JPH11207478A - レーザー加工方法およびレーザー加工装置 - Google Patents
レーザー加工方法およびレーザー加工装置Info
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- JPH11207478A JPH11207478A JP10023879A JP2387998A JPH11207478A JP H11207478 A JPH11207478 A JP H11207478A JP 10023879 A JP10023879 A JP 10023879A JP 2387998 A JP2387998 A JP 2387998A JP H11207478 A JPH11207478 A JP H11207478A
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Abstract
結合エネルギーが大きい石英ガラスなどの材料に対し
て、微細パターンを高速で形成する。 【解決手段】加工対象材料に、加工対象材料に対して透
明なレーザー光を照射するとともに、加工対象材料の加
工対象面に近接してプラズマを生成し、プラズマと加工
対象材料に照射されたレーザー光との相互作用によっ
て、加工対象材料の加工対象面でアブレーションを発生
させて加工を行う。
Description
およびレーザー加工装置に関し、さらに詳細には、高速
で微細パターンを形成することのできるレーザー加工方
法およびレーザー加工装置に関する。
ット・エッチング法や各種のレーザーを用いたレーザー
・アブレーション法などにより、種々の材料の加工が行
われている。
英ガラスは、光の吸収端が170nm付近であり、ま
た、構成原子間の結合エネルギーも大きいため、こうし
た従来の加工方法では高速に微細パターンを形成するこ
とが困難であることが知られている。
・エッチング法を用いて石英ガラスを加工する場合に
は、加工速度は速いものとなるが、加工形状や加工速度
の制御性に劣り、微細加工には適さないという問題点が
あった。
E)は、石英ガラスの精密微細加工を行うには適した加
工方法であるが、加工速度が遅い(SiO2を加工する
場合には、1nm/s以下の加工速度であることが知ら
れている。)という問題点があった。
たウェット・エッチング法や反応性イオン・エッチング
法においては、微細パターン加工を行うためにはレジス
トを用いたリソグラフィの工程が必要となり、加工処理
全体の工程が煩雑化して加工に長時間を要する一因とな
っていたという問題点があった。
ターン加工する加工方法としては、レーザー・アブレー
ション法があるが、このレーザー・アブレーション法に
用いるレーザー光の波長は、加工対象材料に対して大き
な吸収係数を持つことが必要である。このため、レーザ
ー・アブレーション法により石英ガラスを加工しようと
する場合には、波長170nm以下のレーザー光を用い
る必要があるが、フォトン・コストや出力の点を考慮す
ると、石英ガラスの加工に実用化可能なレーザーは殆ど
ないという問題点があった。
の有する上記したような種々の問題点に鑑みてなされた
ものであり、その目的とするところは、光の吸収端の波
長が短く、また、構成原子間の結合エネルギーが大きい
石英ガラスなどの材料に対して、微細パターンを高速で
形成することができるようにしたレーザー加工方法およ
びレーザー加工装置を提供しようとするものである。
に、本発明は、加工対象材料に対して光の吸収のない透
明なレーザー光を用いて、レジストを用いることなく加
工対象材料に微細パターンをアブレーションにより形成
するものである。
られている可視領域、紫外領域あるいは赤外領域の波長
のレーザー光を発生するレーザーによって、種々の材料
の加工を行うことができるようになる。
は、加工対象材料に、上記加工対象材料に対して透明な
レーザー光を照射するとともに、上記加工対象材料の加
工対象面に近接してプラズマを生成し、上記プラズマと
上記加工対象材料に照射されたレーザー光との相互作用
によって、上記加工対象材料の上記加工対象面でアブレ
ーションを発生させて加工を行うようにしたものであ
る。
は、加工対象材料に、上記加工対象材料に対して透明な
レーザー光を所定のパターンを有するマスクを通して照
射するとともに、上記加工対象材料の加工対象面に近接
してプラズマを生成し、上記プラズマと上記マスクを通
して上記加工対象材料に照射されたレーザー光との相互
作用によって、上記加工対象材料の上記加工対象面で上
記マスクの所定のパターンに対応したアブレーションを
発生させて加工を行うようにしたものである。また、本
発明のうち請求項3に記載の発明は、レーザー加工され
る加工対象面を有する加工対象材料と、上記加工対象材
料の上記加工対象面と対向して配置されたターゲット
と、上記加工対象材料に対して透明なレーザー光を、上
記加工対象材料に照射するとともに上記ターゲットに照
射して、上記ターゲットから上記ターゲットと上記加工
対象材料の上記加工対象面との間にプラズマを生成する
レーザーとを有し、上記ターゲットから生成されたプラ
ズマと上記レーザーから上記加工対象材料に照射された
レーザー光との相互作用によって、上記加工対象材料の
上記加工対象面でアブレーションを発生させて加工を行
うようにしたものである。
は、レーザー加工される加工対象面を有する加工対象材
料と、上記加工対象材料の上記加工対象面と対向して配
置されたターゲットと、上記加工対象材料に対して透明
なレーザー光を、上記加工対象材料に照射するレーザー
と、上記ターゲットにレーザー光を照射して、上記ター
ゲットから上記ターゲットと上記加工対象材料の上記加
工対象面との間にプラズマを生成する第2のレーザーと
を有し、上記ターゲットから生成されたプラズマと上記
レーザーから上記加工対象材料に照射されたレーザー光
との相互作用によって、上記加工対象材料の上記加工対
象面でアブレーションを発生させて加工を行うようにし
たものである。
は、レーザー加工される加工対象面を有する加工対象材
料と、上記加工対象材料に対して透明なレーザー光を、
上記加工対象材料に照射するレーザーと、上記加工対象
材料の上記加工対象面に近接してプラズマを生成するプ
ラズマ生成手段とを有し、上記プラズマ生成手段によっ
て生成されたプラズマと上記レーザーから上記加工対象
材料に照射されたレーザー光との相互作用によって、上
記加工対象材料の上記加工対象面でアブレーションを発
生させて加工を行うようにしたものである。
は、請求項3、4または5のいずれか1項に記載の発明
において、さらに、上記レーザーと上記加工対象物との
間に配置された所定のパターンを有するマスクとを有す
るようにして、上記レーザーは、上記マスクを通してレ
ーザー光を上記加工対象物に照射し、上記プラズマ生成
手段によって生成されたプラズマと上記レーザーから上
記マスクを通して上記加工対象材料に照射されたレーザ
ー光との相互作用によって、上記加工対象材料の上記加
工対象面で上記マスクの所定のパターンに対応したアブ
レーションを発生させて加工を行うようにしたものであ
る。
発明によるレーザー加工方法およびレーザー加工装置の
実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
の実施の形態の一例の概念構成図が示されており、この
レーザー加工装置は、レーザー光を照射するためのレー
ザー10と、微細パターンを有するマスク12と、レー
ザー光を集光するためのレンズ14と、レーザー光が入
射可能な窓部16aを備えた真空チャンバー16と、真
空チャンバー16内に対向して配置された加工対象材料
18およびターゲット20とを有して構成されている。
レンズ14と、真空チャンバー16と、加工対象材料1
8と、ターゲット20とは、レーザー10から照射され
たレーザー光がマスク12を通過して、マスク12を通
過したレーザー光がレンズ14により集光され、レンズ
14により集光されたレーザー光が真空チャンバー16
の窓部16aを透過して真空チャンバー16内に入射さ
れ、真空チャンバー16内に入射されたレーザー光が加
工対象材料18を透過してターゲット20に照射される
ように配置されている。
0との間隔Wは、例えば、20μm〜8mmに設定する
ことができる。
料18に対して吸収されることのない透明なレーザー
光、即ち、加工対象材料18に対して吸収されることの
ない波長を有するレーザー光を照射することができるも
のを選択するものであり、パルス・レーザーを用いるこ
とが好ましい。
は、後述するプラズマの生成が維持できる真空度となさ
れている。
ー光の焦点位置は、いずれの位置であっても本発明の実
施には影響がないものであるが、例えば、ターゲット2
0の加工対象材料18と対向する面とは反対側の面C側
(図1参照)や、加工対象材料18とレンズ14との間
(図5参照)などに位置させることができる。
スを用い、ターゲット20としてステンレス鋼を用い、
レーザー10としてNd:YAGレーザーを用い、レー
ザー光としてレーザー10(Nd:YAGレーザー)の
4次高調波をパルス幅8nsec、繰り返し周波数1H
zで照射した場合について行った実験結果を説明する。
波の波長は266nmであり、この波長266nmのレ
ーザー光は石英ガラスに対して透明であり吸収されるこ
とはない。
Nd:YAGレーザーの4次高調波を、微細パターンを
有するマスク12ならびにレンズ14を通して、加工対
象材料(石英ガラス)18ならびにターゲット(ステン
レス鋼)20に照射する。
8を透過してターゲット(ステンレス鋼)20に照射さ
れた波長266nmのNd:YAGレーザーの4次高調
波によって、ターゲット(ステンレス鋼)20からはプ
ラズマが生成されてプラズマ・プルームが形成され(プ
ラズマは、ターゲット(ステンレス鋼)20と加工対象
材料(石英ガラス)18との間に生成されることにな
る。)、イオンやラジカルが生成されることになる。
ジカルと加工対象材料(石英ガラス)18に入射された
波長266nmのNd:YAGレーザーの4次高調波と
の相互作用によって、加工対象材料(石英ガラス)18
のターゲット(ステンレス鋼)20と対向する加工対象
面たる面A(面Aは、プラズマが存在する側の面であ
る。)でアブレーションが生じて、マスク12の有する
微細パターンの加工が行われる。
加工対象材料(石英ガラス)18の面Aの原子間力顕微
鏡(AFM)写真が示されている。この図2の原子間力
顕微鏡写真から明らかなように、面Aには、マスク12
の微細パターンに対応する周期的なグレーティング構造
が形成されている(詳細な図示は省略するが、マスク1
2は、面Aに形成されたグレーティング構造に対応する
微細パターンを有している。)。
ス)18とターゲット(ステンレス鋼)20との間隔W
を20μmで固定した場合における、加工速度のレーザ
ー・フルエンス依存性を示すグラフが表されている。こ
の図3に示すグラフにおいては、縦軸に波長266nm
のNd:YAGレーザーの4次高調波1パルス(pul
se)当たりのエッチング深さを示すエッチング速度
(Etch rate)をとり、横軸にレーザー・フル
エンス(Laser fluence)をとっている。
のアブレーションによる加工は0.5J/cm2程度の
レーザー・フルエンスから行うことができ、レーザー・
フルエンスの増加にともなって、エッチング速度、即
ち、加工速度が増大するものである。そして、レーザー
・フルエンスが2.3J/cm2のときには、約58n
m/pulseのエッチング速度が得られた。
Nd:YAGレーザーの4次高調波の繰り返し周波数は
1Hzであるので、本発明によれば、レーザー・フルエ
ンスが2.3J/cm2のときに得られる加工速度とし
ては、反応性イオン・エッチング法(RIE)より2桁
程度大きな値が得られる。
を1.4J/cm2で固定し、加工対象材料(石英ガラ
ス)18とターゲット(ステンレス鋼)20との間隔W
を変化させた場合における、加工速度の変化を示すグラ
フが表されている。この図4に示すグラフにおいては、
縦軸に波長266nmのNd:YAGレーザーの4次高
調波1パルス当たりのエッチング深さを示すエッチング
速度をとり、横軸に加工対象材料(石英ガラス)18と
ターゲット(ステンレス鋼)20との間隔Wをとってい
る。
象材料(石英ガラス)18とターゲット(ステンレス
鋼)20との間隔Wが狭いほど、加工速度が速くなるこ
とがわかる。これは、加工対象材料(石英ガラス)18
とターゲット(ステンレス鋼)20との間隔Wが狭いほ
うが、ターゲット(ステンレス鋼)20から生成された
プラズマからの発光やイオン、ラジカルが加工対象材料
(石英ガラス)18の面Aにより強く作用し、面Aにお
いてプラズマからの発光やイオン、ラジカルと加工対象
材料(石英ガラス)18に入射された波長266nmの
Nd:YAGレーザーの4次高調波との相互作用がより
強く発揮されるためであると認められる。なお、上記に
おいては、加工対象材料18として石英ガラスを用い、
ターゲット20としてステンレス鋼を用い、レーザー1
0としてNd:YAGレーザーを用い、レーザー光とし
てレーザー10(Nd:YAGレーザー)の4次高調波
をパルス幅8nsec、繰り返し周波数1Hzで照射し
た場合の実験について説明したが、加工対象材料18
は、照射されるレーザー光が当該材料に対して透明とな
る、即ち、照射されるレーザー光を吸収しないものであ
れば、任意のものを選択することができる。
光が加工対象材料18に対して透明であれば、紫外レー
ザーの他に可視レーザーや赤外レーザーなどの種々のレ
ーザーを用いることができる。
照射によってプラズマが生成されるものであれば、金属
の他にセラミックなどの任意のものを選択することがで
きる。
ーザー10から照射されたレーザー光を用いてターゲッ
ト20からプラズマを生成するとともに、加工対象材料
18の面Aにおいてプラズマからの発光やイオン、ラジ
カルとの相互作用を発揮せしめるようにしたが、これに
限られることなしに、ターゲット20からプラズマを生
成するためのレーザー光と、加工対象材料18の面Aに
おいてプラズマからの発光やイオン、ラジカルとの相互
作用を発揮せしめるレーザー光とを別々にしてもよい。
ー光を加工対象材料18を透過させてターゲット20に
照射するのではなく、レーザー10から照射されるレー
ザー光の光路を分岐して、一方は加工対象材料18に照
射させ、他方はターゲット20に照射させるようにして
もよい。あるいは、ターゲット20からプラズマを生成
するためのレーザー光を照射するためのレーザーと、加
工対象材料18においてプラズマからの発光やイオン、
ラジカルとの相互作用を発揮せしめるレーザー光を照射
するためのレーザーとをそれぞれ設けるようにしてもよ
く、この場合にはそれぞれのレーザーは互いに異なる種
類のものを用いるようにしてもよい。
ーゲット20にレーザー光を照射することによりプラズ
マを生成するようにしたが、これに限られることなし
に、その他の方法によってプラズマやイオン、ラジカル
を生成するようにしてもよい。例えば、図5には、高周
波電流によりプラズマを生成してイオンやラジカルを形
成する場合を示している。なお、図5においては、図1
に示す構成と同一または相当する構成には図1と同一の
符号を付して示すことにより、その詳細な説明は省略す
る。
真空チャンバー16に一対の高周波電極100、102
が設けられており、この高周波電極100、102に高
周波電源104から高周波電流が供給されることによ
り、真空チャンバー16内にプラズマが発生されるもの
である。
真空チャンバー16内において符号P1に示す領域にプ
ラズマが生成されるようにした場合には、加工対象面と
して加工対象材料18の面Aにおいてプラズマからの発
光やイオン、ラジカルと加工対象材料18に入射された
レーザー光との相互作用によりアブレーションによる加
工が行われ、真空チャンバー16内において符号P2に
示す領域にプラズマが生成されるようにした場合には、
加工対象面として加工対象材料18の面Bにおいてプラ
ズマからの発光やイオン、ラジカルと加工対象材料18
に入射されたレーザー光との相互作用によりアブレーシ
ョンによる加工が行われることになる。
ているので、光の吸収端の波長が短く、また、構成原子
間の結合エネルギーが大きい石英ガラスなどの材料に対
して、微細パターンを高速で形成することができるとい
う優れた効果を奏する。
一例の概念構成図である。
子間力顕微鏡(AFM)写真である。
テンレス鋼)との間隔Wを20μmで固定した場合にお
ける、加工速度のレーザー・フルエンス依存性を示すグ
ラフである。
定し、加工対象材料(石英ガラス)とターゲット(ステ
ンレス鋼)との間隔Wを変化させた場合における、加工
速度の変化を示すグラフである。
他の例の概念構成図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 加工対象材料に、前記加工対象材料に対
して透明なレーザー光を照射するとともに、 前記加工対象材料の加工対象面に近接してプラズマを生
成し、 前記プラズマと前記加工対象材料に照射されたレーザー
光との相互作用によって、前記加工対象材料の前記加工
対象面でアブレーションを発生させて加工を行うことを
特徴とするレーザー加工方法。 - 【請求項2】 加工対象材料に、前記加工対象材料に対
して透明なレーザー光を所定のパターンを有するマスク
を通して照射するとともに、 前記加工対象材料の加工対象面に近接してプラズマを生
成し、 前記プラズマと前記マスクを通して前記加工対象材料に
照射されたレーザー光との相互作用によって、前記加工
対象材料の前記加工対象面で前記マスクの所定のパター
ンに対応したアブレーションを発生させて加工を行うこ
とを特徴とするレーザー加工方法。 - 【請求項3】 レーザー加工される加工対象面を有する
加工対象材料と、 前記加工対象材料の前記加工対象面と対向して配置され
たターゲットと、 前記加工対象材料に対して透明なレーザー光を、前記加
工対象材料に照射するとともに前記ターゲットに照射し
て、前記ターゲットから前記ターゲットと前記加工対象
材料の前記加工対象面との間にプラズマを生成するレー
ザーとを有し、 前記ターゲットから生成されたプラズマと前記レーザー
から前記加工対象材料に照射されたレーザー光との相互
作用によって、前記加工対象材料の前記加工対象面でア
ブレーションを発生させて加工を行うことを特徴とする
レーザー加工装置。 - 【請求項4】 レーザー加工される加工対象面を有する
加工対象材料と、 前記加工対象材料の前記加工対象面と対向して配置され
たターゲットと、 前記加工対象材料に対して透明なレーザー光を、前記加
工対象材料に照射するレーザーと、 前記ターゲットにレーザー光を照射して、前記ターゲッ
トから前記ターゲットと前記加工対象材料の前記加工対
象面との間にプラズマを生成する第2のレーザーとを有
し、 前記ターゲットから生成されたプラズマと前記レーザー
から前記加工対象材料に照射されたレーザー光との相互
作用によって、前記加工対象材料の前記加工対象面でア
ブレーションを発生させて加工を行うことを特徴とする
レーザー加工装置。 - 【請求項5】 レーザー加工される加工対象面を有する
加工対象材料と、 前記加工対象材料に対して透明なレーザー光を、前記加
工対象材料に照射するレーザーと、 前記加工対象材料の前記加工対象面に近接してプラズマ
を生成するプラズマ生成手段とを有し、 前記プラズマ生成手段によって生成されたプラズマと前
記レーザーから前記加工対象材料に照射されたレーザー
光との相互作用によって、前記加工対象材料の前記加工
対象面でアブレーションを発生させて加工を行うことを
特徴とするレーザー加工装置。 - 【請求項6】 請求項3、4または5のいずれか1項に
記載のレーザー加工装置において、さらに、 前記レーザーと前記加工対象物との間に配置された所定
のパターンを有するマスクとを有し、 前記レーザーは、前記マスクを通してレーザー光を前記
加工対象物に照射し、 前記プラズマ生成手段によって生成されたプラズマと前
記レーザーから前記マスクを通して前記加工対象材料に
照射されたレーザー光との相互作用によって、前記加工
対象材料の前記加工対象面で前記マスクの所定のパター
ンに対応したアブレーションを発生させて加工を行うこ
とを特徴とするレーザー加工装置。
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JPH11207478A true JPH11207478A (ja) | 1999-08-03 |
JP3401425B2 JP3401425B2 (ja) | 2003-04-28 |
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JP02387998A Expired - Lifetime JP3401425B2 (ja) | 1998-01-21 | 1998-01-21 | レーザー加工方法およびレーザー加工装置 |
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