JPH0740336A

JPH0740336A - ダイヤモンドの加工方法

Info

Publication number: JPH0740336A
Application number: JP5208711A
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: 1993-07-30
Filing date: 1993-07-30
Publication date: 1995-02-10

Abstract

(57)【要約】【目的】ダイヤモンド本体になんら影響を与えること
なく、加工により除去された炭素等に由来するグラファ
イトや無定形炭素の付着を無くして、ダイヤモンドを高
速で高精度に加工でき、平滑な加工面を得ることのでき
るダイヤモンドの加工方法を提供する。【構成】酸素、水素、不活性ガス等の雰囲気ガスのプ
ラズマ８中で、ダイヤモンド１にレーザー光１０のよう
な波長が１９０〜３６０ｎｍの光を照射することによ
り、ダイヤモンド１を加工する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ダイヤモンドに光を照
射することにより切断あるいは表面の研削等を行う、ダ
イヤモンドの加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドは全ての物質中で最も高い
硬度と熱伝導率を有する等、優れた特性を数多く有して
おり、これらの特性を利用して半導体装置のヒートシン
クや切削工具等の各種の工具類として広く使用されてい
る。ダイヤモンドをこれらの用途に使用する場合には、
所定の形状や表面状態に加工する必要があるが、ダイヤ
モンドは全ての物質中で硬度が最も高いので加工が非常
に困難である。

【０００３】従来、単結晶のダイヤモンドの加工に関し
ては、比較的加工し易い面方位及び方向がある程度把握
されており、その制限された範囲ではスカイフ研磨によ
り研削加工が行われている。しかし、多結晶ダイヤモン
ドの場合にはダイヤモンド粒子の面方位はあらゆる方向
を向いているため、スカイフ研磨によっても表面の平滑
化は難しかった。又、気相合成ダイヤモンドでは反りが
発生し易く、大面積のものでは反りが数十μｍにも及ぶ
場合があるため、スカイフ研磨等の機械研磨では研磨時
の機械的圧力により割れが発生して研磨不可能なことが
あった。

【０００４】しかも、スカイフ研磨は加工速度が１μｍ
／ｈ程度と非常に遅く、加工効率が極めて悪いという欠
点があった。又、スカイフ研磨においては試料の固定方
法に難しさがあるため、形状が小さすぎたり不定形の場
合には作業性が悪く、時として加工が不可能な場合もあ
った。

【０００５】一方、ダイヤモンドの切断加工に関して
は、導電性の焼結助剤を用いて焼結したダイヤモンド焼
結体の場合は、放電加工により切断が可能であった。し
かし、非導電性の焼結助剤を用いたダイヤモンド焼結体
や、単結晶ダイヤモンド及び気相合成ダイヤモンド等の
電気伝導性のないダイヤモンドには放電加工が使用でき
ない。そこでレーザーによる切断が考えられ、ＣＯ₂レ
ーザー、ＣＯレーザー、ＹＡＧレーザーを用いた切断加
工が従来から実施されている。

【０００６】しかし、これらのレーザーは波長が１μｍ
以上の赤外線を使用し、ダイヤモンドを加熱溶融させて
加工するため、熱により加工部周辺のダイヤモンドに劣
化が生じる欠点があった。又、ダイヤモンドの加熱溶融
により除去された炭素が加工面近くにグラファイトや無
定形炭素として堆積したり、レーザー光の照射により大
気中のＣＯ₂が分解して生成したすすの様な無定形炭素
がダイヤモンド表面に付着する欠点があった。

【０００７】ダイヤモンドの加工面付近に付着堆積した
グラファイトや無定形炭素は、照射されるレーザー光を
吸収するので、エネルギー効率が低下して加工速度が非
常に遅くなり、更には加工面の形状に影響を与えて加工
精度を悪化させ、加工面の平滑度を低下させる。又、付
着したグラファイトや無定形炭素を除去するため、加工
後に機械的研削やレーザーによる蒸散あるいは酸による
エッチング処理等が必要であったり、低下した精度や平
滑度を向上させる目的で機械研磨による仕上げ加工が必
要であった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる従来
の事情に鑑み、光を照射してダイヤモンドを加工する方
法において、ダイヤモンド本体になんら影響を与えるこ
となく、加工により除去されたダイヤモンドの炭素等に
由来するグラファイトや無定形炭素の付着を無くして、
ダイヤモンドを高速で高精度に加工でき、平滑な加工面
を得ることのできるダイヤモンドの加工方法を提供する
ことを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明が提供するダイヤモンドの加工方法は、ダイ
ヤモンドに光を照射して加工する方法において、雰囲気
ガスのプラズマ中でダイヤモンドに波長が１９０〜３６
０ｎｍの光を照射することを特徴とする。

【００１０】

【作用】本発明者らは、波長が１９０〜３６０ｎｍの光
（紫外光）を照射することにより、ダイヤモンドを構成
している炭素−炭素結合が影響を受け、ダイヤモンドが
分解されることを見いだし、この知見に基づいてダイヤ
モンドを加工する新しい方法を提案するものである。即
ち、上記波長の光を集光して高いエネルギー密度の光を
照射することにより、多光子吸収が起こり入射光の大部
分がダイヤモンド表面で吸収され、ダイヤモンドにダメ
ージを全く与えることなく、効率の良い加工を行うこと
ができる。

【００１１】上記波長の光によりダイヤモンドを加工し
得るのは、下記の理由によるものと考えられる。即ち、
ダイヤモンドによる光の吸収は、高純度のIIａ型単結晶
ダイヤモンドの場合で図１に示す吸収曲線となる。図１
から解るように、ダイヤモンドによる光の吸収は、波長
が４００ｎｍから２４０ｎｍの領域で短波長になるほど
徐々に増加し、２２０ｎｍ付近で急激に増加して完全に
吸収される。

【００１２】この領域の光は紫外光であり、物質に吸収
されると主として化学結合の電子を励起させることが知
られている。特にダイヤモンドにおいては、波長が１９
０〜３６０ｎｍの範囲の光が炭素−炭素結合に大きな影
響を与え、しかも内部まで浸透せずに表面層でほぼ１０
０％吸収されるため、光の照射された表面部分でのみダ
イヤモンドの分解が進み、高速で効率の良い加工が可能
になる。

【００１３】しかしながら、上記の波長範囲の光を照射
してダイヤモンドの加工を行うと、従来の赤外線レーザ
ーによる加工の場合と同様に、ダイヤモンドから除去さ
れた炭素が加工面近くにグラファイトや無定形炭素とし
て堆積したり、光の照射により大気中のＣＯ₂が分解し
て生成したすすの様な無定形炭素がダイヤモンド表面に
付着することが避けられない。その結果、光のエネルギ
ー効率が低下して加工速度が遅くなったり、加工精度の
悪化や加工面の平滑度を低下させる等の不都合が認めら
れた。

【００１４】このグラファイトや無定形炭素の付着堆積
による不都合を解消するため、鋭意研究の結果、雰囲気
ガスのプラズマ中で波長１９０〜３６０ｎｍの光を照射
して加工することにより、ダイヤモンドから除去された
物質の飛行行程を延ばし、加工面の周辺に付着すること
を防止できることが判った。しかも、反応性の高いプラ
ズマを使用すれば、ダイヤモンドの表面でプラズマによ
るエッチング現象が起こるため、より高速の加工が可能
になることも確認された。

【００１５】具体的には、水素又は不活性ガスのプラズ
マを使用すれば、これらのプラズマによってグラファイ
トや無定形炭素は速やかにエッチングされ、ダイヤモン
ド表面に付着することなく除去される。これに対して上
記プラズマによるダイヤモンドのエッチング速度は極め
て遅いので、ダイヤモンドの加工は主に照射された光と
の反応によって進行する結果、非常に平滑な加工面が得
られる。尚、不活性ガスとしては、波長１９０〜３６０
ｎｍの紫外域に吸収端を持たないＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋ
ｒ、Ｘｅ等の不活性ガス、中でもＡｒ又はＨｅが好まし
い。

【００１６】一方、酸素のプラズマを使用した場合に
は、このプラズマによってグラファイトや無定形炭素の
みならずダイヤモンドも高速でエッチングされる。従っ
て、酸素プラズマ中で上記光の照射によりダイヤモンド
を加工すると、グラファイトや無定形炭素の付着を防ぐ
と同時に、ダイヤモンドは照射された光との反応による
加工に加えて酸素プラズマによりエッチングされるの
で、他の雰囲気中での加工よりも非常に高速な加工が可
能となる。

【００１７】しかしながら、酸素プラズマによるダイヤ
モンドのエッチング速度は酸素プラズマの濃度分布に鋭
敏に左右されるため、エッチング速度のばらつきで加工
面が粗れ易く、得られる加工面は水素又は不活性ガスの
プラズマの場合よりも平滑度において劣る。

【００１８】酸素プラズマによる加工面の粗れを防ぐた
めには、酸素に不活性ガスを混合してプラズマ化させ、
この混合ガスのプラズマ中で加工することが有効であ
り、高い加工速度で平滑度の高い加工面を得ることがで
きる。この場合、加工速度及び加工面の平滑度は混合ガ
ス中の酸素濃度に依存し、酸素濃度が高くなるほど加工
速度も速くなるが加工面の平滑度は低下する。望ましい
加工面の平滑度を得るためには、酸素濃度を２０体積％
以下とすることが好ましい。

【００１９】光源は波長１９０〜３６０ｎｍの紫外域の
光を照射できるものであれば良く、例えばＡｒＦ、Ｋｒ
Ｃｌ、ＫｒＦ、ＸｅＣｌ、Ｎ₂、ＸｅＦ等の固有の発振
波長を持つエキシマレーザーのようなレーザー、あるい
は上記紫外域を含む連続した波長帯を持つ水銀灯等を使
用することができる。水銀灯のような連続した波長帯を
持つ光源の場合は、そのまま連続波長帯の光を使用して
も良いが、光学フィルター等により波長帯域を狭帯域化
することが好ましい。尚、ＡｒＦエキシマレーザーは酸
素の吸収によるエネルギーの減衰が考えられるので、酸
素を含むプラズマ中での使用は避けることが望ましい。

【００２０】照射する光のエネルギー密度は、小さ過ぎ
るとダイヤモンドが分解されず、逆に大きすぎると加工
面以外を劣化させるので、１０〜１０¹¹Ｗ／ｃｍ²の範
囲が好ましい。パルスレーザー光を用いる場合には、１
パルス当たりのエネルギーの密度が１０^-1〜１０⁶Ｊ／
ｃｍ²の範囲が好ましい。上記の範囲内では、エネルギ
ー密度が高いほど加工速度が高くなる傾向があるので、
高エネルギーを発生できる装置を用いることが好まし
い。又、パルスレーザー光を用いる場合には、加工速度
はパルスの繰り返し周波数に比例して増加するので、装
置としては高繰り返しのレーザー発振器を使用すること
が好ましい。

【００２１】レーザー光はビーム内のエネルギー分布が
不均一であり、一般的にはこれが加工面の平滑さや精度
を低下させる原因となり得る。エネルギー分布を均質に
補正するビームホモジナイザー等も市販されているが、
これらの装置はビームのエネルギーを６割程度に減衰さ
せるためエネルギー効率が低下する欠点がある。しか
し、本発明のダイヤモンドの加工方法においては、レー
ザー光を円筒型レンズ又は円筒型ミラーにより線状に集
光して照射すれば、特にエネルギーの均質化を行わなく
ても、ビーム内のエネルギー分布と無関係に平滑な加工
面を得ることができる。

【００２２】円筒型レンズ又は円筒型ミラーでレーザー
光を集光する場合、レーザー発振器から発振されるレー
ザー光の広がり角度を５×１０^-1ｍｒａｄ以下と小さく
することで、レンズによる集光性を高めることが可能と
なるので、加工面のシャープさ及び平滑さの点で有利で
ある。更に精密な加工を要する場合には波長の狭帯域化
が有効であり、その場合には波長のバンド幅の半価幅を
１０^-4〜１０^-1ｎｍの範囲とすることが好ましい。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とがある。

【００２３】

【実施例】実施例１気相合成法により基板上に形成したダイヤモンド膜を、
図２及び図３に示す装置により水素プラズマ中にてエキ
シマレーザーを照射することにより加工した。即ち、表
面粗さＲａが３μｍであり、大きさが１０ｍｍ角で厚さ
が３５０μｍの板状のダイヤモンド１を支持台２に保持
し、反応室となる石英管３内に支持した後、石英管３内
に水素ガスを供給した。

【００２４】次に、図２のプラズマ発生装置により、マ
グネトロン４から２４５０ＭＨｚのマイクロ波を発振さ
せ、導波管５を通して石英管３を挟んで設けた共振器６
に導き、プランジャー７で定在波の発生を制御しながら
石英管３内のダイヤモンド１の表面に水素のプラズマ８
を発生させた。この時、石英管３内の圧力は５０Ｔｏｒ
ｒ、及びマイクロ波の出力は５００Ｗとした。

【００２５】この状態で、図３のレーザー光照射装置を
用いて、レーザー発振器９から２４８ｎｍの発振波長を
有するＫｒＦエキシマレーザーのレーザー光１０を発振
させ、このレーザー光１０をマスク１１で絞った後、誘
電体多層ミラーからなる反射ミラー１２及び合成石英の
凸型レンズからなる円筒型レンズ１３を通して長さ１０
ｍｍ幅１００μｍの線状に集光し、石英管３の石英窓１
４を通して水素のプラズマ８中でダイヤモンド１の表面
に照射した。照射したレーザー光１０のエネルギー密度
は７Ｊ／ｃｍ²、及びパルスの繰り返しは１００Ｈｚと
した。

【００２６】レーザー光１０は、反射ミラー１２の角度
及び円筒型レンズ１３の位置をそれぞれ図３の矢印方向
に連動して移動させることにより、ダイヤモンド１の表
面に１ｍｍ／分の速度で４回走査させた。即ち、長さ１
０ｍｍ幅１００μｍの線状に集光したレーザー光１０で
ダイヤモンド１の１０ｍｍの左右長さ方向を加工しなが
ら、１ｍｍ／分の速度でその直角方向に４回走査させる
ことにより、ダイヤモンド１の表面を除去した。

【００２７】加工後、ダイヤモンド１の厚さを測定した
ところ２００μｍになっており、その表面粗さＲａは
０.１μｍに平滑化されていた。又、得られたダイヤモ
ンド１の加工面は、仕上げ研磨や表面処理を行わなくて
もラマン分光分析に供することができ、ラマン散乱によ
るスペクトルの観察により１３３３ｃｍ^-1にダイヤモン
ド特有のシャープなピークが認められた。

【００２８】実施例２気相合成法により基板上に形成したダイヤモンド膜を、
実施例１と同様の装置を用いて、酸素プラズマ中でエキ
シマレーザーを照射することにより加工した。即ち、表
面粗さＲａが５μｍであり、大きさが２５ｍｍ角で厚さ
が５００μｍの板状のダイヤモンドを石英管内に支持
し、石英管内に供給した酸素ガスにマイクロ波を導入し
て酸素のプラズマを発生させた。この時、石英管内の圧
力は５０Ｔｏｒｒ、及びマイクロ波の出力は５００Ｗと
した。

【００２９】エキシマレーザーには３０８ｎｍの発振波
長を有するＸｅＣｌエキシマレーザーを使用し、このレ
ーザー光を実施例１と同様にして長さ２５ｍｍ幅１００
μｍの線状に集光して石英管内に導き、酸素のプラズマ
中でダイヤモンドの表面に照射した。照射したレーザー
光のエネルギー密度は７Ｊ／ｃｍ²、及びパルスの繰り
返しは１００Ｈｚとした。レーザー光は、反射ミラーの
角度及び円筒型レンズの位置を連動して移動させること
により、実施例１と同様にダイヤモンドの表面に２ｍｍ
／分の速度で４回走査させた。

【００３０】加工後、ダイヤモンドの厚さを測定したと
ころ２８０μｍになっており、その表面粗さＲａは０.
３μｍまで平滑化されていた。又、得られたダイヤモン
ドの加工面は、仕上げ研磨や表面処理を行わなくてもラ
マン分光分析に供することができ、ラマン散乱によるス
ペクトルの観察により１３３３ｃｍ^-1にダイヤモンド特
有のシャープなピークが認められた。

【００３１】比較のため、表面粗さＲａが４μｍであ
り、大きさが２５ｍｍ角で厚さが３５０μｍの板状のダ
イヤモンドを、酸素ガスを吹き付けながらＸｅＣｌエキ
シマレーザーを照射して加工した。レーザー光は図３の
装置と同じマスク、反射ミラー及び円筒型レンズを用い
て集光し、実施例１と同様に２ｍｍ／分の速度で４回走
査させた。レーザー光のエネルギー密度は１０Ｊ／ｃｍ
²、及びパルスの繰り返しは１００Ｈｚとした。加工後
のダイヤモンドの厚さは２００μｍ、その表面粗さＲａ
は０.５μｍであった。

【００３２】実施例３気相合成法により基板上に形成したダイヤモンド膜を、
実施例１と同様の装置を用いて、Ａｒプラズマ中でエキ
シマレーザーを照射することにより加工した。即ち、表
面粗さＲａが２.７μｍであり、大きさが２５ｍｍ角で
厚さが３５０μｍの板状のダイヤモンドを石英管内に支
持し、石英管内に供給したＡｒガスにマイクロ波を導入
してＡｒのプラズマを発生させた。この時、石英管内の
圧力は５０Ｔｏｒｒ、及びマイクロ波の出力は５００Ｗ
とした。

【００３３】エキシマレーザーには１９３ｎｍの発振波
長を有するＡｒＦエキシマレーザーを使用し、このレー
ザー光を実施例１と同様にして長さ２５ｍｍ幅１００μ
ｍの線状に集光して石英管内に導き、Ａｒのプラズマ中
でダイヤモンドの表面に照射した。照射したレーザー光
のエネルギー密度は１０Ｊ／ｃｍ²、及びパルスの繰り
返しは１００Ｈｚとした。レーザー光は、反射ミラーの
角度及び円筒型レンズの位置を連動して移動させること
により、実施例１と同様にダイヤモンドの表面に２ｍｍ
／分の速度で４回走査させた。

【００３４】加工後、ダイヤモンドの厚さを測定したと
ころ２００μｍになっており、その表面粗さＲａは０.
１μｍまで平滑化されていた。又、得られたダイヤモン
ドの加工面は、仕上げ研磨や表面処理を行わなくてもラ
マン分光分析に供することができ、ラマン散乱によるス
ペクトルの観察により１３３３ｃｍ^-1にダイヤモンド特
有のシャープなピークが認められた。

【００３５】実施例４気相合成法により基板上に形成したダイヤモンド膜を、
実施例１と同様の装置を用いて、Ａｒと５体積％の酸素
の混合ガスのプラズマ中でエキシマレーザーを照射する
ことにより加工した。即ち、表面粗さＲａが３μｍであ
り、大きさが１０ｍｍ角で厚さが４００μｍの板状のダ
イヤモンドを石英管内に支持し、石英管内に供給した混
合ガスにマイクロ波を導入してＡｒと酸素の混合ガスプ
ラズマを発生させた。この時、石英管内の圧力は５０Ｔ
ｏｒｒ、及びマイクロ波の出力は５００Ｗとした。

【００３６】エキシマレーザーには３０８ｎｍの発振波
長を有するＸｅＣｌエキシマレーザーを使用した。この
レーザー光を実施例１と同様にして長さ１０ｍｍ幅１０
０μｍの線状に集光して石英管内に導き、Ａｒと酸素の
混合ガスプラズマ中でダイヤモンドの表面に照射した。
照射したレーザー光のエネルギー密度は２０Ｊ／ｃ
ｍ²、及びパルスの繰り返しは１００Ｈｚとした。レー
ザー光は、反射ミラーの角度及び円筒型レンズの位置を
連動して移動させることにより、実施例１と同様にダイ
ヤモンドの表面に２ｍｍ／分の速度で４回走査させた。

【００３７】加工後、ダイヤモンドの厚さを測定したと
ころ２００μｍになっており、その表面粗さＲａは０.
２μｍまで平滑化されていた。又、得られたダイヤモン
ドの加工面は、仕上げ研磨や表面処理を行わなくてもラ
マン分光分析に供することができ、ラマン散乱によるス
ペクトルの観察により１３３３ｃｍ^-1にダイヤモンド特
有のシャープなピークが認められた。

【００３８】実施例５単結晶Ｉｂ型ダイヤモンドを、実施例１と同様の装置を
用いて、Ａｒと酸素の混合ガスプラズマ中でエキシマレ
ーザーを照射することにより切断した。即ち、大きさが
５ｍｍ角で厚さが１ｍｍの単結晶Ｉｂ型ダイヤモンドを
石英管内に支持し、石英管内にＡｒと酸素の混合ガスを
圧力５０Ｔｏｒｒにて供給し、出力５００Ｗのマイクロ
波を導入してプラズマを発生させた。

【００３９】エキシマレーザーには１９３ｎｍの発振波
長を有するＡｒＦエキシマレーザーを使用し、不安定共
振器とインジェクションロック機構を備えることにより
レーザー光の平行性を高め且つ発振波長を狭帯域化させ
た。このレーザー光を実施例１と同様にして長さ５ｍｍ
で幅１０μｍの線状に集光して石英管内に導き、Ａｒと
酸素の混合ガスプラズマ中でダイヤモンドの表面に照射
した。照射したレーザー光のエネルギー密度は１００Ｊ
／ｃｍ²、及びパルスの繰り返しは１００Ｈｚとした。

【００４０】この様にして、ダイヤモンド表面の法線方
向に平行にレーザー光を約１５０秒間照射することによ
り、上記の単結晶Ｉｂ型ダイヤモンドを切断することが
できた。得られた切断面は非常に平滑であり、表面粗さ
Ｒａは０.２μｍであった。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、光を照射してダイヤモ
ンドを加工する方法において、ダイヤモンド本体になん
ら影響を与えることなく、しかもグラファイトや無定形
炭素のダイヤモンドへの付着を防止しながら、ダイヤモ
ンドの切断や表面の研削を高速で実施することができ、
高精度で平滑化された加工面を得ることができる。

【００４２】従って、本発明のダイヤモンドの加工方法
は、ダイヤモンドの高硬度及び比較的弱い耐酸化性のた
め、従来は加工が困難であったり又は加工コストが非常
に高くなっていた分野に極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】IIａ型単結晶ダイヤモンドの吸収曲線である。

【図２】本発明方法を実施するための装置の一具体例
で、プラズマ発生装置を含む部分を示す概略の側面図で
ある。

【図３】本発明方法を実施するための装置の一具体例
で、レーザー光照射装置を含む部分を示す概略の側面図
である。

【符号の説明】

１ダイヤモンド２支持台３石英管４マグネトロン５導波管６共振器７プランジャー８プラズマ９レーザー発振器１０レーザー光１１マスク１２反射ミラー１３円筒型レンズ１４石英窓

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ダイヤモンドに光を照射して加工する方
法において、雰囲気ガスのプラズマ中でダイヤモンドに
波長が１９０〜３６０ｎｍの光を照射することを特徴と
するダイヤモンドの加工方法。
【請求項２】水素又は不活性ガスのプラズマ中で光を
照射し、平滑な加工面を得ることを特徴とする、請求項
１に記載のダイヤモンドの加工方法。
【請求項３】酸素のプラズマ中で光を照射し、高速で
ダイヤモンドを加工することを特徴とする、請求項１に
記載のダイヤモンドの加工方法。
【請求項４】不活性ガスと２０体積％以下の酸素ガス
との混合ガスのプラズマ中で光を照射することを特徴と
する、請求項１に記載のダイヤモンドの加工方法。