JP2002210730A

JP2002210730A - レーザ支援加工方法

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Publication number: JP2002210730A
Application number: JP2001012372A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Misawa; 弘明三澤; Masaji Suruga; 正次駿河; Maruteinkyabiteisu Andrius; マルティンキャビティスアンドリウス; Juodkazis Saulius; ヨードカシスサウリウス
Original assignee: TOKYO INSTR Inc; Japan Science and Technology Corp; Tokyo Instruments Inc
Current assignee: TOKYO INSTR Inc; Japan Science and Technology Agency; Tokyo Instruments Inc
Priority date: 2001-01-19
Filing date: 2001-01-19
Publication date: 2002-07-30
Anticipated expiration: 2021-01-19
Also published as: JP4880820B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ダイヤモンドやサファイヤの如き硬質の被加
工材料に対しても、極微小な孔を形成する加工が容易、
かつ、確実に行えるようにし、また、被加工材料の内部
にまで亘る３次元的な加工が行えるようにする。【解決手段】透明材料からなる被加工材料１に対し、
レーザビーム２を集光して照射し、このレーザビーム２
の照射位置を被加工材料１内において、少なくとも１箇
所は被加工材料１の表面上である位置を含めて走査さ
せ、この被加工材料１のレーザビーム２が照射された部
分を、エッチング処理により取り除き、孔を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザビームを用
いて、被加工材料に極微小な孔を形成するレーザ支援加
工方法に関し、特に、シリカ硝子、サファイヤ、また
は、ダイヤモンドを被加工材料として用いる場合におい
て好適なレーザ支援加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、シリコンやガラス等の被加工材料
に対して極微小な加工を施す加工方法としては、半導体
製造プロセス等において使用されているフォトリソグラ
フィ技術やインプリンティング技術、及び、エッチング
技術やスパッタリング技術などが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のエッ
チング技術やスパッタリング技術などによる加工方法に
おいては、被加工材料の表面部近傍における２次元的な
加工しかできず、該被加工材料の内部にまで亘る３次元
的な加工ができない。したがって、例えば、被加工材料
の内部に到達する孔などを形成する加工は、このような
加工方法によっては行うことができなかった。

【０００４】また、上述の加工方法においては、例え
ば、ダイヤモンドやサファイヤの如き、硬質の材料に対
する加工ができない。そのため、従来、ダイヤモンドの
如き硬質の材料に対して、例えば極微小な孔を形成する
加工を行う場合、極小径のドリルを用いて加工してい
た。しかし、直径が、例えば、数μｍ乃至十数μｍとい
うような極小径の孔をドリルによって形成する加工は困
難であり、また、より小径の孔を形成しようとする場合
には、もはやドリルでの加工は不可能となる。

【０００５】なお、ダイヤモンドに対する加工として
は、従来、レーザ加工が提案されている。ところが、ダ
イヤモンドに対するレーザ加工においては、加工面を平
滑な面とすることが困難であり、平滑な壁面を有する極
微小な孔を形成する加工などはできなかった。

【０００６】そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提
案されるものであって、ダイヤモンドやサファイヤの如
き硬質の被加工材料に対しても、極微小な孔を形成する
加工を容易、かつ、確実に行うことができ、また、被加
工材料の内部にまで亘る３次元的な加工を行うことがで
き、さらに、平滑な加工面を形成することができるレー
ザ支援加工方法を提供しようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明に係るレーザ支援加工方法は、透明材料から
なる被加工材料に対しレーザビームを集光して照射し、
このレーザビームの照射位置を該被加工材料内において
少なくとも１箇所は該被加工材料の表面上である位置を
含めて走査させ、この被加工材料のレーザビームが照射
された部分をエッチング処理により取り除き、該部分を
孔とすることを特徴とするものである。そして、本発明
は、このレーザ支援加工方法において、被加工材料を、
シリカ硝子、サファイヤ、または、ダイヤモンドのいず
れかであることとしたものである。また、本発明は、エ
ッチング処理においては、エッチャントとして、弗酸溶
液、または、アルゴンガスプラズマを使用することを特
徴とするものである。

【０００８】さらに、本発明に係るレーザ支援加工方法
は、アキシコンレンズを用いた集光光学系により集光さ
せたレーザビームを、透明材料からなる被加工材料に対
し、この被加工材料の表面上である位置を含み該被加工
材料の内部に亘る領域に照射し、この被加工材料のレー
ザビームが照射された部分を取り除き、該部分を孔とす
ることを特徴とする。そして、本発明は、このレーザ支
援加工方法において、被加工材料を、シリカ硝子である
こととしたものである。

【０００９】また、本発明は、上記レーザ支援加工方法
において、被加工材料のレーザビームが照射された部分
を取り除くことを、エッチング処理により行うこととし
たものである。そして、本発明は、このレーザ支援加工
方法において、被加工材料を、サファイヤ、または、ダ
イヤモンドのいずれかであることとしたものである。ま
た、本発明は、エッチング処理においては、エッチャン
トとして、弗酸溶液、または、アルゴンガスプラズマを
使用することを特徴とするものである。

【００１０】また、本発明は、上述の各レーザ支援加工
方法において、レーザビームは、パルスの持続時間がフ
ェムト秒乃至ピコ秒オーダであるパルスレーザであるこ
ととしたものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的な実施の形
態を図面を参照しながら説明する。〔１〕本発明に係るレーザ支援加工方法は、図１に示す
ように、透明材料からなる被加工材料１に対しレーザビ
ーム２を集光して照射し、このレーザビーム２の照射位
置を該被加工材料１内において少なくとも１箇所は該被
加工材料１の表面上である位置を含めて走査させ、この
被加工材料１のレーザビーム２が照射された部分をエッ
チング処理により取り除き、該部分を孔とするものであ
る。

【００１２】ここで、レーザビーム２は、レーザ光源３
より発せられ、アッテネータ４、ビームエキスパンダ５
及びハーフミラー６を経て、対物レンズ７に入射され
て、被加工材料１の表面部、または、該被加工材料１の
内部に集光される。アッテネータ４は、被加工材料１に
照射されるレーザビーム２のパワーを調節するための偏
光によるアッテネーションを行うフィルタである。この
光学系は、倍率が１００倍程度の顕微鏡を構成してい
る。また、対物レンズ７としては、開口数（ＮＡ）が
１．３５程度のものを用いることができる。被加工材料
１をシリカ硝子とした場合、このシリカ硝子中における
レーザビームの集光スポットは、レーザビームの波長を
７９５ｎｍとした場合、０．７８μｍ程度となる。ま
た、レーザビームの波長を４８０ｎｍとした場合、０．
４７μｍ程度となる。

【００１３】レーザ光源３としては、パルスの持続時間
がフェムト秒（ｆsec）乃至ピコ秒（ｐsec）オーダであ
るパルスレーザを用いている。このようなレーザ光源３
としては、例えば、チタン−サファイヤレーザ（Ti:Sap
phire laser）を用いることができる。この場合、発振
波長は、７９５ｎｍである。また、レーザパルスの持続
時間及び繰り返し周波数としては、生成アンプを併用す
ることにより、例えば、１２０ｆsec（ＦＷＨＭ）のパ
ルスを１ｋＨｚの繰り返し周波数で発生させることがで
きる。レーザーパワーは、１パルスあたり、０．３０μ
Ｊとなる。

【００１４】レーザビーム２が被加工材料に与えるエネ
ルギーは、５Ｊ／ｃｍ^２乃至５０Ｊ／ｃｍ^２程度とな
る。なお、５Ｊ／ｃｍ^２は、被加工材料１がシリカ硝子
である場合、このシリカ硝子に対し、加工に必要な構造
変化を生じさせるための閾値にあたる。このエネルギー
は、アッテネータ４によって調節される。

【００１５】レーザビーム２の被加工材料１における照
射位置の走査は、該被加工材料１をＸ−Ｙ−Ｚステージ
（３次元ステージ）８に載置させて移動させることによ
って行う。このＸ−Ｙ−Ｚステージ８は、図１中矢印
Ｘ、矢印Ｙ及び矢印Ｚで示す３次元方向のいずれにも移
動できるように構成されている。このＸ−Ｙ−Ｚステー
ジ８の移動速度は、毎秒１２５μｍ程度である。このＸ
−Ｙ−Ｚステージ８は、ドライバ９を介して、コンピュ
ータ装置１０によって制御されて駆動する。すなわち、
コンピュータ装置１０は、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ８を所定
のプログラムに従って駆動させることにより、被加工材
料１において、レーザビーム２の集光点が任意の予定さ
れた軌跡上を走査されるようにする。

【００１６】また、被加工材料１においてレーザビーム
２が照射されている部分は、対物レンズ７及びハーフミ
ラー６を介して、ＣＣＤカメラ１１によって観察され
る。このＣＣＤカメラ１１が撮像した映像は、モニタ１
２に表示されるとともに、映像記録装置（ＶＴＲ）１３
によって記録される。また、被加工材料１は、照明装置
１４により、フィルタ１５を介して照明される。

【００１７】そして、被加工材料１としては、上述のシ
リカ硝子の他、サファイヤ、または、ダイヤモンドなど
である。

【００１８】被加工材料１におけるレーザビーム２の照
射及び走査が完了すると、この照射が行われた部分は、
光学的エネルギーにより構造変化を起こし、屈折率の変
化などを生じた状態となっている。

【００１９】被加工材料１がダイヤモンドである場合、
レーザビームの照射によって炭化を生ずることがある。
また、被加工材料１がシリカ硝子である場合において
も、レーザビームの照射後において汚れが生じている場
合がある。このような炭化物や汚れは、例えば超音波洗
浄によって取り除くことができ、また、アセトン溶液に
よる洗浄や、３００°Ｃ、１時間程度のアニールによっ
て除去することができる。

【００２０】次に、この被加工材料１に対して、エッチ
ャント（エッチング溶液、または、エッチングガス）を
用いてエッチング処理を行う。このエッチング処理によ
り、被加工材料１においてレーザビーム２の照射が行わ
れた部分が溶解して該被加工材料１より取り除かれる。

【００２１】レーザビーム２の走査は、被加工材料１内
において少なくとも１箇所は該被加工材料１の表面上で
ある位置を含めて行われている。そのため、エッチャン
トは、被加工材料１の表面部のレーザビームの照射が行
われた部分を溶解させ、この部分より該被加工材料１の
内部のレーザビームの照射が行われた部分に滲入してゆ
く。また、エッチング処理によって溶解され被加工材料
１より取り除かれた部分は、該被加工材料１の表面部の
レーザビームの照射が行われた部分より、該被加工材料
１の外方側に排出される。そして、被加工材料１からレ
ーザビームの照射が行われた部分がエッチング処理によ
って取り除かれることにより、平滑な加工面が形成され
る。

【００２２】このエッチング処理におけるエッチャント
としては、いわゆるウェットエッチングにおいては、弗
酸（フッ（弗）化水素酸：ＨＦ）溶液を使用することが
できる。また、いわゆるドライエッチングにおいては、
アルゴン（Ａｒ^＋）ガスプラズマを使用することができ
る。

【００２３】ウェットエッチングにおけるエッチャント
である弗酸溶液の濃度や成分としては、例えば、５．４
wｔ％ＨＦ水溶液（ＨＦ（４８％）：Ｈ_２Ｏ＝１：９
（容積比））、１３．４wｔ％ＮＨ_４ＨＦ_２溶液（ＨＦ
（５０％）：ＮＨ_４ＨＦ_２（４０％）＝１：９（容積
比））（以下、バッファード弗酸という。）、または、
ＨＦ，ＨＮＯ_３水溶液（ＨＦ（４８％）：Ｈ_２Ｏ：ＨＮ
Ｏ_３（７０％）＝１５：３００：１０（容積比））など
を使用することができる。

【００２４】このようなエッチャントを使用し、例え
ば、２０分乃至４８０分（８時間）程度の所定時間に亘
るエッチング処理を行うことにより、被加工材料１から
レーザビーム２が照射された部分が取り除かれ、図２に
示すように、孔が形成される。

【００２５】図３に、上述の各エッチャントを使用した
場合におけるシリカ硝子に対するエッチング処理の進行
状況を示すグラフを示す。図３において、（ａ）、
（ｃ）及び（ｅ）は、被加工材料に形成した垂直な孔の
直径のエッチング処理の進行に応じた拡大状況を示し、
（ｂ）、（ｄ）及び（ｆ）は、該垂直な孔のエッチング
処理の進行に応じた深さを示している。また、（ａ）及
び（ｂ）は、エッチャントとして、５wｔ％ＨＦ水溶液
を使用した場合を示し、（ｃ）及び（ｄ）は、エッチャ
ントとして、ＨＦ，ＨＮＯ_３水溶液を使用した場合を示
し、（ｅ）及び（ｆ）は、エッチャントとして、バッフ
ァード弗酸を使用した場合を示している。

【００２６】ところで、上述のようにしてレーザビーム
の照射及びエッチング処理により形成された微小な３次
元パターンを実用的に応用するには、得られたパターン
が実際に孔であることを確認し、異なる化学溶液が孔
（チャンネル）内部に流れ込むようになる必要がある。

【００２７】このような理由で、エッチャントとしてＨ
Ｆ，ＨＮＯ_３水溶液を用いてエッチング処理した構造を
ローダミン染料イソプロピルアルコール溶液に浸した。
試料の表面がきれいになった後、ローダミンフォトルミ
ネッセンス強度分布をレーザー走査共焦点顕微鏡で確認
した。フォトルミネッセンス励起には、５４０ｎｍレー
ザ励起を用いた。確認されたフォトルミネッセンス強度
分布によれば、図４に示すように、ローダミン染料溶液
は、シリカ（石英）内に形成された孔に容易に浸透して
いた。この結果によると、上述したレーザ支援加工方法
は、小さな領域における微小部分の化学的な製造に適用
できることが分かる。

【００２８】なお、観測されたエッチング現象の機構を
明らかにするためには、２つの重要な点を考慮する必要
がある。すなわち、（ｉ）形成されたパターンに沿った
非常に速いエッチング率と、エッチング液の選択との関
係は薄いが、（ｉｉ）直角方向のエッチング率と、特定
のエッチング液とは強い関係がある。エッチング溶液に
よって異なる反応性は、以下に示すエッチングの化学反
応によって説明することができる。

【００２９】

【数１】

【００３０】希釈されたＨＦ溶液においては、次のよう
な平衡関係が確立されている。

【００３１】

【数２】

【００３２】これらのラジカルの石英のエッチング処理
に対する影響は、それぞれ異なっている。フッ化物の濃
度が非常に低いと、エッチング処理は、主としてＨＦ_２
⁻によって行われる。濃度が０．１ｍｏｌ／ｌのとき、
ＨＦ_２ ⁻と（ＨＦ）_２によるエッチングは、同等である
ことが見いだされた。最後に、高い濃度では、（ＨＦ）
_２によるエッチングの寄与が大きい。さらに、再現可能
なエッチングでは、ＨＦ_２ ⁻エッチング機構からの寄与
を抑制する必要があることを見いだした。ＨＦ _２ ⁻反応
を除くには、ＨＦ溶液に酸を加えるか、または、全体の
ＨＦ濃度を非常に減少させるという２つの方法がある。
したがって、これによって、ＨＦ水溶液希薄及びＨＦ，
ＨＮＯ_３水溶液（フッ化物濃度は２ｍｏｌ／ｌより大き
い）によるエッチング処理と、バッファード弗酸におけ
るエッチング処理との観測された相違を説明することが
できる。これは、バッファード弗酸は、殆どＨＦ_２ ⁻と
Ｆ ⁻から構成されるからである。

【００３３】石英において最も構造変化を生じたパター
ンの方向と、これに直角な方向のエッチング率の異方性
は、円柱形状の空洞に由来する拡散の相違によって部分
的に説明することができる。構造変化を生じた部分に沿
った拡散は、新鮮なエッチャントが供給される１次元拡
散過程と考えることができる。１次元拡散方程式の解
（フィックの第１法則）は、次の通りである。

【００３４】

【数３】

【００３５】ここで、Ｎは、濃度であり、Ｄは独立拡散
係数である。

【００３６】

【数４】

【００３７】ここで、ｘ及びｔは、空間軸及び時間軸で
あり、Ｎ_０は濃度の初期値である。この解を得るための
初期条件は、１次元準無限サンプルについて、ｘ＝０及
びｔ＞＝０においてＮ＝Ｎ_０であり、ｘ＞０及びｔ＝０
においてＮ＝０である。これは、実験条件に対応してい
て、実験では、エッチング液が点ｘ＝０においてサンプ
ルの表面に供給される。他の座標、例えばｙに沿った拡
散が同じ拡散係数Ｄを有して追加されると、形式的には
次のように記述される。

【００３８】

【数５】

【００３９】この式によると、石英の被加工材料内の構
造変化を生じた部分に沿った濃度の流れ（ｘに沿った１
次元拡散）は、他の方向（実際にはエッチングチャンネ
ルの横方向）の濃度の勾配により影響を及ぼされ、実際
には、円筒状の空洞内で、エッチング処理の間、すなわ
ち、時間が経過するにつれて広がっていくことになる。
〔２〕次に、本発明に係るレーザ支援加工方法は、図５
に示すように、アキシコンレンズ（軸線を光軸上に位置
させた円錐型レンズ）１６を用いた集光光学系により集
光させたレーザビーム（ベッセルビーム：Bessel bea
m）２を、透明材料からなる被加工材料１に対し、この
被加工材料１の表面上である位置を含み該被加工材料１
の内部に亘る領域に照射し、この被加工材料１のレーザ
ビーム２が照射された部分を取り除き、該部分を孔とす
るものである。

【００４０】レーザビーム２は、上述の実施の形態と同
様に、レーザ光源３より発せられたパルスの持続時間が
フェムト秒乃至ピコ秒オーダであるパルスレーザであ
る。また、被加工材料１としては、上述のように、シリ
カ硝子、サファイヤ、または、ダイヤモンドなどであ
る。被加工材料が、サファイヤ、または、ダイヤモンド
である場合、上述したように、この被加工材料１のレー
ザビームが照射された部分を取り除くことを、エッチン
グ処理により行うが、被加工材料が、シリカ硝子である
場合、エッチング処理は特に必要ではない。

【００４１】レーザ光源３より発せられたレーザビーム
２は、パルス反復率とエネルギーをシャッター及び中立
密度減衰器Ｓ＋Ａによって制御され、アキシコンレンズ
１６により一旦集光され、再び拡散する。アキシコンレ
ンズ１６による集光においては、図６中の（ａ）、
（ｂ）に示すように、光軸方向に延びた焦点が形成され
る。そして、この拡散光は、第１のレンズ１７（ｆ＝１
００ｍｍ）によって収束された後、さらに、第２のレン
ズ１８（ｆ＝３０ｍｍ）によって収束される。この第２
のレンズ１８によるレーザビーム２の収束点上に、被加
工材料１が置かれる。このレーザ支援加工方法において
は、レーザビーム２は、光軸方向に長さを有する領域に
収束されるので、被加工材料１に対する走査をしなくと
も、ある長さを有した孔を形成することができる。

【００４２】そして、この被加工材料１を透過したレー
ザビーム２は、第３のレンズ１９（ｆ＝１６ｍｍ）を経
て、ＣＣＤカメラ１１によって撮像される。

【００４３】このレーザ支援加工方法における加工条件
は、例えば、以下に示すものである。すなわち、レーザ
光源３は、チタン−サファイヤレーザ（Ti:Sapphire la
ser）であり、発振波長は、７９５ｎｍである。レーザ
パルスの持続時間は、１７０ｆsec（フェムト秒）であ
る。

【００４４】被加工材料がシリカ硝子の場合、レーザビ
ームによって与えられるエネルギーは、６．８Ｊ／ｃｍ
^２（被加工材料の厚さ２４０μｍ、アキシコンレンズに
入射するレーザビームのエネルギーは、１パルスあた
り、約２５μＪ）。

【００４５】被加工材料がサファイヤの場合、レーザビ
ームによって与えられるエネルギーは、１５０Ｊ／ｃｍ
^２（被加工材料の厚さ１５０μｍ、アキシコンレンズに
入射するレーザビームのエネルギーは、１パルスあた
り、約３０μＪ）。

【００４６】エッチング処理に用いるエッチャントとし
ては、上述の実施の形態と同様に、ＨＦ，ＨＮＯ_３水溶
液（ＨＦ（４８％）：Ｈ_２Ｏ：ＨＮＯ_３（７０％）＝１
５：３００：１０（容積比））などを用いる。約８６μ
ｍ長のシリカ硝子シリンダに約１４μｍの孔を形成する
場合において、エッチング処理の時間は、１６時間程度
である。

【００４７】以下、アキシコンレンズをを用いた集光光
学系により集光させたレーザビームがいわゆるベッセル
ビームとなることについて説明する。

【００４８】自由空間を伝播するスカラー場が回折しな
いための条件は、マッカッチェン（MacCutchen）の定理
によって初めて定式化された。この定理によると、輻射
場の空間スペクトルがリング内に閉じ込められている
と、そのような場は、回折のため広がることなく伝播す
る。一般に、非回折場（non-diffracting field）は、
自己像（self-imaging）のクラスに属し、スペクトルは
複数のリングに閉じ込められている。

【００４９】どの物理領域においても、回折現象は、ヘ
ルムホルツの方程式に支配される。

【００５０】

【数６】

【００５１】最近、ダーニン（Durnin）は、光源がない
領域ｚ≧０を伝播するスカラー場に関するヘルムホルツ
方程式〔数６〕は、無回折モード解のクラスを有するこ
とを指摘した。

【００５２】

【数７】

【００５３】ここで、ｋ_／／ ^２＋ｋ_Ｌ ^２＝（ω／ｃ）２
において、ｋ_Ｌとｋ_／／とは、それぞれｚ軸に垂直及
び平行な伝播ベクトルの成分を表している。すなわち、
ｋ_Ｌ＝ｋsinγで、γは、図６中の（ａ）にγで示す伝
播軸についての錐体角であり、Ａ（φ）は、φに関する
任意の複素関数であり、ρ^２＝ｘ^２＋ｙ^２であり、Ｊ _０
は、第１種の０次ベッセル関数である。ｋ_／／が実の場
合、〔数７〕によると、ｚ＝０における時間平均強度プ
ロフィール（profile）は、次の式になる。

【００５４】

【数８】

【００５５】ｋ_Ｌ＝０であると、解は、単に平面波であ
が、０＜ｋ_Ｌ＜＝ω／ｃであると、解は、非回折ビーム
であり、強度プロフィールは、ｋ_Ｌρに反比例する率で
減少し、ビームの有効幅は、図６中の（ｂ）に示すよう
に、ｋ_Ｌによって決定される。中央のスポットは、最小
で約３λ／４２になる。

【００５６】〔数７〕で表現される非回折ビームは、実
験によっては実現することができないが、これは、その
エネルギーが無限だからである。しかし、所望の分布を
ある程度近似し、伝播の際に回折による広がりが非常に
小さくするビームを合成することはできる。このような
近似の具体例としては、ベッセルガウス（ＢＧ）ビーム
があり、これは、ガウス分布に従って絞られ、ベッセル
関数に従って近軸を伝播する。ベッセルガウスビーム
は、ガウスプロフィールによって制限された有限エネル
ギー束を運ぶので、実験によって実現することができ
る。ベッセルガウスビームの複素振幅は、次のように表
現される。

【００５７】

【数９】

【００５８】ここで、ｚＲは、πｗ_０ ^２／λによって与
えられる。

【００５９】

【数１０】

【００６０】ベッセルガウスビームは、ｗ_０ｋ_Ｌ＞１の
ときだけ通常のガウスビームと非常に異なり、〔数９〕
は、ｋ_Ｌ＝０であると、ガウスビームの複素振幅に関す
る標準表現に帰着する。

【００６１】ベッセルガウスビームが、図６中の（ａ）
に示すように、くさび角δと開口径Ｄのアキシコンレン
ズによって形成される場合、その後の径方向の強度分布
は、次の式で近似される。

【００６２】

【数１１】

【００６３】平面波と光学軸の交差角γは、アキシコン
レンズについてのスネルの法則によって得られる。

【００６４】

【数１２】

【００６５】ここで、ｎ_ａｘは、アクシコンレンズの反
射率である。様々な物質の微細構造に関するベッセルガ
ウスビームの適用では、３つのビームパラメータを推定
することが重要である。すなわち、中央スポットサイ
ズ、非回折伝播距離、ビームによって供給されるパワー
密度である。ベッセルガウスビームのスポットサイズ
は、典型的には、Ｊ_０（ｋ_Ｌρ）関数の第１の零点の２
倍として定義される。

【００６６】

【数１３】

【００６７】Ｎ＝Ｄsin（γ）／λリングでなるベッセ
ルガウスビームの最大伝播距離は、ビーム伝播軸から離
れた最も内側のリング回折の距離によって定義され、次
の式で表現される。

【００６８】

【数１４】

【００６９】ここで、Ｚ_ＲＢ＝π^２ｋ／２ｋ_Ｌ ^２は、個
別リングのアシンプトチック（asymptotic）幅に関する
レイリー距離である。ベッセルビームのリングに関連す
るエネルギー束は、他のリング、または、中央スポット
のエネルギー束に等しいので、最適中央スポット照度効
率は、次のようになる。

【００７０】

【数１５】

【００７１】ここで、ｗ_０は、ガウスビーム強度の１／
ｅ^２半径である。ベッセルガウスビームでは、多数のリ
ングが形成されるので、中央スポット（又は任意のリン
グ）でのエネルギーは、ガウスビームに比べると非常に
小さい。最終的な効率は、典型的には非常に小さいが、
他のベッセルガウスビーム変換方法を用いて得られた効
率と比べるとかなり大きい。なお、射影レンズシステム
を用いても、レンズシステムでの伝送損失を無視する
と、リング間の距離の変化によっては、各リングのスル
ープットに影響は生じない。

【００７２】そして、このレーザ支援加工方法の実施に
おいては、上述のように、チャープ変調によるパルス増
幅に基づくフェムト秒チタン−サファイアレーザ発振器
を用いる。このレーザ発振器は、アルゴンイオンレーザ
によって励起されるモードロックされたチタン−サファ
イアレーザであり、基準発振波長λ＝７９５±１０ｎｍ
で動作する。ネオジム：ＹＬＦレーザによって励起され
るチタン−サファイア増幅器は、フェムト秒パルスをパ
ルスエネルギー安定性５％でエネルギー０．５ｍＪ／パ
ルスに増幅する。パルスの繰り返し周波数は、１ＫＨｚ
である。

【００７３】入射レーザ輻射の空間強度プロフィールと
拡大ベッセルガウスビーム強度プロフィールは、図５に
示すように、１１μｍ×１３μｍ画素サイズのＣＣＤカ
メラ１１で監視される。くさび角δ＝１７５ｍradのガ
ラスアキシコンレンズ１６（ｎ_ａｘ＝１．５１１）は、
錐体角γ≒９２ｍradのベッセルガウスビームを形成す
るのに用いられる。ビームは、上述したように、第１及
び第２の正レンズ１７，１８からなる望遠鏡によって被
加工材料１にイメージされる。したがって、アキシコン
レンズ１６によって生成されたベッセルガウスビーム
は、第１及び第２のレンズ１７，１８の組み合わせによ
って変換され、錐体角γ´が次の式に従い連続的に変化
する他のベッセルガウスビームになる。

【００７４】

【数１６】

【００７５】この式によると、試料の外側における最終
的なベッセルガウスビームの錐体角は、約３００ｍrad
である。

【００７６】最初に、入射輻射の特性を測定した。強度
プロフィールとパルス持続時間の推定を、それぞれ図７
中の（ａ）及び（ｂ）に示す。横方向強度分布のガウス
フィットによって、１．５ｍｍ（ＦＷＨＭ）の火面径が
得られた。図７中の（ｂ）に示すように、自己相関のト
レースは、約１００ｆsec（ＦＷＨＭ）持続時間につい
て、セチ２乗（sech^２）関数によってフィットされた。
測定された火面径により、望遠鏡の前後の最大焦点深度
ｚ_ｍａｘが算出できるようになり、それぞれ約１４ｍｍ
及び４ｍｍであることが分かった。両方の場合とも、
〔数１５〕によると、ベッセルガウスビーム中央最大照
度効率は、８．６×１０^−３になると推定される。

【００７７】ベッセルガウスビームによって誘起される
光学降伏を、３つの物質について調べる。物質は、
（i）（２４０±１０）μｍ厚の乾燥ｖ−ＳｉＯ_２、（i
i）（１５０±１）μｍ厚の結晶質サファイア、及び、
（iii）４ｍｍ乃至１０ｍｍ厚の光学用プレキシガラス
である。試料は全て洗浄し、２座標マイクロメータ移動
ステージの金属製ターゲット支持部材にマウントした。
石英ガラスとプレキシガラスの試料は、横から構造の微
視的分析ができるように研磨する。

【００７８】ここで、（焦点の最大深度ｚ_ｍａｘについ
て）線状損傷（構造変化）についての光誘起損傷閾値
（ＬＩＤＴ）は、１スポット当たりレーザショットを１
０回照射した後、光学顕微鏡で認識できる物質伝送の恒
久変化が観測されるため必要になる最小のエネルギーと
して定義する。試料の検査は、約１μｍ（４０倍拡大、
ＮＡ＝０．５５の対物レンズ）の最大横分解能の倒立顕
微鏡（１７０倍）によって行う。

【００７９】上述のようにして本発明に係るレーザ支援
加工方法を実施し検査するために、まず、ビームが非回
折であることを確認するため、アキシコンレンズの後の
幾つかの距離において、変換された光場の空間強度分布
Ｉ（ρ，ｚ）を測定した。これらの検査では、強度分布
を拡大するため、第３のレンズとして、開口数（ＮＡ）
＝０．４の顕微鏡対物レンズを用いた。

【００８０】この測定によると、アキシコンレンズから
約１３．５ｍｍの距離における中央スポット強度に鋭い
減少が見られた。この値は、算出した焦点深度ｚ_ｍａｘ
＝１４ｍｍによく一致する。また、距離１１ｍｍにおけ
る変換ビーム強度の空間分布を、６０倍に拡大して、図
８の（ａ）、（ｂ）に示す。第１のリングの強度分布
は、少し歪んでいるが、中央スポットと周囲の他のリン
グは、回転対称性を維持している。このような歪みは、
アキシコンレンズの収差、すなわち乱視に帰される。範
囲１ｍｍ乃至１３ｍｍの距離において、ｄ_０＝７．６±
２μｍで測定された中央ローブの径は、実験精度内では
一定で、〔数１３〕によって算出された値ｄ_０ ^ｃａｌ＝
６．８μｍとよく一致する。半径３μｍのベッセルビー
ムをｗ_０＝３μｍのガウスビームと比較すると、後者の
スポットは１００レイリー範囲（３．６ｍｍ）の伝播後
に、１００ｗ_０程度まで広がる。逆に、ベッセルビーム
の中央スポットは、同じ距離の伝播後には狭くなる。な
お、スポットサイズは、ｚ_ｍ _ａｘ限界で最小になる。

【００８１】ベッセルガウスビームの径方向強度分布を
より詳細に調べるため、アキシコンレンズから固定距離
における実験により確認された径方向強度分布を、〔数
１１〕に基づく理論モデルの結果と比較する。この関数
の零点と実験で測定された横方向強度分布は、よく一致
する。測定された強度ピークの第２の極大は、〔数１
１〕の極大と異なっているが、これは、算出強度依存性
は、一様強度分布の交差波についてのみ成立するからで
ある。実験の場合、交差波は、収差による一様強度分布
を保存しない。この結果から、アキシコンレンズによっ
て生成されたビームは、非回折ベッセルガウスビームに
よってよく近似できることが分かった。

【００８２】また、第１及び第２のレンズ１７，１８
（望遠鏡）によって変換されたビームの空間強度分布を
調べた。最初に、遠隔場強度プロフィールからビーム錐
体角を決定した。ベッセルガウスビームの錐体角γ´＝
３２０ｍradは、〔数１６〕から得られる理論的予測値
を超えている。この状況は、この表式が錐体角の定性的
予測にのみ用いることができることを示している。変換
ビームの空間強度分布を、４０倍に拡大したものを、図
８中の（ｂ）に示す。中央スポット径と焦点深度は、そ
れぞれｄ_０＝２μｍ及びｚ_ｍａｘ≒４ｍｍである。した
がって、このようなビームの構成によって予期される最
大アスペクト比は、ｚ_ｍａｘ／ｄ_０＝２×１０^３であ
る。

【００８３】上述のようなベッセルガウスビームの微細
構造検査において、全ての試料は、ビームの非回折伝播
の範囲ｚ_ｍａｘに設置した。最終的な線形形状の典型的
な光学伝送イメージは、図９に示すように、最初に、プ
レキシガラスにおける錐体角９２ｍradのベッセルガウ
スビームについて構成されるＬＩＤＴよパターンを決定
した。測定結果によると、プレキシガラスにおける線状
パターン形状についてマルチショットＬＩＤＴは、約
０．９Ｊ／ｃｍ^２である。図９中（ａ）、（ｂ）及び
（ｃ）に示すように、ビーム入射板の損傷（構造変化）
領域の径は、出射面より約６倍大きく、すなわち、ビー
ムの入射径は、ビームの強度分布における第１のリング
の径と同程度である。ここで、試料表面の中央スポット
径は、７．６μｍである。物質で観測された炭化現象
は、幾つかの連続したレーザパルスを吸収して熱せら
れ、最終的に、大きな損傷スポットを生じたものと説明
される。

【００８４】石英と結晶質サファイアの加工について
は、錐体角３２０ｍradのベッセルガウスビームを用い
た。測定されたＬＩＤＴは、石英とサファイアについ
て、それぞれ６．８Ｊ／ｃｍ^２及び８．２Ｊ／ｃｍ^２で
あった。石英について単一ショットＬＩＤＴは、高い開
口数の対物レンズによって集光されたガウスビームの場
合、５Ｊ／ｃｍ^２であった。最近、マルチショット照射
後、ＬＩＤＴが減少することが報告されている。したが
って、ベッセルガウスビームによるレーザ加工は、物質
の破壊について高いフルエンスを要する。上述のＬＩＤ
Ｔの定義によると、１０^３倍大きい体積のガラスが同時
に励起されなければならないので、驚くことはない。両
方の物質、すなわち、石英について図９中の（ｄ）、
（ｅ）及び（ｆ）、サファイアについて図９中の
（ｇ）、（ｈ）及び（ｉ）に示すように、線形パターン
の観測された形状は、プレキシガラスにおける形状と類
似しているが、径の測定された差異は２μｍだけであ
る。また、図９中の（ｈ）に示すように、サファイアに
おいては、損傷スポットの径は、表面でのみ通常の顕微
鏡で測定することができる。

【００８５】図１０中の（ａ）、（ｂ）に示す原始間力
顕微鏡（ＡＦＭ）による画像は、フルエンスを２倍にし
たＬＩＤＴを用いたレーザ加工の後の石英の入射側（図
１０中（ａ））と出射側（図１０中（ｂ））の表面の具
体例を示している。表面におけるベッセルガウスビーム
の径は、ｄ_０＝２μｍであった。入射側及びと出射側表
面における径は、それぞれ約２μｍ及び１．２μｍであ
った。石英試料の中央スポットの周囲の他の変化は、ベ
ッセルガウスビームの高次の強度の極大によって、表面
が刻印されたことを示している。これらさらなる同心円
上のピットｄ１≒４μｍの径と位置は、図８中の（ｂ）
に示すように、ベッセルガウスビームの第１のリングの
直径と、この内側の強度分布とほぼ等しい。したがっ
て、構造のサイズは、表面におけるレーザビームのサイ
ズと同程度である。除去されたピットの周縁において、
溶融した物質は観測されなかった。

【００８６】伝播方向に沿って、スポットサイズは、観
測によると減少しているが、これは、暫定的にはフェム
ト秒パルスの自己集光によって説明することができる。
しかし、測定したＬＩＤＴ値に対応する照射パワーは、
プレキシガラスのＬＩＤＴをＰ_ｃｒとすると、サファイ
アのＬＩＤＴが０．６９Ｐ_ｃｒ、石英のＬＩＤＴが０．
４２Ｐ_ｃｒというガウスビームの臨界自己集光パワーＰ
_ｃｒより低い。自己集光の影響を確認するため、１Ｐ
_ｃｒ乃至６Ｐ_ｃｒの範囲のパワーレベルで１ｃｍ厚のプ
レキシガラス試料の内側に線形パターンを記録した。各
パワーレベルにおいて、幾つかのパターンが記録され
た。測定によると、パターンの長さは、１Ｐ _ｃｒから約
１．５Ｐ_ｃｒのパワーに応じて、約２ｍｍから４ｍｍに
増加している。より高いパワーレベルでも、パターンの
長さには変化が見られず、径の緩慢な増加だけが見られ
た。これは、線形の損傷長は、ベッセルガウスビームの
焦点深度にのみ依存していることを示す明白な証拠であ
る。

【００８７】

【発明の効果】上述のように、本発明に係るレーザ支援
加工方法は、透明材料からなる被加工材料に対しレーザ
ビームを集光して照射し、このレーザビームの照射位置
を該被加工材料内において少なくとも１箇所は該被加工
材料の表面上である位置を含めて走査させ、この被加工
材料のレーザビームが照射された部分をエッチング処理
により取り除き、該部分を孔とすることを特徴とする。
そして、本発明は、このレーザ支援加工方法において、
被加工材料を、シリカ硝子、サファイヤ、または、ダイ
ヤモンドのいずれかであることとしたものである。ま
た、本発明は、エッチング処理においては、エッチャン
トとして、弗酸溶液、または、アルゴンガスプラズマを
使用することを特徴とするものである。

【００８８】さらに、本発明に係るレーザ支援加工方法
は、アキシコンレンズを用いた集光光学系により集光さ
せたレーザビームを、透明材料からなる被加工材料に対
し、この被加工材料の表面上である位置を含み該被加工
材料の内部に亘る領域に照射し、この被加工材料のレー
ザビームが照射された部分を取り除き、該部分を孔とす
ることを特徴とする。そして、本発明は、このレーザ支
援加工方法において、被加工材料を、シリカ硝子である
こととしたものである。

【００８９】また、本発明は、上記レーザ支援加工方法
において、被加工材料のレーザビームが照射された部分
を取り除くことを、エッチング処理により行うこととし
たものである。そして、本発明は、このレーザ支援加工
方法において、被加工材料を、サファイヤ、または、ダ
イヤモンドのいずれかであることとしたものである。ま
た、本発明は、エッチング処理においては、エッチャン
トとして、弗酸溶液、または、アルゴンガスプラズマを
使用することを特徴とするものである。

【００９０】そして、本発明は、上述の各レーザ支援加
工方法において、レーザビームは、パルスの持続時間が
フェムト秒乃至ピコ秒オーダであるパルスレーザである
こととしたものである。

【００９１】すなわち、本発明は、ダイヤモンドやサフ
ァイヤの如き硬質の被加工材料に対しても、極微小な孔
を形成する加工を容易、かつ、確実に行うことができ、
また、被加工材料の内部にまで亘る３次元的な加工を行
うことができ、さらに、平滑な加工面を形成することが
できるレーザ支援加工方法を提供することができるもの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザ支援加工方法を実施する装
置の構成を示す側面図である。

【図２】上記レーザ支援加工方法により形成された孔を
示す側面図である。

【図３】上記レーザ支援加工方法におけるエッチング速
度を示すグラフである。

【図４】上記レーザ支援加工方法により形成された孔を
示す斜視図である。

【図５】アキシコンレンズを用いる本発明に係るレーザ
支援加工方法を実施する装置の構成を示す側面図であ
る。

【図６】（ａ）は、上記アキシコンレンズによる集光状
態を示す側面図であり、（ｂ）は、上記アキシコンレン
ズにより集光されたビームの強度分布を示すグラフであ
る。

【図７】（ａ）は、上記アキシコンレンズへの入射レー
ザビームの近接強度分布を示すグラフであり、（ｂ）
は、第２高調波によって得られたレーザパルスによる自
己相関図形を示すグラフである。

【図８】実験的に確認された異なる円錐角のベッセルガ
ウスビームの拡大強度分布を示すグラフ及び正面図であ
り、（ａ）は、γ＝９２ｍradの場合であり、（ｂ）
は、γ＝３２０ｍradの場合である。

【図９】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、プレキシガラスにおい
て、（ｄ）（ｅ）（ｆ）は、シリカガラスにおいて、
（ｇ）（ｈ）（ｉ）は、サファイアにおいて、ベッセル
ガウスビームによって生成された損傷スポットの光学透
過像を示す正面図である。

【図１０】ベッセルガウスビームにより石英へ１０回の
レーザショットにより形成された微細なホールを、ビー
ム入射側（ａ）及びビーム出射側（ｂ）において示すＡ
ＦＭ画像を示す正面図である。

【符号の説明】

１被加工材料、２レーザビーム、３レーザ光源、
７対物レンズ、８Ｘ−Ｙ−Ｚステージ、１６アキシ
コンレンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者駿河正次東京都江戸川区清新町１−４−１−305 (72)発明者アンドリウスマルティンキャビティス徳島県徳島市八万町柿谷12番地ロイヤルコーポ林102号室 (72)発明者サウリウスヨードカシス徳島県徳島市八万町柿谷12番地シャンポロー林208号室Ｆターム(参考） 3C069 AA04 BA00 BA08 BB01 BB04 CA02 CA11 EA01 EA02 4E068 AA01 AF00 CA01 DA00 DB00 DB12 DB13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明材料からなる被加工材料に対し、レ
ーザビームを集光して照射し、上記レーザビームの照射位置を、該被加工材料内におい
て、少なくとも１箇所は該被加工材料の表面上である位
置を含めて走査させ、上記被加工材料の上記レーザビームが照射された部分
を、エッチング処理により取り除き、該部分を孔とする
ことを特徴とするレーザ支援加工方法。
【請求項２】被加工材料は、シリカ硝子、サファイ
ヤ、または、ダイヤモンドのいずれかであることを特徴
とする請求項１記載のレーザ支援加工方法。
【請求項３】エッチング処理においては、エッチャン
トとして、弗酸溶液を使用することを特徴とする請求項
２記載のレーザ支援加工方法。
【請求項４】エッチング処理においては、エッチャン
トとして、アルゴンガスプラズマを使用することを特徴
とする請求項２記載のレーザ支援加工方法。
【請求項５】アキシコンレンズを用いた集光光学系に
より集光させたレーザビームを、透明材料からなる被加
工材料に対し、この被加工材料の表面上である位置を含
み該被加工材料の内部に亘る領域に照射し、上記被加工材料の上記レーザビームが照射された部分を
取り除き、該部分を孔とすることを特徴とするレーザ支
援加工方法。
【請求項６】被加工材料は、シリカ硝子であることを
特徴とする請求項５記載のレーザ支援加工方法。
【請求項７】被加工材料のレーザビームが照射された
部分を取り除くことを、エッチング処理により行うこと
を特徴とする請求項５記載のレーザ支援加工方法。
【請求項８】被加工材料は、サファイヤ、または、ダ
イヤモンドのいずれかであることを特徴とする請求項７
記載のレーザ支援加工方法。
【請求項９】エッチング処理においては、エッチャン
トとして、弗酸溶液を使用することを特徴とする請求項
８記載のレーザ支援加工方法。
【請求項１０】エッチング処理においては、エッチャ
ントとして、アルゴンガスプラズマを使用することを特
徴とする請求項８記載のレーザ支援加工方法。
【請求項１１】レーザビームは、パルスの持続時間が
フェムト秒乃至ピコ秒オーダであるパルスレーザである
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一
に記載のレーザ支援加工方法。