JP4247383B2 - 透明材料の微細アブレーション加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、透明材料の微細加工方法に関する。更に詳しくは、シングルモードビームのパルスレーザーを用いた透明材料のアブレーション加工による、表面にパターン化構造を有する透明材料の微細表面加工方法に関する。

従来より、光の吸収が少ない透明物質は、通常のレーザーアブレーションやレーザー溶融法などの直接的なレーザーエッチング法を利用する加工は困難であることが知られている。

例えば、石英ガラスの微細表面加工方法としては、次のような方法が知られている。
（１）多段階リソグラフィ法
この方法では、まず、適切なレジストを基板表面に製膜した後、リソグラフィによってパターニングし、イオン・ビームやプラズマ、または、フッ酸を用いてエッチングを行ない、その後、更にレジストを剥離する方法（例えば、非特許文献１および特許文献１参照）。
（２）イオンエッチング法
イオン注入法により生じたエッチング速度の差を利用して、マスクレスの化学エッチングを行う方法（例えば、非特許文献２参照）。
（３）短波長レーザー法
透明材料が吸収できる短波長光を発振するレーザーを利用してドライエッチングを行う方法（例えば、特許文献２参照）。
（４）極短パルスレーザー法
パルス幅がピコ秒以下の極短パルスレーザーを使用したドライエッチング法（例えば、非特許文献３参照）。
（５）レーザー誘起プラズマ法
金属基板をガラスの後方に置いて、レーザーを照射し、金属から発生したプラズマを利用して行う方法（例えば、特許文献３参照）。
（６）レーザー吸収率の高い成分を生成させる方法
レーザー吸収率の高い成分をあらかじめ生成させたガラス表面層からなる被加工物に向けてレーザーを照射する方法（例えば、特許文献４参照）。
（７）ガラス基板表面に顔料などの光吸収層を形成後、レーザー加工を行う方法
ガラス基板表面に顔料等の光吸収層を形成・付着させ、該表面に向けてレーザーを照射する。光吸収層がレーザーエネルギーを吸収して、ガラス基板表面に高温・高圧のプラズマ状態が発生し、表面層のガラスを溶融・除去する方法（例えば、特許文献５、特許文献６および特許文献７参照）。
（８）流動性物質を透明材料の裏面に接触させた後、レーザー加工を行う方法
流動性物質を透明材料の裏面に接触させ、透明材料の表面からレーザーを照射することを特徴とする透明材料の微細加工法（例えば、特許文献８参照）。

しかしながら、上記（１）の方法は、フォトリソグラフィ技術に基づいているので、レジストの塗膜、乾燥、露光、現像、エッチング、剥離などの多数の複雑な工程が必要であり、微細加工するための時間効率が低いという問題がある。（２）の方法は集光できるイオン注入装置が必要であり、加工できる範囲が小さく時間効率が低いために量産に向いてないという問題がある。（３）および（４）の方法では高真空環境が必要であり、エネルギー効率も悪く、量産に向いていないという問題がある。（５）、（７）および（８）の方法では、金属基板表面や顔料などの光吸収層を別途準備し、最適条件化でレーザー照射を行う必要がある。（６）ではレーザー吸収率の高い成分を生成させることが必須となるので、加工素材を自由に選ぶことができないなどの問題点がある。

特開平６−２８００６０号公報 特開平７−２５６４７３号公報 特許第３４０１４２５号公報 特開２０００−６１６６７号公報 特開２０００−３０１３７２号公報 特許第３００１８１６号公報 特開昭６０−２５７９８５号公報 特許第３０１２９２６号公報 Ｂｅｎｎｉｏｎら：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．２２，ｐ．３４１（１９８６） Ａｌｂｅｒｔら：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．６３，ｐ．２３０９（１９９３） Ｖａｒｅｌら：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ａ，ｖｏｌ．６５，ｐ．３６７，（１９９７）

上記のような問題点に鑑み、本発明は、レーザー照射で透明材料を加工する前にその面に特別の処理を施すことなく、比較的低パワー・小型のレーザー装置で、真空雰囲気が不要で、かつ、一段階で簡便にかつ精密に透明材料を微細アブレーション加工できる方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、レーザー光化学などの基礎研究において、とくに、集光レーザー光を石英ガラスなどの透明材料に照射したときのアブレーション現象などの動的な挙動を詳細に検討した結果、レーザービームのモードが加工品位に大きな影響を与えていることを見出した。本発明は、この知見を応用してなされたものである。

すなわち、本発明は
（１）照射する波長３５５ｎｍのレーザー波長に対する吸収係数が１ｃｍ^―１以下である透明材料に、強度範囲が１Ｊ・ｃｍ^−２・ｐｕｌｓｅ^−１から１０ｋＪ・ｃｍ^−２・ｐｕｌｓｅ^−１までのシングルモードビームのパルスレーザーを照射することによりアブレーション加工を行うことを特徴とする透明材料の微細加工方法、
（２）前記透明材料表面にパルスレーザーを単一（シングル）パルス照射することを特徴とする（１）に記載の透明材料の微細加工方法、
（３）形成される加工穴の直径が５０ｎｍ〜１ｍｍ、または加工溝の幅が５０ｎｍ〜１ｍｍであることを特徴とする（１）又は（２）に記載の透明材料の微細加工方法、
（４）前記透明材料の表面に使用レーザー波長を吸収しない粘着テープを付着させた状態で、その上からレーザー照射を行うことを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の透明材料の微細加工方法、
（５）前記透明材料が、石英ガラス、一般ガラス、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化物材料、シリコンカーバイド、サファイヤ、アルミナ、水晶又はダイヤモンド、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂であることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の透明材料の微細加工方法、
（６）前記パルスレーザーとして、そのパルス半値幅が５ｐｓ〜１ｍｓまでのパルスレーザーを用いることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の透明材料の微細加工方法、
を提供するものである。

本発明によれば、表面に任意のパターン構造を有する透明材料のナノメートルサイズ〜ミリメートルサイズの微細かつ精密な加工が短時間で可能である。そして、小型の装置により簡便な方法で透明材料の加工ができる。具体的な応用例としては、マイクロレンズアレー、回折格子、光導波路、発光素子、回折素子（ＤＯＥ）、フェーズマスク、フォトニック素子、液晶配向基板などの光学素子の加工やＤＮＡチップ基板、マイクロリアクター反応容器、マイクロ分析セル、センサー基板などの化学・環境・バイオ・医療用材料の調製、極微小マーキング、微小電気回路素子などの産業応用材料のように様々な応用が可能となる。

本発明の透明材料の微細加工方法の好ましい実施の態様について詳細に説明する。
本発明では、シングルモード（ＴＥＭ_００）のパルスレーザー光を用い、レンズなどで所定の強度に集光された状態で、透明材料に照射する。このとき、透明材料は当該レーザー波長に対して吸収帯を持たないので元来吸収されないのであるが、シングルモード光は容易に高パワー密度が得られるために、非線形吸収現象が誘起され、入射レーザー光が当該透明材料の表面層に吸収されることになる。集光レンズには単レンズを用いても構わないし、アクロマートレンズなどの複合レンズを用いることもできる。さらに、微小なレーザー径を得たい場合には、レーザー光を凹レンズやビームエキスパンダーで一端拡大し、その後焦点距離の短い（開口数ＮＡ（Numerical Aperture）の大きな）レンズで集光して、当該透明材料に照射することで達成できる。また、レーザービームの走査方法は、必要とする加工精度が保証される試料移動ステージ（自動ステージ）を用いて、固定レーザービームに対して試料を移動させるか、ガルバノミラーとｆθレンズを組み合わせてレーザービームを走査する方法が有効である。

本発明で重要なポイントはシングルモードのパルスレーザー光を用いることである。ビームのＭ^２値は５以下である必要があるが、より好ましくは３以下である。一方、マルチモードのパルスレーザー光を用いると適切な集光状態が得られなかったり、レーザー照射部位の周囲に照射損傷が現れるので、マルチモードのパルスレーザー光は本発明のような微細な表面加工には適さない。しかし、光学素子を使用して、マルチモードのレーザービームのＭ^２値を５以下に変換したレーザービームは微細加工に用いることができる。光レーザー強度は、加工サイズによって異なるが、レーザー強度が１Ｊ・ｃｍ^−２・ｐｕｌｓｅ^−１から１０ｋＪ・ｃｍ^−２・ｐｕｌｓｅ^−１までが好ましい。更に好ましいのは１０Ｊ・ｃｍ^−２・ｐｕｌｓｅ^−１から１ｋＪ・ｃｍ^−２・ｐｕｌｓｅ^−１までの範囲である。レーザー強度が弱すぎる場合には、エッチングが起こらず、強すぎるときは材料に損傷を与えることになる。

本発明方法の高品位微細加工が明解なプロセスとして発揮されるのは、単一（シングル）パルス照射を行ったときである。これは、集光されたシングルモード光の高パワー密度特性によって、非線形吸収現象が誘起されることによる。また、これらのレーザー照射によって、加工パターンとして穴形状や溝形状のものを作成することができるが、光学素子の選択および配置を最適化することで、穴直径は５０ｎｍ〜１ｍｍ、また、溝幅は５０ｎｍ〜１ｍｍの間に設定することができる。

使用するレーザーのパルス幅は、半値幅が５ｐｓ〜１ｍｓまでの範囲にあることが好ましく、より好ましくは０．１ｎｓ〜１００ｎｓである。ナノ秒パルスのレーザー装置は価格も安価で、超短パルスレーザー装置と比べて取扱が容易であるという特長がある。

透明材料の表面に対して、加工残渣の付着や亀裂等の加工損傷を防止したい場合には、粘着テープ（マスキングテープ）を加工部位に接着・付着させた状態で、その上からレーザー照射を行うと効果がある。このとき、使用する粘着テープは、レーザー波長に吸収があると加工効率が低下するので、その選択には注意を要する。

本発明では、レーザー照射雰囲気は、大気中で問題なく加工を行うことができる。この他に、真空雰囲気や各種のガス雰囲気や液体中でも可能である。しかし、ガス雰囲気や液体の場合には当該ガス・液体でレーザー波長に吸収がないことが重要である。

本発明に用いられる透明材料としては、使用するレーザー波長に対して吸収係数が１ｃｍ^―１以下の透明性があれば良い。例えば、石英ガラス、一般ガラス、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化リチウム、フッ化バリウム、シリコンカーバイド、アルミナ、サファイヤ、水晶、ダイヤモンドのような無機材料、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂などのプラスチック材料、およびそれらの混合物などが挙げられる。透明材料の形態は基板状、容器状、管状など任意の形状で良い。

本発明における微細加工方法に用いることができるレーザーは、ＡｒＦエキシマレーザー（波長：１９３ｎｍ）、ＫｒＣｌエキシマレーザー（２２２ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザー（２４８ｎｍ）、ＸｅＣｌエキシマレーザー（３０８ｎｍ）、ＸｅＦエキシマレーザー（３５１ｎｍ）、Ｆ_２レーザー（１５７ｎｍ）、ＹＡＧレーザー、ＹＬＦレーザー、ＹＶＯレーザー、ファイバレーザー、ディスクレーザー、半導体ダイオード励起固体レーザー、色素レーザー、炭酸ガスレーザー、Ｋｒイオンレーザー、Ａｒイオンレーザー、銅蒸気レーザー、チタンサファイヤレーザー等の基本発振波長光、およびその基本発振波長光を非線形光学素子などにより高調波に変換したものを用いることもできる。例えば、ＹＶＯレーザーの二倍高調波（５３２ｎｍ）、三倍高調波（３５５ｎｍ）、四倍高調波（２６６ｎｍ）なども挙げられる。Ｍ^２値が５以下のシングルモードビームを用いるか、マルチモードビームをＭ^２値５以下に変換したものを使用する。

本発明方法では、リソグラフィ法では多段階の工程が必要であることに比べて、現像工程が不要な一段階のレーザー処理で加工することができる。さらに、パターンの精度は１マイクロメーター以下でも可能である。加えて、エッチング速度もコントロールできることから、本発明は微細化、精密化、高品質化できる方法であると共に、本発明は非常に低コストであり、量産性に富む方法を提供する。
なお、本発明によって提供可能な精密成型品としては、例えば、マイクロレンズアレー、回折格子、光導波路、発光素子、回折素子（ＤＯＥ）、フェーズマスク、フォトニック素子、液晶配向基板などの光学素子、ならびに、ＤＮＡチップ基板、マイクロリアクター反応容器、マイクロ分析セル、センサー基板などの化学・環境・バイオ・医用材料、極微小マーキング、微小電気回路素子などの産業応用材料などが挙げられる。

なお、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

次に、本発明を実施例に基づいて、さらに詳細に説明する。
実施例１
Ｎｄ：ＹＶＯレーザーの第３高調波（波長３５５ｎｍ、パルス幅２０ｎｓ）のシングルモードビーム（Ｍ^２値：１．３以下）を用い、照射径約１０μｍ、強度０．０６ｍＪ・ｐｕｌｓｅ^−１で合成石英ガラス基板にシングルパルスを照射したところ、周囲に全く損傷のない高品位の約１０μｍ径の円錐形状微細加工ができた。このとき、最深部の加工深さは約１．５μｍであった。図１は、ガラス基板を毎秒３ｃｍの速度で移動させながら、パルスレーザー照射を２．５ｋＨｚの繰り返し速度で連続的にアブレーション加工を行ったものの顕微鏡像である。円錐形状微細加工がアレー状にできることがわかった。さらに、照射光学系を改良することでレーザービーム径の縮小を検討したところ、合成石英ガラス基板上に周囲に全く損傷のない高品位の約３μｍ径の円錐形状微細加工ができた。

実施例２
Ｎｄ：ＹＶＯレーザーの第３高調波（波長３５５ｎｍ、パルス幅２０ｎｓ）のシングルモードビームを用い、照射径４０μｍ、強度０．３ｍＪ・ｐｕｌｓｅ^−１で硼珪酸ガラス基板にシングルパルスを照射したところ、周囲に全く損傷のない高品位の約４０μｍ径の円錐形状微細加工ができた。このとき、最深部の加工深さは約０．６μｍであった。

実施例３
Ｎｄ：ＹＶＯレーザーの第３高調波（波長３５５ｎｍ、パルス幅２０ｎｓ）のシングルモードビームを用い、照射径４０μｍ、強度０．３ｍＪ・ｐｕｌｓｅ^−１、パルス繰り返し速度１ｋＨｚの照射条件で、毎秒１ｃｍの速度で移動する硼珪酸ガラス基板に連続的にパルスを照射したところ、周囲に全く損傷のない高品位の約４０μｍ幅の溝形状微細加工ができた。このとき、最深部の加工深さは約１．３μｍであった。

実施例４
Ｎｄ：ＹＶＯレーザーの第３高調波（波長３５５ｎｍ、パルス幅２０ｎｓ）のシングルモードビームを用い、照射径１０μｍ、強度０．２ｍＪ・ｐｕｌｓｅ^−１でフッ素樹脂基板にシングルパルスを照射したところ、周囲に全く損傷のない高品位の約１０μｍ径の円錐形状微細加工ができた。このとき、最深部の加工深さは約１．０μｍであった。

実施例５
Ｎｄ：ＹＶＯレーザーの第３高調波（波長３５５ｎｍ、パルス幅２０ｎｓ）のシングルモードビームを用い、照射径１５μｍ、強度０．３ｍＪ・ｐｕｌｓｅ^−１でフッ化カルシウム基板にシングルパルスを照射したところ、周囲に全く損傷のない高品位の約１５μｍ径の円錐形状微細加工ができた。このとき、最深部の加工深さは約０．５μｍであった。

実施例６
Ｎｄ：ＹＶＯレーザーの第３高調波（波長３５５ｎｍ、パルス幅２０ｎｓ）のシングルモードビームを用い、照射径１０μｍ、強度０．１ｍＪ・ｐｕｌｓｅ^−１でサファイヤ基板にシングルパルスを照射したところ、周囲に全く損傷のない高品位の約１０μｍ径の円錐形状微細加工ができた。このとき、最深部の加工深さは約０．６μｍであった。

比較例１
Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第３高調波（波長３５５ｎｍ、パルス幅１０ｎｓ）のマルチモードビームを用い、強度３ｍＪ・ｐｕｌｓｅ^−１で合成石英ガラス基板または硼珪酸ガラス基板に焦点距離１０ｃｍの凸レンズを通して照射した。レンズの焦点位置の集光点に置いても両ガラス基板は全く表面加工されなかった。実施例１と比べて強度を５０倍大きくしているにも係わらず、このレーザーではM²値が１０を越えるので、マルチモードビームの照射では集光点でのパワー密度が不足しているためにアブレーション加工を行うことができなかった。

レーザー加工を行った石英ガラス基板の透過型光学顕微鏡での観察像である。

Claims (6)

1. 照射する波長３５５ｎｍのレーザー波長に対する吸収係数が１ｃｍ^―１以下である透明材料に、強度範囲が１Ｊ・ｃｍ^−２・ｐｕｌｓｅ^−１から１０ｋＪ・ｃｍ^−２・ｐｕｌｓｅ^−１までのシングルモードビームのパルスレーザーを照射することによりアブレーション加工を行うことを特徴とする透明材料の微細加工方法。
2. 前記透明材料表面にパルスレーザーを単一（シングル）パルス照射することを特徴とする請求項１に記載の透明材料の微細加工方法。
3. 形成される加工穴の直径が５０ｎｍ〜１ｍｍ、または加工溝の幅が５０ｎｍ〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の透明材料の微細加工方法。
4. 前記透明材料の表面に、使用レーザー波長を吸収しない粘着テープを付着させた状態で、その上からレーザー照射を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の透明材料の微細加工方法。
5. 前記透明材料が、石英ガラス、一般ガラス、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化物材料、シリコンカーバイド、サファイヤ、アルミナ、水晶又はダイヤモンド、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の透明材料の微細加工方法。
6. 前記パルスレーザーとして、そのパルス半値幅が５ｐｓ〜１ｍｓまでのパルスレーザーを用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の透明材料の微細加工方法。