JPH0360796B2

JPH0360796B2 -

Info

Publication number: JPH0360796B2
Application number: JP58165049A
Authority: JP
Inventors: Kunio Koyabu; Junji Watanabe
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1983-09-09
Filing date: 1983-09-09
Publication date: 1991-09-17
Also published as: JPS6060995A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はセラミツクステンシルの製造方法およ
びその製造装置に関する。

一般に、焼結後のセラミツクスは、硬くて脆い
性質があるため、加工が困難である。このため、
粉末を出発原料とするセラミツクの加工は次のよ
うな方法によつていた。最初に、多結晶体合成用
原料の基になる素原料を水溶媒を用いて混合し、
その後、この混合物を乾燥、粉砕して焼結用原料
を作製する。ついで、焼結用原料に適当な結合剤
を加え、たとえば金型等を使用して成形体を形成
する。

その後、成形体に直接に、又は成形体の強度が
低い場合は、さらに仮焼して機械的強度を高めて
から、所定の形状や寸法にするための機械的加工
を施す。

成形体に対する機械加工終了後、加工物を焼結
して最終製品を得ていた。もちろん上記製造工程
においては、使用する原料や製品の目的に応じて
一部工程が省略されることもある。しかし、この
ような製造工程にしたがつて製造するときは、セ
ラミツクスの成形加工を機械的に行うため、形成
されるセラミツクスは単純な形状で、かつ、寸法
も比較的大きなものに限られ、複雑で、微細な形
状をもつセラミツクスを作製することは極めて困
難であつた。

一方、セラミツクを直接加工する方法として、
レーザ光と化学エツチングを組み合せたレーザア
シストケミカルエツチング法（以下、「LCE法」
という。）が知られている。

このLCE法は、エツチング液としての水酸化
カリウム（KOH）中に、セラミツク製基板（以
下、単に「セラミツク基板」という。）としてア
ルミナ・チタンカーバイト（Al₂O₃・TiC）を浸
漬しておき、基板表面にレーザ光を照射すること
に依り、レーザ光照射部分の基板温度が上昇し、
エツチングが促進されることを利用したものであ
り、エツチング部分が化学エツチング特有の滑ら
かな加工面を有している。

しかし、このLCE法にしたがつてセラミツク
基板を成形するときは、基板上のレーザ光照射面
附近から気泡が発生し、気泡がそのまま基板表面
に付着して、レーザ光が散乱されるため加工状態
が不安定となり、再現性が著るしく阻害される難
点があつた。

このほか、セラミツク基板を直接加工する他の
方法として、半導体装置の製造に利用されている
ドライエツチング法の応用が考えられる。

ドライエツチング法は、セラミツク基板表面を
ホトレジスト材料で被覆し、さらに、ホトレジス
ト被膜を、所望のエツチングパターンにマツチし
た形状にホトエツチングし、これをマスクとして
セラミツク基板露出面を化学エツチングする方法
である。

しかし、このようなドライエツチング法によ
り、セラミツクテンシルを製造しようとすると、
厚さ数10μmのセラミツク基板を貫通穴が形成す
るようにエツチングしなければならない。セラミ
ツクは、一般にドライエツチングされにくいの
で、ドライエツチング法により、セラミツク基板
を貫通するまで長時間化学エツチングしつづけな
ければならない。ところが、このような長時間の
エツチングに耐えられる適切なマスク材がまだ発
見されていないため、セラミツクステンシルの製
造にドライエツチング法を採用することは困難で
ある。

このような理由から、これまでにセラミツクス
テンシルが製造されたことがなく、またその製造
方法もなかつた。

このような事情に鑑み、本発明者等はセラミツ
クに穿孔を有するセラミツクテンシルを製造する
方法について種々研究を重ねた結果、前述の
LCE法がエツチング液中に浸漬したセラミツク
基板に、レーザ光を照射するだけにすぎなかつた
点を改良し、セラミツク基板表面に、常に、新し
いエツチング液が流れるようにエツチング液を循
環せしめるとともに、所望のエツチングパターン
に応じて、セラミツク基板表面にレーザ光を走査
すればよいとの見解に達し、本発明を完成するこ
とができた。

すなわち、本発明は、従来、難加工であつたセ
ラミツク基板に、所望の形状パターンの穿孔を明
確、かつ、正確に形成するセラミツクステンシル
の製造方法およびその製造装置を提供することを
目的とする。

上記本発明の目的は室温かつアルカリ濃度が２
％以上のエツチング液中にセラミツク製基板を固
定し、セラミツク製基板表面を１〜16wattのパ
ワーのレーザ光で走査することによつて達成され
る。

そして、このような製造方法を実施するために
は、レーザ光発振器と、レーザ光発振器から放射
されたレーザ光を被加工セラミツク基板に指向せ
しめ、かつ、集束する光学手段と、被加工セラミ
ツク基板表面におけるレーザ光の集束位置および
加工位置を監視し、コントロールするモニター手
段と、被加工セラミツク基板を固定し、エツチン
グ加工する容器と、エツチング貯蔵槽から上記エ
ツチング加工容器へエツチング液を循環せしめる
エツチング液循環手段と、上記エツチング加工容
器を互いに異なるＸ−Ｙ方向へ駆動する駆動手段
とから構成する装置によつて達成される。

本発明にかかる製造方法および製造装置を使用
すると、従来、難加工材料とされていたセラミツ
クに対して、所望の形状通りに、穿孔その他の加
工を正確、かつ、明確に施すことができるだけで
なく、微細形状の加工も施すことができる。

以下、実施例を挙げて、本発明の内容を具体的
に説明する。

実施例１第１図は、本発明にかかるセラミツクステンシ
ルの製造方法に直接使用する装置の構成図を示
す。第１図の装置は、レーザ光学系と、エツチン
グ液循環系と加工物走査系から成つている。

レーザ光学系は、レーザ発振器１（YAGレー
ザ使用）と、発振器１から放射されたレーザ光を
被加工セラミツク基板５に指向せしめ集束する半
透明鏡２および凸レンズ（集光レンズ）３とから
なる光学手段と、テレビモニター４とから成つて
おり、テレビモニター４は半透明鏡２、凸レンズ
３を介して、セラミツク基板表面に集光されるレ
ーザ光の焦点合せと、加工の位置決め監視に利用
される。

エツチング液循環系は、エツチング液貯蔵槽６
と、セラミツク基板５を固定し、エツチング加工
する容器７と、貯蔵槽６およびエツチング加工容
器７間を接続するエツチング液送入管８ａと送出
管８ｂと、送入管８ａに配設された貯蔵槽６のエ
ツチング液９をエツチング加工容器７内へ圧送す
るポンプ１０とから成つている。さらに、貯蔵槽
６からエツチング加工容器７へエツチング液を送
入する管８ａと送出する管８ｂ間に、分岐管１１
が配設され、送入管８ａと分岐管１１には、それ
ぞれバリアブル弁１２，１３が配置されており、
エツチング加工容器７へ送り込まれるエツチング
液の流量をコントロールできる構成になつてい
る。

加工物走査系は、エツチング加工容器７の底面
に配置され、当該容器７を互いに異なるＸ，Ｙ方
向に走査駆動するXYステージ１４で構成されて
おり、エツチング容器内に支持したセラミツク基
板５に対し、レーザ光を走査できるようになつて
いる。

この装置によつて、セラミツク基板５の表面
に、目的とする形状の穿孔を形成するには、 (1) 先ずエツチング液を入れたエツチング加工容
器７内のテーブル１５上にセラミツク基板５を
固定し、基板表面が浸漬される程度までエツチ
ング液を入れる。ついで、ポンプ１０を作動
し、エツチング容器７内へエツチング液を圧送
し、セラミツク基板５表面を常に新しいエツチ
ング液が流れるように貯蔵槽６とエツチング容
器７間を循環させる。この状態において、レ
ーザ発振器１からレーザ光を放射し、セラミツ
ク基板上面に焦点を結ぶようにテレビモニター
４を看視しながら、テーブル１５の高さを調節
する。さらに、所望の形状にしたがつた穿孔を
形成するには、形状パターンにしたがつてXY
ステージ１４をＸ又はＹ方向に駆動することに
よつて、基板５の上面に、所望の穿孔を形成す
ることができる。しかも、レーザ光照射により
セラミツク基板５上面から発生する気泡は、基
板表面を流れる循環エツチング液により、速か
に除去され、同時にレーザ光から受ける熱を奪
つて基板温度を一定に保つので、形成された穿
孔が精確に加工される。

以上述べた方法で、セラミツク基板上にレーザ
光を走査して形成された穿孔の溝の深さや幅の関
係を示すと、第２図のごとき特性図を得る。

すなわち、穿孔の溝の深さｄおよび幅Ｗはレー
ザパワー（Watt）に対し同じ傾向で増大してい
くことがわかる。しかし、形成される穿孔の断面
形状は、レーザパワーが小さい間は丸味のある形
状を示すが、パワーが大になると穿孔の底部が鋭
くなるように変化し、同時に穿孔内部の溝に凹凸
が発生しはじめ、レーザ加工の特徴が次第に強く
現われてくる。このため微細な成形加工を行う場
合には、使用できるレーザパワーに適正範囲があ
ることが判る。

また、エツチング液（KOH）の濃度を高くし
てゆくと、穿孔の溝幅ｗは余り変化しないが、溝
の深さｄは濃度にほぼ第３図に示すように比例す
るように増加することが判る。ただし、第３図に
おいて、曲線ａ，ｂおよびｃはそれぞれ基板に照
射したレーザ光のパワーが4Watt、6Wattおよび
8WattにしたときのKOH濃度対溝の深さｄの関
係を示す特性曲線である。

このようなエツチング液の高濃度化による加工
速度の増大は、微細形状加工の際、使用できるレ
ーザパワーの適用範囲を拡大する効果がある。し
たがつて、加工能率を上げる場合には、高濃度、
高パワーの条件で加工を行えばよいことが判る。

また、レーザ光の走査速度の速さは、形成され
る溝の深さに対し、ほぼ反比例して減少する影響
を与えるが、このときの溝幅は、わずかに減少す
るだけで、大きな変化はない。レーザ光の走査速
度を遅くしたときに、形成される溝の深さｄを、
一定のパワーのレーザ光を使用して、溝幅ｗとの
関係について調べた結果を第４図に示す。第４図
の結果から、溝の深さｄは変化は大きいが、溝幅
ｗはわずかに増大するにすぎない。この結果、穿
孔加工において、溝幅は、レーザ光のパワーによ
つてほぼ決まるが、同一のパワーのレーザ光であ
つても、走査速度を遅くすることによつて、溝幅
をほとんど変えずに深い溝を形成させることがで
きる。

また、レーザ光の発振を連続発振（cwモード）
からＱ−スイツチング（Ｑ−モード）に変えて
も、加工特性は連続発振の場合と同じ結果が得ら
れる。しかし、Ｑ−スイツチング法によるレーザ
光はシヤープなエネルギー分布をもつているた
め、連続発振のレーザ光よりも狭い幅をもつ溝を
穿つことができる。

しかし、この反面、Ｑ−スイツチレーザ光はシ
ヤープなエネルギー分布をもつため、レーザパワ
ーが小さく、体積除去速度は、連続発振モードに
よるものよりも小さい。

また、上記製造方法において、被加工セラミツ
ク基板表面を流れるエツチング液は、循環法によ
るものだけでなく、一般的に、流れているエツチ
ング液であればその態様は問わない。

次に微細形状加工の場合についての実施例をの
べる。

実施例２ CWモード（連続発振）で発振するレーザ発振
器１の代りに、Ｑスイツチモードで発振するレー
ザ発振器１′を使用する以外は第１図に示すと同
じ装置、および同じセラミツク基板５を使用し、
実施例１と同じ方法にしたがつて、セラミツク基
板５に微細加工を行つた。

ただし、基板５に照射するＱスイツチレーザ光
は、基板上の同一線上を多重ビーム走査すると、
狭い幅で深い溝を穿孔できるが、レーザ光を、一
定間隔を隔てて各線を平行に走査せしめることに
より、溝幅50μm、溝間隔200μm、深さ600μmの
断面をもち、櫛状の溝を形成することができた。

また、多重ビーム走査するレーザ光を20〜30度
の角度で交差させて照射しても、交差部（交差部
残り曲線半径約5μm）はシヤープで良好な形状に
加工できた。

実施例３セラミツク基板に、厚さ50μmのAl₂O₃・TiC基
板１６を使用する以外は、実施例２と同じ装置お
よび同じ方法により、Ｑスイツチレーザ光によ
り、第５図に示すごとく基板に最小50μmから最
大2000μmの寸法範囲の、種々の形状の穿孔１７
をもつセラミツクテンシルを作製することができ
た。

このようにして作製されたセラミツクテンシル
は、強度、耐熱性、精密な孔の形状から、たとえ
ばすぐマスク材として使用することができる。

実施例４実施例１と同じ処理および装置により、CWモ
ードにより、微小領域を平面加工した。ただし、
一回に光走査で形成される溝幅の1/4〜1/5を走査
間隔として、セラミツク基板面を走査して、加工
底面がほぼ平坦になるように平面加工することが
できた。

以上の記載から明らかなように、本発明にかか
るセラミツクステンシルは、形成された穿孔の形
状輪郭が明確で、しかも、微細に加工されている
ので、従来、難加工材料としてセラミツクステン
シルが作製されないため、セラミツクス製品の利
用分野が限定されていた現状に対し、セラミツク
製品の利用分野を拡大させる効果がある。

さらに、本発明にかかるセラミツクステンシル
の製造方法および製造装置は、従来のLCE方式
が、エツチング液を入れた容器にセラミツク基板
を浸漬し、レーザ光を照射したたけのの方法であ
るのに対し、エツチング液を循環せしめると共
に、レーザ光を被加工セラミツク基板に対し走査
することにより、従来、難加工材料とされたセラ
ミツクに対して、明確、かつ微細な形状を加工可
能となつた。さらに、薄いセラミツク基板であつ
ても、Ｑスイツチレーザを利用することにより効
率よくセラミツクステンシルを製造することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかるセラミツクステンシル
の製造装置の構成を示す断面図、第２図はセラミ
ツク基板に照射するレーザパワーと、形成される
溝幅ｗおよび溝深さｄの関係を示す特性図、第３
図はエツチング液（KOH）の濃度と形成される
溝深さｄとの関係を示す特性図、第４図は、セラ
ミツク基板に形成される溝深さｄと溝幅ｗとの関
係を示す特性図第５図は本発明にかかるセラミツ
クステンシルの製造方法によつて作製されたセラ
ミツクステンシルの斜視図である。１…レーザ発振器、２…半透明鏡、３…凸レン
ズ、４…テレビモニター、５，１６…セラミツク
基板、６…エツチング液貯蔵槽、７…エツチング
加工容器、８ａ…エツチング液送入管、８ｂ…エ
ツチング液送出管、１０…ポンプ、１１…分岐
管、１２，１３…バリアブル弁、１４…XYステ
ージ、１５…テーブル。

Claims

【特許請求の範囲】１室温かつアルカリ濃度が２％以上のエツチン
グ液流中にセラミツク製基板を固定し、セラミツ
ク製基板を１〜16wattのパワーのレーザ光で走
査することにより、一定形状の穿孔を形成するこ
とを特徴とするセラミツクステンシルの製造方
法。２レーザ光発振器と、レーザ光発振器から放射
されたレーザ光を被加工セラミツク製基板に指向
せしめ、かつ集束する光学手段と、被加工セラミ
ツク製基板表面におけるレーザ光の集束位置およ
び加工位置を監視するモニター手段と、被加工セ
ラミツク製基板を固定し、エツチング加工する容
器と、エツチング貯蔵槽から上記エツチング加工
容器へエツチング液を循環せしめるエツチング液
循環手段と、上記エツチング加工容器を、互いに
異なるＸ，Ｙ方向へ駆動する駆動手段とから成る
ことを特徴とするセラミツクステンシルの製造装
置。