JP2005059042A - レーザ加工方法、レーザ加工装置、構造体および反射型光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学デバイス等の高精度・高品位な表面、加工面を得るためのレーザ加工において、付着物の低減、付着物・微粒子の選択除去、非加工領域のエッチング材料保護、積層構造の加工底面の付着物の除去、平坦加工、エッチングによる幅広がりの低減を可能にするするレーザ加工方式、レーザ加工装置およびそれにより作成された構造体を提供する。
【解決手段】 積層体の表面から順に第一の材料層と、所定の厚さの第二の加工材料層とから構成される積層に対して、第一材料層側からレーザ光を照射して加工材料層を除去するレーザ加工法において、前記第一の材料層を形成する材料を、前記第二の加工材料に対して付着性の低い材料とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザビームの照射により被加工材料に直接微細な形状を形成するレーザ加工法に関するものであり、特にレーザ加工時に発生する加工部周辺および加工底面の付着物除去を行い、高精度な加工を実現する構造体形成方法に関するものである。
本発明は特に微細形状を必要とされる高精度部品形成、例えば、光ディスクの記録ピット形成、その原盤である光ディスク成形用スタンパの形成方法、マルチレベル回折格子や回折型ホログラムなどの光学素子およびその原盤の作成方法、マイクロマシン、マイクロセンサー等の立体形状加工法、マイクロ構造体形成法等の微細高精度デバイスに関するものである。

従来のレーザ加工時に発生する付着物、微粒子除去に関しては、レーザにより材料を直接除去する微細加工技術がある。この技術は、加工部周辺に付着物が形成されたり、加工底面に付着物や加工粗れが生じるのに対して、真空・アシストガス中での加工（例えば、特許文献１参照）、洗浄工程の追加、レーザ再照射による除去（例えば、特許文献２参照）、犠牲層の追加と加工後の剥離（例えば、特許文献３、４参照）で対応しようとするものである。
特開平０６−６８４号公報 特開平０６−３３９７８４号公報 特開平０６−３４４１７２号公報 特開平０８−１８７５８８号公報

しかしながら、上記従来技術に開示されている加工雰囲気や真空中のみの除去では、微小領域の付着物除去が困難になる、加工雰囲制御のための装置が必要となり大型化する、加工物の移動等に制限が生じる等という問題点がある。また、通常の洗浄のみでは、加工物の溶融付着物の除去が困難になると同時に加工部にもダメージが生じる。
エッチング液中では加工物もエッチングされ形状変化や表面あれが増加する。レーザ再照射では、さらなる工程が必要となる。大きな領域を加工する場合には、光学系の追加、調整が必要になる。犠牲層の追加では、犠牲層追加のプロセスが必要でコスト高となる、犠牲層でのレーザ加工特性が変化する、犠牲層の接着、剥離時の形状変化が懸念されるなどという問題が起きる。
そこで本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、光学デバイス等の高精度・高品位な表面、加工面を得るためのレーザ加工時の、付着物の低減、付着物・微粒子の選択除去、非加工領域のエッチング材料保護、積層構造の加工底面の付着物の除去、平坦加工、エッチングによる幅広がりの低減を可能にするするレーザ加工方法、レーザ加工装置およびそれにより作成された構造体を提供することを目的とする。

前記の課題を解決するために、請求項１記載の発明では、積層体の表面から順に第一の材料層と、所定の厚さの第二の加工材料層とから構成される積層に対して、第一材料層側からレーザ光を照射して加工材料層を除去するレーザ加工方法において、前記第一の材料層を形成する材料を、前記第２の加工材料に対して付着性の低い材料とするレーザ加工方法を最も主要な特徴とする。
請求項２記載の発明では、前記レーザ加工後、レーザ照射により加工面から発生した加工材料から構成される加工面に付着した付着物に対して、溶液により選択的に付着物の除去処理を行う請求項１記載のレーザ加工方法を主要な特徴とする。
請求項３記載の発明では、前記レーザ加工材料除去時に発生する加工材料の微粒子に対して溶解性の高い溶液中でレーザ加工を行う請求項１記載のレーザ加工方法を主要な特徴とする。
請求項４記載の発明では、表面の前記第一材料層、前記加工材料層の下面の第二材料層が、付着物除去に用いる溶液に対して耐性の高い材料である請求項２または３記載のレーザ加工方法を主要な特徴とする。
請求項５記載の発明では、少なくとも前記第一材料層が加工用レーザに対して透過性の高い材料である請求項１または４記載のレーザ加工方法を主要な特徴とする。
請求項６記載の発明では、少なくとも２層以上の前記加工材料層と３層以上の前記材料層で構成され、第一材料層表面から選択的にレーザ照射し、レーザ照射数に応じて加工材料層を段階的に除去し、深さの異なる平面を有する構造体を得る請求項５記載のレーザ加工方法を主要な特徴とする。
請求項７記載の発明では、前記加工材料層の厚みを加工幅よりも少なくする請求項１から４、または６のいずれか１項に記載のレーザ加工方法を主要な特徴とする。

請求項８記載の発明では、加工材料層が金属薄膜である請求項１から４、６または７のいずれか１項に記載のレーザ加工方法を主要な特徴とする。
請求項９記載の発明では、前記加工用レーザのパルス幅が１００ｎｓ以下であるエキシマレーザあるいは固体レーザあるいはピコ秒、フェムト秒レーザあるいは、その高調波光である請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のレーザ加工方法を主要な特徴とする。
請求項１０記載の発明では、前記加工用レーザ光の発生手段とレーザ光の強度調整手段、レーザ光整形手段、レーザ照射位置制御手段から構成され、空間的にレーザ光照射位置を変化させて構造体を作成するレーザ加工装置を主要な特徴とする。
請求項１１記載の発明では、請求項１０記載のレーザ加工装置により作成される底面に平坦部を有する構造体を主要な特徴とする。
請求項１２記載の発明では、請求項１０記載のレーザ加工装置により作成された素子を型として、複製により作成される構造体を主要な特徴とする。
請求項１３記載の発明では、請求項１１または１２記載の構造体の表面に反射膜を設ける反射型光学素子を主要な特徴とする。

請求項１によれば、積層体の表面から順に第一の材料層と、所定の厚さの加工材料層とから構成される積層に対して、第一材料層側からレーザ光を照射して加工材料層を除去するレーザ加工方法において、前記第一の材料層を形成する材料を、前記加工材料層に対して付着性の低い材料とすることを特徴とするレーザ加工方法により、変質や形状変化、付着物を低減した加工が可能となり、その結果高精度な立体的な形状を形成することができる。
請求項２によれば、前記レーザ加工後、レーザ照射により加工面から発生した加工材料から構成される加工面に付着した付着物に対して、溶液により選択的に付着物の除去処理を行うことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法により、さらに付着物の除去が可能となる。
請求項３によれば、前記レーザ加工材料除去時に発生する加工材料の微粒子に対して溶解性の高い溶液中でレーザ加工を行うことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法により、後処理でなく、加工によりすぐに形状が形成可能であり、その他のゴミの付着等を防ぎ、全体洗浄も兼ねることができる。

請求項４によれば、表面の前記第一材料層、前記加工材料層の下面の第二材料層が、付着物除去に用いる溶液に対して耐性の高い材料であることを特徴とする請求項２または３記載のレーザ加工方法により、溶液による形状変化の低減、膜のみの高速除去、第一面除去による加工材料層の選択除去、付着物の更なる除去、溶液濃度をあげることにより処理の高速化、形状の高精度化が可能となる。
請求項５によれば、少なくとも前記第一材料層が加工用レーザに対して透過性の高い材料であることを特徴とする請求項１または４記載のレーザ加工方法により、加工材料層の除去により材料層を同時に除去することができ、高速な除去が可能となるとともに、下面の第二材料層が透明であることで、光吸収による変質を低減できる。下面の第二材料層での平坦面が形成しやすくなる。
請求項６によれば、少なくとも２層以上の前記加工材料層と３層以上の前記材料層で構成され、第一材料層表面から選択的にレーザ照射し、レーザ照射数に応じて加工材料層を段階的に除去し、深さの異なる平面を有する構造体を得ることを特徴とする請求項５記載のレーザ加工方法により、立体形状形成が可能となり、レーザ照射数で深さを離散的に制御でき、空間的に照射位置を制御することで、複雑な立体構造が形成可能となる。
請求項７によれば、前記加工材料層の厚みを加工幅よりも少なくすることを特徴とする請求項１から４、または６のいずれか１項に記載のレーザ加工方法により、幅方向のエッチングの浸透を低減することができ、特に数ミクロン程度以下とするとエッチング液の浸透が起き難く、形状変化を低減することが可能となる。
請求項８によれば、加工材料層が金属薄膜であることを特徴とする請求項１から４、６または７のいずれか１項に記載のレーザ加工方法により、金属は安価に薄膜形成が可能であり、高精度加工が可能となり、熱伝播が大きく、平坦加工が作成し易くなる。

請求項９によれば、前記加工用レーザのパルス幅が１００ｎｓ以下であるエキシマレーザあるいは固体レーザあるいはピコ秒、フェムト秒レーザあるいは、その高調波光であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のレーザ加工方法により、レーザ光による熱拡散範囲を制限することが可能となり、熱的拡散による変形を低減することが可能となる。
請求項１０によれば、前記加工用レーザ光の発生手段とレーザ光の強度調整手段、レーザ光整形手段、レーザ照射位置制御手段から構成され、空間的にレーザ光照射位置を変化させて構造体を作成することを特徴とするレーザ加工装置により、加工部周囲の付着物を低減し、平滑な立体的形状を有する構造体の加工を行うことが可能となる。
請求項１１によれば、請求項１０記載のレーザ加工装置装置により作成される底面に平坦部を有することを特徴とする構造体により、たとえば深さを光の波長オーダとすることで光の散乱や波面みだれを低減する光学素子を得ることが可能となる。
請求項１２によれば、請求項１０記載のレーザ加工装置により作成された素子を型として、複製により作成される構造体により、電鋳法等によりその逆型を作成することができ、これを型とし成形法等で高分子材料に転写することにより、その複製を作成することが可能となる。
請求項１３によれば、請求項１１または１２記載の構造体の表面に反射膜を設けることを特徴とする反射型光学素子により、たとえば厚さを光の波長オーダとすると反射型光学素子として機能するものが複雑な工程を必要とせず安価に高精度な反射型光学素子を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
レーザ加工法では加工用レーザ光により所望の深さの立体加工を行う際、加工材料深さを所望の厚みで準備し、その表面および裏面に加工材料と物性が異なり特に加工材料の付着を低減する材料層を配置する。レーザにより加工材料層と加工材料層表面層のみを選択的に除去し、立体形状を形成する。
このとき表面層は付着を低減するに十分なミクロン以下程度の薄膜が望ましい。加工材料層はレーザ光に対して吸収が高い材料が望ましい。平滑な面を得るには、加工材料層の熱伝導が高く、下面の第二材料層の熱的耐性が高いことが望ましい。あるいは加工材料層と第二材料層のレーザ光によるエッチングレートが大きくことなりレーザ照射により加工材料層のみ選択的に除去されることが望ましい。
次に本発明に係るレーザ加工方法の一実施例を図１に基づいて説明する。ガラス基板等の平坦基板１０１上に加工材料の微粒子の付着を低減する材料層１０２を配置する。その上面に加工材料層１０３を配置し、さらに上面に付着低減用の材料層１０４を配置する。材料層はシリコン酸化膜やフッ素系樹脂膜などを用いることができる。加工材料層はアルミやＮｉ等の金属薄膜や高分子膜などを用いることができる。この構成体に対して材料層１０４上からある強度に調整した加工用レーザ光１０５を空間選択的に照射し、材料層１０４および加工材料層１０３を連続的あるいは同時に除去する。非除去領域の材料層１０４は除去されないようにレーザ照射強度あるいはレーザ照射数などのレーザパラメータを調整する。
レーザ加工材料層の除去により発生する微粒子１０６や溶融層は上面あるいは下面の層での付着が少ないため、通常よりも変質や形状変化、付着物を低減した加工が可能となり、その結果高精度な立体的な形状１０７を形成することができる。
レーザにより加工される材料は同一材料の気体あるいは液体状態となり、除去がおきる。このとき加工部周辺には材料が再付着する。このとき微粒子あるいは溶融固化した状態となる。通常のバルクの材料では再付着した材料ともとの材料が同一であるため付着強度が高く、その後の処理での除去が困難となる。また液状になった加工物が濡れやすいことから液状でひろがり変質が大きくなってしまう。

本発明による方法では、材料表面、下面に付着を低減する材料層１０４、１０２を配置することで、加工物の再付着を低減することが可能となる。また第二の材料層をもうけることで、除去領域を規定することができ、平坦な加工面を得ることが容易となる。
表面層１０４を薄くすることで、加工の条件を加工材料層１０３による条件で設定することが可能となり、レーザ照射条件を大幅に変更することなく、加工材料の除去が可能となる。また薄い場合は光の透過量が増し、加工材料層１０３の除去のエネルギーにより表面層１０４を同時に加工することも可能となる。
加工材料層１０３は吸収が高いと加工効率が高くなり、高速加工、低エネルギー加工にメリットがある。熱伝導が高いと加工材料内で熱拡散が進むため、レーザ光の浸透長よりも熱伝播の効果が高くなり、光浸透長よりも深い加工が可能となる。このとき下面層１０２を熱耐性が高い材料とすることで、下面層１０２のダメージを低減して平坦な加工面を得ることができる。
これは同様にレーザ光に対するエッチングレートの差異によっても実現可能で、加工材料層１０３のエッチングレートが高く、下面層１０２のエッチングレートが低いレーザ照射強度で加工することで、選択的に加工材料層１０３のみを加工し平坦な加工面を得ることができる。
さらにこれらの場合では選択的な加工領域の除去ができるため、レーザ照射強度分布がある場合でも、平坦な加工面を形成することができる。また本方法では加工材料層１０３の膜厚により加工深さを制御できるため、レーザ照射強度等の厳密なコントロールなしに、容易に深さの制御が可能となる。

次に、前述の方法で形成した材料に対して、溶液により処理を行う加工方法を説明する。これは溶液により洗浄、あるいはエッチング溶液により処理することに対応する。
溶液は加工材料の微粒子１０６に対して溶解性の高い材料とし、特に保護用材料層１０４、１０２に対して溶解性の低い材料であることが望ましい。エッチング液は濃度調整を行うことで、付着した材料と加工材料のエッチングレートを変化させることが望ましい。
前記記載の方法により付着物を低減した材料に対して、さらに溶液処理することにより、さらに付着物の除去が可能となる。このとき付着物は異なる材料上に形成されるため、材料選択により容易に除去できる。
エッチング液では、薄膜と形成された付着物のエッチングレートを大幅に変化させることが可能となり、実質的に加工物のみの除去が可能となり、平坦面の形成が可能となる。またこのとき、加工残りがあった場合でも同時に除去ができ、高精度な平坦面形成が可能となる。
溶液は濃度を調整することにより除去速度を調整することができ、特に付着物が微粒子形状の場合には表面積が大きいことからエッチングされやすく、濃度調整により付着した微粒子のみの選択的除去が可能となる。

次に本発明のレーザ加工方法の一実施例を図２に沿って示す。符号２０１はガラス基板、２０２は下面側の付着防止用の材料層（第二材料層）、２０３は加工材料層、２０４は表面側の付着防止用の材料層（第一材料層）である。前述と同様の材料にたいしてレーザ照射を行い立体構造を形成する。その後溶液に浸す、或いは溶液より拭き取る或いはエッチング液にて液体エッチング処理を行うことにより、付着物２０６を選択的に除去し、高精度で汚れの少ない構造体を形成する。
次に述べる第三のレーザ加工方法は、材料構成である構造体を溶液中に保持して、液中でレーザ加工を行うもので、溶液は加工材料に対して溶解作用を有する材料あるいは加工材料に対するエッチング液を使用するものである。
このレーザ加工方法では、エッチング作用により選択的に加工物の除去が可能であり、レーザ照射された場所のみ露出し、その部分の選択除去が可能である、後処理でないため、加工によりすぐに形状が形成可能である、その他のゴミの付着等を防ぎ、全体洗浄もかねることができる。

図３に上記エッチング液を使用するレーザ加工方法の一実施例を示す。ガラス基板３０１上にＮｉ薄膜３０２を例えば５０ｎｍ程度スパッタし、その上面にシリコン酸化膜３０３を例えば１０ｎｍ程度スパッタする。この材料はエッチング液である希薄な塩化第二鉄溶液中に保持されている。
この構成体に対して透明層３０４上からある強度に調整したフェムト秒Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザ光３０５を空間選択的に照射する。このときＮｉ薄膜３０２でレーザ光のほとんどのエネルギーが吸収され、その後の熱拡散によりそのエネルギーが膜内を伝播し、膜が高温となる。これによりレーザ光照射１パルスにて一カ所のシリコン酸化膜とＮｉ膜を除去する。このとき加工部に発生した微粒子あるいは液状体はエッチング液により除去され、その他の部分は除去が進まないため、平坦面を有する立体構造体３０６が作成される。
第四の加工方法としては、加工材料の表面側の第一材料層３０３、加工面下面の第二材料層あるいは更なる材料層を溶液に対して耐性の高い材料とする。これは溶液がエッチング液の場合、エッチングされない材料を選択すればよい。例えば加工材料にアルミ、溶液にアルカリ溶液とした場合、第一、第二材料層としてフッ素系樹脂薄膜等を、加工材料にＮｉとした場合、溶液に塩化第二鉄溶液、保護層としてシリコン酸化膜等を利用することができる。
付着性の低い膜と液体に対し耐性の強い膜の両方の機能を有する材料あるいはそれらの組み合わせ、多層膜を利用することで、溶液による形状変化の低減、膜のみの高速除去、第一面除去による加工材料層の選択除去、付着物の更なる除去、溶液濃度をあげることにより処理の高速化、形状の高精度化が可能となる。

第五の加工方法としては、特に加工用材料のレーザ照射側の材料をレーザに対して透過性の高い透明膜とする。このとき膜を透過したレーザにより加工材料層が除去できる程度透過率を高くするか、或いはレーザ照射強度を強くする。透明膜は数ミクロン以下程度とすることが望ましい。透明層は液状樹脂のスパッタリング、スピンコートあるいはディッピング等により膜厚を制御して作成することができる。
この膜には透明ポリマー、ＩＴＯ、シリコン酸化膜などを利用することができる。これは可視光に対して透明である必要はなく、加工用のレーザの波長に対して透過性が高ければよい。
これにより、レーザ照射により第一材料層を除去するのでなく、加工材料層の除去により材料層を同時に除去することができる。それゆえ、第一材料層除去のレーザ側パラメータを変更する必要がない。
透明材料層として高分子材料を用いることにより、安価に膜厚を制御した透明層を形成することが可能となる。また、高速な除去が可能となる。薄くすることで第一層の付着の影響を無視できる。
ミクロン程度以下では多くの材料で光の透過性が高く、また形状変化の影響がすくない。下面の第二材料層が透明であることで、光吸収による変質を低減できる。下面の第二材料層での平坦面が形成しやすい。
多層の加工材料層と３層以上の材料層から成る第六のレーザ加工方法では、前記の方法の組み合わせで加工を行う。このときレーザ照射強度あるいは照射数を調整することで、加工材料層の除去数を制御し、空間的に深さの異なる立体形状を作成する。この場合の加工材料層はレーザ照射１パルスにより層全体が除去できる膜厚とする。
表面層、中間層は第五の方法と同様、加工用レーザに対して透明とする。この第六の方法により、深さを制御した立体形状形成が可能となり、レーザ照射数で深さを離散的に制御でき、空間的に照射位置を制御することで、複雑な立体構造が形成可能となる。
レーザ照射１パルスで加工材料層が除去できることで、レーザ照射数にリニアに高さを制御することができ、高速に平坦面を形成することが可能となる。透明層とすることで、特に下面の加工による同時除去が可能となり、透明層では照射による変化が小さく、平坦面形成しやすくなる。

図４（ａ）（ｂ）及び（ｃ）に上記レーザ加工方法の一実施例を示す。ガラス基板４０１上に付着防止膜４０２を配置し、さらに吸収膜４０３を配置する。さらにその上面に、同様の順序で付着防止膜４０２と吸収膜４０３を順次を積層配置する。この材料にたいして、レーザ４０４をパルス数を制御して照射する。レーザ照射強度を調整することで加工深さをコントロールし、平坦面を形成する。その後の付着物の除去洗浄等により付着物４０５の少ない、高精度な立体形状４０６が形成される。
第七の加工方法は、前記の洗浄による付着物除去を利用する際、加工材料層の厚みを除去幅に対して小さくする。積層体の場合、積層数を増して加工材料層の厚みを薄くすることもできる。積層体の場合、加工材料層を薄く、透明層を厚くすることで深さ制御することも可能になる。
溶液での洗浄、特にエッチング液につける場合などは、加工材料層のエッチング液による不要なエッチングが懸念される。これに対して、加工材料層を加工幅に対して十分薄くすることにより、幅方向のエッチングの浸透を低減することができる。
特に数ミクロン程度以下とすると流体の流れからエッチング液の浸透が起き難く、形状変化を低減することが可能となる。
積層体ではレーザでの１パルスの除去量を加工材料層の厚みでなく、透明層の厚みで制御することも可能であり、加工材料層を薄くすることでエッチングによる変化を低減できる。これは液中加工の場合、より重要で液中での加工材料層の露出時間による加工幅あるいは立体的形状変化を低減することができる。

第八の加工方法は、加工材料層として金属を使用する場合である。レーザ照射により高速に溶融、気化した金属は加工部周辺に再付着する。金属材料は薄膜として供給することが望ましく、スパッタリング法、情着法等により基板に形成する。
金属はレーザ照射により高速に溶融．気化し微粒子状となって飛散することが発明者らの研究により明らかとなった。チタンサファイヤレーザによるパルス幅サブピコ秒からナノ秒での金属材料のレーザ加工時には、加工周囲あるいは底面にはミクロンメートルを切るナノ微粒子が形成されることが分かった。これらは微粒子として薄膜上に形成させることが可能で、バルクでは急速の固化により周囲、加工底面での付着が起き、その除去が困難であった。本方法では薄膜上に微粒子が形成されるため、付着が少なく、結合が弱く、容易に除去することができる。
また金属は安価に薄膜形成が可能であり、エッチング液も多様に選択でき、可視域での光浸透長が短く、高精度加工が可能となり、熱伝播が大きく、平坦加工が作成し易くなる。

第九の方法は、加工用レーザとしてパルス幅が１００ｎｓ以下であるエキシマレーザや、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ等の個体レーザおよびその高調波を用いる。これは現在容易に入手可能な高出力のレーザ光源である。ピコ秒あるいはフェムト秒などの極短パルスレーザを用いることができる。
特にレーザ光に１００ｎｓ以下の光源を有するレーザを用いると、熱拡散領域を狭くすることが可能となる。材料中の熱伝播による熱拡散速度は下記、数式１により与えられることが知られている。これにより照射時間τ秒後の熱拡散距離は熱拡散率ＤとするとＬとなる。ここでパルス幅を１００ｎｓ以下とすることで、レーザ照射中の通常のセラミックス、高分子材料等で吸収膜内の熱拡散距離を１ミクロン以下とすることができる。そのためこの幅以上のレーザ光による熱拡散範囲を制限することが可能となり、熱的拡散による変形を低減することが可能となる。
吸収膜をこの熱拡散長さＬ以下とし、レーザ照射領域をそれ以上とすることで、レーザ照射位置周辺のみの高精度な薄膜除去および立体的加工が可能となる。レーザ光の照射領域をサブミクロンから数百ミクロン程度とし、膜厚をサブミクロン程度とすることで、レーザ照射領域とほぼ同等の領域の加工底面を平滑とした立体的形状を得ることが可能となる。
材料中の熱拡散範囲は数式１で示される。これはある瞬間に与えられたエネルギーが経過時間後にどれだけ広がったかを示す。材料による熱拡散率表を表２に示す。ここでは代表的な金属とガラス、高分子について通常温度での熱拡散率Ｄを示している。
上記材料での上記式から得られた熱拡散範囲をまとめ、表１に示す。

このようにレーザ光のパルス幅を１００ｎｓ以下とすることで代表的な材料でパルス幅内の熱拡散範囲を＜１μｍ以下とすることができる。これにより熱による変質のすくない高精度な平坦面を有する構造体の加工が可能となる。
またさらにレーザパルス幅の短いピコ秒、フェムト秒レーザを用いる。このレーザ光は近年開発が進んでおり、代表的レーザにＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザがある。このレーザは標準的に数１０ｆｓから２００ｆｓ程度のパルス幅を持ち、中心波長８００ｎｍ付近で発振する。
このような極短パルスレーザにおいては、特に材料への照射時間が短いことから熱的変質を抑制した高精度加工が可能であることが知られている。これにより、金属などの熱伝導の高速な材料に対しても、高精度なアブレーション加工可能なことでしられている。

α 吸収係数
λ 波長
κ 複素誘電率

加工用レーザ光と１／２波長と偏光ビームスプリッタあるいはＮＤフィルタ等のレーザ光の強度調整手段、レンズ、ミラー等のレーザ光形成手段から構成され、空間的にレーザ光照射位置を限定し、前記レーザ加工方法を用いたレーザ加工装置により、従来の加工装置で問題であった加工部周囲の付着物を低減し、平滑な立体的形状を有する構造体の加工を行うことが可能となる。
また、レーザ照射を制御することで、立体的な形状加工が容易となる。またステージを移動して加工することが可能であるため、大面積の加工が可能となる。レーザ装置の内部あるいは外部にはシャッター等のレーザ照射数を制御する手段を設けることが望ましく、レーザ光は被加工物を固定する移動ステージに同期して照射されることが望ましい。
上述のレーザ加工装置により作成された付着物を低減した立体的形状を有する構造体は、代表的サイズは加工幅がサブミクロンから数百ミクロン、加工深さが数ｎｍから数ミクロン程度の構造体、これらは付着低減層と加工用レーザ光に対する吸収層からなるものである。

本構成により作成された素子は、付着物を低減した底面に平坦部を有する立体的形状することが可能であり、たとえば深さを光の波長オーダとすることで透過型光学素子として機能することが可能となる。
付着物を除去することで、これまで光学素子等で問題となる光の散乱や波面みだれを低減することができる。また立体的加工によるマイクロマシン用デバイスやマイクロセンサー等として利用することができる。
本方法により得られた素子は複雑なプロセスを利用せず、真空プロセス等を利用しないため、大型化が可能であり、大型光学素子や大面積デバイスの作成においてメリットがある。
上記のレーザ加工装置により作成した素子を用いその複製を作成すると、具体的にはたとえば、素子表面に金属膜を付加し、電鋳法によりその逆型を作成することができ、これを型とし成形法等で高分子材料に転写することにより、その複製を作成することができる。複製は再度その複製を作成して型として用いることも可能である。
このようなプロセスを用いることで加工形状と同等の形状、あるいは逆形状を他の材料に対して作成することもできる。

本方法の立体形状加工法では上記発明により作成された立体形状を有する構造体に対して電鋳法等によりその複製を作成し、さらにこの金属複製材料を用いて高分子材料やガラス材料を成形法等で複製を作成することができる。これは成形に限らず２Ｐ法で用いられる光硬化樹脂に対する型やゾルゲル法で用いる型等への利用も可能である。
これにより、加工材料とは異なる材料に対して立体的形状を作成する事が可能となる。たとえば透明高分子の成形型に利用することで、被加工材料が透過しない材料であっても、複製により透過型素子を作成できるメリットがある。
また、レーザ加工では広い領域全体を加工する場合には多くの時間を必要とし、コストが高くなる問題があるが、金型を作成し、その複製を作ることで高速に大量に立体構造体を作成することが可能となる。
レーザ加工装置により作成され、付着物を低減した一部に平坦面を有する立体的形状を有する構造体、あるいはその複製構造体に対して、少なくとも一面に蒸着、スパッタ法等によりＡｌなどの反射膜を設けた素子を得ることができる。代表的サイズは加工幅がサブミクロンから数百ミクロン、加工深さが数ｎｍから数ミクロン程度の構造体で少なくとも一面に反射層を有するものである。
本構成により作成された素子は、底面に平坦部を有する立体的形状とすることが可能であり、付着物を除去することで光学面としての利用が可能となる。光散乱等を低減することにより、たとえば厚さを光の波長オーダとすると反射型光学素子として機能するものが得られる。
従来の手法による反射光学素子は複雑な工程を必要としたが、本方法ではレーザ光による直接立体形状加工と最終段での反射膜付加を行うだけでよいため、安価に高精度な反射型光学素子を得ることができる。

本発明のレーザ加工で発生する粒子等が付着する状況を説明する断面図。 本発明のレーザ加工での発生付着物の溶液による除去を説明する断面図。 本発明のレーザ加工をエッチング溶液中で行う状況を説明する断面図。 本発明のレーザ加工を多層材料層に対して行う状況を説明する断面図。

符号の説明

１０１、２０１ 平坦基板
１０２ 材料層（付着低減層）
１０３ 加工材料層
１０４ 材料層（第二材料層、付着低減層）
１０５ 加工用レーザ光
１０６ 微粒子
１０７ 高精度立体的形状
２０６ 付着物
２０７ 立体的形状
３０１ ガラス基板
３０２ Ｎｉ薄膜
３０３ シリコン酸化膜
３０６ 立体構造体
４０１ ガラス基板
４０２ 付着防止膜
４０３ 吸収膜
４０４ レーザ
４０５ 付着物
４０６ 高精度立体形状

Claims (13)

1. 積層体の表面から順に第一の材料層と、所定の厚さの加工材料層とから構成される積層に対して、第一材料層側からレーザ光を照射して加工材料層を除去するレーザ加工方法において、前記第一の材料層を形成する材料を、前記加工材料層に対して付着性の低い材料とすることを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記レーザ加工後、レーザ照射により発生した加工材料から構成される加工面への付着物に対して、溶液により選択的に付着物の除去処理を行うことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
3. 前記レーザ加工材料の除去時に発生する加工材料の微粒子に対して溶解性の高い溶液中でレーザ加工を行うことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
4. 表面の前記第一材料層、前記加工材料層の下面の第二材料層が、付着物除去に用いる溶液に対して耐性の高い材料であることを特徴とする請求項２または３記載のレーザ加工方法。
5. 少なくとも前記第一材料層が加工用レーザに対して透過性の高い材料であることを特徴とする請求項１または４記載のレーザ加工方法。
6. 少なくとも２層以上の前記加工材料層と３層以上の前記材料層で構成され、第一材料層表面から選択的にレーザ照射し、レーザ照射数に応じて加工材料層を段階的に除去し、深さの異なる平面を有する構造体を得ることを特徴とする請求項５記載のレーザ加工方法。
7. 前記加工材料層の厚みを加工幅よりも少なくすることを特徴とする請求項１から４、または６のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
8. 加工材料層が金属薄膜であることを特徴とする請求項１から４、６または７のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
9. 前記加工用レーザのパルス幅が１００ns以下であるエキシマレーザあるいは固体レーザあるいはピコ秒、フェムト秒レーザあるいは、その高調波光であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
10. 前記加工用レーザ光の発生手段とレーザ光の強度調整手段、レーザ光整形手段、レーザ照射位置制御手段から構成され、空間的にレーザ光照射位置を変化させて構造体を作成することを特徴とするレーザ加工装置。
11. 請求項１０記載のレーザ加工装置により作成される底面に平坦部を有することを特徴とする構造体。
12. 請求項１０記載のレーザ加工装置により作成された素子を型として、複製により作成されることを特徴とする構造体。
13. 請求項１１または１２記載の構造体の表面に反射膜を設けることを特徴とする反射型光学素子。
    

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