JP4396345B2 - パルスレーザーによる材料表面加工方法、情報担体および識別情報 - Google Patents

Description

本発明は、パルスレーザーによる固体材料表面加工技術に係わり、詳しくはナノメートルオーダーで材料の表面反射率を変化させる２次元微細パターン形成に係わる超短パルスレーザーによる材料加工方法に関する。また本発明はパルスレーザーによる材料の表面加工データの処理方法に関わる。また本発明は複製版の製造方法に関わる。また本発明はドットパターンが形成された情報担体に関わる。また本発明はパルスレーザーにより形成される識別情報に関わる。

従来、微細加工技術を利用して固形材料表面に反射パターンを形成するための表面加工方法としては、表面を機械的に掘るものや印刷、フォトリソグラフィーによって製作されるものがほとんどであった。これらの微細加工技術を応用したものとして、ホログラムや回折格子、マイクロ文字などがあった。これらは主としてセキュリティ性のある識別情報として用いられている。

また光ディスクなどでは、スタンパ方式により基材に微細なビットを大量に形成することが一般的となっているが、その加工寸法はやはり最小でも数マイクロメートル止まりである。類似の媒体として、材料の磁気配向を変えることで反射パターンを記録する方法が、コンピュータ等の記録媒体として一般的となってきたが、媒体が磁性材料に限定されるため、光磁気ディスクなど実用化されているのみであって、任意の固形材料に加工出来るものではなかった。

一方、１ピコ秒以下の超短パルスレーザーであるフェムト秒パルスレーザーを有機化合物の深さの精密加工などに用いることが近年になって提唱されるようになった。特に、多光子吸収や熱緩和時間よりも短時間の現象であることなどにより非熱加工が可能であること（図６参照）、また非線形応答のため加工分解能は光の回折限界以下であり、高い精度の加工が可能であることが知られている（非特許文献１参照）。

ナノ秒以上のパルスレーザーでは、照射エネルギー（レーザーフルエンス）と加工寸法はほぼ線形比例関係にあることが知られている。しかし、フェムト秒パルスレーザーでは、照射エネルギー（レーザーフルエンス）と加工寸法は非線形関係にある。特に、照射エネルギー（レーザーフルエンス）が加工を行うのに十分である場合には、ビーム方向と垂直の方向、つまり幅方向にはサブミクロンの広がりを持つのみであり、深さ方向への加工進行が主として起こることが知られている。

フェムト秒レーザーを用いた微細構造の作成方法についても提案されている（特許文献１参照）。この方法は、互いに干渉したフェムト秒レーザーパルスを基材に照射することにより、最小平均寸法５〜２０ｎｍを有する周期的微細構造を基材中に作成するものであって、２ビームのフェムト秒レーザーを用いたホログラム露光方法である。

更に、レーザー光の波長吸収率が異なる多層構造の被加工物に１ピコ秒以下のパルス放射時間で空間的時間的エネルギー密度の大きいパルスを連続放射するレーザー発振器からのレーザー光を所定パターン、所定エネルギー密度にて照射し、被加工物を加工する報告が特許文献２に示されている。これらはいずれも固形材料表面を形状的に加工することが特徴である。
特開２００３−５７４２２号公報 特開２００１−２１２７９６号公報 緑川克美、「フェムト秒レーザーと物質の相互作用」、 レーザー加工学会誌 Vol.8,No.3(2001)

固体表面に反射パターンを形成する加工として従来行われているホログラムや回折格子、マイクロ文字などは、主としてセキュリティ性のある識別情報として用いられているが、その存在が容易に目視で確認でき、その微細構造が比較的容易に偽造可能となってしまうという問題点があった。さらに、セキュリティー用途として応用する場合に最も効果的な、個別の情報を盛り込める加工は困難であった。そこで、多様な材料表面に、簡便で、更に微細な反射パターンを形成する出来、さらに個別情報を記録出来るような加工方法が望まれていた。

本発明は以上のような従来の技術が持つ問題点に着目してなされたものであって、材料選択性が無く、材料表面の形状的な変化が極めて少なく、反射率のみを変化させることで非常に微細な反射パターンの形成を個別に可能にする安定した微細な表面加工方法を提供することを目的とする。また本発明の別の目的はパルスレーザーによる材料の表面加工データの処理方法を提供することにある。また本発明の別の目的は非常に微細な反射パターンの複製を得るための複製版の製造方法を提供することにある。また本発明の別の目的は微細な反射パターンからなるドットパターンが形成された情報担体を提供することにある。また本発明の別の目的はパルスレーザーにより形成される識別情報識別情報を提供することにある。

前記課題を解決するために本発明が提供するパルスレーザーによる材料の表面加工方法は、まず、請求項１に示すように、任意の固形材料の表面の異なる部位に２次元的に１乃至５μｍの間隔で、発振パルス幅が１ピコ秒以下であるパルスレーザーを、アブレーションしきい値より小さいパワーで多数回照射して固形材料表面の光反射率を変化させることによって、可視光波長以下の寸法の光反射率変化ドットで文字、画像を形成することを特徴とする。

これによって、材料表面を実質的にほとんど損傷することなく、材料の光反射特性のみを変化させることがが出来る。

これによって、材料表面を実質的にほとんど損傷することなく、光学的に読みとり可能な２次元のパターンを記録することが出来、所望の情報に基づく２次元パターンを記録することで情報として利用することが可能となる。ドットの間隔と大きさを制御することによってディジタル光メモリーとして利用することも可能である。

これによって、従来のマイクロ文字以下の寸法で直接には目視困難な情報を付与することができる。また、形成された情報は秘匿情報として使用することができ、セキュリティ機能として利用が可能である。

これによって、加工される材料の凹凸に応じた寸法の光反射率変化ドットが形成されるので、加工された固形材料独自のパターンを形成でき、これをその材料特有のパターンとして利用出来る。

また、請求項２に示すように、固形材料の表面に、直線偏光しており、かつ、発振パルス幅が１ピコ秒以下であるパルスレーザーをアブレーションしきい値より小さいパワーで照射することにより、固形材料表面の光反射率を変化させることを特徴とするパルスレーザーによる材料の表面加工方法である。

これによって、より明確な方向性のある光反射率変化ドットを形成することができる。

また、請求項３に示す様に、直線偏光したパルスレーザーを異なる部位に多数回照射する際、偏光方向が異なるものを含むことを特徴とする。

これによって、形成された光反射率変化ドットからなるパターンがより複雑となり、偽造等をし難くすることが出来る。

また、請求項４に示す様に、所定の信号に応じてパルスレーザーのパワーを変化させるか、または、所定の信号に応じてパルスレーザーの偏光方向を変化させるかしながら、光反射率変化ドットによる２次元的パターンを形成することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のパルスレーザーによる材料の表面加工方法である。

これにより、形成された反射のパターンがより複雑となり偽造等をし難くすると共に、電子透かし、デジタル署名などの識別情報に利用することが出来る。

また、請求項５に示すように、請求項１乃至請求項４のいずれかのパルスレーザーによる材料の表面加工方法により表面に２次元のドットパターンが形成された情報担体を提供する。

これによって、情報担体には光学的に読みとり可能な２次元のパターンを記録することが出来、所望の情報に基づく２次元パターンが記録され、情報として利用することが可能な情報担体が得られる。また、ドットの間隔と大きさを制御することによってディジタル光メモリーとすることも可能である。さらに従来のマイクロ文字以下の寸法で直接には目視困難な情報が付与された情報担体が得られる。また、形成された情報を秘匿情報として使用することができる情報担体も得られる。

また、請求項６に示すように、請求項１乃至請求項４のいずれかのパルスレーザーによる材料の表面加工方法により形成された識別情報を提供する。

これによって、加工された固形材料に、可視光波長以下の寸法の光反射率変化ドットで形成された文字、画像、あるいはマイクロ文字以下の寸法で直接には目視困難な情報など、加工された固形材料独自のパターンを形成でき、これをその材料特有のパターンとすることで識別情報として利用出来る。さらに、形成された情報は秘匿情報として使用することもできる。

以上の説明から明らかなように、本発明におけるパルスレーザーによる材料加工方法、表面加工データの処理方法および複製版の製造方法によれば、以下のような効果が得られる。

第１に、任意の固形材料の表面に発振パルス幅が１ピコ秒以下であるパルスレーザーをアブレーションしきい値より小さいパワーで照射し、またその照射パターン、照射パワーを種々のものとすることにより、反射率の変化したパターンからなる情報として記録することが出来る。この結果、ホログラムのような煩雑な工程を必要とせず、ホログラムやグレーティングに替わるセキュリティー性の高いパターンを形成出来る。

第２に、熱緩和時間よりの短いレーザーパルスで加工をおこなうので、熱影響のない加工が可能であり、加工される固形材料の表面の凹凸に応じた寸法の光反射率変化ドットからなるドットが形成されるので、加工された材料独自のパターンを形成できる。

第３に、ビットマップを加工品毎にデータベースに保存して、加工されたパターンと照合することによって、個別情報として扱うことで、加工したビットマップをその加工品の識別情報とすることができる。

第４に、従来行われてきた材料の光吸収特性に合わせたレーザー光源の選択が不要となり、１つのレーザー加工システムであらゆる材料の微細パターン形成を行うことができる。

第５に、可視光波長以下の寸法で形成されたビットマップを原盤として複製版を製作することで、目視困難な非常に微細なパターンを複製することも容易に行うことが出来る。

第６に、形成されたドットパターンを所望の画像、文字などのパターンとすることにより、既存のマイクロ文字などよりも遥かに微細で偽造の困難な記録を得ることが出来る。
またそれらの記録を所望の情報担体に記録することで、高いセキュリティ性を持った情報担体が得られる。

図１は、本発明にかかるパルスレーザーによる材料表面加工方法の実施の形態を示す概略図であり、フェムト秒パルスレーザーにより固形材料表面に、ドット内部で反射率が変化している光反射率変化ドットを形成するための方法の概略図である。レーザービーム４は通常の光学系、例えば光学レンズ６によって直径５〜２０μｍ程度に集光され、加工対象である固形物１の表面近傍に焦点を結び、照射スポット３を形成する。このとき照射エネルギーはアブレーションしきい値よりも小さく、１／２〜１／２０程度とする。

さらに、このスポットを固形材料表面で２次元的に移動させて加工を行った結果が図２であり、加工により形成された光反射率変化ドット２が２次元的に分布している。この２次元パターンを、所望の文字、画像などのパターンにすれば、同じ方法で文字、画像などのパターンを得ることが可能であり、本発明の識別情報とすることが出来る。

ここで、レーザービームを発生するフェムト秒パルスレーザー照射装置は、各種市販されているものを用いることが可能である。２次元的にパターンを形成するためには、レーザー照射装置と加工する固形材料を相対的に移動させる必要があるが、そのための機構としては、市販の各種のＸＹステージが好適である。ただし、μｍ単位での位置決めが可能な精度の高い、高性能のものが望ましい。このＸＹステージの制御プログラムと、フェムト秒パルスレーザー照射装置の制御プログラムとを連携させ、所望のパターンに応じてステージを移動させながら照射を行えるようにすれば非常に効率のよい加工が行えるが、これは既存の制御プログラミング技術を適用すれば良い。

加工対象の固形材料表面又はその近傍にレーザースポットの焦点を合わせるためには、レーザー照射装置の焦点調整機構を利用出来るが、別途、固形材料を載置するステージに上下方向（ＸＹステージと対比させて言えばＺ軸方向）に移動可能な機構を設けても良い。

加工対象の固形材料としては、本発明の加工方法においては材質に特に制限はないが、本発明の加工方法の特徴である、非常に微細で直接目視で確認できないサイズの反射率変化ドットパターン記録をセキュリティ用途に用いるのが効果的である。すなわち、各種ＩＤカード、クレジットカード、ＩＣカード、ＩＣタグなどの表面に個人情報の記録を秘匿された状態で行うことが可能であり、本発明の情報担体が得られる。

他のセキュリティ用途としては、いわゆる偽ブランド商品との区別のために、真正の商品そのものあるいは商品タグなどに本発明の加工方法により、非常に微細で直接目視で確認できないサイズの反射率変化ドットパターン記録を付加することも有用である。

また、加工する固形材料の表面状態に応じた光反射率変化ドットを形成する方法については、次のような知見を基に完成したものである。

すなわち、固形材料表面の広い領域に亘ってアブレーションしきい値よりも小さなエネルギーで一様な加工を施したところ、加工寸法に場所により変化があることが見出された。

試料台を深さ方向に移動することで、試料表面がレーザービームのスポット位置で加工寸法が最大となり、離れると非線形に加工寸法が減少する。当然の事ながら、ビームスポットが試料の方面より上と下とでは、加工寸法が非対称を示す。

この結果、深さ方向の焦点位置を固定し、材料表面に沿ってスキャンするように照射を行うことにより、材料表面のサブミクロンの凹凸に応じて加工寸法が変化するような加工を行うことが出来、この特性を用いて材料の表面状態に応じた寸法の光反射率変化ドットパターンを得ることが出来る。

また、別の信号を重畳した光反射ドットによる２次元パターンを得るには、光反射ドット形成時にフェムト秒レーザービームのパワーを信号の強度の応じて変化させて加工することにより光反射率変化ドットのサイズを変化させることで可能となり、または別の信号に応じてフェムト秒レーザービームの偏光方向を変化させることにより、反射ドット内部に異なる方向のパターンを形成することも可能である。
以上のように、本発明によれば、アブレーションしきい値よりも小さいエネルギーで照射したレーザーの波長以下の光反射率変化ドットパターンを得ることが可能であり、そのドットを２次元的に配置することによって所望の直接目視できない大きさの文字、画像などのパターンを形成することが出来る。

また、深さ方向の焦点位置を固定し、材料表面に沿ってスキャンするように照射を行うことにより、材料表面のサブミクロンの凹凸に応じて光反射率変化ドットのサイズが変化するような加工を行うことが出来、この特性を用いて材料の表面状態に応じた寸法の光反射率変化ドットパターンを得ることができる。

また本発明の表面加工データの処理方法の実施の形態としては、上記の様にして得られた光反射率変化ドットパターンを画像データ化し、加工品毎にデータベースに保存して、加工されたパターンと照合することによって、個別の識別情報として扱うことができる。画像データ化する方法としては、非常に微細なパターンであるので通常のカメラや画像スキャナなどは用いることが出来ず、レーザー走査顕微鏡などのように高倍率、高精度で画像を撮影できる装置が必要である。撮影したデータはパソコン等に公知の手法で保存すれば良い。

また、本発明の複製版の製造方法の実施の形態としては、上記の様にして得られた可視光波長以下の寸法で形成された光反射率変化ドットパターンを原版として、複製版を製作することも可能である。本発明の加工方法は、加工対象物の材質についての制限がほとんど無いため、予め複製版として用いることが出来る金属板などの材料に所望のドットパターンを形成することが出来る。あるいはさらにこうして作成された版から型押し法などにより再度複製版を作成することも可である。この複製版を用いれば、非常に微細で偽造し難いパターンを容易に多量に複製が可能となる。

直径１ｍｍのピンホールを通過したレーザービームを対物レンズでビームスポットの位置で直径１０μｍの円形に絞り込み、シリコン基板１の表面に焦点を合わせてラスター走査にて一様にパルス照射した。照射条件は、波長７７５μｍ、ピークパワー８００ｍＷ、パルスエネルギー８００μＪ／パルス、パルス幅１５０フェムト秒、パルス周期１ｋＨｚで、フェムト秒レーザー装置はホヤフォトニクス社製ＦＬＳ−５０００を用いた。照射ターゲットは、シリコン基板を用いた。実際の照射パワーは、アブレーションしきい値の約１／１０である０．１ｍＷとしてパルス照射した。

図３に、アブレーションしきい値より小さいパワーで超短パルスレーザー照射した結果の顕微鏡観測結果を示す。図４、図５は、図３と同一部位の俯瞰図である。

図３は、主走査速度１ｍｍ／秒つまり、照射パルス間隔１μｍ、副走査送り１μｍの一様なビットマップを形成したものである。白い部分が反射率が増大した領域であり、その寸法はドット毎に不均一である。大きいものは直径約２μｍであり、小さいものは観測可能なもので、０．１μｍ程度であった。

図４は、図３と同じ場所での反射率情報で表した俯瞰図であり、これを見ると、主走査方向（座標Ｙ軸）に１μｍピッチで並んだドット群が確認できた。

図５は、高さ情報で表した俯瞰図であり、図４に見られる照射パルスによる繰り返しパターンは見出せない。Ｘ軸方向のラインは顕微鏡のレーザー光走査方向であり、走査の影響が誤差として現れたものである。この誤差を勘案すれば、材料表面のうねりが見えるのみであり、この結果、深さ方向への加工は測定限界以下しか行われず、反射率のみが変化したドットが実質的に得られた。

更に、図３に示した加工結果を詳細に測定したところ、材料の表面状態、つまり凹凸と分子配列（例えば、結晶軸）に応じて、反射率変化ドットの大きさが変化していることが判明した。

このように、アブレーションしきい値よりも小さいパワーで超短パルスレーザー照射した結果、固形材料表面に反射率の変化したパターンを形成出来た。

本発明は固体材料の表面に非常に微細な反射率が異なるパターンを形成出来、さらにそのパターンからなる画像、文字などを形成することが出来るため、さらに、反射率の変化のパターンを適宜制御することにより別種の情報を重畳して記録することも可能であるので、偽造が困難でセキュリティ性の高い個体識別のためのマーキングが可能となる。

本発明に係る超短パルスレーザーによるレーザービーム加工方法を示す概略図。 本発明に係る超短パルスレーザーによる加工でのビーム走査方法を示す概略図。 本発明に係る超短パルスレーザーによる反射率変化を示す図。 光反射率変化を表した俯瞰図。 高さ変化を表した俯瞰図。 本発明にかかるレーザーパルス幅と熱拡散長の関係の説明図。

符号の説明

１・・・・シリコン基板
２・・・・ラスター走査
３・・・・ビームスポット
４・・・・レーザービーム
５・・・・ビットマップ
６・・・・対物レンズ

Claims (6)

1. 固形材料の表面の異なる部位に２次元的に１乃至５μｍの間隔で、発振パルス幅が１ピコ秒以下であるパルスレーザーを、アブレーションしきい値より小さいパワーで多数回照射して固形材料表面の光反射率を変化させることによって、可視光波長以下の寸法の光反射率変化ドットで文字、画像を形成することを特徴とするパルスレーザーによる材料の表面加工方法。
2. 固形材料の表面に、直線偏光しており、かつ、発振パルス幅が１ピコ秒以下であるパルスレーザーをアブレーションしきい値より小さいパワーで照射することにより、固形材料表面の光反射率を変化させることを特徴とするパルスレーザーによる材料の表面加工方法。
3. パルスレーザーを異なる部位に多数回照射する際に、レーザービームの偏光方向が異なるものを含むことを特徴とする請求項２に記載のパルスレーザーによる材料の表面加工方法。
4. 所定の信号に応じてパルスレーザーのパワーを変化させるか、または、所定の信号に応じてパルスレーザーの偏光方向を変化させるかしながら、光反射率変化ドットによる２次元的パターンを形成することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のパルスレーザーによる材料の表面加工方法。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかのパルスレーザーによる材料の表面加工方法により表面に２次元のドットパターンが形成された情報担体。
6. 請求項１乃至請求項４のいずれかのパルスレーザーによる材料の表面加工方法により形成された識別情報。