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レーザ加工装置及びレーザ加工方法

国内特許コード P07P005505
整理番号 P2005-113
掲載日 2007年10月4日
出願番号 特願2006-061912
公開番号 特開2007-237221
登録番号 特許第5002808号
出願日 平成18年3月7日(2006.3.7)
公開日 平成19年9月20日(2007.9.20)
登録日 平成24年6月1日(2012.6.1)
発明者
  • 三澤 弘明
  • サウリウス ヨードカシス
  • 坪井 泰之
出願人
  • 国立大学法人北海道大学
発明の名称 レーザ加工装置及びレーザ加工方法
発明の概要

【課題】サファイアやダイアモンドなどの硬質結晶性難加工材料の内部に、完全に閉じた構造であり、かつ輪郭が明確な中空領域を簡単な工程で形成すること。
【解決手段】レーザ光源110は、加工用のフェムト秒パルスレーザを発生する。可変NDフィルタ120は、フェムト秒パルスレーザのパルスエネルギを制御する。電磁フィルタ130は、フェムト秒パルスレーザから単一パルスを切出す。油浸対物レンズ210は、単一パルスレーザを集光して加工対象材料Sの内部の集光位置に焦点像を形成する。フェムト秒パルスレーザのパルス幅、単一パルスレーザのパルスエネルギ、及び単一パルスレーザを集光する油浸対物レンズ210の開口数NAをそれぞれ最適な値に調整することにより、単一パルスレーザを集光照射するという1工程のみで、加工対象材料Sの内部に略真球状の微細で形状が整った中空領域を、完全に閉じた構造で形成することができる。
【選択図】図1

従来技術、競合技術の概要


レーザ微細加工技術の重要性は、ナノテクノロジの方法論として疑いようのないものとなっている。中でも、極めて高いピーク出力の光を短時間に集中して得ることができるフェムト秒パルスレーザは、加工分解能が優れており、熱的損傷が少ないことから大きな注目を集めている。



また、フェムト秒パルスレーザは、多光子吸収を効率よく生起することができるので、透明誘電体材料の加工や材料の内部加工への応用が盛んに検討されている。フェムト秒パルスレーザを用いれば、石英やアルカリハライドなどの透明誘電体材料、及びシリコンなどの半導体材料に対して自由度の高い微細加工が可能である。



また、近年、透明誘電体材料として、サファイア(Al:酸化アルミニウム結晶)が大きく注目されている。サファイアには、代表的な透明誘電体材料(石英やガラス)と比較して以下のような性質がある。
(1)結晶性が極めて高い。
(2)硬質で難加工性である。
(3)耐薬品性に優れている(例えば、フッ酸でも浸食されない)。



上記の性質により、サファイアに対するフェムト秒レーザの微細加工の自由度には一定の限界があった。特に、加工形状及びサイズを精密に制御した微細加工は困難であった。



一方、3次元光メモリ素子の大容量化や光導波路、回折格子などのニーズから、サファイアの内部に微細な中空領域(ボイド)を形成する微細加工技術が要望されており、サファイアに対する微細加工が検討されている。



フェムト秒パルスレーザを用いてサファイアの内部に中空領域を形成するレーザ加工技術として、例えば、特許文献1に記載されたものがある。



特許文献1には、サファイアの内部にフェムト秒パルスレーザを集光照射して改質領域(アモルファス相)を形成し、改質領域をフッ酸で処理(化学エッチング)することにより、中空領域を形成する技術が開示されている。すなわち、サファイアの内部に形成された改質領域のみをフッ酸により選択的にエッチングすることにより、中空領域を形成している。

【特許文献1】特開2005-293736号公報

産業上の利用分野


本発明は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関し、3次元光メモリ素子の大容量化や光導波路、回折格子、材料の内部への切断・割断の起点となる損傷の形成に適用する中空領域を形成するレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
フェムト秒パルスレーザを発生するパルスレーザ発生手段と、
前記フェムト秒パルスレーザを加工対象材料の内部に集光照射する光学系と、を有し、
前記フェムト秒パルスレーザの集光照射位置に中空領域を形成する、レーザ加工装置であって、
前記光学系は、
前記フェムト秒パルスレーザのパルスエネルギを制御するパルスエネルギ制御手段と、
パルスエネルギが制御された前記フェムト秒パルスレーザから単一パルスレーザを切出す単一パルスレーザ切出手段と、
前記単一パルスレーザを集光して前記加工対象材料の内部の集光照射位置に焦点像を形成する対物レンズと、を有する、
ことを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項2】
前記加工対象材料の内部の撮像情報を取得する撮像情報取得手段をさらに有し、
前記単一パルスレーザの集光照射位置は、前記撮像情報に基づいて決定される、
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ加工装置。

【請求項3】
前記パルスレーザ発生手段は、波長が500nm~1300nm、かつ、パルス幅が50fs~500fsのフェムト秒パルスレーザを発生し、
前記パルスエネルギ制御手段は、前記フェムト秒パルスレーザのパルスエネルギが50nJ~500nJとなる制御を行う、
ことを特徴とする請求項記載のレーザ加工装置。

【請求項4】
前記対物レンズの開口数は、1.0~1.4である、ことを特徴とする請求項記載のレーザ加工装置。

【請求項5】
フェムト秒パルスレーザを発生するステップと、
前記フェムト秒パルスレーザのパルスエネルギを制御するステップと、
パルスエネルギが制御された前記フェムト秒パルスレーザから単一パルスレーザを切出すステップと、
前記単一パルスレーザを加工対象材料の内部に集光照射するステップと、を有し、
前記フェムト秒パルスレーザの集光照射位置に中空領域を形成する、
ことを特徴とするレーザ加工方法。

【請求項6】
前記フェムト秒パルスレーザのパルス幅は、50fs~500fsであり、
前記単一パルスレーザのパルスエネルギは、50nJ~500nJである、
ことを特徴とする請求項記載のレーザ加工方法。

【請求項7】
フェムト秒パルスレーザを発生するステップと、
前記フェムト秒パルスレーザのパルスエネルギを制御するステップと、
パルスエネルギが制御された前記フェムト秒パルスレーザから単一パルスレーザを切出すステップと、
前記単一パルスレーザを加工対象材料の内部に集光照射するステップと、を有し、
前記フェムト秒パルスレーザの集光照射位置に中空領域を形成する、
ことを特徴とする光導波路の製造方法。

【請求項8】
フェムト秒パルスレーザを発生するステップと、
前記フェムト秒パルスレーザのパルスエネルギを制御するステップと、
パルスエネルギが制御された前記フェムト秒パルスレーザから単一パルスレーザを切出すステップと、
前記単一パルスレーザを加工対象材料の内部に集光照射するステップと、を有し、
前記フェムト秒パルスレーザの集光照射位置に中空領域を形成する、
ことを特徴とする回折格子の製造方法。

【請求項9】
フェムト秒パルスレーザを発生するステップと、
前記フェムト秒パルスレーザのパルスエネルギを制御するステップと、
パルスエネルギが制御された前記フェムト秒パルスレーザから単一パルスレーザを切出すステップと、
前記単一パルスレーザを加工対象材料の内部に集光照射するステップと、を有し、
前記フェムト秒パルスレーザの集光照射位置に中空領域を形成する、
ことを特徴とする光メモリ素子の記憶領域の製造方法。
産業区分
  • 加工
  • 加工
  • 固体素子
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2006061912thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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