(57)【要約】【課題】高い加工スループットを確保しつつ、レーザ照射により微細構造を形成することができるレーザ加工装置、レーザ加工方法およびデバイスを提供する。【解決手段】本実施形態に係るレーザ加工装置１は、直線偏光のパルスレーザビームＬを出射する光源２と、光源２から出射されたパルスレーザビームＬを複数本のビームＬＢに分岐するビーム分岐素子６と、分岐ビームＬＢの配列方向に沿って、分岐ビームＬＢが照射されるべき被加工体１０を相対的に移動させるステージ８と、を有する。【選択図】図１
2008000800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線偏光のパルスレーザビームを出射する光源と、
前記光源から出射されたパルスレーザビームを複数本のビームに分岐するビーム分岐素子と、
前記分岐ビームの配列方向に沿って、前記分岐ビームが照射される被加工体を相対的に移動させる移動手段と、
を有するレーザ加工装置。
【請求項２】
前記パルスレーザビームの偏光方位を調節する偏光方位調節素子をさらに有する、
請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記偏光方位調節素子は、前記被加工体の相対的な移動方向に対して前記パルスレーザビームの前記偏光方位が平行にまたは直交になるように、前記偏光方位を調節する、
請求項２記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記パルスレーザビームの断面形状を矩形に成形するビーム成形素子をさらに有する、
請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
直線偏光のパルスレーザビームを出射するステップと、
出射された前記パルスレーザビームを複数本のビームに分岐するステップと、
前記分岐ビームの配列方向に沿って被加工体を相対的に移動させて、前記被加工体に前記分岐ビームを複数回重ねて照射するステップと、
を有するレーザ加工方法。
【請求項６】
請求項５に記載のレーザ加工方法によって微細構造が形成された、
デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細構造を様々な被加工体の表面に形成するレーザ加工装置およびレーザ加工方法、並びに当該レーザ加工方法を用いて形成されたデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
超短パルスレーザを被加工体へ照射すると、その表面に微細なストライプ状の凹凸構造（微細構造）が形成されることが知られており（非特許文献１参照）、この微細構造の様々な応用が検討されている（非特許文献２参照）。しかし、その形成メカニズムには不明な点も多く、工業用途へ実用化されるに至っていない。
【０００３】
最近になり、微細構造を形成するには、パルスを一発照射するだけでは足りず、少なくとも２発以上のパルスを同じ場所へ照射する必要があることが報告されている（非特許文献３参照）。
【非特許文献１】安丸尚樹他、「フェムト秒レーザーによる硬質薄膜表面のナノ構造形成と制御」、レーザ研究、第３３巻、第８号、p.519-524
【非特許文献２】沢田博司、「フェムト秒レーザーにより形成した周期構造の応用」、レーザ研究、第３３巻、第８号、p.525-529
【非特許文献３】飛鳥慶太他、第５３回応用物理学会関係連合講演会  講演予稿集、2006, p.1209, 25p-L-14
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このため、広い領域において微細構造を形成するためには、被加工体を停止させた状態においてレーザパルスを２発以上照射した後に、被加工体を移動させる、という動作を繰り返す必要があり、実用性を拒む要因となっていた。
【０００５】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い加工スループットを確保しつつ、レーザ照射により微細構造を形成することができるレーザ加工装置、レーザ加工方法およびデバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するため、本発明のレーザ加工装置は、直線偏光のパルスレーザビームを出射する光源と、前記光源から出射されたパルスレーザビームを複数本のビームに分岐するビーム分岐素子と、前記分岐ビームの配列方向に沿って、前記分岐ビームが照射される被加工体を相対的に移動させる移動手段と、を有する。
【０００７】
上記の本発明では、光源から出射された直線偏光のパルスレーザビームは、ビーム分岐素子により複数本のビームに分岐され、この分岐ビームが被加工体に照射される。分岐ビームの配列方向に沿って被加工体を相対的に移動させつつ、複数本の分岐ビームを照射することにより、被加工体の同一位置に分岐ビームが複数回照射され、被加工体の表面に微細構造が形成される。微細構造は直線偏光のパルスレーザビームが複数回照射されることにより形成され、その材料に限定はない。
以上のように、１本のパルスレーザビームから複数本の分岐ビームを生成し、この分岐ビームを被加工体に照射させることにより、被加工体を相対的に移動させながら露光できるため、簡易な装置構成かつ加工スループットの高いレーザ加工装置を実現することができる。
【０００８】
前記パルスレーザビームの偏光方位を調節する偏光方位調節素子をさらに有する。偏光方向に平行または直交する溝を備えた微細構造が形成されることから、偏光方位を調整することにより、微細構造の溝の向きを制御することができる。
【０００９】
前記偏光方位調節素子は、前記被加工体の相対的な移動方向に対して前記パルスレーザビームの前記偏光方位が平行にまたは直交になるように、前記偏光方位を調節する。これにより、相対的な移動方向に平行な溝を備えた微細構造を形成できることから、微細構造同士を移動方向に接続することができ、より長い微細構造を得ることができる。
【００１０】
前記パルスレーザビームの断面形状を矩形に成形するビーム成形素子をさらに有する。これにより、微細構造が形成される加工領域が矩形となるため、加工領域同士の接続性を向上させることができ、より広い微細構造を得ることができる。
【００１１】
上記の目的を達成するため、本発明のレーザ加工方法は、直線偏光のパルスレーザビームを出射するステップと、出射された前記パルスレーザビームを複数本のビームに分岐するステップと、前記分岐ビームの配列方向に沿って被加工体を相対的に移動させて、前記被加工体に前記分岐ビームを複数回重ねて照射するステップと、を有する。
【００１２】
本実施形態に係るレーザ加工方法では、分岐ビームの配列方向に沿って被加工体を移動させつつ、複数本の分岐ビームを被加工体へ照射することにより、被加工体の同一に分岐ビームを複数回重ねて照射することができる。被加工体を移動させながら処理できるため、高い加工スループットで微細構造を形成することができる。
【００１３】
上記の目的を達成するため、本発明のデバイスは、上記のレーザ加工方法によって微細構造が形成されたものである。上記のレーザ加工方法を用いることにより、コストを低減しつつ、微細構造をもつデバイスを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（第１実施形態）
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置の概略断面図である。
【００１５】
本実施形態に係るレーザ加工装置１は、レーザ光源２と、ミラー３と、偏光方位調節素子４と、ビーム分岐素子６と、被加工体１０を搭載するステージ８と、装置全体の動作を制御する制御部９とを有する。
【００１６】
レーザ光源２は、超短パルスレーザビームＬを出射する。パルスレーザビームＬの偏光は、直線偏光である。パルスレーザビームＬの照射強度は、被加工物の加工閾値よりも少し高い程度に設定される。超短パルスレーザビームは、例えば、パルス幅１０ｆｓ（フェムト秒）以上１０ｐｓ（ピコ秒）以下であり、波長８００ｎｍ、直径（スポット径）１０μｍ〜１００μｍである。
【００１７】
ミラー３は、レーザ光源２から出射された直線偏光のパルスレーザビームＬを被加工体１０へ向けて反射する。
【００１８】
偏光方位調節素子４は、ミラー３から反射されたパルスレーザビームＬの偏光方位を調節する。偏光方位調節素子４は、例えば、回転可能な１／２波長板からなる。入射光の偏光方位に対して１／２波長板の光学軸が角度θであるとき、出射光は１８０°−２θだけ回転する。１／２波長板を角度αだけ回転させると、出射光の偏光方位を２αだけ回転させることができる。このように入射ビームの偏光方位に対する１／２波長板の光学軸の角度を調節することにより、出射ビームの偏光方位を調節できる。
【００１９】
ビーム分岐素子６は、偏光方位が調節されたパルスレーザビームＬを入射して、複数本の分岐ビームＬＢに分岐する。ビーム分岐素子６として、例えば回折光学素子を用いる。
【００２０】
図２（ａ）は、ビーム分岐素子６として回折光学素子の一例を示す要部斜視図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す回折光学素子の光学特性を示す図である。ただし、図示の構造は例示であり、回折光学素子の構造に限定はない。
【００２１】
図２（ａ）に示す回折光学素子は、ブレーズ型回折光学素子である。ブレーズ型回折光学素子とは、溝の形状を三角形状にして、特定の次数の光の回折効率を上げた回折格子である。フォトリソグラフィ等の手段により石英基板上に周期的な溝構造を形成することにより、ブレーズ型回折光学素子が形成される。
【００２２】
ブレーズ型回折光学素子にレーザビームをほぼ垂直に入射させた場合、等しい強度の２本の回折ビームを発生させるように、回折光学素子の構造、形状および深さが設計されている。図２（ｂ）に示すように、図２（ａ）に示すブレーズ型回折光学素子では、等しい強度の０次光と１次光の回折ビームを発生させることができる。
【００２３】
ステージ８は、被加工体１０を移動可能に構成されている。ステージ８は、例えば、分岐ビームＬＢの分岐方向（分岐ビームの配列方向）に沿って、被加工体１０を移動させる。これにより、複数本の分岐ビームＬＢが被加工体１０に重ねて照射される。ステージ８は、本発明の移動手段の一実施例である。移動手段は、被加工体１０と分岐ビームＬＢとの相対位置を移動させるものであればよく、分岐ビームＬＢを出射する光学系を移動させてもよいし、双方を移動させてもよい。
【００２４】
制御部９は、レーザ光源２、偏光方位調節素子４、ステージ８に駆動信号を出力し、装置全体の動作を制御する。これにより、例えばレーザ光源２から出射されるパルスレーザビームＬのパルス繰り返し数、偏光方位調節素子４によるパルスレーザビームＬの偏光方位Ｄ、ステージ８の移動方向および移動速度が制御される。
【００２５】
被加工体１０は、例えば、ガラス基板上に形成された金属薄膜である。金属薄膜の厚さは、例えば１００ｎｍ以下である。金属として、例えばＦｅ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ａｇを用いる。なお、レーザにより加工できる被加工体１０の材料に限定はなく、ＢａＦ２等の誘電体、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＳｉＣ−ＴｉＣ−ＴｉＢ２等のセラミックス焼結体、ポリスチレンやポリイミド等の有機膜、ガラスを用いてもよい。
【００２６】
上記のレーザ加工装置１では、レーザ光源２から出射されたパルスレーザビームＬは、ミラー３により反射され、偏光方位調節素子４により偏光方位が調節された後に、ビーム分岐素子６により分岐した複数本の分岐ビームＬＢが被加工体１０へ照射される。
【００２７】
被加工体１０の同一箇所に、２本以上の分岐ビームＬＢが照射されると、分岐ビームＬＢの照射スポット内における被加工体１０の表面に、図３に示すような微細構造１１（ストライプ状の凹凸構造）が形成される。
【００２８】
微細構造１１と分岐ビームＬＢの偏光方位Ｄとの関係について、図４を参照して説明する。微細構造１１の溝の方向は、図４（ａ）に示すように偏光方位Ｄと平行であるか、図４（ｂ）に示すように偏光方位Ｄと直交のどちらかである。どちらの場合が生じるかは、微細構造１１の材料とレーザ照射強度から決まる。
【００２９】
このため、図４（ａ）に示すように、偏光方位Ｄと平行に溝が形成される場合には、ステージの移動方向に対して、パルスレーザビームＬの偏光方位Ｄが平行になるように、偏光方位調節素子４により偏光方位Ｄを調節する。
【００３０】
または、図４（ｂ）に示すように、偏光方位Ｄに直交して溝が形成される場合には、ステージの移動方向に対して、パルスレーザビームＬの偏光方位Ｄが直交するように、偏光方位調節素子４により偏光方位Ｄを調節する。
【００３１】
次に、上記の本実施形態に係るレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法について、図５（ａ）を参照して説明する。本実施形態に係るレーザ加工方法は、被加工体１０を移動させながら分岐ビームＬＢを照射する点に特徴がある。
【００３２】
本実施形態では、１本のパルスレーザビームＬから生じたＮ本の分岐ビームＬＢの分岐方向〔配列方向）に沿って被加工体１０を移動させる。これにより、被加工体１０上の１点（ただし、加工開始点からＮ番目以降）は、Ｎ発のパルスで照射されることになる。その場合、被加工物を下記式（１）に示す速さｖで移動させる。
【００３３】
［数１］
ｖ＝ｗ・ｆ ・・・・（１）
【００３４】
ただし、ｗは被加工体１０に形成される加工領域の直径（分岐ビームＬＢの照射スポット径に相当）、ｆはパルスの繰り返し周波数である。例えば、ｗ＝１００μｍ、ｆ＝１ＫＨｚとすると、ｖ＝１００ｍｍ／秒となる。
【００３５】
式（１）で定められた速さで被加工体１０を移動させながら、その表面に例えば２本の分岐ビームを照射すると、図５（ａ）に示すように、２番目以降の加工領域には、必ず分岐ビームＬＢが２発あたることになる。その結果、微細構造が移動方向に連なるように形成される。図５（ａ）では、理解の容易のため１回目〜３回目の分岐ビームＬＢの照射位置をステージ移動方向と直交する方向にずらしているが、実際には、１回目〜３回目の照射位置はステージ移動方向にのみずれている。このため、１回目照射における下側の分岐ビームＬＢの照射位置に、２回目照射における上側の分岐ビームＬＢが照射される。
【００３６】
分岐ビーム数を３本にした場合には、図５（ｂ）に示すように、３番目以降の加工領域には、必ず分岐ビームＬＢが３発あたることになる。そして、微細構造がステージ移動方向に連なるように形成される。分岐ビーム数がＮ本の場合には、Ｎ番目以降の加工領域には、必ずパルスがＮ発あたり、微細構造がステージ移動方向に連なるように形成される。
【００３７】
また、微細構造が移動方向に連なるように形成されるためには、ビーム分岐ピッチΔは、下記式（２）を満たす必要がある。
【００３８】
［数２］
Δ≦ｗ・・・・（２）
【００３９】
上記式（２）の関係を満たすように、回折光学素子の周期ｄをｄ＝λｚ／Δと定める。ここで、λはレーザ波長、ｚは回折光学素子から被加工体までの距離を表す。
【００４０】
上記式（１）を満たすステージ速度ｗで被加工体１０を移動させながら、上記式（２）を満たすビーム分岐ピッチで配列した複数本の分岐ビームＬＢを照射することにより、微細構造を一方向に繋げることができる。この結果、例えば、溝パターンの線幅が１００ｎｍ以下のアルミニウムからなる微細構造を数１０ｍｍ以上の長さにわたりガラス基板上に形成することができる。
【００４１】
微細構造は、さまざまな光学薄膜デバイスの製造へ幅広く応用できる。例えば、微細構造は、偏光素子、位相遅延素子、反射防止素子に適用できる。これらのデバイスは無機素材から成るため、耐光性および耐熱性にも優れ、例えば、液晶プロジェクタへ応用できる。また、微細構造が形成された領域の反射率が低減することから、マーキングの手段としても有効である。このため、部材や製品の一部に同構造を形成して、生産管理の手段としても利用することができる。また、非特許文献２によれば、微細構造は、摩擦磨耗部品の低減、微小物体の凝着力低減、薄膜の密着性向上に寄与することができる。なお、微細構造の用途に限定はなく、上記した以外にも様々な用途に微細構造を利用することができる。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ加工方法によれば、被加工体１０を移動させながら露光できるため、高い加工スループットで微細構造を形成することができる。これにより、短時間に広い領域において微細構造を直接形成することができる。レジスト露光・現像およびパターン転写等の中間プロセスが不要であり、高いスループットが確保できる。
【００４３】
本実施形態に係るレーザ加工装置は、ビーム分岐素子６を用いて１本のパルスレーザビームＬを複数本の分岐ビームＬＢに分岐するため、複数の光源を設置するのに比べて露光系の構成もきわめて簡便となり、装置コストを低減することができる。したがって、製造ラインへの実用化が容易となる。
【００４４】
本実施形態に係るデバイスは、上記のレーザ加工方法を用いて形成されたものである。上記のレーザ加工方法を用いることにより、コストを低減しつつ、レーザビームのスポット径よりも大きい微細構造をもつデバイスを提供できる。
【００４５】
（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。図６に示すレーザ加工装置１は、第１実施形態の装置構成に、ビーム成形素子５およびレンズ７を追加したものである。その他の構成については、第１実施形態と同様であり、その説明は省略する。
【００４６】
ビーム成形素子５は、偏光方位調節素子４とビーム分岐素子６との間に配置されておりパルスレーザビームＬのビーム断面形状を矩形に成形する。ビーム成形素子５は、例えば、矩形の開口領域を有するマスクからなる。
【００４７】
レンズ７は、ビーム分岐素子６により分岐された分岐ビームＬＢを被加工体１０へ集光する。
【００４８】
上記のレーザ加工装置１では、レーザ光源２から出射されたパルスレーザビームＬは、ミラー３により反射され、偏光方位調節素子４により偏光方位が調節された後に、断面形状が矩形のビームに成形され、ビーム分岐素子６により分岐した複数本の分岐ビームＬＢが被加工体１０へ照射される。矩形のパルスレーザビームＬから生じた分岐ビームＬＢの断面形状は、矩形となる。
【００４９】
次に、上記の本実施形態に係るレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法について、図７を参照して説明する。本実施形態においても、被加工体１０を移動させながら分岐ビームＬＢを照射する。
【００５０】
上記式（１）で定められた速さで被加工体１０を移動させながら、その表面に例えば２本の分岐ビームを照射すると、図７（ａ）に示すように、２番目以降の加工領域には、必ず分岐ビームＬＢが２発あたることになる。その結果、微細構造が移動方向に連なるように形成される。
【００５１】
分岐ビーム数を３本にした場合には、図７（ｂ）に示すように、３番目以降の加工領域には、必ず分岐ビームＬＢが３発あたることになる。そして、微細構造がステージ移動方向に連なるように形成される。分岐ビーム数がＮ本の場合には、Ｎ番目以降の加工領域には、必ずパルスがＮ発あたり、微細構造がステージ移動方向に連なるように形成される。
【００５２】
本実施形態に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法によれば、分岐ビームＬＢの断面形状を矩形にすることにより、被加工体１０の加工領域が矩形となるため、隣接する加工領域同士、すなわち微細構造同士の接続をさらに向上させることができる。微細構造が移動方向に連なるように形成されるためには、ビーム分岐ピッチΔが上記式（２）の関係を満たす必要があることについては、第１実施形態で説明した通りである。
【００５３】
本実施形態に係るレーザ加工装置は、第１実施形態と同様に、露光系の構成がきわめて簡便となるため、装置コストを低減することができる。したがって、製造ラインへの実用化が容易となる。また、本実施形態によれば、上記のレーザ加工方法を用いることにより、コストを低減しつつ、レーザビームのスポット径よりも大きい微細構造をもつデバイスを提供できる。
【００５４】
本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
上記の実施例ではビーム分岐数が２本、３本の場合について述べたが、分岐数を増やすことにより、さらにスループットを向上できる。また、被加工物として金属膜を用いた例について述べたが、用途が異なれば、例えば、ポリスチレンやポリイミド等の有機膜を用いることも可能である。例えば、第１実施形態に係るレーザ加工装置の装置構成に、第２実施形態で挙げたレンズ７を追加してもよい。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、微細構造に特有の光学現象を利用したさまざまな光学薄膜デバイスの製造へ幅広く応用できる。例えば、偏光素子、位相遅延素子、反射防止素子等の製造へも適用できる。これらのデバイスは無機素材から成るため、耐光性および耐熱性にも優れ、例えば、液晶プロジェクタへ応用できる。また、微細構造が形成された領域の反射率が低減することから、マーキングの手段としても有効である。このため、部材や製品の一部に同構造を形成して、生産管理の手段としても利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】第１実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。
【図２】回折光学素子を説明するための図である。
【図３】微細構造の一例を示す図である。
【図４】ステージの移動方向と偏光方位との関係を示す図である。
【図５】第１実施形態に係るレーザ加工方法を説明するための図である。
【図６】第２実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。
【図７】第２実施形態に係るレーザ加工方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５７】
１…レーザ加工装置、２…レーザ光源、３…ミラー、４…偏光方位調節素子、５…ビーム成形素子、６…ビーム分岐素子、７…レンズ、８…ステージ、９…制御部、１０…被加工体、１１…微細構造、Ｌ…パルスレーザビーム、ＬＢ…分岐ビーム、Ｄ…偏光方位
【図１】
2008000800.tif 000003
【図２】
2008000800.tif 000004
【図３】
2008000800.tif 000005
【図４】
2008000800.tif 000006
【図５】
2008000800.tif 000007
【図６】
2008000800.tif 000008
【図７】
2008000800.tif 000009