JP2005118821A - 超短パルスレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低エネルギで安定性の高い超短パルスレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】超短パルスレーザを用いて被加工物を加工するレーザ加工方法であって、１パルス照射時のフルエンスの加工閾値以下のフルエンスに設定した複数ショット数のパルスレーザを被加工物６に照射する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超短パルスレーザを用いて被加工物の微細加工を行う超短パルスレーザ加工方法に関する。

１パルスにおける閾値フルエンスとパルス幅との関係が特異な関係を示す領域におけるパルス幅とフルエンスでレーザ誘起破壊を効率的に発生させる方法が特許第３２８３２６５号「レーザ誘起破壊及び切断形状を制御する方法」に記載されている。

比較的長いパルス幅のレーザ光によるパルスレーザ加工では、パルス幅値τと加工が生じる閾値フルエンスＦ_ｔｈとの関係が、τ＝α・Ｆ_ｔｈ ^１／２の関係を示す、いわゆるスケーリング則に従う。ここで、フルエンス＝パルス幅×光強度／スポット面積で表され、単位面積あたりのエネルギ量を示している。

この従来のレーザ誘起破壊の方法の場合、スケーリング則に従わないような超短パルス幅値のパルスレーザを用いてレーザ誘起破壊を生じさせ、破断、切断、アブレーション等の被加工物の加工を行う方法である。この方法では、パルス幅の低下に伴い所定のパルス幅を境に１パルス照射時の閾値フルエンス（以下、シングルショット加工閾値フルエンスと呼ぶ）が増加し、被加工物に高密度で高強度のエネルギを与えることができる。すなわち、高強度のエネルギが与えられることによりトンネル化などのポテンシャルひずみが発生する。多光子吸収過程ではあるが、比較的少ない光子吸収によってレーザ誘起破壊が局在化する。これにより、被吸収波長においてもスポットサイズ、レイリー範囲よりも微細な加工が可能となる。
特許第３２８３２６５号

しかしながら、特許第３２８３２６５号のレーザ加工法の場合、パルス幅の低下に伴いシングルショット加工閾値フルエンスが増加する。したがって、加工閾値フルエンスの高い材料では高強度のエネルギが必要となる。この場合、再生増幅器などを用いた高出力の超短パルスレーザが必要となる。さらに、この方法では高強度のエネルギを１ショットで被加工物に照射するため、特に熱的影響が大きくレーザ破壊を起こしやすい樹脂材料や生体材料などでは、閾値フルエンス近傍の領域で加工フルエンスを厳密に制御しなければ、熱による熔解やクラックなどが発生する。また、各材料によって異なった特異なパルス幅と閾値フルエンスの関係を利用するため、高精度にパルス幅とフルエンスを制御し加工を安定化する必要がある。しかしながら、パルス幅の領域が数ｐｓ以下の超短パルス領域では、光学系によるエネルギの低下、ばらつき、分散によるパルス幅の変動が発生し、ともにビーム制御が困難である。特に、エネルギをコントロールするＮＤフィルタ、アッテネータなどは微調整が困難で、再現性や安定性に乏しい。加工閾値フルエンス近傍が最も特性がよく高精度の加工が可能であるが、実際にはエネルギ、パルス幅の制御が困難であるので、加工閾値フルエンスから十分大きいフルエンスで加工を行わなければならない。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、低エネルギで安定性の高い超短パルスレーザ加工方法を提供することにある。

本発明のある観点によれば、超短パルスレーザを用いて被加工物を加工するレーザ加工方法において、１パルス照射時のフルエンスの加工閾値であるシングルショット加工閾値フルエンス以下のフルエンスに設定した複数ショット数のパルスレーザを被加工物に照射することを特徴とする超短パルスレーザ加工方法が提供される。

また、本発明は、上記超短パルスレーザ加工方法を実現するための超短パルスレーザ加工装置としても成立する。

本発明によれば、被加工物にレーザパルスを複数ショット照射することにより、１パルス照射時のフルエンスの加工閾値以下のフルエンスでレーザ加工が可能となる。したがって、低エネルギで安定性の高いレーザ加工が可能である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明の超短パルスレーザ加工方法を実現するための超短パルスレーザ加工装置１０の全体構成を示す図である。超短パルスレーザ加工装置１０は、超短パルスレーザ生成装置１と、シャッター２と、ステージ３と、コンピュータ４と、集光光学系５からなる。ステージ３上に加工の対象物たる被加工物６を載置して加工を行う。

超短パルスレーザ生成装置１から発生したレーザ光は、シャッター２を介して集光光学系５に入る。集光光学系５はレーザ光を所望のビーム形状に成形しステージ３上の被加工物６の表面又はその内部の所定の位置に集光させる。集光光学系５としては例えば非球面の単レンズが用いられる。被加工物６は、例えば金属、ウェハ、ガラス、結晶材料、生体材料、樹脂などである。本実施形態では、被加工物６としてボロシリケート系ガラス（以下、ＢＫ７）を用いる。

コンピュータ４は、超短パルスレーザ生成装置１、シャッター２及びステージ３の駆動を制御する制御装置として機能する。すなわち、コンピュータ４は、駆動信号を超短パルスレーザ生成装置１、シャッター２及びステージ３に出力する。超短パルスレーザ生成装置１は、コンピュータ４からの駆動信号で指示されたフルエンスとパルス幅に基づきレーザを生成して装置外にレーザを照射する。具体的には、コンピュータ４からの駆動信号により超短パルスレーザ生成装置１内の例えば回折格子、プリズム、遮光フィルタ等の構成要素の駆動を制御する。

また、超短パルスレーザ生成装置１はレーザ照射源１ａ、レーザ光センサ１ｂ、レーザ制御装置１ｃを備える。レーザ照射源１ａからのレーザ光はレーザ制御装置１ｃにより所望の特性を備えたレーザに制御される。レーザ光センサ１ｂがレーザ照射源１ａからのレーザ光の照射を検知すると検出信号をコンピュータ４に出力する。コンピュータ４は、この検出信号のタイミングに同期してシャッター２を制御し、照射レーザの周波数を調整したり、ショット数を切り出すことができる。シャッター２は、所定の周波数で超短パルスレーザ生成装置１からのレーザパルスをしゃ断等することにより、超短パルスレーザ生成装置１からのレーザパルスの周波数よりも低い周波数に設定することができる。また、コンピュータ４は、ステージ３の駆動を制御し、パルスレーザ光と被加工物６の相対位置をレーザ照射タイミングに応じて移動させる。また、集光光学系５を駆動する駆動信号をコンピュータ４から出力し、集光光学系５の駆動により被加工物６のレーザ光照射位置を相対的に移動させてもよいし、集光光学系５とステージ３の双方を移動させてこの相対位置移動を実現してもよい。

本実施形態では、超短パルスレーザ生成装置１はパルスの繰り返し周波数は５ｋＨｚ、レーザ波長８００ｎｍ、パルス幅１５０ｆｓ〜３ｐｓまで変更可能な光源を用いる。シャッター２はポッケルスセルで実現される。レーザ光センサ１ｂで検出されたレーザ光の出力に同期してこのポッケルスセルを制御することで、レーザ光のショット数を制御することができる。

次に、上記超短パルスレーザ加工装置１０の動作を説明する。
まず、コンピュータ４を用いて照射すべきレーザ光の基本パラメータを設定する。基本パラメータの設定は、例えばコンピュータ４に設けられた入力装置を用いて入力すればよい。入力する基本パラメータとしては、例えばフルエンス、パルス幅、ショット数などであるが、これら基本パラメータは、コンピュータ４内に設けられたアプリケーションプログラムが自動で算出してもよい。

本実施形態では、基本パラメータのうち、パルス幅は５００ｆｓとし、フルエンスはシングルショット加工閾値フルエンス以下のフルエンスとして０．６２５，１．２５Ｊ／ｃｍ^２とし、この本願発明のレーザ加工技術と対比するために、従来技術に基づくシングルショット加工閾値フルエンス以上のフルエンスとして１．８７５，２．５Ｊ／ｃｍ^２とする。また、これら各フルエンスの場合について、さらにショット数を１０，２５，５０，１００，１０００，３０００ショットに設定し、また参考のため、１ショットの場合も同様に実行する。ここで、シングルショット加工閾値フルエンスとは、単一のレーザパルスを被加工物６に照射した場合のそのレーザパルス幅に対して被加工物６の加工が生じるフルエンスの値である。

得られた基本パラメータに基づきコンピュータ４は超短パルスレーザ生成装置１に駆動信号を出力する。

コンピュータ４からの駆動信号を超短パルスレーザ生成装置１が受けると、超短パルスレーザ生成装置１は駆動信号で指定されるフルエンス及びパルス幅のレーザ光を生成して出力する。このレーザ光の出力を超短パルスレーザ生成装置１のセンサが検知すると、検出信号がコンピュータ４に出力される。コンピュータ４は、検出信号に同期してシャッター２を制御し、指定されたショット数に調整する。より具体的には、例えばシャッター２を構成するポッケルスセルに与える変調電圧を駆動信号により制御すればよい。これにより、所望のレーザ照射が行われる。ある一点におけるレーザ照射が指定されたショット数に達すると、ステージ３あるいは集光光学系５を駆動してレーザパルスと被加工物６を相対的に移動させる。これにより、１つの被加工物６に対して複数の位置にレーザ照射することができる。このように、ビーム出力とステージ３あるいは集光光学系５によるレーザパルス照射位置の相対位置移動を同期させ、ショット数やビーム走査速度を制御することで、クラックレスで高精度のパターン加工が実現できる。

上記基本パラメータの各々について実際にＢＫ７の表面アブレーションを行った顕微鏡写真の一例を図２に示す。各条件に対応するレーザ加工位置は同図ではマトリクス状に示されており、左側から右側に順にショット数が１，１０，２５，５０，１００，１０００，３０００ショットについて、また下側から上側に順にフルエンスが２．５，１．８７５，１．２５，０．６２５Ｊ／ｃｍ^２の場合について示してある。

図２に示すように、シングルショット加工閾値フルエンス以上のフルエンスの場合、１ショットからアブレーションが認められ、ショット数の増加に伴い加工径が大きくなっている。一方、シングルショット加工閾値フルエンス以下のフルエンスの場合、１ショットでは加工は行われず、１．２５Ｊ／ｃｍ^２では５０ショット以上、０．６２５Ｊ／ｃｍ^２では３０００ショット以上で加工が認められている。これより、シングルショット加工閾値フルエンス以下のフルエンスによるレーザ照射の場合、被加工物６を加工するショット数の閾値、すなわち閾値ショット数が存在することが分かる。

超短パルスレーザによりシングルショット加工閾値フルエンス以上のエネルギを与える従来のアブレーションの考えられる発生原理は以下の通りである。
イオントンネル化と多光子吸収過程によって高強度のエネルギを吸収し、束縛電子は直接イオン化する。さらに電子はレーザエネルギを吸収し、フォノンへのエネルギ移動が発生して、ターゲットである被加工物は加熱され、非常に短い相互作用の時間で溶融温度を通り過ぎ蒸散される。このシングルショットレーザ加工の場合、イオントンネル化が支配的である。

これに対して本願発明のアブレーションの考えられる発生原理は以下の通りである。
シングルショット加工閾値フルエンス以下のフルエンスのレーザパルスを複数ショット照射した場合、シングルショットの場合よりも多くの多光子吸収過程（約２〜４光子）によって被加工物６にエネルギが吸収される。そして、そのショット数によって、直接的なイオン化を段階的に引き起こす。そして、電子、イオンの加熱とフォノンへのエネルギ移動を繰り返し、物質を活性化させ変質を起こす。さらに、エネルギの繰り返し照射による変質によって、物質の実質的な加工閾値フルエンスが低下する。このような実質的な加工閾値フルエンスは、複数ショット照射した場合に認められるもので、以下マルチショット加工閾値フルエンスと呼ぶ。すなわち、マルチショット加工閾値フルエンス以上であれば、シングルショット加工閾値フルエンス以下のフルエンスのエネルギ照射でアブレーションを起こすことができる。また、シングルショット加工閾値フルエンス以下のフルエンスでも、シングルショット加工閾値フルエンス以上の場合と同様にショット数の増加によってスポット径が増加している。したがって、ショット数を制御することにより、ビーム出力等を変更する場合よりも加工領域の微調整が可能となる。その結果、高精度の加工を実現することができる。

例えば、ショット数を様々な値に設定し、レーザ加工の有無を各ショット数について取得することで、閾値ショット数を実験的に求めることができる。そして、同一材料の被加工物を加工する場合に、この閾値ショット数以上のショット数でレーザパルス照射することにより、レーザ加工を行うことができる。

以上説明したように本実施形態によれば、シングルショット加工閾値フルエンス以下のフルエンスであっても、複数のショット数のレーザパルスを照射することにより被加工物のレーザ加工を行うことが出来る。したがって、シングルショット加工閾値フルエンスの高い材料においても低いフルエンスで加工できる。例えば、熱的影響が大きく、エネルギ破壊を起こしやすい材料においても、十分に低いフルエンスで加工できる。また、パルス幅やフルエンスを制御するよりも、ポッケルスセルを用いてショット数を制御する方が容易である。したがって、加工アルゴリズムを簡易化でき、再現性が高くなる。その結果、様々な材料に対してクラックなどの影響の少ない綺麗で高精度な加工を制御することが容易である。

（第２実施形態）
本実施形態は第１実施形態の変形例に係わる。本実施形態は、多光子吸収過程に基づく解析によりパルス幅と閾値ショット数を算出し、求められた閾値ショット数に基づきレーザ加工を行うことを特徴とする。本実施形態を実現するための装置構成は第１実施形態の図１に示したものと共通する。

まず、ＢＫ７のアブレーション加工において、コンピュータ４、あるいは別のコンピュータを用いて、スケーリング則に沿った超短パルス領域での加工を２光子吸収過程と仮定し、解析によりパルス幅と閾値ショット数の関係を算出する。算出されたパルス幅と閾値ショット数の関係を図３に示す。

そして、得られた閾値ショット数をショット数とし、かつ様々なフルエンスにより超短パルスレーザ加工装置１０を用いて第１実施形態と同様にレーザ照射を行う。

このレーザ照射では、被加工物６であるＢＫ７のガラス表面に集光光学系５の集光点を設定する。レーザ照射の結果、被加工物６のレーザ加工の有無を観察することで、マルチショット加工閾値フルエンスの実験値を得る。得られたマルチショット加工閾値フルエンスの実験値を、理論値とあわせて図４に示す。また、マルチショット加工閾値フルエンスに加えて、シングルショット加工閾値フルエンスの実験値と理論値をあわせて図４に示す。複数ショット照射時のパルス幅とマルチショット加工閾値フルエンスとのスケーリング則はＦ_ｔｈ＝α・τ^１／２とし、１ショット照射時のパルス幅とシングルショット加工閾値フルエンスとの関係はＦ_ｔｈ＝β・τ^１／４で表した。複数ショット照射時のスケーリング則における閾値ショット数は２光子吸収時として算出した。

図３に示すように、パルス幅が長くなるにつれて、閾値ショット数は低下している。また、図４の複数ショット照射時のスケーリング則、すなわち理論値と実験値を比較して分かるように、ほぼ理論値で得られたスケーリング則に沿った加工ができており、シングルショット照射時のシングルショット閾値フルエンス以下の閾値フルエンスで加工ができていることが確認できる。

すなわち、２光子吸収モデルによって解析されるショット数時の加工は、スケーリング則に沿った現象を用いた加工であることが確認できる。以上より、高精度で形状の整った加工を行う場合には、スケーリング則付近で加工することが望ましいことが分かる。理論式によって閾値ショット数を算出することで、安定にかつ再現性よくレーザ加工を行うことができる。

以上説明したように本実施形態によれば、多光子吸収モデルに基づく解析によりスケーリング則に沿ったパルス幅と閾値ショット数を算出し、この閾値ショット数をショット数とするレーザ加工を行う。ここで、フェムト秒の領域のパルス幅においても、マルチショット加工閾値フルエンスとの関係がスケーリング則に沿っており、従来のいわゆるシングルショット法で見られる高強度エネルギによって引き起こされるトンネル効果などの現象を少なくし多光子吸収過程を支配的な現象として用いるので、安定に再現性よくレーザ加工を行うことができる。また、スケーリング則に沿った加工を用いることにより、各種材料で安定した制御容易な加工条件、加工アルゴリズムを設定することができる。また、シミュレーションにより閾値ショット数が求まるので、閾値ショット数を求めるために同一材料でレーザ加工の実験を行う必要がなく、高効率のレーザ加工が実現できる。

（第３実施形態）
本実施形態は第１実施形態の変形例に係わる。第１実施形態はレーザ加工としてアブレーションを行う例を示したが、本実施形態は、被加工物６の内部にレーザ焦点を設定し被加工物６の内部改質を行うことを特徴とする。本実施形態を実現するための装置構成は第１実施形態の図１に示したものと共通する。

本実施形態では、被加工物６としてＢＫ７を用いる。また、集光光学系５の集光点を被加工物６のガラス内部に設定する以外は、第１実施形態と共通する。すなわち、超短パルスレーザ生成装置１からのレーザパルスを集光光学系５を用いて被加工物６内部に集光させる。これにより、被加工物６内部が改質する。改質された領域は屈折率が変化する。この屈折率の変化を顕微鏡で観察することにより、レーザ加工の有無を判断できる。

フルエンスは６．２５，５，２．５，１．２５ｍＪ／ｃｍ^２の４通りについて行い、ショット数は１，２５，５０，１００，１０００ショットの５通りについて計２０通りについて行う。パルス幅は５００ｆｓである。レーザ照射により得られたＢＫ７の顕微鏡写真の一例を図５に示す。各条件に対応するレーザ加工位置は同図ではマトリクス状に示されており、左側から右側に順にショット数が１，２５，５０，１００，１０００ショットについて、また下側から上側に順にフルエンスが６．２５，５，２．５，１．２５ｍＪ／ｃｍ^２の場合について示してある。

図５に示すように、シングルショット加工閾値フルエンス以上のフルエンスの場合、１ショットから内部改質が認められ、ショット数の増加に伴い改質領域が増加している。一方、シングルショット加工閾値フルエンス以下のフルエンスの場合、１ショットでは加工は行われず、２．５ｍＪ／ｃｍ^２では５０ショット以上、１．２５ｍＪ／ｃｍ^２では１００ショット以上で加工が認められている。これより、シングルショット加工閾値フルエンス以下のフルエンスによるレーザ照射の場合、被加工物６の内部改質を起こすショット数の閾値、すなわち閾値ショット数が存在することが分かる。

内部屈折率変化においても、低エネルギのレーザパルスを複数ショット照射し、内部の電子チャージなどによって、被加工物６が持つ加工閾値フルエンスを低下させることができる。したがって、シングルショット加工閾値フルエンス以下のフルエンスでもレーザ加工を行うことができることが分かる。すなわち、繰り返し照射による物質の活性化と、それに伴う加工閾値フルエンスの低下によって、複数のレーザパルスを照射すれば、シングルショットでは加工が行えなかったフルエンスでもレーザ加工を行うことができることが分かる。さらに、シングルショット加工閾値フルエンスを超えるような高強度のエネルギ照射では、レーザ電界の影響によって純粋な多光子吸収過程を起こすことは困難であり、この場合クラック等の影響が被加工物内に強く見られていた。これに対して本実施形態のように、マルチショットレーザ照射技術を用いることにより、シングルショットの場合よりも繊細な多光子吸収過程を引き起こすことができ、より繊細で綺麗な加工が可能となる。

このように本実施形態によれば、アブレーションのみならず内部改質においても複数ショットのレーザパルス照射により、シングルショット加工閾値フルエンス以下のレーザ加工が可能となる。

（第４実施形態）
本実施形態は第１実施形態の変形例に係わる。本実施形態は、レーザパルスの繰り返し周波数、すなわちショット数の間隔を制御することによりレーザ加工の閾値ショット数を制御することを特徴とする。本実施形態を実現するための装置構成は第１実施形態の図１に示したものと共通する。

本実施形態では、シャッター２として電気シャッターを用いる。ショット数の間隔は、コンピュータ４を用いてこの電気シャッターの開放間隔をレーザ光源の繰り返し周波数と同期させながら制御する。また、被加工物としてＢＫ７を用い、表面アブレーションを行った。

具体的には、超短パルスレーザ生成装置１の繰り返し周波数は５ｋＨｚであり、シャッターの開放間隔を制御することにより、５ｋＨｚ以下の繰り返し周波数を任意に設定する。例えば、電気シャッターの開放のタイミングの周波数を２．５ｋＨｚとすれば、シャッター２を通過するレーザパルスの周波数は２．５ｋＨｚになり、電気シャッターの開放のタイミングの周波数を１ｋＨｚとすれば、シャッター２を通過するレーザパルスの周波数を１ｋＨｚにできる。このようにして、被加工物６に照射されるレーザパルスの繰り返し周波数を５０００Ｈｚ、２５００Ｈｚ、１０００Ｈｚ、５００Ｈｚ、１００Ｈｚにし、被加工物６のアブレーションの有無を観察して繰り返し周波数と閾値ショット数の関係を求めた。得られた関係は図６に示される。

図６に示すように、繰り返し周波数が低下するに従って、与える閾値ショット数が増加している。すなわち、繰り返し周波数の制御によりショット数を任意に設定できる。被加工物６の表面及び内部パターン加工などで、ステージ５の性能などによって任意のショット数制御が困難な場合、繰り返し周波数を制御することにより、閾値近傍での繊細でクラックの生じない加工が可能となる。

このように本実施形態によれば、繰り返し周波数を制御することにより、ショット数を容易に制御することができる。すなわち、シャッター２によりショット間隔の制御が可能である。マルチショット加工閾値フルエンスの高い材料ではショット間隔を短く、また熱的影響の大きい材料ではショット間隔を長く設定する等のためにショット数を制御することができる。また、パルス幅やフルエンスを制御するよりも、電気シャッターを用いてショット数を制御する方が容易であるから、フルエンスやパルス幅を固定したままで加工できるので、加工アルゴリズムを簡易化でき、再現性が高くなり、様々な材料に対してクラックなどの影響の少ない綺麗で高精度な加工を制御することができる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
上記実施形態で用いられるレーザのパルス幅、フルエンス、ショット数、レーザ波長などのパラメータはほんの一例にすぎず、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、ショット数は、２ショット〜１００００ショット程度の範囲で選択するのが望ましい。図７は第１実施形態に示されたレーザ加工方法と同様の方法でガラスをアブレーションした際のマルチショット加工閾値フルエンスと閾値ショット数の関係を示したものであり、パルス幅１５０ｆｓ、３５０ｆｓ、５００ｆｓの３種類について示している。シングルショット加工閾値フルエンス以下のフルエンスで加工する上記実施形態の方法では、各パルス幅により加工可能なフルエンスが決まっている。例えば５００ｆｓでは、シングルショット加工閾値フルエンスである１Ｊ／ｃｍ^２から０．１Ｊ／ｃｍ^２程度までである。フルエンスの下限値、すなわちマルチショット加工閾値フルエンスは、誘起するレーザ誘起破壊、すなわちレーザ加工の種類、被加工物の材料、レーザ波長により決定される。各パルス幅のマルチショット加工閾値フルエンスは、５００ｆｓではＦ_ｔｈａ＝０．１Ｊ／ｃｍ^２、３５０ｆｓではＦ_ｔｈｂ＝０．０５Ｊ／ｃｍ^２、１５０ｆｓではＦ_ｔｈｃ＝０．０２Ｊ／ｃｍ^２程度である。マルチショット加工閾値フルエンス近傍では、同図に示すように閾値ショット数の変化勾配が大きいため、フルエンスの変動に対してショット数を制御しなければ安定した加工制御が難しくなる。１５０ｆｓのパルス幅で加工した場合はショット数の上限値Ｓ_ｔｈｃは９０００ショット程度までがフルエンスの変動の影響を受けにくく、３５０ｆｓの場合のショット数の上限値Ｓ_ｔｈｂは７０００ショット弱程度まで、５００ｆｓの場合のショット数の上限値Ｓ_ｔｈａは６０００ショット強までがフルエンス変動の影響を受けにくい。このように、パルス幅、材料により安定加工のショット数の上限値は異なっているが、より安定した加工を行うためには、２ショット〜１００００ショット程度に設定することが望ましい。さらに好ましい範囲としては、２ショット〜４０００ショット程度がよい。

また、被加工物６に照射されるレーザの繰り返し周波数は、１Ｈｚ〜１００ＭＨｚの範囲で選択するのが望ましい。レーザパルス幅は、パルス幅が非熱加工が可能なレベルで多光子吸収可能な光子密度が得られる１０ｐｓ以下に設定されるのが望ましい。このように、時間的に光が圧縮されている１０ｐｓ以下の超短パルスを用いることにより、シングルショット加工閾値フルエンス以下の領域でも、十分に物質の直接的なイオン化が可能となる。したがって、パルスレーザ光を繰り返し照射することで物質の段階的なイオン化を引き起こすことができる。さらに超短パルス光では熱的な影響を抑制することができるので、より綺麗で繊細な加工が可能となる。また、波長は市販のフェムト秒レーザ８００ｎｍを波長に変換した際に得ることができ、加工に用いられる可能性のある波長域である１００ｎｍ〜１００μｍ程度に設定されるのが望ましい。このように、レーザ光の波長を変更し、かつショット数を制御するマルチショット法を採用することにより、通常レーザ波長で制約される回折限界以下の大きさの高精度の加工が可能となり、加工分解能を向上させることができる。フルエンスは、パルス幅、被加工物の材料、レーザ加工の種別、レーザ波長などにより定まるが、０．１μＪ／ｃｍ^２〜１００Ｊ／ｃｍ^２程度に設定するのが望ましい。特に、樹脂を５００フェムト秒パルスで内部改質した場合には、１０μＪ／ｃｍ^２〜１０００μＪ／ｃｍ^２程度が望ましく、ガラスのアブレーションの場合、０．１Ｊ／ｃｍ^２〜１０Ｊ／ｃｍ^２程度が望ましい。

レーザ加工は、上記実施形態で示したアブレーション及び内部改質に限らず、切断、破断、表面の改質、屈折率変化、材料構造や物性の変性など、あらゆる加工技術を対象とすることができる。他にも、パルスレーザを干渉させ干渉縞を被加工物に転写するパターン加工技術にも適用可能である。これは、図１のシャッター２と被加工物６との間にマイケルソン干渉法等を利用した光学系を用いることによりレーザ干渉を発生させればよい。このように、ビームの干渉を利用することによって、微細かつ高精度に干渉パターンを被加工物に転写することができる。また、被加工物６は、ガラスのみならず、金属、結晶、樹脂、生体材料など、あらゆる材料が対象となり得る。なお、これら加工技術や材料の種別により、上記パラメータの望ましい範囲は適宜変更可能である。

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の態様で実施し得ることはもちろんである。

以上説明したようにこの発明は、超短パルスレーザを用いて被加工物の微細加工を行う超短パルスレーザ加工方法の技術分野に有効である。

本発明の第１実施形態に係る超短パルスレーザ加工装置の全体構成を示す図。 同実施形態に係るフルエンスとショット数に応じた被加工物表面のアブレーションの顕微鏡写真を示す図。 同実施形態に係るパルス幅と閾値ショット数の関係を示す図。 同実施形態に係るシングルショット閾値フルエンスとマルチショット閾値フルエンスの理論値と実験値を示す図。 同実施形態に係るフルエンスとショット数に応じた被加工物表面の内部改質の顕微鏡写真を示す図。 同実施形態に係る繰り返し周波数と閾値ショット数の関係を示す図。 同実施形態に係るガラスをアブレーションした際のマルチショット加工閾値フルエンスと閾値ショット数の関係を示す図。

符号の説明

１…超短パルスレーザ装置、２…シャッター、３…ステージ、４…コンピュータ、５…集光光学系、６…被加工物

Claims (10)

1. 超短パルスレーザを用いて被加工物を加工するレーザ加工方法において、
   １パルス照射時のフルエンスの加工閾値であるシングルショット加工閾値フルエンス以下のフルエンスに設定した複数ショット数のパルスレーザを前記被加工物に照射する
   ことを特徴とする超短パルスレーザ加工方法。
2. 前記パルスレーザのショット数は２〜１００００ショットであり、繰り返し周波数が１Ｈｚ〜１００ＭＨｚであることを特徴とする請求項１に記載の超短パルスレーザ加工方法。
3. 前記パルスレーザのパルス幅が１０ｐｓ以下であり、レーザ波長が１００ナノメートル以上１００マイクロメートルであることを特徴とする請求項１に記載の超短パルスレーザ加工方法。
4. 前記フルエンスは、０．１マイクロジュール／ｃｍ^２以上１００ジュール／ｃｍ^２以下であることを特徴とする請求項１に記載の超短パルスレーザ加工方法。
5. 複数パルス照射時のフルエンスの加工閾値であるマルチショット加工閾値フルエンスとパルス幅に基づき多光子吸収モデルを用いた解析により閾値ショット数を設定し、前記パルスレーザのショット数を前記閾値ショット数以上に設定することを特徴とする請求項１に記載の超短パルスレーザ加工方法。
6. 前記パルスレーザのフルエンスは、複数パルス照射時のフルエンスの加工閾値であるマルチショット加工閾値フルエンスとパルス幅との関係がほぼスケーリング則に沿う場合の前記マルチショット加工閾値フルエンスに設定されることを特徴とする請求項１に記載の超短パルスレーザ加工方法。
7. 前記ショット数を制御することにより、前記被加工物の加工スポットを制御することを特徴とする請求項１又は５に記載の超短パルスレーザ加工方法。
8. さらに前記被加工物に照射されるパルスレーザを集光光学系により所望のビーム形状に成形し、
   前記パルスレーザと前記被加工物を相対的に移動させる
   ことを特徴とする請求項１又は５に記載の超短パルスレーザ加工方法。
9. 前記被加工物へのパルスレーザの照射は、前記パルスレーザを干渉させ干渉縞を前記被加工物に転写するものであることを特徴とする請求項１又は５に記載の超短パルスレーザ加工方法。
10. 前記被加工物は、金属、結晶、ガラス、樹脂、生体材料の少なくとも１つであり、前記被加工物の種類に応じて前記閾値ショット数が変更されることを特徴とする請求項１又は５に記載の超短パルスレーザ加工方法。

Images