JP4674333B2 - レーザー加工装置、この装置を用いて製造した光デバイス - Google Patents

Description

本発明は、レーザー光源を用いてレーザー加工を行い高精度な光デバイスなどを作製するレーザー加工装置、および、この装置を用いて製造される光デバイスに関するものである。

レーザー光源を用いたレーザー加工技術（光造形技術とも言う）は、プラスチック光導波路、プラスチック光ファイバー、光表示材料などの光デバイスを作製する方法として有用である。特に、１００フェムト秒程度のパルス幅を有するフェムト秒レーザーを光源としたレーザー加工技術は、１μｍ以下の加工精度を有しており、通信用光素子、スイッチ、および変換器などの加工に利用した場合、その工学的価値を高めることができる。このレーザー加工技術を利用して作製された光デバイスの形状評価は、走査型電子顕微鏡や光学顕微鏡などを使う方法が一般的である。

特許文献１、２には、半導体装置の製造時に、光学顕微鏡によってサンプルの様子を観察する技術が記載されている。また、特許文献３には、ＥＵＶリソグラフィー用の反射マスクにおける黒欠陥を原子間力顕微鏡あるいは近接場光学顕微鏡で認識し、フェムト秒レーザーによるレーザーアブレーションによって黒欠陥を修正する技術が記載されている。

しかしながら、これらの観察方法では、表面形状しか観察できないという問題点がある。また、これらの観察方法は分解能が低く、通常１μｍ以下の加工精度を有するフェムト秒レーザーを光源としたレーザー加工における加工物の形状評価を行うことは不可能である。さらに、何らかの方法で１次加工した光素子をレーザー加工によって２次加工して光デバイスを完成させる場合には、従来の走査型電子顕微鏡あるいは光学顕微鏡を用いた観察では、光素子の高精度な位置決めを行うことができなかったり、レーザーの照射位置の調整が困難であったりする。

また、一般的に、レーザー加工装置と被加工物の形状評価装置とは、それぞれ個別の装置で実現される。そして、１μｍ以下の観察能を有する形状評価装置は、走査型電子顕微鏡などの特殊な装置であるため、レーザー加工の作業中にその場で顕微鏡観察などを行って試料の高精度な形状評価を行うことは困難であるという問題点も有している。

このような問題点を踏まえ、特許文献４に記載のレーザー微細加工装置には、加工用レーザー光束の焦点を試料における加工位置に対して正確に一致させるためのオートフォーカス機能が備えられている。

この特許文献４に記載のレーザー微細加工装置は、検索された合焦位置に基づいて試料の位置合わせを行い、試料に微細加工を施している。そのため、加工用レーザーを加工位置に正確に集光させ、高精度のレーザー加工を行うことができる。また、上記のレーザー微細加工装置は、予め装置にレーザー加工を行う位置を記憶しておくことによって、レーザー加工を行った試料の加工精度を検証している。
特開２００３−２７３１７１号公報（公開日：平成１５年９月２６日） 特開２００１−１５５７０号公報（公開日：平成１３年１月１９日） 特開２００３−１５８０６３号公報（公開日：平成１５年５月３０日） 特開２００２−３２１０８０号公報（公開日：平成１４年１１月５日）

しかしながら、上記特許文献４に記載のレーザー微細加工装置は、上記のように、レーザー加工が施された後に、予め装置内に記憶された合焦位置に基づいて、共焦点光学系を用いて加工精度の検証を行っている。つまり、このレーザー微細加工装置は、試料面で反射されたレーザー加工用のフェムト秒レーザーそのものを共焦点光学系で観察するような構成にはなっていない。したがって、レーザー加工の作業中に加工面の形状評価を高精度に行うことは不可能である。

なお、上記特許文献４に記載のレーザー微細加工装置では、加工された試料の状態を観察するための手段として、汎用的なＣＣＤカメラが採用されており、試料からの反射光をこのＣＣＤカメラで結像することによって加工された試料の観察を行っている。そのため、この方法では、１μｍ以下で作製した加工部分（あるいは造形部分）の形状を高分解能で観察することはできない。

また、上記レーザー微細加工装置は、試料から発生する蛍光などの光を高精度に観察することはできない。そのため、レーザー加工時に蛍光を発するような材料に対してレーザー加工を行う場合に、加工過程を検出しながら試料の位置を調整し、レーザー加工を行うことできない。

さらに、上記レーザー微細加工装置は、観察用の光学系が光路軸に対して固定されているために、観察用レーザー光のビーム操作による画像評価を行うことができない。そのため、試料台の移動走査によって試料の状態を観察する必要があり、加工時に同時に試料の状態を観察することができない。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、加工対象となる試料を観察しながら高精度なレーザー加工を施すことのできるレーザー加工装置を実現することにある。

本発明にかかるレーザー加工装置は、上記課題を解決するために、フェムト秒レーザーを用いて試料に微細加工を施すレーザー加工装置であって、試料に対してレーザー加工を行うためのフェムト秒レーザーを出射するフェムト秒レーザー光源を有する加工用レーザー照射部と、上記試料を観察するための観察用レーザーを出射するレーザー光源と、試料面からの反射光を検出する光検出器とを有し、共焦点光学系によってレーザー加工される試料を観察する共焦点光学観察部と、試料面上に上記フェムト秒レーザーおよび上記観察用レーザーを集光するための対物レンズと、上記試料を載置する位置変更可能な試料台とを有する試料加工部と、上記共焦点光学観察部の観察結果に基づいて試料台の位置を変更する位置変更操作部とを備え、上記加工用レーザー照射部および上記共焦点光学観察部は、上記対物レンズから上記試料までの間において、上記フェムト秒レーザーと上記観察用レーザーとが同軸上に位置するように、上記観察用レーザーの光路および上記フェムト秒レーザーの光路を調整する光路調整部をそれぞれ有していることを特徴としている。

本発明のレーザー加工装置は、加工対象の試料に対してフェムト秒レーザーを照射することによって、当該試料に微細な加工を施すことのできるレーザー加工装置である。このレーザー加工装置には、フェムト秒レーザーを照射する加工用レーザー照射部と、観察用レーザーを試料に対して照射し、共焦点光学系によって試料を観察する共焦点光学観察部と、試料面上にフェムト秒レーザーおよび観察用レーザーを集光するための対物レンズ、および、上記試料を載置する位置変更可能な試料台を有する試料加工部と、試料台の位置を変更するための指示を出す位置変更操作部とが備えられている。そして、上記共焦点光学部には、対物レンズから試料までの間において、フェムト秒レーザーと観察用レーザーとが同軸上に位置するように上記観察用レーザーの光路を調整する光路調整部がさらに設けられている。また、上記加工用レーザー照射部には、対物レンズから試料までの間において、フェムト秒レーザーと観察用レーザーとが同軸上に位置するように上記フェムト秒レーザーの光路を調整する光路調整部がさらに設けられている。

上記の構成によれば、フェムト秒レーザーによって微細なレーザー加工を行うための加工用レーザー照射部と、試料を共焦点光学系によって高精度に観察することのできる共焦点光学観察部とが独立した機構で構成されているので、試料に対してレーザー加工を行いながら、試料の加工の状態を常時観察することができる。つまり、１μｍ以下の高精度でレーザー加工の施された試料を装置から取り外すことなく、その場で１μｍ以下の分解能で形状評価を行うことができる。

さらに、本発明のレーザー加工装置を用いて予め加工の施された試料に対して２次加工を行う場合、当該試料は移動可能な試料台上に載置されており、共焦点光学観察部によって試料形状を観察しながら、試料台の位置変更を行うことができる。そのため、試料の所定の位置に正確に２次加工を施すことができる。また、本発明のレーザー加工装置によれば、対物レンズから試料までの間において、上記フェムト秒レーザーと上記観察用レーザーとが同軸上に存在するため、加工用のフェムト秒レーザーの焦点位置についても共焦点光学観察部で正確に位置確認することができる。したがって、フェムト秒レーザーの照射位置に、試料の特定の位置を正確に配置させることができる。これによって、精密な加工の施された光デバイスを作製することができる。

上記のレーザー加工装置において、上記光路調整部は、ガルバノミラーであることが好ましい。

上記の構成によれば、ガルバノミラーの回転角を変更することによって容易に光路を調整することができる。また、ガルバノミラーを用いることによって、フェムト秒レーザーの照射スポットを中心に観察用レーザーを試料面で走査することができる。この走査は、フェムト秒レーザーによる加工や試料台の移動と全く独立して制御されるため、任意の時点において試料の形状を観察することができる。

なお、上記特許文献４においても示唆されているように、原理的には試料台の走査によっても形状の観察は可能である。しかし、この観察方法では、当然のことながらフェムト秒レーザーによる加工時には試料台を走査することはできないため、加工と同時に観察を行うことは不可能である。

さらに、一般的にはガルバノミラーの走査によって得られる画像の取り込み速度は、２５６×２５６（ピクセル）／０．４５（ｓ）〜２０４８×２０４８（ピクセル）／１０．８（ｓ）であるのに対して、試料台走査による画像取り込み速度は、２５６×２５６（ピクセル）程度の画像であっても数十秒かかってしまう。したがって、ガルバノミラーを用いることで、短時間で試料表面の画像を取得することができる。

上記のレーザー加工装置において、上記フェムト秒レーザー光源から出射されるフェムト秒レーザーのピーク強度は、２Ｗ〜１ｋＷであることが好ましい。

上記の構成によれば、ピーク強度が２Ｗ〜１ｋＷの比較的強度の弱いフェムト秒レーザーを用いることによって、試料から反射されたフェムト秒レーザーを光検出器において直接観察することができる。

本発明にかかる光デバイスは、本発明のレーザー加工装置を用いて、上記試料を加工して作製された光デバイスである。

上記の光デバイスは、本発明のレーザー加工装置を用いて作製されているため、加工精度が高く、工学的価値の高いものである。そして、本発明の光デバイスは、プラスチック光導波路、プラスチック光ファイバー、光表示材料など種々の部品に適用することができる。

上記の光デバイスは、紫外線硬化樹脂を含む上記試料から作製されることが好ましい。

上記試料として紫外線硬化樹脂を含む材料を用いることによって、フェムト秒レーザーを当該試料に対して照射した場合、紫外線硬化樹脂では多光子吸収が誘発され硬化反応が起こる。このように、紫外線硬化樹脂を含む試料を用いれば、集光部分内部で光硬化反応が起こるため、回折限界以下のサイズでレーザー加工を行うことができ、１μｍ以下のレーザー加工が可能となる。そのため、高精度にパターンが形成された光デバイスを作製することができる。なお、紫外線硬化樹脂を含む試料から光デバイスを作製する場合、フェムト秒レーザーの波長は７００ｎｍ〜８００ｎｍの間で調整することが好ましい。

上記の光デバイスにおいて、上記試料には、蛍光色素がさらに含まれていることが好ましい。

上記のように、試料に蛍光色素が含まれていることによって、レーザー加工時に蛍光を発生させることができる。そのため、発生する蛍光を観察しながらレーザー加工を行うことができるので、より高精度なパターンの形成された光デバイスを製造することができる。

本発明にかかる光デバイスの製造方法は、本発明のレーザー加工装置を用いて行う光デバイスの製造方法であって、上記試料として蛍光発光材料を使用し、上記試料にフェムト秒レーザーを照射することによって発生する蛍光を、上記共焦点光学観察部にて観察しながら上記試料の所定の位置にレーザー加工を施して、光デバイスを製造することを特徴としている。

上記の製造方法によれば、試料から発生する蛍光を観察しながらレーザー加工を行うことができるため、レーザー加工を精度良く行うことができ、高精度な光デバイスを得ることができる。

本発明にかかるレーザー加工装置は、以上のように、試料に対してレーザー加工を行うためのフェムト秒レーザーを出射するフェムト秒レーザー光源を有する加工用レーザー照射部と、上記試料を観察するための観察用レーザーを出射するレーザー光源と、試料面からの反射光を検出する光検出器とを有し、共焦点光学系によってレーザー加工される試料を観察する共焦点光学観察部と、試料面上に上記フェムト秒レーザーおよび上記観察用レーザーを集光するための対物レンズと、上記試料を載置する位置変更可能な試料台とを有する試料加工部と、上記共焦点光学観察部の観察結果に基づいて試料台の位置を変更する位置変更操作部とを備え、上記加工用レーザー照射部および上記共焦点光学観察部は、上記対物レンズから上記試料までの間において、上記フェムト秒レーザーと上記観察用レーザーとが同軸上に位置するように、上記観察用レーザーの光路および上記フェムト秒レーザーの光路を調整する光路調整部をそれぞれ有している。

それゆえ、上記の構成によれば、フェムト秒レーザーによって微細なレーザー加工を行うための加工用レーザー照射部と、試料を共焦点光学系によって高精度に観察することのできる共焦点光学観察部とが独立した機構で構成されているので、試料に対してレーザー加工を行いながら、試料の加工の状態を常時観察することができるという効果を奏する。

また、本発明のレーザー加工装置によれば、対物レンズから試料までの間において、上記フェムト秒レーザーと上記観察用レーザーとが同軸上に存在するため、加工用のフェムト秒レーザーの焦点位置についても共焦点光学観察部で正確に位置確認することができる。したがって、フェムト秒レーザーの照射位置に、試料の特定の位置を正確に配置させることができる。これによって、精密な加工の施された光デバイスを作製することができるという効果を奏する。

本発明の実施の一形態について図１、図２に基づいて以下に説明する。
本実施の形態にかかる光デバイス作製装置（レーザー加工装置）は、紫外線硬化樹脂などからなる材料を加工対象の試料として用い、この試料に対してフェムト秒レーザーを照射することによって微細な加工を施し、光導波路、光ファイバー、および光表示材料などの光デバイスを作製するものである。

図１には、本実施の形態にかかる光デバイス作製装置１００の構成を示す。この光デバイス作製装置１００は、大きく分けて、試料Ｓに対してレーザー加工を行うためのフェムト秒レーザーを発するフェムト秒レーザー光源２を有する加工用レーザー照射部１０、共焦点光学系によってレーザー加工される試料Ｓを、観察用レーザーによって観察する共焦点光学観察部２０、上記試料Ｓを載置するｘｙｚ軸移動ステージ（試料台）３４を備え、上記フェムト秒レーザーおよび上記観察用レーザーを当該試料Ｓへと導く試料加工部３０、および、上記共焦点光学観察部２０での観察結果に基づいてｘｙｚ軸移動ステージ（試料台）３４の位置を変更するための操作を行うコントロールＰＣ（位置変更操作部）４０から構成されている。

加工用レーザー照射部１０は、フェムト秒レーザー光源２の他に、励起用レーザー光源１、５つのミラー３ａ・３ｂ・３ｃ・３ｄ・３ｅ、１／２波長板４、レーザー強度調整用のポーラライザー５、ビーム・サンプラー６、レーザー強度モニター７、光路シャッター８、および、波長測定用モニター９を備えている。これらの各部材は、フェムト秒レーザーの光路（図１には実線矢印で示す）上に、レーザー出射部であるフェムト秒レーザー光源２に近い方から、ミラー３ａ、レーザー強度を調整するための１／２波長板４およびポーラライザー５、ミラー３ｂ、ミラー３ｃ、ビーム・サンプラー６、レーザー光のＯＮ／ＯＦＦを制御する光路シャッター８、ミラー３ｄ、ミラー３ｅの順に配置されている。また、フェムト秒レーザー光源２には、当該光源２から出射されるレーザーを励起するための励起用レーザー光源１が取り付けられている。ミラー３ｄおよびミラー３ｅによって反射されたフェムト秒レーザーは、試料加工部３０へと導かれる。

また、上記加工用レーザー照射部１０において、ビームステアラーに搭載したミラー３ｄ・３ｅ（光路調整部）は、対物レンズ３３から試料Ｓまでの間において、フェムト秒レーザーと観察用レーザーとが同軸上に位置するように上記フェムト秒レーザーの光路を調整する機能を有している。

上記の光路の途中、ミラー３ａにおいて光路は２つに分岐し、ミラー３ａを反射したフェムト秒レーザーは試料加工部３０の方へと導かれる一方、ミラー３ａを透過したフェムト秒レーサーは波長測定モニター９へと導かれる。波長測定モニター９は、フェムト秒レーザーの波長を測定する。さらに、光路はビーム・サンプラー６においても分岐し、分岐し光路の一方は試料加工部３０へと導かれる。もう一方の光路は、レーザー強度モニター７へと導かれ、ここでレーザー強度が測定される。

共焦点光学観察部２０は、試料Ｓを観察するための観察用レーザーを出射するレーザー光源１１と、試料面からの反射光を検出する光検出器１２とを有している。さらに、共焦点光学観察部２０は、レーザー光源１１および光検出器１２の他に、コリメートレンズ１４、瞳投影レンズ１８、結像レンズ２１、レンズ２３、ミラー１５・１９・２２、ダイクロイックミラー１６、ガルバノミラー１７、ピンホール２４、およびＣＣＤカメラ１３を有している。なお、上記ダイクロイックミラー１６の代わりに、ビームスプリッターが設けられていてもよい。

レーザー光源１１から出射された観察用レーザーは、波線に示す光路をたどって試料加工部３０へと導かれる。そして、観察用レーザーの光路上には、上記の各部材のうちレーザー光源１１から出射された観察用レーザーを試料加工部３０まで導く部材として、コリメートレンズ１４、ミラー１５、ダイクロイックミラー１６、ガルバノミラー（光路調整部）１７、瞳投影レンズ１８、ミラー１９、結像レンズ２１が、レーザー光源１１に近い方から順に配置されている。

一方、試料Ｓからの反射光は、共焦点光学観察部２０において、結像レンズ２１、ミラー１９、瞳投影レンズ１８、ガルバノミラー１７、ダイクロイックミラー１６、ミラー２２、レンズ２３、ピンホール２４という順に各部材に入射し、最終的に光検出器１２に導かれる。

また、試料Ｓからの反射光については、ミラー１９を反射するものの他、当該ミラー１９を透過するものも存在する。この透過した反射光については、ＣＣＤカメラ１３へ入射する。これによって、上記光デバイス作製装置１００では、共焦点光学観察部２０と比較すると観察分解能は低いが、ＣＣＤカメラ１３においても反射光を観察することができる。

また、試料加工部３０は、試料面上にフェムト秒レーザー光およびレーザー光を集光するための対物レンズ３３、上記試料Ｓを載置するとともに、入射するレーザー光の入射位置を３次元的に変更可能なｘｙｚ軸移動ステージ（試料台）３４、上記対物レンズ３３をｚ軸方向に移動させ、試料面との距離を変更させることのできる対物レンズ用ｚ軸移動ステージ３２、および、各光源１・１１から出射された加工用のフェムト秒レーザーおよび観察用レーザーを対物レンズ２２へと導くビームスプリッター３１を備えている。

さらに、上記光デバイス作製装置１００には、共焦点光学観察部２０における反射光の観察結果に基づいて、上記ｘｙｚ軸移動ステージ３４および対物レンズ用ｚ軸移動ステージ３２の位置を適宜変更するための操作を行うコントロールＰＣ（位置変更操作部）４０が備えられている。

また、上記共焦点光学観察部２０において、ガルバノミラー１７は、上記対物レンズ３３から上記試料Ｓまでの間において、フェムト秒レーザーと観察用レーザーとが同軸上に位置するように上記観察用レーザー光の光路を調整する機能を有している。

このように、光デバイス作製装置１００は、共焦点光学観察部２０に観察用レーザーの光路を調整するガルバノミラー１７を備えており、加工用レーザー照射部１０に加工用レーザーの光路を調整する２つのミラー３ｄ・３ｅを備えている。これら２つの光路調整部によって、対物レンズ３３から試料Ｓまでの間において、フェムト秒レーザーと観察用レーザーとが同軸上に位置するように各レーザーの光路を調整することができる。

つまり、フェムト秒レーザーの光路を対物レンズ３３の中心であり、かつ、試料Ｓに対して垂直に入射するようにミラー３ｄ・３ｅで調整するとともに、試料面においてフェムト秒レーザーの当たるスポットが中心になるように、観察用レーザーの光路をガルバノミラー１７によって調整する。このように調整することによって、フェムト秒レーザーおよび観察用レーザーの光路を同軸に合わせ、さらに、フェムト秒レーザーによる各部分を中心とした観察を共焦点光学観察部２０で行うことができる。

なお、上記ガルバノミラー１７は、光検出器１２における試料Ｓからの反射光を探すために走査され、観察結果に基づいて光路の変更操作を行っている。このとき、ガルバノミラー１７の走査範囲は、フェムト秒レーザーによって励起されて発生した試料Ｓからの蛍光スポット、または、フェムト秒レーザーの反射スポットを検出する広範囲な領域に調整される。そして、最終的にこれらのスポットが数十μｍの走査範囲の中心部に位置するように調整される。

具体的には、光検出器１２において得られた光信号がコントロールＰＣ４０に送られると、コントロールＰＣ４０では、ガルバノミラー１７の走査範囲に対して光信号強度を画像化することによって、レーザースポットの位置を確認することができる。そして、ここで得られた位置情報をガルバノミラー１７に対して送ることで、スポットを中心とした光路調整が行われる。ガルバノミラー１７では、この指令に基づいてその角度を調整し、当該ミラー１７による光路の反射角度を変えることで観察用レーザーの光路を調整している。さらに、このスポットが中心になるように走査範囲を縮小することで、微小領域の観察と所定位置におけるレーザー加工部分の位置調整を行っている。

以上のように、レーザー光源１１から発生した観察用レーザーは、コリメートレンズ１４によってコリメートされ、瞳投影レンズ１８と結像レンズ２１によって、ビームを調整後、対物レンズ３３に導かれる。上記観察用レーザーは、ガルバノミラー１７と対物レンズ用ｚ軸移動ステージ３２によって走査される。試料Ｓから反射、または発生する蛍光は、同光路を経由して、ダイクロイックミラー１６を通過し、光検出器１２に集光される。この際、レンズ２３によってピンホール２４を通過し、共焦点光のみ光検出器１２に到達する。そして、これらの制御については、コントロールＰＣ４０によって制御される。

続いて、光デバイス作製装置１００内の対物レンズ３３及び試料Ｓ付近の光路について、図２を用いてより詳しく説明する。

図２に示すように、フェムト秒レーザーＡ１（図２において実線矢印で示すもの）は、ダイクロイックミラー３１で反射され、対物レンズ３３を介して試料Ｓへ集光される。一方、観察用レーザーＡ２（図２において波線矢印で示すもの）は、ミラー１９で反射され、ダイクロイックミラー３１を透過して、対物レンズ３３を介して試料Ｓに集光される。

この時、フェムト秒レーザーＡ１とレーザー光Ａ２とは、対物レンズ３３から試料Ｓまでの間において、同軸上に位置するように調整される。この調整は、加工用レーザー照射部１０内の２つのミラー３ｄ・３ｅによって、加工用レーザーＡ１の光路を調整し、共焦点光学観察部２０内のガルバノミラー１７によって、観察用レーザーＡ２の光路を変更することによって実施される。

試料Ｓから反射したフェムト秒レーザー光Ａ４（図２において破線矢印で示すもの）は、共焦点光学部２０へ入射する。観察用レーザー光Ａ２は、試料Ｓからの反射光Ａ３（図２において一点鎖線矢印で示すもの）、あるいは、試料Ｓが蛍光性の場合には蛍光Ａ３として共焦点光学観察部２０に入射する。

また、これらの反射光（観察用レーザーの反射光Ａ５およびフェムト秒レーザー光の反射光Ａ６）は、ミラー１９を透過してＣＣＤカメラ１３で観察することができる。

本実施の形態にかかる光デバイス作製装置１００によれば、１μｍ以下の精度で高分子材料などのレーザー加工が可能となり、さらに被加工物（試料Ｓ）を光デバイス作製装置１００から取り外さずに、その場で１μｍ以下の分解能で形状評価を行うことができる。

そして、紫外線硬化樹脂を含む試料Ｓを用いた場合、フェムト秒レーザーとして近赤外域の波長を持つ短パルスレーザー光を、対物レンズ３３などを介して紫外線硬化樹脂を含む試料Ｓ内に照射することによって、紫外線硬化樹脂では多光子吸収が誘発され硬化反応が起こる。このように、集光部分内部で光硬化反応が起こるため、回折限界以下のサイズで加工できる特徴があり、１μｍ以下のレーザー加工が可能となる。

一方、共焦点光学観察部２０では、観察用レーザーをレーザー加工に用いるフェムト秒レーザーと同一の対物レンズ３３に導き、被測定物（試料Ｓ）が加工され、上記試料Ｓ上にパターンが形成されることによって変化した屈折率分布を反射光として観察する。反射光は、対物レンズによる集光点との共焦点位置にピンホール２４を置くことによって、収差に基づく分解能の低減を抑え、１μｍ以下の空間分解能での形状評価が可能となる。

また、上記被測定物（試料Ｓ）内に蛍光色素が含まれている場合（このような試料を蛍光発光材料と呼ぶ）には、上記試料Ｓから発生する蛍光を、上記共焦点光学観察部２０によって観察することができる。

上記蛍光発光材料としては、例えば、パイロメタン５９７やＤＣＭなどの蛍光色素を試料Ｓ中に０．１％以下の体積割合で混合したものを使用することができる。また、上記の蛍光色素の他に、特許文献５：特開２００３−３２７６４５（公開日：平成１５年１１月１９日）に記載のデンドリマー材料を蛍光色素として使用してもよい。

また、上記蛍光発光材料としては、上述のように試料Ｓ中に蛍光色素が含まれるものを使用することが好ましいが、これに限定されることはない。紫外線硬化樹脂を含む試料を用いる場合には、当該試料中には、光硬化反応を開始するための開始剤が０．５％含まれており、この開始剤もフェムト秒レーザーの照射によって蛍光を発するため、蛍光を観察することが可能である。それゆえ、上記開始剤を含む試料についても上述の蛍光発光材料の範疇に含まれる。この開始剤の種類としては、特許文献５に記載のものを使用することができる。

また、蛍光色素を含まない紫外線硬化樹脂からなる試料の場合には、レーザー加工を施した箇所は、光硬化反応によって屈折率が高くなるため、レーザーを照射していない部分との屈折率の差によってコントラストを得て加工部分の像を得ることができる。この場合には、観察用レーザーを試料Ｓに照射し、この反射光を共焦点光学観察部２０によって解析すればよい。

さらに、上記光デバイス作製装置１００によって作製された製造物、あるいは既に１次加工された素子は、高精度に移動可能なｘｙｚ軸移動ステージ３４上に固定されており、共焦点光学観察部２０によって試料形状を観察しながら、ｘｙｚ軸移動ステージ３４の走査によって高精度に位置決めを行うことができる。また、導入するフェムト秒レーザーの焦点位置についても共焦点光学観察部２０で位置確認することができるため、フェムト秒レーザーの照射位置に、試料Ｓの特定の位置を配置させることができる。これによって、レーザー加工後、あるいは１次加工された試料Ｓをさらに２次加工するための位置決めが可能となる。これによって、複雑な加工の施された光デバイスを作製することができる。

ここで、本実施の形態にかかる光デバイス作製装置１００を、上述の特許文献４に記載されたレーザー微細加工装置と比較し、本発明の利点について説明する。

本実施の形態にかかる光デバイス作製装置１００は、主として高分子樹脂や光硬化性樹脂を含む試料Ｓに対してレーザー加工を行うものである。そのため、上記フェムト秒レーザー光源２として、モードロックフェムト秒チタンサファイヤレーザー（波長：６９５−１０００ｎｍ（波長可変）、周波数：８０ＭＨｚ、パルス幅：１００ｆｓ、平均出力：０．５−１．０Ｗ）を使用している。このように、本実施の形態の光デバイス作製装置１００においては、フェムト秒レーザー光源２として、波長７００〜１０００ｎｍの近赤外域において調整可能なものを使用している。

一方、上記特許文献４に記載のレーザー微細加工装置は、ガラスなどの無機物に対して加工を行うものであり、フェムト秒レーザー光源として、再生増幅フェムト秒チタンサファイヤレーザー（波長：８００ｎｍ、周波数：１ｋＨｚ、パルス幅：１５０ｆｓ、出力：０．８ｍＪ／パルス）を使用している。

これらのレーザーピーク強度を比較すると、特許文献４におけるフェムト秒レーザー光源は５ギガＷの超強度であるのに対して、本実施の形態にかかるフェムト秒レーザー光源２は２Ｗ〜１ｋＷ程度の低い強度となっている。したがって、本実施の形態にかかる光デバイス作製装置１００は、共焦点光学観察部２０においてフェムト秒レーザーを直接観察することができる。また、上記共焦点光学観察部２０によれば、試料の２光子吸収による蛍光をも観察することができ、より高精度な位置決めが可能となる。

なお、特許文献４に記載のレーザー微細加工装置においてもフェムト秒レーザーを光源として用いているため、材料から２光子吸収による蛍光の発生は生ずると考えられる。しかし、２光子吸収による蛍光を画像化して試料の表面形状を観察するためには、画像取り込みのための範囲において試料台を移動走査する必要がある。さらに、加工スポットからの蛍光を得るためには、試料台の移動に同期した加工レーザーの照射位置の移動が必要となる。特許文献４に記載のレーザー微細加工装置の構成では、これを実現することはできない。

一方、本発明においては、試料台（ｘｙｚ軸移動ステージ３４）を移動走査せずに光路調整部であるガルバノミラー１７によって画像の取り込みが可能であるとともに、加工用レーザーであるフェムト秒レーザーのスポット位置に対して、試料台を独立して位置調整することができる。そのため、レーザー加工時の表面形状の観察や２光子吸収による蛍光観察が可能となる。

また、特許文献４に記載のレーザー微細加工装置では、観察用レーザービームをスキャンすることができない。一方、本実施の形態の光デバイス作製装置１００では、ガルバノミラー１７によって、観察用レーザーをスキャンすることが可能であり、さらに同時に試料Ｓをｘｙｚ軸移動ステージ３４によって移動させることができる。

ここで、観察用レーザーのスキャン（走査）の方法について説明する。観察用レーザーのスキャンは、ガルバノミラー１７によって行うことができる。本実施の形態で使用しているガルバノミラー１７は、それぞれの振り角度が直交した２枚のミラーを有している。そのため、ミラーを振る（すなわち、角度走査を行う）ことによって、試料面で集光したレーザービームをｘ軸ｙ軸に走査することができる。

このガルバノミラー１７は、振り角度の大きさによって試料表面上の走査範囲を調整することができ、振り角度を大きくすれば大面積の表面像を得ることができ、振り角度を小さくすれば高分解能の表面像が得られる。また、特定の角度でミラーを止めれば、光路を特定の位置に決定することができるとともに、特定位置からの蛍光を得ることができる。

そのため、特許文献４に記載のレーザー微細加工装置では、フェムト秒レーザーによる加工時に加工部分の観察を同時に行うことができない。一方、光デバイス作製装置１００では、レーザー加工と観察とが独立した部材によって構成されているため、レーザー加工と形状観察とを同時に行うことができる。なお、特許文献４に記載のレーザー微細加工装置では、原理的にあらかじめ加工を行う部分（または、目印として加工した部分）を測定データとして記憶させておく必要があるが、光デバイス作製装置１００では、任意の部分を観察しながらその場で高精度な位置決めが可能となる。

さらに、光デバイス作製装置１００を用いれば、上述のように、既に高精度に１次加工した素子に２次加工する操作において、予めデータの取り込みを行っておく必要がなく、迅速に高精度な２次加工が可能となる。

また、本実施の形態にかかる光デバイス作製装置１００は、主に高分子樹脂などの材料に対してレーザー加工を行うための装置であり、試料Ｓから発生する蛍光を共焦点光学観察することができる。さらに、本装置は、レーザー加工と観察とを同時に行うことで、加工過程を検出しながらの操作が可能となる。そして、２Ｗ〜１ｋＷという比較的弱い出力のフェムト秒レーザー光を使用しているため、試料Ｓから反射するフェムト秒レーザー光を直接、共焦点光学観察することができる。さらに、フェムト秒レーザー光によって２光子吸収された試料からの蛍光を共焦点光学観察することも可能である。

特許文献４に記載のレーザー微細加工装置では、レーザー加工の場合と観察の場合とで、異なる波長のレーザー光を用いて行っているため、試料上の焦点に差異が生じ、これを計算で補正している。一方、本実施の形態にかかる光デバイス作製装置１００は、レーザー加工で用いるフェムト秒レーザー光によっても観察できることから、実測値として焦点の高精度な位置合わせが可能となる。

特許文献４に記載のレーザー微細加工装置で行っているように、ガラスを試料として用いている場合には、試料の屈折率などが明確であるため、比較的容易に焦点位値の差異を計算することができるが、屈折率が不明な素材、高分子、有機物質、吸収を持つ材料などでは正確に求めることができない。よって、高精度にレーザー加工を行うためには、本発明のように、フェムト秒レーザーによる焦点位値の確認、または２光子吸収による蛍光を使った位置調整が重要となる。

特許文献４に記載のレーザー微細加工装置では、加工されている試料の状態を観察するために、汎用的なＣＣＤカメラを用いて、試料からの反射光を結像して行っている。この方法では、１μｍ以下で作成した加工部分、または、レーザー加工部分を高分解能に観察することができない。本実施の形態にかかる光デバイス作製装置１００では、ガルバノミラー１７による操作と、共焦点光学による３次元像の表示とが可能であるため、レーザー加工部分を１μｍ以下の高分解能で画像情報として取り込むことができる。なお、特許文献４には、共焦点光学による画像化については記載されていない。

特許文献４に記載のレーザー微細加工装置では、焦点位値を測定するために、２つのピンホールを使用した光学系を構成している。一方、本実施の形態にかかる光デバイス作製装置１００では、共焦点光学観察部２０は、レーザー加工に基本的に関係していないので、単純な光学系で装置化が可能である。したがって、装置の調整が簡便であるだけでなく、低コストで高精度な光デバイス作製装置を実現することもできる。

続いて、本発明の光デバイスについて説明する。
本発明にかかる光デバイスは、例えば、上述の光デバイス作製装置１００のような本発明のレーザー加工装置を用いて作製されたものである。それゆえ、本発明の光デバイスは、１μｍ以下の高い加工精度を有し、工学的価値の高いものであり、光導波路、分布帰還型構造素子、ブラッグ反射素子、回折素子、フォトニック結晶などの種々の光学部品として利用することができる。

また、本発明の光デバイスは、紫外線硬化樹脂を含む材料から作製されることが好ましい。これは、上記試料として紫外線硬化樹脂を含む材料を用いることを意味する。これによれば、フェムト秒レーザーを当該試料に対して照射した場合、紫外線硬化樹脂ではこれに含まれる開始剤によって多光子吸収が誘発され硬化反応が起こる。このように、上記試料として紫外線硬化樹脂を含む材料を用いれば、集光部分内部で光硬化反応が起こるため、回折限界以下のサイズでレーザー加工を行うことができ、１μｍ以下のレーザー加工が可能となる。そのため、高精度にパターンが形成された光デバイスを作製することができる。

また、本発明の光デバイスは、紫外線硬化樹脂に加えて蛍光色素がさらに含まれている材料から作製されることがより好ましい。これによれば、レーザー加工時に蛍光を発生させることができ、発生する蛍光を観察しながらレーザー加工を行うことができ、より高精度なパターンの形成された光デバイスを得ることができる。この光デバイスとしては、例えば、色素の非線形光学効果を用いた変調器、色素の発光を用いた微小光源、微小レーザー光源、フォトニック結晶やこれらの２次加工物による光通信素子などが挙げられる。

本発明は上述した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る。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

以下、本発明の実施例を説明する。

〔実施例１〕
実施例１では、試料Ｓとして紫外線硬化樹脂用いて、上述の実施の形態において説明した光デバイス作製装置１００を使用してレーザー加工を行った。

まず、波長７００ｎｍ、パルス幅約１２０フェムト秒、強度４ｍＷのフェムト秒レーザーを対物レンズ３３に導入し、紫外線硬化樹脂に集光した。ｘｙｚ軸移動ステージ３４を移動させることによって、フェムト秒レーザー光の試料Ｓに対する照射位置を走査し光造形を行った。光造形後、試料中のフェムト秒レーザー照射部分は硬化し、フェムト秒レーザーを照射していない未硬化の部分に対して屈折率が増加し、コントラストが発生した。

なお、この光造形の作業中、ｘｙｚ軸移動ステージ３４上の紫外線硬化樹脂の様子は、光デバイス作製装置１００に備えられている共焦点光学観察部２０によって常時観察することが可能であった。上記コントラストの発生についても、共焦点光学観察部２０によって確認することができた。このときのレーザー光源１１から出射された観察用レーザー光は４８８ｎｍの波長であった。

この１次加工によって作製した製造物をｘｙｚ軸移動ステージ３４上に固定し、共焦点光学観察部２０による形状観察を行いながら、ｘｙｚ軸移動ステージ３４を移動し、フェムト秒レーザー光（波長７５０ｎｍ、パルス幅約１２０フェムト秒、強度６ｍＷ）が集光される集光ポイントに試料Ｓの所定の場所を配置した。フェムト秒レーザー光を照射することによって、製造物を２次加工し、１ミクロン以下の高精度な位置決め精度と加工が可能であることを確認した。

さらに、フォトニック結晶への紫外線硬化樹脂の注入固定実験では、周期５００ｎｍ、直径１４０ｎｍ以下の構造中にも２次加工できることを確認した。以下に、その方法および結果を説明する。

周期５００ｎｍ、空孔直径１４０ｎｍ、厚さ２μｍの三角周期格子構造を有する無機質フォトニック結晶を用いて、この空孔内にＤＣＭ／デンドリマー（特許文献５参照）を１％含む紫外線硬化樹脂を充填した。

この試料Ｓをｘｙｚ軸移動ステージ３４上に固定し、共焦点光学観察部２０を用いて形状観察を行った。この形状観察は、試料から発生するＤＣＭ色素の蛍光によっても、観察用レーザーの反射光によっても行うことができる。

次に、ｘｙｚ軸移動ステージ３４を移動し、フェムト秒レーザー（波長：７００ｎｍ、パルス幅：１２０フェムト秒、強度：３ｍＷ）が集光される集光ポイントに樹脂が充填された特定の空孔を合わせるように、位置調整を行った。この位置調整の操作は、光硬化反応が進行しない程度までフェムト秒レーザーの強度を弱くし、フェムト秒レーザーの反射光、あるいは、フェムト秒レーザーによる２光子吸収によって誘起されたＤＣＭ色素の蛍光を共焦点光学観察部２０で観察しながら、試料Ｓをｚ軸方向に移動させ、フェムト秒レーザーの焦点位置が空孔部内になるように行った。

そして、レーザー光強度を３ｍＷまで上げて、光路シャッター８にて０．１秒間フェムト秒レーザーを照射し、光硬化反応を完了させた。未反応部分を溶剤で洗浄することによって、光照射部分がフォトニック結晶空孔内部で硬化していることを確認した。

〔実施例２〕
実施例２では、蛍光色素を含む紫外線硬化樹脂を試料Ｓとして用いて、上述の実施の形態において説明した光デバイス作製装置１００を使用してレーザー加工を行った。

図３（ａ）〜（ｄ）には、本実施例におけるレーザー加工の手順を工程順に示す。図３（ａ）に示すように、試料Ｓは、ガラス基板Ｓ３、紫外線硬化樹脂Ｓ２、カバーグラスＳ１が、この順に積層された構造を有している。

先ず、図３（ａ）に示すように、第１のフェムト秒レーザー（紫外線硬化樹脂の硬化用のレーザー、波長：７００ｎｍ）Ｂ１を対物レンズ３３に導入する。対物レンズ３３に導入されたフェムト秒レーザーは集光してＢ２となった後、カバーガラスＳ１を透過し、紫外線硬化樹脂Ｓ２に対して照射される。ｘｙｚ軸移動ステージ３４を移動させることによって、フェムト秒レーザーの集光部分Ｂ２は走査され、試料Ｓに複数のパターンＰを形成させる。そして、図３（ｂ）に示すように、紫外線硬化樹脂Ｓ２の未硬化部分を除去し、形成されたパターンＰのみを残した。

続いて、第２のフェムト秒レーザー（２次加工用のレーザー、波長：７５０ｎｍ）Ｃ１を用いて、２次加工を行った。図３（ｃ）に示すように、対物レンズ３３に導入された第２のフェムト秒レーザーＣ１は、集光してＣ２となり、その焦点が複数のパターンＰのうちの所定のパターンのみ（２次加工パターンＱ）に照射された。この時、硬化樹脂からなるパターンＰには蛍光色素が含まれているため、共焦点光学観察部２０によって位置決めを高精度に行うことが可能であった。そして、本実施例では、第２のフェムト秒レーザーによって、所定のパターンのみについて蛍光色素を多光子吸収させ蛍光を消光させた。図３（ｄ）には、２次加工が終了した状態の試料Ｓを示す。図３（ｄ）に示すように、２次加工が行われた部分Ｑについては、他のパターンＰとは異なり、蛍光を発しない性質に変更された。

図４（ａ）には、上記の手順によって加工が施された試料Ｓを透過顕微鏡によって観察した結果を示す。この図に示すように、波長７００ｎｍの第１フェムト秒レーザーによる２光子吸収重合のため、０．８ミクロン程度の分解能でパターンを形成することが可能であった。また、この図から、２次加工によって蛍光が消されたパターンＱについても、パターンの構造自体は変化していないことがわかる。

図４（ｂ）には、共焦点光学観察部２０によって観察された加工が施された試料Ｓの蛍光像を示す。この図から、図の中心付近の７箇所のパターンについては、第２のフェムト秒レーザーを集光させることによって、蛍光が消されたことがわかる。

図４（ｃ）には、図（ａ）および図（ｂ）に示すパターンについて、蛍光を発しないパターンＱ（図中、白色の枠で囲まれた黒色部分）と、蛍光を発するパターンＰ（図中、白色部分）とを区別して示す。

以上のように、蛍光色素を含む紫外線硬化樹脂を上記試料として用いることによって、発生する蛍光を共焦点光学観察部２０で観察しながら２次加工を施すことができる。したがって、加工位置を精度良く決めることができる。

本発明によれば、フェムト秒レーザーを用いて高精度なレーザー加工を行うことができるため、高い精度が求められる種々の光デバイスの製造に利用することができる。

本発明の一実施形態にかかる光デバイス作製装置の構成を示す模式図である。 図１に示す光デバイス作製装置内の対物レンズ及び試料付近の光路をより詳しく示す模式図である。 （ａ）〜（ｄ）は、実施例２において行ったレーザー加工の手順を工程順に示す模式図である。 （ａ）は、実施例２において試料に作製したパターンを透過顕微鏡によって観察した結果を示す図である。（ｂ）は、実施例において試料に作製したパターンを共焦点光学観察部によって観察した結果を示す図である。（ｃ）は、（ａ）および（ｂ）に示すパターンについて、蛍光を発しないもの（図中、白色の枠で囲まれた黒色部分）と、蛍光を発するもの（図中、白色部分）とを区別して示す模式図である。

符号の説明

２ フェムト秒レーザー光源
３ｄ ミラー（光路調整部）
３ｅ ミラー（光路調整部）
１０ 加工用レーザー照射部
１１ レーザー光源
１７ ガルバノミラー（光路調整部）
１２ 光検出器
２０ 共焦点光学観察部
３０ 試料加工部
３３ 対物レンズ
３４ ｘｙｚ軸移動ステージ（試料台）
４０ コントロールＰＣ（位置変更操作部）
１００ 光デバイス作製装置（レーザー加工装置）
Ｓ 試料

Claims (7)

1. フェムト秒レーザーを用いて試料に微細加工を施すレーザー加工装置であって、
   試料に対してレーザー加工を行うためのフェムト秒レーザーを出射するフェムト秒レーザー光源を有する加工用レーザー照射部と、
   上記試料を観察するための観察用レーザーを出射するレーザー光源と、試料面からの反射光を検出する光検出器とを有し、共焦点光学系によってレーザー加工される試料を観察する共焦点光学観察部と、
   試料面上に上記フェムト秒レーザーおよび上記観察用レーザーを集光するための対物レンズと、上記試料を載置する位置変更可能な試料台とを有する試料加工部と、
   上記共焦点光学観察部の観察結果に基づいて試料台の位置を変更する位置変更操作部とを備え、
   上記加工用レーザー照射部および上記共焦点光学観察部は、上記対物レンズから上記試料までの間において、上記フェムト秒レーザーと上記観察用レーザーとが同軸上に位置するように、上記観察用レーザーの光路および上記フェムト秒レーザーの光路を調整する光路調整部をそれぞれ有していることを特徴とするレーザー加工装置。
2. 上記光路調整部は、ガルバノミラーであることを特徴とする請求項１に記載のレーザー加工装置。
3. 上記フェムト秒レーザー光源から出射されるフェムト秒レーザーのピーク強度は、２Ｗ〜１ｋＷであることを特徴とする請求項１に記載のレーザー加工装置。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載のレーザー加工装置を用いて、上記試料を加工して作製された光デバイス。
5. 紫外線硬化樹脂を含む上記試料から作製されることを特徴とする請求項４に記載の光デバイス。
6. 上記試料には、蛍光色素がさらに含まれていることを特徴とする請求項５に記載の光デバイス。
7. 請求項１から３の何れか１項に記載のレーザー加工装置を用いて行う光デバイスの製造方法であって、
   上記試料として蛍光発光材料を使用し、上記試料にフェムト秒レーザーを照射することによって発生する蛍光を、上記共焦点光学観察部にて観察しながら上記試料の所定の位置にレーザー加工を施して、光デバイスを製造することを特徴とする光デバイスの製造方法。

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