(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のレーザ光を照射して被加工物を予備加熱する工程と、第２のレーザ光を照射して予備加熱された被加工物を加工する工程とを有し、前記第２のレーザ光はフェムト秒レーザ光であることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
前記第１のレーザ光は連続したレーザ光であることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
前記第１のレーザ光はパルスレーザ光であることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
前記予備加熱による被加工物に対する加熱は被加工物の溶融温度を超えないことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
前記第１のレーザ光を照射している間に前記第２のレーザ光を照射することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
前記第１のレーザ光を照射した後に、前記第２のレーザ光を照射することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のレーザ加工方法。
【請求項７】
前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを、被加工物に対して同じ方向から照射することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のレーザ加工方法。
【請求項８】
前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを、被加工物に対して反対方向から照射することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のレーザ加工方法。
【請求項９】
前記第１のレーザ光により一光子吸収過程よる予備加熱を行い、前記第２のレーザ光により多光子吸収過程よる加工を行うことを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載のレーザ加工方法。
【請求項１０】
前記第１のレーザ光の集光スポット径を前記第２のレーザ光による集光スポット径よりも小さく設定したことを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載のレーザ加工方法。
【請求項１１】
被加工物にレーザ光を照射して予備加熱する第１のレーザと、被加工物にレーザ光を照射して予備加熱された被加工物を加工する第２のレーザとを有し、前記第２のレーザはフェムト秒レーザであることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１２】
前記第１のレーザは連続したレーザ光を出力するものであることを特徴とする請求項１１記載のレーザ加工装置。
【請求項１３】
前記第１のレーザはパルスレーザ光を出力するものであることを特徴とする請求項１１記載のレーザ加工装置。
【請求項１４】
前記第１のレーザ及び前記第２のレーザを駆動して、前記第１のレーザによる照射をしている間に前記第２のレーザを照射させる制御手段を有することを特徴とする請求項１１〜１３の何れかに記載のレーザ加工装置。
【請求項１５】
前記第１のレーザ及び前記第２のレーザを駆動して、前記第１のレーザにより照射を行った後に、前記第２のレーザによる照射を行わせる制御手段を有することを特徴とする請求項１１〜１３の何れかに記載のレーザ加工装置。
【請求項１６】
前記第１のレーザと前記第２のレーザとを、被加工物に対して同じ方向から照射するための光学系を有することを特徴とする請求項１１〜１５の何れかに記載のレーザ加工装置。
【請求項１７】
前記第１のレーザと前記第２のレーザとを、被加工物に対して反対方向から照射するための光学系を有することを特徴とする請求項１１〜１５の何れかに記載のレーザ加工装置。
【請求項１８】
前記第１のレーザによるレーザ光の集光スポット径を第２のレーザによる集光スポット径よりも小さく設定するための光学系を有することを特徴とする請求項１１〜１７の何れかに記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ加工方法及びその装置に関し、特に超短パルスレーザを適用した微細加工技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超短パルスレーザを適用した微細加工については、例えば「超短パルスレーザによるクロム薄膜のアブレーション加工」ｐ５３−６０、第４８回レーザ熱加工研究会論文集（１９９９．１２）において提案されている加工方法がある。
【０００３】
上記の文献においては、フェムト秒領域（〜１０-13秒）の超短パルスレーザを光源に用いてフォトマスクに応用されるクロム膜にレーザ光を照射して熱損傷の無いアブレーション加工について提案している。
【０００４】
図６は上記の文献において報告されている加工方法により得られた被加工物の加工断面図であり、フェムト秒領域（〜１０-13秒）のパルス幅の超短パルスレーザ光を複数回照射したときの加工断面を示している。同図からも明らかなように、加工周囲に熱損傷の無い、シャープな加工エッジをもったパターンが得られている。しかし、加工底部２２には円錐状のクロム残渣２３が散在している。
【０００５】
図７は上記よりもパルス幅の広い（例えばナノ秒の領域）パルスレーザ光を照射したときの加工断面図である。パルスレーザ光が照射された領域のクロム薄膜２１は殆ど除去されており、加工底部２２には残渣がなく、また、水晶基板２０に対するダメージの無いフラットな加工面が得られている。しかし、加工周囲には熱損傷によるロールアップ２４と呼ばれる溶融・再凝固部による盛り上がりが観測され、加工領域が広がっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来のレーザ加工方法においては、アブレーションと熱伝導効果とを両立するための加工条件を見い出すことが難しかった。このため、熱損傷や加工の不均一が起こり、高精度な微細加工ができなかった。
【０００７】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、アブレーションと熱伝導効果とを両立させて高精度な微細加工を可能にしたレーザ加工方法及びその装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザ加工方法は、第１のレーザ光を照射して被加工物を予備加熱する工程と、第２のレーザ光を照射して予備加熱された被加工物を加工する工程とを有し、第２のレーザ光はフェムト秒レーザ光である。本発明においては、第１のレーザ光により被加工物を予め加熱してからフェムト秒レーザ光により加工を施すようにしたので、フェムト秒レーザ光による加工が適切になされており、加工底部に残渣が生ぜず、また、加工周囲の熱損傷が抑制され、シャープな加工形状が得られる。このため、高精度な微細加工が可能になっている。また、予備加熱を第１のレーザ光を照射することにより行っているので、加熱箇所を所望の箇所に限定することができ、例えば残渣が予想される部位に限って予備加熱をすることができるので、この点からも高精度な加工が可能になっている。
【００１０】
本発明に係るレーザ加工方法において、上記の第１のレーザ光は連続したレーザ光である。
また、本発明に係るレーザ加工方法において、上記の第１のレーザ光はパルスレーザ光である。
また、本発明に係るレーザ加工方法において、予備加熱は被加工物の溶融温度を超えないようにする。第１のレーザ光による被加工物に対する不可逆的な変化を避け、予備加熱による加工を避ける。
【００１１】
また、本発明に係るレーザ加工方法は、第１のレーザ光を照射している間に第２のレーザ光を照射する。
また、本発明に係るレーザ加工方法は、第１のレーザ光を照射した後に、第２のレーザ光を照射する。
【００１２】
また、本発明に係るレーザ加工方法は、第１のレーザ光と第２のレーザ光とを、被加工物に対して同じ方向から照射する。
また、本発明に係るレーザ加工方法は、第１のレーザ光と第２のレーザ光とを、被加工物に対して反対方向から照射することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係るレーザ加工方法は、第１のレーザ光により一光子吸収過程よる予備加熱を行い、第２のレーザ光により多光子吸収過程よる加工を行う。予備加熱を行った後にフェムト秒レーザ光を照射するので、多光吸収が起こりやすくなっており、光化学反応によるアブレーション加工が行われ、熱損傷が抑制される。
また、本発明に係るレーザ加工方法は、第１のレーザ光の集光スポット径を第２のレーザ光による集光スポット径よりも小さく設定する。予備加熱を主として加工底部の残渣が生じ易い部位に行ってその部位の熱的ポテンシャルを上昇しておくことにより加工底部に残渣が生ぜず、また、加工形状も更にシャープになる。
【００１４】
本発明に係るレーザ加工装置は、被加工物にレーザ光を照射して予備加熱する第１のレーザと、被加工物にレーザ光を照射して予備加熱された被加工物を加工する第２のレーザとを有し、第２のレーザはフェムト秒パルスレーザである。本発明においては、第１のレーザ光により被加工物を予備加熱してからフェムト秒パルスレーザにより加工を施すようにしたので、フェムト秒パルスレーザ光による加工が適切になされており、加工底部に残渣が生ぜず、また、加工周囲の熱損傷が抑制され、シャープな加工形状が得られる。このため、高精度な微細加工が可能になっている。また、予備加熱を第１のレーザ光を照射することにより行っているので、加熱箇所を所望の箇所に限定することができ、例えば残渣が予想される部位に限って予備加熱をすることができるので、この点からも高精度な加工が可能になっている。
【００１６】
また、本発明に係るレーザ加工装置において、第１のレーザは連続したレーザ光を出力するものである。
また、本発明に係るレーザ加工装置において、第１のレーザはパルスレーザ光を出力するものである。
【００１７】
また、本発明に係るレーザ加工装置は、第１のレーザと第２のレーザとを駆動して、第１のレーザによる照射をしている間に第２のレーザを照射させる制御手段を有する。
また、本発明に係るレーザ加工装置は、第１のレーザ及び第２のレーザを駆動して、第１のレーザにより照射を行った後に、第２のレーザによる照射を行わせる制御手段を有する。
【００１８】
また、本発明に係るレーザ加工装置は、第１のレーザと第２のレーザとを、被加工物に対して同じ方向から照射するための光学系を有する。
また、本発明に係るレーザ加工装置は、第１のレーザと第２のレーザとを、被加工物に対して反対方向から照射するための光学系を有する。
また、本発明に係るレーザ加工装置は、第１のレーザによるレーザ光の集光スポット径を第２のレーザによる集光スポット径よりも小さく設定するための光学系を有する。予備加熱を主として加工底部の残渣が生じ易い部位に行ってその部位の熱的ポテンシャルを上昇させておくことにより加工底部に残渣が生ぜず、また、加工形状も更にシャープになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
実施形態１．
図１は本発明の実施形態１に係るレーザー加工装置の構成を示すブロック図である。このレーザー加工装置は、ＹＡＧレーザ１０及びチタンサファイアレーザ（フェムト秒レーザ）１１を備えており、これらは制御装置１２によりその照射タイミングが制御される。ＹＡＧレーザ１０は、波長λ１：１０６４ｎｍ、パルス幅Δｔ１：１０ｎｓのパルスレーザ光１０ａを出力する。チタンサファイアレーザ１１は、波長λ２：８００ｎｍ、パルス幅Δｔ２：１００ｆｓのフェムト秒レーザ光１１ａを出力する。
【００２０】
ＹＡＧレーザ１０からのパルスレーザ光１０ａは、ビームスプリッタ１５にて反射された後に、集光レンズ（焦点距離ｆ１００ｍｍ）１６にて集光されて、水晶基板２０上に形成されているクロム膜２１に照射される。また、チタンサファイアレーザ１１からのフェムト秒レーザ光１１ａは、全反射ミラー１４にて反射された後に、ビームスプリッタ１５を透過した後に、集光レンズ１６にて集光されてクロム膜２１に照射される。水晶基板２０はＸＹテーブル３０上に配置されており、ＸＹテーブル３０を加工形状に対応して移動することにより、クロム膜２１が所望の形状に加工される。なお、全反射ミラー１４は８００ｎｍのレーザ光を反射し、また、ビームビームスプリッタ１５は波長が８００ｎｍのレーザ光を透過して波長が１０６４ｎｍのレーザ光を反射するように設定されているものとする。
【００２１】
図２は図１のレーザー加工装置の動作を示すタイミングチャートである。制御装置１２から制御信号１２ａが出力されると、ＹＡＧレーザ１０はその制御信号１２ａとほぼ同じパルス幅（Δｔ１：１０ｎｓ）のパルスレーザ光１０ａを出力してクロム膜２１に照射する。また、その所定時間後に、制御装置１２から制御信号１２ｂが出力されると、チタンサファイアレーザ１１はその制御信号１２の立ち上がりに同期した、パルス幅Δｔ２：１００ｆｓのフェムト秒レーザ光１１ａを出力してクロム膜２１の上記の照射位置と同じ位置に照射する。
【００２２】
パルスレーザ光１０ａが照射されるとクロム膜２１の温度は次第に上昇していき、熱的ポテンシャルが高くなる。但し、この時の最大温度はクロム膜２１の溶融温度を超えないようにし、クロム膜２１には不可逆的な変化を与えないようにする。そして、このような状態のときに、フェムト秒レーザ光１１ａが照射されることで、熱的ポテンシャルが高くなっているクロム膜２１が気化してアブレーション加工がなされる。なお、このときのフェムト秒レーザ光１１ａのエネルギー密度は、予備加熱後の被加工物に対する加工閾値よりも若干大きめに設定するものとする。
【００２３】
ここで、フェムト秒レーザ光１１ａの照射による動作を説明する。一般に、クロム膜２１に照射されたレーザ光のエネルギーは電子に吸収された後に格子系へ移動してクロム膜２１の温度を上昇させる。その後に、熱はクロム特有の熱物性に従って周囲に拡散していく。しかし、フェムト秒レーザ光１１ａのパルス幅は電子から格子系へのエネルギーの移動時間よりも短いので、パルス光が照射中に照射領域外に拡散しない。このため、照射領域を効率良く加熱することができ、周囲への熱損傷の抑制が可能になっている。
【００２４】
また、フェムト秒レーザ光１１ａの照射による動作を別の観点から説明する。パルスレーザ光１０ａはエネルギー密度の小さいレーザ光が得られているから、１光子分吸収過程が行われており、パルス幅が長い（時間が長い）ことから熱拡散が行われる。そして、上記の予備加熱により多光子吸収過程が起きやすい状態になっているときに、上述のフェムト秒レーザ光１１ａが照射されると、そのパルス幅が短いことから結果的にエネルギー密度の大きいレーザ光が照射されて多光子吸収過程が起き、エネルギーがバンドギャップを超えて分子が分離する。このようにして被加工物のアブレーション加工が、熱反応よらず、光・化学反応によりなされるので、加工周囲への熱損傷の抑制ができ、高精度な微細加工が可能になっている。
【００２５】
図３は上記の実施形態による加工断面図である。上述のように、パルスレーザ１０ａにより予備加熱をしてからフェムト秒レーザ光１１ａを照射して加工するようにしたので、図示のように、加工底部２２には残渣が生じることなく、また、加工形状も熱損傷がなくシャープな加工形状になっている。
【００２６】
実施形態２．
図４は本発明の実施形態２に係るレーザー加工装置の構成を示すブロック図である。このレーザー加工装置は、上記の実施形態と同様に、ＹＡＧレーザ１０及びチタンサファイアレーザ１１を備えており、これらは制御装置１２によりその照射タイミングが制御される。ＹＡＧレーザ１０からのパルスレーザ光１０ａは集光レンズ１６にて集光されてクロム膜２に照射される。また、チタンサファイアレーザ（フェムト秒レーザ）１１からのフェムト秒レーザ光１１ａは全反射ミラー１７，１８にて反射されて集光レンズ１９にて集光され、水晶基板２０を介してクロム膜２１に照射される。このようにして、クロム膜２１にはその裏側及び表側の両側からフェムト秒レーザ光１１ａ及びパルスレーザ光１０ｂが照射される。そして、上記の実施形態と同様に、クロム膜２１はパルスレーザ光１０ａの照射により予備加熱がなされ、フェムト秒レーザ光１１ａの照射によりアブレーション加工が施される。なお、全反射ミラー１７，１８は波長が８００ｎｍのレーザ光を反射するように設定されているものとする。
【００２７】
ところで、上記の実施形態においては、パルスレーザ光１０ａをクロム膜２１の表側から照射し、フェムト秒レーザ光１１ａをクロム膜２１の裏側から照射した例を示したが、その逆でも良い。即ち、フェムト秒レーザ光１１ａをクロム膜２１の表側から照射し、パルスレーザ光１０ａをクロム膜２１の裏側から照射してもた良い。いずれの場合においても、水晶基板２０を介してクロム膜２１にレーザ光を照射する場合には、レーザ光の波長を水晶基板２０を透過し易い波長に設定する必要がある。
【００２８】
実施形態３．
図５は上記実施形態１，２においてクロム膜に照射されるレーザ光の集光スポットの大きさの説明図である。図示の例においては、パルスレーザ光１０ａの集光スポット１０ｂをフェムト秒レーザ光１１ａの集光スポット１１ｂよりも小さくしており、主として加工底部２２に相当する位置の熱的ポテンシャルを上昇させておいて、フェムト秒レーザ光１１ａを照射させた際に残渣が残らないようにしている。また、加工部の周囲の熱的ポテンシャルを上げないようしてシャープな加工形状が得られるようにしてある。
【００２９】
なお、図５の例は典型的な例であり、この他に、集光スポット１０ｂ＝集光スポット１１ｂ、或いは、集光スポット１０ｂ＞フェムト秒レーザ光１１ａの集光スポット１１ｂであっても良い。なお、この集光スポットの径の調整は、例えばＹＡＧレーザ１０又はチタンサファイアレーザ１１にビームエキスパンダを内蔵しておいてビーム径を調整したり、或いは、ＹＡＧレーザ１０又はチタンサファイアレーザ１１から出射されたレーザ光の光学系にビームエキスパンダを挿入することでビーム径を調整することによりなされる。
【００３０】
実施形態４．
また、被加工物を予備加熱するためのレーザ光は、必ずしもパルスレーザ光である必要はなく連続光であっても良い。また、その光源はＹＡＧレーザに限られず他の固体レーザ、或いはガスレーザ（例えばＣＯ２レーザ）、半導体レーザを用いても良い。また、被加工物に加工を施すためのレーザについてもチタンサファイアレーザに限られず他のレーザであっても良い。また、上記のＹＡＧレーザ１０とチタンサファイアレーザ１１とではその波長を異ならせた例（λ１＞λ２）について示したが、その波長については同じでも良い。また、発明に係る超短パルスレーザは、熱損傷が抑制されれば良いので、そのパルス幅がフェムト秒領域〜ピコ秒領域（〜１０-15秒−１０-12秒）のパルス幅のパルスレーザが該当する。
【００３１】
また、被加工物は、上記のクロム膜に限定されるものではなく、例えばアルミナ、シリコン、ゲルマニウム、水晶等の熱伝導率の高い材料においても熱拡散領域が限定されるので精密な加工ができる。更に、本発明の加工は生体、例えば角膜、歯、脳等のレーザアブレーションにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るレーザー加工装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１のレーザー加工装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図３】本実施形態による加工断面図である。
【図４】本発明の実施形態２に係るレーザー加工装置の構成を示すブロック図である。
【図５】クロム膜に照射されるレーザ光の集光スポットの大きさの説明図である。
【図６】先行文献において報告されている加工断面図である。
【図７】図６の例よりもパルス幅の広いレーザ光をを照射したときの加工断面図である。
【符号の説明】
１０  ＹＡＧレーザ
１１  チタンサファイアレーザ
１４，１７，１８  反射ミラー
１５  ビームスプリッタ
１６，１９  集光レンズ
２０  水晶基板
２１  クロム膜
３０  ＸＹテーブル
【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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