JP2013082006A

JP2013082006A - 極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置及び形成方法

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Publication number: JP2013082006A
Application number: JP2012216638A
Authority: JP
Inventors: Tatsuhiko Aizawa; 龍彦相澤; Tadahiko Inohara; 忠彦井ノ原
Original assignee: LPS WORKS CO Ltd
Current assignee: LPS WORKS CO Ltd
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2013-05-09
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: JP5953198B2

Abstract

【課題】ピコ秒レーザ等の極短パルスレーザを用いた高速かつ高精度の孔あけ加工技術を確立する。
【解決手段】ピコ秒レーザ発振器12と、レーザビームＬのワークαに対する入射角度を調整する入射角度調整用光学系28、ワークにおける回転半径を調整する回転半径調整用光学系32、及び集光光学系34を有するビームローテータ18と、ガルバノスキャナ36及びプロジェクションレンズ38を有する加工ヘッド20と、加工ヘッド20を必要量上下動させる上下動駆動機構と、ワークαを載置する加工テーブル40と、加工テーブル40を必要量上下動させる上下動駆動機構と、加工テーブル40を必要量回転させる回転駆動機構とを備え、ビームローテータ18の集光光学系34が、無収差レンズよりなることを特徴とする極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置10。
【選択図】図１

Description

この発明は、極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置及び形成方法に係り、特に、１次元〜３次元にわたる超微細加工を高精度で実現するレーザ加工技術に関する。

情報家電機器の高度化に伴い、特に電子制御系を内蔵した部品、パーツが増加しつつある。また、高解像度デジタルカメラ、携帯用カメラあるいは測定・分析機器の分野においても、種々の光学素子の高精度化が要請されており、例えば、ＤＯＥ（Diffractive Optical Element）のように、光学設計した微細パターンを転写できる金型（マザーツール）が必要となる。
一方、省資源に貢献する微量な潤滑材を充分に活用するためのオイル・プール・メカニズムは、特異な２次元あるいは３次元形状パターンが必要となる。
上記の２つの応用展開でも明らかなように、光学設計及び潤滑メカニズム設計が求める特徴的な多次元パターンを形成できる技術が必須であり、本発明の技術もその点を目指している。

これらに対応するためには、以下に示す(1)〜(3)のレーザ微細加工技術の確立が必須である。
(1) 微細ピンホール加工、高アスペクト比（孔径に比較して深い貫通孔）孔加工などの１次元加工技術。
(2) 電子回路の直接加工描画、周期溝パターン、周期孔パターンなどの２次元加工技術。
(3) フレネルパターンなどの回折格子パターン、ＤＯＥなどの３次元加工技術。

これらの微細加工は、これまでの機械加工や化学的処理では対応できず、レーザ加工での対応が期待されている。
例えば、半導体検査に使用されるプローブカード用基板は、マシナブルセラミックスに機械加工で、プローブと呼ばれる探針を固定する孔（φ４０μｍ〜φ１００μｍ）を数千孔／枚加工してきた。
しかし、最新のバーインテストでの高温化（１２５℃〜１５０℃）に伴い、シリコンに膨張係数を近づけた高硬度材（ファインセラミックス）に、より微細な孔（Φ３０μｍ〜）を数千個レーザで加工する必要性が複数の半導体検査用プローブカードメーカーから寄せられている。
また、同様に小径（Φ６０μｍ〜Φ１４０μｍ）の金属パイプにスプリング機能を持たせたプローブピンの要求も高まっている。

ミクロンからナノ単位へ、高まる微細加工へのニーズインターネットURL:http://www.sigma-koki.com/pages/community/knowledge/010_jp.php 検索日：平成２３年９月２３日

ところで、レーザ技術は、レーザが発振に成功してから５０年余になる。
この間、多くのレーザ媒質の発見、波長変換技術・短パルス化技術の発展により、現在は、高出力・高速化・高精度化が特徴となっており、当初の熱加工の代替技術から、微細加工（超微細加工）を含めたマイクロ加工の時代に突入している。

微細加工には、極薄板の切断や溶接、ミクロンオーダーの微小な孔あけ加工や溝加工などがあり、微細加工用レーザとして、短波長レーザや短パルスレーザが多く世に出ている。
例えば、前者では、ＹＡＧ第３高調波、後者では、従来のナノ秒レーザに加え、ピコ秒レーザやフェムト秒レーザが発表されている。

しかしながら、ＹＡＧ第３高調波では、熱影響が大きく、高アスペクトの穴あけ加工は困難であることに加え、材料によっては加工不能となるなど技術的課題も多い。熱影響を避けるためには、加工時間が１０数秒かかり経済性にも問題が残っている。
また、ピコ秒レーザ、フェムト秒レーザについても、生産レベルの精度と加工特性を実証できる産業界向け量産化技術には未だ達していなかった。

この発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、ピコ秒レーザ等の極短パルスレーザを用いた高速かつ高精度の孔あけ加工技術を確立することを目的としている。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載の極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置は、極短パルスレーザ発振器と、このレーザ発振器から出射されたレーザビームのワークに対する入射角度を調整する入射角度調整用光学系、上記レーザビームのワークにおける回転半径を調整する回転半径調整用光学系、及び集光光学系を有するビームローテータと、ガルバノスキャナ及びレンズ（プロジェクションレンズやｆθレンズ）を有する加工ヘッドと、この加工ヘッドを必要量上下動させる上下動駆動機構と、ワークを載置する加工テーブルと、この加工テーブルを必要量上下動させる上下動駆動機構と、この加工テーブルを必要量回転させる回転駆動機構とを備え、さらに、上記ビームローテータの集光光学系が、無収差レンズよりなることを特徴としている。

請求項２に記載の極短パルスレーザによる多次元パターン形成方法は、請求項１に記載の極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置を用いた多次元パターン形成方法であって、上記加工ヘッドの上下動と加工テーブルの上下動を組み合わせることにより、ワーク表面に垂直面と傾斜面が混在した四角錐台形状の凹部を形成することを特徴としている。

請求項３に記載の極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置は、極短パルスレーザ発振器と、このレーザ発振器から出射されたレーザビームのワークに対する入射角度を調整する入射角度調整用光学系、上記レーザビームのワークにおける回転半径を調整する回転半径調整用光学系、及び集光光学系を有するビームローテータと、ガルバノスキャナ及びレンズ（プロジェクションレンズやｆθレンズ）を有する加工ヘッドと、この加工ヘッドを必要量上下動させる上下動駆動機構と、少なくとも一端が固定された丸棒状のワークを、その軸を中心に任意の方向に任意の角度で回転させるワーク回転機構を備え、さらに、上記ビームローテータの集光光学系が、無収差レンズよりなることを特徴としている。

請求項４に記載の極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置は、請求項３に記載の装置であって、さらに、上記ワークの傾斜角度を変位させる傾斜角度調整機構を備えたことを特徴としている。

請求項５に記載の極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置は、請求項１、３、４の何れかに記載装置であって、さらに、上記極短パルスレーザ発振器が、ピコ秒レーザ発振器よりなることを特徴としている。

請求項１に記載した極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置によれば、レーザ発振器としてピコ秒レーザやフェムト秒レーザ等の極短パルスレーザ発振器が用いられると共に、レーザビームのワーク表面に対する回転照射がビームローテータによって実現され、しかも集光光学系として無収差レンズが採用されているため、ワークに対する超微細な孔開け加工を高精度で実施可能となる。

請求項２に記載した極短パルスレーザによる多次元パターン形成方法によれば、加工ヘッド側の上下動と、ワークを載置した加工テーブル側の上下動を同期させることにより、垂直面と傾斜面が混在した四角錐台形状の凹部形成など、極めて複雑な形状の３次元加工を高精度で実現することを可能とする。

請求項３に記載した極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置にあっては、ワークの角度を変位させるワーク回転機構を備えているため、丸棒状（円柱状）のワークの表面に、所定のピッチで凹部を正確に形成することが可能となる。

請求項４に記載した極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置によれば、ワークの傾斜角度を調整することにより、部分的に形状や深さの異なる凹部を容易に形成可能となる。

図１は、この発明に係る極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置10の全体構成を示す模式図であり、レーザ発振器12と、波長変換器14と、ビームエキスパンダ16と、ビームローテータ18と、加工ヘッド20と、加工ステージ22と、第１の反射ミラー24a〜第５の反射ミラー24eを備えている。

レーザ発振器12は、高出力ピコ秒レーザ発振器よりなり、基本波の他に、波長変換できる波長変換器14をレーザ発振器12の外部に設置することで、２倍波のレーザに変換することができる。
以下に、レーザ発振器12の特性を例示する。
(1) レーザ波長
基本波：１０３０ｎｍ
２倍波：５１５ｎｍ（波長変換器使用時）
(2) レーザ出力
基本波：５０Ｗ
２倍波：３０Ｗ（波長変換器使用時）
(3) パルスエネルギ
基本波：２５０μＪ／Ｐ
２倍波：１２５μＪ／Ｐ（波長変換器使用時）
(4) 最大発振繰り返し数：２００ｋＨｚ
(5) パルス幅：８〜１０ｐｓ
なお、レーザ発振器12の特性は上記に限定されるものではない。また、レーザ発振器12として、フェムト秒レーザ発振器を用いることもできる。

ビームローテータ18は、一対のウェッジプリズム26a, 26bを備えた入射角度調整用光学系28と、一対のウェッジプリズム30a, 30bを備えた回転半径調整用光学系32と、集光光学系34を備えている。

入射角度調整用光学系28の各ウェッジプリズム26a, 26bと、回転半径調整用光学系32の各ウェッジプリズム30a, 30bは、それぞれ回転軸に装着され、サーボモータを介して高速回転される。この結果、ワーク表面におけるレーザビームの照射スポットを、円形軌道に沿って高速移動させることが可能となる。
また、入射角度調整用光学系28におけるウェッジプリズム26a, 26bのウェッジ角を適宜調整することにより、レーザビームのワークに対する入射角度を加減することが可能となる。
さらに、回転半径調整用光学系32におけるウェッジプリズム30a, 30bのウェッジ角を適宜調整することにより、レーザビームのワークにおける回転半径を加減することが可能となる。

集光光学系34としては、無収差光学部品であるグラディウムレンズが用いられている。
すなわち、市場に多く出回っている集光光学系は、複数のレンズを組合わせて各収差をとるように設計されているが、ビームローテータを用いる場合、複数レンズを組合わせたレンズを使用すると、設計値通りに回転半径、傾きを得ることが難しくなってしまう。
これに対し、グラディウムレンズは、屈折率の異なるガラス素材を高温で溶融接合し、１枚の多層ガラス基材とし、これを非球面に仕上られた型で整形することでレンズにしたものであり、１枚で収差のないレンズを得ることができる。

加工ヘッド20は、レーザビームをＸ−Ｙ方向に偏向するためのガルバノスキャナ36と、プロジェクションレンズ38を備えており、図示しないスライド機構により、上下方向に必要量移動可能となされている。

加工ステージ22は、ワークαを載置した加工テーブル40をＸ−Ｙ方向に必要量移動させるＸＹ移動機構と、加工テーブル40を上下方向に必要量移動させるＺ軸移動機構と、加工テーブル40を回転軸42を中心に左右に必要量回転させるθ軸回転機構を備えている。

レーザ発振器12からパルス発振されたレーザビームＬは、必要に応じて波長変換器14において２倍波に波長変換された後、第１の反射ミラー24aで反射され、ビームエキスパンダ16に導かれる。
そして、このビームエキスパンダ16によってビーム径が縮小されたレーザビームＬは、第２の反射ミラー24bで反射されてビームローテータ18に入射し、必要な入射角度及び回転半径に偏向される。

このビームローテータ18から出射されたレーザビームＬは、第３の反射ミラー24c〜第５の反射ミラー24eで反射され、加工ヘッド20のガルバノスキャナ36に到達する。
このガルバノスキャナ36によって必要方向に必要量偏向されたレーザビームＬは、プロジェクションレンズ38を介してワークαの表面に結像される。

この装置10は、図示は省略したが、専用の制御プログラムを搭載したＰＣ等の制御装置を備えており、この制御装置からの制御信号に従って、レーザ発振器12からのレーザビームの出射やビームローテータ18の回転、ガルバノスキャナ36の角度調整、加工ヘッド20の上下移動、加工テーブル40のＸＹ方向への移動、上下移動、回転等が制御される。

この装置10は、上記のようにビームローテータ18によってレーザビームＬを回転させる仕組みを採用すると共に、集光光学系34として無収差のグラディウムレンズを採用しているため、レーザ加工の品質を飛躍的に高めることが可能となる。

すなわち、ビームローテータ18を用いることなく、ガルバノスキャナ36のみで微細孔開け加工（１次元加工）を行った場合には、図２(a)に示すように、開口部44周辺の広い領域でダレ46が発生し、開口部44の形状も不整となる。
これに対し、通常のビームローテータを用いて同じ加工を行うと、図２(b)に示すように、ダレ46の面積が縮小すると共に、開口部44の形状も比較的整ったものとなる。

そして、集光光学系34としてグラディウムレンズを採用した上記のビームローテータ18を用いて加工した場合には、図２(c)に示すように、開口部44周辺にダレがほとんど発生することなく、開口部44の形状も真円に近いものとなる。
しかも、アスペクト比（口径に対する深さの割合）が１０倍以上の深い孔を形成することが可能となる。
なお、ワークαの表面に形成される開口部の形状としては、特に真円に限定されるものではなく、ディンプル（半球型、円錐）や溝であってもよい。

また、図３(a)に示すように、加工ヘッド20側のみを上下に移動する場合には、レーザビームＬの照射によって形成される凹部48の断面形状も垂直に近い単調な形状とならざるを得なかった。

これに対し、図３(b)に示すように、加工ヘッド20側の上下移動とワークαを載置した加工テーブル40側の上下移動を組み合わせることにより、部分的な傾斜面50を備えた凹部52など、比較的複雑な加工形状を実現することが可能となる。

例えば、この装置10を用いることにより、図４に示すように、ワークαの表面に２つの垂直面（表面からの角度がほぼ９０度の面）54, 54と２つの傾斜面（表面からの角度がほぼ１６度の面）56, 56を備えた、四角錐台形状の微細凹部（１辺：５０μｍ／深さ：１００μｍ）58を形成することが可能となり、３次元マイクロパターンデザインをレーザ加工によって高精度で形成することが可能となる。

その他、この装置10は、高硬度・高脆性で機械的加工が極めて困難なグラッシーカーボン素材（ＧＣ材）に対する２次元マイクロパターン（Ｖ字溝）形成や、光学プラスチック材であるＰＭＭＡ（ポリ・メチル・メタ・アクリレート）に対するフレネルパターン転写等の３次元加工に広くに応用可能である。

上記においては、表面が平板状のワークに対する加工例を示したが、この発明は丸棒状のワークの表面に多数のディンプル（凹部）を規則的に形成する用途にも応用可能である。
図５はその一例を示すものであり、レーザ加工ヘッド20と加工テーブル40の部分を中心に描かれているが、多次元パターン形成装置10としては上記と同様、レーザ発振器12、波長変換器14、ビームエキスパンダ16、ビームローテータ18、第１の反射ミラー24a〜第５の反射ミラー24eを備えている。

この実施形態においては、加工テーブル40上にワーク保持装置60が載置されている。
このワーク保持装置60は、本体部62とワーク固定用腕部64を備えており、このワーク固定用腕部64は、回転軸66を中心に上下に回転できるように、本体部62に軸着されている。また、本体部62内には、ワーク固定用腕部64の回転機構（ステッピングモータやドライバ回路等）が設けられている。

ワーク固定用腕部64の先端には、チャック68を介して丸棒状のワーク70の一端が固定されている。
このチャック68は、ワーク固定用腕部64内に設けられた回転機構（ステッピングモータやドライバ回路等）により、ワーク70と共に任意の方向に任意の角度で回転可能となされている。

上記ワーク70としては、例えば人体内に挿入される超音波内視鏡の穿刺針が該当する。このような穿刺針にあっては、超音波の反射特性を向上させる目的で、その表面に超微細なディンプルを規則的に形成することが求められる。

丸棒状ワーク70に対する加工は、ＰＣ72から出力される制御信号に基づいて実行される。
すなわち、ワーク保持装置60のチャック68の回転制御及びワーク固定用腕部64の角度制御は、ＰＣ72から出力される制御信号に基づいて、実行される。
同様に、レーザ発振器12からのレーザビームの出射やビームローテータ18の回転、加工テーブル40のＸＹ方向への移動、ガルバノスキャナ36の角度調整、加工ヘッド20の上下移動も、ＰＣ72からの制御信号に従って制御される。

このために、ＰＣ72には事前に、ワーク70のプロファイルデータ（2D-CADデータ／3D-CADデータ）に基づいて生成されたリバースエンジニアリングデータ74が入力される。
このリバースエンジニアリングデータ74に基づいて、ＰＣ72上に起動された専用プログラムがワーク70の輪郭データ等を抽出し、これに各種パラメータ（各ディンプルの径や深さ、ピッチ等）を適用することにより、装置10の各部の動作を制御するための制御データが生成される。

このように、ワーク70のプロファイルデータに基づいて制御データが生成されるため、ワーク70が複雑な表面形状を備えている場合であっても、最適化された制御データが自動的に生成可能となる。

上記のように、丸棒状のワーク70を、その軸を中心に任意の方向に任意の角度で回転させるワーク回転機構（チャック68及びその回転機構）を備えているため、丸棒状のワーク70の表面に凹部を所定のピッチで容易かつ正確に形成することが可能となる。
また、ワーク70の傾斜角度を変位させる傾斜角度調整機構（ワーク固定用腕部64の回転機構）を備えているため、ワーク70の傾斜角度を制御すると共に、レーザのパワーやショット数、周波数を調整することにより、部分的に形状や深さの異なる凹部を容易に形成可能となる。

この発明に係る極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置の全体構成を示す模式図である。微細孔加工の精度を模式的に示す比較図である。加工ヘッドのみの上下動による加工形状と、加工ヘッド及び加工ステージの上下動による加工形状との相違を模式的に示す比較図である。３次元マイクロパターンデザインをワーク表面に高精度で形成した例を示す模式図である。この発明に係る極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置の他の実施形態を示す図である。

10 極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置
12 レーザ発振器
14 波長変換器
16 ビームエキスパンダ
18 ビームローテータ
20 加工ヘッド
22 加工ステージ
24a 第１の反射ミラー
24b 第２の反射ミラー
24c 第３の反射ミラー
24d 第４の反射ミラー
24e 第５の反射ミラー
26a 入射角度調整用光学系のウェッジプリズム
26b 入射角度調整用光学系のウェッジプリズム
28 入射角度調整用光学系
30a 回転半径調整用光学系のウェッジプリズム
30b 回転半径調整用光学系のウェッジプリズム
32 回転半径調整用光学系
34 集光光学系
36 ガルバノスキャナ
38 プロジェクションレンズ
40 加工テーブル
42 回転軸
44 開口部
46 ダレ
48 凹部
50 傾斜面
52 凹部
54 垂直面
56 傾斜面
58 四角錐台形状の微細凹部
60 ワーク保持装置
62 本体部
64 ワーク固定用腕部
66 回転軸
68 チャック
70 丸棒状ワーク
72 ＰＣ
74 リバースエンジニアリングデータ
76 ディンプル

Claims

極短パルスレーザ発振器と、
このレーザ発振器から出射されたレーザビームのワークに対する入射角度を調整する入射角度調整用光学系、上記レーザビームのワークにおける回転半径を調整する回転半径調整用光学系、及び集光光学系を有するビームローテータと、
ガルバノスキャナ及びレンズを有する加工ヘッドと、
この加工ヘッドを必要量上下動させる上下動駆動機構と、
ワークを載置する加工テーブルと、
この加工テーブルを必要量上下動させる上下動駆動機構と、
この加工テーブルを必要量回転させる回転駆動機構とを備え、
さらに、上記ビームローテータの集光光学系が、無収差レンズよりなることを特徴とする極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置。
請求項１に記載の極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置を用いた多次元パターン形成方法であって、
上記加工ヘッドの上下動と加工テーブルの上下動を組み合わせることにより、ワーク表面に垂直面と傾斜面が混在した四角錐台形状の凹部を形成することを特徴とする極短パルスレーザによる多次元パターン形成方法。
極短パルスレーザ発振器と、
このレーザ発振器から出射されたレーザビームのワークに対する入射角度を調整する入射角度調整用光学系、上記レーザビームのワークにおける回転半径を調整する回転半径調整用光学系、及び集光光学系を有するビームローテータと、
ガルバノスキャナ及びレンズを有する加工ヘッドと、
この加工ヘッドを必要量上下動させる上下動駆動機構と、
少なくとも一端が固定された丸棒状のワークを、その軸を中心に任意の方向に任意の角度で回転させるワーク回転機構とを備え、
さらに、上記ビームローテータの集光光学系が、無収差レンズよりなることを特徴とする極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置。
上記ワークの傾斜角度を変位させる傾斜角度調整機構を備えたことを特徴とする請求項３に記載の極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置。
上記極短パルスレーザ発振器が、ピコ秒レーザ発振器であることを特徴とする請求項１、３、４の何れかに記載の極短パルスレーザによる多次元パターン形成装置。