(57)【要約】      （修正有）【課題】被加工物に対して効率的に穴加工を行う加工方法を提供する。【解決手段】ＳｉＣシャワープレート用の高アスペクト比の貫通細径穴加工のための加工方法は、レーザー照射部２２よりレーザ２１を照射し貫通穴を形成する工程Ｓ１０２と、貫通穴位置取得用カメラ３２による貫通穴位置計測工程Ｓ１０４と、研削ドリル４４によるウエットドリル加工工程（表面）と研削ドリル４４によるウエットドリル加工工程（裏面）Ｓ１１２とを組み合わせたハイブリッド穴加工方法。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板材料に対して、レーザにより貫通孔を形成する孔形成工程と、
形成された貫通孔の内壁面に対して、ドリルによって研磨加工を施す研磨工程と
を有する加工方法。
【請求項２】
前記孔形成工程において、貫通孔をドライで形成し、
前記研磨工程において、単結晶ダイヤモンドからなる研磨ドリルを用いて、ウェットにて研磨する
請求項１に記載の加工方法。
【請求項３】
形成された貫通孔の軸心を特定する軸心特定工程
をさらに有し、
前記研磨工程において、特定された軸心と同軸となるように、ドリルを位置決めして研磨する
請求項２に記載の加工方法。
【請求項４】
前記軸心特定工程において、貫通孔が形成された基板材料を撮影し、撮影された画像データに基づいて、貫通孔の軸心を特定する
請求項３に記載の加工方法。
【請求項５】
前記基板材料に形成された貫通孔の近傍に対いて、研磨剤が混入した洗浄液を高圧噴射する洗浄工程
をさらに有し、
前記研磨工程において、前記洗浄液により処理された後の貫通孔に対して、研磨加工を施す
請求項２に記載の加工方法。
【請求項６】
基板材料に対して、レーザにより貫通孔を形成する孔形成工程と、
形成された貫通孔の内壁面に対して、研磨剤が混入した洗浄液を高圧噴射する研磨洗浄工程と
を有する加工方法。
【請求項７】
炭化ケイ素からなる基板材料に対して、レーザにより貫通孔を形成するレーザ加工機と、
前記レーザ加工機により形成された貫通孔の内壁面に対して、研磨加工を施す研磨加工機と
を有する穴加工システム。
【請求項８】
前記レーザ加工機により形成された貫通孔の軸心を特定する軸心特定手段
をさらに有し、
前記研磨加工機は、前記軸心特定手段により特定された軸心に基づいて、研磨加工を施す
請求項７に記載の穴加工システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工方法、及び、穴加工システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、短パルスレーザが透過する被加工物に対して前記短パルスレーザを前記被加工物の一方側から照射し、照射された前記超短パルスレーザが前記被加工物の一方側を透過して他方側で集光し、前記他方側の面あるいは面近傍から前記被加工物を加工することを特徴とするレーザ加工方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−６６２９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、被加工物に対して効率的に穴加工を行う加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る加工方法は、基板材料に対して、レーザにより貫通孔を形成する孔形成工程と、形成された貫通孔の内壁面に対して、ドリルによって研磨加工を施す研磨工程とを有する。
【０００６】
好適には、前記孔形成工程において、貫通孔をドライで形成し、前記研磨工程において、単結晶ダイヤモンドからなる研磨ドリルを用いて、ウェットにて研磨する。
【０００７】
好適には、形成された貫通孔の軸心を特定する軸心特定工程をさらに有し、前記研磨工程において、特定された軸心と同軸となるように、ドリルを位置決めして研磨する。
【０００８】
好適には、前記軸心特定工程において、貫通孔が形成された基板材料を撮影し、撮影された画像データに基づいて、貫通孔の軸心を特定する。
【０００９】
好適には、前記基板材料に形成された貫通孔の近傍に対いて、研磨剤が混入した洗浄液を高圧噴射する洗浄工程をさらに有し、前記研磨工程において、前記洗浄液により処理された後の貫通孔に対して、研磨加工を施す。
【００１０】
また、本発明に係る加工方法は、基板材料に対して、レーザにより貫通孔を形成する孔形成工程と、形成された貫通孔の内壁面に対して、研磨剤が混入した洗浄液を高圧噴射する研磨洗浄工程とを有する。
【００１１】
また、本発明に係る穴加工システムは、炭化ケイ素からなる基板材料に対して、レーザにより貫通孔を形成するレーザ加工機と、前記レーザ加工機により形成された貫通孔の内壁面に対して、研磨加工を施す研磨加工機とを有する。
【００１２】
好適には、前記レーザ加工機により形成された貫通孔の軸心を特定する軸心特定手段をさらに有し、前記研磨加工機は、前記軸心特定手段により特定された軸心に基づいて、研磨加工を施す。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、被加工物に対して効率的に穴加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】穴加工システム１の構成を説明する図である。
【図２】研削装置４０の研削ドリル４４を説明する図である。
【図３】レーザ装置２０のレーザ照射部２２における構成を詳細に説明する図である。
【図４】プリズムレンズ２４と集光レンズ２６との離間距離に対するレーザ光２１の軸外れ量を示すグラフである。
【図５】穴加工方法（Ｓ１０）を説明するフローチャートである。
【図６】ＱＣＷファイバーレーザ加工における加工条件を示す図である。
【図７】貫通穴の測定結果（Ａ）、及び、貫通穴の撮影画像（Ｂ）を示す図である。
【図８】被加工物Ｗの加工時における空冷（Ａ）及び強制空冷（Ｂ）を行った場合の温度変化のシミュレーションを示する図である。
【図９】被加工物Ｗの加工時における水ミスト冷却を行った場合の温度変化のシミュレーションを示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
まず、本発明がなされた背景を説明する。
次世代パワー半導体材料の一つとして注目されている炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、ウエハの高品質化・大口径化、製造プロセス技術の進展によりパワーデバイス開発・量産化への動きが活発化しており、電車や自動車用途に高効率パワーデバイスとして本格的に普及する見込みである。 
しかしながら、ＳｉＣパワーデバイスの製造におけるプロセス装置内に使われるＳｉＣシャワープレート（消耗品）は、非常に硬く厚いため、貫通穴が数百穴になると加工が困難となる。また、貫通穴からパーティクルが発生すると成膜欠陥を引き起こすおそれがあるため、貫通穴の内壁面が鏡面状であることが必要となる。 
そこで、本発明では、ＳｉＣシャワープレート用の高アスペクト比の貫通細径穴加工のため特殊光学レーザによる一方面からの下穴加工技術（ドライ加工）と、高精細画像カメラによる穴位置決め技術と、単結晶ダイヤモンドドリルによる貫通鏡面研削加工技術（ウエット加工）を組み合わせたハイブリッド穴加工システム、及び、ハイブリッド穴加工方法を提供する。
【００１６】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、穴加工システム１の構成を説明する図である。
図１に例示するように、穴加工システム１は、被加工物Ｗに鏡面研削加工を施した貫通穴を穿設する穿孔システムである。ここで、被加工物Ｗは、例えば、主成分が炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、ダイヤモンド、二酸化ケイ素（ ＳｉＯ２）、シリコン（Ｓ ｉ）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）を主成分とする基板材料であり、本実施形態の被加工物Ｗは、単結晶炭化ケイ素（ＳｉＣ）シャワープレート用の円柱状のインゴットである。また、被加工物Ｗの厚みは、例えば、５.０ｍｍ以上１０.０ｍｍ以下の厚みであり、本実施形態の被加工物Ｗの厚みは７．５ｍｍである。
【００１７】
穴加工システム１は、レーザ装置２０と研削装置４０とを有し、本実施形態の穴加工システム１は、レーザ装置２０と研削装置４０とにより構成されている。
（レーザ装置２０）
レーザ装置２０は、被加工物Ｗに下穴となる貫通穴を穿設する下穴加工装置であり、本発明に係るレーザ加工機の一例である。レーザ装置２０は、レーザ照射部２２と、加工位置決め用カメラ３０とを有する。レーザ装置２０は、加工位置決め用カメラ３０により撮影された、被加工物Ｗの加工面におけるオリエンテーションフラットの撮影画像に基づいて、加工面における加工位置の座標を算出し、算出された座標から加工位置を決定し下穴加工を行う。
【００１８】
レーザ照射部２２は、レーザ光を発生させ、発生させたレーザ光を被加工物Ｗに照射する。被加工物Ｗに照射するレーザは、例えば、固体レーザである。固体レーザには、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、又は、超短パルスレーザが含まれる。なお、本実施形態における、被加工物Ｗに照射するレーザは、ファイバーレーザであり、具体的にはＱＣＷファイバーレーザである。
【００１９】
加工位置決め用カメラ３０は、被加工物Ｗにレーザを照射する座標位置を取得する撮影カメラである。加工位置決め用カメラ３０により撮影される画像は、静止画像または動画像であり、本実施形態の加工位置決め用カメラ３０は、静止画像を撮影する。
【００２０】
（研削装置４０）
研削装置４０は、レーザ装置２０により穿設した貫通穴に鏡面研削加工を行う研削装置であり、本発明に係る研磨加工機の一例である。研削装置４０は、研削部４２と、貫通穴位置取得用カメラ３２とを有する。研削装置４０は、貫通穴位置取得用カメラ３２により撮影された、被加工物Ｗの加工面の撮影画像に基づいて、被加工物Ｗの貫通穴の軸心を算出し（軸心特定手段）、算出された軸心と研削ドリルの軸心とを一致させた状態で、貫通穴の鏡面研削加工を行う。
【００２１】
図２は、研削装置４０の研削ドリル４４を説明する図である。
研削部４２は、チャックに固定した研削ドリル４４を軸方向に回転させ、回転させた研削ドリル４４で被加工物Ｗの貫通穴を研削する。貫通穴を研削する研削ドリル４４は、図２に例示するように、先端に単結晶ダイヤモンドドリルをロウ付けした工具であり、スカート長さＬｓは、例えば、５０μｍ（マイクロメール）以上５００μｍ（マイクロメール）以下の長さである。研削ドリル４４は、スカート長さＬｓを長くすることにより、工具寿命を長く保つことができる。
【００２２】
貫通穴位置取得用カメラ３２は、被加工物Ｗに形成された貫通穴の座標位置を取得する撮影カメラであり、少なくとも、分解能±５μｍ（マイクロメートル）以下の画像を撮影できるカメラである。言い換えると、少なくとも解像度２００万画素の画像を撮影できるカメラである。
貫通穴位置取得用カメラ３２により撮影される画像は、静止画像または動画像であり、本実施形態の貫通穴位置取得用カメラ３２は、静止画像を撮影する。
このように、本実施形態の穴加工システム１は、レーザ装置２０と研削装置４０とにより構成されている。
【００２３】
図３は、レーザ装置２０のレーザ照射部２２における構成を詳細に説明する図である。
図４は、プリズムレンズ２４と集光レンズ２６との離間距離に対するレーザ光２１の軸外れ量を示すグラフである。
図３に例示するように、レーザ照射部２２は、プリズムレンズ２４と平凸型の集光レンズ２６とを有し、プリズムレンズ２４と集光レンズ２６とが互いに離間し、かつ、２つのレンズが互いに対向する位置に配置されている。
レーザ照射部２２は、光源から照射したレーザ光２１をプリズムレンズ２４に入射させ、プリズムレンズ２４に入射したレーザ光２１を光軸から軸外し、これを集光レンズ２６で集光することにより加工が偏心する（図４）。ここに、プリズムレンズ２４を回転させる（回転プリズム）ことにより真円を描かせることができる。
また、レーザ照射部２２は、被加工物Ｗの加工面（表面）における加工位置にレーザ２１を照射し貫通穴を形成するときにおいて、焦点位置Ｆの位置を、被加工物Ｗの加工面から加工面の反対面（裏面）の方向に徐々に移動させながらレーザ２１を照射する。具体的には、焦点位置Ｆ１の位置から焦点位置Ｆｘの位置まで移動させる。これにより、被加工物Ｗに形成された貫通穴の形状が、被加工物Ｗの表面から裏面の方向にテーバ状となることを軽減し略円筒状とすることができる。
なお、ＳｉＣインゴットの厚さが薄い場合は、図３の様な光学系を用いなくても単純な静止光学系（たとえば凸レンズ等による集光光学系）でＱＣＷファイバーレーザにより比較的良好な貫通穴をあけることができることを実験から確認した。
【００２４】
図５は、穴加工方法（Ｓ１０）を説明するフローチャートである。
作業者は、穴加工方法（Ｓ１０）を行う前に、予め加工用テーブルに被加工物Ｗを設置し、設置後に穴加工システム１にＳ１０を実施させる。
図５に例示するように、ステップ１００（Ｓ１００）において、レーザ装置２０は、加工位置決め用カメラ３０に被加工物Ｗの加工面（表面）におけるオリエンテーションフラットを撮影させる。レーザ装置２０は、撮影された撮影画像に基づいて、加工面における加工位置の座標を算出し、算出された座標から加工位置を決定する。
【００２５】
ステップ１０２（Ｓ１０２）において、レーザ照射部２２は、被加工物Ｗの加工面（表面）における加工位置にレーザ２１を照射し貫通穴を形成する（いわゆるピアス加工）。  このとき、レーザ照射部２２は、焦点位置を、被加工物Ｗの表面から裏面の方向に徐々に移動させながらレーザ２１を照射する。これにより、被加工物Ｗに形成された貫通穴の形状が、被加工物Ｗの表面から裏面の方向にテーバ状となることを軽減することができる。
次に、穴加工システム１は、形成した被加工物Ｗの貫通穴のピアス粉（言い換えるとＳｉＣにおいては、グラファイト粉）を圧縮エアー又は高圧ウォータージェットで洗浄する。なお、圧縮エアーでの洗浄の場合、被加工物Ｗの表面付近のピアス粉は簡単に除去できるが、貫通内部にあるピアス粉は下穴径が小さいため除去は難しい。一方、高圧ウォータージェットでの洗浄の場合、圧縮エアーに比べて、表面付近のピアス粉も、貫通内部にあるピアス粉も除去が容易である。なお、本実施形態では、高圧ウォータージェットで貫通穴を洗浄する。なお、高圧ウォータージェットで貫通穴を洗浄する場合、研磨材を混入してもよい。これにより、ピアス粉の除去と同時に内壁面を研磨することができる。
次に、高圧ウォータージェットで貫通穴を洗浄後、被加工物Ｗを乾燥させる。
【００２６】
ステップ１０４（Ｓ１０４）において、研削装置４０は、貫通穴位置取得用カメラ３２に貫通穴を含む被加工物Ｗの加工面を撮影させる。研削装置４０は、貫通穴位置取得用カメラ３２により撮影された撮影画像に基づいて、被加工物Ｗの貫通穴の軸心の位置を算出する。
【００２７】
ステップ１０６（Ｓ１０６）において、研削装置４０は、算出された被加工物Ｗの貫通穴の軸心の位置と、研削部４２のチャックに固定した研削ドリル４４の軸心の位置とが一致するように、研削ドリル４４を配置する。具体的には、研削装置４０は、被加工物Ｗの貫通穴の軸心と、研削ドリル４４の軸心とが±５μｍ（マイクロメートル）以内の範囲となる位置に研削ドリル４４を配置する。
研削部４２は、被加工物Ｗの貫通穴の軸心と、研削ドリル４４の軸心とが一致する位置において、被加工物Ｗの表面から厚み半分程度までを貫通穴の内壁面を鏡面研削する。なお本実施形態では、被加工物Ｗの表面から４ｍｍ程度までを研削する。
【００２８】
ステップ１０８（Ｓ１０８）において、作業者は、被加工物Ｗの表裏を反転させる。なお、穴加工システム１が被加工物Ｗの反転を行ってもよい。
【００２９】
ステップ１１０（Ｓ１１０）において、研削装置４０は、貫通穴位置取得用カメラ３２に貫通穴を含む反転させた被加工物Ｗの加工面（裏面）を撮影させる。研削装置４０は、貫通穴位置取得用カメラ３２により撮影された撮影画像に基づいて、被加工物Ｗの貫通穴の軸心の位置を算出する。
【００３０】
ステップ１１２（Ｓ１１２）において、研削装置４０は、算出された被加工物Ｗの貫通穴の軸心の位置と、研削ドリル４４の軸心の位置とが一致する位置に、研削ドリル４４を配置する。具体的には、研削装置４０は、被加工物Ｗの貫通穴の軸心と、研削ドリル４４の軸心とが±５μｍ（マイクロメートル）以内の範囲となる位置に研削ドリル４４を配置する。
研削部４２は、被加工物Ｗの貫通穴の軸心と、研削ドリル４４の軸心とが一致する位置において、被加工物Ｗの裏面から厚み半分程度までを貫通穴の内壁面を鏡面研削する。なお本実施形態では、被加工物Ｗの表面から４ｍｍ程度までを研削する。
次に、穴加工システム１は、形成した被加工物Ｗの貫通穴のピアス粉（ＳｉＣにおいては、グラファイト粉）を高圧ウォータージェットで貫通穴を洗浄する。高圧ウォータージェットで貫通穴を洗浄後、被加工物Ｗを乾燥させる。
このように、穴加工システム１により、穴加工方法（Ｓ１０）を実施することができる。
【００３１】
以上説明したのように、本実施形態の穴加工システム１によれば、レーザによる下穴加工があるため研削ドリルの寿命を長く保つことができる。
また、穴加工システム１によれば、レーザによる下穴加工と単結晶ダイヤモンドドリルによる研削加工が分業化できるため、専用装置を用いる必要がない。
また、本実施形態の穴加工システム１によれば、ミニマルファブ化することができる。
【００３２】
［変形例］
次に、上記実施形態における変形例を説明する。
上記実施形態の穴加工方法（Ｓ１０）において、研削ドリル４４による鏡面研削加工を行う場合を説明したが、これに限定するものではなく、研削ドリル４４の代替として研磨材を高圧ウォータジェットに混入させたアブレーシブジェットによる鏡面研削加工を実施しても良い。
【００３３】
（実験内容：被加工物Ｗの表裏における貫通穴の直径測定）
Prima Power社製のレーザ加工設備「Laserdyne７９５＋ＱＣＷファイバーレーザ」を用いて、ＱＣＷファイバーレーザを用いた被加工物Ｗの加工を行い、被加工物Ｗの表裏における貫通穴の直径を測定した。  
図６は、ＱＣＷファイバーレーザ加工における加工条件を示す図である。
図７は、貫通穴の測定結果（Ａ）、及び、貫通穴の撮影画像（Ｂ）を示す図である。
図６に示すように、加工条件として、パルス幅０．３ｍｓｅｃ、周波数３０Ｈｚ、出力１９ｋｗ、アシストガス：ドライ空気、ガス圧１．６ＭＰａ、ノズル径２．０ｍｍ、ノズル高さ１．５ｍｍ、ピアスタイム１２ｓｅｃとして実験を行った。
その結果、ドライ空気をアシストガスとして、３０Ｈｚ＠１０ｓｅｃ加工を行った貫通穴のバラツキは、図７（Ａ）に示すようになった。このとき、被加工物Ｗの貫通穴断面の状態と、入射側（表面）の穴および出射側（裏面）の穴の状態とは、図７（Ｂ）に示すようになった。
【００３４】
（実験内容：ＳｉＣ加工における冷却方法の選定）
ＳｉＣ加工において熱伝導率が金属より小さいことからクラックや剥離が生じやすい。クラックや剥離が生じやすい原因は、過度な入熱によることが原因ではないかと想定し、以下のＱＣＷファイバーレーザ加工の冷却シミュレーションを実施した。
図８は、被加工物Ｗの加工時における空冷（Ａ）及び強制空冷（Ｂ）を行った場合の温度変化のシミュレーションを示する図である。
図９は、被加工物Ｗの加工時における水ミスト冷却を行った場合の温度変化のシミュレーションを示する図である。
図８及び図９に示すシミュレーションから、アシストガスは、酸素（Ｏ２）、又は、ドライ空気のうち、ドライ空気を使用することが好適であることを確認した。これにより、化学反応熱低減することができる。
また、アシストガスノズルの高さは、１．５ｍｍ以下、具体的には０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下、より具体的には０．５ｍｍとすることが好適であることを確認した。これにより、アシストガスを効率的に貫通穴に流入させることができ、冷却効果の向上をはかることができる。
また、繰り返し周波数を３０Ｈｚ＠レーザピーク出力１９ｋｗで短時間加工を行うにあたり、アシストガスにドライ空気を使用し、水ミスト冷却を行いながらレーザ穴加工を行うことが熱影響を低減することに効果的であることを確認した。
【符号の説明】
【００３５】
１…穴加工システム
２０…レーザ装置
２１…レーザ光
２２…レーザ照射部
３０…加工位置決め用カメラ
４０…研削装置
４２…研削部
４４…研削ドリル
３２…貫通穴位置取得用カメラ
２４…プリズムレンズ
２６…集光レンズ
【図１】
2019166625.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2019166625.tif 000009
【図８】
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【図９】
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