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レーザー加工装置及びレーザー加工方法 コモンズ 新技術説明会

国内特許コード P04P001389
整理番号 Y2002-P479
掲載日 2004年12月7日
出願番号 特願2003-083907
公開番号 特開2004-290985
登録番号 特許第4322527号
出願日 平成15年3月25日(2003.3.25)
公開日 平成16年10月21日(2004.10.21)
登録日 平成21年6月12日(2009.6.12)
発明者
  • 中田 芳樹
出願人
  • 科学技術振興機構
発明の名称 レーザー加工装置及びレーザー加工方法 コモンズ 新技術説明会
発明の概要 超短パルスレーザー光を用いたレーザー加工において、新規なフーリエ変換レンズ及び逆フーリエ変換レンズを利用したイメージ投影装置を利用することにより、被加工物に直接2次元又は3次元のミクロンオーダーのマスクパターンをアブレーション加工する。フェムト秒(fs)からピコ秒(ps)(10-15~10-12秒)領域の超短パルスレーザー光によって、マスクのパターンを投影レンズにより被加工物に投影して加工するレーザー加工において、2枚のレンズの焦点を一致させ、第一のレンズの入射側からその焦点距離だけ離れた位置にマスクを置き、第二のレンズの出射側からその焦点距離だけ離れた位置に被加工物を配置することで、2枚のレンズによるフーリエ及び逆フーリエ変換を用いたマスク像の被加工物への投影を行うようにしたフーリエ光学系を用いる。<EMI LY=1742 HE=090 ID=000002 WI=069 LX=1100>
従来技術、競合技術の概要 大規模集積回路(LSI)やマイクロマシンの作製においてリソグラフィーに代表される光転写露光技術が用いられている。近年では光学技術の発展によって、露光光の波長より小さな微細パターンが露光されるようになっている。一方、マスクパターンを物質表面に投影して、物質表面をレーザーアブレーション加工する試みがある。例えば、二枚のレンズによるフーリエ及び逆フーリエ変換を用いたマスク形状の物質表面への投影によるアブレーション加工方法の発明が特許出願されている。しかしながら、この方法では、レーザーとしてNd-YAG、Ti-AlやArF、KrFなどのエキシマレーザーが適当であるとしており、これらの一般的にパルス幅がナノ秒のレーザーでは、加工を行う時間内に熱伝導によって被加工物の温度が均一化してしまう。その結果、一般的な材料に対してミクロンからナノサイズの極小さなパターン転写加工を行うことは不可能であり、そのような加工が出来るのは一部の高分子材料のように光によって解離しやすい材料に限定されてしまう。さらに、難加工材料を加工するためには高強度の光を入射する必要があるが、その場合、材料側のレンズが材料上と同程度の光強度で照射されるため、レンズの破損やラマン変換によるビーム形状の劣化やエネルギー損失が起こってしまう。また、フェムト秒レーザーを用いたアブレーション加工法も知られている。特許文献2においては、マスクを利用したビーム形状の変更が述べられているが、図6Aに示されているように、第2のレンズからその焦点及び標的までの距離がそれぞれf2とf1とまちまちであり、第1のレンズによってフーリエ変換された信号を逆フーリエ変換する構成になっていない。したがって、マスク形状が複雑な場合、その正確な形状が標的に投影されない。これは、添付された図2によって分かるとおり、リップルの発生など加工形状の劣化につながる。また、特許文献3、4及び5では、マスクとレンズ、被加工物の距離関係が明確でなく、さらに、マスクと被加工物の間にレンズは1枚のみであり、フーリエ変換及び逆フーリエ変換を用いてマスク形状を被加工物に正確に投影する構成になっていない。
【特許文献1】特開平11-216580号公報
【特許文献2】特表平9-511688号(特許第3283265号)公報
【特許文献3】特開2001-212680号公報
【特許文献4】特開2001-212687号公報
【特許文献5】特開2001-212798号公報
産業上の利用分野 新規な光学系を用いることを特徴とする、任意の固体材料における2次元又は3次元の任意形状の加工やマイクロマシン形状の超短パルスレーザー光を用いたレーザー加工装置及びレーザー加工方法
特許請求の範囲 【請求項1】フェムト秒(fs)からピコ秒(ps)(10-15~10-12秒)領域の超短パルスレーザー光によって、マスクのパターンを第一のレンズ(L1)と第二のレンズ(L2)の2枚の投影レンズにより被加工物に投影して加工するレーザー加工装置であって、2枚の投影レンズの焦点を一致させ、第一のレンズ(L1)の入射側からその焦点距離だけ離れた位置にマスク(5)を置き、第二のレンズ(L2)の出射側からその焦点距離だけ離れた位置に被加工物(7)を配置し、第一のレンズ(L1)と第二のレンズ(L2)の間にあるフーリエ変換面にマスク像の情報処理を行うフィルタ(6)を置くことで、マスク(5)を透過したレーザー光の第一のレンズ(L1)によるフーリエ変換及び第二のレンズ(L2)による逆フーリエ変換を用いたマスク像の被加工物への投影を行うようにしたフーリエ光学系を用い、かつ、レンズ材料と超短パルスレーザーのパワー密度の関係によってレーザー光が第一のレンズ(L1)及び第二のレンズ(L2)によりラマン変換されることによって発生したラマン光を検知するラマン検出センサ(20)を第二のレンズ(L2)と被加工物(7)の間に設けたことを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項2】レーザー駆動部(1)で発振させたレーザー光を増幅させる増幅部(2)とマスク(5)との間に減光フィルタ(3)を設けたことを特徴とする請求項1記載のレーザー加工装置。
【請求項3】マスク(5)としてコンピューター制御の空間光変調器を用いることを特徴とする請求項1記載のレーザー加工装置。
【請求項4】2枚の投影レンズをアクロマティックレンズとし、広スペクトル領域に対応したことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載のレーザー加工装置。
【請求項5】第二のレンズ(L2)と被加工物(7)の間の任意の位置にマスク像を一方向にのみ圧縮する円柱レンズを配置したことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載のレーザー加工装置。
【請求項6】請求項1乃至5のいずれかに記載のレーザー加工装置を用いて、フェムト秒(fs)からピコ秒(ps)(10-15~10-12秒)領域の超短パルスレーザー光によって、被加工物をアブレーション加工する方法において、レンズ材料と超短パルスレーザーのパワー密度の関係によってレーザー光が第一のレンズ(L1)及び第二のレンズ(L2)によりラマン変換されることによって発生したラマン光をラマン検出センサ(20)によって検知しレーザー光の進行方向又はスペクトルの変化を検出することでラマン変換によるエネルギーロスを検出し、該エネルギーロスを防ぐためにレーザーパワー及びパルス幅、第一のレンズ(L1)及び第二のレンズ(L2)の材質の選定を行って、被加工物(7)表面でのレーザーパワー密度(P/M2;Pはレーザーパワー、Mは第一のレンズ(L1)及び第二のレンズ(L2)の焦点距離をそれぞれF1、F2としたとき、F2/F1で表される像の倍率である)が、アブレーションしきい値(P3)を上回るようにすることを特徴とするレーザー加工方法。
【請求項7】減光フイルター(3)でレーザーパワー(P)を調節することを特徴とする請求項6記載のレーザー加工方法。
【請求項8】被加工物表面に結んだマスク像を観察することによってマスク、第一のレンズ、第二のレンズ及び被加工物位置を最適化することを特徴とする請求項6記載のレーザー加工方法。
【請求項9】被加工物表面によって反射されるレーザー光が再びマスクを正確に透過するようにマスク、第一のレンズ、第二のレンズ及び被加工物位置を調整することを特徴とする請求項6記載のレーザー加工方法。
【請求項10】前記空間光変調器によるマスクパターンの変化と、XYZθステージ(9)のXYZθ各軸による移動を組み合わせ、被加工物(7)の加工したい部分のみにレーザー光を照射して、被加工物に3次元のミクロンオーダーのマスクパターンをアブレーション加工することを特徴とする請求項6記載のレーザー加工方法。
【請求項11】第一のレンズ(L1)の焦点位置を減圧又はガスフローすることで、エアブレークダウンによるビーム質の劣化を抑えることを特徴とする請求項6記載のレーザー加工方法。
【請求項12】レーザー光源を超短パルスレーザー及びナノ秒レーザーとし、同時又はある時間差をもってアブレーション加工と熱加工、感光を併用することを特徴とする請求項6記載のレーザー加工方法。
【請求項13】被加工物が透明基板上にある薄膜材料であり、該透明基板側からレーザーを照射することで加工を行うことを特徴とする請求項6記載のレーザー加工方法。
産業区分
  • 加工
  • 光学装置
国際特許分類(IPC)
Fターム
出願権利状態 権利存続中
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