(57)【要約】【課題】  超短パルスレーザーのビーム径方向の光強度分布やビーム形状を変換し、超短パルスレーザービームをレーザー加工等に適したレーザービームに整形する超短パルスレーザー加工用光学系を提供する。【解決手段】  レーザー発信器から出射されるパルス幅が１０−９秒以下の超短パルスレーザービームから多光子反応に寄与しない部分を減衰させることを特徴とする超短パルスレーザー加工用光学系。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー発信器から出射されるパルス幅が１０−９秒以下の超短パルスレーザービームから多光子反応に寄与しない部分を減衰させることを特徴とする超短パルスレーザー加工用光学系。
【請求項２】
発信器から出射される超短パルスレーザービームのビーム径方向の光強度分布の裾部分を遮断するマスクと、対物レンズよりなることを特徴とする請求項１に記載の超短パルスレーザー加工用光学系。
【請求項３】
非球面光学系よりなることを特徴とする請求項１に記載の超短パルスレーザー加工用光学系。
【請求項４】
フレネルレンズよりなることを特徴とする請求項１に記載の超短パルスレーザー加工用光学系。
【請求項５】
透過ホログラフィックマスクよりなることを特徴とする請求項１に記載の超短パルスレーザー加工用光学系。
【請求項６】
前記超短パルスレーザーが、ナノ秒パルスレーザー、ピコ秒パルスレーザー又はフェムト秒パルスレーザーであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の超短パルスレーザー加工用光学系。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の超短パルスレーザー加工用光学系を用いることを特徴とする材料微細加工方法。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれかに記載の超短パルスレーザー加工用光学系を備えたことを特徴とする微細加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超短パルスレーザービームの光強度分布を略矩形に整形する超短パルスレーザー加工用光学系、材料微細加工方法、及び微細加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザー微細加工に適したレーザービームとして、パルス幅が１０−９秒以下の超短パルスレーザーが注目されている。特にフェムト秒（ｆｓ：１０−１２ｓｅｃ）パルスレーザービームは、金属や透明材料などの各種材料の加工に用いた場合、これまでの炭酸ガスレーザーやＹＡＧレーザーによる加工とは全く異なり、レーザービームの照射部位周辺に熱的、化学的な損傷（変形、変質）をほとんど与えないという特徴がある。
【０００３】
これは、従来のレーザー加工では被加工材料に照射された光エネルギーのほとんどが熱エネルギーに変換され、この熱によって融解、分解、飛散による加工が進行するのに対し、超短パルスレーザーを用いた場合には、極めて短時間にエネルギーが被加工材料に集中するため、ナノプラズマ、ナノショック、ブレークダウン、格子歪み、衝撃波が超高速で発生し、熱が発生する前にアブレーション（飛散）による加工が進行するために、照射部位のみの加工が誘起され周囲に損傷が及ばず、きれいな加工がなされると考えられている。
【０００４】
また、フェムト秒パルスレーザーなどの超短パルスレーザービームを用いた透明材料に対する加工では、多光子吸収による加工が進むため、材料表面を損傷することなく、内部のみを３次元的にリモート加工することも可能である。さらに、多光子吸収など非線形現象を利用した加工であるため、光を用いているにもかかわらず、照射光の波長の回折限界を超える加工分解能が得られる。
【０００５】
このように、フェムト秒パルスレーザーなどの超短パルスレーザービームを用いたレーザー加工においては、従来のレーザー加工とは加工のメカニズムが全く異なり、分解能も遙かに高く、かつ、被加工材料の内部に加工領域を限定することもできるので、従来のレーザー加工の常識を遥かに越えたサブミクロン以下の超微細加工技術を実現することができる。
【０００６】
ところで、上述のような超短パルスレーザービームを用いた加工は、集光された超短パルスレーザービームが実現する時間的、空間的な高光子密度性によって初めて可能になる。すなわち、超短パルスレーザービームを用いて加工を行うには、この超短パルスレーザービームを被加工材料上に集光させなければならない。
【０００７】
超短パルスレーザービームの集光を、単なる凸レンズを用いて行った場合、この凸レンズに入射される超短パルスレーザービームのビーム径方向の光強度分布はガウシアン分布となっているため、集光された光スポットにおいては、中心部が周辺部に対して光強度が強くなる。この光スポットにおける径方向の光強度分布は、略々ガウシアン分布に近い分布となる。このような光スポットを被加工材料上に照射して加工を行った場合、光スポットの中心部分が照射された部位のみが深い穴として加工され、光スポットの周辺部が照射された部位はあまり加工されない状態となる。また、このような光スポットを被加工材料上に照射しつつ移動させて加工を行った場合、光スポットの中心部分が通過した部分のみが深い溝として加工され、周辺部が通過した部分はあまり加工されない状態となる。
【０００８】
したがって、このような光スポットを用いた加工においては、例えば溝加工を行った場合において、深いＶ溝状の溝加工は可能であるが、底面が平らになった平底溝を形成する加工を行うことは極めて困難である。また、このような光スポットを用いた加工においては、開口部の形状が、例えば矩形状などの多角形状となされた穴を形成する加工も困難である。
【０００９】
そこで、下記特許文献１には、フェムト秒パルスレーザービームのビーム径方向の光強度分布やビーム形状を変換し、このフェムト秒パルスレーザービームをレーザー加工等に適したレーザービームとすることを目的として、（１）ビーム径方向の光強度分布がガウシアン分布となっているフェムト秒パルスレーザービームが入射される複数の凸レンズまたは凹レンズからなるマイクロレンズアレイと、このマイクロレンズアレイを構成する各凸レンズまたは凹レンズを経た各レーザービームを像面上に結像させる対物レンズとを備えた特殊光学系、（２）ビーム径方向の光強度分布がガウシアン分布となっているフェムト秒パルスレーザービームが入射される複数の凸または凹シリンドリカルレンズからなるマイクロレンズアレイと、マイクロレンズアレイを構成する各凸または凹シリンドリカルレンズを経た各レーザービームを像面上に結像させる対物レンズとを備えた特殊光学系、（３）ビーム径方向の光強度分布がガウシアン分布となっているフェムト秒パルスレーザービームが入射される複数の凸または凹シリンドリカルレンズからなる第１のマイクロレンズアレイと、軸方向が第１のマイクロレンズアレイをなす複数の凸または凹シリンドリカルレンズに対して交差する方向となっている複数の凸または凹シリンドリカルレンズからなり第１のマイクロレンズアレイを経たレーザービームが入射される第２のマイクロレンズアレイと、これら第１及び第２のマイクロレンズアレイを構成する各凸または凹シリンドリカルレンズを経た各レーザービームを像面上に結像させる対物レンズとを備えた特殊光学系、（４）ビーム径方向の光強度分布がガウシアン分布となっているフェムト秒パルスレーザービームが入射される複数の凸レンズまたは凹レンズからなるマイクロレンズアレイと、このマイクロレンズアレイを構成する各凸レンズまたは凹レンズに対して共焦点となる位置に配置されたリレーレンズと、このリレーレンズを経た各レーザービームを像面上に集光させて複数の光スポットを形成する対物レンズとを備えた特殊光学系が開示されている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−２５５２６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記特許文献１に開示されたビーム径方向の光強度分布がガウシアン分布となっているフェムト秒パルスレーザービーム方法は、いずれも光学系が複雑であり、実用化には問題があった。
【００１２】
そこで、本発明は、超短パルスレーザーのビーム径方向の光強度分布やビーム形状を変換し、超短パルスレーザービームをレーザー加工等に適したレーザービームに整形する超短パルスレーザー加工用光学系を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者は、多光子吸収で材料の昇華除去作用ができる領域は、超短パルスレーザービームの中心付近の光子密度の高い部分に限られ、ビームの裾部分の光子密度の低い領域では、熱的反応によりドロス（溶融付着物）やヒューム（煤）が発生することに着目した。そこで、超短パルスレーザービームから多光子反応に寄与しない部分を減衰させることにより、上記課題が解決されることを見出し、本発明に至った。
【００１４】
即ち、第１に、本発明は、超短パルスレーザー加工用光学系の発明であり、レーザー発信器から出射されるパルス幅が１０−９秒以下の超短パルスレーザービームから多光子反応に寄与しない部分を減衰させることを特徴とする。
【００１５】
本発明で採用される具体的レーザー加工用光学系としては、下記（１）〜（４）が挙げられる。
（１）発信器から出射される超短パルスレーザービームのビーム径方向の光強度分布の裾部分を遮断するマスクと、対物レンズよりなる超短パルスレーザー加工用光学系。
（２）非球面光学系よりなる超短パルスレーザー加工用光学系。
（３）フレネルレンズよりなる超短パルスレーザー加工用光学系。
（４）透過ホログラフィックマスクよりなる超短パルスレーザー加工用光学系。
【００１６】
本発明で用いられる超短パルスレーザーは、パルス幅が１０−９秒以下の超短パルスレーザーであり、具体的には、ナノ秒パルスレーザー、ピコ秒パルスレーザー又はフェムト秒パルスレーザーが例示される。
【００１７】
第２に、本発明は上記の超短パルスレーザー加工用光学系を用いることを特徴とする材料微細加工方法である。本発明により、金属材料、セラミック材料、高分子材料等のほぼ全ての材料を微細加工することができる。
【００１８】
第３に、本発明は上記の超短パルスレーザー加工用光学系を備えたことを特徴とする微細加工装置である。上記の超短パルスレーザー加工用光学系の他に、レーザー発信器、ミラー、被加工物姿勢調整治具等を適宜備える。
【発明の効果】
【００１９】
超短パルスレーザービームから多光子反応に寄与しない部分を減衰させることにより、種々の材料に対して超短パルスレーザービームで穴あけや溝掘り等の加工を行なう際に、ドロス（溶融付着物）やヒューム（煤）の発生を抑制するという効果の他に、下記の作用・効果が奏される。
【００２０】
（１）金属材料、セラミック材料、高分子材料等のほぼ全ての材料を加工することができるため、加工範囲が拡大する。従来のレーザー加工では、材料の種類及び吸光度で制限があったが、本発明では、フェムト秒レーザー等による原子間結合を分解する作用で加工するため加工範囲が拡大する。
【００２１】
（２）超短パルスレーザーによると熱伝導の影響を受け難いため、加工可能範囲が拡大する。従来技術では最小孔径１０μｍが限界だが、本発明では０．１μｍまでの穴あけや溝掘り加工が可能である。しかも、細孔の孔径や溝幅を精密に制御でき、ばらつきのない囲うができる。これは、従来技術では熱溶融が加工原理となっているためである。
【００２２】
（３）前処理、後処理が必要ないため、各種材料に対して直接加工できるため、表面処理等の化学的処理を必要としない。又、ドロス（溶融付着物）やヒューム（煤）の発生が抑制されるため、後処理も必要としない。これはレーザーによる加工では、高分子材料矢無機材料を原子レベルから分解する原理を用いるため、エッチング等の化学処理を必要としないことによる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１に、発信器から出射される超短パルスレーザービームのビーム径方向の光強度分布の裾部分を遮断するマスクと、対物レンズよりなる超短パルスレーザー加工用光学系の断面図を示す。マスクによってレーザービームの裾部分がカットされ、光子密度が高く多光子反応に寄与する部分のみが加工に用いられる。
【００２４】
図２に、非球面光学系よりなる超短パルスレーザー加工用光学系の断面図を示す。非球面レンズによって整形され、超短パルスレーザービームのビーム径方向の光強度分布がトップハット状に整形されている。
【００２５】
同様に、フレネルレンズや透過ホログラフィックマスクを用いて、超短パルスレーザービームのビーム径方向の光強度分布を整形することができる。
【００２６】
図３に、本発明の超短パルスレーザー加工用光学系を備えた微細加工装置の一例を示す。この微細加工装置は、超短パルスレーザー加工用光学系として、超短パルスレーザービームのビーム径方向の光強度分布の裾部分を遮断するマスクと、対物レンズを備えている。上記の超短パルスレーザー加工用光学系の他に、レーザー発信器、ミラー、被加工物姿勢調整治具等を備えている。
【００２７】
本発明で用いられるパルス幅が１０−９秒以下の超短パルスレーザーの具体例としては、チタン・サファイア結晶を媒質とするレーザーや色素レーザーを再生・増幅して得られたパルス幅が１０−９秒以下のパルスレーザー、エキシマレーザーやＹＡＧレーザー（Ｎｄ−ＹＡＧレーザー等）の倍波によるパルス幅が１０−９秒以下のパルスレーザーなどを用いることができ、特に、チタン・サファイア結晶を媒質とするレーザーや色素レーザーを再生・増幅して得られたパルス幅が１０−１２秒〜１０−１５秒のフェムト秒のオーダーのパルスレーザー（フェムト秒パルスレーザー）を好適に用いることができる。超短パルスレーザーにおけるパルス幅は、１０−９秒以下であれば特に制限されず、例えば、１０−９秒から１０−１２秒のピコ秒オーダーや、１０−１２秒から１０−１５秒のフェムト秒のオーダーであり、通常は、１００フェムト秒（１０−１３秒）程度である。このようなチタン・サファイア結晶を媒質とするレーザーや色素レーザーを再生・増幅して得られたパルス幅が１０−９秒以下のパルスレーザーや、エキシマレーザーやＹＡＧレーザー（Ｎｄ−ＹＡＧレーザー等）の倍波によるパルス幅が１０−９秒以下のパルスレーザーなどの超短パルスレーザーを用いると、パルスエネルギーが高いので、多光子吸収過程を利用したレーザー加工を行うことができ、そのパワーにより波長より狭い幅の微細加工を行うことができるようになる。
【００２８】
従って、超短パルスレーザーを用いて多光子吸収過程を利用したレーザー加工により、最小の径又は幅が２００μｍ以下である微小加工を行なうことができるようになる。なお、穴あけ加工の場合、断面形状は、円形、楕円形に限らず、長径が長い場合には直線状、曲線、折れ曲がり線等の任意な形状であっても良い。
【００２９】
本発明において、超短パルスレーザーの波長は、特に制限されず、多光子吸収過程を利用しているので、被加工材料の吸収波長よりも長い波長であってもよく、被加工材料の種類又はその吸収波長に応じて適宜選択することができる。具体的には、超短パルスレーザーの波長としては、例えば、紫外線領域〜近赤外線領域の領域内の波長であってもよく、従って、２００ｎｍから１０００ｎｍの範囲内から適宜選択することができる。なお、超短パルスレーザーの波長としては、被加工材料の吸収波長（吸収のピーク波長）の倍波（２倍波、３倍波など）となる波長であることが好ましい。
【００３０】
また、超短パルスレーザーの繰り返しとしては、１Ｈｚから１００ＭＨｚの範囲で、通常は１０Ｈｚから５００ｋＨｚ程度である。
【００３１】
被加工材料に対して、内部における単位体積当たりに照射されるエネルギーは、超短パルスレーザーの照射エネルギー、被加工材料に照射する際に用いられる対物レンズの開口数（光源の絞り込み）、被加工材料への照射位置又は焦点の深さ、レーザーの焦点の移動速度などに応じて適宜決めることができる。
【００３２】
本発明では、超短パルスレーザーの平均出力又は照射エネルギーとしては、０．０１Ｗ以上であれば特に制限されず、目的とする細孔（特に微小貫通孔）の大きさや形状、溝掘りの幅や深さ等に応じて適宜選択することができ、例えば、１００００ｍＷ以下、好ましくは５〜５００ｍＷ、さらに好ましくは１０〜３００ｍＷ程度の範囲から選択することができる。
【００３３】
また、超短パルスレーザーの照射スポット径としては、特に制限されず、目的の微小孔部の大きさやその形状、溝掘りの幅や深さ、レンズの大きさや開口数又は倍率などに応じて適宜選択することができ、例えば、０．１〜１０μｍ程度の範囲から選択することができる。
【００３４】
本発明では、被加工材料として、金属やシリコン結晶のような不透明材料の他、ガラス、推奨、サファイヤ、ダイアモンド等の透明材料を用いることも可能である。
【００３５】
被加工材料として高分子材料を用いる場合には、ホモ重合体や共重合体を含めた単一化学構造のポリマー材料からなるものだけでなく、異なる化学構造を有する複数のポリマー材料からなるポリマーアロイやポリマーブレンドも用いることができる。また、高分子材料として、無機化合物や金属などの他の材料を分散状態で含んだ複合体であってもよく、異なるプラスチックや他の材料からなる層を含んだ２以上の層構造からなる積層体であってもよい。例えば、高分子フ材料に導電性を付与するために、カーボンブラックが分散された高分子材料を用いると、レーザー光の吸収効率が上がり、加工しやすくなる効果も発現する。
【００３６】
高分子材料としては、コスト上炭化水素系材料（エンプラ材料を含む）が望ましいが、フッ化物系材料でもよい。具体的には、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリイミド（ＰＩ）、ＰＡＩ、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ＰＰＳＵ、ＰＡＲ、ＰＢＩ、ＰＡ、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＯ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ＰＰ、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ＰＶＤＣ、ＰＳＦ、ＰＡＮ、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ＰＶＤＦ等の材料が使用可能である。
【００３７】
更に、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などのメタクリレート系樹脂；ポリスチレン、アクリロニトリル−スチレン共重合体（ＡＳ樹脂）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ樹脂）などのスチレン系樹脂；ポリアミド；ポリアミドイミド；ポリエステルイミド；ポリアセタール；ポリアリレート；ポリアリール；ポリスルホン；ポリウレタン類；ポリエーテルケトン類；ポリアクリル酸ブチル、ポリアクリル酸エチルなどのポリアクリル酸エステル類；ポリブトオキシメチレンなどのポリビニルエステル類；ポリシロキサン類；ポリサルファイド類；ポリフォスファゼン類；ポリトリアジン類；ポリカーボラン類；ポリノルボルネン；エポキシ系樹脂；ポリビニルアルコール；ポリビニルピロリドン；ポリイソプレンやポリブタジエンなどのポリジエン類；ポリイソブチレンなどのポリアルケン類；フッ化ビニリデン系樹脂、ヘキサフルオロプロピレン系樹脂、ヘキサフルオロアセトン系樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂などのフッ素系樹脂；ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体などのポリオレフィン樹脂などの樹脂（熱可塑性樹脂など）が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【実施例】
【００３８】
以下、本発明の実施例を示す。
【００３９】
パルλ幅１００ｆｓ、１ｋＨｚ、ビームφ７ｎｍ、焦点部出力３Ｗであるレーザーを、φ４ｎｍの金属製マスクとｆ＝５６ｍｍのレンズで整形した。この整形したレーザービームを用いて、厚さ１．２ｍｍの鋼材（ＳＣＭ４２０）に対して穴あけ加工をしたところ、ドロス（溶融付着物）やヒューム（煤）の発生は確認できなかった。
【００４０】
比較のために、上記金属製マスクを用いず、未整形のレーザービームで同鋼材に対して穴あけ加工をしたところ、大きなドロス（溶融付着物）及びヒューム（煤）の発生が見られた。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の超短パルスレーザー加工用光学系により、超短パルスレーザービームから多光子反応に寄与しない部分を減衰させることが可能となった。これにより、種々の材料に対して超短パルスレーザービームで穴あけや溝掘り等の加工を行なう際に、ドロス（溶融付着物）やヒューム（煤）の発生を抑制することができ、超短パルスレーザーによる微細加工の実用化に貢献する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】超短パルスレーザービームのビーム径方向の光強度分布の裾部分を遮断するマスクと、対物レンズよりなる超短パルスレーザー加工用光学系の断面図を示す。
【図２】非球面光学系よりなる超短パルスレーザー加工用光学系の断面図を示す。
【図３】本発明の超短パルスレーザー加工用光学系を備えた超短パルスレーザー加工装置の一例を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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