JP4465429B2 - レーザ加工方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームの照射により被加工材料に微細な形状を形成するレーザ加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、微細部品の高精度な立体的形状加工法としてはフォトリソグラフィを用いたエッチング技術が主に用いられてきた。これはレジスト材料に対して光を選択的に照射し、溶液処理することにより所望のパタンを形成し、そのレジストを利用して全面にエッチングを行い、そのレジスト以外の領域を選択的に除去する方法である。
【０００３】
この加工法では、基本的に上記レジスト塗布から露光、定着、現像、被加工物のエッチング、レジスト除去の一連の作業により、加工部と被加工部の２つの領域を形成する。
【０００４】
しかし、従来のフォトリソグラフィによるエッチング工法では、プロセスが複雑で多くの処理を必要とする点、レジスト処理、露光、現像、べーク等の複雑なプロセスが必要である点、露光プロセスでは露光量によりレジストパタンが変化するため厳密かつ均一な露光強度（時間）制御をする必要がある点、位置あわせが必要で、その調整が必要である点、深さを場所ごとに制御する場合には一度加工した基板に対して再度精密な位置あわせをして多くのプロセスを繰り返す必要がある点、一部が加工されている材料への露光は平面の基板に比べ露光条件が変化することがある点及びフォトリソグラフィでの加工では光にてレジストパタンを形成する手法が主に用いられるが、その場合光の照射領域より小さく除去領域を規定することは困難である点等の問題点がある。
【０００５】
また、従来のレーザによる微細加工には、エキシマレーザに代表される紫外、短パルスレーザあるいはＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザなどの固体レーザの第二、第三高調波が用いられてきた。
【０００６】
エキシマレーザは代表値として波長１５７ｎｍから３０９ｎｍ、パルス幅が数ｎｓから数十ｎｓのレーザであり、特に同波長について吸収の高い高分子に対して、その熱拡散長に比較して非常に短いパルスのレーザによって照射部を除去するので、加工部の精度が高く熱的損傷が少ない工法として知られている。
【０００７】
また近年金属等の微細加工法としてフェムト秒レーザを用いた加工法が知られている。これは代表値として数十フェムト秒から数百フェムト秒のパルス幅を有するレーザ光を用いた加工法である。この加工法で用いる代表的な光源にＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザがあげられる。これらは金属やセラミックス等多くの材料に対して微細で高精度な加工が可能であることが知られ、たとえば以下の論文、あるいは発明者である熊谷、緑川による以下論文に詳しい。
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ａ ６３、 １０９−１１５ （１９９６）
応用物理 ６７（９）、 １０５１ （１９９８）
Ｏ Ｐｌｕｓ Ｅ ２１（９）、 １１３０ （１９９９）
このレーザによる透明材料の加工は、基本的に材料の多光子吸収を用いるため、波長以下のサイズでの加工も可能といわれるが、比較的高強度のレーザ加工条件を必要とする。
【０００８】
また、従来のレーザによる薄膜層の加工としては、フォトマスク修正のための金属除去法が知られている。これはガラス基板上に蒸着した金属薄膜の上面からレーザ光を照射し、その金属膜を溶融、気化することにより選択的に除去する手法である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＣＯ2 やＹＡＧレーザによる加工は、基本的に熱加工であり、高分子などの低融点材料はレーザ照射部付近が容易に熱変形、溶融してしまうため高精度加工が困難であった。またガラス、セラミックス等の脆性材料では加工領域に割れやクラックが発生する場合があり、微細な形状形成は困難であった。
【００１０】
またエキシマレーザやＹＡＧレーザの高調波による加工では、一般的にそのレーザ波長に対して吸収の高い材料のみに加工範囲が規定されてしまい、透明材料の加工は困難であるか、大気中で使用ができない真空紫外光で加工する必要があった。その場合でも加工する場合非常に高いレーザ照射強度を必要とする場合が多かった。さらにこれらレーザを用いた場合でも、レーザ照射領域以下の加工を行うことは困難であり、熱拡散等により照射領域以上の加工幅となることもあった。
【００１１】
パルス幅がサブピコからピコ秒であるＴｉ：Ｓａｈｈｉｒｅレーザでのアブレーション加工の場合は、金属材料に対しても高精度な加工が可能であることが知られているが、透明材料では光浸透長が長いため、微少量の除去は困難であり、クラック等が発生する場合もあった。
【００１２】
近年これらサブピコ秒領域のレーザの多光子吸収による微細穴加工が行われている。これはレーザ光を高強度に集光することで透明体の光吸収を効率的にし、波長以下の分解能で加工することが可能である。しかしこれらの場合、非常に高いエネルギー密度を必要とし、非常に短パルス幅で高エネルギーのレーザ光源を必要とする問題があった。
【００１３】
また、従来のレーザアブレーションを用いた薄膜加工法においても、加工上面薄膜層の除去は可能であるが、加工部底面の形状に関しては考慮されていない。
また薄膜をもちい同時にその接触面を除去する工法や薄膜吸収を利用して近接する材料の改質をおこなう工法は提案されているが、レーザ照射領域以下の微細な構造加工に関する報告はない。
【００１４】
そこで、本発明は、これら従来のレーザ加工での課題を解決し、低エネルギーで、微小且つ高精度な加工を可能としたレーザ加工方法を提供することをその目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は鋭意研究の結果、これら従来のレーザ加工での課題を解決し、微細な加工を実現するための方法を新たに見いだした。これはレーザ吸収層とレーザ照射強度分布との関係を利用した方法であり、これによりレーザ照射領域以下の微細加工が可能となる。またこれは従来のレーザ加工法で難加工材といわれている材料に関して微細でかつ微少量の加工が、バリ、ゆがみ等を発生することなく、実現可能となる。
【００１６】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、加工用レーザ光を被加工体に照射して前記加工用レーザ光により被加工体の一部を除去するレーザ加工方法であって、
前記被加工体を、加工されるべき被加工物であって前記加工用レーザ光に対して透過性の高い材料から構成された被加工物と、該被加工物の加工用レーザ光入射側表面に形成される前記加工用レーザ光の吸収の高い金属薄膜であって膜厚が加工用レーザ光の光浸透長以上でかつ該光浸透長オーダーである金属薄膜とで構成し、前記加工用レーザ光の除去領域に対応する強度分布を被加工形状に対応させて整形し、そして、
前記金属薄膜表面から加工用レーザ光を照射し、該レーザ光を該金属薄膜表面で吸収させて該金属薄膜にエネルギーを集中させることにより、該金属薄膜の除去とともに、被加工物に対してレーザ照射領域よりも小さな領域の除去を行うことを特徴とするレーザ加工方法である。
また、請求項２の発明は、前記被加工物が脆性材料から構成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法である。
また、請求項３の発明は、前記加工用レーザ光のパルス幅が１０ピコ秒以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工方法である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
図１は本発明の第１実施形態に係る立体構造体の加工方法を示す図、図２は加工用レーザ光の幅方向の位置と強度との関係を示す図である。
【００２０】
第１実施形態のレーザ加工方法では、先ず、加工ターゲットである被加工物としての平坦基板２であるガラス基板上に加工用レーザ光４に対して吸収の高い吸収薄膜材料層である金属薄膜３を形成する。このとき金属薄膜３の膜厚はレーザ光吸収長（光浸透長）オーダーとすることが望ましい。
【００２１】
次に、加工用レーザ光４を金属薄膜３の表面に空間選択的にある強度分布をもって照射する。このある強度分布とは目的の加工部で強度が最大となるよう整形されている強度分布のことである。金属薄膜３に対して加工用レーザ光４を１パルス照射することで、金属薄膜３の微小領域の除去を行い、その金属薄膜３へ付加したエネルギーにより、強度分布の最大領域付近にレーザ光照射幅以下の微細形状を生成する。加工用レーザ光４のレーザ光強度を調整することにより、加工対象物の除去幅、除去深さを制御することが可能となる。
【００２２】
前記金属薄膜３としては、例えばＣｕ、Ｎｉ、Ａｌ等を用いることができる。
また、前記吸収薄膜材料層として、金属薄膜３以外にも金属酸化膜、セラミック薄膜等を使用することができる。
【００２３】
本実施形態のレーザ加工方法では、吸収薄膜材料層である金属薄膜３での吸収を利用するため、加工用レーザ光４の吸収を効率よく行うことが可能となり、これにより吸収薄膜材料層を用いない場合にくらべ低エネルギーでの加工が可能となる。
【００２４】
ここで加工用レーザ光４のレーザ光強度を調整することにより、レーザ光強度分布の強い領域のみでの加工が実現され、これによりレーザ光照射領域よりも微小領域の加工が可能となる。
また吸収薄膜材料層でエネルギーが伝搬して加工されるため、通常のレーザ加工での問題であるバリやかけ、クラック等のない、高精度な加工が実現できる。
【００２５】
また、被加工物としての平坦基板２を構成する材料としてガラス、石英等の透明材料を用いる。このとき照射する加工用レーザ光は透明材料に対して吸収の低い波長領域を有するものでもよく、吸収材料を選ぶことで幅広い波域の加工用レーザを選択可能である。
【００２６】
通常のレーザ熱加工では、透明材料への加工は非常に困難であり、その光浸透長が長いため、光浸透長より浅い領域加工は困難であった。しかし、本加工方法を用いることで透明材料に対して微少量を精度良く加工することが可能となる。特に本加工方法では透明材料に対してもナノメートルオーダーの深さの除去加工が可能であり、これは透明材料の光浸透長に対して大幅に短い領域である。
【００２７】
またこれら透明材料加工では、照射部にバリやかけ、クラック等が発生し、高精度加工は困難であったが、本加工方法ではこれらクラック等のない、高精度な加工が実現できる。
【００２８】
また従来のフェムト秒レーザを用いた集光加工による透明材料加工では、集光のために非常に高いレーザパルスエネルギーを必要としたが、本加工方法では吸収材料が効率的に光吸収を行うため、低エネルギーでの加工が可能となる。生産性の向上に対して有利となる。
【００２９】
この実施形態のレーザ加工方法では被加工物の材料としてガラス、セラミック等の脆性材料を用いる。このとき照射レーザ光は脆性材料に対して吸収の低い波長領域でもよく、吸収薄膜材料層の材料を選ぶことで幅広い波域のレーザを加工用レーザとして選択可能である。脆性材料の光学特性によらないレーザ加工方法のため、幅広い材料に適応可能である。
【００３０】
通常のレーザ熱加工では、脆性材料への加工は非常に困難であり、急激な除去により加工部周辺にクラック等の発生が起きることが問題となっていた。本実施形態の加工方法を用いることで光のエネルギーを吸収薄膜材料層で吸収し、そのエネルギーを用いて接触した平坦基板を除去することで、バリ等のない微小な加工が実現できることを見い出した。これによりクラック等の発生を抑えた高品位な加工が実現される。
【００３１】
これは特にレーザ光照射分布を与えて加工を行うことで、強度中心での加工のみが起き、それにより照射レーザ幅以下の微小幅除去が可能となる。
また従来のレーザを用いた脆性材料加工では、非常に高いレーザパルスエネルギーを必要とする場合があったが、本加工方法では吸収薄膜材料層の材料が効率的に光吸収を行うため、低エネルギーでの加工が可能となる。
【００３２】
この実施形態のレーザ加工方法では吸収薄膜材料層として金属薄膜を利用する。金属は真空蒸着、スパッタ等により容易に基板に作製することが可能である。このとき金属薄膜は数ナノメートルから数百ナノメートル程度の膜厚とすることが望ましい。
【００３３】
金属は紫外から近赤外領域まで全体に吸収の高い材料が多く、これらを利用することで効率的にエネルギーを利用することが可能となる。またこのとき光浸透長も短いため、数ナノメートルから数十ナノメートル程度の金属表面でレーザ光が吸収されてしまう。この非常にわずかな領域にエネルギーが集中するため、吸収薄膜材料層の除去と被加工物の除去とを効率的に行うことが可能となる。
さらに金属材料は熱拡散が大きいため、そのエネルギー移動も高速となり、被加工物の加工材料除去に対して効果的である。
【００３４】
第１実施形態の加工方法は、特に加工用レーザ光として、そのパルス幅がサブピコ秒であるＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザおよびその高調波、ピコ秒オーダーであるＮｄ：ＹＡＧレーザなどの固体レーザ、あるいはその高調波を用い、吸収薄膜材料層の材料として、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｌなどの金属薄膜を用いる。金属薄膜の膜厚は加工用レーザ光の光浸透長以上でかつその数倍程度であることが望ましい。
【００３５】
第１実施形態の加工方法では、加工用レーザ光にピコ秒オーダー以下の極短パルスレーザ光を用いる。このレーザ光は近年開発が進んでおり、代表的レーザにＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザがある。このＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザは標準的に数１０ｆｓから２００ｆｓ程度のパルス幅を持ち、８００ｎｍ付近の中心波長で発振する。
【００３６】
このような極短パルスレーザにおいては、特に材料への照射時間が短いことから熱的変質を抑制した高精度加工が可能であることが知られている。これら加工特性に関しては例えば以下の参考文献（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ａ ６３、 １０９−１１５ （１９９６））に示されている。
レーザパルス幅が短いことから金属などの熱伝導の高速な材料に対しても、アブレーション加工可能なことが知られている。
【００３７】
上記参考文献に示されるように、ピコ秒以下の時間領域では、電子温度と格子温度とが均一でない、２温度拡散式により記述されることが明らかになってきている。このときレーザ光のエネルギーは数ピコ秒程度で格子系へと熱として拡散し、レーザ照射領域の除去がおきる。
【００３８】
本実施形態では、金属薄膜を吸収薄膜材料層としてその熱拡散領域を制限する。これにより金属薄膜での熱拡散範囲は限定され、低エネルギーで金属薄膜の除去が可能となり、併せて効率的に加工対象物である被加工体の加工が実現される。
【００３９】
特に通常の金属では拡散長が大きいためレーザ照射位置から除去幅が広がってしまうが、パルス幅を数ピコ秒とすることで代表的な金属においても、その拡散幅を１ミクロン以下とすることが可能となる。また、金属膜は安価で作製が容易である利点もある。
【００４０】
［実施例］
第１実施形態のレーザ加工方法の一実施例を図１に沿って示す。
スパッタ、蒸着、スピンコート等の処理により、ガラス、石英等の透明材料、セラミック等の脆性材料からなる平坦基板２上に金属薄膜３を形成する。この金属薄膜３上から加工用レーザ光４を図２に示すようなある強度分布にて１パルス照射する。加工用レーザ光４のレーザ光強度を調整することにより、レーザ照射部の金属薄膜３の除去と併せて、加工対象物である平坦基板２の除去も同時に起きる。図２のようなレーザ強度分布をもった光照射を行うことで、金属薄膜３の除去領域３ａよりも微小な除去領域２ａの除去がおき、それにより微細な形状を有する立体構造体６が形成される。
【００４１】
図３は本発明の第１実施形態で吸収薄膜材料層として用いる、代表的金属の光吸収係数と波長との関係を示す図であり、参考例としてシリコンの光吸収係数と波長との関係も示している。図４は本発明の第１実施形態で吸収薄膜材料層として用いる、代表的金属の光浸透長と波長との関係を示す図である。
【００４２】
図３に示すように、このように特に可視領域では金属の光吸収は波長に依存せず、かつ非常に大きな値であることが分かる。
【００４３】
図４に示すように、金属の光吸収長（光浸透長）Ｄは、複素誘電率κ、吸収係数α、波長λにより次式（１）で示されることが知られている。
（１）Ｄ＝α-1＝λ／４πκ
【００４４】
このように光浸透長は数十ｎｍオーダーであり、この狭い領域にエネルギーが集中することが分かる。
前記加工用レーザとして、本実施例ではパルス幅が１０ピコ秒以下のレーザ、例えば、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザを用いた。
【００４５】
熱拡散長Ｌは、熱拡散率Ｄ、経過時間τとしたとき、次式（２）で表される。
（２） Ｌ＝√（Ｄτ）
金属、ガラス、高分子の熱拡散率代表値は次の表１で表される。
【００４６】
【表１】
【００４７】
経過時間での金属、ガラス、高分子の拡散長代表値は次の表２で表される。
【表２】
【００４８】
［第２実施形態］
図５（Ａ）は整形された加工用レーザ光の強度分布を模式的に示す図、同（Ｂ）は（Ａ）図中のＢ−Ｂ断面の位置と強度との関係を示す図、同（Ｃ）は被加工体の加工形状を示す斜視図、同（Ｄ）は加工された被加工体の位置と形状との関係を示す図である。
【００４９】
第２実施形態の加工方法では、照射レーザ光の光分布をレンズ、ミラー、回折光学素子、光学マスク等により整形し、レーザ照射領域で空間選択的に分布を有する状態とする。例えば、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すような輪帯の中心が極大のリング状分布やレーザ光を分割したような多数ビーム、任意のパターン形状等があげられる。これら形状を特に目的とする加工部で強度が最大となるように整形する。このように整形された加工用レーザ光を加工対象物の表面に照射し、レーザ強度最大値付近の任意形状の加工を行う。
【００５０】
このように、レーザ光を整形することで、レーザ光１パルス照射で任意の形状加工が可能となる。また、分割したビームを利用することで、同一の形状の加工を一括して同時に作製することが可能となる。さらにレーザ強度に分布を与えることで加工幅、加工深さを制御することが可能となり、レーザ光１パルス照射で同時に深さの異なる穴を形成することが可能となる。
【００５１】
図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、この実施形態の加工用レーザ光４は回折光学素子等によりリング状に強度分布が整形されている。このとき輪帯幅中心付近の強度が周囲よりも高い状態となる。
【００５２】
この形状をレンズ等により投影して加工材料５の表面に照射する。この照射により第１実施形態と同様に照射部での除去がおき、図５（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、その照射強度中心付近にレーザ照射径よりも微細な穴形状が形成される。
これによりレーザ光１パルス照射によりリング状の微細加工が実現される。
【００５３】
［第３実施形態］
図６の（Ａ）は第３実施形態で用いる加工用レーザ光の強度分布を模式的に示す斜視図、同（Ｂ）は（Ａ）の強度分布を有する加工用レーザ光で加工された立体構造体の斜視図である。
【００５４】
照射レーザ光の光分布をレンズ、ミラー、回折光学素子、光学マスク等により整形し、図６（Ａ）に示すように、レーザ照射領域でライン状のビーム形状とする。これは例えばシリンドリカルレンズを組み合わせることにより容易に実現可能となる。この整形された加工用レーザ光４を被加工体１の表面に照射することで、図６（Ｂ）に示すように、加工部に線状のパターンを照射領域幅より狭い形状で形成する。
【００５５】
このように、レーザ光をライン状に整形することで、レーザ光１パルス照射で照射幅より狭いライン状の形状を形成することができる。これは回折型素子やマイクロマシン、マイクロセル等に利用することが可能である。線状に形成したパターンを集光することで、比較的簡便な光学系を用いて照射強度を調整することが容易となる。
また加工位置を制御して加工することで連続したライン状パターンを任意のピッチで形成することが可能となる。
【００５６】
図６に示すように、加工用レーザ光４をライン状の強度分布を有する形状に整形する。これをレンズ等で集光することで、短軸側がガウス分布に近い形状となり基板に照射される。これにより吸収薄膜材料層のライン状の除去部分と、吸収薄膜材料層のライン状の除去部分より微細なライン状の除去部分が被加工物に作製される。
吸収薄膜材料層を加工後に除去することで、被加工物表面に微小なライン状パターンが形成される。
【００５７】
［第４実施形態］
図７はガラス基板上の加工例の断面形状を測定した位置と高さとの関係を示す図である。
【００５８】
この第４実施形態の加工方法では、被加工体として、ガラス基板上に吸収薄膜材料層としての白金層を形成したものを用いている。
この被加工体上に白金層側から加工用レーザ光を集光レンズ等により集光して照射する。このとき加工用レーザの加工部ではガウス分布に近い回転対称な強度分布となる。これにより、図７に示すように、吸収薄膜材料層としての白金層の除去パターンとそれよりも狭い被加工物としてのガラス基板の除去パターンとが２段になって形成される。
【００５９】
このように集光するための光学系を用いることで、微小な穴を被加工物の表面に形成することが可能となる。この集光型光学系は非常に単純な構成とすることができ、レーザ照射範囲、強度調整が容易であり、それにより加工幅、加工深さの制御も容易となるメリットがある。
【００６０】
また、このとき吸収薄膜材料層の加工径と、被加工物の加工径とはその幅を独立に制御することが可能であり、２段の立体形状を作製することができる。
さらに照射位置を制御して加工することで、多数の穴を連続して形成することが可能となる。
【００６１】
［実施例］
図７に実際のガラス基板上の加工例を示す。このとき吸収薄膜材料層として白金層２０ｎｍを用い、レーザにＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザ、中心波長８００ｎｍ、パルス幅約１５０フェムト秒を用いている。このときレーザ照射幅はほぼ薄膜の除去幅である２０μｍ程度としている。このレーザ照射強度を調整することで、加工中心付近に幅２μｍ、深さ２０ｎｍ程度の微細な穴が形成される。
【００６２】
これは従来のレーザ加工では困難な除去量であり、本加工方法により微少な除去が実現可能であることを示す。
またこのように２段の形状を同時に形成することができ、この形状をマイクロマシンやマイクロセンサー等で利用することも可能である。
【００６３】
［第５実施形態］
第５実施形態のレーザ加工装置は、レーザ光強度を制御する強度調整手段と、レーザ光を伝送する伝送手段と、レーザ照射位置を制御する位置制御手段とを備えて構成され、加工対象物である被加工体上に連続して加工用レーザ光を照射することで任意の位置に形状を作製する。
【００６４】
強度調整手段としては、加工用レーザ光の透過率を連続あるいはステップ状に変化せしめる透過型フィルタや位相変調素子、１／２波長板と偏光ビームスプリッタ等が利用でき、伝送手段としてはレンズ、ミラーや回折光学素子等が利用できる。また、位置制御手段としては、ガルバノミラー、ｆθレンズ、ポリゴンミラー等の光学素子や基板を固定して移動するリニア、回転ステージ等が利用できる。
【００６５】
第５実施形態のレーザ加工装置によれば、加工用レーザ光を制御して被加工体の表面に照射することで、大面積に連続して形状を形成することが可能となる。また同時にレーザ照射強度を変化させることで、加工径、加工深さを任意に調整することが可能となる。
【００６６】
図８は本発明の第５実施形態に係る立体構造体のレーザ加工装置を示す図である。
図８に示すように、第５実施形態のレーザ加工装置は、加工用レーザ光４を出射する加工用レーザ光発生手段であるレーザ装置１１と、１／２波長板１４と偏光ビームスプリッタ１５あるいはＮＤフィルタ等の加工用レーザ光４の強度調整手段と、整形レンズ１６、反射ミラー１７等のレーザ光整形手段とを備えて構成され、空間的にレーザ光照射位置を限定し、第１実施形態から第４実施形態の何れかのレーザ加工方法で用いるレーザ加工装置である。
【００６７】
レーザ装置１１の内部あるいは外部にはシャッタ１３等のレーザ照射数を制御する手段を設けることが望ましく、加工用レーザ光４は被加工体１を固定する移動ステージ２１に同期して照射されることが望ましい。この移動ステージ２１によりレーザ光照射位置制御手段が構成される。
【００６８】
このレーザ加工装置によれば、従来の加工装置で問題であった難加工材料に対しての微細な形状を有する構造体の加工を行うことが可能となる。また従来困難であったレーザ照射領域以下の微少量加工が可能となる。さらに、移動ステージ２１を移動して加工することが可能であるので、大面積の加工を行うことができる。
【００６９】
［実施例］
図８に示すように、レーザ装置１１から出射された加工用レーザ光４は外部シャッタ１３で照射時間を制御して１／２波長板１４に入射される。ここで１／２波長板１４を回転することで、加工用レーザ光４の偏光面と１／２波長板１４との相対的な軸方向が変化し、偏光ビームスプリッタ１５によってビーム強度が調整される。ビーム強度を調整された加工用レーザ光４は、レンズ系である整形レンズ１６やミラー系である反射ミラー１７によりビーム形状を整形、伝送される。加工用レーザ光４の形状制御を行う場合にはフォトマスク等のマスク１８を用い形状転写を行う。微細穴加工時はマスク１８を通さず集光レンズ１９により集光され、薄膜付加材料としての被加工体１表面に結像される。被加工体１は移動ステージ２１等により加工位置を制御される。このとき加工位置での加工形態を観察するため、観察用照明２２を設置した観察装置を配置し、ＣＣＤカメラ２３等によりその形状を観察することも可能である。
この加工用レーザ装置により、容易に微細形状を有する構造体の加工が可能となる。
【００７０】
［第６実施形態］
第６実施形態の立体構造体は、第５実施形態に記載のレーザ加工装置により作製された、微小立体的形状を有する立体構造体である。
【００７１】
この立体構造体の構成は、加工されるべき被加工物であるガラス基板２と、ガラス基板２の加工用レーザ光入射側表面に形成される加工用レーザ光４の吸収の高い吸収薄膜材料層である金属薄膜３とから構成される被加工体１と、加工用レーザ光４により除去された吸収薄膜材料層３の微小な除去領域３ａと、除去領域３ａ内であって、除去領域３ａより微小なガラス基板２の除去領域２ａとを備えている。
この立体構造体の代表的サイズは、加工幅が数百ナノから数十ミクロン、加工深さが数ｎｍから数ミクロン程度である。
【００７２】
この実施形態の立体構造体の構成により作製された素子は、微小な形状、深さを有する構造体とすることが可能である。さらに、連続した形状を作製することで、例えば深さを光の波長オーダーとすることで透過型光学素子としてあるいは反射型光学素子として機能することが可能となる。
２段の立体的形状を有することからマイクロマシン用デバイスやマイクロセンサー等の作製も可能となる。
【００７３】
本実施形態の立体構造体の構成を有する素子は、複雑なプロセスを利用せず、真空プロセス等を利用しないため、大型化が可能であり、大型光学素子や大面積デバイスの作製に対して利点がある。
【００７４】
［第７実施形態］
この第７実施形態の立体構造体は、第５実施形態に記載のレーザ加工装置により作製された、微小立体的形状を有する構造体である。この立体構造体の代表的サイズは加工幅が数百ｎｍから数十μｍ、加工深さが数ｎｍから数μｍ程度の構造体から吸収薄膜材料層をその後の処理により選択的に除去する。この選択的除去は溶媒での溶解、エッチング等により実現可能である。
【００７５】
この実施形態の構成により作製された素子は、吸収薄膜材料層を除去しているため、被加工物のみの立体形状構造体となる。そのため被加工物の機能を損なうことなく、利用することが可能となる。例えば、透明材料からなる被加工物に形成した吸収薄膜材料層を除去することで透過型光学素子として機能させたり、セラミックス材料からなる被加工物上の吸収薄膜材料層を除去してその後上面に他の構造体を形成したりすることが可能となる。またこのとき吸収薄膜材料層を除去することで２段状の形状でなくなるため、加工形状の制約が少なくなり、幅広い設計値に対して適応が可能となる。
【００７６】
［第８実施形態］
第８実施形態の立体構造体は、第５実施形態のレーザ加工装置により作製された、微小立体的形状を有する構造体である。この立体構造体の代表的サイズは加工幅が数百ナノから数十ミクロン、加工深さが数ｎｍから数ミクロン程度である。この立体構造体を作製後、その吸収薄膜材料層上面あるいは吸収薄膜材料層を剥離した被加工物表面に対して金属膜を付加し、微細な構造を有する金属面を作製する。付加する金属膜はスパッタ、蒸着等の処理により容易に形成することが可能である。
【００７７】
本実施形態の立体構造体の構成により作製された素子は、表面に金属面を有する立体形状構造体となる。そのため金型として、その後の電鋳処理等により複製が可能となる。これを利用することで、１つの素子作製から多くの同一形状、あるいは反転形状の素子を作製することが可能となる。
【００７８】
また金属の反射を利用することで、立体構造体を反射型光学素子として利用することも可能となる。これにより反射型回折格子や反射型回折光学素子として利用することが可能となる。
【００７９】
以上のように、本発明は、レーザビームの照射により被加工材料に直接微細な形状を形成するレーザ加工方法に関するものであり、特にレーザ光１パルスでレーザ照射領域より小さい微細穴を形成しかつ該レーザに対して難加工性の材料に対して適応可能なレーザ加工方式に関する。
【００８０】
また、特に微細形状を必要とされる高精度部品形成を目的とし、光ディスクの記録ピット形成、その原盤である光ディスク成形用スタンパの形成方法、マルチレベル回折格子や回折型ホログラムなどの光学素子およびその原盤の作製方法、マイクロマシン、マイクロセンサー等の微細穴加工方式、透過型光学材料等への直接穴形成方式等の微細デバイスに関する。
なお、本発明は上記実施形態又は実施例に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、金属薄膜を用いない場合にくらべ低エネルギーでの加工が可能となり、照射領域より小さい加工幅で加工でき、微細な形状を形成することができる。
請求項２の発明によれば、透過性の高い材料の上に金属薄膜が形成されているので、透過性の高い材料から構成されている被加工物の微細且つ高精度加工が可能である。
請求項３の発明によれば、脆性材料から構成されている被加工物に対して、バリ、クラック等の発生を防止して、高品位な加工を行うことができる。
請求項４の発明によれば、パルス幅が短いので、金属等の熱伝導の高速な材料であっても、熱拡散領域を制限することができるので、低エネルギーで熱伝導の高速な材料を除去することができるとともに、効率的に加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る立体構造体の加工方法を示す図である。
【図２】加工用レーザ光の幅方向の位置と強度との関係を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態で吸収薄膜材料層として用いる、代表的金属の光吸収係数と波長との関係を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態で吸収薄膜材料層として用いる、代表的金属の光浸透長と波長との関係を示す図である。
【図５】（Ａ）は整形された加工用レーザ光の強度分布を模式的に示す図、（Ｂ）は（Ａ）図中のＢ−Ｂ断面の位置と強度との関係を示す図、（Ｃ）は被加工体の加工形状を示す斜視図、（Ｄ）は加工された被加工体の位置と形状との関係を示す図である。
【図６】（Ａ）は第３実施形態で用いる加工用レーザ光の強度分布を模式的に示す斜視図、（Ｂ）は（Ａ）の強度分布を有する加工用レーザ光で加工された立体構造体の斜視図である。
【図７】ガラス基板上の加工例の断面形状を測定した位置と高さとの関係を示す図である。
【図８】本発明の第５実施形態に係る立体構造体のレーザ加工装置を示す図である。
【符号の説明】
１ 被加工体
２ ガラス基板（被加工物）
２ａ 除去領域
３ 金属薄膜（吸収薄膜材料層）
３ａ 除去領域
４ 加工用レーザ光
５ 立体的構造体
１１ レーザ装置
１３ 外部シャッタ
１４ １／２波長板（強度調整手段）
１５ 偏光ビームスプリッタ（強度調整手段）
１６ 整形レンズ（レーザ光整形手段）
１７ 反射ミラー（レーザ光整形手段）
１８ マスク
１９ 集光レンズ
２１ 移動ステージ
２２ 観察用照明
２３ ＣＣＤカメラ
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームの照射により被加工材料に微細な形状を形成するレーザ加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、微細部品の高精度な立体的形状加工法としてはフォトリソグラフィを用いたエッチング技術が主に用いられてきた。これはレジスト材料に対して光を選択的に照射し、溶液処理することにより所望のパタンを形成し、そのレジストを利用して全面にエッチングを行い、そのレジスト以外の領域を選択的に除去する方法である。
【０００３】
この加工法では、基本的に上記レジスト塗布から露光、定着、現像、被加工物のエッチング、レジスト除去の一連の作業により、加工部と被加工部の２つの領域を形成する。
【０００４】
しかし、従来のフォトリソグラフィによるエッチング工法では、プロセスが複雑で多くの処理を必要とする点、レジスト処理、露光、現像、べーク等の複雑なプロセスが必要である点、露光プロセスでは露光量によりレジストパタンが変化するため厳密かつ均一な露光強度（時間）制御をする必要がある点、位置あわせが必要で、その調整が必要である点、深さを場所ごとに制御する場合には一度加工した基板に対して再度精密な位置あわせをして多くのプロセスを繰り返す必要がある点、一部が加工されている材料への露光は平面の基板に比べ露光条件が変化することがある点及びフォトリソグラフィでの加工では光にてレジストパタンを形成する手法が主に用いられるが、その場合光の照射領域より小さく除去領域を規定することは困難である点等の問題点がある。
【０００５】
また、従来のレーザによる微細加工には、エキシマレーザに代表される紫外、短パルスレーザあるいはＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザなどの固体レーザの第二、第三高調波が用いられてきた。
【０００６】
エキシマレーザは代表値として波長１５７ｎｍから３０９ｎｍ、パルス幅が数ｎｓから数十ｎｓのレーザであり、特に同波長について吸収の高い高分子に対して、その熱拡散長に比較して非常に短いパルスのレーザによって照射部を除去するので、加工部の精度が高く熱的損傷が少ない工法として知られている。
【０００７】
また近年金属等の微細加工法としてフェムト秒レーザを用いた加工法が知られている。これは代表値として数十フェムト秒から数百フェムト秒のパルス幅を有するレーザ光を用いた加工法である。この加工法で用いる代表的な光源にＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザがあげられる。これらは金属やセラミックス等多くの材料に対して微細で高精度な加工が可能であることが知られ、たとえば以下の論文、あるいは発明者である熊谷、緑川による以下論文に詳しい。
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ａ ６３、 １０９−１１５ （１９９６）
応用物理 ６７（９）、 １０５１ （１９９８）
Ｏ Ｐｌｕｓ Ｅ ２１（９）、 １１３０ （１９９９）
このレーザによる透明材料の加工は、基本的に材料の多光子吸収を用いるため、波長以下のサイズでの加工も可能といわれるが、比較的高強度のレーザ加工条件を必要とする。
【０００８】
また、従来のレーザによる薄膜層の加工としては、フォトマスク修正のための金属除去法が知られている。これはガラス基板上に蒸着した金属薄膜の上面からレーザ光を照射し、その金属膜を溶融、気化することにより選択的に除去する手法である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＣＯ2 やＹＡＧレーザによる加工は、基本的に熱加工であり、高分子などの低融点材料はレーザ照射部付近が容易に熱変形、溶融してしまうため高精度加工が困難であった。またガラス、セラミックス等の脆性材料では加工領域に割れやクラックが発生する場合があり、微細な形状形成は困難であった。
【００１０】
またエキシマレーザやＹＡＧレーザの高調波による加工では、一般的にそのレーザ波長に対して吸収の高い材料のみに加工範囲が規定されてしまい、透明材料の加工は困難であるか、大気中で使用ができない真空紫外光で加工する必要があった。その場合でも加工する場合非常に高いレーザ照射強度を必要とする場合が多かった。さらにこれらレーザを用いた場合でも、レーザ照射領域以下の加工を行うことは困難であり、熱拡散等により照射領域以上の加工幅となることもあった。
【００１１】
パルス幅がサブピコからピコ秒であるＴｉ：Ｓａｈｈｉｒｅレーザでのアブレーション加工の場合は、金属材料に対しても高精度な加工が可能であることが知られているが、透明材料では光浸透長が長いため、微少量の除去は困難であり、クラック等が発生する場合もあった。
【００１２】
近年これらサブピコ秒領域のレーザの多光子吸収による微細穴加工が行われている。これはレーザ光を高強度に集光することで透明体の光吸収を効率的にし、波長以下の分解能で加工することが可能である。しかしこれらの場合、非常に高いエネルギー密度を必要とし、非常に短パルス幅で高エネルギーのレーザ光源を必要とする問題があった。
【００１３】
また、従来のレーザアブレーションを用いた薄膜加工法においても、加工上面薄膜層の除去は可能であるが、加工部底面の形状に関しては考慮されていない。
また薄膜をもちい同時にその接触面を除去する工法や薄膜吸収を利用して近接する材料の改質をおこなう工法は提案されているが、レーザ照射領域以下の微細な構造加工に関する報告はない。
【００１４】
そこで、本発明は、これら従来のレーザ加工での課題を解決し、低エネルギーで、微小且つ高精度な加工を可能としたレーザ加工方法を提供することをその目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は鋭意研究の結果、これら従来のレーザ加工での課題を解決し、微細な加工を実現するための方法を新たに見いだした。これはレーザ吸収層とレーザ照射強度分布との関係を利用した方法であり、これによりレーザ照射領域以下の微細加工が可能となる。またこれは従来のレーザ加工法で難加工材といわれている材料に関して微細でかつ微少量の加工が、バリ、ゆがみ等を発生することなく、実現可能となる。
【００１６】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、加工用レーザ光を被加工体に照射して前記加工用レーザ光により被加工体の一部を除去するレーザ加工方法であって、
前記被加工体を、加工されるべき被加工物であって前記加工用レーザ光に対して透過性の高い材料から構成された被加工物と、該被加工物の加工用レーザ光入射側表面に形成される前記加工用レーザ光の吸収の高い金属薄膜であって膜厚が加工用レーザ光の光浸透長以上でかつ該光浸透長オーダーである金属薄膜とで構成し、前記加工用レーザ光の除去領域に対応する強度分布を被加工形状に対応させて整形し、そして、
前記金属薄膜表面から加工用レーザ光を照射し、該レーザ光を該金属薄膜表面で吸収させて該金属薄膜にエネルギーを集中させることにより、該金属薄膜の除去とともに、被加工物に対してレーザ照射領域よりも小さな領域の除去を行うことを特徴とするレーザ加工方法である。
また、請求項２の発明は、前記被加工物が脆性材料から構成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法である。
また、請求項３の発明は、前記加工用レーザ光のパルス幅が１０ピコ秒以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工方法である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
図１は本発明の第１実施形態に係る立体構造体の加工方法を示す図、図２は加工用レーザ光の幅方向の位置と強度との関係を示す図である。
【００２０】
第１実施形態のレーザ加工方法では、先ず、加工ターゲットである被加工物としての平坦基板２であるガラス基板上に加工用レーザ光４に対して吸収の高い吸収薄膜材料層である金属薄膜３を形成する。このとき金属薄膜３の膜厚はレーザ光吸収長（光浸透長）オーダーとすることが望ましい。
【００２１】
次に、加工用レーザ光４を金属薄膜３の表面に空間選択的にある強度分布をもって照射する。このある強度分布とは目的の加工部で強度が最大となるよう整形されている強度分布のことである。金属薄膜３に対して加工用レーザ光４を１パルス照射することで、金属薄膜３の微小領域の除去を行い、その金属薄膜３へ付加したエネルギーにより、強度分布の最大領域付近にレーザ光照射幅以下の微細形状を生成する。加工用レーザ光４のレーザ光強度を調整することにより、加工対象物の除去幅、除去深さを制御することが可能となる。
【００２２】
前記金属薄膜３としては、例えばＣｕ、Ｎｉ、Ａｌ等を用いることができる。
また、前記吸収薄膜材料層として、金属薄膜３以外にも金属酸化膜、セラミック薄膜等を使用することができる。
【００２３】
本実施形態のレーザ加工方法では、吸収薄膜材料層である金属薄膜３での吸収を利用するため、加工用レーザ光４の吸収を効率よく行うことが可能となり、これにより吸収薄膜材料層を用いない場合にくらべ低エネルギーでの加工が可能となる。
【００２４】
ここで加工用レーザ光４のレーザ光強度を調整することにより、レーザ光強度分布の強い領域のみでの加工が実現され、これによりレーザ光照射領域よりも微小領域の加工が可能となる。
また吸収薄膜材料層でエネルギーが伝搬して加工されるため、通常のレーザ加工での問題であるバリやかけ、クラック等のない、高精度な加工が実現できる。
【００２５】
また、被加工物としての平坦基板２を構成する材料としてガラス、石英等の透明材料を用いる。このとき照射する加工用レーザ光は透明材料に対して吸収の低い波長領域を有するものでもよく、吸収材料を選ぶことで幅広い波域の加工用レーザを選択可能である。
【００２６】
通常のレーザ熱加工では、透明材料への加工は非常に困難であり、その光浸透長が長いため、光浸透長より浅い領域加工は困難であった。しかし、本加工方法を用いることで透明材料に対して微少量を精度良く加工することが可能となる。特に本加工方法では透明材料に対してもナノメートルオーダーの深さの除去加工が可能であり、これは透明材料の光浸透長に対して大幅に短い領域である。
【００２７】
またこれら透明材料加工では、照射部にバリやかけ、クラック等が発生し、高精度加工は困難であったが、本加工方法ではこれらクラック等のない、高精度な加工が実現できる。
【００２８】
また従来のフェムト秒レーザを用いた集光加工による透明材料加工では、集光のために非常に高いレーザパルスエネルギーを必要としたが、本加工方法では吸収材料が効率的に光吸収を行うため、低エネルギーでの加工が可能となる。生産性の向上に対して有利となる。
【００２９】
この実施形態のレーザ加工方法では被加工物の材料としてガラス、セラミック等の脆性材料を用いる。このとき照射レーザ光は脆性材料に対して吸収の低い波長領域でもよく、吸収薄膜材料層の材料を選ぶことで幅広い波域のレーザを加工用レーザとして選択可能である。脆性材料の光学特性によらないレーザ加工方法のため、幅広い材料に適応可能である。
【００３０】
通常のレーザ熱加工では、脆性材料への加工は非常に困難であり、急激な除去により加工部周辺にクラック等の発生が起きることが問題となっていた。本実施形態の加工方法を用いることで光のエネルギーを吸収薄膜材料層で吸収し、そのエネルギーを用いて接触した平坦基板を除去することで、バリ等のない微小な加工が実現できることを見い出した。これによりクラック等の発生を抑えた高品位な加工が実現される。
【００３１】
これは特にレーザ光照射分布を与えて加工を行うことで、強度中心での加工のみが起き、それにより照射レーザ幅以下の微小幅除去が可能となる。
また従来のレーザを用いた脆性材料加工では、非常に高いレーザパルスエネルギーを必要とする場合があったが、本加工方法では吸収薄膜材料層の材料が効率的に光吸収を行うため、低エネルギーでの加工が可能となる。
【００３２】
この実施形態のレーザ加工方法では吸収薄膜材料層として金属薄膜を利用する。金属は真空蒸着、スパッタ等により容易に基板に作製することが可能である。このとき金属薄膜は数ナノメートルから数百ナノメートル程度の膜厚とすることが望ましい。
【００３３】
金属は紫外から近赤外領域まで全体に吸収の高い材料が多く、これらを利用することで効率的にエネルギーを利用することが可能となる。またこのとき光浸透長も短いため、数ナノメートルから数十ナノメートル程度の金属表面でレーザ光が吸収されてしまう。この非常にわずかな領域にエネルギーが集中するため、吸収薄膜材料層の除去と被加工物の除去とを効率的に行うことが可能となる。
さらに金属材料は熱拡散が大きいため、そのエネルギー移動も高速となり、被加工物の加工材料除去に対して効果的である。
【００３４】
第１実施形態の加工方法は、特に加工用レーザ光として、そのパルス幅がサブピコ秒であるＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザおよびその高調波、ピコ秒オーダーであるＮｄ：ＹＡＧレーザなどの固体レーザ、あるいはその高調波を用い、吸収薄膜材料層の材料として、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｌなどの金属薄膜を用いる。金属薄膜の膜厚は加工用レーザ光の光浸透長以上でかつその数倍程度であることが望ましい。
【００３５】
第１実施形態の加工方法では、加工用レーザ光にピコ秒オーダー以下の極短パルスレーザ光を用いる。このレーザ光は近年開発が進んでおり、代表的レーザにＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザがある。このＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザは標準的に数１０ｆｓから２００ｆｓ程度のパルス幅を持ち、８００ｎｍ付近の中心波長で発振する。
【００３６】
このような極短パルスレーザにおいては、特に材料への照射時間が短いことから熱的変質を抑制した高精度加工が可能であることが知られている。これら加工特性に関しては例えば以下の参考文献（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ａ ６３、 １０９−１１５ （１９９６））に示されている。
レーザパルス幅が短いことから金属などの熱伝導の高速な材料に対しても、アブレーション加工可能なことが知られている。
【００３７】
上記参考文献に示されるように、ピコ秒以下の時間領域では、電子温度と格子温度とが均一でない、２温度拡散式により記述されることが明らかになってきている。このときレーザ光のエネルギーは数ピコ秒程度で格子系へと熱として拡散し、レーザ照射領域の除去がおきる。
【００３８】
本実施形態では、金属薄膜を吸収薄膜材料層としてその熱拡散領域を制限する。これにより金属薄膜での熱拡散範囲は限定され、低エネルギーで金属薄膜の除去が可能となり、併せて効率的に加工対象物である被加工体の加工が実現される。
【００３９】
特に通常の金属では拡散長が大きいためレーザ照射位置から除去幅が広がってしまうが、パルス幅を数ピコ秒とすることで代表的な金属においても、その拡散幅を１ミクロン以下とすることが可能となる。また、金属膜は安価で作製が容易である利点もある。
【００４０】
［実施例］
第１実施形態のレーザ加工方法の一実施例を図１に沿って示す。
スパッタ、蒸着、スピンコート等の処理により、ガラス、石英等の透明材料、セラミック等の脆性材料からなる平坦基板２上に金属薄膜３を形成する。この金属薄膜３上から加工用レーザ光４を図２に示すようなある強度分布にて１パルス照射する。加工用レーザ光４のレーザ光強度を調整することにより、レーザ照射部の金属薄膜３の除去と併せて、加工対象物である平坦基板２の除去も同時に起きる。図２のようなレーザ強度分布をもった光照射を行うことで、金属薄膜３の除去領域３ａよりも微小な除去領域２ａの除去がおき、それにより微細な形状を有する立体構造体６が形成される。
【００４１】
図３は本発明の第１実施形態で吸収薄膜材料層として用いる、代表的金属の光吸収係数と波長との関係を示す図であり、参考例としてシリコンの光吸収係数と波長との関係も示している。図４は本発明の第１実施形態で吸収薄膜材料層として用いる、代表的金属の光浸透長と波長との関係を示す図である。
【００４２】
図３に示すように、このように特に可視領域では金属の光吸収は波長に依存せず、かつ非常に大きな値であることが分かる。
【００４３】
図４に示すように、金属の光吸収長（光浸透長）Ｄは、複素誘電率κ、吸収係数α、波長λにより次式（１）で示されることが知られている。
（１）Ｄ＝α-1＝λ／４πκ
【００４４】
このように光浸透長は数十ｎｍオーダーであり、この狭い領域にエネルギーが集中することが分かる。
前記加工用レーザとして、本実施例ではパルス幅が１０ピコ秒以下のレーザ、例えば、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザを用いた。
【００４５】
熱拡散長Ｌは、熱拡散率Ｄ、経過時間τとしたとき、次式（２）で表される。
（２） Ｌ＝√（Ｄτ）
金属、ガラス、高分子の熱拡散率代表値は次の表１で表される。
【００４６】
【表１】
経過時間での金属、ガラス、高分子の拡散長代表値は次の表２で表される。
【表２】
［第２実施形態］
図５（Ａ）は整形された加工用レーザ光の強度分布を模式的に示す図、同（Ｂ）は（Ａ）図中のＢ−Ｂ断面の位置と強度との関係を示す図、同（Ｃ）は被加工体の加工形状を示す斜視図、同（Ｄ）は加工された被加工体の位置と形状との関係を示す図である。
【００４９】
第２実施形態の加工方法では、照射レーザ光の光分布をレンズ、ミラー、回折光学素子、光学マスク等により整形し、レーザ照射領域で空間選択的に分布を有する状態とする。例えば、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すような輪帯の中心が極大のリング状分布やレーザ光を分割したような多数ビーム、任意のパターン形状等があげられる。これら形状を特に目的とする加工部で強度が最大となるように整形する。このように整形された加工用レーザ光を加工対象物の表面に照射し、レーザ強度最大値付近の任意形状の加工を行う。
【００５０】
このように、レーザ光を整形することで、レーザ光１パルス照射で任意の形状加工が可能となる。また、分割したビームを利用することで、同一の形状の加工を一括して同時に作製することが可能となる。さらにレーザ強度に分布を与えることで加工幅、加工深さを制御することが可能となり、レーザ光１パルス照射で同時に深さの異なる穴を形成することが可能となる。
【００５１】
図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、この実施形態の加工用レーザ光４は回折光学素子等によりリング状に強度分布が整形されている。このとき輪帯幅中心付近の強度が周囲よりも高い状態となる。
【００５２】
この形状をレンズ等により投影して加工材料５の表面に照射する。この照射により第１実施形態と同様に照射部での除去がおき、図５（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、その照射強度中心付近にレーザ照射径よりも微細な穴形状が形成される。
これによりレーザ光１パルス照射によりリング状の微細加工が実現される。
【００５３】
［第３実施形態］
図６の（Ａ）は第３実施形態で用いる加工用レーザ光の強度分布を模式的に示す斜視図、同（Ｂ）は（Ａ）の強度分布を有する加工用レーザ光で加工された立体構造体の斜視図である。
【００５４】
照射レーザ光の光分布をレンズ、ミラー、回折光学素子、光学マスク等により整形し、図６（Ａ）に示すように、レーザ照射領域でライン状のビーム形状とする。これは例えばシリンドリカルレンズを組み合わせることにより容易に実現可能となる。この整形された加工用レーザ光４を被加工体１の表面に照射することで、図６（Ｂ）に示すように、加工部に線状のパターンを照射領域幅より狭い形状で形成する。
【００５５】
このように、レーザ光をライン状に整形することで、レーザ光１パルス照射で照射幅より狭いライン状の形状を形成することができる。これは回折型素子やマイクロマシン、マイクロセル等に利用することが可能である。線状に形成したパターンを集光することで、比較的簡便な光学系を用いて照射強度を調整することが容易となる。
また加工位置を制御して加工することで連続したライン状パターンを任意のピッチで形成することが可能となる。
【００５６】
図６に示すように、加工用レーザ光４をライン状の強度分布を有する形状に整形する。これをレンズ等で集光することで、短軸側がガウス分布に近い形状となり基板に照射される。これにより吸収薄膜材料層のライン状の除去部分と、吸収薄膜材料層のライン状の除去部分より微細なライン状の除去部分が被加工物に作製される。
吸収薄膜材料層を加工後に除去することで、被加工物表面に微小なライン状パターンが形成される。
【００５７】
［第４実施形態］
図７はガラス基板上の加工例の断面形状を測定した位置と高さとの関係を示す図である。
【００５８】
この第４実施形態の加工方法では、被加工体として、ガラス基板上に吸収薄膜材料層としての白金層を形成したものを用いている。
この被加工体上に白金層側から加工用レーザ光を集光レンズ等により集光して照射する。このとき加工用レーザの加工部ではガウス分布に近い回転対称な強度分布となる。これにより、図７に示すように、吸収薄膜材料層としての白金層の除去パターンとそれよりも狭い被加工物としてのガラス基板の除去パターンとが２段になって形成される。
【００５９】
このように集光するための光学系を用いることで、微小な穴を被加工物の表面に形成することが可能となる。この集光型光学系は非常に単純な構成とすることができ、レーザ照射範囲、強度調整が容易であり、それにより加工幅、加工深さの制御も容易となるメリットがある。
【００６０】
また、このとき吸収薄膜材料層の加工径と、被加工物の加工径とはその幅を独立に制御することが可能であり、２段の立体形状を作製することができる。
さらに照射位置を制御して加工することで、多数の穴を連続して形成することが可能となる。
【００６１】
［実施例］
図７に実際のガラス基板上の加工例を示す。このとき吸収薄膜材料層として白金層２０ｎｍを用い、レーザにＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザ、中心波長８００ｎｍ、パルス幅約１５０フェムト秒を用いている。このときレーザ照射幅はほぼ薄膜の除去幅である２０μｍ程度としている。このレーザ照射強度を調整することで、加工中心付近に幅２μｍ、深さ２０ｎｍ程度の微細な穴が形成される。
【００６２】
これは従来のレーザ加工では困難な除去量であり、本加工方法により微少な除去が実現可能であることを示す。
またこのように２段の形状を同時に形成することができ、この形状をマイクロマシンやマイクロセンサー等で利用することも可能である。
【００６３】
［第５実施形態］
第５実施形態のレーザ加工装置は、レーザ光強度を制御する強度調整手段と、レーザ光を伝送する伝送手段と、レーザ照射位置を制御する位置制御手段とを備えて構成され、加工対象物である被加工体上に連続して加工用レーザ光を照射することで任意の位置に形状を作製する。
【００６４】
強度調整手段としては、加工用レーザ光の透過率を連続あるいはステップ状に変化せしめる透過型フィルタや位相変調素子、１／２波長板と偏光ビームスプリッタ等が利用でき、伝送手段としてはレンズ、ミラーや回折光学素子等が利用できる。また、位置制御手段としては、ガルバノミラー、ｆθレンズ、ポリゴンミラー等の光学素子や基板を固定して移動するリニア、回転ステージ等が利用できる。
【００６５】
第５実施形態のレーザ加工装置によれば、加工用レーザ光を制御して被加工体の表面に照射することで、大面積に連続して形状を形成することが可能となる。また同時にレーザ照射強度を変化させることで、加工径、加工深さを任意に調整することが可能となる。
【００６６】
図８は本発明の第５実施形態に係る立体構造体のレーザ加工装置を示す図である。
図８に示すように、第５実施形態のレーザ加工装置は、加工用レーザ光４を出射する加工用レーザ光発生手段であるレーザ装置１１と、１／２波長板１４と偏光ビームスプリッタ１５あるいはＮＤフィルタ等の加工用レーザ光４の強度調整手段と、整形レンズ１６、反射ミラー１７等のレーザ光整形手段とを備えて構成され、空間的にレーザ光照射位置を限定し、第１実施形態から第４実施形態の何れかのレーザ加工方法で用いるレーザ加工装置である。
【００６７】
レーザ装置１１の内部あるいは外部にはシャッタ１３等のレーザ照射数を制御する手段を設けることが望ましく、加工用レーザ光４は被加工体１を固定する移動ステージ２１に同期して照射されることが望ましい。この移動ステージ２１によりレーザ光照射位置制御手段が構成される。
【００６８】
このレーザ加工装置によれば、従来の加工装置で問題であった難加工材料に対しての微細な形状を有する構造体の加工を行うことが可能となる。また従来困難であったレーザ照射領域以下の微少量加工が可能となる。さらに、移動ステージ２１を移動して加工することが可能であるので、大面積の加工を行うことができる。
【００６９】
［実施例］
図８に示すように、レーザ装置１１から出射された加工用レーザ光４は外部シャッタ１３で照射時間を制御して１／２波長板１４に入射される。ここで１／２波長板１４を回転することで、加工用レーザ光４の偏光面と１／２波長板１４との相対的な軸方向が変化し、偏光ビームスプリッタ１５によってビーム強度が調整される。ビーム強度を調整された加工用レーザ光４は、レンズ系である整形レンズ１６やミラー系である反射ミラー１７によりビーム形状を整形、伝送される。加工用レーザ光４の形状制御を行う場合にはフォトマスク等のマスク１８を用い形状転写を行う。微細穴加工時はマスク１８を通さず集光レンズ１９により集光され、薄膜付加材料としての被加工体１表面に結像される。被加工体１は移動ステージ２１等により加工位置を制御される。このとき加工位置での加工形態を観察するため、観察用照明２２を設置した観察装置を配置し、ＣＣＤカメラ２３等によりその形状を観察することも可能である。
この加工用レーザ装置により、容易に微細形状を有する構造体の加工が可能となる。
【００７０】
［第６実施形態］
第６実施形態の立体構造体は、第５実施形態に記載のレーザ加工装置により作製された、微小立体的形状を有する立体構造体である。
【００７１】
この立体構造体の構成は、加工されるべき被加工物であるガラス基板２と、ガラス基板２の加工用レーザ光入射側表面に形成される加工用レーザ光４の吸収の高い吸収薄膜材料層である金属薄膜３とから構成される被加工体１と、加工用レーザ光４により除去された吸収薄膜材料層３の微小な除去領域３ａと、除去領域３ａ内であって、除去領域３ａより微小なガラス基板２の除去領域２ａとを備えている。
この立体構造体の代表的サイズは、加工幅が数百ナノから数十ミクロン、加工深さが数ｎｍから数ミクロン程度である。
【００７２】
この実施形態の立体構造体の構成により作製された素子は、微小な形状、深さを有する構造体とすることが可能である。さらに、連続した形状を作製することで、例えば深さを光の波長オーダーとすることで透過型光学素子としてあるいは反射型光学素子として機能することが可能となる。
２段の立体的形状を有することからマイクロマシン用デバイスやマイクロセンサー等の作製も可能となる。
【００７３】
本実施形態の立体構造体の構成を有する素子は、複雑なプロセスを利用せず、真空プロセス等を利用しないため、大型化が可能であり、大型光学素子や大面積デバイスの作製に対して利点がある。
【００７４】
［第７実施形態］
この第７実施形態の立体構造体は、第５実施形態に記載のレーザ加工装置により作製された、微小立体的形状を有する構造体である。この立体構造体の代表的サイズは加工幅が数百ｎｍから数十μｍ、加工深さが数ｎｍから数μｍ程度の構造体から吸収薄膜材料層をその後の処理により選択的に除去する。この選択的除去は溶媒での溶解、エッチング等により実現可能である。
【００７５】
この実施形態の構成により作製された素子は、吸収薄膜材料層を除去しているため、被加工物のみの立体形状構造体となる。そのため被加工物の機能を損なうことなく、利用することが可能となる。例えば、透明材料からなる被加工物に形成した吸収薄膜材料層を除去することで透過型光学素子として機能させたり、セラミックス材料からなる被加工物上の吸収薄膜材料層を除去してその後上面に他の構造体を形成したりすることが可能となる。またこのとき吸収薄膜材料層を除去することで２段状の形状でなくなるため、加工形状の制約が少なくなり、幅広い設計値に対して適応が可能となる。
【００７６】
［第８実施形態］
第８実施形態の立体構造体は、第５実施形態のレーザ加工装置により作製された、微小立体的形状を有する構造体である。この立体構造体の代表的サイズは加工幅が数百ナノから数十ミクロン、加工深さが数ｎｍから数ミクロン程度である。この立体構造体を作製後、その吸収薄膜材料層上面あるいは吸収薄膜材料層を剥離した被加工物表面に対して金属膜を付加し、微細な構造を有する金属面を作製する。付加する金属膜はスパッタ、蒸着等の処理により容易に形成することが可能である。
【００７７】
本実施形態の立体構造体の構成により作製された素子は、表面に金属面を有する立体形状構造体となる。そのため金型として、その後の電鋳処理等により複製が可能となる。これを利用することで、１つの素子作製から多くの同一形状、あるいは反転形状の素子を作製することが可能となる。
【００７８】
また金属の反射を利用することで、立体構造体を反射型光学素子として利用することも可能となる。これにより反射型回折格子や反射型回折光学素子として利用することが可能となる。
【００７９】
以上のように、本発明は、レーザビームの照射により被加工材料に直接微細な形状を形成するレーザ加工方法に関するものであり、特にレーザ光１パルスでレーザ照射領域より小さい微細穴を形成しかつ該レーザに対して難加工性の材料に対して適応可能なレーザ加工方式に関する。
【００８０】
また、特に微細形状を必要とされる高精度部品形成を目的とし、光ディスクの記録ピット形成、その原盤である光ディスク成形用スタンパの形成方法、マルチレベル回折格子や回折型ホログラムなどの光学素子およびその原盤の作製方法、マイクロマシン、マイクロセンサー等の微細穴加工方式、透過型光学材料等への直接穴形成方式等の微細デバイスに関する。
なお、本発明は上記実施形態又は実施例に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、金属薄膜を用いない場合にくらべ低エネルギーでの加工が可能となり、照射領域より小さい加工幅で加工でき、微細な形状を形成することができる。
請求項２の発明によれば、透過性の高い材料の上に金属薄膜が形成されているので、透過性の高い材料から構成されている被加工物の微細且つ高精度加工が可能である。
請求項３の発明によれば、脆性材料から構成されている被加工物に対して、バリ、クラック等の発生を防止して、高品位な加工を行うことができる。
請求項４の発明によれば、パルス幅が短いので、金属等の熱伝導の高速な材料であっても、熱拡散領域を制限することができるので、低エネルギーで熱伝導の高速な材料を除去することができるとともに、効率的に加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る立体構造体の加工方法を示す図である。
【図２】加工用レーザ光の幅方向の位置と強度との関係を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態で吸収薄膜材料層として用いる、代表的金属の光吸収係数と波長との関係を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態で吸収薄膜材料層として用いる、代表的金属の光浸透長と波長との関係を示す図である。
【図５】（Ａ）は整形された加工用レーザ光の強度分布を模式的に示す図、（Ｂ）は（Ａ）図中のＢ−Ｂ断面の位置と強度との関係を示す図、（Ｃ）は被加工体の加工形状を示す斜視図、（Ｄ）は加工された被加工体の位置と形状との関係を示す図である。
【図６】（Ａ）は第３実施形態で用いる加工用レーザ光の強度分布を模式的に示す斜視図、（Ｂ）は（Ａ）の強度分布を有する加工用レーザ光で加工された立体構造体の斜視図である。
【図７】ガラス基板上の加工例の断面形状を測定した位置と高さとの関係を示す図である。
【図８】本発明の第５実施形態に係る立体構造体のレーザ加工装置を示す図である。
【符号の説明】
１ 被加工体
２ ガラス基板（被加工物）
２ａ 除去領域
３ 金属薄膜（吸収薄膜材料層）
３ａ 除去領域
４ 加工用レーザ光
５ 立体的構造体
１１ レーザ装置
１３ 外部シャッタ
１４ １／２波長板（強度調整手段）
１５ 偏光ビームスプリッタ（強度調整手段）
１６ 整形レンズ（レーザ光整形手段）
１７ 反射ミラー（レーザ光整形手段）
１８ マスク
１９ 集光レンズ
２１ 移動ステージ
２２ 観察用照明
２３ ＣＣＤカメラ
Claims (3)
- 加工用レーザ光を被加工体に照射して前記加工用レーザ光により被加工体の一部を除去するレーザ加工方法であって、
前記被加工体を、加工されるべき被加工物であって前記加工用レーザ光に対して透過性の高い材料から構成された被加工物と、該被加工物の加工用レーザ光入射側表面に形成される前記加工用レーザ光の吸収の高い金属薄膜であって膜厚が加工用レーザ光の光浸透長以上でかつ該光浸透長オーダーである金属薄膜とで構成し、前記加工用レーザ光の除去領域に対応する強度分布を被加工形状に対応させて整形し、そして、
前記金属薄膜表面から加工用レーザ光を照射し、該レーザ光を該金属薄膜表面で吸収させて該金属薄膜にエネルギーを集中させることにより、該金属薄膜の除去とともに、被加工物に対してレーザ照射領域よりも小さな領域の除去を行うことを特徴とするレーザ加工方法。 - 前記被加工物が脆性材料から構成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
- 前記加工用レーザ光のパルス幅が１０ピコ秒以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工方法。
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