JP2004188436A

JP2004188436A - Method for machining fine inclined face

Info

Publication number: JP2004188436A
Application number: JP2002356923A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Suzuki; 久鈴木
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2002-12-09
Filing date: 2002-12-09
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2022-12-09
Also published as: JP4203310B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for machining a fine inclined face capable of forming a pitch of the fine inclined face and an oblique angle at an arbitrary pattern. <P>SOLUTION: A laser beam transmitter 10 uses YAG-SHG (wavelength 532nm), pulse width 15n second, and the wavelength is converted to 266nm using a wavelength transducer 30 to obtain beam dia.ϕ15μm, fluence 1μJ/pulse, and a single irradiation is performed to each place and a hollowing process is executed on a polyimide film surface which is a work 16 to be machined. Further, on this occasion, the beam having a Gaussian type beam profile passes through an aspherical lens specially manufactured as a condensing lens 14 by an optical design and changes to a substantially conical type beam profile so that irradiation is performed to the polyimide film surface. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高分子、金属、セラミックなどの被加工物の表面に微細凹凸を形成し、この凹穴により微細傾斜面を得る微細傾斜面の加工方法に関するものであり、特に、微細凹凸による傾斜面のピッチ及び傾斜角を任意に変更して形成することにより、被加工物に様々な表面機能を付与する加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
被加工物の表面に微細凹凸を形成することにより、様々な機能を付与することができる。例えば、光学機能として、反射防止、集光、分散、光散乱方向制御など、界面機能として、摩擦低減、耐磨耗性向上、流体抵抗低減などの機能を被加工物表面に付与することができる。また、表面微細加工により、成形品の外観、質感の改良を行うこともできる。
【０００３】
表面微細加工方法として、従来より様々な方法が用いられている。例えば非特許文献１では、研削加工、切削加工などの機械加工や、圧子による押し込み加工などの塑性加工が開示されている。また、ガラスビーズ、アルミナなどの粒子を吹き付けるショットブラスト法も用いられている。また、フォトリソグラフィーによる方法も知られている。また、高分子フィルムに微細凹凸をつける方法として、フィルム表面に結着剤とともに微小なビーズを塗布する方法も用いられている。さらに、特許文献１に示されているように、レーザー加工も用いられている。レーザーの種類としては、ＣＯ_２レーザー、ＹＡＧレーザーが一般的に用いられている。そして、波長、ビーム径、フルエンス、パルス幅、照射回数、デフォーカス、材料の加工性などのレーザー条件を制御することによって加工形状の制御を行っている。
【０００４】
【非特許文献１】
マイクロ加工の現状と展望（精密工学会誌Ｖｏｌ．６８，Ｎｏ．２，２００２、１６１頁〜１６６頁）
【特許文献１】
特開平１１−１５１５８４（第２頁）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術はそれぞれ改善すべき欠点を有している。機械加工は、規則的な微細凹凸による傾斜面しか形成することができないために、光学機能においてモアレなどの不具合が発生する。また、加工速度が遅いのも難点である。塑性加工は、加工可能な材料の種類に制限があり、また加工速度が遅く、連続的に形状変更ができないという欠点がある。ショットブラストは加工速度が速く、また粒子材質、粒子径、吹き付け条件などによって大まかに凹凸形状を変化させることが可能であるが、微細傾斜面のピッチ及び傾斜角を精密に制御することはできない。フォトリソグラフィーは、レジン塗布、露光、現像、エッジング、洗浄など、工程が多く時間もかかり、また傾斜面を得るためには特殊なマスクを必要とするためコスト高になってしまうという問題がある。フィルムにビーズを塗布する方法においても、微細傾斜面のピッチ及び傾斜角を精密に制御することはできない。
【０００６】
また、ＣＯ_２レーザー、ＹＡＧレーザーによる加工では、熱によって被加工物表面を溶融して加工を行うため、微細傾斜面のピッチ及び傾斜角を高精度に制御することができないという問題がある。また波長が長いため、ビーム径を３０〜４０μｍまでしか絞れず、それ以下の微細な傾斜面のピッチに対応することができないという問題がある。さらに、単なるレーザー条件の制御だけでは細部まで意図する加工形状を得ることができなかった。
【０００７】
本発明は、上記各問題点を解決するため、微細傾斜面の加工方法に関して、そのピッチ及び傾斜角を任意のパターンで高速に且つ高精度でしかも少ない工程で形成することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の微細傾斜面の加工方法は、レーザー照射手段によりパルス発振レーザーを被加工物に照射して被加工物の表面に凹穴を形成し、この凹穴により微細傾斜面を得る微細傾斜面の加工方法において、材料表面での化学結合を切断するアブレーション加工により前記凹穴の断面形状を制御することを特徴とする。
【０００９】
また、前記レーザーが１９３〜５３２ｎｍの波長又は被加工物に対する反射率が４０％以下の波長又は被加工物に対する吸収係数が２０００ｃｍ^−１以上の波長をもち、５０ｎ秒以下のパルス幅をもつことを特徴とする。また、前記レーザーのビームプロファイルを変更して前記凹穴の断面形状を制御することが好ましい。
【００１０】
また、光学レンズ又は曲面反射ミラー又は位相マスクを用いて前記ビームプロファイルを変更することが好ましい。また、前記ビーム径を変更して前記微細傾斜面のピッチを変更することが好ましい。また、前記レーザーのフルエンス、又はデフォーカス、又は照射回数を変更して、前記微細傾斜面の傾斜角を変更することが好ましい。また、ミラー系走査手段、又は前記被加工物を保持して前記レーザーと交差する方向に移動する被加工物移動手段、又は音響光学偏向器を用いて、前記被加工物に対する前記レーザーの照射位置を変更することが好ましい。
【００１１】
また、前記被加工物は防眩性反射防止フィルムであることが好ましい。また、前記被加工物は防眩性反射防止フィルム用エンボス版であることも好ましい。また、前記被加工物がローラであり、前記ローラの回転と、前記レーザー照射手段の前記ローラ軸方向への移動とにより、ローラ周面に微細傾斜面を形成することも好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明を実施したレーザー加工装置の概略図である。レーザー発信器１０から出力されたレーザー光は、ミラー１２によって方向が変えられ、集光レンズ１４によって集光され、被加工物１６に入射する。被加工物１６を載置したＸＹステージ１８が直交する２方向に移動することにより、レーザー光を被加工物１６上の任意の位置に照射することができる。
【００１３】
１９３〜５３２ｎｍの波長、又は被加工物に対する反射率が４０％以下の波長、又は被加工物に対する吸収係数が２０００ｃｍ^−１以上の波長をもち、５０ｎ秒以下のパルス幅をもつ短波長短パルスレーザーを用いると、レーザー光の光子エネルギーが高く、被加工物への光吸収もよくなるため、アブレーション加工となり、１００ｎｍ単位の高精度な微細傾斜面のピッチ、傾斜角の制御が可能となる。なお、好ましくは１９３〜３５５ｎｍの波長又は被加工物に対する反射率が３０％以下の波長又は被加工物に対する吸収係数が３０００ｃｍ^−１以上の波長をもち、１０ｎ秒以下のパルス幅をもつレーザーを使用する。なお、被加工物に対する反射率及びパルス幅の下限値は特に限定されないが、これらの値は小さければ小さいほどよい。また、被加工物に対する吸収係数の上限値もまた特に限定されないが、この値は大きければ大きいほどよい。
【００１４】
さらに、波長が１９３〜５３２ｎｍである短波長のレーザーを用いることにより、ビーム径をより小さく絞ることができ、より微細な加工が可能となる。例えば、波長を短くしたＹＡＧレーザーでは数μｍのビーム径まで絞ることができる。また、エキシマレーザーを用い、マスクを通過させるようにすれば１μｍ程度のビーム径まで絞ることができる。
【００１５】
また、ビームプロファイルを加工しようとする形状のプロファイルに変更することによって、より意図する断面形状に近い加工が可能になる。ビームプロファイルを変更する方法としては、集光レンズ１４の形状を専用のものに変更する方法の他に、曲面反射ミラー、位相マスクを用いる方法がある。
【００１６】
また、レーザー加工の速度については、レーザー照射回数がＹＡＧレーザーを用いた場合最高１００ＫＨｚ、エキシマレーザーを用いた場合でも最高２００Ｈｚと高速である。さらに、レーザー照射とクリーニングだけのシンプルな工程で加工が可能であるため、加工コストを抑制することができる。
【００１７】
図２に示す実施形態では、図１に示すＸＹステージ１８によって被加工物１６を移動させる代わりに、ガルバノミラー２０を用いて被加工物１６上の任意の位置にレーザー光を照射している。ガルバノミラー２０は、Ｘ軸反射ミラー２０ａとＹ軸反射ミラー２０ｂとからなり、この２つのミラーが互いに直交する方向で反射角を変化させることにより、レーザー光の照射位置を２方向に変化させている。したがって、固定ステージ２２を用いて被加工物１６の任意の位置に凹穴を形成することができる。
【００１８】
また、図３に示す実施形態では、回転することによってレーザー光の反射角を変化させるポリゴンミラー２４と、ポリゴンミラー２４の回転方向と直交する１方向に移動する１軸移動ステージ２６を用いることによって被加工物１６上の任意の位置にレーザー光を照射することを可能にしている。
【００１９】
さらに、図４に示す実施形態では、ポリゴンミラー２４の代わりに音響光学偏向器であるＡＯＤ（ＡｃｏｕｓｔｏＯｐｔｉｃＤｅｆｌｅｃｔｏｒ）２８を用いている。ＡＯＤ２８は波長が４００ｎｍ以上のレーザー光の出射方向を制御するものであるが、レーザー光がＡＯＤ２８を通過した後で波長変換素子３０によってレーザー光をさらに短波長にして被加工物１６上に照射させることができる。
【００２０】
図５に示す実施形態では、ロール３２周面の任意位置にレーザー加工を行うため、ロール３２を回転させるロール回転手段３４と、ロール軸方向にレーザー照射部３５を移動させるシフト機構３６とを備えている。さらにＡＯＤ２８を組み合わせることによって細かい照射位置制御を行っているが、ＡＯＤ２８に代えてガルバノミラー２０又はポリゴンミラー２４を用いてもよい。
【００２１】
図６に示す実施形態は、図１のレーザー加工装置において、レーザー発信器としてエキシマレーザー３６を用い、マスク３８を通過したレーザー光を被加工物１６上に照射するようにしたものである。このようにエキシマレーザーを用い、マスクを通過させるようにすればビーム径を１μｍ程度まで絞ることができ、より微細な加工が可能となる。なお、マスクでレーザーのビーム径を絞ると、光回折の影響によりビーム周縁部の強度が強くなってしまうため、必要に応じ、例えば集光レンズ２３の形状を変更することによって被加工面上のビームプロファイル形状を前記光回折の影響をなくしたほぼフラットな形状にする。
【００２２】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は下記実施例に限定されない。
【００２３】
［実施例１］
図４に示したレーザー加工装置において、レーザー発信器１０としてＹＡＧ−ＳＨＧ（波長５３２ｎｍ）、パルス幅１５ｎ秒を用い、波長変換素子３０で波長を２６６ｎｍに変換して、ビーム径φ１５μｍ、フルエンス１μＪ／パルス、１箇所当たりに１回の照射を行い、被加工物１６であるポリイミドフィルム表面に多数の凹穴を形成し、この凹穴により微細傾斜面を得た。ビームは集光レンズ１９でガウシアン型のビームプロファイルを形成し、ＱスイッチでＯＮ、ＯＦＦを行い、ＡＯＤ２８と１軸移動ステージ２６を用いてポリイミドフィルムを任意位置にランダムに移動することにより、ランダムな傾斜面を形成した。なお、１ｃｍ^２当たりの窪み形成個数は約８３万個である。
【００２４】
図７は、ポリイミドフィルムの表面に形成した微細傾斜面の一例を示す断面図である。レーザービームの照射により凹穴（窪み）５０を多数形成し、この凹穴５０の穴面を微細傾斜面５１とする。また、これら凹穴５０の重なりによって各凹穴５０の周縁により形成された突起５２のピッチをｐとし、これを微細傾斜面５１のピッチｐとする。微細傾斜面を観察してこのピッチｐを求めることは実際には困難であるので、このピッチｐとして、表面粗さを表すＲｓｍ（輪郭曲線要素の平均長さ）を用いる。
【００２５】
また、微細傾斜面５１の傾斜角度θは、凹穴５０の断面形状が湾曲しているので、これを微細領域で観察すると、各微細領域毎にその向きが異なるため、微細傾斜面５１の傾斜角度θも異なり、特定することが困難である。このため、微細傾斜面５１の傾斜角度θは、微小面積の平均傾斜面角度分布を用いて、その角度分布がピークとなる部分の値を微細傾斜面の傾斜角度θとして用いる。この微小面積の平均傾斜面角度分布は、マイクロマップ社製の３次元非接触表面形状計測システム５５０Ｎを用いて求めた。傾斜角度を定量化するため、傾斜面を１．３×１．３μｍの微小傾斜面に分割し、その微小面積の平均傾斜面の法線が垂線（被加工物の表面に対する垂線）となす角度のヒストグラムを作成した。図８は得られたヒストグラムの一例であり、このヒストグラムにおいて頻度のピーク部分に対応する角度である２°を微細傾斜面の傾斜角度θとした。図８からも明らかなように、傾斜角度２°周辺に微小領域の平均傾斜面角度が集中しており、目標とする傾斜角度２°前後の微細傾斜面の傾斜角度θが得られていることがわかる。また、作成した傾斜面のＲｓｍは１５〜１８μｍであった。なお、２０ｋＨｚの繰り返しで加工を行った結果、加工時間は１ｃｍ^２当たり約４５秒であった。
【００２６】
以上のようにして得られたポリイミドフィルムについて、市販のディスプレイに貼り付けられている防眩フィルムとの比較評価を以下の項目で行った。表１にその結果を示す。
【００２７】
【表１】

【００２８】
（１）防眩性評価
それぞれのフィルムに対して、ルーバーなしの剥き出し蛍光灯（８０００ｃｄ／ｍ^２）を映し、蛍光灯の反射像のボケの程度を目視で評価し、光散乱方向制御の一例である防眩性の評価を行った。市販の防眩フィルムにおけるボケの程度を△とし、市販のものよりボケの程度が非常に大きいものを◎とし、市販のものよりボケの程度が大きいものを○とし、市販のものよりボケの程度が小さいものを×とした。
【００２９】
（２）高精細さ評価
それぞれのフィルムに対して、フィルム表面の凹凸平均周期Ｒｓｍを、ＪＩＳ−１９９４の規格に基づき、（株）ミツトヨ製のＳＪ−４０１を使用して計測した。Ｒｓｍが２０μｍ以下を○とし、２１μｍ以上３０μｍ以下を△とし、３１μｍ以上を×とした。
【００３０】
（３）コスト評価
市販のフィルムを製造するのにかかると思われるコストを△とし、市販のものよりコストが小さいものを○、コストが大きいものを×とした。この実施例１では、１ｃｍ^２当たり約４５秒かかり、製造コストは現時点では１ｍ^２当たり約１５万円程度であり、市販品と比べてコスト高であり、評価は×となっている。
【００３１】
（４）総合評価
上記（１）〜（３）の評価に基づいて、製品としての総合評価を行った。この実施例１では、防眩性、高精細さで市販の防眩フィルムよりも高機能が得られたが、コスト評価の点で市販品と比べて遜色がある。レーザーで直接フィルム表面を加工する方法はコスト面で量産には向かないが、開発段階では意図する形状のフィルムを短期間で製作できるため有用な方法である。量産方法としては後述するエンボスロール版による転写が効率的な方法である。
【００３２】
［実施例２−１］
図１に示したレーザー加工装置において、レーザー発信器１０としてＹＡＧ−ＴＨＧ（波長３５５ｎｍ）、パルス幅２５ｎ秒を用い、ビーム径φ１５μｍ、フルエンス２０μＪ／パルス、１箇所当たりに４回の照射を行い、被加工物１６である酸化クロム板表面に凹穴加工した。酸化クロム板は、金属版に酸化クロムを溶射した後、表面粗さＲａ０．１μｍ程度に研磨を行ったものであり、研磨後の酸化クロム層の厚さは２００〜３００μｍである。ビームは集光レンズ１４でガウシアン型のビームプロファイルを形成し、ＱスイッチでＯＮ、ＯＦＦを行い、ＸＹステージ１８を用いて酸化クロム板を任意位置にランダムに移動することにより、ランダムな傾斜面を形成した。なお、１ｃｍ^２当たりの凹穴形成個数は約８３万個である。
【００３３】
作成した傾斜面のＲｓｍは１６〜２０μｍであった。また、実施例１と同様に３次元非接触表面形状計測システムを使用して傾斜面の表面形状を測定し、ヒストグラムを作成したところ、図９に示す結果となり、目標とする傾斜角３°前後の面が形成できていることがわかった。
【００３４】
［実施例２−２］
図５に示すレーザー加工装置を用いて、実施例２−１と同形状の加工を行った。そして、ロール回転部３４とシフト機構３６とを使用してロール３２の胴面に加工を行ってエンボスロールを作成し、このエンボスロールの形状を圧力と温度をかけてフィルムに転写した。
【００３５】
続いて、このようにエンボス加工を行って得られたフィルムについて、市販の防眩フィルムとの比較評価を実施例１と同様に行った。表２にその結果を示す。エンボスロールを用いることにより、より効率的にフィルム表面に微細傾斜面を形成することが可能となる。
【００３６】
【表２】

【００３７】
［実施例３−１］
図１に示したレーザー加工装置において、レーザー発信器１０としてＹＡＧ−ＦＨＧ（波長２６６ｎｍ）、パルス幅１５ｎ秒を用い、ビーム径φ１５μｍ、フルエンス１μＪ／パルス、１箇所当たりに１回の照射を行い、被加工物１６であるポリイミドフィルム表面に凹穴を形成した。このとき、ビームプロファイルは図１０（Ａ）に示すガウシアン型である。加工された凹状窪みの形状は、図１０（Ｂ）に示すようにビームプロファイルとほぼ同形状である。
【００３８】
このビームプロファイルをもつビームを、集光レンズ１４として専用に光学設計して製作した非球面レンズを通過させることにより、図１１（Ａ）に示す略円錐形状のビームプロファイルに変更してポリイミドフィルムに照射したところ、図１１（Ｂ）に示すようなほぼ円錐に近い凹状窪みが形成された。略円錐形状のビームプロファイルでは傾斜面がより均一な角度に加工される。
【００３９】
こうして得られた円錐状の凹穴をポリイミドフィルム表面に多数ランダムに加工した。作成した傾斜面のＲｓｍは１５〜１８μｍであった。また、実施例１、２と同様にして図１２に示すヒストグラムを作成したところ、傾斜面の分布がより均一になっていることがわかった。防眩性の評価を行った結果、傾斜面の分布が均一であるために光散乱の縁がよりクリアーになることが確認された。
【００４０】
［実施例３−２］
図５に示すレーザー加工装置を用いて、実施例３−１と同形状の凹穴加工を行った。そして、ロール回転部３４とシフト機構３６とを使用してロール３２の胴面に加工を行ってエンボスロールを作成し、このエンボスロールの形状を圧力と温度をかけてフィルムに転写した。
【００４１】
続いて、このようにエンボス加工を行って得られたフィルムについて、市販の防眩フィルムとの比較評価を実施例１と同様に行った。表３にその結果を示す。
【００４２】
【表３】

【００４３】
［実施例４］
図６に示すレーザー加工装置において、レーザー発信器３６としてＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅１６ｎ秒）を用い、φ１００μｍの開口部を有するマスク３８を通過させて多層フレキシブル基板２７のビアホール加工を行った。図１３（Ａ）で、レーザー光がマスク３８を通過したところであるマスク通過位置Ｐ１では、光回折によりビームプロファイルは（Ｂ）に示すようにビーム周縁部が突出した形状となっている。このレーザー光を球面レンズである集光レンズ２３によって集光させると、多層フレキシブル基板２７上にある結像位置Ｐ２で、ビームプロファイルが（Ｃ）に示すような略矩形となる。したがって、図１４（Ａ）に示すように銅４２とポリイミド４４の積層で構成される多層フレキシブル基板１６に断面形状において底部がほぼフラットなビアホール４０を形成することができる。このため、所望とする層までの穴加工が可能になり、後に説明するような絶縁不良部分の発生がなくなる。
【００４４】
なお、このような場合、集光レンズ２３としてビームプロファイルをフラットにするために専用に光学設計したレンズを製作することも考えられるが、高価で製作納期が長い。今回、安価で短納期な球面レンズを用いることによってビームプロファイルを略矩形にすることができ、このビームプロファイルで穴加工することによって確実な導通が得られるビアホール形状を形成できることがわかった。
【００４５】
［比較例］
図６に示すレーザー加工装置において、従来通りの一般的な集光レンズを用いた以外は、図のものと同様な構成である。この比較例では、マスクを通過した直後のビームプロファイル形状が図１３（Ｂ）に示すような周縁部が突出した形状であり、多層フレキシブル基板でも同様なビームプロファイル形状となるため、図１４（Ｂ）に示すように凹穴の周縁部が深くなったビアホール４１となってしまう。したがって、一部が目標とする層よりも深く加工されてしまい、この突出形状部分４５によって絶縁不良部分が発生してしまう。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の微細傾斜面の加工方法によれば、材料表面での化学結合を切断するアブレーション加工により前記凹穴の断面形状を制御することにより、また、１９３〜５３２ｎｍの波長又は被加工物に対する反射率が４０％以下の波長又は被加工物に対する吸収係数が２０００ｃｍ^−１以上の波長をもち、５０ｎ秒以下のパルス幅をもつことを特徴とする短波長短パルスレーザーを用いて加工を行うことにより、高精度な任意の微細傾斜面ピッチ、傾斜角を任意のパターンで、しかも少ない工程で高速に形成することができる。
【００４７】
また、短波長短パルスレーザーのビームプロファイルを意図する形状に変更することにより、加工形状の細部に渡りさらに高精度な任意の表面傾斜面ピッチ、傾斜角を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施したレーザー加工装置の概略図である。
【図２】本発明の第２の実施形態におけるレーザー加工装置の概略図である。
【図３】本発明の第３の実施形態におけるレーザー加工装置の概略図である。
【図４】本発明の第４の実施形態におけるレーザー加工装置の概略図である。
【図５】本発明の第５の実施形態におけるレーザー加工装置の概略図である。
【図６】本発明の第６の実施形態におけるレーザー加工装置の概略図である。
【図７】ポリイミドフィルムの微細加工面を拡大して示す断面図である。
【図８】実施例１の加工結果を示すヒストグラムである。
【図９】実施例２−１の加工結果を示すヒストグラムである。
【図１０】ガウシアンビームプロファイルとガウシアンビーム加工断面を示す説明図である。
【図１１】円錐状ビームプロファイルと円錐状ビーム加工断面を示す説明図である。
【図１２】実施例３−１の加工結果を示すヒストグラムである。
【図１３】実施例４の作用を示す説明図である。
【図１４】多層フレキシブル基板のビアホール加工を示す説明図である。
【符号の説明】
１０レーザー発信器
１４集光レンズ
１６被加工物
１８ＸＹステージ
２０ガルバノミラー
２４ポリゴンミラー
２６１軸移動ステージ
２８ＡＯＤ
３２ロール
３４ロール回転部
３６シフト機構
５０凹穴
５１微細傾斜面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of processing a finely inclined surface by forming fine unevenness on the surface of a workpiece such as a polymer, metal, ceramic, etc., and obtaining a finely inclined surface by this recessed hole. The present invention relates to a processing method for imparting various surface functions to a workpiece by arbitrarily changing the pitch and inclination angle of the surface.
[0002]
[Prior art]
Various functions can be provided by forming fine irregularities on the surface of the workpiece. For example, functions such as antireflection, light collection, dispersion, and light scattering direction control as optical functions, and functions such as friction reduction, wear resistance improvement, and fluid resistance reduction as interface functions can be imparted to the workpiece surface. . Further, the appearance and texture of the molded product can be improved by fine surface processing.
[0003]
Conventionally, various methods have been used as surface fine processing methods. For example, Non-Patent Document 1 discloses mechanical processing such as grinding and cutting, and plastic processing such as indentation using an indenter. Further, a shot blasting method in which particles such as glass beads and alumina are sprayed is also used. A method using photolithography is also known. In addition, as a method for forming fine irregularities on a polymer film, a method of applying fine beads together with a binder to the film surface is also used. Furthermore, as shown in Patent Document 1, laser processing is also used. As the type of laser, a CO ₂ laser and a YAG laser are generally used. Then, the processing shape is controlled by controlling laser conditions such as wavelength, beam diameter, fluence, pulse width, number of irradiations, defocusing, and material processability.
[0004]
[Non-Patent Document 1]
Current status and prospects of micromachining (Journal of the Japan Society for Precision Engineering, Vol. 68, No. 2, 2002, pages 161-166)
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-151584 (second page)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, each prior art has drawbacks to be improved. Since machining can only form inclined surfaces with regular fine irregularities, problems such as moire occur in the optical function. In addition, the processing speed is slow. Plastic processing has limitations that the types of materials that can be processed are limited, the processing speed is slow, and the shape cannot be changed continuously. Shot blasting has a high processing speed and can roughly change the concavo-convex shape depending on the particle material, particle diameter, spraying conditions, etc., but the pitch and inclination angle of the fine inclined surface cannot be precisely controlled. Photolithography has a problem that many processes such as resin coating, exposure, development, edging, and cleaning take time, and a special mask is required to obtain an inclined surface, resulting in high costs. Even in the method of applying beads to the film, the pitch and inclination angle of the fine inclined surface cannot be precisely controlled.
[0006]
Further, in the processing using a CO ₂ laser or YAG laser, there is a problem that the pitch and the inclination angle of the fine inclined surface cannot be controlled with high accuracy because the surface of the workpiece is processed by heat. Further, since the wavelength is long, there is a problem that the beam diameter can be narrowed down only to 30 to 40 μm, and it is not possible to cope with the pitch of the fine inclined surface below that. Furthermore, the intended machining shape could not be obtained in detail only by controlling the laser conditions.
[0007]
In order to solve the above-described problems, an object of the present invention is to form a pitch and an inclination angle with an arbitrary pattern at a high speed, with high accuracy, and in a small number of steps with respect to a method for processing a fine inclined surface.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the method of processing a fine inclined surface according to the present invention forms a concave hole on the surface of a workpiece by irradiating the workpiece with a pulsed laser by means of laser irradiation means, In the method of processing a fine inclined surface to obtain a fine inclined surface, the cross-sectional shape of the concave hole is controlled by ablation processing for cutting chemical bonds on the material surface.
[0009]
Further, the laser has a wavelength of 193 to 532 nm, a wavelength of 40% or less of reflectance to the workpiece, or a wavelength of an absorption coefficient of 2000 cm ⁻¹ or more for the workpiece, and a pulse width of 50 nsec or less. Features. Moreover, it is preferable to control the cross-sectional shape of the concave hole by changing the beam profile of the laser.
[0010]
The beam profile is preferably changed using an optical lens, a curved reflecting mirror, or a phase mask. Moreover, it is preferable to change the pitch of the fine inclined surface by changing the beam diameter. Moreover, it is preferable to change the inclination angle of the fine inclined surface by changing the fluence, defocusing, or irradiation frequency of the laser. Further, the irradiation position of the laser on the workpiece using a mirror system scanning means, a workpiece moving means that holds the workpiece and moves in a direction crossing the laser, or an acousto-optic deflector Is preferably changed.
[0011]
The workpiece is preferably an antiglare antireflection film. The workpiece is preferably an embossed plate for an antiglare antireflection film. It is also preferable that the workpiece is a roller, and a finely inclined surface is formed on the peripheral surface of the roller by the rotation of the roller and the movement of the laser irradiation means in the roller axial direction.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic view of a laser processing apparatus embodying the present invention. The direction of the laser beam output from the laser transmitter 10 is changed by the mirror 12, is collected by the condenser lens 14, and enters the workpiece 16. The XY stage 18 on which the workpiece 16 is placed moves in two orthogonal directions, so that an arbitrary position on the workpiece 16 can be irradiated with laser light.
[0013]
A short wavelength short pulse laser having a wavelength of 193 to 532 nm, a wavelength having a reflectance of 40% or less with respect to the workpiece, or a wavelength having an absorption coefficient of 2000 cm ⁻¹ or more with respect to the workpiece and a pulse width of 50 nsec or less. When used, the photon energy of the laser light is high and the light absorption to the workpiece is improved, so that ablation processing is performed, and the pitch and inclination angle of the fine inclined surface with high accuracy in units of 100 nm can be controlled. Preferably, use is made of a laser having a wavelength of 193 to 355 nm, a wavelength with a reflectance of 30% or less with respect to the workpiece, or a wavelength with an absorption coefficient of 3000 cm ⁻¹ or more with respect to the workpiece and a pulse width of 10 nsec or less. To do. In addition, although the lower limit of the reflectance with respect to a to-be-processed object and a pulse width is not specifically limited, These values are so good that it is small. Further, the upper limit value of the absorption coefficient for the workpiece is not particularly limited, but the larger the value, the better.
[0014]
Furthermore, by using a short-wavelength laser having a wavelength of 193 to 532 nm, the beam diameter can be narrowed down and finer processing becomes possible. For example, a YAG laser with a short wavelength can be narrowed down to a beam diameter of several μm. Further, if an excimer laser is used to pass through the mask, the beam diameter can be reduced to about 1 μm.
[0015]
Further, by changing the beam profile to a profile having a shape to be machined, machining closer to the intended cross-sectional shape can be performed. As a method of changing the beam profile, there is a method of using a curved reflection mirror and a phase mask in addition to a method of changing the shape of the condenser lens 14 to a dedicated one.
[0016]
Further, the laser processing speed is as high as 100 KHz at the maximum when the YAG laser is used, and as high as 200 Hz even when the excimer laser is used. Furthermore, since processing can be performed with a simple process of only laser irradiation and cleaning, processing costs can be suppressed.
[0017]
In the embodiment shown in FIG. 2, instead of moving the workpiece 16 by the XY stage 18 shown in FIG. 1, laser light is irradiated to an arbitrary position on the workpiece 16 using the galvanometer mirror 20. The galvanometer mirror 20 includes an X-axis reflection mirror 20a and a Y-axis reflection mirror 20b. By changing the reflection angle in a direction in which the two mirrors are orthogonal to each other, the irradiation position of the laser light is changed in two directions. Yes. Therefore, a recessed hole can be formed at an arbitrary position of the workpiece 16 using the fixed stage 22.
[0018]
In the embodiment shown in FIG. 3, by using a polygon mirror 24 that changes the reflection angle of the laser light by rotating, and a uniaxial moving stage 26 that moves in one direction orthogonal to the rotation direction of the polygon mirror 24. It is possible to irradiate a laser beam to an arbitrary position on the workpiece 16.
[0019]
Furthermore, in the embodiment shown in FIG. 4, an AOD (Acousto Optical Deflector) 28 that is an acousto-optic deflector is used instead of the polygon mirror 24. The AOD 28 controls the emission direction of laser light having a wavelength of 400 nm or more. After the laser light passes through the AOD 28, the wavelength conversion element 30 causes the laser light to be further shortened to irradiate the workpiece 16 with the laser light. be able to.
[0020]
In the embodiment shown in FIG. 5, in order to perform laser processing at an arbitrary position on the circumferential surface of the roll 32, a roll rotating unit 34 that rotates the roll 32 and a shift mechanism 36 that moves the laser irradiation unit 35 in the roll axis direction are provided. ing. Further, fine irradiation position control is performed by combining the AOD 28, but the galvanometer mirror 20 or the polygon mirror 24 may be used instead of the AOD 28.
[0021]
The embodiment shown in FIG. 6 uses the excimer laser 36 as a laser transmitter in the laser processing apparatus of FIG. 1 and irradiates the workpiece 16 with laser light that has passed through the mask 38. By using an excimer laser in this way and passing through the mask, the beam diameter can be reduced to about 1 μm, and finer processing becomes possible. Note that, if the laser beam diameter is reduced with a mask, the intensity of the beam peripheral portion becomes stronger due to the effect of light diffraction. Therefore, if necessary, for example, by changing the shape of the condensing lens 23 on the processing surface The beam profile is made almost flat without the influence of the light diffraction.
[0022]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to the following Example.
[0023]
[Example 1]
In the laser processing apparatus shown in FIG. 4, YAG-SHG (wavelength of 532 nm) is used as the laser transmitter 10 and the pulse width is 15 ns, the wavelength is converted to 266 nm by the wavelength conversion element 30, the beam diameter is 15 μm, the fluence is 1 μJ / The irradiation was performed once per pulse, and a large number of concave holes were formed on the surface of the polyimide film as the workpiece 16, and a finely inclined surface was obtained by the concave holes. The beam forms a Gaussian beam profile with the condenser lens 19, is turned on and off with the Q switch, and is moved randomly by moving the polyimide film randomly to an arbitrary position using the AOD 28 and the uniaxial moving stage 26. An inclined surface was formed. The number of depressions formed per 1 cm ² is about 830,000.
[0024]
FIG. 7 is a cross-sectional view showing an example of a fine inclined surface formed on the surface of a polyimide film. A large number of concave holes (recesses) 50 are formed by laser beam irradiation, and the hole surfaces of the concave holes 50 are defined as fine inclined surfaces 51. In addition, the pitch of the protrusions 52 formed by the peripheral edge of each concave hole 50 due to the overlapping of the concave holes 50 is defined as p, and this is defined as the pitch p of the fine inclined surface 51. Since it is actually difficult to obtain the pitch p by observing a fine inclined surface, Rsm (average length of contour curve elements) representing the surface roughness is used as the pitch p.
[0025]
In addition, since the cross-sectional shape of the concave hole 50 is curved, the inclination angle θ of the fine inclined surface 51 is different in each fine region when observed in the fine region. The angle θ is also different and is difficult to specify. For this reason, the inclination angle θ of the fine inclined surface 51 uses the average inclined surface angle distribution of a minute area, and uses the value of the portion where the angular distribution reaches a peak as the inclination angle θ of the fine inclined surface. The average inclined surface angle distribution of this minute area was determined using a three-dimensional non-contact surface shape measurement system 550N manufactured by Micromap. In order to quantify the inclination angle, the inclined surface is divided into 1.3 × 1.3 μm fine inclined surfaces, and the angle that the normal of the average inclined surface of the minute area becomes a perpendicular (perpendicular to the surface of the workpiece) A histogram was created. FIG. 8 shows an example of the obtained histogram. In this histogram, 2 ° which is the angle corresponding to the peak portion of the frequency is defined as the inclination angle θ of the fine inclined surface. As is apparent from FIG. 8, the average inclined surface angle of the minute region is concentrated around the inclination angle of 2 °, and the inclination angle θ of the fine inclined surface around the target inclination angle of 2 ° is obtained. I understand. Moreover, Rsm of the produced inclined surface was 15-18 micrometers. In addition, as a result of processing with repetition of 20 kHz, the processing time was about 45 seconds per cm ² .
[0026]
About the polyimide film obtained by making it above, comparative evaluation with the anti-glare film affixed on the commercially available display was performed by the following items. Table 1 shows the results.
[0027]
[Table 1]

[0028]
(1) Evaluation of anti-glare property An example of light scattering direction control by projecting a bare fluorescent lamp (8000 cd / m ² ) without a louver on each film, visually evaluating the degree of blur of the reflected image of the fluorescent lamp. The anti-glare property which is is evaluated. The degree of blur in a commercially available anti-glare film is △, the degree of blur is much larger than that of a commercially available film, ◎, the degree of blurring is greater than that of a commercially available film, and the degree of blur is more than that of a commercially available film. The small one was marked with x.
[0029]
(2) High-definition evaluation The uneven | corrugated average period Rsm of the film surface was measured using SJ-401 by Mitutoyo Corporation based on the standard of JIS-1994 with respect to each film. Rsm was 20 μm or less as ◯, 21 μm or more and 30 μm or less as Δ, and 31 μm or more as x.
[0030]
(3) Cost evaluation The cost that would be required to produce a commercially available film was indicated by Δ, the cost that was lower than the commercially available product was indicated by ◯, and the cost that was large was indicated by ×. In Example 1, it takes about 45 seconds per 1 cm ² , and the manufacturing cost is currently about 150,000 yen per 1 m ^2, which is higher than the commercially available product, and the evaluation is x.
[0031]
(4) Comprehensive evaluation Comprehensive evaluation as a product was performed based on evaluation of said (1)-(3). In Example 1, the anti-glare property and high definition provided a higher function than a commercially available anti-glare film, but it is inferior to a commercially available product in terms of cost evaluation. Although the method of directly processing the film surface with a laser is not suitable for mass production in terms of cost, it is a useful method because a film having an intended shape can be manufactured in a short period of time at the development stage. As a mass production method, transfer by an emboss roll plate described later is an efficient method.
[0032]
[Example 2-1]
In the laser processing apparatus shown in FIG. 1, using YAG-THG (wavelength 355 nm) and a pulse width of 25 ns as the laser transmitter 10, a beam diameter of 15 μm, a fluence of 20 μJ / pulse, and four irradiations per place, A concave hole was machined on the surface of the chromium oxide plate, which is the workpiece 16. The chromium oxide plate is obtained by spraying chromium oxide on a metal plate and then polishing it to a surface roughness Ra of about 0.1 μm. The thickness of the chromium oxide layer after polishing is 200 to 300 μm. The beam forms a Gaussian beam profile with the condensing lens 14, is turned on and off with the Q switch, and the XY stage 18 is used to randomly move the chromium oxide plate to an arbitrary position, thereby forming a random inclined surface. Formed. The number of recessed holes formed per 1 cm ² is about 830,000.
[0033]
Rsm of the prepared inclined surface was 16 to 20 μm. Further, as in Example 1, the surface shape of the inclined surface was measured using a three-dimensional non-contact surface shape measurement system, and a histogram was created. The result shown in FIG. 9 was obtained, and the target inclination angle was around 3 °. It was found that the surface was formed.
[0034]
[Example 2-2]
Using the laser processing apparatus shown in FIG. 5, processing having the same shape as in Example 2-1 was performed. And the body surface of the roll 32 was processed using the roll rotation part 34 and the shift mechanism 36, the embossing roll was created, and the shape of this embossing roll was transcribe | transferred to the film over pressure and temperature.
[0035]
Subsequently, the film obtained by embossing as described above was subjected to comparative evaluation with a commercially available anti-glare film in the same manner as in Example 1. Table 2 shows the results. By using an embossing roll, it becomes possible to form a fine inclined surface on the film surface more efficiently.
[0036]
[Table 2]

[0037]
[Example 3-1]
In the laser processing apparatus shown in FIG. 1, YAG-FHG (wavelength 266 nm) is used as the laser transmitter 10 and the pulse width is 15 ns, the beam diameter is 15 μm, the fluence is 1 μJ / pulse, and irradiation is performed once per location. A concave hole was formed on the surface of the polyimide film as the workpiece 16. At this time, the beam profile is a Gaussian type shown in FIG. The shape of the processed concave depression is substantially the same as the beam profile as shown in FIG.
[0038]
By passing a beam having this beam profile through an aspherical lens that is optically designed exclusively for the condenser lens 14, the beam profile is changed to a substantially conical beam profile shown in FIG. As a result of irradiation, a concave depression almost formed as a cone as shown in FIG. 11B was formed. In the substantially conical beam profile, the inclined surface is processed at a more uniform angle.
[0039]
A large number of conical concave holes thus obtained were randomly processed on the polyimide film surface. Rsm of the prepared inclined surface was 15-18 μm. Further, when the histogram shown in FIG. 12 was created in the same manner as in Examples 1 and 2, it was found that the distribution of the inclined surface was more uniform. As a result of evaluating the antiglare property, it was confirmed that the edge of the light scattering becomes clearer because the distribution of the inclined surface is uniform.
[0040]
[Example 3-2]
Using the laser processing apparatus shown in FIG. 5, a concave hole having the same shape as that of Example 3-1 was processed. And the body surface of the roll 32 was processed using the roll rotation part 34 and the shift mechanism 36, the embossing roll was created, and the shape of this embossing roll was transcribe | transferred to the film over pressure and temperature.
[0041]
Subsequently, the film obtained by embossing as described above was subjected to comparative evaluation with a commercially available anti-glare film in the same manner as in Example 1. Table 3 shows the results.
[0042]
[Table 3]

[0043]
[Example 4]
In the laser processing apparatus shown in FIG. 6, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse width 16 nsec) is used as the laser transmitter 36, and the via hole processing of the multilayer flexible substrate 27 is performed through a mask 38 having an opening of φ100 μm. It was. In FIG. 13A, at the mask passing position P1 where the laser light has passed through the mask 38, the beam profile has a shape in which the beam peripheral edge protrudes as shown in FIG. When this laser light is condensed by the condensing lens 23 which is a spherical lens, the beam profile becomes a substantially rectangular shape as shown in (C) at the imaging position P2 on the multilayer flexible substrate 27. Therefore, as shown in FIG. 14A, a via hole 40 having a substantially flat bottom in cross-sectional shape can be formed in the multilayer flexible substrate 16 formed of a laminate of copper 42 and polyimide 44. For this reason, it is possible to drill holes up to a desired layer, and there is no occurrence of defective insulation as described later.
[0044]
In such a case, it is conceivable to manufacture a lens that is optically designed exclusively for condensing lens 23 in order to flatten the beam profile, but it is expensive and has a long manufacturing delivery time. This time, it was found that the beam profile can be made substantially rectangular by using a spherical lens that is inexpensive and has a short delivery time, and that a via hole shape that can provide reliable conduction can be formed by drilling with this beam profile.
[0045]
[Comparative example]
The laser processing apparatus shown in FIG. 6 has the same configuration as that shown in the drawing except that a conventional condensing lens is used. In this comparative example, the beam profile shape immediately after passing through the mask is a shape in which the peripheral edge protrudes as shown in FIG. 13B, and the multilayered flexible substrate has the same beam profile shape. ), The via hole 41 has a deep peripheral edge of the recessed hole. Therefore, a part is processed deeper than the target layer, and this projecting shape portion 45 causes an insulation failure portion.
[0046]
【The invention's effect】
As described above, according to the processing method of the fine inclined surface of the present invention, the cross-sectional shape of the concave hole is controlled by ablation processing for cutting the chemical bond on the material surface, and the wavelength of 193 to 532 nm is also achieved. Alternatively, using a short wavelength short pulse laser having a wavelength with a reflectance of 40% or less with respect to the workpiece or a wavelength with an absorption coefficient of 2000 cm ⁻¹ or more with a pulse width of 50 nsec or less. By performing the processing, it is possible to form a high-precision arbitrary fine inclined surface pitch and inclination angle in an arbitrary pattern and at a high speed with fewer steps.
[0047]
Further, by changing the beam profile of the short wavelength short pulse laser to an intended shape, it is possible to realize any surface inclined surface pitch and inclination angle with higher accuracy over the details of the processed shape.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a laser processing apparatus embodying the present invention.
FIG. 2 is a schematic view of a laser processing apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic view of a laser processing apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view of a laser processing apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic view of a laser processing apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic view of a laser processing apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view showing a finely processed surface of a polyimide film.
FIG. 8 is a histogram showing the processing result of Example 1;
FIG. 9 is a histogram showing the processing result of Example 2-1.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a Gaussian beam profile and a Gaussian beam processing cross section.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing a conical beam profile and a conical beam processing cross section.
FIG. 12 is a histogram showing a processing result of Example 3-1.
FIG. 13 is an explanatory diagram showing the operation of the fourth embodiment.
FIG. 14 is an explanatory diagram showing via hole processing of a multilayer flexible substrate.
[Explanation of symbols]
10 Laser Transmitter 14 Condensing Lens 16 Workpiece 18 XY Stage 20 Galvano Mirror 24 Polygon Mirror 26 Uniaxial Moving Stage 28 AOD
32 Roll 34 Roll rotating part 36 Shift mechanism 50 Concave hole 51 Finely inclined surface

Claims

In a processing method of a fine inclined surface, a pulsed laser is irradiated on a workpiece by a laser irradiation means to form a concave hole on the surface of the workpiece, and a fine inclined surface is obtained by the concave hole.
A method for processing a fine inclined surface, wherein the cross-sectional shape of the concave hole is controlled by ablation processing for cutting a chemical bond on a material surface.

In a processing method of a fine inclined surface, a pulsed laser is irradiated on a workpiece by a laser irradiation means to form a concave hole on the surface of the workpiece, and a fine inclined surface is obtained by the concave hole.
The laser has a wavelength of 193 to 532 nm, a wavelength with a reflectance of 40% or less with respect to the workpiece, or a wavelength with an absorption coefficient of 2000 cm ⁻¹ or more with respect to the workpiece, and a pulse width of 50 nsec or less. A method for processing fine inclined surfaces.

The method for processing a fine inclined surface according to claim 1 or 2, wherein a cross-sectional shape of the concave hole is controlled by changing a beam profile of the laser.

4. The method of processing a fine inclined surface according to claim 3, wherein the beam profile is changed using an optical lens, a curved reflecting mirror, or a phase mask.

5. The processing method for a fine inclined surface according to claim 1, wherein the pitch of the fine inclined surface is changed by changing the beam diameter.

6. The method of processing a fine inclined surface according to claim 1, wherein the inclination angle of the fine inclined surface is changed by changing the fluence, defocusing, or irradiation frequency of the laser.

The irradiation position of the laser on the workpiece is changed using a mirror scanning means, a workpiece moving means that holds the workpiece and moves in a direction intersecting the laser, or an acousto-optic deflector. The method for processing a fine inclined surface according to any one of claims 1 to 5, wherein:

The method for processing a fine inclined surface according to any one of claims 1 to 7, wherein the workpiece is an antiglare antireflection film.

The method for processing a fine inclined surface according to any one of claims 1 to 7, wherein the workpiece is an embossed plate for an antiglare antireflection film.

8. The workpiece is a roller, and a finely inclined surface is formed on the peripheral surface of the roller by rotation of the roller and movement of the laser irradiation means in the roller axial direction. The processing method of the fine inclined surface as described in any one.