特許 6265522 表面３次元構造部材の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6265522

(24)【登録日】2018年1月5日

(45)【発行日】2018年1月24日

(54)【発明の名称】表面３次元構造部材の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/53 20140101AFI20180115BHJP

   B23K 26/08 20140101ALI20180115BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/53

   B23K26/08 D

【請求項の数】11

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-38229(P2013-38229)

(22)【出願日】2013年2月28日

(65)【公開番号】特開2014-161908(P2014-161908A)

(43)【公開日】2014年9月8日

【審査請求日】2015年12月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】504190548

【氏名又は名称】国立大学法人埼玉大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000190116

【氏名又は名称】信越ポリマー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】池野 順一

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 秀樹

【審査官】 黒石 孝志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−４０４９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／１０８０５５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−１７２６３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１１７６７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−３６２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２２２７７２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／００ − ２６／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光を集光するとともに加工対象部材である単結晶部材の屈折率に対するレーザ光の集光を補正する機能を有する補正環を具備したレーザ集光手段を、前記単結晶部材の被照射面上に非接触に配置する第１工程と、
前記レーザ集光手段から前記被照射面までのレーザ光伝搬距離を前記被照射面での前記レーザ光の照射位置に応じて変更しつつ、前記レーザ集光手段により前記単結晶部材内部に前記レーザ光を集光することで、破断強度が低下した３次元構造の層を加工層として前記単結晶部材に形成する第２工程と、
を備え、
前記第２工程では、アパーチャーマスクを用いてレーザ光を均一パワービームにするとともに、前記補正環によって前記加工層の深さ方向に対する長さを短縮する内部加工層形成方法
によって形成した前記加工層に沿って剥離させることで、表面形状が前記加工層と同形状の表面３次元構造部材を製造することを特徴とする表面３次元構造部材の製造方法。

【請求項2】

前記加工層の深さ方向に対する長さを５００μｍ以下としたことを特徴とする請求項１記載の表面３次元構造部材の製造方法。

【請求項3】

前記加工層の深さ方向に対する長さを２００μｍ以下としたことを特徴とする請求項２記載の表面３次元構造部材の製造方法。

【請求項4】

前記加工層の深さ方向に対する長さを５０μｍ以下としたことを特徴とする請求項３記載の表面３次元構造部材の製造方法。

【請求項5】

前記加工層に、両サイドの非加工層側へ突起状に延び出す部位を配列することにより、前記両サイドの非加工層を溝が配列された形状にすることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の表面３次元構造部材の製造方法。

【請求項6】

前記加工層に、一方側の非加工層側へ円錐状に張り出すとともに他方側の非加工層に対してすり鉢状となる円錐部を配列することにより、前記一方側の非加工層をすり鉢状の凹部が配列された形状にするとともに、前記他方側の非加工層を円錐状の凸部が配列された形状にすることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の表面３次元構造部材の製造方法。

【請求項7】

前記加工層に、一方側の非加工層側へ非球面状で湾曲凸状に張り出すとともに他方側の非加工層に対して非球面状で湾曲凹状となる湾曲凸状部を配列することにより、前記一方側の非加工層を非球面状で湾曲凹状の凹み部が配列された形状にするとともに、前記他方側の非加工層を非球面状で湾曲凸状の隆起部が配列された形状にすることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の表面３次元構造部材の製造方法。

【請求項8】

前記湾曲凸状部を千鳥配列することを特徴とする請求項７に記載の表面３次元構造部材の製造方法。

【請求項9】

前記単結晶部材を保持して回転中心軸まわりに回転するとともに前記回転中心軸に沿って進退動可能なワーク保持機構に前記単結晶部材を保持させ、
前記レーザ集光手段から前記被照射面までのレーザ光伝搬距離を、前記回転中心軸からの回転半径位置に応じて変更しつつ前記加工層を形成することを特徴とする請求項１〜８の何れか一項記載の表面３次元構造部材の製造方法。

【請求項10】

前記レーザ光がパルス状のレーザ光であり、
前記回転半径位置に応じて、前記レーザ光の照射間隔および前記ワーク保持手段の回転速度の少なくとも一方を変更することで、回転方向に隣り合う集光点の距離を均等にすることを特徴とする請求項９記載の表面３次元構造部材の製造方法。

【請求項11】

前記単結晶部材として基板状の部材を用い、前記表面３次元構造部材を基板状とすることを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項記載の表面３次元構造部材の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、加工対象部材の被照射側の表面からレーザ光を照射して部材内部にレーザ光を集光することで加工層を形成する内部加工層形成方法、内部加工層形成部材、および、表面３次元構造部材に関する。

【背景技術】

【0002】

加工対象部材の表面側を意図した形状にするには、通常、加工対象部材を表面側から加工することで実現させている。表面側の加工としては、例えば切削加工や研削加工などである（例えば特許文献１参照）。

【0003】

切削加工は、大きく分けると直線研削と回転研削とに分けることができる。直線研削としては、加工対象部材を回転させておき、この加工対象部材にバイトを直接にあてて所定形状に加工することが挙げられる。回転研削では、フライスのように回転する工具で加工表面を削っていく加工や、バイトを用いた中ぐり加工などが挙げられる。

【0004】

研削加工は、通常、砥粒による加工であり、砥粒の一つ一つが刃として作用する加工である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平１０‐２８８８００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、加工対象部材を表面側から加工して意図した形状とする際に、種々の観点で不具合が生じることが度々ある。

【0007】

例えば、切削加工をおこなったときには切削途中で加工対象部材にクラックが入ることがある。また、切削中に加工歪みが加工対象部材に生じて加工対象部材の特性が変わってしまうこともある。更に、切削加工では加工による切り屑などが発生するので、その除去を行いつつ加工を続ける必要があり、切り屑をスムーズに除去できないこともある。

【0008】

切削加工中に加工歪みが入る対策としては、特許文献１では、非線形光学単結晶を機械加工した後、熱処理することで歪みを除去することが開示されている。しかし、歪みを完全に除去することは難しく、また、クラックの発生や切り屑の除去などの不具合は解消されていない。

【0009】

本発明は、上記課題に鑑み、意図した表面形状の加工物を不具合なく得ることを可能にする内部加工層形成方法、内部加工層形成部材、および、表面３次元構造部材を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明者らは、加工対象部材を表面側から加工して意図した形状とする際にこのような不具合が生じないような加工方法を鋭意検討した。

【0011】

そして、様々な検討を行っていく過程で、集光レンズでレーザ光の集光点を例えばインゴットなどの加工対象部材の内部に合わせてレーザ光を走査することにより、加工対象部材の内部に平面状の加工層（内部加工層）を形成し、この加工層を剥離面として加工対象部材の一部を基板として剥離することに着目した。

【0012】

そして、この剥離面を３次元形状とすることを考えつき、更に検討を重ね、本発明を完成するに至った。

【0013】

上記課題を解決するための本発明の一態様に係る内部加工層形成方法によれば、内部加工層形成方法は、レーザ光を集光するレーザ集光手段を、加工対象部材の被照射面上に非接触に配置する第１工程と、前記レーザ集光手段から前記被照射面までのレーザ光伝搬距離を前記被照射面での前記レーザ光の照射位置に応じて変更しつつ、前記レーザ集光手段により前記加工対象部材内部に前記レーザ光を集光することで、破断強度が低下した３次元構造の層を加工層として前記加工対象部材内部に形成する第２工程と、を備えたことを特徴とする。

【0014】

本発明の一態様に係る内部加工層形成部材によれば、内部加工層形成部材は、請求項１記載の内部加工層形成方法によって製造されたことを特徴とする。

【0015】

本発明の一態様に係る表面３次元構造部材によれば、請求項４記載の内部加工層形成部材の前記加工層から破断されることによって形成され、表面形状が前記加工層と同形状であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、意図した表面形状の加工物を不具合なく得ることを可能にする内部加工層形成方法、内部加工層形成部材、および、表面３次元構造部材を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の一実施形態で、レーザ集光手段により加工対象部材の被照射面からレーザ光を集光して内部に加工層を形成していくことを説明する模式的鳥瞰図である。

【図2】本発明の一実施形態で、レーザ光の照射により加工対象部材の内部に加工層が形成された内部加工層形成部材を説明する模式的部分断面図である。

【図3】本発明の一実施形態で、内部加工層形成部材から得られた表面３次元構造部材の部分断面図である。

【図4】実施例１で用いるレーザ加工装置の一例を示す斜視図である。

【図5】実施例１で製造される内部加工層形成単結晶部材を被照射面側から見た正面図である（破線は、加工層の凹凸の頂部および底部を示す）。

【図6】実施例１で、加工層から剥離させるために単結晶部材の両面に金属板を貼り付けたことを説明する模式的な側面図である（簡明のため、加工層を平面状に描いている）。

【図7】実施例１の実験例で、単結晶部材に形成された加工層の形状測定結果を示す斜視図である。

【図8】実施例１の実験例で、（ａ）は、被照射面を有する側の表面３次元構造単結晶部材の表面形状を示す写真図であり、（ｂ）は、加工層を挟んでこれと対向する側の表面３次元構造単結晶部材の表面形状を示す写真図である。

【図9】実施例２で、（ａ）は表面３次元構造単結晶部材を示す部分斜視図であり、（ｂ）は表面３次元構造単結晶部材の部分側面断面図である。

【図10】実施例３で、内部加工層形成単結晶部材の構成を示す側面断面図である。

【図11】実施例３で、表面３次元構造単結晶部材を示す部分斜視断面図である。

【図12】実施例４で、（ａ）は一方の表面３次元構造単結晶部材を示す部分斜視図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａ−Ａの断面図、（ｃ）は他方の表面３次元構造単結晶部材を示す部分斜視図である。

【図13】実施例５で、内部加工層形成単結晶部材の加工層から引き剥がされてなる表面３次元構造単結晶部材の表面形状を示す部分平面図である。

【図14】実施例５で、表面３次元構造単結晶部材の表面形状の変形例を示す部分平面図である。

【図15】実施例６で、（ａ）は表面３次元構造単結晶部材を示す斜視図、（ｂ）は表面３次元構造単結晶部材を製造することを説明する部分拡大側面断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

【0019】

また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

【0020】

また、以下の説明では、内部加工層形成部材として、単結晶部材内部に加工層を形成することで内部加工層形成単結晶部材、更には表面３次元構造単結晶部材を製造することを説明するが、単結晶部材以外の部材を用い、該部材内部に加工層を形成することで内部加工層形成部材や表面３次元構造部材を製造することももちろん可能である。

【0021】

図１は、本発明の一実施形態（以下、本実施形態という）で、レーザ集光手段により単結晶部材１０の被照射面２０ｔ（被照射側の表面）からレーザ光を集光して内部に加工層を形成していくことを説明する模式的鳥瞰図である。図２は、レーザ光の照射により単結晶部材１０の内部に加工層２１を形成して内部加工層形成単結晶部材２０（内部加工層形成部材）を形成することを説明する模式的断面図である。図３は、内部加工層形成単結晶部材２０から得られた表面３次元構造単結晶部材２６の部分断面図である。

【0022】

本実施形態で製造する内部加工層形成単結晶部材２０は、パルス状のレーザ光Ｂを被照射面２０ｔから照射して部材内部にレーザ光Ｂを集光することで、この被照射面２０ｔと離間した加工層２１と、その加工層２１を上下方向から挟む位置に非加工層２２とを有する。加工層２１には、被照射面２０ｔに対して凹凸が形成されており、加工層２１は、非加工層２２に比べて破断強度が低下した３次元構造の層となっている。本実施例では、加工層２１の層厚み方向の中心位置を示す面（平面）は、被照射面２０ｔに対して略平行となっている。なお、表面３次元構造単結晶部材２６を形成する際に加工層２１から破断できる限り、加工層２１の層厚み方向の中心位置を示す面は被照射面２０ｔに略平行でなくてもよく、被照射面２０ｔに交差する方向であってもよい。

【0023】

内部加工層形成単結晶部材２０を製造して表面３次元構造単結晶部材２６を得るには、レーザ光を集光するレーザ集光手段として例えば集光レンズ７２を、加工対象部材である単結晶部材１０の被照射面２０ｔ上に非接触に配置する。そして、単結晶部材１０の被照射面２０ｔに、調整したレーザ光Ｂを照射して単結晶部材１０内部にレーザ光Ｂを集光しつつ、集光レンズ７２と単結晶部材１０とをＸ方向（図１で紙面左右方向）、および、Ｚ方向（図１で紙面上下方向）に相対的に移動させて、単結晶部材１０内部に加工層２１を形成した内部加工層形成単結晶部材２０を製造する。その際、被照射面２０ｔにおけるＸ方向位置に応じて、集光レンズ７２から被照射面２０ｔまでのレーザ光伝搬距離が設定距離となるように単結晶部材１０をＺ方向に移動させることにより、集光点Ｄ（図１参照）のＺ方向位置を調整（変更）する。なお、単結晶部材１０をＺ方向に移動させることに代えて集光レンズ７２をＺ方向に移動させることも可能である。

【0024】

この結果、集光点Ｄに加工痕が形成されて、非加工層２２に比べて破断強度が低下した３次元構造の層が加工層２１として単結晶部材内部に形成される。

【0025】

加工層２１を形成することで内部加工層形成単結晶部材１０を製造した後、レーザ光Ｂの走査方向に対し垂直および平行な断面方向に加工層２１で破断させる。この結果、表面２６ｓ（図３参照）の形状が加工層２１と同形状である表面３次元構造単結晶部材２６（表面３次元構造部材。図２、図３参照）が容易に得られる。
このように、本実施形態では、非加工層２２に比べて破断強度が低下した３次元構造の層を加工層２１として単結晶部材１０の内部に形成することで、意図した表面形状の加工物を不具合なく得ることを可能にする内部加工層形成単結晶部材２０を形成することができ、また、加工層２１に引き剥がし力が加えられるように、内部加工層形成単結晶部材２０に力を加えることで、意図した表面形状の表面３次元構造単結晶部材２６を容易に得ることができる。

【0026】

（実施例１）
以下、本実施形態の具体的な一例として実施例１を説明する。図４は、本実施例で用いるレーザ加工装置の一例を示す斜視図である。図５は、本実施例で製造される内部加工層形成単結晶部材を被照射面側から見た正面図である。内部加工層単結晶部材２０の加工層２１は、３次元構造の層であって、被照射面２０ｔに対する所定の深さ方向位置（図５での紙面直交方向位置）に、中心から波状の凹凸が広がるように形成されており、図５の破線は、加工層２１の凹凸の頂部および底部を示している。

【0027】

本実施例のレーザ加工装置は、レーザ発振器７１、ズームエキスパンダー（図示せず）、偏向ミラー７３、アパーチャーマスク（図示せず）、対物用の集光レンズ７２、ＣＣＤカメラ７４、および、ワーク保持・回転機構７６を備えている。ワーク保持・回転機構７６は、加工対象部材（ワーク）である単結晶部材１０を保持して回転中心軸７６ｃまわりに回転するようになっている。このワーク保持・回転機構７６は、集光レンズ７２の中心軸７２ｃが回転中心軸７６ｃと一致する位置から回転半径方向（回転中心軸７６ｃに直交する方向、図４のＸ方向）に移動可能となっているとともに、回転中心軸７６ｃに沿った方向（図４のＺ方向）に進退動可能となっている。

【0028】

本実施形態では、レーザ発振器７１から発せられたレーザ光Ｂをズームエキスパンダーで任意の径まで拡大させることが可能になっている。そして、偏向ミラー７３で偏向して、集光レンズ７２の入射瞳径に対して同径もしくは大きい径を有するビーム径に調整することが可能になっている。

【0029】

レーザ光Ｂは、単結晶部材１０の被照射面２０ｔに集光レンズ７２を介して照射される。なお、集光レンズ７２は単結晶部材１０の屈折率に対するレーザ光Ｂの集光を補正する機能を有する補正環を具備してもよい。この補正環を適宜調整することにより内部集光状態の最適化が得られ、加工層２１（内部加工層）の深さ方向に対する長さの短縮や、加工層２１の破断強度低下の効果が得られる。なお、加工層２１の深さ方向の長さは５００μｍ以下、好ましくは２００μｍ以下、さらに好ましくは５０μｍ以下であることが、加工層２１の三次元形状と同形状の表面形状を得るために好ましい。

【0030】

このレーザ光Ｂは単結晶部材１０がシリコンの場合は、例えばパルス幅が１μｓ以下のパルスレーザ光からなり、９００ｎｍ以上の波長、好ましくは１０００ｎｍ以上の波長が選択され、ＹＡＧレーザ等が好適に使用される。加工対象部材（被加工部材）がシリコン以外の材質からなる場合では、光線透過率から加工に適した波長のレーザ光Ｂを選択することができる。この光線透過率は分光光度計を用いて１ｍｍ厚の試料を用いて内部透過率として求める。具体的には被加工部材に対して少なくとも２０％以上の内部透過率を有する波長が好ましい。

【0031】

ここで、アパーチャーマスクは、ビーム周辺部の不均一パワー部分を除くためのものである。これはレーザ光Ｂを、均一パワーを有するビームとして集光レンズ７２に入射するために利用できる。均一パワービームであると加工層２１（内部加工層）の深さ方向の加工状態が均一化され、本発明における三次元構造の加工層２１における破断強度の変動を抑制できる効果がある。アパーチャーマスクの開口径はアパーチャーマスク通過後のビームが回折光とならないように調整する。つまり、この開口径がビーム径よりも大きすぎると不均一パワー部分を除けず、逆に開口径が小さ過ぎると、回折ビームとなってしまい均一パワービームにはならない。

【0032】

本発明における加工層２１（内部加工層）は、上記レーザ加工装置により加工対象部材に形成できるが、その破断強度が非加工層２２よりも低いことが必要である。これはレーザ光のパルスエネルギー、パルス幅、繰返し周波数などのパラメーターに対して、加工対象部材へのレーザ照射間隔を調整することで達成できる。この調整方法は加工対象部材の材質、結晶構造などにより適宜選択可能であるが、破断により加工層２１から非加工層２２が分離可能となるまでの破断強度低下が求められる。この破断強度は、例えば単結晶シリコンの場合では、後述する剥離方法において１５００ＭＰａ以下であることが好ましい。一方、過剰な内部加工状態であると、非加工層２２のレーザ光Ｂの被照射面２０ｔ側に加工ダメージが生じ、亀裂や割れなどの不都合が生じる。

【0033】

（作用、効果）
以下、本実施例で内部加工層形成単結晶部材１０を製造することについて説明する。本実施例では、単結晶部材１０をワーク保持・回転機構７６で保持する。そして、ワーク保持・回転機構７６のＸ方向への移動位置に応じてワーク保持・回転機構７６のＺ方向位置を変更させつつ、レーザ光Ｂを単結晶部材１０に照射することで、単結晶部材１０の内部に集光したレーザ光Ｂによって加工層２１を形成する。

【0034】

本実施形態では、加工層２１から剥がしてなる表面３次元構造単結晶部材２６の表面２６ｓの形状が意図した形状となるように、ワーク保持・回転機構７６の移動プログラムなどをレーザ加工装置に予め設定しておく。このようにして形成した加工層２１は、連続した１層で形成される。

【0035】

加工層２１が形成された結果、加工層２１を挟んでレーザ光Ｂの照射方向とその反対側にそれぞれ非加工層２２が存在する。形成する加工層２１の寸法、密度などは、加工層２１の３次元形状や単結晶部材１０の材質などを考慮して設定する。

【0036】

このように加工層２１を形成した内部加工層形成単結晶部材２０は、加工層２１から分断させた新たな単結晶部材である表面３次元構造単結晶部材２６を創成することができる。これは、加工層２１と非加工層２２との剥離により行う。なお、内部加工層形成単結晶部材２０の側面に加工層２１が露出していない場合には、例えば、非加工層２２の所定の結晶面に沿ってへき開することで、非加工層２２によって加工層２１が挟まれた構造のものであって側面に加工層２１が露出したものが得られる。なお、加工層２１が既に露出している場合や、加工層２１の周縁と内部加工層形成単結晶部材２０の側壁との距離が十分に短い場合には、この露出をさせる作業を省略することが可能である。

【0037】

その後、図６に示すように、内部加工層形成単結晶部材２０の非加工層２２の表面である被照射面２０ｔに、金属製基板６１ａ、６１ｂを接着剤６３ａ、６３ｂで内部加工層形成単結晶部材２０を挟持するように接着固定する。金属製基板６１ａ、６１ｂとしては、例えば、ＳＵＳ製の板を用いる。接着剤６３ａ、６３ｂとしては、例えば、アクリル系２液モノマー成分からなる接着剤を用いる。この接着剤は水中に浸漬することで凝集力が低下し剥離が可能となる特性を有するものが好ましく使用できる。この接着剤６３ａ、６３ｂの接着強度は、非加工層２３が加工層２２から分断されて剥離するのに必要な力よりも強ければよい。接着剤６３ａ、６３ｂの接着強度に応じ、形成する加工層２１の寸法、密度を調整してもよい。接着剤６３ａ、６３ｂの塗布厚みは、硬化前で０．１〜１ｍｍが好ましく、０．１５〜０．３５ｍｍがより好ましい。仮固定用接着剤の塗布厚みが過度に大きい場合、完全硬化となるまでに長時間を必要とする上、分断時に接着剤の凝集破壊が起こりやすくなる。また、塗布厚みが過度に小さい場合、分断した単結晶部材の水中剥離に長時間を必要とする。

【0038】

接着した際に金属製基板６１ａと金属製基板６１ｂとの平行度が十分に得られない場合には、１枚以上の補助板を使用して必要な平行度を得てもよい。

【0039】

また、金属製基板６１ａ、６１ｂをそれぞれ接着剤６３ａ、６３ｂで内部加工層形成単結晶部材２０の上下面に接着する際、片面ずつ接着してもよいし、両面同時に接着してもよい。

【0040】

厳密に塗布厚みを制御したい場合には、一方の片面に金属製基板を接着させて接着剤が硬化した後、もう一方の片面に金属製基板を接着させることが好ましい。このように片面ずつ接着させる場合、接着剤を塗布する面が内部加工層形成単結晶部材２０の上面であっても下面であってもよい。その際、内部加工層形成単結晶部材２０の非接着面に接着剤が付着して硬化することを抑制するために、樹脂フィルムをカバーレイヤーとして用いてもよい。

【0041】

金属製基板６１ａ、６１ｂの接着後、金属製基板６１ａと金属製基板６１ｂとに互いに離れる方向の力Ｆをそれぞれ加えると、破断強度が低下している加工層２１で分断、剥離される。

【0042】

加工層２１で剥離させるために金属製基板６１ａ、６１ｂに力を加える手法は、特に限定しない。例えば、内部加工層形成単結晶部材２０の側壁をエッチングして加工層２１に溝を形成し、この溝に楔状圧入材（例えばカッター刃）を圧入することで力を発生させてもよい。また、内部加工層形成単結晶部材２０に角方向から力を加えて、上方向の力成分と下方向の力成分とを発生させてもよい。さらには、金属製基板６１ａ、６１ｂをチャックにより挟持して、上下方向に適当な速度で引張ることにより剥離させることも可能である。

【0043】

また、加工対象部材（被加工部材）は、サファイア、ＳｉＣなどのインゴットやこれから切り出したウェハ、あるいはこれらの表面に他の結晶（ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなど）を成長させたものなどを適用可能である。更には、単結晶部材に限らず、一般的な加工対象部材内に加工層２１を形成してもよい。

【0044】

以上説明したように、本実施例では、非加工層２２に比べて破断強度が低下した３次元構造の層を加工層２１として単結晶部材１０の内部に形成することで、意図した表面形状の加工物を不具合なく得ることを可能にする内部加工層形成単結晶部材２０を形成することができ、また、加工層２１から引き剥がすことで、意図した表面形状の表面３次元構造単結晶部材２６を容易に得ることができる。

【0045】

なお、Ｘ方向位置に応じて、レーザ光Ｂの照射間隔およびワーク保持・回転機構７６の回転速度の少なくとも一方を変更することで、回転方向に隣り合う集光点Ｄ（図１参照）の距離を均等にしてもよい。本実施例ではレーザ光Ｂがパルス状のレーザ光なので、これにより、回転半径位置（Ｘ方向位置）が異なった部位であっても破断強度を均一に低下させることができる。

【0046】

＜実施例１の実験例＞
実施例１の実験例として、本発明者らは、集光レンズ７２から出射したレーザ光によって単結晶部材１０に形成された加工層２１の形状を測定した。図７に測定結果を示す。図７から明らかなように、波状の良好な凹凸が形成されていた。

【0047】

また、本発明者らは、加工層２１から引き剥がすことで表面３次元構造単結晶部材を得た。レーザ光Ｂを照射した側（被照射面２０ｔを有する側）の表面３次元構造単結晶部材の表面形状を図８（ａ）に、加工層２１を挟んでこれと対向する側の表面３次元構造単結晶部材の表面形状を図８（ｂ）にそれぞれ示す。

【0048】

図８（ａ）および（ｂ）から判るように、何れも、表面形状は良好な波状の３次元構造であった。

【0049】

本実験例での実験条件などの詳細を以下に示す。

【0050】

１）レーザ発振器 ： パルスファイバーレーザ
波長 ： １０６３±３ｎｍ
パルス幅 ： ２００ｎｓ
繰返し周波数 ： ３００ｋＨｚ
２）集光レンズ ： ＩＲ用対物レンズ １００倍 ＮＡ＝０．８５
３）レーザ走査基盤（加工基盤） ： ＵＬＧ１００Ｄ（ＨＹＷ）（東芝機械（株）製）
４）被加工部材（単結晶部材） : 単結晶シリコンウエハ （表面は鏡面加工済み）
結晶方位 ： （１００）
厚さ ： ６２５μｍ
径 ： ７８ｍｍ
５）レーザ照射条件
レーザ出力：２．４Ｗ （集光レンズ透過後）
加工間隔１ ： ２μｍ （レーザの繰返し周波数と加工基盤の速度との関係から得られるパルスレーザの照射間隔を加工間隔１とし、見掛け上のライン加工））
加工間隔２ ： ２μｍ （加工間隔１で得られるライン加工の間隔を加工間隔２とする）
加工層形成位置の調整 ： 加工基盤上に載置した単結晶シリコンウエハ表面にレーザ光が集光される集光レンズのＺ方向位置を０とし、集光レンズの位置を単結晶シリコンウエハに近づけることにより内部集光位置を設定した。単結晶シリコンウエハの半径方向に対し周期２ｍｍ、深さ方向に対し振幅８１．８μｍのサインカーブを描くように設定した。振幅の中心位置は単結晶シリコンウエハの厚みの中心付近である３２３μｍに設定した。

【0051】

６）剥離方法
レーザ加工後、単結晶シリコンウエハを１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさに切りだし、図６に示すように金属板に接着剤にて固定し、引張速度１０ｍｍ/ｍｉｎ.で剥離させた。そのときの強度は８００ＭＰａであった。

【0052】

７）剥離面の評価
得られた三次元剥離表面の形状の高低差を測定した結果は８５μｍであり、設定した振幅値に対する誤差は５％以内に収まっていることを確認し、高精度で加工層と同形状の三次元形状表面が得られることを確認した。

【0053】

（実施例２）
次に、実施例２について説明する。本実施例では、実施例１に比べ、加工層の形状が異なる。図９は、本実施例で、（ａ）は表面３次元構造単結晶部材２７を示す部分斜視図であり、（ｂ）は表面３次元構造単結晶部材２７の部分側面断面図である。表面３次元構造単結晶部材２７の表面形状は、図９に示すような角部２８が配列される形状であってもよい。

【0054】

（実施例３）
次に、実施例３について説明する。本実施例では、実施例１に比べ、加工層の形状が異なる。図１０は、本実施例で、内部加工層形成単結晶部材の構成を示す側面断面図である。図１１は、本実施例で、表面３次元構造単結晶部材を示す部分斜視断面図である。

【0055】

図１０に示すように、加工層３１は、非加工層側の両サイドへ突起状に延び出す部位が配列されている形状であってもよい。この場合、図１０、図１１に示すように、表面３次元構造単結晶部材３６の表面形状は、溝が配列される形状となる。なお、図１０に示すように、加工層３１を挟んで表面３次元構造単結晶部材３６に対向している表面３次元構造単結晶部材３７も同様の形状にすることが可能である。

【0056】

（実施例４）
次に、実施例４について説明する。本実施例では、実施例１に比べ、加工層の形状が異なる。図１２（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、本実施例で、表面３次元構造単結晶部材４６を示す部分斜視図、（ａ）の矢視Ａ−Ａの断面図、および、表面３次元構造単結晶部材４７を示す部分斜視図である。

【0057】

表面３次元構造単結晶部材４６の表面側には円錐部４６ｃが配列されており、表面３次元構造単結晶部材４７の表面側には、円錐状の凹み形状である凹部４６ｄが配列されている。

【0058】

なお、このような表面形状のパネルは、太陽光発電に用いるパネルとして有効である。

【0059】

（実施例５）
次に、実施例５について説明する。本実施例では、実施例１に比べ、加工層の形状が異なる。図１３は、本実施例で、内部加工層形成単結晶部材の加工層から引き剥がされてなる表面３次元構造単結晶部材５０の表面形状を示す部分平面図である。表面３次元構造単結晶部材５０の表面形状は、図１３に示すように、非球面状の湾曲凸面５４ｓが形成された凸部５４が規則正しく配列されている。

【0060】

なお、図１４に示すように、凸部５４間の隙間が小さくなるように、凸部５４が周囲の６つの凸部５４に接触するように配列した表面３次元構造単結晶部材５１としてもよい。

【0061】

（実施例６）
次に、実施例６について説明する。本実施例では、実施例１に比べ、加工層の形状が異なる。図１５（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、本実施例で、表面３次元構造単結晶部材５６を示す斜視図、および、（ａ）の部分拡大側面断面図である。

【0062】

表面３次元構造単結晶部材５６の表面側には、表面部が部分的にくり抜かれてなる凹部５７、５８が形成されている。凹部５７は表皮状の除去部５９をくり抜くことで形成されたものであり、凹部５８も同様である。

【産業上の利用可能性】

【0063】

本発明により加工対象部材の表面側を不具合なく意図した形状にすることができることから、加工層から剥がされてなる表面３次元構造部材は、Ｓｉ基板（シリコン基板）であれば、太陽電池に応用可能であり、また、ＧａＮ系半導体デバイスなどのサファイア基板などであれば、発光ダイオード、レーザダイオードなどに応用可能であり、ＳｉＣなどであれば、ＳｉＣ系パワーデバイスなどに応用可能であり、透明エレクトロニクス分野、照明分野、ハイブリッド／電気自動車分野、電子材料分野、半導体材料分野、ガラスなどのアモルファス材料分野など幅広い分野において適用可能である。

【符号の説明】

【0064】

１０ 単結晶部材（加工対象部材）
２０ 内部加工層形成単結晶部材（内部加工層形成部材）
２０ｔ 被照射面
２１ 加工層
２６ 表面３次元構造単結晶部材（表面３次元構造部材）
２７ 表面３次元構造単結晶部材（表面３次元構造部材）
３１ 加工層
３６ 表面３次元構造単結晶部材（表面３次元構造部材）
３７ 表面３次元構造単結晶部材（表面３次元構造部材）
４６ 表面３次元構造単結晶部材（表面３次元構造部材）
４７ 表面３次元構造単結晶部材（表面３次元構造部材）
５０ 表面３次元構造単結晶部材（表面３次元構造部材）
５１ 表面３次元構造単結晶部材（表面３次元構造部材）
５６ 表面３次元構造単結晶部材（表面３次元構造部材）
７２ 集光レンズ（レーザ集光手段）
７６ ワーク保持・回転機構（ワーク保持機構）
７６ｃ 回転中心軸
Ｂ レーザ光
Ｄ 集光点

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】