JP2016093826A - Formation method formation device of fine periodic structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、微細周期構造の形成方法および形成装置に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for forming a fine periodic structure.
材料表面に、ミクロンあるいはサブミクロンスケールの凹凸間隔を有する微細周期構造を形成することによって、さまざまな機能性を付与できることが明らかとなっている。例えば、ハスの葉の表面は水滴を良くはじくことが知られている。これは、その表面に無数の微細な凹凸構造が周期的に形成されていることで発現している現象である。 It has been clarified that various functionalities can be imparted by forming a fine periodic structure having a micro- or sub-micron-scale uneven spacing on the material surface. For example, the surface of a lotus leaf is known to repel water drops well. This is a phenomenon manifested by the infinite number of fine concavo-convex structures periodically formed on the surface.
疎水性材料の表面にこのような形状を形成すれば、ハスの葉と同じように非常に水をはじく特性を持つようになり、液体の付着抑制あるいは防汚といった機能をその表面に付与できる。 If such a shape is formed on the surface of the hydrophobic material, it will have the property of repelling water in the same way as the lotus leaf, and functions such as liquid adhesion suppression or antifouling can be imparted to the surface.
また、太陽電池パネルには、発電効率を向上させるため、光の反射を抑えるように形状と寸法が制御された微細な凹凸が形成されている。これは、月夜の下のわずかな光を効率良く眼に取り込み暗所でも活動できる、蛾の眼の構造に通ずる仕組みであり、材料表面の電磁波の反射吸収特性を制御することが可能となる。 In addition, in order to improve power generation efficiency, the solar cell panel is formed with fine unevenness whose shape and size are controlled so as to suppress reflection of light. This is a mechanism that leads to the structure of the eye of the eyelid that can efficiently take in a small amount of light under the moonlight night into the eye and can work even in the dark, and can control the reflection and absorption characteristics of electromagnetic waves on the surface of the material.
そのほかにも、微細周期構造を形成した材料表面には、皮膜密着性向上、流体制御、生体親和性制御、摩擦磨耗低減などさまざまな機能を有することが知られている。 In addition, it is known that the surface of the material on which the fine periodic structure is formed has various functions such as improvement of film adhesion, fluid control, biocompatibility control, and friction wear reduction.
微細周期構造を形成する方法は種々提案されている。よく知られた加工法では、ブラスト加工やレーザ加工がある。ブラスト加工とは、材料表面に微小な硬質材料を圧縮ガスとともに衝突させ材料表面を塑性変形させることで微細構造を形成する方法である。簡便な方法であるが、硬質材料が材料表面に残存する場合がある。このため、加工した表面を洗浄する工程が必要となり、その廃水の処理が問題となる。一方、レーザ加工は、微細構造を形成させたい場所にレーザ光を集光することでその領域を局所的に加熱し、融点あるいは沸点以上の高温に到達させることで材料の流動あるいは蒸散を発生させる。その結果、平坦な材料表面を微細な凹凸構造に変形させることができる加工方法である。このレーザ加工は、いわゆる非接触加工であることから、ブラスト加工と相違して、被加工物を構成するもの以外の材料からなる異物は材料表面に残存しない。このため、レーザ加工では、ブラスト加工において必要としていた、加工した表面を洗浄する工程を省略することができる。 Various methods for forming a fine periodic structure have been proposed. Well-known processing methods include blasting and laser processing. Blasting is a method for forming a microstructure by causing a hard material to collide with a compressed gas together with the surface of the material to cause plastic deformation of the material surface. Although it is a simple method, a hard material may remain on the material surface. For this reason, the process which wash | cleans the processed surface is needed and the process of the wastewater becomes a problem. On the other hand, in laser processing, the region is heated locally by focusing the laser beam on the place where a fine structure is to be formed, and the flow or transpiration of the material is generated by reaching a high temperature above the melting point or boiling point. . As a result, this is a processing method capable of deforming a flat material surface into a fine concavo-convex structure. Since this laser processing is so-called non-contact processing, unlike the blast processing, foreign matter made of a material other than that constituting the workpiece does not remain on the material surface. For this reason, in the laser processing, it is possible to omit the step of cleaning the processed surface, which is necessary in the blast processing.
レーザ加工による微細周期構造形成方法のひとつにレーザ光を集光点で干渉させる２光束干渉露光法がある（特許文献１）。この特許文献１の干渉露光装置は、図６に示すように、レーザ光源（フェムト秒レーザ光源）と、フェムト秒レーザ光源からのフェムト秒レーザが平面ミラーＭ１を介して入射されるビームスプリッタとしてのハーフミラーＨＦ１と、ハーフミラーＨＦ１にて分けられる２つのビームのうち一方の第１のビームＢ１を材料Ｓ１に集光させる第１の光学系５と、他方の第２のビームＢ２を材料Ｓ１に集光させる第２の光学系６とを備える。
One method of forming a fine periodic structure by laser processing is a two-beam interference exposure method in which laser light interferes at a condensing point (Patent Document 1). As shown in FIG. 6, the interference exposure apparatus of
第１の光学系５は、平面ミラーＭ２と凹面ミラーＭ３とを有し、第２の光学系６は、平面ミラーＭ４、Ｍ５と凹面ミラーＭ６とを有するものである。 The first optical system 5 has a plane mirror M2 and a concave mirror M3, and the second optical system 6 has plane mirrors M4 and M5 and a concave mirror M6.
このため、フェムト秒レーザ光源から照射されたレーザビームは、平面ミラーＭ１により反射され、ビームスプリッタとして用いるハーフミラーＨＦ１で、ビームＢ１とビームＢ２に分けられる。ビームＢ１は、平面ミラーＭ２と凹面ミラーＭ３で反射され、材料Ｓ１の表面または内部に集光する。ビームＢ２は、平面ミラーＭ４、平面ミラーＭ５で反射され、さらに凹面ミラーＭ６で反射され、材料Ｓ１の表面または内部に集光される。 For this reason, the laser beam emitted from the femtosecond laser light source is reflected by the plane mirror M1, and divided into the beam B1 and the beam B2 by the half mirror HF1 used as a beam splitter. The beam B1 is reflected by the plane mirror M2 and the concave mirror M3, and is condensed on the surface or inside of the material S1. The beam B2 is reflected by the plane mirror M4 and the plane mirror M5, further reflected by the concave mirror M6, and condensed on the surface or inside of the material S1.
この場合、複数のレーザ光を空間的かつ時間的に集光点において干渉させることで、集光点で生じる干渉縞によって照射面内のレーザ光のエネルギー強度分布を空間的に変調させるものである。 In this case, the energy intensity distribution of the laser beam in the irradiation surface is spatially modulated by interference fringes generated at the focal point by causing a plurality of laser beams to interfere spatially and temporally at the focal point. .
このため、前記特許文献１に記載のものでは、２つの光軸のそれぞれに対して集光用光学素子を有することになる。この場合、図７に示すように、２つの集光用レンズ１１，１２を介して、波長λ〔ｎｍ〕である２つのレーザ光Ｌ１，Ｌ２を頂角θで同じ領域に同時に照射することになり、その照射領域に生じる干渉縞１３の周期Δ〔ｎｍ〕はλ／[２ｓｉｎ（θ/２）]〔ｎｍ〕となる。このようにすることで、材料表面にレーザ光のエネルギー密度の高い干渉縞を形成することが可能となり、直接材料を溶融あるいは蒸散させることで、微細周期構造を形成することができる。
For this reason, in the thing of the said
しかしながら、前記特許文献１に記載のもののように、２つの光軸のそれぞれに対して集光用光学素子を有するものでは、装置が複雑化するとともに、光軸の調整が煩雑となる。また、この方法を用いて材料表面に微細周期構造を大面積加工する場合は、干渉縞が形成された集光点を被加工物表面に対して相対的に移動させ走査照射しなければならない。ところが、この場合、干渉縞によって材料表面に形成されたミクロンあるいはサブミクロンスケールの微細な凹凸を破壊しないように被加工物と集光点の相対位置を精密に制御しながら、次の集光照射を行う場所へと被加工物と集光点を相対移動させる必要がある。そうでなければ、微細周期構造の形成と破壊を繰り返してしまうため、所望の凹凸周期をもった微細周期構造は得られない。
However, a device having a condensing optical element for each of the two optical axes, such as that described in
前記特許文献１に記載のものでは、被加工物あるいはレーザ加工装置を移動させることによってのみ、大面積加工が可能となる。しかし、数百Ｈｚから数十ＭＨｚにもなるレーザ光のパルス周波数に同期させながら、微細な干渉縞を破壊しないように被加工物あるいはレーザ加工装置を高速で精密に移動させ、集光点と被加工物を相対移動させることは容易ではない。動作可能な加工速度、あるいは積載可能な被加工物またはレーザ加工装置の大きさ・重量は、使用する移動ステージ（被加工物あるいはレーザ加工装置を移動させるためのステージ）の性能に大きく左右される。このため、非常に高性能な移動ステージが必要となり、装置が大型化するとともに高コストとなる。
With the thing of the said
そこで、本発明は斯かる実情に鑑み、より簡便な装置構成であり、レーザ光のパルス周波数と、被加工物と集光点の相対移動との同期に制限されることなく、被加工物に対して高速に微細周期構造を大面積加工することが可能となる２光束干渉露光法による微細周期構造の形成方法及び形成装置を提供しようとするものである。 Therefore, in view of such circumstances, the present invention has a simpler apparatus configuration, and is not limited to synchronization between the pulse frequency of the laser beam and the relative movement of the workpiece and the focal point. On the other hand, it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for forming a fine periodic structure by a two-beam interference exposure method, which can process a fine periodic structure in a large area at high speed.
本発明の第１の微細周期構造の形成方法は、微小の凹部と微小の凸部とが配設されてなる微細周期構造を材料表面に形成する微細周期構造の形成方法であって、互いに平行な２軸のレーザ光を１つの集光用レンズを用いて集光し、その集光点において２光束干渉露光させ、その集光点における干渉縞に沿った方向に対して、集光点と被加工物とを相対移動させて微細周期構造を形成するものである。 A first method for forming a fine periodic structure according to the present invention is a method for forming a fine periodic structure in which a fine periodic structure in which minute concave portions and minute convex portions are arranged is formed on a material surface, and is parallel to each other. Two-axis laser light is condensed using one condensing lens, two-beam interference exposure is performed at the condensing point, and the condensing point is aligned with the direction along the interference fringes at the condensing point. A fine periodic structure is formed by relatively moving the workpiece.
本発明の第１の微細周期構造の形成方法によれば、２軸のレーザ光を１軸のレーザ光走行装置により、その集光点における干渉縞に沿った方向に対して、同時に走査させることが可能となる。したがって、例えば移動ステージ（被加工物を移動させるためのステージ）を用いた被加工物の移動のみならず干渉縞を形成した集光点の位置も同時に移動させることで、移動ステージの移動速度を低減できる。勿論、移動ステージを動作させることなく、レーザ光走行装置のみ動作させることで、その集光点における干渉縞に沿った方向に対して、集光点と被加工物とを相対移動させて微細周期構造を形成することもできる。また、集光点がオーバラップするようにすれば、周期構造の凸部と凹部がそれぞれ途切れなく連続した微細周期構造を形成することができる。 According to the first method for forming a fine periodic structure of the present invention, a biaxial laser beam is simultaneously scanned in a direction along the interference fringe at the focal point by a uniaxial laser beam traveling device. Is possible. Therefore, for example, not only the movement of the workpiece using a moving stage (the stage for moving the workpiece) but also the position of the condensing point where the interference fringes are formed is moved at the same time. Can be reduced. Of course, by operating only the laser beam traveling device without operating the moving stage, the focusing point and the work piece are moved relative to the direction along the interference fringe at the focusing point, and a fine period is obtained. A structure can also be formed. Further, if the condensing points are overlapped, it is possible to form a fine periodic structure in which the convex portions and concave portions of the periodic structure are continuous without interruption.
本発明の第２の微細周期構造の形成方法は、微小の凹部と微小の凸部とが配設されてなる微細周期構造を材料表面に形成する微細周期構造の形成方法であって、互いに平行な２軸のレーザ光を１つの集光用レンズを用いて集光し、その集光点において２光束干渉露光させ、その集光点における干渉縞に沿った方向に対して、集光点と被加工物とを相対移動させ、かつ干渉縞を横切る方向に集光点と被加工物を相対移動させるものである。 The second fine periodic structure forming method of the present invention is a fine periodic structure forming method in which a fine periodic structure in which minute concave portions and minute convex portions are arranged is formed on a material surface, and is parallel to each other. Two-axis laser light is condensed using one condensing lens, two-beam interference exposure is performed at the condensing point, and the condensing point is aligned with the direction along the interference fringes at the condensing point. The workpiece is moved relative to the workpiece, and the focusing point and the workpiece are moved relative to each other in a direction crossing the interference fringes.
本発明の第２の微細周期構造の形成方法によれば、前記第１の微細周期構造の形成方法と同様、２軸のレーザ光を１軸のレーザ光走行装置により同時に走査させることが可能となる。しかも、第２の微細周期構造の形成方法では、干渉縞に沿った方向と干渉縞を横切る方向に被加工物を相対移動させるものであるので、大面積の微細周期構造を形成することが可能となる。特に、干渉縞に沿った方向と干渉縞を横切る方向に集光点と被加工物を同時に移動させるものであれば、短時間に大面積の微細周期構造を形成することが可能となる。また、集光点がオーバラップするようにすれば、周期構造の凸部と凹部がそれぞれ途切れなく連続した微細周期構造を形成することができる。 According to the second method for forming a fine periodic structure of the present invention, as in the first method for forming a fine periodic structure, biaxial laser light can be simultaneously scanned by a uniaxial laser light traveling device. Become. Moreover, in the second method for forming a fine periodic structure, the workpiece is relatively moved in a direction along the interference fringes and in a direction crossing the interference fringes, so that a large-area fine periodic structure can be formed. It becomes. In particular, a fine periodic structure with a large area can be formed in a short time if the condensing point and the workpiece are simultaneously moved in a direction along the interference fringes and in a direction crossing the interference fringes. Further, if the condensing points are overlapped, it is possible to form a fine periodic structure in which the convex portions and concave portions of the periodic structure are continuous without interruption.
２軸のレーザ光が１軸のレーザ光走行装置を経て集光用レンズへ入射され、集光用レンズ上の各入射点の中間点が、レーザ光走査装置によるレーザ光の走査に伴って、前記集光用レンズの中心線を通るように構成するのが好ましい。 A biaxial laser beam is incident on a condensing lens through a uniaxial laser beam traveling device, and an intermediate point of each incident point on the condensing lens is scanned with the laser beam by the laser beam scanning device. It is preferable to configure so as to pass through the center line of the condensing lens.
前記集光用レンズが球面レンズであっても、シリンドリカルレンズであっても、ｆθレンズであってもよい。ここで、球面レンズとは、少なくとも片面が球面で構成されているレンズのことである。シリンドリカルレンズとは、少なくとも片面がシリンドリカル面で構成されているレンズのことである。シリンドリカル面とは円筒面のことで、一方向には曲率を持つが、それと直交する方向には曲率を持たない面のことである。シリンドリカルレンズに光を入射させると、線状に集光する。また、ｆθレンズは、レーザ光走行装置による走査角度に対して、レーザ光集光点の移動距離が比例するレンズのことであり、走査加工に適している。ただし、レンズには、ｆθレンズのように、複数枚のレンズから構成されて１つの製品となっているものがあるため、複数枚からなるレンズ群を装備したレンズ製品を「１つの集光用レンズ」とする。 The condensing lens may be a spherical lens, a cylindrical lens, or an fθ lens. Here, the spherical lens is a lens in which at least one surface is a spherical surface. A cylindrical lens is a lens in which at least one surface is constituted by a cylindrical surface. A cylindrical surface is a cylindrical surface, which has a curvature in one direction but does not have a curvature in a direction perpendicular thereto. When light is incident on the cylindrical lens, it is condensed into a linear shape. The fθ lens is a lens in which the moving distance of the laser beam condensing point is proportional to the scanning angle by the laser beam traveling device, and is suitable for scanning processing. However, some lenses, such as fθ lenses, are composed of a plurality of lenses to form one product. Therefore, a lens product equipped with a plurality of lens groups is referred to as “one condensing lens”. Lens ".
本発明の第１の微細周期構造の形成装置は、微小の凹部と微小の凸部とが配設されてなる微細周期構造を材料表面に形成する微細周期構造の形成装置であって、互いに平行な２軸のレーザ光を集光させて、その集光点において２光束干渉露光させる１つの集光用レンズと、その集光点における干渉縞に沿った方向に対して、集光点と被加工物とを相対移動させる干渉縞方向相対移動手段とを備えたものである。 A first apparatus for forming a fine periodic structure according to the present invention is an apparatus for forming a fine periodic structure in which a fine periodic structure in which minute concave portions and minute convex portions are arranged is formed on a material surface, and is parallel to each other. One condensing lens that collects two biaxial laser beams and performs two-beam interference exposure at the condensing point, and the direction along the interference fringe at the condensing point and the target Interference fringe direction relative movement means for moving the workpiece relative to each other is provided.
本発明の第１の微細周期構造の形成装置によれば、被加工物のスライドに加え干渉縞を形成した集光点の位置もレーザ光走行装置によって同時に移動させることで、被加工物をスライドするための移動ステージの移動速度を低減できる。勿論、移動ステージを動作させることなく、レーザ光走行装置のみ動作させることで、その集光点における干渉縞に沿った方向に対して、集光点と被加工物とを相対移動させて微細周期構造を形成することもできる。また、集光点がオーバラップするようにすれば、周期構造の凸部と凹部がそれぞれ途切れなく連続した微細周期構造を形成することができる。 According to the first apparatus for forming a fine periodic structure of the present invention, the work piece is slid by simultaneously moving the position of the condensing point where the interference fringes are formed in addition to the slide of the work piece by the laser beam traveling device. Therefore, the moving speed of the moving stage can be reduced. Of course, by operating only the laser beam traveling device without operating the moving stage, the focusing point and the work piece are moved relative to the direction along the interference fringe at the focusing point, and a fine period is obtained. A structure can also be formed. Further, if the condensing points are overlapped, it is possible to form a fine periodic structure in which the convex portions and concave portions of the periodic structure are continuous without interruption.
本発明の第２の微細周期構造の形成装置は、微小の凹部と微小の凸部とが配設されてなる微細周期構造を、材料表面に形成する微細周期構造の形成装置であって、互いに平行な２軸のレーザ光を集光させて、その集光点において２光束干渉露光させる１つの集光用レンズと、その集光点における干渉縞に沿った方向に対して、集光点と被加工物とを相対移動させる第１相対移動手段と、干渉縞を横切る方向に集光点と被加工物とを相対移動させる第２相対移動手段とを備えたものである。 The second fine periodic structure forming apparatus of the present invention is a fine periodic structure forming apparatus that forms on a material surface a fine periodic structure in which minute concave portions and minute convex portions are arranged. One condensing lens that condenses parallel biaxial laser beams and performs two-beam interference exposure at the condensing point, and a condensing point with respect to the direction along the interference fringes at the condensing point First relative moving means for moving the workpiece relative to each other and second relative moving means for moving the focusing point and the workpiece relative to each other in a direction crossing the interference fringes are provided.
本発明の第２の微細周期構造の形成装置は、前記第１の微細周期構造の形成装置と同様、被加工物のスライドに加え干渉縞を形成した集光点の位置もレーザ光走行装置によって同時に移動させることで、被加工物のスライドするための移動ステージの移動速度を低減できる。勿論、移動ステージを動作させることなく、レーザ光走行装置のみ動作させることで、その集光点における干渉縞に沿った方向に対して、集光点と被加工物とを相対移動させて微細周期構造を形成することもできる。また、集光点がオーバラップするようにすれば、周期構造の凸部と凹部がそれぞれ途切れなく連続した微細周期構造を形成することができる。しかも、第２相対移動手段にて干渉縞を横切る方向に被加工物を相対移動させるものであるので、大面積の微細周期構造を形成することが可能となる。 In the second fine periodic structure forming apparatus of the present invention, as in the first fine periodic structure forming apparatus, the position of the focal point where the interference fringes are formed in addition to the slide of the workpiece is also determined by the laser beam traveling device. By moving simultaneously, the moving speed of the moving stage for sliding the workpiece can be reduced. Of course, by operating only the laser beam traveling device without operating the moving stage, the focusing point and the work piece are moved relative to the direction along the interference fringe at the focusing point, and a fine period is obtained. A structure can also be formed. Further, if the condensing points are overlapped, it is possible to form a fine periodic structure in which the convex portions and concave portions of the periodic structure are continuous without interruption. In addition, since the workpiece is relatively moved in the direction crossing the interference fringes by the second relative movement means, it is possible to form a fine periodic structure having a large area.
干渉縞に沿った方向と同時に干渉縞を横切る方向に集光点と被加工物を相対移動させるものであれば、短時間に大面積の微細周期構造を形成することが可能となる。 If the focusing point and the workpiece are moved relative to each other in the direction along the interference fringe and in the direction crossing the interference fringe, a fine periodic structure having a large area can be formed in a short time.
微細周期構造の形成装置として、２軸のレーザ光が１軸のレーザ光走行装置を経て集光用レンズへ入射され、集光用レンズ上の各入射点の中間点が、レーザ光走行装置によるレーザ光の走査を伴って、前記集光用レンズの中心線を通るように構成するのが好ましい。 As an apparatus for forming a fine periodic structure, biaxial laser light is incident on a condensing lens through a uniaxial laser light traveling device, and the intermediate point of each incident point on the condensing lens is determined by the laser light traveling device. It is preferable that the laser beam is configured to pass through the center line of the condensing lens with the scanning of the laser beam.
本発明では、移動ステージの移動による被加工物の移動のみならず干渉縞を形成した集光点の位置もレーザ光走行装置によって同時に移動させることで、移動ステージの移動速度を低減でき、従来のような高性能な移動ステージが必要となるという問題が発生しない。つまり、レーザ光のパルス周波数と、被加工物と集光点の相対移動との同期に制限されることなく、被加工物に対して微細周期構造を高速に加工することができる。 In the present invention, not only the movement of the workpiece by the movement of the moving stage but also the position of the condensing point where the interference fringes are formed are simultaneously moved by the laser beam traveling device, so that the moving speed of the moving stage can be reduced. Such a problem that a high-performance moving stage is required does not occur. That is, the fine periodic structure can be processed at high speed on the workpiece without being limited to the synchronization between the pulse frequency of the laser beam and the relative movement of the workpiece and the focal point.
特に、第２の微細周期構造の形成方法及び形成装置では、干渉縞に沿った方向と同時に干渉縞を横切る方向に集光点と被加工物を相対移動させることができ、微細周期構造を大面積加工することが可能となる。この場合、干渉縞に沿った方向と同時に干渉縞を横切る方向に集光点と被加工物を相対移動させることによって、高速に微細周期構造を大面積加工することが可能となる。 In particular, in the second fine periodic structure forming method and forming apparatus, the focusing point and the workpiece can be moved relative to each other in the direction along the interference fringe and at the same time in the direction along the interference fringe. Area processing is possible. In this case, the fine periodic structure can be processed in a large area at a high speed by relatively moving the condensing point and the workpiece in the direction along the interference fringe as well as the direction along the interference fringe.
集光用レンズ上の各入射点の中間点が、レーザ光走行装置によるレーザ光の走査に伴って、前記集光用レンズの中心線を通るように構成したものでは、２つのレーザ光は、安定して、集光点において空間的にも時間的にも一致するようにでき、高精度の微細周期構造を形成できる。 In the configuration in which the intermediate point of each incident point on the condensing lens passes through the center line of the condensing lens as the laser beam travels by the laser beam traveling device, the two laser beams are It can be made to be consistent and spatially and temporally coincident at the condensing point, and a highly accurate fine periodic structure can be formed.
集光用レンズを、球面レンズ、シリンドリカルレンズやｆθレンズ等にて構成できる。このため、既存のレンズを用いることができ、構成の簡略化及び低コスト化を図ることができる。 The condensing lens can be constituted by a spherical lens, a cylindrical lens, an fθ lens, or the like. Therefore, an existing lens can be used, and the configuration can be simplified and the cost can be reduced.
以下、本発明の実施の形態を図１〜図５に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
図１は微細周期構造の形成装置を示し、この形成装置は、微小の凹部と微小の凸部とで配設されてなる微細周期構造５０を、材料Ｓ表面に形成するものである。図５は参考例を示し、この図５に示す微細周期構造の形成装置は、レーザ発振器２１と、レーザ発振器２１から照射されたレーザ光Ｌが入光するビームスプリッタ２２と、集光用レンズ２３と、ビームスプリッタ２２にて分けられる２つのレーザ光Ｌ１、Ｌ２のうち一方の第１のレーザ光Ｌ１を集光用レンズ２３に入射させる第１の光学系２４と、他方の第２のレーザ光Ｌ２を集光用レンズ２３に入射させる第２の光学系２５とを備える。なお、レーザ光としては、ナノ秒レーザ、ピコ秒レーザ、及びフェムト秒レーザ等のパルスレーザを用いることができる。
FIG. 1 shows an apparatus for forming a fine periodic structure, which forms on the surface of the material S a fine
第１の光学系２４は、２つのミラー２６，２７を有するものである。この場合、ビームスプリッタ２２にて分けられた第１のレーザ光Ｌ１は、まず、第１のミラー２６にて反射された後、第２のミラー２６に反射されて集光用レンズ２３に入射して、材料Ｓ上に集光する。
The first
第２の光学系２５は、３つのミラー２８，２９，３０を有し、ビームスプリッタ２２にて分けられた第２のレーザ光Ｌ２は、まず、第３のミラー２８にて反射された後、第４のミラー２９に反射され、その後、第５のミラー３０に反射されて集光用レンズ２３に入射して、材料Ｓ上に集光する。
The second
また、第２の光学系２５には光路長調整装置３１を備えている。この場合、第３のミラー２８にレーザ光Ｌ２が入光する方向と、第４のミラー２９からレーザ光Ｌ２が反射する方向とが平行になるように配置される。そこで、光路長調整装置３１は、この入光する方向および反射する方向に沿って、第３のミラー２８及び第４のミラー２９を、一体的に矢印Ａ、Ｂ方向の移動を可能とするものである。このため、この光路長調整装置３１の駆動機構として、シリンダ機構、ボール・ナット機構、リニアモータ機構等の各種の移動機構を用いることができる。
The second
この図５に示す微細周期構造の形成装置にて干渉縞を形成する方法を説明する。まず、レーザ発振器２１から、ビームスプリッタ２２に向けて一軸のレーザ光Ｌを照射する。ビームスプリッタ２２に照射されたレーザ光Ｌは、２つのレーザ光Ｌ１、Ｌ２に分岐する。第１のレーザ光Ｌ１は第１のミラー２６に向けて照射されることになり、第２のレーザ光Ｌ２は第３のミラー２８に向けて照射されることになる。
A method of forming interference fringes with the fine periodic structure forming apparatus shown in FIG. 5 will be described. First, uniaxial laser light L is emitted from the
第１のミラー２６に向けて照射された第１のレーザ光Ｌ１は、前記したように、第１のミラー２６及び第２のミラー２７にて反射され、集光用レンズ２３に入光して、材料Ｓ上に集光する。
As described above, the first laser beam L1 irradiated toward the
第３のミラー２８に向けて照射された第２のレーザ光Ｌ２は、前記したように、第３のミラー２８、第４のミラー２９、及び第５のミラー３０にて反射され、集光用レンズ２３に入光して、材料Ｓ上に集光する。
As described above, the second laser light L2 irradiated toward the
この場合、２つのレーザ光が集光点で空間的にも時間的にも一致して材料（被加工物）Ｓに照射されるようにする必要がある。このため、この図５に示す形成装置では、光路長調整装置３１を設けている。この光路長調整装置３１を矢印Ａ方向又は矢印Ｂにスライドさせることによって、レーザ光Ｌ２の光路長を変更できるようにしている。すなわち、光路長調整装置３１を矢印Ａ方向にスライドさせることによって、レーザ光Ｌ２の光路長が長くなり、光路長調整装置３１を矢印Ｂ方向にスライドさせることによって、レーザ光Ｌ２の光路長が短くなる。
In this case, it is necessary to irradiate the material (workpiece) S with the two laser beams at the focal point, both spatially and temporally. For this reason, the optical path
これによって、Ｌ１とＬ２の光路長を一致させることで、２つのレーザ光Ｌ１，Ｌ２が集光点Ｆ（図２参照）で空間的にも時間的にも一致して材料（被加工物）Ｓに照射されることになり、集光点において干渉縞を発生させることになる。すなわち、この装置で、材料（被加工物）Ｓの表面にレーザ光を照射することによって、干渉縞つまりレーザ光のエネルギー密度の周期的な組密による微細周期構造が材料（被加工物）Ｓの表面に形成される。 Thus, by matching the optical path lengths of L1 and L2, the two laser beams L1 and L2 coincide spatially and temporally at the condensing point F (see FIG. 2). S is irradiated and interference fringes are generated at the condensing point. That is, by irradiating the surface of the material (workpiece) S with this apparatus, the fine periodic structure due to interference fringes, that is, the periodic density of the energy density of the laser light, is formed into the material (workpiece) S. Formed on the surface.
これに対して、本発明では、図１に示すように、この図５に示す形成装置に、干渉縞方向相対移動手段(第１相対移動手段)５１を構成するレーザ光走行装置３５を付加した構成のものである。レーザ光走行装置３５は、レーザＬ１，Ｌ２の集光点を走査するものであり、ガルバノミラースキャナ３８を用いることができる。ここで、ガルバノミラースキャナ３８とは、モータ（ガルバノモータ）３６の先端にレーザ光を反射させるためのミラー３７が付いたものであり、この集光点ＦをＹ軸方向に沿って走行させる。
On the other hand, in the present invention, as shown in FIG. 1, a laser
この装置においては、被加工物Ｓが移動ステージ４０上に配置される。この移動ステージ４０はＸＹＺステージ又はＸＹＺθステージ等で構成できる。この場合、移動ステージ４０を、Ｘ軸方向に沿ってスライドさせることになる。すなわち、移動ステージ４０によって被加工物ＳをＸ軸方向に沿って水平面上を移動し、レーザＬ１，Ｌ２の集光点のＸ軸と直交するＹ軸方向に往復走査することになる。すなわち、この移動ステージ４０は、干渉縞直交方向相対移動手段（第２相対移動手段）５２を構成することになる。
In this apparatus, the workpiece S is disposed on the moving
集光用レンズ２３として、この図１に示す装置では、シリンドリカルレンズ２３を用いている。ここで、シリンドリカルレンズ２３とは、少なくとも片面がシリンドリカル面で構成されているレンズのことである。シリンドリカル面とは円筒面のことで、一方向には曲率を持つが、それと直交する方向には曲率を持たない面のことである。このため、円筒面に平行光を入射させると、線状に集光する。
As the condensing
この装置では、まず、図５に示す形成装置と同様に、１軸のレーザ光ＬをＬ１とＬ２の２軸に分岐させ、互いに平行となるようにする。ここで、一方の光路（この実施形態では、Ｌ２の光路）の光路長を光路長調整装置３１にて正負に調整できる。
In this apparatus, first, similarly to the forming apparatus shown in FIG. 5, the uniaxial laser beam L is branched into two axes L1 and L2 so as to be parallel to each other. Here, the optical path length of one optical path (in this embodiment, the optical path of L2) can be adjusted to positive or negative by the optical path
この２つの平行なレーザ光Ｌ１、Ｌ２はレーザ光走行装置３５であるガルバノミラースキャナ３８に導かれる。このとき、ガルバノミラースキャナ３８の回転軸３８ａに対してレーザ光Ｌ１、Ｌ２を垂直に入射させる。ガルバノミラースキャナ３８に反射させた２つのレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、集光用レンズ２３であるシリンドリカルレンズ２３の中心軸に対してそれぞれ軸対称となる位置に入射させる。
The two parallel
すなわち、図２に示すように、集光用レンズ２３上の各入射点Ｈ１，Ｈ２の中間点Ｏが、レーザ光走行装置３５（ガルバノミラースキャナ３８）によるレーザ光Ｌ１，Ｌ２の走査に伴って、前記集光用レンズ２３の中心点を通る直線(中心線)Ｌ３(図１参照)上にあるように設定される。このため、直線Ｌ３からのレーザ光Ｌ１までの距離Ｗ１と、直線Ｌ３からのレーザ光Ｌ２までの距離Ｗ２とは同一に設定される。これによって、レーザ光Ｌ１、Ｌ２はシリンドリカルレンズ２３の軸を被加工物Ｓ上に投影した線上に集光され、干渉縞４５を発生させる。
That is, as shown in FIG. 2, the intermediate point O between the incident points H1 and H2 on the condensing
この干渉縞４５はシリンドリカルレンズ２３の軸方向およびガルバノミラースキャナ３８の走査方向に一致している。このため、ガルバノミラースキャナ３８を動作させレーザ光Ｌ１、Ｌ２をシリンドリカルレンズ２３の軸に沿って走査すると被加工物Ｓに微細周期構造５０が高速に加工できる。
The
このため、ガルバノミラースキャナ３８により干渉縞４５に沿った方向に集光点Ｆを走査し、干渉縞４５を横切る方向にステージ４０により被加工物Ｓを移動させれば、微細周期構造５０が高速にかつ大面積に加工可能となる。すなわち、集光点Ｆを、被加工物Ｓ表面に対し、干渉縞４５に沿った方向に相対移動させながら集光点Ｆがオーバラップするように照射するとともに、被加工物Ｓ側を干渉縞４５を横切る方向に移動させることによって、干渉縞４５によって形成された微細周期構造５０が、広範囲に整列して形成される。
For this reason, if the condensing point F is scanned by the
ところで、図３は、干渉縞４５に沿った方向への集光点Ｆの相対移動の終了を待ってから干渉縞４５を横切る方向へ被加工物Ｓと集光点Ｆとを相対移動させた場合の微細周期構造５０を示している。しかしながら、このように干渉縞４５に沿った方向への集光点Ｆの所定量（所定寸）の移動を行った後、干渉縞４５を横切る方向への被加工物Ｓの移動を行う方法では、加工速度としては低下することになる。
3 waits for the end of the relative movement of the condensing point F in the direction along the
そこで、干渉縞４５に沿った方向への集光点Ｆを相対移動させると同時に、干渉縞４５を横切る方向へも被加工物Ｓの移動を行うことを提案できる。このように、干渉縞４５に沿った方向への集光点の移動と、干渉縞４５を横切る方向への被加工物Ｓの移動とを同時に行えば、図４に示すように、微細周期構造５０の凹凸部が、Ｙ軸方向に沿った直線状にならずに、干渉縞４５を横切る方向にずれたものとなる。
Therefore, it can be proposed to move the converging point F in the direction along the
この場合、干渉縞４５に沿った方向へレーザ集光点Ｆが集光点Ｆの直径の距離を移動する間の、集光点Ｆの干渉縞４５を横切る方向への移動距離を干渉縞の１周期未満に制限することが好ましい。このように制限すれば、干渉露光法によって形成された微細周期構造５０が後続のレーザ光照射による形状劣化を低減することが可能となる。つまり、集光点Ｆは必ずしも干渉縞４５に完全に平行な方向に直進させる必要はない。
In this case, while the laser condensing point F moves the distance of the diameter of the condensing point F in the direction along the
このため、干渉締４５を横切る方向に集光点を相対移動させる速度ｖとしては、集光点Ｆの干渉縞４５に沿った方向の相対移動速度をＶとし、集光点の干渉縞に沿った方向の直径をＤ（図４参照）とし、干渉縞の周期をΔ（図４参照）とすると、ｖ＜(Δ×Ｖ)／Ｄとするのが好ましい。さらには、ｖ＜(Δ×Ｖ)／（２×Ｄ）とすることがより好ましい。これによって、微細周期構造５０は後続のレーザ光で破壊されることなく、連続的な加工が可能となる。
For this reason, as the speed v for moving the focusing point in the direction across the
このように、移動ステージ４０の移動による被加工物Ｓの移動のみならず干渉縞４５を形成した集光点Ｆの位置も同時に移動させることで、移動ステージ４０の移動速度を低減でき、上記のような高性能な移動ステージ４０が必要となるという問題が発生しない。つまり、レーザ光のパルス周波数と、被加工物Ｓと集光点Ｆの相対移動との同期に制限されることなく、被加工物Ｓに対して微細周期構造５０を高速に加工することができる。
Thus, not only the movement of the workpiece S due to the movement of the moving
特に、干渉縞４５に沿った方向と同時に干渉縞４５を横切る方向に集光点Ｆと被加工物Ｓを相対移動させることができ、高速に微細周期構造５０を大面積加工することが可能となる。
In particular, the focal point F and the workpiece S can be moved relative to each other in the direction along the
ところで、集光用レンズ２３としては、シリンドリカルレンズ２３に限らず、球面レンズ、ｆθレンズなどあれば良い。また、レーザ光Ｌ１、Ｌ２は集光点Ｆにおいて、少なくともその干渉パターンの明暗の明の部分のエネルギー密度が加工闘値を超えていれば良い。そのため、Ｗ１＝Ｗ２である限り、レーザ光Ｌ１、Ｌ２のレンズへの入射位置あるいは入射角度は限定されない。すなわち、Ｗ１＝Ｗ２を維持しつつ、Ｗ１（Ｗ２）の寸法を任意に設定できる。
Incidentally, the condensing
シリンドリカルレンズ２３は、集光点が楕円形状となるため、レーザ光のワンショットあたりの加工面積は大となって、加工時間の短縮を図る利点がある。ｆθレンズは、レーザ光走査装置による走査角度に対して、レーザ光集光点の移動距離が比例するレンズのことである。このため、ｆθレンズは、ガルバノミラースキャナ３８によって走査しているレーザ光を集光するレンズとして好ましいものとなっている。なお、レンズには、ｆθレンズのように、複数枚のレンズから構成されて１つの製品となっているものがあるため、複数枚からなるレンズ群を装備したレンズ製品を「１つの集光用レンズ」とする。
Since the
レーザ光走行装置３５としては、ガルバノミラースキャナ３８に限るものではなく、ポリゴンミラースキャナ、ピエゾミラースキャナ等が使用できる。ガルバノミラースキャナは一面ミラーを電磁力で回転させるものであり、ポリゴンミラースキャナは多面ミラーを回転させて、レーザ光をスキャンするものであり、ピエゾミラースキャナはピエゾ素子でミラーの角度を変化させて、レーザ光をスキャンするものである。
The laser
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、前記実施形態では、レーザ光走行装置３５によって集光点Ｆを走査せるとともに、移動ステージ４０を移動させていたが、移動ステージ４０を移動させることなく、レーザ光走行装置３５による集光点の走査のみを行うものであってもよい。
As described above, the embodiments of the present invention have been described. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible. Although the moving
移動ステージ４０として、干渉縞４５を横切る方向に集光点Ｆと被加工物Ｓを相対移動させるものであったが、回転するステージを用いてもよい。すなわち、回転移動ステージを使用して被加工物Ｓを回転させながらレーザ光を照射し、微細周期構造５０を円形に加工することも可能である。この場合、集光点Ｆの直径とは、集光点Ｆの干渉縞に沿った方向の直径となる。また、被加工物が円筒状あるいは球状等の立体形状からなるものである場合は、被加工物を回転させながら、その側面あるいは内面に加工することも可能である。
As the moving
前記実施形態では、まず、１軸のレーザ光Ｌを、２軸のレーザ光Ｌ１，２に分岐させるものであったが、２つのレーザ光発振器を備えたものであってもよい。すなわち、一のレーザ光発振器から１軸のレーザ光Ｌ１を発振させ、他のレーザ光発振器から１軸のレーザ光Ｌ２を発振させるようにしてもよい。 In the above embodiment, the uniaxial laser beam L is first split into the biaxial laser beams L1 and L2, but may be provided with two laser beam oscillators. That is, the uniaxial laser beam L1 may be oscillated from one laser beam oscillator, and the uniaxial laser beam L2 may be oscillated from another laser beam oscillator.
被加工物Ｓとしては、ステンレス、炭素鋼、銅、アルミニウム、チタン、白金等の金属材料、チタン合金、アルミ合金、超硬合金等の複合材料でもよい。また炭化ケイ素や窒化ケイ素等のセラミックスであっても、プラスチック等であってもよい。さらには、ガラスやサファイア、アルミナなど透明・半透明材料でもよい。また、レーザ光を放出する装置には、固体レーザ、液体レーザ、ガスレーザ、及び半導体レーザ等がある。このため、被加工物Ｓに応じて、これらの各種のレーザから選択して用いるようにしてもよい。 The workpiece S may be a metal material such as stainless steel, carbon steel, copper, aluminum, titanium, or platinum, or a composite material such as titanium alloy, aluminum alloy, or cemented carbide. Further, it may be ceramics such as silicon carbide or silicon nitride, or plastic. Furthermore, transparent and translucent materials such as glass, sapphire, and alumina may be used. Examples of devices that emit laser light include solid-state lasers, liquid lasers, gas lasers, and semiconductor lasers. For this reason, you may make it select and use from these various lasers according to the to-be-processed object S.
２３ 集光用レンズ
３５ レーザ光走行装置
５０ 微細周期構造
５１ 干渉縞方向相対移動手段（第１相対移動手段）
５２ 第２相対移動手段
Ｈ１，Ｈ２ 入射点
Ｌ，Ｌ１，Ｌ２ レーザ光
Ｏ 中間点
Ｓ 材料（被加工物）
23
52 Second relative movement means H1, H2 Incident points L, L1, L2 Laser light O Intermediate point S Material (workpiece)
Claims (12)
互いに平行な２軸のレーザ光を１つの集光用レンズを用いて集光し、その集光点において２光束干渉露光させ、その集光点における干渉縞に沿った方向に対して、集光点と被加工物とを相対移動させて微細周期構造を形成することを特徴とする微細周期構造の形成方法。 A method for forming a fine periodic structure in which a fine periodic structure in which minute concave portions and minute convex portions are arranged is formed on a material surface,
Two biaxial laser beams parallel to each other are condensed using one condensing lens, two-beam interference exposure is performed at the condensing point, and condensing is performed in a direction along the interference fringes at the condensing point. A method for forming a fine periodic structure, wherein the fine periodic structure is formed by relatively moving a point and a workpiece.
互いに平行な２軸のレーザ光を１つの集光用レンズを用いて集光し、その集光点において２光束干渉露光させ、その集光点における干渉縞に沿った方向に対して、集光点と被加工物とを相対移動させ、かつ、干渉縞を横切る方向に集光点と被加工物を相対移動させることを特徴とする微細周期構造の形成方法。 A method for forming a fine periodic structure in which a fine periodic structure in which minute concave portions and minute convex portions are arranged is formed on a material surface,
Two biaxial laser beams parallel to each other are condensed using one condensing lens, two-beam interference exposure is performed at the condensing point, and condensing is performed in a direction along the interference fringes at the condensing point. A method for forming a fine periodic structure, wherein a point and a workpiece are moved relative to each other, and the focusing point and the workpiece are moved relative to each other in a direction crossing the interference fringes.
互いに平行な２軸のレーザ光を集光させて、その集光点において２光束干渉露光させる集光用レンズと、その集光点における干渉縞に沿った方向に対して、集光点と被加工物とを相対移動させる干渉縞方向相対移動手段とを備えたこと特徴とする微細周期構造の形成装置。 An apparatus for forming a fine periodic structure that forms on a material surface a fine periodic structure in which minute concave portions and minute convex portions are arranged,
A condensing lens for condensing biaxial laser beams parallel to each other and performing two-beam interference exposure at the condensing point, and a direction along the interference fringe at the condensing point, An apparatus for forming a fine periodic structure, comprising: interference fringe direction relative movement means for relatively moving a workpiece.
互いに平行な２軸のレーザ光を集光させて、その集光点において２光束干渉露光させる集光用レンズと、その集光点における干渉縞に沿った方向に対して、集光点と被加工物とを相対移動させる第１相対移動手段と、干渉縞を横切る方向に集光点と被加工物とを相対移動させる第２相対移動手段とを備えたこと特徴とする微細周期構造の形成装置。 An apparatus for forming a fine periodic structure that forms on a material surface a fine periodic structure in which minute concave portions and minute convex portions are arranged,
A condensing lens for condensing biaxial laser beams parallel to each other and performing two-beam interference exposure at the condensing point, and a direction along the interference fringe at the condensing point, Formation of a fine periodic structure characterized by comprising first relative movement means for moving relative to the workpiece and second relative movement means for moving relative to the focal point and the workpiece in a direction crossing the interference fringes apparatus.
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