(57)【要約】【課題】超短パルスレーザを用いた加工速度の大きな微細加工方法を提供すること。【解決手段】固体材料表面を粗面にする粗面ステップと、波長λの超短パルスレーザを低フルーエンスで該固体材料表面に照射して、前記固体材料表面に周期性微細構造を形成するステップと、を有することを特徴とする微細加工方法。固体材料表面を粗面にして波長λの超短パルスレーザを低フルーエンスで照射するという簡便な方法により、照射するレーザの波長λ程度あるいは波長λより小さいサイズの周期性微細構造を高速に加工することができるとともに、粗面が方向性スリ傷の場合、周期性微細構造をスリ傷の方向で制御することができる。【選択図】図１
2006007284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体材料表面を粗面にする粗面ステップと、
波長λの超短パルスレーザを低フルーエンスで該固体材料表面に照射して、前記固体材料表面に周期性微細構造を形成するするステップと、を有することを特徴とする微細加工方法。
【請求項２】
前記粗面ステップは前記固体材料表面に方向性スリ傷を形成することを特徴とする請求項１に記載の微細加工方法。
【請求項３】
前記粗面ステップで粗面にされた前記固体材料表面の粗さがλ／３０〜１０λであることを特徴とする請求項１又は２に記載の微細加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超短パルスレーザを用いた微細加工方法に関するものである。詳しくは、所定波長の超短パルスレーザを低フルーエンスで固体材料表面に照射することで、固体材料表面に周期性微細構造を形成する微細加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
これまで、所定波長の超短パルスレーザを低フルーエンスで固体材料表面に照射することで、材料表面のレーザ照射領域にその所定波長より小さいサイズの微細構造を形成する微細加工方法が知られていた（例えば、特許文献1参照）。
【０００３】
ここで、「フルーエンス（ｆｌｕｅｎｃｅ）」とは、レーザの１パルス当たりのエネルギＥ（Ｊ）を照射断面積Ｓ（ｃｍ2）で割ったエネルギ密度Ｅ／Ｓ（Ｊ／ｃｍ2）である。「低フルーエンス」とは、材料表面が蒸散する現象（アブレーション）が生じるエネルギ密度の最小値（アブレーション閾値）近傍のフルーエンスのことである。アブレーション閾値及び低フルーエンスの範囲では材料表面に熱影響がほとんどない。このアブレーション閾値及び低フルーエンスの範囲は、材料によって異なる。低フルーエンスの範囲は、主にその材料の融点の違いにより異なり、通常アブレーション閾値の５倍程度を上限とする範囲で、材料によっては１０倍程度の範囲まで熱影響がほとんど生じない場合もある。
【０００４】
材料表面の所定の範囲を微細加工するためには、低フルーエンスのレーザ照射断面積でその所定の範囲を走査しなければならない。しかしながら、この従来の微細加工方法では、材料毎に低フルーエンスになるように１パルス当たりのレーザエネルギと照射断面積を調節してレーザを照射する必要があるため、レーザ照射の走査速度すなわち微細加工速度を上げることができなかった。従来の微細加工方法は、加工速度を上げることができない、つまり加工速度が遅いという問題を有していた。加工速度が遅いということは、量産品に適用できないという致命的な問題である。
【特許文献１】特開２００３−２１１４００公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、これまでの超短パルスレーザを用いた微細加工方法では、加工速度が遅いという問題を有していた。
【０００６】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、加工速度を上げることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
課題を解決するためになされた請求項1に係る発明は、微細加工方法であって、固体材料表面を粗面にする粗面ステップと、波長λの超短パルスレーザを低フルーエンスで該固体材料表面に照射して、前記固体材料表面に周期性微細構造を形成するするステップと、を有することを特徴としている。
【０００８】
固体材料表面が粗面であるためレーザ照射の走査速度を上げても微細加工することができる。
【０００９】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載する微細加工方法であって、前記粗面ステップは前記固体材料表面に方向性スリ傷を形成することを特徴としている。
【００１０】
方向性スリ傷と直交する方向に周期性微細構造ができるので、スリ傷の方向で周期性微細構造の方向を制御することができる。
【００１１】
また、請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載する微細加工方法であって、前記粗面ステップで粗面にされた前記固体材料表面の粗さがλ／３０〜１０λであることを特徴としている。
【００１２】
粗さ、すなわち傷の深さがλ／３０以下になると、固体材料表面が鏡面として作用し、加工速度を上げることができない。また、１０λ以上になると、粗面での回折効率が低下して加工速度を上げることができない。
【００１３】
本発明に係る微細加工方法によれば、固体材料表面を粗面にして波長λの超短パルスレーザを低フルーエンスで照射するという簡便な方法により、照射するレーザの波長λ程度あるいは波長λより小さいサイズの周期性微細構造を高速に加工することができるとともに、粗面が方向性スリ傷の場合、周期性微細構造をスリ傷の方向で制御することができる。
【００１４】
粗面の方が粗面でない場合より高速に加工できるメカニズム及びスリ傷と直交する方向に周期性微細構造ができるメカニズムは明確になってない。現時点では、粗面の方が粗面でない場合より、粗面のランダムな傷でレーザが回折され、表面電磁波とレーザの干渉が起こりやすくなるものと考えられる。また、方向性スリ傷の場合は、スリ傷と直交する方向にレーザが回折されるので、その回折光と表面電磁波の干渉で微細構造が形成されるものと考えられる。ここで、微細構造とは、波長λ程度あるいは前記波長λより小さいサイズであることを意味する。さらに、波長λ程度あるいは前記波長λより小さいとは、例えば、波長λの１．２倍以下であることを示す。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る微細加工方法によれば、固体材料表面を粗面にして波長λの超短パルスレーザを低フルーエンスで照射するという簡便な方法により、照射するレーザの波長λ程度あるいは波長λより小さいサイズの周期性微細構造を高速に加工することができるとともに、粗面が方向性スリ傷の場合、周期性微細構造をスリ傷の方向で制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。図１は、超短パルスレーザを用いた微細加工装置の概略構成図である。微細加工装置は、レーザＬを発生するレーザ発生器１と、レーザＬを集光する集光レンズ２と、集光レンズ２で集光されたレーザがＺ軸方向から照射される固体材料３が載置される載置台７と、載置台７をＸ軸方向に移動させるためのＸ軸ステージ４１と、載置台７をＸ軸方向に直交するＹ軸方向に移動させるためのＹ軸ステージ４２と、載置台７をＸ軸及びＹ軸方向に直交するＺ軸方向に移動させるためのＺ軸ステージ４３と、レーザ発生器１からの出力やパルス幅及び三つのステージ４１、４２、４３の移動を制御する制御部５とを備える。さらに、微細加工装置は、レーザ発生器１から発生される無偏光のレーザを直線偏光に変換する偏光板６を例えば集光レンズ２の前に備えるようにしてもよい。
【００１７】
レーザ発生器１としては、例えば、アイシン精機製フェムトライト（ＦＣＰＡ−Ｂ−２５０）を用いることができる。このフェムトライトは、波長λが１．５６μｍ、パルス幅が１ｐｓ、繰り返し周波数が１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの無偏光の超短パルスレーザを発生する。
【００１８】
偏光板６としては、例えばウォラストンプリズムを用いることができる。偏光板６を回転させることで、直線偏光の方向を任意に設定することができる。
【００１９】
集光レンズ２としては、例えば焦点距離が１００ｍｍの平凸レンズを用いることができる。
【００２０】
固体材料３は、金属、非金属、無機、有機を問わない。その表面が鏡面、すなわち表面の凹凸が例えばλ／３０以下の場合は、所定の粒度の研磨剤が配合されたコンパウンドやサウンドペーパなどで粗面にされる。粗面の粗さ、すなわち傷の深さはλ／３０〜１０λの範囲が好ましい。この範囲の粗さの場合は加工速度が増大する。コンパウンドやサウンドペーパなどで粗面にする場合、凹凸をランダムに形成するより方向性をもたせるようにすることもできる。例えば、コンパウンドで粗面にする場合、コンパウンドを布に付けて固体材料表面を一定方向に擦ることで方向性のスリ傷を形成することができる。方向性のスリ傷を有する固体材料表面にレーザを照射することでスリ傷の方向と直交する方向に周期性微細構造を高速で形成することができる。偏光板６を光路中に図１の点線のように挿入してレーザを直線偏光にすると共に、偏光板６を回転させて直線偏光の方向を固体材料表面３の方向性スリ傷の方向と一致するようにすることで、周期性微細構造を形成する速度をさらに上げることができる。
【００２１】
Ｚ軸方向は固体材料３の表面と直交する方向なので、固体材料３にレーザＬを集光照射する集光レンズ２の焦点深度の方向となる。よって、Ｚ軸ステージ４３をＺ軸方向に移動させることにより固体材料３の表面にレーザＬの集光スポット径（照射断面積）を任意に設定することができる。
【００２２】
集光スポットのＸ（Ｙ）軸方向の走査は、固体材料３をＸ（Ｙ）軸ステージ４１（４２）によってＸ（Ｙ）軸方向に移動させることにより行われる。
【００２３】
固体材料に応じて照射断面積でのエネルギ密度が低フルーエンスになるように、レーザ発生器１からのパルスエネルギを制御部５で制御すると共に、Ｚ軸ステージ４３を制御部５で制御して固体材料３の表面での集光スポット径を調節する。
【実施例１】
【００２４】
図１の微細加工装置を用いて、磨きステンレス板表面に微細加工を行った。磨きステンレス板の表面を＃５０００のダイアモンドコンパウンドを付けた布で擦り、方向性のないランダムな傷をつけた。傷の幅は約０．４〜０．７μｍ、傷の深さは０．１μｍ以下であった。深さが０．１μｍ以下の傷を付けたステンレス板に対して図１の微細加工装置を用いて波長λが１．５６μｍ、パルス幅が１ｐｓ、繰返し周波数が１００KＨｚのレーザを偏光させないでフルーエンス５J／ｃｍ2で照射した。すなわち、図１で焦点距離が１００ｍｍの集光レンズ２とステンレス板３の表面との距離をZ軸ステージ４３で調節して表面での集光スポット径を約７μｍにし、レーザ発生器１からのレーザパルスエネルギを２μJに調節してX軸ステージ４１でステンレス板３をX軸方向に移動させながら照射した。
【００２５】
移動速度すなわちレーザ集光スポットの走査速度を徐々に上げてどこまでの走査速度まで周期性微細構造が形成されるかを調べた結果、走査速度が５０μｍ／ｓまで微細加工できることがわかった。
【００２６】
図２は、走査速度５０μｍ／ｓで微細加工されたステンレス板表面の走査電子顕微鏡（SEM)写真である。これから粒状の突起物が多数形成されていることがわかる。個々の突起部は粒径が３００〜４００ｎｍでほぼ円形状をしていた。
【実施例２】
【００２７】
実施例１において、磨きステンレス板の表面を＃５００のダイアモンドコンパウンドを付けた布で擦り、方向性のないランダムな傷をつけた。傷の深さは１μｍ前後であった。深さが１μｍ前後の傷を付けたステンレス板に対して実施例１と同様に、図１の微細加工装置を用いて波長λが１．５６μｍ、パルス幅が１ｐｓ、繰返し周波数が１００KＨｚのレーザを偏光させないでフルーエンス５J／ｃｍ2で照射した。その結果、走査速度が４５μｍ／ｓまで微細加工できた。
【実施例３】
【００２８】
実施例１において、磨きステンレス板の表面を＃５０００のダイアモンドコンパウンドを付けた布で一方向に擦り、方向性スリ傷をつけた以外は同一条件で微細加工を行った。傷の幅は約０．４〜０．７μｍ、傷の深さは０．１μｍ以下であった。その結果、走査速度が５５μｍ／ｓまで微細加工できた。
【００２９】
図３が方向性スリ傷をつけた後のステンレス板のSEM写真で、図４は走査速度５５μｍ／ｓで微細加工されたステンレス板表面（図３と同じ位置関係）のSEM写真である。図３と図４を比較すると、スリ傷と直交する方向に沿って細長い突起部が多数形成されていることがわかる。個々の突起部の幅は、２００〜３００ｎｍであった。
【実施例４】
【００３０】
実施例３において、レーザを直線偏光させ、直線偏光の方向をスリ傷の方向に一致させた以外は同一条件で微細加工を行った結果、走査速度が６０μｍ／ｓまで微細加工できた。
【００３１】
［比較例１］
実施例４において、スリ傷をつけない磨きステンレス板を用いた以外は同一条件で微細加工を行った結果、走査速度が４０μｍ／ｓまでしか微細加工ができなかった。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明を実施するための最良の形態の微細加工装置の概略構成図である。
【図２】実施例１で微細加工されたステンレス板表面のSEM写真である。
【図３】実施例２で方向性スリ傷をつけたステンレス板表面のSEM写真である。
【図４】実施例２で微細加工されたステンレス板表面のSEM写真である。
【符号の説明】
【００３３】
１・・・・・・・・レーザ発生器
２・・・・・・・・集光レンズ
３・・・・・・・・固体材料
５・・・・・・・・制御部
６・・・・・・・・偏光板
７・・・・・・・・載置台
４１・・・・・・・X軸ステージ
４２・・・・・・・Y軸ステージ
４３・・・・・・・Z軸ステージ
【図１】
2006007284.tif 000003
【図２】
2006007284.tif 000004
【図３】
2006007284.tif 000005
【図４】
2006007284.tif 000006