JP2001212687A - レーザ加工装置およびレーザ加工方法 - Google Patents

レーザ加工装置およびレーザ加工方法

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JP2001212687A
JP2001212687A JP2000025974A JP2000025974A JP2001212687A JP 2001212687 A JP2001212687 A JP 2001212687A JP 2000025974 A JP2000025974 A JP 2000025974A JP 2000025974 A JP2000025974 A JP 2000025974A JP 2001212687 A JP2001212687 A JP 2001212687A
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laser
mask
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laser processing
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Jun Koide
小出  純
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  • Micromachines (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】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装置およ
びレーザ加工方法を提供する。 【解決手段】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被加工物に投影して加工するレー
ザ加工装置であって、前記被加工物に対するレーザ光に
よる加工の進行に同期して、前記マスクのパターンを動
的に変化させる手段を有する。

Description

【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装置およびレーザ
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、複数積層された異材料を用いて各層に対してそれ
ぞれ、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。
【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装置およびレーザ加
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)〜(11)のように構成し
たレーザ加工装置および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
影レンズにより被加工物に投影して加工するレーザ加工
装置であって、前記被加工物に対するレーザ光による加
工の進行に同期して、前記マスクのパターンを動的に変
化させる手段を有することを特徴とするレーザ加工装
置。 (2)前記マスクのパターンを動的に変化させる手段
が、動的にパターンをコントロールできる液晶デバイス
による光透過マスクであることを特徴とする上記(1)
に記載のレーザ加工装置。 (3)前記マスクに入射するレーザ光は直線偏光であっ
て、液晶デバイスに用いる偏光フィルターは、ネガまた
はポジ透過設定に合わせて、前記入射レーザ光の偏光方
向に対して垂直または平行の単一枚の光出射偏光フィル
ターのみで構成されていることを特徴とする上記(1)
または上記(2)に記載のレーザ加工装置。 (4)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)〜(3)のいずれかに記載のレーザ加工装置。 (5)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(4)に記載のレ
ーザ加工装置。 (6)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
影レンズにより被加工物に投影して加工するレーザ加工
方法であって、前記被加工物に対するレーザ光による加
工の進行に同期して、前記マスクのパターンを動的に変
化させ、前記被加工物を加工することを特徴とするレー
ザ加工方法。 (7)前記マスクが、動的にパターンをコントロールで
きる液晶デバイスによる光透過マスクであることを特徴
とする上記(6)に記載のレーザ加工方法。 (8)前記マスクに入射するレーザ光は直線偏光であっ
て、液晶デバイスに用いる偏光フィルターは、ネガまた
はポジ透過設定に合わせて、前記入射レーザ光の偏光方
向に対して垂直または平行の単一枚の光出射偏光フィル
ターのみ用いることを特徴とする上記(6)または上記
(7)に記載のレーザ加工方法。 (9)前記投影されるマスクのパターン像のフォーカス
ポイントは、被加工物の加工の進行に同期して、加工さ
れる光軸方向の位置にフォーカスされるようにマスクま
たは被加工物の位置を変位追従させることを特徴とする 上記(6)〜(8)のいずれかに記載のレーザ加工方
法。 (10)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
(6)〜(9)のいずれかに記載のレーザ加工方法。 (11)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(10)に記載のレーザ加工方法。
【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によって、マスクの
パターンを投影レンズにより被加工物に投影して加工す
るレーザ加工装置において、前記マスクとして、ダイナ
ミックにパターンをコントロールできる液晶デバイスを
用いた光透過マスク等を用いることで、前記光アブレー
ション加工の進行と同期して、透過レーザ光のパターン
を動的に変化させることにより、経時的に変化するマス
クパターンに対応して被加工物がアブレーション加工を
受けることによって、被加工物に所定三次元形状の構造
を加工形成することができる。また、このレーザ加工装
置および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。
【0008】例えば、汎用的に市販されているレーザ発
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。
上述レーザの特性によって、被加工対象材料において
は、熱伝導率の高い金属、セラミック、鉱物(シリコン
等)であってもエネルギーの集中が可能となるため加工
が容易に可能で、光吸収率の低い石英およびガラスにお
いても、光エネルギー密度がギガワットの域に達しYA
G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、ガラスまたは石英および光学結晶であっても
0.1〜1%程度の吸収があれば加工が可能となる。ま
た、従来からアブレーション加工に用いられているエキ
シマレーザにおいては、紫外線レーザ光であるため、上
記したマスクのパターンを動的に変化させるためにパタ
ーンをコントロールできる液晶デバイスによる光透過マ
スク等を用いることは不可能である。
【0009】
【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
ーザ加工装置を詳細に説明する。図1は、本発明に係る
レーザ加工装置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11
1に導き所定収束角のレーザビームを形成し、液晶マス
ク1のマスクパターン部分を照明する。次に、液晶マス
ク1において所定パターンに液晶透過マスクパターンを
設定した状態で、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被加工物2の表
面にフォーカス投影照射されレーザ発振によってアブレ
ーション加工が開始される。このレーザ光の照射と同時
に、液晶マスク1は不図示の液晶ドライバーによるコン
トロールによって、光透過マスクパターンを動的に変化
させながら、アブレーション加工を進行させる。また、
被加工物2は、液晶による光透過マスクパターンの投影
像が加工位置においてフォーカスされるように、不図示
の自動ステージによって図中細線矢印方向に位置をコン
トロールされる。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か、または、
液晶マスク1のパターンが光非透過状態に制御されるこ
とで、被加工物2に所定三次元形状の構造が形成され
る。
【0010】一例として、図2を用いて、円錐空洞形状
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、液晶マスク1の円形パタ
ーン3aを通過し、被加工物2のアブレーション閾値よ
り十分エネルギー密度の高いレーザ光束100を、被加
工物2の表面に照射する。このことによって、被加工物
2はアブレーションエッチングが開始され、これと同時
に、液晶マスク1の円形パターンの半径が小さくなるよ
うに、マスクパターンを動的に変化させていき、円形パ
ターン3bの形状にする。すると(b)図に示すように
被加工物2に先細り形状の円錐穴が加工されることとな
る。以上の説明から明らかなように、本実施例によると
動的にパターンを変化させるマスクを用いて、レーザ照
射エッチング過程とリンクさせて動作させることによっ
て、様々な形状の三次元立体構造加工を行うことができ
る。
【0011】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、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
レンズにより被加工物に投影してレーザ加工するに際し
て、前記被加工物に対するレーザ光による加工の進行に
同期して、前記マスクのパターンを動的に変化させるこ
とにより、経時的に変化するマスクパターンに対応して
被加工物がアブレーション加工を受けることによって、
被加工物に所定3次元形状の構造を加工形成することが
できる。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
可能なレーザ加工装置および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装置の概略光
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:液晶マスク 2:被加工物 3a、3b:マスクパターン 100:パターン化されたレーザ光束 101:レーザ光 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

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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被加工物に投影して加工するレー
    ザ加工装置であって、前記被加工物に対するレーザ光に
    よる加工の進行に同期して、前記マスクのパターンを動
    的に変化させる手段を有することを特徴とするレーザ加
    工装置。
  2. 【請求項2】前記マスクのパターンを動的に変化させる
    手段が、動的にパターンをコントロールできる液晶デバ
    イスによる光透過マスクであることを特徴とする請求項
    1に記載のレーザ加工装置。
  3. 【請求項3】前記マスクに入射するレーザ光は直線偏光
    であって、液晶デバイスに用いる偏光フィルターは、ネ
    ガまたはポジ透過設定に合わせて、前記入射レーザ光の
    偏光方向に対して垂直または平行の単一枚の光出射偏光
    フィルターのみで構成されてい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装置。
  4. 【請求項4】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1〜3のいずれか1項に記載のレーザ加工装置。
  5. 【請求項5】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4に記載
    のレーザ加工装置。
  6. 【請求項6】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被加工物に投影して加工するレー
    ザ加工方法であって、前記被加工物に対するレーザ光に
    よる加工の進行に同期して、前記マスクのパターンを動
    的に変化させ、前記被加工物を加工することを特徴とす
    るレーザ加工方法。
  7. 【請求項7】前記マスクが、動的にパターンをコントロ
    ールできる液晶デバイスによる光透過マスクであること
    を特徴とする請求項6に記載のレーザ加工方法。
  8. 【請求項8】前記マスクに入射するレーザ光は直線偏光
    であって、液晶デバイスに用いる偏光フィルターは、ネ
    ガまたはポジ透過設定に合わせて、前記入射レーザ光の
    偏光方向に対して垂直または平行の単一枚の光出射偏光
    フィルターのみ用いることを特徴とする請求項6または
    請求項7に記載のレーザ加工方法。
  9. 【請求項9】前記投影されるマスクのパターン像のフォ
    ーカスポイントは、被加工物の加工の進行に同期して、
    加工される光軸方向の位置にフォーカスされるようにマ
    スクまたは被加工物の位置を変位追従させることを特徴
    とする請求項6〜8のいずれか1項に記載のレーザ加工
    方法。
  10. 【請求項10】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6〜9のいずれか1項に記載のレーザ加工方法。
  11. 【請求項11】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10に
    記載のレーザ加工方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007136642A (ja) * 2005-11-22 2007-06-07 Namiki Precision Jewel Co Ltd 微小構造を有する材料及び微小構造の製造方法
JP2013082009A (ja) * 2006-06-28 2013-05-09 Seagate Technology Llc ワークピースの表面を仕上げる方法、およびワークピース

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