(57)【要約】【課題】微細な加工を高速に行うことができるレーザ加工装置を提供する。【解決手段】このレーザ加工装置１は、１パルス当たりのエネルギーが１００ｎＪ以下の超短パルスのレーザ光３を繰り返し周波数１０ＭＨｚ以上で発振する超短パルスレーザ発振器２と、超短パルスレーザ発振器２から出射されたレーザ光３を増幅器及び減衰器を介さずに受光して被加工物８に集光する集光レンズ（集光素子）７と、超短パルスレーザ発振器２から出射されたレーザ光３のうち反射により超短パルスレーザ発振器２に戻るレーザ光３を防止する光アイソレータ（戻りレーザ光防止手段）５と、集光レンズ７に対して被加工物８を、入射するレーザ光３の光軸に垂直な方向に移動させるステージ駆動部（移動手段）１０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１パルス当たりのエネルギーが１００ｎＪ以下、繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上の超短パルスのレーザ光を被加工物に照射する照射手段と、
前記照射手段から照射される前記レーザ光の光軸に略垂直な方向に前記被加工物を相対的に移動させる移動手段とを備えたレーザ加工装置。
【請求項２】
前記照射手段は、１パルス当たりのエネルギーが１００ｎＪ以下、繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上の超短パルスの前記レーザ光を出射するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射された前記レーザ光を、増幅器及び減衰器を介さずに受光して前記被加工物に所定のフルエンスで照射するように集光する集光素子とを備えた請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
さらに、前記レーザ発振器から出射された前記レーザ光のうち反射により前記レーザ発振器に戻るレーザ光を防止する戻りレーザ光防止手段を備えた請求項２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
さらに、液体を収容する容器と、
前記被加工物を前記容器内の前記液体中に保持する保持部材とを備え、
前記移動手段は、前記容器及び保持部材、又は前記保持部材を前記レーザ光の光軸に対して交差する方向に移動させる請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記容器は、前記レーザ光の入射側に前記レーザ光を透過させる透過部を有し、
前記透過部は、前記レーザ光の前記レーザ発振器への反射を防止する反射防止膜が形成された請求項４に記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、実質的に被加工物に熱影響を与えない加工として、超短パルスレーザ加工が注目を集めている。超短パルスレーザ加工は、パルス幅が短い代わりに、１パルス当たりのエネルギーを非常に大きくすることによって、物質を加工するものであり、アブレーション加工と呼ばれている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
このアブレーション加工を行う一般的な従来のレーザ加工装置として、フェムト秒レーザ発振器から発振されたレーザ光を増幅器によって１パルス当たりのエネルギーを大きくしたものがある（例えば、特許文献２）。
【０００４】
このレーザ加工装置は、フェムト秒レーザ発振器から出射されたパルス幅が２５ｆｓ（フェムト秒）、１パルス当りのエネルギーが５ｎＪのレーザ光を、パルス伸長器、増幅器、パルス圧縮器により、パルス幅が４０ｆｓ、繰返し周波数１０Ｈｚ、１パルス当りのエネルギーが４０ｍＪに高強度化し、さらにフィルター及びレンズに通過させることにより、スポット径及びフルエンス（ｆｌｕｅｎｃｅ）が調整されて、スポット径約２００μｍ、フルエンス０．２Ｊ／ｃｍ２のレーザ光が得られ、このレーザ光をステンレス鋼（ＳＵＳ）等の被加工物に照射して微細加工を行う。
【特許文献１】特表２００５−５３３６５８号公報
【特許文献２】特開２００３−２１１４００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、微細な加工を高速に行うことができるレーザ加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、上記目的を達成するため、以下のレーザ加工装置を提供する。
【０００７】
［１］１パルス当たりのエネルギーが１００ｎＪ以下、繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上の超短パルスのレーザ光を被加工物に照射する照射手段と、前記照射手段から照射される前記レーザ光の光軸に略垂直な方向に前記被加工物を相対的に移動させる移動手段とを備えたレーザ加工装置。
【０００８】
［２］前記照射手段は、１パルス当たりのエネルギーが１００ｎＪ以下、繰り返し周波数が１０ＭＨｚ以上の超短パルスの前記レーザ光を出射するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から出射された前記レーザ光を、増幅器及び減衰器を介さずに受光して前記被加工物に所定のフルレンスで照射するように集光する集光素子とを備えた前記［１］に記載のレーザ加工装置。
【０００９】
［３］さらに、前記レーザ発振器から出射された前記レーザ光のうち反射により前記レーザ発振器に戻るレーザ光を防止する戻りレーザ光防止手段を備えた前記［２］に記載のレーザ加工装置。
【００１０】
［４］さらに、液体を収容する容器と、前記被加工物を前記容器内の前記液体中に保持する保持部材とを備え、前記移動手段は、前記容器及び保持部材、又は前記保持部材を前記レーザ光の光軸に対して交差する方向に移動させる前記［１］から［３］のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
【００１１】
［５］前記容器は、前記レーザ光の入射側に前記レーザ光を透過させる透過部を有し、前記透過部は、前記レーザ光の前記レーザ発振器への反射を防止する反射防止膜が形成された前記［４］に記載のレーザ加工装置。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に係るレーザ加工装置によれば、微細な加工を高速に行うことができる。
【００１３】
請求項２に係るレーザ加工装置によれば、構成を簡素化することができる。
【００１４】
請求項３に係るレーザ加工装置によれば、レーザ光の発振を安定化させることができる。
【００１５】
請求項４に係るレーザ加工装置によれば、空中で加工した場合と比較して加工で発生した屑等の飛末が被加工物に付着しにくくなる。
【００１６】
請求項５に係るレーザ加工装置によれば、反射防止膜を備えていない構成と比較してレーザ入射光の透過効率をより向上（レーザ光の通過損失をより抑制）することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るレーザ加工装置の概略の構成を示す図である。なお、同図中、Ｘ、Ｙ、Ｚは、互いに直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向（光軸方向）を示す。
【００１８】
このレーザ加工装置１は、一般に通信で使用されるような超短パルスのレーザ光３を出射する超短パルスレーザ発振器２を有し、レーザ光３の光路上に、ミラー４、光アイソレータ（戻りレーザ光防止手段）５、シャッタ６、集光レンズ（集光素子）７、および被加工物８が取り付けられる保持部材９を各々配置し、保持部材９を移動させるステージ駆動部（移動手段）１０と、シャッタ６及びステージ駆動部１０を制御するコントローラ１１とを有して構成されている。なお、超短パルスレーザ発振器２、ミラー４、光アイソレータ５、シャッタ６、及び集光レンズ７は、超短パルスのレーザ光３を被加工物８に照射する照射手段を構成する。
【００１９】
また、レーザ加工装置１の光学系では、超短パルスレーザ発振器２から出射されたレーザ光３は、レーザ光３の強度を高める増幅器やレーザ光３の強度を減ずる減衰器を介さずに集光レンズ７に到達する。
【００２０】
超短パルスレーザ発振器２は、１パルス当たりのエネルギーが１００ｎＪ以下の低エネルギーの超短パルスのレーザ光３を繰り返し周波数１０ＭＨｚ以上の高繰り返し周波数で発振するものである。なお、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、１パルス当たりのエネルギーとして、５０ｎＪ以下、２０ｎＪ以下等の他の値、繰り返し周波数として、２０ＭＨｚ以上、５０ＭＨｚ以上等の他の値を採用し得る。ここで、「超短パルス」とは、パルス幅が１０ｐｓ以下のパルスをいう。このような超短パルスを出射する超短パルスレーザ発振器２として、本実施の形態では、パルス幅がフェムト秒オーダの直線偏光（例えばｓ偏光）のレーザ光３を出射するフェムト秒レーザ発振器を用いる。
【００２１】
集光レンズ７は、レーザ光３が被加工物８の表面８ａ又はその近傍に集光するように、光軸方向（Ｚ軸方向）の位置が図示しない移動機構によって調整される。また、集光レンズ７は、フルエンス（ｆｌｕｅｎｃｅ）が最適な値となるように、倍率、焦点距離が選択され、これによりスポット径が例えば１〜１０μｍ程度となる。フルエンスとは、レーザ光の１パルス当りのエネルギーを照射面積で割って求めたエネルギー密度（Ｊ／ｃｍ２）をいう。被加工物８を加工可能な最小エネルギー密度（加工閾値）及び熱影響がほとんど生じない最大エネルギー密度は、被加工物８の材質によって異なる。なお、集光素子として、集光レンズ７の他に、被加工物８の向きを変更することで凹面鏡等を用いてもよい。
【００２２】
被加工物８は、シリコン、ＧａＡｓ等からなる半導体基板や、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属等を対象とすることができる。
【００２３】
保持部材９は、レーザ光３が通過するのに十分な大きさの開口９ａを有し、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等の樹脂、アルミニウム、ＳＵＳ等の金属から形成され、ステージ駆動部１０によってＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に移動可能となっている。なお、レーザ光３によって被加工物８に貫通穴を形成しない場合は、開口９ａを設けなくてもよい。
【００２４】
ステージ駆動部１０は、保持部材９を互いに直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に移動させる機構を備えるものであり、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向がＺ軸方向よりも高速（例えば、６００ｍｍ／ｓ）に移動可能なものを用いることができる。なお、ステージ駆動部１０は、光軸に垂直なＸ軸方向及びＹ軸方向に限らず、光軸に略垂直な方向（例えば、光軸に対して８０°〜１００°の方向）に保持部材９を移動させてもよい。また、ステージ駆動部１０は、保持部材９をＺ軸から偏心した軸周りに回転させる機構や、保持部材９をＺ軸方向に対して傾斜させる機構を備えていてもよい。
【００２５】
図２Ａは、光アイソレータの構成例を示す図である。この光アイソレータ５は、偏光面５０ａが垂直方向のポラライズビームスプリッタ（以下「ＰＢＳ」という。）による第１の偏光子５０と、フェラデー回転子５１と、λ／２板５２と、偏光面５３ａが水平方向の第２の偏光子５３とを備える。超短パルスレーザ発振器２から出射されたｓ偏光によるレーザ光３は、第１の偏光子５０をｓ偏光のまま通過し、ファラデー回転子５１により４５°偏光され、λ／２板５２により更に４５°偏光されてｐ偏光となり、第２の偏光子５３をｐ偏光のまま通過し、被加工物８側に向かう。被加工物８側からの戻り光は、ｐ偏光の戻り光のみが第２の偏光子５３を通過し、λ／２板５２により４５°偏光され、ファラデー回転子５１により−４５°偏光されてｐ偏光となるため、第１の偏光子５０を通過せずに別の方向に反射され、理論上超短パルスレーザ発振器２に戻らない。
【００２６】
図２Ｂは、光アイソレータの他の構成例を示す図である。この光アイソレータ５は、偏光面５４ａが垂直方向のＰＢＳによる第１の偏光子５４と、フェラデー回転子５５と、偏光面５６ａが４５°傾いた第２の偏光子５６とを備える。超短パルスレーザ発振器２から出射されたｓ偏光によるレーザ光３は、第１の偏光子５４をｓ偏光のまま通過し、ファラデー回転子５５により４５°偏光され、第２の偏光子５６を偏光面が４５°傾いたまま通過し、被加工物８側に向かう。被加工物８側からの戻り光は、偏光面が４５°傾いた戻り光のみが第２の偏光子５６を通過し、ファラデー回転子５５により−４５°偏光されてｐ偏光となるため、第１の偏光子５４を通過せずに別の方向に反射され、超短パルスレーザ発振器２に戻らない。なお、戻りレーザ光防止手段として、図２Ａ、図２Ｂのものに限定されない。
【００２７】
（レーザ加工装置の動作）
次に、レーザ加工装置１の動作を説明する。
【００２８】
超短パルスレーザ発振器２から出射されたｓ偏光のレーザ光３は、ミラー４で反射した後、光アイソレータ５を通過し、コントローラ１１によって開に制御されたシャッター６を通過し、集光レンズ７によって被加工物８の表面８ａに集光し、被加工物８にレーザ光３が照射される。一方、コントローラ１１によりステージ駆動部１０を制御して被加工物８を、例えば、Ｘ軸方向に１０ｍｍ／ｓで移動させる。これにより被加工物８上に、例えば、幅２〜６μｍ、深さ１〜６μｍの溝がＸ軸方向に沿って形成される。
【００２９】
レーザ光３を被加工物８に照射した際、レーザ光３が被加工物８や集光レンズ７等で反射した戻りレーザ光が超短パルスレーザ発振器２に向かうが、その戻りレーザ光が光アイソレータ５によって光路外へ反射されるため、戻りレーザ光が超短パルスレーザ発振器２に戻って超短パルスレーザ発振器２の発振モードが狂うということが無くなる。
【００３０】
［第２の実施の形態］
図３（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係るレーザ加工装置の概略の構成を示す図、図３（ｂ）は、容器の部分断面図である。なお、図３（ａ）中、Ｘ、Ｙ、Ｚは、互いに直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向（光軸方向）を示す。
【００３１】
本実施の形態は、被加工物８を水中でレーザ加工するようにしたものである。すなわち、本実施の形態のレーザ加工装置１は、図３（ａ）に示すように、第１の実施の形態と同様に、超短パルスレーザ発振器２、ミラー４、光アイソレータ（戻りレーザ光防止手段）５、シャッタ６、集光レンズ（集光素子）７、ステージ駆動部（移動手段）１０、及びコントローラ１１を有し、ステージ駆動部１０上に配置され、蒸留水等の水（流体）１２が収容される容器１３と、容器１３内の水１２中に被加工物８を保持する保持部材１９とを備える。また、この光学系では、第１の実施の形態と同様に、超短パルスレーザ発振器２から出射されたレーザ光３は、レーザ光３の強度を高める増幅器やレーザ光３の強度を減ずる減衰器を介さずに集光レンズ７に到達する。
【００３２】
保持部材１９は、レーザ光３が通過するのに十分な大きさの開口１９ａを有し、ＰＭＭＡ等の樹脂、アルミニウム、ＳＵＳ等の金属から形成され、容器１３に固定されている。なお、レーザ光３によって被加工物８に貫通穴を形成しない場合は、開口１９ａを設けなくてもよい。
【００３３】
容器１３は、図３（ｂ）に示すように、レーザ光３が入射する側に開口１３ａを有するＰＭＭＡ等の樹脂、アルミニウム、ＳＵＳ等の金属から形成され、開口１３ａに透光性を有するガラス、樹脂等からなる透光性窓（透過部）１４が設けられている。透光性窓１４のレーザ光３が入射する側には、レーザ光３の反射を抑制する反射防止膜としてのＡＲ（Anti Reflection）コート１４ａが形成されている。なお、開口１３ａ及び透光性窓１４を設けずに、容器１３全体が透光性を有するガラス、樹脂等から形成されていてもよい。
【００３４】
ＡＲコート１４ａは、光の干渉によって反射を抑制するものであり、例えば、屈折率の異なる薄膜（例えば、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２）を交互に積層することにより形成される。また、ＡＲコート１４ａは、レーザ光３の波長域（波長８００ｎｍ）における反射率が、例えば、０．２％以下と小さいものが好ましい。
【００３５】
なお、上記実施の形態では、ステージ駆動部１０は、容器１３を移動させたが、容器に対して保持部材を移動させてもよい。
【実施例１】
【００３６】
次に、本発明の実施例１について説明する。実施例１は、第２の実施の形態に対応するものである。
【００３７】
超短パルスレーザ発振器２として、パルス幅１００ｆｓ（フェムト秒）、出力パワー１．３Ｗ、繰り返し周波数８０ＭＨｚ、波長８００ｎｍ、１６ｎＪ／パルスのレーザ光３を発振するスペクトラ・フィジックス社製のチタンサファイヤーレーザ発振器を用いた。
【００３８】
図４は、被加工物８がシリコン（Ｓｉ）基板のときのフルエンスとビーム径との関係を示す図である。被加工物８の材質がＳｉのときの加工閾値は、図４に示すように、０．３４Ｊ／ｃｍ２であり、そのときのビーム径は、２μｍであるから、２μｍ以下となるように集光レンズ７の焦点距離、倍率を選択し、Ｚ軸方向の位置を定める。本実施例１では、焦点距離ｆ＝１０、倍率２０倍のものを用い、被加工物８をＸ方向に１０ｍｍ／ｓで移動させながら溝加工を行った。
【００３９】
（比較例１）
比較例１は、光源として、超短パルスレーザ発振器と再生増幅器とを用い、パルス幅１００ｆｓ、出力パワー０．８Ｗ、繰り返し周波数１ｋＨｚ、波長８００ｎｍのレーザ光をパワー減衰器によりマスク径１ｍｍ通過で０．１ｍＷに調整させ、０．１μＪ／パルスのレーザ光を出射させ、被加工物を１０μｍ／ｓで移動させた。
【００４０】
（比較例２）
比較例２は、光源として、実施例１と同じフェムト秒レーザ発振器を用い、集光レンズを用いずに被加工物にレーザ光を照射したが、フルエンスが加工閾値よりも小さいため、被加工物に溝を加工することはできなかった。
【００４１】
表１は、実施例１、比較例１、比較例２の比較結果を示す。
【表１】
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【００４２】
表１から、実施例１の上記構成により、比較例１と比較して微細な溝を速い加工速度で加工することができた。
【００４３】
［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々に変形実施が可能である。
【００４４】
例えば、上記各実施の形態では、溝を加工する場合について説明したが、基板を貫通するスリットや穴を加工する場合、面取りのような加工にも適用することができる。穴を加工する場合は、被加工物を光軸方向に移動させればよい。面取りのような加工をする場合は、被加工物を光軸に対して傾け、Ｘ軸方向又はＹ軸方向へ移動させればよい。
【００４５】
また、上記各実施の形態では、超短パルスレーザ発振器２から出射されたレーザ光３が増幅器や減衰器を介さずに集光レンズ７に到達する光学系を採用したが、最終的に所望のエネルギーの超短パルスを所望の繰り返し周波数で被加工物８に照射できるのなら、増幅器や減衰器を設けてもよい。例えば、ミラー４、集光レンズ７、又は透光性窓１４がレーザ光の強度を減ずる機能を有していてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係るレーザ加工装置の概略の構成を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、光アイソレータの構成例を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、光アイソレータの他の構成例を示す図である。
【図３】図３（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係るレーザ加工装置の概略の構成を示す図、図３（ｂ）は、容器の部分断面図である。
【図４】図４は、被加工物がシリコン（Ｓｉ）基板のときのフルエンスとビーム径との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  レーザ加工装置
３  レーザ光
２  超短パルスレーザ発振器
４  ミラー
５  光アイソレータ
６  シャッタ
７  集光レンズ
８  被加工物
８ａ  表面
９  保持部材
９ａ  開口
１０  ステージ駆動部
１１  コントローラ
１２  水
１３  容器
１３ａ  開口
１４  透光性窓
１４ａ  ＡＲコート
１９  保持部材
１９ａ  開口
５０  第１の偏光子
５０ａ  偏光面
５１  フェラデー回転子
５２  λ／２板
５３  第２の偏光子
５３ａ  偏光面
５４  第１の偏光子
５４ａ  偏光面
５５  フェラデー回転子
５６  第２の偏光子
５６ａ  偏光面
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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