JP2014177068A - 単結晶体の劈開方法および劈開装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単結晶ダイヤモンドのように、劈開に一定以上のパワーを必要とし、また、劈開面が結晶の表面に対して傾斜しているような単結晶体であっても、容易に劈開することができる単結晶体の劈開方法および劈開装置を提供する。
【解決手段】単結晶体の表面に、単結晶体の劈開面に沿った溝部を形成する溝部形成工程と、溝部が形成された単結晶体を固定して溝部にカッター刃の先端を差し込んだ後、カッター刃の先端で溝部の底を劈開面に沿って加圧しながら、溝部が形成された面以外の面から単結晶体に超音波を印加することにより、単結晶体を劈開面に沿って劈開して、個片に分割する劈開工程とを備える単結晶体の劈開方法およびこの劈開方法で用いられる手段を備えている単結晶体の劈開装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、単結晶体を劈開して、切削工具、耐摩工具などの工具類に使用される単結晶体の個片を得る単結晶体の劈開方法および劈開装置に関する。

切削工具、耐摩工具などの工具類の中でも高精度の加工技術用の工具には、機械的な摩耗に強いなどの理由から、単結晶ダイヤモンドなどの単結晶体を小さな個片に分割したものが用いられている。

結晶体の分割には、一般的に結晶体が劈開面に沿って割れ易いという性質を利用した分割方法が広く用いられており、種々の技術が開発されている。

例えば、特許文献１には、ブレーキングカッターと、前記ブレーキングカッターを支持すると共に前記ブレーキングカッターを所定の方向に超音波振動させる超音波ホーンとを用いて、超音波パワーにより結晶質のウエハを分割する方法が提案されている。

そして、特許文献２には、材料基板にケガキ線を形成し、ケガキ線形成面または裏面側から超音波振動などの高周波振動を印加しながらケガキ線形成面に対して垂直または平行な方向に応力を加えて劈開させる方法が提案されている。

また、特許文献３には、ダイヤモンド単結晶の表面にイオンビーム、電子ビーム、レーザの何れかの手段を用いて（１１１）結晶面に対して平行な溝を設け、この溝に楔を打ち込んで、単結晶ダイヤモンドを分断する方法が提案されている。

特開平１０−１６３１３４号公報 特開２００２−７５９１４号公報 特開平３−１３８１０６号公報

しかしながら、特許文献１の方法の場合には、超音波パワーがカッター刃に充分に伝わらないため、単結晶ダイヤモンドなどの単結晶体の劈開に適用しようとしても、パワー不足により適切に劈開させることができない。また、カッター刃を振動させているため、カッター刃が破損消耗し易く、頻繁に交換する必要がある。そして、カッター刃と超音波振動部とは繋がっているため、劈開面に対するカッター刃の位置決めが困難であると共に、カッター刃を交換する毎に超音波条件を調整する必要がある。

そして、特許文献２の方法は、ウエハ等の平面基板を対象にした方法であり、単結晶ダイヤモンドのような表面に対して劈開面が斜めとなるような単結晶体を劈開する場合には適用することができない。

また、特許文献３の方法の場合には、設けられた溝に楔を打ち込む際に過大な力を要し、容易に劈開することができない。

そこで、本発明は、単結晶ダイヤモンドのように、劈開に一定以上のパワーを必要とし、また、劈開面が結晶の表面に対して傾斜しているような単結晶体であっても、容易に劈開することができる単結晶体の劈開方法および劈開装置を提供することを課題とする。

請求項１に記載の発明は、
単結晶体の表面に、前記単結晶体の劈開面に沿った溝部を形成する溝部形成工程と、
前記溝部が形成された前記単結晶体を固定して前記溝部にカッター刃の先端を差し込んだ後、前記カッター刃の先端で前記溝部の底を前記劈開面に沿って加圧しながら、前記溝部が形成された面以外の面から前記単結晶体に超音波を印加することにより、前記単結晶体を前記劈開面に沿って劈開して、個片に分割する劈開工程と
を備える単結晶体の劈開方法である。

本請求項に記載の発明においては、カッター刃の先端で溝部の底を劈開面に沿って加圧しながら単結晶体に超音波を印加するため、溝部の底に十分な力を加えて単結晶体を容易に劈開して、個片に分割することができる。

そして、カッター刃自体に超音波を印加するのではなく、単結晶体に超音波を印加しているため、溝部の底に充分な超音波パワーを伝えることができ、過大な力を加えなくても、単結晶体を容易に劈開することができる。

また、カッター刃を超音波振動させていないため、カッター刃が破損消耗しにくく、また、カッター刃の交換毎に超音波条件を調整する必要がなく、さらに、カッター刃の位置決めを容易に行うことができる。この結果、単結晶ダイヤモンドのような劈開面が表面に対して傾斜しているような単結晶体であっても正確かつ確実に劈開させることができる。

以上のような特徴を有するため、本発明の劈開装置によれば、従来では困難であった単結晶ダイヤモンドのような単結晶体の劈開作業の自動化を容易に行うことができる。

請求項２に記載の発明は、
前記溝部形成工程が、前記単結晶体の表面にレーザを照射することにより前記溝部を形成する工程である請求項１に記載の単結晶体の劈開方法である。

レーザを照射して溝部を形成する方法は、工具などを用いて結晶体の表面を罫書く方法に比べて容易に高い精度で劈開面に沿った溝部を形成することができる。

請求項３に記載の発明は、
前記劈開工程において、前記溝部が形成された面の反対側の面から、前記単結晶体に超音波を印加する請求項１または請求項２に記載の単結晶体の劈開方法である。

溝部が形成された面の反対側の面から前記単結晶体に超音波を印加することにより、溝部に対して適切に超音波を印加できるとともに、カッター刃の位置決めを容易に行うことができる。

請求項４に記載の発明は、
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の単結晶体の劈開方法を用いて、単結晶ダイヤモンドを劈開する劈開方法である。

本発明に係る単結晶体の劈開方法は、表面に対して劈開面が傾斜している単結晶体についても正確かつ確実に劈開させることができるため、単結晶ダイヤモンド、サファイア、ＳｉＣなど、表面に対して劈開面が傾斜している単結晶の劈開に好ましく適用することができ、これらの内でも、特に、非常に硬い単結晶ダイヤモンドの劈開に適用した場合、本発明の効果を顕著に発揮させることができる。

請求項５に記載の発明は、
表面に劈開面に沿った溝部が形成された単結晶体を、溝部形成面とは異なる面で固定する固定部材と、
固定された前記単結晶体の前記溝部に先端が差し込まれるカッター刃と、
前記カッター刃の先端で前記溝部の底を前記劈開面に沿って加圧するための加圧部と、
前記固定部材に取り付けられており、前記固定部材から前記単結晶体に超音波を印加する超音波印加部と
を備えている単結晶体の劈開装置である。

本請求項の発明においては、前記したとおり、カッター刃の先端で溝部の底を劈開面に沿って加圧しながら単結晶体に超音波を印加するため、溝部の底に十分な力を加えて単結晶体を容易に劈開して、個片に分割することができる。

また、カッター刃自体に超音波を印加するのではなく、単結晶体に超音波を印加しているため、溝部の底に充分な超音波パワーを伝えることができ、過大な力を加えなくても、単結晶体を容易に劈開することができる。

請求項６に記載の発明は、
前記固定部材は、前記超音波振動部に取り外し自在な部材である請求項５に記載の単結晶体の劈開装置である。

本請求項の発明においては、固定部材が超音波振動部から取り外し可能であるため、劈開作業が完了した単結晶体（ワーク）を容易に交換することができると共に、溝部形成工程と劈開工程との間でワークを容易に移動させることができる。

請求項７に記載の発明は、
前記固定部材が、ステンレス、銅、アルミ合金の何れかにより形成されている請求項５または請求項６に記載の単結晶体の劈開装置である。

固定部材は、超音波伝導性が高い素材から構成されていることが好ましい。ステンレス、銅、アルミ合金は、安価であるとともに、超音波伝導性が高いため、超音波印加部から発振された超音波を単結晶体に効率的に印加することができる。

本発明によれば、単結晶ダイヤモンドのように、劈開に一定以上のパワーを必要とし、また、劈開面が結晶の表面に対して傾斜しているような単結晶体であっても、容易に劈開することができる単結晶体の劈開方法および劈開装置を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る劈開装置の全体構成を模式的に示す図である。 図１の劈開装置の部分拡大図である。

以下、実施の形態に基き、本発明を詳細に説明する。

１．劈開装置
はじめに、本実施の形態に係る単結晶体の劈開装置について説明する。図１は、本実施の形態に係る劈開装置の全体構成を模式的に示す図であり、図２は部分拡大図である。

図１および図２に示すように、劈開装置１は、単結晶体Ｗを固定する固定部材３と、固定された単結晶体Ｗの溝部Ｗ１に先端２ａが差し込まれるカッター刃２と、カッター刃２の先端２ａで溝部Ｗ１の底を劈開面に沿って加圧するための加圧部としての加圧シリンダー６と、固定部材３に取り付けられており、固定部材３から単結晶体Ｗに超音波を印加する超音波印加部としての超音波ホーン４とを備えている。なお、図２中の符号５は、単結晶体Ｗと固定部材３とを固定する接着剤であり、固定された単結晶体Ｗの表面に劈開面に沿った溝部Ｗ１が形成されている。

超音波ホーン４は、上部に固定部材３を取り付けるための凹部４１が設けられており、単結晶体Ｗに超音波を印加する超音波印加部としての役割以外に、台座としての役割を兼ねている。また、超音波ホーン４は、ジュラルミンなどにより形成される。

固定部材３は、ステンレス、銅、アルミ合金などにより形成された断面Ｌ字型の部材であり、底面３ａと側面３ｂがそれぞれ超音波ホーン４の凹部４１の底面と側面とに接するように着脱自在に取り付けられている。

カッター刃２は、超音波ホーン４の上方に配置されており、上下方向に移動可能である。カッター刃２は、固定部材３に固定された単結晶体Ｗの溝部Ｗ１にカッター刃の先端２ａを差し込み、加圧部により矢印Ｐの方向に所定の圧力で加圧することができるように配置されている。

２．劈開方法
次に、上記の劈開装置１を用いた劈開方法について説明する。先ず、超音波ホーン４から取り外した固定部材３の底面３ａに接着剤５を塗布し、固定部材３の側面３ｂに対して単結晶体Ｗの劈開面が略平行になるように単結晶体Ｗを固定する。

次に、固定部材３に固定された単結晶体Ｗの表面に、単結晶体Ｗの劈開面に沿った複数の溝部Ｗ１を形成する。好ましい溝部Ｗ１の間隔は０．２〜０．６ｍｍである。

溝部Ｗ１を形成する手段としては、例えばＹＡＧレーザ（出力：１０Ｗ）などのレーザを単結晶体Ｗの表面に対して照射し、劈開面に沿って走らせるレーザスクライブ法が用いられる。具体的には、レーザの強度や走行速度を調整して、カッター刃２を適切に差し込むことができる程度の深さに溝部Ｗ１を形成させる。

次に、固定部材３を超音波ホーン４の凹部４１に取り付け、溝部Ｗ１が上方に向くように固定する。その後、カッター刃２を降下させて、溝部Ｗ１にカッター刃の先端２ａを差し込む。そして、カッター刃２に対して所定の応力Ｐを加え、溝部Ｗ１の底に差し込まれたカッター刃２を、単結晶体Ｗの劈開方向に向かってさらに降下させる。なお、応力Ｐの大きさは単結晶体Ｗの材質などに応じて適宜調整される。

このとき、単結晶体Ｗに応力Ｐを加えると同時に、超音波ホーン４から所定の周波数、強度で超音波を発振させることにより、固定部材３の底面３ａと側面３ｂを経由して単結晶体Ｗに超音波を印加する。これにより、単結晶体Ｗは溝部Ｗ１が形成された劈開面に沿って劈開する。なお、超音波の周波数、強度および超音波の印加時間は、単結晶体Ｗの種類や固定部材３の材質などに応じて適宜調整される。

本実施の形態に係る単結晶体の劈開方法によれば、カッター刃２の先端２ａで溝部Ｗ１の底を劈開面に沿って加圧しながら単結晶体Ｗに超音波を印加するため、溝部Ｗ１の底に十分な力を加えて単結晶体Ｗを容易に劈開することができる。

さらに、カッター刃自体に超音波を印加するのではなく、単結晶体に超音波を印加しているため、溝部Ｗ１の底に充分な超音波パワーを伝えることができ、過大な力を加えなくても、単結晶体Ｗを容易に劈開して、個片に分割することができる。

次に、実施例に基づき本発明をより具体的に説明する。なお、以下においては、単結晶ダイヤモンドをシート状に劈開させている。

１．溝部の形成
高さ５ｍｍ、幅７ｍｍ、長さ５０ｍｍのステンレス製のＬ字型固定部材３に単結晶ダイヤモンドをセラミックスボンド（東亜合成株式会社製、商品名：アロンセラミック）で固定した。

そして、単結晶ダイヤモンドの劈開面である（１１１）結晶面に沿って、単結晶ダイヤモンドの表面にＹＡＧレーザ（１０Ｗ）を照射することによりケガキ加工を行い、所望する劈開厚さに合わせて０．６ｍｍ間隔で複数の溝部Ｗ１を平行に形成した。

２．劈開
次に、固定部材３を超音波ホーン４の凹部４１に固定し、加圧シリンダー６にカッター刃２（エヌティー株式会社製、商品名：ＮＴカッター）を固定し、カッター刃２の先端２ａを溝部に差し込んだ。

次に、精電舎電子工業株式会社製の超音波装置（ＳＯＮＯＰＥＴ Σ１２００）を用い、強度：７０％、周波数：１９．１５ｋＨｚ、時間０．１５秒の条件で超音波を単結晶ダイヤモンドに印加しながら、劈開面に沿って形成された溝部と平行にカッター刃の先端２ａを入れ込み、圧力０．１６５ＭＰａで加圧した。

これにより、単結晶ダイヤモンドが劈開面である（１１１）結晶面に沿って劈開された。

さらに、カッター刃２を溝部Ｗの間隔でスライドさせて、残りの溝部Ｗ１についても同様に劈開を行うことにより、厚さ０．６ｍｍにスライスされた単結晶ダイヤモンドの個片が得られた。このように、カッター刃２を破損させずに、単結晶ダイヤモンドを容易に小さな個片に劈開することができた。

以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることができる。

１ 劈開装置
２ カッター刃
２ａ カッター刃の先端
３ 固定部材
３ａ 固定部材の底面
３ｂ 固定部材の側面
４ 超音波ホーン
４１ 凹部
５ 接着剤
６ 加圧シリンダー
Ｗ 単結晶体
Ｗ１ 溝部
Ｐ 応力の方向

Claims (7)

1. 単結晶体の表面に、前記単結晶体の劈開面に沿った溝部を形成する溝部形成工程と、
   前記溝部が形成された前記単結晶体を固定して前記溝部にカッター刃の先端を差し込んだ後、前記カッター刃の先端で前記溝部の底を前記劈開面に沿って加圧しながら、前記溝部が形成された面以外の面から前記単結晶体に超音波を印加することにより、前記単結晶体を前記劈開面に沿って劈開して、個片に分割する劈開工程と
   を備える単結晶体の劈開方法。
2. 前記溝部形成工程が、前記単結晶体の表面にレーザを照射することにより前記溝部を形成する工程である請求項１に記載の単結晶体の劈開方法。
3. 前記劈開工程において、前記溝部が形成された面の反対側の面から、前記単結晶体に超音波を印加する請求項１または請求項２に記載の単結晶体の劈開方法。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の単結晶体の劈開方法を用いて、単結晶ダイヤモンドを劈開する劈開方法。
5. 表面に劈開面に沿った溝部が形成された単結晶体を、溝部形成面とは異なる面で固定する固定部材と、
   固定された前記単結晶体の前記溝部に先端が差し込まれるカッター刃と、
   前記カッター刃の先端で前記溝部の底を前記劈開面に沿って加圧するための加圧部と、
   前記固定部材に取り付けられており、前記固定部材から前記単結晶体に超音波を印加する超音波印加部と
   を備えている単結晶体の劈開装置。
6. 前記固定部材は、前記超音波振動部に取り外し自在な部材である請求項５に記載の単結晶体の劈開装置。
7. 前記固定部材が、ステンレス、銅、アルミ合金の何れかにより形成されている請求項５または請求項６に記載の単結晶体の劈開装置。

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