JP4880820B2 - Laser assisted machining method - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームを用いて、被加工材料に極微小な孔を形成するレーザ支援加工方法に関し、特に、シリカ硝子、サファイヤ、または、ダイヤモンドを被加工材料として用いる場合において好適なレーザ支援加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリコンやガラス等の被加工材料に対して極微小な加工を施す加工方法としては、半導体製造プロセス等において使用されているフォトリソグラフィ技術やインプリンティング技術、及び、エッチング技術やスパッタリング技術などが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のエッチング技術やスパッタリング技術などによる加工方法においては、被加工材料の表面部近傍における２次元的な加工しかできず、該被加工材料の内部にまで亘る３次元的な加工ができない。したがって、例えば、被加工材料の内部に到達する孔などを形成する加工は、このような加工方法によっては行うことができなかった。
【０００４】
また、上述の加工方法においては、例えば、ダイヤモンドやサファイヤの如き、硬質の材料に対する加工ができない。そのため、従来、ダイヤモンドの如き硬質の材料に対して、例えば極微小な孔を形成する加工を行う場合、極小径のドリルを用いて加工していた。しかし、直径が、例えば、数μｍ乃至十数μｍというような極小径の孔をドリルによって形成する加工は困難であり、また、より小径の孔を形成しようとする場合には、もはやドリルでの加工は不可能となる。
【０００５】
なお、ダイヤモンドに対する加工としては、従来、レーザ加工が提案されている。ところが、ダイヤモンドに対するレーザ加工においては、加工面を平滑な面とすることが困難であり、平滑な壁面を有する極微小な孔を形成する加工などはできなかった。
【０００６】
そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、ダイヤモンドやサファイヤの如き硬質の被加工材料に対しても、極微小な孔を形成する加工を容易、かつ、確実に行うことができ、また、被加工材料の内部にまで亘る３次元的な加工を行うことができ、さらに、平滑な加工面を形成することができるレーザ支援加工方法を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明に係るレーザ支援加工方法は、透明材料からなる被加工材料に対しレーザビームを集光して照射し、このレーザビームの照射位置を該被加工材料内において少なくとも１箇所は該被加工材料の表面上である位置を含めて走査させ、この被加工材料のレーザビームが照射された部分をエッチング処理により取り除き、該部分を孔とすることを特徴とするものである。そして、本発明は、このレーザ支援加工方法において、被加工材料を、シリカ硝子、サファイヤ、または、ダイヤモンドのいずれかであることとしたものである。また、本発明は、エッチング処理においては、エッチャントとして、弗酸溶液、または、アルゴンガスプラズマを使用することを特徴とするものである。
【０００８】
さらに、本発明に係るレーザ支援加工方法は、アキシコンレンズを用いた集光光学系により集光させたレーザビームを、透明材料からなる被加工材料に対し、この被加工材料の表面上である位置を含み該被加工材料の内部に亘る領域に照射し、この被加工材料のレーザビームが照射された部分を取り除き、該部分を孔とすることを特徴とする。そして、本発明は、このレーザ支援加工方法において、被加工材料を、シリカ硝子であることとしたものである。
【０００９】
また、本発明は、上記レーザ支援加工方法において、被加工材料のレーザビームが照射された部分を取り除くことを、エッチング処理により行うこととしたものである。そして、本発明は、このレーザ支援加工方法において、被加工材料を、サファイヤ、または、ダイヤモンドのいずれかであることとしたものである。また、本発明は、エッチング処理においては、エッチャントとして、弗酸溶液、または、アルゴンガスプラズマを使用することを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明は、上述の各レーザ支援加工方法において、レーザビームは、パルスの持続時間がフェムト秒乃至ピコ秒オーダであるパルスレーザであることとしたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施の形態を図面を参照しながら説明する。
〔１〕本発明に係るレーザ支援加工方法は、図１に示すように、透明材料からなる被加工材料１に対しレーザビーム２を集光して照射し、このレーザビーム２の照射位置を該被加工材料１内において少なくとも１箇所は該被加工材料１の表面上である位置を含めて走査させ、この被加工材料１のレーザビーム２が照射された部分をエッチング処理により取り除き、該部分を孔とするものである。
【００１２】
ここで、レーザビーム２は、レーザ光源３より発せられ、アッテネータ４、ビームエキスパンダ５及びハーフミラー６を経て、対物レンズ７に入射されて、被加工材料１の表面部、または、該被加工材料１の内部に集光される。アッテネータ４は、被加工材料１に照射されるレーザビーム２のパワーを調節するための偏光によるアッテネーションを行うフィルタである。この光学系は、倍率が１００倍程度の顕微鏡を構成している。また、対物レンズ７としては、開口数（ＮＡ）が１．３５程度のものを用いることができる。被加工材料１をシリカ硝子とした場合、このシリカ硝子中におけるレーザビームの集光スポットは、レーザビームの波長を７９５ｎｍとした場合、０．７８μｍ程度となる。また、レーザビームの波長を４８０ｎｍとした場合、０．４７μｍ程度となる。
【００１３】
レーザ光源３としては、パルスの持続時間がフェムト秒（ｆsec）乃至ピコ秒（ｐsec）オーダであるパルスレーザを用いている。このようなレーザ光源３としては、例えば、チタン−サファイヤレーザ（Ti:Sapphire laser）を用いることができる。この場合、発振波長は、７９５ｎｍである。また、レーザパルスの持続時間及び繰り返し周波数としては、生成アンプを併用することにより、例えば、１２０ｆsec（ＦＷＨＭ）のパルスを１ｋＨｚの繰り返し周波数で発生させることができる。レーザーパワーは、１パルスあたり、０．３０μＪとなる。
【００１４】
レーザビーム２が被加工材料に与えるエネルギーは、５Ｊ／ｃｍ２乃至５０Ｊ／ｃｍ２程度となる。なお、５Ｊ／ｃｍ２は、被加工材料１がシリカ硝子である場合、このシリカ硝子に対し、加工に必要な構造変化を生じさせるための閾値にあたる。このエネルギーは、アッテネータ４によって調節される。
【００１５】
レーザビーム２の被加工材料１における照射位置の走査は、該被加工材料１をＸ−Ｙ−Ｚステージ（３次元ステージ）８に載置させて移動させることによって行う。このＸ−Ｙ−Ｚステージ８は、図１中矢印Ｘ、矢印Ｙ及び矢印Ｚで示す３次元方向のいずれにも移動できるように構成されている。このＸ−Ｙ−Ｚステージ８の移動速度は、毎秒１２５μｍ程度である。このＸ−Ｙ−Ｚステージ８は、ドライバ９を介して、コンピュータ装置１０によって制御されて駆動する。すなわち、コンピュータ装置１０は、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ８を所定のプログラムに従って駆動させることにより、被加工材料１において、レーザビーム２の集光点が任意の予定された軌跡上を走査されるようにする。
【００１６】
また、被加工材料１においてレーザビーム２が照射されている部分は、対物レンズ７及びハーフミラー６を介して、ＣＣＤカメラ１１によって観察される。このＣＣＤカメラ１１が撮像した映像は、モニタ１２に表示されるとともに、映像記録装置（ＶＴＲ）１３によって記録される。また、被加工材料１は、照明装置１４により、フィルタ１５を介して照明される。
【００１７】
そして、被加工材料１としては、上述のシリカ硝子の他、サファイヤ、または、ダイヤモンドなどである。
【００１８】
被加工材料１におけるレーザビーム２の照射及び走査が完了すると、この照射が行われた部分は、光学的エネルギーにより構造変化を起こし、屈折率の変化などを生じた状態となっている。
【００１９】
被加工材料１がダイヤモンドである場合、レーザビームの照射によって炭化を生ずることがある。また、被加工材料１がシリカ硝子である場合においても、レーザビームの照射後において汚れが生じている場合がある。このような炭化物や汚れは、例えば超音波洗浄によって取り除くことができ、また、アセトン溶液による洗浄や、３００°Ｃ、１時間程度のアニールによって除去することができる。
【００２０】
次に、この被加工材料１に対して、エッチャント（エッチング溶液、または、エッチングガス）を用いてエッチング処理を行う。このエッチング処理により、被加工材料１においてレーザビーム２の照射が行われた部分が溶解して該被加工材料１より取り除かれる。
【００２１】
レーザビーム２の走査は、被加工材料１内において少なくとも１箇所は該被加工材料１の表面上である位置を含めて行われている。そのため、エッチャントは、被加工材料１の表面部のレーザビームの照射が行われた部分を溶解させ、この部分より該被加工材料１の内部のレーザビームの照射が行われた部分に滲入してゆく。また、エッチング処理によって溶解され被加工材料１より取り除かれた部分は、該被加工材料１の表面部のレーザビームの照射が行われた部分より、該被加工材料１の外方側に排出される。そして、被加工材料１からレーザビームの照射が行われた部分がエッチング処理によって取り除かれることにより、平滑な加工面が形成される。
【００２２】
このエッチング処理におけるエッチャントとしては、いわゆるウェットエッチングにおいては、弗酸（フッ（弗）化水素酸：ＨＦ）溶液を使用することができる。また、いわゆるドライエッチングにおいては、アルゴン（Ａｒ＋）ガスプラズマを使用することができる。
【００２３】
ウェットエッチングにおけるエッチャントである弗酸溶液の濃度や成分としては、例えば、５．４wｔ％ＨＦ水溶液（ＨＦ（４８％）：Ｈ２Ｏ＝１：９（容積比））、１３．４wｔ％ＮＨ４ＨＦ２溶液（ＨＦ（５０％）：ＮＨ４ＨＦ２（４０％）＝１：９（容積比））（以下、バッファード弗酸という。）、または、ＨＦ，ＨＮＯ３水溶液（ＨＦ（４８％）：Ｈ２Ｏ：ＨＮＯ３（７０％）＝１５：３００：１０（容積比））などを使用することができる。
【００２４】
このようなエッチャントを使用し、例えば、２０分乃至４８０分（８時間）程度の所定時間に亘るエッチング処理を行うことにより、被加工材料１からレーザビーム２が照射された部分が取り除かれ、図２に示すように、孔が形成される。
【００２５】
図３に、上述の各エッチャントを使用した場合におけるシリカ硝子に対するエッチング処理の進行状況を示すグラフを示す。図３において、（ａ）、（ｃ）及び（ｅ）は、被加工材料に形成した垂直な孔の直径のエッチング処理の進行に応じた拡大状況を示し、（ｂ）、（ｄ）及び（ｆ）は、該垂直な孔のエッチング処理の進行に応じた深さを示している。また、（ａ）及び（ｂ）は、エッチャントとして、５wｔ％ＨＦ水溶液を使用した場合を示し、（ｃ）及び（ｄ）は、エッチャントとして、ＨＦ，ＨＮＯ３水溶液を使用した場合を示し、（ｅ）及び（ｆ）は、エッチャントとして、バッファード弗酸を使用した場合を示している。
【００２６】
ところで、上述のようにしてレーザビームの照射及びエッチング処理により形成された微小な３次元パターンを実用的に応用するには、得られたパターンが実際に孔であることを確認し、異なる化学溶液が孔（チャンネル）内部に流れ込むようになる必要がある。
【００２７】
このような理由で、エッチャントとしてＨＦ，ＨＮＯ３水溶液を用いてエッチング処理した構造をローダミン染料イソプロピルアルコール溶液に浸した。試料の表面がきれいになった後、ローダミンフォトルミネッセンス強度分布をレーザー走査共焦点顕微鏡で確認した。フォトルミネッセンス励起には、５４０ｎｍレーザ励起を用いた。確認されたフォトルミネッセンス強度分布によれば、図４に示すように、ローダミン染料溶液は、シリカ（石英）内に形成された孔に容易に浸透していた。この結果によると、上述したレーザ支援加工方法は、小さな領域における微小部分の化学的な製造に適用できることが分かる。
【００２８】
なお、観測されたエッチング現象の機構を明らかにするためには、２つの重要な点を考慮する必要がある。すなわち、（ｉ）形成されたパターンに沿った非常に速いエッチング率と、エッチング液の選択との関係は薄いが、（ｉｉ）直角方向のエッチング率と、特定のエッチング液とは強い関係がある。エッチング溶液によって異なる反応性は、以下に示すエッチングの化学反応によって説明することができる。
【００２９】
【数１】
希釈されたＨＦ溶液においては、次のような平衡関係が確立されている。
【００３１】
【数２】
これらのラジカルの石英のエッチング処理に対する影響は、それぞれ異なっている。フッ化物の濃度が非常に低いと、エッチング処理は、主としてＨＦ２ −によって行われる。濃度が０．１ｍｏｌ／ｌのとき、ＨＦ２ −と（ＨＦ）２によるエッチングは、同等であることが見いだされた。最後に、高い濃度では、（ＨＦ）２によるエッチングの寄与が大きい。さらに、再現可能なエッチングでは、ＨＦ２ −エッチング機構からの寄与を抑制する必要があることを見いだした。ＨＦ２ −反応を除くには、ＨＦ溶液に酸を加えるか、または、全体のＨＦ濃度を非常に減少させるという２つの方法がある。したがって、これによって、ＨＦ水溶液希薄及びＨＦ，ＨＮＯ３水溶液（フッ化物濃度は２ｍｏｌ／ｌより大きい）によるエッチング処理と、バッファード弗酸におけるエッチング処理との観測された相違を説明することができる。これは、バッファード弗酸は、殆どＨＦ２ −とＦ−から構成されるからである。
【００３３】
石英において最も構造変化を生じたパターンの方向と、これに直角な方向のエッチング率の異方性は、円柱形状の空洞に由来する拡散の相違によって部分的に説明することができる。構造変化を生じた部分に沿った拡散は、新鮮なエッチャントが供給される１次元拡散過程と考えることができる。１次元拡散方程式の解（フィックの第１法則）は、次の通りである。
【００３４】
【数３】
ここで、Ｎは、濃度であり、Ｄは独立拡散係数である。
【００３６】
【数４】
ここで、ｘ及びｔは、空間軸及び時間軸であり、Ｎ０は濃度の初期値である。この解を得るための初期条件は、１次元準無限サンプルについて、ｘ＝０及びｔ＞＝０においてＮ＝Ｎ０であり、ｘ＞０及びｔ＝０においてＮ＝０である。これは、実験条件に対応していて、実験では、エッチング液が点ｘ＝０においてサンプルの表面に供給される。他の座標、例えばｙに沿った拡散が同じ拡散係数Ｄを有して追加されると、形式的には次のように記述される。
【００３８】
【数５】
この式によると、石英の被加工材料内の構造変化を生じた部分に沿った濃度の流れ（ｘに沿った１次元拡散）は、他の方向（実際にはエッチングチャンネルの横方向）の濃度の勾配により影響を及ぼされ、実際には、円筒状の空洞内で、エッチング処理の間、すなわち、時間が経過するにつれて広がっていくことになる。
〔２〕
次に、本発明に係るレーザ支援加工方法は、図５に示すように、アキシコンレンズ（軸線を光軸上に位置させた円錐型レンズ）１６を用いた集光光学系により集光させたレーザビーム（ベッセルビーム：Bessel beam）２を、透明材料からなる被加工材料１に対し、この被加工材料１の表面上である位置を含み該被加工材料１の内部に亘る領域に照射し、この被加工材料１のレーザビーム２が照射された部分を取り除き、該部分を孔とするものである。
【００４０】
レーザビーム２は、上述の実施の形態と同様に、レーザ光源３より発せられたパルスの持続時間がフェムト秒乃至ピコ秒オーダであるパルスレーザである。また、被加工材料１としては、上述のように、シリカ硝子、サファイヤ、または、ダイヤモンドなどである。被加工材料が、サファイヤ、または、ダイヤモンドである場合、上述したように、この被加工材料１のレーザビームが照射された部分を取り除くことを、エッチング処理により行うが、被加工材料が、シリカ硝子である場合、エッチング処理は特に必要ではない。
【００４１】
レーザ光源３より発せられたレーザビーム２は、パルス反復率とエネルギーをシャッター及び中立密度減衰器Ｓ＋Ａによって制御され、アキシコンレンズ１６により一旦集光され、再び拡散する。アキシコンレンズ１６による集光においては、図６中の（ａ）、（ｂ）に示すように、光軸方向に延びた焦点が形成される。そして、この拡散光は、第１のレンズ１７（ｆ＝１００ｍｍ）によって収束された後、さらに、第２のレンズ１８（ｆ＝３０ｍｍ）によって収束される。この第２のレンズ１８によるレーザビーム２の収束点上に、被加工材料１が置かれる。このレーザ支援加工方法においては、レーザビーム２は、光軸方向に長さを有する領域に収束されるので、被加工材料１に対する走査をしなくとも、ある長さを有した孔を形成することができる。
【００４２】
そして、この被加工材料１を透過したレーザビーム２は、第３のレンズ１９（ｆ＝１６ｍｍ）を経て、ＣＣＤカメラ１１によって撮像される。
【００４３】
このレーザ支援加工方法における加工条件は、例えば、以下に示すものである。すなわち、レーザ光源３は、チタン−サファイヤレーザ（Ti:Sapphire laser）であり、発振波長は、７９５ｎｍである。レーザパルスの持続時間は、１７０ｆsec（フェムト秒）である。
【００４４】
被加工材料がシリカ硝子の場合、レーザビームによって与えられるエネルギーは、６．８Ｊ／ｃｍ２（被加工材料の厚さ２４０μｍ、アキシコンレンズに入射するレーザビームのエネルギーは、 １パルスあたり、約２５μＪ）。
【００４５】
被加工材料がサファイヤの場合、レーザビームによって与えられるエネルギーは、１５０Ｊ／ｃｍ２（被加工材料の厚さ１５０μｍ、アキシコンレンズに入射するレーザビームのエネルギーは、１パルスあたり、約３０μＪ）。
【００４６】
エッチング処理に用いるエッチャントとしては、上述の実施の形態と同様に、ＨＦ，ＨＮＯ３水溶液（ＨＦ（４８％）：Ｈ２Ｏ：ＨＮＯ３（７０％）＝１５：３００：１０（容積比））などを用いる。約８６μｍ長のシリカ硝子シリンダに約１４μｍの孔を形成する場合において、エッチング処理の時間は、１６時間程度である。
【００４７】
以下、アキシコンレンズをを用いた集光光学系により集光させたレーザビームがいわゆるベッセルビームとなることについて説明する。
【００４８】
自由空間を伝播するスカラー場が回折しないための条件は、マッカッチェン（MacCutchen）の定理によって初めて定式化された。この定理によると、輻射場の空間スペクトルがリング内に閉じ込められていると、そのような場は、回折のため広がることなく伝播する。一般に、非回折場（non-diffracting field）は、自己像（self-imaging）のクラスに属し、スペクトルは複数のリングに閉じ込められている。
【００４９】
どの物理領域においても、回折現象は、ヘルムホルツの方程式に支配される。
【００５０】
【数６】
最近、ダーニン（Durnin）は、光源がない領域ｚ≧０を伝播するスカラー場に関するヘルムホルツ方程式〔数６〕は、無回折モード解のクラスを有することを指摘した。
【００５２】
【数７】
ここで、ｋ／／ ２＋ｋＬ ２＝（ω／ｃ）２において、 ｋＬとｋ／／とは、それぞれｚ軸に垂直及び平行な伝播ベクトルの成分を表している。すなわち、ｋＬ＝ｋsinγで、γは、図６中の（ａ）にγで示す伝播軸についての錐体角であり、Ａ（φ）は、φに関する任意の複素関数であり、ρ２＝ｘ２＋ｙ２であり、Ｊ０は、第１種の０次ベッセル関数である。ｋ／／が実の場合、〔数７〕によると、ｚ＝０における時間平均強度プロフィール（profile）は、次の式になる。
【００５４】
【数８】
ｋＬ＝０であると、解は、単に平面波であが、０＜ｋＬ＜＝ω／ｃであると、解は、非回折ビームであり、強度プロフィールは、ｋＬρに反比例する率で減少し、ビームの有効幅は、図６中の（ｂ）に示すように、ｋＬによって決定される。中央のスポットは、最小で約３λ／４２になる。
【００５６】
〔数７〕で表現される非回折ビームは、実験によっては実現することができないが、これは、そのエネルギーが無限だからである。しかし、所望の分布をある程度近似し、伝播の際に回折による広がりが非常に小さくするビームを合成することはできる。このような近似の具体例としては、ベッセルガウス（ＢＧ）ビームがあり、これは、ガウス分布に従って絞られ、ベッセル関数に従って近軸を伝播する。ベッセルガウスビームは、ガウスプロフィールによって制限された有限エネルギー束を運ぶので、実験によって実現することができる。ベッセルガウスビームの複素振幅は、次のように表現される。
【００５７】
【数９】
ここで、ｚＲは、πｗ０ ２／λによって与えられる。
【００５９】
【数１０】
ベッセルガウスビームは、ｗ０ｋＬ＞１のときだけ通常のガウスビームと非常に異なり、〔数９〕は、ｋＬ＝０であると、ガウスビームの複素振幅に関する標準表現に帰着する。
【００６１】
ベッセルガウスビームが、図６中の（ａ）に示すように、くさび角δと開口径Ｄのアキシコンレンズによって形成される場合、その後の径方向の強度分布は、次の式で近似される。
【００６２】
【数１１】
平面波と光学軸の交差角γは、アキシコンレンズについてのスネルの法則によって得られる。
【００６４】
【数１２】
ここで、ｎａｘは、アクシコンレンズの反射率である。様々な物質の微細構造に関するベッセルガウスビームの適用では、３つのビームパラメータを推定することが重要である。すなわち、中央スポットサイズ、非回折伝播距離、ビームによって供給されるパワー密度である。ベッセルガウスビームのスポットサイズは、典型的には、Ｊ０（ｋＬρ）関数の第１の零点の２倍として定義される。
【００６６】
【数１３】
Ｎ＝Ｄsin（γ）／λリングでなるベッセルガウスビームの最大伝播距離は、ビーム伝播軸から離れた最も内側のリング回折の距離によって定義され、次の式で表現される。
【００６８】
【数１４】
ここで、ＺＲＢ＝π２ｋ／２ｋＬ ２は、個別リングのアシンプトチック（asymptotic）幅に関するレイリー距離である。ベッセルビームのリングに関連するエネルギー束は、他のリング、または、中央スポットのエネルギー束に等しいので、最適中央スポット照度効率は、次のようになる。
【００７０】
【数１５】
ここで、ｗ０は、ガウスビーム強度の１／ｅ２半径である。ベッセルガウスビームでは、多数のリングが形成されるので、中央スポット（又は任意のリング）でのエネルギーは、ガウスビームに比べると非常に小さい。最終的な効率は、典型的には非常に小さいが、他のベッセルガウスビーム変換方法を用いて得られた効率と比べるとかなり大きい。なお、射影レンズシステムを用いても、レンズシステムでの伝送損失を無視すると、リング間の距離の変化によっては、各リングのスループットに影響は生じない。
【００７２】
そして、このレーザ支援加工方法の実施においては、上述のように、チャープ変調によるパルス増幅に基づくフェムト秒チタン−サファイアレーザ発振器を用いる。このレーザ発振器は、アルゴンイオンレーザによって励起されるモードロックされたチタン−サファイアレーザであり、基準発振波長λ＝７９５±１０ｎｍで動作する。ネオジム：ＹＬＦレーザによって励起されるチタン−サファイア増幅器は、フェムト秒パルスをパルスエネルギー安定性５％でエネルギー０．５ｍＪ／パルスに増幅する。パルスの繰り返し周波数は、１ＫＨｚである。
【００７３】
入射レーザ輻射の空間強度プロフィールと拡大ベッセルガウスビーム強度プロフィールは、図５に示すように、１１μｍ×１３μｍ画素サイズのＣＣＤカメラ１１で監視される。くさび角δ＝１７５ｍradのガラスアキシコンレンズ１６（ｎａｘ＝１．５１１）は、錐体角γ≒９２ｍradのベッセルガウスビームを形成するのに用いられる。ビームは、上述したように、第１及び第２の正レンズ１７，１８からなる望遠鏡によって被加工材料１にイメージされる。したがって、アキシコンレンズ１６によって生成されたベッセルガウスビームは、第１及び第２のレンズ１７，１８の組み合わせによって変換され、錐体角γ´が次の式に従い連続的に変化する他のベッセルガウスビームになる。
【００７４】
【数１６】
この式によると、試料の外側における最終的なベッセルガウスビームの錐体角は、約３００ｍradである。
【００７６】
最初に、入射輻射の特性を測定した。強度プロフィールとパルス持続時間の推定を、それぞれ図７中の（ａ）及び（ｂ）に示す。横方向強度分布のガウスフィットによって、１．５ｍｍ（ＦＷＨＭ）の火面径が得られた。図７中の（ｂ）に示すように、自己相関のトレースは、約１００ｆsec（ＦＷＨＭ）持続時間について、セチ２乗（sech２）関数によってフィットされた。測定された火面径により、望遠鏡の前後の最大焦点深度ｚｍａｘが算出できるようになり、それぞれ約１４ｍｍ及び４ｍｍであることが分かった。両方の場合とも、〔数１５〕によると、ベッセルガウスビーム中央最大照度効率は、８．６×１０−３になると推定される。
【００７７】
ベッセルガウスビームによって誘起される光学降伏を、３つの物質について調べる。物質は、（i）（２４０±１０）μｍ厚の乾燥ｖ−ＳｉＯ２、（ii）（１５０±１）μｍ厚の結晶質サファイア、及び、（iii）４ｍｍ乃至１０ｍｍ厚の光学用プレキシガラスである。試料は全て洗浄し、２座標マイクロメータ移動ステージの金属製ターゲット支持部材にマウントした。石英ガラスとプレキシガラスの試料は、横から構造の微視的分析ができるように研磨する。
【００７８】
ここで、（焦点の最大深度ｚｍａｘについて）線状損傷（構造変化）についての光誘起損傷閾値（ＬＩＤＴ）は、１スポット当たりレーザショットを１０回照射した後、光学顕微鏡で認識できる物質伝送の恒久変化が観測されるため必要になる最小のエネルギーとして定義する。試料の検査は、約１μｍ（４０倍拡大、ＮＡ＝０．５５の対物レンズ）の最大横分解能の倒立顕微鏡（１７０倍）によって行う。
【００７９】
上述のようにして本発明に係るレーザ支援加工方法を実施し検査するために、まず、ビームが非回折であることを確認するため、アキシコンレンズの後の幾つかの距離において、変換された光場の空間強度分布Ｉ（ρ，ｚ）を測定した。これらの検査では、強度分布を拡大するため、第３のレンズとして、開口数（ＮＡ）＝０．４の顕微鏡対物レンズを用いた。
【００８０】
この測定によると、アキシコンレンズから約１３．５ｍｍの距離における中央スポット強度に鋭い減少が見られた。この値は、算出した焦点深度ｚｍａｘ＝１４ｍｍによく一致する。また、距離１１ｍｍにおける変換ビーム強度の空間分布を、６０倍に拡大して、図８の（ａ）、（ｂ）に示す。第１のリングの強度分布は、少し歪んでいるが、中央スポットと周囲の他のリングは、回転対称性を維持している。このような歪みは、アキシコンレンズの収差、すなわち乱視に帰される。範囲１ｍｍ乃至１３ｍｍの距離において、ｄ０＝７．６±２μｍで測定された中央ローブの径は、実験精度内では一定で、〔数１３〕によって算出された値ｄ０ ｃａｌ＝６．８μｍとよく一致する。半径３μｍのベッセルビームをｗ０＝３μｍのガウスビームと比較すると、後者のスポットは１００レイリー範囲（３．６ｍｍ）の伝播後に、１００ｗ０程度まで広がる。逆に、ベッセルビームの中央スポットは、同じ距離の伝播後には狭くなる。なお、スポットサイズは、ｚｍａｘ限界で最小になる。
【００８１】
ベッセルガウスビームの径方向強度分布をより詳細に調べるため、アキシコンレンズから固定距離における実験により確認された径方向強度分布を、〔数１１〕に基づく理論モデルの結果と比較する。この関数の零点と実験で測定された横方向強度分布は、よく一致する。測定された強度ピークの第２の極大は、〔数１１〕の極大と異なっているが、これは、算出強度依存性は、一様強度分布の交差波についてのみ成立するからである。実験の場合、交差波は、収差による一様強度分布を保存しない。この結果から、アキシコンレンズによって生成されたビームは、非回折ベッセルガウスビームによってよく近似できることが分かった。
【００８２】
また、第１及び第２のレンズ１７，１８（望遠鏡）によって変換されたビームの空間強度分布を調べた。最初に、遠隔場強度プロフィールからビーム錐体角を決定した。ベッセルガウスビームの錐体角γ´＝３２０ｍradは、〔数１６〕から得られる理論的予測値を超えている。この状況は、この表式が錐体角の定性的予測にのみ用いることができることを示している。変換ビームの空間強度分布を、４０倍に拡大したものを、図８中の（ｂ）に示す。中央スポット径と焦点深度は、それぞれｄ０＝２μｍ及びｚｍａｘ≒４ｍｍである。したがって、このようなビームの構成によって予期される最大アスペクト比は、ｚｍａｘ／ｄ０＝２×１０３である。
【００８３】
上述のようなベッセルガウスビームの微細構造検査において、全ての試料は、ビームの非回折伝播の範囲ｚｍａｘに設置した。最終的な線形形状の典型的な光学伝送イメージは、図９に示すように、最初に、プレキシガラスにおける錐体角９２ｍradのベッセルガウスビームについて構成されるＬＩＤＴよパターンを決定した。測定結果によると、プレキシガラスにおける線状パターン形状についてマルチショットＬＩＤＴは、約０．９Ｊ／ｃｍ２である。図９中（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示すように、ビーム入射板の損傷（構造変化）領域の径は、出射面より約６倍大きく、すなわち、ビームの入射径は、ビームの強度分布における第１のリングの径と同程度である。ここで、試料表面の中央スポット径は、７．６μｍである。物質で観測された炭化現象は、幾つかの連続したレーザパルスを吸収して熱せられ、最終的に、大きな損傷スポットを生じたものと説明される。
【００８４】
石英と結晶質サファイアの加工については、錐体角３２０ｍradのベッセルガウスビームを用いた。測定されたＬＩＤＴは、石英とサファイアについて、それぞれ６．８Ｊ／ｃｍ２及び８．２Ｊ／ｃｍ２であった。石英について単一ショットＬＩＤＴは、高い開口数の対物レンズによって集光されたガウスビームの場合、５Ｊ／ｃｍ２であった。最近、マルチショット照射後、ＬＩＤＴが減少することが報告されている。したがって、ベッセルガウスビームによるレーザ加工は、物質の破壊について高いフルエンスを要する。上述のＬＩＤＴの定義によると、１０３倍大きい体積のガラスが同時に励起されなければならないので、驚くことはない。両方の物質、すなわち、石英について図９中の（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）、サファイアについて図９中の（ｇ）、（ｈ）及び（ｉ）に示すように、線形パターンの観測された形状は、プレキシガラスにおける形状と類似しているが、径の測定された差異は２μｍだけである。また、図９中の（ｈ）に示すように、サファイアにおいては、損傷スポットの径は、表面でのみ通常の顕微鏡で測定することができる。
【００８５】
図１０中の（ａ）、（ｂ）に示す原始間力顕微鏡（ＡＦＭ）による画像は、フルエンスを２倍にしたＬＩＤＴを用いたレーザ加工の後の石英の入射側（図１０中（ａ））と出射側（図１０中（ｂ））の表面の具体例を示している。表面におけるベッセルガウスビームの径は、ｄ０＝２μｍであった。入射側及びと出射側表面における径は、それぞれ約２μｍ及び１．２μｍであった。石英試料の中央スポットの周囲の他の変化は、ベッセルガウスビームの高次の強度の極大によって、表面が刻印されたことを示している。これらさらなる同心円上のピットｄ１≒４μｍの径と位置は、図８中の（ｂ）に示すように、ベッセルガウスビームの第１のリングの直径と、この内側の強度分布とほぼ等しい。したがって、構造のサイズは、表面におけるレーザビームのサイズと同程度である。除去されたピットの周縁において、溶融した物質は観測されなかった。
【００８６】
伝播方向に沿って、スポットサイズは、観測によると減少しているが、これは、暫定的にはフェムト秒パルスの自己集光によって説明することができる。しかし、測定したＬＩＤＴ値に対応する照射パワーは、プレキシガラスのＬＩＤＴをＰｃｒとすると、サファイアのＬＩＤＴが０．６９Ｐｃｒ、石英のＬＩＤＴが０．４２Ｐｃｒというガウスビームの臨界自己集光パワーＰｃｒより低い。自己集光の影響を確認するため、１Ｐｃｒ乃至６Ｐｃｒの範囲のパワーレベルで１ｃｍ厚のプレキシガラス試料の内側に線形パターンを記録した。各パワーレベルにおいて、幾つかのパターンが記録された。測定によると、パターンの長さは、１Ｐｃｒから約１．５Ｐｃｒのパワーに応じて、約２ｍｍから４ｍｍに増加している。より高いパワーレベルでも、パターンの長さには変化が見られず、径の緩慢な増加だけが見られた。これは、線形の損傷長は、ベッセルガウスビームの焦点深度にのみ依存していることを示す明白な証拠である。
【００８７】
【発明の効果】
上述のように、本発明に係るレーザ支援加工方法は、透明材料からなる被加工材料に対しレーザビームを集光して照射し、このレーザビームの照射位置を該被加工材料内において少なくとも１箇所は該被加工材料の表面上である位置を含めて走査させ、この被加工材料のレーザビームが照射された部分をエッチング処理により取り除き、該部分を孔とすることを特徴とする。そして、本発明は、このレーザ支援加工方法において、被加工材料を、シリカ硝子、サファイヤ、または、ダイヤモンドのいずれかであることとしたものである。また、本発明は、エッチング処理においては、エッチャントとして、弗酸溶液、または、アルゴンガスプラズマを使用することを特徴とするものである。
【００８８】
さらに、本発明に係るレーザ支援加工方法は、アキシコンレンズを用いた集光光学系により集光させたレーザビームを、透明材料からなる被加工材料に対し、この被加工材料の表面上である位置を含み該被加工材料の内部に亘る領域に照射し、この被加工材料のレーザビームが照射された部分を取り除き、該部分を孔とすることを特徴とする。そして、本発明は、このレーザ支援加工方法において、被加工材料を、シリカ硝子であることとしたものである。
【００８９】
また、本発明は、上記レーザ支援加工方法において、被加工材料のレーザビームが照射された部分を取り除くことを、エッチング処理により行うこととしたものである。そして、本発明は、このレーザ支援加工方法において、被加工材料を、サファイヤ、または、ダイヤモンドのいずれかであることとしたものである。また、本発明は、エッチング処理においては、エッチャントとして、弗酸溶液、または、アルゴンガスプラズマを使用することを特徴とするものである。
【００９０】
そして、本発明は、上述の各レーザ支援加工方法において、レーザビームは、パルスの持続時間がフェムト秒乃至ピコ秒オーダであるパルスレーザであることとしたものである。
【００９１】
すなわち、本発明は、ダイヤモンドやサファイヤの如き硬質の被加工材料に対しても、極微小な孔を形成する加工を容易、かつ、確実に行うことができ、また、被加工材料の内部にまで亘る３次元的な加工を行うことができ、さらに、平滑な加工面を形成することができるレーザ支援加工方法を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザ支援加工方法を実施する装置の構成を示す側面図である。
【図２】上記レーザ支援加工方法により形成された孔を示す側面図である。
【図３】上記レーザ支援加工方法におけるエッチング速度を示すグラフである。
【図４】上記レーザ支援加工方法により形成された孔を示す斜視図である。
【図５】アキシコンレンズを用いる本発明に係るレーザ支援加工方法を実施する装置の構成を示す側面図である。
【図６】（ａ）は、上記アキシコンレンズによる集光状態を示す側面図であり、（ｂ）は、上記アキシコンレンズにより集光されたビームの強度分布を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、上記アキシコンレンズへの入射レーザビームの近接強度分布を示すグラフであり、（ｂ）は、第２高調波によって得られたレーザパルスによる自己相関図形を示すグラフである。
【図８】実験的に確認された異なる円錐角のベッセルガウスビームの拡大強度分布を示すグラフ及び正面図であり、（ａ）は、γ＝９２ｍradの場合であり、（ｂ）は、γ＝３２０ｍradの場合である。
【図９】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、プレキシガラスにおいて、（ｄ）（ｅ）（ｆ）は、シリカガラスにおいて、（ｇ）（ｈ）（ｉ）は、サファイアにおいて、ベッセルガウスビームによって生成された損傷スポットの光学透過像を示す正面図である。
【図１０】ベッセルガウスビームにより石英へ１０回のレーザショットにより形成された微細なホールを、ビーム入射側（ａ）及びビーム出射側（ｂ）において示すＡＦＭ画像を示す正面図である。
【符号の説明】
１ 被加工材料、２ レーザビーム、３ レーザ光源、７ 対物レンズ、８ Ｘ−Ｙ−Ｚステージ、１６ アキシコンレンズ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a laser-assisted processing that uses a laser beam to form extremely small holes in a material to be processed.MethodIn particular, in the case of using silica glass, sapphire, or diamond as a material to be processed, laser assisted processing suitable forMethodAbout.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a processing method for performing extremely minute processing on a work material such as silicon or glass, there are a photolithography technique, an imprinting technique, an etching technique, a sputtering technique, and the like used in a semiconductor manufacturing process. Are known.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the processing method using the above-described etching technique or sputtering technique, only two-dimensional processing in the vicinity of the surface portion of the material to be processed can be performed, and three-dimensional processing extending into the processing material cannot be performed. Therefore, for example, processing for forming a hole reaching the inside of the material to be processed cannot be performed by such a processing method.
[0004]
Further, in the above-described processing method, it is not possible to process a hard material such as diamond or sapphire. Therefore, conventionally, when processing a hard material such as diamond to form a very small hole, for example, it has been processed using a drill with a very small diameter. However, it is difficult to form a hole with a very small diameter such as several μm to several tens of μm by a drill, and when a hole with a smaller diameter is to be formed, it is no longer possible with a drill. Processing becomes impossible.
[0005]
Conventionally, laser processing has been proposed as processing for diamond. However, in the laser processing for diamond, it is difficult to make the processed surface smooth, and it has not been possible to perform processing to form extremely minute holes having smooth walls.
[0006]
Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-described circumstances, and it is easy and reliable to form extremely fine holes even on hard work materials such as diamond and sapphire. The present invention aims to provide a laser-assisted processing method that can perform three-dimensional processing up to the inside of a material to be processed and that can form a smooth processing surface. .
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, laser-assisted machining according to the present inventionMethodIsA work material made of a transparent material is focused and irradiated with a laser beam, and the irradiation position of the laser beam is scanned including the position on the surface of the work material at least at one position in the work material. The portion of the material to be processed that has been irradiated with the laser beam is removed by etching, and the portion is made a hole. In the laser-assisted processing method, the present invention is such that the material to be processed is any one of silica glass, sapphire, and diamond. The present invention is characterized in that a hydrofluoric acid solution or argon gas plasma is used as an etchant in the etching process.
[0008]
Furthermore, in the laser-assisted processing method according to the present invention, the laser beam condensed by the condensing optical system using the axicon lens is on the surface of the processing material with respect to the processing material made of a transparent material. A region including a position and irradiating a region extending inside the workpiece material is removed, a portion of the workpiece material irradiated with the laser beam is removed, and the portion is used as a hole. In the laser-assisted processing method according to the present invention, the material to be processed is silica glass.
[0009]
Further, according to the present invention, in the laser assisted processing method, the portion of the material to be processed that has been irradiated with the laser beam is removed by an etching process. In the laser-assisted processing method, the present invention is such that the material to be processed is either sapphire or diamond. The present invention is characterized in that a hydrofluoric acid solution or argon gas plasma is used as an etchant in the etching process.
[0010]
Further, according to the present invention, in each of the laser-assisted processing methods described above, the laser beam is a pulse laser having a pulse duration of femtosecond to picosecond order.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[1] Laser-assisted machining according to the present inventionMethodAs shown in FIG. 1, a
[0012]
Here, the
[0013]
As the
[0014]
The energy that the
[0015]
Scanning of the irradiation position of the
[0016]
Further, the portion of the
[0017]
The material to be processed 1 is sapphire or diamond in addition to the silica glass described above.
[0018]
When the irradiation and scanning of the
[0019]
When the
[0020]
Next, the material to be processed 1 is etched using an etchant (etching solution or etching gas). By this etching process, the portion of the
[0021]
Scanning with the
[0022]
As an etchant in this etching process, a hydrofluoric acid (hydrofluoric acid: HF) solution can be used in so-called wet etching. In so-called dry etching, argon (Ar+) Gas plasma can be used.
[0023]
Examples of the concentration and components of the hydrofluoric acid solution that is an etchant in wet etching include 5.4 wt% HF aqueous solution (HF (48%): H2O = 1: 9 (volume ratio)), 13.4 wt% NH4HF2Solution (HF (50%): NH4HF2(40%) = 1: 9 (volume ratio)) (hereinafter referred to as buffered hydrofluoric acid), or HF, HNO3Aqueous solution (HF (48%): H2O: HNO3(70%) = 15: 300: 10 (volume ratio)) or the like can be used.
[0024]
By using such an etchant, for example, by performing an etching process for a predetermined time of about 20 minutes to 480 minutes (8 hours), the portion irradiated with the
[0025]
FIG. 3 is a graph showing the progress of the etching process for silica glass when each of the above-described etchants is used. In FIG. 3, (a), (c), and (e) show the expansion state according to progress of the etching process of the diameter of the vertical hole formed in the workpiece material, and (b), (d), and ( f) shows the depth according to the progress of the etching process of the vertical hole. (A) and (b) show the case where a 5 wt% HF aqueous solution is used as an etchant, and (c) and (d) show HF, HNO as etchants.3A case where an aqueous solution is used is shown, and (e) and (f) show a case where buffered hydrofluoric acid is used as an etchant.
[0026]
By the way, in order to practically apply the minute three-dimensional pattern formed by the laser beam irradiation and the etching process as described above, it is confirmed that the obtained pattern is actually a hole, and a different chemical solution. Needs to flow into the hole (channel).
[0027]
For this reason, HF, HNO as etchants3The structure etched with an aqueous solution was immersed in a rhodamine dye isopropyl alcohol solution. After the surface of the sample became clean, the rhodamine photoluminescence intensity distribution was confirmed with a laser scanning confocal microscope. For photoluminescence excitation, 540 nm laser excitation was used. According to the confirmed photoluminescence intensity distribution, as shown in FIG. 4, the rhodamine dye solution easily penetrated into pores formed in silica (quartz). According to this result, it can be seen that the above-described laser-assisted processing method can be applied to chemical production of a small portion in a small region.
[0028]
In order to clarify the mechanism of the observed etching phenomenon, it is necessary to consider two important points. That is, (i) the relationship between the very fast etching rate along the formed pattern and the selection of the etching solution is thin, but (ii) the etching rate in the perpendicular direction is strongly related to the specific etching solution. . The reactivity that varies depending on the etching solution can be explained by the following chemical reaction of etching.
[0029]
[Expression 1]
In the diluted HF solution, the following equilibrium relationship is established.
[0031]
[Expression 2]
The effects of these radicals on the quartz etching process are different. If the fluoride concentration is very low, the etching process is mainly HF.2 −Is done by. When the concentration is 0.1 mol / l, HF2 −And (HF)2Etching by was found to be equivalent. Finally, at high concentrations, (HF)2The contribution of etching by is large. Furthermore, for reproducible etching, HF2 −It has been found that the contribution from the etching mechanism needs to be suppressed. HF2 −There are two ways to eliminate the reaction: adding acid to the HF solution or greatly reducing the overall HF concentration. Therefore, this makes the HF aqueous solution dilute and HF, HNO.3The observed difference between the etching process with an aqueous solution (fluoride concentration greater than 2 mol / l) and the etching process with buffered hydrofluoric acid can be explained. This is because buffered hydrofluoric acid is mostly HF2 −And F−It is because it consists of.
[0033]
The anisotropy of the etching rate in the direction of the pattern that causes the most structural change in quartz and the direction perpendicular thereto can be partially explained by the difference in diffusion originating from the cylindrical cavity. The diffusion along the portion where the structural change has occurred can be considered as a one-dimensional diffusion process in which a fresh etchant is supplied. The solution of the one-dimensional diffusion equation (Fick's first law) is as follows.
[0034]
[Equation 3]
Here, N is the concentration and D is the independent diffusion coefficient.
[0036]
[Expression 4]
Here, x and t are a space axis and a time axis, and N0Is the initial value of concentration. The initial condition for obtaining this solution is N = N for one-dimensional quasi-infinite samples at x = 0 and t> = 0.0N = 0 at x> 0 and t = 0. This corresponds to the experimental conditions, where the etchant is supplied to the surface of the sample at point x = 0. If diffusion along other coordinates, for example y, is added with the same diffusion coefficient D, it is formally described as:
[0038]
[Equation 5]
According to this equation, the concentration flow (one-dimensional diffusion along x) along the part of the quartz workpiece where the structural change occurred is the concentration in the other direction (actually the lateral direction of the etching channel). In effect, it will spread within the cylindrical cavity during the etching process, i.e. over time.
[2]
Next, in the laser-assisted processing method according to the present invention, as shown in FIG. 5, the laser beam is condensed by a condensing optical system using an axicon lens (a conical lens whose axis is positioned on the optical axis) 16. A laser beam (Bessel beam) 2 is irradiated on a
[0040]
The
[0041]
The
[0042]
The
[0043]
The processing conditions in this laser-assisted processing method are as follows, for example. That is, the
[0044]
When the workpiece material is silica glass, the energy given by the laser beam is 6.8 J / cm.2(The thickness of the workpiece is 240 μm, and the energy of the laser beam incident on the axicon lens is about 25 μJ per pulse).
[0045]
When the work material is sapphire, the energy given by the laser beam is 150 J / cm.2(The thickness of the workpiece is 150 μm, and the energy of the laser beam incident on the axicon lens is about 30 μJ per pulse).
[0046]
Etchant used for the etching process is HF, HNO as in the above embodiment.3Aqueous solution (HF (48%): H2O: HNO3(70%) = 15: 300: 10 (volume ratio)). When a hole of about 14 μm is formed in a silica glass cylinder having a length of about 86 μm, the etching process time is about 16 hours.
[0047]
Hereinafter, it will be described that a laser beam condensed by a condensing optical system using an axicon lens becomes a so-called Bessel beam.
[0048]
The condition for the non-diffracting scalar field propagating in free space was first formulated by MacCutchen's theorem. According to this theorem, if the spatial spectrum of the radiation field is confined within the ring, such a field propagates without spreading due to diffraction. In general, non-diffracting fields belong to the class of self-imaging, and the spectrum is confined to multiple rings.
[0049]
In any physical domain, diffraction phenomena are governed by Helmholtz's equation.
[0050]
[Formula 6]
Recently, Durnin pointed out that the Helmholtz equation [6] for a scalar field propagating in a region z ≧ 0 without a light source has a class of non-diffractive mode solutions.
[0052]
[Expression 7]
Where k// 2+ KL 2= (Ω / c) 2, kLAnd k//And represent propagation vector components perpendicular and parallel to the z-axis, respectively. That is, kL= Ksinγ, γ is a cone angle about the propagation axis indicated by γ in (a) in FIG. 6, A (φ) is an arbitrary complex function with respect to φ, and ρ2= X2+ Y2And J0Is a zeroth-order Bessel function of the first type. k//Is real, according to [Equation 7], the time-average intensity profile at z = 0 is
[0054]
[Equation 8]
kLIf = 0, the solution is simply a plane wave, but 0 <kLIf <= ω / c, the solution is a non-diffracted beam and the intensity profile is kLIt decreases at a rate inversely proportional to ρ, and the effective width of the beam is k as shown in (b) of FIG.LDetermined by. The central spot is a minimum of about 3λ / 42.
[0056]
The non-diffracted beam expressed by [Equation 7] cannot be realized by experiments, because its energy is infinite. However, it is possible to synthesize a beam that approximates the desired distribution to some extent and makes the spread due to diffraction very small during propagation. A specific example of such an approximation is a Bessel Gaussian (BG) beam, which is narrowed according to a Gaussian distribution and propagates paraxially according to a Bessel function. A Bessel Gaussian beam carries a finite energy flux limited by a Gaussian profile and can be realized experimentally. The complex amplitude of the Bessel Gaussian beam is expressed as follows.
[0057]
[Equation 9]
Where zR is πw0 2/ Λ.
[0059]
[Expression 10]
Bessel Gaussian beam is w0kLIt is very different from a normal Gaussian beam only when> 1, and [Equation 9] is kL= 0 results in a standard representation for the complex amplitude of the Gaussian beam.
[0061]
When the Bessel Gaussian beam is formed by an axicon lens having a wedge angle δ and an aperture diameter D as shown in FIG. 6A, the subsequent intensity distribution in the radial direction is approximated by the following equation. .
[0062]
[Expression 11]
The intersection angle γ between the plane wave and the optical axis is obtained by Snell's law for an axicon lens.
[0064]
[Expression 12]
Where naxIs the reflectivity of the axicon lens. In the application of Bessel Gaussian beams for various material microstructures, it is important to estimate three beam parameters. That is, the central spot size, the non-diffracting propagation distance, and the power density supplied by the beam. The spot size of a Bessel Gaussian beam is typically J0(KLρ) defined as twice the first zero of the function.
[0066]
[Formula 13]
The maximum propagation distance of a Bessel Gaussian beam consisting of N = Dsin (γ) / λ rings is defined by the innermost ring diffraction distance away from the beam propagation axis, and is expressed by the following equation.
[0068]
[Expression 14]
Where ZRB= Π2k / 2kL 2Is the Rayleigh distance for the asymptotic width of the individual ring. Since the energy flux associated with the ring of Bessel beams is equal to the energy flux of the other ring or center spot, the optimal center spot illumination efficiency is:
[0070]
[Expression 15]
Where w0Is 1 / e of the Gaussian beam intensity2Radius. Since a Bessel Gaussian beam forms a large number of rings, the energy at the central spot (or any ring) is very small compared to a Gaussian beam. The final efficiency is typically very small, but is much larger than that obtained using other Bessel Gaussian beam conversion methods. Even if the projection lens system is used, if the transmission loss in the lens system is ignored, the throughput of each ring is not affected by the change in the distance between the rings.
[0072]
In implementing this laser-assisted processing method, as described above, a femtosecond titanium-sapphire laser oscillator based on pulse amplification by chirp modulation is used. This laser oscillator is a mode-locked titanium-sapphire laser excited by an argon ion laser and operates at a reference oscillation wavelength λ = 795 ± 10 nm. Titanium-sapphire amplifiers excited by a neodymium: YLF laser amplify femtosecond pulses to 0.5 mJ / pulse with 5% pulse energy stability. The pulse repetition frequency is 1 KHz.
[0073]
The spatial intensity profile of the incident laser radiation and the expanded Bessel Gaussian beam intensity profile are monitored with a
[0074]
[Expression 16]
According to this equation, the cone angle of the final Bessel Gaussian beam outside the sample is about 300 mrad.
[0076]
First, the characteristics of incident radiation were measured. Intensity profiles and pulse duration estimates are shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b), respectively. A fire face diameter of 1.5 mm (FWHM) was obtained by Gaussian fit of the lateral intensity distribution. As shown in FIG. 7 (b), the autocorrelation trace is about 100 fsec (FWHM) duration,2) Fit by function. Maximum focal depth z before and after the telescope depending on the measured fire surface diametermaxWas calculated, and was found to be about 14 mm and 4 mm, respectively. In both cases, according to [Equation 15], the Bessel Gaussian beam center maximum illumination efficiency is 8.6 × 10 6.-3It is estimated that
[0077]
The optical breakdown induced by the Bessel Gaussian beam is investigated for three materials. The material is (i) (240 ± 10) μm thick dry v-SiO2(Ii) (150 ± 1) μm thick crystalline sapphire, and (iii) 4 mm to 10 mm thick optical plexiglass. All samples were washed and mounted on a metal target support member of a two-coordinate micrometer moving stage. The quartz glass and plexiglass samples are polished from the side so that the structure can be microscopically analyzed.
[0078]
Where (maximum depth of focus zmax) Light-induced damage threshold (LIDT) for linear damage (structural change) is necessary because permanent changes in material transmission that can be recognized with an optical microscope are observed after 10 laser shots per spot Define as minimum energy. The specimen is inspected by an inverted microscope (170 times) having a maximum lateral resolution of about 1 μm (40 × magnification, NA = 0.55 objective lens).
[0079]
In order to carry out and inspect the laser-assisted processing method according to the present invention as described above, it was first converted at several distances after the axicon lens to confirm that the beam was non-diffracting. The spatial intensity distribution I (ρ, z) of the light field was measured. In these examinations, in order to expand the intensity distribution, a microscope objective lens having a numerical aperture (NA) = 0.4 was used as the third lens.
[0080]
According to this measurement, a sharp decrease in the central spot intensity at a distance of about 13.5 mm from the axicon lens was observed. This value is the calculated depth of focus zmax= 14mm well. Further, the spatial distribution of the converted beam intensity at a distance of 11 mm is enlarged 60 times and shown in FIGS. The intensity distribution of the first ring is slightly distorted, but the central spot and other rings around it maintain rotational symmetry. Such distortion is attributed to the aberration of the axicon lens, that is, astigmatism. For distances ranging from 1 mm to 13 mm, d0The diameter of the central lobe measured at = 7.6 ± 2 μm is constant within the experimental accuracy, and is a value d calculated by [Equation 13].0 calIt is in good agreement with = 6.8 μm. A Bessel beam with a radius of 3 μm0= 3μm Gaussian beam, the latter spot is 100w after propagation of 100 Rayleigh range (3.6mm)0Spread to the extent. Conversely, the central spot of the Bessel beam becomes narrow after propagation of the same distance. The spot size is zmaxMinimize at the limit.
[0081]
In order to examine the radial intensity distribution of the Bessel Gaussian beam in more detail, the radial intensity distribution confirmed by experiments at a fixed distance from the axicon lens is compared with the result of the theoretical model based on [Equation 11]. The zero of this function agrees well with the lateral intensity distribution measured in the experiment. The second maximum of the measured intensity peak is different from the maximum of [Equation 11], because the calculated intensity dependency is established only for the cross wave of the uniform intensity distribution. In the case of experiments, cross waves do not preserve a uniform intensity distribution due to aberrations. From this result, it was found that the beam generated by the axicon lens can be approximated by a non-diffracting Bessel Gaussian beam.
[0082]
Further, the spatial intensity distribution of the beams converted by the first and
[0083]
In the Bessel Gaussian beam microstructural inspection as described above, all samples have a non-diffracting propagation range z of the beam.maxInstalled. A typical optical transmission image of the final linear shape first determined the LIDT pattern constructed for a Bessel Gaussian beam with a cone angle of 92 mrad in plexiglass, as shown in FIG. According to the measurement results, the multi-shot LIDT is about 0.9 J / cm for the linear pattern shape in plexiglass.2It is. As shown in FIGS. 9A, 9B, and 9C, the diameter of the damaged (structural change) region of the beam incident plate is about 6 times larger than the exit surface, that is, the incident diameter of the beam is Is approximately the same as the diameter of the first ring in the intensity distribution. Here, the central spot diameter on the sample surface is 7.6 μm. The carbonization phenomenon observed in the material is explained to have absorbed several successive laser pulses and heated up, eventually resulting in large damage spots.
[0084]
For processing of quartz and crystalline sapphire, a Bessel Gaussian beam with a cone angle of 320 mrad was used. The measured LIDT was 6.8 J / cm for quartz and sapphire, respectively.2And 8.2 J / cm2Met. A single shot LIDT for quartz is 5 J / cm for a Gaussian beam focused by a high numerical aperture objective lens.2Met. Recently, it has been reported that LIDT decreases after multi-shot irradiation. Therefore, laser processing with a Bessel Gaussian beam requires a high fluence for material destruction. According to the above definition of LIDT, 103It is not surprising that double the volume of glass must be excited at the same time. For both materials, namely quartz, (d), (e) and (f) in FIG. 9, and for sapphire, a linear pattern is observed as shown in (g), (h) and (i) in FIG. The shape made is similar to that in plexiglass, but the measured difference in diameter is only 2 μm. Further, as shown in (h) of FIG. 9, in sapphire, the diameter of the damaged spot can be measured only on the surface with a normal microscope.
[0085]
10A and 10B, the image by the primitive force microscope (AFM) shows the incident side of the quartz after laser processing using LIDT with a doubled fluence (FIG. 10A). ) And a specific example of the surface on the emission side ((b) in FIG. 10). The diameter of the Bessel Gaussian beam at the surface is d0= 2 μm. The diameters at the entrance and exit surfaces were about 2 μm and 1.2 μm, respectively. Other changes around the central spot of the quartz sample indicate that the surface was imprinted by the higher order intensity maxima of the Bessel Gaussian beam. The diameter and position of these further concentric pits d1≈4 μm are substantially equal to the diameter of the first ring of the Bessel Gaussian beam and the intensity distribution inside this, as shown in FIG. 8 (b). Therefore, the size of the structure is comparable to the size of the laser beam at the surface. No molten material was observed at the periphery of the removed pits.
[0086]
Along the propagation direction, the spot size decreases according to observation, which can be tentatively explained by self-focusing of femtosecond pulses. However, the irradiation power corresponding to the measured LIDT value is PLI glass LIDT.crThen, the sapphire LIDT is 0.69Pcr, Quartz LIDT is 0.42PcrGaussian beam critical self-focusing power PcrLower. 1P to confirm the effect of self-condensingcrTo 6PcrA linear pattern was recorded inside a 1 cm thick plexiglass sample at power levels in the range of. Several patterns were recorded at each power level. According to the measurement, the pattern length is 1Pcr1.5P fromcrIt increases from about 2 mm to 4 mm in accordance with the power of. At higher power levels, there was no change in pattern length, only a slow increase in diameter. This is clear evidence that the linear damage length depends only on the depth of focus of the Bessel Gaussian beam.
[0087]
【The invention's effect】
As described above, the laser-assisted machining according to the present inventionMethodIsA work material made of a transparent material is focused and irradiated with a laser beam, and the irradiation position of the laser beam is scanned including the position on the surface of the work material at least at one position in the work material. The portion irradiated with the laser beam of the material to be processed is removed by etching treatment, and the portion is used as a hole. In the laser-assisted processing method, the present invention is such that the material to be processed is any one of silica glass, sapphire, and diamond. Further, the present invention is characterized in that a hydrofluoric acid solution or argon gas plasma is used as an etchant in the etching process.Is.
[0088]
Furthermore, in the laser-assisted processing method according to the present invention, the laser beam condensed by the condensing optical system using the axicon lens is on the surface of the processing material with respect to the processing material made of a transparent material. A region including a position and irradiating a region extending inside the workpiece material is removed, a portion of the workpiece material irradiated with the laser beam is removed, and the portion is used as a hole. In the laser-assisted processing method according to the present invention, the material to be processed is silica glass.
[0089]
Further, according to the present invention, in the laser assisted processing method, the portion of the material to be processed that has been irradiated with the laser beam is removed by an etching process. In the laser-assisted processing method, the present invention is such that the material to be processed is either sapphire or diamond. The present invention is characterized in that a hydrofluoric acid solution or argon gas plasma is used as an etchant in the etching process.
[0090]
According to the present invention, in each of the laser-assisted processing methods described above, the laser beam is a pulse laser whose pulse duration is on the order of femtoseconds to picoseconds.
[0091]
That is, the present invention can easily and surely form a very small hole even on a hard work material such as diamond or sapphire, and can reach the inside of the work material. It is possible to provide a laser-assisted machining method that can perform three-dimensional machining over a wide range and can form a smooth machined surface.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view showing the configuration of an apparatus for implementing a laser assisted machining method according to the present invention.
FIG. 2 is a side view showing a hole formed by the laser-assisted processing method.
FIG. 3 is a graph showing an etching rate in the laser-assisted processing method.
FIG. 4 is a perspective view showing holes formed by the laser-assisted processing method.
FIG. 5 is a side view showing a configuration of an apparatus for performing a laser assisted machining method according to the present invention using an axicon lens.
FIG. 6A is a side view showing a light collection state by the axicon lens, and FIG. 6B is a graph showing the intensity distribution of the beam condensed by the axicon lens.
FIG. 7A is a graph showing the proximity intensity distribution of the laser beam incident on the axicon lens, and FIG. 7B is a graph showing an autocorrelation pattern by a laser pulse obtained by the second harmonic. It is.
FIGS. 8A and 8B are a graph and a front view showing experimentally confirmed expansion intensity distributions of Bessel Gaussian beams having different cone angles, where FIG. 8A is a case where γ = 92 mrad, and FIG. This is the case of 320 mrad.
9 (a), (b), and (c) are plexiglass, (d), (e), and (f) are silica glass, and (g), (h), and (i) are sapphire, Bessel Gaussian beams. It is a front view which shows the optical transmission image of the damage spot produced | generated by.
FIG. 10 is a front view showing an AFM image showing fine holes formed on a quartz by a Bessel Gaussian beam by 10 laser shots on a beam incident side (a) and a beam emission side (b).
[Explanation of symbols]
1 Work Material, 2 Laser Beam, 3 Laser Light Source, 7 Objective Lens, 8 XYZ Stage, 16 Axicon Lens
Claims (9)
レーザビームの集光点が前記被加工材料の表面を通過するように、レーザビームの集光点で前記被加工材料の表面および内部を走査するステップと、
前記被加工材料内の前記レーザビームの集光点で走査されることにより形成された構造変化領域のみをエッチング処理により除去して、前記被加工材料内に孔を形成するステップと、
を有する、レーザ支援加工方法。A laser-assisted processing method for forming a hole communicating with the outside inside a work material made of a transparent material,
Scanning the surface and the interior of the workpiece material with a laser beam focusing point so that the laser beam focusing point passes through the surface of the workpiece material;
A step in which the only the laser beam structural change region formed by Rukoto scanned at the focal point of the work piece is removed by etching to form a hole in said material to be processed,
A laser-assisted processing method.
アキシコンレンズを含む集光光学系により集光させたレーザビームを、前記被加工材料の表面から内部に向けて照射するステップと、
前記被加工材料内の前記レーザビームを照射されることにより形成された構造変化領域のみをエッチング処理により除去して、前記被加工材料内に孔を形成するステップと、
を有する、レーザ支援加工方法。A laser-assisted processing method for forming a hole communicating with the outside inside a work material made of a transparent material,
Irradiating a laser beam condensed by a condensing optical system including an axicon lens from the surface of the workpiece material to the inside; and
A step in which the only structural change region formed by Rukoto irradiated with the laser beam in the processed material is removed by etching to form a hole in said material to be processed,
A laser-assisted processing method.
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