JP2005066687A - 透明材料の微細アブレーション加工方法 - Google Patents
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- Surface Treatment Of Glass (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
【解決手段】強度範囲が1J・cm−2・pulse−1から10kJ・cm−2・pulse−1までの高強度のシングルモードビームのパルスレーザーを透明材料の表面に照射することによりアブレーション加工を行い、加工穴の直径、または、加工溝の幅が50nm〜1mmである透明材料の微細加工方法。
【選択図】 なし
Description
(1)多段階リソグラフィ法
この方法では、まず、適切なレジストを基板表面に製膜した後、リソグラフィによってパターニングし、イオン・ビームやプラズマ、または、フッ酸を用いてエッチングを行ない、その後、更にレジストを剥離する方法(例えば、非特許文献1および特許文献1参照)。
(2)イオンエッチング法
イオン注入法により生じたエッチング速度の差を利用して、マスクレスの化学エッチングを行う方法(例えば、非特許文献2参照)。
(3)短波長レーザー法
透明材料が吸収できる短波長光を発振するレーザーを利用してドライエッチングを行う方法(例えば、特許文献2参照)。
(4)極短パルスレーザー法
パルス幅がピコ秒以下の極短パルスレーザーを使用したドライエッチング法(例えば、非特許文献3参照)。
(5)レーザー誘起プラズマ法
金属基板をガラスの後方に置いて、レーザーを照射し、金属から発生したプラズマを利用して行う方法(例えば、特許文献3参照)。
(6)レーザー吸収率の高い成分を生成させる方法
レーザー吸収率の高い成分をあらかじめ生成させたガラス表面層からなる被加工物に向けてレーザーを照射する方法(例えば、特許文献4参照)。
(7)ガラス基板表面に顔料などの光吸収層を形成後、レーザー加工を行う方法
ガラス基板表面に顔料等の光吸収層を形成・付着させ、該表面に向けてレーザーを照射する。光吸収層がレーザーエネルギーを吸収して、ガラス基板表面に高温・高圧のプラズマ状態が発生し、表面層のガラスを溶融・除去する方法(例えば、特許文献5、特許文献6および特許文献7参照)。
(8)流動性物質を透明材料の裏面に接触させた後、レーザー加工を行う方法
流動性物質を透明材料の裏面に接触させ、透明材料の表面からレーザーを照射することを特徴とする透明材料の微細加工法(例えば、特許文献8参照)。
(1)照射するレーザー波長に対する吸収係数が1cm―1以下である透明材料に、強度範囲が1J・cm−2・pulse−1から10kJ・cm−2・pulse−1までのシングルモードビームのパルスレーザーを照射することによりアブレーション加工を行うことを特徴とする透明材料の微細加工方法、
(2)前記透明材料表面にパルスレーザーを単一(シングル)パルス照射することを特徴とする(1)に記載の透明材料の微細加工方法、
(3)形成される加工穴の直径が50nm〜1mm、または加工溝の幅が50nm〜1mmであることを特徴とする(1)又は(2)に記載の透明材料の微細加工方法、
(4)前記透明材料の表面に粘着テープを付着させた状態で、その上からレーザー照射を行うことを特徴とする(1)〜(3)のいずれか1項に記載の透明材料の微細加工方法、
(5)前記透明材料が、石英ガラス、一般ガラス、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化物材料、シリコンカーバイド、サファイヤ、アルミナ、水晶又はダイヤモンド、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂であることを特徴とする(1)〜(4)のいずれか1項に記載の透明材料の微細加工方法、
(6)前記レーザーとして、エキシマレーザー、チタンサファイヤレーザー、ファイバレーザー、ディスクレーザー、半導体ダイオード励起固体レーザー、YAGレーザー、YLFレーザー又はYVOレーザーの基本発振波長あるいは高調波を用いることを特徴とする(1)〜(5)のいずれか1項に記載の透明材料の微細加工方法、および、
(7)前記パルスレーザーとして、そのパルス半値幅が5ps〜1msまでのパルスレーザーを用いることを特徴とする(1)〜(6)のいずれか1項に記載の透明材料の微細加工方法、
を提供するものである。
本発明では、シングルモード(TEM00)のパルスレーザー光を用い、レンズなどで所定の強度に集光された状態で、透明材料に照射する。このとき、透明材料は当該レーザー波長に対して吸収帯を持たないので元来吸収されないのであるが、シングルモード光は容易に高パワー密度が得られるために、非線形吸収現象が誘起され、入射レーザー光が当該透明材料の表面層に吸収されることになる。集光レンズには単レンズを用いても構わないし、アクロマートレンズなどの複合レンズを用いることもできる。さらに、微小なレーザー径を得たい場合には、レーザー光を凹レンズやビームエキスパンダーで一端拡大し、その後焦点距離の短い(開口数NA(Numerical Aperture)の大きな)レンズで集光して、当該透明材料に照射することで達成できる。また、レーザービームの走査方法は、必要とする加工精度が保証される試料移動ステージ(自動ステージ)を用いて、固定レーザービームに対して試料を移動させるか、ガルバノミラーとfθレンズを組み合わせてレーザービームを走査する方法が有効である。
なお、本発明によって提供可能な精密成型品としては、例えば、マイクロレンズアレー、回折格子、光導波路、発光素子、回折素子(DOE)、フェーズマスク、フォトニック素子、液晶配向基板などの光学素子、ならびに、DNAチップ基板、マイクロリアクター反応容器、マイクロ分析セル、センサー基板などの化学・環境・バイオ・医用材料、極微小マーキング、微小電気回路素子などの産業応用材料などが挙げられる。
実施例1
Nd:YVOレーザーの第3高調波(波長355nm、パルス幅20ns)のシングルモードビーム(M2値:1.3以下)を用い、照射径約10μm、強度0.06mJ・pulse−1で合成石英ガラス基板にシングルパルスを照射したところ、周囲に全く損傷のない高品位の約10μm径の円錐形状微細加工ができた。このとき、最深部の加工深さは約1.5μmであった。図1は、ガラス基板を毎秒3cmの速度で移動させながら、パルスレーザー照射を2.5kHzの繰り返し速度で連続的にアブレーション加工を行ったものの顕微鏡像である。円錐形状微細加工がアレー状にできることがわかった。さらに、照射光学系を改良することでレーザービーム径の縮小を検討したところ、合成石英ガラス基板上に周囲に全く損傷のない高品位の約3μm径の円錐形状微細加工ができた。
Nd:YVOレーザーの第3高調波(波長355nm、パルス幅20ns)のシングルモードビームを用い、照射径40μm、強度0.3mJ・pulse−1で硼珪酸ガラス基板にシングルパルスを照射したところ、周囲に全く損傷のない高品位の約40μm径の円錐形状微細加工ができた。このとき、最深部の加工深さは約0.6μmであった。
Nd:YVOレーザーの第3高調波(波長355nm、パルス幅20ns)のシングルモードビームを用い、照射径40μm、強度0.3mJ・pulse−1、パルス繰り返し速度1kHzの照射条件で、毎秒1cmの速度で移動する硼珪酸ガラス基板に連続的にパルスを照射したところ、周囲に全く損傷のない高品位の約40μm幅の溝形状微細加工ができた。このとき、最深部の加工深さは約1.3μmであった。
Nd:YVOレーザーの第3高調波(波長355nm、パルス幅20ns)のシングルモードビームを用い、照射径10μm、強度0.2mJ・pulse−1でフッ素樹脂基板にシングルパルスを照射したところ、周囲に全く損傷のない高品位の約10μm径の円錐形状微細加工ができた。このとき、最深部の加工深さは約1.0μmであった。
Nd:YVOレーザーの第3高調波(波長355nm、パルス幅20ns)のシングルモードビームを用い、照射径15μm、強度0.3mJ・pulse−1でフッ化カルシウム基板にシングルパルスを照射したところ、周囲に全く損傷のない高品位の約15μm径の円錐形状微細加工ができた。このとき、最深部の加工深さは約0.5μmであった。
Nd:YVOレーザーの第3高調波(波長355nm、パルス幅20ns)のシングルモードビームを用い、照射径10μm、強度0.1mJ・pulse−1でサファイヤ基板にシングルパルスを照射したところ、周囲に全く損傷のない高品位の約10μm径の円錐形状微細加工ができた。このとき、最深部の加工深さは約0.6μmであった。
Nd:YAGレーザーの第3高調波(波長355nm、パルス幅10ns)のマルチモードビームを用い、強度3mJ・pulse−1で合成石英ガラス基板または硼珪酸ガラス基板に焦点距離10cmの凸レンズを通して照射した。レンズの焦点位置の集光点に置いても両ガラス基板は全く表面加工されなかった。実施例1と比べて強度を50倍大きくしているにも係わらず、このレーザーではM2値が10を越えるので、マルチモードビームの照射では集光点でのパワー密度が不足しているためにアブレーション加工を行うことができなかった。
Claims (7)
- 照射するレーザー波長に対する吸収係数が1cm―1以下である透明材料に、強度範囲が1J・cm−2・pulse−1から10kJ・cm−2・pulse−1までのシングルモードビームのパルスレーザーを照射することによりアブレーション加工を行うことを特徴とする透明材料の微細加工方法。
- 前記透明材料表面にパルスレーザーを単一(シングル)パルス照射することを特徴とする請求項1に記載の透明材料の微細加工方法。
- 形成される加工穴の直径が50nm〜1mm、または加工溝の幅が50nm〜1mmであることを特徴とする請求項1又は2に記載の透明材料の微細加工方法。
- 前記透明材料の表面に粘着テープを付着させた状態で、その上からレーザー照射を行うことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の透明材料の微細加工方法。
- 前記透明材料が、石英ガラス、一般ガラス、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化物材料、シリコンカーバイド、サファイヤ、アルミナ、水晶又はダイヤモンド、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の透明材料の微細加工方法。
- 前記レーザーとして、エキシマレーザー、チタンサファイヤレーザー、ファイバレーザー、ディスクレーザー、半導体ダイオード励起固体レーザー、YAGレーザー、YLFレーザー又はYVOレーザーの基本発振波長あるいは高調波を用いることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の透明材料の微細加工方法。
- 前記パルスレーザーとして、そのパルス半値幅が5ps〜1msまでのパルスレーザーを用いることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の透明材料の微細加工方法。
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