JP2008246578A - 微細加工物の製造方法およびレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】塵埃の飛散や小片への破断を阻止することができる微細加工物の製造方法およびレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】少なくとも微細加工物の一部が溶融する水準にまで、微細加工物の温度を上昇させるレーザ光を照射する工程と、微細加工物の少なくとも一部が分離するまで、溶融された状態を維持するようレーザの照射を継続する工程とを備える微細加工物の製造方法。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えばＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ、微小電気機械システム）といった微細加工物の製造方法に関する。

光スイッチ素子は広く知られる。光スイッチ素子にはミラーアレイが組み込まれる。ミラーアレイには複数のＭＥＭＳミラーが組み込まれる。ＭＥＭＳミラーは、光ファイバの複数の入力ポートから照射される光を光ファイバの複数の出力ポートに向かって反射する。その結果、光信号の経路は切り替えられる。

ＭＥＭＳミラーでは固定電極の表面に可動電極の裏面が向き合わせられる。可動電極の表面にはミラー面が形成される。可動電極は可動電極基板に姿勢変化自在に連結される。固定電極および可動電極の間で生成される静電引力の働きで可動電極すなわちミラー面は所定のＸ軸およびＹ軸回りで姿勢を変化させる。

可動電極は脆弱で微細な構造を有する。光スイッチ素子の製造時、ミラーアレイの運搬にあたって可動電極の姿勢変化は回避されることが望まれる。姿勢変化の回避にあたって可動電極および可動電極基板は仮留め部で不動に固定される。こうした仮留め部は光スイッチ素子への組み込み直前に切断される。
特開２００６−１５９２８９号公報 特開２００４−１２０２号公報 特開２００６−２６３７５４号公報

仮留め部の切断にあたって仮留め部には例えばＱスイッチ発振パルスレーザ光が間欠的に照射される。パルスレーザ光のパルス幅は例えばマイクロ秒に設定される。こうしたパルスレーザの出力は大きい。仮留め部は急激に加熱される。その結果、極めて微細な塵埃が飛散する。塵埃の付着はミラー面の反射率を低下させる。

しかも、パルスレーザ光の出力は大きいことから、パルスレーザ光は仮留め部に衝撃を加える。照射の衝撃は仮留め部を小片に破断させてしまう。小片は飛散する。飛散した小片が例えば可動電極および可動電極基板に跨ると、可動電極および可動電極基板の間で短絡が引き起こされてしまう。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、塵埃の飛散や小片への破断を阻止することができる微細加工物の製造方法およびレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１発明によれば、照射開始から溶断まで微細加工物に連続波のレーザ光を照射し続ける工程を備えることを特徴とする微細加工物の製造方法が提供される。

こうした微細加工物の製造方法によれば、微細加工物に連続波のレーザ光が照射し続けられる。連続波のレーザ光は照射開始から溶断まで途切れなく照射されることから、微細加工物の温度は徐々に上昇していく。微細加工物の急激な温度上昇は回避される。微細加工物では塵埃の発生は回避される。塵埃の飛散は確実に阻止される。しかも、連続波のレーザ光は微細加工物に衝撃を加えないことから、微細加工物の破断は回避される。小片の飛散は確実に回避される。

こうした製造方法の実施にあたってレーザ加工装置が提供される。レーザ加工装置は、微細加工物を受け止めるステージと、照射開始から溶断まで微細加工物に連続波のレーザ光を照射し続ける照射源とを備えればよい。

第２発明によれば、照射開始から溶断まで微細加工物に擬似連続波のレーザ光を照射し続ける工程を備えることを特徴とする微細加工物の製造方法が提供される。

この微細加工物の製造方法によれば、微細加工物に擬似連続波のレーザ光が照射し続けられる。擬似連続波のレーザ光は照射開始から溶断まで途切れなく照射されることから、微細加工物の温度は徐々に上昇していく。微細加工物の急激な温度上昇は回避される。微細加工物では塵埃の発生は回避される。塵埃の飛散は確実に阻止される。しかも、レーザ光は微細加工物に衝撃を加えないことから、微細加工物の破断は回避される。小片の飛散は確実に回避される。

こうした製造方法の実施にあたってレーザ加工装置が提供される。レーザ加工装置は、微細加工物を受け止めるステージと、照射開始から溶断まで微細加工物に擬似連続波のレーザ光を照射し続ける照射源とを備えればよい。

第３発明によれば、１ミリ秒以上のパルス幅を有するパルス波のレーザ光を照射開始から溶断まで微細加工物に照射する工程を備えることを特徴とする微細加工物の製造方法が提供される。

こういった微細加工物の製造方法によれば、１ミリ秒以上のパルス幅を有するパルス波のレーザ光が照射される。こうしたレーザ光は照射開始から溶断まで途切れなく照射されることから、微細加工物の温度は徐々に上昇していく。微細加工物の急激な温度上昇は回避される。微細加工物では塵埃の発生は回避される。塵埃の飛散は確実に阻止される。しかも、こういったレーザ光は微細加工物に衝撃を加えないことから、微細加工物の破断は回避される。小片の飛散は確実に回避される。

こうした製造方法の実施にあたってレーザ加工装置が提供される。レーザ加工装置は、微細加工物を受け止めるステージと、１ミリ秒以上のパルス幅を有するパルス波のレーザ光を照射開始から溶断まで微細加工物に照射し続ける照射源とを備えればよい。

以上のように本発明によれば、塵埃の飛散や小片への破断を阻止することができる微細加工物の製造方法およびレーザ加工装置が提供される。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。

図１は本発明の実施形態に係るレーザ加工装置１１の構造を概略的に示す。このレーザ加工装置１１はステージ１２を備える。ステージ１２は水平面に沿って移動することができる。

ステージ１２には光学系１４が向き合わせられる。光学系１４は照射源すなわちレーザ発振器１５を備える。レーザ発振器１５は連続波のグリーンレーザ光を出力する。グリーンレーザ光は５３２ｎｍの波長を有する。レーザ発振器１５の光源にはＬＥＤが用いられる。レーザ発振器１５内でＬＥＤの光は増幅される。グリーンレーザ光の出力は例えば１．５Ｗ〜２．４Ｗ程度に設定される。

レーザ発振器１５にはコリメータ１６が向き合わせられる。コリメータ１６は、レーザ発振器１５から出力されるグリーンレーザ光を平行光に変換する。コリメータ１６には反射ミラー１７が向き合わせられる。反射ミラー１７は、コリメータ１６から出力されるレーザ光をステージ１２上のワークに向かって反射させる。

反射ミラー１７およびステージ１２の間には２つの絞り１８、１９が配置される。絞り１８、１９の働きでレーザ光の光量が調整される。絞り１９およびステージ１２の間にはレンズ２１が配置される。レンズ２１の働きでレーザ光はステージ１２上のワークに所定のスポットで照射される。

レーザ加工装置１１で微細加工物を製造する方法を説明する。ステージ１２上にワーク２２が配置される。ワーク２２はＭＥＭＳミラーの集合体から構成される。ワーク２２では、図２に示されるように、各ＭＥＭＳミラーで可動電極基板２３および可動電極２４の間に仮留め部２５が形成される。可動電極２４上にミラー面が形成される。仮留め部２５の働きで可動電極２４の姿勢変化は規制される。可動電極基板２３や可動電極２４、仮留め部２５はシリコンから削り出される。

仮留め部２５の幅Ｗは例えば５μｍ程度に設定される。仮留め部２５の長さＬは例えば１０μｍ程度に設定される。仮留め部２５の厚みＷは例えば１０μｍ程度に設定される。ステージ１２の水平移動に基づき仮留め部２５の中央位置に光学系１４の光軸が位置決めされる。位置決め後、レーザ発振器１５はグリーンレーザ光を出力する。グリーンレーザ光の出力は２．４Ｗ程度に設定される。

図３に示されるように、グリーンレーザ光２８は仮留め部２５に照射され、スポット２６を形成する。スポット２６の大きさは例えば１０μｍ程度に設定される。仮留め部２５はシリコンから形成されることから、グリーンレーザ光２８は仮留め部２５に吸収される。仮留め部２５は加熱される。仮留め部２５の温度は上昇していく。中央位置から仮留め部２５の全体に熱は伝達されていき、温度上昇部２７を形成する。図４に示されるように、グリーンレーザ光の出力（ＬＡＳＥＲ ＰＯＷＥＲ）は一定に保たれる。

図４に示されるように、仮留め部２５における温度上昇部２７の温度（ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ）がシリコンの融点を超えて沸点に至るまで、グリーンレーザ光の照射は維持される。その結果、図５に示されるように、仮留め部２５では溶融および蒸発が引き起こされる。こうして仮留め部２５は溶断される。グリーンレーザ光２８の照射は停止される。ここでは、グリーンレーザ光の照射時間は５７０ミリ秒程度に設定される。仮留め部２５の温度は下降する。

図６Ａ〜図６Ｅは本実施形態の微細加工物の製造方法における、微細加工物の断面の一例を示す模式図である。まず、図６Ａに示されるように、グリーンレーザ光２８が仮留め部２５の表面６３に照射される。すると、表面６３及びその周辺の温度が上昇し始め、温度上昇部２７が形成される。温度上昇部２７は図６Ｂに示されるように表面６３の中心から周辺へ向かって広がっていく。次いで、温度上昇部２７の温度が仮留め部の融点を超えると、図６Ｃに示すように、温度上昇部２７の一部が表面張力により中央に集まり、流動性を有する球状部６６を形成する。球状部６６の周辺部６７Ａ、６７Ｂはそれぞれくびれる。次いで、図６Ｄに示すように、球状部６６は分断され、溶融部６８Ａ、６８Ｂが形成される。溶融部６８Ａ及び６８Ｂの体積の比率は、球状部６６に働く表面張力及び重力、固体−液体間の界面張力等に依存する。このとき、仮留め部２５では仮留め部を構成する部材の溶融および蒸発が引き起こされるが、沸騰はしていない。仮留め部２５が分断された後、グリーンレーザ光２８の照射は停止される。レーザの照射停止後、溶融部６８Ａと６８Ｂは凝固する。そして、図６Ｅに示されるように、溶融部６８Ａは周辺部６７Ａと一体となり、変形部６９Ａを構成する。同様に、図６Ｅに示されるように、溶融部６８Ｂは周辺部６７Ｂと一体となり、変形部６９Ｂを構成する。

仮留め部２５で沸騰が引き起こされたり、仮留め部２５の周辺部が過熱されたりするのを防止するため、仮留め部２５が分断された後、速やかにレーザの照射を停止することが好ましい。速やかに照射を停止するため、予め、仮留め部２５にレーザを照射開始してから仮留め部２５が分断するまでの時間を調べておき、その時間をレーザ照射時間とすることができる。分断までの時間を調べる方法は特に限定されない。分断までの時間は、例えば、レーザ照射時間が異なる複数の微細加工物を準備し、仮留め部２５の画像を撮影し、その画像から仮留め部２５が分断されているか否かを判断することにより調べることができる。

続いて、ステージ１２は水平移動する。ステージ１２の移動に基づき光学系１４の光軸は、次の仮留め部２５に移動する。前述と同様に、仮留め部２５の溶断が実施される。こうしてすべてのＭＥＭＳミラーで仮留め部２５が溶断される。ＭＥＭＳミラーはミラーアレイに組み込まれる。ミラーアレイは光スイッチ素子に組み込まれる。こうして光スイッチ素子は製造される。

以上のような微細加工物の製造方法によれば、照射開始から溶断まで仮留め部２５に連続波のグリーンレーザ光が途切れなく照射され続ける。グリーンレーザ光は仮留め部２５に十分に吸収される。その結果、仮留め部２５の温度は徐々に上昇していく。仮留め部２５の急激な温度上昇は回避される。仮留め部２５では塵埃の発生は回避される。塵埃の飛散は確実に阻止される。加えて、仮留め部２５には衝撃は作用しないことから、仮留め部２５の破断は回避される。小片の飛散は確実に回避される。

その一方で、従来では、例えばマイクロ秒のパルス幅を有するＱスイッチ発振パルスレーザ光が照射される。このパルスレーザ光はｋＨｚの発振周波数を有する。図７に示されるように、レーザ光は間欠的に照射される。レーザ光は例えば数ｋＷの高い出力を有する。レーザ光の照射のたびに仮留め部２５の温度は急激に上昇する。こうした温度変化に基づき仮留め部２５では塵埃が発生してしまう。加えて、レーザ光の照射に基づき仮留め部２５に衝撃が加えられる。仮留め部２５は小片に破断してしまう。

レーザ加工装置１１では、前述のグリーンレーザ光に代えて擬似連続波のレーザ光が用いられてもよい。周知の通り、擬似連続波のパルス幅はこれまでのパルス波のパルス幅に比べて小さく設定される。パルス幅は例えば数十ｐｓに設定される。レーザ発振は数十ＭＨｚに設定される。ピークエネルギは数百Ｗ程度に設定される。しかも、擬似連続波の出力はこれまでのパルス波よりも抑制される。すなわち、レーザ光は擬似的に連続波を形成する。その他、例えば１ミリ秒以上のパルス幅を有するパルス波のレーザ光が用いられてもよい。このパルス波のレーザ光は例えば照射開始から溶断までの照射時間よりも大きいパルス幅を有すればよい。

ここで、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
（付記１）
少なくとも微細加工物の一部が溶融する水準にまで、該微細加工物の温度を上昇させるため、該微細加工物にレーザ光を照射する工程と、
前記微細加工物の少なくとも一部が分離するまで、該微細加工物の一部が溶融された状態を維持するようレーザの照射を継続する工程と
を備えることを特徴とする微細加工物の製造方法。
（付記２）
前記レーザ光が連続波であることを特徴とする付記１に記載の微細加工物の製造方法。
（付記３）
前記レーザ光が１ミリ秒以上のパルス幅を有するパルス波であり、前記レーザ光の照射時間が該パルス幅以下であることを特徴とする付記１に記載の微細加工物の製造方法。
（付記４）
前記レーザ光が擬似連続波であることを特徴とする付記１に記載の微細加工物の製造方法。
（付記５）
レーザ光を照射する間、前記微細加工物が切断されるまで前記微細加工物の温度を連続的に上昇させることを特徴とする付記１に記載の微細加工物の製造方法。
（付記６）
レーザ光を照射する間、前記微細加工物が切断されるまで前記微細加工物の温度が下がらないようにレーザ光を照射することを特徴とする付記１に記載の微細加工物の製造方法。
（付記７）
微細加工物に連続波のレーザ光を、レーザ光の照射開始から該微細加工物の溶断まで照射し続ける工程を備えることを特徴とする微細加工物の製造方法。
（付記８）
微細加工物に擬似連続波のレーザ光を、レーザ光の照射開始から該微細加工物の溶断まで照射し続ける工程を備えることを特徴とする微細加工物の製造方法。
（付記９）
微細加工物を加工するレーザ加工装置において、
前記微細加工物を配置するステージと、
前記微細加工物を切断するためのレーザ光を出射する照射源とを備え、
前記照射源は、少なくとも前記微細加工物の一部が溶融する水準にまで前記微細加工物の温度を上昇させるために、前記微細加工物にレーザ光を照射し、前記微細加工物の少なくとも一部が分離するまで前記微細加工物の一部が溶融された状態を維持するためにレーザ光の照射が継続するよう制御されることを特徴とするレーザ加工装置。
（付記１０）
前記レーザ光が連続波、あるいは擬似連続波であることを特徴とする付記９に記載のレーザ加工装置。
（付記１１）
前記レーザ光が１ミリ秒以上のパルス幅を有するパルス波であり、前記レーザ光の照射時間が該パルス幅以下であることを特徴とする付記９に記載のレーザ加工装置。
（付記１２）
微細加工物を受け止めるステージと、
前記微細加工物に連続波のレーザ光を、レーザ光の照射開始から前記微細加工物の溶断まで、照射し続ける照射源と
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。

本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置の構造を概略的に示す図である。 微細加工物の構造を概略的に示す部分拡大平面図である。 仮留め部にレーザ光を照射する様子を概略的に示す部分拡大斜視図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置でレーザ光の照射時間と微細加工物の温度およびレーザ光の出力との関係を示すグラフである。 仮留め部が溶断される様子を概略的に示す部分拡大斜視図である。 本実施形態の微細加工物の製造工程を示す断面模式図である。 従来のレーザ加工装置でレーザ光の照射時間と微細加工物の温度およびレーザ光の出力との関係を示すグラフである。

符号の説明

１１ レーザ加工装置
１２ ステージ
１４ 光学系
１５ 照射源（レーザ発振器）
１６ コリメータ
１７ 反射ミラー
１８、１９ 絞り
２１ レンズ
２２ 微細加工物（ワーク）
２３ 可動電極基板
２４ 可動電極
２５ 仮留め部
２６ スポット
２７ 温度上昇部
２８ グリーンレーザ光
６６ 球状部
６７Ａ、６７Ｂ 周辺部
６８Ａ、６８Ｂ 溶融部
６９Ａ、６９Ｂ 変形部

Claims (10)

1. 少なくとも微細加工物の一部が溶融する水準にまで、該微細加工物の温度を上昇させるため、該微細加工物にレーザ光を照射する工程と、
   前記微細加工物の少なくとも一部が分離するまで、該微細加工物の一部が溶融された状態を維持するようレーザの照射を継続する工程と
   を備えることを特徴とする微細加工物の製造方法。
2. 前記レーザ光が連続波であることを特徴とする請求項１に記載の微細加工物の製造方法。
3. 前記レーザ光が１ミリ秒以上のパルス幅を有するパルス波であり、前記レーザ光の照射時間が該パルス幅以下であることを特徴とする請求項１に記載の微細加工物の製造方法。
4. 前記レーザ光が擬似連続波であることを特徴とする請求項１に記載の微細加工物の製造方法。
5. レーザ光を照射する間、前記微細加工物が切断されるまで前記微細加工物の温度を連続的に上昇させることを特徴とする請求項１に記載の微細加工物の製造方法。
6. レーザ光を照射する間、前記微細加工物が切断されるまで前記微細加工物の温度が下がらないようにレーザ光を照射することを特徴とする請求項１に記載の微細加工物の製造方法。
7. 微細加工物に連続波のレーザ光を、レーザ光の照射開始から該微細加工物の溶断まで照射し続ける工程を備えることを特徴とする微細加工物の製造方法。
8. 微細加工物に擬似連続波のレーザ光を、レーザ光の照射開始から該微細加工物の溶断まで照射し続ける工程を備えることを特徴とする微細加工物の製造方法。
9. 微細加工物を加工するレーザ加工装置において、
   前記微細加工物を配置するステージと、
   前記微細加工物を切断するためのレーザ光を出射する照射源とを備え、
   前記照射源は、少なくとも前記微細加工物の一部が溶融する水準にまで前記微細加工物の温度を上昇させるために、前記微細加工物にレーザ光を照射し、前記微細加工物の少なくとも一部が分離するまで前記微細加工物の一部が溶融された状態を維持するためにレーザ光の照射が継続するよう制御されることを特徴とするレーザ加工装置。
10. 微細加工物を受け止めるステージと、
    前記微細加工物に連続波のレーザ光を、レーザ光の照射開始から前記微細加工物の溶断まで照射し続ける照射源と
    を備えることを特徴とするレーザ加工装置。