JP4322527B2 - レーザー加工装置及びレーザー加工方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な光学系を用いることを特徴とする、任意の固体材料における２次元又は３次元の任意形状の加工やマイクロマシン形状の超短パルスレーザー光を用いたレーザー加工装置及びレーザー加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大規模集積回路（ＬＳＩ）やマイクロマシンの作製においてリソグラフィーに代表される光転写露光技術が用いられている。近年では光学技術の発展によって、露光光の波長より小さな微細パターンが露光されるようになっている。
【０００３】
一方、マスクパターンを物質表面に投影して、物質表面をレーザーアブレーション加工する試みがある。例えば、二枚のレンズによるフーリエ及び逆フーリエ変換を用いたマスク形状の物質表面への投影によるアブレーション加工方法の発明が特許出願されている（特許文献１）。
【０００４】
しかしながら、この方法では、レーザーとしてＮｄ−ＹＡＧ、Ｔｉ−Ａｌ２Ｏ３やＡｒＦ、ＫｒＦなどのエキシマレーザーが適当であるとしており、これらの一般的にパルス幅がナノ秒のレーザーでは、加工を行う時間内に熱伝導によって被加工物の温度が均一化してしまう。その結果、一般的な材料に対してミクロンからナノサイズの極小さなパターン転写加工を行うことは不可能であり、そのような加工が出来るのは一部の高分子材料のように光によって解離しやすい材料に限定されてしまう。さらに、難加工材料を加工するためには高強度の光を入射する必要があるが、その場合、材料側のレンズが材料上と同程度の光強度で照射されるため、レンズの破損やラマン変換によるビーム形状の劣化やエネルギーロスが起こってしまう。
【０００５】
また、フェムト秒レーザーを用いたアブレーション加工法も知られている（例えば、特許文献２，３，４，５）。特許文献２においては、マスクを利用したビーム形状の変更が述べられているが、図６Ａに示されているように、第２のレンズからその焦点及び標的までの距離がそれぞれｆ２とｆ１とまちまちであり、第１のレンズによってフーリエ変換された信号を逆フーリエ変換する構成になっていない。したがって、マスク形状が複雑な場合、その正確な形状が標的に投影されない。これは、添付された図２によって分かるとおり、リップルの発生など加工形状の劣化につながる。また、特許文献３、４及び５では、マスクとレンズ、被加工物の距離関係が明確でなく、さらに、マスクと被加工物の間にレンズは１枚のみであり、フーリエ変換及び逆フーリエ変換を用いてマスク形状を被加工物に正確に投影する構成になっていない。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−２１６５８０号公報
【特許文献２】
特表平９−５１１６８８号（特許第３２８３２６５号）公報
【特許文献３】
特開２００１−２１２６８０号公報
【特許文献４】
特開２００１−２１２６８７号公報
【特許文献５】
特開２００１−２１２７９８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光転写技術は露光に重点が置かれており、その他の光技術であるレーザーアブレーションによる物質加工に応用された例は材料が限定されたごく一部しかない。その主要な理由として、従来の露光光に用いられるような紫外光ランプ又はナノ秒レーザーなどの光源では、加工を行う時間内に熱伝導によって被加工物の温度が均一化してしまい、結果としてミクロンからナノサイズの極小さなパターン転写加工が出来ないからであった。
【０００８】
よって、従来の手法は、熱伝導の影響が無視できる大きなサイズの加工、又は一部の高分子材料のように光によって解離しやすい材料の加工に限られる。さらに、光学系が短パルスレーザー特有の広スペクトルや高強度レーザーの照射による破損やラマン変換に耐えられる設計になっていない。
【０００９】
本発明は、超短パルスレーザー光を用いたレーザー加工において、新規なフーリエ変換レンズ及び逆フーリエ変換レンズを利用したイメージ投影装置を利用することにより、被加工物に直接２次元又は３次元のミクロンオーダーのマスクパターンをアブレーション加工することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被加工物に注入されたエネルギーが熱伝導によって均一化する前にエネルギー注入過程を終了させるために、超短パルスレーザーであるフェムト秒レーザーを光源に用いたレーザー加工方法であって、マスクパターン像を被加工物にアブレーションしきい値以上のフルエンスで照射させるために、２枚の凸レンズを用いたフーリエ変換及び逆フーリエ変換を用いたことを特徴とする。
【００１１】
すなわち、本発明は、（１）フェムト秒（ｆｓ）からピコ秒（ｐｓ）（１０−１５〜１０−１２秒）領域の超短パルスレーザー光によって、マスクのパターンを第一のレンズ（L1）と第二のレンズ（L2）の２枚の投影レンズにより被加工物に投影して加工するレーザー加工装置であって、
２枚の投影レンズの焦点を一致させ、第一のレンズ（L1）の入射側からその焦点距離だけ離れた位置にマスク（５）を置き、第二のレンズ（L2）の出射側からその焦点距離だけ離れた位置に被加工物（７）を配置し、第一のレンズ（L1）と第二のレンズ（L2）の間にあるフーリエ変換面にマスク像の情報処理を行うフィルタ（６）を置くことで、
マスク（５）を透過したレーザー光の第一のレンズ（L1）によるフーリエ変換及び第二のレンズ（L2）による逆フーリエ変換を用いたマスク像の被加工物への投影を行うようにしたフーリエ光学系を用い、
かつ、レンズ材料と超短パルスレーザーのパワー密度の関係によってレーザー光が第一のレンズ（L1）及び第二のレンズ（L2）によりラマン変換されることによって発生したラマン光を検知するラマン検出センサ（２０）を第二のレンズ（L2）と被加工物（７）の間に設けたことを特徴とするレーザー加工装置、である。
【００１２】
また、本発明は、（２）レーザー駆動部（１）で発振させたレーザー光を増幅させる増幅部（２）との間に減光フィルタ（３）を設けたことを特徴とする上記（１）のレーザー加工装置、である。
また、本発明は、（３）マスク（５）としてコンピューター制御の空間光変調器を用いることを特徴とする上記（１）のレーザー加工装置、である。
また、本発明は、（４）２枚の投影レンズをアクロマティックレンズとし、広スペクトル領域に対応したことを特徴とする上記（１）ないし（３）のいずれかのレーザー加工装置、である。
本発明は、（５）第二のレンズ（L2）と被加工物（７）の間の任意の位置にマスク像を一方向にのみ圧縮する円柱レンズを配置したことを特徴とする上記（１）ないし（４）のいずれかのレーザー加工装置、である。
【００１３】
また、本発明は、（６）上記（１）ないし（５）のいずれかに記載のレーザー加工装置を用いて、フェムト秒（ｆｓ）からピコ秒（ｐｓ）（１０−１５〜１０−１２秒）領域の超短パルスレーザー光によって、被加工物をアブレーション加工する方法において、レンズ材料と超短パルスレーザーのパワー密度の関係によってレーザー光が第一のレンズ（L1）及び第二のレンズ（L2）によりラマン変換されることによって発生したラマン光をラマン検出センサ（２０）によって検知しレーザー光の進行方向又はスペクトルの変化を検出することでラマン変換によるエネルギーロスを検出し、該エネルギーロスを防ぐためにレーザーパワー及びパルス幅、第一のレンズ(L1)及び第二のレンズ(L2)の材質の選定を行って、被加工物（７）表面でのレーザーパワー密度（Ｐ／Ｍ２；Ｐはレーザーパワー、Ｍは第一のレンズ(L1)及び第二のレンズ(L2)の焦点距離をそれぞれＦ１、Ｆ２としたとき、Ｆ２／Ｆ１で表される像の倍率である）が、アブレーションしきい値（Ｐ３）を上回るようにすることを特徴とするレーザー加工方法、である。
【００１４】
また、本発明は、（７）減光フイルター（３）でレーザーパワー（Ｐ）を調節することを特徴とする上記（６）のレーザー加工方法、である。
また、本発明は、（８）被加工物表面に結んだマスク像を観察することによってマスク、第一のレンズ、第二のレンズ及び被加工物位置を最適化することを特徴とする上記（６）のレーザー加工方法、である。
また、本発明は、（９）被加工物表面によって反射されるレーザー光が再びマスクを正確に透過するようにマスク、第一のレンズ、第二のレンズ及び被加工物位置を調整することを特徴とする上記（６）のレーザー加工方法、である。
【００１５】
また、本発明は、（１０）前記空間光変調器によるマスクパターンの変化と、ＸＹＺθステージ（９）のＸＹＺθ各軸による移動を組み合わせ、被加工物（７）の加工したい部分のみにレーザー光を照射して、被加工物に３次元のミクロンオーダーのマスクパターンをアブレーション加工することを特徴とする上記（６）のレーザー加工方法、である。
また、本発明は、（１１）第一のレンズ(L1)の焦点位置を減圧又はガスフローすることで、エアブレークダウンによるビーム質の劣化を抑えることを特徴とする上記（６）のレーザー加工方法、である。
また、本発明は、（１２）レーザー光源を超短パルスレーザー及びナノ秒レーザーとし、同時又はある時間差をもってアブレーション加工と熱加工、感光を併用することを特徴とする上記（６）のレーザー加工方法、である。
【００１６】
また、本発明は、（１３） 被加工物が透明基板上にある薄膜材料であり、該透明基板側からレーザーを照射することで加工を行うことを特徴とする上記（６）のレーザー加工方法、である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明のレーザー加工装置の光学系を概念的に示す。レーザー駆動部１と増幅部２から照射されるフェムト秒レーザー光を減光フィルタ３、スリット４を通してマスク５に照射する。マスク５を透過したレーザー光は第一のレンズＬ１によってフーリエ変換され、フィルタ６でエッジ強調などの情報処理がなされ、さらに、第二のレンズＬ２によって逆フーリエ変換されることで、再生像が倒立した状態で被加工物７の表面に照射される。
図１に示すように、２枚のレンズの焦点を一致させ、第一のレンズの入射側からその焦点距離だけ離れた位置にマスクを置き、第二のレンズの出射側からその焦点距離だけ離れた位置に被加工物を配置する。被加工物７は駆動モータ８で駆動されるＸＹＺθステージ９上に設置される。マスク５には、透明基板にマスクパターンを書き込んだもの、金属板を打ち抜いたものの他、透過型回折格子、コンピューター制御の空間光変調器を用いることが出来る。これらは、いずれも公知の手段であり、適宜使用できる。
【００１８】
続いて、本発明において用いられるフェムト秒レーザー装置の動作について説明する。図１に示すシステム制御部１０の電源スイッチ（図示しない）をＯＮすることにより、システム制御部１０はメモリ部１１から制御手順を実行する制御プログラムをロードし、表示部１２に入力画面を表示させ、制御のための設定値を入力できるようにする。入力部１３から被加工物７の材質や、目的とする加工形状、深さ、繰り返し周波数、ショット回数等の基本的な設定データを入力すると、システム制御部１０はメモリ部１１からこの設定データと関係付けられている関連データ、例えば、繰り返し周波数から定まるＸＹＺθステージ９の移動速度等のデータを読み出し、表示部１２に表示する。
【００１９】
この表示内容を確認した後、システム制御部１０のスタートボタン（図示しない）を押すことにより、レーザー駆動部１の励起用の固体レーザーの動作を開始する。フェムト秒レーザーが発振し、増幅部２で増幅されたフェムト秒レーザー光は、システム制御部１０からシャッタ駆動部１４への動作命令でシャッタ（図示しない）が開かれ、１ショット目が出射される。繰り返し周波数１０Ｈｚで出射させるため、システム制御部１０はレーザー光を出射する少なくとも１パルス幅分前にシャッタを開放する。これは、発振開始から計時手段１５によってタイミングを計って実行する。
【００２０】
この後レーザー光は、減光フィルタ３、スリット４を通してマスク５、又はシステム制御部１０によって電気制御された空間光変調器（図示しない）を透過する。システム制御部１０は最初の１ショットを出射した後、レーザー光の出射が終わった少なくとも１パルス幅分後にシャッタを閉止する。また、システム制御部１０は最初の１ショットの加工が終わると、二度目のショットを行うべく、レーザー駆動部１を発振させ、増幅部２で増幅させる。
【００２１】
分割された光束は凸レンズＬ１を透過し、凸レンズＬ２で再び集光される。このとき分離されている光束が凸レンズＬ２から焦点距離離れた位置で結像する。このとき、システム制御部１０は位置検出センサ１８及び加工面の画像モニタ１９からの検出信号に基づいてＸＹＺ及びθ方向に駆動モータ８を駆動して最適位置に被加工物７を移送させている。したがって、被加工物７は加工中に最適加工位置にあり、被加工物７に結像したマスク像に応じたアブレーション加工が行われる。同時に、ラマン検出センサ２０でラマン変換が検出され、それが加工に影響を与える場合は、減光フィルタ３及びマスク５、パルス幅の調整によってこれを回避する。１ショットのみの加工の場合はこれで加工プロセスが終了する。
【００２２】
次に、多ショット加工を行う場合を説明する。システム制御部１０は最初の１ショットの加工が終わると、カウンタ２１でカウントし、予めプログラムされたとおりに、場合によっては、マスク５の変更や空間光変調器のコントロールを行い、同時に被加工物７の移送を行う。計時手段１５の計時により、二度目のショットを行う１パルス幅分以上前にシャッタを開放し、増幅部２から二度目のショットを出射する。その後のレーザー光が被加工物７まで到達して加工するプロセスは１ショット目の場合と同様である。以下、以上の繰り返しを続け、カウンタ２１のカウント数が入力された所定の回数に達したら、システム制御部１０はレーザー駆動部１の励起用グリーン固体レーザーを停止させ、ＸＹＺθステージ９の移送動作を停止する。
【００２３】
前記の超短パルスレーザーとしては、モードロックＴｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅレーザーやそれとアンプを組み合わせたものが適当である。前記の超短パルスレーザーとしては、パルス幅が短く、そのために広スペクトルになっているモードロックＴｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅレーザーや、それと再生増幅器などのアンプを組み合わせたものが適当である。
【００２４】
一般的な光情報処理装置で行われているように、第一のレンズＬ１及び第二のレンズＬ２の間にあるフーリエ変換面に適当なフィルタ６を配置することで、例えば、エッジを強調した加工形状を得ることが出来る。さらに、超短パルスレーザーのスペクトルが広いことから、マスク５の同じ部分を透過した光でも、波長によってフーリエ変換面を通過する場所が異なる。そこで、フィルタ６によってスペクトル情報をコントロールすることで、例えばパルス幅の変更が可能である。
【００２５】
本発明では、２枚のレンズの焦点を一致させ、第一のレンズの入射側からその焦点距離だけ離れた位置にマスクを置き、第二のレンズの出射側からその焦点距離だけ離れた位置に被加工物を配置して、光情報処理のように、第一のレンズＬ１、第二のレンズＬ２によるフーリエ変換及び逆フーリエ変換を利用することで、マスク５の形状を被加工物７の表面に加工できる。すなわち、マスク５を透過した超短パルスレーザーは第一のレンズＬ１によってフーリエ変換され、さらに、第二のレンズＬ２によって逆フーリエ変換されることで、再生像が倒立した状態で被加工物７の表面に照射される。
【００２６】
上記のようなフーリエ変換及びフーリエ逆変換を用いたマスク像の投影装置に超短パルス幅のレーザーを適用した場合、そのようなレーザーは原理的にスペクトルが広いため、一般的なレンズを用いた場合には波長ごとの焦点距離の違いにより正確なフーリエ変換及び逆変換が出来なくなってしまう。これを防ぐため、波長による分散の影響を最小限に抑えたアクロマティックレンズを用いるのがよい。ただし、アクロマティックレンズは用いる超短パルスレーザーの波長域及びパワーに応じて設計される必要がある。
【００２７】
また、第二のレンズＬ２と被加工物７の間に円柱レンズ（図示しない）を追加することにより、マスク像を一方向にのみ圧縮することで、さらにレーザーパワー密度を上げることができ、また、円柱レンズが無い場合とは異なった形状を加工できる。
【００２８】
レンズ材料と超短パルスレーザーのパワー密度の関係によってはラマン変換が生じ、その結果、エネルギーロス、スペクトルの変化による加工形状の劣化など様々な問題が生じる。それを防ぐためには、ラマン変換によって発生したラマン光を検知し、ラマン光が問題にならない程度まで小さくなるように各パラメーターを調整する必要がある。ラマン光の検知方法としては、ラマン光が元になる光と異なるスペクトル情報を持つこと、異なる時間的又は空間的形状を持つことなどを利用する。ラマン光を小さくするためには、ラマン変換が起こり難い材料をレンズに用いる、フィルタで減光する、パルス幅を広くするなどの手段がある。
【００２９】
ここで、各レンズＬ１、Ｌ２、レーザー強度及び被加工物７の組み合わせについて設計を行う。第一のレンズＬ１及び第二のレンズＬ２の焦点距離をそれぞれＦ１、Ｆ２とすると、像の倍率Ｍは下記の式で表される。
Ｍ＝Ｆ２／Ｆ１
【００３０】
各レンズＬ１、Ｌ２にレーザーが入射した場合、レーザーのパワーが強いとラマン変換によってビーム形状の劣化やエネルギーロスが生じたり、各レンズＬ１、Ｌ２の破損が起きたりするなどの問題が生じる。このような、プロセスに支障を来すレーザーパワーのしきい値はレンズ材料によって異なるが、これをそれぞれのレンズＬ１、Ｌ２についてＰ１、Ｐ２と置く。また、被加工物７の表面でのアブレーションによる加工が行われるためのレーザーパワーのしきい値をＰ３、マスク５の破損が起こるレーザーパワーしきい値をＰ４とする。
【００３１】
マスク５の光が透過する部分でのレーザーパワーをＰとした場合の、プロセスを行うための条件は以下となる。ただし、マスク５から被加工物７までのパワーロスが無視できるとしている。
Ｐ１，Ｐ４ ＞ Ｐ・・・（１）
Ｐ２ ＞ Ｐ／Ｍ２ ＞ Ｐ３・・・（２）
【００３２】
上式の（１）は、マスク５を破損せず、さらに第一のレンズＬ１による障害が生じないための条件である。上式の（２）は、第二のレンズＬ２による障害が生じず、さらにアブレーションによる加工が行われるための条件である。一般的には、被加工物７の表面でレーザーアブレーションを起こすためにレーザーパワー密度Ｐ／Ｍ２を大きくする必要があるため、第二のレンズＬ２に関する条件が厳しくなる。本実施例では、Ｐを減光フィルタ３で調節し、各レンズＬ１，Ｌ２の組み合わせによってＭを調節した。
【００３３】
各レンズＬ１，Ｌ２としては、超短パルスレーザーのスペクトルが広いため、アクロマティックレンズを用いるのが理想的であるが、通常のレンズでもミクロンオーダーの加工は可能である。
【００３４】
本発明の装置の光学系は、フーリエ変換を利用しているため、第一のレンズＬ１の焦点の位置、つまり、マスク５の形状の情報がフーリエ変換された面でフィルタ６によってフィルタリング処理を行うことにより、いわゆる光コンピューターと同様にエッジ強調やスムージング等、マスク形状の情報処理を併用できる。
【００３５】
また、超短パルスレーザー光が各レンズＬ１、Ｌ２によりラマン変換されることによるエネルギーロス及びビーム形状の劣化を防ぐため、ラマン変換現象の検出部を設ける。ラマン変換の検出方法としては、ビームの変形やスペクトルの変化を検出するためのＣＣＤセンサやスペクトルメーターなどのラマン検出センサ２０が適する。また、ラマン変換が十分小さな範囲で加工が出来るよう、レーザーパワー及びパルス幅、レンズ材質の選定を行う。
【００３６】
前出のように被加工物７の上でのレーザーパワー密度はＰ／Ｍ２と表される。よって、Ｍを小さくする、すなわち縮小光学系とすることで大きなパワー密度を達成し、被加工物７表面でのアブレーションしきい値Ｐ３を上回ることでレーザーアブレーション加工を行うことができる。
【００３７】
マスク像が被加工物７表面に正確に像を結んでいる、又はマスク５の像のとおりの加工が連続して行われているのを確認しながら加工を行うのがよい。そのために、被加工物７の表面を光学顕微鏡等で観察する。また、観察像を元にしてＸＹＺθステージ９の位置を制御する。
【００３８】
また、被加工物７にある程度の反射率が有る場合、各レンズＬ１、Ｌ２、マスク５、被加工物７の位置が適当であれば、被加工物７の表面で反射した戻り光が正確にマスク５の表面で同じ像を結ぶはずである。被加工物７からマスク５への透過光をハーフミラー１６を通じて画像モニタ１７側に反射して観察することによって、そうなるように各レンズＬ１、Ｌ２、マスク５、被加工物７の位置を調節することができる。
【００３９】
また、正確にマスク５の像が再生（投影）された場所で被加工物７が加工されるように、被加工物７の位置検出センサ１８及び加工形状の画像モニタ１９を用いる。又は、被加工物７の表面によって反射されるマスク像が、再びマスク５を正確に透過する条件でも良い。
【００４０】
なお、上記のとおり、マスク５の形状が正確に再生される位置に被加工物７を配置しアブレーションを行なう場合について説明したが、被加工物７の形状が単純な周期的形状である場合、被加工物７の位置はマスク５の形状が正確に再生される位置に配置される必要は必ずしも無い。その場合、レーザーの数、角度、強度に応じた干渉縞が形成され、加工される。被加工物７の位置の選定は、実際に加工される形状から判断し、その場合には加工表面を測定するための画像モニタ１９を適当な場所に配置する。
【００４１】
また、マイクロマシンなど複雑な３次元形状の作製では、空間光変調器によるマスクパターンの変化と、ＸＹＺθステージ９のＸＹＺθ各軸による移動を組み合わせ、被加工物７の加工したい部分のみにレーザー光が照射されるようにする。
【００４２】
なお、一般的にレーザーアブレーションにより除去された材料は、プラズマなどのガス状又は微粒子状になって被加工物材料から離脱するが、一部がガスの凝縮や反動などによって被加工物材料に戻り、それが加工形状の劣化につながる。これを防ぐためには、被加工部分を減圧するのがよい。
【００４３】
本発明の方法は大気中でも実施可能であるが、蒸発した粒子の再付着が問題となる場合、従来のレーザーアブレーションと同様に減圧中又は真空中でプロセスを行うことが出来る。また、 第一レンズＬ１の焦点でレーザーのエネルギー密度が高くなり、大気がプラズマ化する、すなわちエアブレークダウンによってレーザーの質が劣化することが問題になる場合も、焦点位置の減圧やエアブレークダウンしにくいガスを流すこと、すなわちガスフローでエアブレークダウンを抑えるなどで対応できる。
【００４４】
本発明の装置の光学系はスペクトルの広いレーザー用に設計されているが、当然単色光も利用することが出来る。そのため、レーザーアブレーション加工、熱加工、感光を併用した加工が可能である。
【００４５】
加工した形状をマイクロマシンとして応用する場合、場合によってはその部分を取り出したり、機械的加工を加えたりする必要がある。そのために、レーザーや機械による加工や切除ができる装置を備えるのがよい。レーザーはマスク形状加工に用いているフェムト秒レーザー又はその励起用・増幅用レーザーをそのまま用いてもよいし、全く別個のレーザーを用いてもよい。切除の際、被加工物を適当な位置・角度に移動することが出来る。また、切除以外の湾曲などの加工を加えることも出来、これらはマスク形状加工と併せて複合的に行うことが出来る。
【００４６】
透明基板材料の上にある薄膜状の被加工物材料について、上記のような全ての加工を薄膜の裏側、すなわち、透明基板側からレーザーを入射することで行うことが出来る。透明基板材料の上の薄膜材料を加工する場合、裏面からレーザーを照射することでその部分を剥離できることが知られている（例えば、Ｙ．Ｎａｋａｔａ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ａ ６９， Ｓ２７５−Ｓ２７８， １９９９）。これを併用することで、構造物の取り出しを行うことが出来る。レーザーはマスク形状加工で用いられているレーザー又はその励起用・増幅用レーザーを利用してもよいし、別個のレーザーを利用してもよい。
【００４７】
【実施例】
実施例１
光学系の倍率はＭ＝０．２を選択した。また、減光フィルタによってマスク上のレーザーフルエンスを０．０７８Ｊ／ｃｍ２まで減衰させた。被加工物には合成石英基板上に金薄膜を２０ｎｍ厚で蒸着したものを用いた。マスクには、図２に一部を示すような、ネガタイプのテストパターンを用いた。図２に示される白い部分がＣｒメッキされた部分で、黒い部分が透明になっており、レーザー光が透過する。加工はフェムト秒レーザーをシングルショットだけ入射することで行った。フェムト秒レーザーのパルス幅は約９０ｆｓ、ピーク波長は約８００ｎｍである。
【００４８】
図３は加工例を示す光学顕微鏡写真である。図３（ａ）は、フィルタ位置をマスク形状が正確に再生される位置に置いた場合、図３（ｂ）はそこからフィルタを第二レンズＬ２に３００ミクロン近づけた場合である。
【００４９】
黒い部分がアブレーションによって加工が行われた部分であり、マスク形状が縮小加工されていることが分かった。また、黒い部分が半導体レーザーを透過することを確認し、貫通孔が形成されていることが明らかになった。図３（ａ）ではマスク形状がほぼ正確に縮小加工されているが、図３（ｂ）では形状が崩れていた。
【００５０】
実施例２
図４は、マスクとして透過型回折格子を用い、４光束を干渉させて加工を行った形状を光学顕微鏡で観察したものである。マスクは４本の一次光を縦横に発生するタイプである。マスク上のフルエンスなどの条件は実施例１と同様である。また、加工では０次光をカットした。図４に示すように、１．８ミクロン間隔の周期ドットマトリクス構造をシングルショットで作製出来た。
【００５１】
図５は、２光束を干渉させて０．９ミクロン間隔の周期構造を作製した形状を光学顕微鏡で観察したものである。図４、図５に示す加工例のものに半導体レーザーを入射したところ、反射及び透過光ともに回折が見られ、反射型及び透過型回折格子が作製出来たことが分かった。これらの実施例において、被加工物の位置の変化による加工形状の大きな変化は見られなかった。
【００５２】
実施例３
図６は、実施例２より複雑な形状の透過型回折格子を用いて加工を行った形状を光学顕微鏡で観察したものである。この場合、レーザーは４×４のマトリクス状に光が分割される。図６に示すような加工形状が得られ、これに半導体レーザーを入射したところ、元になった透過型回折格子と同様の回折像が得られた。ただし、倍率Ｍに応じて回折角度は変化した。
【００５３】
【発明の効果】
本発明の構成とすることで、従来不可能であった金属など熱伝導の大きな材料、結晶などの難加工材料に対してもミクロンからナノサイズのマスク転写レーザーアブレーション加工が出来るようになる。また、マスクの複雑な形状がシングルショットで加工されるため、従来のレーザースキャンなどを用いる方法と比較して加工時間が非常に短い。さらに、マスクをコンピューター制御の空間光変調器とすることで、設計した形状を即座に作製するラピッドプロトタイピングへ応用できる。さらに、３次元形状を作製することでマイクロマシン形状を作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のレーザー加工装置の光学系を示す概念図である。
【図２】図２は、実施例１のレーザーアブレーション加工時に用いたマスクの図面代用の光学顕微鏡写真である。
【図３】図３（ａ）及び（ｂ）は、実施例１において、金薄膜のレーザーアブレーション加工例を示す図面代用の光学顕微鏡写真である。
【図４】図４は、実施例２において、４光束を干渉させて加工を行った場合の加工例を示す図面代用の光学顕微鏡写真である。
【図５】図５は、実施例２において、２光束を干渉させて加工を行った場合の加工例を示す図面代用の光学顕微鏡写真である。
【図６】図６は、実施例３において、４×４のマトリクス状に光束を分割する回折格子を用いた場合の加工例を示す図面代用の光学顕微鏡写真である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な光学系を用いることを特徴とする、任意の固体材料における２次元又は３次元の任意形状の加工やマイクロマシン形状の超短パルスレーザー光を用いたレーザー加工装置及びレーザー加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大規模集積回路（ＬＳＩ）やマイクロマシンの作製においてリソグラフィーに代表される光転写露光技術が用いられている。近年では光学技術の発展によって、露光光の波長より小さな微細パターンが露光されるようになっている。
【０００３】
一方、マスクパターンを物質表面に投影して、物質表面をレーザーアブレーション加工する試みがある。例えば、二枚のレンズによるフーリエ及び逆フーリエ変換を用いたマスク形状の物質表面への投影によるアブレーション加工方法の発明が特許出願されている（特許文献１）。
【０００４】
しかしながら、この方法では、レーザーとしてＮｄ−ＹＡＧ、Ｔｉ−Ａｌ２Ｏ３やＡｒＦ、ＫｒＦなどのエキシマレーザーが適当であるとしており、これらの一般的にパルス幅がナノ秒のレーザーでは、加工を行う時間内に熱伝導によって被加工物の温度が均一化してしまう。その結果、一般的な材料に対してミクロンからナノサイズの極小さなパターン転写加工を行うことは不可能であり、そのような加工が出来るのは一部の高分子材料のように光によって解離しやすい材料に限定されてしまう。さらに、難加工材料を加工するためには高強度の光を入射する必要があるが、その場合、材料側のレンズが材料上と同程度の光強度で照射されるため、レンズの破損やラマン変換によるビーム形状の劣化やエネルギーロスが起こってしまう。
【０００５】
また、フェムト秒レーザーを用いたアブレーション加工法も知られている（例えば、特許文献２，３，４，５）。特許文献２においては、マスクを利用したビーム形状の変更が述べられているが、図６Ａに示されているように、第２のレンズからその焦点及び標的までの距離がそれぞれｆ２とｆ１とまちまちであり、第１のレンズによってフーリエ変換された信号を逆フーリエ変換する構成になっていない。したがって、マスク形状が複雑な場合、その正確な形状が標的に投影されない。これは、添付された図２によって分かるとおり、リップルの発生など加工形状の劣化につながる。また、特許文献３、４及び５では、マスクとレンズ、被加工物の距離関係が明確でなく、さらに、マスクと被加工物の間にレンズは１枚のみであり、フーリエ変換及び逆フーリエ変換を用いてマスク形状を被加工物に正確に投影する構成になっていない。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−２１６５８０号公報
【特許文献２】
特表平９−５１１６８８号（特許第３２８３２６５号）公報
【特許文献３】
特開２００１−２１２６８０号公報
【特許文献４】
特開２００１−２１２６８７号公報
【特許文献５】
特開２００１−２１２７９８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光転写技術は露光に重点が置かれており、その他の光技術であるレーザーアブレーションによる物質加工に応用された例は材料が限定されたごく一部しかない。その主要な理由として、従来の露光光に用いられるような紫外光ランプ又はナノ秒レーザーなどの光源では、加工を行う時間内に熱伝導によって被加工物の温度が均一化してしまい、結果としてミクロンからナノサイズの極小さなパターン転写加工が出来ないからであった。
【０００８】
よって、従来の手法は、熱伝導の影響が無視できる大きなサイズの加工、又は一部の高分子材料のように光によって解離しやすい材料の加工に限られる。さらに、光学系が短パルスレーザー特有の広スペクトルや高強度レーザーの照射による破損やラマン変換に耐えられる設計になっていない。
【０００９】
本発明は、超短パルスレーザー光を用いたレーザー加工において、新規なフーリエ変換レンズ及び逆フーリエ変換レンズを利用したイメージ投影装置を利用することにより、被加工物に直接２次元又は３次元のミクロンオーダーのマスクパターンをアブレーション加工することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被加工物に注入されたエネルギーが熱伝導によって均一化する前にエネルギー注入過程を終了させるために、超短パルスレーザーであるフェムト秒レーザーを光源に用いたレーザー加工方法であって、マスクパターン像を被加工物にアブレーションしきい値以上のフルエンスで照射させるために、２枚の凸レンズを用いたフーリエ変換及び逆フーリエ変換を用いたことを特徴とする。
【００１１】
すなわち、本発明は、（１）フェムト秒（ｆｓ）からピコ秒（ｐｓ）（１０−１５〜１０−１２秒）領域の超短パルスレーザー光によって、マスクのパターンを第一のレンズ（L1）と第二のレンズ（L2）の２枚の投影レンズにより被加工物に投影して加工するレーザー加工装置であって、
２枚の投影レンズの焦点を一致させ、第一のレンズ（L1）の入射側からその焦点距離だけ離れた位置にマスク（５）を置き、第二のレンズ（L2）の出射側からその焦点距離だけ離れた位置に被加工物（７）を配置し、第一のレンズ（L1）と第二のレンズ（L2）の間にあるフーリエ変換面にマスク像の情報処理を行うフィルタ（６）を置くことで、
マスク（５）を透過したレーザー光の第一のレンズ（L1）によるフーリエ変換及び第二のレンズ（L2）による逆フーリエ変換を用いたマスク像の被加工物への投影を行うようにしたフーリエ光学系を用い、
かつ、レンズ材料と超短パルスレーザーのパワー密度の関係によってレーザー光が第一のレンズ（L1）及び第二のレンズ（L2）によりラマン変換されることによって発生したラマン光を検知するラマン検出センサ（２０）を第二のレンズ（L2）と被加工物（７）の間に設けたことを特徴とするレーザー加工装置、である。
【００１２】
また、本発明は、（２）レーザー駆動部（１）で発振させたレーザー光を増幅させる増幅部（２）との間に減光フィルタ（３）を設けたことを特徴とする上記（１）のレーザー加工装置、である。
また、本発明は、（３）マスク（５）としてコンピューター制御の空間光変調器を用いることを特徴とする上記（１）のレーザー加工装置、である。
また、本発明は、（４）２枚の投影レンズをアクロマティックレンズとし、広スペクトル領域に対応したことを特徴とする上記（１）ないし（３）のいずれかのレーザー加工装置、である。
本発明は、（５）第二のレンズ（L2）と被加工物（７）の間の任意の位置にマスク像を一方向にのみ圧縮する円柱レンズを配置したことを特徴とする上記（１）ないし（４）のいずれかのレーザー加工装置、である。
【００１３】
また、本発明は、（６）上記（１）ないし（５）のいずれかに記載のレーザー加工装置を用いて、フェムト秒（ｆｓ）からピコ秒（ｐｓ）（１０−１５〜１０−１２秒）領域の超短パルスレーザー光によって、被加工物をアブレーション加工する方法において、レンズ材料と超短パルスレーザーのパワー密度の関係によってレーザー光が第一のレンズ（L1）及び第二のレンズ（L2）によりラマン変換されることによって発生したラマン光をラマン検出センサ（２０）によって検知しレーザー光の進行方向又はスペクトルの変化を検出することでラマン変換によるエネルギーロスを検出し、該エネルギーロスを防ぐためにレーザーパワー及びパルス幅、第一のレンズ(L1)及び第二のレンズ(L2)の材質の選定を行って、被加工物（７）表面でのレーザーパワー密度（Ｐ／Ｍ２；Ｐはレーザーパワー、Ｍは第一のレンズ(L1)及び第二のレンズ(L2)の焦点距離をそれぞれＦ１、Ｆ２としたとき、Ｆ２／Ｆ１で表される像の倍率である）が、アブレーションしきい値（Ｐ３）を上回るようにすることを特徴とするレーザー加工方法、である。
【００１４】
また、本発明は、（７）減光フイルター（３）でレーザーパワー（Ｐ）を調節することを特徴とする上記（６）のレーザー加工方法、である。
また、本発明は、（８）被加工物表面に結んだマスク像を観察することによってマスク、第一のレンズ、第二のレンズ及び被加工物位置を最適化することを特徴とする上記（６）のレーザー加工方法、である。
また、本発明は、（９）被加工物表面によって反射されるレーザー光が再びマスクを正確に透過するようにマスク、第一のレンズ、第二のレンズ及び被加工物位置を調整することを特徴とする上記（６）のレーザー加工方法、である。
【００１５】
また、本発明は、（１０）前記空間光変調器によるマスクパターンの変化と、ＸＹＺθステージ（９）のＸＹＺθ各軸による移動を組み合わせ、被加工物（７）の加工したい部分のみにレーザー光を照射して、被加工物に３次元のミクロンオーダーのマスクパターンをアブレーション加工することを特徴とする上記（６）のレーザー加工方法、である。
また、本発明は、（１１）第一のレンズ(L1)の焦点位置を減圧又はガスフローすることで、エアブレークダウンによるビーム質の劣化を抑えることを特徴とする上記（６）のレーザー加工方法、である。
また、本発明は、（１２）レーザー光源を超短パルスレーザー及びナノ秒レーザーとし、同時又はある時間差をもってアブレーション加工と熱加工、感光を併用することを特徴とする上記（６）のレーザー加工方法、である。
【００１６】
また、本発明は、（１３） 被加工物が透明基板上にある薄膜材料であり、該透明基板側からレーザーを照射することで加工を行うことを特徴とする上記（６）のレーザー加工方法、である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明のレーザー加工装置の光学系を概念的に示す。レーザー駆動部１と増幅部２から照射されるフェムト秒レーザー光を減光フィルタ３、スリット４を通してマスク５に照射する。マスク５を透過したレーザー光は第一のレンズＬ１によってフーリエ変換され、フィルタ６でエッジ強調などの情報処理がなされ、さらに、第二のレンズＬ２によって逆フーリエ変換されることで、再生像が倒立した状態で被加工物７の表面に照射される。
図１に示すように、２枚のレンズの焦点を一致させ、第一のレンズの入射側からその焦点距離だけ離れた位置にマスクを置き、第二のレンズの出射側からその焦点距離だけ離れた位置に被加工物を配置する。被加工物７は駆動モータ８で駆動されるＸＹＺθステージ９上に設置される。マスク５には、透明基板にマスクパターンを書き込んだもの、金属板を打ち抜いたものの他、透過型回折格子、コンピューター制御の空間光変調器を用いることが出来る。これらは、いずれも公知の手段であり、適宜使用できる。
【００１８】
続いて、本発明において用いられるフェムト秒レーザー装置の動作について説明する。図１に示すシステム制御部１０の電源スイッチ（図示しない）をＯＮすることにより、システム制御部１０はメモリ部１１から制御手順を実行する制御プログラムをロードし、表示部１２に入力画面を表示させ、制御のための設定値を入力できるようにする。入力部１３から被加工物７の材質や、目的とする加工形状、深さ、繰り返し周波数、ショット回数等の基本的な設定データを入力すると、システム制御部１０はメモリ部１１からこの設定データと関係付けられている関連データ、例えば、繰り返し周波数から定まるＸＹＺθステージ９の移動速度等のデータを読み出し、表示部１２に表示する。
【００１９】
この表示内容を確認した後、システム制御部１０のスタートボタン（図示しない）を押すことにより、レーザー駆動部１の励起用の固体レーザーの動作を開始する。フェムト秒レーザーが発振し、増幅部２で増幅されたフェムト秒レーザー光は、システム制御部１０からシャッタ駆動部１４への動作命令でシャッタ（図示しない）が開かれ、１ショット目が出射される。繰り返し周波数１０Ｈｚで出射させるため、システム制御部１０はレーザー光を出射する少なくとも１パルス幅分前にシャッタを開放する。これは、発振開始から計時手段１５によってタイミングを計って実行する。
【００２０】
この後レーザー光は、減光フィルタ３、スリット４を通してマスク５、又はシステム制御部１０によって電気制御された空間光変調器（図示しない）を透過する。システム制御部１０は最初の１ショットを出射した後、レーザー光の出射が終わった少なくとも１パルス幅分後にシャッタを閉止する。また、システム制御部１０は最初の１ショットの加工が終わると、二度目のショットを行うべく、レーザー駆動部１を発振させ、増幅部２で増幅させる。
【００２１】
分割された光束は凸レンズＬ１を透過し、凸レンズＬ２で再び集光される。このとき分離されている光束が凸レンズＬ２から焦点距離離れた位置で結像する。このとき、システム制御部１０は位置検出センサ１８及び加工面の画像モニタ１９からの検出信号に基づいてＸＹＺ及びθ方向に駆動モータ８を駆動して最適位置に被加工物７を移送させている。したがって、被加工物７は加工中に最適加工位置にあり、被加工物７に結像したマスク像に応じたアブレーション加工が行われる。同時に、ラマン検出センサ２０でラマン変換が検出され、それが加工に影響を与える場合は、減光フィルタ３及びマスク５、パルス幅の調整によってこれを回避する。１ショットのみの加工の場合はこれで加工プロセスが終了する。
【００２２】
次に、多ショット加工を行う場合を説明する。システム制御部１０は最初の１ショットの加工が終わると、カウンタ２１でカウントし、予めプログラムされたとおりに、場合によっては、マスク５の変更や空間光変調器のコントロールを行い、同時に被加工物７の移送を行う。計時手段１５の計時により、二度目のショットを行う１パルス幅分以上前にシャッタを開放し、増幅部２から二度目のショットを出射する。その後のレーザー光が被加工物７まで到達して加工するプロセスは１ショット目の場合と同様である。以下、以上の繰り返しを続け、カウンタ２１のカウント数が入力された所定の回数に達したら、システム制御部１０はレーザー駆動部１の励起用グリーン固体レーザーを停止させ、ＸＹＺθステージ９の移送動作を停止する。
【００２３】
前記の超短パルスレーザーとしては、モードロックＴｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅレーザーやそれとアンプを組み合わせたものが適当である。前記の超短パルスレーザーとしては、パルス幅が短く、そのために広スペクトルになっているモードロックＴｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅレーザーや、それと再生増幅器などのアンプを組み合わせたものが適当である。
【００２４】
一般的な光情報処理装置で行われているように、第一のレンズＬ１及び第二のレンズＬ２の間にあるフーリエ変換面に適当なフィルタ６を配置することで、例えば、エッジを強調した加工形状を得ることが出来る。さらに、超短パルスレーザーのスペクトルが広いことから、マスク５の同じ部分を透過した光でも、波長によってフーリエ変換面を通過する場所が異なる。そこで、フィルタ６によってスペクトル情報をコントロールすることで、例えばパルス幅の変更が可能である。
【００２５】
本発明では、２枚のレンズの焦点を一致させ、第一のレンズの入射側からその焦点距離だけ離れた位置にマスクを置き、第二のレンズの出射側からその焦点距離だけ離れた位置に被加工物を配置して、光情報処理のように、第一のレンズＬ１、第二のレンズＬ２によるフーリエ変換及び逆フーリエ変換を利用することで、マスク５の形状を被加工物７の表面に加工できる。すなわち、マスク５を透過した超短パルスレーザーは第一のレンズＬ１によってフーリエ変換され、さらに、第二のレンズＬ２によって逆フーリエ変換されることで、再生像が倒立した状態で被加工物７の表面に照射される。
【００２６】
上記のようなフーリエ変換及びフーリエ逆変換を用いたマスク像の投影装置に超短パルス幅のレーザーを適用した場合、そのようなレーザーは原理的にスペクトルが広いため、一般的なレンズを用いた場合には波長ごとの焦点距離の違いにより正確なフーリエ変換及び逆変換が出来なくなってしまう。これを防ぐため、波長による分散の影響を最小限に抑えたアクロマティックレンズを用いるのがよい。ただし、アクロマティックレンズは用いる超短パルスレーザーの波長域及びパワーに応じて設計される必要がある。
【００２７】
また、第二のレンズＬ２と被加工物７の間に円柱レンズ（図示しない）を追加することにより、マスク像を一方向にのみ圧縮することで、さらにレーザーパワー密度を上げることができ、また、円柱レンズが無い場合とは異なった形状を加工できる。
【００２８】
レンズ材料と超短パルスレーザーのパワー密度の関係によってはラマン変換が生じ、その結果、エネルギーロス、スペクトルの変化による加工形状の劣化など様々な問題が生じる。それを防ぐためには、ラマン変換によって発生したラマン光を検知し、ラマン光が問題にならない程度まで小さくなるように各パラメーターを調整する必要がある。ラマン光の検知方法としては、ラマン光が元になる光と異なるスペクトル情報を持つこと、異なる時間的又は空間的形状を持つことなどを利用する。ラマン光を小さくするためには、ラマン変換が起こり難い材料をレンズに用いる、フィルタで減光する、パルス幅を広くするなどの手段がある。
【００２９】
ここで、各レンズＬ１、Ｌ２、レーザー強度及び被加工物７の組み合わせについて設計を行う。第一のレンズＬ１及び第二のレンズＬ２の焦点距離をそれぞれＦ１、Ｆ２とすると、像の倍率Ｍは下記の式で表される。
Ｍ＝Ｆ２／Ｆ１
【００３０】
各レンズＬ１、Ｌ２にレーザーが入射した場合、レーザーのパワーが強いとラマン変換によってビーム形状の劣化やエネルギーロスが生じたり、各レンズＬ１、Ｌ２の破損が起きたりするなどの問題が生じる。このような、プロセスに支障を来すレーザーパワーのしきい値はレンズ材料によって異なるが、これをそれぞれのレンズＬ１、Ｌ２についてＰ１、Ｐ２と置く。また、被加工物７の表面でのアブレーションによる加工が行われるためのレーザーパワーのしきい値をＰ３、マスク５の破損が起こるレーザーパワーしきい値をＰ４とする。
【００３１】
マスク５の光が透過する部分でのレーザーパワーをＰとした場合の、プロセスを行うための条件は以下となる。ただし、マスク５から被加工物７までのパワーロスが無視できるとしている。
Ｐ１，Ｐ４ ＞ Ｐ・・・（１）
Ｐ２ ＞ Ｐ／Ｍ２ ＞ Ｐ３・・・（２）
【００３２】
上式の（１）は、マスク５を破損せず、さらに第一のレンズＬ１による障害が生じないための条件である。上式の（２）は、第二のレンズＬ２による障害が生じず、さらにアブレーションによる加工が行われるための条件である。一般的には、被加工物７の表面でレーザーアブレーションを起こすためにレーザーパワー密度Ｐ／Ｍ２を大きくする必要があるため、第二のレンズＬ２に関する条件が厳しくなる。本実施例では、Ｐを減光フィルタ３で調節し、各レンズＬ１，Ｌ２の組み合わせによってＭを調節した。
【００３３】
各レンズＬ１，Ｌ２としては、超短パルスレーザーのスペクトルが広いため、アクロマティックレンズを用いるのが理想的であるが、通常のレンズでもミクロンオーダーの加工は可能である。
【００３４】
本発明の装置の光学系は、フーリエ変換を利用しているため、第一のレンズＬ１の焦点の位置、つまり、マスク５の形状の情報がフーリエ変換された面でフィルタ６によってフィルタリング処理を行うことにより、いわゆる光コンピューターと同様にエッジ強調やスムージング等、マスク形状の情報処理を併用できる。
【００３５】
また、超短パルスレーザー光が各レンズＬ１、Ｌ２によりラマン変換されることによるエネルギーロス及びビーム形状の劣化を防ぐため、ラマン変換現象の検出部を設ける。ラマン変換の検出方法としては、ビームの変形やスペクトルの変化を検出するためのＣＣＤセンサやスペクトルメーターなどのラマン検出センサ２０が適する。また、ラマン変換が十分小さな範囲で加工が出来るよう、レーザーパワー及びパルス幅、レンズ材質の選定を行う。
【００３６】
前出のように被加工物７の上でのレーザーパワー密度はＰ／Ｍ２と表される。よって、Ｍを小さくする、すなわち縮小光学系とすることで大きなパワー密度を達成し、被加工物７表面でのアブレーションしきい値Ｐ３を上回ることでレーザーアブレーション加工を行うことができる。
【００３７】
マスク像が被加工物７表面に正確に像を結んでいる、又はマスク５の像のとおりの加工が連続して行われているのを確認しながら加工を行うのがよい。そのために、被加工物７の表面を光学顕微鏡等で観察する。また、観察像を元にしてＸＹＺθステージ９の位置を制御する。
【００３８】
また、被加工物７にある程度の反射率が有る場合、各レンズＬ１、Ｌ２、マスク５、被加工物７の位置が適当であれば、被加工物７の表面で反射した戻り光が正確にマスク５の表面で同じ像を結ぶはずである。被加工物７からマスク５への透過光をハーフミラー１６を通じて画像モニタ１７側に反射して観察することによって、そうなるように各レンズＬ１、Ｌ２、マスク５、被加工物７の位置を調節することができる。
【００３９】
また、正確にマスク５の像が再生（投影）された場所で被加工物７が加工されるように、被加工物７の位置検出センサ１８及び加工形状の画像モニタ１９を用いる。又は、被加工物７の表面によって反射されるマスク像が、再びマスク５を正確に透過する条件でも良い。
【００４０】
なお、上記のとおり、マスク５の形状が正確に再生される位置に被加工物７を配置しアブレーションを行なう場合について説明したが、被加工物７の形状が単純な周期的形状である場合、被加工物７の位置はマスク５の形状が正確に再生される位置に配置される必要は必ずしも無い。その場合、レーザーの数、角度、強度に応じた干渉縞が形成され、加工される。被加工物７の位置の選定は、実際に加工される形状から判断し、その場合には加工表面を測定するための画像モニタ１９を適当な場所に配置する。
【００４１】
また、マイクロマシンなど複雑な３次元形状の作製では、空間光変調器によるマスクパターンの変化と、ＸＹＺθステージ９のＸＹＺθ各軸による移動を組み合わせ、被加工物７の加工したい部分のみにレーザー光が照射されるようにする。
【００４２】
なお、一般的にレーザーアブレーションにより除去された材料は、プラズマなどのガス状又は微粒子状になって被加工物材料から離脱するが、一部がガスの凝縮や反動などによって被加工物材料に戻り、それが加工形状の劣化につながる。これを防ぐためには、被加工部分を減圧するのがよい。
【００４３】
本発明の方法は大気中でも実施可能であるが、蒸発した粒子の再付着が問題となる場合、従来のレーザーアブレーションと同様に減圧中又は真空中でプロセスを行うことが出来る。また、 第一レンズＬ１の焦点でレーザーのエネルギー密度が高くなり、大気がプラズマ化する、すなわちエアブレークダウンによってレーザーの質が劣化することが問題になる場合も、焦点位置の減圧やエアブレークダウンしにくいガスを流すこと、すなわちガスフローでエアブレークダウンを抑えるなどで対応できる。
【００４４】
本発明の装置の光学系はスペクトルの広いレーザー用に設計されているが、当然単色光も利用することが出来る。そのため、レーザーアブレーション加工、熱加工、感光を併用した加工が可能である。
【００４５】
加工した形状をマイクロマシンとして応用する場合、場合によってはその部分を取り出したり、機械的加工を加えたりする必要がある。そのために、レーザーや機械による加工や切除ができる装置を備えるのがよい。レーザーはマスク形状加工に用いているフェムト秒レーザー又はその励起用・増幅用レーザーをそのまま用いてもよいし、全く別個のレーザーを用いてもよい。切除の際、被加工物を適当な位置・角度に移動することが出来る。また、切除以外の湾曲などの加工を加えることも出来、これらはマスク形状加工と併せて複合的に行うことが出来る。
【００４６】
透明基板材料の上にある薄膜状の被加工物材料について、上記のような全ての加工を薄膜の裏側、すなわち、透明基板側からレーザーを入射することで行うことが出来る。透明基板材料の上の薄膜材料を加工する場合、裏面からレーザーを照射することでその部分を剥離できることが知られている（例えば、Ｙ．Ｎａｋａｔａ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ａ ６９， Ｓ２７５−Ｓ２７８， １９９９）。これを併用することで、構造物の取り出しを行うことが出来る。レーザーはマスク形状加工で用いられているレーザー又はその励起用・増幅用レーザーを利用してもよいし、別個のレーザーを利用してもよい。
【００４７】
【実施例】
実施例１
光学系の倍率はＭ＝０．２を選択した。また、減光フィルタによってマスク上のレーザーフルエンスを０．０７８Ｊ／ｃｍ２まで減衰させた。被加工物には合成石英基板上に金薄膜を２０ｎｍ厚で蒸着したものを用いた。マスクには、図２に一部を示すような、ネガタイプのテストパターンを用いた。図２に示される白い部分がＣｒメッキされた部分で、黒い部分が透明になっており、レーザー光が透過する。加工はフェムト秒レーザーをシングルショットだけ入射することで行った。フェムト秒レーザーのパルス幅は約９０ｆｓ、ピーク波長は約８００ｎｍである。
【００４８】
図３は加工例を示す光学顕微鏡写真である。図３（ａ）は、フィルタ位置をマスク形状が正確に再生される位置に置いた場合、図３（ｂ）はそこからフィルタを第二レンズＬ２に３００ミクロン近づけた場合である。
【００４９】
黒い部分がアブレーションによって加工が行われた部分であり、マスク形状が縮小加工されていることが分かった。また、黒い部分が半導体レーザーを透過することを確認し、貫通孔が形成されていることが明らかになった。図３（ａ）ではマスク形状がほぼ正確に縮小加工されているが、図３（ｂ）では形状が崩れていた。
【００５０】
実施例２
図４は、マスクとして透過型回折格子を用い、４光束を干渉させて加工を行った形状を光学顕微鏡で観察したものである。マスクは４本の一次光を縦横に発生するタイプである。マスク上のフルエンスなどの条件は実施例１と同様である。また、加工では０次光をカットした。図４に示すように、１．８ミクロン間隔の周期ドットマトリクス構造をシングルショットで作製出来た。
【００５１】
図５は、２光束を干渉させて０．９ミクロン間隔の周期構造を作製した形状を光学顕微鏡で観察したものである。図４、図５に示す加工例のものに半導体レーザーを入射したところ、反射及び透過光ともに回折が見られ、反射型及び透過型回折格子が作製出来たことが分かった。これらの実施例において、被加工物の位置の変化による加工形状の大きな変化は見られなかった。
【００５２】
実施例３
図６は、実施例２より複雑な形状の透過型回折格子を用いて加工を行った形状を光学顕微鏡で観察したものである。この場合、レーザーは４×４のマトリクス状に光が分割される。図６に示すような加工形状が得られ、これに半導体レーザーを入射したところ、元になった透過型回折格子と同様の回折像が得られた。ただし、倍率Ｍに応じて回折角度は変化した。
【００５３】
【発明の効果】
本発明の構成とすることで、従来不可能であった金属など熱伝導の大きな材料、結晶などの難加工材料に対してもミクロンからナノサイズのマスク転写レーザーアブレーション加工が出来るようになる。また、マスクの複雑な形状がシングルショットで加工されるため、従来のレーザースキャンなどを用いる方法と比較して加工時間が非常に短い。さらに、マスクをコンピューター制御の空間光変調器とすることで、設計した形状を即座に作製するラピッドプロトタイピングへ応用できる。さらに、３次元形状を作製することでマイクロマシン形状を作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のレーザー加工装置の光学系を示す概念図である。
【図２】図２は、実施例１のレーザーアブレーション加工時に用いたマスクの図面代用の光学顕微鏡写真である。
【図３】図３（ａ）及び（ｂ）は、実施例１において、金薄膜のレーザーアブレーション加工例を示す図面代用の光学顕微鏡写真である。
【図４】図４は、実施例２において、４光束を干渉させて加工を行った場合の加工例を示す図面代用の光学顕微鏡写真である。
【図５】図５は、実施例２において、２光束を干渉させて加工を行った場合の加工例を示す図面代用の光学顕微鏡写真である。
【図６】図６は、実施例３において、４×４のマトリクス状に光束を分割する回折格子を用いた場合の加工例を示す図面代用の光学顕微鏡写真である。
Claims (13)
- フェムト秒（ｆｓ）からピコ秒（ｐｓ）（１０−１５〜１０−１２秒）領域の超短パルスレーザー光によって、マスクのパターンを第一のレンズ（L1）と第二のレンズ（L2）の２枚の投影レンズにより被加工物に投影して加工するレーザー加工装置であって、
２枚の投影レンズの焦点を一致させ、第一のレンズ（L1）の入射側からその焦点距離だけ離れた位置にマスク（５）を置き、第二のレンズ（L2）の出射側からその焦点距離だけ離れた位置に被加工物（７）を配置し、第一のレンズ（L1）と第二のレンズ（L2）の間にあるフーリエ変換面にマスク像の情報処理を行うフィルタ（６）を置くことで、
マスク（５）を透過したレーザー光の第一のレンズ（L1）によるフーリエ変換及び第二のレンズ（L2）による逆フーリエ変換を用いたマスク像の被加工物への投影を行うようにしたフーリエ光学系を用い、
かつ、レンズ材料と超短パルスレーザーのパワー密度の関係によってレーザー光が第一のレンズ（L1）及び第二のレンズ（L2）によりラマン変換されることによって発生したラマン光を検知するラマン検出センサ（２０）を第二のレンズ（L2）と被加工物（７）の間に設けたことを特徴とするレーザー加工装置。 - レーザー駆動部（１）で発振させたレーザー光を増幅させる増幅部（２）とマスク（５）との間に減光フィルタ（３）を設けたことを特徴とする請求項１記載のレーザー加工装置。
- マスク（５）としてコンピューター制御の空間光変調器を用いることを特徴とする請求項１記載のレーザー加工装置。
- ２枚の投影レンズをアクロマティックレンズとし、広スペクトル領域に対応したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザー加工装置。
- 第二のレンズ（L2）と被加工物（７）の間の任意の位置にマスク像を一方向にのみ圧縮する円柱レンズを配置したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のレーザー加工装置。
- 請求項１乃至５のいずれかに記載のレーザー加工装置を用いて、フェムト秒（ｆｓ）からピコ秒（ｐｓ）（１０−１５〜１０−１２秒）領域の超短パルスレーザー光によって、被加工物をアブレーション加工する方法において、
レンズ材料と超短パルスレーザーのパワー密度の関係によってレーザー光が第一のレンズ（L1）及び第二のレンズ（L2）によりラマン変換されることによって発生したラマン光をラマン検出センサ（２０）によって検知しレーザー光の進行方向又はスペクトルの変化を検出することでラマン変換によるエネルギーロスを検出し、
該エネルギーロスを防ぐためにレーザーパワー及びパルス幅、第一のレンズ(L1)及び第二のレンズ(L2)の材質の選定を行って、
被加工物（７）表面でのレーザーパワー密度（Ｐ／Ｍ２；Ｐはレーザーパワー、Ｍは第一のレンズ(L1)及び第二のレンズ(L2)の焦点距離をそれぞれＦ１、Ｆ２としたとき、Ｆ２／Ｆ１で表される像の倍率である）が、アブレーションしきい値（Ｐ３）を上回るようにすることを特徴とするレーザー加工方法。 - 減光フイルター（３）でレーザーパワー（Ｐ）を調節することを特徴とする請求項６記載のレーザー加工方法。
- 被加工物表面に結んだマスク像を観察することによってマスク、第一のレンズ、第二のレンズ及び被加工物位置を最適化することを特徴とする請求項６記載のレーザー加工方法。
- 被加工物表面によって反射されるレーザー光が再びマスクを正確に透過するようにマスク、第一のレンズ、第二のレンズ及び被加工物位置を調整することを特徴とする請求項６記載のレーザー加工方法。
- 前記空間光変調器によるマスクパターンの変化と、ＸＹＺθステージ（９）のＸＹＺθ各軸による移動を組み合わせ、被加工物（７）の加工したい部分のみにレーザー光を照射して、被加工物に３次元のミクロンオーダーのマスクパターンをアブレーション加工することを特徴とする請求項６記載のレーザー加工方法。
- 第一のレンズ(L1)の焦点位置を減圧又はガスフローすることで、エアブレークダウンによるビーム質の劣化を抑えることを特徴とする請求項６記載のレーザー加工方法。
- レーザー光源を超短パルスレーザー及びナノ秒レーザーとし、同時又はある時間差をもってアブレーション加工と熱加工、感光を併用することを特徴とする請求項６記載のレーザー加工方法。
- 被加工物が透明基板上にある薄膜材料であり、該透明基板側からレーザーを照射することで加工を行うことを特徴とする請求項６記載のレーザー加工方法。
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