ピコ秒レーザー加工による光学素子モールド成形用セラミック型材化技術の開発
芝浦工業大学 デザイン工学部
教授 相澤 龍彦
（平成 23 年度一般研究開発助成 AF-2011202）
キーワード：ピコ秒レーザー加工、セラミックス、グラシーカーボン、光学素子、モールド型、モールドプレス

１．研究の目的と背景

２．実験方法レーザー加工技術は，生産技術の一手段として定着しつ

2・1

レーザー加工システム

つあるが，なお CO2 レーザー・エキシマレーザーあるいは精密機械切削と同様に，精密な位置制御を基本とするレμｓ・ｎｓオーダーの固体レーザーが主流である．すでにーザー加工システムでは，グラナイト製の定磐上に加工シ

文献 1)で評価しているように，この種のレーザーは高エステムを構築する．㈱リプスワークスと共同で開発したピネルギー利用には適しているが，加工時の熱影響が大きく，コ秒レーザー加工システムの外観を示す．

微小孔加工においてすら，粉末のデポジットあるいは孔まわりの変形はさけられない．ここに，熱影響はほとんどない，ノンサーマルあるいはコールドレーザー加工の必要性がある．ピコ秒レーザーに代表される極短波長レーザーでは，すべての加工工程がアブレーションのみで生じ，アブレーション時の物質流動とレーザー光とが空間・時間軸上で干渉しないために，上記の熱影響はほとんど発生しない．
加えて，光路制御による多様な加工を実施できるため，通常では不可能な微細加工や多次元加工が可能となる．さらに，光の空間干渉の利用，位相差制御などを活用することで，機械的な除去加工では想定すらできない加工方法を開発することができる 2－4)．
DOE(Diffractive Optical Element)に代表される光学素図 1 開発したレーザー加工システムの外観．

子は，それぞれの素子機能・回折効果に応じて，その表面に微細パターンを転写形成させる．また共鳴構造・半波長採用したレーザーは，基本波出力が５０W ，パルスエネ構造の光学素子では，光の空間干渉を利用するため 3 次元

ルギーが 1 パルスあたり２５０μJ で，実測パルス幅が 8微細パターン構造を作成する必要がある．これらは，形状－10ps である．この発振条件をベースに，事前のマイク急峻度・パターンユニットの高アスペクト比など，従来のロパターン加工試験結果などを考慮し，後述するように試切削加工・熱レーザー加工では実現はほとんど不可能であ料の高精度位置制御，レーザービーム制御に加えて，ビーり，ここにもピコ秒あるいはフェムト秒レーザー加工の必ム回転機構を搭載することで，光学系を含むシステムを構要性がある．

築した．そのダイヤグラムを図 2 にまとめて示す．

ここでは，光学素子モールドプレス成形用のセラミック金型への，自在なマイクロテクスチュア形成を行う多次元

M4-Mirror

M3-Mirror

レーザー加工技術の確立を最終目標に，まずセラミック材へのレーザー加工実験を行い，その寸法精度を詳細に検討

M5-Mirror

M2-Mirror

する．特に 2 次元テクスチュアの配列性について調査し，Beam Expander

その精度を考察する。その上で，モールド成形用型材として，グラッシーカーボンを選択し，レーザー加工によるテクスチュア形成とモールドプレスによる転写成形実験をCCD
M7-Mirror(dichroic mirror)

M6-Mirror

M1-Mirror

行い，レーザー加工による型材作製の有用性を実証する。
さらにピコ秒レーザー加工における不安定性現象とそのX-Y Stage解決法についても言及し，これからの短波長レーザー加工のあるべき方向性を示唆する．

図 2 当該レーザー加工装置の光学系システム．

－ 116 －Monitor

2・3 レーザー加工パスデザイン

2 次高調波（SHG）への変換装置，ビーム拡大装置を常備するとともに，ビーム回転制御機構を設置することで，エ多次元マイクロパターン形成加工パスを設計する場合

ネルギー分布の少ない高品位のレーザーパルスを，スキャには，加工ステージの位置制御系ならびに回転制御系につナーを介して，被加工物に照射できる．加えて，レーザーいて最適化を行う必要がある．リニアモータ駆動の X-Y

光の入射角度を制御することで，高アスペクト比を有するステージでは，フルストローク（600ｍｍｘ450ｍｍ）にパターンの形成にも対応する．後述するように，高品質のおいて，実測した繰り返し位置決め誤差は 0.5μｍ以下でレーザービームを照射するためには，レーザー加工パスとあった．特に光学系に関しては，無収差光学レンズとして，ともにビーム品質の制御が不可欠となる．最後に，図 2屈折率分布を内部に有しているクラディウムレンズを用に示したビームラインでのレーザーパワーの伝送率を求い，後述する 1 次元マイクロパターン形成実験で，高精度める．図 2 より推察されるように，各ライン間・後述する化のための収差補正に利用した．

ビーム・ローテータおよび集光レンズなどにより，レーザ上記の制御系を基礎として，図 4 に示す加工パスを標準ーパワーロスが生じる．パワーメータで測定すると，基本として採用した。この加工パスでの精度評価を 1 次元マイ波で 21％，SHG で 39%のロスが生じる．基本波でのロス

クロパターン転写形成実験で行い，それを 2 次元マイクロがより小さいのは，図 2 におけるビーム反射コーティングパターン転写形成実験に応用した．などが，基本波に準じて設計されているためと考えている．
2・2 レーザービーム制御
多次元マイクロパターン転写形成加工を行うには，後述

光軸移動する加工パスの制御性に加えて，レーザービームの高品位化をはかる必要がある．ここでは，光学部品を搭載したスピンドルをサーボモータで高速回転させる，レーザービーワーク移動ムローテータを開発した．この装置の動作メカニズムを図3 に示す。
図 4 標準的なレーザー加工パスデザイン．

入射角度調整光学系

2・4 レーザー加工環境

回転半径調整光学系

工環境に影響を与える，除去加工時の温度環境効果につい超精密機械切削加工と同様に，除去加工時のレーザー加て述べる．一般に，環境温度が 1℃変化すると，１μｍの形状変化が生じると考えられる．実際の加工環境では，装集光光学系

置剛性の基準である定盤を中心とした加工雰囲気の温度変化が問題となる．
ここでは，長期的な安定性を実証するため，装置の各所に温度センサーを取り付け，清浄装置稼動下での温度履歴を測定した．加工ステージ近傍では，センサーの許容誤差内にとどまり，ほぼ 0.2－0.3℃以内の変動であった．24時間の連続運転時におけるすべての温度センサーの最大

図 3 ビームローテーションによる制御例．

変動幅は最大 1℃であり，加工環境下での温度変動の影響は十分に除去できたと考えている．

同図において，回転中に任意の角度，任意の回転半径に調整することで，熱影響部を最小にとどめ，高精度の加工を３．実験結果実現する．実際，低速領域（停止状態）から高速状態（5000ここでは，各種セラミック材料を対象に，円孔レーザーrpm）まで変化させた場合，静止時ならびに共振周波数時切削加工を行い，その精度に関して種々の角度から検討をを除き、最大振幅は 0.35μｍ以下であり，加工状態を乱行う．特にマイクロパターン形成で重要な繰り返し加工精さずに，レーザービームのみを制御できることを実証した．

度について考察し，本レーザー加工の基礎的データとした．

その上で，静止時との加工状態を比較すると，静止時にはさらに，グラッシーカーボンへの光学素子用マイクロパタ明瞭な熱影響部が観察されるのに対して，回転時にはほとーンへの形成と光学プラスチック材への転写成形により，んどその領域が検出できないことがわかった．

本技術が型材形成技術として有用であることを実証する．

－ 117 －

3・2 孔加工における高品質形状創成

3・1 孔加工における高精度転写形成

レーザービーム入射側では，最初に被加工物質へのエネ

レーザービーム形状が真円であれば，収差は生じないが，実際のレーザーには P 波と S 波の成分があるため，それルギー投入する際に生じるアブレ―ション時のプルームぞれの焦点位置が異なることによる，照射領域形状誤差がの拡がりの影響を受け，図 7 に示すような寸法不整（以下，生じる．このレーザー発振装置固有の非点収差は，加工まダレ）を生じる．

での伝送光学系、特に反射ミラーの面精度により制御できる．実際，反射ミラーの面精度が相対的に低下すると，焦点位置を挟んで上下位置で照射領域形状が，X 方向と Y方向で変化する．反射ミラーの面精度を向上させると，基本波・SHG ともに形状誤差はほとんど観察されなくなる．
すなわち，発信器から加工端までの光学補正により，レーザービームの高品位化を行い，形状制御性が促進されることがわかった．この点を実証するために，反射ミラー面精度の異なる条件で，高純度アルミナの大気中レーザー加工実験を行った．

20 m
図 7 被加工材入射側の寸法不整の例．

図 5 通常の反射ミラー面精度における加工例．

10 m
図 8 犠牲コーティング法による 1 次元パターン形成．
ここでは，１つの対策として犠牲コーティング法を用い，犠牲フィルムを介してマイクロパターン化することで，入射側の寸法不整を解消する方法を提案する．図 7 と同様に，SiC サンプルを用い，犠牲コーティング法による 1 次元パターン転写形成を行った．図 8 に示すように，ダレは解消し，形状寸法ともに不整のほとんどない孔加工なども実現

50 m
図６

でき，従来の機械的除去加工と同等あるいはそれ以上の精度で転写形成できることがわかる．

面性状を向上させた反射ミラーを用いた 1 次元パ3・3 種々のセラミックスのレーザー加工性ターン加工例．

レーザー加工が被加工材のアブレーションにより進行
図 5 に示すように，形状不整の影響を受けやすい，孔周するため，材質により加工条件は変化する．ここでは，こ囲が激しい凹凸状となり，アブレ―ションに伴う堆積物もれまでと同様に，Φ50μｍの 1 次元加工を行った場合の観察される．一方，反射ミラー面性状を向上させると，図レーザー出力の時間変化をパラメータに，４つのセラミッ6 に示すように，同一径の孔形状において，孔周囲形状もク材(アルミナ（Al2O3），窒化アルミ（AlN），炭化ケイ

孔内面も清浄化され，良好な細孔加工を行えることがわか

素（SiC），マシナブル・セラミックス)のレーザー加工性

る．

を比較した．この中で，マシナブル・セラミックスは複合－ 118 －セラミックスであり，粒界周辺がアブレーションしやすい

3・5セラミック型材作製

光学素子のモールド成形では，型への 2 次元あるいは 3と考えられるため，ほかのセラミックスと比較して，低出次元マイクロパターン形成が求められる．ここでは，その力でのレーザー加工が可能であると推察される．

第１段階として，深さ方向の加工パターン制御を行い、か25

つ 2 次元配列を行う．具体的には，グラッシー・カーボン

Al2O3型材（GC 材）への V 字マイクログルーブ形成を対象にしPower /W20て，ピコ秒レーザー加工特性について考察する．GC 材は15SiC10前述したように，高温耐熱性に優れているが脆性材であり，AlN

機械的な除去加工はきわめて困難である．このため，このMachinable
Ceramics

5種の炭素系素材を型材として利用するためには，当該レーザー加工技術は不可欠である．

0345678910Machining duration, s

図 9 各種セラミック材のレーザー加工性比較．
図 9 に示すように，ガラス系・複合セラミックス系＜共5 grooves
In 175 m有結合系＜イオン結合系の順に，投入パワーも加工時間も長くなることがわかる．これには，セラミック材への光エネルギーの吸収，アブレーション時におけるプルーム形成能などが反映しており，今後，計装化した加工装置を用いて，実時間での評価を行う考えである．すなわち，アブレーションとして蒸発していく物質が材質により大きく変化するため，それを直接計測することで，レーザー加工状
図 11態を診断することが求められる．

GC 材上に転写形成した V 字マイクログルーブパ

ターン．
3・4 2 次元配列制御性
円孔などの 1 次元パターンユニットを 2 次元配列する

図 11 に，GC 材上に V 字形状グルーブのパターンユニことではじめて，マイクロパターン転写形成となる．したットを形成したサンプルを示す．挿入図はＧＣ型材全体のがって，その配列制御性が最終的なマイクロパターンの精光学顕微鏡像であり，上下の平滑面の間にレーザー加工を度を決定する．ここでは，マシナブル・セラミックス（板施した．設計パターンユニットは，V 字グルーブ幅が 10ともに精度良く加工できていることがわかる．より詳細に

パターニングの加工パス数に対して計測した，形状誤差の分析するために，レーザー反射プロファイル計（三鷹光器変化を示す．

製・NP-3S）を用いて深さ分布を求めた．

Machining‐path

図 10

2 次元配列における各種誤差の変動．

Error /mμｍ，深さ 10μｍ，ピッチが 35μｍであり，幅・ピッチとして，2 次元配列パターニング加工を行った．図 10 に，Error /m厚：0.25ｍｍ）を用い，Φ30μｍの孔をパターンユニット

図 12 マイクロパターニングの深さ方向分布．
図 12 において，深さ方向の誤差は，目標深さに対して，例えば、真円度に関しては，その誤差は約１μｍ程度であり，2 次元配列時の変動はほとんど見られない．その他

最大で＋2μｍ、最小で－1μｍの範囲で加工されている．
また形状は目標の V 字形状を保持している．の寸法変動も 0.5μｍ以下であり，パターンユニットの高次に，レーザー出力，加工パスは一定で，目標の加工深精度を担保しておけば，2 次元配列時の誤差拡大はほぼゼさを変化させてマイクロパターニングを行い，設計加工深ロであると考えてよい．

さと実測の V 字成形グルーブの深さとを比較した．図 13に示すように，平均実測深さはほぼ目標値と一致するが，－ 119 －

アスペクト比（V 字グルーブ深さを V 字グルーブ幅で除と，両者は高精度で対応する凹凸関係を呈している．このした値）を大きくするにつれて，実測深さが目標値より小ことから，本成形装置により，微細パターンの高精度の転さくなる．これは，加工制御できる範囲での到達深さは，写成形ができることが実証された．以上より，型技術としほぼレーザー出力で決定されることを示唆している．したてピコ秒レーザー加工を用いて，機械除去加工では加工のがって，前述のようなビーム制御とともに，レーザー出力困難なセラミック型材に 2 次元マイクロパターン・マイク制御も行うことで，高アスペクト比でのマイクロパターンロテクスチュアを形成し，それを CNC 制御モールドプレ形成が可能となる．微小ポンチによる精密せん断プレスでス装置により，金属シート材・光学プラスチック材・光学は，アスペクト比が 1.0 程度であることと比較すると，レガラス材に高精度転写成形することで，種々の光学機能素ーザー加工によるマイクロパターン形成技術により，高ア子を創成することができる．

スペクト比のマイクロ加工が実施できることがわかる．

Measured depth of groove /m2018165‐Grooves
in 175 m

141210864200

図 13510152025

Designed depth of groove /m
アスペクト比の増加に伴う目標深さと実測深さと

図 14

CNC 制 御 モ ー ル ド プ レ ス で 転 写 成 形 し たの関係．

PMMA 材（厚さ：1mm）の高倍率光学顕微鏡写真．

3・6

４．考察

光学プラスチック材へのモールドプレス成形

光学素子のモールド成形では，型への 2 次元あるいは 3機械的除去加工のような工具を用いない，レーザー切削次元マイクロパターン形成が求められる．ここでは，レー加工では，レーザービームの照射条件・除去物質挙動（アザー加工により 2 次元パターン形成した GC 材を型材としブレーション挙動）などにより，加工挙動が支配される．て利用し，そのパターンを光学プラスチック材に転写成形

特に 1 次元パターン加工の典型である孔加工においては，した．

加工初期には厳格にコントロールされているレーザー加GC 材は室温では脆性材料であるが，優れた高温強度を工環境も，加工先端が深くなるにつれて不安定化すること有しており，本実験で用いる光学プラスチック材以外にも，が知られている 6，7)．実際，シリコンを用いた直接観察実

酸化物系ガラス材などへのマイクロパターン転写成形用

験によれば，図 15 に示すように，一定パワーで光学系をの型材として利用できる．特に，従来の金属型材ではモー制御せずに，パルス数を単調に増加させて，深孔加工を行

ルドプレス成形が困難な，成形温度が 700℃を超える温度った場合，所定のアスペクト比で制御不能になり，不安定領域での形材として有望である．

化する．これは，レーザーフォーカス位置がわずかに左右

このモールドプレス成形型材としての可能性を実証するために，研究者が開発してきた CNC 制御モールドプレにぶれるため，アブレーションが無制御状態で進行するために生じることによる．

ス成形装置ならびに成形方法 5)をベースとし，新たに開発

この現象を回避するためには，前述したように，パルスした真空モールドプレス成形装置を用いて，転写成形実験

入射角度，レーザービームの焦点制御などの光学系の制御を行った．

が重要となる．特に，ビーム・ローテータのように，パル実験では，PMMA（Poly-Methyl-Meta-Acrylate）を光ス照射位置・入射角度などを実時間で制御できる機構が有学プラスチック素材として用い，図 11，図 12 で示した，効となる．ここでは，研究者以外の実施例として，文献 8）

微小 V 字パターン転写形成した GC 材を，型として利用における光学制御系による高アスペクト比の孔加工例をした．標準成形条件（負荷荷重：１kN; 温度：ガラス転参照する．この論文では，光学系制御のレーザー孔加工精移点直上；保持時間：60ｓ）で転写成形した PMMA 材の度への影響を検討しており，孔径が本研究よりも大きいが，高倍率光学顕微鏡写真を，図 14 に示す．

孔加工の入口・出口の形状不整もほとんどなく，図 15 で

図 11 に示した GC 型材のマイクロ V 字パターンを，図14 の転写成形した PMMA 材の微細パターンと比較する観察された不安定性も抑制され，均一な孔加工が実施できたことを報告している．

－ 120 －

に生じる無制御アブレーション現象を抑制し，形状・寸法不整を解消する有効な手段となることが理解された．特に，
文献 6－8)で対象としている，比較的大きな孔径よりも，本研究のように，１次元パターニングで扱う小径グルーブ
では，この不安定性が顕著になると想定される．しかし，上述のように全く不安定性は観測されず，高い孔加工精度を示したことは，したがって，パルス時間で限定される理論限界値にまで微細な 1 次元パターンニングを行うには，Number of pulses N / x100

光学系の多様な制御が必須となることを実証している．

図 15 深孔加工におけるレーザー加工の不安定性．

５．結論
文献 9) に詳細に述べたように，本実験では，前述した

本研究開発により，セラミック型材へのレーザー加工にレーザー加工による 1 次元孔配列に対して、シリコーン樹よる多次元マイクロパターン技術の基礎を確立した．この脂を流入させ，固化したシリコーン樹脂を加工孔のレプリ基礎に立って，次世代光学素子用の多次元マイクロパターカとして用い，上記不安定性の発生ならびに孔加工精度にン形成を目指し，サブピコ秒レーザー加工・フェムト秒レついて検討した．

ーザー加工の研究開発も着手している．特に，レーザー加工中に，深さ方向に出現する新生面・新稜線のシャープネ
スに留意し，ホログラム技術を利用した光学系制御方法とレーザー加工パスの最適化を行い，位相制御レーザー加工技術の開発を急いでいる．
レーザーテクスチュア技術は，すでに摩擦摩耗低減あるいは接合強度向上など，手面的な応用を進めており，本研究成果を今後とも十分に活用していきたい．

謝辞

レーザー加工実験では，芝浦工業大学・黒住氏，伊藤君，佐藤君，㈱リプスワークス・井ノ原氏，小俣氏，三本松氏，古守氏の協力を得た。ここに深謝を述べる。

参考文献
1)相澤龍彦・井ノ原忠彦：芝浦工業大学研究報告理工学編,
56-1 (2012) 17-26.
2) T. Aizawa, K. Itoh, T. Inohara: Proc. 6th ICOMM
Conference (2011) 77-82.
3)相澤，㈱リプスワークス: 特願 2011－212046（2011）．
4) T. Aizawa, T. Inohara: 7th ICOMM Conference (2012)
66-73.
5) T. Aizawa, K. Itoh, T. Fukuda: Proc. 10th ICTP
Conference (2011) 1097-1102.
6)

S.

Doering,

SoerenRichter,

S.

Nolte,A.

Tuennermann: Optics Express 18 (2010) 20395-20400.
図 16 当該レーザーマイクロテクスチュア法における孔7)

S.

Doering,

SoerenRichter,

S.

Nolte,A.

Tuennermann: Proc. SPIE 7925 (2011) 792517-1 – 8.

加工精度を評価するシリコーンレプリカ．

8) D. Ashkenasi, N. Mueller, T. Kaszemeikat, G. Illing:
図 16 に示すように，一定の条件で連続 1 次元孔加工をJLMN-J. Laser Micro / Nano-engineering. 6 (19)

行っても，孔深さは一定を保持し，側面形状も良好であることがわかる．

(2011) 1-5.
9) 経 済 産 業 省 : 戦 略 的 基 盤 技 術 高 度 化 事 業 報 告 書

以上より，本研究における 1 次元パターニング加工の結果からも推察されるように，ビーム・ローテータによるレーザービーム制御が，高アスペクト比でのレーザー加工中－ 121 －（2012）.