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JP4231924B2 - Micro processing equipment for transparent materials - Google Patents

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JP4231924B2
JP4231924B2 JP2004008674A JP2004008674A JP4231924B2 JP 4231924 B2 JP4231924 B2 JP 4231924B2 JP 2004008674 A JP2004008674 A JP 2004008674A JP 2004008674 A JP2004008674 A JP 2004008674A JP 4231924 B2 JP4231924 B2 JP 4231924B2
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JP
Japan
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transparent material
holder plate
processing
back surface
ring
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JP2004008674A
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Japanese (ja)
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喜三 川口
弘之 新納
西明 丁
正健 佐藤
愛子 奈良崎
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
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    • C03C23/0005Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation
    • C03C23/0025Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation by a laser beam

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Description

本発明は、レーザーを使用して透明材料に微細加工を行う加工装置、特に光吸収率の大きな流動性物質を利用してレーザー加工することのできる透明材料の微細加工装置、ならびに、透明材料に3次元表面微細構造を加工することにより、回折格子、偏光板、反射板、反射防止板、プリズムアレイ、ホログラム光学素子、フォトニック結晶素子などとして利用される可視〜紫外〜真空紫外光用回折光学素子、及び光通信素子、光導波路基板、液晶配向基板を作製する光学素子作製法に関する。さらに詳しくは、透明材料に光吸収の大きな流動性物質を接触させ、所定のフォトマスクを透過して特定のビーム形状を持ったレーザー光を透明材料の表面側から照射しながら、レーザー光をスキャンすることにより、透明材料に所定の3次元表面微細構造を加工することを特徴とする光学素子作製方法に関する。   The present invention relates to a processing apparatus for performing microfabrication on a transparent material using a laser, in particular, a microfabrication apparatus for a transparent material capable of performing laser processing using a fluid material having a large light absorption rate, and a transparent material. Diffraction optics for visible to ultraviolet to vacuum ultraviolet light used as diffraction gratings, polarizing plates, reflectors, antireflection plates, prism arrays, hologram optical elements, photonic crystal elements, etc. by processing three-dimensional surface microstructures The present invention relates to an optical element manufacturing method for manufacturing an element, an optical communication element, an optical waveguide substrate, and a liquid crystal alignment substrate. More specifically, a transparent material is contacted with a fluid substance that absorbs a large amount of light, and laser light is scanned while irradiating laser light with a specific beam shape from the surface side of the transparent material through a specified photomask. Thus, the present invention relates to an optical element manufacturing method characterized by processing a predetermined three-dimensional surface microstructure in a transparent material.

半導体集積回路製造工程の要を担っているフォトリソグラフィー・プロセスにおいて、加工分解能が使用光源の波長に比例するため、光源の短波長化による高分解能化、高集積化が進められてきている。また、フォトリソグラフィー以外の短波長光加工プロセスにおいても、光源の短波長化により加工分解能の向上を図ることができる。このため、近紫外から深紫外、真空紫外といった、より短波長の光の制御に利用可能な光学素子の重要性は増すばかりである。特に、透明材料に溝アレイ、溝アレイの湾曲構造、2次元アレイ構造といった3次元表面微細構造を加工し、必要に応じて公知の方法で誘電体膜や金属膜を塗布することにより作製される回折光学素子は、回折格子、偏光板、反射板、反射防止板、プリズムアレイ、ホログラム光学素子、フォトニック結晶素子などの機能を有し、従来の複数の光学部品の機能を1個で置き換えることが可能であり、光学系の小型化、簡略化、高機能化を図る上で重要な役割を果たす。このような観点から、可視光から深紫外光の制御に利用可能な石英ガラスやサファイア、さらに真空紫外光までの制御に利用可能なフッ化カルシウムなどのフッ化物結晶を用いた光学素子、特に回折光学素子が重要度を増している。   In a photolithography process that plays a key role in the semiconductor integrated circuit manufacturing process, since the processing resolution is proportional to the wavelength of the light source used, higher resolution and higher integration are being promoted by shortening the wavelength of the light source. Also, in a short wavelength optical processing process other than photolithography, the processing resolution can be improved by shortening the wavelength of the light source. For this reason, the importance of optical elements that can be used to control light having a shorter wavelength, such as near ultraviolet, deep ultraviolet, and vacuum ultraviolet, is increasing. In particular, it is produced by processing a three-dimensional surface microstructure such as a groove array, a curved structure of the groove array, or a two-dimensional array structure on a transparent material, and applying a dielectric film or a metal film by a known method as necessary. The diffractive optical element has functions such as a diffraction grating, a polarizing plate, a reflection plate, an antireflection plate, a prism array, a hologram optical element, and a photonic crystal element, and replaces the functions of a plurality of conventional optical components with one piece. It can play an important role in miniaturization, simplification, and high functionality of the optical system. From this point of view, optical elements using fluoride crystals such as quartz glass and sapphire that can be used to control visible light to deep ultraviolet light and calcium fluoride that can be used to control vacuum ultraviolet light, especially diffraction Optical elements are gaining importance.

また、V溝及びV溝アレイは光ファイバー位置決め基板といった光通信素子として利用可能であり、紫外光を透過する石英ガラスなどの透明材料を用いることで、紫外光硬化樹脂による光ファイバーの接着、固定が簡便に行えるという利点を持つ。   The V-groove and the V-groove array can be used as an optical communication element such as an optical fiber positioning substrate. By using a transparent material such as quartz glass that transmits ultraviolet light, it is easy to bond and fix the optical fiber with ultraviolet light curable resin. Has the advantage of being able to

さらに、溝構造、溝アレイ構造、溝及び溝アレイの湾曲構造は光導波路基板、液晶配向用基板としても利用可能である。   Further, the groove structure, the groove array structure, and the curved structure of the groove and the groove array can be used as an optical waveguide substrate and a liquid crystal alignment substrate.

上記の理由から、簡便、高品位、高効率で、石英ガラス、サファイアなどからフッ化物結晶までの広範な透明材料の表面に三次元微細形状を加工して光学素子を作製する方法が望まれている。   For the above reasons, a simple, high-quality, high-efficiency method for fabricating optical elements by processing three-dimensional fine shapes on the surface of a wide range of transparent materials from quartz glass, sapphire, etc. to fluoride crystals is desired. Yes.

しかし、光吸収率の少ない透明材料はレーザーアブレーションやレーザー溶融法によって直接的に材料表面に微細加工を行うことは困難である。また、請求項14に挙げた透明材料は堅くてもろいため、研削などの機械加工では加工速度が非常に小さく、クラックや欠けが発生しやすいために加工効率が悪いという難点を持つ。さらに、複雑な三次元表面形状の精密微細加工を行うことは一段と困難である。   However, it is difficult for a transparent material with a low light absorption rate to be finely processed directly on the material surface by laser ablation or laser melting. Further, since the transparent material recited in claim 14 is hard and brittle, the machining speed such as grinding is very low, and cracks and chips are likely to occur, so that the machining efficiency is low. Furthermore, it is more difficult to perform precise fine processing of complicated three-dimensional surface shapes.

そこで、特許第3012926号公報(特許文献1)に示すようにレーザーの直接照射による加工が困難な透明材料については、透明材料の裏面に光吸収率の大きな流動性物質を接触させ、流動性物質のレーザー吸収を利用した微細加工方法が提案されている。   Therefore, as shown in Japanese Patent No. 3012926 (Patent Document 1), for a transparent material that is difficult to be processed by direct laser irradiation, a fluid material having a large light absorption rate is brought into contact with the back surface of the transparent material, and the fluid material A microfabrication method using laser absorption has been proposed.

また、装置に透明材料を保持する機構として、図5に示すように透明材料1の正面側をOリング2を介してホルダー3の保持プレート3aに当接させ、透明材料1の裏面にOリング4を介して光吸収率の大きな流動性物質5を収容したセル6の開口部6aを接触保持させている。図5に示す例では、セル6の裏面からホルダープレート7をボルト8で保持プレート3aに取付けている。つまり、透明材料1は、Oリング4とセル6を介して背面から押さえられている。また、透明材料1の裏面に流動性物質5を接触させてレーザー加工する技術は、特許文献1に記載されている。   Further, as a mechanism for holding the transparent material in the apparatus, as shown in FIG. 5, the front side of the transparent material 1 is brought into contact with the holding plate 3a of the holder 3 through the O-ring 2, and the O-ring is placed on the back surface of the transparent material 1. 4, the opening 6 a of the cell 6 containing the fluid substance 5 having a large light absorption rate is held in contact. In the example shown in FIG. 5, the holder plate 7 is attached to the holding plate 3 a with bolts 8 from the back surface of the cell 6. That is, the transparent material 1 is pressed from the back via the O-ring 4 and the cell 6. Patent Document 1 discloses a technique for performing laser processing by bringing a fluid substance 5 into contact with the back surface of the transparent material 1.

他方、レーザー光を吸収する材料に対するレーザー光の直接照射による3次元微細表面加工方法として以下の方法が知られている。
(1)点集光したレーザー光を3次元的にスキャンしてアブレーション加工し、所定の3次元形状を加工する方法。[例えば、特開2000−317665号公報(特許文献2)]
(2)他種類のフォトマスクを準備し、レーザー照射によるアブレーション加工を段階的に行い、段階ごとにフォトマスクを取り替えて、所定の3次元形状を加工する方法。[例えば、特開平09−308942号公報(特許文献3)、特開平10−16215号公報(特許文献4)]
(3)光の二次元透過形状を自由に制御出来る液晶パネルをフォトマスクとして用い、レーザー加工を進めながらレーザー光のビーム形状を変化させて、所定の3次元形状を加工する方法。[例えば、特開平09−15867号公報(特許文献5)、特開2001−212687号公報(特許文献6)、特開2001−212798号公報(特許文献7)、特開2002−292488号公報(特許文献8)]
(4)光の透過量を連続的に変化させるグレー・フォトマスクを用い、透過するレーザー光強度の二次元分布を制御して、所定の3次元形状を加工する方法。[例えば、特開平07−58434号公報(特許文献9)、特開平08−224686号公報(特許文献10)、特開平2003−15275号公報(特許文献11)]
(5)フォトマスクを透過して所定のビーム形状を持ったレーザー光を照射してアブレーション加工しながら、集光レンズを照射方向に移動させ、縮小率を変えて3次元形状を加工する方法。[特開平08−221729号公報(特許文献12)]
(6)フォトマスクを透過してあるビーム形状を持ったレーザー光を加工物上でレーザー照射方向と垂直な一方向にスキャンすることにより、ランプ構造などの3次元表面形状を加工する方法。[Zimmerら:Appl.Surf.Sci.Vol.96−98,p.425(1996)(非特許文献1)]
On the other hand, the following method is known as a three-dimensional fine surface processing method by direct irradiation of laser light to a material that absorbs laser light.
(1) A method of processing a predetermined three-dimensional shape by three-dimensionally scanning a point-condensed laser beam and performing ablation processing. [For example, Unexamined-Japanese-Patent No. 2000-317665 (patent document 2)]
(2) A method of preparing a predetermined three-dimensional shape by preparing another type of photomask, performing ablation processing by laser irradiation step by step, and replacing the photomask at each step. [For example, JP 09-308942 A (Patent Document 3), JP 10-16215 A (Patent Document 4)]
(3) A method of processing a predetermined three-dimensional shape by using a liquid crystal panel that can freely control the two-dimensional transmission shape of light as a photomask and changing the beam shape of the laser light while advancing laser processing. [For example, JP 09-15867 (Patent Document 5), JP 2001-212687 (Patent Document 6), JP 2001-212798 (Patent Document 7), JP 2002-292488 ( Patent Document 8)]
(4) A method of processing a predetermined three-dimensional shape by controlling a two-dimensional distribution of transmitted laser light intensity using a gray photomask that continuously changes the amount of transmitted light. [For example, JP 07-58434 A (Patent Document 9), JP 08-224686 A (Patent Document 10), JP 2003-15275 A (Patent Document 11)]
(5) A method of processing a three-dimensional shape by changing the reduction ratio by moving the condenser lens in the irradiation direction while ablating by irradiating a laser beam having a predetermined beam shape through the photomask. [Japanese Patent Laid-Open No. 08-221729 (Patent Document 12)]
(6) A method of processing a three-dimensional surface shape such as a lamp structure by scanning a laser beam having a beam shape transmitted through a photomask on a workpiece in one direction perpendicular to the laser irradiation direction. [Zimmer et al .: Appl. Surf. Sci. Vol. 96-98, p. 425 (1996) (Non-Patent Document 1)]

しかし、前記段落0009の(1)の方法では加工領域全てをスキャンして3次元加工を行っていくため、レーザーの繰返し周波数が高く、かつレーザー強度が非常に高い場合を除くと、時間効率が悪いという問題がある。段落0009の(2)の方法では、頻繁にフォトマスクの交換を行う必要があって煩雑かつ時間効率が悪く、さらに階段状の加工断面になりやすいという問題がある。段落0009の(3)の方法では、使用できるレーザー光の波長が液晶パネルを透過出来るものに限定されるという問題がある。段落0009の(4)の方法では、グレー・フォトマスク、特に短波長レーザーで高いレーザー強度に耐えるグレー・フォトマスクの作製が大変困難であるという問題がある。段落0009の(5)の方法では、縮小率の変化に伴うレーザー強度の変化による加工効率の変化も考慮する必要があり、加工形状の制御が困難を伴うという問題がある。段落0009の(6)の方法は簡便であるが、Zimmerらはその用途について言及していない。   However, in the method of paragraph 0009 (1), since the entire processing region is scanned and three-dimensional processing is performed, time efficiency is improved except when the laser repetition frequency is high and the laser intensity is very high. There is a problem of being bad. In the method of paragraph 0009 (2), there is a problem that it is necessary to frequently replace the photomask, which is complicated and time-efficient, and is likely to have a stepped processing section. In the method of paragraph 0009 (3), there is a problem that the wavelength of the laser beam that can be used is limited to that which can be transmitted through the liquid crystal panel. The method of paragraph (0009) (4) has a problem that it is very difficult to produce a gray photomask, particularly a gray photomask that can withstand a high laser intensity with a short wavelength laser. In the method of paragraph 0009 (5), it is necessary to consider the change in processing efficiency due to the change in laser intensity accompanying the change in the reduction ratio, and there is a problem that it is difficult to control the processing shape. Although the method of paragraph 0009 (6) is simple, Zimmer et al. Does not mention its use.

特許文献1の方法と前記段落0009の(4)、(6)の方法を用いた、石英ガラスへの3次元表面加工例が報告されている。
(1)フレネルレンズ、ランダム位相板の加工
グレー・フォトマスクを用いることでレーザー光強度の2次元分布を制御し、石英ガラスの背面に流動性物質を接触させ、石英ガラスの表面側からレーザー光を照射して、フレネルレンズ、ランダム位相板の加工を行った。[Kopitkovasら:Microelectron.Eng.Vol.67−68,p.438(2003)(非特許文献2)。]
(2)シリンドリカル凹レンズ構造の加工
フォトマスクを通過したレーザー光を石英ガラスの表面から流動性物質に照射しながら、レーザー光をレーザー照射方向と垂直な一方向にスキャンすることにより、シリンドリカル凹レンズ構造を加工した。[Boehmeら:Appl.Surf.Sci.Vol.186,p.276(2002)(非特許文献3)。]
An example of three-dimensional surface processing on quartz glass using the method of Patent Document 1 and the methods of paragraphs 0009 (4) and (6) has been reported.
(1) Processing of Fresnel lens and random phase plate Using a gray photomask, the two-dimensional distribution of laser light intensity is controlled, a fluid substance is brought into contact with the back surface of the quartz glass, and laser light is emitted from the surface side of the quartz glass. To process the Fresnel lens and the random phase plate. [Kopitkovas et al .: Microelectron. Eng. Vol. 67-68, p. 438 (2003) (non-patent document 2). ]
(2) Processing of cylindrical concave lens structure Cylindrical concave lens structure is obtained by scanning the laser light in one direction perpendicular to the laser irradiation direction while irradiating the flowable material from the surface of quartz glass with laser light that has passed through the photomask. processed. [Boehme et al .: Appl. Surf. Sci. Vol. 186, p. 276 (2002) (non-patent document 3). ]

ただし、前記段落0011(1)の方法では、所定のレーザー光強度分布を得るためのグレー・フォトマスクの設計・作製が難しい。具体的には、レジスト塗布、リソグラフィーによるパターニング、イオンビーム・エッチング、レジスト剥離の複雑工程を複数回繰り返す必要があり、大変手間がかかる。このとき、工程数を減らすと、透過光量の変化が階段状になって滑らかさを欠くことになり、加工品位に影響を及ぼす。段落0011の(2)の方法では、Boehmeの報告例は石英ガラス表面へのシリンドリカル凹レンズ構造のみであり、さらにその用途については何も言及していない。   However, in the method of paragraph 0011 (1), it is difficult to design and manufacture a gray photomask for obtaining a predetermined laser light intensity distribution. Specifically, it is necessary to repeat a complicated process of resist coating, lithography patterning, ion beam etching, and resist stripping a plurality of times, which is very troublesome. At this time, if the number of steps is reduced, the amount of transmitted light changes stepwise and lacks smoothness, which affects the processing quality. In the method of paragraph (0011) (2), Boehme reports only the cylindrical concave lens structure on the quartz glass surface, and does not mention anything about its use.

特許第3012926号公報Japanese Patent No. 3012926 特開2000−317665号公報JP 2000-317665 A 特開平09−308942号公報JP 09-308942 A 特開平10−16215号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-16215 特開平09−15867号公報JP 09-15867 A 特開2001−212687号公報JP 2001-212687 A 特開2001−212798号公報JP 2001-212798 A 特開2002−292488号公報JP 2002-292488 A 特開平07−58434号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-58434 特開平08−224686号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-224686 特開2003−15275号公報JP 2003-15275 A 特開平08−221729号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-221729 Zimmerら:Appl.Surf.Sci.Vol.96−98,p.425(1996)Zimmer et al .: Appl. Surf. Sci. Vol. 96-98, p. 425 (1996) Kopitkovasら:Microelectron.Eng.Vol.67−68,p.438(2002)Kopitkovas et al .: Microelectron. Eng. Vol. 67-68, p. 438 (2002) Boehmeら:Appl.Surf.Sci.Vol.186,p.276(2002)Boehme et al .: Appl. Surf. Sci. Vol. 186, p. 276 (2002)

前記段落0008で述べた透明材料の微細加工法において、レーザー加工する加工部位が透明基板の裏面であり、流動性物質の入ったセルで覆われているために、直接観察することができない。したがって、加工に使用するレーザー光の焦点位置を正確に測定することは困難であった。また、図6に示すように透明材料1の裏面を直接規制する部材が存在しなかったので、微細加工を行うべき透明材料の裏面の位置が微妙にずれてしまい、微細加工に悪影響を与える場合が存在した。   In the fine processing method of the transparent material described in the paragraph 0008, since the processing site to be laser processed is the back surface of the transparent substrate and is covered with the cell containing the fluid substance, it cannot be directly observed. Therefore, it has been difficult to accurately measure the focal position of the laser beam used for processing. In addition, as shown in FIG. 6, there is no member that directly regulates the back surface of the transparent material 1, and thus the position of the back surface of the transparent material to be finely processed is slightly shifted, which adversely affects the fine processing. Existed.

本発明は、前記実情に鑑み提案されたもので、流動性物質の入ったセルで覆われた透明基板の裏面を再現性よくレーザー光の集光位置に保持することのできる透明材料の微細加工装置を提供することを目的とする。   The present invention has been proposed in view of the above circumstances, and a microfabrication of a transparent material capable of holding the back surface of a transparent substrate covered with a cell containing a fluid substance at a laser beam condensing position with high reproducibility. An object is to provide an apparatus.

ならびに、上記微細加工装置を用いて、透明材料に3次元表面微細構造を加工することにより、回折格子、偏光板、反射板、反射防止板、プリズムアレイ、ホログラム光学素子、フォトニック結晶素子などの可視〜紫外〜真空紫外光用回折光学素子、光通信素子、光導波路基板、液晶配向基板などの光学素子を簡便、高品位、高効率に作製することを目的とする。具体的な3次元表面微細構造としてV溝及びV溝アレイ、のこぎり歯溝及びのこぎり歯溝アレイ、U溝及びU溝アレイ、矩形溝及び矩形溝アレイ、上記溝及び溝アレイの湾曲構造、ピラミッド状構造の2次元アレイ、レンズ状構造の2次元アレイ、矩形の2次元アレイを用いるものとする。   In addition, by processing a three-dimensional surface microstructure in a transparent material using the above microfabrication apparatus, a diffraction grating, a polarizing plate, a reflector, an antireflection plate, a prism array, a hologram optical element, a photonic crystal element, etc. An object of the present invention is to easily and efficiently produce optical elements such as a diffractive optical element for visible to ultraviolet to vacuum ultraviolet light, an optical communication element, an optical waveguide substrate, and a liquid crystal alignment substrate. Specific three-dimensional surface microstructures include V-groove and V-groove array, sawtooth groove and sawtooth groove array, U-groove and U-groove array, rectangular groove and rectangular groove array, curved structure of the groove and groove array, pyramid shape Assume that a two-dimensional array of structures, a two-dimensional array of lenticular structures, and a rectangular two-dimensional array are used.

前記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、透明材料の裏面にレーザー波長に対して高い吸収率を有する流動性物質を接触させ、正面からレーザー光を照射して透明材料の裏面に微細加工を施す透明材料の微細加工装置であって、前記透明材料の裏面位置を直接規制する基準プレートと、前記透明材料の表面側にOリング保持用凹部を備えた第1ホルダープレートと、前記第1ホルダープレートのOリング保持用凹部に嵌入する、裏面位置ブレ防止ならびに微小変形防止用のOリングと、前記基準プレートと前記第1ホルダープレート間にOリングを介して前記透明材料を等トルクで押圧作動して挟持する複数の固定具と、前記流動性物質を収容し片面側に開口部を備えたセルと、前記セルの開口部を流動性物質漏洩防止用のOリングを介して前記透明材料の裏面に対し、前記第1ホルダープレートの前記押圧作動とは独立して押圧作動しセル内を密封する第2ホルダープレートと、前記第1ホルダープレートと第2ホルダープレートを固定し、XYZステージ上に複数の基準ピンを用いて固定するホルダーとを備え、前記第2ホルダープレートにより前記セルの開口部をOリングを介して前記透明材料の裏面に対して押圧固定した状態で、前記固定具により前記基準プレートと前記Oリングを保持した第1ホルダープレートとの間に、前記透明材料を垂直挟持可能としたことを特徴としている。 In order to achieve the above object, according to the invention described in claim 1, a fluid material having a high absorptance with respect to the laser wavelength is brought into contact with the back surface of the transparent material, and laser light is irradiated from the front to A transparent material micromachining apparatus that performs micromachining on the back surface, a reference plate that directly regulates the position of the back surface of the transparent material, and a first holder plate that includes an O-ring holding recess on the front surface side of the transparent material; The transparent material is inserted into the O-ring holding recess of the first holder plate to prevent back surface position blurring and minute deformation, and the transparent material is interposed between the reference plate and the first holder plate via the O-ring. a plurality of fasteners for clamping by pressure operation at equal torque, the a cell with an opening on one side to accommodate a flowable substance, O phosphorus for preventing fluid material leakage an opening of the cell A second holder plate for pressing the first holder plate against the back surface of the transparent material independently of the pressing operation of the first holder plate and sealing the inside of the cell; and the first holder plate and the second holder plate A holder fixed on the XYZ stage using a plurality of reference pins, and the second holder plate presses and fixes the opening of the cell against the back surface of the transparent material through an O-ring. in, between the first holder plate which holds the O-ring and said reference plate by said fixture is characterized in that the transparent material to allow vertical clamping.

請求項1に記載の発明では、透明材料の裏面にレーザー波長に対して高い吸収率を有する流動性物質を接触させ、正面からレーザー光を照射して透明材料の裏面に微細加工を施す透明材料の微細加工装置であって、前記透明材料の裏面位置を直接規制する基準プレートと、前記透明材料の表面側にOリング保持用凹部を備えた第1ホルダープレートと、前記第1ホルダープレートのOリング保持用凹部に嵌入するOリングと、前記基準プレートと前記第1ホルダープレート間にOリングを介して前記透明材料を等トルクで押圧作動して挟持する複数の固定具と、前記流動性物質を収容し開口部を備えたセルと、前記セルの開口部をOリングを介して前記透明材料の裏面に対し、前記第1ホルダープレートの前記押圧作動とは独立して押圧作動しセル内を密封する第2ホルダープレートと、前記第1ホルダープレートと第2ホルダープレートを固定し、XYZステージ上に複数の基準ピンを用いて固定するホルダーとを備え、前記第2ホルダープレートにより前記セルの開口部をOリングを介して前記透明材料の裏面に対して押圧固定した状態で、前記固定具により前記基準プレートと前記Oリングを保持した第1ホルダープレートとの間に、前記透明材料を挟持するので、透明材料を正確な位置に保持することができ、高精度に様々な形状を表面加工することができる。また、基準プレートの存在により透明材料を再現性よく保持できるので、さまざまな形状の透明材料の裏面に微細加工を施すことができる。 In the first aspect of the present invention, a transparent material in which a fluid material having a high absorptance with respect to the laser wavelength is brought into contact with the back surface of the transparent material, and laser processing is applied from the front to finely process the back surface of the transparent material. A reference plate that directly regulates the position of the back surface of the transparent material, a first holder plate having an O-ring holding recess on the front surface side of the transparent material, and an O of the first holder plate An O-ring to be inserted into the ring-holding recess, a plurality of fixtures for pressing and clamping the transparent material with equal torque through the O-ring between the reference plate and the first holder plate; and the fluid substance And a cell having an opening, and the opening of the cell is pressed against the back surface of the transparent material via an O-ring independently of the pressing operation of the first holder plate. A second holder plate for sealing the inside Le, the first securing the holder plate and a second holder plate, and a holder fixed using a plurality of reference pins on the XYZ stage, the by the second holder plate The transparent material is fixed between the reference plate and the first holder plate holding the O-ring by the fixture in a state where the opening of the cell is pressed and fixed to the back surface of the transparent material via the O-ring. since pinching the can to hold the transparent material in the correct position, it is possible to surface treatment of various shapes with high accuracy. In addition, since the transparent material can be retained with good reproducibility due to the presence of the reference plate, it is possible to finely process the back surface of the transparent material having various shapes.

また、前記透明材料は前記基準プレートと、保持プレートに挟持されるので、加工すべき透明材料を正確な位置に保持することができ、再現性よく透明材料の裏面に微細加工を施すことができる。 The transparent material and the front Symbol reference plate, since it is clamped to the holding plate, the transparent material to be machined can be held in the correct position, be subjected to fine processing on the back surface of the good reproducibility transparent material it can.

また、前記透明材料の裏面に接触される流動性物質は、透明材料とは独立して保持されるので、加工すべき透明材料が流動性物質の保持状態に影響を受けることがない。したがって、透明材料を再現性よく正確な位置に保持して微細なレーザー加工が実現できる。 Moreover, flowable material that is in contact with the back surface of the front Symbol transparent material, because the transparent material is held independently, a transparent material to be machined is not affected by the holding state of the flowable material. Therefore, fine laser processing can be realized by holding the transparent material at an accurate position with high reproducibility.

流動性物質の入ったセルで覆われた透明基板の裏面を再現性よくレーザー光の集光位置に保持することのできる透明材料の微細加工装置を提供することを目的とし、また、上記微細加工装置を用いて、透明材料に3次元表面微細構造を加工することにより、回折格子、偏光板、反射板、反射防止板、プリズムアレイ、ホログラム光学素子、フォトニック結晶素子などの可視〜紫外〜真空紫外光用回折光学素子、光通信素子、光導波路基板、液晶配向基板などの光学素子を簡便、高品位、高効率に作製することを目的として、透明材料の裏面にレーザー波長に対して高い吸収率を有する流動性物質を接触させ、正面からレーザー光を照射して透明材料の裏面に微細加工を施す透明材料の微細加工装置であって、前記透明材料の裏面位置を直接規制する基準プレートと、前記透明材料の表面側にOリング保持用凹部を備えた第1ホルダープレートと、前記第1ホルダープレートのOリング保持用凹部に嵌入するOリングと、前記基準プレートと前記第1ホルダープレート間にOリングを介して前記透明材料を等トルクで押圧作動して挟持する複数の固定具と、前記流動性物質を収容し開口部を備えたセルと、前記セルの開口部をOリングを介して前記透明材料の裏面に対し、前記第1ホルダープレートの前記押圧作動とは独立して押圧作動しセル内を密封する第2ホルダープレートと、前記第1ホルダープレートと第2ホルダープレートを固定し、XYZステージ上に複数の基準ピンを用いて固定するホルダーとを備え、前記第2ホルダープレートにより前記セルの開口部をOリングを介して前記透明材料の裏面に対して押圧固定した状態で、前記固定具により前記基準プレートと前記Oリングを保持した第1ホルダープレートとの間に、前記透明材料を挟持することを特徴とする透明材料の微細加工装置としたものである。 It is an object of the present invention to provide a microfabrication apparatus for a transparent material capable of holding the back surface of a transparent substrate covered with a cell containing a fluid substance at a laser beam focusing position with good reproducibility. Visible to ultraviolet to vacuum such as diffraction gratings, polarizing plates, reflectors, antireflection plates, prism arrays, hologram optical elements, photonic crystal elements, etc. by processing a three-dimensional surface microstructure into a transparent material using an apparatus High absorption with respect to laser wavelength on the back surface of transparent material for the purpose of producing optical elements such as diffractive optical elements for ultraviolet light, optical communication elements, optical waveguide substrates, liquid crystal alignment substrates, etc. simply, with high quality and high efficiency. A transparent material micromachining apparatus that makes a fluid material having a rate contact with each other and irradiates laser light from the front surface to perform micromachining on the back surface of the transparent material, and directly controls the position of the back surface of the transparent material. A reference plate, a first holder plate having an O-ring retaining recess on a surface side of said transparent material, and the O-ring that fits the O-ring holding recess of the first holder plate, the said reference plate first (1) A plurality of fixtures for pressing and holding the transparent material with equal torque through an O-ring between holder plates, a cell containing the flowable substance and having an opening, and an opening of the cell A second holder plate that presses against the back surface of the transparent material via an O-ring independently of the pressing operation of the first holder plate to seal the inside of the cell; the first holder plate and the second holder; And a holder for fixing the plate on the XYZ stage using a plurality of reference pins, and the second holder plate allows the opening of the cell to pass through an O-ring. The transparent material is sandwiched between the reference plate and the first holder plate holding the O-ring by the fixture in a state where the transparent material is pressed and fixed to the back surface of the transparent material. This is a material microfabrication apparatus.

以下、本発明の一実施例を図面にしたがって詳細に説明する。図1は、本発明に係る透明材料の微細加工装置の概略構成を示す説明図、図2は、本発明に係る透明材料の微細加工装置の正面図である。ここで、本発明に係る透明材料の微細加工装置10は、透明材料11の裏面にレーザー波長に対して高い吸収率を有する流動性物質12を接触させ、正面からレーザー光Lを照射して透明材料11の裏面に微細加工を施すものであって、透明材料11の裏面位置を直接規制する基準プレート13を備えている。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory view showing a schematic configuration of a transparent material micromachining apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is a front view of the transparent material micromachining apparatus according to the present invention. Here, the microfabrication apparatus 10 for transparent material according to the present invention makes a fluid material 12 having a high absorptance with respect to the laser wavelength contact the back surface of the transparent material 11 and irradiates the laser beam L from the front to be transparent. The back surface of the material 11 is finely processed, and a reference plate 13 that directly regulates the back surface position of the transparent material 11 is provided.

基準プレート13は、透明材料11を裏面から押圧保持するものであって、基準面13aと流動性物質12を収容するセル14を当接させるための窓部13bを備えており、固定ボルト15によって第1ホルダープレート21に取付けられている。   The reference plate 13 presses and holds the transparent material 11 from the back surface, and includes a window portion 13b for bringing the reference surface 13a and the cell 14 containing the fluid substance 12 into contact with each other. The first holder plate 21 is attached.

第1ホルダープレート21は、透明材料11を狭持する面に凹部21aを有しており、この凹部21aにOリング17が配置されており、透明材料11の厚さのバラツキを補償する。また、第1ホルダープレート21は、正面にレーザー光を受け入れるための開口部21bを有する。   The first holder plate 21 has a recess 21 a on the surface that holds the transparent material 11, and the O-ring 17 is disposed in the recess 21 a, and compensates for variations in the thickness of the transparent material 11. Moreover, the 1st holder plate 21 has the opening part 21b for receiving a laser beam in the front.

ホルダー16は、正面にレーザー光を受け入れるための開口部16aを有すると共に固定ボルト15を挿通するためのボルト穴18が形成されている。このように構成されたホルダー16は、図外のクランプ機構によりXYZステージに固定される。   The holder 16 has an opening 16a for receiving laser light on the front surface, and a bolt hole 18 for inserting the fixing bolt 15 is formed. The holder 16 configured as described above is fixed to the XYZ stage by a clamp mechanism (not shown).

セル14は、透明材料11の裏面と接触する開口部14aが形成されており、この開口部14aの周囲にOリング22が配設されている。セル14には、レーザー波長に対して高い吸収率を有する流動性物質12が収容されている。流動性物質12としては、使用するレーザー波長に高い吸収率を持つ物質であればよく、例えばピレンのアセトン溶液、ベンジルのアセトン溶液、ピレンのテトラヒドロフラン溶液、ローダミン6Gのエタノール溶液、フタロシアニンのエタノール溶液などの芳香族環を含む有機化合物、トルエン、ベンゼン、4塩化炭素等の液体状化合物、ピラニン水溶液、ナフタレン誘導体水溶液、有機化合物、有機色素、無機顔料、あるいは炭素などの微粒子などを分散して作った溶液等を使用することができる。更に、上記に挙げられた物質の二種類以上を混合して作られた流動性物質も使用することができる。これらの物質は使用しているレーザー波長に対して高い吸収率を有することが必要で、例えば流動性物質と透明材料の界面から、流動性物質内部に0.1mmの深さで10%以上の吸収率を有することが望ましい。更に望ましいのは0.1mmの深さで50%以上の吸収率を有することである。吸収率が十分に高くない場合には、透明材料の表面加工の精密化及び微細化が十分には達せられない。   The cell 14 has an opening 14a that contacts the back surface of the transparent material 11, and an O-ring 22 is disposed around the opening 14a. The cell 14 contains a fluid substance 12 having a high absorption rate with respect to the laser wavelength. The flowable substance 12 may be any substance having a high absorptance at the laser wavelength used. For example, pyrene in acetone, benzyl in acetone, pyrene in tetrahydrofuran, rhodamine 6G in ethanol, phthalocyanine in ethanol, etc. Organic compounds containing aromatic rings, liquid compounds such as toluene, benzene, and carbon tetrachloride, pyranine aqueous solutions, naphthalene derivative aqueous solutions, organic compounds, organic dyes, inorganic pigments, or fine particles of carbon, etc. A solution or the like can be used. Furthermore, a fluid material made by mixing two or more of the above-listed materials can also be used. These substances need to have a high absorptance with respect to the laser wavelength used, for example, 10% or more at a depth of 0.1 mm from the interface between the fluid substance and the transparent material to the inside of the fluid substance. It is desirable to have an absorption rate. More desirably, it has an absorptance of 50% or more at a depth of 0.1 mm. If the absorption rate is not sufficiently high, the surface processing of the transparent material cannot be sufficiently refined and refined.

セル14の上端には、上に伸びた筒状開口部14bが形成されており、流動性物質12にレーザー光が照射された際に発生する気泡及び体積変動を吸収している。また、セル14の背面からホルダープレート19をボルト20で基準プレート13に取付けている。ホルダープレート19には、加工時の様子を観察可能とするために、ほぼ中央に開口窓19aが形成されている。このように、基準プレート13、透明材料11、第1ホルダープレート21及びセル14が固定ボルトでそれぞれ一体的に組み立てられたものを、最後にホルダー16に組み付けることで、再現性の良いレーザー加工が可能となる。   A cylindrical opening 14b extending upward is formed at the upper end of the cell 14, and absorbs bubbles and volume fluctuations generated when the fluid substance 12 is irradiated with laser light. A holder plate 19 is attached to the reference plate 13 with bolts 20 from the back of the cell 14. The holder plate 19 is formed with an opening window 19a substantially at the center so that the state during processing can be observed. In this way, the reference plate 13, the transparent material 11, the first holder plate 21 and the cell 14 are integrally assembled with the fixing bolts, and finally assembled to the holder 16, so that laser processing with good reproducibility can be achieved. It becomes possible.

次に、このように構成された透明材料の微細加工装置10の使用手順について説明する。先ず、加工の対象となる透明材料11を基準プレート13及び第1ホルダープレート21で挟み込み、締め付けトルクを一定(現機構では約12cNm)の状態で4本の固定ボルト15によりネジ止め固定する。この際、基準プレート13を省略して、透明材料11とセル14をまとめてホルダー16、ホルダープレート19で挟み込む方が簡便である。しかし、これでは透明材料11の裏面の位置が全く保証されず、基板保持の度にレーザー集光方向に対して数10ミクロンの位置ずれが起こり、再現性の良い透明材料の微細加工が実行できない。   Next, a procedure for using the transparent material microfabrication apparatus 10 configured as described above will be described. First, the transparent material 11 to be processed is sandwiched between the reference plate 13 and the first holder plate 21 and fixed with screws by four fixing bolts 15 with a constant tightening torque (about 12 cNm in the current mechanism). At this time, it is easier to omit the reference plate 13 and sandwich the transparent material 11 and the cell 14 together with the holder 16 and the holder plate 19. However, this does not guarantee the position of the back surface of the transparent material 11 at all, and every time the substrate is held, a positional shift of several tens of microns occurs in the laser focusing direction, and fine processing of the transparent material with good reproducibility cannot be performed. .

このため、本発明では基準プレート13を設け、これを透明材料11の裏面の位置出しの基準としている。また、締め付けトルクを一定に管理しないでボルト止めすると、基準プレート13のたわみによって十ミクロン強のオーダーで位置ずれが起こり、再現性の良い微細加工が達成できない。このため、ボルト止めする際の締め付けトルクの管理が必須である。これは、他の箇所のボルト止めにおいても同様である。さらに、第1ホルダープレート21と透明材料である基板表面との間のクッション用にOリング17により基板厚さのばらつきを補償する。もし、Oリング17を用いないで、透明材料11を基準プレート13、第1ホルダープレート21で挟むと、隙間が残って基板裏面の位置ブレが起こるか、透明材料11が基準プレート13、第1ホルダープレート21から圧力を受けて表面が微小変形するか、或いは破損するかのいずれかとなってしまう。このため、本発明ではクッション用のOリング17の使用が必須である。   For this reason, in the present invention, the reference plate 13 is provided, which is used as a reference for positioning the back surface of the transparent material 11. In addition, if bolting is performed without managing the tightening torque at a constant level, position deviation occurs on the order of over 10 microns due to the deflection of the reference plate 13, and fine processing with good reproducibility cannot be achieved. For this reason, management of the tightening torque when bolting is essential. The same applies to bolting at other locations. Further, the variation in the substrate thickness is compensated by the O-ring 17 for a cushion between the first holder plate 21 and the substrate surface which is a transparent material. If the transparent material 11 is sandwiched between the reference plate 13 and the first holder plate 21 without using the O-ring 17, a gap may remain and the position of the back surface of the substrate may be blurred, or the transparent material 11 may be the reference plate 13 and the first plate. When the pressure is received from the holder plate 21, the surface is slightly deformed or damaged. For this reason, in the present invention, the use of the cushion O-ring 17 is essential.

また、シール用のOリング22を介して透明材料11とセル14を接触させ、ホルダープレート19により挟み込み、締め付けトルク一定の下でボルト止め固定した後、セル14に流動性物質を注入する。ホルダープレート19を基準プレート13に締め付けトルク一定の下でボルト止め固定する。次に、ホルダー16を図外のXYZステージ上面に載せ、4個の基準ピンにより位置出しする。基準ピンなしでは、ホルダー16をXYZステージ上面に着脱する際の位置再現性を全く保持できず、結果として微細加工の精度、再現性が保てなくなる。このため、基準ピンの使用が望ましい。   Further, the transparent material 11 and the cell 14 are brought into contact with each other through the sealing O-ring 22, sandwiched by the holder plate 19, fixed with bolts with a constant tightening torque, and then a fluid substance is injected into the cell 14. The holder plate 19 is bolted and fixed to the reference plate 13 under a constant tightening torque. Next, the holder 16 is placed on the upper surface of the XYZ stage (not shown) and positioned with four reference pins. Without the reference pin, the position reproducibility when the holder 16 is attached to and detached from the upper surface of the XYZ stage cannot be maintained at all, and as a result, the precision and reproducibility of fine processing cannot be maintained. For this reason, it is desirable to use a reference pin.

さらに、クランプレバーによりクランプを上下させることで、ホルダー16をXYZステージ上面に低荷重(現機構では約10N)で固定する。ホルダー16をXYZステージ上面に固定する必要があるが、固定する際にネジ止めやボルト止めを行うと、固定作業によりXYZステージにトルクがかかって、ステージの微小移動を引き起こし、加工対象である基板裏面の位置がずれて、緒果として微細加工の精度、再現性が保てなくなる。このため、ソフトかつ、厳重な固定方法が必要であり、クランプ機構を用いる本方法により実現される。   Further, the holder 16 is fixed to the upper surface of the XYZ stage with a low load (about 10 N in the current mechanism) by moving the clamp up and down with a clamp lever. It is necessary to fix the holder 16 to the upper surface of the XYZ stage. However, if screws or bolts are used to fix the holder 16, torque is applied to the XYZ stage by the fixing operation, causing the stage to move slightly, and the substrate to be processed As a result, the precision and reproducibility of micromachining cannot be maintained. For this reason, a soft and strict fixing method is required, which is realized by this method using a clamp mechanism.

具体的な微細加工手順の詳細は、次に述べるように、加工対象となる加工基板(透明材料11)をXYZステージと被加工物保持機構によりステージに保持する。次に、エキシマレーザービームの調整を行い、被加工物へのビーム照射を行う。また、アッテネーター(減光器)により、レーザー光の強度を調整する。さらに、ホモジナイザーにより、レーザー光強度分布を均一化する。レーザー光を、所定の形状がデザインされたフォトマスクを通過させ、プロジェクションレンズによって、レーザー光が加工基板裏面と流動性物質の界面に縮小投影され、所定の形状のエッチング加工が行われる。なお、具体的な加工例、流動性物質の種類と濃度、レーザーの種類と波長、レーザー強度、フォトマスクにより投影・加工される形状の例は表1に示す通りである。   As described in detail below, the specific micromachining procedure holds the processing substrate (transparent material 11) to be processed on the stage by the XYZ stage and the workpiece holding mechanism. Next, the excimer laser beam is adjusted, and the workpiece is irradiated with the beam. The intensity of the laser beam is adjusted by an attenuator (attenuator). Further, the laser light intensity distribution is made uniform by a homogenizer. The laser light is passed through a photomask having a predetermined shape, and the projection lens projects the laser light on the back surface of the processed substrate and the fluid substance, thereby performing etching processing of the predetermined shape. Specific examples of processing, types and concentrations of fluid substances, types and wavelengths of lasers, laser intensity, and examples of shapes projected and processed by a photomask are as shown in Table 1.

以上のような構成により、透明材料11の裏面を基準プレート13で規制することにより、位置ずれを防止し、再現性のよい微細加工が可能となる。また、加工対象基板の形状変更に対して小さな基準プレート13と第1ホルダープレート21の改造で迅速に対応することができる。   With the configuration described above, the back surface of the transparent material 11 is regulated by the reference plate 13, thereby preventing misalignment and enabling fine processing with good reproducibility. Further, it is possible to quickly cope with a change in the shape of the substrate to be processed by modifying the small reference plate 13 and the first holder plate 21.

図3は、本発明の第2の実施形態を示す側面図である。本実施の形態において、透明材料11は基準プレート13とホルダー16で狭持されている。ホルダー16は、正面にレーザー光を受け入れるための開口部16aを有すると共に固定ボルト15を挿通するためのボルト穴18が形成されている。ホルダー16は、透明材料11を狭持する面に狭持凹部16bを有しており、この狭持凹部16bにOリング17aを配置することにより、透明材料11の厚さのバラツキを補償する。このように構成されたホルダー16は、図外のクランプ機構によりXYZステージに固定される。   FIG. 3 is a side view showing a second embodiment of the present invention. In the present embodiment, the transparent material 11 is held between the reference plate 13 and the holder 16. The holder 16 has an opening 16a for receiving laser light on the front surface, and a bolt hole 18 for inserting the fixing bolt 15 is formed. The holder 16 has a holding recess 16b on the surface for holding the transparent material 11, and an O-ring 17a is disposed in the holding recess 16b to compensate for variations in the thickness of the transparent material 11. The holder 16 configured as described above is fixed to the XYZ stage by a clamp mechanism (not shown).

以上のように構成された場合、第1ホルダープレートを必要としないので、部品点数の削減を図ることができる。また、透明材料11の裏面が基準プレート13によって直接規定されるので、再現性の良い微細レーザー加工が可能となる。   When configured as described above, since the first holder plate is not required, the number of parts can be reduced. Moreover, since the back surface of the transparent material 11 is directly defined by the reference plate 13, fine laser processing with good reproducibility is possible.

図4は、本発明の第3の実施形態を示す側面図である。本実施の形態において、透明材料の微細加工装置30は、ホルダー31に透明材料11の裏面を規制する基準プレート32が形成されている。また、ホルダープレート33は、透明材料11の正面側にボルト34で固定される。基準プレート32の正面側には、透明材料11の裏面側の基準となる当接面32aが形成されている。この当接面32aは、平坦で且つホルダー31と一体的に形成されているので、XYZステージとの位置調整を正確に行うことができる。また、ホルダープレート33の裏面には、透明材料11を保持する為の凹部33aが形成されており、Oリング 35が配置されており、厚さのバラツキを補償する。   FIG. 4 is a side view showing a third embodiment of the present invention. In the present embodiment, in the transparent material microfabrication apparatus 30, a reference plate 32 that regulates the back surface of the transparent material 11 is formed on the holder 31. The holder plate 33 is fixed to the front side of the transparent material 11 with bolts 34. On the front side of the reference plate 32, a contact surface 32a serving as a reference on the back side of the transparent material 11 is formed. Since the contact surface 32a is flat and formed integrally with the holder 31, the position adjustment with the XYZ stage can be performed accurately. Further, a recess 33a for holding the transparent material 11 is formed on the back surface of the holder plate 33, and an O-ring 35 is disposed to compensate for thickness variations.

セル14は、透明材料11の裏面と接触する開口部14aが形成されており、この開口部14aの周囲にOリング19が配設されている。また、セル14の上端には第1の実施例と同様に上に伸びた筒状開口部14bが形成されており、流動性物質12にレーザー光が照射された際の体積変動を吸収している。さらに、セル14の背面からホルダープレート19をボルト20で基準プレート32に取付けている。ホルダープレート19には、加工時の様子を観測可能とするために、略中央に開口窓19aが形成されている。   The cell 14 has an opening 14a that contacts the back surface of the transparent material 11, and an O-ring 19 is disposed around the opening 14a. In addition, a cylindrical opening 14b extending upward is formed at the upper end of the cell 14 in the same manner as in the first embodiment, and absorbs the volume fluctuation when the fluid substance 12 is irradiated with laser light. Yes. Further, the holder plate 19 is attached to the reference plate 32 with bolts 20 from the back surface of the cell 14. The holder plate 19 is formed with an opening window 19a in the approximate center so that the state during processing can be observed.

このように構成した場合には、透明材料11の裏面位置を規制する基準プレート32がホルダー31と一体的に構成されているので、より正確に透明材料11の裏面位置を定めることができ、再現性の良い微細加工が可能となる。   In such a configuration, the reference plate 32 that regulates the position of the back surface of the transparent material 11 is integrally formed with the holder 31, so that the position of the back surface of the transparent material 11 can be determined more accurately and reproduced. Can be finely processed.

また、本発明はこれらの実施の形態に限定されることなく、本発明の技術範囲にしたがって種々の設計変更をすることができる。   The present invention is not limited to these embodiments, and various design changes can be made according to the technical scope of the present invention.

さらに、3次元表面微細加工を達成するために、上記微細加工装置を用い、所定のフォトマスクを透過して特定のビーム形状を持ったレーザー光を照射し、レーザー光をスキャンすることにより、透明材料の各加工位置に照射されるレーザーパルス数及びレーザー強度を制御する。前記特許文献1の方法では、レーザー1パルスあたりの加工深さがレーザー強度に対して線形に増加し、さらに加工深さが照射パルス数に比例するという特徴を持つ。このため、加工深さはレーザー強度と照射レーザーパルス数で容易に制御することができる。そこで、各加工位置での加工深さを任意に制御して、複雑な三次元的表面微細構造の加工を行うことを特徴とする。また、レーザー光をスキャンすることにより、被加工物上におけるレーザーのビームサイズより大きな領域を加工することが可能となる。なお、用いるフォトマスクは、光の透過・遮光のみを制御する通常のフォトマスクでよく、作製困難なグレー・フォトマスクをあえて用いる必要はない。   Furthermore, in order to achieve three-dimensional surface micromachining, the above-mentioned micromachining apparatus is used to transmit a laser beam having a specific beam shape through a predetermined photomask, and then scan the laser beam to make it transparent. Control the number of laser pulses and laser intensity irradiated to each processing position of the material. The method of Patent Document 1 has a feature that the processing depth per laser pulse increases linearly with respect to the laser intensity, and the processing depth is proportional to the number of irradiation pulses. For this reason, the processing depth can be easily controlled by the laser intensity and the number of irradiation laser pulses. Therefore, the processing depth at each processing position is arbitrarily controlled to process a complicated three-dimensional surface microstructure. In addition, by scanning with laser light, it is possible to process a region larger than the laser beam size on the workpiece. The photomask to be used may be a normal photomask that controls only light transmission and light shielding, and it is not necessary to dare to use a gray photomask that is difficult to manufacture.

のこぎり刃溝を作製するには、透明材料の背面に光吸収流動性物質を接触させた状態で、フォトマスクを透過して直角三角形のビーム形状を持ったレーザー光を透明材料の表側から照射しながら、レーザー光を照射方向に垂直な面内で、透明材料/流動性物質界面に投影された直角三角形の頂点方向にスキャンする(図7)。レーザーの照射の様子を透明材料の裏面側から見ると図8(a)のようになり、直角三角形形状のレーザー光を矢印方向にスキャンするとき、線分XY上の点A、B、C、D、Eに照射されるレーザーパルス数はそれぞれ線分a、b、c、d、eの長さに比例することになる。前記段落0064に記載の通り、加工深さは照射レーザーパルス数に比例するため、点A、B、C、D、Eにおける加工深さはそれぞれ線分a、b、c、d、eに比例する。すなわち、線分XY上の断面形状は、図8(b)に示すように、点Yを最深部とするのこぎり刃溝形状となる。のこぎり刃の幅は直角三角形の底辺と一致し、のこぎり刃溝の深さは直角三角形の高さ、レーザー強度、スキャン速度、流動性物質の種類及び濃度によって制御できる。   To make a saw-tooth groove, a transparent material with a light-absorbing fluid is in contact with the back surface of the transparent material. However, the laser beam is scanned in the direction perpendicular to the vertex of the right triangle projected on the transparent material / fluid substance interface in a plane perpendicular to the irradiation direction (FIG. 7). When the state of laser irradiation is viewed from the back side of the transparent material, it is as shown in FIG. 8A, and when scanning a laser beam having a right triangle shape in the direction of the arrow, points A, B, C, The number of laser pulses applied to D and E is proportional to the length of line segments a, b, c, d, and e, respectively. As described in paragraph 0064, since the processing depth is proportional to the number of irradiation laser pulses, the processing depths at points A, B, C, D, and E are proportional to the line segments a, b, c, d, and e, respectively. To do. That is, as shown in FIG. 8B, the cross-sectional shape on the line segment XY is a saw-tooth groove shape with the point Y as the deepest portion. The width of the saw blade coincides with the base of the right triangle, and the depth of the saw blade groove can be controlled by the height of the right triangle, the laser intensity, the scanning speed, the type and concentration of the flowable substance.

のこぎり刃溝アレイの加工には、フォトマスクにより直角三角形が1列に並んだビーム形状を持ったレーザー光をスキャンする。   For processing the saw blade groove array, a laser beam having a beam shape in which right triangles are arranged in a line is scanned by a photomask.

なお、透明材料に対するレーザー光の照射位置が相対的に移動すれば上記加工が達成されるので、(1)レーザー光をスキャンする、(2)レーザー光に対して被加工物を移動させる、のいずれでも構わない。   In addition, since the said process will be achieved if the irradiation position of the laser beam with respect to a transparent material moves relatively, (1) A laser beam is scanned, (2) A workpiece is moved with respect to a laser beam, Either is fine.

同様にして、V溝加工には2等辺三角形のビーム形状をしたレーザー光をスキャンする。U溝加工にはフォトマスクにより円、楕円、半円、半楕円のいずれかのビーム形状をしたレーザー光をスキャンする。矩形溝加工には、長方形のビーム形状をしたレーザー光をスキャンする。   Similarly, for the V-groove processing, a laser beam having an isosceles triangular beam shape is scanned. For U-groove processing, a laser beam having a beam shape of one of a circle, an ellipse, a semicircle, and a semi-ellipse is scanned with a photomask. For rectangular groove processing, a laser beam having a rectangular beam shape is scanned.

さらに、V溝アレイ、U溝アレイ、矩形溝アレイの加工には、フォトマスクにより上記形状が1列に並んだビーム形状を持ったレーザー光をスキャンする。   Further, for processing the V-groove array, the U-groove array, and the rectangular groove array, a laser beam having a beam shape in which the above shapes are arranged in a row is scanned by a photomask.

溝及び溝アレイの湾曲構造の加工には、前記段落0065〜0069に記載したビーム形状のレーザー光を、照射方向と垂直な面内で弧を描くようにスキャンする。ただし、例えばのこぎり刃溝の湾曲構造の加工において、レーザー光のスキャンのみ弧を描くようにしても、溝構造は滑らかにつながらない。スキャンの際に、同期してフォトマスク、被加工物のいずれかを回転させ、投影された直角三角形ビーム形状の頂点方向を常にレーザー光のスキャン方向と一致させる。これにより、のこぎり刃溝が滑らかに弧を描いて加工されることになる。他の溝及び溝アレイの湾曲構造の場合も同様である。   For processing the curved structure of the groove and the groove array, the laser beam having the beam shape described in the paragraphs 0065 to 0069 is scanned so as to draw an arc in a plane perpendicular to the irradiation direction. However, in the processing of the curved structure of the saw blade groove, for example, the groove structure is not smoothly connected even if the arc is drawn only by scanning with the laser beam. During scanning, either the photomask or the workpiece is rotated synchronously, and the vertex direction of the projected right triangle beam shape is always matched with the scanning direction of the laser beam. As a result, the saw blade groove is machined smoothly in an arc. The same applies to the curved structure of other grooves and groove arrays.

ピラミッド状構造2次元アレイの加工には、V溝アレイ作製後に、フォトマスクあるいは被加工物を90°回転して再度V溝アレイ加工を行う。この結果、1度目のV溝加工と直交方向にV溝加工が重畳され、結果としてピラミッド状構造2次元アレイ形状が形成される。   For processing the two-dimensional array of pyramid structures, after the V-groove array is produced, the photomask or workpiece is rotated by 90 ° and the V-groove array processing is performed again. As a result, the V-groove processing is superimposed in the direction orthogonal to the first V-groove processing, and as a result, a pyramid-like structure two-dimensional array shape is formed.

同様にして、レンズ状構造2次元アレイの加工にはU溝アレイ加工、矩形2次元アレイの加工には矩形溝アレイ加工を2度、直交するように行うことで達成される。なお、矩形溝の間隔が一定の場合、2度の加工で正方形2次元アレイが形成され、矩形溝の間隔が一定でない場合、2度の加工で長方形2次元アレイが形成され、長方形の長辺と短辺の長さに意図的に乱れを導入することも可能である。
Similarly, U-groove array processing is performed for the processing of the two-dimensional array of lenticular structures, and rectangular groove array processing is performed for the processing of the rectangular two-dimensional array twice so as to be orthogonal. When the interval between the rectangular grooves is constant, a square two-dimensional array is formed by processing twice, and when the interval between the rectangular grooves is not constant, a rectangular two-dimensional array is formed by processing twice. It is also possible to intentionally introduce disturbance into the length of the short side.

本発明における三次元表面微細加工では、一段階のレーザー処理で加工でき、簡便かつ高効率である。さらに、低レーザー強度のため、マスク・プロジェクションを通して大面積一括加工も可能で、パターンの精度は1マイクロメーター以下も可能である。加えて、エッチング速度も制御でき、エッチング表面の化学組成にも変化を与えないことから、微細化、精密化、高品位化できる方法である。さらに、フォトマスクを透過したレーザー光をスキャンするという簡便な方法で所定の3次元表面微細構造をもった光学素子の作製が可能である。   In the three-dimensional surface micromachining according to the present invention, it can be machined by one-step laser processing, and is simple and highly efficient. Furthermore, because of its low laser intensity, large area batch processing is possible through mask projection, and the pattern accuracy can be 1 micrometer or less. In addition, since the etching rate can be controlled and the chemical composition of the etched surface is not changed, the method can be miniaturized, refined, and improved in quality. Furthermore, it is possible to manufacture an optical element having a predetermined three-dimensional surface microstructure by a simple method of scanning laser light that has passed through a photomask.

なお、本発明によって作製された3次元微細構造表面に、必要に応じて公知の方法で誘電体膜や金属膜を塗布することにより作製される光学素子として、回折格子、偏光板、反射板、反射防止板、プリズムアレイ、ホログラム光学素子、フォトニック結晶素子などの可視〜紫外〜真空紫外光用回折光学素子、ファイバー位置決め基板、光導波路基板、液晶配向用基板などが挙げられる。   In addition, as an optical element produced by applying a dielectric film or a metal film to a three-dimensional microstructure surface produced according to the present invention by a known method as necessary, a diffraction grating, a polarizing plate, a reflector, Examples include diffractive optical elements for visible to ultraviolet to vacuum ultraviolet light, such as antireflection plates, prism arrays, hologram optical elements, and photonic crystal elements, fiber positioning substrates, optical waveguide substrates, and liquid crystal alignment substrates.

以下、透明材料の3次元表面微細加工を実験例により更に詳細に説明する。
実験例1
石英ガラス基板にV溝を作製した。流動性物質としてトルエンを用い、石英基板と流動性物質容器を接触させた状態で電動ステージに固定し、直角二等辺三角形のレーザー光パターンを透過するフォトマスクを用いてKrFエキシマレーザー光を石英ガラス基板/流動性物質界面に照射しながら、電動ステージで石英ガラス基板を移動させてレーザー光をスキャンした。V溝の幅は二等辺三角形の底辺100マイクロメートルに一致し、レーザー強度、レーザー光の移動速度を変えることによって、溝の深さは20マイクロメートル、40マイクロメートル、50マイクロメートルと制御性よく変えることができた。また、加工斜面及び底部も所定の形状に加工されていることが確認できた。加工されたV溝の3次元形状観察結果を図9に示す。
Hereinafter, the three-dimensional surface micromachining of the transparent material will be described in more detail by experimental examples.
Experimental example 1
A V-groove was made in a quartz glass substrate. Toluene is used as the flowable material, and the quartz substrate and the flowable material container are in contact with each other and fixed to the electric stage. Using a photomask that transmits a laser beam pattern of right isosceles triangles, KrF excimer laser light is fused with quartz glass. While irradiating the substrate / fluid substance interface, the quartz glass substrate was moved on the electric stage, and the laser beam was scanned. The width of the V-groove matches the base of an isosceles triangle of 100 micrometers, and the groove depth is 20 micrometers, 40 micrometers, and 50 micrometers with good controllability by changing the laser intensity and the moving speed of the laser beam. I was able to change it. Moreover, it has confirmed that the process slope and the bottom were also processed by the predetermined shape. FIG. 9 shows the three-dimensional shape observation result of the processed V groove.

実験例2
石英基板にU溝を加工した。流動性物質としてピレンのアセトン溶液を用い、石英基板と流動性物質容器を接触させた状態で電動ステージに固定し、円形状のレーザー光を透過するフォトマスクを用いてKrFエキシマレーザー光を石英基板/流動性物質界面に照射しながら、電動ステージにより石英基板をレーザー照射方向と垂直に移動させてレーザー光をスキャンした。U溝の幅は18ミクロン、溝の深さは9ミクロンであった。
Experimental example 2
A U-groove was processed in a quartz substrate. Using an acetone solution of pyrene as the fluid substance, the quartz substrate and the fluid substance container are in contact with each other and fixed to the electric stage, and a KrF excimer laser beam is applied to the quartz substrate using a photomask that transmits a circular laser beam. / The laser beam was scanned by moving the quartz substrate perpendicular to the laser irradiation direction by an electric stage while irradiating the fluid substance interface. The width of the U groove was 18 microns and the depth of the groove was 9 microns.

図1は、本発明に係る透明材料の微細加工装置の概略構成を示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a transparent material micromachining apparatus according to the present invention. 図2は、同透明材料の微細加工装置の正面図である。FIG. 2 is a front view of the transparent material microfabrication apparatus. 図3は、本発明の第2の実施の形態を示す側面図である。FIG. 3 is a side view showing a second embodiment of the present invention. 図4は、本発明の第3の実施の形態を示す側面図である。FIG. 4 is a side view showing a third embodiment of the present invention. 図5は、従来の微細加工装置の一例を示す側面図である。FIG. 5 is a side view showing an example of a conventional fine processing apparatus. 図6は、従来の微細加工装置における透明材料の位置ずれの例を示す側面図である。FIG. 6 is a side view showing an example of a positional shift of a transparent material in a conventional fine processing apparatus. 図7はのこぎり刃溝加工の概略を示す説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram showing an outline of saw blade groove processing. 図8(a)は直角三角形のビーム形状のレーザー光を照射しながら、レーザー光をスキャンする様子を、透明材料の裏面側から見た説明図である。図8(b)は作製されるのこぎり刃溝の模式図である。FIG. 8A is an explanatory diagram viewed from the back side of the transparent material in which the laser beam is scanned while irradiating a laser beam having a right triangular beam shape. FIG. 8B is a schematic view of a saw blade groove to be produced. 図9は石英ガラス表面に作製したV溝の3次元形状観察結果である。FIG. 9 shows the observation result of the three-dimensional shape of the V-groove produced on the quartz glass surface.

符号の説明Explanation of symbols

10 透明材料の微細加工装置
11 透明材料
12 流動性物質
13 基準プレート
13a 基準面
13b 窓部
14 セル
14a 開口部
14b 筒状開口部
15 固定ボルト
16 ホルダー
16a 開口部
16b 保持凹部
17 Oリング
18 ボルト穴
19 第2ホルダープレート
19a 開口窓
20 ボルト
21 第1ホルダープレート
21a 凹部
21b 開口部
22 Oリング
30 透明材料の微細加工装置
31 ホルダー
32 基準プレート
32a 当接面
33 ホルダープレート
34 ボルト
35 Oリング
40 レーザー光
41 フォトマスク
42 集光レンズ
43 直角三角形ビーム
44 透明材料
45 流動性物質容器
46 透明材料裏面/ 流動性物質接触領域
47 レーザー光スキャン方向
48 透明材料裏面に加工されたのこぎり刃溝
49 レーザー光スキャン方向
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Transparent material fine processing apparatus 11 Transparent material 12 Flowable substance 13 Reference plate 13a Reference surface 13b Window part 14 Cell 14a Opening part 14b Cylindrical opening part 15 Fixing bolt 16 Holder 16a Opening part 16b Holding recessed part 17 O-ring 18 Bolt hole 19 Second Holder Plate 19a Opening Window 20 Bolt 21 First Holder Plate 21a Recess 21b Opening 22 O-ring 30 Transparent Material Micro-Processing Device 31 Holder 32 Reference Plate 32a Abutting Surface 33 Holder Plate 34 Bolt 35 O-ring 40 Laser Light DESCRIPTION OF SYMBOLS 41 Photomask 42 Condensing lens 43 Right-angled triangular beam 44 Transparent material 45 Fluid substance container 46 Transparent material back surface / fluid substance contact area 47 Laser light scanning direction 48 Saw blade groove processed on the transparent material back surface 49 Za light scan direction

Claims (1)

透明材料(11)の裏面にレーザー波長に対して高い吸収率を有する流動性物質(12)を接触させ、正面からレーザー光(L)を照射して透明材料(11)の裏面に微細加工を施す透明材料の微細加工装置(10)であって、
前記透明材料(11)の裏面位置を直接規制する基準プレート(13)と、
前記透明材料(11)の表面側にOリング保持用凹部(21a)を備えた第1ホルダープレート(21)と、
前記第1ホルダープレート(21)のOリング保持用凹部(21a)に嵌入する、裏面位置ブレ防止ならびに微小変形防止用のOリング(17)と、
前記基準プレート(13)と前記第1ホルダープレート(21)間にOリング(17)を介して前記透明材料(11)を等トルクで押圧作動して挟持する複数の固定具(15)と、
前記流動性物質(12)を収容し片面側に開口部(14a)を備えたセル(14)と、
前記セル(14)の開口部(14a)流動性物質漏洩防止用のOリング(22)を介して前記透明材料(11)の裏面に対し、前記第1ホルダープレート(21)の前記押圧作動とは独立して押圧作動しセル(14)内を密封する第2ホルダープレート(19)と、
前記第1ホルダープレート(21)と第2ホルダープレート(19)を固定し、XYZステージ上に複数の基準ピンを用いて固定するホルダー(16)とを備え、
前記第2ホルダープレート(19)により前記セル(14)の開口部をOリング(22)を介して前記透明材料(11)の裏面に対して押圧固定した状態で、前記固定具(15)により前記基準プレート(13)と前記Oリング(17)を保持した第1ホルダープレート(21)との間に、前記透明材料(11)垂直挟持可能としたことを特徴とする透明材料の微細加工装置。
The back surface of the transparent material (11) is brought into contact with a fluid substance (12) having a high absorption rate with respect to the laser wavelength, and laser light (L) is irradiated from the front surface to finely process the back surface of the transparent material (11). A fine processing apparatus (10) for transparent material to be applied,
A reference plate (13) for directly regulating the back surface position of the transparent material (11) ;
A first holder plate (21) having an O-ring holding recess (21a) on the surface side of the transparent material (11) ;
An O-ring (17) for preventing back-side position blur and preventing micro-deformation, which is fitted into the O-ring holding recess (21a) of the first holder plate (21) ;
A plurality of fixtures (15) for pressing and clamping the transparent material (11) with equal torque via an O-ring (17 ) between the reference plate (13) and the first holder plate (21) ;
A cell (14) containing the flowable substance (12 ) and provided with an opening (14a) on one side;
The pressing operation of the first holder plate (21) through the opening (14a ) of the cell (14) with respect to the back surface of the transparent material (11) through an O-ring (22) for preventing leakage of a fluid substance A second holder plate (19) that presses independently of and seals the inside of the cell (14) ;
A holder (16) for fixing the first holder plate (21) and the second holder plate (19) and fixing them on the XYZ stage using a plurality of reference pins;
In the state where the opening of the cell (14) is pressed and fixed to the back surface of the transparent material (11) via the O-ring (22) by the second holder plate (19) , the fixture (15) between the first holder plate holding the said reference plate (13) and said O-ring (17) (21), fine processing of a transparent material, characterized in that said transparent material (11) made it possible vertical clamping apparatus.
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