JP2005088023A - 透明体の加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光を入射する面と反対側の裏面を加工するのに際し、複雑な管理を必要とせず簡易な方法で、レーザ光を用いて透明体に貫通孔又は非貫通孔を形成する透明体の加工方法を提供する。
【解決手段】気体雰囲気中で透明体１にレーザ光５を照射して貫通孔１０又は非貫通孔８を形成する透明体１の加工方法であって、透明体１の材質から決まる所定の波長を有するレーザ光５を透明体１に照射し、そのレーザ光５が透明体１の入射面（一方の面）２及び内部を透過して出射面（他方の面）３から出射する部位となるレーザ光出射部７を除去して貫通孔１０又は非貫通孔８を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、透明体にレーザ光を照射して貫通孔又は非貫通孔を形成する方法に関する。

近年、レーザ加工における微細加工技術の発達にともなってレーザ加工装置に要求される清浄度も高くなっており、特に、レーザ光学系に対する要求が高くなっている。レーザ光による孔あけ加工では、通常、レーザ光学系と被加工材の加工部とが対向しているため、発生する加工くずが光学系レンズの方へ向かって飛散し、レンズなどへの付着が発生しやすいという課題があった。

上記課題に対しては、レーザ波長に強い吸収率を持つ流動性物質を透明材料の裏面に接触させ、透明材料の表面側からレーザ光を照射して、透明材料の裏面をエッチングする技術がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−９４１６３号公報

しかしながら、上記従来の技術では、レーザ波長に強い吸収率を持つ液体薬品が不可欠であり、加工工程においては、液体薬品の濃度やレーザ強度の管理、液体薬品と透明材料の裏面との接触を良好な状態に維持管理しなければならないなどの複雑な管理が必要であり、量産に適用することが困難であるという未解決の課題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、レーザ光を入射する面と反対側の裏面を加工するのに際し、複雑な管理を必要とせず簡易な方法で、レーザ光を用いて透明体に貫通孔又は非貫通孔を形成する透明体の加工方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、気体雰囲気中で透明体にレーザ光を照射して貫通孔又は非貫通孔を形成する透明体の加工方法であって、前記透明体の材質から決まる所定の波長を有する前記レーザ光を前記透明体に照射し、そのレーザ光が前記透明体の入射面及び内部を透過して出射面から出射する部位となるレーザ光出射部を除去して前記貫通孔又は非貫通孔を形成することを特徴とする。

上記によれば、透明体は、入射面及び内部を透過したレーザ光が出射する出射面が除去されるため、除去加工の際に発生する加工くずを入射面側に飛散させることを抑制する。従って、入射面側に構成されるレーザ光の光学系に加工くずが及ぶことを防止でき、常に高い清浄度が要求される光学系を加工くずによる汚染から防御することが容易となる。

また、本発明は、気体雰囲気中で透明体にレーザ光を照射して貫通孔又は非貫通孔を形成する透明体の加工方法であって、前記透明体における前記レーザ光の入射面及び出射面のうち少なくとも前記入射面上の所定エリアに前記レーザ光を吸収するレーザ光吸収層を形成するレーザ光吸収層形成工程と、前記透明体の材質から決まる所定の波長を有する前記レーザ光を、前記透明体に前記レーザ光吸収層から入射するように照射し、前記透明体の前記入射面及び出射面の両方を前記レーザ光の投射形状に従って除去して前記貫通孔又は非貫通孔を形成する孔形成工程と、を有することを特徴とする。

上記によれば、レーザ光を入射した一方の面及び他方の面の両方を除去加工することができ、透明体の一方の面及び他方の面に非貫通孔を形成するのに際して、加工時間の短縮が可能となり、加工効率の向上を図ることができる。

また、本発明は、前記所定の波長は、前記透明体の前記入射面及び内部で透過性を有し、且つ前記出射面で吸収特性を有する所定波長帯域に属する波長であることを特徴とする。

上記によれば、レーザ光は、透明体の入射面に入射されるとその入射面及び透明体内部を透過して、透明体の出射面に吸収されるため、透明体の入射面及び透明体内部を除去加工せず、透明体の出射面のみを除去加工することが可能となる。

また、本発明は、前記レーザ光吸収層は、前記透明体の前記入射面上にＣｒ膜を介してＡｕ膜を形成してなることを特徴とする。

また、本発明は、前記レーザ光は、マスクパターンにより所定の投射形状に形成されて入射されることを特徴とする。

上記によれば、レーザ光の投射形状に一致する開口形状を有する貫通孔又は非貫通孔を形成することができる。

また、本発明は、前記レーザ光は、集光素子により集光されて入射されることを特徴とする。

また、本発明は、前記レーザ光は、マスクパターンにより所定の投射形状に形成され、且つ集光素子を介して像を結んで入射されることを特徴とする。

上記によれば、像を結んだ投射形状に一致する開口形状を有する貫通孔又は非貫通孔を形成することができる。

また、本発明は、前記集光素子を介して像を結んだレーザ光は、集光点を前記集光素子と前記透明体の前記出射面との間に有することを特徴とする。

また、本発明は、前記集光素子は、凸レンズであることを特徴とする。

また、本発明は、前記レーザ光は、回折光学素子により前記レーザ光の投射面積における前記レーザ光の強度分布が均一化されて入射されることを特徴とする。

上記によれば、投射面積全体において一様な強度のレーザ光が入射されるため、透明体の入射面又は出射面に形成された非貫通孔の底面を平滑に形成することができる。

また、本発明は、前記回折光学素子は、位相格子であることを特徴とする。

また、本発明は、前記所定の波長は、前記透明体を透過する波長と前記透明体に吸収される波長との間にあることを特徴とする。

ここで、透明体に吸収される波長とは、透明体の入射面又は透明体の内部において吸収特性を有する波長をいう。

また、本発明は、前記透明体は、ＳｉＯ₂の結晶質又は非晶質であることを特徴とする。

また、本発明は、前記レーザ光は、ＡｒＦエキシマレーザであることを特徴とする。

また、本発明は、前記透明体は、水晶板であることを特徴とする。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態における透明体の加工方法を示す模式断面図である。

図１（ａ）に示すように、第１の実施形態では、室温及び大気圧下の大気中で、透明体１の一方の面（入射面）２に、マスクパターン４により所望する投射形状が形成されたレーザ光５が凸レンズ６を介して結ばれた像を入射する。入射されたレーザ光５は、透明体１を透過して透明体１の他方の面（出射面）３から出射される。この際、他方の面３のレーザ光５が出射する部分であるレーザ光出射部７が除去されて非貫通孔８が形成される。そして、図１（ｂ）に示すように、この非貫通孔８がレーザ光５の照射時間に従って深くなり、非貫通孔８が一方の面２に達すると、貫通孔１０が形成されることになる。

図２は、本発明の第２の実施形態における透明体の加工方法を示す模式断面図である。

図２（ａ）に示すように、第２の実施形態では、室温及び大気圧下の大気中で、レーザ光５、マスクパターン４及び凸レンズ６により構成される光学系は、第１の実施形態と同様である。しかし、透明体１の一方の面（入射面）２上にレーザ光５を吸収するレーザ光吸収層１１を設けている点が第１の実施形態と異なるところである。第１の実施形態と同様の光学系により像が結ばれたレーザ光５を透明体１の一方の面２に設けられたレーザ光吸収層１１に入射する。そして、図２（ｂ）に示すように、レーザ光吸収層１１に吸収されたレーザ光５によって透明体１の一方の面２のレーザ光入射部１２が除去されて非貫通孔１３が形成される。

ここで、レーザ光入射部１２は、レーザ光５によって除去された結果、非貫通孔１３の底部１３ａとなるため、以降、この底部１３ａがレーザ光入射部１２となる。

そして、非貫通孔１３の底部１３ａより透過したレーザ光５が透明体１の他方の面３から出射するレーザ光出射部１４を除去して非貫通孔１５が形成される。そして、図２（ｃ）に示すように、これら非貫通孔１３及び１５がレーザ光５の照射時間に従って深くなり、非貫通孔１３及び１５同士が互いに到達し合うと、貫通孔１６が形成されることになる。

なお、レーザ光５を吸収するレーザ光吸収層１１は、レーザ光５を吸収することができればよく、例えば、透明体１の表面にインクを塗布したものでもよく、透明体１の表面をサンドペーパーなどにより粗した表面層をレーザ光吸収層としてもよい。

なお、図１及び図２において、一方の面２が入射面に、他方の面３が出射面に、凸レンズ６が集光素子に対応している。

また、第１及び第２の実施形態において、マスクパターン４は、例えば、円形状、方形状、異形状など、レーザ光５の所望する投射形状に対応する開口形状を有していればよい。また、透明体１を加工する環境は、不活性ガスにより置換された気体雰囲気中でも、減圧下又は加圧下でもよく、温度も限定されない。また、集光素子は、凸レンズ６に限るものではなく、例えば、凹面鏡を用いてもよい。また、回折光学素子である位相格子（図示しない）を含めて光学系を構成すれば、透明体の一方の面２又はレーザ光５を吸収するレーザ光吸収層１１に入射されるレーザ光５の投射面積における強度分布を均一化することができ、非貫通孔の底面の面粗さを向上することができる点で好ましい。

本発明の第１の実施例を、図３〜図５を用いて説明する。なお、第１の実施例は、本発明の第１の実施形態に係る実施例である。

図３は、本実施例におけるレーザ光の経路を模式的に示す図である。

図３に示すように、レーザ発振装置２０から射出されたレーザ光５は、反射鏡２１により進路が変えられて試料台２６に上方から入射するように経路が構成されている。なお、本実施例では、レーザ光５としてＡｒＦエキシマレーザ（紫外レーザ光）を使用し、レーザ発振装置としてラムダフィジックス社製ＬＰＸ２００を用いた。なお、射出されるレーザ光５の条件として、レーザ光５の投射面積全体における強度が５０５ｍＷ、エネルギ密度が５．６１Ｊ／ｃｍ²、パルス繰返し周波数が１００Ｈｚとなるように調整した。

図４は、第１の実施例における透明体１へのレーザ光５の入射の様子を模式的に示す断面図である。

図４（ａ）に示すように、透明体１を試料台２６との間に約１ｍｍの隙間を有するように、台座３０を介して、試料台２６上に載せる。なお、試料台２６は、レーザ光５が試料台２６に投射されないように、レーザ光５を逃がすための開口部３１を有している。レーザ発振装置２０を起動させると、レーザ光５は、図３に示す経路を経て、まず、マスクパターン４に到達する。マスクパターン４は、その平面図である図４（ｂ）に示すように、９ｍｍ×９ｍｍの方形状の開口形状３２を有している。そして、マスクパターン４に到達したレーザ光５は、マスクパターン４の開口形状３２を通過して投射形状が９ｍｍ×９ｍｍの方形状に整えられる。次に、レーザ光５は、凸レンズ６によって像が結ばれ、その像が透明体１の一方の面２に入射される。なお、凸レンズ６には、倍率が３０倍のものを使用し、レーザ光５の集光点９が透明体１の一方の面２と凸レンズ６との間に位置するように、また、結ばれた像の投射形状が０．３ｍｍ×０．３ｍｍの方形状となるように透明体１からの凸レンズ６及びマスクパターン４の高さを調整した。

第１の実施例では、ＳｉＯ₂の結晶質である水晶を水晶の結晶軸であるＺ軸に略垂直な面に切出して構成される厚さ２００μｍの水晶のＺ板を透明体１として用いた。その透明体１としての水晶板に、室温、大気圧下の大気中にて、レーザ光５を、１００パルス（ショット）から開始して１００パルスずつ増加して水晶板に貫通孔が形成されるまで、入射する場所を変えながら入射して加工の様子を観察した。

上記の通りに構成された水晶板の加工の様子を観察した結果を以下に記載する。

レーザ光５の入射パルス数（ショット数）が１００パルス（ショット）のとき、レーザ光５が入射された透明体１としての水晶板の一方の面２は、加工の痕跡が認められず、他方の面３は、レーザ光５が水晶板中を透過して他方の面３から出射したレーザ光出射部７が除去されており、非貫通孔８が形成されていることが観察された。

レーザ光５の入射パルス数が２００パルスのとき、レーザ光５が入射された透明体１としての水晶板の一方の面２は、加工の痕跡が認められず、他方の面３は、レーザ光５が水晶板中を透過して他方の面３から出射したレーザ光出射部７が除去されており、非貫通孔８が形成されていることが観察された。

レーザ光５の入射パルス数が３００パルスのとき、レーザ光５が入射された透明体１としての水晶板の一方の面２は、加工の痕跡が認められず、他方の面３は、レーザ光５が水晶板中を透過して他方の面３から出射したレーザ光出射部７が除去されており、非貫通孔８が形成されていることが観察された。

レーザ光５の入射パルス数が４００パルスのとき、レーザ光５が入射された透明体１としての水晶板の一方の面２は、加工の痕跡が認められず、他方の面３は、レーザ光５が水晶板中を透過して他方の面３から出射したレーザ光出射部７が除去されており、非貫通孔８が形成されていることが観察された。

レーザ光５の入射パルス数が５００パルスのとき、レーザ光５が入射された透明体１としての水晶板の一方の面２は、加工の痕跡が認められず、他方の面３は、レーザ光５が水晶板中を透過して他方の面３から出射したレーザ光出射部７が除去されており、非貫通孔８が形成されていることが観察された。

レーザ光５の入射パルス数が６００パルスのとき、レーザ光５が入射された透明体１としての水晶板の一方の面２は、加工の痕跡が認められず、他方の面３は、レーザ光５が水晶板中を透過して他方の面３から出射したレーザ光出射部７が除去されており、非貫通孔８が形成されていることが観察された。

レーザ光５の入射パルス数が７００パルスのとき、他方の面３に形成された非貫通孔８が透明体１としての水晶板の一方の面２に到達して貫通孔を形成していることが観察された。入射パルス数が７００パルスで貫通孔１０が形成されたため、ここで観察を終了した。

また、レーザ光５の入射パルス数が１００〜７００パルスのいずれの場合も、形成された非貫通孔８又は貫通孔１０の開口形状は、マスクパターン４及び凸レンズ６によって結ばれた像の投射形状と一致する形状であることも観察された。

図５は、第１の実施例におけるレーザ光５の入射パルス数と非貫通孔８の深さとの関係について示すグラフである。

図５に示すように、水晶板のレーザ光５を入射した面である一方の面２には、レーザ光５の入射パルス数が１００〜７００パルスのいずれの場合も、加工の痕跡が認められず、孔深さの測定値を得ることはできなかった。レーザ光５の出射面である他方の面３には、７００パルスのときに貫通孔１０が形成されるまで、レーザ光５の入射パルス数に比例して孔深さが深くなる非貫通孔８の形成が確認された。

（比較例１）
第１の実施例に対する比較例を以下に記載する。

第１の比較例は、第１の実施例におけるレーザ光５の種類を変えて観察したものである。レーザ光５の経路構成、透明体１としての水晶板及びレーザ光５の光学系については、第１の実施例と同様である。レーザ光５の種類は、波長が１５７ｎｍのＦ₂エキシマレーザ（紫外レーザ光）及び波長が２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ（紫外レーザ光）の二種類を用いた。

第１の実施例と同様に、レーザ光５の入射パルス数を１００パルスから開始して１００パルスずつ増加して入射する場所を変えながら入射して加工される様子を観察した。観察結果は、以下の通りであった。

（１）Ｆ₂エキシマレーザ
レーザ光５の入射パルス数が１００パルスのとき、レーザ光５を入射した一方の面２には、レーザ光５の入射した部分が除去されて非貫通孔が形成されており、他方の面３には、何の変化も確認されなかった。

以降、レーザ光５の入射パルス数が２００パルス、３００パルスのときも１００パルスの場合と同様の結果であったため、３００パルスまでで観察を終了した。

（２）ＫｒＦエキシマレーザ
レーザ光５の入射パルス数が１００パルスのとき、レーザ光５を入射した一方の面２のレーザ光５の入射した部分及び他方の面３には、何の変化も確認されなかった。

以降、レーザ光５の入射パルス数を１０００パルスまで観察を続けたが、結果は１００パルスの場合と同様であり、１０００パルスまでで観察を終了した。

上記の結果より、水晶板を透過する２４８ｎｍの波長を有するレーザ光５では、水晶板を加工することはできず、水晶板に吸収される１５７ｎｍの波長を有するレーザ光５では、水晶板のレーザ光５を入射した面のみが加工されることがわかる。これに対して、１５７ｎｍ〜２４８ｎｍの間の範囲内である１９３ｎｍの波長を有するＡｒＦエキシマレーザでは、水晶板のレーザ光５の入射面には何の変化も発生させず、その入射面とは反対面側となる出射面におけるレーザ光出射部７を除去することが可能である。

つまり、ＡｒＦエキシマレーザは、ＳｉＯ₂の結晶質である水晶で構成された透明体１のレーザ光５の入射面である一方の面２及び透明体１内部を透過し、レーザ光５の出射面である透明体１の他方の面３で吸収されるという性質を有しているといえる。

これは、これまでの常識の域を超えた新しい知見である。図１に示すように、透明体１の一方の面（入射面）２と凸レンズ６との間に集光点９が位置するようにレーザ光５を集光して透明体１に照射した場合、レーザ光５は集光点９から広がるように照射されるため、透明体１がレーザ光５から受けるエネルギ密度はその厚み方向において表面（入射面）側ほど大きくなる。この場合、水晶に対して吸収特性を有する波長のレーザ光５であれば、これまでの常識からは、これを照射した際に、表面（入射面）側から加工されるはずである。また、水晶に対して透過特性を有する波長のレーザ光５であれば、これまでの常識からは、これを照射した際に、透明体１を透過して表裏ともに加工されないはずである。また、仮に集光点９が透明体１の内部に位置するようにレーザ光５を集光させた場合は、材料内部において少なくとも集光点９の部分が加工されるはずである。

しかしながら、上記第１の実施例及び第１の比較例の（１）、（２）の各実験結果は、これまでの常識から逸脱したもので、次の新しい知見が得られる。すなわち、水晶という材質に対しては、この水晶に吸収特性を有する波長（１５７ｎｍ）と透過特性を有する波長（２４８ｎｍ）との間に、入射面及び材料内部で透過特性を有し、且つ出射面（透明体材料と気体雰囲気との界面ともいえる）で吸収特性を有する所定波長帯域Ａ（λ１〜λ２（ｎｍ））（但し、１５７ｎｍ＜λ１、且つλ２＜２４８ｎｍ）が存在すると推定されうる。そして、水晶という材質から決まる所定波長帯域Ａに属する所定波長（１９３ｎｍ）のＡｒＦエキシマレーザのレーザ光５を、水晶からなる透明体１に照射することで、入射面と反対側となる出射面側のレーザ光出射部が加工されたといえる。

本発明の第２の実施例を、図６及び図７を用いて説明する。なお、第２の実施例は、本発明の第２の実施形態に係る実施例である。また、第２の実施例では、第１の実施例と異なる部分について説明する。

第２の実施例において使用したレーザ光５の種類、レーザ発振装置２０及び射出されるレーザ光５の条件については、第１の実施例と同様であるため説明を省略する。

図６は、第２の実施例における透明体１の構成を模式的に示す断面図である。

図６に示すように、第２の実施例では、レーザ光吸収層形成工程において、透明体１である厚さ１３０μｍの水晶のＺ板の一方の面２上に、厚さ５０〜１００ｎｍのＣｒ膜４０をスパッタリング技術により形成し、さらにそのＣｒ膜４０を覆うように、厚さ１００ｎｍ程度のＡｕ膜４１をスパッタリング技術により形成してレーザ光５を吸収するレーザ光吸収層１１を設けた。

次に、孔形成工程では、第１の実施例と同様に、レーザ光吸収層１１が設けられた透明体１としての水晶板を試料台２６上に載せ、図４（ａ）に示すように、結んだ像を透明体１としての水晶板の一方の面２に設けられたレーザ光吸収層１１上に入射する。

第２の実施例では、図４（ａ）に示す状態で、レーザ光５を１００パルスから開始して１００パルスずつ増加して透明体１としての水晶板に貫通孔１６が形成されるまで、入射する場所を変えながら入射して加工の様子を観察した。

上記の通りに構成された水晶板の加工の様子を観察した結果を以下に記載する。

レーザ光５の入射パルス数が１００パルスのとき、透明体１としての水晶板の一方の面２のレーザ光入射部１２及び水晶板の他方の面３のレーザ光出射部１４が除去されており、透明体１としての水晶板の一方の面２及び他方の面３の両方に非貫通孔１３及び１５が形成されていることが観察された。

レーザ光５の入射パルス数が２００パルスのとき、透明体１としての水晶板の一方の面２のレーザ光入射部１２及び水晶板の他方の面３のレーザ光出射部１４が除去されており、透明体１としての水晶板の一方の面２及び他方の面３の両方に非貫通孔１３及び１５が形成されていることが観察された。

レーザ光５の入射パルス数が３００パルスのとき、透明体１としての水晶板の一方の面２のレーザ光入射部１２及び水晶板の他方の面３のレーザ光出射部１４が除去されており、透明体１としての水晶板の一方の面２及び他方の面３の両方に非貫通孔１３及び１５が形成されていることが観察された。

レーザ光５の入射パルス数が４００パルスのとき、透明体１としての水晶板の一方の面２のレーザ光入射部１２及び水晶板の他方の面３のレーザ光出射部１４が除去されており、透明体１としての水晶板の一方の面２及び他方の面３の両方に非貫通孔１３及び１５が形成されていることが観察された。

レーザ光５の入射パルス数が５００パルスのとき、透明体１としての水晶板の一方の面２に形成された非貫通孔１３と水晶板の他方の面３に形成された非貫通孔１５とが互いに到達し合って貫通孔１６を形成していることが観察された。入射パルス数が５００パルスで貫通孔１６が形成されたため、ここで観察を終了した。

また、レーザ光５の入射パルス数が１００〜５００パルスのいずれの場合も、形成された非貫通孔１３、１５又は貫通孔１６の開口形状は、マスクパターン４及び凸レンズ６によって結ばれた像の投射形状と一致する形状であることも観察された。

図７は、第２の実施例におけるレーザ光５の入射パルス数と非貫通孔１３及び１５の深さとの関係について示すグラフである。なお、レーザ光５の入射パルス数が１００〜５００パルスのうち４００パルス及び５００パルスのときのデータは、透明体１の破損により測定ができず、欠如している。

図７に示すように、透明体１としての水晶板の一方の面２であるレーザ光５の入射面と水晶板の他方の面３であるレーザ光５の出射面とで孔深さに差があるものの、いずれの面においても、レーザ光５の入射パルス数と非貫通孔１３及び１５の深さとの関係は、比例関係である。

ここで、レーザ光５の照射によりレーザ光吸収層１１の照射領域の部分はすぐに除去されてしまうが、レーザ光吸収層１１が除去される際の発熱と、その除去によってできた凹部内の粗面が新たなレーザ光吸収層１１として機能するようになることによって、透明体１の一方の面（入射面）２の加工も徐々に進行するものと考えられる。

（比較例２）
第２の実施例に対する比較例を以下に記載する。

第２の比較例は、第２の実施例におけるレーザ光５の種類を変えて観察したものである。レーザ光５の経路構成、レーザ光吸収層１１が設けられた透明体１としての水晶板及びレーザ光５の光学系については、第２の実施例と同様である。レーザ光５の種類は、第１の比較例と同様に、波長が１５７ｎｍのＦ₂エキシマレーザ及び波長が２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザの二種類を用いた。

第２の実施例と同様に、レーザ光５の入射パルス数を１００パルスから開始して１００パルスずつ増加して入射する場所を変えながら入射した状態を観察した。観察結果は、以下の通りであった。

（１）Ｆ₂エキシマレーザ
レーザ光５の入射パルス数が１００パルスのとき、レーザ光５の入射によりレーザ光吸収層１１及び水晶板の一方の面２のレーザ光入射部１２が除去されて、水晶板に非貫通孔１３が形成されており、水晶板の他方の面３には、除去加工が確認されなかった。

以降、レーザ光５の入射パルス数が２００パルス、３００パルスのときも１００パルスの場合と同様に、レーザ光吸収層１１及び水晶板の一方の面２のレーザ光入射部１２が除去されて、水晶板に非貫通孔１３が形成されるが、水晶板の他方の面３には、除去加工が確認されなかった。また、レーザ光５の入射パルス数の増加に従って非貫通孔１３の深さが深くなる結果であった。非貫通孔１３の深さに違いはあるものの、いずれの結果も水晶板は、レーザ光５が入射される一方の面２のレーザ光入射部１２が除去加工され、他方の面３には除去加工が確認されなかったため、３００パルスまでで観察を終了した。

（２）ＫｒＦエキシマレーザ
レーザ光５の入射パルス数が１００パルスのとき、レーザ光吸収層１１のレーザ光５が入射された部分が除去され、水晶板の一方の面２のレーザ光入射部１２にわずかな除去加工の痕跡が認められたが、その痕跡は、非貫通孔１３が形成される程のレベルではない。水晶板中を透過してレーザ光５が出射した他方の面３には、除去加工が確認されなかった。また、水晶板の一方の面２に認められた除去加工の痕跡の形状は、像を結んで入射されたレーザ光５の投射形状に一致しているとは認められない。

以降、レーザ光５の入射パルス数を１０００パルスまで観察を続けたが、結果は１００パルスの場合と同様であり、水晶板に認められる除去加工のわずかな痕跡の程度にも差異はなく、１０００パルスまでで観察を終了した。

上記の結果より、水晶板を透過する２４８ｎｍの波長を有するレーザ光５では、水晶板の一方の面２上に設けられたレーザ光吸収層１１が除去される際の発熱により水晶板の一方の面２がわずかに除去されるものの、所望する深さの非貫通孔１３を形成する程の除去加工をすることはできない。また、水晶板に吸収される１５７ｎｍの波長を有するレーザ光５では、レーザ光５が入射されたレーザ光吸収層１１及び水晶板のレーザ光５が入射された一方の面２のみが除去加工されることがわかる。これに対して、１５７ｎｍ〜２４８ｎｍの間の範囲内である１９３ｎｍの波長を有するＡｒＦエキシマレーザでは、水晶板の一方の面２のレーザ光入射部１２及び他方の面３のレーザ光出射部１４を除去加工することが可能である。

なお、本発明の第１及び第２の実施例では、透明体１として、ＳｉＯ₂の結晶質である水晶で構成された水晶のＺ板を用いたが、結晶軸の方向は、限定されず、ＡＴ板でもよく、厚さも限定されない。ＳｉＯ₂の非晶質である石英ガラス又はＳｉＯ₂を主成分とするその他のガラスにも適用できる。また、透明体１の形状は、板状に限定されず、例えば、球体、多面体、曲面体、曲面による異形体等にも適用できる。

また、本発明は、ＳｉＯ₂以外の無機材料としてＡｌ₂Ｏ₃、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの透明体の加工にも適用できる。この場合、レーザ光の波長は、加工される透明体の材質から決まり、その材質に対して吸収特性を有する波長と透過特性を有する波長との間の所定波長帯域に属する所定波長とする。

ここで、所定波長帯域とは、透明体の入射面及び内部で透過特性を有し、且つ出射面で吸収特性を有する波長帯域を指す。

上記第１の実施形態によれば、室温及び大気圧下の大気中で、透明体１の一方の面２にレーザ光５を入射して、一方の面２及び透明体１中をレーザ光５が透過して透明体１の他方の面３から出射するレーザ光出射部７を除去加工することができる。従って、除去加工の際に発生する加工くずは、レーザ光５が他方の面３から出射する方向へ飛散し、透明体１を挟んでレーザ光５が出射する方向と逆方向には加工くずの飛散が抑制される。つまり、レーザ光学系が構成される方向への加工くずの飛散が抑制されることになり、レンズを加工くずの付着から防御することが可能となる。また、レーザ光の波長に強い吸収率を持つ流動性物質を透明材料の裏面に接触させる必要がなくなるので、複雑な管理を必要とせず簡易な方法で透明体に貫通孔又は非貫通孔を形成することができる。

また、上記第２の実施形態によれば、室温及び大気圧下の大気中で、透明体１の一方の面２上に設けられたレーザ光吸収層１１にレーザ光５を入射すると、レーザ光吸収層１１のレーザ光５が入射された部分及び透明体１のレーザ光入射部１２が除去されるとともにレーザ光入射部１２から入射されたレーザ光５が透明体１中を透過して他方の面３から出射するレーザ光出射部１４も除去加工することが可能となる。従って、透明体１の一方の面２及び他方の面３に非貫通孔１３及び１５を形成するのに際して、加工時間を短縮することが可能となり、加工効率の向上を図ることができる。

また、第１及び第２の実施形態では、レーザ光５をマスクパターン４及び凸レンズ６を介して像を結ばせて入射させるようになっているため、像を結んだレーザ光５の投射形状に一致する開口形状を有する貫通孔又は非貫通孔を形成することができる。この場合、マスクパターン４の開口形状３２を変更することで、貫通孔又は非貫通孔を所望する開口形状を有するように形成することが可能である。

上記実施形態、実施例及び変形例から把握される技術的思想を以下に記載する。
（１）気体雰囲気中で無機材料からなる透明体に紫外レーザ光を照射して貫通孔又は非貫通孔を形成する透明体の加工方法であって、前記透明体の材質から決まる所定の波長を有する前記紫外レーザ光を前記透明体に照射し、その紫外レーザ光が前記透明体の入射面及び内部を透過して出射面から出射する部位となるレーザ光出射部を除去して前記貫通孔又は非貫通孔を形成することを特徴とする透明体の加工方法。
（２）気体雰囲気中で無機材料からなる透明体に紫外レーザ光を照射して貫通孔又は非貫通孔を形成する透明体の加工方法であって、前記透明体における前記紫外レーザ光の入射面及び出射面のうち少なくとも前記入射面上の所定エリアに前記紫外レーザ光を吸収するレーザ光吸収層を形成するレーザ光吸収層形成工程と、前記透明体の材質から決まる所定の波長を有する前記紫外レーザ光を、前記透明体に前記レーザ光吸収層から入射するように照射し、前記透明体の前記入射面及び出射面の両方を前記紫外レーザ光の投射形状に従って除去して前記貫通孔又は非貫通孔を形成する孔形成工程と、を有することを特徴とする透明体の加工方法。
（３）気体雰囲気中で透明板にレーザ光を照射して貫通孔又は非貫通孔を形成する透明板の加工方法であって、波長が前記透明板を透過する波長と前記透明板に吸収される波長との間にある前記レーザ光を前記透明板の一方の面に入射し、前記レーザ光が透明板内部を透過して前記透明板の他方の面から出射する部位となるレーザ光出射部を除去して貫通孔又は非貫通孔を形成することを特徴とする透明板の加工方法。
（４）気体雰囲気中で透明板にレーザ光を照射して貫通孔又は非貫通孔を形成する透明板の加工方法であって、前記透明板の一方の面及び他方の面のうち少なくとも前記一方の面上の所定エリアに前記レーザ光を吸収するレーザ光吸収層を形成するレーザ光吸収層形成工程を有し、波長が前記透明板を透過する波長と前記透明板に吸収される波長との間にある前記レーザ光を、前記透明板の前記一方の面に前記レーザ光吸収層から入射するように照射し、前記透明板の前記一方の面及び前記他方の面の両方を前記レーザ光の投射形状に従って除去して貫通孔又は非貫通孔を形成することを特徴とする透明板の加工方法。

本発明の第１の実施形態における透明体の加工方法を示す模式断面図。 本発明の第２の実施形態における透明体の加工方法を示す模式断面図。 レーザ光の経路を模式的に示す図。 透明体へのレーザ光の入射の様子を模式的に示す断面図。 第１の実施例におけるレーザ光の入射パルス数と非貫通孔の深さとの関係について示す図。 第２の実施例における透明体の構成を模式的に示す断面図。 第２の実施例におけるレーザ光の入射パルス数と非貫通孔の深さとの関係について示す図。

符号の説明

１…透明体
２…透明体の一方の面（入射面）
３…透明体の他方の面（出射面）
４…マスクパターン
５…レーザ光
６…集光素子としての凸レンズ
７，１４…レーザ光出射部
８，１３，１５…非貫通孔
９…集光点
１０，１６…貫通孔
１１…レーザ光吸収層
１２…レーザ光入射部
４０…Ｃｒ膜
４１…Ａｕ膜

Claims (15)

1. 気体雰囲気中で透明体にレーザ光を照射して貫通孔又は非貫通孔を形成する透明体の加工方法であって、
   前記透明体の材質から決まる所定の波長を有する前記レーザ光を前記透明体に照射し、そのレーザ光が前記透明体の入射面及び内部を透過して出射面から出射する部位となるレーザ光出射部を除去して前記貫通孔又は非貫通孔を形成することを特徴とする透明体の加工方法。
2. 気体雰囲気中で透明体にレーザ光を照射して貫通孔又は非貫通孔を形成する透明体の加工方法であって、
   前記透明体における前記レーザ光の入射面及び出射面のうち少なくとも入射面上の所定エリアに前記レーザ光を吸収するレーザ光吸収層を形成するレーザ光吸収層形成工程と、
   前記透明体の材質から決まる所定の波長を有する前記レーザ光を、前記透明体に前記レーザ光吸収層から入射するように照射し、前記透明体の入射面及び出射面の両方を前記レーザ光の投射形状に従って除去して前記貫通孔又は非貫通孔を形成する孔形成工程と、を有することを特徴とする透明体の加工方法。
3. 前記所定の波長は、前記レーザ光が前記透明体の入射面及び内部で透過性を有し、且つ前記出射面で吸収特性を有する所定波長帯域に属する波長であることを特徴とする請求項１又は２に記載の透明体の加工方法。
4. 前記レーザ光吸収層は、前記透明体の前記入射面上にＣｒ膜を介してＡｕ膜を形成してなることを特徴とする請求項２又は３に記載の透明体の加工方法。
5. 前記レーザ光は、マスクパターンにより所定の投射形状に形成されて入射されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の透明体の加工方法。
6. 前記レーザ光は、集光素子により集光されて入射されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の透明体の加工方法。
7. 前記レーザ光は、マスクパターンにより所定の投射形状に形成され、且つ集光素子を介して像を結んで入射されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の透明体の加工方法。
8. 前記集光素子を介して像を結んだレーザ光は、集光点を前記集光素子と前記透明体の前記出射面との間に有することを特徴とする請求項６又は７に記載の透明体の加工方法。
9. 前記集光素子は、凸レンズであることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項に記載の透明体の加工方法。
10. 前記レーザ光は、回折光学素子により前記レーザ光の投射面積における前記レーザ光の強度分布が均一化されて入射されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の透明体の加工方法。
11. 前記回折光学素子は、位相格子であることを特徴とする請求項１０に記載の透明体の加工方法。
12. 前記所定の波長は、前記透明体を略透過する波長と前記透明体に吸収される波長との間にあることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の透明体の加工方法。
13. 前記透明体は、ＳｉＯ₂の結晶質又は非晶質であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の透明体の加工方法。
14. 前記レーザ光は、ＡｒＦエキシマレーザであることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の透明体の加工方法。
15. 前記透明体は、水晶板であることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の透明体の加工方法。
    
    

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