JP2006231353A - 超短パルスレーザによるレーザ改質方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工物の表面の特性改質、改質性能の制御、及び任意の改質領域のマスクレス形成を可能とし、超微細構造と周期構造である微細パターンとを兼ね備えた微細表面構造を形成して表面改質を行えるようにすること。
【解決手段】レーザ改質を施す材料表面に超短パルスレーザを照射することで、該照射を行うスポット内に超微細構造を形成し、上記スポットをスキャンするスポットスキャンを行うことで、上記材料表面に微細パターンを形成して、上記材料表面の表面改質を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超短パルスレーザによるレーザ改質方法に関し、特に撥水、親水、電磁波防止、音波吸収、及び電気的帯電状態等の表面改質を行うレーザ改質方法に関する。

表面改質の技術とは、材料表面において、例えば電気的な帯電状態を局所的に作り出したり、色反射を制御したり、音波や電磁波等を吸収する構造を作り出したり、親油性を持たせたり等の、各種特徴を強調する微細構造を形成する技術である。

なお、材料表面の撥水化及び親水化を行う表面改質に関連する技術として、特許文献１に、『皮膜被覆物品、その製造方法、およびそれに用いる塗布溶液』として、以下のような技術が開示されている。

特許文献１に開示されている技術は、珪素酸化物を主成分とする微小突起及び柱状突起を形成した皮膜を利用して、超撥水性または超親水性を得る方法である。

具体的には、膜の微小粒子状突起と、局所的な成長を利用して形成した微小突起及び柱状突起と、を材料表面に形成することによって、該材料表面の凹凸と水滴との間に保持可能な空気の量を調節することで、上記材料表面に超撥水性もしくは超親水性を持たせる。

上述のように、上記特許文献１に開示された技術は、膜の微少粒子状突起と局所的な成長を利用した微少突起及び柱状突起とを形成して表面改質をする膜塗布による方法である。

したがって、上記特許文献１に開示された技術は、簡易な表面改質方法といえ、さらに、上記柱状突起が脆くとも上記微小突起が残れば撥水性は維持される。
特開２００４−１３７１３７号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された『皮膜被覆物品、その製造方法、およびそれに用いる塗布溶液』による表面改質では、以下の問題点が生じる。

第１の問題点は、膜と基材である材料表面との密着性の問題であり、第２の問題点は膜素材自体が有する根本的な脆さという問題である。さらに、第３の問題点は、上記特許文献１に開示された技術では、膜塗布という手法を用いる為に、撥水または親水性能の制御及び微小領域の加工が非常に困難であるということである。

一方、膜塗布ではなく、レーザ改質による表面改質を行う場合には、改質性能の制御方法、改質構造の強度、及び改質領域の制御方法が問題となる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、被加工物の表面の特性改質、改質性能の制御、及び任意の改質領域のマスクレス形成を可能とし、超微細構造と周期構造である微細パターンとを兼ね備えた微細表面構造を形成して表面改質を行う、超短パルスレーザによるレーザ改質方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の超短パルスレーザによるレーザ改質方法の一態様は、レーザ改質を施す材料表面に超短パルスレーザを照射することで、該照射を行うスポット内に超微細構造を形成すると共に、上記スポットをスキャンするスポットスキャンを行うことで、上記材料表面に微細パターンを形成して、上記材料表面の表面改質を行うことを特徴とする。

本発明によれば、超短パルスレーザによるスポット加工及びスポットスキャンによって、被加工物の表面の特性改質、改質性能の制御、及び任意の改質領域のマスクレス形成を可能とし、超微細構造と周期構造である微細パターンとを兼ね備えた微細表面構造を形成して表面改質を行う、超短パルスレーザによるレーザ改質方法を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係る超短パルスレーザによるレーザ改質方法を実施可能な加工システム図を示している。また、図２は、本実施形態に係る超短パルスレーザによるレーザ改質方法により形成した、レーザ改質後の表面構造の顕微鏡写真である。以下、図１を参照して、本実施形態に係る超短パルスレーザによるレーザ改質方法の加工システムについて説明する。

まず、図１に示すように、超短パルスレーザを発生させる装置として、超短パルスレーザ装置１を用いる。本実施形態においては、上記超短パルスレーザ装置１で発生したレーザパルスを用いてレーザ改質を行う。

なお、本実施形態で使用する超短パルスレーザの波長は、特にある範囲内に限定されることはないが、１００ｎｍ〜２０００ｎｍ程度の波長を利用することが好ましい。本実施形態においては、超短パルスレーザ装置１は、パルスの繰り返し周波数を１ｋＨｚ、レーザ波長８０ｎｍ、パルス幅は１５０ｆｓ〜３ｐｓまで変更可能である装置を用いた。

上記超短パルスレーザ装置１で発生したレーザパルスは、続いて、同図に示す偏光制御素子２において偏光制御がなされる。超短パルスレーザによるレーザ改質においては、該レーザ改質を行う加工スポット内に、レーザ波長程度の大きさであるリップルと呼ばれる超微細構造を形成する。そして、上記超微細構造は、上記偏光制御素子２における偏光制御によって、コントロールすることができる。例えば、上記偏光制御素子２において、直線偏光や円偏光等を行うことにより、上記加工スポット内に様々な超微細構造を形成することができる。なお、例えば、スキャン方向に対して垂直な偏光は、直線偏光である。

つまり、上記偏光制御素子２においては、レーザ改質を施す材料表面の性能を決定することができると言える。なお、上記偏光制御素子２としては、例えば、偏光版、λ板、及びグラントムソンプリズム等が挙げられる。

続いて、エネルギ制御素子３において、上記レーザパルスのエネルギ制御が行われる。

ここでは、例えば、上記エネルギ制御素子３において上記レーザパルスの透過率を制御することにより、エネルギ制御を行う。したがって、上記エネルギ制御素子３としては、例えば、ＮＤフィルタ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｆｉｌｔｅｒ）やアッテネータを用いる。

上記エネルギ制御素子３においてエネルギ制御がなされた上記レーザパルスは、次に集光光学系４により、被加工物５に集光される。被加工物５は、レーザ改質を施す材料であり、例えば、金属、ウエハ、ガラス、結晶材料、生体材料、及び樹脂材料等が挙げられる。なお、上記被加工物５は、加工ステージ６上に配置する。これにより、上記被加工物５の加工位置制御を、加工ステージ６の制御により行うことができる。

また、上記偏光制御素子２、上記エネルギ制御素子３、及び上記加工ステージ６の制御は、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）７にて行う。

上述のような装置構成を用いて、本実施形態では、超短パルスレーザによって、超微細構造と、周期構造である微細パターンとを兼ね備えた微細表面構造を形成し、任意の改質領域を作り出すレーザ改質を行う。以下、上述の加工システムにおける各構成部材における作用、及び加工手順を説明する。

まず、上記超短パルスレーザ装置１において発生させた超短パルスレーザは、上記偏光制御素子２において、種々の偏光制御が行われる。これにより、レーザ改質を行う被加工物５上の加工スポット内に、様々な超微細構造を形成することができる。つまり、上記偏光制御素子２を、上記ＰＣ７で制御することで、上記被加工物５の表面機能の性能コントロールが可能となる。

続いて、上記エネルギ制御素子３において、上記レーザパルスのエネルギ制御が行われる。ここでは、例えば、上記エネルギ制御素子３において上記レーザパルスの透過率を制御することにより、上記レーザパルスのエネルギ制御を行う。なお、上記エネルギ制御素子３も、上記偏光制御素子２と同様に、上記ＰＣ７で制御する。

上記レーザパルスは、上述のような制御過程を経て、上記集光光学系４により、被加工物５に加工スポットとして集光される。つまり、超短パルスレーザの加工スポットを形成し、該加工スポット内の上記被加工物５表面に、リップルと呼ばれる、偏光方向に応じたレーザ波長程度の超微細構造を形成する。

なお、本実施形態におけるレーザ改質方法では、加工ステージ６により被加工物５を移動させることにより、上記加工スポットが移動されるスポット領域加工（スポットスキャン）を行うため、加工スポットのスキャン領域を制御することによってミクロンオーダーの微小領域、複雑領域から、ミリオーダーの領域までマスクレスで任意の改質領域を容易に作り出すことができる。

さらに、スポットスキャンにより、図２に示すように、上記材料表面に周期構造である微細パターンを形成することができる。ここで、本実施形態においては、同図に示すように、数１０ミクロンピッチでスキャンを行って表面改質を行う。しかしながら、スキャンのピッチ（スキャンパターン）は数１０ミクロンピッチに限らないことは勿論である。

このスポットスキャンのスキャンパターンを制御することによって、様々な微細パターンを形成することができ、上記偏光制御と同様に、表面機能の性能コントロールができる。

上述のようにして、ミクロンオーダーの微細パターン作成が可能であり、微細なパターン内に超微細構造を作製することが可能となる。このように、被加工物５の表面に具備させたい表面機能に対応した複雑形状を作り出すことによって、被加工物５の表面機能を改質することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、超短パルスレーザによるスポット加工及びスポットスキャンによって、被加工物５の表面に、超微細構造と周期構造である微細パターンとを兼ね備えた微細表面構造を形成し、任意の改質領域を作り出す。これにより、被加工物５表面の特性改質、該改質性能の制御、及び該改質領域のマスクレス制御を実現する超短パルスレーザによるレーザ改質方法を提供することができる。

すなわち、本実施形態によるレーザ改質方法では、材料表面に超短パルスレーザを照射し、該照射を行うスポット内に超微細構造を形成する。さらに、上記スポットをスキャンするスポットスキャンにより、上記材料表面に微細パターンを形成する。上述のようにして、上記超微細構造と上記微細パターンとを有する微細表面構造を形成し、さらに上記超微細構造と上記微細パターンとを変化させることによって改質性能を制御する。

また、超短パルスレーザは、いかなる材料に対しても表面改質加工を施すことができる。したがって、基材そのものの表面改質を行うことが可能である。これにより、上述したような膜塗布方法における問題点である、膜と基材である材料表面との密着性の問題、及び膜素材自体の根本的な脆さという問題は解決される。つまり、改質構造の強度に関する問題は解決する。

さらに、上記スポットスキャンの領域をプログラマブルにコントロールすることにより、任意の改質領域を、例えばミクロンオーダーの微小領域からミリオーダーまで、或いは複雑な形状の領域を、材料表面にマスクレスで形成できる。

［第２実施形態］
本実施形態を詳細に説明する前に、本実施形態の理解を助けるために、まず、《接触角》について説明する。

接触角とは、基材と水との接触角度のことである。一般に、接触角の値が大きい程、撥水性が強くなる。したがって、接触角の値が小さい程、親水性が強くなるとも言える。

また、疎水性を示す基材においては、表面に凹凸を形成し、その表面の粗さを大きくすればするほど、水の接触角は大きくなる。接触角が１５０度を超えると、水滴がその表面に留まることが困難になるほどの超撥水性を示すようになる。このような超撥水性を発現させるためには、表面凹凸と水滴との間に空気を多く保持できる形状が必要である、と言われている。逆に言えば、接触角の値が小さいほど、親水性が優れていることを示している。

つまり、接触角が１５０度を超える場合は、一般に超撥水性の状態と言える。逆に、接触角の測定が困難な程、接触角の値が小さい場合は、超親水性の状態と言える。このように、撥水性及び親水性を水の接触角で評価することができる。

以下、本発明の第２実施形態について、図面を用いて説明する。

本実施形態では、上記第１実施形態で示した加工システムにおいて、上記被加工物５としてフッ素系樹脂を用い、その表面の超撥水処理を行った場合の事例を示す。したがって、加工システム、加工手順、及び作用効果は、上記第１実施形態と同様である。よって、以下、被加工物５としてフッ素系樹脂を用いた場合に特有の構成及び作用のみを説明する。

図３は、本実施形態により、フッ素系樹脂である上記被加工物５の表面に超撥水処理を施した後の表面構造の顕微鏡写真である。

まず、本実施形態においては、上記偏光制御素子２における偏光制御として円偏光を行う。これにより、図３に示すように、数１０ミクロンピッチでの垂直格子構造を、フッ素系樹脂である上記被加工物５に形成して超撥水表面構造を取らせることができる。また、同図からは、数１０ミクロン程度の柔突起構造を示す微細パターンと、該柔突起構造表面に形成された超微細構造とを観察することができる。上記微細パターンと上記超微細構造とが、それら表面に空気層を含み、水滴との接触面積を軽減するために、超撥水性を示すようになる。

ここで、フッ素系樹脂のバルク材料の撥水の様子と、該材料に撥水処理を施したときの撥水の様子とを、図４に示す。本来は７０°程度の接触角を有するフッ素系樹脂が、本実施形態を適用することで、接触角が１５０°程度となって超撥水性を得る。

図５は、本実施形態における、微細パターンの周期である微細パターンピッチ（μｍ）と接触角（度）との相関関係を示すグラフである。同図から分かるように、上記微細パターンピッチを制御することにより、様々な接触角が得られる。即ち、上記微細パターンピッチを制御することで、被加工物５の撥水性を制御することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、超短パルスレーザによるスポット加工及びスポットスキャンによって、被加工物５の表面に、超微細構造と周期構造である微細パターンとを兼ね備えた微細表面構造を形成し、任意の改質領域を作り出す。これにより、被加工物５表面の特性改質、該改質性能の制御、及び該改質領域のマスクレス制御を実現する超短パルスレーザによるレーザ改質方法を提供することができる。

特に、本実施形態では、上記被加工物５としてフッ素系樹脂を用いた場合の特徴として、以下の点が挙げられる。

すなわち、上記偏光制御素子２における偏光制御として円偏光を行い、数１０ミクロンピッチでの垂直格子構造を、フッ素系樹脂である上記被加工物５に形成して超撥水表面構造を取らせることができる。具体的には、本来は７０°程度の接触角を有するフッ素系樹脂が、本実施形態を適用することで、接触角が１５０°程度となって超撥水性を得る。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る超短パルスレーザによるレーザ改質方法について説明する。以下、図面を用いて本実施形態に係る超短パルスレーザによるレーザ改質方法について説明する。

本実施形態と、上記第１実施形態との相違点は、本実施形態ではレーザ改質に用いる超短パルスレーザのビーム内エネルギ強度分布を制御して、被加工物５に超微細構造を形成する点である。したがって、本実施形態における加工システムでは、上記偏光制御素子２は必要としないので有しない。なお、本実施形態においては、上記ビーム内エネルギ強度分布を制御する部材として、ＤＯＥ（回折光学素子）を用いる。

図６は、本実施形態に係る超短パルスレーザによるレーザ改質方法を実施可能な加工システム図を示している。以下、図６を参照して、本実施形態に係る超短パルスレーザによるレーザ改質方法の加工システムについて説明する。なお、上記第１実施形態における加工システムと同様の構成部材については、上記第１実施形態における場合と同様の符号を付し、一部説明を省略する。

まず、図６に示すように、超短パルスレーザを発生させる装置として、超短パルスレーザ装置１を用いる。

上記超短パルスレーザ装置１で発生したレーザパルスは、続いて、エネルギ制御素子３においてエネルギ制御が行われる。

ここでも、上記第１実施形態と同様に、たとえば、上記エネルギ制御素子３において上記レーザパルスの透過率を制御することにより、エネルギ制御を行う。したがって、上記エネルギ制御素子３としては、例えば、ＮＤフィルタやアッテネータを用いる。

上記エネルギ制御素子３において、エネルギ制御がなされた上記レーザパルスは、続いて上記ＤＯＥ（回折光学素子）８にて、ビーム内エネルギ強度分布パターンの制御がなされる。したがって、上記ＤＯＥ８において、ビーム内エネルギ強度分布のパターンを様々に制御することで、それに応じた様々な超微細構造を形成し、レーザ改質の制御を行うことができる。

なお、上記ＤＯＥ８の代わりに、ビーム内のエネルギ強度分布パターンを制御可能な部材、例えば位相板、ホモジナイザー、またはビーム干渉法を用いても勿論よい。

上述のようにビーム内のエネルギ強度分布パターンの制御がなされた後、上記レーザパルスは、集光光学系４により被加工物５に集光される。上記被加工物５は、レーザ改質を施す材料であり、例えば、金属、ウエハ、ガラス、結晶材料、生体材料、及び樹脂材料等を挙げられる。なお、上記被加工物５は、加工ステージ６上に配置する。これにより、上記被加工物５の加工位置制御を、加工ステージ６の制御により行うことができる。

また、上記偏光制御素子２、上記エネルギ制御素子３、及び上記加工ステージ６の制御は、ＰＣ７にて行う。

上述のような装置構成を用いて、本実施形態では、超短パルスレーザによって、超微細構造と、周期構造である微細パターンとを兼ね備えた微細表面構造を形成し、任意の改質領域を作り出すレーザ改質を行う。以下、上述の加工システムにおける各構成部材における作用、及び加工手順を説明する。

まず、上記超短パルスレーザ装置１において発生させた超短パルスレーザは、上記エネルギ制御素子３において、上記レーザパルスのエネルギ制御が行われる。ここでは、例えば、上記エネルギ制御素子３において上記レーザパルスの透過率を制御することにより、上記レーザパルスのエネルギ制御を行う。なお、上記エネルギ制御素子３は、上記ＰＣ７で制御する。

続いて、上記レーザパルスは、上記ＤＯＥ８において、ビーム内エネルギ強度分布パターンが制御される。上記超微細構造はビーム内のエネルギ強度分布によって様々に制御することができる。つまり、上記ＤＯＥ８における制御により、様々なレーザ改質を行うことができる。

上記レーザパルスは、上述のような制御過程を経て、上記集光光学系４により、被加工物５に集光される。つまり、超短パルスレーザの加工スポットを形成し、該加工スポット内の上記被加工物５表面に、リップルと呼ばれる、偏光方向に応じたレーザ波長程度の超微細構造を形成する。

なお、本実施形態におけるレーザ改質方法では、加工ステージ６を用いてスポットスキャンが行われるため、スポットのスキャン領域を制御することによってミクロンオーダーの微小領域、複雑領域から、ミリオーダーの領域までマスクレスで任意の改質領域を容易に作り出すことができる。

さらに、スポットスキャンにより、図２に示すように、上記材料表面に周期構造である微細パターンを形成することができる。ここで、本実施形態においては、同図に示すように、数１０ミクロンピッチでスキャンを行って表面改質を行う。しかしながら、スキャンのピッチは数１０ミクロンピッチに限らないことは勿論である。

このスポットスキャンによって、様々な微細パターンを形成することで、上記偏光制御と同様に、表面機能の性能コントロールができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、上記第１実施形態と同様に、ミクロンオーダーの微細パターン作成が可能であり、微細なパターン内に超微細構造を作製することが可能となる。このように、被加工物５の表面に具備させたい表面機能に対応した複雑形状を作り出すことによって、被加工物５の表面機能を改質することができる。

さらに、ＤＯＥ８を用いて、ビーム内のエネルギ強度分布パターンの制御を行い、該エネルギ強度分布パターンに応じた超微細構造を、上記被加工物５に形成することができる。また、上記エネルギ強度分布パターンを有する加工スポットをスキャンさせることにより、微細パターンを形成することができ、超微細構造をもつ微細パターンの作成が可能となる。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係る超短パルスレーザによるレーザ改質方法について説明する。以下、図面を用いて本実施形態に係る超短パルスレーザによるレーザ改質方法について説明する。

本実施形態と上記第１実施形態との相違点は、本実施形態では、上記集光光学系４と上記加工ステージ６とが、チャンバー内に収められ、該チャンバー内の雰囲気中で超短パルスレーザの照射を行うことで上記被加工物５のレーザ改質を行う点である。したがって、本実施形態においては、上記偏光制御素子２は不要であるので設けない。

図７は、本実施形態に係る超短パルスレーザによるレーザ改質方法を実施可能な加工システム図を示している。以下、図７を参照して、本実施形態に係る超短パルスレーザによるレーザ改質方法の加工システムについて説明する。なお、上記第１実施形態における加工システムと同様の構成部材については、上記第１実施形態における場合と同様の符号を付し、一部説明を省略する。

図７に示すように、超短パルスレーザを発生させる装置として、超短パルスレーザ装置１を用いる。本実施形態においては、上記超短パルスレーザ装置１で発生したレーザパルスを用いてレーザ改質を行う。

上記超短パルスレーザ装置１で発生したレーザパルスは、続いて、エネルギ制御素子３において、上記レーザパルスのエネルギ制御が行われる。

上記エネルギ制御素子３では、上記第１実施形態及び上記第２実施形態と同様に、例えば上記レーザパルスの透過率を制御することにより、エネルギ制御を行う。したがって、上記エネルギ制御素子３としては、例えば、ＮＤフィルタやアッテネータを用いる。

上記エネルギ制御素子３においてエネルギ制御がなされた上記レーザパルスは、次に、集光光学系４により、加工ステージ６上に配置された被加工物５に集光される。ここで、上記集光光学系４及び上記加工ステージ６は、同図に示すように、チャンバー９内に配置されている。したがって、本実施形態においては、上記チャンバー９内の雰囲気中にて、上記レーザパルスの照射を行う。ここで、上記雰囲気としては、例えばＳＦ_６，Ａｒ，及び真空等が挙げられる。

なお、本実施形態のようにチャンバー方式を採らずに、照射部にガスを直接噴射するノズル方式を採っても勿論よい。

被加工物５は、レーザ改質を施す材料であり、例えば、金属、ウエハ、ガラス、結晶材料、生体材料、及び樹脂材料等が挙げられる。なお、上記被加工物５は、加工ステージ６上に配置する。これにより、上記被加工物５の加工位置制御を、加工ステージ６の制御により行うことができる。

また、上記エネルギ制御素子３、及び上記加工ステージ６の制御は、ＰＣ７にて行う。

上述のような装置構成を用いて、本実施形態では、超短パルスレーザによって、超微細構造と、周期構造である微細パターンとを兼ね備えた微細表面構造を形成し、任意の改質領域を作り出すレーザ改質を行う。以下、上述の加工システムにおける各構成部材における作用、及び加工手順を説明する。

まず、上記超短パルスレーザ装置１において発生させた超短パルスレーザは、上記エネルギ制御素子３において、上記レーザパルスのエネルギ制御が行われる。ここでは、例えば、上記エネルギ制御素子３において上記レーザパルスの透過率を制御することにより、上記レーザパルスのエネルギ制御を行う。なお、上記エネルギ制御素子３は、上記ＰＣ７により制御を行う。

次に、上記レーザパルスは、上記集光光学系４により、上記加工ステージ６上に配置された被加工物５に集光される。超短パルスレーザの加工スポットを形成し、該加工スポット内の上記被加工物５表面に、リップルと呼ばれる、レーザ波長程度の超微細構造を形成する。

なお、本実施形態においては、図７に示すように、上記集光光学系４及び上記加工ステージ６は、上記チャンバー９内に配置させる。つまり、上記被加工物５のレーザ改質は、上記チャンバー９内の雰囲気中で行う。これにより、上記加工スポット内には、ピラー構造を有する微細パターンと該ピラー構造表面に形成される超微細構造とが発生する。上記ピラー構造は、レーザパルスのパルス数によって制御することが可能である。したがって、本実施形態では、微細パターン形成のためのスポットスキャンが必要ない。つまり、被加工物５表面において、上記レーザパルスをデフォーカスさせることで、より広い領域での一括レーザ改質が可能となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、チャンバー９内の雰囲気中で超短パルスレーザを照射してレーザ改質を行うことで、上記スポット面内にピラー構造（柔突起構造）を有する周期構造と、該ピラー構造（柔突起構造）面に形成される超微細構造とを形成することが可能となる。しかも、面一括照射を行うことで、上記微細周期パターンと超微細構造とを１度に形成することが可能となる。したがって、本実施形態では、微細パターン形成のためのスポットスキャンが必要ない。つまり、上記被加工物５の表面において、上記レーザパルスをデフォーカスさせることで、より広い領域での一括レーザ改質が可能となる。また、上記ピラー構造は、レーザパルスのパルス数によって制御することが可能である。本実施形態によれば、上記被加工物５の表面の特性改質、改質性能の制御、及び改質領域のマスクレス制御が可能である上に、上述のような効果を奏する超短パルスレーザによるレーザ改質方法を提供することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態以外にも、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形実施が可能である。

（付記）
上述の具体的実施形態から、以下のような構成の発明を抽出することができる。

（１） レーザ改質を施す材料表面に超短パルスレーザを照射することで、該照射を行うスポット内に超微細構造を形成すると共に、上記スポットをスキャンするスポットスキャンを行うことで、上記材料表面に微細パターンを形成して、上記材料表面の表面改質を行うことを特徴とする、超短パルスレーザによるレーザ改質方法。

（対応する実施形態）
この（１）に記載の超短パルスレーザによるレーザ改質方法に関する実施形態は、第１実施形態が対応する。

（作用効果）
この（１）に記載の超短パルスレーザによるレーザ改質方法によれば、レーザ改質を行う加工スポット内に、偏光方向に応じたリップルと呼ばれるレーザ波長程度の超微細構造を形成する。また、上記加工スポットをスキャンすることによってミクロンオーダーの微細パターンを形成し、該微細なパターン内に超微細構造を形成することができる。上述のようにして、材料表面に、所望の機能性に対応する形状を形成することによって、上記材料表面の表面改質を行うことができる。

（２） 上記スポットスキャンのスキャンパターンの制御を行うことで、上記微細パターンの制御を行い、上記表面改質における改質性能の制御を行うことを特徴とする（１）に記載の超短パルスレーザによるレーザ改質方法。

（対応する実施形態）
この（２）に記載の超短パルスレーザによるレーザ改質方法に関する実施形態は、第１実施形態が対応する。

（作用効果）
この（２）に記載の超短パルスレーザによるレーザ改質方法によれば、スポットスキャンのパターンの制御を行うことにより、上記表面改質における改質性能の制御を行うことが可能となる。

（３） 上記超短パルスレーザの偏光状態の制御を行って上記超微細構造を形成することで、上記表面改質における改質性能の制御を行うことを特徴とする（１）に記載の超短パルスレーザによるレーザ改質方法。

（対応する実施形態）
この（３）に記載の超短パルスレーザによるレーザ改質方法に関する実施形態は、第１実施形態が対応する。

（作用効果）
この（３）に記載の超短パルスレーザによるレーザ改質方法によれば、加工スポット内に形成する超微細構造を、偏光制御によってコントロールすることができる。具体的には、直線偏光、円偏光等により、種々の機能性に対応した超微細構造を形成して、材料表面の改質性能のコントロールが可能となる。

（４） 上記スポットスキャンにおけるスキャン領域の制御を行うことで、上記表面改質における改質領域の制御を行うことを特徴とする（１）に記載の超短パルスレーザによるレーザ改質方法。

（対応する実施形態）
この（４）に記載の超短パルスレーザによるレーザ改質方法に関する実施形態は、第１実施形態が対応する。

（作用効果）
この（４）に記載の超短パルスレーザによるレーザ改質方法によれば、スポットのスキャン領域を制御することにより、ミクロンオーダーの微小領域からミリオーダーまでの領域、及び複雑領域等の任意の改質領域を形成することができる。つまり、マスクレスで任意の改質領域を容易に形成することができる。

（５） レーザ改質を施す材料表面に、雰囲気中で上記超短パルスレーザを照射し、
上記材料表面に、超微細構造と微細周期パターンである周期構造とを形成する一括表面改質を行うことを特徴とする（１）に記載の超短パルスレーザによるレーザ改質方法。

（対応する実施形態）
この（５）に記載の超短パルスレーザによるレーザ改質方法に関する実施形態は、第４実施形態が対応する。

（作用効果）
この（５）に記載の超短パルスレーザによるレーザ改質方法によれば、雰囲気内で超短パルスレーザ照射を行うことで、該照射のスポット面内で柔突起構造を有する周期構造と、さらに上記柔突起構造面に超微細構造とを形成することができる。しかも、面一括照射によって、上記周期構造と上記超微細構造とを１度に形成することができる。

（６） 上記超短パルスレーザのエネルギ強度分布パターンを制御してレーザ改質を施す材料表面に照射することで、上記エネルギ強度分布パターンに応じた超微細構造を形成することを特徴とする（１）に記載の超短パルスレーザによるレーザ改質方法。

（対応する実施形態）
この（６）に記載の超短パルスレーザによるレーザ改質方法に関する実施形態は、第３実施形態が対応する。

（作用効果）
この（６）に記載の超短パルスレーザによるレーザ改質方法によれば、超短パルスレーザのエネルギ強度分布パターンの制御を行うことで、上記スポット面内に上記エネルギ強度分布パターンに応じた超微細構造を形成する。さらに、上記スポットをスキャンすることで、上記超微細構造を有する微細パターンを形成することができる。

（７） 親水機能または撥水機能を有する上記材料表面に、超短パルスレーザを照射し、
上記スポットスキャンをすることにより、上記材料表面に親水機能または撥水機能を強めた領域を作り出すことを特徴とする（１）に記載の超短パルスレーザによるレーザ改質方法。

（対応する実施形態）
この（７）に記載の超短パルスレーザによるレーザ改質方法に関する実施形態は、第１実施形態が対応する。

（作用効果）
この（７）に記載の超短パルスレーザによるレーザ改質方法によれば、レーザ改質を行う加工スポット内に超微細構造を形成し、さらに上記加工スポットをスキャンすることによってミクロンオーダーの微細パターンを形成することができる。つまり、上記微細パターン内に上記超微細構造を形成することができる。材料表面と水滴との接触面積を調節する。このようにして、撥水性を有する材料には超撥水性能を、親水性を有する材料には超親水性能を付加することができる。

本発明の第１実施形態に係る超短パルスレーザによるレーザ改質方法を実施可能な加工システム図を示している。 本発明の第１実施形態に係る超短パルスレーザによるレーザ改質方法により形成した、レーザ改質後の表面構造の顕微鏡写真である。 本発明の第２実施形態により、フッ素系樹脂である被加工物の表面に超撥水処理を施した後の表面構造の顕微鏡写真である。 フッ素系樹脂のバルク材料の撥水の様子と、該材料に撥水処理を施したときの撥水の様子とを示す図である。 微細パターンの周期である微細パターンピッチ（μｍ）と接触角（度）との相関関係を示すグラフである。 本発明の第３実施形態に係る超短パルスレーザによるレーザ改質方法を実施可能な加工システム図を示している。 本発明の第４実施形態に係る超短パルスレーザによるレーザ改質方法を実施可能な加工システム図を示している。

符号の説明

１…超短パルスレーザ装置、 ２…偏光制御素子、 ３…エネルギ制御素子、 ４…集光光学系、 ５…被加工物、 ６…加工ステージ、 ７…ＰＣ、 ８…ＤＯＥ（回折光学素子）、 ９…チャンバー。

Claims (7)

1. レーザ改質を施す材料表面に超短パルスレーザを照射することで、該照射を行うスポット内に超微細構造を形成すると共に、上記スポットをスキャンするスポットスキャンを行うことで、上記材料表面に微細パターンを形成して、上記材料表面の表面改質を行うことを特徴とする、超短パルスレーザによるレーザ改質方法。
2. 上記スポットスキャンのスキャンパターンの制御を行うことで、上記微細パターンの制御を行い、上記表面改質における改質性能の制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の超短パルスレーザによるレーザ改質方法。
3. 上記超短パルスレーザの偏光状態の制御を行って上記超微細構造を形成することで、上記表面改質における改質性能の制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の超短パルスレーザによるレーザ改質方法。
4. 上記スポットスキャンにおけるスキャン領域の制御を行うことで、上記表面改質における改質領域の制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の超短パルスレーザによるレーザ改質方法。
5. レーザ改質を施す材料表面に、雰囲気中で上記超短パルスレーザを照射し、
   上記材料表面に、超微細構造と微細周期パターンである周期構造とを形成する一括表面改質を行うことを特徴とする請求項１に記載の超短パルスレーザによるレーザ改質方法。
6. 上記超短パルスレーザのエネルギ強度分布パターンを制御してレーザ改質を施す材料表面に照射することで、上記エネルギ強度分布パターンに応じた超微細構造を形成することを特徴とする請求項１に記載の超短パルスレーザによるレーザ改質方法。
7. 親水機能または撥水機能を有する上記材料表面に、超短パルスレーザを照射し、
   上記スポットスキャンをすることにより、上記材料表面に親水機能または撥水機能を強めた領域を作り出すことを特徴とする請求項１に記載の超短パルスレーザによるレーザ改質方法。

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