JPS597553B2 - レ−ザ−ビ−ムによる微細彫刻形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は金属、プラスチック、半導体、耐火物等のいか
なる材質の加工片にも応用できるレーザービームによる
微細彫刻形成方法に関するものである。

いかなる物質でも溶解ないしは蒸発することのできるこ
とを特徴とするレーザー加工が近年特に開発されており
、ダイヤモンド製ダイスの穿孔加工もそれら主な応用例
の１つであつた。

しかるにもしも薄板彫刻が（ｘ−ｙテーブルを用いての
）走査技術（ｄｅｆｉｌｅｍｅｎｔ）で行なえたとした
ら、レーザーによる微細加工技術は、極めて興味深＜は
あつても次の３つの理由から開発され得なかつたであろ
う。すなわち、（イ）非円筒形態の故に統一した穿孔が
困難である。

（口）加工が単位操作（透過、溶融）で行なわれる。←
→ レーザービームの波長に近い寸法での加工が回折現
象のために不可能とされる。たとえば、フランス特許第
２０７３１８０号によれば、反射率の高い金属材料をマ
スクとし、その一部の領域をレーザービームが透過する
ように孔あけし、これを被彫刻片とレーザー源との間に
挿入するか、または直接被彫刻片上に設ける方法が提案
されている。

上記のうち最初の方法をとれば上記の（イ）、（口）に
記した不都合は解消でき、また上記の第２方法をとれば
、第１の方法の利益に加えて回折現象を克服できるもの
である。上記の実用範囲内における金属反射膜の不都合
は多数である。

それら金属膜の反射率Ｒは赤外線領域範囲でしか９９％
を越えない、あるいはこれに近い値にならない。（波長
λ＝１０．６μのＣＯ２レーザーの場合、反射率Ｒはア
ルミ膜でＲ＝９８％、銀膜でＲ二９９．５％、金膜でＲ
＝９９．４％である。）更に、金属レーザー鏡（反射膜
）の場合、反射されなかつたエネルギーは吸収される（
Ｒ＋Ａ＝１、ここでＡは吸収係数）。この結果、かかる
レーザー鏡の場合、特に強力なパルスレーザ一を用いる
と極めて損傷し難くなる、と考えられる。従つて、こう
したレーザー微細加工方法で金属反射膜を利用する範囲
は非常に限定される。例えば、赤外線領域での利用、比
較的弱いレーザーの利用、プラスチツク材等の、蒸発点
の低い材料の加工、ミクロン以上のモチーフの彫刻（電
磁波はモチーフの形状｝よび電磁モードに応じた寸法だ
け、高い彫刻精度で貫通しなければならない）に限定さ
れてしまう。本発明は上記の如きあらゆる問題を解消で
き、かつ被彫刻物の性質やモチーフの寸法、更にはレー
ザービームの波長等を選ばないレーザー微細加工方法を
提供することを目的とするものである。

この目的は本発明の真空下で波長λのレーザービームを
反射するための表皮膜を予じめ被彫刻片上に付着させ、
被彫刻部域に対応する孔を上記の表皮膜にあけてレーザ
ー鏡とし、次いで、表皮膜に穿設された孔の中に見える
露出部分を昇華彫刻するに充分な強さの波長をもつたレ
ーザービームを被彫刻片に照射することからなる、いか
なる材質の被彫刻片にも深い微細彫刻をレーザービーム
で形成する方法に｝いて、異る屈折率ｎを有し、厚みが
αであり、真空下で波長λのレーザービームをそれぞれ
透過させ、かつ光学的厚みＮｄがλ／４である素膜をｎ
枚（ｎ〉１）重ね合わせたものを表皮膜として用い、吸
収がほとんどゼロであるために損傷し難いレーザー鏡を
形成することを特徴とする、レーザービームによる深い
微細彫刻の形成方法により達成される。レーザー鏡は、
吸収したレーザービームのエネルギーによつて損傷を受
けるので、吸収率が小さい程、表皮膜として有効である
。

従つて反射率が大きい程適当である。さて、屈接率ｎが
異なる複数の素膜を、各膜厚をｄとしたとき、Ｎｄ＝レ
ーザービームの波長の４分の１となるようにして重ねれ
ば、１つの素膜の両側の界面で反射されるレーザービー
ムの位相はπだけずれ、反射率は素膜の数が多くなる程
増加する。

たとえば素膜が、２１枚であるときは次表に示すように
、反射率は９９．９９８％となる。な訃、これより膜数
が増せば反射率がさらに増加することは言うまでもない
。素膜を重ね合わせた表皮膜の孔あけは、表皮膜に感光
性樹脂層を設け、これに光マスクを通して放射線を照射
するなどの常法によつて行なうことができる。

本発明の方法は従来の薄膜に対する彫刻技術の利点を、
深い彫刻ができる一方ではいかなる材料（金属、半導体
、絶縁材、プラスチツク等）にも応用できるレーザー加
工の利点に結びつけることができる。

化学的エツチング、イオン侵蝕等による従来の薄膜彫刻
方法ではミクロン以上の深い彫刻ができない。ところが
、レーザー加工技術によれば直径５０μ、深さがＭＩ程
度のダイヤモンド製ダイスを形成することができた。し
かし、マスキング技術とレーザー加工技術とを組合わせ
た本発明の力法を制約しているのは一方では、従来のマ
スキング技術（代表的には１μ）によつてもたらされる
解決と、他方では加工レーザーの波長（代表的には、Ｙ
ＡＧレーザーについて１．０６μ）だけである。

但し、これらの制約も技術革新に伴なつて解消されるこ
とは極めて確実である。本発明の方法は多数の分野、特
に深い微細彫刻の形成（例えば、微細な型の形成）ある
いは肉厚板の穿孔に応用できる。

後者の用途に訃いては、本発明の方法を実施すればフイ
ルタ、粉の粒度調節スクリーン、多孔ダイス、肉厚のマ
スク、表面イオン化用の陽または陰イオン源用多孔イオ
ナイザ（イオン推進、イオン注入用イオン源等への応用
）、多重接点、格子、スクリーン、切抜きによる微細部
品の製造が可能になる。本発明の方法を特に穿孔に応用
したところ、厚み５０μ、直径１（１７７１のステンレ
ス板に互いの間隔を１０μとつて直径５μの円孔からな
る格子を形成できた。

こうして、１０６孔／０ＩＩｔ２の孔密度、２０％近く
の気孔率が得られた。本発明の微細彫刻方法においてレ
ーザー鏡を使用すれば多くの利益が得られる。

先ず、このレーザー鏡の素膜数を増せば、１に等しい反
射係数を得ることができる。他方金属反射鏡では０．９
８の反射係数の得られるのは大波長レーザーを使用した
場合だけである。更に、レーザー鏡は反射しないエネル
ギーを全て透過させるが、金属反射鏡では反射されない
エネルギーを吸収してしまう。レーザー鏡の上記２つの
特定特性によりこのレーザー鏡の損傷閾値は一般には１
０ＧＷ／ＣＴ！Ｌ２を越える。かかるレーザー鏡を使用
するだけでレーザービームにより耐火材を加工、特に彫
亥１することが可能となり、これが本発明の主たる目的
の１つである。要するに、フランス特許第２０７３１８
０号明細書に記載の如き方法を用いても、耐火材の彫刻
は不可能であり、その理由は鏡の多様な部分によつて被
覆されていない耐火材の部域に吸収されるエネルギーは
温度を、耐火材の昇華を惹起するようなレベルに高める
には十分でないことにある。一方、本発明の方法によれ
ば、大気中の沸点（蒸発点）が５６００℃以上であるタ
ングステン等の耐火物ですら加工できる。

レーザー鏡の利用に係る別の利点としては、レーザービ
ームの波長を被彫刻材質あるいはレーザー鏡そのものの
いずれに応じてでも任意に選び得ることがある。

要するにレーザー鏡の厚みは波長に伴なつて増大する。
これとは逆に、金属反射膜を用いれば、充分な反射係数
を得るのに大波長（例えば、１０．６μ）のレーザーの
みの使用を余儀なくされるものである。もしそうでなけ
れば、金属反射鏡の蒸発ないしは劣化を回避できない。
本発明の更に別の利点は回折現象を完全に解消できる点
にある。要するに、レーザーの波長λに近い寸法のモチ
ーフを加工することが回折現象のために通常は不可能で
ある時には、著しく異なつた波長のレーザーを選び、そ
の波長を充分広い範囲内で変化させ得るので上記の欠点
を避け得るのである。最後に、極めて広範囲の波長のレ
ーザーを使用し得る本発明の方法は、ミクロン以下の非
常に小さい寸法での穿孔その他の加工に用いることがで
きる。

これは、電磁波が高い彫刻精度で貫通し得る筈であるた
めである（寸法はモチーフの形状や電磁モードに依存す
る）。次に添附図面に従い、本発明を更に詳しく述べる
。

第１図に示す、本発明の方法の第１段階に訃いては、被
彫刻基板１にレーザー鏡２が付着される。

このレーザー鏡はｎ枚の素膜（ｎは１以上で、一般には
２１を越えない）を重ね合わせたもので構成されている
。またこれら素膜は、後で使用される波長λのレーザー
ビームを真空下で透過させ、それぞれλ／４に等しい光
学的厚みをもち、かつ屈折率が異なつている。例をあげ
ると、屈折率１．５２の基板に対し、屈折率が交互にＮ
ｌｌ．３５，ｎ２＝２．３５の如くなつている、光学的
厚みが波長の１／４（すなわち、λ／４）である２１枚
の誘電膜を重ね合わせたもので構成したレーザー鏡は反
射率が波長λのレーザービームに対しＲ＝９９．９９８
％、すなわちＡ＝２Ａ０００００（Ａは吸収率）となる
。レーザー鏡を構成する素膜が１２枚だけであれば、反
射率Ｒは９９．６６％にまで下る。かかるレーザー鏡の
損傷閾値は１０Ｇｗ／ＣＴｒｌ２以上であるのが普通で
ある。かかるレーザー鏡の光学的厚みの合計は使用レノ
ーザ一波長や構成素膜数に応じて一般には１乃至数ミク
ロンである。工業的には、レーザー鏡はいかなる基板に
も真空下で付着され得、これには従来からの様々な技術
を使用できる。

本発明の方法をなす第２の段階に訃いては、レーザー加
工の第３段階にて使用するマスクを施す前に上記のレー
ザー鏡を彫刻することである（これを示しているのが第
２図である）。

このレーザー鏡彫刻（薄膜の彫刻）は従来技術で行ない
得る。

それら従来技術は２段階からなつている。すなわち、（
１）光マスクの形成 形成したらそのマスクに任意の微細彫刻の模様を描く。

各彫刻模様につき唯一枚のマスクが必要であり、そのマ
スクは何度も何度も使用できる。（２）光マスクでレー
ザー鏡を彫刻する。このために、古典的方法はレーザー
鏡に感光性樹脂を施し、次に、等寸大に形成した光マス
クを透してその感光性樹脂に紫外線を照射する。

すると光マスクを透して紫外線を浴びた感光性樹脂層部
分が重合し、従つて、レーザー鏡彫刻を可能にする、こ
の後の化学的エツチングに耐える。当然であるが、この
レーザー鏡彫刻にはその他のいかなる従来技術、例えば
物理的彫刻法（イオン侵蝕）あるいは混合的彫刻法（プ
ラズマ法、電子彫刻法等）をも用い得る。本発明の方法
の第３段階（第３図参照）では被彫刻片のレーザー加工
が行なわれる。

その被加工片の基板１のうち被彫刻部域だけが、彫刻済
レーザー鏡に予じめ穿設された孔を透して露出している
。このレーザー加工では、予じめ彫刻されているレーザ
ー鏡２の表面全体は、レーザー鏡の孔２ａを透して見え
ている基板１の部分１ａを昇華させるに充分ではあるが
、レーザー鏡の損傷閾値への到達を見ない程度の強さを
もつたレーザービームｆを照射される。このレーザービ
ームはレーザー鏡２の非彫刻部分２ｂにより反射され収
ｆ１で示す部分）。彫刻そのものは所望の穿深に応じて
１度ないしは何回か行ない得る。上記の穿深が均一にな
り得るのは、レーザービームのエネルギー密度がビーム
の全断面に亘つて同一である場合のみである。表面が１
回で彫刻するには大きすぎる場合にはｘ−ｙテーブルを
使用して表面全体の彫刻を行なうことができる。

また被彫刻片が酸化される材質のものである場合には、
希ガス（アルゴン、ヘリウム等）の気流下ないしは真空
下でレーザービーム彫刻を行なえば便利である。例とし
て、溶融前｝よび蒸発前の代表的金属反射係数Ｒｍ＝６
００１）の平らな金属片を、反射係数Ｒ〉９９．９９％
の誘電レーザー鏡で被覆した場合について次に考察する
。

この場合、加工片の、レーザー鏡で被覆された部分｝よ
び被覆されてない部分の吸収エネルギーがそれぞれ１−
Ｒｍ訃よび（１−Ｒ）（１−Ｒｍ）に比例する。レーザ
ー鏡に設けた孔を透して露出している部分では、吸収エ
ネルギーは昇華前では入射エネルギーの４０％に等しい
が、昇華後に｝いては１００％に近くなる。すなわち、
誘電レーザー鏡の層で被覆されてない部分に｝いては吸
収エネルギーが１／１０４に弱くなる。このような関係
は耐火物のレーザー加工の際に不可欠である。レーザー
ビームｆはレーザー鏡２の表面へ垂直にないしはその他
の任意の入射角で照射される。

但し、その場合、レーザー鏡をなす素膜の光学的厚みが
上記入射角に整合していなければならない。以上に説明
して来た方法は平面の彫刻に応用されたものであるが、
明らかな如く、本発明の方法はいかなる形の表面を彫刻
するのにも用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は本発明の方法の３つの主要段階のそ
れぞれを示している。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 真空下で波長λのレーザービームを反射するための
   表皮膜を予め被彫刻片上に付着させ、被彫刻部分に対応
   する孔を表皮膜にあけてレーザー鏡とし、次いで、表皮
   膜にあけた孔の中に見える露出部分を昇華彫刻するに充
   分な強さの波長をもつたレーザービームを被彫刻片に照
   射することからなる、いかなる材質の被彫刻片にも深い
   微細彫刻をレーザービームで形成する方法において、異
   る屈折率ｎを有し、厚みがｄであり、真空下で波長λの
   レーザービームをそれぞれ透過させ、かつ光学的厚みｎ
   ×ｄがλ／４である素膜を複数枚重ね合わせたものを表
   皮膜として、吸収がほとんどゼロであるために損傷し難
   いレーザー鏡を形成することを特徴とする。 レーザービームによる深い微細彫刻の形成方法。２ 被
   彫刻片が平面形態である、特許請求の範囲第１項記載の
   微細彫刻の形成方法。