JP2002316278A - レーザ制御材料処理方法 - Google Patents

レーザ制御材料処理方法

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JP2002316278A JP2002031756A JP2002031756A JP2002316278A JP 2002316278 A JP2002316278 A JP 2002316278A JP 2002031756 A JP2002031756 A JP 2002031756A JP 2002031756 A JP2002031756 A JP 2002031756A JP 2002316278 A JP2002316278 A JP 2002316278A
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Abstract

(57)【要約】 パルスレーザを使用する材料処理方法は、レーザパルス
ビームを発生する工程と、試料の表面の上方の平面にそ
のビームを集光する工程とレーザ照射ポイントで材料の
ブレークダウンを引き起こす工程と、試料の材料を除去
あるいは改質する工程とを有する。試料の上方に焦平面
を配置することは、より高強度のレーザビームパルスの
使用を許容し、レーザエネルギ吸収への試料表面状態の
悪影響を最小化する。二番目の面では、材料処理方法が
ビームによって除去された材料を、好ましくは試料表面
の僅か上方に配置されたプッシュ−プルタイプの空気真
空システムで除去するための真空を使用することをさら
に含み、それによってきれいな試料と作用表面を与え
る。

Description

【発明の詳細な説明】発明の背景 １）本発明の分野 本発明は、パルスレーザを使用する材料処理方法に関
し、その材料処理は、レーザ／材料相互作用領域の材料
除去あるいはレーザ／材料相互作用領域の改質を含む。
特に、本発明は、材料を除去し、きれいな微細加工面に
するためのパルスレーザを使った材料処理方法に関す
る。２）関連技術の説明材料の内面と外面を改質するこ
とにレーザを使用することは、１９９７年８月１２日に
提出され、ミシガン州アナーバのミシガン大学の評議員
に譲渡された”レーザ誘起ブレークダウン及びアブレー
ションの制御法”と題する米国特許第５，６５６，１８
６号（’１８６号特許）から知られている。
【０００１】その’１８６号特許は、ブレークダウンの
パワー密度閾値（Ｆth）と、前もって決められた（特性
の）レーザパルスビーム幅（Ｔ）と、の間の関係を開示
している。この特性パルス幅の値以上ではブレークダウ
ンのパワー密度（フルエンス）閾値（Ｆth）は、パルス
幅の平方根（Ｔ1/2）に比例して変化する。しかしなが
ら、この依存性は、特性パルス幅の値以下の短いパルス
幅では示されていない。
【０００２】特性パルス幅の値は、熱拡散長（ｌth）が
吸収深さ（１／ａ）以下になる点に一致する。ここで、
ａは放射に対する吸収係数である。すなわち、特性パル
ス幅の値以上のパルス幅の場合、熱拡散長は、吸収深さ
よりはるかに長くなり、その結果、熱拡散は特徴的なサ
イズ分解能の制限因子になる。しかしながら、特性パル
ス幅の値以下のパルス幅の場合は、熱拡散長が吸収深さ
より小さくなり、熱拡散が特徴的なサイズ分解能に影響
しなくなる。
【０００３】レーザパルスが特性パルス幅の値に等しい
かあるいはそれ以下のパルス幅をもつパルスレーザによ
る材料のレーザ誘起ブレークダウン方法を与え、且つパ
ルスレーザビームを材料の表面あるいは下面のポイント
に集光することによって、’１８６号特許はこのクロス
オーバを活用している。
【０００４】しかしながら、’１８６号特許に開示され
た方法は、潜在する欠点を除いていない。たとえば、特
徴的なサイズを小さくするために、レーザビーム強度
は、アブレーション閾値あるいはそれに近いエネルギを
供給するように調整される。特に、アブレーション領域
をこの制限領域に限定するために、レーザビームのほん
の少し、たとえば、ガウスビームの中心部分がアブレー
ション閾値以上のパワー密度になるようにレーザビーム
強度が調整される。さらに、レーザビームは損傷体積を
制御するために材料の表面あるいは下面のポイントに集
光される。
【０００５】したがって、従来の方法から帰結する一つ
の潜在的な欠点は、アブレーションした材料が加工され
る試料の表面に再堆積することである。アブレーション
した材料に最小のエネルギを与えるという観点で、従来
の方法はアブレーションした材料のかなりの部分をレー
ザ照射される主要点の上あるいは近くへ再堆積させそう
である。このことは二つの起こりうる問題を有してい
る。一つは、再堆積した材料は、加工の後で除去され難
いことである。さらに、この汚れはレーザビームに対し
て散乱あるいは吸収サイトとして働き、将来のレーザ照
射に粗さをもたらす。特に、その再堆積材料は、材料除
去のための不十分なエネルギに基づいており、レーザビ
ーム強度が閾値フルエンスぴったりあるいは近くに設定
されることで与えられる。
【０００６】従来の方法の２番目の起こりうる欠点は、
レーザ処理される材料の表面状態への固有の依存性であ
る。’１８６号特許の方法は、レーザビームを材料の表
面あるいは表面下に集光する。したがって、最初のパル
スの間に結合するレーザエネルギは、材料の初期表面状
態に依存する。さらに、材料と結合するレーザエネルギ
は、以前議論した再堆積材料の悪い効果のために、次の
パルスの間低下する。したがって、レーザエネルギの吸
収は、材料の表面状態により減少する。このように、従
来の方法は材料へのレーザビームエネルギの不十分な結
合と加工された部分と試料の両方に好ましくない表面粗
さをもたらす。
【０００７】発明の目的 したがって、本発明の第１の目的は、レーザビームエネ
ルギの目標材料への結合を高めるパルスレーザを使って
の有効な材料処理方法を提供することである。本発明の
第２の目的によって、パルス間でよりきれいな試料表面
を与えることを含むよりきれいな試料表面を与えるパル
スレーザを使った材料処理の方法を提供することが求め
られる。
【０００８】本発明の要旨 本発明は、パルスレーザを使った材料処理の方法を提供
することでこれら及びその他の目的を達成する。その方
法は、レーザパルスビームを発生する工程と、そのビー
ムを試料表面の上方の面に集光する工程と、集光レーザ
ポイントで材料のブレークダウンを引き起こす工程と、
試料の材料を除去あるいは改質する工程とを有する。好
ましくは、その方法は、１ナノ秒から１フェムト秒（１
×１０-9−１×１０-15秒）の範囲のパルス幅をもつレ
ーザパルスビームを発生する工程と、試料の表面の少な
くとも２μｍ上方に焦平面を配置する工程とを有する。
より好ましくは、実際問題として、焦平面は試料表面の
上方２−１０μｍに位置する。第２の実施形態は、レー
ザで除去された材料を真空を使って除去する工程をさら
に有する。好ましくは、その真空除去は、プッシュ−プ
ルタイプの空気真空システムで行われる。より好ましく
は、その真空システムは、試料表面の僅かに上方に配置
される。
【０００９】好ましい実施形態の詳細説明 図１は、本発明によるパルスレーザを使った材料処理の
方法を図解している。パルスレーザビーム１は、試料３
の表面４の上方の平面２に集光され、集光レーザ照射ポ
イント６で材料のブレークダウンを引き起こす。試料の
材料例は、金属及び合金と、セラミックスと、ガラス、
石英、サファイア及びダイアモンドのような透明材料
と、ポリイミド及びPMMAのような有機材料と、シリコン
と、を含むが、限定されない。
【００１０】好ましくは、レーザパルスのビーム１は、
１ナノ秒〜１フェムト秒（１×１０ -9〜１×１０
-15秒）の範囲のパルス幅をもって発生される。この範
囲内のパルス幅を発生させることが出来るレーザは既知
であり、’１８６号特許に開示されたTi:サファイアレ
ーザを含む。そのような急速な時間スケールは低エネル
ギレベルで有利であり、ピコ秒からフェムト秒のレーザ
パルスは、レーザ照射ポイント６からの材料除去なしで
非平衡過程をもたらすために使用される。こういう風に
改質される物理特性の一例は結晶構造で、たとえば結晶
からアモルファスになる。
【００１１】より好ましくは、レーザビーム強度は、ビ
ーム１が焦平面２で試料表面４での強度分布の対応する
部分のみがフルエンス閾値以上になるようなフルエンス
閾値以上の小部分をもつ強度分布をもつように、調整さ
れる。ここで、試料表面４での強度分布の対応する部分
は、閾値フルエンスのほんの僅か上である。
【００１２】本発明は試料３の表面４をレーザビーム1
の焦平面２の下方に配置する。好ましくは、焦平面２は
試料表面４の上方２、３ミクロンより大きく離れた位置
に配置される。この構成は、試料表面４でのビーム強度
が低いので、より高い強度のレーザビームパルスの使用
を許容する。試料表面４でのレーザビーム強度は、ビー
ム強度分布に対する良く知られた式を使って計算され
る。
【００１３】焦平面２と試料３の間隔が大きくなるほ
ど、試料3から材料を除去するあるいは改質するため
に、焦平面２でのレーザビーム強度は大きくなければな
らない。しかしながら、焦平面２と試料3の間隔を大き
くすると、試料表面4でのレーザビーム1の強度分布が広
げられる。’186号特許からわかるように、精密な加工
をを行うためにはビーム強度は、レーザ照射ポイントで
のビーム分布の小さい部分だけがフルエンス閾値以上の
エネルギをもつように、調整されなければならない。こ
のように、焦平面２は試料表面４のはるか上方に位置す
ることができない、そうしないと、精密な加工が行われ
ない。したがって、小さな（すなわちスポットサイズよ
り小さな）作用サイズが必要なときは、焦平面２と試料
表面４の間の距離は小さくなければならない。
【００１４】レーザビームの焦平面２と試料３の間の距
離の範囲は、レーザビーム１を次の条件で動作させるこ
とで、きれいな試料と作用表面をもつ精密な加工を与え
る。第１に、焦平面２は好ましくは試料表面の２〜３ミ
クロン上方より大きい距離に配置される。より好ましく
は、レーザビームの焦平面２は試料表面４の上方２−１
０ミクロンに配置される。さらに、レーザパルスは、好
ましくは１ナノ秒から１フェムト秒（１×１０-9−１×
１０-15秒）の範囲のパルス幅をもつ。さらに、パルス
当たりのビームエネルギは、好ましくは１ナノジュール
（１×１０-9Ｊ）より大きい。
【００１５】本発明の第２の実施形態が図２に示されて
いる。パルスレーザビーム１は試料３の表面４の上方の
平面に集光され、レーザ照射ポイント６で材料のブレー
クダウンを起こす。試料３から除去された材料は真空で
除去される。真空で材料を除去することで、アブレーシ
ョンした材料の大部分がレーザ照射された作用部６の上
あるいは付近へ再堆積することが避けられる。こういう
風に、よりきれいな試料と作用表面が得られる。
【００１６】好ましくは、真空除去は試料表面４の僅か
上方に配置されたプッシュ−プルタイプの空気真空シス
テムで行われる。真空システムと試料表面４を、試料表
面４を物理的に損傷することなしに、できるだけ近づけ
ることが好ましい。好ましくは、真空システムと試料表
面４とは２〜３ミリメートルの距離離される、より好ま
しくは、２−１０ミリメートル離される。
【００１７】プッシュ−プルタイプの空気真空システム
が図２に模式的に描画されている。空気が圧縮空気を供
給する空気供給マニホールド１１で供給され、それによ
って除去材料をレーザ照射された作用部６から残滓を吸
い込む真空マニホールド１２の方にプッシュし、それに
よってよりきれいな試料及び作用表面が得られる。その
ようなシステムは技術的に良く知られており、したがっ
て詳しくは説明されない。
【００１８】レーザ−材料相互作用領域の最大清浄化を
達成するために、圧縮空気圧と真空圧は好ましくは与え
られたセットの材料とレーザ処理パラメータに対して調
整される。さらに、空気供給マニホールド１１の端部１
１ａは試料３にある角度（図示せず）で空気を供給する
ように設計される。さらに、残滓除去を高めるために、
ノズルあるいは類似の構造の造作（図示せず）が空気の
ジェットあるいは多数ジェットを作るべき空気供給マニ
ホールド１１の端部１１ａに取り付けられる。さらに、
真空マニホールド１２の端部１２ａは好ましくは、圧縮
空気で持ち上げられた残滓の最大量がレーザ−材料相互
作用領域から捕獲され運び去られるように、形付けられ
る。
【００１９】この材料処理の方法は、試料表面４の上方
にレーザビームを集光することで、材料表面状態のレー
ザエネルギ吸収への様々な悪影響が最小化されるという
ことに優位性がある。さらに、プッシュ−プルタイプの
空気真空システムの使用は、次のレーザパルスに対して
きれいな試料表面を提供する。このように全体的に、現
在の方法は、レーザビームの最も強い部分と試料表面４
との相互作用を避けて、それによってレーザエネルギを
より効率的に使用する。
【００２０】本発明の第３の実施形態が図３に描画され
ている。パルスレーザビーム１は、レーザパルス光源
（図示せず）と試料３の間に配置されているマスク２０
を通して投影される。マスク２０は複数の開口２１をも
ち、その開口を通して複数のビーム２２が形成される。
マスク投影技術は既知であり且つより詳細には議論され
ていない。複数のビーム２２は試料３の表面４の上方の
焦平面に集光され、複数のレーザ照射ポイント６で材料
のブレークダウンを引き起こし試料３の除去あるいは改
質を行う。
【００２１】上記の好ましい実施形態は、例として与え
られている。この開示から、その技術に通じるものが本
発明とその付随する改良を理解するのみならず、開示さ
れた構造への見かけの様々な変化及び変更を見出すであ
ろう。したがって、添付のクレーム及びそれと同等のも
ので定義されたように、本発明の精神と範囲に入るよう
なあらゆる変化及び変更をカバーすることが求められ
る。
【図面の簡単な説明】
本発明の上記目的と優位性は、その好ましい実施形態を
以下の添付図に関して詳細に説明することでより明白に
なるであろう：
【図１】本発明の第１の実施形態によるパルスレーザを
使用する材料処理の概略図であり；
【図２】レーザ照射で除去された材料の真空除去を含む
パルスレーザを使用する材料処理の概略図であり；
【図３】試料表面に複数のレーザビームを投影するため
のマスクの概略図である。

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】レーザパルスビームを発生する工程と、 該ビームを試料表面の上方の焦平面に集光する工程と、 レーザ照射ポイントで材料のブレークダウンを起こす工
    程と、 該ビームで該試料の材料を除去あるいは改質する工程
    と、を有するパルスレーザを使用する材料処理方法。
  2. 【請求項２】前記焦平面が試料表面の少なくとも２μｍ
    上に位置する請求項１の方法。
  3. 【請求項３】前記焦平面が試料表面の２−１０μｍ上に
    位置する請求項２の方法。
  4. 【請求項４】前記試料材料は金属あるいは合金である請
    求項１の方法。
  5. 【請求項５】前記試料材料はガラス、石英、サファイ
    ア、あるいはダイアモンドである請求項１の方法。
  6. 【請求項６】前記試料材料は有機材料を含む請求項１の
    方法。
  7. 【請求項７】前記試料材料はケイ素を含む請求項１の方
    法。
  8. 【請求項８】前記ビームは１ナノジュールより大きいパ
    ルスエネルギをもつ請求項１の方法。
  9. 【請求項９】レーザパルス幅を１ナノ秒から１フェムト
    秒の範囲に設定する工程をさらに有する請求項１の方
    法。
  10. 【請求項１０】前記ビームで試料から除去された材料を
    真空で除去する工程をさらに有する請求項１の方法。
  11. 【請求項１１】試料から前記ビームで除去された材料を
    プッシュ−プルタイプの真空システムで除去する請求項
    １０の方法。
  12. 【請求項１２】前記プッシュ−プルタイプの真空システ
    ムは、少なくとも一つの空気ジェットを発生する空気供
    給マニホールドと真空マニホールドとを有する請求項１
    １の方法。
  13. 【請求項１３】前記プッシュ−プルタイプの真空システ
    ムは試料表面の上２−１０ｍｍに配置される請求項１１
    の方法。
  14. 【請求項１４】レーザパルスビームを発生させる工程
    と、 レーザパルス光源と試料の間に配置され且つ複数のビー
    ムを作るための複数の開口を有するマスクを通してビー
    ムを投影する工程と、 試料表面の上方の焦平面にその複数のビームを集光する
    工程と、 複数のレーザ照射ポイントで材料のブレークダウンを起
    こす工程と、 その複数のビームで試料の材料を除去あるいは改質する
    工程と、を有するパルスレーザを使用する材料処理方
    法。
JP2002031756A 2001-02-09 2002-02-08 レーザ制御材料処理方法 Pending JP2002316278A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US09/779,652 US20020108938A1 (en) 2001-02-09 2001-02-09 Method of laser controlled material processing
US09/779,652 2001-02-09

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2002316278A true JP2002316278A (ja) 2002-10-29

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