JP2011000631A - レーザー加工方法およびレーザー加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】テラヘルツ領域と可視光領域の両領域の光を透過する被加工物の表面および内部に短時間かつ高効率で微細加工を行うことのできるレーザー加工方法とレーザー加工装置とを提供することを目的とする。
【解決手段】レーザー光Ｌに対して多重焦点を形成し、レーザー光Ｌを透過する被加工物５に多重焦点を重ね合わせレーザー光Ｌを照射して、物性が改質された改質領域５０を形成するレーザー光照射工程と、改質領域５０を除去するエッチング工程と、を有することを特徴とするレーザー加工方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば水晶などの透明材料に孔や溝を形成するレーザー加工方法およびレーザー加工装置に関するものである。

近年、テラヘルツ（ＴＨｚ）領域の光（以下、テラヘルツ光）が注目を集めている。特に、０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ領域（波長領域にして、約３μｍ〜３０００μｍ）の光を用いる技術は急速に拡がり、医療用検査装置、非破壊検装置、テラヘルツパルス分光装置等に広く応用されている。

そのうちの１つとして、例えば、テラヘルツパルス分光装置は、テラヘルツパルス波（テラヘルツ光）をサンプルに入射させて、サンプルを透過もしくは反射した後のパルス波の波形を計測することで、サンプルの物理的、化学的性質を測定するものである。その測定対象は、気体、液体、固体に亘り、タンパク質や生体関連分子の測定も可能である。

従来、これらテラヘルツ光を用いた検査装置や分光装置において、試料を納める試料容器やテラヘルツ光の光路上に配置される光学部品の基材としてはシリコンが多く用いられている。しかし、シリコンは、テラヘルツ光に対しては吸収が少ないが可視光波長域での吸収が大きく、視覚的に透明ではないため、試料容器内の状態を目視で確認できず、使い勝手が悪いという問題があった。また、集光レンズ等の光学部品にシリコンを用いると、可視光レーザーを使って、レンズの姿勢や位置の調整をすることができないという問題があった。

このような問題に対処するものとして、試料容器やレンズなどの光学部品の基材として、テラヘルツ領域と可視光波長領域の両領域において吸収が少ない透明材料を用いることが提案されている。このような性質を有する透明材料として水晶が注目されており、水晶を加工する種々の技術が提案されている。

特許文献１には、被加工物の石英にレーザー光を照射して改質領域を形成した後、この改質領域をウェットエッチングで除去して、石英に穴あけ加工を行う方法が開示されている。この方法によれば、石英の所望部位に所望形状の穴あけ加工が効率よく行えることが記載されている。

非特許文献１には、上記特許文献１に記載された加工方法において、レーザー光の照射によって生じる改質領域の結晶構造がアモルファスであること、および、石英の光学軸であるＺ軸に沿ったウェットエッチングの速度が他の軸に沿ったものよりも格段に大きいこと、が報告されている。そして、これらのことを利用して、石英に三次元的な異方性エッチングを行えることが併せて報告されている。

また、テラヘルツ光を利用する際の問題点として、基材の屈折率が大きいため、表裏面反射による照射波のエネルギー損失が挙げられる。例えば、シリコンの場合、基材の表裏面で約５０％にも及ぶ損失が生じる。これを防止するために、基材表面に反射防止膜を配することが考えられている。特許文献２には、テラヘルツ光を利用した天体観測装置の測定窓材として、単結晶サファイア基板の上に、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）の厚膜を反射防止膜として積層したものの構成が開示されている。この構成によれば、熱赤外線を効率よく吸収し、反射ロスの少ない窓材が提供できることが記載されている。

特開２００４−１３６３５８号公報 特開２００６−２１１６２６号公報

Applied Physics A: Materials Science & Processing, 84, 99-102 (2006)

テラヘルツ領域で用いる光学部品用基材の反射防止膜に関しては、特許文献２に記載されたような酸化ケイ素（ＳｉＯ_ｘ）の単層では、充分な反射防止機能が得られず、多層の積層膜では光学部品の特性に影響を及ぼしてしまうという問題がある。ここで使用されるテラヘルツ光は、３０μｍ〜３０００μｍと長波長のため、多層の反射防止膜の場合には、その膜厚が数百μｍになってしまうためである。例えば、回折格子に反射防止膜を形成する場合には、回折格子本体と反射防止膜の厚さが同等になり、回折格子表面の凹凸形状が変形してしまい、その特性が低下してしまうということである。

反射防止膜に代わる手段として、可視光領域においては、入射光の波長以下の微細な突起が２次元的に配列した周期構造（図１１（ａ）参照）や、一方向に延在する凸条部が入射光の波長以下の周期で略ストライプ状に配列した周期構造（図１１（ｂ）参照）からなるサブ波長構造１０が知られているが、テラヘルツ領域のような長波長領域で機能するものは未だ開発されておらず、その開発が望まれている。

ここで、レーザー光照射による加工対象の変質とウェットエッチングとを組み合わせた従来の加工方法で、石英基板上に複数の微細な孔を配列させる場合には、以下の方法による。

まず、石英基板の所定位置、すなわち、列の先頭となる第１の孔を形成すべき位置にレーザーが集光するように石英基板を配置し、レーザー光を照射して、この第１の孔の深さ方向に沿って複数箇所の改質領域を形成する。この際に、石英基板の厚さ方向に沿ったレーザー光照射点の移動が必要となるため、石英基板が載せられたステージとレーザー光照射機とを、基板の厚さ方向に相対移動させる。

次に、第１の孔に隣接した第２の孔の形成予定位置にレーザー光の焦点が集光するように、石英基板を載せたステージとレーザー光照射機とを、石英基板の平面方向に相対移動させる。そして第１の孔の場合と同様に、石英基板の厚さ方向に沿ってレーザー光照射点を移動させて、その都度、レーザー光を照射して、第２の孔の深さ方向に沿って複数箇所の改質領域を形成する。

このようなレーザー光照射と基板移動とを、形成すべき孔の配列個数分だけ行う。最後に、この石英基板をエッチング液に浸漬して、改質領域を除去すると同時に、各改質領域間を連通させて、孔を形成する。

このように、従来の加工方法では、一つの孔を形成するには、石英基板の厚さ方向に沿ったレーザー光照射点の移動が必要となり、石英基板が載せられたステージもしくはレーザー光照射機を、基板の厚さ方向に相対移動する必要があった。

また、複数の孔を配列して形成し、さらには複数個の孔を連通させて溝を形成する場合には、石英基板の平面方向に沿った移動も必要となるので、ステージもしくはレーザー光照射機の可動手段が非常に複雑になり、コスト高になるばかりでなく、加工時間が長くなる上、移動時の移動誤差に起因して加工精度も低下しやすいという問題があった。

特許文献１においては、このような問題を解決するために、石英基板の厚さ方向に沿ったステージの可動手段を省略する一方で、レーザー光を回折させて、光軸方向に沿って所定の強度分布をもったレーザービームを形成して改質領域を形成することが提案されている。

しかしながら、より微細な孔や溝が複数配列された構造体を低コストで提供する目的で、一回のレーザー光照射で、高いアスペクト比の孔となる変質領域が形成できる、高効率の加工方法が望まれていた。また、このような加工方法が確立されれば、テラヘルツ光を用いる装置における各種の光学部材を、良好に形成することが期待される。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、テラヘルツ領域と可視光波長領域の両領域の光を透過する被加工物の表面および内部に、短時間かつ高効率で微細加工を行うことができるレーザー加工方法およびレーザー加工装置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、本発明のレーザー加工方法は、レーザー光に対して多重焦点を形成し、前記レーザー光を透過する被加工物に前記多重焦点を重ね合わせ前記レーザー光を照射して、物性が改質された改質領域を形成するレーザー光照射工程と、前記改質領域を除去するエッチング工程と、を有することを特徴とする。

この方法によれば、レーザー光に形成される多重焦点を被加工物に重ねて照射することにより、各焦点で被加工物の物性が改質される閾値を超えたエネルギーが与えられ、焦点毎に改質領域が形成される。よって、機械的稼動手段などを用いて被加工物の厚さ方向に被加工物またはレーザー光照射点を相対移動させることなく、一回のレーザー光のパルス照射で、複数の改質領域を同時に形成することができる。

また、一つの孔または溝を形成するために必要とするレーザー光のパルス照射回数も減少させることができる。特に、被加工物の両面に孔や溝を形成する場合には、レーザー光の照射は、被加工物の片側の面全体を一回走査するだけで済み、被加工物の裏表を交換する必要がなく、製造工程が非常に簡便化され、コスト高を抑えて効率よい加工ができる。

このようにして被加工物の厚さ方向に形成した複数の改質領域をエッチングによって除去することにより、改質領域であった部分に孔を形成することができる。この際、厚さ方向に隣接する改質領域同士が重なり合って１つの改質領域を形成していなくても、エッチングにより隣り合う改質領域が連通する。したがって、本発明の方法を用いると、被加工物の厚さ方向に長い孔を容易に形成することが可能となる。

本発明においては、前記レーザー光の光路上に配置される光学素子によって、前記多重焦点を形成することが望ましい。
光学素子を用いることにより、レーザー光の照射方向に沿って、多重焦点を容易かつ定常的に形成することができる。

本発明においては、前記光学素子は、屈折レンズまたは回折格子のいずれか一方であることが望ましい。
または、本発明においては、前記光学素子は、屈折レンズおよび回折格子を組み合わせた光学系であることとしても良い。
レンズおよび回折格子は汎用であるので、これらの少なくとも一方、または両方を組み合わせて用いることにより、所望の多重焦点を有するレーザー光を容易に成形することができる。また、従来のレーザー加工方法に若干の変更を加えるだけで、高効率で微細加工を行うことができるようになる。

本発明においては、前記光学素子が有する収差を用いて、前記レーザー光の光軸方向に沿って所定の強度分布を形成することが望ましい。
このようにすると、レーザー光の各焦点においては、光軸方向に広がった強度分布を有するため、光軸方向に広い範囲に被加工物が変質するための閾値を超える強度のレーザー光を照射することができ、被加工物の厚さ方向に長い孔を容易に形成することが容易となる。特に、光学素子が屈折レンズおよび回折格子を組み合わせた光学系である場合、光学系を構成する各屈折レンズや回折格子がそれぞれ有する収差を重畳させることで、強度分布を広げやすく好適である。

本発明においては、前記被加工物は水晶であることが望ましい。
水晶は広い波長領域において吸収の少ない透明部材であるので、その内部にまでレーザー光が減衰することなく達する。よって、被加工物の厚さ（深さ）方向の所望領域の全域に亘ってレーザー光を所定の強度で照射することができ、所望の部位に微細な改質領域を形成できる。

本発明においては、前記レーザー光の照射方向が、前記被加工物のエッチングレートが最も大きい方向に一致していることが望ましい。
被加工物の構造により、特有の方向に対してエッチングレートが高い方向がある。この方向と、レーザー光照射の方向とを一致させれば、改質領域をエッチングレートの高い方向に形成することができる。これにより、エッチング工程における改質領域の除去速度をより一層高くできる。また、このエッチングレートの高い方向に沿った異方性エッチングができる。

本発明においては、前記レーザー光は、超短パルスレーザー光であることが望ましい。
超短パルスレーザーは、その照射部位において熱の効果が現れる前に、非常に大きなエネルギーを瞬時に与える特性があるので、照射部位に熱によるクラックなどの損傷を与えることが少ない。これにより、微細加工が可能な上に、加工歩留まりが向上する。また、被加工物の物性を改質するのに十分なエネルギーを有するので、被加工物の厚さ方向の所望領域の全域を短時間で改質可能であり、効率の良い加工を行うことができる。

また、本発明のレーザー加工装置は、レーザー光を、該レーザー光を透過する被加工物に照射し、物性が改質された改質領域を形成するレーザー加工装置であって、前記レーザー光を照射するレーザー光照射部と、前記レーザー光の光路上に配置され、前記レーザー光の光軸に沿って多重焦点を形成する光学素子と、を有することを特徴とする。
この構成によれば、被加工物またはレーザー光の照射点を移動させることなく、一回のレーザー光のパルス照射で被加工物の厚さ方向に沿って、改質領域を複数箇所、同時に形成することが可能なレーザー加工装置を提供することができる。

本発明においては、前記光学素子は、屈折レンズまたは回折格子の少なくとも一方であることが望ましい。
または、本発明においては、前記光学素子は、屈折レンズおよび回折格子を組み合わせた光学系であることとしても良い。
レンズおよび回折格子は汎用であるので、これらの少なくとも一方、または両方を組み合わせて用いることにより、所望の多重焦点を有するレーザー光を容易に成形することができる。

本発明においては、前記光学素子は、前記レーザー光の光軸方向に沿って所定の強度分布を形成する収差を有することが望ましい。
この構成によれば、レーザー光の照射方向に沿って所望の強度分布を有するレーザー光を容易に成形することができる。そのため、レーザー光の各焦点においては、光軸方向に広がった強度分布を有することとなることから、光軸方向に広い範囲に被加工物が変質するための閾値を超える強度のレーザー光を照射することができ、被加工物の厚さ方向に長い孔を容易に形成することを容易とするレーザー加工装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係るレーザー加工装置の概略図である。 本発明の実施形態に係る集光手段の構成を示す概略図である。 図２の回折格子の説明図である。 本実施形態に係る集光手段の別の構成を示す概略図である。 図４の回折格子の概略図である。 本発明のレーザー加工装置の変形例を示す概略図である。 本発明のレーザー加工方法を示す工程図である。 本発明のレーザー加工方法を示す概略図である。 改質領域の走査電子顕微鏡写真である。 孔の走査電子顕微鏡写真である。 サブ波長構造の概略斜視図である。

本発明について、以下に図面を用いて説明する。なお、以下の各図面では、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や部材毎に縮尺を適宜変更している。

<レーザー加工装置>
図１は、本発明に係るレーザー加工装置１の第１実施形態の要部を示したものである。このレーザー加工装置１は、レーザー発振器１Ａから発振されたレーザー光Ｌを、偏光制御手段２、収差発生手段３、集光手段（光学素子）４を介して、被加工物５の所定の被加工部位に照射するものとして用いられる。

レーザー発振器１Ａは特に限定されないが、照射されるレーザー光Ｌのパルス幅が、１００ｐｓ（＝１０^−１０ｓ）〜１０ｆｓ（＝１０^−１４ｓ）の超短パルスレーザーであるものが好適である。

このような超短パルスレーザーを加工に用いると、被加工物５の照射部位５０Ｘに瞬時に非常に大きなエネルギーを与えることができる。すると、被加工物の種類に依存するが、照射部位５０Ｘが熱膨張する前に、照射部位５０Ｘの結晶構造の変化や化学結合の開裂などを伴う物性的な改質を行うことができる。したがって、所望領域に短時間で改質領域５０を形成できるので、照射部位５０Ｘの周縁に熱膨張によるクラックなどの損傷を生じることが少ない。

また、被加工物５の物性を改質するのに十分なエネルギーを有するので、被加工物５の厚さ方向の所望領域の全域を短時間で改質可能であり、短時間で効率の良い加工を行うことができる。例えば、中心波長８００ｎｍの超短パルス光源から出射されたパルス幅１００ｆｓの直線偏光パルス光を利用できる。

偏光制御手段２は、直線偏光で出射されたレーザー光Ｌを円偏光に変換する機能を有している。レーザー光Ｌが円偏光となることで、レーザー光Ｌの光軸Ｘに垂直な方向における偏光分布を均一なものとし、収差発生手段３や集光手段４における反射や屈折の影響を光軸Ｘに垂直な方向で均一なものとしている。そのため、レーザー光Ｌの出戻りを防止する一方で、その出力を調整することが可能となる。偏光制御手段２としては、例えば１／２波長板を例示することができる。

収差発生手段３は、偏光制御手段２を透過したレーザー光Ｌに対し、光軸Ｘ方向の収差を発生させる機能を有している。レーザー光Ｌが光軸Ｘ方向の収差を有することで、レーザー光Ｌは、光軸Ｘに沿って幅広いエネルギー強度分布を持つこととなる。収差発生手段３では、軸上収差と軸外収差とが発生するが、このうち本発明では軸上収差を利用している。収差発生手段３としては、例えばレーザー光Ｌを透過する平行平板を用いることができる。

集光手段４は、レーザー光Ｌを被加工物５の所定部位に集光する機能を有している。本実施形態のレーザー加工装置１では、集光手段４を透過する光が２以上の焦点Ｐ１，Ｐ２に結像する光学素子あるいは光学系を用いる。

図２は、本実施形態で用いる多重焦点を実現する集光手段４の例を示す模式図である。本実施形態の集光手段４では、レーザー光Ｌに対して２つの焦点Ｐ１，Ｐ２を形成することとしている。図に示すように、集光手段４としては、屈折レンズ４１と回折格子４２とを組み合わせた光学系を用いることができる。

屈折レンズ４１としては、集光機能を有する通常の凸レンズを用いることができる。集光機能を有するならば、複数のレンズを組み合わせた光学系を用いることも可能である。

通常、屈折レンズ４１においては球面収差が発生するので、収差発生手段３によって与えられた収差を強調するように作用する場合にはこれを利用してもよい。ただし、既に収差発生手段３で発生している収差を補正しないように、レンズ構成を調整する必要がある。

なお、屈折レンズ４１が有する収差としては、球面収差の他にもザイデルの５収差として知られる他の４種の収差が考えられるが、これら球面収差以外の収差については、光軸Ｘに対して非対称であり、レーザー光Ｌの強度分布の成形には有効ではないので、考慮する必要性がない。

回折格子４２は、レーザー発振器から出射された光を回折させることで、その照射方向に沿って多重の焦点を形成できるものであれば、特に限定されるものではない。

例えば、図３に示したような回折格子などを用いることができる。図３（ａ）では、例として二重焦点を形成できる回折レンズとしての機能を有する回折格子４２の概略断面図を示す。図に示すように、回折格子４２は断面が鋸歯状の溝を有するブレーズ回折格子である。

図３（ｂ）、（ｃ）に、この回折格子４２の回折光強度分布を示した。図３（ｂ）は、０次回折光（回折なし）と１次回折光の光軸Ｘ上での強度分布を示したものである。横軸は、回折格子４２の溝部の深さを示し、縦軸は回折光強度を示す。横軸に示す深さについては、該当する深さを図３（ａ）にて図示している。

図３（ｂ）において、０次回折光と１次回折光との強度が等しくなる位置Ｚが判明する。位置Ｚにおける各次の回折光の強度を図３（ｃ）を示したが、このグラフより、他の次数の回折光の強度は非常に低く、無視し得ることが判明した。よって、レーザー光Ｌの光軸Ｘ上の位置Ｚにおいて、被加工物５の物性を変質可能なエネルギー強度を有するように設定できる。

改質領域５０の深さは、レーザー光Ｌのエネルギーの大きさと、回折格子４２の厚さと、屈折レンズ４１の開口数ＮＡとに左右される。例えば、パルスエネルギーが１００ｍＪ、収差発生手段３の厚さが３ｍｍ、屈折レンズ４１のＮＡが０．８の場合には、改質領域５０の幅は５μｍ未満で、その深さは２００μｍ以上となる。

このような構成の集光手段４を用いると、屈折レンズ４１で集光されたレーザー光Ｌは、回折格子４２で０次回折光と１次回折光とに分岐され、２つの集光点において、ほぼ等しくエネルギーが分配されて集光する。

すなわち、０次回折光は、屈折レンズ４１の集光作用のみ影響を受け、回折格子４２からｆ１の距離をもって集光される。対して１次回折波は、屈折レンズ４１の集光作用に加えて回折格子４２による回折（集光）の作用を重ねて受け、回折格子４２からｆ２の距離をもって集光される。このようにして、回折格子４２と屈折レンズ４１とを、組み合わせて用いることにより、レーザー光Ｌの光軸Ｘ上で二重焦点を実現できる。

また、レーザー光Ｌには、不図示の収差発生手段により収差が付与されているため、レーザー光Ｌに各焦点Ｐ１，Ｐ２においては、光軸Ｘ方向に広がった強度分布を有するため、光軸Ｘ方向に広い範囲に、被加工物が変質するための閾値を超える強度のレーザー光Ｌを照射することができる。

図４，５は、多重焦点を実現する集光手段４の別の例を示す模式図である。図に示すように集光手段４としては、回折格子４３のみからなるものを用いても良い。

図５は回折格子４３の平面図である。この回折格子４３は、石英などの透明材料からなり、回折レンズとしての機能を構成する凹凸形状が、表面に周期的に形成されている。また、回折格子４３の中心部の領域Ａと外縁部の領域Ｂとでは、凹凸形状および周期が異なっており、回折レンズとしての焦点位置を異ならせている。このような回折格子４３は、通常知られている回折レンズの設計を領域Ａ，Ｂごとにそれぞれ行うことで形成可能である。

このような回折格子４３に、レーザー発振器から出射されたレーザー光Ｌを透過させ回折させることで、その光軸Ｘ方向に沿って二重の焦点を形成できる。また、レーザー光Ｌには、不図示の収差発生手段により収差が付与されているため、レーザー光Ｌに各焦点Ｐ１，Ｐ２においては、光軸Ｘ方向に広がった強度分布を有するため、光軸Ｘ方向に広い範囲に被加工物が変質するための閾値を超える強度のレーザー光Ｌを照射することができる。

被加工物５は、所定の被加工部位に孔や溝が形成されるべきものであって、レーザー光Ｌを透過する材料からなり、例えば水晶などである。被加工物５の形状は特に限定されるものではないが、例えば反射防止膜としてのサブ波長構造を形成する場合には、厚さ０．６ｍｍ程度の平板とする。

水晶は広い波長領域において吸収の少ない透明部材であるので、その内部にまでレーザー光Ｌが減衰することなく達して、所望の部位に微細な改質領域を短時間で形成することができる。特に、Ｚカット水晶板が好適である。Ｚカット水晶板とは、水晶の直交する３つの結晶軸、すなわち電気軸、機械軸、光学軸をそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸で表したとき、Ｚ軸に垂直な面で切断したものを指す。換言すれば、Ｚ軸がその厚さ方向に一致する水晶板である。

周知のように、水晶には結晶異方性があり、Ｚ軸方向のウェットエッチングレートは、他の２つの軸のそれに比較して非常に大きく、２桁の差がある。よって、レーザー光Ｌの照射方向をＺ軸と一致させれば、Ｚ軸に沿って改質領域が形成され、後述するエッチング工程における改質領域の除去を効率よく行えるばかりでなく、Ｚ軸に沿った異方性エッチングを行うことができる。

被加工物５は、ステージ（図示せず）上に載置、固定されて加工される。このステージは、被加工物５の平面に沿った方向、すなわちレーザー光Ｌの照射方向に対して鉛直方向に自在に移動可能となっており、図１中に、走査方向として矢線で示した。そして、被加工物５の被加工部位が、レーザー光Ｌの集光点となるような位置に固定される。例えば、集光点を、被加工物５の照射側表面から１００μｍ内側の位置に設定する。ステージは、被加工物５の厚さ方向、すなわちレーザー光Ｌの光軸方向に沿って移動可能であることとしても構わない。

以上のようなレーザー加工装置１にあっては、レーザー発振器１Ａから発振されたレーザー光Ｌは、偏光制御手段２によって、その偏光と出力とが制御された後、収差発生手段３に入射される。このレーザー光Ｌは、位相の揃った多くの波長を重畳したものであり波長幅を有するので、収差発生手段３を通過する際に収差が付与される。

収差が付与されたレーザー光Ｌは、多重焦点を有する集光手段４を介して、被加工物５の複数箇所に集光される。各焦点Ｐ１，Ｐ２は、レーザー光Ｌに付与された収差に起因して、レーザー光Ｌの光軸Ｘ上で引き伸ばされた状態となる。これにより、被加工物５の物性が変化するエネルギーの閾値を超えた照射領域が被加工部位において拡大されることとなる。したがって、一回のレーザー光Ｌのパルス照射で、被加工物５の厚さ方向に複数の改質領域５０を同時に形成することができる。

なお、レーザー加工装置の光源としては、図７に示したように、パルスビームアレイ１００を用いることもできる。図７（ｂ）に示したようなパターンを有するビームアレイ１００を被加工物５に照射すれば、図７（ａ）に示すように被加工物５の複数箇所に動じにレーザー光Ｌを照射することが可能となり、被加工物５の表面直下に多数の改質領域５０を同時に形成できる。改質に十分なエネルギー強度を得る目的で、被加工物５の同じ部位に複数回数、パルスビームを照射してもよい。

また、本実施形態のレーザー加工装置１においては、集光手段４は屈折レンズ４１と回折格子４２を組み合わせたものと、回折格子４３のみを用いるものと、を示したが、これに限らない。集光手段４としては、２つの回折格子を光軸Ｘ上に２つ配置したものを用いて、多重焦点を実現することもできる。また、屈折レンズのみ用いて実現することもできる。

<レーザー加工方法>
次に、図７を用いて本発明のレーザー加工方法について説明する。本発明のレーザー加工方法は、被加工物５にレーザー光Ｌを照射し、これにより物性が改質された改質領域５０を形成するレーザー光照射工程と、被加工物５の表面および改質領域５０を除去するエッチング工程とを有するものである。

まず、図７（ａ）に示すように、上述の本実施形態のレーザー加工装置１を用いて被加工物５にレーザー光Ｌをパルス照射し、改質領域５０を形成する。この際、レーザー加工装置１を被加工物５の面方向に相対的に走査させながら所望領域に照射することで、被加工物５の面方向に沿って複数の改質領域５０を順次形成することができる。

ここで、改質領域５０の形成周期（隣り合う改質領域５０間の間隔）Ｐは、ｖをレーザー加工装置１と被加工物５との相対移動速度、ｆをレーザー光Ｌのパルス照射の繰り返しレートとすると、次式１で示すことができる。

図８は、レーザー光照射工程の様子を示す模式図である。図８（ａ）は、従来の単焦点の集光手段を用いた場合の改質の様子を表し、図８（ｂ）（ｃ）は、本実施形態のレーザー加工装置１を用いることにより、二重焦点とした場合の改質の様子を示している。また各図には、被加工物５の断面図に対応して、照射するレーザー光Ｌの強度分布を模式的なグラフで示した。このグラフにおいて、縦軸は被加工物５のレーザー光照射面からの距離（深さ）であって、横軸はレーザー光Ｌの強度である。

従来、被加工物５の内部に複数の改質領域５０を形成するには、図８（ａ）に示したように、被加工物５の一方の面側（表面）からレーザー光Ｌを照射して、改質領域５０を順次形成した後、被加工物５を裏返して、もう一方の面（裏面）側から、レーザー光Ｌを照射して、改質領域５０を形成していた。

しかし、本実施形態のレーザー加工装置１を用いれば、集光手段４を介することによりレーザー光Ｌの照射方向に沿って２つの焦点があるので、図８（ｂ）、（ｃ）に示したように、一回のレーザー光Ｌの照射で２箇所の改質領域５０ａ、５０ｂを同時に形成することができる。被加工物５が板状である場合には、被加工物５の表裏面に同時に改質領域５０を形成することができ、加工効率を格段に向上させることができる。

特に、被加工物５の表裏両面に改質を施す場合には、レーザー光Ｌの照射が、被加工物５の片側の面全体を一回走査するだけで済み、被加工物５の裏表を交換する必要がなく、製造工程が非常に簡便化され、コスト高を抑えて効率よい加工ができる。

図８（ｂ）に示すような強度分布をもつレーザー光Ｌを照射すると、同時に２つの矩形状の改質領域５０ａ、５０ｂを、被加工物５の厚さ方向に沿って並べて形成することができる。

また、図８（ｃ）に示したように、被加工物５の表面側が最大で、中心側へ向かって強度が減少するような強度分布をもつレーザー光Ｌを用いると、被加工物５の表面側へ向かって、テーパーのついた改質領域５０ｃ、５０ｄが形成されることとなる。

このように、レーザー光照射工程においては、レーザー光Ｌの光軸方向に沿った強度分布を変化させることで、自在に改質領域５０の形状を設計することができる。

次に、図７（ｂ）に示すように、改質領域５０を例えば溶剤エッチングなどのエッチング工程で除去する。エッチング液Ｅとしては、濃度が１０％以下のフッ化水素水溶液等を使用する。改質領域５０は高エネルギーのレーザー光照射によって、例えば結晶構造がアモルファスになるなど、その物性が変化して侵食を受けやすくなっている。そのため、内部に改質領域５０が形成された被加工物５をエッチング液Ｅに浸漬すると、改質領域５０が除去されて微細な孔Ｈが形成される。

ここで、２つの焦点Ｐ１，Ｐ２に対応するそれぞれの改質領域５０が、レーザー光Ｌの光軸方向に並んで２つ形成されていたとしても、エッチング工程で改質領域５０の間を連通させることができるので、微細な孔Ｈを形成することが可能である。

また、改質領域５０が複数個、面方向に近接して配列されていれば、エッチング工程で各改質領域５０を除去するとともに、改質領域５０の間を連通させることができるので、微細な溝を形成することも可能である。

このような加工に用いる被加工物５が、エッチングレートに異方性を有している場合には、レーザー光Ｌの照射方向と、エッチングレートが最も大きい方向とが一致するようにして被加工物５を改質し、エッチングすることが望ましい。このようにすることで、被加工物５が元来有しているエッチングレートの異方性と、レーザー光による改質領域５０の形成方向（延在方向）とが一致し、エッチングによる改質領域５０の除去を効率良く進行させることができる。

このような性質を具備した被加工物５の形成材料としては、例えば水晶やシリコン単結晶を例示することができる。例えば、被加工物５としてＺカット水晶板を用いると、Ｚ軸方向に沿ったエッチングレートが非常に高いので、このエッチング工程を非常に短時間で効率よく進行させることができる。Ｚ軸方向に沿った異方性エッチングが容易に行うことができ、微細な孔や溝が形成された水晶構造体を得ることができる。

以上のようなレーザー加工方法によれば、被加工物の表面および内部に様々な微細構造を形成することができる。そして、被加工物の厚さ方向のレーザー光の強度分布を適当に広げ、かつ多重焦点とすることにより、一回のレーザーパルス照射で、基板の厚さ方向に沿って深度の大きな変質領域を形成することができるので、アスペクト比が高い孔や溝を形成することができる。これに加えて、繰り返しの高いパルスレーザーを発振器として用いると、基板の走査速度が上がり、加工のスループットが大きく向上する。特に基板の表裏面を同時に加工すれば、加工スループットはさらに向上する。

被加工物として、水晶基板を用いれば、その表面および内部に微細な構造部を形成することができる。この微細な構造部の凹凸の配列やその平面形状を適宜選択することにより、テラヘルツ領域の電磁波をその使用目的や使用環境に応じて制御することができるようになる。例えば、反射防止機能により、水晶基材の表面におけるテラヘルツ光の反射損失を低減することで、分光装置のＳＮ比低下の原因となる反射迷光を充分に抑えることができる。その結果、信頼性の高い分光分析が可能な光学部品が提供できる。このような光学部品としては、例えば、グレーティング、フォトニック結晶、レンズ、波長板等がある。

また、本発明の加工方法によって加工された水晶部材および水晶光学部品は、分光分析装置の他にも、テラヘルツ光を応用したさまざまなセンシング装置に広く利用することができる。

（実施例１）
図９は、上記実施形態１のレーザー加工装置を用いて、水晶基板の内部に、５０μｍの周期の配列状態で形成した改質領域の光学顕微鏡写真であって、図９（ａ）は発生させた収差が小さい場合の写真であり、図９（ｂ）は収差が大きい場合の写真である。

図９（ａ）、（ｂ）の比較によって、レーザー光に収差を大きく発生させることで、変質領域の形成領域を水晶基板の厚さ方向に拡大可能なことが確認できた。このように、収差量を制御することによって、レーザー光Ｌの強度分布をその光軸に沿って変化させ、所望の大きさ（深さ）を有する変質領域を形成できることが確認できる。

（実施例２）
上記実施例１で形成したような孔を、適当な周期で縦横に並べて形成することにより、テラヘルツ領域で反射防止機能を有するサブ波長構造を実現することができる。このようなサブ波長構造を形成するには、以下の各式を満足するように、水晶基板に孔を形成すればよい。

まず、ｄを各孔間の距離（周期）、ｈを孔の長さ（深さ）、λをテラヘルツ光の波長、ｎを波長λに対する水晶の屈折率とすると、テラヘルツ光に対する反射防止機能は、式２，３を満たすようにすることで実現できる。ここで、対象とするテラヘルツ光は、水晶基板に対してほぼ垂直に入射するものとする。

これらのことから、例えば、１００μｍ〜２００μｍの波長の光を含むテラヘルツ光に対する反射防止構造を、水晶基板に対して形成するためには、水晶の屈折率を約２．１として概算すると、上記式２より、孔間の距離（周期）を４７μｍよりも小さいものとし、式３より、孔の長さを２００μｍとすれば良いことが分かる。孔間の距離の下限値は加工精度や製造効率などとの兼ね合いにより設計することができ、孔の長さの上限値は、加工に用いる水晶基板の厚さの範囲内において設計することができる。例えば、孔間の距離を４７μｍとし、孔の長さを２５０μｍとすれば良い。

図１０は、本発明のレーザー加工方法により、Ｚカット水晶板の表面に複数の孔を形成した様子を示す説明図である。図１０（ａ）は孔が形成されたＺカット水晶板の表面側の写真であり、（ｂ）は形成された孔の断面写真、（ｃ）は孔の断面の拡大写真である。

この孔は、幅（径）が５μｍ、長さ（深さ）が約２５０μｍであり、その配列周期は４７μｍであって、その形状は、孔の底部に向かって徐々に径が小さくなる概略針形状であることが確認できる。

以上の実施例により、本発明のレーザー加工方法が有用であることを確かめることができた。

１…レーザー加工装置、３…収差発生手段、４…集光手段（光学素子）、４１…屈折レンズ、４２，４３…回折格子、５…被加工物、５０…改質領域、Ｌ…レーザー光、Ｐ１，Ｐ２…焦点、Ｘ…光軸

Claims (12)

1. レーザー光に対して多重焦点を形成し、前記レーザー光を透過する被加工物に前記多重焦点を重ね合わせ前記レーザー光を照射して、物性が改質された改質領域を形成するレーザー光照射工程と、
   前記改質領域を除去するエッチング工程と、を有することを特徴とするレーザー加工方法。
2. 前記レーザー光の光路上に配置される光学素子によって、前記多重焦点を形成することを特徴とする請求項１記載のレーザー加工方法。
3. 前記光学素子は、屈折レンズまたは回折格子のいずれか一方であることを特徴とする請求項３に記載のレーザー加工方法。
4. 前記光学素子は、屈折レンズおよび回折格子を組み合わせた光学系であることを特徴とする請求項３に記載のレーザー加工方法。
5. 前記光学素子が有する収差を用いて、前記レーザー光の光軸方向に沿って所定の強度分布を形成することを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載のレーザー加工方法。
6. 前記被加工物は水晶であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザー加工方法。
7. 前記レーザー光の照射方向が、前記被加工物のエッチングレートが最も大きい方向に一致していることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のレーザー加工方法。
8. 前記レーザー光は、超短パルスレーザー光であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のレーザー加工方法。
9. レーザー光を、該レーザー光を透過する被加工物に照射し、物性が改質された改質領域を形成するレーザー加工装置であって、
   前記レーザー光を照射するレーザー光照射部と、
   前記レーザー光の光路上に配置され、前記レーザー光の光軸に沿って多重焦点を形成する光学素子と、を有することを特徴とするレーザー加工装置。
10. 前記光学素子は、屈折レンズまたは回折格子の少なくとも一方であることを特徴とする請求項９記載のレーザー加工装置。
11. 前記光学素子は、屈折レンズおよび回折格子を組み合わせた光学系であることを特徴とする請求項９に記載のレーザー加工装置。
12. 前記光学素子は、前記レーザー光の光軸方向に沿って所定の強度分布を形成する収差を有することを特徴とする請求項１０または１１に記載のレーザー加工装置。