JP2009160625A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロデバイスの製造コストを低減することが容易で、かつ、マイクロデバイスの品質を高くすることが容易なレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】極短パルスレーザ発振装置１０と、集光レンズ４０と、被加工物載置テーブル４２と、回転板２２を高速回転することにより所定パルス数の極短パルスレーザ光Ｌを間欠的に通過させる第１光シャッタ装置２０と、回転板２２が１回転する期間よりも長い所定の期間、極短パルスレーザ光Ｌを遮断する機能を有する第２光シャッタ装置３２と、極短パルスレーザ発振装置１０からの極短パルスレーザ光Ｌの出力タイミングに同期して、第１光シャッタ装置２０の光シャッタ動作及び第２光シャッタ装置３２の光シャッタ動作を制御する機能を有する同期制御装置とを備えるレーザ加工装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

従来、成形基材の表面に集束イオンビームを照射してマイクロデバイスを製造するマイクロデバイスの製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。なお、本明細書において、マイクロデバイスとは、ＣＣＤイメージセンサや液晶パネルに用いられるマイクロレンズアレイ、μＴＡＳなどに用いられるマイクロチャネルなどの各種微細デバイス、及びこのような各種微細デバイスを高温プレス成形により製造する際に用いるマイクロ成形金型のことをいう。

図１４は、従来のマイクロ成形金型８００を説明するための図である。図１４（ａ）はマイクロ成形金型８００の斜視図であり、図１４（ｂ）はマイクロ成形金型８００の平面図であり、図１４（ｃ）は図１４（ｂ）のＡ_１−Ａ_１断面図であり、図１４（ｄ）は図１４（ｂ）のＡ_２−Ａ_２断面図である。
図１５は、従来のマイクロ成形金型の製造方法を説明するために示す図である。図１５（ａ１）〜図１５（ｅ１）は従来のマイクロ成形金型の製造方法の各工程における集束イオンビームの照射領域を示す図であり、図１５（ａ２）〜図１５（ｅ２）は従来のマイクロ成形金型の製造方法の各工程における成形基材８１０のＡ_１−Ａ_１断面図である。

従来のマイクロ成形金型８００は、マイクロレンズアレイを高温プレス成形により製造する際に用いるマイクロ成形金型であって、図１４に示すように、成形基材８１０の表面８１２に多数(例えば、１００万個以上。）のマイクロレンズ形成用凹部８３０が形成された構造を有するマイクロ成形金型である。マイクロレンズ形成用凹部８３０のピッチは例えば５μｍである。

従来のマイクロ成形金型の製造方法においては、図１５（ａ１）〜図１５（ｅ１）及び図１５（ａ２）〜図１５（ｅ２）に示すように、予め準備しておいた成形基材８１０の表面８１２に、複数ステップ（例えば、４０ステップ。）にわたって集束イオンビームＩＢを照射する。そして、その際、ステップを経るに従って徐々に照射面積を広げながら集束イオンビームＩＢを照射する。

このため、従来のマイクロ成形金型の製造方法によれば、複数ステップ（例えば、４０ステップ。）にわたって、徐々に照射面積を広げながら、成形基材８１０の表面８１２に集束イオンビームＩＢを照射するため、滑らかな表面形状のマイクロ成形金型８００を製造することができる。また、従来のマイクロ成形金型の製造方法によれば、集束イオンビームＩＢのビーム径を極細（例えば数ｎｍφ）にすることが可能であるため、この点からも滑らかな表面形状のマイクロ成形金型８００を製造することができる。

特開２００５−２３８７７０号公報

しかしながら、従来のマイクロ成形金型の製造方法においては、マイクロ成形金型を集束イオンビームＩＢを用いて形成することとしているため、集束イオンビームＩＢによる加工量が多く、所定の加工領域（例えば、数ｍｍ□。）を有するマイクロ成形金型を製造するのには長時間の加工時間が必要である。このため、従来のマイクロ成形金型の製造方法においては、マイクロ成形金型を製造する際の生産性が低いという問題がある。

そこで、マイクロ成形金型を、集束イオンビームＩＢを用いて形成する代わりに極短パルスレーザ光を用いて形成することが考えられる。このような方法とすることにより、マイクロ成形金型を製造する際の生産性を高くすることが可能となる。

図１６及び図１７は、このような方法によりマイクロ成形金型を製造するマイクロ成形金型の製造方法（以下、背景技術に係るマイクロ成形金型の製造方法という。）を説明するために示す図である。図１６（ａ）は背景技術に係るマイクロ成形金型の製造方法における成形基材９１０の移動動作の一例を示す図であり、図１６（ｂ）は背景技術に係るマイクロ成形金型の製造方法における成形基材９１０の移動動作の他の一例を示す図である。図１７（ａ）〜図１７（ｅ）は背景技術に係るマイクロ成形金型の製造方法の各工程における成形基材９１０の断面図である。図１８は、背景技術に係るマイクロ成形金型の製造方法に用いる極短パルスレーザ発振装置の動作を示す図である。
なお、図１６（ａ）又は図１６（ｂ）においては、固定した成形基材９１０に対して極短パルスレーザ光Ｌの光軸を移動させるように図示しているが（符号Ｓ_１及びＳ_２参照。）、実際には、極短パルスレーザ光Ｌの光軸を固定しておくとともに当該極短パルスレーザ光Ｌの光軸に対して成形基材９１０を移動させる。極短パルスレーザ光Ｌとしては、図１７に示すように、１回のレーザ照射により所定の加工形状を形成可能なビームプロファイルを有するものを用いる。

背景技術に係るマイクロ成形金型の製造方法は、図１６〜図１８に示すように、成形基材９１０の「行方向等速移動」、「行方向減速」、「次の行への移動・待機」及び「行方向加速」のタイミングに同期して成形基材９１０を連続的に又は間欠的に移動させながら極短パルスレーザ光Ｌを成形基材９１０（レーザ光照射領域Ｒ_Ｌ）に間欠的に照射することにより複数のマイクロレンズ形成用凹部９３０を順次形成し、マイクロ成形金型を形成する方法である。

このため、背景技術に係るマイクロ成形金型の製造方法によれば、マイクロ成形金型を、集束イオンビームＩＢを用いて形成する代わりに、１回のレーザ照射により所定の加工形状を形成可能なビームプロファイルを有する極短パルスレーザ光Ｌを用いて形成することとしているため、マイクロ成形金型を製造する際の生産性を高くすることが可能となる。

しかしながら、背景技術に係るマイクロ成形金型の製造方法においては、図１８に示すように、成形基材９１０の「行方向等速移動」、「行方向減速」、「次の行への移動・待機」及び「行方向加速」のタイミングに同期した適切なタイミングで成形基材９１０に極短パルスレーザ光Ｌを照射するためには、所定のタイミングで間欠的に極短パルスレーザ光を出力する極短パルスレーザ発振装置が必要となるが、そのような極短パルスレーザ発振装置は、極短パルスレーザ光を連続的に出力する極短パルスレーザ発振装置に比較して高価格であるため、マイクロ成形金型の製造コストを低減することが容易ではないという問題がある。また、所定のタイミングで間欠的に極短パルスレーザ光を出力する極短パルスレーザ発振装置は、極短パルスレーザ光を連続的に出力する極短パルスレーザ発振装置に比較して、出力が安定しないため、マイクロ成形金型の品質を高くすることが容易ではないという問題がある。

なお、このような問題は、マイクロ成形金型を製造する場合にのみ発生する問題ではなく、マイクロレンズアレイ、マイクロチャネルなどのマイクロデバイスその他のデバイスを極短パルスレーザ光を用いて製造する場合に共通する問題である。

そこで、本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、マイクロデバイスの製造コストを低減することが容易で、かつ、マイクロデバイスの品質を高くすることが容易なレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。

本発明のレーザ加工装置は、所定パルス間隔で極短パルスレーザ光を連続的に出力する極短パルスレーザ発振装置と、前記極短パルスレーザ発振装置からの極短パルスレーザ光を被加工物に集光させる集光レンズと、前記集光レンズからの極短パルスレーザ光の光軸に垂直な平面内で移動可能な被加工物載置テーブルとを備えるレーザ加工装置であって、前記極短パルスレーザ発振装置と前記集光レンズとの間に配置され、外周部の一部に光通過部を有する回転板を有し、前記回転板を高速回転することにより所定パルス数の極短パルスレーザ光を間欠的に通過させる第１光シャッタ装置と、前記第１光シャッタ装置の前段又は後段に配置され、前記回転板が１回転する期間よりも長い所定の期間、極短パルスレーザ光を遮断する機能を有する第２光シャッタ装置と、前記極短パルスレーザ発振装置からの極短パルスレーザ光の出力タイミングに同期して、前記第１光シャッタ装置の光シャッタ動作及び前記第２光シャッタ装置の光シャッタ動作を制御する機能を有する同期制御装置とをさらに備えることを特徴とする。

このため、本発明のレーザ加工装置によれば、極短パルスレーザ発振装置からの極短パルスレーザ光の出力タイミングに同期して、第１光シャッタ装置の光シャッタ動作及び第２光シャッタ装置の光シャッタ動作を制御することにより、所定のタイミングで間欠的に極短パルスレーザ光を出力することが可能となる。このため、本発明のレーザ加工装置は、極短パルスレーザ光を連続的に出力する極短パルスレーザ発振装置を用いてマイクロデバイスを製造することが可能となり、その結果、マイクロデバイスの製造コストを低減することが容易で、かつ、マイクロデバイスの品質を高くすることが容易なレーザ加工装置となる。

なお、本発明のレーザ加工装置においては、第１光シャッタ装置が、所定パルス間隔で連続的に出力される極短パルスレーザ光から所定パルス数の極短パルスレーザ光を間欠的に出力する機能を有するため、極短パルスレーザ光が出力されていない期間に被加工物載置テーブルを例えば単位長さだけ一方方向に移動させることが可能となる。その結果、極短パルスレーザ光を、一方方向に並んだ所定の加工対象部位の各々に対して所定回数ずつ照射することが可能となる（後述する図３の符号Ｃ_１及び符号Ｓ_１、図４の符号Ｓ_１並びに図８の符号Ｃ_１及び符号Ｓ_１参照。）。

また、本発明のレーザ加工装置においては、第２光シャッタ装置が、回転板が１回転する期間よりも長い所定の期間、極短パルスレーザ光を遮断する機能を有するため、極短パルスレーザ光が出力されていない比較的長い期間に、例えば被加工物載置テーブルを他方方向に移動させることにより、次の行の加工対象部位に対して極短パルスレーザ光を照射することが可能となる（後述する図３の符号Ｃ_２及び符号Ｓ_２、図４の符号Ｓ_２並びに図８の符号Ｃ_２及び符号Ｓ_２参照。）。

本発明のレーザ加工装置においては、前記第１光シャッタ装置の前段に配置され、極短パルスレーザ光のビームスポット位置を前記回転板の光通過部の位置に形成する凸レンズをさらに備えることが好ましい。

このような構成とすることにより、光通過部の大きさを小さくすることができるため、極短パルスレーザ光が光通過部を横切る期間を短くすることができる。このため、回転板の直径をそれほど大きくしなくても、また、回転板の回転数をそれほど高くしなくても、少ないパルス数（例えば１〜３パルス程度。）の極短パルスレーザ光を通過させることが可能となる。

本発明のレーザ加工装置においては、前記第１光シャッタ装置と前記集光レンズとの間に配置され、ピンホールを用いて極短パルスレーザ光のビーム形状を整形するピンホール型ビーム形状整形装置をさらに備えることが好ましい。

このような構成とすることにより、被加工物に集光される極短パルスレーザ光のビーム形状をきれいなものにすることが可能となり、マイクロデバイスの品質をさらに高くすることが可能となる。

本発明のレーザ加工装置においては、前記第１光シャッタ装置及び前記第２光シャッタ装置は、いずれも前記ピンホール型ビーム形状整形装置における前記ピンホールよりも前段に配置されていることが好ましい。

このような構成とすることにより、第１光シャッタ装置及び第２光シャッタ装置の存在によって極短パルスレーザ光のビームプロファイルが乱れてしまうことがなくなる。

本発明のレーザ加工装置においては、前記第２光シャッタ装置は、メカニカルシャッタであってもよいし、液晶シャッタであってもよい。

本発明のレーザ加工装置においては、前記極短パルスレーザ発振装置は、フェムト秒レーザ発振装置であることが好ましい。

フェムト秒レーザ発振装置は、レーザ加工時における熱の発生が極めて少ないという特徴を有する。このため、極短パルスレーザ発振装置としてフェムト秒レーザ発振装置を用いることにより、高精度のレーザ加工を行うことが可能となる。

本発明のレーザ加工装置においては、前記同期制御装置は、前記極短パルスレーザ発振装置からの極短パルスレーザ光の出力タイミングに同期して前記被加工物載置テーブルの移動動作を制御する機能をさらに有することが好ましい。

このような構成とすることにより、極短パルスレーザ発振装置からの極短パルスレーザ光の出力タイミングに同期して、第１光シャッタ装置の光シャッタ動作及び第２光シャッタ装置の光シャッタ動作並びに前記被加工物載置テーブルの移動動作を制御することにより、被加工物載置テーブルの移動動作に合致した所定のタイミングで間欠的に極短パルスレーザ光を出力することが可能となる。このため、本発明のレーザ加工装置は、極短パルスレーザ光を連続的に出力する極短パルスレーザ発振装置を用いてマイクロデバイスを製造することが可能となり、その結果、マイクロデバイスの製造コストを低減することが容易で、かつ、マイクロデバイスの品質を高くすることが容易なレーザ加工装置となる。

本発明のレーザ加工方法は、本発明のレーザ加工装置における前記被加工物載置テーブルに被加工物を載置する工程と、前記極短パルスレーザ発振装置からの極短パルスレーザ光の出力タイミングに同期して、前記第１光シャッタ装置の光シャッタ動作及び前記第２光シャッタ装置の光シャッタ動作並びに前記被加工物載置テーブルの移動動作を制御することにより被加工物に順次極短パルスレーザ光を照射して被加工物のレーザ加工（穴明け、整形、切断など）を行う加工工程とをこの順序で含むことを特徴とする。

このため、本発明のレーザ加工方法によれば、極短パルスレーザ発振装置からの極短パルスレーザ光の出力に同期して、第１光シャッタ装置の光シャッタ動作及び第２光シャッタ装置の光シャッタ動作並びに被加工物載置テーブルの移動動作を制御することにより、被加工物載置テーブルの移動動作に合致した所定のタイミングで間欠的に極短パルスレーザ光を出力することが可能となる。このため、本発明のレーザ加工方法は、極短パルスレーザ光を連続的に出力する極短パルスレーザ発振装置を用いてマイクロデバイスを製造することが可能となり、その結果、マイクロデバイスの製造コストを低減することが容易で、かつ、マイクロデバイスの品質を高くすることが容易なレーザ加工方法となる。

以下、本発明のレーザ加工装置及びレーザ加工方法について、図に示す実施の形態に基づいて説明する。

［実施形態１］
実施形態１は、本発明のレーザ加工装置及びレーザ加工方法並びに本発明のレーザ加工装置を用いたマイクロ成形金型の製造方法（実施形態１に係るマイクロ成形金型の製造方法）を説明するための実施形態である。

図１は、実施形態１に係るレーザ加工装置１を説明するために示す図である。図１（ａ）はレーザ加工装置１の全体構成を示す図であり、図１（ｂ）は第１光シャッタ装置２０の斜視図である。図２は、第１光シャッタ装置２０の光シャッタ動作を説明するために示す図である。図３は、第２光シャッタ装置３４の光シャッタ動作を説明するために示す図である。

実施形態１に係るレーザ加工装置１は、図１に示すように、極短パルスレーザ発振装置１０と、極短パルスレーザ発振装置１０からの極短パルスレーザ光Ｌを被加工物に集光させる集光レンズ４２と、集光レンズ４２からの極短パルスレーザ光Ｌの光軸に垂直な平面内で移動可能な被加工物載置テーブル４４と、極短パルスレーザ発振装置１０と集光レンズ４２との間に配置される第１光シャッタ装置２０と、第１光シャッタ装置２０の後段に配置される第２光シャッタ装置３４と、極短パルスレーザ発振装置１０からの極短パルスレーザ光Ｌの出力タイミングに同期して、第１光シャッタ装置２０の光シャッタ動作及び第２光シャッタ装置３４の光シャッタ動作並びに被加工物載置テーブル４４の移動動作を制御する機能を有する同期制御装置（図示せず。）とを備える。

極短パルスレーザ発振装置１０は、図２に示すように、所定パルス間隔（５μｓ、発振周波数：２００ｋＨｚ）で極短パルスレーザ光Ｌ（パルス幅：９００ｆｓ）を連続的に出力するフェムト秒レーザ発振装置である。極短パルスレーザ光Ｌの波長は１５６０ｎｍであり、ビーム径は２ｍｍφである。極短パルスレーザ発振装置１０は、例えばアイシン精機株式会社から購入することができる。

第１光シャッタ装置２０は、外周部の一部に光通過部（開口部）２４を有する回転板２２及び回転板２２を回転させるモータ２６を有し、回転板２２を高速回転（例えば１００００ｒｐｍ。）することにより所定パルス数（１パルス）の極短パルスレーザ光Ｌを間欠的に通過させる機能を有する（図２参照。）。回転板２２は直径１１０ｍｍの銅板からなる。光通過部２４は、回転軸から５０ｍｍ離れた位置に形成され、円周方向に沿って２６２μｍの幅を有する略長方形の開口からなる。光通過部２４を通過する箇所における極短パルスレーザ光Ｌのビーム径は例えば５０μｍである。

第２光シャッタ装置３４は、図３に示すように、回転板２２が１回転する期間（例えば６ｍｓ）よりも長い所定の期間（図３の符号Ｃ_２参照。）、極短パルスレーザ光Ｌを遮断する機能を有する。第２光シャッタ装置３４としては、シャッタの開閉時間が例えば１ｍｓ程度のメカニカルシャッタを用いる。

集光レンズ４２は、対物レンズからなり、極短パルスレーザ光Ｌを数μｍ程度の小さなビームに集光する能力を有する。

被加工物載置テーブル４４は、集光レンズ４２からの極短パルスレーザ光Ｌの光軸に垂直な平面内で互いに直交する２軸に沿って移動可能に構成されている。また、被加工物載置テーブル４４は、集光レンズ４２からの極短パルスレーザ光Ｌの光軸に沿った方向にも移動可能に構成されている。

なお、実施形態１に係るレーザ加工装置１においては、極短パルスレーザ発振装置１０と第１光シャッタ装置２０との間に、２つのλ／２板１２，１６及び偏光ビームスプリッタ１４が配置されている。λ／２板１２及び偏光ビームスプリッタ１４は、λ／２板１２を光軸の周りに回転させることによりアッテネータとして機能する。λ／２板１６は、λ／２板１６を回転させることにより偏光面回転素子として機能する。

また、実施形態１に係るレーザ加工装置１においては、第１凸レンズ１８及び第２凸レンズ２８が、第１光シャッタ装置２０の前段及び後段に配置されている。第１凸レンズ１８は、極短パルスレーザ光Ｌのビームスポット位置を回転板２２の光通過部２４の位置に形成する機能を有する。第２凸レンズ２８は、極短パルスレーザ光Ｌを略平行な光にする機能を有する。

実施形態１に係るレーザ加工装置１は、第１光シャッタ装置２０と集光レンズ４２との間に配置され、ピンホール３６を用いて極短パルスレーザ光Ｌのビーム形状を整形するピンホール型ビーム形状整形装置３０をさらに備える。このピンホール型ビーム形状整形装置３０は、極短パルスレーザ光を集光する第３凸レンズ３２と、第３凸レンズ３２の後段に位置し、極短パルスレーザ光Ｌのビームスポット位置に配置されたピンホール３６と、ピンホール３６の後段に配置され、極短パルスレーザ光Ｌを略平行な光にする第４凸レンズ３８とを有する。ピンホール３６の開口は直径５０μｍである。第３凸レンズ３２及び第４凸レンズ３８は、ビームエクスパンダ機能を有し、ビーム径２ｍｍの極短パルスレーザ光Ｌのビーム径を８ｍｍにして射出する機能を有する。

ピンホール型ビーム形状整形装置３０から射出された極短パルスレーザ光Ｌは、ミラー４０によって下方に反射され、被加工物載置テーブル４４に載置されている被加工物としての成形基材１１０に照射される。

以上のように構成された実施形態１に係るレーザ加工装置１によれば、外周部の一部に光通過部２４を有する回転板２２を有し、回転板２２高速回転することにより所定パルス数の極短パルスレーザ光Ｌを間欠的に通過させる第１光シャッタ装置２０と、第１光シャッタ装置２０の後段に配置され、回転板２２が１回転する期間よりも長い所定の期間、極短パルスレーザ光Ｌを遮断する機能を有する第２光シャッタ装置３４と、極短パルスレーザ発振装置１０からの極短パルスレーザ光Ｌの出力タイミングに同期して、第１光シャッタ装置２０の光シャッタ動作及び第２光シャッタ装置３４の光シャッタ動作を制御する機能を有する同期制御装置とを備えるため、極短パルスレーザ発振装置１０からの極短パルスレーザ光Ｌの出力タイミングに同期して、第１光シャッタ装置２０の光シャッタ動作及び第２光シャッタ装置３４の光シャッタ動作を制御することにより、所定のタイミングで間欠的に極短パルスレーザ光を出力することが可能となる。このため、実施形態１に係るレーザ加工装置１は、極短パルスレーザ光を連続的に出力する極短パルスレーザ発振装置１０を用いてマイクロデバイスを製造することが可能となり、その結果、マイクロデバイスの製造コストを低減することが容易で、かつ、マイクロデバイスの品質を高くすることが容易なレーザ加工装置となる。

また、実施形態１に係るレーザ加工装置１によれば、極短パルスレーザ光Ｌのビームスポット位置を回転板２２の光通過部２４の位置に形成する第１凸レンズ１８をさらに備えるため、光通過部２４の大きさを小さくすることができ、極短パルスレーザ光Ｌが光通過部２４を横切る期間を短くすることができる。このため、回転板２２の直径をそれほど大きくしなくても、また、回転板２２の回転数をそれほど高くしなくても、少ないパルス数（例えば１〜３パルス程度。）の極短パルスレーザ光Ｌを通過させることが可能となる。

また、実施形態１に係るレーザ加工装置１によれば、ピンホール３６を用いて極短パルスレーザ光Ｌのビーム形状を整形するピンホール型ビーム形状整形装置３０をさらに備えるため、被加工物に集光される極短パルスレーザ光Ｌのビーム形状をきれいなものにすることが可能となり、マイクロデバイスの品質をさらに高くすることが可能となる。

また、実施形態１に係るレーザ加工装置１によれば、第１光シャッタ装置２０及び第２光シャッタ装置３４は、いずれもピンホール型ビーム形状整形装置３０におけるピンホール３６よりも前段に配置されているため、第１光シャッタ装置２０及び第２光シャッタ装置３４の存在によって極短パルスレーザ光Ｌのビームプロファイルが乱れてしまうことがなくなる。

また、実施形態１に係るレーザ加工装置１によれば、極短パルスレーザ発振装置１０がフェムト秒レーザ発振装置であるため、レーザ加工時における熱の発生が極めて少なくなり、高精度のレーザ加工を行うことが可能となる。

また、実施形態１に係るレーザ加工装置１によれば、同期制御装置は、極短パルスレーザ発振装置１０からの極短パルスレーザ光Ｌの出力タイミングに同期して被加工物載置テーブル４４の移動動作を制御する機能をさらに有するため、被加工物載置テーブル４４の移動動作に合致した所定のタイミングで間欠的に極短パルスレーザ光Ｌを出力することが可能となる。このため、実施形態１に係るレーザ加工装置１は、極短パルスレーザ光Ｌを連続的に出力する極短パルスレーザ発振装置１０を用いてマイクロデバイスを製造することが可能となり、その結果、マイクロデバイスの製造コストを低減することが容易で、かつ、マイクロデバイスの品質を高くすることが容易なレーザ加工装置となる。

なお、実施形態１に係るレーザ加工装置１用いることにより、被加工物載置テーブル４４に被加工物としての成形基材１１０を載置する工程と、極短パルスレーザ発振装置１０からの極短パルスレーザ光Ｌの出力タイミングに同期して、第１光シャッタ装置２０の光シャッタ動作及び第２光シャッタ装置３４の光シャッタ動作並びに被加工物載置テーブル４４の移動動作を制御することにより成形基材１１０に順次極短パルスレーザ光Ｌを照射して被加工物のレーザ加工（例えば、穴明け、整形、切断など。）を行う加工工程とをこの順序で含むレーザ加工方法を実施することが可能となる。

このため、実施形態１に係るレーザ加工方法によれば、極短パルスレーザ発振装置１０からの極短パルスレーザ光Ｌの出力タイミングに同期して、第１光シャッタ装置２０の光シャッタ動作及び第２光シャッタ装置３４の光シャッタ動作並びに被加工物載置テーブル４４の移動動作を制御することにより、所定のタイミングで間欠的に極短パルスレーザ光を出力することが可能となる。このため、実施形態１に係るレーザ加工方法は、極短パルスレーザ光Ｌを連続的に出力する極短パルスレーザ発振装置１０を用いてマイクロデバイスを製造することが可能となり、その結果、マイクロデバイスの製造コストを低減することが容易で、かつ、マイクロデバイスの品質を高くすることが容易なレーザ加工方法となる。

次に、実施形態１に係るレーザ加工装置１を用いたマイクロ成形金型の製造方法（実施形態１に係るマイクロ成形金型の製造方法）を説明する。
図４及び図５は、実施形態１に係るマイクロ成形金型の製造方法を説明するために示す図である。図４（ａ）は実施形態１に係るマイクロ成形金型の製造方法における成形基材１１０の移動動作の一例を示しており、図４（ｂ）は実施形態１に係るマイクロ成形金型の製造方法における成形基材１１０の移動動作の他の一例を示している。図５（ａ）〜図５（ｅ）は実施形態１に係るマイクロ成形金型の製造方法の各工程における成形基材１１０の断面図である。なお、図４及び図５においては、マイクロレンズ形成用凹部１３０は、説明を簡単にするため、４行×４列の１６個のみが形成されているものとして図示している。また、図５中、符号Ｌは極短パルスレーザ光を示し、符号Ｂで囲まれた部分における符号ＢＰは極短パルスレーザ光Ｌのビームプロファイルを示す。また、図４（ａ）又は図４（ｂ）においては、固定した成形基材１１０に対して極短パルスレーザ光Ｌの光軸を移動させるように図示しているが（符号Ｓ_１及びＳ_２参照。）、実際には、極短パルスレーザ光Ｌの光軸を固定しておくとともに当該極短パルスレーザ光Ｌの光軸に対して成形基材１１０を移動させる。

実施形態１に係るマイクロ成形金型の製造方法は、成形基材準備工程と、レーザ加工工程とをこの順序で実施する。以下、これら各工程について図面を参照しながら説明する。

１．成形基材準備工程
まず、ガラス状カーボン含有材料からなる成形基材１１０を準備する。ガラス状カーボン含有材料は、熱硬化性樹脂を無酸素状態で加熱して製造することができ、強度及び硬度に優れ、さらにはガラスとの離型性に優れた材料として知られている。実施形態１においては、熱硬化性樹脂にカーボンナノファイバを添加したものを無酸素状態で加熱して製造されるものを用いる。従って、成形基材１１０は、ガラス状カーボンに加えてカーボンナノファイバを含有するガラス状カーボン含有材料からなる。成形基材１１０の平面形状は、平板状（例えば、１２ｍｍ□×３ｍｍ厚。）である。

２．レーザ加工工程
次に、上記したレーザ加工装置１を用いて成型基材１１０の表面１１２をレーザ加工する。レーザ加工工程においては、図４（ａ）又は図４（ｂ）に示すように、成形基材１１０を連続的に又は間欠的に移動させながら極短パルスレーザ光Ｌを成形基材１１０（レーザ光照射領域Ｒ_Ｌ）に間欠的に照射することにより複数のマイクロレンズ形成用凹部１３０を順次形成し、マイクロ成形金型を形成する。極短パルスレーザ光Ｌとしては、図５に示すように、１回のレーザ照射により所定の加工形状を形成可能なビームプロファイルを有するものを用いる。

実施形態１に係るマイクロ成形金型の製造方法は、基本的には背景技術に係るマイクロ成形金型の製造方法とほぼ同様の工程を含むが、用いるレーザ加工装置が実施形態１に係るレーザ加工装置１（図１参照。）である点で、背景技術に係るマイクロ成形金型の製造方法の場合と異なる。

このため、実施形態１に係るマイクロ成形金型の製造方法によれば、上記したレーザ加工装置１を用いてマイクロ成形金型を製造することとしているため、極短パルスレーザ光Ｌを連続的に出力する極短パルスレーザ発振装置１０を用いてマイクロデバイスを製造することが可能となり、その結果、マイクロ成形金型の製造コストを低減することが容易で、かつ、マイクロ成形金型の品質を高くすることが容易なマイクロ成形金型の製造方法となる。

［実施形態２］
実施形態２は、本発明のレーザ加工装置を用いたマイクロ成形金型の製造方法（実施形態２に係るマイクロ成形金型の製造方法）を説明するための実施形態である。

図６は、実施形態２に係るレーザ加工装置１ａを説明するために示す図である。図６（ａ）はレーザ加工装置１ａの全体構成を示す図であり、図６（ｂ）は第１光シャッタ装置２０ａの斜視図である。図７は、実施形態２における第１光シャッタ装置２０ａの光シャッタ動作を説明するために示す図である。図８は、実施形態２における第２光シャッタ装置３４の光シャッタ動作を説明するために示す図である。図９は、実施形態２に係るマイクロ成形金型の製造方法を説明するために示す図である。図９（ａ）〜図９（ｅ）は実施形態２に係るマイクロ成形金型の製造方法の各工程における成形基材２１０の断面図である。

実施形態２に係るマイクロ成形金型の製造方法は、用いるレーザ加工装置における第１光シャッタ装置の構成及び第１光シャッタ装置を通過する極短パルスレーザ光Ｌの構成が実施形態１に係るマイクロ成形金型の製造方法の場合と異なる。

すなわち、実施形態２に係るマイクロ成形金型の製造方法においては、図６に示すように、円周方向に沿って７８６μｍの幅（実施形態１の場合の３倍の幅）を有する光通過部２４ａを有する回転板２２ａを有する第１光シャッタ装置２０ａを備えるレーザ加工装置を用いる。第１光シャッタ装置２０ａは、回転板２２ａを高速回転（例えば１００００ｒｐｍ。）することにより複数パルス数（３パルス）の極短パルスレーザ光Ｌを間欠的に通過させる機能を有する（図７及び図８参照。）。

また、実施形態２に係るマイクロ成形金型の製造方法においては、図８及び図９に示すように、第２光シャッタ装置３４を通過する極短パルスレーザ光Ｌとして、複数回（例えば３回）のレーザ照射により所定の加工形状を形成可能なビームプロファイルを有するものを用いる。

このように、実施形態２に係るマイクロ成形金型の製造方法は、用いるレーザ加工装置における第１光シャッタ装置の構成及び第１光シャッタ装置を通過する極短パルスレーザ光Ｌの構成が実施形態１に係るマイクロ成形金型の製造方法の場合と異なるが、実施形態１に係るマイクロ成形金型の製造方法の場合と同様に、極短パルスレーザ発振装置１０からの極短パルスレーザ光Ｌの出力タイミングに同期して、第１光シャッタ装置２０ａの光シャッタ動作及び第２光シャッタ装置３４の光シャッタ動作を制御することにより、所定のタイミングで間欠的に極短パルスレーザ光を出力することが可能となる。このため、実施形態２に係るマイクロ成形金型の製造方法は、極短パルスレーザ光を連続的に出力する極短パルスレーザ発振装置１０を用いてマイクロ成形金型を製造することが可能となり、その結果、マイクロ成形金型の製造コストを低減することが容易で、かつ、マイクロ成形金型の品質を高くすることが容易なマイクロ成形金型の製造方法となる。

また、実施形態２に係るマイクロ成形金型の製造方法は、極短パルスレーザ光Ｌとして、複数回（例えば３回）のレーザ照射により所定の加工形状を形成可能なビームプロファイルを有するものを用いるため、実施形態１に係るマイクロ成形金型の製造方法では製造困難な形態のマイクロ成形金型をも製造可能なマイクロ成形金型の製造方法となる。

なお、実施形態２に係るマイクロ成形金型の製造方法は、用いるレーザ加工装置における第１光シャッタ装置の構成及び第１光シャッタ装置を通過する極短パルスレーザ光Ｌの構成以外の点については実施形態１に係るマイクロ成形金型の製造方法の場合と同様の方法であるため、実施形態１に係るマイクロ成形金型の製造方法が有する効果のうち該当する効果を有する。

［実施形態３］
実施形態３は、本発明のレーザ加工装置を用いたマイクロチャネルの製造方法（実施形態３に係るマイクロチャネルの製造方法）を説明するための実施形態である。

図１０及び図１１は、実施形態３に係るマイクロチャネルの製造方法を説明するために示す図である。図１０（ａ１）及び図１０（ｂ１）は実施形態３に係るマイクロチャネルの製造方法における各工程図（斜視図）であり、図１０（ａ２）及び図１０（ｂ２）は実施形態３に係るマイクロチャネルの製造方法における各工程図（断面図）である。図１１（ａ）〜図１１（ｆ）は実施形態３に係るマイクロチャネルの製造方法における各工程を説明するために示す工程図（平面図）であり、図１１（ａ１）〜図１１（ａ４）は図１１（ａ）をさらに詳細に示す工程図（断面図）であり、図１１（ｂ１）〜図１１（ｂ４）は図１１（ｂ）をさらに詳細に示す工程図（断面図）である。なお、図１１（ａ１）〜図１１（ａ４）は、図１１（ａ）に示す成形基材３１０を長辺方向に沿って見たときの断面図であり、図１１（ｂ１）〜図１１（ｂ４）は、図１１（ｂ）に示す成形基材３１０を短辺方向に沿って見たときの断面図である。

実施形態３に係るマイクロチャネルの製造方法は、成形基材準備工程と、レーザ加工工程とをこの順序で実施する。以下、これら各工程について図面を参照しながら説明する。

１．成形基材準備工程
まず、硼珪酸ガラスからなる成形基材３１０を準備する（図１０（ａ１）及び図１０（ａ２）参照。）。成形基材３１０の形状は、平板状（例えば、１５ｍｍ×５ｍｍ×１．５ｍｍ厚。）である。

２．レーザ加工工程
次に、レーザ加工装置１ｂ（図示せず。）を用いて成型基材３１０の表面３１２をレーザ加工する（図１０（ｂ１）及び図１０（ｂ２）参照。）。レーザ加工装置１ｂは、実施形態２に係るレーザ加工装置１ａと同様のレーザ加工装置である。レーザ加工工程においては、図１１に示すように、成形基材３１０の表面３１２におけるレーザ光照射領域Ｒ_Ｌに極短パルスレーザ光Ｌを照射して、マイクロチャネル用凹部３３０（例えば、幅５０μｍ、深さ５０μｍ。）を順次形成することにより、マイクロチャネル３３０を形成する。

マイクロチャネル用凹部３３０は、図１１に示すように、成形基材３１０の表面３１２に、複数回（例えば３回）のレーザ照射により所定の加工形状を形成可能なビームプロファイルＢＰを有する略矩形状の極短パルスレーザ光Ｌを、同一のレーザ光照射領域Ｒ_Ｌについて複数回（例えば３回）照射することにより形成される。

実施形態３に係るマイクロチャネルの製造方法においては、以上の工程を経て、マイクロチャネル３００が製造される。

このように、実施形態３に係るマイクロチャネルの製造方法は、製造対象製品が、実施形態１又は２に係るマイクロ成形金型の製造方法の場合とは異なるが、実施形態１又は２に係るマイクロ成形金型の製造方法の場合と同様に、極短パルスレーザ発振装置１０からの極短パルスレーザ光Ｌの出力タイミングに同期して、第１光シャッタ装置２０ａの光シャッタ動作及び第２光シャッタ装置３４の光シャッタ動作並びに被加工物載置テーブル４４を制御することにより、所定のタイミングで間欠的に極短パルスレーザ光を出力することが可能となる。このため、実施形態３に係るマイクロチャネルの製造方法は、極短パルスレーザ光を連続的に出力する極短パルスレーザ発振装置１０を用いてマイクロチャネルを製造することが可能となり、その結果、マイクロチャネルの製造コストを低減することが容易で、かつ、マイクロチャネルの品質を高くすることが容易なマイクロチャネルの製造方法となる。

なお、実施形態３に係るマイクロチャネルの製造方法は、製造対象製品が異なる点以外の点については、実施形態１又は２に係るマイクロ成形金型の製造方法の場合と同様の製造方法であるため、実施形態１又は２に係るマイクロ成形金型の製造方法が有する効果のうち該当する効果を有する。

以上、本発明のレーザ加工装置及びレーザ加工方法を上記の各実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。

（１）各実施形態に係るレーザ加工装置は、第２光シャッタ装置３４としてメカニカルシャッタを用いているが、本発明はこれに限定されるものではない。図１２は、変形例に係るレーザ加工装置１ｃを説明するために示す図である。図１２に示すように、例えば、第２光シャッタ装置４６として、高速で光を遮断可能な液晶シャッタを用いることもできる。この場合、第２光シャッタ装置４６は、極短パルスレーザ光Ｌが絞られていない位置に配置することが好ましい。

（２）各実施形態に係るレーザ加工装置においては、第２凸レンズ２８と第３凸レンズ３２とが別体として構成されているが、本発明はこれに限定されるものではない。図１３は、変形例に係る他のレーザ加工装置１ｄを説明するために示す図である。図１３に示すように、例えば、第２凸レンズ２８及び第３凸レンズ３２に代えて、第２凸レンズ２８の機能と第３凸レンズ３２の機能を併せ持つ１個の凸レンズ４８を用いることもできる。

（３）実施形態２に係るレーザ加工装置１ａにおいては、円周方向に沿って７８６μｍの幅（実施形態１の場合の３倍の幅）を有する光通過部２４ａを有する回転板２２ａを用いているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、実施形態１で用いた回転板２２をそのまま用いることもできる。この場合、回転板２２を実施形態１の場合の１／３の回転速度（約３３３３ｒｐｍ。）で回転させることにより、実施形態２に係るレーザ加工装置１ａの場合と同様の極短パルスレーザ光Ｌ（図７及び図８参照。）を出力することができる。

（４）実施形態１又は２に係るマイクロ成形金型の製造方法においては、被加工物載置テーブル４４を行方向に等速移動させながら極短パルスレーザ光Ｌを順序照射することによりマイクロレンズ形成用凹部を行方向に順次形成しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、被加工物載置テーブル４４を行方向に間欠的に移動させ、それに同期して極短パルスレーザ光Ｌを間欠的に照射することによりマイクロレンズ形成用凹部を行方向に順次形成するようにしてもよい。この場合、第２光シャッタ装置３４は、一のマイクロレンズ形成用凹部を形成した後、隣り合うマイクロレンズ形成用凹部を形成するために成形基材を行方向に移動させる期間においても、極短パルスレーザ光Ｌを遮断するようにする。

（５）実施形態１又は２に係るマイクロ成形金型の製造方法においては、カーボンナノファイバを含有するガラス状カーボン含有材料からなる成形基材１１０を用いているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、カーボンナノファイバを含有しないガラス状カーボン含有材料からなる成形基材１１０を用いることもできる。

実施形態１に係るレーザ加工装置１を説明するために示す図である。 第１光シャッタ装置２０の光シャッタ動作を説明するために示す図である。 第２光シャッタ装置３４の光シャッタ動作を説明するために示す図である。 実施形態１に係るマイクロ成形金型の製造方法を説明するために示す図である。 実施形態１に係るマイクロ成形金型の製造方法を説明するために示す図である。 実施形態２に係るレーザ加工装置１ａを説明するために示す図である。 実施形態２における第１光シャッタ装置２０ａの光シャッタ動作を説明するために示す図である。 実施形態２における第２光シャッタ装置３４の光シャッタ動作を説明するために示す図である。 実施形態２に係るマイクロ成形金型の製造方法を説明するために示す図である。 実施形態３に係るマイクロチャネルの製造方法を説明するために示す図である。 実施形態３に係るマイクロチャネルの製造方法を説明するために示す図である。 変形例に係るレーザ加工装置１ｃを説明するために示す図である。 変形例に係る他のレーザ加工装置１ｄを説明するために示す図である。 従来のマイクロ成形金型８００を説明するための図である。 従来のマイクロ成形金型の製造方法を説明するために示す図である。 背景技術に係るマイクロ成形金型の製造方法を説明するために示す図である。 背景技術に係るマイクロ成形金型の製造方法を説明するために示す図である。 背景技術に係るマイクロ成形金型の製造方法に用いる極短パルスレーザ発振装置の動作を示す図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ…レーザ加工装置、１０…極短パルスレーザ発振装置、１２，１６…λ／２板、１４…偏光ビームスプリッタ、１８…第１凸レンズ、２０，２０ａ…第１光シャッタ装置、２２，２２ａ…回転板、２４，２４ａ…光通過部、２６…モータ、２８…第２凸レンズ、３０，３０ｄ…ピンホール型ビーム形状整形装置、３２…第３凸レンズ、３４，４６…第２光シャッタ装置、３６…ピンホール、３８…第４凸レンズ、４０…ミラー、４２…集光レンズ、４４…被加工物載置テーブル、４８…凸レンズ、１００，２００，８００，９００…マイクロ成形金型、１１０，２１０，３１０，８１０，９１０…成形基材、１１２，２１２，３１２，８１２，９１２…成形基材の表面、１３０，２３０，８３０，９３０…マイクロレンズ形成用凹部、３００…マイクロチャネル、３３０…マイクロチャネル用凹部、８２０…凹部、ＢＰ…極短パルスレーザ光のビームプロファイル、Ｌ…極短パルスレーザ光、ＩＢ…集束イオンビーム、Ｒ_Ｌ…レーザ光照射領域、Ｒ_ＩＢ…集束イオンビーム照射領域

Claims (9)

1. 所定パルス間隔で極短パルスレーザ光を連続的に出力する極短パルスレーザ発振装置と、
   前記極短パルスレーザ発振装置からの極短パルスレーザ光を被加工物に集光させる集光レンズと、
   前記集光レンズからの極短パルスレーザ光の光軸に垂直な平面内で移動可能な被加工物載置テーブルとを備えるレーザ加工装置であって、
   前記極短パルスレーザ発振装置と前記集光レンズとの間に配置され、外周部の一部に光通過部を有する回転板を有し、前記回転板を高速回転することにより所定パルス数の極短パルスレーザ光を間欠的に通過させる第１光シャッタ装置と、
   前記第１光シャッタ装置の前段又は後段に配置され、前記回転板が１回転する期間よりも長い所定の期間、極短パルスレーザ光を遮断する機能を有する第２光シャッタ装置と、
   前記極短パルスレーザ発振装置からの極短パルスレーザ光の出力タイミングに同期して、前記第１光シャッタ装置の光シャッタ動作及び前記第２光シャッタ装置の光シャッタ動作を制御する機能を有する同期制御装置とをさらに備えることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 請求項１に記載のレーザ加工装置において、
   前記第１光シャッタ装置の前段に配置され、極短パルスレーザ光のビームスポット位置を前記回転板の光通過部の位置に形成する凸レンズをさらに備えることを特徴とするレーザ加工装置。
3. 請求項１又は２に記載のレーザ加工装置において、
   前記第１光シャッタ装置と前記集光レンズとの間に配置され、ピンホールを用いて極短パルスレーザ光のビーム形状を整形するピンホール型ビーム形状整形装置をさらに備えることを特徴とするレーザ加工装置。
4. 請求項３に記載のレーザ加工装置において、
   前記第１光シャッタ装置及び前記第２光シャッタ装置は、いずれも前記ピンホール型ビーム形状整形装置における前記ピンホールよりも前段に配置されていることを特徴とするレーザ加工装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ加工装置において、
   前記第２光シャッタ装置は、メカニカルシャッタであることを特徴とするレーザ加工装置。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ加工装置において、
   前記第２光シャッタ装置は、液晶シャッタであることを特徴とするレーザ加工装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ加工装置において、
   前記極短パルスレーザ発振装置は、フェムト秒レーザ発振装置であることを特徴とするレーザ加工装置。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載のレーザ加工装置において、
   前記同期制御装置は、前記極短パルスレーザ発振装置からの極短パルスレーザ光の出力タイミングに同期して前記被加工物載置テーブルの移動動作を制御する機能をさらに有することを特徴とするレーザ加工装置。
9. 請求項８に記載のレーザ加工装置における前記被加工物載置テーブルに被加工物を載置する工程と、
   前記極短パルスレーザ発振装置からの極短パルスレーザ光の出力タイミングに同期して、前記第１光シャッタ装置の光シャッタ動作及び前記第２光シャッタ装置の光シャッタ動作並びに前記被加工物載置テーブルの移動動作を制御することにより被加工物に順次極短パルスレーザ光を照射して被加工物のレーザ加工を行う加工工程とをこの順序で含むことを特徴とするレーザ加工方法。