JP2003211400A - Refining method using ultra-short pulse laser and workpiece therefor - Google Patents
Refining method using ultra-short pulse laser and workpiece thereforInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明が属する技術分野】本発明は、超短パルスレーザ
ーを用いた微細加工方法及びその加工物に関するもので
ある。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fine processing method using an ultrashort pulse laser and a processed product thereof.
【０００２】[0002]
【従来の技術】ナノメートル（ｎｍ；1メートルの１０
億分の１）サイズのナノ構造（概ね０．１ｎｍ〜２００
ｎｍのサイズ）を有する材料及び部品の開発が従来より
進められており、こうしたナノ構造を形成するための技
術はナノテクノロジーと総称されている。ナノ構造を有
する材料及び部品は、新規な物性や機能を発現すること
が知られており、電子デバイス等の電子・電気関連分
野、マイクロマシン等の機械関連分野及び触媒等の化学
分野といった多岐にわたる技術分野でその活用が図られ
ている。2. Description of the Related Art Nanometer (nm; 10 of 1 meter)
One-hundred millionth of a nanostructure (approximately 0.1 nm to 200 nm)
Materials and components having a size (nm) have been developed, and the technology for forming such nanostructures is generally called nanotechnology. Materials and parts having nanostructures are known to exhibit new physical properties and functions, and they are widely used in various fields such as electronic and electrical fields such as electronic devices, mechanical fields such as micromachines, and chemical fields such as catalysts. It is being used in the field.
【０００３】ナノテクノロジーとしては、大別すると、
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を利用した原子・分子
レベルの操作技術を用いて原子・分子を数十〜数百単位
で構築することでナノ構造を形成するボトムアップ技術
と、ＬＳＩ製造技術に代表されるリソグラフィ、電子ビ
ーム加工、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）加工により１０
０ｎｍ程度のナノ構造を形成するトップダウン技術が開
発されている。Nanotechnology is roughly divided into the following:
Representative of LSI manufacturing technology and bottom-up technology that forms nanostructures by constructing atoms / molecules in units of tens to hundreds using atomic / molecule level manipulation technology using a scanning probe microscope (SPM). By the lithography, electron beam processing and FIB (Focused Ion Beam) processing
Top-down technology for forming nanostructures of about 0 nm has been developed.
【０００４】一方、精密加工を行うための手段としてレ
ーザー加工が用いられているが、レーザー加工の中で、
近年、パルス幅が１ピコ秒（１０−１２秒）以下の超短
パルスレーザー（フェムト秒レーザー）を用いたレーザ
ー加工の開発が進められている。こうした超短パルスレ
ーザーによる加工は、照射面での熱拡散が進む前に高速
で加工が行われるため熱影響のきわめて少ない非熱微細
加工が可能となる点、ガラスや石英等の透明材料の内部
加工が可能となる点といった特徴を有しており、こうし
た特徴を生かして、例えば特開２００１−３００７４９
号公報には、特定層の材料のみを除去するレーザー加工
方法が記載されている。また、特開２００１−２３９３
７９号公報には、有機化合物材料に対して超短パルスレ
ーザーを照射してその加工深さを制御する点が記載され
ており、特開２００１−２１２６８５号公報には、アブ
レーションと熱伝導効果を考慮して高精密加工を行う点
が記載されている。特開平１１−２０７４７９号公報に
は、固体表面に損傷を与えずに固体内部のみを加工する
方法として超短パルスレーザーを用いた点が記載されて
いる。特開２００１−２３６００２号公報には、フェム
ト秒レーザーを光源として、ビームスプリッターにより
２つのビームに分割して２ビームレーザー干渉露光方法
によりホログラムを製造する方法が記載されている。ま
た、超短パルスレーザーを偏光させて固体材料表面に照
射を行う点についても研究がなされてきている（J.Bons
e et al.,"The precision of the femtosecond-pulse l
aser ablation of TiN films on silicon",Applied Phy
sics A 69,1999年12月22日,p.399-p.402 ; S.Baudach t
e al.,"Femtosecond Laser Processing of Soft Materi
als",The Review of Laser Engineering,2001年11月,p.
705-p.709）。On the other hand, laser processing is used as a means for performing precision processing.
In recent years, development of laser processing using an ultrashort pulse laser (femtosecond laser) having a pulse width of 1 picosecond (10 −12 seconds) or less has been advanced. Processing with such an ultra-short pulse laser enables high-speed processing before heat diffusion on the irradiated surface, enabling non-thermal micromachining with extremely little heat effect, inside transparent materials such as glass and quartz. It has a feature that it can be processed, and taking advantage of such a feature, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2001-300749.
The publication describes a laser processing method for removing only the material of a specific layer. In addition, Japanese Patent Laid-Open No. 2001-2393
Japanese Unexamined Patent Publication No. 79 describes that an organic compound material is irradiated with an ultra-short pulse laser to control the processing depth thereof, and Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-212685 discloses an ablation and a heat conduction effect. It is described that high precision machining is performed in consideration. Japanese Unexamined Patent Publication No. 11-207479 discloses that an ultrashort pulse laser is used as a method for processing only the inside of a solid without damaging the surface of the solid. Japanese Patent Laid-Open No. 2001-236002 describes a method in which a femtosecond laser is used as a light source and a beam splitter is used to divide the beam into two beams to produce a hologram by a two-beam laser interference exposure method. Also, research has been conducted on the point of irradiating the surface of a solid material by polarizing an ultrashort pulse laser (J.Bons
e et al., "The precision of the femtosecond-pulse l
aser ablation of TiN films on silicon ", Applied Phy
sics A 69, December 22, 1999, p.399-p.402; S. Baudach t.
e al., "Femtosecond Laser Processing of Soft Materi
als ", The Review of Laser Engineering, November 2001, p.
705-p.709).
【０００５】こうしたレーザー加工では、いろいろな種
類の固体材料−例えば、金属、セラミックス、有機材
料、半導体材料、誘電体、絶縁材料等で研究されてきて
いるが、より精密に加工することに重点が置かれ、ナノ
レベルのより微細な加工については研究開発がなされて
いないのが現状である。ナノレベルの微細加工に関して
は、レーザー照射表面にレーザーの波長とほぼ等しい空
間周期を有する周期的な微細構造（リップル）が発生す
ることが知られており（D.J.Ehrlich et al.,"Time-res
olved measurements of stimulated surface polariton
wave scatteringand grating formation in pulsed-la
ser-annealed germanium",Applied Physics Letter,Ame
rican Institute of Physics,1982年10月1日,p.630-p.6
32 ; 豊田浩一他2名,"ＧａＡｓのレーザー励起エッチン
グにおける周期的表面リップルの形成",レーザー研究,1
990年,第18巻 第7号,p.39-p.43）、こうしたレーザー波
長と同程度のレベルまでの微細構造が研究されてきてい
るに過ぎない。In such laser processing, various kinds of solid materials such as metals, ceramics, organic materials, semiconductor materials, dielectrics and insulating materials have been studied, but the focus is on more precise processing. However, the present situation is that no research and development has been done on finer processing at the nano level. With regard to nano-level microfabrication, it is known that a periodic microstructure (ripple) having a spatial period approximately equal to the laser wavelength is generated on the laser-irradiated surface (DJ Ehrlich et al., "Time-res.
olved measurements of stimulated surface polariton
wave scatteringand grating formation in pulsed-la
ser-annealed germanium ", Applied Physics Letter, Ame
rican Institute of Physics, October 1, 1982, p.630-p.6
32; Koichi Toyoda and 2 others, "Formation of Periodic Surface Ripple in Laser Excited Etching of GaAs", Laser Research, 1
In 990, Vol. 18, No. 7, p. 39-p. 43), only fine structures up to the same level as the laser wavelength have been studied.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】上述したナノテクノロ
ジーの場合ボトムアップ技術は数ｎｍレベルのナノ構造
が形成可能であるものの、量産性の観点からみると実用
化が難しいという課題がある。また、トップダウン技術
については、量産性の観点からは十分実用化に耐えるも
のの１００ｎｍ以下のレベルのナノ構造の形成は困難で
技術的限界も指摘されている。また、レーザー加工にお
いてもレーザー波長と同程度のレベルの微細構造までの
研究がなされているだけである。本発明者らは、超短パ
ルスレーザーを低フルーエンスで固体材料表面に照射し
たときにレーザー波長より小さいサイズの微細構造が形
成される現象を知得した。そこで、本発明では、こうし
た知見に基づき超短パルスレーザーを用いてレーザー波
長よりも小さいサイズの微細構造を形成する微細加工方
法を提供するものである。In the case of the above-mentioned nanotechnology, the bottom-up technology can form a nanostructure of several nm level, but it is difficult to put it into practical use from the viewpoint of mass productivity. Further, regarding the top-down technique, although it is sufficiently practical for practical use from the viewpoint of mass productivity, it is difficult to form a nanostructure at a level of 100 nm or less, and a technical limit is pointed out. Also, in laser processing, research has been conducted only up to a fine structure at a level similar to the laser wavelength. The present inventors have found that when a surface of a solid material is irradiated with an ultrashort pulse laser with low fluence, a fine structure having a size smaller than the laser wavelength is formed. Therefore, the present invention provides a microfabrication method for forming a microstructure having a size smaller than the laser wavelength by using an ultrashort pulse laser based on these findings.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明に係る微細加工方
法は、所定波長の超短パルスレーザーを低フルーエンス
で偏光制御して固体材料表面に照射することで、前記所
定波長より小さいサイズの微細構造を形成することを特
徴とする。さらに、前記微細構造のサイズは、前記所定
波長の１／１０〜３／５のサイズに形成されることを特
徴とする。本発明に係る別の微細加工方法は、所定波長
の超短パルスレーザーを低フルーエンスで直線偏光させ
て固体材料表面に照射することで、その偏光方向と直交
する方向に沿って配列された細長い突起部を含む微細構
造を形成することを特徴とする。さらに、前記突起部の
幅は、前記所定波長より小さく形成されることを特徴と
する。さらに、前記突起部の幅は、前記所定波長の１／
１０〜３／５のサイズに形成されることを特徴とする。
本発明に係る別の微細加工方法は、所定波長の超短パル
スレーザーを低フルーエンスで直線偏光させて固体材料
表面に照射することで、その偏光方向と直交する方向に
沿って配列された細長い溝部を含む微細構造を形成する
ことを特徴とする。さらに、前記溝部の幅は、前記所定
波長より小さく形成されることを特徴とする。本発明に
係る別の微細加工方法は、所定波長の超短パルスレーザ
ーを低フルーエンスで円偏光させて固体材料表面に照射
することで、粒状の突起部を含む微細構造を形成するこ
とを特徴とする。さらに、前記突起部の径は、前記所定
波長より小さく形成されることを特徴とする。さらに、
前記突起部の径は、前記所定波長の１／１０〜３／５の
サイズに形成されることを特徴とする。本発明に係る固
体材料は、上記微細加工方法により形成された微細構造
を有することを特徴とする。本発明に係る加工具は、上
記微細加工方法により形成された微細構造を有すること
を特徴とする。本発明に係る機械部品は、上記微細加工
方法により形成された微細構造を有することを特徴とす
る。本発明に係る電子部品は、上記微細加工方法により
形成された微細構造を有することを特徴とする。本発明
に係る記録媒体は、上記微細加工方法により形成された
微細構造を有することを特徴とする。The fine processing method according to the present invention is a method of finely controlling the polarization of an ultrashort pulse laser having a predetermined wavelength with a low fluence and irradiating the surface of a solid material to obtain a fine particle having a size smaller than the predetermined wavelength. It is characterized by forming a structure. Further, the size of the fine structure is formed to be 1/10 to 3/5 of the predetermined wavelength. Another microfabrication method according to the present invention is a method of linearly polarizing an ultrashort pulse laser having a predetermined wavelength with low fluence and irradiating the surface of a solid material with elongated projections arranged along a direction orthogonal to the polarization direction. It is characterized in that a fine structure including a portion is formed. Further, the width of the protrusion is smaller than the predetermined wavelength. Further, the width of the protruding portion is 1 / the predetermined wavelength.
It is characterized in that it is formed in a size of 10 to 3/5.
Another microfabrication method according to the present invention is to irradiate the surface of a solid material by linearly polarizing an ultrashort pulse laser having a predetermined wavelength with a low fluence, thereby forming elongated groove portions arranged along a direction orthogonal to the polarization direction. It is characterized in that a fine structure including is formed. Further, the width of the groove is smaller than the predetermined wavelength. Another microfabrication method according to the present invention is characterized by forming a microstructure including granular projections by irradiating a solid material surface with circularly polarized light of a predetermined wavelength of ultrashort pulse laser with low fluence. To do. Further, the diameter of the protrusion is smaller than the predetermined wavelength. further,
The diameter of the protrusion may be 1/10 to 3/5 of the predetermined wavelength. The solid material according to the present invention is characterized by having a fine structure formed by the fine processing method. A processing tool according to the present invention is characterized by having a fine structure formed by the above-described fine processing method. A mechanical component according to the present invention is characterized by having a fine structure formed by the above-described fine processing method. An electronic component according to the present invention is characterized by having a fine structure formed by the fine processing method. A recording medium according to the present invention is characterized by having a fine structure formed by the fine processing method.
【０００８】本発明に係る微細加工方法は、超短パルス
レーザーを低フルーエンスで偏光制御して固体材料表面
に照射するという簡便な方法により、照射するレーザー
の波長より小さいサイズの微細構造を確実に加工するこ
とができる。そして、照射するレーザーの波長により微
細構造のサイズを制御することができ、また、偏光を制
御することで、微細構造の形状を変化させることが可能
である。従来の超短パルスレーザーを用いた微細加工で
は、アブレーションを発生させることで微細加工を行っ
ているが、加工速度や加工効率の観点から一般に高フル
ーエンスで照射することが多く、加工面のマクロな形状
を問題にしており、照射面の微細構造についてはほとん
ど検討されていなかった。また、上述したリップル構造
については、レーザーを照射した際に励起された表面電
磁波と入射レーザー光との干渉によるものとされ、材料
表面の凹凸に影響されるなど偶発的に形成されるものと
いえる。さらに、リップル構造は、原理的にレーザー波
長と同程度のサイズであり、レーザー波長より小さい微
細構造を形成することはできない。これに対して、本発
明者らは、低フルーエンスで偏光制御した超短パルスレ
ーザーを固体材料表面に照射することで、レーザー波長
より著しく小さいサイズの微細構造が形成されることを
知得した。こうした現象は、これまで理解されてきたア
ブレーション現象には入らない新しい現象であることを
示唆するものである。そして、本発明者らは、この微細
構造のサイズがレーザー波長と正の相関関係があること
に着目し、レーザー波長を変化させることで微細構造の
サイズを制御することを可能にした。また、直線偏光−
楕円偏光−円偏光と偏光制御することで、細長い突起部
の形状から粒状の形状までさまざまな微細構造を形成す
ることができる。さらに、超短パルスレーザーの照射回
数により微細構造の凹凸の深さを調整することも可能で
ある。このように、本発明の微細加工方法を用いると、
ナノレベルの微細構造を確実に加工することができる。The microfabrication method according to the present invention ensures that a microstructure having a size smaller than the wavelength of the laser to be irradiated is surely obtained by a simple method of irradiating the surface of a solid material with polarization controlled by an ultra-short pulse laser with low fluence. It can be processed. The size of the fine structure can be controlled by the wavelength of the laser to be applied, and the shape of the fine structure can be changed by controlling the polarization. In conventional fine processing using ultrashort pulse laser, fine processing is performed by generating ablation, but from the viewpoint of processing speed and processing efficiency, in general, irradiation with high fluence is often used, and it is possible to reduce The shape is a problem, and the fine structure of the irradiated surface has not been studied. Further, the above-mentioned ripple structure is caused by the interference between the surface electromagnetic wave excited when the laser is irradiated and the incident laser beam, and it can be said that the ripple structure is formed accidentally by being affected by the unevenness of the material surface. . Further, the ripple structure is in principle about the same size as the laser wavelength, and a fine structure smaller than the laser wavelength cannot be formed. On the other hand, the present inventors have found that by irradiating the surface of a solid material with an ultrashort pulse laser whose polarization is controlled with low fluence, a fine structure having a size significantly smaller than the laser wavelength is formed. These phenomena suggest that they are new phenomena that are not included in the ablation phenomena that have been understood so far. Then, the present inventors noted that the size of the fine structure has a positive correlation with the laser wavelength, and made it possible to control the size of the fine structure by changing the laser wavelength. In addition, linearly polarized light-
By controlling the polarization to be elliptically polarized light-circularly polarized light, various fine structures can be formed from the shape of the elongated protrusion to the granular shape. Further, it is possible to adjust the depth of the unevenness of the fine structure by adjusting the number of times the ultrashort pulse laser is irradiated. Thus, using the fine processing method of the present invention,
It is possible to reliably process a nano-level fine structure.
【０００９】ここで、「フルーエンス」（ｆｌｕｅｎｃ
ｅ）とは、レーザーの１パルス当りの出力エネルギーを
照射断面積で割って求めたエネルギー密度（Ｊ／ｃ
ｍ２）である。一般に、「低フルーエンス」とは相対的
にこの値が小さいことを言うが、ここでは、レーザーを
材料表面に照射することで材料表面が蒸散する現象が生
じるエネルギー密度の最小値（アブレーション閾値）近
傍のフルーエンスを指している。この範囲ではレーザー
の照射による熱影響がほとんどない。アブレーション閾
値及び低フルーエンスの範囲は材料によって異なる。低
フルーエンスの範囲は主にその材料の融点の違いにより
異なり、通常アブレーション閾値の５倍程度を上限とす
る範囲で、材料によっては１０倍程度の範囲まで熱影響
がほとんど生じない場合もある。低フルーエンスの一例
として、銅のレーザー加工では、アブレーション閾値が
０．１４Ｊ／ｃｍ２で、０．４６Ｊ／ｃｍ２までレーザ
ー照射による熱の影響がほとんど生じないという実験結
果が発表されており、この場合低フルーエンスの上限は
アブレーション閾値の３倍程度となっている。[0009] Here, "fluence" (fluenc)
e) is the energy density (J / c) obtained by dividing the output energy per pulse of the laser by the irradiation cross-sectional area.
m 2 ). In general, “low fluence” means that this value is relatively small, but here, near the minimum value (ablation threshold) of the energy density that causes the phenomenon that the material surface evaporates when the material surface is irradiated with laser. Refers to the fluence of. In this range, there is almost no thermal effect due to laser irradiation. The ablation threshold and low fluence range will vary from material to material. The range of low fluence mainly depends on the difference in melting point of the material, and is usually a range of about 5 times the ablation threshold as an upper limit, and depending on the material, there is a case where the thermal influence hardly occurs up to about 10 times. As an example of low fluence, in the laser processing of copper, the ablation threshold was 0.14 J / cm 2 , and the experimental result that the heat effect due to the laser irradiation hardly occurs up to 0.46 J / cm 2 was announced. In this case, the upper limit of low fluence is about 3 times the ablation threshold.
【００１０】また、本発明に係る別の微細加工方法は、
超短パルスレーザーを低フルーエンスで直線偏光させて
固体材料表面に照射することで、その偏光方向と直交す
る方向に沿って配列された細長い突起部を含む微細構造
を形成することができる。この微細加工方法は、上述し
た本発明の微細加工方法と同様に、これまでのレーザー
加工において理解されているアブレーションの現象には
入らない新しい現象に基づいているものであり、また、
直線偏光と直交する方向に沿って配列された細長い突起
部を形成することができることから、微細構造自体に指
向性を持たせることが可能となる。さらに、照射するレ
ーザー波長を適宜設定することで、細長い突起部の幅を
レーザー波長の１／１０〜３／５にすることができる。
本発明に係る別の微細加工方法は、超短パルスレーザー
を低フルーエンスで直線偏光させて固体材料表面に照射
することで、その偏光方向と直交する方向に沿って配列
された細長い溝部を含む微細構造を形成することができ
る。この微細加工方法も同様に、これまでのレーザー加
工において理解されているアブレーションの現象には入
らない新しい現象に基づいているものであり、また、直
線偏光と直交する方向に沿って配列された細長い溝部を
形成することができることから、これまでリソグラフィ
技術で行われてきたような極めて細い線幅の加工に用い
ることができる。本発明に係る別の微細加工方法は、超
短パルスレーザーを低フルーエンスで円偏光させて固体
材料表面に照射することで粒状の突起部を含む微細構造
を形成することができ、これも同様に、これまでのレー
ザー加工において理解されているアブレーションの現象
には入らない新しい現象に基づいているものである。さ
らに、照射するレーザー波長を適宜設定することで、粒
状突起部の径をレーザー波長の１／１０〜３／５にする
ことができる。Another microfabrication method according to the present invention is
By irradiating the surface of the solid material with linearly polarized ultra-short pulse laser with low fluence, a fine structure including elongated protrusions arranged along a direction orthogonal to the polarization direction can be formed. This microfabrication method is based on a new phenomenon that does not fall into the phenomenon of ablation that has been understood in the conventional laser machining, like the microfabrication method of the present invention described above.
Since it is possible to form the elongated protrusions arranged along the direction orthogonal to the linearly polarized light, it becomes possible to give the fine structure itself directivity. Furthermore, by appropriately setting the laser wavelength for irradiation, the width of the elongated protrusion can be set to 1/10 to 3/5 of the laser wavelength.
Another microfabrication method according to the present invention is a method of linearly polarizing an ultra-short pulse laser with a low fluence and irradiating the surface of a solid material with a fine groove including elongated grooves arranged in a direction orthogonal to the polarization direction. The structure can be formed. This microfabrication method is also based on a new phenomenon that does not fall into the phenomenon of ablation that has been understood in the past laser processing, and it is also a long thin line arrayed along the direction orthogonal to the linearly polarized light. Since the groove portion can be formed, it can be used for processing of an extremely thin line width, which has been performed by the lithography technique so far. Another microfabrication method according to the present invention can circularly polarize an ultra-short pulse laser with low fluence and irradiate the surface of a solid material to form a microstructure including granular protrusions. , Is based on a new phenomenon that does not fall into the phenomenon of ablation that has been understood so far in laser processing. Further, by appropriately setting the laser wavelength for irradiation, the diameter of the granular protrusion can be set to 1/10 to 3/5 of the laser wavelength.
【００１１】上述した本発明に係る微細加工方法は、金
属、無機材料、有機材料といった固体材料全般に用いる
ことが可能であり、固体材料に形成される微細構造のサ
イズもレーザー波長により適宜設定することができ、ま
た、照射領域を適宜調整すれば、必要な領域に微細加工
を施した固体材料を得ることができる。こうして微細加
工を行った固体材料は、例えば、比表面積の増加、他部
材との接触面積の減少による材料特性の改善や新たな機
能の付加が期待できる。また、微細構造の深さについて
も調整が可能なことから、例えば、材料表面に形成した
薄膜の一部のみ削除した固体材料を作成することも可能
であり、こうした微細加工を施した材料表面に薄膜形成
を行うと、薄膜の付着強度を向上することができる。The above-described fine processing method according to the present invention can be used for all solid materials such as metals, inorganic materials, and organic materials, and the size of the fine structure formed in the solid material is appropriately set according to the laser wavelength. Further, if the irradiation region is adjusted appropriately, a solid material in which a necessary region is finely processed can be obtained. The solid material finely processed in this way can be expected to improve material properties and add new functions, for example, by increasing the specific surface area and decreasing the contact area with other members. In addition, since the depth of the fine structure can be adjusted, for example, it is possible to create a solid material in which only a part of the thin film formed on the material surface is deleted. When the thin film is formed, the adhesion strength of the thin film can be improved.
【００１２】本発明に係る微細加工方法を加工具に用い
た場合、加工性能を向上させることができる。例えば、
研磨体の表面に本発明に係る微細加工方法により微細な
凹凸を形成すれば、非常に精密な表面加工が可能な研磨
体とすることができる。また、微粒子を含む研磨液を併
せて用いる場合にもナノレベルの凹凸と微粒子の組合せ
により精密な表面加工が可能となる。さらに、直線偏光
により形成された細長い突起部を含む微細構造を研磨体
の表面に形成することにより、細長い突起部に沿った方
向への研磨動作及び細長い突起部と直交する方向への研
磨動作で異なる研磨を行うこともできる。その他にも、
切断用工具や穴あけ用工具の加工表面をＤＬＣ等の高潤
滑性硬質膜で被覆し、その表面に本発明に係る微細加工
方法により微細な凹凸を形成することで、切削油を用い
ずに加工性能を向上させることができる等種々の加工具
に適用可能である。When the fine processing method according to the present invention is used for a processing tool, the processing performance can be improved. For example,
By forming fine irregularities on the surface of the polishing body by the fine processing method according to the present invention, a polishing body capable of extremely precise surface processing can be obtained. Further, even when a polishing liquid containing fine particles is also used, precise surface processing can be performed by combining nano-level irregularities and fine particles. Furthermore, by forming a fine structure including elongated protrusions formed by linearly polarized light on the surface of the polishing body, polishing operation in the direction along the elongated protrusions and polishing operation in the direction orthogonal to the elongated protrusions can be performed. Different polishing can also be performed. Besides,
Processing without cutting oil by coating the processing surface of a cutting tool or a drilling tool with a highly lubricious hard film such as DLC and forming fine irregularities on the surface by the fine processing method according to the present invention. It is applicable to various processing tools that can improve performance.
【００１３】本発明に係る微細加工方法を機械部品に用
いた場合、機械部品の表面において生じる摩擦、摩耗、
潤滑といったトライボロジー現象に関して、こうした現
象が生じる表面に本発明に係る微細加工方法で上述した
微細構造を形成することでトライボロジー特性を制御す
ることができる。例えば、軸受等の機械部品同士の接触
表面に本発明に係る微細加工を施せば、微細構造の凹凸
のサイズを制御することにより接触面積を制御でき、ト
ライボロジー特性を最適化することが可能となる。さら
に、直線偏光により形成された細長い突起部からなる微
細構造を形成すれば、細長い突起部に沿った方向と直交
方向で異なる特性を付与することも可能となる。特にマ
イクロマシンの部品のように、こうしたトライボロジー
特性を厳密に付与することが求められる場合などには、
本発明に係る機械部品が有用である。When the fine processing method according to the present invention is used for machine parts, friction, wear, and
Regarding the tribological phenomenon such as lubrication, the tribological characteristics can be controlled by forming the above-described fine structure on the surface where such a phenomenon occurs by the fine processing method according to the present invention. For example, if the contact surfaces of mechanical parts such as bearings are subjected to the fine processing according to the present invention, the contact area can be controlled by controlling the size of the unevenness of the fine structure, and the tribological characteristics can be optimized. . Further, by forming a fine structure composed of elongated protrusions formed by linearly polarized light, it is possible to impart different characteristics in the direction orthogonal to the elongated protrusions. Especially when it is required to strictly impart such tribological characteristics, such as micromachine parts,
The mechanical component according to the present invention is useful.
【００１４】本発明に係る微細加工方法を電子部品に用
いる場合、例えばＩＣや液晶表示装置のようにその製造
過程において薄膜形成が行われているが、こうした薄膜
を形成する表面への処理または薄膜形成後の表面への処
理を行うことにより形成された薄膜の特性を改善するこ
とができる。また、従来のＩＣ製造工程においては、リ
ソグラフィ技術を用いて線幅０．２５μｍレベルの加工
が行われており、さらに微細な加工を行うためには、今
まで以上に波長の短いレーザーの開発が必要となるが、
本発明に係る微細加工方法では、例えば直線偏光により
レーザー波長より小さいサイズの細長い突起部や溝部を
形成できるので、波長の短いレーザーを用いる必要がな
くなる。When the fine processing method according to the present invention is used for electronic parts, a thin film is formed in the manufacturing process thereof such as an IC or a liquid crystal display device. The properties of the formed thin film can be improved by treating the surface after formation. Further, in the conventional IC manufacturing process, a line width of 0.25 μm is processed by using a lithography technique, and in order to perform finer processing, it is necessary to develop a laser having a shorter wavelength than ever before. You will need
In the fine processing method according to the present invention, for example, linearly polarized light can form elongated protrusions or grooves having a size smaller than the laser wavelength, so that it is not necessary to use a laser having a short wavelength.
【００１５】本発明に係る微細加工方法を記録媒体に用
いる場合、例えば磁気ディスクのようにディスク表面に
テクスチャーと称される微細な表面の凹凸が形成されて
いるが、こうした表面の微細な加工を簡単に行うことが
できる。上述したように、本発明に係る微細加工方法で
は、微細な凹凸を精度よく形成できるため、品質の良い
テクスチャーを形成した記録媒体を得ることができる。When the fine processing method according to the present invention is used for a recording medium, fine surface irregularities called texture are formed on the surface of a disk such as a magnetic disk. Easy to do. As described above, in the fine processing method according to the present invention, since fine irregularities can be formed with high precision, it is possible to obtain a recording medium having a high quality texture.
【００１６】[0016]
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て具体的に詳述する。図１は、超短パルスレーザーを用
いた微細加工装置の構成図を示している。１はフェムト
秒レーザー発振器であり、モード同期チタン・サファイ
アレーザーを用い、パルス幅が２５ｆｓ（フェムト
秒）、出力パルスエネルギー５ｎＪ（ナノジュール）、
波長８００ｎｍのレーザーを発振する。発振されたレー
ザーは、パルス伸長器２でパルス幅が伸長されて増幅器
３でパルスエネルギーが増幅される。増幅されたレーザ
ーパルスは、パルス圧縮器４でパルス幅が圧縮されて、
パルス幅４０ｆｓ、パルスエネルギー４０ｍＪ、繰り返
し周波数１０Ｈｚ、波長８００ｎｍの高強度なフェムト
秒レーザーとなる。こうして得られたフェムト秒レーザ
ーは、必要に応じて光減衰器５及び光波長変換器６を通
過させることにより、その強度を減衰し出力波長を変換
することができる。そして、フェムト秒レーザーは、波
長板７により偏光制御され、フィルター８及びレンズ９
を通過して、試料台１１に載置した固体材料からなる試
料１０の表面に照射される。波長板７は、直線偏光（縦
方向、横方向）、円偏光など必要に応じ選択・制御され
る。直線偏光の方向を制御する場合はλ／２板を配置し
て必要な方向に設定すればよく、円偏光及び楕円偏光の
場合には、λ／４板を配置して４５度の位置にすれば円
偏光に制御され、４５度より小さい角度の位置にすれば
楕円偏光に制御される。フルーエンスの調整は、光減衰
器５及びフィルター８により行われるが、光減衰器５の
みでも構わない。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail below. FIG. 1 shows a configuration diagram of a fine processing apparatus using an ultrashort pulse laser. Reference numeral 1 is a femtosecond laser oscillator, which uses a mode-locked titanium-sapphire laser, has a pulse width of 25 fs (femtosecond), an output pulse energy of 5 nJ (nanojoule),
A laser having a wavelength of 800 nm is oscillated. The pulse width of the oscillated laser is expanded by the pulse expander 2 and the pulse energy is amplified by the amplifier 3. The pulse width of the amplified laser pulse is compressed by the pulse compressor 4,
A high-intensity femtosecond laser with a pulse width of 40 fs, a pulse energy of 40 mJ, a repetition frequency of 10 Hz and a wavelength of 800 nm is obtained. The femtosecond laser thus obtained can be passed through the optical attenuator 5 and the optical wavelength converter 6 as needed, thereby attenuating its intensity and converting the output wavelength. The femtosecond laser is polarization-controlled by the wave plate 7, and the filter 8 and the lens 9 are used.
And the surface of the sample 10 made of a solid material placed on the sample table 11 is irradiated. The wave plate 7 is selected and controlled as required such as linearly polarized light (longitudinal direction, lateral direction) or circularly polarized light. When controlling the direction of linearly polarized light, a λ / 2 plate may be placed and set in the required direction, and in the case of circularly polarized light or elliptically polarized light, a λ / 4 plate may be placed and placed at a position of 45 degrees. For example, the circularly polarized light is controlled, and when the angle is smaller than 45 degrees, the elliptically polarized light is controlled. The fluence is adjusted by the optical attenuator 5 and the filter 8, but only the optical attenuator 5 may be used.
【００１７】波長変換の一例として、パルス圧縮器４か
ら出力されたレーザー（波長８００ｎｍ）を波長２６７
ｎｍに変換するための構成図を図２示す。出力レーザー
を、ＢＢＯ（β−ホウ酸バリウム）結晶板２０（厚さ
０．２ｍｍ）、方解石の結晶板２１（厚さ２ｍｍ）、波
長板２２及びＢＢＯ結晶板２３（厚さ０．３ｍｍ）を通
過させることにより波長２６７ｎｍのレーザーを得るこ
とができる。そして、波長板７、フィルター８及び凸レ
ンズ９を通過させ、偏光制御したレーザーを試料１０に
照射する。図２では、第３高調波を発生させて波長を２
６７ｎｍに変換しているが、第２高調波（波長４００ｎ
ｍ）を利用することも可能である。As an example of wavelength conversion, a laser (wavelength 800 nm) output from the pulse compressor 4 is used as a wavelength 267.
FIG. 2 shows a configuration diagram for converting to nm. Output lasers were a BBO (β-barium borate) crystal plate 20 (thickness 0.2 mm), a calcite crystal plate 21 (thickness 2 mm), a wave plate 22 and a BBO crystal plate 23 (thickness 0.3 mm). A laser with a wavelength of 267 nm can be obtained by passing it. Then, the sample 10 is irradiated with the polarization-controlled laser through the wave plate 7, the filter 8 and the convex lens 9. In FIG. 2, the third harmonic is generated to change the wavelength to 2
Converted to 67 nm, but the second harmonic (wavelength 400n
It is also possible to use m).
【００１８】上記の微細加工装置では、チタン・サファ
イアレーザーを用いているが、フェムト秒レーザーを発
振することが可能なものであれば採用することができ、
特にレーザーの種類には限定されない。In the above fine processing apparatus, a titanium-sapphire laser is used, but any device capable of oscillating a femtosecond laser can be adopted.
The type of laser is not particularly limited.
【００１９】[0019]
【実施例】図１に記載の微細加工装置を用いて、窒化物
系セラミックス（ＴｉＮ）膜、アモルファスカーボン
（ＤＬＣ）膜及びステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の材料
を試料として、その表面に微細加工を行った。
＜実施例１＞ステンレス鋼基板上に形成した窒化物系セ
ラミックス（ＴｉＮ）からなる硬質膜（膜厚約２μｍ、
硬度約Ｈｖ２１００）に対して、図１の微細加工装置を
用いて波長８００ｎｍでパルス幅４０ｆｓのレーザーを
直線偏光（横（ｐ）偏光及び縦（ｓ）偏光）させフルー
エンス０．２Ｊ／ｃｍ２で材料表面に照射した。スポッ
ト径は約２００μｍ、繰り返し周波数１０Ｈｚで、照射
回数は計３００パルスである。
＜実施例２＞実施例１において、円偏光させた以外は同
一の条件で窒化物系セラミックス（ＴｉＮ）からなる硬
質膜に照射した。
＜実施例３＞実施例１において、波長２６７ｎｍでパル
ス幅１５０ｆｓのレーザーを用いた以外は同一の条件で
窒化物系セラミックス（ＴｉＮ）からなる硬質膜に照射
した。
＜実施例４＞実施例３において、円偏光させた以外は同
一の条件で窒化物系セラミックス（ＴｉＮ）からなる硬
質膜に照射した。
＜実施例５〜８＞材料としてステンレス鋼基板上に形成
されたアモルファスカーボン（ＤＬＣ）からなる硬質膜
を用い、それぞれ実施例１〜４と同一の条件で照射し
た。
＜実施例９〜１２＞材料としてステンレス鋼（ＳＵＳ３
０４）基板を用い、それぞれ実施例１〜４と同一の条件
で照射した。EXAMPLE Using the microfabrication apparatus shown in FIG. 1, a nitride ceramics (TiN) film, an amorphous carbon (DLC) film, and a stainless steel (SUS304) material were used as samples to perform microfabrication on the surface. It was Example 1 A hard film (thickness of about 2 μm, made of nitride ceramics (TiN) formed on a stainless steel substrate.
For a hardness of about Hv2100), a laser having a wavelength of 800 nm and a pulse width of 40 fs is linearly polarized (horizontal (p) polarized light and vertical (s) polarized light) with a fluence of 0.2 J / cm 2 using the microfabrication device of FIG. The material surface was irradiated. The spot diameter is about 200 μm, the repetition frequency is 10 Hz, and the irradiation frequency is 300 pulses in total. <Example 2> In Example 1, the hard film made of nitride ceramics (TiN) was irradiated under the same conditions except that the circularly polarized light was used. <Example 3> A hard film made of nitride ceramics (TiN) was irradiated under the same conditions as in Example 1 except that a laser having a wavelength of 267 nm and a pulse width of 150 fs was used. <Example 4> In Example 3, the hard film made of nitride ceramics (TiN) was irradiated under the same conditions except that the circularly polarized light was used. <Examples 5 to 8> As a material, a hard film made of amorphous carbon (DLC) formed on a stainless steel substrate was used, and irradiation was performed under the same conditions as in Examples 1 to 4, respectively. <Examples 9 to 12> Stainless steel (SUS3
04) Using the substrate, irradiation was performed under the same conditions as in Examples 1 to 4, respectively.
【００２０】図３及び図４は、実施例１におけるレーザ
ー照射後の材料表面を電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ
−ＳＥＭ）で走査して描いた表面形状を示している。図
３は、横（ｐ）偏光させた場合の表面形状であり、左右
方向に直線偏光させている。同様に、図４は、縦（ｓ）
偏光させた場合で、上下方向に直線偏光させている。ま
た、図６は、実施例２におけるレーザー照射後の材料表
面をＦＥ−ＳＥＭで走査して描いた表面形状を示してい
る。3 and 4 show the field emission scanning electron microscope (FE) of the material surface after laser irradiation in Example 1.
-SEM) shows the surface shape drawn by scanning. FIG. 3 shows the surface shape in the case of horizontal (p) polarization, which is linearly polarized in the left-right direction. Similarly, FIG. 4 shows vertical (s)
When polarized, it is linearly polarized vertically. Further, FIG. 6 shows the surface shape of the material surface after laser irradiation in Example 2 which was drawn by scanning with an FE-SEM.
【００２１】図３及び図４の表面形状を観察すると、偏
光方向とほぼ直交する方向に沿って細長い突起部が多数
形成されていることがわかる。突起部は、両端が先細で
先端は丸くなっており、図３についてみると、個々の突
起部の幅は１００ｎｍ〜１５０ｎｍでほぼ同じように形
成されており、平均して約１２５ｎｍであった。原子間
力顕微鏡（ＡＦＭ）で５μｍ四方の表面について測定を
行った結果、平均面粗さは約３３ｎｍ、最大高低差は約
４１８ｎｍで、３点の突起部でその高さは平均約７０ｎ
ｍであった。図５は、図３の表面形状について偏光方向
に沿って直線状に約５μｍ測定した結果をプロファイル
したもので、黒い部分が材料に相当する部分を示してい
る。それぞれの突起部は先端が先細で丸く形成されてお
り、また、突起部の間に形成された溝の幅は、突起部の
幅よりも狭く形成され、さらに微細な加工が施されてい
ることがわかる。Observation of the surface shapes of FIGS. 3 and 4 reveals that a large number of elongated protrusions are formed along a direction substantially orthogonal to the polarization direction. Both ends of the protrusion were tapered and the tip was rounded. As shown in FIG. 3, the width of each protrusion was 100 nm to 150 nm, formed in almost the same manner, and averaged about 125 nm. As a result of measuring the surface of 5 μm square with an atomic force microscope (AFM), the average surface roughness is about 33 nm, the maximum height difference is about 418 nm, and the height of the three protrusions is about 70 n on average.
It was m. FIG. 5 is a profile of the results obtained by linearly measuring about 5 μm along the polarization direction with respect to the surface shape of FIG. 3, and the black portion shows the portion corresponding to the material. The tip of each protrusion is tapered and rounded, and the width of the groove formed between the protrusions is narrower than the width of the protrusions, and further processed. I understand.
【００２２】図６の表面形状を観察すると、粒状の突起
部が多数形成されていることがわかる。個々の突起部
は、粒径が１００ｎｍ〜２００ｎｍでほぼ円形状に同じ
ように形成され、その粒径は平均して約１５０μｍであ
った。ＡＦＭで２．５μｍ四方の表面について測定を行
った結果、平均面粗さは約２３ｎｍ、最大高低差は約２
１８ｎｍで、３点の突起部でその高さは平均約８３ｎｍ
であった。図７は、直線状に２．５μｍ測定した結果を
プロファイルしたもので、黒い部分が材料に相当する部
分を示している。それぞれの突起部は先端が先細で丸く
形成されていることがわかる。Observation of the surface shape of FIG. 6 reveals that a large number of granular projections are formed. The individual protrusions were formed in a substantially circular shape with a particle size of 100 nm to 200 nm, and the particle size was about 150 μm on average. As a result of measurement on a 2.5 μm square surface by AFM, the average surface roughness is about 23 nm, and the maximum height difference is about 2
18 nm, the height of three protrusions is about 83 nm on average
Met. FIG. 7 shows a profile obtained by linearly measuring 2.5 μm, and a black portion shows a portion corresponding to the material. It can be seen that each protrusion has a tapered tip and a round shape.
【００２３】実施例１での突起部の幅及び実施例２での
突起部の粒径をそれぞれＤ１、Ｄ２とすると、波長λと
の比はそれぞれＤ１／λ＝０．２、Ｄ２／λ＝０．２と
なり、波長に比べかなり小さいサイズの微細構造が加工
されていることがわかる。また、図５及び図７からもわ
かるように、突起部間の溝の幅及び深さも同様若しくは
それ以下のサイズで形成されて表面積も増加するととも
に、突起部の先端が先細に形成されているため、他の部
材との接触面積を小さくすることができる。こうした突
起部の形状及び溝の形状は、レーザーの照射回数によっ
ても変更することができると考えられる。Assuming that the width of the protrusion in Example 1 and the particle size of the protrusion in Example 2 are D1 and D2, respectively, the ratios to the wavelength λ are D1 / λ = 0.2 and D2 / λ =, respectively. It is 0.2, which means that a fine structure having a size considerably smaller than the wavelength is processed. Further, as can be seen from FIG. 5 and FIG. 7, the width and depth of the groove between the protrusions are also formed to have the same or smaller size to increase the surface area, and the tips of the protrusions are tapered. Therefore, the contact area with other members can be reduced. It is considered that the shape of the protrusion and the shape of the groove can be changed depending on the number of times of laser irradiation.
【００２４】他の実施例についても、図３、図４及び図
６に描かれた突起部と同様のものが形成されたことが観
察された。その結果をまとめたのが、表１及び図８であ
る。表１は、各実施例で形成された突起部のサイズと波
長との比を示しており、図８は、各実施例で形成された
突起部のサイズを縦軸にとり、横軸に波長の長さをとっ
て両者の関係を示したグラフである。グラフにおいて、
ＴｉＮ［Ｌ］、ＴｉＮ［Ｃ］は、それぞれ窒化物系セラ
ミックス（ＴｉＮ）に直線偏光を照射した場合と円偏光
を照射した場合を表している。ＤＬＣ、ＳＵＳについて
も同様である。It was observed that in the other examples, the same protrusions as those shown in FIGS. 3, 4 and 6 were formed. The results are summarized in Table 1 and FIG. Table 1 shows the ratio of the size of the protrusion formed in each example to the wavelength, and in FIG. 8, the size of the protrusion formed in each example is plotted on the vertical axis and the wavelength on the horizontal axis. It is the graph which took length and showed the relationship of both. In the graph,
TiN [L] and TiN [C] represent the case where the nitride-based ceramics (TiN) is irradiated with linearly polarized light and the case where circularly polarized light is irradiated, respectively. The same applies to DLC and SUS.
【００２５】[0025]
【表１】 [Table 1]
【００２６】表１についてみると、波長の１／１０〜３
／５の範囲のサイズの突起部が形成されており、波長に
比べ小さいサイズの突起部が形成されていることがわか
る。図８についてみると、波長８００ｎｍの場合に比べ
波長２６７ｎｍの場合の方が小さくなる傾向があり、材
料の種類に関係なく一般的に正の相関関係があることが
わかる。Referring to Table 1, 1/10 to 3 of the wavelength
It can be seen that the projections having a size in the range of / 5 are formed, and the projections having a size smaller than the wavelength are formed. Referring to FIG. 8, it is found that the wavelength 267 nm tends to be smaller than the wavelength 800 nm, and generally has a positive correlation regardless of the type of material.
【００２７】次に、比較例として、ステンレス鋼基板上
に形成した窒化物系セラミックス（ＴｉＮ）膜に波長５
３２ｎｍでパルス幅２０ｎｓのレーザーを直線偏光させ
実施例１と同程度のフルーエンスで材料表面に照射し
た。スポット径は約２００μｍ、繰り返し周波数１０Ｈ
ｚで、照射回数は計３００パルス行った。照射後の表面
を観察すると、粒界状の多数の亀裂と亀裂に形成された
多数の孔が観察されたが、図３、図４及び図６に示すよ
うな突起部は観察されなかった。別の比較例として、ス
テンレス鋼基板上に形成した窒化物系セラミックス（Ｔ
ｉＮ）膜に、波長８００ｎｍでパルス幅４０ｆｓのレー
ザーを直線偏光させ、３００Ｊ／ｃｍ２の高フルーエン
スで材料表面に照射した。スポット径は約２００μｍ、
繰り返し周波数１０Ｈｚで、照射回数は計４パルスと少
ないパルス数で行った。照射後の表面を観察すると、粒
界状の多数の亀裂が観察されたが、図３、図４及び図６
に示すような突起部は観察されなかった。Next, as a comparative example, a nitride ceramics (TiN) film formed on a stainless steel substrate was exposed to a wavelength of 5 nm.
A laser having a pulse width of 20 ns at 32 nm was linearly polarized, and the material surface was irradiated with the same fluence as in Example 1. Spot diameter is about 200 μm, repetition frequency is 10H
In z, the total number of irradiations was 300 pulses. When the surface after irradiation was observed, a large number of grain boundary-like cracks and a large number of pores formed in the cracks were observed, but no protrusions as shown in FIGS. 3, 4 and 6 were observed. As another comparative example, nitride-based ceramics (T
The iN) film was linearly polarized with a laser having a pulse width of 40 fs and a wavelength of 800 nm, and the material surface was irradiated with a high fluence of 300 J / cm 2 . The spot diameter is about 200 μm,
The repetition frequency was 10 Hz, and the irradiation frequency was 4 pulses in total, which was a small number of pulses. When the surface after irradiation was observed, many grain boundary cracks were observed.
No protrusions such as those shown in Figure 3 were observed.
【００２８】以上ことから、図３、図４及び図６にみら
れる突起部からなる微細構造は、低フルーエンスの超短
パルスレーザー（フェムト秒レーザー）を用いることで
生じることが確認された。そして、この微細構造のサイ
ズは上述した実施例からも明らかなように波長と正の相
関関係があることから、波長を適宜選択することにより
そのサイズを調整することが可能である。また、波長の
３／５以下であることから、従来から知られている波長
程度のリップルとは異なるものであることは明らかであ
る。このことは、直線偏光、円偏光と偏光を制御するこ
とでその形状が細長い突起部から粒状の突起部に変化す
ることからもその違いが明確で、本発明では偏光を制御
することで微細構造の形状を変化させることもできる。
上述した実施形態では、直線偏光と円偏光のみである
が、楕円偏光を用いれば細長い形状と粒状の形状の中間
の楕円形状を形成することも可能である。From the above, it was confirmed that the fine structure composed of the protrusions shown in FIGS. 3, 4 and 6 is produced by using a low fluence ultrashort pulse laser (femtosecond laser). Since the size of this fine structure has a positive correlation with the wavelength as is clear from the above-mentioned embodiments, the size can be adjusted by appropriately selecting the wavelength. Further, since it is 3/5 or less of the wavelength, it is clear that it is different from the conventionally known ripple of about the wavelength. This difference is clear from the fact that the shape changes from elongated protrusions to granular protrusions by controlling linearly polarized light, circularly polarized light and polarized light. In the present invention, fine structure can be obtained by controlling polarized light. The shape of can be changed.
In the embodiment described above, only linearly polarized light and circularly polarized light are used, but if elliptically polarized light is used, it is also possible to form an elliptical shape that is an intermediate shape between an elongated shape and a granular shape.
【００２９】そして、様々な種類の材料表面を加工する
ことが可能なことから、アブレーション可能な材料一般
に用いることができると考えられる。したがって、上記
実施例以外にも、様々な有機材料への適用も考えられ、
例えばポリイミドについては従来よりアブレーションが
生じることが知られている。液晶表示装置の基板上に形
成されたポリイミド膜に対してこれまで数十ｎｍ〜数百
ｎｍ程度の配向処理を行ってきているが、こうしたポリ
イミド膜への配向処理として本発明の微細加工方法を直
線偏光で施せば必要な領域に均一な指向性を備えた配向
処理を行うことができる。また、透明なガラス基板に対
しては、紫外線吸収層を表面に形成しておき、本発明の
微細加工方法で波長２６７ｎｍのレーザーを用いて円偏
光させて照射すると、粒状の突起部からなる微細構造が
表面に形成されて低い反射率のガラス基板を得ることが
できる。また、本発明の微細加工方法は、上記実施例の
ＴｉＮ膜やＤＬＣ膜のような硬質膜を簡単に微細加工で
きることから、研磨体表面にこうした硬質膜を形成して
おき、本発明の微細加工方法によりその表面に微細構造
を形成すれば、均一な研磨表面を形成できる。さらに、
直線偏光により微細構造の突起部に指向性を持たせるこ
ともできる。切断用工具や穴あけ用工具に用いた場合に
は、その加工表面をＤＬＣ等の高潤滑性硬質膜で被覆
し、その表面に微細な凹凸を形成することにより、切削
油を用いずに加工性能を向上させることができる。Since it is possible to process various kinds of material surfaces, it is considered that abradable materials can be generally used. Therefore, in addition to the above examples, application to various organic materials is also considered,
For example, it has been conventionally known that ablation occurs in polyimide. The polyimide film formed on the substrate of the liquid crystal display device has been subjected to an alignment treatment of about several tens nm to several hundreds of nm so far, and the fine processing method of the present invention is used as the alignment treatment for such a polyimide film. If linearly polarized light is applied, it is possible to perform an alignment treatment with a uniform directivity in a necessary area. Further, when an ultraviolet absorbing layer is formed on the surface of a transparent glass substrate and circularly polarized with a laser having a wavelength of 267 nm and irradiated by the fine processing method of the present invention, fine particles composed of granular projections are formed. Structures can be formed on the surface to obtain a low reflectance glass substrate. Further, since the microfabrication method of the present invention can easily microfabricate a hard film such as the TiN film or the DLC film of the above-described embodiment, such a hard film is formed on the surface of the polishing body, and the microfabrication of the present invention is performed. If a fine structure is formed on the surface by the method, a uniform polished surface can be formed. further,
It is also possible to give directivity to the protrusions of the fine structure by linearly polarized light. When used as a cutting tool or a drilling tool, its processing surface is coated with a highly lubricious hard film such as DLC, and fine irregularities are formed on the surface, so that the cutting performance is improved without using cutting oil. Can be improved.
【００３０】また、マイクロマシンに用いられるような
機械部品の場合、油類を使用しない機構が要求されてい
るが、例えば表面に微細な凹凸を形成後固体潤滑膜を被
覆させることにより、潤滑油が不要な軸受機構が可能に
なる。In the case of mechanical parts used in micromachines, a mechanism that does not use oils is required. For example, by forming fine irregularities on the surface and coating a solid lubricating film, the lubricating oil can be removed. An unnecessary bearing mechanism is possible.
【００３１】また、半導体を用いた電子部品では、近年
量子ドットを用いた電子デバイスの研究が行われてきて
いるが、例えば発光デバイスや単一電子トランジスタで
の数十ｎｍ程度の量子ドットの形成には、本発明の微細
加工方法を用いて円偏光させ粒状の量子ドットを形成す
ることが考えられる。また、ＩＣの製造工程でリソグラ
フィ技術を用いて行われている極細い線幅加工にも本発
明に係る微細加工方法を直線偏光させて微細加工すれ
ば、波長の短いレーザーを用いる必要がなくなる。Regarding electronic parts using semiconductors, electronic devices using quantum dots have been studied in recent years. For example, formation of quantum dots of about several tens nm in a light emitting device or a single electron transistor. For this, it is conceivable to circularly polarize and form granular quantum dots using the fine processing method of the present invention. In addition, even in the ultra-fine line width processing performed by using the lithography technique in the IC manufacturing process, if the fine processing method according to the present invention is linearly polarized to perform fine processing, it is not necessary to use a laser having a short wavelength.
【００３２】また、記録媒体では、例えば、磁気ディス
クのように、磁気ヘッドの粘着防止及び摩擦力の軽減の
ために形成されるテクスチャーと称する微細な表面凹凸
の加工を行う場合、本発明の微細加工方法で円偏光させ
て照射すれば簡単にこうしたテクスチャーを形成でき
る。磁気ディスクの基板にガラスを用いた場合には、上
述した低反射性のガラス基板と同様に紫外線吸収性を持
たせて微細加工を行えばよい。紫外線吸収性を持たせる
ためには、紫外線吸収物質をガラスに含有させてもかま
わない。Further, in the case of a recording medium, for example, when a fine surface unevenness called a texture formed for preventing adhesion of a magnetic head and reducing frictional force is processed like a magnetic disk, the fine recording medium of the present invention is used. Such a texture can be easily formed by irradiating with circularly polarized light by a processing method. When glass is used as the substrate of the magnetic disk, it may be finely processed by imparting ultraviolet absorptivity as in the case of the low-reflectance glass substrate described above. An ultraviolet absorbing substance may be contained in the glass so as to have ultraviolet absorbing properties.
【００３３】[0033]
【発明の効果】本発明に係る微細加工方法によれば、超
短パルスレーザーを低フルーエンスで偏光制御して固体
材料表面に照射するという簡便な方法により、照射する
レーザーの波長より小さいサイズの微細構造を確実に加
工することができるとともに、本発明者らは、この微細
構造のサイズがレーザー波長と正の相関関係があること
に着目し、レーザー波長を変化させることで微細構造の
サイズを制御することを可能にした。また、偏光を制御
することで、微細構造の突起部や溝部の形状を変化させ
ることもできる。さらに、超短パルスレーザーの照射回
数により微細構造の凹凸の深さを調整することも可能で
ある。According to the microfabrication method of the present invention, a simple method of irradiating the surface of a solid material with polarization controlled by an ultra-short pulse laser with a low fluence makes it possible to perform microfabrication with a size smaller than the wavelength of the laser to be irradiated. While the structure can be reliably processed, the present inventors have noticed that the size of the fine structure has a positive correlation with the laser wavelength, and the size of the fine structure can be controlled by changing the laser wavelength. Made it possible. Further, by controlling the polarized light, it is possible to change the shapes of the protrusions and grooves of the fine structure. Further, it is possible to adjust the depth of the unevenness of the fine structure by adjusting the number of times the ultrashort pulse laser is irradiated.
【００３４】また、超短パルスレーザーを直線偏光させ
て固体材料表面に照射することで、その偏光方向と直交
する方向に沿って配列された細長い突起部や細長い溝部
を形成することができ、超短パルスレーザーを円偏光さ
せて固体材料表面に照射することで粒状の突起部を形成
することができる。Further, by linearly polarizing the ultrashort pulse laser and irradiating the surface of the solid material, it is possible to form elongated projections and elongated grooves arranged along a direction orthogonal to the polarization direction. By circularly polarizing the short pulse laser and irradiating the surface of the solid material, granular projections can be formed.
【００３５】こうした本発明に係る微細加工方法は、金
属、無機材料、有機材料といった固体材料全般に用いる
ことが可能であり、固体材料に形成される微細構造のサ
イズもレーザー波長により適宜設定することができ、ま
た、照射領域を適宜調整すれば、必要な領域に微細加工
を施した固体材料を得ることができる。こうして微細加
工を行った固体材料は、例えば、比表面積の増加、他部
材との接触面積の減少による材料特性の改善や新たな機
能の付加が期待できる。The fine processing method according to the present invention can be used for all solid materials such as metals, inorganic materials and organic materials, and the size of the fine structure formed in the solid material can be appropriately set according to the laser wavelength. Further, if the irradiation region is adjusted appropriately, a solid material in which a necessary region is subjected to fine processing can be obtained. The solid material finely processed in this way can be expected to improve material properties and add new functions, for example, by increasing the specific surface area and decreasing the contact area with other members.
【００３６】本発明に係る微細加工方法を加工具に用い
た場合、例えば研磨体の表面に本発明に係る微細加工方
法によりナノレベルの凹凸を形成すれば、非常に精密な
表面加工が可能な研磨体とすることができる。また、切
断工具や穴あけ工具等に用いればその加工性能を向上さ
せることができる。機械部品に用いた場合、機械部品の
表面において生じる摩擦、摩耗、潤滑といったトライボ
ロジー現象に関して、こうした現象が生じる表面に上述
した微細構造を形成することによりトライボロジー特性
を制御することができる。電子部品に用いる場合、その
製造過程において行われる薄膜形成工程で、こうした薄
膜を形成する表面への微細加工または薄膜形成後の表面
への微細加工を行うことにより薄膜の特性を改善するこ
とができ、極細い線幅加工にも適用が可能である。記録
媒体に用いる場合、例えば磁気ディスクのようにディス
ク表面に形成されるテクスチャーと称される微細な表面
の凹凸の加工を簡単に行うことができる。When the fine processing method according to the present invention is used for a processing tool, for example, if nano-level unevenness is formed on the surface of a polishing body by the fine processing method according to the present invention, very precise surface processing is possible. It can be an abrasive body. Further, if it is used as a cutting tool or a drilling tool, its processing performance can be improved. When used in mechanical parts, regarding tribological phenomena such as friction, wear, and lubrication that occur on the surface of mechanical parts, the tribological characteristics can be controlled by forming the above-described microstructure on the surface where such phenomena occur. When used in electronic parts, the thin film characteristics can be improved by performing microfabrication on the surface on which such a thin film is formed or by microfabrication on the surface after the thin film is formed in the thin film formation process performed in the manufacturing process. It can also be applied to ultra-fine line width processing. When used as a recording medium, it is possible to easily perform processing of fine surface irregularities called a texture formed on the surface of a disk such as a magnetic disk.
【図１】本発明に係る微細加工方法を実施するための装
置の構成図FIG. 1 is a configuration diagram of an apparatus for carrying out a microfabrication method according to the present invention.
【図２】図１中の波長変換器の構成図FIG. 2 is a configuration diagram of the wavelength converter in FIG.
【図３】実施例１（横（ｐ）偏光の場合）の照射面をＦ
Ｅ−ＳＥＭにより描いた表面形状を示す写真FIG. 3 shows the irradiation surface of Example 1 (in the case of lateral (p) polarized light) as F
Photograph showing the surface shape drawn by E-SEM
【図４】実施例１（縦（ｓ）偏光の場合）の照射面をＦ
Ｅ−ＳＥＭにより描いた表面形状を示す写真FIG. 4 shows the irradiation surface of Example 1 (in the case of longitudinal (s) polarized light) as F
Photograph showing the surface shape drawn by E-SEM
【図５】実施例１（横（ｐ）偏光の場合）の照射面をＡ
ＦＭにより測定した結果について偏光方向に沿ってプロ
ファイルした図FIG. 5 shows the irradiation surface of Example 1 (in the case of lateral (p) polarized light) as A
The figure which profiled along the polarization direction about the result measured by FM.
【図６】実施例２の照射面をＦＥ−ＳＥＭにより描いた
表面形状を示す写真FIG. 6 is a photograph showing the surface shape of the irradiated surface of Example 2 drawn by FE-SEM.
【図７】実施例２の照射面をＡＦＭにより測定した結果
について適当な方向に沿ってプロファイルした図FIG. 7 is a diagram in which the irradiation surface of Example 2 is profiled along an appropriate direction with respect to the measurement result by AFM.
【図８】波長と突起部のサイズの関係を表したグラフFIG. 8 is a graph showing the relationship between wavelength and size of protrusions.
１ フェムト秒レーザー発振器 ２ パルス伸長器 ３ 増幅器 ４ パルス圧縮器 ５ 光減衰器 ６ 光波長変換器 ７ 波長板 ８ フィルター ９ レンズ １０ 試料 １１ 試料台 ２０ ＢＢＯ結晶板 ２１ 方解石の結晶板 ２２ 波長板 ２３ ＢＢＯ結晶板 1 femtosecond laser oscillator 2 pulse stretcher 3 amplifier 4 pulse compressor 5 Optical attenuator 6 Optical wavelength converter 7 Wave plate 8 filters 9 lenses 10 samples 11 sample table 20 BBO crystal plate 21 Calcite crystal plate 22 Wave plate 23 BBO crystal plate
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木内 淳介 福井県福井市つくも２丁目14番11号 Ｆターム(参考） 4E068 AC01 CA03 CA17 CD05 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Junsuke Kiuchi 2-14-11 Tsukumo, Fukui City, Fukui Prefecture F-term (reference) 4E068 AC01 CA03 CA17 CD05
Claims (15)
ーエンスで偏光制御して固体材料表面に照射すること
で、前記所定波長より小さいサイズの微細構造を形成す
ることを特徴とする微細加工方法。1. A microfabrication method comprising forming a microstructure having a size smaller than the predetermined wavelength by irradiating the surface of a solid material with polarization controlled with an ultrashort pulse laser having a predetermined wavelength with low fluence.
の１／１０〜３／５のサイズに形成されることを特徴と
する請求項１記載の微細加工方法。2. The microfabrication method according to claim 1, wherein the size of the fine structure is formed to be 1/10 to 3/5 of the predetermined wavelength.
ーエンスで直線偏光させて固体材料表面に照射すること
で、その偏光方向と直交する方向に沿って配列された細
長い突起部を含む微細構造を形成することを特徴とする
微細加工方法。3. A microstructure including elongated protrusions arranged along a direction orthogonal to the direction of polarization by irradiating the surface of a solid material with linearly polarized low-fluence ultra-short pulse laser of a predetermined wavelength. A microfabrication method characterized by forming.
さく形成されることを特徴とする請求項３記載の微細加
工方法。4. The microfabrication method according to claim 3, wherein the width of the protrusion is formed smaller than the predetermined wavelength.
１０〜３／５のサイズに形成されることを特徴とする請
求項４記載の微細加工方法。5. The width of the protrusion is 1 / the predetermined wavelength.
The microfabrication method according to claim 4, wherein the microfabrication is performed in a size of 10 to 3/5.
ーエンスで直線偏光させて固体材料表面に照射すること
で、その偏光方向と直交する方向に沿って配列された細
長い溝部を含む微細構造を形成することを特徴とする微
細加工方法。6. A microstructure including elongated grooves arranged in a direction orthogonal to the polarization direction is formed by irradiating the surface of a solid material with linearly polarized low-fluence ultra-short pulse laser of a predetermined wavelength. A fine processing method characterized by:
く形成されることを特徴とする請求項６記載の微細加工
方法。7. The fine processing method according to claim 6, wherein the width of the groove is formed smaller than the predetermined wavelength.
ーエンスで円偏光させて固体材料表面に照射すること
で、粒状の突起部を含む微細構造を形成することを特徴
とする微細加工方法。8. A microfabrication method comprising forming a microstructure including granular protrusions by irradiating a surface of a solid material with circularly polarized light with a short fluence having a predetermined wavelength and irradiating the surface of a solid material.
さく形成されることを特徴とする請求項８記載の微細加
工方法。9. The microfabrication method according to claim 8, wherein the diameter of the protrusion is smaller than the predetermined wavelength.
／１０〜３／５のサイズに形成されることを特徴とする
請求項９記載の微細加工方法。10. The diameter of the protrusion is 1 of the predetermined wavelength.
The microfabrication method according to claim 9, wherein the microfabrication is performed in a size of / 10 to 3/5.
微細加工方法により形成された微細構造を有することを
特徴とする固体材料。11. A solid material having a fine structure formed by the fine processing method according to any one of claims 1 to 10.
微細加工方法により形成された微細構造を有することを
特徴とする加工具。12. A processing tool having a fine structure formed by the fine processing method according to any one of claims 1 to 10.
微細加工方法により形成された微細構造を有することを
特徴とする機械部品。13. A mechanical component having a fine structure formed by the fine processing method according to claim 1. Description:
微細加工方法により形成された微細構造を有することを
特徴とする電子部品。14. An electronic component having a fine structure formed by the fine processing method according to claim 1. Description:
微細加工方法により形成された微細構造を有することを
特徴とする記録媒体。15. A recording medium having a fine structure formed by the fine processing method according to claim 1. Description:
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