(57)【要約】【課題】高いエネルギー密度のレーザー光を自在に制御できるレーザー加工装置およびレーザー加工方法を提供する。【解決手段】レーザー発振器１から発振するレーザー光の光路上に、位相変調器２、偏光制御素子３、偏光回転素子４、レーザー増幅器５、位相共役鏡６を配置する。そして、レーザー発振器１からのレーザー光を順に位相変調器２、偏光制御素子３、偏光回転素子４、レーザー増幅器５を通過させ、位相共役鏡６で反射させ、再びレーザー増幅器５、偏光回転素子４を通過させる。そして、偏光制御素子３で反射されたレーザー光を集光光学素子７で集光し、集光されたレーザー光を用いて被加工物８のパターン加工を行う。【選択図】  図１
2004279725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を発生するレーザー発振手段と、レーザー光のエネルギーを増幅する増幅手段と、レーザー光を被加工物に集光照射する集光手段とを備えたレーザー加工装置において、
電気的または光学的に制御されるホログラムパターンから構成され、レーザー光の位相を変調する位相変調手段と、
レーザー光の位相を反転させて反射する位相反転手段とを備えていることを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項２】
ホログラムパターンが、液晶によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザー加工装置。
【請求項３】
ホログラムパターンが、有機フォトリフラクティブ結晶によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザー加工装置。
【請求項４】
位相反転手段が、位相共役鏡であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザー加工装置。
【請求項５】
レーザー光を被加工物に集光照射することで、被加工物のパターン加工を行うレーザー加工方法において、
レーザー光の位相を変調する変調工程と、
位相の変調されたレーザー光のエネルギーを増幅する第１増幅工程と、
エネルギーが増幅されたレーザ光の位相を反転して反射する反転反射工程と、
反射されたレーザー光を増幅する第２増幅工程とを含むことを特徴とするレーザー加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー加工装置およびレーザー加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
微小面積に高密度のレーザー光を照射し材料の溶融や蒸発を行うことで被加工物に穴を開けたり切断を行ったりするレーザー加工方法は、微細な加工が可能であり、切れ味が良いことから様々な分野で活用されている。
【０００３】
レーザー加工方法は、金型や表面、繊維等へのパターニング加工にも応用されているが、その際、ステージやミラーを用いてレーザー光を掃引する必要があるため時間がかかってしまう。また繊維等をレーザー光以外でパターニング加工する場合には、繊維の種類毎にパターンを切り出すための金刃が必要となるが、金刃の製造には数ヶ月かかってしまう。
【０００４】
そこで、例えば特許文献１や非特許文献１では、位相板によりレーザー光に位相変調を与えパターンを転写している。しかしながらこの場合には、レーザー光の光路長を選択的に変化させるために位相板のホログラムパターンに微小な凹凸パターンを設ける必要があるため、位相板の製作するのに長期間かかり位相板のコストが高くなってしまう。よってこの方法は大量生産に対しては適しているが、試作品製作や少量生産には不向きであるといえる。
【０００５】
また、特許文献２では、レーザー光の光路にランダムなパターンの位相板を設置してレーザー光の転写を行っているが、この場合はレーザー光の強度分布を均一化するために用いられており任意のパターニングに用いられることはない。
【０００６】
また例えば特許文献３には、液晶パネルを用いてレーザー光の位相を制御し、パターンを発生させる方法が開示されている。けれどもこの場合には、液晶パネルのレーザー光に対するダメージの閾値が低いために、エネルギー密度の高いレーザー光が得られない。
【０００７】
また非特許文献２には、レーザー増幅器でレーザー光のエネルギーを増幅し、増幅されたレーザー光を位相共役鏡で反射させ、再度逆方向からレーザー増幅器を通過させることで、増幅器による歪みを補償し、この歪みの補償されたレーザー光を用いてパターンを得る方法が開示されている。しかしながら、この方法では、レーザー光を自在に制御することができないので、被加工物に対して最適なレーザー光を実現することが困難である。
【０００８】
【特許文献１】
特許第３２１６９８７号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開平１１−２９５６４９号公報（公開日：平成１１年１０月２９日）
【００１０】
【特許文献３】
特開２０００−２２３７６６号公報（公開日：平成１２年８月１１日）
【００１１】
【非特許文献１】
レーザー技術総合研究所  大阪大学レーザー核融合研究セン東洋精密工業  地域新生コンソーシアム研究開発事業  即効型地域新生コンソーシアムＩＴ用微細部品加工におけるドライプロセス化技術開発  成果報告書  ＮＥＤＯ技術情報データーベース［平成１５年３月１３日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｅｃｈ．ｎｅｄｏ．ｇｏ．ｊｐ／ｓｅｒｖｌｅｔ／ＨｏｕｋｏｋｕｓｈｏＫｅｎｓａｋｕＳｅｒｖｌｅｔ７ｄｂ＝ｎ＆ｋｅｎｓａｋｕＨｏｈｏ＝Ｂａｒｃｏｄｅ＿Ｋｅｎｓａｋｕ＆ＳＥＲＣＨＢＡＲＣＯＤＥ＝０１００２０１４４＞
【００１２】
【非特許文献２】
Ｄ．Ｍ．ペッパー著  「光位相共役の応用」  日経サイエンス社刊、１９８６年  ３月号、Ｐ．４４〜Ｐ．５６
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように従来のレーザー加工方法はいずれも何らかの問題がある。そこで、本発明は微細加工が容易で試作品製作や少量生産に対しても好適に用いられると共に、高いエネルギー密度のレーザー光を自在に制御できるレーザー加工装置およびレーザー加工方法を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明にかかるレーザー加工装置は、レーザー光を発生するレーザー発振手段と、レーザー光のエネルギーを増幅する増幅手段と、レーザー光を被加工物に集光照射する集光手段とを備えたレーザー加工装置において、電気的または光学的に制御されるホログラムパターンから構成され、レーザー光の位相を変調する位相変調手段と、レーザー光の位相を反転させて反射する位相反転手段とを備えていることを特徴としている。
【００１５】
また本発明にかかるレーザー加工装置は、ホログラムパターンが、液晶によって構成されていることを特徴としている。
【００１６】
また本発明にかかるレーザー加工装置は、ホログラムパターンが、有機フォトリフラクティブ結晶によって構成されていることを特徴としている。
【００１７】
また本発明にかかるレーザー加工装置は、位相反転手段が、位相共役鏡であることを特徴としている。
【００１８】
上記の構成によれば、位相変調手段はホログラムパターンから構成されているので、ホログラムパターンを制御することでレーザー光を自在に制御することができる。また位相変調手段によって位相が変調されたレーザー光が増幅手段を通過するときに、増幅手段の熱的、機械的影響を受けてレーザー光は波面に歪みを受けるが、位相反転手段によって歪みを受けたレーザー光の位相を反転するとともにそのレーザー光が再度増幅手段を通過するようにすることで、レーザー光の歪みは相殺され、位相変調手段によって変調されたときのレーザー光の位相が復元される。このように増幅手段を往復したレーザー光の位相は揃っており、高いエネルギー密度を有している。したがってレーザー発振手段から発振されるレーザー光のエネルギーを低くしても、被加工物をパターン加工するのに充分なエネルギーのレーザー光を得ることができる。またこれによれば、レーザー光によって位相変調手段がダメージを受けることはない。
【００１９】
それゆえ、上記の構成によれば、高いエネルギー密度をもつとともに、自在に制御することの可能なレーザー光を用いて、被加工物のパターン加工を一括して行えるレーザー加工装置を提供することができる。
【００２０】
上記の課題を解決するために、本発明にかかるレーザー加工方法は、レーザー光を被加工物に集光照射することで、被加工物のパターン加工を行うレーザー加工方法において、レーザー光の位相を変調する変調工程と、位相の変調されたレーザー光のエネルギーを増幅する第１増幅工程と、エネルギーが増幅されたレーザー光の位相を反転して反射する反転反射工程と、反射されたレーザー光を増幅する第２増幅工程とを含むことを特徴としている。
【００２１】
上記の構成によれば、レーザー光の位相を変調させることでレーザー光にパターン情報を埋め込むとともにレーザー光のエネルギーを増幅し、さらにレーザー光の位相を反転して反射し、反射されたレーザー光のエネルギーを再び増幅することで、パターン情報の埋め込まれた高いエネルギー密度のレーザー光を得ることができる。これによれば、エネルギー密度の高いレーザー光を用いてパターン加工を一括して行うことができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について、図１に基づいて説明すれば以下の通りである。図１は、本実施の形態にかかるレーザー加工装置の構成を概略的に示している。同図に示すように、本実施の形態にかかるレーザー加工装置は、レーザー発振器（レーザー発振手段）１と、位相変調器（位相変調手段）２と、偏光制御素子３と、偏光回転素子４と、レーザー増幅器（増幅手段）５と、位相共役鏡（位相反転手段）６と、集光光学素子（集光手段）７とを備えて構成されている。
【００２３】
本実施の形態では、図１に示すように、レーザー発振器１から発振されるレーザー光の光路上に、位相変調器２、偏光制御素子３、偏光回転素子４、レーザー増幅器５、位相共役鏡６が順次配置されている。
【００２４】
レーザー発振器１は、レーザー光を発振するものである。位相変調器２は、電気的または光学的に制御されるホログラムパターンから構成され、屈折率分布を書き込めるようになっている。本実施の形態では、ホログラムパターンは、例えば、電気的に制御される結晶、あるいは紫外線により制御される有機フォトリフラクティブ結晶から構成することができる。
【００２５】
ホログラムパターンを液晶から構成する場合には、液晶に印加する電圧を変化させて液晶の配向方向（配向角度）を変化させる。電圧の大きさによって液晶の配向方向が変われば、レーザー発振器１から発振されたレーザー光が位相変調器２を通過するとき、液晶の配向方向に対応してレーザー光の位相は２次元的に変調される。なおホログラムパターンを液晶から構成する場合には、液晶ディスプレイパネルと同様に、配線を液晶板表面に２次元的に施すことで液晶の配向方向を変化させればよい。
【００２６】
液晶から構成されるホログラムパターンからなる位相変調器２とする場合には、位相変調器２として、例えば、市販されているプログラマブル位相変調ユニット（浜松ホトニクス株式会社製）を用いることもできる。
【００２７】
本実施の形態において、上記液晶の階調は特に限定されるものではないが、２のべき乗とすることが好ましい。液晶が２階調の場合には、本実施の形態にかかるレーザー加工装置を用いて非対称なパターンが作れなくなるという制限が生じることから、液晶の階調が４階調以上、より好ましくは８階調以上、さらに好ましくは１６階調以上である。液晶の階調が大きくなるほど、得られるパターンのコントラストが向上する。
【００２８】
また液晶の画素数は特に限定されるものではないが、計算が容易になるという点から、画素数は２のべき乗とすることが好ましい。実用的な面からいえば、画素数を５１２または１０２４とすることが好ましい。
【００２９】
ホログラムパターンを有機フォトリフラクティブ結晶から構成する場合には、紫外線を照射して結晶内の屈折率分布を変化させればよい。照射する紫外線のエネルギーの大きさによって、結晶内の屈折率分布が変化すると、位相変調器２を通過するレーザー光の位相は、結晶内の屈折率分布に対応して２次元的に変調される。
【００３０】
本実施の形態では、位相変調器２のホログラムパターンを約２０ミリ秒で切り替えることが好ましい。これにより、逐次異なるパターンを効率よく得ることができるため、本実施の形態にかかるレーザー加工装置をいわゆる少量多品種生産の目的に対応させることができる。
【００３１】
偏光制御素子３は、例えば、縦偏光を透過し、横偏光を反射する光学素子である。偏光回転素子４はレーザー光の偏光方向を４５°回転させるものである。レーザー光が偏光回転素子４を往復２回通過することで、レーザー光の偏光方向が９０°回転されるようになっている。
【００３２】
レーザー増幅器５は、レーザー光のエネルギーを増幅するものである。レーザー増幅器は、増幅媒質のもつ利得の大きさや出力レベル（冷却方法）等によって形状が最適されるが、本実施の形態で用いるレーザー増幅器５の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、ロッド型あるいはディスク型の２パス増幅器を使用すればよい。ここで、ロッド型レーザー増幅器およびディスク型レーザー増幅器についてそれぞれ説明すれば、以下の通りである。
【００３３】
（ロッド型レーザー増幅器）
円柱状のレーザー媒質を側面からフラッシュランプやレーザーダイオードで励起する構造のレーザー増幅器である。レーザー媒質の周囲に冷却水を流し、媒質を冷却するとともにレーザー媒質内部の寄生発振を抑制する構造を有する。励起光がロッドの外周から径方向に入射する構造なので、大口径になると中心部まで励起光が侵入できない。そのために、外周では利得が高く内部では低いといった利得の不均一が生じる。この利得の均一性のため、ロッド直径は８０ｍｍ程度が実用上の上限となる。
【００３４】
（ディスク型レーザー増幅器）
ロッド型レーザー増幅器では口径が大きくなると、中心部まで十分に励起ができないため、高い性能が得られなくなる。そこでレーザー媒質の形状を励起光の吸収長程度の厚さの楕円（ディスク）形状にし、透明損失低減のためにブリュースター角に配置したものがディスク型レーザー増幅器である。励起光が媒質に対してレーザービームの入出射面と同じ面から入射するために、ロッド型のように励起光の不均一による口径の制限は受けない。ディスク型は活性ドープイオン濃度を高くして励起光の吸収を高くしたり、また強励起を行うことが可能であるため、利得係数を高くできる。ただしレーザー媒質内部の寄生発振のためにロッド径の制限がある。この場合レーザー媒質のエッジ処理や形状によって異なるが、利得係数をα（ｍ−１）、レーザー媒質の長径をＤ（ｍ）とすると、αＤは４程度の制限の目安となる。ガラスレーザー増幅器では口径４０ｃｍ程度が制限の目安となる。
【００３５】
位相共役鏡６は、入射するレーザー光の位相を反転して反射するものである。本実施の形態にかかる位相共役鏡６は、例えば、ガラス、石英、サファイア等からなるセルに、媒質を充填することで形成すればよい。
【００３６】
このときセルに充填される媒質としては、可視光に対して透明な媒質あるいは広くレーザー光に対して透明な媒質を用いればよく、媒質の種類は特に限定されるものではないが、音波の緩和時間が波長の２乗に反比例することから、音波の伝搬速度が速い材料を用いれば、位相共役鏡６に高速性の応答性を持たせることができる。またレーザー発振器１から発振されるレーザー光の波長を短くすることで、位相共役鏡６の応答性を高速にすることができる。
【００３７】
このように位相共役鏡６に高速性を持たせることの可能な材料としては、例えば、イーアイデュポンドゥヌムールアンドカンパニー製の液体のフレオン（ＦＲＥＯＮ）（登録商標）や、スリーエムカンパニー製のフルオリナート（ＦＬＵＯＲＩＮＥＲＴ）（登録商標）等が挙げられる。フルオリナートは、理論的には１ナノ秒の応答性を有しているので媒質として好適に使用される。
【００３８】
なお、上記媒質の濃度は特に限定されるものではないが、媒質の濃度は１００％とすることが好ましく、媒質が不純物を含む場合には、不純物を濾過し、純度を高めることが好ましい。位相共役鏡６に数ナノ秒の応答性を持たせれば、レーザー発振器１として短パルス幅のレーザーを好適に使用することができる。
【００３９】
集光光学素子７は、被加工物８に照射するレーザー光を集光するためのものであり、例えばレンズ等から構成されている。本実施の形態では、偏光回転素子４を往復２回通過することで偏光方向が９０°回転したレーザー光が、集光光学素子７に入射されるようになっている。
【００４０】
ここで、本実施の形態にかかるレーザー加工方法によってパターンが形成されるまでについて説明する。
【００４１】
（１）レーザー発振器１から発振されたレーザー光は位相変調器２に到達する。そして位相変調器２によってレーザー光の位相が２次元的に変調される。
【００４２】
（２）位相の変調されたレーザー光は、偏光制御素子３、偏光回転素子４を順に通過してレーザー増幅器５へ至る。
【００４３】
（３）レーザー増幅器５でレーザー光のエネルギーが増幅される。そしてレーザー増幅器５の熱的および機械的影響により歪みを受けたレーザー光が、位相共役鏡６へ向けて出射される。
【００４４】
（４）位相共役鏡６によって歪みを受けたレーザー光の位相が反転され、位相の反転されたレーザー光として反射される。
【００４５】
（５）レーザー光が再びレーザー増幅器５を通過し、さらにエネルギー増幅を受ける。ここでも上記（３）のようにレーザー光はレーザー増幅器５の熱的および機械的影響を受けるが、このときのレーザー光の位相は位相共役鏡６によって反転されているため、レーザー増幅器５を通過することでレーザー光の歪みは相殺される。
【００４６】
（６）歪みが相殺され、かつエネルギーが増幅されたレーザー光は、再び偏光回転素子４を通過し、偏光方向が４５°回転する。
【００４７】
（７）偏光回転素子４を往復２回通過したレーザー光は、偏光制御素子３によって反射される。この時点でのレーザー光は、上記（１）で位相変調器２によって変調されたときの位相を復元しており、かつレーザー光のエネルギーは増幅されている。
【００４８】
（８）レーザー光を集光光学素子７で集光することで、被加工物８をパターン加工するための所望の強度分布を備えるパターンを得る。このときのレーザー光は、被加工物８を加工するための充分な高エネルギー密度をもっている。
【００４９】
以上のように、本実施の形態によればレーザー発振器１から発振されるレーザー光のエネルギーを低くしても被加工物８をパターニング加工するのに充分な、高密度のエネルギーをもつ光エネルギーを得ることができる。
【００５０】
また、レーザー発振器１から発振されるエネルギーを低くすることで、位相変調器２がレーザー光によるダメージを受けることはなくなる。
【００５１】
本実施の形態によれば、例えばレーザー発振器１から発振されるレーザー光の波長を２００ｎｍ〜１５００ｎｍ、好ましくは２６６ｎｍ〜１５００ｎｍの範囲内に設定して、被加工物８をパターン加工するのに充分なレーザー光を効率よく得ることができる。したがって、本実施の形態によれば、レーザー発振器１として、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ（１０６４ｎｍ）の第２高調波（５３２ｎｍ）や、第３高調波（３５５ｎｍ）、第４高調波（２６６ｎｍ）等、低エネルギーのレーザー光を、パターンの緻密さに応じて適宜選択することで被加工物８のパターン加工を行うことができる。また、被加工物８を構成する材料の吸収特性に応じて、レーザー発振器１としてチタンサファイア、Ｎｄ：ガラス（１０６３ｎｍ）、炭酸ガスレーザーを用いることもできる。
【００５２】
なお、本実施の形態にかかるレーザー発振器１の仕様は、特に限定されるものではなく、例えば、繰り返し：１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ、パルス当たりのエネルギー：０．０１Ｊ／ｃｍ２〜１Ｊ／ｃｍ２、パルス幅：１ナノ秒〜１マイクロ秒、平均パワー：１００Ｗ〜１０ｋＷとすることで、パターン加工を効率よく行うことができる。
【００５３】
このように、本実施の形態によれば、ホログラムパターンの制御によりレーザー光の位相を変調させることでレーザー光にパターン情報を埋め込み、さらにレーザー増幅器８を往復通過させることで、パターン情報の埋め込まれた高いエネルギー密度のレーザー光を用いてパターン加工を一括して行うことができる。
【００５４】
本実施の形態にかかるレーザー加工方法は、電子機器のパターン加工をはじめ、繊維・金型等の数μｍ〜数百μｍの加工に応用することができる。また本発明は、特に試作段階での一品製作に有用である。また薬品で加工しにくい材料や、劇薬を用いざるを得ない高耐久合金であっても、容易にゼロエミッションで加工することができる。
【００５５】
したがって本実施の形態にかかるレーザー加工方法を、液晶パネルや、金属微細部品、半導体製造等のパターン加工、服飾業、生活繊維加工業等の低コスト多品種生産、自動車、コンタクトレンズ、ホログラムを利用したセキュリティ対策に応用させることができる。
【００５６】
【実施例】
以下、実施例により、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれにより何ら限定されるものではない。
【００５７】
〔実施例１〕
本発明にかかるレーザー加工方法と、従来のフォトリソグラフィーによるエッチング、ホログラフィ露光エッチング、レーザーアブレーションそれぞれを行った場合の最小線幅、深さ制御、アスペクト比、生産性、コスト、加工対象物の制約、および用途について調べた。そしてそれぞれの結果に対して、優れている場合を「◎」、良い場合を「○」、やや劣る場合を「△」、劣る場合を「×」として評価した。その結果を表１に示す。
【００５８】
【表１】
2004279725.tif 000003
【００５９】
表１に示すように、本発明にかかるレーザー加工方法によれば、短時間、低コスト、低環境負荷で加工が可能となる。本発明にかかるレーザー加工方法は、工程全体で比較した加工速度の向上が最大のメリットとなるので、瞬時に一品一品異なるパターンを効率よく加工することができる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明にかかるレーザー加工装置は、以上のように、レーザー光を発生するレーザー発振手段と、レーザー光のエネルギーを増幅する増幅手段と、レーザー光を被加工物に集光照射する集光手段とを備えたレーザー加工装置において、電気的または光学的に制御されるホログラムパターンから構成され、レーザー光の位相を変調する変調手段と、レーザー光の位相を反転させて反射する位相反転手段とを備えている構成である。
【００６１】
また本発明にかかるレーザー加工装置は、以上のように、ホログラムパターンが、液晶によって構成されている構成である。
【００６２】
また本発明にかかるレーザー加工装置は、以上のように、ホログラムパターンが、有機フォトリフラクティブ結晶によって構成されている構成である。
【００６３】
また本発明にかかるレーザー加工装置は、以上のように、位相反転手段が、位相共役鏡である構成である。
【００６４】
それゆえ、自在に制御できるとともに高いエネルギー密度をもつレーザー光を用いて被加工物のパターン加工を一括して行えるレーザー加工装置を提供することができるという効果を奏する。
【００６５】
本発明にかかるレーザー加工方法は、以上のように、レーザー光を被加工物に集光照射することで、被加工物のパターン加工を行うレーザー加工方法において、レーザー光の位相を変調する変調工程と、位相の変調されたレーザー光のエネルギーを増幅する第１増幅工程と、エネルギーが増幅されたレーザー光の位相を反転して反射する反転反射工程と、反射されたレーザー光を増幅する第２増幅工程とを含む構成である。
【００６６】
それゆえ、レーザー光の位相を変調させることでレーザー光にパターン情報を埋め込むとともにレーザー光のエネルギーを増幅し、さらにレーザー光の位相を反転して反射し、反射されたレーザー光を再び増幅することで、パターン情報の埋め込まれた高いエネルギー密度のレーザー光を得ることができる。そして、これにより、エネルギー密度の高いレーザー光を用いてパターン加工を一括して行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態にかかるレーザー加工装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【符号の説明】
１  レーザー発振器
２  位相変調器（位相変調手段）
３  偏光制御素子
４  偏光回転素子
５  レーザー増幅器（増幅手段）
６  位相共役鏡（位相反転手段）
７  集光光学素子（集光手段）
８  被加工物
【図１】
2004279725.tif 000004