JP2007079161A - Optical system for ultrashort pulse laser processing, material microfabrication method, and microfabrication device - Google Patents
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本発明は、超短パルスレーザービームの光強度分布を略矩形に整形する超短パルスレーザー加工用光学系、材料微細加工方法、及び微細加工装置に関する。 The present invention relates to an optical system for ultrashort pulse laser processing, a material micromachining method, and a micromachining apparatus that shape the light intensity distribution of an ultrashort pulse laser beam into a substantially rectangular shape.
レーザー微細加工に適したレーザービームとして、パルス幅が１０−９秒以下の超短パルスレーザーが注目されている。特にフェムト秒（ｆｓ：１０−１２ｓｅｃ）パルスレーザービームは、金属や透明材料などの各種材料の加工に用いた場合、これまでの炭酸ガスレーザーやＹＡＧレーザーによる加工とは全く異なり、レーザービームの照射部位周辺に熱的、化学的な損傷（変形、変質）をほとんど与えないという特徴がある。 As a laser beam suitable for laser microfabrication, an ultrashort pulse laser having a pulse width of 10 −9 seconds or less has attracted attention. In particular, femtosecond (fs: 10 -12 sec) pulsed laser beams are completely different from conventional carbon dioxide laser and YAG laser processing when used for processing various materials such as metals and transparent materials. It is characterized by almost no thermal or chemical damage (deformation or alteration) around the irradiated area.
これは、従来のレーザー加工では被加工材料に照射された光エネルギーのほとんどが熱エネルギーに変換され、この熱によって融解、分解、飛散による加工が進行するのに対し、超短パルスレーザーを用いた場合には、極めて短時間にエネルギーが被加工材料に集中するため、ナノプラズマ、ナノショック、ブレークダウン、格子歪み、衝撃波が超高速で発生し、熱が発生する前にアブレーション（飛散）による加工が進行するために、照射部位のみの加工が誘起され周囲に損傷が及ばず、きれいな加工がなされると考えられている。 This is because, in conventional laser processing, most of the light energy applied to the work material is converted into thermal energy, and this heat causes processing by melting, decomposition, and scattering, whereas an ultrashort pulse laser is used. In some cases, energy concentrates on the material to be processed in a very short time, so nanoplasma, nanoshock, breakdown, lattice distortion, shock waves are generated at a very high speed, and processing by ablation (scattering) before heat is generated Therefore, it is considered that the processing of only the irradiated part is induced and the surroundings are not damaged, and a clean processing is performed.
また、フェムト秒パルスレーザーなどの超短パルスレーザービームを用いた透明材料に対する加工では、多光子吸収による加工が進むため、材料表面を損傷することなく、内部のみを３次元的にリモート加工することも可能である。さらに、多光子吸収など非線形現象を利用した加工であるため、光を用いているにもかかわらず、照射光の波長の回折限界を超える加工分解能が得られる。 In addition, when processing transparent materials using ultrashort pulse laser beams such as femtosecond pulse lasers, processing by multiphoton absorption proceeds, so only the interior is three-dimensionally remote processed without damaging the material surface. Is also possible. Furthermore, since the processing uses a nonlinear phenomenon such as multiphoton absorption, processing resolution exceeding the diffraction limit of the wavelength of the irradiated light can be obtained even though light is used.
このように、フェムト秒パルスレーザーなどの超短パルスレーザービームを用いたレーザー加工においては、従来のレーザー加工とは加工のメカニズムが全く異なり、分解能も遙かに高く、かつ、被加工材料の内部に加工領域を限定することもできるので、従来のレーザー加工の常識を遥かに越えたサブミクロン以下の超微細加工技術を実現することができる。 In this way, laser processing using an ultrashort pulse laser beam such as a femtosecond pulse laser is completely different from conventional laser processing, has a much higher resolution, and has a high internal resolution. Since the processing area can also be limited to this, it is possible to realize an ultra-fine processing technology of submicron or less that far exceeds the common sense of conventional laser processing.
ところで、上述のような超短パルスレーザービームを用いた加工は、集光された超短パルスレーザービームが実現する時間的、空間的な高光子密度性によって初めて可能になる。すなわち、超短パルスレーザービームを用いて加工を行うには、この超短パルスレーザービームを被加工材料上に集光させなければならない。 By the way, the processing using the ultrashort pulse laser beam as described above becomes possible only by the temporal and spatial high photon density realized by the condensed ultrashort pulse laser beam. That is, in order to perform processing using an ultrashort pulse laser beam, the ultrashort pulse laser beam must be focused on the material to be processed.
超短パルスレーザービームの集光を、単なる凸レンズを用いて行った場合、この凸レンズに入射される超短パルスレーザービームのビーム径方向の光強度分布はガウシアン分布となっているため、集光された光スポットにおいては、中心部が周辺部に対して光強度が強くなる。この光スポットにおける径方向の光強度分布は、略々ガウシアン分布に近い分布となる。このような光スポットを被加工材料上に照射して加工を行った場合、光スポットの中心部分が照射された部位のみが深い穴として加工され、光スポットの周辺部が照射された部位はあまり加工されない状態となる。また、このような光スポットを被加工材料上に照射しつつ移動させて加工を行った場合、光スポットの中心部分が通過した部分のみが深い溝として加工され、周辺部が通過した部分はあまり加工されない状態となる。 When condensing an ultrashort pulse laser beam using a simple convex lens, the light intensity distribution in the beam radial direction of the ultrashort pulse laser beam incident on the convex lens is a Gaussian distribution. In the light spot, the light intensity is stronger in the central part than in the peripheral part. The light intensity distribution in the radial direction in this light spot is a distribution that is approximately close to the Gaussian distribution. When processing is performed by irradiating the workpiece with such a light spot, only the portion irradiated with the central portion of the light spot is processed as a deep hole, and the portion irradiated with the peripheral portion of the light spot is not much. It will be in the state which is not processed. In addition, when processing is performed by irradiating such a light spot on the work material, only the portion where the central portion of the light spot has passed is processed as a deep groove, and the portion where the peripheral portion has passed is not much. It will be in the state which is not processed.
したがって、このような光スポットを用いた加工においては、例えば溝加工を行った場合において、深いＶ溝状の溝加工は可能であるが、底面が平らになった平底溝を形成する加工を行うことは極めて困難である。また、このような光スポットを用いた加工においては、開口部の形状が、例えば矩形状などの多角形状となされた穴を形成する加工も困難である。 Accordingly, in processing using such a light spot, for example, when groove processing is performed, deep V-groove groove processing is possible, but processing for forming a flat bottom groove with a flat bottom surface is performed. It is extremely difficult. Further, in such processing using a light spot, it is difficult to form a hole in which the shape of the opening is a polygonal shape such as a rectangular shape.
そこで、下記特許文献１には、フェムト秒パルスレーザービームのビーム径方向の光強度分布やビーム形状を変換し、このフェムト秒パルスレーザービームをレーザー加工等に適したレーザービームとすることを目的として、（１）ビーム径方向の光強度分布がガウシアン分布となっているフェムト秒パルスレーザービームが入射される複数の凸レンズまたは凹レンズからなるマイクロレンズアレイと、このマイクロレンズアレイを構成する各凸レンズまたは凹レンズを経た各レーザービームを像面上に結像させる対物レンズとを備えた特殊光学系、（２）ビーム径方向の光強度分布がガウシアン分布となっているフェムト秒パルスレーザービームが入射される複数の凸または凹シリンドリカルレンズからなるマイクロレンズアレイと、マイクロレンズアレイを構成する各凸または凹シリンドリカルレンズを経た各レーザービームを像面上に結像させる対物レンズとを備えた特殊光学系、（３）ビーム径方向の光強度分布がガウシアン分布となっているフェムト秒パルスレーザービームが入射される複数の凸または凹シリンドリカルレンズからなる第１のマイクロレンズアレイと、軸方向が第１のマイクロレンズアレイをなす複数の凸または凹シリンドリカルレンズに対して交差する方向となっている複数の凸または凹シリンドリカルレンズからなり第１のマイクロレンズアレイを経たレーザービームが入射される第２のマイクロレンズアレイと、これら第１及び第２のマイクロレンズアレイを構成する各凸または凹シリンドリカルレンズを経た各レーザービームを像面上に結像させる対物レンズとを備えた特殊光学系、（４）ビーム径方向の光強度分布がガウシアン分布となっているフェムト秒パルスレーザービームが入射される複数の凸レンズまたは凹レンズからなるマイクロレンズアレイと、このマイクロレンズアレイを構成する各凸レンズまたは凹レンズに対して共焦点となる位置に配置されたリレーレンズと、このリレーレンズを経た各レーザービームを像面上に集光させて複数の光スポットを形成する対物レンズとを備えた特殊光学系が開示されている。 Therefore, Patent Document 1 listed below aims to convert the femtosecond pulse laser beam in the beam radial direction and the beam shape, and to convert the femtosecond pulse laser beam into a laser beam suitable for laser processing or the like. (1) A microlens array composed of a plurality of convex lenses or concave lenses to which a femtosecond pulse laser beam having a light intensity distribution in the beam radial direction is a Gaussian distribution, and each convex lens or concave lens constituting the microlens array (2) A plurality of femtosecond pulsed laser beams that have a Gaussian distribution of light intensity distribution in the beam radial direction are incident on the image plane. A microlens array consisting of convex or concave cylindrical lenses, and A special optical system including an objective lens that forms an image on the image plane of each laser beam that has passed through each convex or concave cylindrical lens constituting the lens array, and (3) the light intensity distribution in the beam radial direction is a Gaussian distribution. A first microlens array composed of a plurality of convex or concave cylindrical lenses to which a femtosecond pulsed laser beam is incident and an axial direction intersecting with the plurality of convex or concave cylindrical lenses forming the first microlens array A second microlens array composed of a plurality of convex or concave cylindrical lenses in the direction in which the laser beam passes through the first microlens array, and the first and second microlens arrays. Each laser beam passed through each convex or concave cylindrical lens is imaged on the image plane. (4) a microlens array composed of a plurality of convex or concave lenses to which a femtosecond pulse laser beam having a Gaussian distribution of light intensity distribution in the beam radial direction is incident; A relay lens arranged at a confocal position with respect to each convex lens or concave lens constituting the microlens array, and each laser beam having passed through this relay lens is condensed on the image plane to form a plurality of light spots. A special optical system including an objective lens is disclosed.
上記特許文献１に開示されたビーム径方向の光強度分布がガウシアン分布となっているフェムト秒パルスレーザービーム方法は、いずれも光学系が複雑であり、実用化には問題があった。 All of the femtosecond pulse laser beam methods disclosed in Patent Document 1 in which the light intensity distribution in the beam diameter direction is a Gaussian distribution have a complicated optical system and have a problem in practical use.
そこで、本発明は、超短パルスレーザーのビーム径方向の光強度分布やビーム形状を変換し、超短パルスレーザービームをレーザー加工等に適したレーザービームに整形する超短パルスレーザー加工用光学系を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention converts an optical intensity distribution and beam shape in the beam radial direction of an ultrashort pulse laser, and shapes the ultrashort pulse laser beam into a laser beam suitable for laser processing, etc. The purpose is to provide.
本発明者は、多光子吸収で材料の昇華除去作用ができる領域は、超短パルスレーザービームの中心付近の光子密度の高い部分に限られ、ビームの裾部分の光子密度の低い領域では、熱的反応によりドロス（溶融付着物）やヒューム（煤）が発生することに着目した。そこで、超短パルスレーザービームから多光子反応に寄与しない部分を減衰させることにより、上記課題が解決されることを見出し、本発明に至った。 The inventor believes that the region where the material can be sublimated and removed by multiphoton absorption is limited to a portion where the photon density is high near the center of the ultrashort pulse laser beam, and in the region where the photon density is low at the bottom of the beam, We focused on the fact that dross (melted deposits) and fume (soot) are generated due to mechanical reactions. Thus, the present inventors have found that the above-mentioned problems can be solved by attenuating a portion that does not contribute to the multiphoton reaction from the ultrashort pulse laser beam, and have reached the present invention.
即ち、第１に、本発明は、超短パルスレーザー加工用光学系の発明であり、レーザー発信器から出射されるパルス幅が１０−９秒以下の超短パルスレーザービームから多光子反応に寄与しない部分を減衰させることを特徴とする。 That is, first, the present invention is an invention of an optical system for processing an ultrashort pulse laser, which contributes to a multiphoton reaction from an ultrashort pulse laser beam having a pulse width of 10 −9 seconds or less emitted from a laser transmitter. It is characterized by attenuating the part that is not.
本発明で採用される具体的レーザー加工用光学系としては、下記（１）〜（４）が挙げられる。
（１）発信器から出射される超短パルスレーザービームのビーム径方向の光強度分布の裾部分を遮断するマスクと、対物レンズよりなる超短パルスレーザー加工用光学系。
（２）非球面光学系よりなる超短パルスレーザー加工用光学系。
（３）フレネルレンズよりなる超短パルスレーザー加工用光学系。
（４）透過ホログラフィックマスクよりなる超短パルスレーザー加工用光学系。
Specific examples of the laser processing optical system employed in the present invention include the following (1) to (4).
(1) An ultrashort pulse laser processing optical system comprising a mask that cuts off the bottom of the light intensity distribution in the beam radial direction of the ultrashort pulse laser beam emitted from the transmitter and an objective lens.
(2) An optical system for ultrashort pulse laser processing comprising an aspherical optical system.
(3) An ultrashort pulse laser processing optical system comprising a Fresnel lens.
(4) An optical system for ultrashort pulse laser processing comprising a transmission holographic mask.
本発明で用いられる超短パルスレーザーは、パルス幅が１０−９秒以下の超短パルスレーザーであり、具体的には、ナノ秒パルスレーザー、ピコ秒パルスレーザー又はフェムト秒パルスレーザーが例示される。 The ultrashort pulse laser used in the present invention is an ultrashort pulse laser having a pulse width of 10 −9 seconds or less, and specifically, a nanosecond pulse laser, a picosecond pulse laser, or a femtosecond pulse laser is exemplified. .
第２に、本発明は上記の超短パルスレーザー加工用光学系を用いることを特徴とする材料微細加工方法である。本発明により、金属材料、セラミック材料、高分子材料等のほぼ全ての材料を微細加工することができる。 Second, the present invention is a material fine processing method using the above-mentioned optical system for ultrashort pulse laser processing. According to the present invention, almost all materials such as metal materials, ceramic materials, and polymer materials can be finely processed.
第３に、本発明は上記の超短パルスレーザー加工用光学系を備えたことを特徴とする微細加工装置である。上記の超短パルスレーザー加工用光学系の他に、レーザー発信器、ミラー、被加工物姿勢調整治具等を適宜備える。 Thirdly, the present invention is a micromachining apparatus provided with the above-mentioned optical system for ultrashort pulse laser machining. In addition to the above-described optical system for ultrashort pulse laser processing, a laser transmitter, a mirror, a workpiece posture adjusting jig, and the like are appropriately provided.
超短パルスレーザービームから多光子反応に寄与しない部分を減衰させることにより、種々の材料に対して超短パルスレーザービームで穴あけや溝掘り等の加工を行なう際に、ドロス（溶融付着物）やヒューム（煤）の発生を抑制するという効果の他に、下記の作用・効果が奏される。 By attenuating the part that does not contribute to the multiphoton reaction from the ultrashort pulse laser beam, dross (melting deposits) and other materials when drilling or grooving various materials with the ultrashort pulse laser beam In addition to the effect of suppressing the generation of fume (soot), the following actions and effects are exhibited.
（１）金属材料、セラミック材料、高分子材料等のほぼ全ての材料を加工することができるため、加工範囲が拡大する。従来のレーザー加工では、材料の種類及び吸光度で制限があったが、本発明では、フェムト秒レーザー等による原子間結合を分解する作用で加工するため加工範囲が拡大する。 (1) Since almost all materials such as metal materials, ceramic materials, and polymer materials can be processed, the processing range is expanded. In conventional laser processing, there are limitations on the type of material and absorbance, but in the present invention, processing is expanded by the action of decomposing interatomic bonds by a femtosecond laser or the like.
（２）超短パルスレーザーによると熱伝導の影響を受け難いため、加工可能範囲が拡大する。従来技術では最小孔径１０μｍが限界だが、本発明では０．１μｍまでの穴あけや溝掘り加工が可能である。しかも、細孔の孔径や溝幅を精密に制御でき、ばらつきのない囲うができる。これは、従来技術では熱溶融が加工原理となっているためである。 (2) Since the ultrashort pulse laser is not easily affected by heat conduction, the processable range is expanded. In the prior art, the minimum hole diameter is 10 μm, but in the present invention, drilling or grooving up to 0.1 μm is possible. In addition, the pore diameter and groove width of the pores can be precisely controlled, and the enclosure can be made without variations. This is because heat melting is the processing principle in the prior art.
（３）前処理、後処理が必要ないため、各種材料に対して直接加工できるため、表面処理等の化学的処理を必要としない。又、ドロス（溶融付着物）やヒューム（煤）の発生が抑制されるため、後処理も必要としない。これはレーザーによる加工では、高分子材料矢無機材料を原子レベルから分解する原理を用いるため、エッチング等の化学処理を必要としないことによる。 (3) Since pre-treatment and post-treatment are not required, various materials can be directly processed, so that chemical treatment such as surface treatment is not required. Moreover, since generation | occurrence | production of dross (molten deposit | attachment) and a fume (soot) is suppressed, post-processing is also unnecessary. This is because laser processing uses the principle of decomposing polymer materials and inorganic materials from the atomic level, and therefore does not require chemical treatment such as etching.
図１に、発信器から出射される超短パルスレーザービームのビーム径方向の光強度分布の裾部分を遮断するマスクと、対物レンズよりなる超短パルスレーザー加工用光学系の断面図を示す。マスクによってレーザービームの裾部分がカットされ、光子密度が高く多光子反応に寄与する部分のみが加工に用いられる。 FIG. 1 shows a cross-sectional view of an optical system for processing an ultrashort pulse laser including a mask that cuts off the bottom of the light intensity distribution in the beam radial direction of an ultrashort pulse laser beam emitted from a transmitter and an objective lens. The skirt portion of the laser beam is cut by the mask, and only the portion having a high photon density and contributing to the multiphoton reaction is used for processing.
図２に、非球面光学系よりなる超短パルスレーザー加工用光学系の断面図を示す。非球面レンズによって整形され、超短パルスレーザービームのビーム径方向の光強度分布がトップハット状に整形されている。 FIG. 2 shows a cross-sectional view of an optical system for processing an ultrashort pulse laser comprising an aspherical optical system. Shaped by an aspheric lens, the light intensity distribution in the beam radial direction of the ultrashort pulse laser beam is shaped into a top hat shape.
同様に、フレネルレンズや透過ホログラフィックマスクを用いて、超短パルスレーザービームのビーム径方向の光強度分布を整形することができる。 Similarly, the light intensity distribution in the beam diameter direction of the ultrashort pulse laser beam can be shaped using a Fresnel lens or a transmission holographic mask.
図３に、本発明の超短パルスレーザー加工用光学系を備えた微細加工装置の一例を示す。この微細加工装置は、超短パルスレーザー加工用光学系として、超短パルスレーザービームのビーム径方向の光強度分布の裾部分を遮断するマスクと、対物レンズを備えている。上記の超短パルスレーザー加工用光学系の他に、レーザー発信器、ミラー、被加工物姿勢調整治具等を備えている。 FIG. 3 shows an example of a microfabrication apparatus provided with the optical system for ultrashort pulse laser processing of the present invention. This microfabrication apparatus is provided with a mask that cuts off the bottom of the light intensity distribution in the beam radial direction of an ultrashort pulse laser beam and an objective lens as an optical system for ultrashort pulse laser processing. In addition to the above-described optical system for ultrashort pulse laser processing, a laser transmitter, a mirror, a workpiece posture adjusting jig, and the like are provided.
本発明で用いられるパルス幅が１０−９秒以下の超短パルスレーザーの具体例としては、チタン・サファイア結晶を媒質とするレーザーや色素レーザーを再生・増幅して得られたパルス幅が１０−９秒以下のパルスレーザー、エキシマレーザーやＹＡＧレーザー（Ｎｄ−ＹＡＧレーザー等）の倍波によるパルス幅が１０−９秒以下のパルスレーザーなどを用いることができ、特に、チタン・サファイア結晶を媒質とするレーザーや色素レーザーを再生・増幅して得られたパルス幅が１０−１２秒〜１０−１５秒のフェムト秒のオーダーのパルスレーザー（フェムト秒パルスレーザー）を好適に用いることができる。超短パルスレーザーにおけるパルス幅は、１０−９秒以下であれば特に制限されず、例えば、１０−９秒から１０−１２秒のピコ秒オーダーや、１０−１２秒から１０−１５秒のフェムト秒のオーダーであり、通常は、１００フェムト秒（１０−１３秒）程度である。このようなチタン・サファイア結晶を媒質とするレーザーや色素レーザーを再生・増幅して得られたパルス幅が１０−９秒以下のパルスレーザーや、エキシマレーザーやＹＡＧレーザー（Ｎｄ−ＹＡＧレーザー等）の倍波によるパルス幅が１０−９秒以下のパルスレーザーなどの超短パルスレーザーを用いると、パルスエネルギーが高いので、多光子吸収過程を利用したレーザー加工を行うことができ、そのパワーにより波長より狭い幅の微細加工を行うことができるようになる。 As a specific example of an ultrashort pulse laser having a pulse width of 10 −9 seconds or less used in the present invention, a pulse width obtained by reproducing and amplifying a laser or a dye laser using a titanium / sapphire crystal as a medium is 10 −. 9 seconds or less of the pulsed laser, the pulse width due to frequency doubled excimer laser or YAG laser (Nd-YAG laser, etc.) or the like can be used following the pulse laser 10 -9 seconds, in particular, a medium titanium-sapphire crystal A pulse laser (femtosecond pulse laser) having a pulse width of 10 −12 seconds to 10 −15 seconds on the order of 10 −12 seconds to 10 −15 seconds can be suitably used. The pulse width in the ultrashort pulse laser is not particularly limited as long as it is 10 −9 seconds or less. For example, it is in the picosecond order of 10 −9 seconds to 10 −12 seconds, or femto of 10 −12 seconds to 10 −15 seconds. The order of seconds, which is typically about 100 femtoseconds ( 10-13 seconds). Pulse lasers with a pulse width of 10-9 seconds or less, excimer lasers, YAG lasers (Nd-YAG lasers, etc.) obtained by reproducing and amplifying lasers and dye lasers using such titanium / sapphire crystals as media When an ultrashort pulse laser such as a pulse laser with a pulse width of 10 −9 seconds or less is used, the pulse energy is high, so that laser processing utilizing a multiphoton absorption process can be performed. Fine processing with a narrow width can be performed.
従って、超短パルスレーザーを用いて多光子吸収過程を利用したレーザー加工により、最小の径又は幅が２００μｍ以下である微小加工を行なうことができるようになる。なお、穴あけ加工の場合、断面形状は、円形、楕円形に限らず、長径が長い場合には直線状、曲線、折れ曲がり線等の任意な形状であっても良い。 Therefore, it is possible to perform micromachining with a minimum diameter or width of 200 μm or less by laser machining using a multiphoton absorption process using an ultrashort pulse laser. In the case of drilling, the cross-sectional shape is not limited to a circle and an ellipse, and may be an arbitrary shape such as a straight line, a curved line, a bent line, etc. when the major axis is long.
本発明において、超短パルスレーザーの波長は、特に制限されず、多光子吸収過程を利用しているので、被加工材料の吸収波長よりも長い波長であってもよく、被加工材料の種類又はその吸収波長に応じて適宜選択することができる。具体的には、超短パルスレーザーの波長としては、例えば、紫外線領域〜近赤外線領域の領域内の波長であってもよく、従って、２００ｎｍから１０００ｎｍの範囲内から適宜選択することができる。なお、超短パルスレーザーの波長としては、被加工材料の吸収波長（吸収のピーク波長）の倍波（２倍波、３倍波など）となる波長であることが好ましい。 In the present invention, the wavelength of the ultrashort pulse laser is not particularly limited and uses a multiphoton absorption process, and therefore may be a wavelength longer than the absorption wavelength of the material to be processed. It can select suitably according to the absorption wavelength. Specifically, the wavelength of the ultrashort pulse laser may be, for example, a wavelength in the ultraviolet region to the near infrared region, and can be appropriately selected from the range of 200 nm to 1000 nm. Note that the wavelength of the ultrashort pulse laser is preferably a wavelength that is a harmonic (second harmonic, third harmonic, etc.) of the absorption wavelength (absorption peak wavelength) of the material to be processed.
また、超短パルスレーザーの繰り返しとしては、１Ｈｚから１００ＭＨｚの範囲で、通常は１０Ｈｚから５００ｋＨｚ程度である。 Further, the repetition of the ultrashort pulse laser is in the range of 1 Hz to 100 MHz, usually about 10 Hz to 500 kHz.
被加工材料に対して、内部における単位体積当たりに照射されるエネルギーは、超短パルスレーザーの照射エネルギー、被加工材料に照射する際に用いられる対物レンズの開口数（光源の絞り込み）、被加工材料への照射位置又は焦点の深さ、レーザーの焦点の移動速度などに応じて適宜決めることができる。 The energy irradiated per unit volume inside the work material is the irradiation energy of the ultrashort pulse laser, the numerical aperture of the objective lens used to irradiate the work material (the narrowing of the light source), the work piece The position can be determined as appropriate according to the irradiation position of the material or the depth of focus, the moving speed of the focus of the laser, and the like.
本発明では、超短パルスレーザーの平均出力又は照射エネルギーとしては、０．０１Ｗ以上であれば特に制限されず、目的とする細孔（特に微小貫通孔）の大きさや形状、溝掘りの幅や深さ等に応じて適宜選択することができ、例えば、１００００ｍＷ以下、好ましくは５〜５００ｍＷ、さらに好ましくは１０〜３００ｍＷ程度の範囲から選択することができる。 In the present invention, the average output or irradiation energy of the ultrashort pulse laser is not particularly limited as long as it is 0.01 W or more, and the size and shape of the target pore (particularly, the fine through-hole), the width of grooving, It can be suitably selected according to the depth and the like, for example, it can be selected from the range of about 10,000 mW or less, preferably 5 to 500 mW, more preferably about 10 to 300 mW.
また、超短パルスレーザーの照射スポット径としては、特に制限されず、目的の微小孔部の大きさやその形状、溝掘りの幅や深さ、レンズの大きさや開口数又は倍率などに応じて適宜選択することができ、例えば、０．１〜１０μｍ程度の範囲から選択することができる。 Further, the irradiation spot diameter of the ultrashort pulse laser is not particularly limited, and is appropriately determined according to the size and shape of the target microhole portion, the width and depth of grooving, the size, numerical aperture, or magnification of the lens. For example, it can be selected from a range of about 0.1 to 10 μm.
本発明では、被加工材料として、金属やシリコン結晶のような不透明材料の他、ガラス、推奨、サファイヤ、ダイアモンド等の透明材料を用いることも可能である。 In the present invention, a transparent material such as glass, recommended, sapphire, and diamond can be used as a material to be processed, in addition to an opaque material such as a metal or silicon crystal.
被加工材料として高分子材料を用いる場合には、ホモ重合体や共重合体を含めた単一化学構造のポリマー材料からなるものだけでなく、異なる化学構造を有する複数のポリマー材料からなるポリマーアロイやポリマーブレンドも用いることができる。また、高分子材料として、無機化合物や金属などの他の材料を分散状態で含んだ複合体であってもよく、異なるプラスチックや他の材料からなる層を含んだ２以上の層構造からなる積層体であってもよい。例えば、高分子フ材料に導電性を付与するために、カーボンブラックが分散された高分子材料を用いると、レーザー光の吸収効率が上がり、加工しやすくなる効果も発現する。 In the case of using a polymer material as a material to be processed, not only a polymer material having a single chemical structure including a homopolymer and a copolymer, but also a polymer alloy comprising a plurality of polymer materials having different chemical structures. And polymer blends can also be used. In addition, the polymer material may be a composite containing other materials such as inorganic compounds and metals in a dispersed state, and a laminate having two or more layer structures including layers made of different plastics or other materials. It may be a body. For example, when a polymer material in which carbon black is dispersed is used in order to impart conductivity to the polymer material, the absorption efficiency of laser light is increased, and the effect of facilitating processing is also exhibited.
高分子材料としては、コスト上炭化水素系材料（エンプラ材料を含む）が望ましいが、フッ化物系材料でもよい。具体的には、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリイミド（ＰＩ）、ＰＡＩ、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ＰＰＳＵ、ＰＡＲ、ＰＢＩ、ＰＡ、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＯ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ＰＰ、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ＰＶＤＣ、ＰＳＦ、ＰＡＮ、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ＰＶＤＦ等の材料が使用可能である。 As the polymer material, a hydrocarbon-based material (including engineering plastic material) is desirable in terms of cost, but a fluoride-based material may be used. Specifically, polyether ketone ketone (PEKK), polyether ether ketone (PEEK), polyether imide (PEI), polyimide (PI), PAI, polyphenylene sulfide (PPS), PPSU, PAR, PBI, PA, polyphenylene Ether (PPO), polycarbonate (PC), PP, polyethersulfone (PES), PVDC, PSF, PAN, polyethylene terephthalate (PET), polyethylene (PE), high density polyethylene (HDPE), polytetrafluoroethylene (PTFE) A material such as PVDF can be used.
更に、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などのメタクリレート系樹脂；ポリスチレン、アクリロニトリル−スチレン共重合体（ＡＳ樹脂）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ樹脂）などのスチレン系樹脂；ポリアミド；ポリアミドイミド；ポリエステルイミド；ポリアセタール；ポリアリレート；ポリアリール；ポリスルホン；ポリウレタン類；ポリエーテルケトン類；ポリアクリル酸ブチル、ポリアクリル酸エチルなどのポリアクリル酸エステル類；ポリブトオキシメチレンなどのポリビニルエステル類；ポリシロキサン類；ポリサルファイド類；ポリフォスファゼン類；ポリトリアジン類；ポリカーボラン類；ポリノルボルネン；エポキシ系樹脂；ポリビニルアルコール；ポリビニルピロリドン；ポリイソプレンやポリブタジエンなどのポリジエン類；ポリイソブチレンなどのポリアルケン類；フッ化ビニリデン系樹脂、ヘキサフルオロプロピレン系樹脂、ヘキサフルオロアセトン系樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂などのフッ素系樹脂；ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体などのポリオレフィン樹脂などの樹脂（熱可塑性樹脂など）が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 Further, methacrylate resins such as polymethyl methacrylate (PMMA); styrene resins such as polystyrene, acrylonitrile-styrene copolymer (AS resin), acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS resin); polyamide; polyamideimide; Polyacetals; Polyarylates; Polyaryls; Polysulfones; Polyurethanes; Polyetherketones; Polyacrylates such as polybutyl acrylate and polyethyl acrylate; Polyvinyl esters such as polybutoxymethylene; Polysiloxanes Polysulfides; polyphosphazenes; polytriazines; polycarboranes; polynorbornene; epoxy resins; polyvinyl alcohol; polyvinylpyrrolidone; Polydienes such as polypropylene and polybutadiene; Polyalkenes such as polyisobutylene; Fluorine resins such as vinylidene fluoride resin, hexafluoropropylene resin, hexafluoroacetone resin, polytetrafluoroethylene resin; polyethylene, polypropylene, ethylene- A resin such as a polyolefin resin such as a propylene copolymer (such as a thermoplastic resin) can be used, but the present invention is not limited thereto.
以下、本発明の実施例を示す。 Examples of the present invention will be described below.
パルλ幅１００ｆｓ、１ｋＨｚ、ビームφ７ｎｍ、焦点部出力３Ｗであるレーザーを、φ４ｎｍの金属製マスクとｆ＝５６ｍｍのレンズで整形した。この整形したレーザービームを用いて、厚さ１．２ｍｍの鋼材（ＳＣＭ４２０）に対して穴あけ加工をしたところ、ドロス（溶融付着物）やヒューム（煤）の発生は確認できなかった。 A laser having a Pal λ width of 100 fs, 1 kHz, a beam φ of 7 nm, and a focal point output of 3 W was shaped with a metal mask of φ 4 nm and a lens of f = 56 mm. When drilling was performed on a steel material (SCM420) having a thickness of 1.2 mm using this shaped laser beam, generation of dross (melting deposits) and fume (soot) could not be confirmed.
比較のために、上記金属製マスクを用いず、未整形のレーザービームで同鋼材に対して穴あけ加工をしたところ、大きなドロス（溶融付着物）及びヒューム（煤）の発生が見られた。 For comparison, when the above steel mask was drilled with an unshaped laser beam without using the above metal mask, large dross (melted deposits) and fume (soot) were observed.
本発明の超短パルスレーザー加工用光学系により、超短パルスレーザービームから多光子反応に寄与しない部分を減衰させることが可能となった。これにより、種々の材料に対して超短パルスレーザービームで穴あけや溝掘り等の加工を行なう際に、ドロス（溶融付着物）やヒューム（煤）の発生を抑制することができ、超短パルスレーザーによる微細加工の実用化に貢献する。 The optical system for processing an ultrashort pulse laser according to the present invention makes it possible to attenuate a portion that does not contribute to the multiphoton reaction from the ultrashort pulse laser beam. This makes it possible to suppress the generation of dross (melting deposits) and fume (soot) when drilling or grooving various materials with an ultrashort pulse laser beam. Contributes to the practical use of laser microfabrication.
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