JP3779119B2 - 高強度超短パルスレーザー加工方法 - Google Patents
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- B23K26/0624—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses using ultrashort pulses, i.e. pulses of 1ns or less
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度超短パルスレーザー加工方法に係り、特に高強度のフェムト秒レーザーを利用した低分子有機化合物の加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザーアブレーションの応用は、成膜、マイクロリソグラフィー、孔明け加工、エッチング等があるが、高強度でかつ超短パルスのレーザー（高強度フェムト秒レーザー）が加工分野への応用として注目され、金属のレーザーアブレーション、固体表面の改質、透明誘電体のバルク改質、超精密加工、角膜手術や細胞融合などの生体への応用がある（応用物理、６７．Ｎｏ．９（１９９８）、ｐｐ．１０５１〜１０５５）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レーザー加工において、アブレーションしきい値を超えると、レーザー入力に比例して被加工部位が大きくなる。幅や面積、又は深さが大となる。従って、所望の寸法を得るためには被加工物体へのレーザー入力を厳しく制御する必要がある。
【０００４】
本発明は、上記状況に鑑みて、固体状有機化合物に対して加工深さを制御できる高強度超短パルスレーザー加工方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕高強度超短パルスレーザー加工方法であって、高強度超短パルスレーザーを、試料台上に設けられる固体状有機化合物に対して単発で照射し、レーザー光の半分が固体状有機化合物に吸収される領域の表面層のみが階段状に加工されることを特徴とする。
【０００６】
〔２〕上記〔１〕記載の高強度超短パルスレーザー加工方法において、前記固体状有機化合物は吸収係数がレーザーの波長で１０μｍ-1以下であることを特徴とする。
【０００７】
〔３〕上記〔１〕記載の高強度超短パルスレーザー加工方法において、前記表面層は固体状有機化合物中でレーザー光が均一に吸収される領域であることを特徴とする。
【０００８】
〔４〕上記〔１〕記載の高強度超短パルスレーザー加工方法において、前記表面層はレーザー光の２０％以下が固体状有機化合物に吸収される領域であることを特徴とする。
【０００９】
〔５〕上記〔１〕記載の高強度超短パルスレーザー加工方法において、前記固体状有機化合物は低分子量化合物であることを特徴とする。
【００１０】
〔６〕上記〔４〕記載の高強度超短パルスレーザー加工方法において、前記固体状有機化合物は芳香族系固体状有機化合物であることを特徴とする。
【００１１】
〔７〕上記〔１〕記載の高強度超短パルスレーザー加工方法において、前記高強度超短パルスレーザーは高強度フェムト秒レーザーであることをことを特徴とする。
【００１２】
〔８〕上記〔１〕記載の高強度超短パルスレーザー加工方法において、前記高強度超短パルスレーザーは高強度ピコ秒レーザーであることをことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明の高強度超短パルスレーザー加工システムの全体構成図である。
【００１５】
この図において、１はＡｒ+ レーザー、２はチタンサファイアレーザー（発振部）、３はＮｄ3+ＹＡＧレーザー、４はチタンサファイアレーザー（チャープパルス増幅器）であり、このチタンサファイアレーザー４は、パルス伸張器５、再生増幅器６、パルス圧縮器７からなる。このパルス圧縮器７からは１５０フェムト秒、７８０ｎｍ、３ｍＪの高強度超短パルスレーザーが出力され、レンズ８を介して、試料台９上の固体状有機化合物（低分子有機化合物）１０に照射される。
【００１６】
このように、フェムト秒レーザーはチャープパルス増幅による高出力チタンサファイアレーザーを用いる。この高出力チタンサファイアレーザーを単発で照射する。
【００１７】
試料としては、第１実施例として、ｍ−ＭＴＤＡＴＡベンゼン溶液をガラス板にキャストして作製したアモルファス膜である。
【００１８】
図２は本発明の第１実施例の高強度超短パルスレーザー加工方法の要部説明図、図３はその試料の作製工程、試料及び試料の吸収スペクトルを示す図であり、図３（ａ）にその試料の作製工程、図３（ｂ）にｍ−ＭＴＤＡＴＡの構造式、図３（ｃ）に試料の吸収スペクトルを示している。
【００１９】
アモルファス膜１３は、ｍ−ＭＴＤＡＴＡ（芳香族系固体状有機化合物）ベンゼン溶液１１をガラス板１２にキャストして作成した。すなわち、ガラス板１２にｍ−ＭＴＤＡＴＡベンゼン溶液１１を塗布して、１〜２日放置した１０〜２０μｍ厚さのｍ−ＭＴＤＡＴＡを得る。つまり、ｍ−ＭＴＤＡＴＡベンゼン溶液１１は、アモルファス状に凝縮し、励起波長（７８０ｎｍ）に吸収はなく、多光子過程により光が吸収されるため、試料には照射光の一部〔１０％以下（最大で２０％以下）〕が吸収されて励起光が均一に吸収される表面層がエッチングに至る。
【００２０】
この試料に、増幅したチタンサファイアレーザーパルス（中心波長７８０ｎｍ、ＦＷＨＭ＝１５０ｆｓ）を試料表面に単発照射し、試料表面の形状変化を顕微鏡、触針式表面形状測定装置、ＡＦＭを用いて観測した。
【００２１】
その結果、アブレーションしきい値は約１７０ｍＪ／ｃｍ2 であった。
【００２２】
図４の上段の左側に１８０ｍＪ／ｃｍ2 、図４の上段の中央に２２７ｍＪ／ｃｍ2 、図４の上段の右側に２８７ｍＪ／ｃｍ2 の条件で照射した試料表面の光学顕微鏡像（暗視野証明）を示す。レーザー照射部分にステップ状にエッチングされた構造がみられ、（図２において、表面層１３Ａにステップエッチングが形成された）各ステップごとにしきい値が観測された。図４の下段にはそのステップ状にエッチングされた表面層の構造の模式図が示されている。この場合、しきい値は約１７０ｍＪ／ｃｍ2 であった。
【００２３】
また、各照射光強度での表面形状を触針計で測定した結果、図５及び図６に示すように、各ステップの深さは、照射光強度に依存せずほぼ一定（１ステップあたり２００〜２５０ｎｍ）であった。図７のＡＦＭの測定結果より、その各ステップの荒れは数ｎｍ程度でレーザー未照射部と同程度に平らであった。ｍ−ＭＴＤＡＴＡは７８０ｎｍに吸収をもたないため、表面形状の変化は多光子過程によるものであると考えられる。
【００２４】
上記から低分子有機ガラス材料（ｍ−ＭＴＤＡＴＡ）のフェムト秒レーザーアブレーションにおいて、ステップ状の表面エッチングが観測された（７８０ｎｍ励起）。そして、ステップ数は照射光強度に依存する。１ステップあたり約２５０ｎｍ、エッチングされた部分は約１０ｎｍのオーダーで平坦であった。
【００２５】
更に、試料としては、第２実施例として図８（Ａ）に示すサビニルブルー（商品名）［正式にはｔｅｔｒａ−〔Ｎ−（２−ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｙｌ）−ｓｕｌｆａｍｏｙｌ〕−ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ Ｃｕ−ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ］：銅フタロシアニン環にアルキル鎖が４本配位した銅フタロシアニン誘導体固体もしくは、アモルファス状に凝縮する非結晶性の銅フタロシアニン誘導体固体約６００ｎｍを用いて、第１実施例と同様にフェムト秒レーザーアブレーションを行った。図９に示すように、この試料でも、エッチング深さがステップ状に変化した（しきい値以上でエッチング深さがステップ状に変化した）。
【００２６】
上記したように、高強度超短パルスレーザーを、レーザーの波長で吸収係数が１０μｍ-1以下の固体状有機化合物に対して単発で照射し、レーザー光の半分がこの固体状有機化合物に吸収される領域の表面層の最大２０％以下（主に、最大１０％以下）が加工される。
【００２７】
すなわち、レーザー光の半分が固体状有機化合物の芳香環に吸収される１００ｎｍ以上の深さが一斉、つまり均一かつ同時に形状変化に至ろうとする結果、図２から明らかなように、照射光強度の増加に伴い表面層がステップ状にエッチングされる。
【００２８】
ここで、吸収される深さは吸収係数の逆数〔１／１０（μｍ-1）＝１００（ｎｍ-1）〕である。
【００２９】
更に、図１に示した再生増幅器６から出力される２５０ピコ秒、７８０ｎｍ、３ｍＪの超短パルスレーザーを用いて、第１実施例と同様にピコ秒レーザーアブレーションを行った。この場合でも、エッチング深さがステップ状に変化した。
【００３０】
試料としては、膜厚が約３００ｎｍの銅フタロシアニン膜〔図８（Ｂ）の真空蒸着膜〕を用いて、第１実施例と同様にピコ秒レーザーアブレーションを行った。銅フタロシアニン膜は粒径が１００ｎｍ以下の微結晶の集合体である（ＡＦＭにより実測されている）。
【００３１】
この場合でも、エッチング深さがステップ状に変化した。
【００３２】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３３】
【発明の効果】
以上、詳細に述べたように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００３４】
（Ａ）固体状有機化合物に対して加工深さを制御できる高強度超短パルスレーザー加工方法を得ることができる。
【００３５】
（Ｂ）高強度超短パルスレーザーのショット毎の照射光強度により略一定の深さのエッチングを行うことがでる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高強度超短パルスレーザー加工システムの全体構成図である。
【図２】本発明の第１実施例の高強度超短パルスレーザー加工方法の要部説明図である。
【図３】本発明の第１実施例の試料の作製工程、試料及び試料の吸収スペクトルを示す図である。
【図４】本発明の第１実施例のステップ状の表面エッチング状態を示す図である。
【図５】本発明の第１実施例の高強度超短パルスレーザーのステップによるエッチング深さを示す図である。
【図６】本発明の第１実施例の高強度超短パルスレーザーの照射光強度とエッチング深さを示す図である。
【図７】本発明の第１実施例のエッチングされた領域のＡＦＭの測定結果を示す図である。
【図８】本発明の第２実施例の試料としてのサビニルブルー（Ａ）と銅フタロシアニン（Ｂ）の化学式を示す図である。
【図９】本発明の第２実施例の高強度超短パルスレーザーの照射光強度とエッチング深さを示す図である。
【符号の説明】
１ Ａｒ+ レーザー
２ チタンサファイアレーザー（発振部）
３ Ｎｄ3+ＹＡＧレーザー
４ チタンサファイアレーザー（チャープパルス増幅器）
５ パルス伸張器
６ 再生増幅器
７ パルス圧縮器
８ レンズ
９ 試料台
１０ 固体状有機化合物
１１ ｍ−ＭＴＤＡＴＡベンゼン溶液
１２ ガラス板
１３ アモルファス膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度超短パルスレーザー加工方法に係り、特に高強度のフェムト秒レーザーを利用した低分子有機化合物の加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザーアブレーションの応用は、成膜、マイクロリソグラフィー、孔明け加工、エッチング等があるが、高強度でかつ超短パルスのレーザー（高強度フェムト秒レーザー）が加工分野への応用として注目され、金属のレーザーアブレーション、固体表面の改質、透明誘電体のバルク改質、超精密加工、角膜手術や細胞融合などの生体への応用がある（応用物理、６７．Ｎｏ．９（１９９８）、ｐｐ．１０５１〜１０５５）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レーザー加工において、アブレーションしきい値を超えると、レーザー入力に比例して被加工部位が大きくなる。幅や面積、又は深さが大となる。従って、所望の寸法を得るためには被加工物体へのレーザー入力を厳しく制御する必要がある。
【０００４】
本発明は、上記状況に鑑みて、固体状有機化合物に対して加工深さを制御できる高強度超短パルスレーザー加工方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕高強度超短パルスレーザー加工方法であって、高強度超短パルスレーザーを、試料台上に設けられる固体状有機化合物に対して単発で照射し、レーザー光の半分が固体状有機化合物に吸収される領域の表面層のみが階段状に加工されることを特徴とする。
【０００６】
〔２〕上記〔１〕記載の高強度超短パルスレーザー加工方法において、前記固体状有機化合物は吸収係数がレーザーの波長で１０μｍ-1以下であることを特徴とする。
【０００７】
〔３〕上記〔１〕記載の高強度超短パルスレーザー加工方法において、前記表面層は固体状有機化合物中でレーザー光が均一に吸収される領域であることを特徴とする。
【０００８】
〔４〕上記〔１〕記載の高強度超短パルスレーザー加工方法において、前記表面層はレーザー光の２０％以下が固体状有機化合物に吸収される領域であることを特徴とする。
【０００９】
〔５〕上記〔１〕記載の高強度超短パルスレーザー加工方法において、前記固体状有機化合物は低分子量化合物であることを特徴とする。
【００１０】
〔６〕上記〔４〕記載の高強度超短パルスレーザー加工方法において、前記固体状有機化合物は芳香族系固体状有機化合物であることを特徴とする。
【００１１】
〔７〕上記〔１〕記載の高強度超短パルスレーザー加工方法において、前記高強度超短パルスレーザーは高強度フェムト秒レーザーであることをことを特徴とする。
【００１２】
〔８〕上記〔１〕記載の高強度超短パルスレーザー加工方法において、前記高強度超短パルスレーザーは高強度ピコ秒レーザーであることをことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明の高強度超短パルスレーザー加工システムの全体構成図である。
【００１５】
この図において、１はＡｒ+ レーザー、２はチタンサファイアレーザー（発振部）、３はＮｄ3+ＹＡＧレーザー、４はチタンサファイアレーザー（チャープパルス増幅器）であり、このチタンサファイアレーザー４は、パルス伸張器５、再生増幅器６、パルス圧縮器７からなる。このパルス圧縮器７からは１５０フェムト秒、７８０ｎｍ、３ｍＪの高強度超短パルスレーザーが出力され、レンズ８を介して、試料台９上の固体状有機化合物（低分子有機化合物）１０に照射される。
【００１６】
このように、フェムト秒レーザーはチャープパルス増幅による高出力チタンサファイアレーザーを用いる。この高出力チタンサファイアレーザーを単発で照射する。
【００１７】
試料としては、第１実施例として、ｍ−ＭＴＤＡＴＡベンゼン溶液をガラス板にキャストして作製したアモルファス膜である。
【００１８】
図２は本発明の第１実施例の高強度超短パルスレーザー加工方法の要部説明図、図３はその試料の作製工程、試料及び試料の吸収スペクトルを示す図であり、図３（ａ）にその試料の作製工程、図３（ｂ）にｍ−ＭＴＤＡＴＡの構造式、図３（ｃ）に試料の吸収スペクトルを示している。
【００１９】
アモルファス膜１３は、ｍ−ＭＴＤＡＴＡ（芳香族系固体状有機化合物）ベンゼン溶液１１をガラス板１２にキャストして作成した。すなわち、ガラス板１２にｍ−ＭＴＤＡＴＡベンゼン溶液１１を塗布して、１〜２日放置した１０〜２０μｍ厚さのｍ−ＭＴＤＡＴＡを得る。つまり、ｍ−ＭＴＤＡＴＡベンゼン溶液１１は、アモルファス状に凝縮し、励起波長（７８０ｎｍ）に吸収はなく、多光子過程により光が吸収されるため、試料には照射光の一部〔１０％以下（最大で２０％以下）〕が吸収されて励起光が均一に吸収される表面層がエッチングに至る。
【００２０】
この試料に、増幅したチタンサファイアレーザーパルス（中心波長７８０ｎｍ、ＦＷＨＭ＝１５０ｆｓ）を試料表面に単発照射し、試料表面の形状変化を顕微鏡、触針式表面形状測定装置、ＡＦＭを用いて観測した。
【００２１】
その結果、アブレーションしきい値は約１７０ｍＪ／ｃｍ2 であった。
【００２２】
図４の上段の左側に１８０ｍＪ／ｃｍ2 、図４の上段の中央に２２７ｍＪ／ｃｍ2 、図４の上段の右側に２８７ｍＪ／ｃｍ2 の条件で照射した試料表面の光学顕微鏡像（暗視野証明）を示す。レーザー照射部分にステップ状にエッチングされた構造がみられ、（図２において、表面層１３Ａにステップエッチングが形成された）各ステップごとにしきい値が観測された。図４の下段にはそのステップ状にエッチングされた表面層の構造の模式図が示されている。この場合、しきい値は約１７０ｍＪ／ｃｍ2 であった。
【００２３】
また、各照射光強度での表面形状を触針計で測定した結果、図５及び図６に示すように、各ステップの深さは、照射光強度に依存せずほぼ一定（１ステップあたり２００〜２５０ｎｍ）であった。図７のＡＦＭの測定結果より、その各ステップの荒れは数ｎｍ程度でレーザー未照射部と同程度に平らであった。ｍ−ＭＴＤＡＴＡは７８０ｎｍに吸収をもたないため、表面形状の変化は多光子過程によるものであると考えられる。
【００２４】
上記から低分子有機ガラス材料（ｍ−ＭＴＤＡＴＡ）のフェムト秒レーザーアブレーションにおいて、ステップ状の表面エッチングが観測された（７８０ｎｍ励起）。そして、ステップ数は照射光強度に依存する。１ステップあたり約２５０ｎｍ、エッチングされた部分は約１０ｎｍのオーダーで平坦であった。
【００２５】
更に、試料としては、第２実施例として図８（Ａ）に示すサビニルブルー（商品名）［正式にはｔｅｔｒａ−〔Ｎ−（２−ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｙｌ）−ｓｕｌｆａｍｏｙｌ〕−ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ Ｃｕ−ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ］：銅フタロシアニン環にアルキル鎖が４本配位した銅フタロシアニン誘導体固体もしくは、アモルファス状に凝縮する非結晶性の銅フタロシアニン誘導体固体約６００ｎｍを用いて、第１実施例と同様にフェムト秒レーザーアブレーションを行った。図９に示すように、この試料でも、エッチング深さがステップ状に変化した（しきい値以上でエッチング深さがステップ状に変化した）。
【００２６】
上記したように、高強度超短パルスレーザーを、レーザーの波長で吸収係数が１０μｍ-1以下の固体状有機化合物に対して単発で照射し、レーザー光の半分がこの固体状有機化合物に吸収される領域の表面層の最大２０％以下（主に、最大１０％以下）が加工される。
【００２７】
すなわち、レーザー光の半分が固体状有機化合物の芳香環に吸収される１００ｎｍ以上の深さが一斉、つまり均一かつ同時に形状変化に至ろうとする結果、図２から明らかなように、照射光強度の増加に伴い表面層がステップ状にエッチングされる。
【００２８】
ここで、吸収される深さは吸収係数の逆数〔１／１０（μｍ-1）＝１００（ｎｍ-1）〕である。
【００２９】
更に、図１に示した再生増幅器６から出力される２５０ピコ秒、７８０ｎｍ、３ｍＪの超短パルスレーザーを用いて、第１実施例と同様にピコ秒レーザーアブレーションを行った。この場合でも、エッチング深さがステップ状に変化した。
【００３０】
試料としては、膜厚が約３００ｎｍの銅フタロシアニン膜〔図８（Ｂ）の真空蒸着膜〕を用いて、第１実施例と同様にピコ秒レーザーアブレーションを行った。銅フタロシアニン膜は粒径が１００ｎｍ以下の微結晶の集合体である（ＡＦＭにより実測されている）。
【００３１】
この場合でも、エッチング深さがステップ状に変化した。
【００３２】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３３】
【発明の効果】
以上、詳細に述べたように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００３４】
（Ａ）固体状有機化合物に対して加工深さを制御できる高強度超短パルスレーザー加工方法を得ることができる。
【００３５】
（Ｂ）高強度超短パルスレーザーのショット毎の照射光強度により略一定の深さのエッチングを行うことがでる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高強度超短パルスレーザー加工システムの全体構成図である。
【図２】本発明の第１実施例の高強度超短パルスレーザー加工方法の要部説明図である。
【図３】本発明の第１実施例の試料の作製工程、試料及び試料の吸収スペクトルを示す図である。
【図４】本発明の第１実施例のステップ状の表面エッチング状態を示す図である。
【図５】本発明の第１実施例の高強度超短パルスレーザーのステップによるエッチング深さを示す図である。
【図６】本発明の第１実施例の高強度超短パルスレーザーの照射光強度とエッチング深さを示す図である。
【図７】本発明の第１実施例のエッチングされた領域のＡＦＭの測定結果を示す図である。
【図８】本発明の第２実施例の試料としてのサビニルブルー（Ａ）と銅フタロシアニン（Ｂ）の化学式を示す図である。
【図９】本発明の第２実施例の高強度超短パルスレーザーの照射光強度とエッチング深さを示す図である。
【符号の説明】
１ Ａｒ+ レーザー
２ チタンサファイアレーザー（発振部）
３ Ｎｄ3+ＹＡＧレーザー
４ チタンサファイアレーザー（チャープパルス増幅器）
５ パルス伸張器
６ 再生増幅器
７ パルス圧縮器
８ レンズ
９ 試料台
１０ 固体状有機化合物
１１ ｍ−ＭＴＤＡＴＡベンゼン溶液
１２ ガラス板
１３ アモルファス膜
Claims (8)
- 高強度超短パルスレーザーを、試料台上に設けられる固体状有機化合物に対して単発で照射し、レーザー光の半分が固体状有機化合物に吸収される領域の表面層のみが階段状に加工されることを特徴とする高強度超短パルスレーザー加工方法。
- 請求項１記載の高強度超短パルスレーザー加工方法において、前記固体状有機化合物は吸収係数がレーザーの波長で１０μｍ-1以下であることを特徴とする高強度超短パルスレーザー加工方法。
- 請求項１記載の高強度超短パルスレーザー加工方法において、前記表面層は固体状有機化合物中でレーザー光が均一に吸収される領域であることを特徴とする高強度超短パルスレーザー加工方法。
- 請求項１記載の高強度超短パルスレーザー加工方法において、前記表面層はレーザー光の２０％以下が固体状有機化合物に吸収される領域であることを特徴とする高強度超短パルスレーザー加工方法。
- 請求項１記載の高強度超短パルスレーザー加工方法において、前記固体状有機化合物は低分子量化合物であることを特徴とする高強度超短パルスレーザー加工方法。
- 請求項４記載の高強度超短パルスレーザー加工方法において、前記固体状有機化合物は芳香族系固体状有機化合物であることを特徴とする高強度超短パルスレーザー加工方法。
- 請求項１記載の高強度超短パルスレーザー加工方法において、前記高強度超短パルスレーザーは高強度フェムト秒レーザーであることをことを特徴とする高強度超短パルスレーザー加工方法。
- 請求項１記載の高強度超短パルスレーザー加工方法において、前記高強度超短パルスレーザーは高強度ピコ秒レーザーであることをことを特徴とする高強度超短パルスレーザー加工方法。
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