JPS6285433A - 研摩装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）技術分野 本発明は、レーザ光により、半導体、金属、ガラス等の
基板を加熱し、溶融し、表面を平滑にするようにした研
摩装置に関する。

半導体、金属、あるいはガラスの基板を用い、ミラー、
光導波路、レーザあるいはＬＥＤなどの光源、あるいは
検出器などの光学部品が作製される。

これらの光学部品は高精度が要求される。

（イ）従来技術 精度良く部品を仕上げるためには研摩しなければならな
い。

従来、これら光学部品の研摩は機械的研摩によって行わ
れていた。すなわち、金属製の回転円板の上で、これら
光学部品は、カーボランダム、アランダム、エメリーな
どで研摩し、さらにアルミナ、あるいはダイヤモンドの
微粉のペーストを用い仕上げ研摩がなされている。

しかし、これらの機械的研摩の場合、機械的な力によっ
て、構造が乱れた領域、加工層が生じる欠点があった。

このような加工変質層が生じると、これを除去しなけれ
ばならない。このため、化学薬品を用い、化学ボリシン
グを行い、加工変質層を除去するため工程が多くなる、
という欠点がある。

いまひとつの難点は、最終仕上げに於て、砥粒を段階的
に細くなるように選択してゆかなければならない。慎重
な操作が必要である。また、時間を要する工程になる。

（！７）　　　目　　　　的 光学部品の表面の最終仕上げを、簡便にかつ良質に仕上
げる研摩装置を提供することが、本発明の目的である。

光学部品が軟かい材質でできていたとしても、表面に加
工変質層が生じないようにした研摩装置を与えることが
、本発明の第２の目的である。

光学部品の形状、寸法がいかなるものであっても表面を
研摩することのできる適用範囲の広い研摩装置を与える
ことが本発明の第３の目的である。

に）構　成 機械的研摩にかえて、本発明は、レーザ光によシ、半導
体、金属あるいはガラスの基板を加熱１〜、表面の一部
を溶融し、基板の最終仕上げを簡便に、かつ良質に仕上
げることのできる研摩装置を提供する。

従来の機械的研摩に対して、光学的研摩と仮に呼ぶこと
ができる。これは対象となる部品の表面を加熱し、表面
の一部を溶融する事によって、平滑々表面を得るもので
ある。機械的研摩のように、表面の凸部を削り取ること
によって、表面を平滑にするものではない。

本発明が対象にする被加工物は、半導体、金属あるいは
ガラスである。多くの光学部品が対象になるが、前述の
ように、ミラー、光導波路、レーザ、　ＬＥＤ、検出器
、レンズなどが含まれる。

ミラーやレンズなどはガラス、或は金属膜をコーティン
グしたガラスなどで作られる。形状は平坦なものもあり
、凸面、凹面のものもある。

光導波路は、誘電体や半導体の上に作製される。

誘電体はガラス又は結晶質である。

レーザとここで言うのは半導体レーザ、固体レーザなど
である。半導体レーザの場合は半導体基板の上に活性層
やバッファ層など半導体薄膜が形成される。固体レーザ
の場合、レーザロッドが対象となるが、これはガラスで
作られる。

ＬＥＤは、半導体基板を基にして作製される。

検出器は、光検出器、圧力検出器、温度検出器など半導
体で作られるものがあり、これらの素子も特性を揃えた
シするため研摩しなければならない事がある。

このように対象となる光学部品は多様であるが、代表的
なものは基板であるから、以下、光学部品で研摩の対象
となるものを基板と呼ぶことにする。

しかし、これは平坦な平面部材のみを指すのではない。

本発明は、光学的研摩装置であるので、次の構成要素を
必要とする。

（１）　　レーザ発振装置 基板を加熱し表面の一部を溶融するものであるから、パ
ワーの大きいレーザでなければならなイ。ＣＯ２レーザ
、ＹＡＧ　ｖ−ザ、Ａｒレーザ々どが適する。

（２）導光路 レーザ発振装置に於て発生したレーザ光を基板表面へ導
くものである。

波長によって導光路の種類は異々る。ＹＡＧレーザ（波
長１．０６μｍ）の場合、石英ガラスファイバを導光路
とする事ができる。Ａｒレーザの場合も、石英ガラスフ
ァイバを用いる事ができる。

波長５．８μｍ＜７）　ｃｏ　ｖ−ザの場合は、Ａｓ−
５などカルコゲナイドガラスファイバを用いる事ができ
る。

波長１０．６μｍのＣＯ２レーザの場合は、臭化タリウ
ム（ＴＩＢｒ）あるいはヨウ化タリウム（ＴｎＩ）を基
板にした赤外ファイバ、又は臭化セシウム（Ｃ５Ｂｒ）
あるいはヨウ化セシウム（ＣｓＩ）を基材にした赤外フ
ァイバ、又は塩化銀（ＡｇＣｎ）或は臭化銀（ＡｇＢｒ
）を基材にした赤外ファイバを用いる。

導光路には、このように光を導くファイバの他に、レー
ザ側、基板側に窓やレンズを必要とする。これも使用す
るレーザに合わせて選択すべきである。

石英ガラス或はセレン化亜鉛を用いて、レンズ、窓を作
製し、集光の度合いを調整し、基板上のレーザ光のエネ
ルギー密度を調整する。

（３）基板の保持移動装置 これは基板を保持し、かつ移動させる装置である。基板
の寸法形状により、適当な治具を用いてこれを保持する
ようにする。

移動方向は、レーザ光に対して平行、垂直のいずれか或
は両方の移動がありうる。基板面積の方がレーザ光のス
ポットより大きいので、基板全面を研摩する必要がある
時、基板を動かすようにする。

レーザ光が焦点を結ぶようにするためには、レーザ光に
対し平行な方向に移動可能である事が望ましい。

レーザ光が基板の上を移動すればよいのであるから、保
持装置の方が静止しており、導光路の出射端が動くよう
になっていてもよい。基板と導光路の出射端が相対移動
するようにした装置をここでは基板の保持移動装置とい
っている。

（４）基板周囲の雰囲気を制御できる容器基板は容器内
に収容される。ここには、適当な雰囲気が導入される。

基板が酸化物の結晶或はガラスである場合は、加熱され
ても酸化されるという事はない。

しかし、多くの基板は大気雰囲気中で加熱すると酸化す
る惧れがある。この場合、酸化を防ぐために、真空、あ
るいは窒素、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気にする
のである。

さらに、化合物半導体基板の場合、レーザ光によって加
熱すると、揮発性元素が昇華するという惧れもある。こ
の場合は、揮発性元素を含む雰囲気にする必要がある。

このように、基板は雰囲気を導入できる容器の中に保持
されなければならない。

（５）雰囲気調整装置 これは、容器内を真空に引いたシ、窒素、アルゴンガス
、水素ガス、揮発性元素ガスを容器内に導入したシする
。ガスの圧力（分圧）を調整して、最適の条件にする。

本発明の装置は以上の構成から成っているが、第１図に
本発明の典型的な構成を示す。

レーザ発振装置１の前には、集光光学系７があって、こ
れによってレーザ光が絞られ、導光路２の端面に入射す
る。導光路２は自在に曲げることができ、他端は容器３
の中に差込まれている。

容器３の中には、基板保持移動装置４が設けられる。こ
の上に研摩されるべき基板５．５、・・・が置かれてい
る。容器３の底板には、雰囲気流通路があり、この終端
は雰囲気調整装置６に連通している。

第２図は導光路の出射端の一例を示す断面図である。光
ファイバ８はレーザ光を伝搬し、可撓性のある被覆の中
に収められている。光ファイバ８の出射端には窓又は集
光用のレンズ９が設けられる。１０は窓ホルダ又はレン
ズホルダである。

光ファイバ８の出射端から出たレーザ光は、窓を透過し
、あるいはレンズによって絞られて、被研摩基板に照射
される。

レーザエネルギーによって基板は加熱され、表面層の一
部は溶解し表面を平滑にする事ができる。

（４）作　用 本発明の装置に於て、レーザ光は導光路によって伝搬さ
れ、容器用に置かれた基板表面に照射される。基板表面
の温度が上り、表面の一部が溶融する。このため、平坦
な表面を得ることができる。

機械的に表面を削るのではなく、表面の一部を光エネル
ギーで溶融することによって、平滑な表面を得るのであ
る。

レーザ光は、ＣＯ２レーザ、ＹＡＧ　ｖ−ザ、Ａｒレー
ザなどパワーの強いレーザであればよいのであるが、研
摩の効率をよシ一層高めるためには、基板の吸収スペク
トルによって、レーザ光を選択することも有効である。

つまり、その基板の吸収係数の大きい波長のレーザ光を
用いると、より効率的である。吸収が多いと、無駄に透
過してしまうパワーが少ないわけであるから、発熱も大
きいのである。

レーザ光は基板表面で反射される成分もあるし、基板の
中へ入っても、透過してしまうものもある。

基板の中で吸収された光パワーだけが加熱溶融に役だつ
。

したがって、吸収が大きい、という事は有効々条件とな
る。

第３図は石英ガラス基板の透過率のスペクトルを示す。

横軸は波長（μｍ）で、縦軸は透過率（イ）である。０
．２μｍ〜４μｍの範囲で高い透過率が保たれる。つま
シ、この範囲で低い吸収係数を持つ。

ところが、ＣＯ２レーザの１０．６μｍの光に対しては
透過率は０である。ＣＯ２レーザの光は透過せず全て吸
収される。そこで、石英ガラス基板に対しては、Ｃｏ２
レーザの１０．６μｍの光が特に有効である。

この光は、効率よく石英ガラス基板を加熱することがで
き、容易に表面の一部を溶融することができる。

第４図はゲルマニウム基板の透過率スペクトルである。

２μｍ〜２０μｍの波長の光は良く通す。Ｌかし、２μ
ｍ以下の波長の光は全く通さない。波長１．０６μｍの
ＹＡＧレーザ光を照射すると、ゲルマニウム基板を効率
よく加熱し、表面を平滑にすることができる。

このように、基板材料が不透明になるような波長の光を
出すレーザを使うのが最も重重しい。

ナ）実施例 （１）光源として、８５Ｗ出力のＣＯ２レーザを用いる
。導光路としては、０．５朋φ、長さ２ｍの臭化銀−塩
化銀混晶赤外光ファイバを使用する。この赤外光ファイ
バは内径Ｑ、　７　ＭＷφ、外径１．２朋φのテフロン
チューブと、内径１．５朋φ、外径２．１闘φのステン
レスチューブ内に入れである。

光ファイバの入射、出射端には、反射防止膜付のセレン
化亜鉛レンズを設け、レーザ光を絞るようにした。

このような装置によって、石英ガラス基板に、Ｃｏ２レ
ーザ光を照射し、研摩した。

こうして、表面粗さが、はじめ０．０５μη２であった
ものが、研摩後０．０１μか２〜０．００５μη２にな
った。光学的に極めて良好な平滑面である。

（２）光源として１００ＷのＹＡＧレーザを用いる。導
光路としては、Ｑ、７ｆｆｆｆφの石英ガラスファイバ
を内’１１．（１ｍφ、外径１゜５闘φのステンレスチ
ューブに入れた長さ４ｍの光ファイバを使用する。

このような装置によって、ゲルマニウム基板を研摩した
。はじめの基板表面粗さは０．０７μｍであったが、研
摩後は、０．０２〜０゜００７μｍの光学的に良好な平
滑面が得られた。

（蛸効　果 （１）基板表面を光エネルギーによって加熱１〜、一部
を溶解する事によって平滑な表面を得る。物理的な接触
によらないので、機械研摩のような加工変質層が生じな
い。加工変質層がないので、化学ポリッシングなどによ
り加工変質層を除去する、というような操作が不要にな
る。

（２）段階的に砥粒を変える必要のある機械研摩と違い
、研摩装置の機械的構造及び工程が簡便である。

（３）　　導光路を用いるから、どのような場所、どの
よう々形状、寸法の基板に対１〜でも適用する事ができ
る。基板の形状、寸法の制限がない。

（４）研摩中の雰囲気を自由に制御できる。これは酸化
しやすい半導体基板などの研摩にとって都合のよい事で
ある。

（５）基板に対して不透明な光を出すレーザを用いて、
効率よく加熱、溶解するようにできる。

（６）機械的な力を加えないから、機械的強度に乏しい
材料の研摩にも用いる事ができる。

り）　　用　　　途 本発明は以下の材料の研摩に用いることができる。

（１）ミラー、レンズなど半導体、金属、酸化物ガラス
よりなる光学部品 （２）　　ＬＥＤ、　ＬＤなどの半導体装置（３）受光
素子その他のセンサとなる半導体基板（４）光導波路用
半導体基板、又はガラス基板

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の研摩装置の概略構成図。 第２図は光ファイバの出射端の一例を示す断面図。 第３図は石英ガラスの透過率のスペクトル。横軸は光の
波長、縦軸は透過率（イ）である。 第４図はゲルマニウムの透過率のスペクトル。 １　・・　　レーザ発振装置 ２　・・・　　導　　光　　路 ３・・・・容　　器 ４・・・・・基板保持移動装置 ５・・・・・基　　板 ６・・・・・・・・雰囲気調整装置 発明者　高橋謙− 葭田典之

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ発振装置と、レーザ発振装置で発生したレ
   ーザ光を導く導光路と、導光路から出射されたレーザ光
   が基板に照射されるよう基板を保持移動させる基板保持
   移動装置と、基板及び基板保持移動装置並びに導光路の
   出射端を内部に含み基板周囲の雰囲気を制御できる容器
   と、容器内の雰囲気を調整する雰囲気調整装置とよりな
   る事を特徴とする研摩装置。
2. （２）基板周囲の雰囲気として、真空、或は窒素、アル
   ゴンガスなど不活性ガスを用いる特許請求の範囲第（１
   ）項記載の研摩装置。
3. （３）レーザ発振装置がＹＡＧレーザであり、導光路が
   石英ガラス系ファイバであり、ＹＡＧレーザの光に対し
   不透明な基板を研摩する事とした特許請求の範囲第（１
   ）項記載の研摩装置。
4. （４）レーザ発振装置がＣＯ＿２レーザであり、導光路
   は臭化タリウム、ヨウ化タリウム、塩化銀、臭化銀、臭
   化セシウムあるいはヨウ化セシウムを基材とする赤外光
   ファイバであつて、ＣＯ＿２レーザの光に対し不透明な
   基板を研摩する事とした特許請求の範囲第（１）項記載
   の研摩装置。