を及ぼすことなく、高い精度の切断と
表面の平滑化を行なうことを可能にし、かつ加工速度を
向上させる。【構成】表面に、波長が１９０ｎｍ以上、３６０ｎｍ
以下の範囲にある光２を照射することにより、窒化ケイ
素セラミックス５を加工する。エネルギー密度は、連続
光の場合、１０⁵ Ｗ／ｃｍ² 以上１０¹⁰Ｗ／ｃｍ² 以下
の範囲に、パルス状レーザ光の場合、その１パルス当た
りのエネルギー密度を１０Ｊ／ｃｍ² 以上１０³ Ｊ／ｃ
ｍ² 以下の範囲に規定することにより、適切な加工を行
なうことができる。レーザ光を円筒形レンズ３，４また
は円筒形ミラーにより集光する。【効果】従来、加工が困難、高いコストのために適用
できなかった構造部材の分野に窒化ケイ素セラミックス
の応用範囲を広げることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、工具、高温下に置か
れる機械部品等に用いられる窒化ケイ素セラミックスの
加工方法に関し、特に窒化ケイ素セラミックスの切断と
表面の平滑化を高い効率、高い精度で行なう方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】窒化ケイ素セラミックスの硬度は高く、
その加工は極めて困難である。窒化ケイ素セラミックス
の平面研削加工は、ダイヤモンド粒を結合材によって固
めた砥石を用いた研磨によって行なわれている。

【０００３】しかしながら、このダイヤモンド砥石によ
る研削は加工時間が長い。また、研削により生じたクラ
ックが窒化ケイ素セラミックス自身の材料強度に悪影響
を与える等の問題がある。

【０００４】一方、窒化ケイ素セラミックスの切断もダ
イヤモンド砥石を用いて行なわれている。しかしなが
ら、砥石自身の強度を考慮して、この切断に工業的に実
用可能な砥石の径は数１００μｍ程度であり、砥粒や被
削材の除去物の抜道を与えるためには砥石の切断では切
り代が大きくなる。

【０００５】そこで、従来から、レーザを用いて熱的に
切断加工することが行なわれている。レーザとしては、
ＣＯ₂ 、ＣＯ、ＹＡＧレーザが使用されていた。しかし
ながら、波長が１μｍ以上の赤外光を使用し、材料を加
熱して溶融、蒸発させて加工するため、熱によって加工
周辺部が影響を受けて劣化する。また、レーザ照射によ
り局所的に材料が急激に加熱、冷却されるため、その熱
応力によりクラックが発生する。さらに、加工部に金属
層が形成され、窒化ケイ素セラミックスとしての材料自
身の機能が低下してしまう。このため、窒化ケイ素セラ
ミックス加工へのレーザの応用は、加工精度を必要とし
ないセラミックス部品の孔開け、スクライビング等に限
定されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来、レーザを用いて
切断加工を行なう場合、熱による加工周辺部の窒化ケイ
素セラミックスの劣化や熱応力によるクラックが発生
し、被削材の強度が著しく劣化する。また、加工部には
金属層が形成され、窒化ケイ素セラミックスの材料とし
ての機能が低下してしまう。このため、窒化ケイ素セラ
ミックス部材へのレーザ加工の適用は制限されている。
この悪影響を防ぐために、パルス状発振レーザを用い、
パルス幅の短縮、発振周波数の低下により被削材の加熱
時間を短くし、熱応力を緩和する、外部電界により金属
層の形成を抑制する等の工夫を必要としていた。

【０００７】ダイヤモンド砥石による研削加工は、一部
熱を利用して被削材を研磨することにより行なわれる。
この場合、摩擦熱により被削材は数１００℃まで加熱さ
れ、必然的に被削材に悪影響が与えられる。また、加工
形状は平面状または線状に限定される。被削材を固定す
ることが困難である。被削材の大きさが小さ過ぎたり、
その形状が不定形の場合には、被削材の研磨が極めて難
しくなり、その作業性が悪くなる。場合によっては、加
工が不可能になる。さらに、スカイフ研磨による研削加
工は時間がかなりかかるという問題もあった。

【０００８】また、ドイツ特許公開公報第４１１９２５
４号には、パルス化された紫外光を用いてセラミックス
の表面を処理する方法が開示されている。好ましくは、
１０〜６０ｍＪ／ｍｍ² （１〜６Ｊ／ｃｍ² ）のエネル
ギー密度を有するエキシマレーザ光が用いられている。
加工対象のセラミックスの種類としては、Ａｌ₂ Ｏ₃、
ＺｒＯ₂ 、ＳｉＣ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ またはＢＮが挙げられて
いる。

【０００９】さらに、１９８９年９月発行の溶接学会全
国大会講演概要、第４５集、ｐｐ．１４６〜１４７や、
１９９０年４月発行の溶接学会全国大会講演概要、第４
６集、ｐｐ．１２０〜１２１には、エキシマレーザを用
いたセラミックスの加工特性が示されており、特にＺｒ
Ｏ₂ とＳｉ₃ Ｎ₄ のセラミックスの加工時のエネルギー
解析が示されている。１パルス当たりのエネルギー密度
を０．１〜１５Ｊ／ｃｍ² の範囲で変化させて、エキシ
マレーザを用いたセラミックスの加工特性が考察されて
いる。

【００１０】しかしながら、上述のように開示されてい
る低いエネルギー密度での窒化ケイ素セラミックスの加
工方法においては、被加工体の分解を十分に行なうこと
ができず、金属シリコン（Ｓｉ）が再付着し、堆積し、
加工面に金属層が形成されてしまい、窒化ケイ素セラミ
ックスとしての諸物性が損なわれることになる。また、
金属Ｓｉが面上に再付着するため、加工面の面精度が非
常に悪くなるという問題点があった。

【００１１】そこで、この発明は、加工対象としての窒
化ケイ素セラミックスの材料本体に何ら影響を与えるこ
となく、窒化ケイ素セラミックスを切断または研削し、
表面の平滑化を行なうことを可能にし、かつその加工速
度を向上することができる窒化ケイ素セラミックスの加
工方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明の加工方法は、
窒化ケイ素セラミックスの表面に、１９０ｎｍ以上、３
６０ｎｍ以下の範囲にある光を照射することを特徴とす
る窒化ケイ素セラミックスの加工方法である。

【００１３】連続光を照射する場合、照射する光のエネ
ルギー密度は１０⁵ Ｗ／ｃｍ² 以上、１０¹⁰Ｗ／ｃｍ²
以下の範囲であることが好ましい。

【００１４】また、パルス状レーザ光を用いる場合、そ
の１パルス当りのエネルギー密度は、１０Ｊ／ｃｍ² 以
上、１０³ Ｊ／ｃｍ² 以下の範囲とすることにより、良
好な加工が得られる。

【００１５】さらに、レーザ発振器より発振される際の
レーザ光の広がり角度が１０^-2ｍｒａｄ以上、５×１０
^-1ｍｒａｄ以下であるのが好ましい。

【００１６】レーザ光の発振スペクトル（バンド幅）の
半値幅が１０^-4ｎｍ以上、１ｎｍ未満であるのが好まし
い。

【００１７】レーザ光のビームの断面におけるエネルギ
ーのばらつきが１０％以下であるのが好ましい。

【００１８】パルス状レーザ光を円筒型レンズまたは円
筒型ミラーにより集光することによって窒化ケイ素セラ
ミックスの表面に照射するのが好ましい。

【００１９】ＰＨが３以上６以下の水溶液中でレーザ光
を照射するのが好ましい。その場合、硝酸、塩酸、硫酸
または王水の溶液中でレーザ光が照射される。

【００２０】また、ＰＨが８以上１１以下の水溶液中で
レーザ光を照射するのが好ましい。その場合、水酸化カ
リウムまたは水酸化ナトリウムの溶液中でレーザ光を照
射する。

【００２１】さらに、マスクを用いてレーザ光を処理
し、縮小投影するのが好ましい。その場合、レーザ発振
器より発振される際の広がり角度が０．２ｍｒａｄ以下
であり、レーザ光の発振スペクトルの半値幅が１０^-4ｎ
ｍ以上、１０^-2ｎｍ以下であるレーザ光を用いるのが好
ましい。

【００２２】

【発明の作用効果】波長が３６０ｎｍ以下の光は、紫外
光であり、光子エネルギーが高く、物質に吸収される
と、主として化学結合での電子の励起に関与することが
知られている。すなわち、３６０ｎｍ以下の波長の光の
照射により、窒化ケイ素セラミックスを構成している窒
素−ケイ素結合に何らかの影響を与え、変化させること
ができることが考えられる。しかし、熱的な効果をもた
らさない紫外光によって材料を加工することは常識的に
は考え難いことであった。

【００２３】本発明者らは、光と窒化ケイ素セラミック
スとの反応について鋭意研究を進めた結果、３６０ｎｍ
以下の波長の光を照射することによって、窒化ケイ素セ
ラミックスに損傷を全く与えることなく、かつ高い効率
で窒化ケイ素セラミックスを加工することができること
を見出した。特に、３６０ｎｍ以下で１９０ｎｍ以上の
波長を有する光が窒化ケイ素セラミックスの加工に有効
であることを見出し、本発明に至った。窒化ケイ素セラ
ミックスのこれらの波長域の光に対する吸収係数が大き
いため、これらの波長範囲では照射された光のほとんど
が表面層で吸収され、内部まで浸透しない。そのため、
光のエネルギーが加工箇所に効率よく集中し、高い効率
で高速度で窒化ケイ素セラミックスを加工することがで
きる。また、研削加工を行なう場合においても、被削材
の表面のみに光のエネルギーを集中させることができ、
他の部分への影響をほぼ完全に抑えて、入射角度依存性
は小さくなる。

【００２４】加工に使用する光源としては、Ｆ₂ 、Ａｒ
Ｆ、ＫｒＣｌ、ＫｒＦ、ＸｅＣｌ、Ｎ₂ 、ＸｅＦの各エ
キシマレーザおよび水銀灯、さらにシンクロトロン放射
光（ＳＯＲ）が挙げられるが、これらには限定されな
い。エキシマレーザは、それぞれ固有の発振波長を有
し、上記の順に従って１５７、１９３、２２２、２４
８、３０８、３３７、３５３ｎｍである。一方、水銀灯
およびＳＯＲは連続した波長帯を有する。この連続光を
照射してもよく、また光学フィルタ等により波長帯域を
狭帯域化してもよい。

【００２５】一般にこれらの光源は平行光線ではなく、
ある広がりをもって自由な方向に発散する。このため、
レンズを用いて集光した場合、集光した周辺部にエネル
ギー密度の低い部分が形成される。このような光は加工
精度の低下の原因になる。窒化ケイ素セラミックスの表
面を平滑化する加工においては、被削材を走査させるこ
と等により、加工精度の低下の度合いを低減させること
ができる。しかし、窒化ケイ素セラミックス部材の切断
等の加工においては、部材の切断によって形成された角
が少しだれるという問題がある。この欠点は窒化ケイ素
セラミックスの通常の用途では特に問題にはならない
が、サブミクロンオーダの精密な加工を行なう場合、そ
のような欠点を解消するために、窒化ケイ素セラミック
スに照射される光線を平行にすることが必要になる。

【００２６】エキシマレーザの光線を平行にするための
手法としては、不安定条件の共振ミラーを用いてエキシ
マレーザを共振させて発振させる方法がある。レーザ発
振器より発振される際のレーザ光の広がり角度を、通常
の１〜３ｍｒａｄ程度から５×１０^-1ｍｒａｄ以下に小
さくすることによって、レンズによる集光性を向上させ
ることが可能となる。これにより、窒化ケイ素セラミッ
クスの表面と切断面との間の角度をシャープにすること
ができ、切断面の切り口の平坦性を向上させることが可
能になる。レーザ光の広がり角度を１０^-2ｍｒａｄ未満
にすることは困難であり、またそれに比して加工におい
てはあまり大きな効果を期待することができない。

【００２７】エキシマレーザは短波長であり、微細加工
に適する光源であるが、発振スペクトルの半値幅が加工
精度に大きな影響を及ぼす。発振スペクトルの半値幅が
１ｎｍ以上の光ではμｍオーダーの加工を行なうのも不
十分である。

【００２８】さらに、０．１μｍオーダーあるいはそれ
以下の超精密な加工を必要としている場合には、波長の
狭帯域化を行なうことが有効である。狭帯域化の方法と
しては、エタロンを使用する方法とインジェクションロ
ック方式がある。発振波長の狭帯域化の程度としては、
１０^-2ｎｍ以下の範囲にあることが必要であり、より狭
いことが望ましい。しかしながら１０^-4ｎｍ以下への狭
帯域化は困難であり、これに比べて光学系の収差等の影
響が大きくなり、加工への効果は期待できない。

【００２９】窒化ケイ素セラミックスの表面に光を集光
して照射する過程にはレンズ、全反射ミラーが使用され
る。レンズとミラーの種類としては、点状に集光する凸
型レンズと凹型ミラーがある。線状に集光する場合に
は、円筒型凸レンズと円筒型凹面鏡が使用される。さら
に、凹レンズあるいは凸面鏡を組合わせて平行光線また
はそれに近い集光の角度の小さい光線にしてもよい。照
射される光のエネルギー密度は、集光の状態により制御
される。

【００３０】窒化ケイ素セラミックスの加工を進めると
き、光を走査して行なってもよいが、平面状に加工する
場合には、むしろ被加工材を平行に駆動させた方が正確
に加工することができる。３次元的な材料の表面を平滑
化する場合には、光と被削材の両方を駆動させる必要が
ある。切断加工を行なう場合には、エネルギー密度と切
断面の直角性との関係から、切断線を含む面に対して垂
直に光を照射することが有効である。被削材の表面を平
滑にする場合には、被削材の表面に対して光を照射する
角度に従って加工状態に影響が出る。

【００３１】すなわち、エネルギー密度と照射領域（加
工領域）との関係において最適条件が存在する。光を集
光させるレンズあるいはミラーの焦点距離と、焦点と被
加工材との位置関係を調整することによっても、エネル
ギー密度を変化させることができる。エネルギー密度が
１０Ｊ／ｃｍ² 未満、あるいは１０⁵ Ｗ／ｃｍ² 未満の
場合には、ＳｉやＳｉの化合物が加工面に残存し、悪影
響が被加工材に及ぼされるので好ましくない。エネルギ
ー密度を高めると、生成する微粒子も小さくなり、飛散
しやすくなるものと考えられる。エネルギー密度が１０
³ Ｊ／ｃｍ² 、あるいは１０¹⁰Ｗ／ｃｍ² を超える場合
には、加工が施される箇所以外の窒化ケイ素セラミック
スの部分に、材料自身の有する性能の劣化等の悪影響が
及ぼされる。紫外領域光であるエキシマレーザを用いた
加工（エキシマレーザアブレーション）は、非熱的な加
工方法であるが、エネルギー密度が高くなると、熱的な
プロセスの割合が高くなる。エネルギー密度が１０³ Ｊ
／ｃｍ² を超えると、熱的プロセスが主体になるものと
考えられる。純粋に熱的な加工を行なうＣＯ₂ 、ＣＯ、
ＹＡＧレーザによる加工に比べると、被加工体の劣化は
はるかに少ないが、組成変化やクラックの発生による劣
化が生じる。

【００３２】エキシマレーザ光の断面は、通常、約１０
ｍｍ×２０ｍｍ前後の四角い形状をしており、ビームの
断面のエネルギープロファイルは均一ではなく、分布を
有する。そのエネルギー分布は周辺部においてエネルギ
ーが低くなり、中央部は比較的なだらかな山なりになっ
ている。そのエネルギーの不均一性が窒化ケイ素セラミ
ックスの加工面に対して凹凸等の精度の低下をもたら
す。レンズを用いて集光した場合にも、エネルギー分布
はそのまま維持され、窒化ケイ素セラミックスの加工面
の不均一の原因になる。

【００３３】しかしながら、このようなレーザ光を円筒
型レンズを用いて線状に集光して窒化ケイ素セラミック
ス表面に照射すると、窒化ケイ素セラミックスが均一で
平坦に加工され、その切断面も高い精度で高速度で加工
されることを本発明者らは新たに見出した。この原因に
ついては、今のところ解明されていないが、一方向に集
光することにより、上記の問題が相殺されるような条件
が存在していることも考えられる。

【００３４】また、エキシマレーザの状態によっては、
線状に集光して加工した部分の両端に不均一が生じるこ
とがある。この場合には、そのレーザの両端部をしゃへ
いすることにより、均一な加工面を得ることができる。
さらに、レーザビームの断面内のエネルギーのばらつき
を１０％以下に抑えることにより、ほとんど加工精度に
悪影響を及ぼさないことが判明した。エネルギーの平均
化の手法としては、ホモジナイザーを使用する方法や、
比較的、エネルギー分布の均一な中央部だけをマスク等
により切り出す方法などがある。

【００３５】窒化ケイ素セラミックスを加工する際、そ
の雰囲気が加工状況に影響を与えることがわかってい
る。ＡｒＦエキシマレーザを使用する場合には、酸素の
吸収によるエネルギーの減衰を防ぐため、真空中や窒
素、ヘリウムガス等の不活性な雰囲気中で窒化ケイ素セ
ラミックスの加工を行なうのが好ましい。ＡｒＦエキシ
マレーザの波長を超える波長を有するレーザを使用する
場合においても、真空中やヘリウム等の軽元素の不活性
ガス雰囲気中が、除去物質の飛散を助長するため、平滑
な加工面を得るのに有効である。Ｆ₂ エキシマレーザや
ＳＯＲは真空紫外領域の光であるため、それらの光を用
いた加工は高真空中で、全反射ミラーを用いて集光して
行なう必要がある。

【００３６】パルス状レーザを使用する場合、加工速度
はパルスの繰返し周波数に比例して増加し、装置として
は繰返し周波数の高いレーザ発振器を使用することが好
ましい。また、エネルギー密度が高いほど、エッチング
速度が速くなる傾向にあり、切断加工を行なう場合に
は、高いエネルギーを発生することが可能な装置を用い
るのが好ましい。

【００３７】エキシマレーザを用いた加工（エキシマレ
ーザアブレーション）においては、軽元素が飛散しやす
いため、被加工体の表面に重元素の層が形成される。窒
化ケイ素セラミックスの場合、軽元素である窒素が大気
中に飛散しやすく、加工面にケイ素からなる金属層が形
成される。この金属ケイ素を溶解しやすい酸またはアル
カリの溶液中でエキシマレーザによるアブレーション加
工を行なうと、大気中よりも高い加工速度で、かつより
平滑な加工面を得ることができる。

【００３８】しかしながら、Ｈイオン濃度が高まると、
レーザ光が照射された窒化ケイ素セラミックスの部分の
金属層の溶解が激しく進み、加工速度は高まるものの、
加工面が粗くなり、加工精度は悪くなる。このため、酸
の溶液としてはＰＨが３以上６以下の水溶液が有効であ
る。窒化ケイ素セラミックスは酸に対する耐食性が強い
ため、酸化力の強い硝酸、塩酸、硫酸または王水を用い
る。

【００３９】また、窒化ケイ素セラミックスのアルカリ
溶液に対する耐食性が弱いため、ＰＨが１１を超える強
アルカリ溶液は適さない。ＯＨイオン濃度が高まると、
加工速度は高まるが、窒化ケイ素セラミックスへの腐食
が生じ、腐食層の除去が必要になる。ＯＨイオン濃度が
低いと、より平滑な加工面が得られる。

【００４０】アルカリ溶液のうち、水酸化ナトリウムの
水溶液に対しては室温で耐食性があり、水酸化カリウム
水溶液に対しても５０℃の温度まで耐食性がある。レー
ザ照射による試料温度の上昇がほとんどないため、アル
カリ溶液としてはこの２種類が用いられる。

【００４１】なお、より好ましい効果を得るためには、
特に加工速度と加工面の粗さと実用性、経済性を考慮す
れば、ＰＨが３以上５以下の水溶液中で、またはＰＨが
９以上１１以下の水溶液中でレーザ光を照射するのがさ
らに望ましい。

【００４２】マスクを用いてレーザ光を処理し、縮小投
影させて、窒化ケイ素セラミックスの表面に照射する。
このようにレーザ光を縮小投影させることにより、焦点
集光では得られない数μｍのスポットに集光させること
が可能である。また、小さいスポット径に絞り込むこと
により、非常に高いエネルギー密度が得られる。さら
に、レーザビーム中のエネルギー分布はガウス分布に従
い、不均一であるが、結像面上でのエネルギー分布はほ
ぼ均一であるため、非常にシャープでアスペクト比の高
い加工端が得られる。ここで、孔を開ける場合のアスペ
クト比とは、表面側の孔の直径をｄ₁ 、底面側の孔の直
径をｄ₂ 、孔の深さをｔとしたとき、２ｔ／（ｄ₁ −ｄ
₂ ）で表わされる値をいう。この場合、この値が２０以
上の高いアスペクト比を有する加工端を得ることができ
る。

【００４３】また、この場合、光路を長くとり、縮小率
を上げ、エネルギー密度を高くすると、加工速度が向上
する。ガウスビームであるレーザ光を焦点距離ｆで絞っ
た場合のスポット径Ｗ（ｆ）は、広がり角度をθとする
と、近似的に、Ｗ（ｆ）＝ｆ・θ となることが知られており、良好な集光状態を得るには
広がり角度は重要なファクターであり、より小さいこと
が好ましい。

【００４４】しかしながら、エキシマレーザは通常、レ
ーザ発振器から発振される際の広がり角度が１〜３ｍｒ
ａｄと大きく、レンズの収差等の影響により、数１０μ
ｍにしか集光することができない。そこで、不安定共振
器を使用し、レーザ光の広がり角度を０．２ｍｒａｄま
で狭めることにより、スポット径をその１／１０程度に
まで絞ることができる。また、エキシマレーザは発振ス
ペクトルの半値幅が広く、レンズによる色収差が大きい
ため、結像状態が悪い。マスクを用いてレーザ光を縮小
投影させる利点の一つに像を小さくし、切り代を小さく
することがあげられる。この利点を効果的に用いるため
に、光学系の収差の影響を低減する必要がある。これに
より、インジェクションロッキングを用いて発振のスペ
クトルの半値幅を１０^-4ｎｍ以上、１０^-2ｎｍ以下、広
がり角度を０．２ｍｒａｄ以下としてレーザ光を用いる
ことにより、１０μｍ程度にスポット径を絞ることがで
きる。

【００４５】この発明によれば、高い効率で高い精度の
窒化ケイ素セラミックスの加工方法を得ることができ
る。窒化ケイ素セラミックスの高い硬度、比較的弱い耐
酸化性等の問題により、従来、加工が不可能、あるいは
高いコストのために窒化ケイ素セラミックスを適用する
ことができなかった構造部品の分野にその応用範囲を広
げることが可能になる。さらに、窒化ケイ素セラミック
スを３次元的に超精密に加工することができる。

【００４６】

【実施例】

実施例１図１に示すように、窒化ケイ素セラミックス５の表面を
エキシマレーザ装置１を用いて切削した。被加工材とし
ての窒化ケイ素セラミックス５は、厚みが２ｍｍで大き
さが２５ｍｍ角の板状であった。エキシマレーザとして
は、２４８ｎｍの発振波長を有するＫｒＦエキシマレー
ザを使用した。窒化ケイ素セラミックス５はＸＹＺテー
ブル６の上に置かれた。

【００４７】合成石英製凸型円筒レンズ４と凹型円筒レ
ンズ３とを組合わせて用いて、このレーザ光２を長さ２
５ｍｍ、幅１００μｍの大きさに集光して、加工対象の
窒化ケイ素セラミックス５の表面に大気中で照射した。
このときのエネルギー密度は１０Ｊ／ｃｍ² であった。
レーザ光のパルスの繰返し周波数は１００Ｈｚであっ
た。

【００４８】照射角度を窒化ケイ素セラミックス５の表
面の法線方向に設定した。被加工材の窒化ケイ素セラミ
ックス５を、レーザ光に対して垂直に置き、図１の矢印
２０で示される方向に２ｍｍ／分の速度で２５ｍｍの長
さを１回走査させた。

【００４９】加工後、被加工材の厚みを測定したとこ
ろ、１．９ｍｍになっており、表面粗さは０．４μｍで
あった。

【００５０】実施例２図２に示すように、窒化ケイ素セラミックス５の表面を
エキシマレーザ装置１を用いて切削した。被加工材とし
ての窒化ケイ素セラミックス５は、厚みが２ｍｍで大き
さが２５ｍｍ角の板状であった。エキシマレーザとして
は、１９３ｎｍの発振波長を有するＡｒＦエキシマレー
ザを使用した。ＸＹＺテーブル６の上に置かれた被加工
材の窒化ケイ素セラミックス５を真空容器７中に設置し
た。真空容器７の排気は、図２の矢印３０で示される方
向にガスを吸引することにより、行なわれた。

【００５１】合成石英製の凸型円筒レンズ４と凹型円筒
レンズと３を組合わせて用いて、上記のレーザ光２を長
さ２５ｍｍ、幅１００μｍの大きさに集光し、合成石英
窓８から、このレーザ光２を導入し、被加工材の窒化ケ
イ素セラミックス５の表面に真空中で照射した。このと
きのエネルギー密度は１０Ｊ／ｃｍ² であった。レーザ
光のパルスの繰返し周波数を１００Ｈｚに設定した。

【００５２】照射角度を窒化ケイ素セラミックス５の表
面に対して法線方向に設定した。被加工材の窒化ケイ素
セラミックス５を、レーザ光に対して垂直に置き、４ｍ
ｍ／分の速度で２５ｍｍの長さを１回走査させた。

【００５３】加工後、被加工材の厚みを測定したとこ
ろ、１．９ｍｍになっており、表面粗さは０．１μｍで
あった。

【００５４】実施例３図１に示すように、窒化ケイ素セラミックスを実施例１
と同様のエキシマレーザ装置１を用いて切断した。被加
工材としての窒化ケイ素セラミックス５は、厚みが３ｍ
ｍで大きさが直径５０ｍｍの薄板であった。エキシマレ
ーザとしては、波長が３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレ
ーザを使用した。このレーザは、不安定共振器により、
光線の平行性が高められており、ホモジナイザーによ
り、エネルギー分布のばらつきは最大９％になってい
た。

【００５５】合成石英製の円筒凸型レンズ４と円筒凹型
レンズ３とを組合わせて用いて、上記のレーザ光２を長
さ２５ｍｍ×１０μｍ幅の大きさに集光して被加工材の
窒化ケイ素セラミックス５の表面に照射した。このとき
の平均エネルギー密度は１０ ² Ｊ／ｃｍ² であった。レ
ーザ光のパルスの繰返し周波数を２００Ｈｚに設定し
た。

【００５６】照射角度を被加工材の窒化ケイ素セラミッ
クス５の表面の法線方向に対して平行に設定した。レー
ザ光２に対して被加工材の窒化ケイ素セラミックス５を
垂直に駆動させた。切断幅５０ｍｍに対して、幅２５ｍ
ｍの領域に１８０秒間、レーザ光を照射した後、横にレ
ーザ光をずらして残りの幅２５ｍｍの領域にも同様に１
８０秒間、レーザ光を照射した。合計で３６０秒間の照
射によって窒化ケイ素セラミックスを切断した。切り代
は約３０μｍであった。

【００５７】電子顕微鏡観察により、溶融した痕跡や亀
裂等が切断面に存在しないことが確認された。

【００５８】実施例４図３に示すように、窒化ケイ素セラミックスをエキシマ
レーザ装置１を用いて切断した。被加工材としての窒化
ケイ素セラミックス５は、厚みが２ｍｍで大きさが５ｍ
ｍ角の薄板状であった。エキシマレーザとしては、波長
が１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザを使用した。この
レーザは、プリズムとグレーティングを利用して狭帯域
化され、増幅側に不安定共振器を設置し、光線の平行性
を向上させて用いられた。その結果、発振波長１９３ｎ
ｍのバンド幅の半値幅が１０００分の５ｎｍに狭帯域化
されていた。

【００５９】合成石英製円筒凸型レンズ４と円筒凹型レ
ンズ３とを組合わせて用いて、上記のように処理された
レーザ光２を１０μｍ角に集光させて、被加工材の窒化
ケイ素セラミックス５の表面に吹きつけノズル９からヘ
リウム（Ｈｅ）ガスを吹き付けながら照射した。ヘリウ
ムガスは、矢印４０で示される方向にノズル９に供給さ
れ、排気ダクト１０を通じて矢印５０で示される方向に
排出された。このときの平均エネルギー密度は、１０³
Ｊ／ｃｍ² であった。レーザ光のパルスの繰返し周波数
は２００Ｈｚに設定された。

【００６０】照射角度を被加工材の窒化ケイ素セラミッ
クス５の表面の法線方向に対して平行に設定した。被加
工材の窒化ケイ素セラミックス５をレーザ光２に対して
垂直に駆動させた。５ｍｍの幅を５ｍｍ／分の速度で走
査させることにより、６０秒間の照射で窒化ケイ素セラ
ミックスを切断した。切り代は約２０μｍであった。

【００６１】電子顕微鏡観察により、切断面は非常に平
滑な面であり、除去物質の付着が見られないことがわか
った。また、加工部周辺領域にもクラック等が観察され
なかった。

【００６２】実施例５図４に示すように、窒化ケイ素セラミックスをエキシマ
レーザ装置１を用いて切断した。被加工材としての窒化
ケイ素セラミックス５は、厚みが１．５ｍｍで大きさが
５ｍｍ角の薄板状であった。エキシマレーザとしては、
波長が２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザを使用した。
このレーザは、プリズムとグレーティングを利用して狭
帯域化され、増幅側に不安定共振器を設置し、光線の平
行性を向上させて用いられた。その結果、発振波長２４
８ｎｍのバンド幅の半値幅が１０００分の５ｎｍに狭帯
域化されていた。

【００６３】合成石英製円筒凸型レンズ４と円筒凹型レ
ンズ３とを組合わせて用いて、上記のように処理された
レーザ光２を１０μｍ角に集光させて、硝酸１２中に設
置した被加工材の窒化ケイ素セラミックス５の表面に照
射した。このとき、使用した硝酸のＰＨは３であった。

【００６４】被加工材である窒化ケイ素セラミックス５
は、紫外光を透過する合成石英製セル１１中に設置し
た。光学研磨石英板を介してレーザ光を被加工材の窒化
ケイ素セラミックスに照射した。このときの平均エネル
ギー密度は、１０³ Ｊ／ｃｍ²であった。レーザ光のパ
ルスの繰返し周波数は２００Ｈｚに設定された。

【００６５】照射角度を被加工材の窒化ケイ素セラミッ
クス５の表面の法線方向に対して平行に設定した。被加
工材の窒化ケイ素セラミックス５をレーザ光２に対して
垂直に駆動させた。５ｍｍの幅を７．５ｍｍ／分の速度
で走査させることにより、４０秒間の照射で窒化ケイ素
セラミックスを切断した。切り代は約３０μｍであっ
た。

【００６６】電子顕微鏡観察により、切断面は非常に平
滑な面であり、除去物質の付着が見られないことがわか
った。また、加工部周辺領域にもクラック等が観察され
なかった。

【００６７】実施例６窒化ケイ素セラミックスをエキシマレーザを用いて切断
した。被加工材としての窒化ケイ素セラミックスは、厚
みが３ｍｍで大きさが２０ｍｍ角の薄板状であった。エ
キシマレーザとしては、波長が２４８ｎｍのＫｒＦエキ
シマレーザを使用した。このレーザは、プリズムとグレ
ーティングを利用して狭帯域化され、増幅側に不安定共
振器を設置し、光線の平行性を向上させて用いられた。
その結果、発振波長２４８ｎｍのバンド幅の半値幅が１
０００分の５ｎｍに狭帯域化されていた。

【００６８】金属製マスクを用いて、このレーザ光を
１．５×２０ｍｍの大きさに加工し、マスクより約３．
５ｍ離隔して設置された円筒レンズによって約２０μｍ
×２０ｍｍの大きさに縮小投影させて、窒化ケイ素セラ
ミックスの表面に照射した。使用した円筒レンズのＫｒ
Ｆレーザ光に対する焦点距離は４５ｍｍであり、縮小率
は１／７５であった。このときの平均エネルギー密度
は、２×１０² Ｊ／ｃｍ²であった。レーザ光のパルス
の繰返し周波数は２００Ｈｚに設定された。

【００６９】照射角度を被加工材の窒化ケイ素セラミッ
クスの表面の法線方向に対して平行に設定し、約６０秒
間の照射で窒化ケイ素セラミックスを切断した。切り代
は約２０μｍであった。

【００７０】電子顕微鏡観察により、切断面は非常に平
滑な面であり、ダレなどのない非常にシャープな加工端
面を得ることができた。また、加工部周辺領域にもクラ
ック等が観察されなかった。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１と３で用いられた装置の概
略構成を示す図である。

【図２】この発明の実施例２で用いられた装置の概略構
成を示す図である。

【図３】この発明の実施例４で用いられた装置の概略構
成を示す図である。

【図４】この発明の実施例５で用いられた装置の概略構
成を示す図である。

【符号の説明】

１エキシマレーザ装置２レーザ光３凹型円筒レンズ４凸型円筒レンズ５窒化ケイ素セラミックス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化ケイ素セラミックスの表面に光を照
射して窒化ケイ素セラミックスを加工する方法におい
て、波長が１９０ｎｍ以上、３６０ｎｍ以下の範囲で、
エネルギー密度が１０⁵ Ｗ／ｃｍ² 以上、１０¹⁰Ｗ／ｃ
ｍ² 以下の範囲にある光を照射することを特徴とする、
窒化ケイ素セラミックスの加工方法。
【請求項２】窒化ケイ素セラミックスの表面に光を照
射して窒化ケイ素セラミックスを加工する方法におい
て、波長が１９０ｎｍ以上、３６０ｎｍ以下の範囲で、
１パルス当たりのエネルギー密度が１０Ｊ／ｃｍ² 以
上、１０³ Ｊ／ｃｍ² 以下の範囲にあるパルス状レーザ
光を照射することを特徴とする、窒化ケイ素セラミック
スの加工方法。
【請求項３】レーザ発振器より発振される際のレーザ
光の広がり角度が１０^-2ｍｒａｄ以上、５×１０^-1ｍｒ
ａｄ以下であることを特徴とする、請求項２に記載の窒
化ケイ素セラミックスの加工方法。
【請求項４】レーザ光の発振スペクトルの半値幅が１
０^-4ｎｍ以上、１ｎｍ未満であることを特徴とする、請
求項２に記載の窒化ケイ素セラミックスの加工方法。
【請求項５】レーザ光のビームの断面のエネルギーの
ばらつきが１０％以下であることを特徴とする、請求項
２に記載の窒化ケイ素セラミックスの加工方法。
【請求項６】パルス状レーザ光を円筒型レンズまたは
円筒型ミラーにより集光して窒化ケイ素セラミックスの
表面に照射することを特徴とする、請求項２または５に
記載の窒化ケイ素セラミックスの加工方法。
【請求項７】ＰＨが３以上６以下の水溶液中で前記光
を照射することを特徴とする、請求項２に記載の窒化ケ
イ素セラミックスの加工方法。
【請求項８】硝酸、塩酸、硫酸および王水からなる群
より選ばれた少なくとも１種の溶液中で前記光を照射す
ることを特徴とする、請求項７に記載の窒化ケイ素セラ
ミックスの加工方法。
【請求項９】ＰＨが８以上１１以下の水溶液中で前記
光を照射することを特徴とする、請求項２に記載の窒化
ケイ素セラミックスの加工方法。
【請求項１０】水酸化カリウムおよび水酸化ナトリウ
ムから選ばれた少なくとも１種の溶液中で前記光を照射
することを特徴とする、請求項９に記載の窒化ケイ素セ
ラミックスの加工方法。
【請求項１１】マスクを用いて前記レーザ光を処理
し、縮小投影することを特徴とする、請求項２または６
に記載の窒化ケイ素セラミックスの加工方法。
【請求項１２】レーザ発振器より発振される際の広が
り角度が０．２ｍｒａｄ以下であり、発振スペクトルの
半値幅が１０^-4ｎｍ以上、１０^-2ｎｍ以下であるレーザ
光を用いることを特徴とする、請求項１１に記載の窒化
ケイ素セラミックスの加工方法。