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超微細技術:ミクロンサイズのレーザー穴あけ加工

超微細技術:ミクロンサイズのレーザー穴あけ加工

医療技術の進歩に伴い、カテーテルや関連機器などでも、これまで以上に微細な穴をあけることが必要とされている。そこで注目されるのがレーザーによる穴あけだ。厳格な寸法と公差要求を、経済的に実行可能なプロセスで満たすことができる。

By: David Gillen and David Moore, Blueacre Technology Ltd, Dundalk, Co Louth, Ireland

正確な穴を厳格な寸法公差の範囲内で形成する能力は、医療機器設計及び製造において重要なポイントである。穴あけの方法は数多く存在し、広く使用されているものにはメカニカルドリリング、化学エッチング、レーザーマシニングなどがある。しかし、穴の寸法が小さくなるにつれ、プロセスの選択は限られ、材料と穴形成プロセスの相互作用がより重要になる。本記事では、さまざまな穴あけ法を見ていくが、特に直径が20μm未満の穴を形成するためのレーザー穴あけ法を検討する。微細な穴の正確な計測に関する問題及び、穴径が小さくなるにつれて計測がどのように複雑になるか、そしてプロセス制御の不可欠な要素も合わせて考察する。

微細の定義

メカニカルドリリングなどの従来の方法は、約50~100µmのパターンの形成が可能であり、これは人の髪の毛の直径とほぼ同じである。現在の基準では、これらの穴を微細ということはできない。微細で再現可能な高速レーザープロセスは、特殊な構成の直径1μmという微細な穴を形成することができ、さまざまな材料で直径20μmを下回る印の穴あけを簡単に行うことができるからだ。

微細な穴は医療機器において数々の目的で使用される。カテーテルのレーザー加工による微細な穴は、薬物の送達を可能にする。穴の密度と大きさを慎重に調整することで、活性薬物の注入を制御することができる。技術が進歩し、医療機器の侵襲性が低下するにつれて、これら器具のパターンのサイズを小さくすることが必要となり、より微細な穴の需要が生じている。課題はこれらのパターンの正確な配置だけでなく、穴の寸法と加工される材料の制御にもある。

微細な穴の形成方法

メカニカルドリリングは、ワークピースと接触しながら回転し、材料を除去して円形の穴を形成する特殊設計のドリルビットを使用する。いくつかの要因が、この方法を使用して微細な穴をあけることを困難にしている。第一に、ドリルビットの直径が穴と同じ大きさでなければならない。これは達成が難しく、かつドリルプロセス中にツールが破損しやすい。ドリルの小型化のために超高速のカッティング速度を使用する必要があり、マシニングプロセス中の振動を排除することが困難である。さらに、ドリルビットが磨耗し始めるため、プロセスの再現性が短縮されることがある。磨耗によって、この製造プロセスを使用した硬質材料の穴あけもまたかなり困難になる。より大きな規模の穴のメカニカルドリリングは多くの材料にとって極めて経済的である一方で、ミクロン規模では最もふさわしいとは限らない。

パンチングは薄い材料の穴あけに一般的に使用される方法である。この目的のため、特定のサイズのパンチと金型を組で製造する必要がある。パンチと金型の間に材料が配置され、圧力が加えられると、材料の一部がプレスによって除去され、シートにブランクと呼ばれる穴が形成される。このプロセスは高速性、拡張性、再現性を提供することができる。しかしながら、パンチングは金属やポリマーなど特定の材料でのみ使用でき、脆いセラミックでの使用が適していない。さらに、シート状材料のパンチングによる穴あけは、穴の直径が材料の厚さよりも大きい場合のみ可能である。多くの医療機器は厚さ20μm以上の金属シートを要求しており、このためミクロンサイズの穴のパンチングは不可能である。

化学エッチングも微細なパターンの形成に使用することができる。まず、フォトリソグラフィなどの方法でワークピースの表面にマスクを施す。これは、ワークピース表面への樹脂のスピンコーティングを行い、パターン投影マスクを通して紫外光に露出する手順を含む。硬化樹脂の現像後、ミクロンサイズのパターンを備えたマスクを残し、露出されたパターン部分がエッチング液の中に入れられたときに化学攻撃が行われる。複雑なプロセスのため、この製造方法は非常に薄い材料に最も適している。金属は頻繁にこの方法でエッチングされ、セラミックも適切なエッチング液が利用できれば、このプロセスを行うことができる。このプロセスの明確なメリットは、微細な制御、再現性、拡張性であるが、この方法は加工可能な材料と製造法の柔軟性の面で制限される。この方法では非常に薄い層に直径1μm未満の微細な穴を形成することが可能であるが、化学エッチングは多くの材料で等方性であるため、穴の断面形状に対する微細な制御が困難なことがある。

サンドブラスト法は、化学エッチングのように、フォトマスクと組み合わせて使用し、コンポーネント上のパターンを形成することができる。このプロセスは、セラミックのような脆い材料での使用にのみ適している。より大きな穴の形成にこのプロセスを使用することにはメリットがある一方で、サンドブラストで使用される研磨剤粒子の直径によって大きく制限される。この方法は直径1ミリメートルに満たない大きさの穴の形成に使用されるが、医療機器において充分に微細な穴を形成するために必要な性能を達成できるとは限らない。

電子ビーム加工はレーザー加工と似たような方法で使用され、一般に微小な寸法公差を満たす直径25μmといった微細な穴を形成することができる。静電レンズを使用して電子ビームが微細な点に集中され、そこに溶融プールが生成されて材料が蒸発し、穴が形成される。このプロセスは、金属及び一部セラミックに制限される。メリットとしては、高アスペクト比の穴(最大25:1)の形成能力、表面に対して角度がある穴の形成能力、非常に高い加工速度の達成が含まれる。このプロセスは高真空下で行われる必要があり、生産ラインに含めるには非効率な製造法である場合がある。

放電加工(EDM)は微細な穴の形成に業界で広く使用されている。プロセスは導電性材料に制限される一方で、直径5μmという微細な穴を再現可能に形成することが可能である。このプロセスには、ワイヤ電極をワークピースに向けて移動させ、電流の微調整を行って電極とワークピース間のスパークを調整することが含まれる。スパークによって材料が除去され、穴が形成される。電極への電流を精密に制御することで、非常に微細な表面加工で穴を形成することができるため、このプロセスは燃料噴射ノズルなどの応用に多用される。この製造方法は非常に高品質の穴を形成することができるが、加工速度の面で他のプロセスに劣る。

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図1: 穴の直径が小さくなるにつれて微細な穴の形成コストは急速に上昇する。レーザーは幅広い直径を網羅するために使用できるプロセスである。

レーザー穴あけは医療機器及び電子産業の両方で非常に一般的な方法である。特定の応用に適したレーザーを慎重に選択することで、微細なミクロンサイズのパターンを非常に経済的に形成することができる。設備投資は、高精度メカニカルドリリングなどの他の製造方法で必要とされる額と同程度で有り得る一方で、レーザーは高速かつ大量生産の環境で比類のない信頼性と再現性を提供する。

作用は電子ビーム加工のプロセスに似ており、強いレーザー光線が微細な点に集中され、局所的な溶融プールが形成されたところで材料が蒸発し、穴が形成される。レーザーは連続またはパルスモードの運用で利用できる。

パルスレーザーはワークピースに提供されるエネルギーの量を慎重に制御することができ、レーザー穴あけプロセスを精密に制御することが可能である。特別に設計された光学セットアップを使用して、特定の薄型材料に直径1μmの穴あけができ、特殊なドリル法を用いて穴の形状と輪郭を制御することができる。

図1にさまざまな穴あけ法のコストの比較を示す。一般に、穴の直径が小さくなるにつれて微細な穴の形成コストは急速に上昇する。レーザーは、幅広い直径を網羅するために使用できるプロセスである。

レーザー穴あけのメリット
レーザーを使用した医療機器における微細な穴あけには多くのメリットがある。レーザーは再現可能で、高アスペクト比の直径1μmと微小な穴を形成できるだけでなく、非接触型のプロセスのため、穴あけ中に追加の冷却剤や潤滑剤を必要としない。

レーザー加工の非接触型の性質は、接触型の加工プロセスには柔軟すぎたり脆弱すぎる非常に薄い材料の加工時に特に有利である。適切に定義されたレーザー穴あけパラメータにより、熱に影響を受けるゾーンを最小化した穴あけが可能であり、クリーンな穴を形成するための後処理の必要性が排除される。

穴をあける材料と所望パターンのサイズによって、最も適切なレーザーの種類が決定される。通常、355nmで動作する高パルス繰り返し速度ナノ秒UVレーザーは、この特定の波長光が金属及びポリマーに良好に吸収されるため、ほとんどの材料の穴あけに適している。ダイオードポンプソリッドステートシステムなどの現在のレーザーは、保守も最小限で済み、短命の消費コンポーネントまたは工具が実質的にないため、非常に稼動の費用対効果が高くなっている。

またレーザー加工は、プロセスパラメータを多様な厚さの異なる材料向けに変更できる柔軟性を提供する。出力、パルス繰り返し周波数、ビーム速度などのレーザーパラメータを慎重に調整することで、使用者があらゆる穴のサイズ及び断面形状を制御することができる。

微小なレーザー穴あけにおける考慮すべき点

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図2: 一般的に使用されている各レーザーの波長。ほとんどの材料が紫外線域での波長を吸収しやすく、UV範囲(約355 nm)でのレーザーが穴開けに最適な結果をもたらすことがわかる。

前述したように、材料加工にレーザーを使用する主要なメリットの一つは、最適な結果を達成するためにレーザー光源を選択できることである(図2)。材料はさまざまな光の波長を多様な割合で吸収し、用途に応じてパルスや連続波など異なるモードで運用することが必要となる。

非常に微細な用途では、ナノ秒範囲以下の短パルスレーザーが最適な結果を提供できる傾向があり、これは穴あけ加工中の熱の蓄積が最小化されるためである。したがって、後処理の必要なく極めてクリーンなパターンを加工できる可能性を提供する。当然、材料によって加工の仕上がりは異なる。たとえばポリイミド及びPEEKは、UVレーザーで特に良好な加工ができる。

パルスレーザー光源を選択するとき、パルス周波数、パルスエネルギー、パルス時間といったレーザーの動作特性のバランスを取る必要がある。ピコ秒やフェムト秒ドメインの超高速レーザーの一部は非常にクリーンなパターンの加工が可能である一方で、ワークピースにおける熱の蓄積がないため、往々にして加工時間が増加し、レーザー加工の経済的な実行可能性に影響する。多くの工業加工において、ナノ秒パルスレーザーは設備投資とスループット、微細加工能力間で最善のバランスを提供する。

波長の選択は、レーザー加工システムの設計時に同様に重要な決断である。光の波長が短くなるにつれ、光のエネルギーが増加する。ポリマーなどの材料は、その原子構造と分子結合のため、紫外光(波長400nm未満)を非常に良く吸収する傾向がある。非常に高エネルギーの光を使用することで、ポリマーの実質的な冷間マシニングを行うことができる。

これは、レーザー光のエネルギーが材料の分子結合のポテンシャルを超えたとき、レーザー光がワークピースに大量の熱を生成することなく結合を破壊することができるために起こる。金属加工の波長に関する考慮点は、ポリマーの加工に関するものとはかなり異なり、金属結合は通常溶融気化プロセスを通して克服されるため、つまり熱がワークピースに導入される必要がある。このため、レーザー光の金属における実際の吸収は、異なる波長の光に対するワークピースの実際の反射性により緊密に関連している。

金属はIR(10.6-µm CO2レーザー)レーザーから可視範囲(532-nm緑色レーザー)で動作する波長を使用して加工することができるが、微細パターンの加工はUV範囲(約355 nm)で反射が減少するためこれが最善な場合がある。また、加工プロセスで溶融を生じるに足る熱を生成できるレーザー(例えばナノ秒レーザーなど)を選択することが不可欠である。したがって、レーザー光源のパルス時間とパルスエネルギーを慎重に検討することが必要である。

図3: レーザー穴開け加工に使用されるさまざまな穴の形状。

ミクロンサイズのパターンを加工しようとするとき、波長の選択に影響を与える別の考慮点は、光の波長が短いほど、レーザーの焦点スポットが小さくなることである。光はスポットサイズで回折限界まで制限され、これは光の波長に依存する。このため、355nmでのほうが1064nmでよりも小さいスポットが得られる。これにより、レーザーのエネルギーをワークピースのより小さいエリアに集中させ、より精密にエネルギーを送達し、より微小・微細なパターンを加工することができる。レーザービームのサイズは、その円形度と品質も、スポットサイズに影響を与えるため、非常に微小な穴を開けるときに考慮する必要がある。

レーザー穴あけの方法も考慮しなければならない。より大きい穴に対しては、トレパニングと呼ばれる一般的な方法が用いられる。これは、走査ミラーセットアップを使用して光線を螺旋状に回転させ、穿孔を行う。この方法はビームの焦点スポットよりも大きい穴あけ、および矩形やその他不規則な形状の穴を切削するために適している。

レーザービームの焦点スポットサイズ、またはそれ以下の穴を開けようとする場合、パーカッション掘削と呼ばれる別の方法を使用する必要がある。これは、レーザービームを動かさずに保持し、パルスエネルギー、周波数、パルスの数を慎重に制御することで穴のサイズと形状を調整する。

図3にレーザー穴あけ法を制御することで可能なさまざまな穴の形状を示す。穴が小さくなるにつれて、加工する材料および要求される公差により、製造コストが増加することがある。レーザー、加工方法及び材料の正確な選択を通して、スループットを最適化し、レーザー穴あけプロセスのコストを最小化することができる。現在のダイオードポンプソリッドステートレーザーは、保守間の最低動作寿命が15,000~20,000時間と見込まれており、つまり、これらのレーザーを少なくとも2~3年間完全に製造に使用することが可能である。レーザー加工の非接触型の性質により、製造プロセスで消耗品は使用されず、レーザー固有の安定性によって再現性、スループット、プロセス歩留まりが向上される。

微小な穴の計測方法


ミクロンサイズのパターンを計測する従来の方法には、高度光学顕微鏡、触針形状計測、走査型電子顕微鏡(SEM)が含まれる。これらは非常に強力な計測ツールであるものの、工業生産環境に常に適しているとは限らない。

高倍率の光学顕微鏡は、実視野が小さく、タイトな焦点面によって計測プロセスが複雑になることがあるため、生産ライン上で問題となることがある。光学顕微鏡は回折限界によって分解能が制限されるため、通常200nm未満のパターンの解像はできない。特定の用途で使用するとき、光学顕微鏡は非常に高い再現性と短い計測時間で豊富な計測情報を提供することが可能である。

この計測法は反射または透過モードで計測を行うことができるというメリットがあり、さまざまな材料にわたって柔軟に計測ができる。Depth From Focus(焦点深度)法や立体鏡などの技法を使用して三次元でパターンを計測するために必要な場合には特殊なセットアップを行うことができる。

触針形状計測も微細パターンの計測に使用される。原子間力顕微鏡(AFM)は、約ナノメートルの高分解能を提供する傾向があるが、計測速度が遅く、計測範囲が制限される。その他の触針形状計測はより大きな計測範囲を提供できるが、触針の半径(通常約数ミクロン)によって制限される。三次元の輪郭を生成するためには触針が計測される表面の各ポイントに接触する必要があるため、他の方法に比べて計測に大幅に時間がかかる。

SEMは往々にしてミクロン及びナノスケールで最高の計測を提供できる。最新のSEMは数ナノメートルという分解能を提供し、同時に高い精度と再現性を実現する。しかしながら、この種の顕微鏡は高度な真空と計測時間の遅さのため、生産ラインには適しておらず、通常は研究開発環境で使用される。高分解能の計測において、非導電性材料は通常導体でコーティングされ、やはり医療機器市場の生産ラインにはあまり適していない。

微細な穴の計測時は、多くの点を考慮する必要がある。第一に、計測システム及び技法の選択はワークピースの材料によることが往々にしてある。例えば、透明な材料は光学顕微鏡を使用して計測することは本質的に困難である。そのような場合、微分干渉顕微鏡などの特殊な方法を使用する必要があり、従来の明視野顕微鏡に比べ費用と複雑さが増す。半透明及び不透明材料の穴の計測は、透過明視野顕微鏡を使用してずっと簡単にできる傾向がある。しかしながら、これは穴がブラインドホールの場合より複雑になる。一部の場合、半透明材料は良好なコントラストの画像を形成できるため、ブラインドホールの計測時にメリットがある。不透明材料は、反射型明視野顕微鏡が通常最善の結果を提供する。

適した技法を選択したら、次に考慮することは計測の分解能と不確かさである。光学システムでの二次元計測において、最も重要な考慮点には、カメラの分解能、照度、光学素子による画像の歪みを含む必要がある。現在の顕微鏡の光学素子は、視野の歪みと色のエラーを最小限にするよう最適化されており、高精度な計測に適している。最小の計測の不確かさ(measurement uncertainty)は、計測されるパターンの最小設計公差の少なくとも半分である必要があり、したがって、光学顕微鏡を使用した微細な穴の最小の再現可能な計測は、ほとんどの場合1μmの領域の範囲である。スタイラス計測では、先端半径及び形状がシステムの最小の穴計測能力を決定付ける。

最後に、周囲環境は重要な考慮点である。多くの材料が約10~100nm/ケルビン/mで膨張または収縮する。振動も高精度計測システムでは重要な考慮点である。プロセスが完了され、計測が実行される環境を安定させることで、微細なパターン形成の再現性とプロセス歩留まりを高めることが可能になる。

結論

現在の医療技術製造トレンドは、より小さな孔をより高い再現性とプロセス歩留まりであける必要性を生じている。EDMやメカニカル法などいくつかの適切な穴あけ法がある一方で、レーザーは多くの用途でそれらより優れている。レーザーは非接触型のプロセスであり、穴あけ部品の後処理の必要性が少なく、また機械的工具の磨耗を考慮する必要もない。

レーザーは他の方法を使用して達成できるもの(1μm)よりも微細な穴を開けることができる可能性があり、同時に高いスループットと経済的な実行可能性を維持できる。微細な穴の計測は、特にレーザーで穴あけが可能な材料の範囲を考慮したとき、興味深い課題を突き付ける。光学顕微鏡は高スループットの生産ラインに最も適しており、電子顕微鏡などの他の技法は、特に研究開発環境で、補完的な技法として使用できる高分解能の計測を提供する。

筆者:

David Gillen
is Managing Director and
David Moore
is Senior R&D Engineer at Blueacre Technology Ltd, Aiken Business Park, Old Coes Road, Dundalk, Co Louth, Ireland
tel. +353 42 938 6922
e-mail: info@blueacretechnology.com
www.blueacretechnology.com

 

本記事の初出は、英文姉妹誌 European Medical Device Technology, 2012年7/8月号。

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