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明細書 :超短パルスレーザを用いた微細加工方法及び装置

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第5008052号 (P5008052)
公開番号 特開2007-229732 (P2007-229732A)
登録日 平成24年6月8日(2012.6.8)
発行日 平成24年8月22日(2012.8.22)
公開日 平成19年9月13日(2007.9.13)
発明の名称または考案の名称 超短パルスレーザを用いた微細加工方法及び装置
国際特許分類 B23K  26/36        (2006.01)
B23K  26/04        (2006.01)
B23K  26/02        (2006.01)
C03C  15/00        (2006.01)
FI B23K 26/36
B23K 26/04 C
B23K 26/02 A
C03C 15/00 A
請求項の数または発明の数 5
全頁数 19
出願番号 特願2006-051965 (P2006-051965)
出願日 平成18年2月28日(2006.2.28)
新規性喪失の例外の表示 特許法第30条第1項適用 平成17年9月1日 社団法人精密工学会発行の「2005年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集」の第83~84ページに発表
審査請求日 平成21年2月20日(2009.2.20)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】504190548
【氏名又は名称】国立大学法人埼玉大学
【識別番号】503359821
【氏名又は名称】独立行政法人理化学研究所
発明者または考案者 【氏名】池野 順一
【氏名】大森 整
【氏名】安齋 正博
個別代理人の代理人 【識別番号】100100918、【弁理士】、【氏名又は名称】大橋 公治
【識別番号】100108729、【弁理士】、【氏名又は名称】林 紘樹
【識別番号】100100918、【弁理士】、【氏名又は名称】大橋 公治
審査官 【審査官】松本 公一
参考文献・文献 特開平11-077341(JP,A)
特開平11-216578(JP,A)
特開2004-339538(JP,A)
特開2004-354535(JP,A)
調査した分野 B23K 26/00- 26/42
C03C 15/00- 23/00
特許請求の範囲 【請求項1】
第1のガラス板の上に第2のガラス板を、空間若しくは他の物体を介して、または介さずに重ねて、前記第2のガラス板の上面から超短パルスレーザを走査し、前記第1のガラス板と前記第2のガラス板との間で前記レーザの定在波が発生する箇所において前記第1のガラス板の上面及び第2のガラス板の下面を加工することを特徴とする超短パルスレーザによる微細加工方法。
【請求項2】
請求項1に記載の微細加工方法であって、前記超短パルスレーザを、前記第1のガラス板の上面より下方の位置に焦点を合わせて照射することを特徴とする超短パルスレーザによる微細加工方法。
【請求項3】
請求項1または2に記載の微細加工方法であって、前記第1のガラス板と前記第2のガラス板との間隔を変えて、前記加工が可または不可の状態に制御することを特徴とする超短パルスレーザによる微細加工方法。
【請求項4】
第1のガラス板の上に第2のガラス板を、空間若しくは他の物体を介して、または介さずに重ねた加工対象物を載置するステージと、
前記第2のガラス板の上面から前記加工対象物に超短パルスレーザを照射する超短パルスレーザ装置と、
前記第1のガラス板と前記第2のガラス板との間隔を調整する間隔調整手段と
を備え、前記第1のガラス板と前記第2のガラス板との間で前記レーザの定在波が発生する箇所において前記第1のガラス板の上面及び第2のガラス板の下面を加工することを特徴とする微細加工装置。
【請求項5】
請求項4に記載の微細加工装置であって、前記間隔調整手段が、印加電圧に応じて前記第1のガラス板と前記第2のガラス板との間隔を変更するPZT素子を備えることを特徴とする微細加工装置。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、超短パルスを発生するフェムト秒レーザを用いて微細加工を行う方法と、その装置に関し、特に、フェムト秒レーザを用いた新しいメカニズムの加工法を提供するものである。
【背景技術】
【0002】
フェムト秒レーザは、照射時間がフェムト(10-15)秒オーダのパルスレーザを発振する。このパルスレーザが照射された被加工物では、照射位置の周囲に熱が伝導する前に気化による材料除去(アブレーション)が終了する。そのため、フェムト秒レーザでは、熱の影響が残留しない高品位微細除去加工が可能である。
下記非特許文献1には、フェムト秒レーザを用いて微細周期構造を形成した例が報告されている。これは、2本のレーザ光線を干渉させてレジストを3次元的に露光し、櫛刃状の微細形状を創成したり、あるいは、レーザ光線を表面の微小凸部に反射させて2本のレーザ光線にし、それらの干渉で表面に周期構造を形成するものである。

【非特許文献1】沢田博司他「フェムト秒レーザによる微細周期構造の形成」精密工学会誌,69,4 (2003) 554.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
本発明者等は、フェムト秒レーザから発振されたパルスレーザを2枚の重ねたガラスに照射した場合に、ガラス間の干渉縞に沿って2枚のガラスが加工されることを発見した。
本発明は、この新たな知見に基づいて創案したものであり、フェムト秒レーザを用いた新しいメカニズムによる微細加工方法を提供し、また、その方法を実施する装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0004】
本発明の超短パルスレーザによる微細加工方法では、第1のガラス板の上に第2のガラス板を、空間若しくは他の物体を介して、または介さずに重ねて、第2のガラス板の上面から超短パルスレーザを走査し、第1のガラス板と第2のガラス板との間でレーザの定在波が発生する箇所において第1のガラス板の上面及び第2のガラス板の下面を加工する。
この方法では、第1のガラス板と第2のガラス板との間でレーザの定在波が発生する箇所、即ち、干渉縞の箇所で加工が行われる。
【0005】
また、本発明の微細加工方法では、前記超短パルスレーザを、第1のガラス板の上面より下方の位置に焦点を合わせて照射する。
超短パルスレーザの焦点が第1のガラス板の上面に位置するときは、超短パルスレーザによって第1のガラス板の上面に溝が形成され、また、焦点が第1のガラス板の奥深く位置すると、第1のガラス板の内部だけが加工される。
【0006】
また、本発明の微細加工方法では、前記第1のガラス板と前記第2のガラス板との間隔を変えて、前記加工が可または不可の状態に制御する。
第1のガラス板と第2のガラス板との間隔がレーザ光の1/2波長の整数倍であると定在波が発生して加工が行われ、また、レーザ光の1/4波長の奇数倍であると定在波が発生せず、加工は行われない。
【0007】
本発明の微細加工装置は、第1のガラス板の上に第2のガラス板を、空間若しくは他の物体を介して、または介さずに重ねた加工対象物を載置するステージと、第2のガラス板の上面から前記加工対象物に超短パルスレーザを照射する超短パルスレーザ装置と、第1のガラス板と第2のガラス板との間隔を調整する間隔調整手段とを備え、第1のガラス板と第2のガラス板との間でレーザの定在波が発生する箇所において第1のガラス板の上面及び第2のガラス板の下面を加工する。
この装置では、間隔調整手段が第1のガラス板と第2のガラス板との間隔を調整することにより、任意のパターンの加工を行うことができる。
【0008】
また、本発明の微細加工装置は、前記間隔調整手段が、印加電圧に応じて第1のガラス板と第2のガラス板との間隔を変更するPZT素子を有している。
PZT素子は、高い分解能で制御することができる。
【発明の効果】
【0009】
本発明の微細加工方法は、超短パルスレーザによる新しいメカニズムの加工法である。
この方法では、二枚のガラス板を同時に同じパターンに加工することができる。
また、ガラス板の隙間を4分の1波長分、シフトするだけで微細加工ができたりできなかったりの状況を創り出すことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の微細加工方法に用いる装置を示している。
この装置は、フェムト秒レーザ10と、λ/2板11と、入射光が同一光路を通って反射することを防止するGlanレーザープリズム12と、光量を調節するNDフィルタ13と、シャッター14と、ミラー15、16と、撮影用のCCDカメラ19と、カメラ位置に焦点を合わせるレンズ18と、可視光のBRG成分を分岐するディクロイックミラー17と、レーザの焦点を調整するレンズ20と、試料30を載置する加工ステージ21と、二枚のガラス板が重なった試料30の間隔を調整する間隔調整手段23と、シャッター14及び加工ステージ21を制御するコントローラ22とを備えている。
【0011】
フェムト秒レーザ10は、波長(λ)=775nm、繰り返し周波数(f)=1kHz、パルス幅200fs、平均出力800mWの仕様の装置を使用している。
また、シャッター14は、レーザ光用の精密シャッター(10ms分解能)を使用している。
また、加工ステージ21は、エアー静圧3軸リニアステージを用いており、真直度0.3μm×1.2μm×0.3μm、ストローク100mm×100mm×20mm、スケール分解能10nmの性能を有している。
コントローラ22は、試料30の所望箇所にレーザ照射ができるようにシャッター14及び加工ステージ21を制御する。
試料30には、スライドガラス(t=0.9~1.2mm)の上に24mm×24mmのガラス薄板(t=0.12~0.17mm)を重ねたものを使用している。
【0012】
この装置を用いて、フェムト秒レーザ10のレーザ光を、試料30の下側のスライドガラス上面から20μmの位置に焦点を合わせて、試料30上を40μmのピッチで直線状に走査すると、図2に示すように、ガラス薄板301の裏面及びスライドガラス302の上面に縞模様状の加工が形成される。
図2(a)は、ガラス薄板301の裏面の縞模様を示しており、図2(b)は、この縞模様を拡大して表示している。図2(b)の矢印はレーザ走査方向を示している。このレーザ走査方向とほぼ直交する方向の点線模様の配列が、図2(a)では一本の縞として見えている。
また、図2(c)は、スライドガラス302の上面に形成された縞模様を示している。図2(c)の模様は、図2(a)の模様に重ね合わせると一致する。
【0013】
図3は、こうした縞模様が形成される理由を説明するための図である。ここでは、2枚のガラス板301、302の隙間の一方に高さhのテープ303を貼り付けて、ガラス板301とガラス板302との間に楔形の隙間を形成している。いま、(1)の箇所に超短パルスのレーザ光が入射すると、レーザ光は、ガラス板302の表面で反射し、その反射光がガラス板301の裏面で反射し、こうした反射を繰り返す。(1)の箇所のガラス板301とガラス板302との間隔がレーザ光の1/2波長の整数倍であると、そこに定在波(共振波)が発生し、増幅されたエネルギーによりガラス板301の裏面及びガラス板302の表面が加工される。
【0014】
また、同様に(3)の箇所のガラス板301とガラス板302との間隔がレーザ光の1/2波長の整数倍であると、超短パルスのレーザ光が(3)の箇所に入射したときに定在波(共振波)が発生し、増幅されたエネルギーによりガラス板301の裏面及びガラス板302の表面が加工される。
一方、(1)及び(3)の中間の(2)の箇所に超短パルスのレーザ光が入射したときは、定在波(共振波)が発生せず、その箇所のガラス板301の裏面及びガラス板302の表面は加工されない。
このように、超短パルスのレーザ光による加工は、ニュートンリングの干渉縞と同じように、ガラス板301とガラス板302との間隔に応じて、加工される箇所と加工されない箇所とが発生する。
【0015】
図4は、図3の構造を実際に試作して各種の測定を実施した時の状況を示している。ここでは、試料として、二枚の同形のソーダ石灰ガラス板を使用し、図3のLの長さを50mmと70mmに設定して測定している。Lが50mmの場合のガラス板301の角度は0.996°であり、Lが70mmの場合のガラス板301の角度は0.051°である。また、レーザ出力を5mW、走査速度1.0mm/s、ピッチ幅20μm、集光レンズf=8mm(N.A=0.5)に設定している。
【0016】
図4に矢印で示すように、傾斜方向(干渉縞に対して垂直方向)にレーザを走査したときの加工後の写真を図5に示している。図5(a)はL=50mmの場合であり、縞間隔は約272μmである。図5(b)はL=70mmの場合であり、縞間隔は約453μmである。これらの縞間隔は、干渉縞の理論計算から求めた値(L=50mmの場合224μm、L=70mmの場合440μm)とよく一致している。また、溝幅は3μm、深さは0.1μmであった。
【0017】
図6は、同じ試料に対して、干渉縞と平行な方向にレーザを走査したときの様子を示し、図7は、そのときの加工後の写真を示している。また、図7(a)の一部を図7(b)のように取り出し、その溝の深さを計測した結果を図8に示している。最大箇所で0.6μmの深さに達している。
図5及び図7の結果から明らかなように、レーザの走査方向は、試料の加工に影響を及ぼさない。
【0018】
また、図9は、レーザ光の焦点位置を変えたときの影響をCCDカメラ19で撮影した画像により示している。下側のガラス板302の表面から-10μmの位置(ガラス板302に入った位置)に焦点を合わせてレーザ光を走査したときは、下側のガラス板302の表面に溝が形成された。下側のガラス板302の表面から-20μmの位置に焦点を合わせてレーザ光を走査すると縞模様が現れ始め、-30μmから-60μmまでの範囲では縞模様が確認できた。-70μm以上になると縞模様は現れない。この場合は、レーザ光により下側のガラス板302の内部で加工が行われている。
【0019】
図10は、焦点位置とレーザ出力とを変えたときに下側のガラス板302に施される加工内容を纏めて示している。焦点位置の0μmは、下側のガラス板302の表面位置に相当している。焦点位置が下側のガラス板302の表面位置付近では、下側のガラス板302の表面に溝が形成され、焦点位置がそこから下がると縞模様が現れ(本加工)、さらに下がると下側のガラス板302の内部加工が行われる。
【0020】
このように、本発明の微細加工方法では、レーザ光の焦点位置を適切に設定するとともに、二枚のガラス板の間隔を間隔調整手段23で調整することにより、所望形状の微細加工を行うことができる。
間隔調整手段23により、例えば、所望形状の干渉縞が現れるように二枚のガラス板の間隔を調整する。
図11(a)は、干渉縞に「S」「U」及び二つの菱形が現れるように外部圧力を加えて二枚のガラス板の間隔を調整した状態を示し、図11(b)は、レーザ走査後の下側ガラス上面に形成された加工を示している。
このように、この微細加工方法では、二枚のガラス板の間に現れる干渉縞のパターンを制御して、そのパターンに沿った微細加工を形成することが可能である。
【0021】
また、間隔調整手段23により、二枚のガラス板に対して加工を施したい位置では二枚のガラス板の間隔をレーザ光の1/2波長の整数倍の距離に設定し、加工を施したくない位置では二枚のガラス板の間隔をレーザ光の1/4波長の奇数倍に設定することで、任意形状の微細加工を形成することができる。
【0022】
なお、ここでは、二枚のガラス板の間が空間である場合について説明したが、二枚のガラス板が、例えばレジン層を挟んで積層しているような構造の場合は、超短パルスレーザの照射により、二枚のガラス板の間隔がレーザ光の1/2波長の整数倍の距離である箇所(即ち、定在波が発生する箇所)では、光軸方向にレーザ光の1/2波長ごとに強め合う部分が生じるため、その箇所のレジンには光軸方向にレーザ光の1/2波長間隔でドット加工が行われものと考えられる。
このドット加工は、定在波が発生する箇所のレジンにだけ行われ、定在波が発生しない箇所のレジンには行われない。従って、レジンには3次元のドット加工が行われることになる。
この3次元ドット加工は、レジンに限らず、ガラス板と屈折率の違う材料であって、使用するレーザ光の波長をある程度透過し、定在波の強め合う部分で多光子吸収による加工が可能な材料であれば出現し、あるいは、その強め合う部分のエネルギーがその材料の加工閾値を超えるエネルギーとなるときに出現すると考えられる。
【0023】
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態では、PZT素子を用いて二枚のガラス板の間隔を調整する例について説明する。
この方法を実施する装置は、図12に模式的に示すように、二枚のガラス板301、302の内、一方301がPZT素子231により駆動され、他方302が加工ステージ21に固定されている。PZT素子231に加わる電圧は、印加電圧調整手段230によって制御され、PZT素子231は、印加電圧に応じて伸縮し、ガラス板301とガラス板302との距離を変える。
【0024】
PZT素子231は、分解能1nm以下、最大50Hzでのコントロールが可能である。ここでは、図13に示すように、A~Eの加工条件を設定している。
加工条件Aでは、PZT素子の変位を、常時0に設定する。加工条件Bでは、100msの間、変位を0にし、次の100msの間、変位を415nmに設定する。加工条件Cでは、50msごとに、変位0と変位415nmとを交互に繰り返す。加工条件Dでは、25msごとに変位0と変位415nmとを交互に繰り返す。加工条件Eでは、常時415nmに設定する。PZT素子の変位が0のときは加工が行われ、PZT素子の変位が415nmのときは加工が行われない。
【0025】
ここでは、レーザ出力を5mW、走査速度1.0mm/s、ピッチ幅20μmに設定して、各作業条件で4ラインずつレーザ走査を行い、その結果を図14に示している。
また、図15は、PZT素子の移動周期と加工周期との関係を示している。
これらの図が示すように、本発明の微細加工方法では、二枚のガラス板の間隔を調整することで微細加工のON、OFFを制御することができる。
【0026】
また、図16に示すように、PZT素子231を制御する印加電圧調整手段230と加工ステージ21の駆動手段210とをコントローラ22が連動して制御し、レーザの照射位置に合わせて二枚のガラス板の間隔を調整することにより、任意のパターンの微細加工が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【0027】
本発明は、生物・医療分野等で求められているガラス薄板の溝加工や、装飾品の模様加工など、広い分野で応用することができる技術である。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】本発明の第1の実施形態における微細加工方法で使用する装置を示す図
【図2】本発明の第1の実施形態における微細加工方法での加工例を示す図
【図3】本発明の第1の実施形態における微細加工方法の原理を説明する図
【図4】本発明の第1の実施形態における微細加工方法でのレーザ走査方向を示す図
【図5】図4の方法で形成された縞模様を示す図
【図6】本発明の第1の実施形態における微細加工方法での他のレーザ走査方向を示す図
【図7】図6の方法で形成された縞模様を示す図
【図8】図6の方法で形成された溝の深さを示す図
【図9】本発明の第1の実施形態における微細加工方法での焦点位置に依存する加工内容を示す図
【図10】本発明の第1の実施形態における微細加工方法での焦点位置と加工内容との関係を示す図
【図11】本発明の第1の実施形態における微細加工方法を適用する干渉縞(a)と、この微細加工方法で得られた加工パターン(b)とを示す図
【図12】本発明の第2の実施形態における微細加工方法で使用する装置を示す模式図
【図13】本発明の第2の実施形態における微細加工方法での加工条件を示す図
【図14】本発明の第2の実施形態における微細加工方法で加工した試料を示す図
【図15】本発明の第2の実施形態における微細加工方法でのPZT制御周期と加工周期との関係を示す図
【図16】本発明の第2の実施形態における微細加工方法で使用する他の装置を示す模式図
【符号の説明】
【0029】
10 フェムト秒レーザ
11 λ/2板
12 Glanレーザープリズム
13 NDフィルタ
14 シャッター
15 ミラー
16 ミラー
17 ディクロイックミラー
18 レンズ
19 CCDカメラ
20 レンズ
21 加工ステージ
22 コントローラ
23 間隔調整手段
30 試料
210 駆動手段
230 印加電圧調整手段
231 PZT素子
301 ガラス板
302 ガラス板
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4
【図6】
5
【図7】
6
【図8】
7
【図9】
8
【図10】
9
【図11】
10
【図12】
11
【図13】
12
【図14】
13
【図15】
14
【図16】
15