JP6348051B2

JP6348051B2 - レーザ加工方法、レーザ加工装置、およびレーザ加工品

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Publication number: JP6348051B2
Application number: JP2014234593A
Authority: JP
Inventors: 公介川原; 俊司野口
Original assignee: Canon Machinery Inc
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Priority date: 2014-11-19
Filing date: 2014-11-19
Publication date: 2018-06-27
Anticipated expiration: 2034-11-19
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Description

本発明は、レーザ加工方法、レーザ加工装置、およびレーザ加工品に関するものである。

硬質炭素膜(例えば、ダイヤモンドライクカーボンやテトラへドラルアモルファスカーボン等)は、優れた低摩擦性・高耐磨耗性を有している。このため、近年、自動車部品や産業機器などの摺動面のコーティング、医療機器あるいは金型の保護膜等として応用されている。

また、このような硬質炭素膜表面に対して微細な穴や溝を形成すれば、油だまりとして潤滑油の枯渇を防いだり、流体の流れを制御し動圧を発生させ負荷容量を増やしたり、あるいは、摩耗により発生する微粒子を捕集し焼きつきを防止するといった機能を付与することができる。このように、硬質炭素膜表面に対して微細な穴や溝等の表面加工を施すことで硬質炭素膜表面は高機能化され、機器のエネルギー消費を抑制し、また部品寿命を延ばすことが可能となる。さらには、微細パターンを形成することで、生体適合性を制御したり、あるいはインプリントの金型としても利用できる。

材料表面に微細な穴や溝を形成する方法は従来から種々提案されている。例えば、フォトリソグラフィやレーザ加工がある。フォトリソグラフィは、感光性の物質を塗布した物質の表面を、パターン状に露光（パターン露光、像様露光などとも言う）することで、露光された部分と露光されていない部分からなるパターンを生成する技術である。また、レーザ加工は、微細構造を形成させたい場所にレーザ光を集光することでその領域に局所的な材料の溶融あるいは蒸散を発生させ、平坦な材料表面を微細な凹凸構造に変形させることができる加工方法である。

フォトリソグラフィは大規模集積回路の製造方法として知られ、非常に精密な微細構造を形成可能な方法である。しかしながら、材料のエッチングや堆積には化学薬品や真空装置が必要となる。そのため、それらの使用済み薬剤の処理が必要であり、さらには、工程が複数に及ぶため装置が大型化することが問題となる。

レーザ加工は、フォトリソグラフィと比較すると、形成可能な形状の寸法の小ささや精度では劣る場合がある。しかしながら、レーザ光を材料表面に照射するだけでよいため簡便であり加工装置も小型化が可能であり、しかもフォトリソグラフィで使用していた薬剤等が不要である。従来のレーザ加工には、特許文献１や特許文献２等がある。このため、硬質炭素膜表面に対して、微細な穴や溝を形成する場合にレーザ加工することが提案できる。

通常、硬質炭素膜は可視から近赤外領域の波長の光に対しての吸収率が低いものがある。また、波長が長くなれば、透過率が上昇する。例えば、特許文献３に記載されたダイヤモンドライクカーボンでは、波長４００ｎｍ以上では４割以上の光が透過し、波長６００ｎｍ以上の光の透過率は８割以上となっている（特許文献３の図４参照）。また、テトラヘドラルアモルファスカーボンの光透過特性の一例として非特許文献１の図５ａに記載されている。このテトラヘドラルアモルファスカーボンでは、膜厚を１μｍと仮定した場合、波長８００ｎｍ以上で２割以上の光が透過する計算となる。

このため、エネルギ効率よく微細なレーザ加工を施すには硬質炭素膜に吸収されるような短波長レーザや、あるいは高強度による高い非線形吸収が期待されるフェムト秒レーザを用いることになる。短波長レーザにはエキシマレーザや、ＹＡＧ、ＹＬＦ、ＹＶ０₄あるいはＫＧＷ系等の結晶レーザおよびファイバーレーザの高調波がある。すなわち、高調波としては波長８００ｎｍ以下のレーザを使用することになり、好ましくは波長６００ｎｍ以下のレーザを使用するのがよく、さらには波長４００ｎｍ以下のレーザがよい。フェムト秒レーザを使用して２光子吸収を利用する場合は、１６００ｎｍ以下の波長のフェムト秒レーザを使用することになり、さらには、波長１２００ｎｍ以下のフェムト秒レーザが好ましく、さらには波長８００ｎｍ以下のフェムト秒レーザが良い。

エキシマレーザは高出力を得られるが、レーザ発振の繰り返し周波数が最高でも数ｋＨｚであるため高速な加工には不向きである。結晶系およびファイバーレーザの高調波はレーザ発振の繰り返し周波数が数百ｋＨｚから数ＭＨｚの機器が商用として利用できるため高速加工に適している。

特開２０００−３０１３７２号公報特開２００２−２８７９９号公報特開２０１１−２１４０８５号公報

「ＣｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎＯｐｔｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄＨａｒｄｎｅｓｓｏｆＤｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅＣａｒｂｏｎＦｉｌｍｓ」：ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｌｉｄＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、Ｖｏｌ．７、Ｎｏ．２、ｐ．１８７−１９８．２０１３

前記高調波とは、レーザ媒質固有の発振波長のレーザ光(基本波:波長＝λ)を、非線形光学結晶と呼ばれる素子などを通過させることによって波長変換し発生するものであって、第２高調波(波長＝λ／２)、第３高調波(波長＝λ／３)、あるいは第４高調波(波長＝λ／４)といった短波長レーザである。この基本波から高調波への波長変換効率は１００％ではなく、例えば、ＹＡＧレーザの基本波から第２高調波への変換効率は５０％程度である。したがって、基本波で加工するよりも高調波に波長変換して加工するとエネルギーの損失となるばかりでなく、波長変換のための部品を増設するため装置が高価になる。

ところで、硬質炭素膜２は、図９に示すように、基材１上に形成される。そして、基材１としては、鉄系、アルミ系あるいはチタン系などの合金、シリコン、チタン、ポリマー、セラミクスなどさまざまな種類の基材がある。このため、レーザ光Ｌ２によるこれら基材１の加工閾値が硬質炭素膜の加工閾値よりも小さい場合がある。

硬質炭素膜２を加工するのに十分なエネルギー密度のレーザ光Ｌ２が、図９（ａ）に示すように、硬質炭素膜２を透過して、基材１表面に照射されることになる。このような場合、図９（ｂ）に示すように、加工閾値の小さな基材１では、容易に加工されることになる。すなわち、透過率が高いレーザ光Ｌ２を用いれば、図９（ａ）に示すように、基材１又は（基材１と硬質炭素膜２との間の中間層）にレーザ光Ｌ２が吸収され、それらに損傷を与え、図９（ｂ）に示すように、硬質炭素膜２と基材１との結合が破壊され、剥離が発生する。なお、図９（ｂ）において、３は硬質炭素膜２の剥離片を示している。このように、図１０に示すよう基材１が露出している状態となる。すなわち、図１０に示すように中央部の白くなっている部位が露出した基材１を示している。

このように、一般的な固体レーザの基本波を用いて、部品をコーティングしている硬質炭素膜の表面を加工しようとすると、硬質炭素膜を透過し基材を加工することになって、硬質炭素膜の剥離が生じるという問題があった。

ところで、前記特許文献１及び特許文献２に記載のレーザ加工では、被加工面の表面に吸光物質を付設し、レーザ光を照射することによって、被加工物表面に、変質層を形成するようにしている。この変質層が、その後に続けて照射されるレーザ光を吸収して溶融・除去されることにより、微細な穴を加工するようにしている。

すなわち、図１１（ａ）に示すように、基材１上の硬質炭素膜２の表面に、例えば、マジックインキ（登録商標）などの顔料等のレーザ光Ｌ２を吸収する物質４を塗布あるいは付着させれば、図１１（ｂ）に示すように、レーザ光Ｌ２をこの物質４にて吸収することができ、基材１にレーザ光Ｌ２が吸収されることがなくなる。これによって、硬質炭素膜２と基材１との結合が破壊されず、硬質炭素膜２の剥離の発生を回避できる。すなわち、図１１（ｂ）に示すように、硬質炭素膜２の表面に、微細な穴等の加工部位５を形成することができる。

しかしながら、この場合、レーザ光を吸収する物質を塗布あるいは付着させる必要があるため、吸収材を塗布あるいは付着させるための装置及びその工程を必要として、作業性に劣るとともに、作業コスト高となる。

本発明は、上記課題に鑑みて、硬質炭素膜に対して透過を有する波長のレーザを用いても、硬質炭素膜の基材からの剥離を伴わないで、微細な穴や溝等の表面加工を高精度に施すことが可能なレーザ加工方法、レーザ加工装置、及びレーザ加工品を提供する。

本発明のレーザ加工方法は、基材上に形成された硬質炭素膜にパルス幅が１ｐｓ以上の加工用パルスレーザ光を照射して硬質炭素膜を加工するレーザ加工方法であって、前記加工用パルスレーザ光の照射領域の硬質炭素膜の表面乃至内部を、加工用パルスレーザ光を照射した際に、基材乃至基材と硬質炭素膜の間に介在された中間層に損傷を与えず、基材と硬質炭素膜との結合が破壊されなくなる改質部に成形する第１工程と、前記改質部に、前記加工用パルスレーザ光を照射する第２工程とを備え、前記第１工程では、加工用パルスレーザ光の照射強度よりも弱くかつパルス幅が１ｐｓ以上であって、基材の加工閾値未満のパルスレーザ光を照射することによって、前記改質部を成形するものである。

本発明のレーザ加工方法によれば、第１工程にて、加工用パルスレーザ光の照射領域の硬質炭素膜の表面乃至内部に、改質部を形成することができる。改質部は、加工用パルスレーザ光に対する透過率を低減させるものである。このため、吸光物質を塗布したり付着させたりすることなく改質部を形成することができる。第２工程には、改質部に加工用パルスレーザ光を照射する。これによって、この改質部の表面加工を行うことができる。しかも、吸光物質を塗布したり付着させたりすることなく前記改質部を形成することができる。したがって、このレーザ加工方法では、改質とは、加工用パルスレーザ光を、改質部に照射した際に、基材乃至基材と硬質炭素膜の間に介在された中間層に損傷を与えず、基材と硬質炭素膜との結合が破壊されなくなる状態であるということができ、また、加工とは、改質部に加工用パルスレーザ光を照射した際に、少なくともこの改質部が除去されるものであるということができる。

前記第２工程で用いるパルスレーザ光が、その集光点での空間的な照射エネルギー密度分布の中に、前記改質部の加工が可能な照射エネルギー密度と未改質状態の前記硬質炭素膜を前記改質部へと改質可能な照射エネルギー密度を併せ持ち、前記パルスレーザ光照射による改質部の加工と同時にこの加工部周辺の硬質炭素膜自身の表面ないし内部に新規改質部を形成し、その後、さらに次のパルスレーザ光照射による加工部が既設の新規改質部形成領域に含まれるようにパルスレーザ集光点と加工対象物を相対的に移動させ照射することで、加工領域を連続的に拡張するものであってもよい。

前記のような構成によれば、パルスレーザ光を照射すれば、改質部の加工と同時にこの加工部周辺の硬質炭素膜自身の表面ないし内部に新規改質部を形成することができる。すなわち、加工用レーザの集光点内のレーザ光のエネルギー分布が一様でなく、例えばガウス分布状となる加工用のレーザを照射すれば、加工と同時にその周辺に改質部が形成される。その後、次のパルスレーザ光照射による加工部が既設の新規改質部形成領域に含まれるようにパルスレーザ集光点と加工対象物を相対的に移動させ照射する。すなわち、集光点をオーバーラップさせながら走査照射することで、剥離を抑制しながら加工領域を拡大できる。この場合、加工用レーザを最初に照射する領域に、改質部を形成しておく必要がある。

照射するパルスレーザ光の集光点での照射エネルギー密度が時間的に変調され、パルス列内において前記第１工程と第２工程とを含んでいるものであってもよい。

このように構成することによって、一連のパルス列を用いて、パルス列の前部では改質部の形成を、パルス列の後部で加工を行えるレーザ光強度に設定することで、改質部には必ず加工用レーザを照射することができる。

第２工程では、加工闘値近傍の照射強度の加工用パルスレーザを照射し、この加工用パルスレーザ光の照射部分をオーバーラップさせながら走査して、グレーティング状の表面微細周期構造を自己組織的に形成することができる。

前記レーザ加工方法によりレーザ加工品を得ることができる。

本発明のレーザ加工装置は、基材上に形成された硬質炭素膜にパルス幅が１ｐｓ以上の加工用パルスレーザ光を照射して硬質炭素膜を加工するレーザ加工装置であって、前記加工用パルスレーザ光の照射領域の硬質炭素膜の表面乃至内部を、基材乃至基材と硬質炭素膜の間に介在された中間層に損傷を与えず、基材と硬質炭素膜との結合が破壊されなくなる改質部に成形するレーザ光の照射と、前記改質部に加工用パルスレーザ光の照射とを行うものであり、前記改質部に成形するレーザ光は、加工用パルスレーザ光の照射強度よりも弱くかつパルス幅が１ｐｓ以上であって、基材の加工閾値未満のパルスレーザ光である。

本発明のレーザ加工装置によれば、加工用パルスレーザ光の照射領域の硬質炭素膜の表面乃至内部を、加工用パルスレーザ光に対する透過率を低減させる改質部に形成することができる。改質部に、前記加工用パルスレーザ光を照射する。これによって、この改質部の表面加工を行うことができ、しかも、改質部は、加工用パルスレーザ光に対する透過率を低減させるものであり、硬質炭素膜の下の基材に対して加工用パルスレーザ光による損傷を回避することができる。

前記レーザ加工装置によりレーザ加工品を得ることができる。

本発明では、加工用パルスレーザ光に対する透過率を低減させることができる改質部を加工用パルスレーザ光の照射領域に形成することができ、硬質炭素膜の下の基材に対して加工用パルスレーザ光による損傷を回避することができる。このため、基材からの剥離を伴わないで、硬質炭素膜表面に高精度に微細な穴や溝等の表面加工を施すことが可能である。

しかも、吸光物質を塗布したり付着させたりすることなく改質部を形成することができるので、吸収材（吸光物質）を塗布あるいは付着させるため装置及びその工程を必要とせず、作業性に優れるとともに低コスト化を図ることができる。また、使用するレーザ光としては、パルス幅が１ｐｓ以上のパルスレーザ光であるので、高価なフェムト秒レーザ等を用いる必要がなく、低コスト化を図ることができる。

第１工程では、加工用パルスレーザ光の照射強度よりも弱く、かつパルス幅が１ｐｓ以上のパルスレーザ光を用いれば、第１工程と第２工程とで共通のレーザ照射装置を用いることができ、コスト低減及び作業時間の短縮化を図ることができる。

パルスレーザ光照射による改質部の加工と同時にこの加工部周辺の硬質炭素膜自身の表面ないし内部に新規改質部を形成する方法では、独立した第１工程は初期の１回のみでよく、その後は、第２工程を行うことによって第１工程も行われる。このため、大幅な作業時間の短縮を図ることができ、作業性に優れたものとなる。

パルス列内において前記第１工程と第２工程とを含んでいるものでは、加工時間の短縮が図れ、また、改質部と加工位置の位置決めの再現を厳密に制御する必要がなくなる。

加工闘値近傍の照射強度の加工用パルスレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、グレーティング状の表面微細周期構造を自己組織的に形成するものでは、機械加工では困難なサブミクロンの周期ピッチと凹凸深さをもつ周期構造を容易に得ることができる。

前記レーザ加工方法やレーザ加工装置にて加工されてなるレーザ加工品は、硬質炭素膜の、基材からの剥離を伴わないで、硬質炭素膜表面に高精度に微細な穴や溝等の表面加工が施されてなるものであり、高品質の製品となっている。

本発明のレーザ加工方法の簡略工程図である。本発明の第１の実施形態を示すレーザ加工方法を示し、（ａ）は第１工程の簡略図であり、（ｂ）は第２工程の簡略図である。本発明に係るレーザ加工装置の簡略図である。前記レーザ加工装置にて照射されるレーザ光のパルス列を示すグラフ図である。本発明の第２の実施形態を示すレーザ加工方法を示し、（ａ）は第１工程の簡略図であり、（ｂ）は第２工程の簡略図である。本発明に係るレーザ加工方法で加工された硬質炭素膜を示し、（ａ）は穴が加工された硬質炭素膜表面の平面図であり、（ｂ）はグレーティング状の表面微細周期構造が加工された硬質炭素膜表面の平面図である。第１工程後の硬質炭素膜表面の顕微鏡写真図である。予め改質部を形成した後、硬質炭素膜を加工した状態の顕微鏡写真図である。改質層を形成することなく、硬質炭素膜を加工する方法を示し、（ａ）は硬質炭素膜にレーザ光を照射している状態の簡略図であり、（ｂ）は硬質炭素膜に剥離が生じている状態の簡略図である。改質層を形成することなく、硬質炭素膜を加工した状態の顕微鏡写真図である。レーザ光吸収材を用いたレーザ加工方法を示し、（ａ）は硬質炭素膜上のレーザ光吸収材を付着させている状態の簡略図であり、（ｂ）は硬質炭素膜上にレーザ光を照射している状態を示す簡略図である。

以下本発明の実施の形態を図１〜図８に基づいて説明する。

図２は本発明に係るレーザ加工方法を示し、このレーザ加工方法は、基材２３と、この基材２３上に形成された硬質炭素膜２４とからなるワーク（加工対象物）Ｗに加工用パルスレーザ光Ｌを照射して硬質炭素膜２４を加工するものである。ここで、基材２３としては、鉄系、アルミ系、又はチタン系などの合金、シリコン、チタン、ポリマー、セラミクス等の種々の材料にて構成される。また、硬質炭素膜２４は、ダイヤモンド、ダイヤンドライクカーボン（ＤＬＣ）、アモルファスカーボン又はテトラヘドラアモルファスカーボン等である。また、それらの膜に特定の元素が注入されるように作製したもの、あるいは特定の元素を含まないように作製したものであってもよい。特定の元素とは、水素、窒素、フッ素、チタン、シリコン、ゲルマニウム、ボロンなどがある。硬質炭素膜２４は、一般には、自動車部品、産業機器、医療機器あるいは金型の保護膜等に使用される。なお、基材２３と硬質炭素膜２４との間に接着層としての中間層が介在されたものであってもよい。

ここで、前記加工としては、図６（ａ）に示すような多数の穴部２６ａを有する加工部２６を形成する穴加工、つまりマイクロディンプル加工であったり、図６（ｂ）に示すようなグレーティング状の表面微細周期構造２６ｂとなる加工部２６を形成する溝加工であったりする。また、レーザ加工には、図３に示すレーザ加工装置を用いる。このレーザ加工装置は、レーザ発生器１１と光学系１０とを備えたものである。このレーザ加工装置では、レーザ発生器１１は、ミラー１２により加工対象物Ｗに向けて折り返され、メカニカルシャッタ１３に導かれる。レーザ照射時はメカニカルシャッタ１３を開放し、レーザ照射強度は、レーザ発生器および１／２波長板１４と偏光ビームスプリッタ１６によって調整可能とし、１／２波長板１５によって偏光方向を調整し、集光レンズ１７によって、ＸＹθステージ１９上の加工対象物表面（硬質炭素膜表面）に集光照射することになる。

本発明に係るレーザ加工方法は、図１に示すように、改質部２５を成形する第１工程２１と、改質部２５にパルス幅が１ｐｓ以上の加工用パルスレーザ光Ｌを照射する第２工程２２とを備える。改質部２５とは、加工用パルスレーザ光の照射領域の硬質炭素膜の表面乃至内部を、加工用パルスレーザ光に対する透過率を低減させる層である。ここで、改質とは、加工用パルスレーザ光Ｌを、改質部２５に照射した際に、基材２３乃至基材２３と硬質炭素膜２４の間に介在された中間層に損傷を与えず、基材２３と硬質炭素膜２４との結合が破壊されなくなる状態をいう。また、加工とは、改質部２５に加工用パルスレーザ光Ｌを照射した際に、少なくともこの改質部２５が除去されるものである。

このため、改質層２５となる透過率の低減率としては、硬質炭素膜２４の材質、肉厚寸法、加工用パルスレーザＬの種類（波長、強度、パルス数、ショット数）等に応じて、設定することになる。また、加工用パルスレーザ光Ｌは前記したように、パルス幅が１ｐｓ以上のパルスレーザ光を用いることになるが、そのパルス幅の上限値としても、使用する基材２３に対して、図６(ａ)(ｂ)等の加工が可能であればよく、例えば、１ｐｓ以上１ｎｓ以下等のように任意に設定できる。

前記レーザ加工装置では、レーザ発振器１１(例えば、波長１０３０ｎｍ、パルス幅１０ｐｓ)から射出されたレーザ光のエネルギーが硬質炭素膜２４下にある基材２３表面上で基材２３の加工閾値未満になるように調整して集光レンズ１７に導く。ここで、基材２３の加工閾値未満とは、レーザ集光点を基材２３に対して相対的に静止あるいは走査させた状態でレーザ照射した場合に、基材２３の溶融あるいは蒸散により基材２３を被覆している硬質炭素膜２４が基材２３から剥離しない照射条件とする。この基材２３の加工閾値未満のレーザ光Ｌを硬質炭素膜２４に照射する。これによって、このレーザパルスの照射により硬質炭素膜２４にわずかに存在するレーザ光吸収によって硬質炭素膜は未照射の状態から改質される。すなわち、硬質炭素膜２４を透過するレーザ光量が減少する改質部２５が形成される前記第１工程２１が行われる。

第２工程２２では、改質部２５に、改質部２５が溶融あるいは蒸散するようなエネルギー密度のレーザ光（加工用パルスレーザ光Ｌ）を、前記レーザ照射装置を介して照射する。この場合、改質部２５の形成により、硬質炭素膜２４を透過するレーザ光量が減少しているため基材２３表面の加工が発生せず、硬質炭素膜２４の基材２３からの剥離を抑制した状態で硬質炭素膜２４の加工ができる。つまり、少なくとも改質部２５が除去されて穴や溝等の加工部位２６が形成される。

すなわち、改質部２５はレーザ光の透過量が低い状態が維持される。したがって、あらかじめ硬質炭素膜に弱いレーザ光（パルスレーザ光Ｌ１）の照射によって改質部２５を形成しておけば、その後の強いレーザ光（加工用パルスレーザ光Ｌ）を照射しても硬質炭素膜２４が剥離することなく加工できる。ここで、弱いレーザ光Ｌ１としては、例えば、波長が６００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、さらに好ましくは１０００ｎｍ以上１６００ｎｍ以下であり、強度が０．０１Ｊ／ｃｍ²以上０．５Ｊ／ｃｍ²未満であり、パルス幅は１ｐｓ以上１ｎｓ以下である。また、強いレーザ光Ｌとしては、例えば、波長が６００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、さらに好ましくは１０００ｎｍ以上１６００ｎｍ以下であり、強度が０．５Ｊ／ｃｍ²以上１０Ｊ／ｃｍ²未満であり、パルス幅は１ｐｓ以上１ｎｓ以下である。すなわち、この弱いレーザ光は、加工用パルスレーザ光Ｌに対する透過率を低減させる改質部２５を成形することができ、基材２３乃至基材２３と硬質炭素膜２４の間に介在された中間層に損傷を与えず、基材２３と硬質炭素膜２４との結合が破壊されなくなるレーザ光である。また、強いレーザ光は、少なくとも改質部２５を除去することが可能なレーザ光である。

第１工程２１と第２工程２２とを行う場合、硬質炭素膜２４の加工領域全体に対して弱いレーザ光Ｌ１を照射することによって、改質部２５を形成した後、強いレーザ光（加工用パルスレーザ光）Ｌを照射するものであったり、加工点ごとに改質部２５の形成と強いレーザ光Ｌの照射による加工をし、それを繰り返すことで、加工領域を拡張することも可能である。

加工点ごとに改質部２５の形成と強いレーザ光Ｌの照射による加工を行う場合、図４に示すように、前部が改質部形成用で後部が加工用の強度に時間的に変調されたレーザパルス列によって加工することもできる。このような加工を行えば、加工時間の短縮が図れ、また、改質部２５と加工位置の位置決めの再現を厳密に制御する必要がなくなる。

ところで、前記実施形態では、第１工程２１と第２工程２２とは、１つのレーザ加工装置で行うものであるので、この装置に、前記のような弱いレーザ光Ｌ１の照射と、強いレーザ光Ｌの照射を行うための制御手段を設けるのが好ましい。しかしながら、手動によって、弱いレーザ光Ｌ１の照射と、強いレーザ光Ｌの照射とを手動による切り替えによって行ってもよい。

ところで、図５（ｂ）に示すように、強いレーザ光Ｌの硬質炭素膜上でのエネルギー密度分布が集光点内で一様でなく、例えばガウス分布を形成していれば、照射により加工された部位の周辺には、弱いレーザを照射した場合と同様のエネルギー密度が存在する。したがって、図５（ａ）に示すように、まず、弱いレーザ光Ｌ１を照射して改質部２５を形成した後、この改質部２５に対して、図５（ｂ）に示すように、ガウス分布を形成する強いレーザ光を照射する。これによって、レーザ光の吸収が増加した改質領域が新たに形成される。このため、次の加工部位２６が新たに形成された改質部２５に含まれるように次の強いレーザ光Ｌを照射すれば、加工領域を拡張することが可能となる。

すなわち、図５(ａ)(ｂ)に示すレーザ加工方法では、第２工程２２で用いる加工用パルスレーザ光Ｌ２が、その集光点での空間的な照射エネルギー密度分布の中に、改質部２５の加工が可能な照射エネルギー密度と未改質状態の硬質炭素膜２４を改質部２５へと改質可能な照射エネルギー密度を併せ持ち、パルスレーザ光照射による改質部２５の加工と同時にこの加工部周辺の硬質炭素膜２４自身の表面ないし内部に新規改質部２５を形成する。その後、さらに次のパルスレーザ光照射による加工部が既設の新規改質部形成領域に含まれるようにパルスレーザ集光点と加工対象物を相対的に移動させ照射することで、加工領域を連続的に拡張することになる。

ところで、図６（ｂ）に示すようなグレーティング状の表面微細周期構造を形成する場合、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザ光Ｌを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的に形成している。すなわち、アブレーション閾値近傍のフルエンスで直線偏光のレーザをワーク（加工対象物）Ｗに照射した場合、入射光と加工対象物Ｗの表面に沿った散乱光またはプラズマ波の干渉により、レーザ波長と同程度の周期間隔で、エネルギー分布にわずかな粗密が生じる。一般的な加工方法ではレーザ照射面全体が加工されるが、加工閾値近傍のエネルギー密度でレーザ照射することで、高エネルギー部分を選択的に加工することができる。その結果、１光軸のレーザ照射でありながら、グレーティング状の周期構造が形成される。

本発明では、加工用パルスレーザ光Ｌに対する透過率を低減させることができる改質部２５を加工用パルスレーザ光Ｌの照射領域に形成することができ、硬質炭素膜２４の下の基材２３に対して加工用パルスレーザ光Ｌによる損傷を回避することができる。このため、基材２３からの剥離を伴わないで、硬質炭素膜表面に高精度に微細な穴や溝等の表面加工を施すことが可能である。

しかも、吸光物質を塗布したり付着させたりすることなく改質部２５を形成することができるので、吸収材（吸光物質）を塗布あるいは付着させるための装置及びその工程を必要とせず、作業性に優れるとともに低コスト化を図ることができる。また、使用するレーザ光としては、パルス幅が１ｐｓ以上のパルスレーザ光であるので、高価なフェムト秒レーザ等を用いる必要がなく、低コスト化を図ることができる。

第１工程２１では、加工用パルスレーザ光Ｌの照射強度よりも弱くかつパルス幅が１ｐｓ以上であって、基材の加工閾値未満のパルスレーザ光を用いれば、第１工程２１と第２工程２２とで共通のレーザ照射装置を用いることができ、コスト低減及び作業時間の短縮化を図ることができる。

パルスレーザ光照射による改質部２５の加工と同時にこの加工部周辺の硬質炭素膜自身の表面ないし内部に新規改質部２５を形成する方法では、第１工程２１は、初期の１回のみでよく、大幅な作業時間の短縮を図ることができ、作業性に優れたものとなる。

パルス列内において第１工程２１と第２工程２２とを含んでいるものでは、加工時間の短縮が図れ、また、改質部２５と加工位置の位置決めの再現を厳密に制御する必要がなくなる。

加工闘値近傍の照射強度の加工用パルスレーザを照射し、この加工用パルスレーザ光Ｌの照射部分をオーバーラップさせながら走査して、グレーティング状の表面微細周期構造を自己組織的に形成するものでは、機械加工では困難なサブミクロンの周期ピッチと凹凸深さをもつ周期構造を容易に得ることができる。勿論グレーティング状の表面微細周期構造と穴や溝が組み合わさったものを形成してもよい。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、第１工程２１での改質部２５の形成は、レーザ照射にて行っていたが、他の方法、例えば、電子線やプラズマを用いるものであってもよい。また、第１工程２１と第２工程２２とで共通のレーザ照射装置を用いるのが、コスト及び生産性等を考慮すれば好ましいが、第１工程２１と第２工程２２とで別のレーザ照射装置を用いるものであってもよい。このように、別のレーザ照射装置を用いる場合、硬質炭素膜２４の加工領域全体に対して弱いレーザ光Ｌ１を照射することによって、改質部２５を形成した後、強いレーザ光（加工用パルスレーザ光）Ｌを照射するものが最適となる。加工ステージがより多軸のものであれば複雑な形状のものが加工可能である。

レーザ発振器から波長１０３０ｎｍでパルス幅１０ｐｓのレーザ光を、肉厚が１μｍの硬質炭素膜（ダイヤモンドライクカーボン）に照射して、この硬質炭素膜の改質部を形成した。この場合、基材２３として鉄系合金を使用し、この基材表面に基材２３の加工閾値未満となるように調整して集光レンズに導く。これによって、図７に示すような改質部２５を形成することができる。図７において、改質部２５は中央部の黒くなっている部位である。

このような改質部２５を形成した後、ガウス分布を形成する強いレーザ光Ｌを図７に示す改質部２５に向けて照射する。これによって、レーザ光Ｌの吸収が増加した改質領域が新たに形成される。この場合、次の加工部が新たに形成された改質部２５に含まれるように次の強いレーザ光Ｌを照射すれば、図８に示すように、剥離なく加工領域を拡張することができた。図８において、中央部の黒い帯状部よりも図面右側が未加工部を示し、黒い帯状部よりも図面左側が溝加工部を示している。

２１第１工程
２２第２工程
２３基材
２４硬質炭素膜
２５改質部
２６加工部位
Ｌ加工用パルスレーザ光
Ｌ１パルスレーザ光
Ｗ加工対象物

Claims

基材上に形成された硬質炭素膜にパルス幅が１ｐｓ以上の加工用パルスレーザ光を照射して硬質炭素膜を加工するレーザ加工方法であって、
前記加工用パルスレーザ光の照射領域の硬質炭素膜の表面乃至内部を、加工用パルスレーザ光を照射した際に、基材乃至基材と硬質炭素膜の間に介在された中間層に損傷を与えず、基材と硬質炭素膜との結合が破壊されなくなる改質部に成形する第１工程と、
前記改質部に、前記加工用パルスレーザ光を照射する第２工程とを備え、
前記第１工程では、加工用パルスレーザ光の照射強度よりも弱くかつパルス幅が１ｐｓ以上であって、基材の加工閾値未満のパルスレーザ光を照射することによって、前記改質部を成形することを特徴とするレーザ加工方法。
前記第２工程で用いる加工用パルスレーザ光が、その集光点での空間的な照射エネルギー密度分布の中に、前記改質部の加工が可能な照射エネルギー密度と未改質状態の前記硬質炭素膜を前記改質部へと改質可能な照射エネルギー密度を併せ持ち、前記パルスレーザ光照射による改質部の加工と同時にこの加工部周辺の硬質炭素膜自身の表面ないし内部に新規改質部を形成し、その後、さらに次のパルスレーザ光照射による加工部が既設の新規改質部形成領域に含まれるようにパルスレーザ集光点と加工対象物を相対的に移動させ照射することで、加工領域を連続的に拡張することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
照射するパルスレーザ光の集光点での照射エネルギー密度が時間的に変調され、パルス列内において前記第１工程と第２工程とを含んでいることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザ加工方法。
第２工程では、加工闘値近傍の照射強度の加工用パルスレーザを照射し、この加工用パルスレーザ光の照射部分をオーバーラップさせながら走査して、グレーティング状の表面微細周期構造を自己組織的に形成することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のレーザ加工方法。
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のレーザ加工方法により得られることを特徴とするレーザ加工品。
基材上に形成された硬質炭素膜にパルス幅が１ｐｓ以上の加工用パルスレーザ光を照射して硬質炭素膜を加工するレーザ加工装置であって、
前記加工用パルスレーザ光の照射領域の硬質炭素膜の表面乃至内部を、基材乃至基材と硬質炭素膜の間に介在された中間層に損傷を与えず、基材と硬質炭素膜との結合が破壊されなくなる改質部に成形するレーザ光の照射と、前記改質部に加工用パルスレーザ光の照射とを行うものであり、前記改質部に成形するレーザ光は、加工用パルスレーザ光の照射強度よりも弱くかつパルス幅が１ｐｓ以上であって、基材の加工閾値未満のパルスレーザ光であることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項６に記載のレーザ加工装置により得られることを特徴とするレーザ加工品。