フェムト秒レーザーを用いた三次元金属加工機
独立行政法人理化学研究所 固体光学デバイス研究ユニット
ユニットリーダー 和田智之
（平成１５年度研究開発助成 AF-2003005）
キーワード：フェムト秒レーザー、レーザーアブレーション、微細加工

１．はじめに

2・1

レーザー発振器

近年，超短パルス光源として注目されるフェムト秒レ

非熱的な加工を行うには，サブピコのパルス幅を有すーザーの技術改新が進み，レーザーを専門としない人もるパルスレーザーが必要となる．本研究では，安定性，取り扱えるようになり，加工においても次第に利用され

メ イ ンテ ナ ン ス の容 易 さ を考 慮 し ， Clark-MXR 社 製 のるようになっている．このレーザーは，熱緩和時間よりCPA-2001 を選定した．本レーザーの基本スペックを表１

もパルス幅が短く高ピーク出力を有するため，多光子吸に示す．

収を利用して材料を選ばず，非熱的にビーム径に匹敵する微細加工が行える．これらの理由により，フェムト秒

表１

レーザー加工は，機械加工やこれまでの熱により金属をパルス幅150fs溶融させるレーザーによる熱加工とは一線を画した新しい加工法として注目されている。
フェムト秒レーザーの加工では、多光子吸収を利用してフェムト秒レーザーの基本性能

中心波長775nm

繰り返し周波数1kHz

平均出力800mW

光のエネルギーを加工材料に効率的に伝送することができ、さらに、光のパルス幅が熱の拡散速度に比べ短いこ2・1

光学系とから，材料を限定しない微細加工ができることで注目ワークの種類および加工形状により，加工条件が変わを集めている。本研究では、材料ごとの加工特性に関することは容易に推測できる．その中に当然，レーザー出る詳細なデータを取得し、さらに、CAD データとリンク力は含まれる．レーザー発振器の方で，出力を変化させした制御ステージとレーザー制御により、フェムト秒レることはできるが，ビームの品質，安定性の問題からこーザーを用いた３次元微細形加工技術の開発を目的としの方法で出力を制御することは望ましくない．そこで，て研究を進めた。

本研究では，出力を制御するための光学系（アテネーター）を採用した．本研究で用いる加工装置では，λ/２板，２．実験装置及び加工方法

グランレーザープリズムの対でアテネーターを構成して本研究では，はじめに示したように，マイクロスケーいる．また，レーザー光照射の位置制御のため，最小分ルの微細な３次元形状の構造物を作成することを目的と解能 10ms のメカニカルシャッターを導入している．なお，している．そのスケールは，ミリメートルからセンチメ

本研究で用いるレーザーは繰り返し周波数 1kHz で作動ートルの大きさの材料を想定している．加工装置の概略するため，最小分解能の間に，１０発のレーザーパルスを図１に示す。本研究で開発しているフェムト秒レーザをワークに照射することになる．境界の加工精度を高め

ー加工システムは，レーザー発振器，光学系，ステージるために，理想的には，パルスを１発毎に制御できる応により構成されている．

答速度を有する高速シャッターを導入する必要がある．
しかしながら、本報告では，フェムト秒レーザーによるMirror

Mirror境界よりはむしろ加工面の粗さを評価するために，シャッターの応答速度による依存性はほぼ皆無と考えられる．

Grand Laser Prism
Half Wave Plate
Femtosecond Laser
150 fs, λ=775 nm

Mechanical Shutter

そのため，本加工システムで採用したメカニカルシャッ

Apperture

ターのような応答速度のシャッターを用いて，問題ない

Focusing Lensと言える．フォトン密度を高め，加工速度を上げるため

Substances
Linear Stageに，焦点距離 50mm の平凸レンズを用いた．

NC UnitPC

図１

フェムト秒レーザー加工装置の概略図

2・3

加工ステージ

本実験では，ソディック製の３軸リニアステージを使用した。その基本性能を表２に示す。現行のシステムでは，同時多軸に制御はできないため，直線加工しかでき

図３は，ステージの走査速度を 0.5mm/sec に固定し，出ない状況にあるが，本研究では直線の溝加工を重ね合わ力による加工部周辺のワーク（銅）表面状態の違いを示せて，三次元形状の作成を行うので，現行で全く問題はす．これより，照射レーザー出力が 10mWと小さい場合，ない．また，本装置では，サブミリのスケールから，数加工周辺部にはほとんど影響を与えないが，30mW になセンチのワークまで加工できるように，比較的大きなスると，表面に大きな影響を与えることがわかる．ステー

テージを搭載している．また，ステージ自体の真直度はジの走査速度を小さくした場合にも，この影響は顕著に1.5 ミクロンほどしかない．これでは，マイクロ構造物なることから，加工中に発生するプラズマによる熱影響を作成する十分な精度を有しない．そこで，数値的に補によるものと思われる．

正を加えることにより，300 ナノまで真直度を高めている．この程度の精度があれば，上記の手法を用いて，マイクロスケールの構造物を作成できる能力を有すると考えられる．
表２ ３軸リニアステージの基本性能
真直度
0.3µm 1.2µm 0.3µm
ストローク100mm

スケール分解能
テーブルサイズ2・4100mm

20mm

10nm
180mm

180mm(a)10mW,0.5mm/s

加工方法

レーザーを用いて，三次元形状の加工物を作成する方法には，光造形法がある。本研究では，図２のように，光造形法を真似て，レーザービームを直線状に照射して，溝加工を行い，それを重ね合わせ，面加工を行い，等高線状に面加工を重ね合わせ，三次元の構造物を作成する手法を試みた。光造形法では，樹脂を硬化させるためにレーザーを照射するが，本手法では不要部分を除去するために，レーザーを照射する違いがある．
Pitch(b)30mW,0.5mm/s
図３

図２

３次元微細形状加工手法

３．実験結果及び考察
本章では，金属材料の代表として銅，結晶性材料としてサファイア，アモルファス材料の材料としてガラスの溝加工，面加工の加工特性を評価した。
3・1

溝加工特性（銅、サファイア、ガラス）本研究で提案する３次元微細加工は，溝加工を重ねて行う．従って，溝加工の大きさ，溝周辺に与える影響が３次元微細形状加工をする際の重要な要因となる．そこで，銅，サファイア，ガラスの加工特性を調査した．いずれのワークも溝加工前に研磨を施し，ワーク表面に，焦点位置がくるようにステージの高さを調整し，レーザー加工を行った．図３，４，５は，銅，サファイア，ガラスの溝加工の代表的な表面状態を示すＣＣＤ画像である．

銅の溝加工

図４は，出力を 50mW に固定し，ステージの走査速度の違いによる加工部周辺のワーク（サファイア）表面状態の違いを示す．これより，走査速度が 0.1mm/s と小さい
場合，加工周辺部にクラックが見られるが，1mm/s と大きくすると，クラックの発生が見られない．サファイアの場合，出力が 10mW に抑えても，走査速度が 0.1mm/s の場合，クラックが起きる．このことから，加工中に発生した衝撃波により，クラックが起きたものと思われる．
図５は，サファイアの場合と同様に，出力を 50mW に固定し，ステージの走査速度の違いによる加工部周辺のワーク（ガラス）表面状態の違いを示す．これより，ガラス加工では，サファイア加工とは違い，走査速度の違いによりクラックの発生は確認できないが，走査速度が小さい方が，溝と表面の界面状態は鮮明である．ガラスの場
合，出力を 20mW，走査速度を 0.1mm/s として加工すると，図５(b)のように，境界が不鮮明になる．このこと

から，できるだけ周辺に影響のない溝加工を行うためには，金属材料の場合，出力を抑え，走査速度を高める必要があり，結晶性材料の場合，出力よりも走査速度に対する影響が顕著であり，走査速度を高める必要があり，アモルファス材料の場合，出力を高めに走査速度を遅くする必要があることがわかる．微細加工を行うためには，表面状態の他に，溝の大きさが重要な要因となる．そこ
で，溝の深さの走査速度，出力依存性を調査した．図６に銅，サファイア，ガラスの溝深さの走査速度，出力依存性を示す．いずれの材料に関しても溝深さのレーザー
強度依存性評価の場合、走査速度を 1mm/sec に固定して(a)50mW,0.1mm/s

おり、走査速度依存性評価の場合、出力を 20mW に固定した。これより、いずれの材料に関してもレーザー強度と溝の深さには、比例関係があり、サファイア、ガラスの場合、10mW のレーザー光を照射しても、全く加工できないことがわかる。これより、加工閾値は、銅はサファイア、ガラスに比べて低いことがわかる。走査速度と溝の深さの関係は、銅、ガラスの場合、速度が小さくなる
につれ、指数関数的に溝の深さが大きくなるが、サファイアの場合、一定の深さになる傾向があることがわかる。
また、走査速度が 0.1mmsec の場合、加工速度は、サフ
ァイア、銅、ガラスの順に加工速度が高くなるが、走査(a)50mW,1.0mm/s
図４ サファイアの溝加工速度が 0.5mmsec の場合、銅、ガラス、サファイアの順に加工速度が高くなることがわかる。以上のから、加工速度は、加工条件、材料により、顕著に変化するといえる。故に、加工を行う場合、これらの事柄を踏まえながら、加工条件を割り出す必要がある。
３．２

面加工特性（銅，サファイア，カバーガラス）

前節で，溝加工の特徴を紹介した．次に，溝加工を重ね合わせ，面走査を１回した場合の表面の状態が問題となる．そこで，銅（出力 20mW，走査速度 1mm/s），サファイア（出力 20mW，走査速度 0.5mm/s），カバーガラス（出力 20mW，走査速度 1mm/s）を，ピッチ幅（7.5，10.0，15.0µm）で面加工を行った．いずれの場合も溝幅が約３０ミ(a)50mW,0.1mm/s

クロンとなるように加工条件を設定した．
表３に加工結果を示す．これより，銅は本研究で行った中で最も表面粗さが小さく，ピッチ幅を溝幅の 10.0µmとした場合に一番粗さが小さくなっている．一方，サファイアやガラスの場合，ピッチ幅が小さくなるほど表面粗さが小さくなっていることがわかる．
また，図７に示すように，サファイアの場合，ピッチ幅を溝幅の 10.0µm ではクラックが入らないが，7.5µm にするとクラックが入った．銅やガラスでは，ピッチ幅を小さくしてもクラックは入らなかった．これより，金属系の材料は，面粗さを小さくするために，ピッチ幅を適当な値に設定する必要があり，無定形材料の場合，ピッ(b)50mW,1.0mm/s
図５ ガラスの溝加工

チ幅を小さくして，加工する必要性のあることがわかる．
また，結晶性材料の場合，クラックの発生を考慮にいれながら，ピッチ幅を設定する必要があることがわかる．

(a-1)レーザー強度と溝の深さの関係（Cu,1mm/s）(b-1) レ ー ザ ー 強 度 と 溝 の 深 さ の 関 係 （ サ フ ァ イ ア ,(a-2)レーザー強度と溝の深さの関係（Cu,20mW）(b-2)走査速度と溝の深さの関係（サファイア,20mW）

1mm/s）(c-1)レーザー強度と溝の深さの関係（ガラス,1mm/s）(c-2)走査速度と溝の深さの関係（ガラス,20mW）

図６ 各種材料の溝加工特性

れより，加工境界には，わずかな変質部が確認できる．
これは，アブレーションの際発生するプラズマにより変質したものと思われる．図８(b)は、図８(a)の領域１を走査型レーザー顕微鏡で撮影した３次元の形状画像である．これより，加工部周辺部にはテーパー部ができ，キャビティの底部は，非常に滑らかな面が作成されることがわかる．従って，本稿で提案した手法を用いて，微細な三次元形状加工を行えるといえる．

図９に面走査回数とキャビティーの深さの関係，面走(a)20mW,0.5mm/s,7.5micronpitch(a)CCD画像(b)20mW,0.5mm/s,10.0micronpitch
図７

サファイアの面加工

表３

表面粗さ

ピッチ幅

銅サファイアガラス

7.5µm421nm

600nm488nm10.0µm

355nm598nm641nm15.0µm

383nm888nm736nm３．３(b)走査型共焦点レーザー顕微鏡画像

面走査加工特性３次元加工を行うには，面走査を重ね合わせが必要になる．そこで，面走査を複数回重ね合わせることにより，三次元微細形状を作成できる可能性はあるのか，また可能であるならば，面走査数と表面粗さ，面走査数と深さの関係が３次元形状を行う基本的な情報となる．
前節で銅の場合、ピッチ幅が 10 ミクロンの場合、面粗さが小さくなることを示した．そこで，サンプルは銅，レーザー出力 20mW，スキャン速度は 1mm/s，ピッチ幅は１0 ミクロンの条件で，400 ミクロン

400 ミクロンの範囲で面走査を複数回行い，キャビティを作成した．
５面走査した場合の，ＣＣＤカメラで撮影した画像を
図８(a)に示す．下から上に走査して加工を行い，左から右へと溝加工を重ね合わせて面走査を行っている．こ

図８ 銅のキャビティ加工（Cu,20mW,1mm/sec,10µmpitch,５面加工）
査回数とキャビティー底部の表面粗さの関係を示す．これより，面走査とキャビティーの深さには，比例関係が成り立ち，また表面粗さは面走査数の増加とともに悪くなることが分かる．これより，面走査を制御することにより，３次元微細形状の作成が容易に制御できることが分かる．

µm]

Depth of the cavi
100Number
8060402000
108642of face scanning

４．まとめ
本報告では，フェムト秒レーザーによる銅、サファイア、Surface roughness [nm]

ガラスの溝加工、面加工特性を調べ、３次元微細加工の1000Number
800
600
40020000
108642of(a)面走査数とキャビティーの深さの関係
face scanning

可能性を検討した。本研究を通じて、以下のような結果を得ることができた．
1)材料により、加工特性は大きく変わる。
2)走査速度、レーザー出力により、大きく加工速度が変化する。
3)溝加工において、溝の深さはレーザー出力と比例関係がある。
4)面走査過程において、キャビティーの深さは、面走査数と比例関係がある。5)本加工システムを用いて、３次元微細形状加工を行うことは可能である。

謝辞

本研究を行うに当たり天田金属加工機会技術財団より多大なる助成をいただいたことに感謝いたします。
(b)面走査数とキャビティー底部の表面粗さの関係
図９ 銅の面走査加工特性(Cu,20mW,1mm/sec,10µmpitch)