JPH1160376A - ダイヤモンドの加工方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ダイヤモンドの切断などの加工を、効率よく、
高速に行う。 【解決手段】ダイヤモンド１１に照射される光Ｌの波長
領域を、３．９μｍ〜７．０μｍの範囲に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ダイヤモンドにレ
ーザ光などの光を照射することによって当該ダイヤモン
ドを切断、研磨するなどの加工を行うダイヤモンドの加
工方法および装置に関し、特に高速かつ高効率に加工を
行うことができる加工方法および装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドにレーザ光などの光を照射
することによって当該ダイヤモンドを切断、研磨するな
どの加工を行う技術は、すでに公知のものになってい
る。

【０００３】たとえば、特開平７−４０３３６号公報、
特開平７−４１３８７号公報には、１．９０μｍ〜３．
６μｍの波長のレーザ光をダイヤモンドに照射してダイ
ヤモンドを切断等する技術が開示されている。

【０００４】また、発振波長が０．１９８〜０．２４８
μｍのＡrＦ、ＫrＦなどのエキシマレーザ光、発振波長
が１．０５〜２．１μｍのＹＡＧレーザ光、発振波長が
９．６２〜１０．６３μｍのＣＯ2レーザ光を使用して
ダイヤモンドを切断等する試みがなされている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】１９８７年２月１０日
に行われたニューダイヤモンドフォーラム第２回オープ
ンセミナーでのロンドン大学キングスカレッジのCollin
s教授の講演およびこの講演の内容を記載した「ダイヤ
モンドの物理的性質」（「NEW DIAMOND」vol.3 No.2 pp
22〜pp31）では、ダイヤモンドの吸収スペクトル分布が
明らかにされている。

【０００６】すなわち、図２のダイヤモンドの吸収スペ
クトル分布に示すように、ダイヤモンドは、所定波長領
域に光吸収のピークを有し、この波長領域で光の吸収強
度が高い。

【０００７】本発明者らは、このダイヤモンドの物理的
性質に着目し、ダイヤモンドの加工効率、加工速度との
関係について研究を行った。その結果、つぎのことが明
らかになった。

【０００８】まず、ダイヤモンドにレーザ光が吸収され
て切断等がなされる過程には、 １）光の振動数が、Ｃ−Ｃ結合（炭素間結合）間の振動
数に共振することによって、このＣ−Ｃ結合が切り離さ
れる過程 ２）ダイヤモンド中に存在する窒素などの不純物に光が
吸収され発熱が生じることによって、Ｃ−Ｃ結合が切り
離される過程の２種類がある。

【０００９】そして、これら１）、２）の寄与率は、吸
収される光の波長によって変化することが明らかになっ
た。すなわち、吸収される光の波長が小さくなると、
１）の寄与率が高くなり、逆に、吸収される光の波長が
大きくなると、２）の寄与率が高くなるということが明
らかになった。

【００１０】また、１）の寄与率が高いと、効率的に光
のエネルギーが吸収されていき加工効率（レーザ光発振
のための投入電力に対する加工速度の割合）は、よくな
るが、２）の寄与率が大きいと加工効率が悪くなるとい
うことが明らかになった。また、１）の寄与率が高いと
レーザ発振源として大出力が必要になるということも明
らかになった。

【００１１】結局、大出力を要せずに、加工効率、加工
速度のよい波長領域というものが存在し、その範囲が、
３．９〜７．０μｍの範囲であることが確認された。

【００１２】そこで、各レーザの種類と、１）のＣ−Ｃ
間共振による切離し、２）の不純物発熱による切り離し
の寄与率、レーザの出力（パワー）との関係を、まとめ
ると下記表のごとくなり、エキシマレーザ光の場合に
は、１）の寄与率が高いため、効率的に光のエネルギー
が吸収されるが、出力的には数Ｗ程度で、大出力化は困
難であるため、加工用のレーザ光としては、やや不適切
（△）という評価となった。なお、エキシマレーザに
は、エキシマレーザ光に対する光学系の材料の耐久性に
乏しいという問題もある。

【００１３】また、ＣＯ2レーザ光の場合には、大出力
（数１０ｋＷ）が実現可能であるものの、２）の寄与率
が高く、１）の寄与率がほとんどないため、光のエネル
ギーが効率的に吸収される割合が少なく、加工用のレー
ザ光としては、やや不適切（△）という評価となった。

【００１４】

【００１５】

【課題を解決するための手段および効果】これに対し
て、発振波長が５．０７８０７μｍ〜５．３５６９５μ
ｍのＣＯレーザ光を使用した場合には、１）の寄与率よ
りも２）の寄与率が高いものの、１）の寄与率がある程
度存在するため、光エネルギーの吸収効率としては良好
であり、また大出力（数ｋＷ）が得られるため、加工用
のレーザ光として、適切である（○）との評価が得られ
た。なお、ＣＯレーザはレーザ光に対する光学材料の耐
久性に優れるという利点もある。

【００１６】以上のような知見に基づき、本発明は、な
されたものであり、本発明では、ダイヤモンドに光を照
射して当該ダイヤモンドを加工するダイヤモンドの加工
方法において、前記ダイヤモンドに照射される光の波長
領域を、３．９μｍ〜７．０μｍの範囲に設定するよう
にしている。

【００１７】すなわち、この範囲の光を、ダイヤモンド
に照射するようにしたので、大出力を要しないで、光の
エネルギーを効率的に吸収させることができ、ダイヤモ
ンドの加工を、効率よく、高速に行うことができる。

【００１８】また、本発明では、特に、ＣＯレーザ光を
ダイヤモンドに照射するようにしている。

【００１９】すなわち、発振波長が５．０７８０７μｍ
〜５．３５６９５μｍのＣＯレーザ光を用いた場合に
は、光エネルギーの吸収効率としては良好であり、また
大出力（数ｋＷ）が得られるので、ダイヤモンドの加工
を、効率よく、高速に行うことができる。

【００２０】また、本発明では、特に、ＣＯ2レーザ光
の第２高調波の光を、ダイヤモンドに照射するようにし
ている。

【００２１】すなわち、発振波長が９．６２１１μｍ〜
１０．６３２４μｍのＣＯ2レーザ光の第２高調波（波
長４．８１０５５μｍ〜５．３１６２μｍ）を用いた場
合には、光エネルギーの吸収効率としては良好となり、
また大出力（数十ｋＷ）が得られるので、ダイヤモンド
の加工を、効率よく、高速に行うことができる。

【００２２】なお、ＣＯレーザ、ＣＯ2レーザはレーザ
光に対する光学材料の耐久性に優れるという利点もあ
る。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
るダイヤモンドの加工方法および装置の実施の形態につ
いて説明する。

【００２４】図１は本実施形態のダイヤモンド切断、研
磨装置の構成を概念的に示したものである。

【００２５】本実施形態では、レーザ発振器としてＣＯ
レーザ発振器１を想定している。

【００２６】このＣＯレーザ発振器１は、大きくは、Ｃ
Ｏレーザ光を、ガスを放電励起することによって生成す
るレーザチャンバ２と、このレーザチャンバ２で生成さ
れたレーザ光を共振させた後、外部に発振、出力させる
共振器３と、レーザチャンバ２内のガスを循環させつつ
液体窒素にて冷却する冷却装置４とから構成されてい
る。

【００２７】共振器３では、レーザチャンバ２で生成さ
れた光がハーフミラー５、６を介して往復移動される。
７は、たとえば曲率半径が３ｍのＡu（金）蒸着された
全反射ミラーであり、このミラー７によってハーフミラ
ー５を透過した光を反射させてレーザチャンバ２側に押
し戻される。共振器３で共振され、所望のエネルギーが
得られた光は、ハーフミラー６を透過して、ウインド８
から外部に出射される。ここで、波長選択素子を設け
て、所望の波長の光のみを出射させるようにしてもよ
い。要は、このＣＯレーザ発振器１から出射されるレー
ザ光としては、５．０７８０７μｍ〜５．３５６９５μ
ｍの範囲内の波長になっていればよい。

【００２８】レーザ発振器１から出射されたレーザ光Ｌ
は、光導入部９を介して被加工対象であるダイヤモンド
１１に導かれる。この光導入部９は、レーザ発振器１か
ら出射されたレーザ光Ｌを、反射角φ（たとえば２０
°）をもって被加工対象であるダイヤモンド１１に向け
て反射させる全反射ミラー１０を中心に構成されてい
る。このミラー１０は、たとえば曲率半径が２５０ｍｍ
のＡu（金）蒸着されたものである。ミラー１０で反射
されたレーザ光Ｌは、ミラー１０からたとえば１２０ｍ
ｍ離れたダイヤモンド１１に照射されることになる。

【００２９】被加工対象のダイヤモンド１１は、加工ス
テージ１２上に載置されている。この加工ステージ１２
は、Ｘ−Ｙステージ１３と、回転ステージ１４とからな
っており、図示せぬ制御装置、アクチュエータによって
駆動制御される。

【００３０】このため、Ｘ−Ｙステージ１３によって、
矢印Ｘ、Ｙに示すように、ダイヤモンド１１の位置が水
平方向の任意の位置に移動される。また、回転ステージ
１４によって、矢印θに示すように、ダイヤモンド１１
の姿勢角θが任意の角度に変化される。

【００３１】また、ダイヤモンド１１のレーザ光Ｌが照
射される部位には、雰囲気導入管１５を介して図示せぬ
ボンベを介してアシストガスが導入される。このアシス
トガスは、たとえばＯ2（酸素ガス）、Ａr（アルゴンガ
ス）であり、ダイヤモンド１１の加工部位を清浄にする
ことによって加工性を高め、切断等の加工をより高速で
行うために、ダイヤモンド加工部位に供給されるもので
ある。

【００３２】・第１の実施形態 図１に示すＣＯレーザ光によるダイヤモンド切断、研磨
装置を使用したダイヤモンドの切断加工例を以下説明す
る。

【００３３】まず、被加工対象のダイヤモンド１１は、
マイクロ波ＣＶＤ装置により以下の条件で生成した。

【００３４】すなわち、反応ガスとして水素、メタンを
使用して、メタンの濃度を１％とした。そして、この反
応ガスをマイクロ波により加熱して、プラズマを発生さ
せ、成膜室内のシリコン単結晶基板上にダイヤモンドを
成長させた。このシリコン単結晶基板は縦、横がそれぞ
れ１０ｍｍの大きさであるとする。また、このシリコン
単結晶基板は成膜を適正に行うために８５０°Ｃに保持
した。また、成膜室内の圧力は５ｋＰaとした。

【００３５】この結果、シリコン単結晶基板上に０．５
ｍｍ厚のダイヤモンド膜が成膜された。その後、フッ酸
によりシリコン単結晶基板のみを溶かして、ダイヤモン
ドのみの自立膜にして、これを上記加工ステージ１２上
に供給、載置した。

【００３６】結局、縦横がそれぞれ１０ｍｍで厚さが
０．５ｍｍの被加工対象ダイヤモンド１１が作成された
ことになる。

【００３７】つぎに、図１のダイヤモンド切断、研磨装
置を稼働させるべく、加工ステージ１２によりダイヤモ
ンド１１の位置、姿勢を切断加工のための位置、姿勢に
設定した。

【００３８】ダイヤモンド１１を切断加工する場合であ
るので、レーザ光Ｌの入射方向が、ダイヤモンド１１表
面に対して垂直（９０°）になるように（垂直入射）、
回転ステージ１４が駆動制御された。また、レーザ光Ｌ
の入射位置が、ダイヤモンド１１上の切断開始位置に位
置されるように、Ｘ−Ｙステージ１３が駆動制御され
た。

【００３９】そして、レーザ発振器１の出力が１ｋＷに
なるように、設定された上で、レーザ光Ｌの発振が開始
された。

【００４０】なお、雰囲気導入管１５からはアシストガ
スを供給しない状態で、つまりダイヤモンド１１の切断
部位の雰囲気を大気の状態にして加工を行った。

【００４１】このような諸条件の下で、５．０７８０７
μｍ〜５．３５６９５μｍの波長のレーザ光Ｌが、ダイ
ヤモンド１１の所望切断線に沿って移動するように、Ｘ
−Ｙステージ１３を駆動制御しつつ、切断加工を行っ
た。

【００４２】この結果、切断速度として、１０ｍｍ/ｓ
という結果が得られ、従来よりも高速で加工が行われる
という結果が得た。また、切断速度の高さの割に、レー
ザ発振器への投入電力を少なくすることができ、加工効
率に優れているという結果を得た。

【００４３】・第２の実施形態 つぎに、雰囲気導入管１５から酸素ガスをアシストガス
として供給した状態で、つまりダイヤモンド１１の切断
部位の雰囲気を酸素の状態にした上で加工を行った。こ
の酸素ガスの流量は、１．０（ｌ/ｍｉｎ）であった。
他の諸条件は、第１の実施形態と同じである。

【００４４】この結果、ダイヤモンド１１の切断速度と
して、１４ｍｍ/ｓという結果が得られた。アシストガ
スによる切断部位清浄効果によって、第１の実施形態と
比較して、さらに切断速度、加工効率が高くなっている
のがわかる。

【００４５】・第３の実施形態 つぎに、図１の装置を使用したダイヤモンドの研磨加工
例を以下説明する。

【００４６】つまり、ＣＶＤ装置によって成膜されたダ
イヤモンド膜表面（気相成長面）を、たとえば表面粗さ
５０μｍ ｍａｘの状態から、表面粗さ０．５μｍ以下
まで平滑化する場合である。

【００４７】ダイヤモンド１１を研磨加工する場合であ
るので、レーザ光Ｌの入射方向が、ダイヤモンド１１表
面に対して１０°になるように（斜め１０°方向入
射）、回転ステージ１４が駆動制御された。他の諸条件
は第１の実施形態と同じである。

【００４８】このように、ダイヤモンド１１の姿勢が位
置決めされた状態で、レーザ光Ｌを照射して加工を行っ
た所、５分の時間を要するだけで、ダイヤモンド１１表
面全体を、表面粗さ０．５μｍ以下にすることができ
た。従来よりも、きわめて短時間で効率的に研磨加工が
行われるという結果が得られた。

【００４９】・第４の実施形態 つぎに、雰囲気導入管１５から酸素ガスをアシストガス
として供給した状態で、つまりダイヤモンド１１の研磨
部位の雰囲気を酸素の状態にした上で研磨加工を行っ
た。この酸素ガスの流量は、１．０（ｌ/ｍｉｎ）であ
った。他の諸条件は、第３の実施形態と同じである。

【００５０】この結果、ダイヤモンド１１の研磨加工時
間として、３分という結果が得られた。アシストガスに
よる加工部位清浄効果によって、第３の実施形態と比較
して、さらに研磨速度、加工効率が高くなっているのが
わかる。

【００５１】・第５の実施形態 以上説明した実施形態では、ＣＯレーザを使用している
が、レーザ発振器としてＣＯ2レーザを発振出力するレ
ーザ発振器を使用してもよい。

【００５２】この場合、ＣＯ2レーザ光の発振波長は
９．６２１１μｍ〜１０．６３２４μｍであるので、Ｃ
Ｏレーザ光と同程度の波長にするべく、ＣＯ2レーザ発
振器から出力されるレーザ光の光路上に、ＣＯ2レーザ
光の発振波長の半分の波長（４．８１０５５μｍ〜５．
３１６２μｍ）の第２高調波を出力する所定の結晶が設
けられる。ＣＯ2レーザがこの所定の結晶に入射される
ことにより、その第２高調波が出射される。そして、こ
の波長４．８１０５５μｍ〜５．３１６２μｍの第２高
調波がダイヤモンド１１に照射されて、第１の実施形態
ないし第４の実施形態と同様にして加工が行われる。

【００５３】この結果、ＣＯ2レーザ発振器が、ＣＯレ
ーザ発振器と同じように大出力であるということと、Ｃ
Ｏレーザ光と同等の波長の光がダイヤモンド１１に照射
されることから、第１の実施形態ないし第４の実施形態
と同様に、高速で、高加工効率をもってダイヤモンドの
加工を行うことができる。

【００５４】なお、ＣＯレーザ、ＣＯ2レーザを使用し
た場合には、エキシマレーザを用いた場合に比較して、
レーザ光に対する光学材料の耐久性に優れるという効果
も得られる。

【００５５】・第６の実施形態 上記第１の実施形態〜第５の実施形態では、ダイヤモン
ドに照射される光の波長領域が、４．８１０５５μｍ〜
５．３５６９５μｍの範囲の場合について説明したが、
本発明としては、光の波長の範囲が、３．９μｍ〜７．
０μｍの範囲に設定されていればよい。このような範囲
に設定された波長の光をダイヤモンドに照射すること
で、従来よりも高速で、高加工効率をもって加工を行う
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の実施形態の装置構成を示す図で
ある。

【図２】図２はダイヤモンドの吸収スペクトル分布を示
す図である。

【符号の説明】

１ ＣＯレーザ発振器 １１ ダイヤモンド

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ダイヤモンドに光を照射して当該ダ
   イヤモンドを加工するダイヤモンドの加工方法におい
   て、 前記ダイヤモンドに照射される光の波長領域を、３．９
   μｍ〜７．０μｍの範囲に設定したことを特徴とするダ
   イヤモンドの加工方法。
2. 【請求項２】 前記ダイヤモンドに、ＣＯレーザ光
   を照射するようにした請求項１記載のダイヤモンドの加
   工方法。
3. 【請求項３】 前記ダイヤモンドに、ＣＯ2レーザ
   光の第２高調波の光を照射するようにした請求項１記載
   のダイヤモンドの加工方法。
4. 【請求項４】 ダイヤモンドに光を照射して当該ダ
   イヤモンドを加工するダイヤモンドの加工装置におい
   て、 波長領域が、３．９μｍ〜７．０μｍの範囲内に設定さ
   れた光を出力する光出力手段と、 前記光出力手段から出力された光を、前記ダイヤモンド
   に照射させる手段とを具えたダイヤモンドの加工装置。
5. 【請求項５】 前記光出力手段は、ＣＯレーザ光を
   発振するＣＯレーザ発振器である請求項４記載のダイヤ
   モンドの加工装置。
6. 【請求項６】 前記光出力手段は、ＣＯ2レーザ光
   の第２高調波の光を生成して出力する第２高調波生成手
   段である請求項４記載のダイヤモンドの加工装置。