(57)【要約】  【課題】フェムト秒レーザを用いた新しいメカニズムによる微細加工方法を提供する。  【解決手段】第１のガラス板３０２の上に第２のガラス板３０１を重ねて、第２のガラス板３０１の上面から超短パルスレーザを走査し、第１のガラス板３０２と第２のガラス板３０１との隙間でレーザの定在波が発生する箇所（１）（３）のガラス板３０２の上面及びガラス板３０１の下面を加工する。この方法では、ガラス板３０２とガラス板３０１との隙間でレーザの定在波が発生する箇所、即ち、干渉縞の箇所で加工が行われる。また、両者の隙間を４分の１波長分、シフトするだけで微細加工ができたりできなかったりの状況を創り出すことが可能である。  【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の板状物体の上に第２の板状物体を、空間若しくは他の物体を介して、または介さずに重ねて、前記第２の板状物体の上面から超短パルスレーザを走査し、前記第１の板状物体と前記第２の板状物体との間で前記レーザの定在波が発生する箇所において前記第１の板状物体の上面及び第２の板状物体の下面を加工することを特徴とする超短パルスレーザによる微細加工方法。
【請求項２】
請求項１に記載の微細加工方法であって、前記超短パルスレーザを、前記第１の板状物体の上面より下方の位置に焦点を合わせて照射することを特徴とする超短パルスレーザによる微細加工方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の微細加工方法であって、前記第１の板状物体と前記第２の板状物体との間隔を変えて、前記加工が可または不可の状態に制御することを特徴とする超短パルスレーザによる微細加工方法。
【請求項４】
第１の板状物体の上に第２の板状物体を、空間若しくは他の物体を介して、または介さずに重ねた加工対象物を載置するステージと、
前記第２の板状物体の上面から前記加工対象物に超短パルスレーザを照射する超短パルスレーザ装置と、
前記第１の板状物体と前記第２の板状物体との間隔を調整する間隔調整手段と
を備え、前記第１の板状物体と前記第２の板状物体との間で前記レーザの定在波が発生する箇所において前記第１の板状物体の上面及び第２の板状物体の下面を加工することを特徴とする微細加工装置。
【請求項５】
請求項４に記載の微細加工装置であって、前記間隔調整手段が、印加電圧に応じて前記第１の板状物体と前記第２の板状物体との間隔を変更するＰＺＴ素子を備える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、超短パルスを発生するフェムト秒レーザを用いて微細加工を行う方法と、その装置に関し、特に、フェムト秒レーザを用いた新しいメカニズムの加工法を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
フェムト秒レーザは、照射時間がフェムト（１０-15）秒オーダのパルスレーザを発振する。このパルスレーザが照射された被加工物では、照射位置の周囲に熱が伝導する前に気化による材料除去（アブレーション）が終了する。そのため、フェムト秒レーザでは、熱の影響が残留しない高品位微細除去加工が可能である。
下記非特許文献１には、フェムト秒レーザを用いて微細周期構造を形成した例が報告されている。これは、２本のレーザ光線を干渉させてレジストを３次元的に露光し、櫛刃状の微細形状を創成したり、あるいは、レーザ光線を表面の微小凸部に反射させて２本のレーザ光線にし、それらの干渉で表面に周期構造を形成するものである。
【非特許文献１】沢田博司他「フェムト秒レーザによる微細周期構造の形成」精密工学会誌，69，4 (2003) 554.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明者等は、フェムト秒レーザから発振されたパルスレーザを２枚の重ねたガラスに照射した場合に、ガラス間の干渉縞に沿って２枚のガラスが加工されることを発見した。
本発明は、この新たな知見に基づいて創案したものであり、フェムト秒レーザを用いた新しいメカニズムによる微細加工方法を提供し、また、その方法を実施する装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の超短パルスレーザによる微細加工方法では、第１の板状物体の上に第２の板状物体を、空間若しくは他の物体を介して、または介さずに重ねて、第２の板状物体の上面から超短パルスレーザを走査し、第１の板状物体と第２の板状物体との間でレーザの定在波が発生する箇所において第１の板状物体の上面及び第２の板状物体の下面を加工する。
この方法では、第１の板状物体（例えばガラス板）と第２の板状物体（例えばガラス板）との間でレーザの定在波が発生する箇所、即ち、干渉縞の箇所で加工が行われる。
【０００５】
また、本発明の微細加工方法では、前記超短パルスレーザを、第１の板状物体の上面より下方の位置に焦点を合わせて照射する。
超短パルスレーザの焦点が第１の板状物体の上面に位置するときは、超短パルスレーザによって第１の板状物体の上面に溝が形成され、また、焦点が第１の板状物体の奥深く位置すると、第１の板状物体の内部だけが加工される。
【０００６】
また、本発明の微細加工方法では、前記第１の板状物体と前記第２の板状物体との間隔を変えて、前記加工が可または不可の状態に制御する。
第１の板状物体と第２の板状物体との間隔がレーザ光の１／２波長の整数倍であると定在波が発生して加工が行われ、また、レーザ光の１／４波長の奇数倍であると定在波が発生せず、加工は行われない。
【０００７】
本発明の微細加工装置は、第１の板状物体の上に第２の板状物体を、空間若しくは他の物体を介して、または介さずに重ねた加工対象物を載置するステージと、第２の板状物体の上面から前記加工対象物に超短パルスレーザを照射する超短パルスレーザ装置と、第１の板状物体と第２の板状物体との間隔を調整する間隔調整手段とを備え、第１の板状物体と第２の板状物体との間でレーザの定在波が発生する箇所において第１の板状物体の上面及び第２の板状物体の下面を加工する。
この装置では、間隔調整手段が第１の板状物体と第２の板状物体との間隔を調整することにより、任意のパターンの加工を行うことができる。
【０００８】
また、本発明の微細加工装置は、前記間隔調整手段が、印加電圧に応じて第１の板状物体と第２の板状物体との間隔を変更するＰＺＴ素子を有している。
ＰＺＴ素子は、高い分解能で制御することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の微細加工方法は、超短パルスレーザによる新しいメカニズムの加工法である。この方法では、二枚の板状物体を同時に同じパターンに加工することができる。
また、板状物体の隙間を４分の１波長分、シフトするだけで微細加工ができたりできなかったりの状況を創り出すことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の微細加工方法に用いる装置を示している。
この装置は、フェムト秒レーザ１０と、λ／２板１１と、入射光が同一光路を通って反射することを防止するＧｌａｎレーザープリズム１２と、光量を調節するＮＤフィルタ１３と、シャッター１４と、ミラー１５、１６と、撮影用のＣＣＤカメラ１９と、カメラ位置に焦点を合わせるレンズ１８と、可視光のＢＲＧ成分を分岐するディクロイックミラー１７と、レーザの焦点を調整するレンズ２０と、試料３０を載置する加工ステージ２１と、二枚のガラス板が重なった試料３０の間隔を調整する間隔調整手段２３と、シャッター１４及び加工ステージ２１を制御するコントローラ２２とを備えている。
【００１１】
フェムト秒レーザ１０は、波長（λ）＝７７５ｎｍ、繰り返し周波数（ｆ）＝１ｋＨｚ、パルス幅２００ｆｓ、平均出力８００ｍＷの仕様の装置を使用している。
また、シャッター１４は、レーザ光用の精密シャッター（１０ｍｓ分解能）を使用している。
また、加工ステージ２１は、エアー静圧３軸リニアステージを用いており、真直度０．３μｍ×１．２μｍ×０．３μｍ、ストローク１００ｍｍ×１００ｍｍ×２０ｍｍ、スケール分解能１０ｎｍの性能を有している。
コントローラ２２は、試料３０の所望箇所にレーザ照射ができるようにシャッター１４及び加工ステージ２１を制御する。
試料３０には、スライドガラス（ｔ＝０．９〜１．２ｍｍ）の上に２４ｍｍ×２４ｍｍのガラス薄板（ｔ＝０．１２〜０．１７ｍｍ）を重ねたものを使用している。
【００１２】
この装置を用いて、フェムト秒レーザ１０のレーザ光を、試料３０の下側のスライドガラス上面から２０μｍの位置に焦点を合わせて、試料３０上を４０μｍのピッチで直線状に走査すると、図２に示すように、ガラス薄板３０１の裏面及びスライドガラス３０２の上面に縞模様状の加工が形成される。
図２（ａ）は、ガラス薄板３０１の裏面の縞模様を示しており、図２（ｂ）は、この縞模様を拡大して表示している。図２（ｂ）の矢印はレーザ走査方向を示している。このレーザ走査方向とほぼ直交する方向の点線模様の配列が、図２（ａ）では一本の縞として見えている。
また、図２（ｃ）は、スライドガラス３０２の上面に形成された縞模様を示している。図２（ｃ）の模様は、図２（ａ）の模様に重ね合わせると一致する。
【００１３】
図３は、こうした縞模様が形成される理由を説明するための図である。ここでは、２枚のガラス板３０１、３０２の隙間の一方に高さｈのテープ３０３を貼り付けて、ガラス板３０１とガラス板３０２との間に楔形の隙間を形成している。いま、（１）の箇所に超短パルスのレーザ光が入射すると、レーザ光は、ガラス板３０２の表面で反射し、その反射光がガラス板３０１の裏面で反射し、こうした反射を繰り返す。（１）の箇所のガラス板３０１とガラス板３０２との間隔がレーザ光の１／２波長の整数倍であると、そこに定在波（共振波）が発生し、増幅されたエネルギーによりガラス板３０１の裏面及びガラス板３０２の表面が加工される。
【００１４】
また、同様に（３）の箇所のガラス板３０１とガラス板３０２との間隔がレーザ光の１／２波長の整数倍であると、超短パルスのレーザ光が（３）の箇所に入射したときに定在波（共振波）が発生し、増幅されたエネルギーによりガラス板３０１の裏面及びガラス板３０２の表面が加工される。
一方、（１）及び（３）の中間の（２）の箇所に超短パルスのレーザ光が入射したときは、定在波（共振波）が発生せず、その箇所のガラス板３０１の裏面及びガラス板３０２の表面は加工されない。
このように、超短パルスのレーザ光による加工は、ニュートンリングの干渉縞と同じように、ガラス板３０１とガラス板３０２との間隔に応じて、加工される箇所と加工されない箇所とが発生する。
【００１５】
図４は、図３の構造を実際に試作して各種の測定を実施した時の状況を示している。ここでは、試料として、二枚の同形のソーダ石灰ガラス板を使用し、図３のＬの長さを５０ｍｍと７０ｍｍに設定して測定している。Ｌが５０ｍｍの場合のガラス板３０１の角度は０．９９６°であり、Ｌが７０ｍｍの場合のガラス板３０１の角度は０．０５１°である。また、レーザ出力を５ｍＷ、走査速度１．０ｍｍ／ｓ、ピッチ幅２０μｍ、集光レンズｆ＝８ｍｍ（Ｎ．Ａ＝０．５）に設定している。
【００１６】
図４に矢印で示すように、傾斜方向（干渉縞に対して垂直方向）にレーザを走査したときの加工後の写真を図５に示している。図５（ａ）はＬ＝５０ｍｍの場合であり、縞間隔は約２７２μｍである。図５（ｂ）はＬ＝７０ｍｍの場合であり、縞間隔は約４５３μｍである。これらの縞間隔は、干渉縞の理論計算から求めた値（Ｌ＝５０ｍｍの場合２２４μｍ、Ｌ＝７０ｍｍの場合４４０μｍ）とよく一致している。また、溝幅は３μｍ、深さは０．１μｍであった。
【００１７】
図６は、同じ試料に対して、干渉縞と平行な方向にレーザを走査したときの様子を示し、図７は、そのときの加工後の写真を示している。また、図７（ａ）の一部を図７（ｂ）のように取り出し、その溝の深さを計測した結果を図８に示している。最大箇所で０．６μｍの深さに達している。
図５及び図７の結果から明らかなように、レーザの走査方向は、試料の加工に影響を及ぼさない。
【００１８】
また、図９は、レーザ光の焦点位置を変えたときの影響をＣＣＤカメラ１９で撮影した画像により示している。下側のガラス板３０２の表面から−１０μｍの位置（ガラス板３０２に入った位置）に焦点を合わせてレーザ光を走査したときは、下側のガラス板３０２の表面に溝が形成された。下側のガラス板３０２の表面から−２０μｍの位置に焦点を合わせてレーザ光を走査すると縞模様が現れ始め、−３０μｍから−６０μｍまでの範囲では縞模様が確認できた。−７０μｍ以上になると縞模様は現れない。この場合は、レーザ光により下側のガラス板３０２の内部で加工が行われている。
【００１９】
図１０は、焦点位置とレーザ出力とを変えたときに下側のガラス板３０２に施される加工内容を纏めて示している。焦点位置の０μｍは、下側のガラス板３０２の表面位置に相当している。焦点位置が下側のガラス板３０２の表面位置付近では、下側のガラス板３０２の表面に溝が形成され、焦点位置がそこから下がると縞模様が現れ（本加工）、さらに下がると下側のガラス板３０２の内部加工が行われる。
【００２０】
このように、本発明の微細加工方法では、レーザ光の焦点位置を適切に設定するとともに、二枚のガラス板の間隔を間隔調整手段２３で調整することにより、所望形状の微細加工を行うことができる。
間隔調整手段２３により、例えば、所望形状の干渉縞が現れるように二枚のガラス板の間隔を調整する。
図１１（ａ）は、干渉縞に「Ｓ」「Ｕ」及び二つの菱形が現れるように外部圧力を加えて二枚のガラス板の間隔を調整した状態を示し、図１１（ｂ）は、レーザ走査後の下側ガラス上面に形成された加工を示している。
このように、この微細加工方法では、二枚のガラス板の間に現れる干渉縞のパターンを制御して、そのパターンに沿った微細加工を形成することが可能である。
【００２１】
また、間隔調整手段２３により、二枚のガラス板に対して加工を施したい位置では二枚のガラス板の間隔をレーザ光の１／２波長の整数倍の距離に設定し、加工を施したくない位置では二枚のガラス板の間隔をレーザ光の１／４波長の奇数倍に設定することで、任意形状の微細加工を形成することができる。
【００２２】
なお、ここでは、二枚のガラス板の間が空間である場合について説明したが、二枚のガラス板が、例えばレジン層を挟んで積層しているような構造の場合は、超短パルスレーザの照射により、二枚のガラス板の間隔がレーザ光の１／２波長の整数倍の距離である箇所（即ち、定在波が発生する箇所）では、光軸方向にレーザ光の１／２波長ごとに強め合う部分が生じるため、その箇所のレジンには光軸方向にレーザ光の１／２波長間隔でドット加工が行われものと考えられる。
このドット加工は、定在波が発生する箇所のレジンにだけ行われ、定在波が発生しない箇所のレジンには行われない。従って、レジンには３次元のドット加工が行われることになる。
この３次元ドット加工は、レジンに限らず、ガラス板と屈折率の違う材料であって、使用するレーザ光の波長をある程度透過し、定在波の強め合う部分で多光子吸収による加工が可能な材料であれば出現し、あるいは、その強め合う部分のエネルギーがその材料の加工閾値を超えるエネルギーとなるときに出現すると考えられる。
【００２３】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態では、ＰＺＴ素子を用いて二枚のガラス板の間隔を調整する例について説明する。
この方法を実施する装置は、図１２に模式的に示すように、二枚のガラス板３０１、３０２の内、一方３０１がＰＺＴ素子２３１により駆動され、他方３０２が加工ステージ２１に固定されている。ＰＺＴ素子２３１に加わる電圧は、印加電圧調整手段２３０によって制御され、ＰＺＴ素子２３１は、印加電圧に応じて伸縮し、ガラス板３０１とガラス板３０２との距離を変える。
【００２４】
ＰＺＴ素子２３１は、分解能１ｎｍ以下、最大５０Ｈｚでのコントロールが可能である。ここでは、図１３に示すように、Ａ〜Ｅの加工条件を設定している。
加工条件Ａでは、ＰＺＴ素子の変位を、常時０に設定する。加工条件Ｂでは、１００ｍｓの間、変位を０にし、次の１００ｍｓの間、変位を４１５ｎｍに設定する。加工条件Ｃでは、５０ｍｓごとに、変位０と変位４１５ｎｍとを交互に繰り返す。加工条件Ｄでは、２５ｍｓごとに変位０と変位４１５ｎｍとを交互に繰り返す。加工条件Ｅでは、常時４１５ｎｍに設定する。ＰＺＴ素子の変位が０のときは加工が行われ、ＰＺＴ素子の変位が４１５ｎｍのときは加工が行われない。
【００２５】
ここでは、レーザ出力を５ｍＷ、走査速度１．０ｍｍ／ｓ、ピッチ幅２０μｍに設定して、各作業条件で４ラインずつレーザ走査を行い、その結果を図１４に示している。
また、図１５は、ＰＺＴ素子の移動周期と加工周期との関係を示している。
これらの図が示すように、本発明の微細加工方法では、二枚のガラス板の間隔を調整することで微細加工のＯＮ、ＯＦＦを制御することができる。
【００２６】
また、図１６に示すように、ＰＺＴ素子２３１を制御する印加電圧調整手段２３０と加工ステージ２１の駆動手段２１０とをコントローラ２２が連動して制御し、レーザの照射位置に合わせて二枚のガラス板の間隔を調整することにより、任意のパターンの微細加工が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、生物・医療分野等で求められているガラス薄板の溝加工や、装飾品の模様加工など、広い分野で応用することができる技術である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施形態における微細加工方法で使用する装置を示す図
【図２】本発明の第１の実施形態における微細加工方法での加工例を示す図
【図３】本発明の第１の実施形態における微細加工方法の原理を説明する図
【図４】本発明の第１の実施形態における微細加工方法でのレーザ走査方向を示す図
【図５】図４の方法で形成された縞模様を示す図
【図６】本発明の第１の実施形態における微細加工方法での他のレーザ走査方向を示す図
【図７】図６の方法で形成された縞模様を示す図
【図８】図６の方法で形成された溝の深さを示す図
【図９】本発明の第１の実施形態における微細加工方法での焦点位置に依存する加工内容を示す図
【図１０】本発明の第１の実施形態における微細加工方法での焦点位置と加工内容との関係を示す図
【図１１】本発明の第１の実施形態における微細加工方法を適用する干渉縞（ａ）と、この微細加工方法で得られた加工パターン（ｂ）とを示す図
【図１２】本発明の第２の実施形態における微細加工方法で使用する装置を示す模式図
【図１３】本発明の第２の実施形態における微細加工方法での加工条件を示す図
【図１４】本発明の第２の実施形態における微細加工方法で加工した試料を示す図
【図１５】本発明の第２の実施形態における微細加工方法でのＰＺＴ制御周期と加工周期との関係を示す図
【図１６】本発明の第２の実施形態における微細加工方法で使用する他の装置を示す模式図
【符号の説明】
【００２９】
１０    フェムト秒レーザ
１１    λ／２板
１２    Ｇｌａｎレーザープリズム
１３    ＮＤフィルタ
１４    シャッター
１５    ミラー
１６    ミラー
１７    ディクロイックミラー
１８    レンズ
１９    ＣＣＤカメラ
２０    レンズ
２１    加工ステージ
２２    コントローラ
２３    間隔調整手段
３０    試料
２１０  駆動手段
２３０  印加電圧調整手段
２３１  ＰＺＴ素子
３０１  ガラス板
３０２  ガラス板
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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