JP4247383B2 - Fine ablation processing method of transparent material - Google Patents

Fine ablation processing method of transparent material Download PDF

Info

Publication number
JP4247383B2
JP4247383B2 JP2003303897A JP2003303897A JP4247383B2 JP 4247383 B2 JP4247383 B2 JP 4247383B2 JP 2003303897 A JP2003303897 A JP 2003303897A JP 2003303897 A JP2003303897 A JP 2003303897A JP 4247383 B2 JP4247383 B2 JP 4247383B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
laser
transparent material
pulse
processing method
processing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP2003303897A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2005066687A (en
Inventor
弘之 新納
喜三 川口
正健 佐藤
愛子 奈良崎
西明 丁
諒三 黒崎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST filed Critical National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority to JP2003303897A priority Critical patent/JP4247383B2/en
Publication of JP2005066687A publication Critical patent/JP2005066687A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4247383B2 publication Critical patent/JP4247383B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Description

本発明は、透明材料の微細加工方法に関する。更に詳しくは、シングルモードビームのパルスレーザーを用いた透明材料のアブレーション加工による、表面にパターン化構造を有する透明材料の微細表面加工方法に関する。   The present invention relates to a transparent material microfabrication method. More specifically, the present invention relates to a fine surface processing method of a transparent material having a patterned structure on the surface by ablation processing of the transparent material using a single mode beam pulse laser.

従来より、光の吸収が少ない透明物質は、通常のレーザーアブレーションやレーザー溶融法などの直接的なレーザーエッチング法を利用する加工は困難であることが知られている。   Conventionally, it has been known that a transparent material with low light absorption is difficult to process using a direct laser etching method such as a normal laser ablation method or a laser melting method.

例えば、石英ガラスの微細表面加工方法としては、次のような方法が知られている。
(1)多段階リソグラフィ法
この方法では、まず、適切なレジストを基板表面に製膜した後、リソグラフィによってパターニングし、イオン・ビームやプラズマ、または、フッ酸を用いてエッチングを行ない、その後、更にレジストを剥離する方法(例えば、非特許文献1および特許文献1参照)。
(2)イオンエッチング法
イオン注入法により生じたエッチング速度の差を利用して、マスクレスの化学エッチングを行う方法(例えば、非特許文献2参照)。
(3)短波長レーザー法
透明材料が吸収できる短波長光を発振するレーザーを利用してドライエッチングを行う方法(例えば、特許文献2参照)。
(4)極短パルスレーザー法
パルス幅がピコ秒以下の極短パルスレーザーを使用したドライエッチング法(例えば、非特許文献3参照)。
(5)レーザー誘起プラズマ法
金属基板をガラスの後方に置いて、レーザーを照射し、金属から発生したプラズマを利用して行う方法(例えば、特許文献3参照)。
(6)レーザー吸収率の高い成分を生成させる方法
レーザー吸収率の高い成分をあらかじめ生成させたガラス表面層からなる被加工物に向けてレーザーを照射する方法(例えば、特許文献4参照)。
(7)ガラス基板表面に顔料などの光吸収層を形成後、レーザー加工を行う方法
ガラス基板表面に顔料等の光吸収層を形成・付着させ、該表面に向けてレーザーを照射する。光吸収層がレーザーエネルギーを吸収して、ガラス基板表面に高温・高圧のプラズマ状態が発生し、表面層のガラスを溶融・除去する方法(例えば、特許文献5、特許文献6および特許文献7参照)。
(8)流動性物質を透明材料の裏面に接触させた後、レーザー加工を行う方法
流動性物質を透明材料の裏面に接触させ、透明材料の表面からレーザーを照射することを特徴とする透明材料の微細加工法(例えば、特許文献8参照)。
For example, the following method is known as a fine surface processing method of quartz glass.
(1) Multi-stage lithography method In this method, first, after forming a suitable resist on the substrate surface, patterning is performed by lithography, and etching is performed using an ion beam, plasma, or hydrofluoric acid. A method of removing the resist (for example, see Non-Patent Document 1 and Patent Document 1).
(2) Ion etching method A method of performing maskless chemical etching using a difference in etching rate caused by an ion implantation method (see, for example, Non-Patent Document 2).
(3) Short wavelength laser method A method of performing dry etching using a laser that oscillates short wavelength light that can be absorbed by a transparent material (for example, see Patent Document 2).
(4) Ultra-short pulse laser method A dry etching method using an ultra-short pulse laser having a pulse width of picosecond or less (see, for example, Non-Patent Document 3).
(5) Laser induced plasma method A method in which a metal substrate is placed behind a glass, irradiated with a laser, and plasma generated from the metal is used (for example, see Patent Document 3).
(6) Method of generating a component having a high laser absorptance A method of irradiating a workpiece made of a glass surface layer in which a component having a high laser absorptivity is generated in advance (see Patent Document 4, for example).
(7) Method of performing laser processing after forming a light absorption layer such as a pigment on the glass substrate surface. Forming and attaching a light absorption layer such as a pigment on the glass substrate surface, and irradiating the surface with the laser. A method in which a light absorption layer absorbs laser energy to generate a high-temperature and high-pressure plasma state on the glass substrate surface, and the glass on the surface layer is melted and removed (see, for example, Patent Document 5, Patent Document 6, and Patent Document 7). ).
(8) A method of performing laser processing after bringing a fluid substance into contact with the back surface of the transparent material. (See, for example, Patent Document 8).

しかしながら、上記(1)の方法は、フォトリソグラフィ技術に基づいているので、レジストの塗膜、乾燥、露光、現像、エッチング、剥離などの多数の複雑な工程が必要であり、微細加工するための時間効率が低いという問題がある。(2)の方法は集光できるイオン注入装置が必要であり、加工できる範囲が小さく時間効率が低いために量産に向いてないという問題がある。(3)および(4)の方法では高真空環境が必要であり、エネルギー効率も悪く、量産に向いていないという問題がある。(5)、(7)および(8)の方法では、金属基板表面や顔料などの光吸収層を別途準備し、最適条件化でレーザー照射を行う必要がある。(6)ではレーザー吸収率の高い成分を生成させることが必須となるので、加工素材を自由に選ぶことができないなどの問題点がある。   However, since the method (1) is based on the photolithography technique, a number of complicated steps such as resist coating, drying, exposure, development, etching, and stripping are required, and the fine processing is required. There is a problem that time efficiency is low. The method (2) requires an ion implantation apparatus that can collect light, and has a problem that it is not suitable for mass production because the processable range is small and the time efficiency is low. The methods (3) and (4) require a high vacuum environment, have low energy efficiency, and are not suitable for mass production. In the methods (5), (7), and (8), it is necessary to separately prepare a light absorption layer such as a metal substrate surface and a pigment, and perform laser irradiation under optimum conditions. In (6), since it is essential to generate a component having a high laser absorption rate, there is a problem that a processing material cannot be freely selected.

特開平6−280060号公報JP-A-6-280060 特開平7−256473号公報JP 7-256473 A 特許第3401425号公報Japanese Patent No. 3401425 特開2000−61667号公報JP 2000-61667 A 特開2000−301372号公報JP 2000-301372 A 特許第3001816号公報Japanese Patent No. 3001816 特開昭60−257985号公報JP-A-60-257985 特許第3012926号公報Japanese Patent No. 3012926 Bennionら:Electron.Lett.Vol.22,p.341(1986)Bennion et al .: Electron. Lett. Vol. 22, p. 341 (1986) Albertら:Appl.Phys.Lett.Vol.63,p.2309(1993)Albert et al .: Appl. Phys. Lett. Vol. 63, p. 2309 (1993) Varelら:Appl.Phys.A,vol.65,p.367,(1997)Varel et al .: Appl. Phys. A, vol. 65, p. 367, (1997)

上記のような問題点に鑑み、本発明は、レーザー照射で透明材料を加工する前にその面に特別の処理を施すことなく、比較的低パワー・小型のレーザー装置で、真空雰囲気が不要で、かつ、一段階で簡便にかつ精密に透明材料を微細アブレーション加工できる方法を提供することを目的とする。   In view of the above problems, the present invention is a relatively low-power, small-sized laser device that does not require a vacuum atmosphere without performing special treatment on the surface before processing the transparent material by laser irradiation. And it aims at providing the method of carrying out the fine ablation process of a transparent material simply and precisely in one step.

本発明者らは、レーザー光化学などの基礎研究において、とくに、集光レーザー光を石英ガラスなどの透明材料に照射したときのアブレーション現象などの動的な挙動を詳細に検討した結果、レーザービームのモードが加工品位に大きな影響を与えていることを見出した。本発明は、この知見を応用してなされたものである。   In basic research such as laser photochemistry, the present inventors have studied in detail the dynamic behavior such as ablation phenomenon when a condensing laser beam is irradiated onto a transparent material such as quartz glass. We found that the mode has a great influence on the processing quality. The present invention has been made by applying this finding.

すなわち、本発明は
(1)照射する波長355nmのレーザー波長に対する吸収係数が1cm―1以下である透明材料に、強度範囲が1J・cm−2・pulse−1から10kJ・cm−2・pulse−1までのシングルモードビームのパルスレーザーを照射することによりアブレーション加工を行うことを特徴とする透明材料の微細加工方法、
(2)前記透明材料表面にパルスレーザーを単一(シングル)パルス照射することを特徴とする(1)に記載の透明材料の微細加工方法、
(3)形成される加工穴の直径が50nm〜1mm、または加工溝の幅が50nm〜1mmであることを特徴とする(1)又は(2)に記載の透明材料の微細加工方法、
(4)前記透明材料の表面に使用レーザー波長を吸収しない粘着テープを付着させた状態で、その上からレーザー照射を行うことを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の透明材料の微細加工方法、
(5)前記透明材料が、石英ガラス、一般ガラス、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化物材料、シリコンカーバイド、サファイヤ、アルミナ、水晶又はダイヤモンド、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂であることを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の透明材料の微細加工方法、
(6)前記パルスレーザーとして、そのパルス半値幅が5ps〜1msまでのパルスレーザーを用いることを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載の透明材料の微細加工方法、
を提供するものである。
That is, the present invention provides (1) a transparent material having an absorption coefficient of 1 cm −1 or less for a laser wavelength of 355 nm to be irradiated, and an intensity range of 1 J · cm −2 · pulse −1 to 10 kJ · cm −2 · pulse A fine processing method of a transparent material, characterized by performing ablation processing by irradiating a pulse laser of a single mode beam up to 1 ;
(2) The transparent material microfabrication method according to (1), wherein the surface of the transparent material is irradiated with a single pulsed pulse laser.
(3) The fine processing method for a transparent material according to (1) or (2), wherein the diameter of the processed hole to be formed is 50 nm to 1 mm, or the width of the processed groove is 50 nm to 1 mm,
(4) The transparent material according to any one of (1) to (3), wherein the surface of the transparent material is irradiated with a laser from a pressure-sensitive adhesive tape that does not absorb the used laser wavelength. Fine processing method of material,
(5) The transparent material is quartz glass, general glass, calcium fluoride, barium fluoride, fluoride material, silicon carbide, sapphire, alumina, crystal or diamond, fluorine resin, polyimide resin ( 1)-the fine processing method of the transparent material according to any one of (4),
(6) The transparent material fine processing method according to any one of (1) to (5), wherein a pulse laser having a pulse half-value width of 5 ps to 1 ms is used as the pulse laser.
Is to provide.

本発明によれば、表面に任意のパターン構造を有する透明材料のナノメートルサイズ〜ミリメートルサイズの微細かつ精密な加工が短時間で可能である。そして、小型の装置により簡便な方法で透明材料の加工ができる。具体的な応用例としては、マイクロレンズアレー、回折格子、光導波路、発光素子、回折素子(DOE)、フェーズマスク、フォトニック素子、液晶配向基板などの光学素子の加工やDNAチップ基板、マイクロリアクター反応容器、マイクロ分析セル、センサー基板などの化学・環境・バイオ・医療用材料の調製、極微小マーキング、微小電気回路素子などの産業応用材料のように様々な応用が可能となる。   According to the present invention, fine and precise processing of a nanometer to millimeter size transparent material having an arbitrary pattern structure on the surface is possible in a short time. And a transparent material can be processed by a simple method with a small apparatus. Specific application examples include processing of optical elements such as microlens arrays, diffraction gratings, optical waveguides, light emitting elements, diffraction elements (DOE), phase masks, photonic elements, liquid crystal alignment substrates, DNA chip substrates, and microreactors. Various applications such as preparation of chemical / environmental / bio / medical materials such as reaction vessels, microanalytical cells, sensor substrates, and other industrial application materials such as micro-marking and micro-electric circuit elements are possible.

本発明の透明材料の微細加工方法の好ましい実施の態様について詳細に説明する。
本発明では、シングルモード(TEM00)のパルスレーザー光を用い、レンズなどで所定の強度に集光された状態で、透明材料に照射する。このとき、透明材料は当該レーザー波長に対して吸収帯を持たないので元来吸収されないのであるが、シングルモード光は容易に高パワー密度が得られるために、非線形吸収現象が誘起され、入射レーザー光が当該透明材料の表面層に吸収されることになる。集光レンズには単レンズを用いても構わないし、アクロマートレンズなどの複合レンズを用いることもできる。さらに、微小なレーザー径を得たい場合には、レーザー光を凹レンズやビームエキスパンダーで一端拡大し、その後焦点距離の短い(開口数NA(Numerical Aperture)の大きな)レンズで集光して、当該透明材料に照射することで達成できる。また、レーザービームの走査方法は、必要とする加工精度が保証される試料移動ステージ(自動ステージ)を用いて、固定レーザービームに対して試料を移動させるか、ガルバノミラーとfθレンズを組み合わせてレーザービームを走査する方法が有効である。
A preferred embodiment of the transparent material microfabrication method of the present invention will be described in detail.
In the present invention, single mode (TEM 00 ) pulsed laser light is used, and the transparent material is irradiated in a state of being focused to a predetermined intensity by a lens or the like. At this time, since the transparent material does not have an absorption band for the laser wavelength, it is not absorbed originally. However, since single mode light can easily obtain a high power density, a nonlinear absorption phenomenon is induced, and the incident laser Light is absorbed by the surface layer of the transparent material. A single lens may be used as the condenser lens, or a composite lens such as an achromatic lens may be used. Furthermore, to obtain a very small laser diameter, the laser light is enlarged once with a concave lens or a beam expander, and then condensed with a lens with a short focal length (a large numerical aperture (NA)). This can be achieved by irradiating the material. The laser beam scanning method uses a sample moving stage (automatic stage) that guarantees the required processing accuracy, moves the sample with respect to the fixed laser beam, or combines the laser with a galvanometer mirror and an fθ lens. A method of scanning the beam is effective.

本発明で重要なポイントはシングルモードのパルスレーザー光を用いることである。ビームのM値は5以下である必要があるが、より好ましくは3以下である。一方、マルチモードのパルスレーザー光を用いると適切な集光状態が得られなかったり、レーザー照射部位の周囲に照射損傷が現れるので、マルチモードのパルスレーザー光は本発明のような微細な表面加工には適さない。しかし、光学素子を使用して、マルチモードのレーザービームのM値を5以下に変換したレーザービームは微細加工に用いることができる。光レーザー強度は、加工サイズによって異なるが、レーザー強度が1J・cm−2・pulse−1から10kJ・cm−2・pulse−1までが好ましい。更に好ましいのは10J・cm−2・pulse−1から1kJ・cm−2・pulse−1までの範囲である。レーザー強度が弱すぎる場合には、エッチングが起こらず、強すぎるときは材料に損傷を与えることになる。 An important point in the present invention is to use a single mode pulse laser beam. The M 2 value of the beam needs to be 5 or less, more preferably 3 or less. On the other hand, if a multimode pulse laser beam is used, an appropriate condensing state cannot be obtained, or irradiation damage appears around the laser irradiation site. Not suitable for. However, a laser beam obtained by converting the M 2 value of a multimode laser beam to 5 or less using an optical element can be used for fine processing. The optical laser intensity varies depending on the processing size, but the laser intensity is preferably from 1 J · cm −2 · pulse −1 to 10 kJ · cm −2 · pulse −1 . More preferred is a range from 10 J · cm −2 · pulse −1 to 1 kJ · cm −2 · pulse −1 . If the laser intensity is too weak, etching will not occur, and if it is too strong, the material will be damaged.

本発明方法の高品位微細加工が明解なプロセスとして発揮されるのは、単一(シングル)パルス照射を行ったときである。これは、集光されたシングルモード光の高パワー密度特性によって、非線形吸収現象が誘起されることによる。また、これらのレーザー照射によって、加工パターンとして穴形状や溝形状のものを作成することができるが、光学素子の選択および配置を最適化することで、穴直径は50nm〜1mm、また、溝幅は50nm〜1mmの間に設定することができる。   The high-quality microfabrication of the method of the present invention is exhibited as a clear process when single (single) pulse irradiation is performed. This is because the nonlinear absorption phenomenon is induced by the high power density characteristic of the condensed single mode light. In addition, with these laser irradiations, holes and grooves can be created as processing patterns, but by optimizing the selection and arrangement of optical elements, the hole diameter is 50 nm to 1 mm, and the groove width Can be set between 50 nm and 1 mm.

使用するレーザーのパルス幅は、半値幅が5ps〜1msまでの範囲にあることが好ましく、より好ましくは0.1ns〜100nsである。ナノ秒パルスのレーザー装置は価格も安価で、超短パルスレーザー装置と比べて取扱が容易であるという特長がある。   The pulse width of the laser to be used is preferably in the range of half-width of 5 ps to 1 ms, more preferably 0.1 ns to 100 ns. The nanosecond pulse laser device is inexpensive and easy to handle compared to the ultrashort pulse laser device.

透明材料の表面に対して、加工残渣の付着や亀裂等の加工損傷を防止したい場合には、粘着テープ(マスキングテープ)を加工部位に接着・付着させた状態で、その上からレーザー照射を行うと効果がある。このとき、使用する粘着テープは、レーザー波長に吸収があると加工効率が低下するので、その選択には注意を要する。   To prevent processing damage such as adhesion of processing residues and cracks on the surface of transparent material, perform laser irradiation from the top with adhesive tape (masking tape) adhered and adhered to the processing site. And effective. At this time, since the processing efficiency of the adhesive tape to be used decreases when the laser wavelength is absorbed, care must be taken in selecting it.

本発明では、レーザー照射雰囲気は、大気中で問題なく加工を行うことができる。この他に、真空雰囲気や各種のガス雰囲気や液体中でも可能である。しかし、ガス雰囲気や液体の場合には当該ガス・液体でレーザー波長に吸収がないことが重要である。   In the present invention, the laser irradiation atmosphere can be processed without problems in the air. In addition, it is possible in a vacuum atmosphere or various gas atmospheres or liquids. However, in the case of a gas atmosphere or liquid, it is important that the gas / liquid does not absorb the laser wavelength.

本発明に用いられる透明材料としては、使用するレーザー波長に対して吸収係数が1cm―1以下の透明性があれば良い。例えば、石英ガラス、一般ガラス、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化リチウム、フッ化バリウム、シリコンカーバイド、アルミナ、サファイヤ、水晶、ダイヤモンドのような無機材料、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂などのプラスチック材料、およびそれらの混合物などが挙げられる。透明材料の形態は基板状、容器状、管状など任意の形状で良い。 The transparent material used in the present invention only needs to have transparency with an absorption coefficient of 1 cm −1 or less with respect to the laser wavelength used. For example, quartz glass, general glass, calcium fluoride, magnesium fluoride, lithium fluoride, barium fluoride, silicon carbide, alumina, sapphire, crystal, diamond and other inorganic materials, fluorine resin, polyimide resin and other plastic materials, And mixtures thereof. The form of the transparent material may be any shape such as a substrate shape, a container shape, or a tubular shape.

本発明における微細加工方法に用いることができるレーザーは、ArFエキシマレーザー(波長:193nm)、KrClエキシマレーザー(222nm)、KrFエキシマレーザー(248nm)、XeClエキシマレーザー(308nm)、XeFエキシマレーザー(351nm)、Fレーザー(157nm)、YAGレーザー、YLFレーザー、YVOレーザー、ファイバレーザー、ディスクレーザー、半導体ダイオード励起固体レーザー、色素レーザー、炭酸ガスレーザー、Krイオンレーザー、Arイオンレーザー、銅蒸気レーザー、チタンサファイヤレーザー等の基本発振波長光、およびその基本発振波長光を非線形光学素子などにより高調波に変換したものを用いることもできる。例えば、YVOレーザーの二倍高調波(532nm)、三倍高調波(355nm)、四倍高調波(266nm)なども挙げられる。M値が5以下のシングルモードビームを用いるか、マルチモードビームをM値5以下に変換したものを使用する。 Lasers that can be used in the microfabrication method of the present invention are ArF excimer laser (wavelength: 193 nm), KrCl excimer laser (222 nm), KrF excimer laser (248 nm), XeCl excimer laser (308 nm), and XeF excimer laser (351 nm). , F 2 laser (157 nm), YAG laser, YLF laser, YVO laser, fiber laser, disk laser, semiconductor diode pumped solid state laser, dye laser, carbon dioxide gas laser, Kr ion laser, Ar ion laser, copper vapor laser, titanium sapphire It is also possible to use a fundamental oscillation wavelength light such as a laser and the fundamental oscillation wavelength light converted into a harmonic by a nonlinear optical element or the like. For example, the second harmonic (532 nm), the third harmonic (355 nm), the fourth harmonic (266 nm), and the like of the YVO laser are also included. A single mode beam having an M 2 value of 5 or less is used, or a multimode beam converted to an M 2 value of 5 or less is used.

本発明方法では、リソグラフィ法では多段階の工程が必要であることに比べて、現像工程が不要な一段階のレーザー処理で加工することができる。さらに、パターンの精度は1マイクロメーター以下でも可能である。加えて、エッチング速度もコントロールできることから、本発明は微細化、精密化、高品質化できる方法であると共に、本発明は非常に低コストであり、量産性に富む方法を提供する。
なお、本発明によって提供可能な精密成型品としては、例えば、マイクロレンズアレー、回折格子、光導波路、発光素子、回折素子(DOE)、フェーズマスク、フォトニック素子、液晶配向基板などの光学素子、ならびに、DNAチップ基板、マイクロリアクター反応容器、マイクロ分析セル、センサー基板などの化学・環境・バイオ・医用材料、極微小マーキング、微小電気回路素子などの産業応用材料などが挙げられる。
In the method of the present invention, the lithography method can be processed by a single-stage laser treatment that does not require a development process, as compared to the case where a multi-step process is required in the lithography method. Furthermore, the pattern accuracy can be less than 1 micrometer. In addition, since the etching rate can also be controlled, the present invention is a method that can be miniaturized, refined, and improved in quality, and the present invention provides a method that is extremely low cost and rich in mass productivity.
Examples of precision molded products that can be provided by the present invention include, for example, microlens arrays, diffraction gratings, optical waveguides, light emitting elements, diffraction elements (DOE), phase masks, photonic elements, optical elements such as liquid crystal alignment substrates, In addition, chemical / environment / bio / medical materials such as DNA chip substrates, microreactor reaction vessels, microanalysis cells and sensor substrates, industrially applied materials such as ultra-fine markings, micro-electric circuit elements, and the like.

なお、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。   In addition, this invention is not restrict | limited to the above-mentioned embodiment, A various change is possible in the range which does not deviate from the meaning of this invention.

次に、本発明を実施例に基づいて、さらに詳細に説明する。
実施例1
Nd:YVOレーザーの第3高調波(波長355nm、パルス幅20ns)のシングルモードビーム(M値:1.3以下)を用い、照射径約10μm、強度0.06mJ・pulse−1で合成石英ガラス基板にシングルパルスを照射したところ、周囲に全く損傷のない高品位の約10μm径の円錐形状微細加工ができた。このとき、最深部の加工深さは約1.5μmであった。図1は、ガラス基板を毎秒3cmの速度で移動させながら、パルスレーザー照射を2.5kHzの繰り返し速度で連続的にアブレーション加工を行ったものの顕微鏡像である。円錐形状微細加工がアレー状にできることがわかった。さらに、照射光学系を改良することでレーザービーム径の縮小を検討したところ、合成石英ガラス基板上に周囲に全く損傷のない高品位の約3μm径の円錐形状微細加工ができた。
Next, the present invention will be described in more detail based on examples.
Example 1
Synthetic quartz using an Nd: YVO third harmonic (wavelength 355 nm, pulse width 20 ns) single mode beam (M 2 value: 1.3 or less) with an irradiation diameter of about 10 μm and an intensity of 0.06 mJ · pulse −1 When the glass substrate was irradiated with a single pulse, a high-quality conical microfabrication with a diameter of about 10 μm was obtained without any damage around the glass substrate. At this time, the processing depth of the deepest part was about 1.5 μm. FIG. 1 is a microscopic image of ablation processed continuously with pulse laser irradiation at a repetition rate of 2.5 kHz while moving a glass substrate at a speed of 3 cm per second. It was found that conical microfabrication can be made into an array. Further, when the reduction of the laser beam diameter was studied by improving the irradiation optical system, a high-quality cone-shaped microfabrication with a diameter of about 3 μm was obtained on the synthetic quartz glass substrate without any damage at all.

実施例2
Nd:YVOレーザーの第3高調波(波長355nm、パルス幅20ns)のシングルモードビームを用い、照射径40μm、強度0.3mJ・pulse−1で硼珪酸ガラス基板にシングルパルスを照射したところ、周囲に全く損傷のない高品位の約40μm径の円錐形状微細加工ができた。このとき、最深部の加工深さは約0.6μmであった。
Example 2
Using a single mode beam of the third harmonic (wavelength 355 nm, pulse width 20 ns) of an Nd: YVO laser and irradiating a borosilicate glass substrate with an irradiation diameter of 40 μm and an intensity of 0.3 mJ · pulse −1 , Thus, a high-quality conical microfabrication with a diameter of about 40 μm was obtained. At this time, the processing depth of the deepest part was about 0.6 μm.

実施例3
Nd:YVOレーザーの第3高調波(波長355nm、パルス幅20ns)のシングルモードビームを用い、照射径40μm、強度0.3mJ・pulse−1、パルス繰り返し速度1kHzの照射条件で、毎秒1cmの速度で移動する硼珪酸ガラス基板に連続的にパルスを照射したところ、周囲に全く損傷のない高品位の約40μm幅の溝形状微細加工ができた。このとき、最深部の加工深さは約1.3μmであった。
Example 3
Using a Nd: YVO laser third harmonic (wavelength 355 nm, pulse width 20 ns) single mode beam, irradiation speed of 1 cm per second under irradiation conditions of irradiation diameter 40 μm, intensity 0.3 mJ · pulse −1 , pulse repetition rate 1 kHz When the pulse was continuously applied to the borosilicate glass substrate moving at, a high-quality groove-shaped microfabrication of about 40 μm width without any damage was obtained. At this time, the processing depth of the deepest part was about 1.3 μm.

実施例4
Nd:YVOレーザーの第3高調波(波長355nm、パルス幅20ns)のシングルモードビームを用い、照射径10μm、強度0.2mJ・pulse−1でフッ素樹脂基板にシングルパルスを照射したところ、周囲に全く損傷のない高品位の約10μm径の円錐形状微細加工ができた。このとき、最深部の加工深さは約1.0μmであった。
Example 4
Using a single mode beam of the third harmonic (wavelength 355 nm, pulse width 20 ns) of an Nd: YVO laser and irradiating a fluororesin substrate with an irradiation diameter of 10 μm and an intensity of 0.2 mJ · pulse −1 , A high-quality conical microfabrication with a diameter of about 10 μm was obtained without any damage. At this time, the processing depth of the deepest part was about 1.0 μm.

実施例5
Nd:YVOレーザーの第3高調波(波長355nm、パルス幅20ns)のシングルモードビームを用い、照射径15μm、強度0.3mJ・pulse−1でフッ化カルシウム基板にシングルパルスを照射したところ、周囲に全く損傷のない高品位の約15μm径の円錐形状微細加工ができた。このとき、最深部の加工深さは約0.5μmであった。
Example 5
Using a single mode beam of the third harmonic (wavelength 355 nm, pulse width 20 ns) of an Nd: YVO laser and irradiating a calcium fluoride substrate with a single pulse at an irradiation diameter of 15 μm and an intensity of 0.3 mJ · pulse −1 , High-quality conical microfabrication with a diameter of about 15 μm was obtained. At this time, the processing depth of the deepest part was about 0.5 μm.

実施例6
Nd:YVOレーザーの第3高調波(波長355nm、パルス幅20ns)のシングルモードビームを用い、照射径10μm、強度0.1mJ・pulse−1でサファイヤ基板にシングルパルスを照射したところ、周囲に全く損傷のない高品位の約10μm径の円錐形状微細加工ができた。このとき、最深部の加工深さは約0.6μmであった。
Example 6
Using a single mode beam of the third harmonic (wavelength 355 nm, pulse width 20 ns) of an Nd: YVO laser, a single pulse was irradiated to the sapphire substrate with an irradiation diameter of 10 μm and an intensity of 0.1 mJ · pulse −1. A high-quality conical microfabrication with a diameter of about 10 μm without damage was achieved. At this time, the processing depth of the deepest part was about 0.6 μm.

比較例1
Nd:YAGレーザーの第3高調波(波長355nm、パルス幅10ns)のマルチモードビームを用い、強度3mJ・pulse−1で合成石英ガラス基板または硼珪酸ガラス基板に焦点距離10cmの凸レンズを通して照射した。レンズの焦点位置の集光点に置いても両ガラス基板は全く表面加工されなかった。実施例1と比べて強度を50倍大きくしているにも係わらず、このレーザーではM2値が10を越えるので、マルチモードビームの照射では集光点でのパワー密度が不足しているためにアブレーション加工を行うことができなかった。
Comparative Example 1
Using a multi-mode beam of the third harmonic (wavelength 355 nm, pulse width 10 ns) of an Nd: YAG laser, the synthetic quartz glass substrate or borosilicate glass substrate was irradiated through a convex lens with a focal length of 10 cm at an intensity of 3 mJ · pulse −1 . Even when placed at the focal point of the focal point of the lens, both glass substrates were not surface-treated at all. Despite the fact that the intensity is increased 50 times compared to Example 1, this laser has an M 2 value exceeding 10, so that the power density at the focal point is insufficient for multimode beam irradiation. The ablation process could not be performed.

レーザー加工を行った石英ガラス基板の透過型光学顕微鏡での観察像である。It is an observation image with the transmission optical microscope of the quartz glass substrate which performed laser processing.

Claims (6)

照射する波長355nmのレーザー波長に対する吸収係数が1cm―1以下である透明材料に、強度範囲が1J・cm−2・pulse−1から10kJ・cm−2・pulse−1までのシングルモードビームのパルスレーザーを照射することによりアブレーション加工を行うことを特徴とする透明材料の微細加工方法。 A pulse of a single mode beam having an intensity range of 1 J · cm −2 · pulse −1 to 10 kJ · cm −2 · pulse −1 on a transparent material having an absorption coefficient of 1 cm −1 or less for a laser wavelength of 355 nm to be irradiated A fine processing method of a transparent material, characterized by performing ablation processing by irradiating a laser. 前記透明材料表面にパルスレーザーを単一(シングル)パルス照射することを特徴とする請求項1に記載の透明材料の微細加工方法。   2. The method for microfabrication of a transparent material according to claim 1, wherein the transparent material surface is irradiated with a single pulsed laser beam. 形成される加工穴の直径が50nm〜1mm、または加工溝の幅が50nm〜1mmであることを特徴とする請求項1又は2に記載の透明材料の微細加工方法。   3. The fine processing method for a transparent material according to claim 1, wherein a diameter of the processed hole to be formed is 50 nm to 1 mm, or a width of the processed groove is 50 nm to 1 mm. 前記透明材料の表面に、使用レーザー波長を吸収しない粘着テープを付着させた状態で、その上からレーザー照射を行うことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の透明材料の微細加工方法。   The transparent material according to any one of claims 1 to 3, wherein laser irradiation is performed on the surface of the transparent material in a state where an adhesive tape that does not absorb the laser wavelength used is adhered. Fine processing method. 前記透明材料が、石英ガラス、一般ガラス、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化物材料、シリコンカーバイド、サファイヤ、アルミナ、水晶又はダイヤモンド、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の透明材料の微細加工方法。   The transparent material is quartz glass, general glass, calcium fluoride, barium fluoride, fluoride material, silicon carbide, sapphire, alumina, crystal or diamond, fluorine resin, polyimide resin. 5. The fine processing method for a transparent material according to any one of 4 above. 前記パルスレーザーとして、そのパルス半値幅が5ps〜1msまでのパルスレーザーを用いることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の透明材料の微細加工方法。The method for microfabrication of a transparent material according to any one of claims 1 to 5, wherein a pulse laser having a pulse half width of 5 ps to 1 ms is used as the pulse laser.
JP2003303897A 2003-08-28 2003-08-28 Fine ablation processing method of transparent material Expired - Lifetime JP4247383B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003303897A JP4247383B2 (en) 2003-08-28 2003-08-28 Fine ablation processing method of transparent material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003303897A JP4247383B2 (en) 2003-08-28 2003-08-28 Fine ablation processing method of transparent material

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2005066687A JP2005066687A (en) 2005-03-17
JP4247383B2 true JP4247383B2 (en) 2009-04-02

Family

ID=34407738

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003303897A Expired - Lifetime JP4247383B2 (en) 2003-08-28 2003-08-28 Fine ablation processing method of transparent material

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4247383B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102741012A (en) * 2010-02-05 2012-10-17 株式会社藤仓 Formation method for microstructure, and substrate having microstructure

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2887161B1 (en) * 2005-06-20 2007-09-07 Commissariat Energie Atomique METHOD AND DEVICE FOR LASER ABLATION OF A SURFACE LAYER OF A WALL, SUCH AS A PAINT COATING IN A NUCLEAR PLANT
JP4672689B2 (en) * 2006-02-22 2011-04-20 日本板硝子株式会社 Glass processing method and processing apparatus using laser
JP2007260694A (en) * 2006-03-27 2007-10-11 Sony Corp Laser beam machining apparatus, laser beam optical system,laser beam maching method, and method for repairing defect of active matrix substrate
EP2024767A4 (en) * 2006-06-02 2010-08-04 Electro Scient Ind Inc Process for optically transparent via filling
US7968820B2 (en) 2006-06-02 2011-06-28 Electro Scientific Industries, Inc. Method of producing a panel having an area with light transmissivity
US8394301B2 (en) 2006-06-02 2013-03-12 Electro Scientific Industries, Inc. Process for forming panel with an optically transmissive portion and products related thereto
JP2009142886A (en) * 2007-12-18 2009-07-02 Agt:Kk Laser drilling method
US9938186B2 (en) * 2012-04-13 2018-04-10 Corning Incorporated Strengthened glass articles having etched features and methods of forming the same
WO2014134470A1 (en) * 2013-02-28 2014-09-04 Ipg Photonics Corporation Laser system and method for processing sapphire
FR3010924B1 (en) * 2013-09-20 2015-11-06 Essilor Int DEVICE AND METHOD FOR LASER MARKING OF AN OPHTHALMIC LENS
KR101680416B1 (en) * 2013-11-01 2016-12-12 주식회사 엘지화학 Apparatus of cutting positive electrode using laser
KR20170025098A (en) 2015-08-27 2017-03-08 삼성전자주식회사 Graphene hole patterning method and method of fabricating graphene transparent electrode using pulse laser
JP6790731B2 (en) * 2016-11-01 2020-11-25 東洋製罐グループホールディングス株式会社 Method of forming microperiodic structure grooves on the surface of diamond film
JP2020107839A (en) 2018-12-28 2020-07-09 三星ダイヤモンド工業株式会社 METHOD AND DEVICE FOR DIVIDING SiC SUBSTRATE
CN115667173A (en) * 2020-06-01 2023-01-31 Agc株式会社 Glass plate with identification mark and method for manufacturing glass plate with identification mark

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09138942A (en) * 1995-11-14 1997-05-27 Nippon Sheet Glass Co Ltd Glass substrate for magnetic disk
JPH09253877A (en) * 1996-03-25 1997-09-30 Sumitomo Electric Ind Ltd Excimer laser beam processing method, and processed substrate
JP2000061667A (en) * 1998-08-19 2000-02-29 Junichi Ikeno Laser beam machining method for glass and glass formed parts
JP2000281390A (en) * 1999-03-29 2000-10-10 Ngk Insulators Ltd Method for processing glass, production of gravure printing mold, photoprocessable glass and master disk of gravure printing mold
JP2000301372A (en) * 1999-04-23 2000-10-31 Seiko Epson Corp Laser beam machining method for transparent material
JP3615691B2 (en) * 2000-06-20 2005-02-02 新日鐵化学株式会社 Laser processing method of resin film
JP2003010990A (en) * 2000-09-13 2003-01-15 Hamamatsu Photonics Kk Laser beam machining device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102741012A (en) * 2010-02-05 2012-10-17 株式会社藤仓 Formation method for microstructure, and substrate having microstructure
CN102741012B (en) * 2010-02-05 2014-12-24 株式会社藤仓 Formation method for microstructure, and substrate having microstructure

Also Published As

Publication number Publication date
JP2005066687A (en) 2005-03-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4247383B2 (en) Fine ablation processing method of transparent material
Ravi‐Kumar et al. Laser ablation of polymers: A review
US6783920B2 (en) Photosensitive glass variable laser exposure patterning method
JP2007069216A (en) Inorganic material working method
JP3012926B1 (en) Laser micromachining of transparent materials
JP2007526129A (en) High-precision laser nanomachining method using UV ultrafast laser pulses
Butkutė et al. Optimization of selective laser etching (SLE) for glass micromechanical structure fabrication
Bityurin 8 Studies on laser ablation of polymers
Dogan et al. Optimization of ultrafast laser parameters for 3D micromachining of fused silica
Klotzbach et al. Laser micromachining
Niino et al. Laser ablation of toluene liquid for surface micro-structuring of silica glass
JP2004306134A (en) Microfabrication apparatus for transparent material, and optical element forming method using apparatus
JP2009136912A (en) Method and apparatus for processing of transparent material
Lim et al. Sub-micron surface patterning by laser irradiation through microlens arrays
Luo et al. Fabrication of diffractive microlens array by femtosecond laser-assisted etching process
JP2008036687A (en) Surface machining method
JP4609592B2 (en) Transparent material processing method and transparent material processing apparatus
EP2076353A1 (en) Indirect pulsed laser machining method of transparent materials by bringing an absorbing layer on the backside of the material to be machined
JP4534543B2 (en) Material processing by ultra-short pulse laser
Danylyuk et al. Sub-micrometer structuring of surfaces with deep UV lasers
JP4147304B2 (en) Material processing using multi-wavelength ultrashort laser pulses
Chen et al. Fundamentals of Laser Ablation of the Materials Used in Microfluiducs
Minghui Laser‐Material Interaction and Its Applications in Surface Micro/nanoprocessing
JP2007230798A (en) Method for forming mirror surface groove and device formed by using the same
Varapnickas et al. 3D Subtractive/Additive Printing with Ultrashort Laser Pulses: A Matured Technology

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20050315

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20071128

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20071218

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080124

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080930

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20081002

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20081216

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4247383

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

EXPY Cancellation because of completion of term