JPH11179576A - 光加工機及びそれを用いたオリフィスプレートの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザ光を用いてマスク面上のマスクパター
ンを加工物に高精度に加工することができる光加工機及
びそれを用いたオリフィスプレートの製造方法を得るこ
と。 【解決手段】 光源から放射された光でマスク面上に設
けたパターンを照明し、該パターンを光学系によって加
工物に投影し、アブレーション加工するようにした光加
工機において、アブレーション加工の経過に際して、該
マスクと光学系、そして加工物の光軸方向の相対的位置
を変化させて、該加工物面上に投影される該マスクのパ
ターン像の結像特性を制御していること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光加工機及びそれ
を用いたオリフィスプレートの製造方法に関し、特にレ
ーザ光等のコヒーレント光を用いて加工物（基板）に複
数の開口を配列した周期構造のパターンを物理的に又は
化学的に微細加工し、例えばインクジェット方式のプリ
ンタに使用するオリフィスプレートを製造する際に好適
なものである。

【０００２】

【従来の技術】エキシマレーザ等からのコヒーレント光
を利用した光加工は、他の化学反応応用加工や、機械的
加工物等と共に広い分野で利用されている。特に、近年
の技術革新により、材料，光学技術，生産技術等の要件
が整い、微細加工の分野でコヒーレント光を利用した光
加工法が盛んに用いられるようになってきた。光加工機
としてオリフィスプレートの製造をマスク投影方式でレ
ーザ加工にて行う光加工機が種々と提案されている。

【０００３】図５は従来のマイクロマシン光加工機の光
学系の概略図である。同図の光加工機は基板５３に周期
的な穴や溝等を光加工して穿孔している場合を示してい
る。

【０００４】図５において５０はレーザ光である。５１
はマスクであり、その面上には複数の開口部を所定の周
期で配列したマスクパターン５１ａを形成している。５
２は投影レンズ、５３は加工物（基板）であるサンプル
である。レーザ光５０はマスク５１のパターン５１ａに
基づいて加工形状に切り出される。このレーザ光は、投
影レンズ５２で幾何光学的に、サンプル５３に所定倍率
にて結像され、マスク５１のパターン５１ａの形状をサ
ンプル５３に光加工している。

【０００５】このようなコヒーレント光を用いた光加工
の種類として、光加工原理が熱による溶解や燃焼によら
ず、また、レジストと他のプロセスを組み合わせたリソ
グラフィによるパターニングなどとも異なり、光エネル
ギー自体による原子、分子結合の切断により加工を行う
アブレーション加工と呼ばれる方法がある。

【０００６】アブレーション加工は、熱プロセスよりも
微細な加工ができること、レジストプロセスよりも簡便
であること等により、主にプラスチック加工等の分野に
おいて成果をあげている。

【０００７】主な光は紫外線であり、この紫外線は各種
エキシマレーザや窒素レーザ等の気体レーザ、Ｎｄレー
ザ等の固体レーザの高調波、Ａｒレーザや銅蒸気レーザ
等の放電励起気体レーザの高調波、色素レーザやチタン
−サファイアレーザ等波長可変レーザの高調波等を利用
して得ている。

【０００８】将来的には半導体レーザや、その高調波
等、または、自由電子レーザやシンクロトロン放射光な
ど従来より工業利用が困難であった光源の利用まで期待
されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】光加工としてのアブレ
ーション加工は、μｍオーダの微細加工が容易であると
いう特徴がある。そして、それに基づく加工精度の微小
化に対応して、それに用いる光学系に高い分解能が要求
されている。

【００１０】光学系の分解能Δは、 Δ＝λ／ＮＡ で表される（ここでλは使用波長、ＮＡは光学系の開口
数）。即ち開口数ＮＡが大きい程、分解能Δは良くな
る。

【００１１】一方、光学系の焦点深度Ｌは Ｌ＝λ／ＮＡ² で求められる。即ち、開口数ＮＡが大きくなる程、焦点
深度は狭くなってくる。このように焦点深度Ｌは加工分
解能Δがあるに従って、焦点深度のマージンが２乗の特
性で減少する。

【００１２】このように分解能Δと焦点深度Ｌの双方を
良くすることができず、ここにアブレーション加工の難
しさがある。

【００１３】特にアブレーション加工は、フォトリソグ
ラフィと異なり、本質的に３次元加工をめざすものであ
る為、焦点深度の減少は、加工アスペクト比（例えば、
溝加工の場合の溝の幅と、溝の深さの比）を大きくでき
ないことが、大きな障害となっている。

【００１４】また、基板上に光軸に対してまっすぐな穴
をあけようと欲しても、加工の進行により、加工位置に
おけるスポット径が大きくなり、即ち、ピンボケによ
り、該加工位置での光エネルギーの重心位置がずれてい
く為、穴が斜めにあいてしまう現象も生じてくる。

【００１５】この斜めに穴があく問題を、キャンセルす
るため、主光線の平行度まで吟味したテレセントリック
レンズを使用する場合が多いが、テレセントリックレン
ズは、口径が大きく、収差要求精度も高いため、複雑な
レンズ構成となるという問題点があった。

【００１６】本発明は、光源からの光で照明したマスク
面上のパターンを投影レンズで加工物面上に投影してア
ブレーション加工するとき、加工物面に投影されるパタ
ーン像の結像特性を制御することによって加工物を容易
かつ高精度に光加工することができる光加工機及びそれ
を用いたオリフィスプレートの製造方法の提供を目的と
する。

【００１７】

【課題を解決する為の手段】本発明の光加工機は、 (1-1) 光源から放射された光でマスク面上に設けたパタ
ーンを照明し、該パターンを光学系によって加工物に投
影し、アブレーション加工するようにした光加工機にお
いて、アブレーション加工の経過に際して、該マスクと
光学系、そして加工物の光軸方向の相対的位置を変化さ
せて、該加工物面上に投影される該マスクのパターン像
の結像特性を制御していることを特徴としている。

【００１８】特に、 (1-1-1) 前記結像特性の制御は、前記マスクのパターン
像の最良結像面と前記加工物の加工位置との光軸方向の
距離の変化であること。

【００１９】(1-1-2) 前記結像特性の制御は、前記マス
クのパターン像の前記加工物面上における光強度分布で
あること。

【００２０】(1-1-3) 前記加工物をピエゾ素子を利用し
て光軸方向に駆動していること。

【００２１】(1-1-4) 前記マスク面上に設けたパターン
は周期構造の円形又はスリット形状をしていること。等
を特徴としている。

【００２２】本発明のオリフィスプレートの製造方法
は、 (2-1) 構成(1-1) の光加工機を用いて前記マスク面上の
複数の開口を一方向に配列したパターンを基板上に転写
して、該基板上に複数の小孔を穿孔してオリフィスプレ
ートを製造したことを特徴としている。

【００２３】本発明のバブルジェットプリンタは、 (3-1) 構成(1-1) の光加工機を用いて前記マスク面上の
複数の開口を一方向に配列したパターンを基板上に転写
して、該基板上に複数の小孔を穿孔して製造したオリフ
ィスプレートを有していることを特徴としている。

【００２４】(3-2) 構成(2-1) のオリフィスプレートの
製造方法により製造したオリフィスプレートを有してい
ることを特徴としている。

【００２５】

【発明の実施の形態】図１は本発明の光加工機の実施形
態１の要部概略図である。図２は図１の加工物５の加工
進行に伴う断面形状の変化を示す説明図である。

【００２６】本実施形態は加工物に平行溝（１つ１つの
溝の長さは極めて短い）をアブレーション加工（穿孔）
するものである。

【００２７】尚、本実施形態においてアブレーション加
工とは、光エネルギーによる電子、分子結合の切断によ
って被加工物を加工することをいう。

【００２８】図中、１は光源であり、例えばエキシマレ
ーザより成り、コヒーレント光を放射している。２は照
明光学系であり、光源１からの光束を集光してマスク３
を照明している。マスク３はその面上にオリフィスプレ
ート等の加工物５を光加工する為のＺ方向に複数の透過
スリット列３ａを配置した周期構造のマスクパターンを
設けている。

【００２９】４は投影レンズであり、マスク３面上のマ
スクパターンを加工物５上に投影結像している。６はピ
エゾステージであり、加工物５を載置して加工時間の経
過に伴って光軸方向（Ｘ方向）に駆動している。

【００３０】尚、照明光学系２と投影レンズ４は通常は
複数のレンズより構成されているが、同図では便宜上１
枚のレンズで示している。

【００３１】本実施形態ではエキシマレーザ１により照
射された紫外領域のレーザ光で、照明光学系２により照
度分布を均一化にしてマスク３を照明している。マスク
３に刻まれたパターン３ａにより切り出された光は、投
影レンズ４により所定の縮小率（通常５〜１０分の一）
で加工物（サンプル）５上に投影し、加工物５上にパタ
ーン３ａの像を加工している。

【００３２】このとき本実施形態では加工物のアブレー
ション加工の進行に即して、投影レンズ４、マスク３、
加工物５を相対的に光軸方向に移動し、加工物５上のマ
スクパターン像の結像特性を制御し続けている。

【００３３】次に本実施形態における加工方法について
説明する。まずサンプル５の表面を投影レンズ４の合焦
位置に調整する。合焦位置への調整は、図示されていな
いＡＦ装置で行っても良いし、又精度的に可能ならば、
ピエゾステージ６への印加電圧で計測なしに移動して行
っても良い。

【００３４】マスク３を利用してサンプル５にまず初期
位置にてごく少量ショット数（例えば１発）のレーザ光
を照射する。そうすると、その面上にはごく少量のレー
ザ光で加工されたパターン３ａに基づく穴５ａが形成さ
れる。この穴５ａの断面形状は図２（Ａ）のようにな
る。穴５ａの形状は光学系の分解能と光の散乱に依存し
たテーパが形成される場合が多い。

【００３５】図２に示すサンプル５上の加工深さが増加
してくると、サンプル５の光軸方向（Ｘ方向）に形成さ
れる結像位置は、光学系の焦点深度に比して無視できな
い大きさに達してくる。この結果、サンプル５の光軸方
向に形成されるレーザ光のスポット像が拡がるピンボケ
が生じてくる。スポット像が広がると、加工穴の径が広
がり、テーパが減少するように思えるが、加工テーパ及
び加工レート（：単位時間、または単位パルス数にて加
工できる深さ）は加工エネルギーに敏感な為、必ずしも
広がらず、むしろピンボケで単位面積あたりのエネルギ
ーが減少した分、穴径も減少する場合の方が、通常の加
工エネルギでは一般的である。

【００３６】そこで図２（Ｂ）に示すようにサンプル５
の光軸方向の新たな加工位置が投影レンズ４の合焦位置
になるように加工時間の経過に応じてピエゾステージ６
を駆動制御して、サンプル５を光軸方向に移動させてい
る。ここで合焦か否かの確認は初期位置の時と同様、図
示されていないＡＦ機構で測定しても良いし、精度がゆ
るせば、照射エネルギから予想される穴５ａの加工深さ
分、計測なしにピエゾステージ６を移動しても良い。

【００３７】特に、連続光に近いパルス間隔でレーザを
照射し、ＡＦ法等では間に合わない速度で加工する場合
には、予め照射エネルギーと穴５ａの加工深さの関係を
求めておき、ピエゾステージ６への印加電圧が、もっと
も適当な加工面（加工位置）の移動を実現するように調
節しても良い。多くの場合、アブレーション加工はほぼ
等速度で進行するので、ピエゾステージ６の制御方法
は、ピエゾのヒステリシスを補正した移動距離に即した
電圧を、逐次印加して、ピエゾステージ６を等速直線運
動させるだけで十分である。

【００３８】このように本実施形態ではアブレーション
加工中に、加工が進行するに伴って、レーザ光による照
射面は光軸方向に徐々に移動する。このため、加工面と
最適なレーザ照射面との間に位置差が生じる。この位置
差がある値、例えば焦点深度Ｌを越えると、加工形状は
変化してしまい、大きなテーパや底面の平面度の低下等
が生じ、良い特性が得られない。

【００３９】そこでこれらの効果が生じる前に、光学
系、マスク、加工物の位置を相対的に移動制御し、加工
物面上でのエネルギー強度を変えて加工最適な結像面と
レーザ照射面との位置差を解消している。これにより加
工物の加工精度を向上させている。

【００４０】本実施形態ではこのようにして、図２
（Ｃ）に示すテーパも少なく、光軸方向（Ｘ方向）を向
き、一定の径を有した穴５ａをサンプル５に貫通させて
いる。

【００４１】もし本実施形態のような駆動制御を行わ
ず、投影レンズ４の初期のピント位置にて加工し続けた
場合、レーザ光のスポットのピンボケによるテーパの増
加と、光エネルギーの重心位置の変化のため、サンプル
５に形成される穴５ａは図２（Ｄ）のような光線の向き
にならった形状となってくる。

【００４２】なお、本実施形態ではサンプル５を移動し
て、加工メカニズムを説明したが、光学系４とマスク３
を等価な量だけ移動しても、全く同一の効果を得ること
ができる。又加工物５を光軸方向のみに限らず、その姿
勢を３次元的（ＸＹＺ方向）に種々と制御しても良い。

【００４３】本実施形態では以上の光加工機を用いてオ
リフィスプレートを製造している。又、バブルジェット
プリンタとして本実施形態の光加工機を製造したものを
用いている。

【００４４】本実施形態によれば次のような効果が得ら
れる。

【００４５】(イ-1) 通常、投影レンズによるマスクのパ
ターンの焦点深度は、１〜１００μｍオーダであり、サ
ンプルの穴の加工深さは、その数倍〜数十倍のケースが
多い。

【００４６】このような、短距離の焦点深度をサンプル
を光軸方向に駆動制御する場合、モータでステージを駆
動するのには冗長な上、分解能的にもコスト高を招きや
すい。又、短距離での等速運動も困難である。

【００４７】その点、本実施形態ではサンプルの駆動手
段として、ピエゾ素子を用いて短距離の駆動時でも分解
能を得易く、制御も、コンピュータの入出力もしやすく
している。

【００４８】(イ-2) 照射エネルギーの穴の深さの関係が
求められているため、簡単な制御で穴あけができ、高速
に加工が終了する。

【００４９】(イ-3) アブレーション加工のマスクパター
ンの転写精度が良い。

【００５０】図３は本発明の実施形態２の要部概略図で
ある。本実施形態は図１の実施形態１と全く同じ装置で
あるが、加工物５への加工形状が異なっており、加工物
５に平行溝を加工する場合である。

【００５１】細い溝を加工する場合、光の回折の効果は
多方面で無視できない影響をもたらす。

【００５２】例えば、マスク３面上のパターン３ｂが幾
何光学的には、単なる平行の開口であっても、結像面で
は図４（Ａ）のような回折による、所謂「ドッグ・イヤ
ー（犬の耳）」型の光強度分布に結像することは良く知
られている。

【００５３】この光強度分布により、加工物５に加工さ
れる溝の底面が平面であるべきものが図４（Ａ）に示す
ように「犬の耳」上に加工されることがある。

【００５４】この回折の効果を低減させる為、光学系の
分解能を許される範囲で低下させることが多いが、光学
系やマスクの設計変更は時間がかかる上、分解能が高い
ことを要求される他の部分の加工にはもちいることがで
きない。

【００５５】これに対して従来の方法では、レーザ光の
スポットを加工物５面上でピンボケ（ディフォーカス）
させて、レーザ光の光強度分布（エネルギー強度）が図
４（Ｂ）に示すようになまらせて、加工することが試み
られていた。しかしながら、ピンボケ位置で加工しつづ
けるのは、合焦位置で加工しつづける以上のピント精度
が必要な為、安定加工が困難であった。

【００５６】そこで本実施形態ではレーザ光のスポット
の結像位置（ピント位置）を加工面上で安定的に一定位
置に保てる実施形態１の装置を用いてレーザ光のスポッ
トをピンボケ状態にして、加工している。

【００５７】このように本実施形態ではアブレーション
加工中に、加工が進行するに伴ってレーザ光による照射
面は光軸方向に徐々に移動する。この為、合焦位置とレ
ーザ照射面との間に位置差が生じる。この位置差がある
値、例えば焦点深度Ｌを越えると加工形状の鋭さは変化
してしまい、大きなテーパや未加工領域が広がる現象が
生じる。これらの効果が生じる前に、光学系、マスク、
加工対象の位置を相対的に移動制御し、合焦位置近傍に
レーザ照射面を保持するようにしている。これにより加
工物の加工精度を向上させている。

【００５８】本実施形態によれば次のような効果が得ら
れる。

【００５９】(ロ-1) レーザ光のスポットをピンボケ状態
で加工面上を安定的に加工することができる為、設計変
更なしで解像度を変更することができる。

【００６０】(ロ-2) レーザ光のスポットをピンボケ状態
で安定して加工することができる為、滑らかな溝、穴形
状を容易に得ることができる。

【００６１】尚、本実施形態においてマスクのパターン
として図１と図３に示す異なった形状のパターンを組み
合わせて用いても良い。

【００６２】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、光源から
の光で照明したマスク面上のパターンを投影レンズで加
工物面上に投影してアブレーション加工するとき、加工
物面に投影されるパターン像の結像特性を制御すること
によって加工物を容易かつ高精度に光加工することがで
きる光加工機及びそれを用いたオリフィスプレートの製
造方法を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の要部平面図

【図２】本発明の実施形態１の加工物の加工状態を示す
説明図

【図３】本発明の実施形態２の要部平面図

【図４】本発明の実施形態２の加工物の加工状態を示す
説明図

【図５】従来の光加工機の光学系の説明図

【符号の説明】

１ レーザ光源 ２ 照明光学系 ３ マスク ３ａ マスクパターン ４ 投影レンズ ５ 加工物（基板） ５ａ 穴 ６ ピエゾステージ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源から放射された光でマスク面上に設
   けたパターンを照明し、該パターンを光学系によって加
   工物に投影し、アブレーション加工するようにした光加
   工機において、アブレーション加工の経過に際して、該
   マスクと光学系、そして加工物の光軸方向の相対的位置
   を変化させて、該加工物面上に投影される該マスクのパ
   ターン像の結像特性を制御していることを特徴とする光
   加工機。
2. 【請求項２】 前記結像特性の制御は、前記マスクのパ
   ターン像の最良結像面と前記加工物の加工位置との光軸
   方向の距離の変化であることを特徴とする請求項１の光
   加工機。
3. 【請求項３】 前記結像特性の制御は、前記マスクのパ
   ターン像の前記加工物面上における光強度分布であるこ
   とを特徴とする請求項１の光加工機。
4. 【請求項４】 前記加工物をピエゾ素子を利用して光軸
   方向に駆動していることを特徴とする請求項１の光加工
   機。
5. 【請求項５】 前記マスク面上に設けたパターンは周期
   構造の円形又はスリット形状をしていることを特徴とす
   る請求項１，２，３又は４の光加工機。
6. 【請求項６】 請求項１から５の何れか１項記載の光加
   工機を用いて前記マスク面上の複数の開口を一方向に配
   列したパターンを基板上に転写して、該基板上に複数の
   小孔を穿孔してオリフィスプレートを製造したことを特
   徴とするオリフィスプレートの製造方法。
7. 【請求項７】 請求項１から５の何れか１項記載の光加
   工機を用いて前記マスク面上の複数の開口を一方向に配
   列したパターンを基板上に転写して、該基板上に複数の
   小孔を穿孔して製造したオリフィスプレートを有してい
   ることを特徴とするバブルジェトプリンタ。
8. 【請求項８】 請求項６のオリフィスプレートの製造方
   法により製造したオリフィスプレートを有していること
   を特徴とするバブルジェットプリンタ。