CN1610597A - 利用激光的透光材料的加工方法及透光材料加工物 - Google Patents

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Abstract

做成使光吸收层2与透光材料1的加工面接触的状态，将激光LB通过光吸收层2照射到透光材料1的加工面上，以此来实施利用激光LB的透光材料的加工。在将规定能量的脉冲状激光LB多次断续照射时，随着激光的重复照射，光吸收层2的加工孔的深度逐渐增大，并形成通孔2a，同时通孔2a的下端口径慢慢扩大。在加工孔深度逐渐增大及通孔2a的下端口径慢慢扩大的过程中，由光吸收层2吸收的能量变换成热能，利用在透光材料1与光吸收层2的界面BF上产生的热能对透光材料1的加工面开始进行孔加工，同时孔1a的尺寸及深度渐渐增大。

Description

利用激光的透光材料的加工方法及透光材料加工物
技术领域
本发明涉及利用激光来加工光吸收少的玻璃和透明树脂等透光材料的方法，以及利用激光加工的透光材料加工物。
背景技术
作为在光吸收少的玻璃和透明树脂等透光材料上照射激光以进行加工的方法，提出了下述(1)至(3)的方法。
(1)在使含有金属离子的溶液与透光材料的背面接触的状态下，将激光照射到透光材料的表面，在含金属离子的溶液接触的透光材料的背面进行开孔开加工方法。
(2)在含有金属离子的光学晶体的表面设置金属吸收层或有机物吸收层，对吸收层进行激光照射，使在光学晶体的表面生成激光吸收率高的变质层，并且，对该变质层进行激光照射，由此对光学晶体进行加工的方法。另外，在含有杂质的玻璃表面涂布含金属离子的溶液或有色，对含金属离子的溶液或有色浆料进行激光照射，以在玻璃表面生成激光吸收率高的变质层，并且，对该变质层进行激光照射，由此对光学晶体进行加工的方法。
(3)在透光材料的表面设置光吸收层，通过透镜进行激光照射，以在光吸收层与透光材料的境界面上结成焦点，由此对透光材料进行雕刻的方法(日本国的特开平9-192857号公报)。
但是，所述(1)的方法，是将激光照射到透光材料的表面，利用透过透光材料的激光来加工透光材料的背面的，所以加工本身难于控制，加工形状也有限制。
所述(2)和(3)的方法，由于是利用激光在透光材料的表面生成激光吸收率高的变质层后再对该变质层照射激光以进行加工的，所以不能生成所述变质层的材料，如石英玻璃等是不能用作为加工材料的。并且，还需要高能量的激光，所以不管透光材料的材质、厚度如何，由激光照射后有可能产生裂缝。
本发明的鉴于所述情况而产生的，其主要目的是提供不拘泥于激光的种类及透光材料的材质等，可用低能量的激光正确地对透光材料进行所需加工的方法，以及用激光加工为透光材料加工物。
发明内容
本发明的透光材料的加工方法是利用激光的一种加工方法，具有这样的特点，将激光通过光吸收层照射到透光材料的加工面，由此在加工面上形成孔或槽。上述光吸收层对上述激光的吸光系数为d时，上述光吸收层的厚度比由1/d表示的激光进入深度要大。利用该加工方法，可不拘泥于激光的种类和透光材料的材质等，由低能量的激光正确地对透光材料进行所需要的加工。
本发明的透光材料加工物是通过光吸收层使激光照射在透光材料的加工面上以进行加工的透光材料加工物，其特点是，加工部分的光透过率为非加工部分的光透过率的5％以下。利用该透光材料加工物，可作为控制激光透透的光学器件而发挥出优异的功能。
附图简单说明
图1(A)和图1(B)表示第1加工方法说明图。
图2(A)和图2(B)表示第2加工方法说明图。
图3(A)和图3(B)表示第3加工方法说明图。
图4(A)和图4(B)表示第3加工方法变形例。
图5(A)和图5(B)表示第4加工方法说明图。
图6(A)和图6(B)表示第5加工方法说明图。
图7(A)和图7(B)表示第6加工方法说明图。
图8(A)和图8(B)表示第7加工方法说明图。
图9(A)和图9(B)示出了具有吸光系数不同的多个部分的光吸收层。
发明的最佳实施形态
图1(A)和图1(B)示出了第1加工方法。图中，符号1为作为加工对象的透光材料，符号2为设置在透光材料1的加工面上的光吸收层，符号LB为对吸收层2照射的激光。
透光材料1由激光LB吸收少的材料，如石英玻璃、硼硅玻璃、铝硅玻璃、碱石灰玻璃、无碱玻璃，聚碳酸酯、丙烯酸类树脂、氟化乙烯树酯等塑料，以及水晶、CaF、兰宝石、SiC、GaN、金刚石等晶体构成。此外，利用光散射等的不透明的氟化乙烯树酯和玻璃等也相当于激光LB吸收少的材料。
光吸收层2由对激光LB具有规定吸光系数α的材料构成，例如，可为在热可塑性塑料中从聚甲基丙烯酸甲酯(DMMA)、聚乙烯(PE)、聚酰亚胺(PI)等选择的一种塑料，从SiO2、Al2O3、CaO2、Na2O、B2O3、SiC、Si3N4、B4C、TiO3、BeO、AlN、MgO、BaTiO、BrTiO3、ZnO、SnO2、CrO2及Fe2O3等选择的至少含有一种的陶瓷，或含有与该陶瓷相同的陶瓷粉末的浆料膜或其开燥膜，从Au、Ag、Pt、Pd、Ni、Cu、Fe、Al等选择的至少含有一种的金属，或含有与该金属相同的金属粉末的浆料膜或其干燥膜，以及含有碳或碳粉的浆料膜或其干燥膜。
用上述的塑料形成光吸收层2时，可使用将预先成形的膜状塑料附设在透光材料1的加工面上的方法，或使用将加热石流动的塑料涂布在透光材料1的加工面上，固化后形成膜的方法。
用上述陶瓷形成光吸收层2时，可使用将预先整形的片状陶瓷附设在透光材料1的加工面上的方法，或使用这样的方法，交陶瓷粉末、有机结合剂和有机溶剂作为必须成分，根据需要添加分散剂和可塑剂，将这样得到的浆料涂布在透光材料1的加工面上，进行烧结以形成膜。顺便提一名，有机结合剂可从丙烯酸树酸、酚醛树酯、醇酸树酯、松脂及各种纤维素等中至少选用一种，有机溶剂可从乙醇类、碳氢化合物类、醚类及酯类等中至少选用一种。
另外，在用含有上述陶瓷粉末的浆料膜形成光吸收层2时，可使用将上述浆料涂布在透光材料1的加工面上以形成膜的方法。在用上述含有陶瓷粉末的浆料干燥膜形成光吸收层2时，可使用将上述浆料涂布在透光材料1的加工面上，并使该涂膜干燥的方法，或使用将上述浆料涂布在塑料薄膜上、干燥后得到的片状物质再附设在透光材料1的加工面上的方法。
在用上述金属形成光吸收层2时，可使用将预先成形的片状金属附设在透光材料1的加工面上的方法，或通过蒸发或溅射等薄膜成形方法将碳膜直接形成在透光材料1的加工面上的方法，或使用这样的方法，将碳粉、上述相同的结合剂及上述相同的溶剂作为必须成分，其中加入适量的添加剂，将这样得到的浆料涂布在透光材料1的加工面上，进行烧结以形成膜。
另外，在用上述含有碳粉的浆料膜形成光吸收层2时，可使用将上述浆料涂布在透光材料1的加工面上以形成膜的方法。在用上述含有碳粉的浆料干燥膜形成光吸收层2时，可使用将上述浆料涂布在透光材料1的加工面上并使该涂膜干燥的方法，或使用将上述浆料涂布在塑料薄膜上、干燥后得到的片状物质附设在透光材料1的加工面上的方法。
另外，上述光吸收层2也可以含有后述的调节吸光系数α用的吸光数调节剂，例如无机颜料等色素，铜等金属粉末及碳粉中的至少一种。
激光LB为He-Ne激光，Ar离子激光、CO2激光、受激光准分子激光等气体激光，YAG激光等固体激光，或从半导体激光器发出的激光，通过图示省略的光学系统照射到光吸收层2上。
利用激光LB的透光材料1的加工是这样实施的，如图1(A)所示，形成使光吸收层2与透光材料1的加工面相接触的状态，如图1(B)所示，将激光LB通过光吸收层2照射到透光材料1的加工面上。
作为激光LB的照射方法，可采用将规定能量(输出X照射时间)的脉冲状激光LB多次断续照射的方法和将规定输出的激光LB按规定时间连续照射的方法中的其中一个方法。
在将规定能量的脉冲激光LB通过光吸收层2多次断续地照射到透光材料1的加工面上时，随着激光的重复照射，光吸收层2的加工深度逐渐增大，形成图1(B)虚线所示的通孔2a，同时通孔2a的下端口径慢慢扩大，在加工孔的深度逐渐增大及通孔a的下端口径慢慢扩大的过程中，被光吸收层2吸收的能量变换成热能，利用在透光材料1与光吸收层2的界面BF上产生的热能开始对透光材料1的加工面进行孔加工，同时慢慢地加深和扩大孔1a。在光吸收层2上形成了通孔2a后，激光LB的一部分通过该通孔2a直接照射到透光材料1的加工面上。由于对于透光材料1的加工主要是利用在透光材料1与光吸收层2的界面BF上产生的热能来实现的，所以直射激光LB只不过是辅助性的用于上述加工中的。
另一方面，在将规定输出的脉冲激光LB通过光吸收层2以规定时间连续地照射到透光材料1的加工面上时，随着照射时间的经过，光吸收层2的加工深度逐渐增大，形成图1(B)虚线所示的通孔2a，同时通孔2a的下端口径慢慢扩大，在加工孔的深度逐渐增大及通孔a的下端口径慢慢扩大的过程中，被光吸收层2吸收的能量变换成热能，利用在透光材料1与光吸收层2的界面BF上产生的热能开始对透光材料1的加工面进行孔加工，同时慢慢地加深和扩大孔1a。在光吸收层2上形成了通孔2a后，激光LB的一部分通过该通孔2a直接照射到透光材料1的加工面上。由于对于透光材料1的加工主要是利用在透光材料1与光吸收层2的界面BF上产生的热能来实现的，所以直射激光LB只不过是辅助性的用于上述加工中的。
在前者照射方法情形中及后者照射方法情形中，如使激光LB的照射位置按规定轨迹进行变化，则可按照射轨迹的形状在透光材料1的加工面上形成1a的连续体即槽，这样使可任意地形成直线形槽、曲线形槽或环形槽等。
上述孔1a或槽的剖面形状如图1(B)所示，大多是呈开口大、底面宽度小的梯形或近似形状，但可根据激光LB的照射能量、吸收层2及透光材料1的材质的不同，孔1a或槽的剖面形状有时可为半圆形，U字形及近似形状，或V字形及近似形状。
上述光吸收层2具有将照射激光LB的能量变换成热能，使在透光材料1与光吸收层2的界面BF上产生加工用的热能的作用。即，为了要用低能量的激光对透光材料进行所需要的加工时，需要在透光材料1与光吸收层2的界面BF上有效地产生热能。为此，光吸收层2的厚度t要根据用于加工的激光的种类设定在适当值。具体地说，光吸收层2对于激光BL的吸光系数为α时，光吸收层2的厚度设定得比用1/α表示的激光的进入深度要大，顺便提一名，上述的吸光系数α可用公式I/X＝-αI(I为光强度，X为距离)等加以规定。上述的吸光系数有时也称之为光吸收系数或者是光强度衰减系数。
例如，对于波长λ193nm的ArF受激准分子激光的吸光系数α为2000cm-1的异丁烯酸甲酯时，激光的进入深度1/α为5μm，如将由异丁烯酸中酯构成的光吸收层2的厚度t设定得大于5μm，便可正确地进行所需加工。
例如，对于波长λ＝1064nm的YAG激光的吸光系数为50cm-1，的聚酰亚胺时，激光的进入深度1/α为200μm，如将由聚酰亚胺构成的光吸收层2的厚度t设定得大于200μm，便可正确地进行所需加工。
如为对于波长1064nm的YAG激光的吸光系数为α＝500cm-1的含碳聚乙烯时，激光的进入深度1/α为20μm，所以，如将由含碳聚乙烯构成的光吸收层2的厚度t设定得大于20μm，便可正确地进行所需加工。
只要光吸收层2的厚度t基本上大于由1/α表示的激光LB的进入深度，便可进行所需要的加工。所以，其厚度t没有特别的上限，但如果光吸收层2使用过分厚的物质，在开始加工之前的能量损失会增大。因此，虽然根据材质和加工条件而定，但光吸收层2的厚度t应在上述进入深度1/α的100倍以内，最好是在10倍以内。
图2(A)及图2(B)示出了第2加工方法。该加工方法与上述第1加工方法的不同之外是，仅仅在透光材料1的加工面上需要加工的部位局部设置光吸收层3。图中的符号3a表示激光LB照射到光吸收层3时的去除部分。利用该加工方法，由于只在加工所需部分设置光吸收层3，所以具有可减少光吸收层3所需要的材料成本的优点。
图3(A)和图3(B)示出了第3加工方法。该加工方法与上述第1加工方法的不同之处是由于沿光吸收层4的边缘4a照射激光LB，所以在透光材料1的加工面上形成形状与边缘4a的线相匹配的槽1b。图中的符号4b表示沿光吸收层4的边缘a照射激光LB时的去除部分。利用该加工方法，具有可利用光照射层4的边缘4a的线透光材料1的加工面上正确地形成所需形状的槽。顺便提一名，这里所使用的光吸收层4可象上述第2加工方法中所使用的光吸收层3那样，只局部设置在加工所需部分。
图4(A)和图4(B)示出了第3加工方法的变形例。该加工方法与上述第3加工方法的不同之处是，使用的吸收层4在边缘4a上具有与透光材料1的加工构成锐角的倾斜面，沿着该边缘4a的倾斜面与透光材料1的加工面的镜界部分照射激光LB，在透光材料1的加工面上形成形状与境界线匹配的槽1b。附图示出了为使照射激光LB的轴与透光材料1的加工面构成锐角而加工倾斜的情形。但也可以照射激光LB的轴与透光材料1的加工面正交。图中的符号4b表示沿上述境界部分照射激光LB时的边缘4a的去除部分。根据该加工方法，照射激光LB的一部分照射到光吸收层4，另一部分则照射到透光材料1的加工面上，可利用境界线在透光材料1的加工面上正确形成所需形状的槽。
图5(A)和图5(B)示出了第4加工方法。该加工方法与上述第1加工方法的不同之处是使用具有通孔5a的光吸收层5，沿光吸收层5的通孔5a的边缘照射激光LB，在透光材料1的加工面上形成形状与孔边缘线匹配的环形槽1c。图中的符号5b表示沿光吸收层5的孔边缘照射激光LB时的去除部分。根据该加工方法，具有可利用光照射层5的孔边缘的线在透光材料1的加工面上正确形成所需形状的环形槽或弯曲槽的优点。顺便提一名，这里使用的光吸收层5也可如上述第2加工方法中所使用的光吸收层3那样，只局部设置在加工所需部分。如果形成反圆锥梯形的通孔5a，将其内壁面做成与透光材料1的加工面构成锐角的倾斜面，则可利用按图4(A)及图4(B)说明的加工方法进行相同的加工。
图6(A)和图6(B)示出了第5加工方法。该加工方法与上述第1加工方法的不同之处是，采用具有比激光LB的照射形状直径小的通孔6a或宽度小的贯通槽(图示省略)的光吸收层6，将激光LB照射到光吸收层6的孔6a或槽上，在透光材料1的加工面上形成孔1a或槽。图中的符号6a’示出了将激光LB照射到光吸收层的孔6a或槽上时的内壁去除部分。根据该加工方法，将预设在光照射层6上的孔6a或槽作为靶，具有可在透光材料1的加工面上正确形成孔1a或槽的优点。另外，用开孔加工困难的金属形成光照射层6时，也具有用激光LB去除孔6a或槽的内壁部分，同时可顺利进行所需加工的优点。顺便提一名，这里使用的光吸收层那样，可只局部设置在加工所需部分，或用喷咀状的形态来构成。孔6a或贯通槽可为自下端向上端横截面形慢慢扩大的形状，例如，横截面为反圆锥梯形，或反角锥梯形，或反三角形。
图7(A)和图7(B)示出了第6加工方法。该加工方法与上述第1加工方法的不同之处是，使用具有比激光LB的照射形状直径小的非通孔7a或宽度小的非贯通槽(图示省略)的光吸收层7，将激光LB照射到光吸收层7的孔7a或槽上，在透光材料1的加工面上形成孔1a或槽。图中的符号7a’表示将激光LB照射到光吸收层7的孔7a或槽上时的内壁去除部分。根据该加工方法，将预设在光照射层7上的孔7a或槽作为靶，具有在透光材料1的加工面上正确形成孔1a或槽的优点。另外，用开孔加工困难的金属形成光照射层时，具有用激光LB去除孔7a或槽的内壁部分，同时可顺利进行所需加工的优点。顺便提一名，这里使用的光吸收层7加上述第2加工方法中使用的光吸收层3那样，可只局部设置在加工所需部分，或用喷咀状的形态来构成。非通孔7a或非贯通槽为从下端向上端横截面形状扩大的形状，例如，纵截面可为反圆锥梯形，或反角锥梯形，或反三角形。
图8(A)和图8(B)示出了第7加工方法。该加工方法与上述第1加工方法不同之处是，在光吸收层2上设置具有比激光LB的照射形状小的规定形状的透光部8a的掩膜8，将激光LB通过掩膜8的透光部8a照射到光吸收层2上，顺便提一名，掩膜8由对激光LB有反射性的不锈钢、或反射性弱的金属片、或塑料片等上面形成反射膜的物质构成。根据该加工方法，具有在透光材料1的加工面上可形成形状与形成在掩膜8上的透光部8a一致的孔1a或槽的优点。顺便提一名，在该加工方法中，示出了采用将掩膜8与光吸收层2接触，以进行曝光的接触曝光法的例子，但这种场合的掩膜8也可使用保形掩膜。另外，也可采用在使掩膜8离开光吸收层2的状态下进行曝光的投影曝光方法。这种场合，可在掩膜8与光吸收层2之间设置结合光学系统如投影透镜。
在上面说明的加工方法中，给出的是单层结构的光吸收层2-7，但也可使用具有吸光系数不同的多个部分的物体作为光吸收层。图9(A)示出了吸光系数不同的多个部分11a-11c沿光吸收层11的厚度方向呈层状分布的例子。图9(B)示出了吸光系数不同的多个部分21a-21c沿与光吸收层21的厚度方向正交的方向分布的例子。
在图9(A)所示的光吸收层11的场合，可通过吸光系数不同的多个部分11a-11c对到达透光材料1的激光LB的能量进行分级控制。特别是，吸光系数不同的多个部分11a-11c的重迭，如做成吸光系数从激光照射面一侧向另一侧逐级减少的结构，那末就可对到达透光材料1的激光LB的能量进行分级控制，在透光材料1上形成深度比口径大的孔，或深度比宽度大的槽。
另一方面，在图9(B)所示的光吸收层21的场合，在使光吸层21的吸光系数不同的多个部分21a-21c同时与透光材料1接触的状态下，对各部分21a-21c，可对透光材料1进行各种各样的加工，除此之外，使光吸收层21吸光系数不同的多个部分21a-21c有选择性的与透光材料1接触，对选择部分照射激光LB，就可对透光材料1进行任意加工。
在上面说明的加工方法中，作为激光LB的照射方法，给出了将规定能量的脉冲状激光多次断续照射的方法以及将规定输出的激光以规定时间连续照射的方法。但在多次断续照射脉冲状激光时，可在每次照射时减少脉冲状激光的能量，或每次照射时增加脉冲状激光的能量。在以规定时间连续照射激光时，可随照射时间的经过慢慢地增加激光的输出。
另外，在上面说明的加工方法中，是在接触状态下将光吸收层2-7设置在透光材料1的加工面上的，但光吸收层2-7不一定要与透光材料1的加工面接触，可在与透光材料1的加工面之间形成可导热约100μm以下的间隙，可进行与上述一样的加工。
下面介绍几个适用上述加工方法的实验例子。
[实验例1]
在石英玻璃的表面设置聚甲基丙烯酸甲酯，将每束能量为0.5J/cm2的ArF受激准分子激光(λ＝193nm)在脉冲宽度37毫微秒、重复频率10Hz条件下继续照射400束，由此对石英玻璃的表面进行孔加工。这种场合的激光的进入深度1/α为5μm，使用了厚度t为125μm的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，在石英玻璃的表面可形成口径1μm、深1μm的孔。
为比较起见，取下聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，将每束能量为2J/cm2的ArF受激准分子直接照到石英玻璃上实施了与上述相同的加工方法。作为聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，使用厚度t为5μm以下，例如1μm的该物质，照射每束能量为2J/cm2的ArF受激准分子激光，实施了与上述相同的加工方法，其特征在于，但两种情况，在石英玻璃的表面均无任何加工痕迹。
[实验例2]
在单晶体碳化硅基片(SiC)的表面，设置聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，在脉冲宽度37毫微秒、重复频率10Hz条件下，将每束能量为1.5J/cm2的ArF受激光准分子激光(λ＝1.93nm)断续照射400束，在单晶碳化硅基片的表面进行了孔的成形加工。这时的激光的进入深度1/α为5μm，使用厚度t为125μm的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，其结果，在单晶碳化壁基片的表面可形成口径20μm、深1μm的孔。
为比较起见，取下聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，将每束能量为1.5J/cm2的ArF受激准分子激光直接照射到单晶碳化硅基片上，实施了与上述相同的加工方法。同时，使用厚度t在5μm以下例如1μm的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，将每束能量1.5J/cm2的的ArF受激准分子脉冲进行照射，实施了与上述相同的加工方法，其特征在于，但两种情况，在单晶碳化硅基片的表面均没有任何加工痕迹。
[实验例3]
在石英玻璃的表面设置含有碳的聚乙烯薄膜，在脉冲宽度50毫微秒、重复频率1KHz条件下断续照射平均输出0.5W、1KHz的Q-SW·Nd·YAG激光(λ＝1064nm)500束。这时的激光的进入深度1/α为20μm，使用了厚度t为100μm的聚甲基丙烯酸甲酯，其结果，在石英玻璃的表面可形成口径60μm、深1μm的孔。
为比较起见，取下聚甲基丙烯酸甲酯薄膜将平均输出1W、1KHz的Q-SW·Nd·YAG激光直接照射到石英玻璃上，实施了与上述相同的加工方法。另外，使用厚度t为20μm以下，例如5μm的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，照射平均输出1W、1KHz的Q-SW·Nd·YAG激光，实施了与上述相同的加工方法。但上述两种情况，在石英玻璃上均没有任何加工痕迹。
[实验例4]
在石英玻璃的表面设置含有碳的聚甲基丙烯酸甲酯，连续照射输出为2W的CW·Nd·YAG激光(λ＝1064nm)5毫秒，在石英玻璃上进行了孔的成形加工。这时的激光的进入深度1/α为20μm，使用厚度t为10μm的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，其结果，在石英玻璃的表面可形成口径60μm、深1μm的孔。
为比较起见，取下聚甲基丙烯酸甲酯薄膜连续照射输出5W的CW·Nd·YAG激光5毫秒，实施了与上述相同的加工方法。另外，使用厚度t为20μm以下、例如5μm的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，将输出5W的CW·Nd·YAG激光连续照射石英玻璃5毫秒，实施了与上述相同的加工方法。但两种情况，在石英玻璃上均没有任何加工痕迹。
[实验例5]
在石英玻璃的表面，设置含有碳的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，连续照射输出20W的半导体激光(λ＝808nm)10毫秒，在石英玻璃的表面进行了孔的成形加工。这时的激光的进入深度1/α为25μm，使用厚度t为100μm的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，其结果，在石英玻璃的表面可形成口径200μm、深2μm的孔。
为比较起见，取下聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，对石英玻璃连续照射输出20W的半导体激光器0毫秒，实施了与上述相同的加工方法。另外，使用厚度t为25μm以下例如5μm的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，对石英玻璃连续照射输出20W的半导体激光10毫秒，实施了与上述相同的加工方法，其特征在于，但两种情况，在石英玻璃的表面均没有任何加工痕迹。
[实验例6]
在石英玻璃的表面设置含有色素的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，在脉冲宽度37毫微秒、重复频率100KHz条件下，断续照射每束能量为0.5J/cm2的KrF受激准分子激光(λ＝248nm)100束。边分级变化激光的照射位置边重复该操作，在石英玻璃的表面形成直线槽，制作了耦合光学器件。这时的激光进入深度1/α为2μm，使用了厚度t为25μm的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，其结果，在石英玻璃的表面可形成宽1μm、深0.5μm的的直线槽。
为比较起见，取下聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，将每束能量2J/cm2的KrF受激准分子激光直接照射在石英玻璃上，实施了与上述相同的加工方法。另外，使用厚充为2μm以下，例如0.5μm的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，照射每束能量2J/cm2的KrF受激准分子激光，实施了与上述相同的加工方法。但两种情况，在石英玻璃的表面均没有任何痕迹。
[实验例7]
在石英玻璃的表面，设置含有SiO265wt％、Al2O3的陶瓷片，在脉冲宽度37毫微秒、重复频率10Hz条件下断续照射每束能2J/cm2的ArF受激准分子激光(λ＝193nm)200束，在石英的进入深度1/α为5μm，使用了厚度t为100μm的陶瓷片，其结果，在石英玻璃的表面可形成口径30μm、深15μm的孔。
为比较起见，取下陶瓷片，在与上述相同条件下将激光直接照射到石英玻璃上，但在石英玻璃的表面没有任何加工痕迹。
[实验例8]
在石英玻璃的表面，设置含有SiO270wt％、AL2O31wt％、CaO8wt％、Na2O13wt％、碳5wt％、有机结合剂3wt％的干燥石的未烧结陶瓷片，在脉冲宽度37毫微秒、重复频率10Hz条件下照射每束能量1.5J/cm2的ArF受激准分子激光(λ＝193nm)200束，在石英玻璃的表面进行了孔在成形加工。这时的激光的进入深度1/α为2μm，使用了厚度t为100μm的陶瓷片，其结果，在石英玻璃的表面可形成口径30μm、深10μm的孔。
为比较起见，取下未烧结的陶瓷片，在与上述相同的条件下将激光直接照射到石英玻璃上，但在石英玻璃的表面没有任何加工痕迹。
[实验例9]
在石英玻璃的表面涂布含有SiO260wt％、有机结合剂25wt％、有机溶机34％、色素1wt％的浆料，在脉冲宽度37毫微秒、重复频率10Hz条件下照射每束能量1.5J/cm2的ArF受激准分子激光(λ＝193nm)200束，在石英玻璃的表面进行了孔的成形加工。这时的激光的进入深度1/α为5μm，所以使用了厚度t为100μm的浆料膜，其结果，在石英玻璃的表面可形成口径20μm、深10μm的孔。
为比较起见，取下浆料膜，在与上述相同条件下将激光直接照射到石英玻璃上，但在石英玻璃的表面没有任何加工痕迹。
[实验例10]
在石英玻璃的表面形成Cu薄膜，在脉冲宽度37毫秒、重复频率10Hz条件下断续照射每束能量为2J/cm2的ArF受激准分子激光(λ＝193nm)200束，在石英玻璃的表面进行了孔的成形加工。这时的激光的进入深度1/α为1μm，所以使用了厚度t200μm的Cu薄膜，其结果，在石英玻璃的表面可形成口径20μm、深5μm的孔。
为比较起见，取下Cu薄膜，在与上述相同的条件下将激光直接照射在石英玻璃上，但在石英玻璃的表面没有任何加工痕迹。
[实验例11]
在石英玻璃的表面涂布含有碳粉50wt％、有机结合剂20wt％、有机溶剂30wt％碳糊，连续照射输出为]2W的CW·Nd·YAG激光(λ＝1064nm)5毫秒，在石英玻璃的表面进行了孔为成形加工。这时的激光的进入深度1/α为5μm，所以使用厚度t为50μm的糊膜，其结果，在石英玻璃的表面可形成口径50μm、深1μm的孔。
为比较起见，取下糊膜，在与上述相同的条件下，将激光直接照射在石英玻璃上，但在石英玻璃的表面没有任何痕迹。
[实验例12]
在石英玻璃的表面，设置聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，在脉冲宽度37毫微秒、重复频率10Hz条件下，断续照射每束能量0.8J/cm2的ArF受激准分子激光400束，边沿着聚甲基丙烯酸甲酯薄膜的边缘分级变化激光的照射位置，边重复上述操作，在石英玻璃的表面执行直线槽的成形加工。这时的激光的进入深度1/α为5nm，所以使用厚度t为125μm的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，其结果，在石英玻璃的表面可形成宽1μm、深1μm的直线槽。
为比较起见，取下聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，在与上述相同的条件下，将激光直接照射在石英玻璃上，但在石英玻璃的表面没有任何加工痕迹。
[实验例13]
在石英玻璃的表面，设置预先形成通孔的聚甲基丙烯甲酯薄膜，在脉冲宽度37毫秒、重复频率10Hz条件下，断续照射每束能量0.8J/cm2的ArF受激准分子激光(λ＝193nm)，边沿着聚甲基丙烯酸甲酯薄膜的通孔的边缘分级变更激光的照射位置，边重复上述操作，在石英玻璃的表面进行环形槽的成形加工。这时的激光的进入深度1/α为5μm，所以使用了厚度t为125μm的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，其结果，在石英玻璃的表面可形成宽1μm、深0.2μm和环形槽。
为比较起见，取下聚甲基丙烯酸甲酯薄膜在与上述相同的条件下，将激光直接照射在石英玻璃上，但在石英玻璃的表面没有任何加工痕迹。
[实验例14]
在石英玻璃的表面，设置预先形成有直径小于激光LB照射形状的通孔的碳玻璃制成的喷咀状物体(参照第5加工方法)，向通孔边疆照射输出为5W的CW·Nd·YAG激光(λ＝1064nm)5毫秒，在石英玻璃的表面进行了孔的成形加工。这时的激光的进入深度1/α为5μm，所以使用了厚度t为125μm的碳玻璃制成的喷咀状物体，其结果，在石英玻璃的表面，可形成口径50μm、深10μm的孔。
为比较起见，取下碳玻璃制成的喷咀状物体，在与上述相同的条件下，将激光直接照射在石英玻璃上，但在石英玻璃的表面没有任何加工痕迹。
[实验例15]
在石英玻璃的表面，设置聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，在脉冲宽度37毫微秒、重复频率10Hz条件下，断续照射每束能量2J/cm2的ArF受激准分子激光(λ＝193nm)300束，边沿着规定的轨迹分级变更激光的照射位置，边重复上述操作，在石英一度的表面进行了与轨迹对应的槽的成形加工，制作了印刷用的凹板。这时的激光的进入深度1/α为5μm，所以使用了厚度t为125μm的聚甲基丙酸甲酯薄膜，其结果，在石英玻璃的表面可形成宽10μm、深5μm的凹版用的槽。
该石英玻璃凹版可用作将浆料、导电糊膏等流动体印刷在纸、生陶瓷片等印刷物上的凹版，所以槽的截面形状构成开口宽度比底面宽度大的梯形，并且，如槽纸加工好，则将充填在槽内的流动体印刷时流动体的离槽性好，可实现高精度的印刷。
为比较起见，取下聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，在与上述相同的条件下，将激光直接照射在石英玻璃上，但石英玻璃的表面没有任何加工痕迹。
[实验例16]
在石英玻璃的表面设置聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，其表面再设置具有口径250μmr的圆形透光部和100μm×500μm矩形透光部的不锈钢掩膜，在脉冲宽度37毫微秒、重复频率10Hz条件下，对圆形透光断续照射每束能量1.5H/cm2的ArF受激准分子激光(λ＝193nm)400束，对矩形透光部，在脉冲宽度37毫微秒、重复频率10Hz条件下，断续照射同样的ArF受激准分子激光300束，边分级变更激光的照射位置，边重复上述操作，在石英玻璃的表面进行由晶体石英构成的非透明部的加工成形，并制作了石英玻璃掩膜。这时的激光的进入深度1/α为5μm，所以使用了厚度t为125μm的聚甲基内烯酸甲酯薄膜，其结果，可形成形状与掩膜的圆形透光部一致的圆形非透明部及与矩形透光部一致的矩形非透明部。
该石英玻璃掩膜可用作将激光照射加工物对加工物进行加工时的掩膜，由于由晶体石英形成非透光部，所以可使该非透明部的光透过率为透明部分(非加工部分)的光透过率的5％以下，并且，可高精度地形成非透明部，还可对激光确保足够的耐久力。
为比较起见，取下聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，将每束能量2J/cm2的ArF受激准分子激光直接照射，实施与上述相同的加工方法。另外，使用厚度t为5μm以下例如1μm的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，实施了将每束能量2J/cm2的ArF受激光准分子激光进行照射，与上述相同的加工方法，其特征在于，但上述两种情况，在石英玻璃的表面均没有任何加工痕迹，不能形成非透明部。
在上述的实验例16中，给出了在表面具有非透明的激光加工用的石英玻璃掩膜的成形例子。但在将规定能量的脉冲状激光多次断续地进行照射时，通过调节照射激光的能量和光吸收层的吸光系数，或在将规定输出的激光连续进行照射时，通过调节照射激光的输出、照射时间及光吸收层的吸光系数，就可根据掩膜的透光部形状进行上述实验例1至15的孔加工和槽加工。
如上所述，将激光LB通过光吸收层照射到透光材料1的加工面上，根据在加工面上形成孔或槽的加工方法，其特征在于，光吸收层2对于激光LB的吸光系数为α时，将光吸收层2的厚度t设定得比用1/α表示的激光的进入深度要大，这样，可不拘泥于激光LB的种类和透光材料1的材质等，可用低能量的激光在透光材料1上正确地进行孔加工的槽加工。
另外，使用通过掩膜8的透光部8a将激光LB照射到光吸收层2(3-7)的加工方法，其特征在于，与上述一样，光吸收层2对于激光LB的吸光系数为α时，将光吸收层2的厚度t设定得比由1/α表示的激光进入深度要大，这样，可不拘泥于激光LB的种类和透光材料1的材质等，可用低能量的激光LB在透光材料1上正确地按掩膜8的透光部形状进行加工。
同时，使用的实验例16中得到的石英玻璃掩膜，可在石英玻璃的表面进行由晶体石英构成的非透明部分的加工成形，因此，可使该非透明部的光透过率为透明部分(非加工部分)的光透过率的5％以下，获得鲜明的对比度，并且，在形成高精度的非透明部的同时，可对照射激光确保足够的耐久力。当然，该石英玻璃掩膜不只是用作掩膜，还可作为控制激光透过的光学器件而广泛地加以利用。
工业上的实用性
本发明的光吸收少的透光材料上进行孔和槽的加工成形时是极其有用的，适用于将浆料、导电糊等流动体印刷在纸、生陶瓷片等印刷物时的凹版，以及将激光照射加工物对加工物进行加工时的掩膜及掩膜以外的光学器件的获得。

Claims (45)

1.一种利用激光的透光材料的加工方法，借助于将激光通过光吸收层照射到透光材料的加工面，由此在加工面上形成孔或槽，其特征在于，
所述光吸收层对所述激光的吸光系数为α时，所述光吸收层的厚度比由1/α表示的激光的进入深度要大。
2.如权利要求1所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，吸光系数α由公式I/X＝-αI(I为光强度，X为距离)来规定。
3.如权利要求1或2所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，
光吸收层局部地仅设置在透光材料的加工面上的所需加工部分。
4.如权利要求1或2所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，
将激光沿着光吸收层的边缘进行照射，在透光材料的加工面上形成形状与边缘线匹配的槽。
5.如权利要求1至3任一项所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，
使用具有通孔的光吸收层，使激光沿着光吸收层的通孔进行照射，在透光材料的加工面上形成形状与孔边缘的线匹配的槽。
6.如权利要求1至3任一项所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，
使用具有比激光照射形状直径小的通孔或宽度小的贯通槽的光吸收层，使激光照射到光吸收层的通孔或贯通槽，以在透光材料的加工面上形成孔或槽。
7.如权利要求1至3任一项所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，
使用具有比激光照射形状直径小的非通孔或宽度小的非贯通槽的光吸收层，使激光照射到光吸收层的非通孔或非贯通槽，在透光材料的加工面上形成孔或槽。
8.如权利要求1至7任一项所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，
使用具有比激光照射形状小的透光部的掩膜，使激光通过掩膜的透光部照射到光吸收层上。
9.如权利要求8所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，作为将激光通过掩膜照射到光吸收层的方法使用接触曝光法。
10.如权利要求9所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，作为掩膜使用保形掩膜。
11.如权利要求8所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，作为通过掩膜对光吸收层照射激光的方法，使用了投影曝光法。
12.如权利要求11所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，在掩膜与光吸收层之间配置了耦合光学系统。
13.如权利要求1至12任一项所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，
光吸收层由塑料构成。
14.如权利要求13所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，塑料由聚甲基乙烯酸甲酯、聚乙烯及聚酰亚胺中的一种构成。
15.如权利要求1至12任一项所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，
光吸收层由陶瓷构成。
16.如权利要求15所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，
陶瓷至少含有从SiO2、Al2O3、CaO、NaO、B2O3、SiC、Si3N4、B4C、TiO2、BeO、AlN、MgO、BaTiO3、SrTiO3、ZnO、SnO2、CrO2及Fe2O3中选择的一种。
17.如权利要求1至12任一项所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，
光吸收层由含有陶瓷粉末的浆料膜或其干燥膜构成。
18.如权利要求17所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，
浆料至少含有从SiO2、Al2O3、CaO、NaO、B2O3、SiC、Si3N4、B4C、TiO2、BeO、AlN、MgO、BaTiO3、SrTiO3、ZnO、SnO2、CrO2及Fe2O3中选择的一种。
19.如权利要求1至12任一项所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，
光吸收层由金属构成。
20.如权利要求19所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，
金属至少含有从Au、Ag、Pt、Pd、Ni、Cu、Fe及Al中选择的一种。
21.如权利要求1至12任一项所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，
光吸收层由含有金属粉末的浆料膜或其干燥膜构成。
22.如权利要求21所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，
浆料至少含有从Au、Ag、Pt、Pd、Ni、Cu、Fe及Al中选择的一种金属粉末。
23.如权利要求1至12任一项所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，
光吸收层由碳构成。
24.如权利要求1至12任一项所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，
光吸收层由含有碳粉的浆料膜或其干燥膜构成。
25.如权利要求1至24任一项所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，
光吸收层含有调节吸光系数用的吸光系数调节剂。
26.如权利要求25所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，吸光系数调节剂至少由色素、金属粉末、碳粉中的一种构成。
27.如权利要求1至26任一项所述的利用激光的透光材料的加工方法，作为光吸收层，使用了具有吸光系数不同的多个部分的物体。
28.如权利要求27所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，吸光系数不同的多个部分沿光吸收层的厚度方向呈层状分布。
29.如权利要求28所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，吸光系数不同的多个部分为层状重迭，从激光照射面一侧向相反一侧，吸光系数为逐级减小。
30.如权利要求27所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，吸光系数不同的多个部分按与光吸收层垂直的方向分布。
31.如权利要求30所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，在使光吸收层的吸光系数不同的多个部分同时与透光材料接触的状态下，对各部分照射激光，对透光材料进行加工。
32.如权利要求30所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，有选择的使用光吸收层的吸光系数不同的多个部分，对选择的部分照射激光，对透光材料进行加工。
33.如权利要求1至32任一项所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，
作为激光，使用气体激光、固体激光、半导体激光任何一种。
34.如权利要求1至33任一项所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，
将规定能量的脉冲状激光多次断续地进行照射，由此来实施激光对光吸收层的照射。
35.如权利要求34所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，每次照射使脉冲状激光的能量减少。
36.如权利要求34所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，每次照射使脉冲状激光的能量增加。
37.如权利要求1至33任一项所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，
按规定时间连续照射规定输出的激光，由此来实施对于光吸收层的激光的照射。
38.如权利要求37所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，随着照射时间的经过，使激光的输出渐渐减少。
39.如权利要求37所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，随着照射时间的经过，使激光的输出渐渐增加。
40.如权利要求1至39任一项所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，
光吸收层设置成与透光材料的加工面相接触的状态。
41.如权利要求1至39任一项所述的利用激光的透光材料的加工方法，其特征在于，
光吸收层设置成与透光材料的加工面有一个可导热的微小间隙。
42.一种透光材料加工物，其特征在于，
将激光通过光吸收层照射到透光材料的加工面来进行加工，
加工部分的光透过率为非加工部分的光透过率的5％以下。
43.如权利要求42所述的透光材料加工物，其特征在于，
透光材料为石英玻璃。
44.如权利要求43所述的透光材料加工物，其特征在于，
加工部分含有晶体化的石英。
45.如权利要求42至44任一项所述的透光材料加工物，其特征在于，
透光材料加工物可作为将激光照射到被加工物，用作对加工物进行加工时的掩膜。
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