JP2006068789A - レーザ誘起加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工物の材料の制約を受けることなく、回折限界以下の微小な加工形状のレーザ加工を行うことができるレーザ誘起加工方法を提供する。
【解決手段】被加工物７を、微粒子６を分散した溶液５中に浸漬させて配置する。高強度超短パルスレーザ１から出射した高強度超短パルスレーザ光２を、被加工物７の手前側位置に焦点を結ぶように集光して溶液５にパルス照射する。高強度超短パルスレーザ１の出力強度を制御して、レーザ光２によって誘起される溶液５の非線形光学効果により発生する自己集束とレーザ光２の回折とが釣り合うようにバランスさせることにより、レーザ光２を溶液５内において微小線状に被加工物７に向け伝播させ、その微小線状の領域内の溶液５中に浮遊する微粒子６を被加工物７に衝突させて加工を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、微細な形状の加工を種々の素材の被加工物に施すことが可能なレーザ誘起加工方法に関するものである。

ピーク出力の高いレーザ発振器は、その発振パルス幅を小さく設定することで得ることができ、１９６０年代にはナノ秒の発振パルス幅を持つレーザが既に開発され、さらに１９９０年代からはチタンサファイアレーザでのフェムト秒（ｆｓｅｃ＝１０^-15 ｓｅｃ）や過飽和吸収鏡を用いたピコ秒（ｐｓｅｃ＝１０^-12 ｓｅｃ）の発振パルス幅を持つレーザが開発、市販され、様々な技術分野で利用されてきた。近年では、半導体レーザを用いてピコ秒やフェムト秒の発振パスル幅の領域でレーザ媒質に励起させて発振するレーザ発振器が市販されている。

上述のような超短パルスで高ピーク出力を有するレーザを用いた微細加工では、被加工物への熱的損傷が少ないことから、良好な加工面を得られる特徴があり、特に薄膜加工や樹脂の微細加工に適している。これに対し、従来のナノ秒の発振パルス幅を持つレーザを用いた微細加工やエキシマレーザの紫外光を用いたアブレーション加工では、レーザの発振パルス幅が大きいために、被加工物への熱的損傷の発生が否めない。

一方、微細加工の限界は、レーザ光を理想的にその回折限界まで集光したビーム径に依存する。一般に、レーザ光を集光性の良いＴＥＭ₀₀モード（基本モード）においてその回折限界まで集光した場合、そのビーム径ｄは、レーザ波長をλ、集光レンズの焦点距離をｆ、集光レンズのビーム径をｗとすると、
ｄ＝１．２２×λ×（ｆ／ｗ） または、ｄ＝（１．２２×λ）／ＮＡ
の式で表される。

上記式から明らかなように、小さな集光ビーム径ｄを得るためには、短波長レーザを用いてレーザ波長λを小さく設定するか、開口数ＮＡが大きく、且つ焦点距離の小さい集光レンズで大きなビームを使うことが考えられる。

ところが、極めて大きなビームを使う場合には、集光レンズの収差に起因して最小の集光ビーム径が得られない場合があり、しかも、焦点深度（ピントの合う距離の範囲）は開口数ＮＡの２乗に比例して小さくなるから、集光レンズと被加工物との間の距離を調節しながら加工する方式が必要となる。また、上記式は、レーザ光の集光ビーム径を単に算出するための式であって、レーザ光を実際に被加工物に照射した場合には、レーザ光のエネルギだけでなく、被加工物における素材の波長による吸収特性、加工形状および表面状態に応じて実際の集光ビーム径の大きさが異なる。但し、一般的には回折限界を超えて集光する方法は存在せず、そのため、従来では回折限界を大きく超える程の微細な加工手段が存在しなかった。

ところが、近年では、上記回折限界を超えたレーザ光の集光ビーム径を得て微細な加工を行える加工方法として、レーザ誘起チャネリング加工が提案されている（特許文献１参照）。このレーザ誘起チャネリング加工は、高強度超短パルスレーザ光を被加工物に入力し、カー効果によって被加工物の等位相面の空間的変化を起こして、高強度超短パルスレーザ光の自己収束が起こるとともに、カー効果により自己収束された高強度超短パルスレーザ光により光学的ブレークダウンを起こして、被加工物中にプラズマ発生させることにより高強度超短パルスレーザ光を自己発散させ、高強度超短パルスレーザ光の被加工物への入力強度を制御することによって高強度超短パルスレーザ光の自己発散により自己収束を打ち消して、高強度超短パルスレーザ光の自己発散と自己収束とをバランスさせることにより、高強度超短パルスレーザ光が固体内部に伝搬する方向に向かって線状の加工が行われるようにし、透明材料の被加工物の表面に損傷を与えることなく内部のみの加工を行うものである。

上記レーザ誘起チャネリング加工では、透明材料に微細な加工を行うことが可能であり、その最小ビーム径ｄは、
ｄ＝（１．２２×λ）／ルート（８×Ｎ０×Ｎ２）
の式で表される。但し、上記式において、屈折率Ｎは、Ｎ＝Ｎ０＋Ｎ２、Ｎ２＝Δ＋ｌであり、ｌはレーザインテシチティ、Δは非線形定数である。したがって、上記式から明らかなように、レーザ光のビーム径はレーザインテシチティｌに依存する。

また、従来では、光の吸収が少ないことに起因して直接的なレーザエッチング法を利用することが困難であるガラスなどの透明材料に微細加工を施す手段として、レーザ照射で透明材料を簡便に、且つ精密に微細加工できるように図った透明材料のレーザ微細加工方法（特許文献２参照）や、透明材料に対し高い加工面精度で微細加工できるように図ったレーザ加工方法（特許文献３参照）が提案されている。

上記特許文献２のレーザ微細加工方法では、図２に示すように、レーザ光のレーザ波長に強い吸収性を有する流動性物質２３を、透明材料からなる被加工物２１の裏面（図の左側面）に接触させた状態で、レーザ光２２を、被加工物２１の表面（図の右側面）から入射して、被加工物２１を通して流動性物質２３と被加工物２１との接触面に照射する。これにより、被加工物２１におけるレーザ光２２の入射側である表面には何らの変化もないが、被加工物２１における流動性物質２３と接触した裏面にはレーザ光２２の照射部分にのみ選択的にエッチングが行われる。ここで、レーザ光２２を例えばマスクパターンを通して照射すれば、線幅が数マイクロメータの微細構造の形成が可能であり、しかも、その形成部分には何らの化学的な劣化や損傷を与えない。

一方、上記特許文献３のレーザ加工方法は、図３に示すように、レーザ光３４の吸収が少ない溶媒に微粒子３２を分散してなる溶液３３を、基板状の被加工物３１の表面（図の上面）に塗布などの手段で接触させ、光学系やマスクにより空間選択したレーザ光３４を、上記被加工物３１に対し表面側から照射して、レーザ光３４のエネルギを微粒子３２に吸収させ、このレーザ光３４で励起された微粒子３２の被加工物３１への衝突または電子遷移により被加工物３１を加工して、微小な除去を行うものである。このレーザ加工方法では、微粒子３２からのエネルギ移動を用いることで、被加工物３１の極表面のみを加工することが可能となるから、レーザ光の吸収が被加工物の内部にも侵入する通常のレーザアブレーション法での被加工物の直接加工とは異なり、加工面制度の高いレーザ加工が可能となる。
特開平１１−２０７４７９号公報 特許第３０１２９２６号公報 特開２００２−１７８１７１号公報

しかしながら、上記特許文献１の高強度超短パルスレーザ加工方法では、レーザ光を微小なビーム径に集光できたとしても、加工対象がガラスなどの透明材料に限定されてしまうとともに、被加工物の内部加工を行うに留まってしまう、つまり被加工物の表面の微細加工を行うことができないという課題がある。

この課題を解消する手段として、従来では、透明材料にレーザ誘起チャネリング加工が施されない程度にチャネリングだけを起こさせて、透明材料端に被加工物を設置して加工する方法も提案されている。ところが、この場合、被加工物の加工閾値以下で透明材料にチャネリングを起こさないようにレーザ出力を制御するためには、最適な材料の組み合わせが必要となり、やはり被加工物における加工可能な種類が制限されてしまうという問題があり、さらに、透明材料端から出たレーザ光は空気中での屈折率に支配されてレーザ光の自己拡散と自己収束のバランスが崩れ易いので、レーザ光を所定のビーム径にするためには、レーザ出力と集光光学系のコントロールが必要となり、非常に難しい制御が要求される。

一方、上記特許文献２および３の加工方法は、何れもレーザ波長に対し高い吸収性を持つ流動性物質２３または微粒子３２が被加工物２１，３１に衝突することにより加工を施すものであるが、レーザ強度が最も高い部分で微粒子３２が励起されるので、被加工物２１，３１の加工範囲はレーザ光のビーム径に依存する。したがって、これらの加工方法においても、回折限界よりも極めて小さい領域の加工を行うのは難しい。つまり、特許文献２および３の各加工方法は、極論すれば、何れも比較的大きな領域を平滑に加工するのに適したものであると言える。

そこで、本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたもので、被加工物の材料の制約を受けることなく、回折限界以下の微小な加工形状のレーザ加工を行うことができるレーザ誘起加工方法を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明のレーザ誘起加工方法は、被加工物を、微粒子を分散した溶液中に浸漬させて配置し、高強度超短パルスレーザから出射した高強度超短パルスレーザ光を、前記被加工物の手前側位置に焦点を結ぶように集光して前記溶液にパルス照射し、前記高強度超短パルスレーザの出力強度を制御することにより、レーザ光によって誘起される前記溶液の非線形光学効果により発生する自己集束とレーザ光の回折とが釣り合うようにバランスさせて、レーザ光を前記溶液内において微小線状に前記被加工物に向け伝播させ、その微小線状の領域内の溶液中に浮遊する前記微粒子を前記被加工物に衝突させて加工を行うことを特徴としている。

請求項２に係る発明は、請求項１の発明のレーザ誘起加工方法において、溶液中に分散する微粒子の大きさを変えて被加工物に施す微細加工寸法および加工面粗さを可変調整し、レーザ光の照射時間を可変制御して被加工物に施す加工深さを可変調整するようにした。

請求項１の発明では、レーザ光を回折限界以下の微小なビーム径に集光することができ、その集光したレーザ光における微小線状の領域内において溶液中に浮遊する微粒子を被加工物に衝突させて加工を行うようにしたので、従来技術のように被加工物が透明材料に限定され、且つ固体内部のみを加工あるいは改質するものとは異なり、被加工物の素材の制約を受けることなく、被加工物の被加工面の表面にレーザ光の回折限界以下の微細な加工を行うことが可能となる。しかも、チャネリング効果が作用する領域においては、回折限界以下の微小な一定のビーム径に集光されたレーザ光の長さが長くなるため、光学系としてＮＡの大きなものを用いた場合であっても、この光学系によるレーザ光の焦点位置の調整が不要となる利点がある。

請求項２の発明では、レーザ照射エネルギを変化させることなく、集光したレーザ光のビーム径をそのまま維持しながらも、溶液中に分散する微粒子の大きさを変えることにより、所要の微細加工寸法および所要形状の加工面粗さを支障なく得られるように設定することができ、レーザ光の照射時間を可変制御することにより、所要の加工深さを得られるように設定することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施の形態に係るレーザ誘起加工方法を具現化するための構成の概略説明図である。同図において、容器４内には微粒子６を分散した溶液５が充満され、基板状の被加工物７は溶液５中に浸漬して容器４の底面上に配置される。被加工物７はこれの被加工面（この実施の形態において図の上面）が溶液５中に漬かるように配置されていればよい。

高強度超短パルスレーザ１からは、発振パルス幅がピコ秒以下であって高いピーク出力を有する高強度長短パルスレーザ光２が出射される。このレーザ光２は、集光レンズ３により集光されて、溶液５内部における被加工物７に対し手前側位置で焦点Ｆを結ぶように設定されている。なお、上記高強度長短パルスレーザ光２としては、フェムト秒の発振パルス幅を有するものを用いるのが好ましい。

本発明においては、微粒子６および被加工物７のレーザ光２の吸収特性は特に重要問題ではない。したがって、上記微粒子６としては、例えば、磁性体、プラスチックまたはガラスなどを好適に用いることができるが、微細加工の均一性を得るためには、可及的に直径が揃った微粒子６を用いるのが好ましい。また、上記溶液としては、例えば、純水を用いることができる。

溶液５における高強度長短パルスレーザ光２の焦点Ｆの近傍箇所の一部分は、レーザ光２により誘起されて非線形光学材料として作用することにより、レーザ光２の高エネルギ密度によって非線形光学効果（レーザ光の電界が強くなると、物質の分極などがレーザ光の電界に比例して線形に応答しなくなる効果）が生じ、この非線形光学効果によって集光する作用、つまり自己集束を起こす。

ここで、高強度超短パルスレーザ１では、レーザ光２の回折により広がろうとする作用と非線形光学効果による集光する働き（自己集束）とが釣り合うように、自体から出射するレーザ光２の出力強度が制御される。このようにしてレーザ光２の回折と自己集束とをバランスさせることにより、レーザ光２は、回折限界以下のビーム径に集光され、且つそのビーム径を維持したままの微小線状で溶液５内を伝播する。すなわち、溶液５内にはチャネリング現象が生じる。なお、チャネリング現象が発生しなかった場合には、レーザ光２が一旦焦点を結んだのちに、図１に２点鎖線で示すように広がりながら溶液５中を伝播していく。

上記チャネリング現象の発生に伴い回折限界以下の微小なビーム径に集光された高ピーク出力のレーザ光２は、その微小なビーム径を維持したままの微小線状で溶液５内を被加工物７まで伝播し、この微小線状のレーザ光２の伝播経路に存在する溶液５中に浮遊する微粒子６が被加工物７に衝突することにより、被加工物７の表面の被加工面には極めて微細な加工が施される。このとき、容器４が設置されたステージ８は水平方向に移動制御される。これにより、レーザ光２の光軸に対し直交方向に相対移動される被加工物７の表面である被加工面には、微細な所要のパターンが形成加工される。

上述した特許文献１の高強度超短パルスレーザ加工方法では被加工物が透明材料に限定され、且つ固体内部のみを加工あるいは改質するのに対し、上記実施の形態のレーザ誘起加工方法では、回折限界以下の微小なビーム径に集光したレーザ光における微小線状の領域内において溶液５中に浮遊する微粒子６を被加工物７に衝突させて加工を行うことから、被加工物７の素材の制約を受けることなく、被加工物７の被加工面の表面にレーザ光２の回折限界以下の微細な加工を行うことが可能となる。しかも、チャネリング効果が作用する領域においては、回折限界以下の微小な一定のビーム径に集光されたレーザ光２の長さ（深度）が長くなる（深くなる）ため、集光レンズ３を含む光学系としてＮＡの大きなものを用いた場合であっても、この光学系によるレーザ光２の焦点位置の調整が不要となる利点がある。

なお、実用化に際しては、ポンプなどを用いて溶液５を循環させることにより、微粒子６の分布が常に均一になるようすることが好ましく、それにより、被加工物７に常に均一な微細加工を施すことができる。特に、上記実施の形態では、レーザ光２の高強度エネルギによって溶液５に気泡が発生する可能性があり、気泡が発生した場合にはレーザ光２が被加工物７に十分に照射されないおそれがあることから、上述のように溶液５を循環させる手段を採用することが望ましい。

ところで、既存の多くのアブレーション加工では、レーザ照射エネルギ密度を下げることにより、ビーム部に分布した高エネルギ部分で微細加工する場合がある。ところが、上記実施の形態のレーザ誘起加工方法では、加工幅や加工径などの微細加工寸法、加工面粗さまたは加工深さを調整して所要値や所望状態に設定するに際して、上述のようなレーザ照射エネルギを変化させる手段を採用すると、非線形光学効果による自己集束と回折とのバランスが崩れて、チャネリング現象の発生箇所やチャネリング効果の長さ、さらにはレーザ光２のビーム径までもが変化してしまう不具合が生じるおそれがある。

そこで、上記実施の形態では、集光したレーザ光２のビーム径をそのまま維持しながらも、下記の手段を採用することにより、所要の微細加工寸法、加工面粗さおよび加工深さを得られるように図っている。すなわち、微細加工寸法および加工面粗さは、溶液５中に分散する微粒子６の大きさ（直径）を変えることにより、所要値および所要形状を支障なく得られるように設定し、加工深さは、レーザ光２の照射時間を可変制御することにより、所要値を得られるように設定している。上記レーザ光２の照射時間は、照射回数つまり照射パルス数を可変することによって制御する。

本発明に係るレーザ誘起加工方法では、透明材料のみに限定されることなく、様々な素材の被加工物における被加工面の表面に、レーザ光の回折限界以下の微細な形状の加工を支障なく施すことができる。

本発明の一実施の形態に係るレーザ誘起加工方法を具現化するための構成の概略説明図。 従来のレーザ微細加工方法の原理を示す概略断面図。 従来のレーザ加工方法を具現化した構成を示す概略斜視図。

符号の説明

１ 高強度超短パルスレーザ
２ 高強度超短パルスレーザ光
５ 溶液
６ 微粒子
７ 被加工物

Claims (2)

1. 被加工物を、微粒子を分散した溶液中に浸漬させて配置し、
   高強度超短パルスレーザから出射した高強度超短パルスレーザ光を、前記被加工物の手前側位置に焦点を結ぶように集光して前記溶液にパルス照射し、
   前記高強度超短パルスレーザの出力強度を制御することにより、レーザ光によって誘起される前記溶液の非線形光学効果により発生する自己集束とレーザ光の回折とが釣り合うようにバランスさせて、レーザ光を前記溶液内において微小線状に前記被加工物に向け伝播させ、その微小線状の領域内の溶液中に浮遊する前記微粒子を前記被加工物に衝突させて加工を行うことを特徴とするレーザ誘起加工方法。
2. 溶液中に分散する微粒子の大きさを変えて被加工物に施す微細加工寸法および加工面粗さを可変調整し、レーザ光の照射時間を可変制御して被加工物に施す加工深さを可変調整するようにした請求項１に記載のレーザ誘起加工方法。
   

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