JP2021186813A - 微細凹凸構造の形成方法および形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工物表面に微細構造を高効率かつ高精度に形成する方法を提供する。【解決手段】空間光位相変調器３に、レーザ光源２から出力される１００ピコ秒以下のパルス幅を有する超短パルスレーザを入力するステップと、空間光位相変調器３から出力された位相変調後の超短パルスレーザを、所定の開口数と所定の焦点距離のレンズ５が設けられていて入力される光を複数のレーザビームに分割する集光光学系５０に入力することで、基材７とレーザビームとの成す角度が所定の角度となるように設定するステップと、レーザビームの集光スポットの位置が基材７の表面から所定の深さとなるように調節するステップと、レーザビームを基材７に照射して所定方向に走査するステップとを含み、基材７の表面に、複数の第１の凹凸構造と、第１の凹凸構造の凸部の表面における第１の凹凸構造よりも幅の間隔が少ない複数の第２の凹凸構造とを同時に形成する。【選択図】図１

Description

本発明は微細凹凸構造の形成方法および形成装置に関し、特に超短パルスレーザを用いた微細凹凸構造の形成方法および形成装置に関する。

従来より、金属やセラミックス等の加工対象物である母材表面に微細加工を施すための技術として、レーザを加工対象物の表面に照射する方法が知られている。例えば、下記の特許文献１には、所定波長の超短パルスレーザを母材に照射して、所定波長よりも小さいサイズの微細構造を形成する加工方法が記載されている。

国際公開第２００６／０２７８５０号明細書

上述のような従来技術では、レーザを母材表面に照射して微細構造を形成している。すなわち、一回の加工ではレーザは一点にしか集光されず、母材表面を一点ずつしか加工できない。また、母材にマイクロ構造の溝とナノ構造の溝との両者を形成しようとする場合には、たとえばマイクロ構造の溝を加工した後にレーザの照射条件を変更したうえでナノ構造の溝を改めて加工する必要がある。このため、母材全体の加工を行うのに膨大な数の点の加工が必要となり、加工に膨大な時間を要するために加工効率が極めて低いという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、母材表面に異なるサイズの凹凸構造を高効率かつ高精度に同時に形成することができる微細凹凸構造の形成方法および形成装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る微細凹凸構造の形成方法は、
複数の画素が所定間隔に配列された光学素子の画素それぞれにおいて光の位相を変調する空間光位相変調器に、レーザ光源から出力されるパルス幅１００ピコ秒以下の超短パルスレーザ光を入力するステップと、
前記空間光位相変調器から出力された位相変調後の前記超短パルスレーザ光を、所定の開口数と所定の焦点距離のレンズを含む集光光学系に入力することで、複数のレーザビームに分岐するとともに、前記複数のレーザビームの集光スポット位置を、基材表面において所定間隔、かつ、前記基材表面から所定の深さとなるように調節するステップと、
前記基材に照射された複数のレーザビームを所定方向に走査するステップとを含み、
前記基材に所定の角度で入射するように設定された前記複数のレーザビームを前記基材に照射して所定方向に走査する際に、前記基材表面で前記レーザビームどうしが重なることで、前記基材の表面に、複数の第１の凹凸構造と、前記複数の第１の凹凸構造の凸部の表面における、前記第１の凹凸構造よりも凹部と凸部の幅が狭い複数の第２の凹凸構造とを同時に形成することを特徴とする。

上記の課題を解決するために、本発明の別の態様に係る微細凹凸構造の形成装置は、
パルス幅１００ピコ秒以下の超短パルスレーザ光を発振させるレーザ光源と、
複数の画素が所定間隔に配列された光学素子の画素それぞれにおいて、入射された前記パルスレーザ光の位相を変調して出力させる空間光位相変調器と、
前記空間光位相変調器から出力された位相変調後の前記超短パルスレーザ光を、複数のレーザビームに分岐するとともに、前記複数のレーザビームを基材の表面に所定角度で照射させて、前記レーザビームの集光スポット位置が基材表面において所定間隔、かつ、前記基材表面から所定の深さとなるように調節し、さらに前記基材表面で前記レーザビームどうしに重なりを生じさせる集光光学系と、
前記基材に照射されている複数のレーザビームを前記基材に対して相対的に所定方向に走査させる走査装置とを備え、
前記集光光学系によって前記基材の表面で前記レーザビームどうしに重なりを生じさせたうえでの前記走査装置による走査により、前記基材の表面に、複数の第１の凹凸構造と、前記複数の第１の凹凸構造の凸部の表面における、前記第１の凹凸構造よりも凹部と凸部の幅が狭い複数の第２の凹凸構造とを同時に形成するものであることを特徴とする。

上記した本発明の一態様および別の態様によれば、母材表面に異なるサイズの凹凸構造を高効率かつ高精度に同時に形成することができる。

微細凹凸構造の形成装置の一実施形態の構成を示す図である。 微細凹凸構造の形成装置を用いた微細凹凸構造の形成方法の一例を示すフローチャートである。 複数のレーザビームによって加工した際の基材をＹ方向から見た図である。 複数のレーザビームによって加工した際の基材をＺ方向から見た図である。 本発明によって得られる微細凹凸構造を示す図である。 複数のレーザビームを基材に照射した際のレーザビームの重なりと第１の凹凸構造との位置関係を模式的に表した図である。

以下、本発明の一実施形態について、図１〜図５に基づいて説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例であって、本願に開示の技術、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

本発明の微細凹凸構造の形成方法は、超短パルスレーザを空間光位相変調器で位相を変調して強度分布を変化させたレーザビームについて、空間光位相変調器で設定した位相変調パターンによって基材の所定の位置に複数の集光点を形成し、基材に位相変調後のレーザビームを分岐して基材表面で重なり合うように照射することで、大きさが異なる複数の微細な凹凸構造を形成する方法である。すなわち、本発明の微細凹凸構造の形成方法は、基材表面に対して分岐しそれぞれエネルギーを有するレーザビームどうしの干渉によって基材表面を加工して、幅および／または高さが異なる微細な凹凸構造としての、第１の凹凸構造と第２の凹凸構造９（図４参照）とを同時に形成する方法である。ここで、第１の凹凸構造は、第２の凹凸構造９よりも幅と高さが大きい凹凸構造である。また、第２の凹凸構造９は、第１の凹凸構造よりも幅と高さが小さい凹凸構造である。例えば、第１の凹凸構造のサイズはマイクロメートルオーダーであり、第２の凹凸構造９のサイズはナノメートルオーダーからサブミクロンメートルオーダーである。以降、図面とともに本発明の微細凹凸構造の形成方法および微細凹凸構造の形成装置について説明する。

〔微細凹凸構造の形成装置の構成〕
まず、本実施形態に係る微細凹凸構造の形成装置１の基本的な構成を図１に基づいて説明する。図１は、微細凹凸構造の形成装置の一実施形態の構成を示す図である。本実施形態における微細凹凸構造の形成装置１は、微細凹凸構造の加工対象である基材７の表面または内部に複数の集光位置が設定され、その集光点にレーザ光を集光照射する装置であって、レーザ光源２と、空間光位相変調器３と、波長板４と、集光光学系５０を構成するレンズ５と、走査装置としてのＸＹＺステージ６とを含む。図１では、説明の都合上、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向を示している。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は互いに垂直である。なお、Ｘ方向は、基材７の表面に対して平行な方向であり、かつ図１の紙面に対して垂直方向である。Ｙ方向は、集光光学系５０の光軸に対して垂直方向であり、かつ図１の紙面の上下方向に相当する。Ｚ方向は、集光光学系５０の光軸方向であって、基材７の厚み方向に相当する。

レーザ光源２は、基材７の内部の複数の集光位置に集光照射するレーザ光を出力するものであり、例えば、ピコ秒レーザ光源やフェムト秒レーザ光源などのパルスレーザ光源が好ましい。なお、レーザ光のパルス幅は短い方が好ましく、１００ピコ秒（１０^−１０秒）以下であることが好ましい。また、１パルスあたりのパルスエネルギーは０．１〜１００μJであることが好ましい。ただし、出力するレーザ光の波長においては、複数のレーザビームに分岐して、基材７の表面を加工できるエネルギーがあればよく、適宜選択が可能である。

そして、レーザ光源２から出力されたレーザ光は、例えばビームエキスパンダなどの光学素子によってレーザのビーム径を調整したうえで、反射ミラーなどを介して空間光位相変調器３に入力される。このとき、空間光位相変調器３に入力されるレーザ光は、前述のビームエキスパンダやホモジナイザなどの光学素子によって、レーザ光源１から出力されるレーザ光のエネルギー分布が均一化されていることが好ましい。

空間光位相変調器３は、レーザ光の位相を変調する装置である。本装置によって、レーザ光の位相が変調され、基材７に位相を変調したレーザ光を集光した際に、レーザ光の強度分布が変化する。

本実施形態における空間光位相変調器３は位相変調型を採用し、通信可能に接続された制御装置（図示省略）で設定された位相変調パターンに基づき、レーザ光源１から出力されたレーザ光を変調させる。そして、変調したレーザ光を基材７表面において集光した際に、基材７の集光位置においてレーザ光の強度分布を変化させるとともに、複数の集光点を形成させる。より詳細には、図示を省略した制御装置で設定する位相変調パターンに基づいたホログラムにより、レーザ光は、基材７に形成する微細凹凸構造のうちの第１の凹凸構造の凸部の幅に対応するように分岐され、これによって複数のレーザビームが生成される。

波長板４は、空間光位相変調器３から出力された位相変調後のレーザビームの偏光方向の調整を行う。このように偏光方向の調整を行う理由は、第２の凹凸構造９の凸部を、照射するレーザの偏光方向に依存して垂直または平行に形成させるためである。ここで、第２の凹凸構造９の凸部がレーザの偏光方向に対して垂直または平行に形成されるかは、材料に依存するところが大きく、このため照射する基材７の材料に応じて適宜選択する必要がある。

本実施形態では、位相変調後のレーザビームの偏光方向を微細凹凸構造の加工方向と直交する方向に設定する。具体的には、形成する第２の凹凸構造９の凸部の幅方向と平行になるように波長板４を回転させて所望の偏光方向に設定する。なお、波長板４を回転する量は、使用する基材７の材質に応じて適宜調節すれば良い。これにより、前述した偏光方向に設定したレーザビームを基材７に照射することで、レーザビームの偏光方向と直交する方向に微細凹凸構造が形成される。

本実施形態では、波長板４は１／２波長板を用いている。しかし、レーザビームの偏光状態（直線偏光または円偏光など）に応じて必要に応じて選択すればよい。本実施形態においては、レーザ光は直線偏光であり、１／２波長板を配置して偏光方向を制御することで、所望の偏光方向を設定している。

波長板４を通過して所望の偏光方向となっているレーザビームは、集光光学系５０を構成するレンズ５（対物レンズ）へと伝搬される。そして、このレンズ５によって、基材７の表面または内部に設定された複数の集光スポット位置にレーザビームが集光照射される。このとき、基材７とレーザビームとの成す角度が所定の角度となる開口数のレンズ５である必要がある。この詳細については、後述の幾何学計算にて説明する。

なお、微細凹凸構造の形成装置１における光学系は、図１に示す構成に限らず、様々な構成を用いることが可能である。例えば、図１の構成に代えて、レンズ５を含めた複数のレンズで構成された光学系であってもよい。

走査装置としてのＸＹＺステージ６は、基材７を保持して移動させる可動式のステージである。このＸＹＺステージは、レーザ光を走査する方向に応じて基材７を移動させ、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向のいずれの方向にも移動させる。

図１に示すように、基材７は、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向に移動可能に構成されたＸＹＺステージに取り付けられている。ここで、基材７は、シート状または板状の部材である。基材７は、特に限定されるものではなく、金属材料や無機材料などが挙げられる。例えば、金属材料としては、ニッケル材、鋼材、アルミニウム材などを用いることができる。中でも、クロムめっきされた鋼材が好ましい。本実施形態では、基材７はクロムめっきされた鋼材であり、基材７の表面は平面状である。

制御装置（図示せず）は、空間光位相変調器３、波長板４、ＸＹＺステージ６の各部を統括して制御するものであり、上述の空間光位相変調器３に設定する位相変調パターンの読み込みや、ＸＹＺステージの移動方向の設定などの、微細凹凸構造の形成に必要な動作を制御する。

この制御装置は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ソフトウェアによって実現してもよい。

後者の場合、制御装置は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するコンピュータを備えている。このコンピュータは、例えば１つ以上のプロセッサを備えていると共に、上記プログラムを記憶した読み取り可能な記録媒体を備えている。そして、上記コンピュータにおいて、上記プロセッサが上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記プロセッサとしては、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を用いることができる。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の他、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムを展開するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などをさらに備えていてもよい。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明の一態様は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。

〔微細凹凸構造の形成方法〕
次に、図２を参照して、本実施形態に係る微細凹凸構造の形成方法について説明する。図２は、微細凹凸構造の形成装置１を用いた微細凹凸構造の形成方法の一例を示すフローチャートである。

まず、基材７の面がＸＹ平面に対して平行、かつ、ＸＺ平面に対して垂直になるように、この基材７をＸＹＺステージ６に取り付ける。そして、空間光位相変調器３から出力され、かつ基材７の表面または内部の集光スポット位置に集光されるレーザビームの間隔を決めるために、空間光位相変調器３における位相変調素子の位相変調パターンを設定する。所望の位相変調パターンを設定することで、集光位置において隣り合うレーザビームどうしの間隔が決まる。

空間光位相変調器３に、１００ピコ秒以下のパルス幅の超短パルスレーザを発振するレーザ光源１から出力される超短パルスレーザを入力する（Ｓ１１）。本実施形態で使用したレーザ光源１は、既述のように１パルスあたりのエネルギーが０．１μＪ〜１００μＪであり、出力するレーザの波長が７８０ｎｍ、パルスの繰り返し周波数が１ｋＨｚのフェムト秒パルスレーザ光源である。なお、上記のように１パルスあたりのエネルギーは０．１μＪ〜１００μＪであることが特に好ましいが、レーザ光の波長は、微細凹凸構造の形成に必要なエネルギーが得られればよい。したがって、レーザ光の波長は上記に限定されることはなく、適宜選択することができる。

空間光位相変調器３から出力された位相変調後の超短パルスレーザを、所定の開口数と焦点距離のレンズ５が設けられていて、入力される光を複数の集光ビームに分割する、集光光学系５０に入力することで、基材７と集光ビームとの成す角度が所定の角度となるように設定する。このレンズ５の開口数は、形成する微細凹凸構造の間隔と高さに応じて決まる。詳細は、後述の幾何学計算で説明する。

空間光位相変調器３で分割された複数の集光ビーム４０（図３Ａ参照）の集光スポット位置４０ａが、基材７の表面から所定の深さとなるように調節する（Ｓ１２）。なお、この集光スポット位置４０ａは、図３Ａに示すようにＺ方向に向かって基材７の表面の高さを基準としたときに、表面から３０μｍの深さであることが好ましい。

Ｓ１２で集光スポット位置４０ａを調節したうえで、複数の集光ビーム４０を基材７に照射して所定方向に走査する（Ｓ１３）。このときの基材７に微細凹凸構造を形成する際の速度（以下、「加工速度」と称する）は、用いるレーザのパルスの繰り返し周波数が１ｋＨｚである場合に、等速で２０μｍ／ｓ以上１００μｍ／ｓ以下であることが好ましい。ただし、用いるレーザの繰り返し周波数が高くなれば、高くなった分だけ加工速度も速くなる。このため、加工速度は、用いるレーザのパルスの繰り返し周波数に応じて適宜設定すれば良く、上述の加工速度に限定されることはない。なお、本実施形態では、複数のレーザビームによって加工した際の基材７をＺ方向から見た図３Ｂに示すように、複数のレーザビームをＹ方向に走査して基材７の表面に微細凹凸構造を形成している。

なお、上述の微細凹凸構造の形成方法において、サイズの大きい第１の凹凸構造と、第１の凹凸構造に比べてサイズの小さい第２の凹凸構造９とを同時に形成するために必要な調整パラメータは、微細凹凸構造の形成装置１において、レーザ光の照射条件と、基材７におけるレーザビームの集光位置の間隔と、レンズ５の開口数および焦点距離との３点である。具体的には、レーザ光の照射条件として、レーザ光の波長、繰り返し周波数、パルス幅、パルスエネルギー、ビームサイズ、加工速度、偏光方向などがある。その中でも特にパルスエネルギーと加工速度が加工に与える影響が大きく、これらを所定の範囲内で調節する必要がある。また、基材７におけるレーザビームの集光位置の間隔は、上述の空間光位相変調器３に通信可能に接続されている制御装置で設定する位相変調パターンに基づいたホログラムが形成され、形成されたホログラムにより基材基板７に形成する微細凹凸構造の第１の凹凸構造の凸部の幅に対応するようにレーザビームが分岐されることで、決定される。そして、レンズ５の開口数は、所望の第１の凹凸構造の高さと幅とに応じて、後述の幾何学計算から得られる開口数を採用する。

以上のＳ１１〜Ｓ１３のステップを実施することで、図４に示すところの、高さおよび幅が異なる第１の凹凸構造８と第２の凹凸構造９とを、基材７の表面に同時に形成することができる。ここで、第１の凹凸構造８と第２の凹凸構造９とは、図４において、第１の凹凸構造８の凹部が８ａ、凸部が８ｂである。また、第２の凹凸構造９の凹部が９ａ、凸部が９ｂである。

〔レンズの開口数の算出方法（レーザの集光位置の間隔決定方法）〕
上述のように、第１の凹凸構造８と第２の凹凸構造９とを同時に形成するためのレーザビームの集光位置の間隔を決定する調整パラメータの一つであるレンズ５の開口数は、以下に示す幾何学計算によって得られる。この幾何学計算は、図５を参照しながら説明する。

図５は、ＸＺ平面における複数のレーザビーム４１、４２を基材７に照射した際の、レーザビーム４１、４２の重なりと、第１の凹凸構造８との位置関係を模式的に表した図である。図５のように、レーザビーム４１、４２が重なり合うように、レーザビーム４１、４２の照射位置を上述の方法を用いて設定したうえで、レーザビーム４１、４２を基材７に照射することで、第１の凹凸構造８だけでなく、図４に示す第２の凹凸構造９も同時に形成することが可能となる。

ここで、図５を参照しながら、第１の凹凸構造８と第２の凹凸構造９（図４参照）とを同時に形成するためのレーザビームのエネルギーおよび集光スポット位置の関係について、より具体的に述べる。まず、第１の凹凸構造８の形成を行うには、レーザビーム４１、４２の集光スポット位置においてこのレーザビーム４１、４２が所定の大きさのエネルギーを有することが必要となる。また、第２の凹凸構造９（図４参照）を形成するためには、第１の凹凸構造８の凸部表面４７の付近においてレーザビーム４１、４２が所定の大きさのエネルギーを有することが必要となる。なお、この第２の凹凸構造９（図４参照）の形成に必要なエネルギーは、第１の凹凸構造８の形成に要するエネルギーよりも大きいことが必要である。そして、第１の凹凸構造８と第２の凹凸構造９（図４参照）とを同時に形成するために、第１の凹凸構造８の形成時に照射するレーザビーム４１、４２が重なり合うように集光スポット位置を調整し、隣り合うレーザビーム４１、４２の集光スポット位置の間隔が所定値となるようにする。加えて、隣り合うレーザビーム４１、４２が重なり合う位置（干渉位置）を第１の凹凸構造８の凸部表面４７に位置するように設定する。

図５は、上述の複数のレーザビーム４１、４２を基材７に照射した際の、レーザビーム４１、４２の重なりと、第１の凹凸構造８との位置関係を模式的に表したものである。なお、説明を簡略化するために、照射されるレーザビーム４１、４２を２つとしている。図５において、レーザビーム４１およびレーザビーム４２は三角形状で表されており、また基材７には複数の凹凸構造８、８、・・・が形成されている。４１ａ、４２ａは、レーザビーム４１とレーザビーム４２との集光スポットである。そして、θはレーザビーム４１、４２の中心角、ｂは基材７に対するレーザビーム４１、４２の入射角である。ｃは隣り合うレーザビーム４１、４２の集光スポット４１ａ、４２ａの位置間距離、ｄは第１の微細凹凸構造８の凸部８ｂの幅、ｅは第１の微細凹凸構造８の凸部８ｂの高さである。

図５において、ＸＹ平面において隣り合うレーザビーム４１、４２の集光位置が近く、そのため隣り合うレーザビーム４１、４２同士が重なり合う場合は、集光スポット４１ａ、４２ａだけでなく、集光スポット４１ａ、４２ａの間の領域付近におけるレーザビーム４１、４２同士の干渉が強くなる。これにより、第１の凹凸構造８の凸部８ｂにおけるレーザビーム４１、４２のエネルギーが大きくなり、第１の凹凸構造８が形成されるとともに、第２の凹凸構造９（図４参照）が形成される。

ここで、上述のように隣り合うレーザビーム４１、４２が第１の凹凸構造８の凸部８ｂの表面４７で重なり合うようにするためには、空間光位相変調器３で設定した、位相変調素子の位相変調パターンによって決まるレーザビーム４１、４２の集光スポット位置間距離と、レーザビーム４１、４２の基材７に対する入射角ｂの角度との、２つの条件が所定範囲になるように定める必要がある。これらの２つの条件のうち、前者の値は、既述のとおり、形成する微細凹凸構造８の大きさに応じて、位相変調素子の位相変調パターンを適宜選択することで決まる。そして、後者は、位相変調素子の位相変調パターンの間隔と、形成される第１の凹凸構造８の凸部８ｂの幅に基づいて得られる開口数のレンズ５とを選定することで、決定される。

まず、レーザビーム４１、４２の集光スポット４１ａ、４２ａの位置間距離ｃは、既述のとおり、位相変調素子の位相変調パターンで定められる。

上述のレーザビーム４１、４２の基材７に対する入射角ｂの角度を定めるレンズ５の開口数については、レンズ５はスネルの法則に従うことから、ＮＡをレンズ５の開口数、ｎを光が通過する媒体の屈折率、θを集光スポット４１ａ、４２ａに集まるレーザビーム４１、４２が光軸となす角度として、下記の式（１）で表される。

ＮＡ ≦ ｎｓｉｎθ ・・・（１）

また、本実施形態では、レンズ５と基材７の表面との間の媒体は空気であり、ｎ＝１として、ＮＡ≦ｓｉｎθと表される。

図５より、レーザビー４１、４２の重なり合う位置が第１の凹凸構造８の凸部８ｂに位置するときのレーザビーム４１、４２の入射角度θは、式（２）で表される。この式（２）において、図５に示すレーザビーム４１、４２の重なりと、第１の凹凸構造８との位置関係について述べたように、ｃは隣り合うレーザビーム４１、４２の集光スポット４１ａ、４２ａの位置間距離、ｅは第１の微細凹凸構造８の凸部８ｂの高さである。そして、式（２）を式（１）に代入すると、式（３）で表される。

θ＝［９０−ａｔａｎ｛ｅ／（ｃ／２）｝］ ・・・（２）

ａｔａｎ（ｅ／（ｃ／２））≦９０−ａｓｉｎ（ＮＡ） ・・・（３）

式（３）の関係を満たす開口数のレンズ５を選定することで、第１の凹凸構造８の凸部８ｂでレーザビーム４１、４２が重なり合い、レーザビーム４１、４２の干渉が生じる。これにより、第１の凹凸構造８の凸部８ａにおけるレーザビーム４１、４２のエネルギーの大きさが、第１の凹凸構造８の凹部８ａにおけるレーザビーム４１、４２の集光スポット４１ａ、４２ａの位置でのエネルギーよりも大きくなり、第１の凹凸構造８よりも高さと幅が小さい第２の凹凸構造９（図４参照）に必要なエネルギーを得ることができる。

以上より、レーザ光源２から出力されるレーザ光のエネルギーと、隣り合うレーザビーム４１、４２の集光スポット４１ａ、４２ａの位置間距離を定める位相変調素子の位相変調パターンとに加え、上述の幾何学計算から算出されるところの、開口数が所定値となるレンズ５（対物レンズ）を選定することで、基材７に、それぞれ高さと幅が異なる第１の凹凸構造８と第２の凹凸構造９（図４参照）とを同時に形成することができる。

図１に示す微細凹凸構造の形成装置１を用いて、クロムめっきされた鋼材を基材７として、基材７の表面に微細凹凸構造の形成を行った。本実施例におけるレーザ光の照射は、波長７８０ｎｍで最大出力が１ｍＷ、パルス幅２３０ｆｓ（フェムト秒）、直線偏光の超短パルスレーザを用いて行った。また、開口数０．４５のレンズを用いて、１集光点あたりの超短パルスレーザのパルスエネルギーが１０μJとなるように設定した。なお、基材７の表面に照射したときの超短パルスレーザの１回あたりの照射におけるフルエンスを０．４Ｊ／ｃｍ^２以上１．８Ｊ／ｃｍ^２以下とした。レーザの偏光方向が、第１の凹凸構造８の長手方向（図１中のＹ方向）と直交する方向となるように、波長板４の角度を設定した。そして、レーザ光源２から出力されたレーザ光の分岐数を１０とし、分岐されたレーザビームの集光スポット位置間の距離を、１５μｍ以上３０μｍ以下の範囲とした。また、レーザビームの集光スポット位置は、基材７の表面から基材７の厚み方向（図１中のＺ方向）に−３０μｍ以上３０μｍ以下の範囲になるようにした。

このように設定し、レーザビームを第１の凹凸構造８の長手方向（図１中のＹ方向）に１００μｍ／ｓの速度で走査させ、基材７の表面にレーザビームを照射した。以上の微細凹凸構造の形成条件と上述の形成方法の工程とにより、図４に示す基材７の表面に第１の凹凸構造８および第２の凹凸構造９を同時に形成した。このときの第１の凹凸構造８のサイズは、マイクロメートルオーダーであり、第２の凹凸構造９のサイズは、ナノメートルオーダーであった。

[変形例]
上述した空間光位相変調器３は、反射型のものでもあってもよく、透過型のものであってもよい。例えば、反射型のＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）や、透過型のＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）を利用することもできる。また、この空間光位相変調器３の位相変調素子は、レーザ光源１から出力されたレーザ光を基材７の内部で複数のレーザビームに分岐できればよく、透過型回析光学素子、反射型回折光学素子、屈折光学素子、反射光学素子などが使用できる。また、複数の画素を備えた位相変調素子に限定されることはない。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

１ 微細凹凸構造の形成装置
２ レーザ光源
３ 空間光位相変調器
５ レンズ
７ 基材
８ 第１の凹凸構造
８ａ 第１の凹凸構造の凹部
８ｂ 第１の凹凸構造の凸部
９ 第２の凹凸構造
９ａ 第２の凹凸構造の凹部
９ｂ 第２の凹凸構造の凸部
５０ 集光光学系

Claims (4)

1. 複数の画素が所定間隔に配列された光学素子の画素それぞれにおいて光の位相を変調する空間光位相変調器に、レーザ光源から出力されるパルス幅１００ピコ秒以下の超短パルスレーザ光を入力するステップと、
   前記空間光位相変調器から出力された位相変調後の前記超短パルスレーザ光を、所定の開口数と所定の焦点距離のレンズを含む集光光学系に入力することで、複数のレーザビームに分岐するとともに、前記複数のレーザビームの集光スポット位置を、基材表面において所定間隔、かつ、前記基材表面から所定の深さとなるように調節するステップと、
   前記基材に照射された複数のレーザビームを所定方向に走査するステップとを含み、
   前記基材に所定の角度で入射するように設定された前記複数のレーザビームを前記基材に照射して所定方向に走査する際に、前記基材表面で前記レーザビームどうしが重なることで、前記基材の表面に、複数の第１の凹凸構造と、前記複数の第１の凹凸構造の凸部の表面における、前記第１の凹凸構造よりも凹部と凸部の幅が狭い複数の第２の凹凸構造とを同時に形成することを特徴とする微細凹凸構造の形成方法。
2. 前記超短パルスレーザ光のパルスエネルギーを０．１μＪ以上かつ１００μＪ以下とすることを特徴とする請求項１記載の微細凹凸構造の形成方法。
3. 前記所定の角度をθとすると、このθは、前記第１の凹凸構造の短手方向に隣り合って存在する凹部どうしの中心位置の間隔をｃ、前記第１の凹凸構造の凸部の高さをｅ、前記レンズの開口数をＮＡとしたときに、下記の式（２）および式（３）の関係を満たす
   θ＝［９０−ａｔａｎ｛ｅ／（ｃ／２）｝］・・・式（２）
   ａｔａｎ（ｅ／（ｃ／２）） ≦ ９０−ａｓｉｎ（ＮＡ）・・・式（３）
   ことを特徴とする請求項１または２記載の微細凹凸構造の形成方法。
4. パルス幅１００ピコ秒以下の超短パルスレーザ光を発振させるレーザ光源と、
   複数の画素が所定間隔に配列された光学素子の画素それぞれにおいて、入射された前記パルスレーザ光の位相を変調して出力させる空間光位相変調器と、
   前記空間光位相変調器から出力された位相変調後の前記超短パルスレーザ光を、複数のレーザビームに分岐するとともに、前記複数のレーザビームを基材の表面に所定角度で照射させて、前記レーザビームの集光スポット位置が基材表面において所定間隔、かつ、前記基材表面から所定の深さとなるように調節し、さらに前記基材表面で前記レーザビームどうしに重なりを生じさせる集光光学系と、
   前記基材に照射されている複数のレーザビームを前記基材に対して相対的に所定方向に走査させる走査装置とを備え、
   前記集光光学系によって前記基材の表面で前記レーザビームどうしに重なりを生じさせたうえでの前記走査装置による走査により、前記基材の表面に、複数の第１の凹凸構造と、前記複数の第１の凹凸構造の凸部の表面における、前記第１の凹凸構造よりも凹部と凸部の幅が狭い複数の第２の凹凸構造とを同時に形成するものであることを特徴とする微細凹凸構造の形成装置。

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