(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１ピコ秒以下のパルス放射時間で空間的時間的なエネルギー密度の大きい光パルスを連続放射するレーザ発振器からのレーザ光によって、マスクのパターンを投影レンズにより、前記レーザ光波長に対して略透明な被加工物に投影して昇華加工するレーザ加工方法であって、
前記被加工物の内部に構造体を昇華加工するに際して、該加工での昇華気化によって生じる産物質を外部に放出するための放出口を予め形成した後に、
前記マスクパターンの投影像のフォーカスポイントを、前記加工の開始時において前記被加工物の前記レーザ照射と反対側の外形境界面に設定すると共に、該フォーカスポイント部分に前記レーザ光のエネルギー密度が所定アブレーション作用が発生する閾値以上となるように集光して照射し、
該レーザ光の照射によるアブレーション加工の進行と同期させて、前記被加工物をレーザが照射する方向に徐々に所定量ずつまたは所定速度で移動させ、前記レーザ照射と反対側の外形境界面側からレーザ照射側に挿引する形で前記被加工物に構造体を形成することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
前記構造体の加工に際して、前記放出口に接した位置から構造体を加工することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
前記レーザ発振器は、光伝播の空間圧縮装置を有しているレーザ発振器であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
前記光伝播の空間圧縮装置は、チャープドパルスを生成する手段と光波長分散特性を利用した縦モード同期手段を有することを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
フェムト秒レーザ光を投影レンズを介して前記フェムト秒レーザ光の波長に対して略透明な被加工物に投影して昇華加工するレーザ加工方法であって、
前記被加工物の内部に構造体を昇華加工するに際して、該加工での昇華気化によって生じる産物質を外部に放出するための放出口を予め形成し、
前記被加工物の前記フェムト秒レーザ光の照射と反対側の外形境界面に、前記フェムト秒レーザ光のエネルギー密度が所定アブレーション作用が発生する閾値以上となるように集光して照射を行い、当該フェムト秒レーザ光の照射によるアブレーション加工の進行とともに、前記フェムト秒レーザ光の照射側とは反対側の外形境界面側から前記照射側に挿引する形で前記被加工物に構造体を形成することを特徴とするレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を用いて被加工物に構造を形成するレーザ加工方法に関するものである。
また、さらにはマイクロマシン、またはＩＣおよびダイオードデバイス等の材料の微細加工に好適なレーザ加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、サブミクロンから１０ミクロンオーダーの微細な三次元構造体を加工する手段としては、通常、リソグラフィープロセスが用いられる。これによると、レジストコート、レジストパターニング露光、レジスト現像、レジストパターンを利用したエッチング、レジストアッシング等の一連のプロセスを踏んで構造体を加工する方法が採られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、サブミクロンから１０ミクロンオーダーの微細な三次元構造体を加工するに際して、上記したリソグラフィープロセスによる場合には、加工工程が複雑となることから、タクトタイムに対してコスト的な問題点が生じ、また生産設備投資が膨大になるといった問題点がある。またリソグラフィープロセスでは高アスペクト比の構造体の形成は非常に困難である。
【０００４】
そこで、本発明は、上記課題を解決し、リソグラフィープロセスのような複雑な加工プロセスを用いることなく、三次元の微細な構造体をシンプルで簡易な加工工程で実現できるレーザ加工方法を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、つぎの（１）〜（５）のように構成したレーザ加工方法を提供するものである。
（１）１ピコ秒以下のパルス放射時間で空間的時間的なエネルギー密度の大きい光パルスを連続放射するレーザ発振器からのレーザ光によって、マスクのパターンを投影レンズにより、前記レーザ光波長に対して略透明な被加工物に投影して昇華加工するレーザ加工方法であって、
前記被加工物の内部に構造体を昇華加工するに際して、該加工での昇華気化によって生じる産物質を外部に放出するための放出口を予め形成した後に、
前記マスクパターンの投影像のフォーカスポイントを、前記加工の開始時において前記被加工物の前記レーザ照射と反対側の外形境界面に設定すると共に、該フォーカスポイント部分に前記レーザ光のエネルギー密度が所定アブレーション作用が発生する閾値以上となるように集光して照射し、
該レーザ光の照射によるアブレーション加工の進行と同期させて、前記被加工物をレーザが照射する方向に徐々に所定量ずつまたは所定速度で移動させ、前記レーザ照射と反対側の外形境界面側からレーザ照射側に挿引する形で前記被加工物に構造体を形成することを特徴とするレーザ加工方法。
（２）前記構造体の加工に際して、前記放出口に接した位置から構造体を加工することを特徴とする上記（１）に記載のレーザ加工方法。
（３）前記レーザ発振器は、光伝播の空間圧縮装置を有しているレーザ発振器であることを特徴とする上記（１）または（２）のいずれかに記載のレーザ加工方法。
（４）前記光伝播の空間圧縮装置は、チャープドパルスを生成する手段と光波長分散特性を利用した縦モード同期手段を有することを特徴とする上記（３）に記載のレーザ加工方法。
（５）フェムト秒レーザ光を投影レンズを介して前記フェムト秒レーザ光の波長に対して略透明な被加工物に投影して昇華加工するレーザ加工方法であって、
前記被加工物の内部に構造体を昇華加工するに際して、該加工での昇華気化によって生じる産物質を外部に放出するための放出口を予め形成し、
前記被加工物の前記フェムト秒レーザ光の照射と反対側の外形境界面に、前記フェムト秒レーザ光のエネルギー密度が所定アブレーション作用が発生する閾値以上となるように集光して照射を行い、当該フェムト秒レーザ光の照射によるアブレーション加工の進行とともに、前記フェムト秒レーザ光の照射側とは反対側の外形境界面側から前記照射側に挿引する形で前記被加工物に構造体を形成することを特徴とするレーザ加工方法。
【０００６】
【発明の実施の形態】
上記構成を適用した本発明の実施の形態においては、１ピコ秒以下のパルス放射時間で空間的時間的なエネルギー密度の大きい光パルスを連続放射するレーザ発振器からのレーザ光を用いて、光アブレーション加工を行うレーザ加工方法において、レーザを被加工物に導光する光学系は、レーザ光にて照明されたマスクのパターンを投影レンズにて、レーザ光波長に対して略透明な被加工物に投影してパターンレーザ照射するものであって、前記マスクパターンの投影像のフォーカスポイントは、加工開始においては、前記被加工物の前記レーザ照射と反対側の外形境界面に設定して、かつフォーカスポイント部分のエネルギー密度を所定アブレーション作用が発生する閾値以上に集光して、レーザ照射によるアブレーション加工の進行と同期させて、前記被加工物をレーザが照射する方向に徐々に所定量ずつまたは所定速度で移動させて、前記レーザ照射と反対側の外形境界面側からレーザ照射側に挿引する形で、前記被加工物に構造体を形成することができるようにしたものである。また、このレーザ加工方法を用いて、微細三次元構造であるインクジェット記録ヘッドのインク通路構造等の加工に応用することも可能である。
【０００７】
なお、ここで用いられる上述したレーザは、「次世代光テクノロジー集成」（平成４年（株）オプトロニクス社発行、第１部要素技術；超短光パルスの発生と圧縮、２４頁〜３１頁）等に記載されているいわゆるフェムト秒レーザであり、このようなフェムト秒レーザによると、時間的エネルギー密度がきわめて大きく、またレーザ光の照射時間が非常に短いため、レーザ光が熱エネルギーとして被加工物内を拡散する前に昇華アブレーション加工プロセスを終了させることが可能となるため、加工形状は融解による変形が発生しないため高精度に加工ができるといった特徴がある。
例えば、汎用的に市販されている極短パルスレーザ発振器には、パルス放射時間が１５０フェムト秒以下、パルス当りの光エネルギーが８００マイクロジュールのものが存在する。即ち放射レーザ光のエネルギー密度は発振パルスにおいて約５．３ギガワットのレベルとなる。
【０００８】
上述レーザの特性によって、被加工対象材料においては、光吸収率の低い略透明な石英およびガラスまたは結晶においても、光エネルギー密度がギガワットの域に達しＹＡＧレーザと比べても１００倍以上のエネルギー密度となるため、エネルギーを時間的空間的に集中させることにより、局所的な加工が可能であって、略透明なガラスまたは石英および結晶であっても０．１〜１％程度の吸収があれば加工が可能となる。
ただし、内部加工を行うにおいて、昇華気化した被加工物材料を外部に放出するための気道を確保した上で行うものである。気道を確保しない場合、被加工物内部での昇華気体の圧が高くなり、被加工物が破裂またはクラックを発生する問題を生ずるためである。
【０００９】
また、レーザ光の光波長において透明な被加工物の内部にて被加工物のアブレーション加工閾値を超えたエネルギー密度以上に集光してはじめて昇華加工されるものであるが、現実的な加工閾値エネルギー密度は非常に高く、加工を引き起こすためには、つぎの条件（１）及び条件（２）の必要条件を満たしていなければならない。
条件（１）；被加工材料はレーザ光波長に対して透明であることによって被加工材料内部にレーザ光が侵入できることと、完全透過性であっては、（現実に完全透過はありえないが）レーザ光の吸収が起こらないことにより加工が起こらないため、レーザ光波長の光吸収率が０．１％程度以上は必要となる。
条件（２）；０．１％の光吸収率であっても昇華加工閾値エネルギー密度に到達するまでのレーザ光のエネルギー密度が必要である。
例えば、被加工材料にポリサルフォン樹脂を用いる場合、約１５メガワット／ｃｍ2のエネルギー密度の吸収がアブレーション加工閾値となっており、このエネルギー密度以上の領域で昇華加工が行われるため、実際に加工を行うためには、ポリサルフォンは可視光から近赤外線領域で無色透明で、レーザ光波長が７７５ｎｍの場合、光吸収率は約０．１％であるため、レーザ光の照射エネルギー密度は１５ギガワット／ｃｍ2のエネルギー密度を必要とすることとなる。
即ち、前述した極短パルス発振レーザにおいて、前記ポリサルフォンの内部加工のための１５ギガワット／ｃｍ2のエネルギー密度を得るためには、最大で６ｍｍ四方（３６ｍｍ2）の領域において同時加工が可能となる。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面にもとずいて説明する。
以下に本発明の要部である本実施例にかかるレーザ加工方法を詳細に説明する。図１は、本発明に係るレーザ加工方法を説明するための概略光路図である。
不図示の短パルス発振レーザ本体から図１中の太線矢印方向に放射されたレーザ光束１０１をズームビームコンプレッサ１１０に導き、所定光ビーム径に変換し、マスク照明レンズ１１１に導き所定収束角のレーザビームを形成し、マスク１のマスクパターン部分を照明する。次に、マスクパターンを通過したレーザ光は投影レンズ１１３によってパターン像をレーザ光波長において略透明な被加工物２にレーザが照射されてくる側と反対面に被加工物２を透過した状態で、フォーカス投影照射されレーザ発振によって、レーザの光エネルギー密度が所定アブレーション作用が発生する閾値以上に集中したフォーカス部分近傍においてアブレーション加工が開始される。このレーザ光の照射によるアブレーション加工の進行と同期させて同時に、被加工物２は不図示の自動ステージによる移動コントロールによって、図中細線矢印方向に徐々に所定量ずつまたは所定速度で移動させて、挿引する（引き込む）形で被加工物２はアブレーション加工が進行する。
所定形状がアブレーション加工された時点で、レーザ１０１の照射が停止されることで、被加工物２に所定形状の構造が形成される。
【００１１】
一例として、図２を用いて、高アスペクト比の円柱空洞形状の加工方法の概要を説明する。（ａ）図にて極短パルス放射時間（１ピコ秒以下）でレーザ光を放射する不図示のレーザ発振器から放射されたレーザ光束において、マスク１の円形パターンを通過し、被加工物２のレーザ照射側とは反対面（以後裏面と呼ぶ）に被加工物２を透過した状態で、アブレーション閾値よりエネルギー密度の高い状態でマスクパターンを投影結像させる状態でレーザ光束１００を照射する。このことによって、被加工物２は、エネルギーが集中した裏面においてのみアブレーション加工が開始され、このレーザ光の照射によるアブレーション加工の進行と同期させて同時に、被加工物２は不図示の自動ステージによる移動コントロールによって、徐々に所定量ずつまたは所定速度で移動され、最終的には（ｂ）図に示すような状態まで移動され、挿引する（引き込む）形で被加工物２はアブレーション加工されるため、フォーカスポイントのマスクパタン投影像の移動軌跡である円柱空洞形状が加工形成されることとなる。
【００１２】
以上の説明から明らかなように、レーザ光波長に対して略透明な被加工物は、挿引する（引き込む）形でアブレーション加工できるため、フォーカスポイントの移動距離に対しては、原理的な制約は発生しない。このため、本実施例のレーザ加工方法によると、レーザ光波長に対して略透明な被加工物に非常に高いアスペクト比の円柱空洞形状を加工形成することが可能であることにまして、マスクのパターンを任意に設定することによって、様々な柱形状の加工が可能となる。
【００１３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、短パルス発振レーザを用い、被加工物の内部に構造体を昇華加工するに際して、該加工での昇華気化によって生じる産物質を外部に放出するための放出口を予め形成した後に、マスクパターンの投影像のフォーカスポイントを、加工の開始時において前記被加工物の前記レーザ照射と反対側の外形境界面に設定すると共に、該フォーカスポイント部分にレーザ光のエネルギー密度が所定アブレーション作用が発生する閾値以上となるように集光して照射し、該レーザ光の照射によるアブレーション加工の進行と同期させて、被加工物をレーザが照射する方向に徐々に所定量ずつまたは所定速度で移動させ、前記レーザ照射と反対側の外形境界面からレーザ照射側の面方向に挿引する（引き込む）形で被加工物に構造体をアブレーション加工するように構成されているから、フォーカスポイントの移動距離に対して、原理的な制約が発生せず、レーザ光波長に対して略透明な被加工物に非常に高いアスペクト比の円柱空洞形状等を加工形成することが可能となるだけでなく、マスクのパターンを任意に設定することによって、様々な柱形状の加工が可能となる。したがって、本発明によれば、簡単な極短パルスレーザ照射工程によって、構造体を形成することができ、リソグラフィープロセスのような複雑な加工プロセスを用いることなく、三次元形状の構造体の微細加工が容易に可能となるレーザ加工方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係るレーザ加工方法を説明するための概略光路図。
【図２】本発明の実施例に係るレーザ加工例を説明する図。
【符号の説明】
１：マスク
２：略透明な被加工物
１００：レーザ光束
１０１：レーザ光束
１１０：ズームビームコンプレッサー
１１１：マスク照明レンズ
１１３：投影レンズ
【図１】
0003754857.tif 000002
【図２】
0003754857.tif 000003