(57)【要約】【課題】  微細周期構造を用いた表面改質法において、トライボロジー特性や凝着力特性・膜密着・加飾性・生態親和性などの表面機能の向上と更なる用途拡大を図り得るための、周期構造の構造均一性と空間周期の均一性の改善。【解決手段】  レーザ照射の１ショットで１発目のパルスレーザの照射からアブレーションプロセスに基づく極短時間のパルス間隔で２発目のパルスレーザを含む複数のパルスレーザを順次照射し、蒸発粒子と２発目以降のパルスレーザを相互作用させ、蒸発粒子の微細化や蒸散速度の増加・材料表面に対する高温・高圧場の作用などの相互作用を利用して、構造均一性を向上させる。また、均一性の高い構造から生ずる表面散乱波と入射レーザの干渉現象とオーバーラップ走査により、周期構造の空間周期の均一性を向上させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体材料の表面をフェムト秒ないしはピコ秒パルスレーザで、当該パルスレーザのスポット径および発振周波数に応じて同一部分にパルスレーザが繰り返し照射されるように、照射される部分をオーバーラップさせながら走査して、固体材料表面に自己組織的に周期構造を作成する周期構造作成方法であって、
前記レーザ照射の１ショットで、１発目のパルスレーザと、この１発目パルスレーザの照射からアブレーションプロセスに基づいた極短時間のパルス間隔の２発目のパルスレーザとを含むパルスレーザを、順次に照射することを特徴とする周期構造作成方法。
【請求項２】
前記１ショット毎のフェムト秒ないしはピコ秒パルスレーザが、１発目と２発目のダブルパルスレーザであることを特徴とする請求項１に記載の周期構造作成方法。
【請求項３】
前記１ショットにおける複数のパルスレーザのエネルギ差を制御パラメーターとして、周期構造を変更することを特徴とする請求項１または２に記載の周期構造作成方法。
【請求項４】
前記１ショット毎の前記パルス間隔を制御パラメーターとして、周期構造を変更することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の周期構造作成方法。
【請求項５】
前記複数ショットにおける各ショット間の照射間隔を制御パラメーターとして、周期構造を変更することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の周期構造作成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は周期構造作成方法に関し、特に材料表面に一軸のレーザを照射して、微細な凹凸を周期的に形成する周期構造作成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、従来の機械と比較すると２桁以上小さい寸法の部品から構成されているマイクロマシンの研究が活発に行なわれている。重力等の慣性は寸法の３乗に比例するが、表面力は寸法の２乗に比例するため、マイクロマシンのような小さな部品の動作時には、重力の影響よりも、２物体間に作用する表面力の影響が顕在化してくる。特に、２物体間の界面間に大気中の水分が凝縮した水の表面張力（メニスカス力）に起因する引き離し力（凝着力）が、摩擦力に支配的な影響を与えることが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。また、この引き離し力は、表面の微細な凹凸により大きく低減できることが知られている（例えば、非特許文献２参照。）。
【０００３】
さらに、ナノスケールの凹凸は、摩耗の抑制や潤滑剤の保持機能による長寿命化に著しい効果があることも報告されており（例えば、非特許文献３参照）、表面にナノスケールの微細構造を形成する加工法の開発が望まれている。
【０００４】
一方、加工閾値近傍のフルエンスで直線偏光のレーザをポリマに照射すると、グレーティング状の微細周期構造が形成されることが知られている（例えば、非特許文献４，５，６参照）。また、金属や半導体にも同様の微細周期構造が形成でき、いずれも、波長オーダーの周期構造が自己組織的に形成される。また、照射角度により周期ピッチが変化することが報告されている（例えば、非特許文献７，８参照）。
【０００５】
【非特許文献１】安藤泰久，田中敏幸，伊能二郎，角田和雄：ナノメートルスケールの表面形状と摩擦力・引き離し力の関係，日本機械学会論文集（Ｃ編）,65,637(1990)306.
【非特許文献２】K.N.G.Fuller and D.Taber,:The effect of surface roughness on the adhesion of elastic solids,Proc.Roy.Soc.Lond.,A,345,(1975)327.
【非特許文献３】M.Maillat,S.M.Pimenov,G.A.Shafeev・and A.V.Simakin, Tribol Lett., 4,(1998),  237.
【非特許文献４】P.E.Dyer and R.J.Farley:Periodic surface structures in the excimer laser ablative etching polymers.,Appl.Phys.Lett.,57,8(1990)765.
【非特許文献５】H.hiraoka and M.Sendova:Laser-induced sub-half-micrometer periodic struture on polymer surfaces.,App.Phys.Lett.,64,5(1994)563.
【非特許文献６】M.Bolle and S.Lazare:Submicron periodic structures produced on polymersurfaces with polarized excimer laser ultraviolet radiation,Appl.Phys.Lett.,60,6(1992)674.
【非特許文献７】A.E.Siegman,P.M.Fauchet:Stimulated Wood's anomalies on laser-illuminated surfaces,IEEE J.Quantum Electron.,QE-20,8(1986)1384.
【非特許文献８】南志昌，豊田浩一：レーザー誘起表面電磁波による金属・半導体のリップル形成入射角依存性，レーザー研究,28,12(2000)824.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の前提技術として、上記パルスレーザによる周期構造の作成方法を図７を参照して説明する。
【０００７】
図７は、周期構造形成メカニズムの概略斜視図と、周期構造の作成過程のブロック図である。同図において、１ショット１パルスのパルスレーザ１を固体材料２の表面に照射すると、入射光のｐ偏光成分３と、表面散乱光のｐ偏光成分５との干渉が起こり定在波７が生じる。なお、４は入射光のｓ偏光成分、６は表面散乱光のｓ偏光成分である。入射光のフルエンスがレーザのしきい値近傍の場合、入射光のｐ偏光成分３と表面に沿った散乱光のｐ偏光成分５の干渉部分がアブレーションされる。一旦アブレーションが始まり表面粗さが増加すると、次の１ショットのレーザ照射時には表面散乱光の強度が増加し、さらにアブレーションが進むと共に、１波長λ離れた位置でも干渉が起こる。入射光が直線偏光の場合、レーザ照射を繰り返すと、それによって入射光の波長λ間隔で干渉が生じることにより、周期構造が自己組織的に作成される。
【０００８】
この周期構造の凹凸は、レーザ照射の繰り返しによって波長オーダーまで成長するが、それ以上パルスレーザを照射すると、凹凸が不明瞭になる。したがって、同位置に照射されるショット数を制御し、パルスレーザをオーバーラップさせながら走査させることで、周期構造を試料表面の広範囲に拡張することが可能になる。さらにフェムト秒ないしはピコ秒レーザを用いることで、熱影響による材料特性の劣化が現われやすい小型部品や、非常に薄い部品にも適用することが可能になる。
【０００９】
上述のようにパルスレーザで形成したサブミクロンオーダの周期間隔と凹凸高低差を持つ周期構造は、摺動部の摩擦損失の低減に寄与する。例えば、偏光角により周期方向を制御した周期構造を、超硬合金の静止試験片に設け、リングオンディスク試験で摩擦係数の変化を調べた結果、周期構造の形成によって摩擦係数が低減することや、周期方向の制御により、流体潤滑領域や負荷能力・摩擦係数などのトライボロジー特性を、用途に応じて調整できる（例えば、非特許文献９参照）。また、面圧の高い歯車やカムに見られる転がり−滑り接触においても、周期構造はミクロな潤滑膜生成を助長する効果があり、耐疲労強度の向上にも寄与することが実証されている（例えば、非特許文献１０参照）。
【００１０】
また、上述のようにパルスレーザで形成したサブミクロンオーダの周期間隔と凹凸高低差を持つ周期構造は、微小物体の引き離し力（凝着力）低減に寄与する。例えば、ハードディスクドライブヘッドやマイクロマシンのような微小部品では、メニスカス力に起因する凝着力が摩擦力に支配的な影響を与える。これに対し、表面に微細な凹凸を持つ周期構造の形成面は、この凝着力を低減させることができる（例えば、非特許文献１１参照）。
【００１１】
【非特許文献９】沢田博司，川原公介,森淳暢,二宮孝文,黒澤宏：フェムト秒レーザによる微細周期構造のしゅう動特性に及ぼす影響，精密工学会誌,70,1(2003)133.
【非特許文献１０】古野武史,森淳暢,多川則男,沢田博司：転がり−滑り接触面の耐疲労強度に及ぼす微細周期構造の影響，トライボロジー会議予稿集、東京2004-5(2004)119.
【非特許文献１１】沢田博司，川原公介,二宮孝文,黒澤宏,横谷篤至：フェムト秒レーザによる微細周期構造の特性，２００３年度精密工学会春季大会論文集,(2003)395.
【００１２】
このように、周期構造を付与する表面改質法は、固体材料の表面機能を大きく向上させることができる。さらに、周期構造の適用用途として、ＤＬＣ（Diamond  Like  Carbon）膜の密着性向上や回析分光能を利用した加飾、インプラントなどの医療材料の生態親和性の向上などが挙げられる。
【００１３】
周期構造の形成原理は表面散乱光と入射レーザの干渉が引き起こす定在波のエネルギ強度分布によるものであり、これが吸収状態に周期性を与え、材料の表層に微細な凹凸構造を形成する。一旦形成された凹凸構造は、次のレーザ照射の散乱起点となり、より強い表面散乱光を生むため、凹凸構造の高低差や周期性はさらに明確に形成されて行く。つまり、凹凸構造の形成過程は、レーザ照射回数に応じて指数関数的に増加する非線形過程となる。よって、この非線形過程を熱的過程に基づくナノ秒程度のレーザ光を用いて制御することは困難である。レーザパルスの時間内に起こる、表面性状の変化やレーザ誘起プラズマ・衝撃波などの様々な現象が表面散乱光を乱すため、その形成条件範囲は非常に狭い。
【００１４】
一方、レーザ光にフェムト秒ないしはピコ秒レーザを用いる場合は、上記のアブレーションプロセスに基づく表面散乱光の乱れを低減できる。このため、ナノ秒程度のレーザを用いる場合より周期構造の形成条件範囲が広がり、周期構造の均一性も向上する。しかし、微視的に見れば個々の凹凸構造の形状や高低差の均一性（以下、構造均一性と称する）は必ずしも高くない。その要因には、材料表面に堆積するデブリや付着異物などによる表面散乱光の乱れが挙げられる。表面散乱光の乱れによって構造均一性が悪化し、散乱起点が不均一になれば、空間周期の均一性（個々の凹凸構造の周期と位相の均一性）も悪化する。これにより、凹凸構造の連なりが指紋のように途切れ途切れの不規則な曲線状となることや、凹凸構造が不均一となることが避けられない。
【００１５】
周期構造を用いる表面改質法のうち、トライボロジー特性などの流体が介在する用途では、凹凸構造の連なりの途切れや凹凸構造周期の不均一性は、潤滑剤の流量低下や摩耗粉の噛みの原因となる。また、トライボロジー特性の凝着力制御を含め多くの用途において、凹凸構造の均一性は表面特性の均一性につながるため、より一層の構造均一性が望ましい。
【００１６】
本発明の目的とするところは、パルスレーザ照射による微細周期構造を用いた表面改質法において、トライボロジー特性や凝着力特性・膜密着性・加飾性・生態親和性などの表面機能の更なる向上と、更なる用途拡大を図り得る、構造均一性と空間周期の均一性に優れた周期構造の作成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明方法は、固体材料の表面をフェムト秒ないしはピコ秒パルスレーザで、当該パルスレーザのスポット径および発振周波数に応じて同一部分にパルスレーザが繰り返し照射されるように、照射される部分をオーバーラップさせながら走査して、固体材料表面に自己組織的に周期構造を作成する周期構造作成方法であって、レーザ照射の１ショットで、１発目のパルスレーザと、この１発目パルスレーザの照射からアブレーションプロセスに基づいた極短時間のパルス間隔で２発目のパルスレーザとを含むパルスレーザを、順次に照射することにより、上記目的を達成するものである。
【００１８】
フェムト秒ないしはピコ秒パルスレーザのアブレーションプロセスにおいて、光励起された電子が格子系にエネルギを放出し、材料の蒸散が生じ始める時間は、レーザ照射完了後の数ピコ秒から数十ピコ秒以降と報告されている（例えば、非特許文献１２、１３参照）。また、フェムト秒レーザのアプリケーションプロセスを例に挙げれば、１発目のパルスレーザ（以下、必要に応じて第１パルスと称する）で蒸散が生じ始める過渡的な状態に、再度２発目のパルスレーザ（以下、必要に応じて第２パルスと称する）を照射すれば、穴開け加工を行う際の輪郭エッジの盛り上がりを大幅に低減でき、穴の底面の平滑性が大幅に向上することがわかっている（例えば、非特許文献１４、１５参照）。
【００１９】
【非特許文献１２】大村悦二，福本一郎,宮本勇：レーザアブレーションにおける蒸発粒子の飛散，精密工学会誌,67,11(2001)1884.
【非特許文献１３】Tae Y.Choi and Costas P. Grigoropoulosa:Plasma and ablation dynamics in ultrafast laserprocessing of crystalline silicon,Appl.Phys.92,9(2002)4918.
【非特許文献１４】沢田博司，二宮孝文,川原公介,黒澤宏、横谷篤至：フェムト秒レーザアブレーションにおけるレーザ発振条件の加工特性に及ぼす影響，精密工学会誌,69,1(2002)84.
【非特許文献１５】二宮孝文,沢田博司，川原公介,黒木泰宣，松尾直之,横谷篤至, 黒澤宏：ダブルパルスを用いたフェムト秒レーザによるＳｉの加工，レーザー学会第303回研究会報告(2002)1.
【００２０】
上記の輪郭エッジの盛り上がりが低減する効果は、ある一定の遅延時間を設けて第２パルスを照射することで安定して起こり、そのパルス間隔は、アブレーションプロセスにおいて材料表層の蒸散が生じ始める時間とおおむね一致する。よって、この現象は、蒸散過程にある蒸発粒子と第２パルスの相互作用により、蒸発粒子の微細化や蒸散速度の増加などが起こり、加工穴周辺への蒸発粒子の再付着を抑制する効果が現れるためと考えられる。また、表面平滑性についても、材料表層の極近傍に位置する蒸発粒子が第２パルスで再加熱され、材料表面に高温・高圧場が作用するためと考えられる。
【００２１】
何れの現象も、その効果が最も顕著となる第１パルスと第２パルスのパルス間隔は、数十ピコ秒程度である。そして、同パルス遅延時間で、当該パルスレーザのスポット径および発振周波数に応じて同一部分での照射回数が複数ショットになるようにして照射される部分をオーバーラップさせながら走査すれば、１ショット１発だけのシングルパルスで形成する周期構造に比べて、構造均一性と空間周期の均一性を大幅に向上させることができる。
【００２２】
また、本発明においては、１ショットの複数のパルスレーザの照射エネルギを相違させて、そのエネルギ差を制御パラメーターとして、周期構造を変更させることができる。更には、１ショット毎のパルス間隔や、複数ショットにおける各ショット間の照射間隔を制御パラメーターとして、周期構造を変更することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の手法を用いて形成した周期構造は、空間周期の均一性（個々の凹凸構造の周期と位相の均一性）が、１ショット１発だけのシングルパルスで形成する周期構造に比べて向上し、直線性の高い凹凸構造が一定周期で連なる途切れのない周期構造となる。また、微視的に見ても個々の凹凸構造の形状や高低差の均一性を改善できる。そして、この改善により、トライボロジー特性や凝着力特性・膜密着性・加飾性・生態親和性などの表面機能の更なる向上が期待できる。また、上記の構造均一性と空間周期の均一性に優れた周期構造により、表面改質法としての更なる用途拡大が望める。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２５】
フェムト秒パルスレーザで１ショット２発のダブルパルスのパルス間隔や照射エネルギ差、照射間隔などの制御パラメータによって、周期構造の空間周期の均一性や表面状態を制御する例で説明する。
【００２６】
図１は周期構造作成装置の模式図を示す。フェムト秒レーザ(パルス幅:τ=120fs、中心波長:λ=800nm、繰返し周波数1kHz)は、チャープパルス増幅器を有するチタンサファイアレーザシステムのレーザ発生装置３１を使用した。Ｘ−Ｙ−θステージ３５上の試料である固体材料２は、鏡面研磨した厚さ１mmの平板の鋼である。１ショット２発のパルスレーザＰ１とパルスレーザＰ２は、２光路分岐後の第１光路Ｌ１と第２光路Ｌ２の内の第２光路Ｌ２に設けた光学遅延回路４１で、パルス間隔Δτを0〜200ps間にし、それぞれの照射エネルギＥ１、Ｅ２をエネルギ調整手段、例えば偏光ビームスプリッタ３３、４３で個別に設定可能とする。各パルスレーザＰ１、Ｐ２は平凸ｆ２００ｍｍレンズ３４を用いて焦点距離近傍で試料表面に集光した。
【００２７】
上記の加工条件にて、レーザ集光点を一定の照射間隔ｐで一方向に走査させ、試料表面に周期構造を形成し、加工条件と形成された周期構造の関係を調べた。なお、形状観察には、共焦点顕微鏡とSEMを使用した。
【００２８】
１ショット２発のダブルパルスＰ１，Ｐ２のパルス間隔がΔτ=500fs〜150psのとき、周期構造の形状は大幅に変化した。この様子を図２に示す。照射エネルギはE1=E2=10μJ/pulse、照射間隔はp=10μmである。なお、シングルパルスE=20μJ/pulse、p=10μmで加工した場合の表面状態は、図４のような表面状態と大差なく集光点の大部分は表層が溶融飛散した粗い表面状態となり、周期構造は中央部に離散的にしか形成されなかった。また、Δτ=200fs〜1psの場合も、周期構造の高低差が若干大きくなることを除けば、表面状態の傾向は大きく変わらなかった。この様子を図３(a)に示す。つまり、Δτ≦1psの場合は、ダブルパルスの合算エネルギをシングルパルス照射した場合と同等であった。
【００２９】
形成される周期構造の形状は、Δτ=10psから凹凸高低差が増加し始め、同時に、構造の直線性と連なりの連続性も向上していった。そして、Δτ=50〜100psのとき、直線的な構造が均一間隔で連なる、空間均一性の高い周期構造が形成された。この様子を図３(b)に示す。しかし、その後、Δτ≧150psから、周期構造の均一性は悪化に転じていった。
【００３０】
照射エネルギ差と、Δτ=50psのパルス間隔の両条件を設けたダブルパルスの加工例を示す。図５は、E1=6μJ/pulse、E2=3μJ/pulse、p=10μmの場合の、典型的な周期構造である。照射エネルギ差を設けても、空間的周期性は高い均一性が維持されていた。そのうえ、凸部の先端だけが平らな形状に変化し、その表面も極めて平滑であった。さらに、加工条件を最適化すれば、より良質の周期構造を形成できた。図６は、E1=4μJ/pulse、E2=3μJ/pulse、Δτ=50ps、p=5μmで形成した周期構造である。この場合、空間的周期の均一性や構造の直線性を維持したまま、表面平滑性も兼ね備えた周期構造を広範囲に形成することができた。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明方法を実施する周期構造作成装置の概要を示すブロック図である。
【図２】本発明の周期構造作成方法を説明するための各種のパルス間隔Δτにおける周期構造の平面図である。
【図３】本発明の周期構造作成方法を説明するための周期構造の平面図である。
【図４】本発明の周期構造作成方法を説明するための他の周期構造の平面図である。
【図５】本発明の周期構造作成方法を説明するための他の周期構造の平面図である。
【図６】本発明の周期構造作成方法を説明するための他の周期構造の平面図である。
【図７】本発明の周期構造作成方法の前提となる周期構造作成方法を説明するための概略斜視図である。
【符号の説明】
【００３２】
２    固体材料
３１    レーザ発生装置
３３    エネルギ調整手段、ビームスプリッタ
４３    エネルギ調整手段、ビームスプリッタ
４１    光学遅延回路
Ｐ１    １発目のパルスレーザ、第１パルス
Ｐ２    ２発目のパルスレーザ、第２パルス
Ｌ１    第１光路
Ｌ２    第２光路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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