JP4781941B2 - レーザによる表面微細構造形成方法 - Google Patents

Description

本発明はレーザによる表面微細構造形成方法に関し、特に材料表面にレーザを照射して微細な畝状周期構造を形成し、その後この畝状周期構造が形成された領域に、先に照射したレーザと同じまたは異なる波長のレーザを、先に形成した畝状周期構造に対して任意の角度になるような畝状周期構造が形成できる条件で照射し、その結果、当該照射領域に例えば微細突起構造を形成する表面微細構造形成方法に関するものである。

材料基板上に直線偏光のフェムト秒レーザを加工閾値近傍のエネルギで集光しスキャン照射することで、偏光方向に依存した方向に微細な周期構造を形成可能であることが知られている（例えば、特許文献１参照）。この周期構造は凹部あるいは凸部が延在するいわゆる畝状構造である。このような畝状微細周期構造は、例えばマイクロマシンなどの極小部品間の付着力低減や、各種機械部品摺動面の潤滑特性の向上に大きな効果があるといわれている。
特表ＷＯ２００４／０３５２５５号公報

前述した材料の表面畝状微細周期構造は所定方向に延在する凹凸構造である。この凹凸構造が延在する方向とそれに直交する方向とでは表面形状が異なるため、表面特性に異方性が現れるという問題がある。

あるいは、表面畝状微細周期構造は凹部と凸部が同じ間隔で単純に繰り返される構造であるので、単一の表面特性しか材料表面に付与することができないという解決すべき課題があった。

そこで、本発明は、材料基板表面に偏光方向の異なるレーザを複数段階で照射することにより、材料表面に複数の畝状微細周期構造を混在させることで、各種材料表面に、多様な、周期的に配列した微細構造形成方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の表面微細構造形成方法は、材料表面に加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを集光照射すると共に当該照射部をオーバラップさせながら所定方向にスキャンして、前記材料表面に自己組織的に畝状微細周期構造を形成する第一工程と、前記畝状微細周期構造が形成された材料表面に対して、先のレーザを当該畝状微細周期構造が形成された材料表面に対する加工閾値近傍の照射強度で前記第一工程の偏光方向と異なる方向の直線偏光で照射すると共に当該照射部をオーバラップさせながら所定方向にスキャンして、前記畝状微細周期構造に前記畝状微細周期構造の方向と異なる方向の畝状微細周期構造を自己組織的に形成する第二工程と、を有することを特徴とするものである。

ここで、レーザは、アルゴンレーザや、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザなどのピコ秒やナノ秒パルスレーザなどの各種レーザを用いることができるが、例えば、チタンサファイアレーザを使用することができる。チタンサファイアレーザパルスは、例えば、パルス幅１２０ｆｓ、中心波長８００ｎｍ、繰り返し周波数１ｋＨｚ、パルスエネルギー０．２５〜４００μＪ／ｐｕｌｓｅのフェムト秒超短パルスレーザである。

本発明の請求項２に記載の表面微細構造形成方法は、前記第二工程で使用するレーザ波長を、前記第一工程で用いたものよりも短いものを用いることを特徴とするものである。

本発明の請求項３に記載の表面微細構造形成方法は、前記第二工程で使用するレーザ波長を、前記第一工程で用いたものの１／２のものを用いることを特徴とするものである。

本発明の請求項４に記載の表面微細構造形成方法は、前記第二工程で使用するレーザ波長を、前記第一工程で用いたものよりも長いものを用いることを特徴とするものである。

本発明の請求項５に記載の表面微細構造形成方法は、前記第二工程で使用するレーザ波長を、前記第一工程で用いたものの二倍のものを用いることを特徴とするものである。

本発明の請求項６に記載の表面微細構造形成方法は、前記第一工程と第二工程のレーザの偏光方向を直交させることを特徴とするものである。

本発明の請求項７に記載の表面微細構造形成方法は、前記第一工程と第二工程のレーザの偏光方向のなす角が０°超〜９０°未満の任意の角度になるように第二工程のレーザの偏光方向を回転させて前記第二工程を実施することを特徴とするものである。

本発明の請求項８に記載の表面微細構造形成方法は、前記第一工程の後に前記材料をその面方向に４５°回転させるとともに前記第二工程のレーザの偏光方向を前記材料の回転方向と逆方向の４５°の向きになるように回転させて前記第二工程を実施することを特徴とするものである。

本発明の請求項９に記載の表面微細構造形成方法は、前記第一工程の後に前記材料をその面方向に任意の角度回転させるとともに前記第二工程のレーザの偏光方向を、前記材料表面の畝状微細周期構造と同じ方向の畝状微細周期構造が形成されないような任意の角度に回転させて前記第二工程を実施することを特徴とするものである。

本発明の請求項１０に記載の表面微細構造形成方法は、前記第一工程の後に前記材料をその面方向に９０°回転させて前記第二工程を実施することを特徴とするものである。

本発明の請求項１０に記載の表面微細構造形成方法は、前記第一工程の後に前記材料をその面方向に任意の角度回転させて前記第二工程を実施することを特徴とするものである。

本発明の請求項１２に記載の表面微細構造形成方法は、請求項１の第一工程と第二工程を施した材料表面に、前記第一工程あるいは第二工程のレーザの偏光方向と異なる直線偏光の前期表面微細構造に対する加工閾値近傍のレーザを照射すると共に当該照射部をオーバラップさせながら所定方向にスキャンして前記材料表面に前記畝状微細周期構造の方向と異なる方向の畝状微細周期構造を自己組織的に形成する第三工程と、
を有することを特徴とするものである。

本発明の請求項１に記載の表面微細構造形成方法のように、レーザ照射による第一工程で材料表面に畝状周期構造を形成し、第一工程とは異なる偏光方向で前記畝状周期構造形成領域を照射すると、当該照射領域に二つの異なる方向の畝状周期構造が混在する表面微細構造を形成することができる。

本発明の請求項２に記載の表面微細構造形成方法のように、前記第一工程で使用する波長よりも第二工程で使用する波長を短くすると、畝状周期構造の間隔は照射レーザの波長に依存するので、当該照射領域に二つの異なる方向をもち、それぞれは異なる間隔をもつ畝状周期構造が混在する表面微細構造を形成することができる。

本発明の請求項３に記載の表面微細構造形成方法のように、前記第一工程で使用する波長よりも第二工程で使用する波長を１／２にすると、畝状周期構造の間隔は照射レーザの波長に依存するので、当該照射領域に二つの異なる方向をもち、一方は他方の１／２の間隔をもつ畝状周期構造が混在する表面微細構造を形成することができる。

本発明の請求項４に記載の表面微細構造形成方法のように、前記第一工程で使用する波長よりも第二工程で使用する波長を長くすると、畝状周期構造の間隔は照射レーザの波長に依存するので、当該照射領域に二つの異なる方向をもち、それぞれは異なる間隔をもつ畝状周期構造が混在する表面微細構造を形成することができる。

本発明の請求項５に記載の表面微細構造形成方法のように、前記第一工程で使用する波長よりも第二工程で使用する波長を二倍にすると、畝状周期構造の間隔は照射レーザの波長に依存するので、当該照射領域に二つの異なる方向をもち、一方は他方の二倍の間隔をもつ畝状周期構造が混在する表面微細構造を形成することができる。

本発明の請求項６に記載の表面微細構造形成方法のように、前記第一工程と第二工程のレーザの偏光方向を直交させると、当該照射領域に二つの異なる方向の畝状周期構造が混在する表面微細突起構造を形成することができる。

本発明の請求項７に記載の表面微細構造形成方法のように、前記第一工程と第二工程のレーザの偏光方向のなす角が０°超〜９０°未満の任意の角度になるように前記第一工程と第二工程のレーザの偏光方向を回転させて前記工程を実施すると、当該照射領域に二つの異なる方向の畝状周期構造が混在する表面微細構造を形成することができる。

本発明の請求項８に記載の表面微細構造形成方法のように、前記第一工程の後に前記材料をその面方向に４５°回転させるとともに前記第二工程のレーザの偏光方向を前記材料の回転方向と逆方向の４５°の向きになるように回転させて前記第二工程を実施すると、当該照射領域に二つの異なる方向の畝状周期構造が混在する表面微細突起構造を形成することができる。

本発明の請求項９に記載の表面微細構造形成方法のように、前記第一工程の後に前記材料をその面方向に任意の角度回転させるとともに前記第二工程のレーザの偏光方向を、前記材料表面の畝状微細周期構造と同じ方向の畝状微細周期構造が形成されないような任意の角度に回転させて前記第二工程を実施すると、当該照射領域に二つの異なる方向の畝状周期構造が混在する表面微細構造を形成することができる。

本発明の請求項１０に記載の表面微細構造形成方法のように、前記第一工程の後に前記材料をその面方向に９０°回転させて前記第二工程を実施すると当該照射領域に二つの異なる方向の畝状周期構造が混在する表面微細突起構造を形成することができる。

本発明の請求項１１に記載の表面微細構造形成方法のように、前記第一工程の後に前記材料を９０°回転させて前記第二工程を実施すると当該照射領域に二つの異なる方向の畝状周期構造が混在する表面微細突起構造を形成することができる。

本発明の請求項１２に記載の表面微細構造形成方法のように、請求項１の第一工程と第二工程を施した材料表面に、前記第一工程および第二工程のレーザの偏光方向と異なる直線偏光の前記表面微細構造に対する加工閾値近傍のレーザを照射すると共に当該照射部をオーバラップさせながら所定方向にスキャンして前記材料表面に前記畝状微細周期構造の方向と異なる方向の微細周期構造を自己組織的に形成する第三工程を実施すると、当該照射領域に三つの異なる方向の畝状周期構造が混在する表面形状を形成することができる。

以上のように、レーザの偏光方向を交差させる方法は一種類に限定されないし、交差させるレーザの数も二つに限定されない。

以下、本発明の表面加工方法について図面に基づき説明する。なお、以下の説明について、具体的数値は理解を助けるためにあくまでも一例として記載したものであり、特に限定するものではないことを予め断っておく。

本発明の表面微細構造形成方法は図１および図２と同じ構成のフェムト秒レーザ表面加工装置を使用する。すなわち図１が波長８００ｎｍのフェムト秒レーザ表面加工装置、図２が波長４００ｎｍのフェムト秒レーザ表面加工装置である。チタンサファイアフェムト秒レーザ発生器１で発生したレーザ（パルス幅：１２０ｆｓ、中心波長８００ｎｍ、繰り返し周波数：１ｋＨｚ、パルスエネルギー：０．２５〜４００μＪ／ｐｕｌｓｅ）は、ミラー２により加工材料８に向けて折り返され、メカニカルシャッタ３に導かれる。レーザ照射時はメカニカルシャッタ３を開放し、レーザ照射強度は１／２波長板４と偏光ビームスプリッタ６によって調整可能とし、１／２波長板５によって偏光方向を調整し、集光レンズ（焦点距離：１５０ｍｍ）７によって、ＸＹθステージ９上の加工材料８表面に集光照射した。また図２において１０は第二次高調波すなわち半波長のレーザ光（パルス幅：３００ｆｓ、中心波長４００ｎｍ、繰り返し周波数：１ｋＨｚ、パルスエネルギー：０．０５〜１２０μＪ／ｐｕｌｓｅ）を発生させるための波長変換用非線形光学結晶、１１は波長８００ｎｍを反射し波長４００ｎｍを透過する波長選択用光学素子、１２は集光レンズ（焦点距離：５０ｍｍ）である。

加工材料の走査速度は、レーザの集光スポット径とレーザの強度に応じて設定する。なお、レーザのスキャンは、レーザを固定して加工材料８を支持するＸＹθステージ９を移動させてもよいし、ＸＹθステージ９を固定してレーザを移動させてもよい。あるいは、レーザとＸＹθステージ９を同時移動させてもよい。

加工材料８としてステンレス基板を用いた。

図３と図４は、波長８００ｎｍの直線偏光のフェムト秒レーザパルスをステンレス基板の表面に集光しスキャン照射することによって形成された表面畝状微細周期構造を電子顕微鏡で撮像した図である。図３と図４でレーザの偏光方向を９０°変えている。このため表面畝状微細周期構造の方向が図３と図４で９０°回転している。レーザ照射回数は、単位面積あたりに所定のパルス数が照射されるように設定する。照射の仕方は、レーザパルスをオーバラップさせながらスキャン照射する。

図５と図６は、波長４００ｎｍの直線偏光のフェムト秒レーザパルスをステンレス基板の表面に集光しスキャン照射することによって形成された表面畝状微細周期構造を電子顕微鏡で撮像した図である。図５と図６でレーザの偏光方向を９０°変えている。このため畝状微細周期構造の方向が図５と図６で９０°回転している。レーザ照射回数と照射の仕方は前述の図３と図４の場合と同様である。

図３、図４と図５、図６を比較すると、レーザの波長が短い図５、図６のほうが畝状周期構造が細かい。これは畝状周期構造の間隔が、レーザ波長に依存するためである。ちなみに波長８００ｎｍのレーザ照射で６６０ｎｍ前後の間隔の表面畝状微細周期構造が、波長４００ｎｍのレーザ照射では３３０ｎｍ前後の間隔の表面畝状微細周期構造がそれぞれ形成された。

図７は波長８００ｎｍの直線偏光のレーザパルスをステンレス基板に対して二段階で照射することによって形成された表面微細構造を電子顕微鏡で撮像した図である。すなわち、第一工程のレーザパルス照射により図３の表面畝状微細周期構造を基板上に形成し、この表面畝状微細周期構造上に、第二工程として図４の表面畝状微細周期構造を形成するレーザパルスを照射したものである。結果として、突起状の構造が周期的に配列する表面微細構造が形成された。ただし、第一工程で形成された表面畝状微細周期構造を完全に破壊しないように第二工程のレーザ照射強度とスキャン速度を調整してある。

図８は波長４００ｎｍの直線偏光のレーザパルスをステンレス基板に対して二段階で照射することによって形成された表面微細構造を電子顕微鏡で撮像した図である。すなわち、第一工程のレーザパルス照射により図５の表面畝状微細周期構造を基板上に形成し、この表面畝状微細周期構造上に、第二工程として図６の表面畝状微細周期構造を形成するレーザパルスを照射したものである。結果として、突起状の構造が周期的に配列する表面微細構造が形成された。ただし、第一工程で形成された表面畝状微細周期構造を完全に破壊しないように第二工程のレーザ照射強度とスキャン速度を調整してある。

図９は波長８００ｎｍと４００ｎｍの直線偏光のレーザパルスをステンレス基板に対して二段階で照射することによって形成された表面微細構造を電子顕微鏡で撮像した図である。すなわち、第一工程のレーザパルス照射により図３の表面畝状微細周期構造を基板上に形成し、この表面畝状微細周期構造上に、第二工程として図６の表面畝状微細周期構造を形成するレーザパルスを照射したものである。結果として、突起状の構造が周期的に配列する表面微細構造が形成された。特にこの場合は、前記および後記の加工形態を含めて、個々の突起形状が最も均一な表面微細突起構造が得られた。短波長レーザパルスは長波長レーザパルスに比べて、表面に形成できる畝状微細周期構造の畝の深さと幅が小さい。このため、第一工程で形成された畝状微細周期構造の原形を、第二工程で大きく破壊することがない。ただし、第一工程で形成された表面畝状微細周期構造を完全に破壊しないように第二工程のレーザ照射強度とスキャン速度を調整してある。

図１０は波長４００ｎｍと８００ｎｍの直線偏光のレーザパルスをステンレス基板に対して二段階で照射することによって形成された表面微細構造を電子顕微鏡で撮像した図である。すなわち、第一工程のレーザパルス照射により図５の表面畝状微細周期構造を基板上に形成し、この表面畝状微細周期構造上に、第二工程として図４の表面畝状微細周期構造を形成するレーザパルスを照射したものである。結果として、突起状の構造が周期的に配列する表面微細構造が形成された。ただし、第一工程で形成された表面畝状微細周期構造を完全に破壊しないように第二工程のレーザ照射強度とスキャン速度を調整してある。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく特許請求の範囲に記載の技術的思想に基づき種々の変形が可能である。例えば前記実施形態ではレーザの波長を８００ｎｍと４００ｎｍの二種類としたが、その他の波長の二種類ないし三種類以上のレーザを使用してもよい。また各工程で同じ波長を使用してもよいし、異なる波長を使用してもよい。異なる波長を使用する場合は長波長から短波長を順次使用してもよいし、短波長から長波長を順次使用してもよい。使用する波長の順序の組み合わせは自由であることは勿論である。

また、図１および図２のレーザの加工材料への入射角は０°であるが、その他の角度を選択してもよいことは勿論である。

さらに、レーザの偏光方向または基板、あるいはその両方を回転させることによって、第一工程と第二工程で形成されるそれぞれの表面畝状微細周期構造の相対的な方向を直交させるほか、任意角度で交差させる場合も本発明に含まれる。

波長８００ｎｍフェムト秒レーザによる表面加工装置の側面図。 波長４００ｎｍフェムト秒レーザによる表面加工装置の側面図。 波長８００ｎｍのフェムト秒レーザによる表面畝状微細周期構造の電子顕微鏡写真。 波長８００ｎｍのフェムト秒レーザによる表面畝状微細周期構造の電子顕微鏡写真。 波長４００ｎｍのフェムト秒レーザによる表面畝状微細周期構造の電子顕微鏡写真。 波長４００ｎｍのフェムト秒レーザによる表面畝状微細周期構造の電子顕微鏡写真。 本発明加工方法による波長８００ｎｍのフェムト秒レーザ二段階照射による表面微細周期構造の電子顕微鏡写真。 本発明加工方法による波長４００ｎｍのフェムト秒レーザ二段階照射による表面微細周期構造の電子顕微鏡写真。 本発明加工方法による波長８００ｎｍと波長４００ｎｍのフェムト秒レーザ二段階照射による表面微細周期構造の電子顕微鏡写真。 本発明加工方法による波長４００ｎｍと波長８００ｎｍのフェムト秒レーザ二段階照射による表面微細周期構造の電子顕微鏡写真。

符号の説明

１ フェムト秒レーザ発生器
２ ミラー
３ メカニカルシャッタ
４、５ １／２波長板
６ 偏光ビームスプリッタ
７ 集光レンズ（焦点距離：１５０ｍｍ）
８ 加工材料
９ ＸＹθステージ
１０ 波長変換用非線形光学結晶
１１ 波長選択用光学素子（波長８００ｎｍ反射／波長４００ｎｍ透過）
１２ 集光レンズ（焦点距離：５０ｍｍ）

Claims (12)

1. 材料表面に加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを集光照射すると共に当該照射部をオーバラップさせながら所定方向にスキャンして、前記材料表面に自己組織的に畝状微細周期構造を形成する第一工程と、
   前記畝状微細周期構造が形成された材料表面に対して、先のレーザを当該畝状微細周期構造が形成された材料表面に対する加工閾値近傍の照射強度で前記第一工程の偏光方向と異なる方向の直線偏光で照射すると共に当該照射部をオーバラップさせながら所定方向にスキャンして、前記畝状微細周期構造に前記畝状微細周期構造の方向と異なる方向の畝状微細周期構造を自己組織的に形成する第二工程と、
   を有することを特徴とするレーザによる表面微細構造形成方法。
2. 前記第二工程のレーザ波長を前記第一工程のレーザ波長よりも短波長にすることを特徴とする請求項１に記載のレーザによる表面微細構造形成方法。
3. 前記第二工程のレーザ波長を前記第一工程のレーザ波長の１／２にすることを特徴とする請求項１に記載のレーザによる表面微細構造形成方法。
4. 前記第二工程のレーザ波長を前記第一工程のレーザ波長よりも長波長にすることを特徴とする請求項１に記載のレーザによる表面微細構造形成方法。
5. 前記第二工程のレーザ波長を前記第一工程のレーザ波長の２倍にすることを特徴とする請求項１に記載のレーザによる表面微細構造形成方法。
6. 前記第一工程のレーザの偏光方向と第二工程のレーザの偏光方向を直交させることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のレーザによる表面微細構造形成方法。
7. 前記第一工程と第二工程のレーザの偏光方向のなす角が０°超〜９０°未満の任意の角度であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のレーザによる表面微細構造形成方法。
8. 前記第一工程の後に前記材料をその面方向に４５°回転させるとともに前記第二工程のレーザの偏光方向を前記材料の回転方向と逆方向の４５°の向きになるように回転させて前記第二工程を実施することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のレーザによる表面微細構造形成方法。
9. 前記第一工程の後に前記材料をその面方向に任意の角度回転させるとともに前記第二工程のレーザの偏光方向を、前記材料表面の畝状微細周期構造と同じ方向の畝状微細周期構造が形成されないような任意の角度に回転させて前記第二工程を実施することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のレーザによる表面微細構造形成方法。
10. 前記第一工程の後に前記材料をその面方向に９０°回転させて前記第二工程を実施することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のレーザによる表面微細構造形成方法。
11. 前記第一工程の後に前記材料をその面方向に０°超〜９０°未満の任意の角度回転させて前記第二工程を実施することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のレーザによる表面微細構造形成方法。
12. 請求項１の第一工程と第二工程を施した材料表面に、前記第一工程あるいは第二工程のレーザの偏光方向と異なる直線偏光の前記表面微細構造に対する加工閾値近傍のレーザを照射すると共に、当該照射部をオーバラップさせながら所定方向にスキャンして前記材料表面に前記畝状微細周期構造の方向と異なる方向の畝状微細周期構造を自己組織的に形成する第三工程と、
    を有することを特徴とするレーザによる表面微細構造形成方法。