(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パターニング用光源と、パターン化照射手段と、加工用光源とを備えた光加工装置であって、
上記パターニング光源は、無機透明材料が実効的に光吸収を生じるのに十分波長が短い光を発生させるものであり、
上記パターン化照射手段は、上記パターニング光を加工すべき形状に合わせた所定のパターンで無機透明材料に照射し、該無機透明材料を上記所定のパターンで上記パターニング光を照射した部分のみ局在化した励起子を生成し、上記励起子を起源とする新たな光吸収を発生させるものであり、
上記加工用光源は、加工用のレーザー光を上記無機透明材料に照射し、上記無機透明材料に上記吸収が発生した部分のみに上記加工用レーザー光を吸収させて、上記無機透明材料を加工することを特徴とする光加工装置。
【請求項２】
上記パターニング光源は、該無機透明材料のバンドギャップより大きな光子エネルギー、裾野状態への励起に対応する光子エネルギー、又は励起子を直接励起するのに対応する光子エネルギーを持つ紫外から軟Ｘ線までの波長の光を発生するものであることを特徴とする請求項１記載の光加工装置。
【請求項３】
上記パターン化照射手段は、集光光学系により無機透明材料に集光し、無機透明材料を保持するステージを走査することにより、パターニングを行なう手段であることを特徴とする請求１又は２記載の光加工装置。
【請求項４】
上記パターン化照射手段は、結像光学系により上記パターンを上記無機透明材料に転写する手段であることを特徴とする請求項１又は２記載の光加工装置。
【請求項５】
上記パターン化照射手段は、無機透明材料の表面にコンタクトマスクを配置して、このコンタクトマスクのスリットを通してパターニング光を上記無機透明材料に照射する手段であることを特徴とする請求項１又は２記載の光加工装置。
【請求項６】
上記パターン化照射手段は、パターニング光を走査鏡を介して上記無機透明材料に上記パターンで走査して照射する手段であることを特徴とする請求項１又は２記載の光加工装置。
【請求項７】
上記パターニング用光源は、レーザープラズマ軟Ｘ線源であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光加工装置。
【請求項８】
紫外光ないし軟Ｘ線を、加工すべき所定の形状に合わせた所定のパターンで無機透明材料に照射して光吸収を発生させるとともに、加工用のレーザー光を上記無機透明材料に照射することにより、上記所定のパターンで吸収を発生させた上記無機透明材料の部分のみに上記加工用のレーザー光を吸収させて加工することを特徴とする光加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無機透明材料を微細に（数ｎｍまでの精度で）加工する汎用性の高い光加工装置及び光加工法に関するものである。例えばフォトニッククリスタルや光導波路等の光学機能性部品、ＤＮＡ分析や血液検査等のマイクロチップケミストリーの分野等で利用される。
【０００２】
【従来の技術】
無機透明材料は、例えばフォトニッククリスタルや光導波路等の光材料、医療及びバイオテクノロジーにおける超微量な化学分析及び化学反応等の分野で利用価値が高く、無機透明材料の精度に優れ、低コストの加工や改質の技術が要請されている。
【０００３】
レーザー光を物質に強照射し、照射面を剥ぎ取ることで加工するレーザーアブレーションという技術は、炭酸ガスレーザーを用いた金属加工において既に実用化されている。最も微細化が進んでいる光リソグラフィーに代表される光を用いた加工では、加工精度は加工に用いるレーザー光の波長で制限され、よくて１００ｎｍの程度である。より微細な加工を行なうためには、１０ｎｍの波長の光すなわち軟Ｘ線が必要となるが、コストが高くなる。
【０００４】
又、従来の光加工技術で無機透明材料を加工しようとしても、無機透明材料は無色であるからレーザー光を吸収しないため加工は困難である。
【０００５】
無機透明材料の光加工技術として既に知られている従来技術については次のとおりである。
（１）被加工物を光増感媒質液に浸してレーザー加工を行なう技術が報告されているが、加工精度は波長の程度まで到達していない。
【０００６】
（２）被加工物表面にレーザーアブレーションにより生成したレーザープラズマを接触させて、この部分に加工用レーザー光を照射すると、そのエネルギーを吸収したプラズマで被加工物が削り取られることが報告されている。しかしこの技術においても、加工精度は波長の程度まで到達していない。
【０００７】
（３）  二酸化珪素にＦ２レーザーを照射すると非晶質性に起因する状態に吸収され、その状態で同時にＫｒＦ（クリプトンフロライド）レーザー光を強照射することにより、改質を行なえることが報告されている。この技術では、第一のレーザー光を吸収する状態が予め存在することが前提となり、汎用性が低い。
【０００８】
（４）被加工物にフェムト秒レーザー光を照射し、同時に複数の光を吸収させる多光子吸収により透明な加工物でも吸収が起こり、切削や改質の加工が可能となるが、加工精度は波長程度までである。
【０００９】
（５）被加工物の表面でフェムト秒レーザー光の２つのビームを干渉させ、数ｎｍの干渉パターンで切削できることが報告されている。しかしながら切削できるパターンは限られいる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、無機透明材料を従来の加工技術のような問題点が生じることなく、１０ｎｍまでの精度で加工できる汎用性の高い加工技術を実現するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、紫外光又は軟Ｘ線を放射するパターニング光源と、パターン化照射手段と、加工用のレーザー光源とを備えた光加工装置であって、上記パターン化照射手段は、上記パターニング光を、加工すべき形状に合わせた所定のパターンで無機透明材料に照射し、該無機透明材料を上記所定のパターンで上記パターニング光を照射した部分に新たな光吸収を発生させるものであり、上記加工用のレーザー光源は、加工用のレーザー光を、上記無機透明材料に照射し、上記無機透明材料の上記吸収が発生した部分のみに上記加工用のレーザー光を吸収させて、上記無機透明材料を加工することを特徴とする光加工装置を提供する。
【００１２】
上記パターニング光源は、該無機透明材料のバンドギャップより大きな光子エネルギー、裾野状態への励起に対応する光子エネルギー、又は励起子を直接励起するのに対応する光子エネルギーを持つ紫外から軟Ｘ線までの波長の光を発生するものであることを特徴とする。
【００１３】
上記パターン化照射手段は、集光光学系により無機透明材料に集光し、無機透明材料を保持するステージを走査することにより、パターニングを行なう手段であることを特徴とする。
【００１４】
上記パターン化照射手段は、パターニング光を走査鏡を介して上記無機透明材料に上記パターンで走査して照射する手段であることを特徴とする。
【００１５】
上記パターン化照射手段は、結像光学系により上記パターンを上記無機透明材料に転写する手段であることを特徴とする。
【００１６】
上記パターン化照射手段は、無機透明材料の表面にコンタクトマスクを配置して、このコンタクトマスクのスリットを通してパターニング光を上記無機透明材料に照射する手段であることを特徴とする。
【００１７】
上記パターニング光源は、ガスをターゲットとして用いたデブリーのないレーザープラズマ軟Ｘ線であることを特徴とする。
【００１８】
本発明は上記課題を解決するために、パターニング光を、加工すべき所定の形状に合わせた所定のパターンで無機透明材料に照射して新たな吸収を発生させるとともに、加工用のレーザー光を上記無機透明材料に照射することにより、上記所定のパターンで吸収を発生させた上記無機透明材料の部分のみに上記加工用のレーザー光を吸収させて加工することを特徴とする光加工方法を提供する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る無機透明材料を加工する光加工装置及び光加工方法の実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して説明する。
【００２０】
本発明は、無機透明材料に１０ｎｍの精度で加工を行う加工装置及び加工方法であるが、まず、本発明の基本原理について説明する。無機透明材料は無色であるから光を吸収しにくいために、直接レーザー光を照射しても加工はできない。そして、上記のような従来技術を用いて加工を行おうとしても加工性精度は波長程度までである。
【００２１】
本発明では、被加工物である無機透明材料にバンドギャップより大きな光子エネルギーを有するパターニング用の光を照射すると、照射された領域のみが可視光ないし紫外光を吸収するような物性状態になる現象を利用するものである。即ち、物質にバンドギャップ以上の光子エネルギーを持つ光を照射すると、電子と正孔のペアが生成され、これらはクーロン力により束縛される。このような物質の状態は「励起子」という用語で呼ばれている。
【００２２】
無機透明材料、より正確にはイオン結合性（電子格子相互作用の大きい）材料中では、励起子はパターニング光照射直後に生成され、その後直ちに極微細局所格子変形を伴って１格子定数程度の領域に局在化する。この局在化する励起子は特に自己捕獲励起子と呼ばれている。この局在化により加工精度が確保できる。
【００２３】
励起子は、クーロン力による束縛状態に起因する光吸収を示す。これは水素原子の１ｓ状態から２ｐ状態への光吸収に対応する。この光吸収はバンドギャップより光子エネルギーの小さな光に対して生じる。とりわけ、自己捕獲励起子の場合その差は大きい。これは即ち、無機透明材料の透明であった可視から紫外の波長領域に、新たに光吸収が生じることを意味する。これにより、コストや安定性等の面で有利なより波長の長い可視から紫外の波長領域の加工用レーザー光を吸収するようになり、容易に加工（切削、切断等の加工）や改質が可能となる。
【００２４】
上記自己捕獲励起子の吸収は、パターニング光を照射した部分のみで生じ、従って波長の長い加工用レーザー光を用いて、軟Ｘ線の波長程度までの加工精度が確保できる点が重要である。更に、上記２つの自己捕獲励起子の特徴、即ち局在すること及び新たな吸収が生じることは、イオン結合性材料に普遍的な性質であり、従って本発明の汎用性は非常に高い。
【００２５】
なお、上記自己捕獲励起子の発生は過渡的現象であり、二酸化珪素に代表されるように、その後完全に初めの状態に回復する無機透明材料が多い。従って、加工用レーザー光を照射しなかった領域は加工されたり変質したりしない。この回復時間は、温度に依存する。従って、液体窒素温度や液体ヘリウム温度程度の低温で加工を行うと効率が向上する。
【００２６】
本発明は上記原理を利用するものであり、まずパターニング光を無機透明材料に加工すべき所定の形状になるようにパターン化して照射する。本明細書ではこのための手段を「パターニング光照射化手段」と言う。具体的には、後述する走査ステージ、光学系、コンタクトマスク等を用いることができる。このパターニング光照射化手段を用いてパターニング光を無機透明材料に照射し、所定のパターンで励起子吸収を生じさせる。
【００２７】
次に、この無機透明材料に、励起子の吸収波長に合わせた加工用の光を照射し、パターン化された領域を加工（切削、切断等の加工）や改質する。
【００２８】
図１は、本発明の装置及び方法の基本的な構成を説明する図である。パターニング光源１からパターニング光２を発生させて凹面鏡及び凸面鏡を組み合わせて成る光学系３で集光させて、無機透明材料４に照射する。同時に、無機透明材料４に高エネルギー密度を有する加工用レーザー光５を加工用レーザー６から照射する。これにより、無機透明材料４のうち所定のパターンで過渡的に吸収を発生させた部分のみに、この可視又は紫外の加工用レーザー光５を吸収させて、無機透明材料４の加工（切削、切断等の加工）や改質が可能となる。
【００２９】
又、上記説明で無機透明材料にパターニング光を加工すべき所定の形状に合わせたパターンになるようにパターン化照射手段を利用して照射する点を説明したが、パターン化照射手段としては、具体的には次のような構成が考えられる。
（１）パターニング光をを被加工物に集光照射し、無機透明材料を設置したステージを走査し、パターニングする。
（２）走査鏡等を介してパターニング光を無機透明材料に集光照射し、走査することでパターニングする。
（３）無機透明材料の表面にコンタクトマスクを配置して、このコンタクトマスクのスリットを通してパターニング光をパターン照射する。
（４）  結像光学系により所定のパターンを転写する。
【００３０】
（実施例）
図２は、本発明に係る無機透明材料を加工する光加工装置及び光加工方法の実施例を説明する図である。この実施例は、レーザープラズマ軟Ｘ線を、無機透明材料の表面に所要のパターンで照射する装置及び方法であり、結像光学系又は集光光学系によりマスターパターンを転写する例である。
【００３１】
この実施例の装置は、パターニング光源部７、パターン化照射手段部８、試料部９及び加工用レーザー１０から構成される。パターニング光源部７は、レーザープラズマ軟Ｘ線源部であり、フェムト秒レーザー１１からのレーザー光を集光光学系１２でＸｅクラスターターゲット１３に集光照射し、レーザープラズマ軟Ｘ線１４を発生させる。
【００３２】
このレーザープラズマ軟Ｘ線１４をパターニング照射手段部８において、トロイダルミラー１５でマスターパターン１６に集光し、得られたパターンを凹面鏡及び凸面鏡を組み合わせて成る光学系１７によりパターニング光１８として試料部９に導入する。パターニング光１８は、ステージ２０（載置台）上に載置された無機透明材料１９はパターニングして照射され、これにより無機透明材料１９に所定のパターンで過渡的に吸収を発生させる。
【００３３】
なお、パターニングは、図２において、マスターパターン１６として図示しないピンホールからなるマスターパターンを用い、光学系１７として集光光学系を用いて無機透明材料１９に集光し、無機透明材料１９を支持するステージ２０を可動な走査ステージとして走査する構成とすることにより実現できる。
【００３４】
又、パターニングは、図２において、光学系１７として結像光学系を用い、マスターパターンのパターンを無機透明材料１９にパターン照射する構成でも実現できる。
【００３５】
他方、パターニング光１８を照射した無機透明材料１９に、加工用レーザー１０から加工用レーザー光２１を照射する。この加工用レーザー光２１は、高エネルギー密度を有する可視又は紫外のレーザー光が利用でき、この加工用レーザー光２１を照射すると、上記所定のパターンで過渡的に吸収が発生した無機透明材料１９の部分が加工用のレーザー光２１を吸収し加工（切削、切断等の加工）や改質が行われる。
【００３６】
例えば、加工すべき無機透明材料１９は、二酸化珪素ガラスとした。二酸化珪素自体は、８ｅＶ以上のバンドギャップを有し、図２の装置で１０ｎｍ程度の軟Ｘ線のパターニング光１８を照射すると自己捕獲励起子が生成されて、軟Ｘ線照射後１μ秒の間３ｅＶ（４００ｎｍ）の紫外光を吸収可能となり、これにより、加工（切削、切断等の加工）や改質を行うことが可能である。
【００３７】
図２においてパターニング光源部７において、前述の通り、レーザープラズマ軟Ｘ線１４を発生させたが、このレーザープラズマ軟Ｘ線１４は、ターゲット１３にフェムタ秒レーザー１１からレーザー光を照射してプラズマ化し、そのレーザープラズマから放出されるものである。ターゲット１３としては、固体が用いることができる。その具体例を次の図３（ａ）で説明する。
【００３８】
この図３（ａ）は、パターニング光源部としてレーザープラズマ軟Ｘ線光源を採用した模式図を示すが、このレーザープラズマ軟Ｘ線光源では、レーザー２２からのレーザー光を光学系１２で集光しターゲット２３に照射してプラズマ化し、そのレーザープラズマから放出される軟Ｘ線２４利用する。レーザー２２としては、エキシマレーザー、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、（チタンサファイア）フェムト秒レーザー等が用いられる。ターゲット２３としては、スズ、タンタル、ハフニウム等の固体ターゲットが用いられる。
【００３９】
しかし、固体ターゲットを用いた場合、レーザー光照射時にターゲットからデブリーが放出される。ここでデブリーとは、１μｍ前後の大きさの液滴である。これは軟Ｘ線用の光学部品を汚すので、実用上問題となることがある。
【００４０】
そこで、固体ターゲットの代わりにＸｅクラスターターゲットを用いた装置の発明が特開２００１−６８２９６号公報で開示されている。この場合、レーザープラズマ軟Ｘ線光源は、レーザー光源からフェムト秒レーザー光をＸｅ（キセノン）クラスターターゲットに集光して照射することで実現される。この結果生成されたプラズマからは２．５ｎｍ以下で５００ｅＶ以上の高輝度軟Ｘ線が得られる。
【００４１】
上記出願済みの発明に係る軟Ｘ線光源は、デブリーがないデブリーフリーの実用的なレーザープラズマ軟Ｘ線源である。このレーザープラズマ軟Ｘ線源により得られるデブリーフリーなレーザープラズマ軟Ｘ線を本発明の軟Ｘ線光源として利用すれば、凹面鏡等の光学系１５、１７の汚れが防止できメンテナンスフリーとなる。
【００４２】
図２において、加工用レーザー光２１は無機透明材料１９にパターニング光１８を照射したのと同じ面（正面側）から入射した。しかし、加工用レーザー光２１は、パターニング光１８で吸収を生じさせていない部分は透過するので、必ずしも正面側から入射する必要は無い。
【００４３】
図３（ｂ）は、パターニング光１８を照射する正面側ではなく、無機透明材料１９の背面側から加工用レーザー光２１を入射する例を示す模式図である。図３（ｂ）において、透過孔２５を有するステージ２６上に載置した無機透明材料１９に、その背面側に設けた加工用レーザー１０から加工用レーザー光２１を照射する構成である。
【００４４】
さらには、加工用レーザー光２１とパターニング光１８のビームの重なり合いを制御することにより、３次元の加工が可能となる。
【００４５】
本発明では、上述のとおり図１、２において、無機透明材料４、１９のパターニングされた部分に加工用のレーザー光５、２１を照射すれば吸収されて加工が可能である。その場合、吸収が発生していない部分も含め加工用のレーザー光５、２１を照射してもよいし、逆にパターニング部分と同じ部分若しくはより狭い部分に加工用のレーザー光５、２１を照射して加工を行ってもよい。
【００４６】
以上、本発明に係る光加工装置及び光加工方法の実施形態を実施例に基づいて説明したが、本発明は、特にこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることはいうまでもない。なお、以上の発明では、無機透明材料の加工について述べたが、非透明材料の加工についても応用できることは言うまでもない。
【００４７】
【発明の効果】
以上の構成からなる本発明によれば、高エネルギー密度を確保することは技術的にもコスト的にも困難であるが、１０ｎｍ程度までの高い空間分解能を有する軟Ｘ線で過渡的に無機透明材料にパターニングして紫外若しくは可視の吸収を生じさせることができ、更に高エネルギー密度を確保できる上記吸収に波長が合う加工用のレーザー光を照射することで、無機透明材料のパターン化した領域のみが加工できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の装置及び方法の基本的な構成を説明する図である。
【図２】本発明の実施例を説明する図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、夫々本発明を技術的に展開した例を説明する模式図である。
【符号の説明】
１    パターニング光源
２、１８    パターニング光
３、１７    光学系
４、１９    無機透明材料
５、２１    加工用レーザー光
６、１０    加工用レーザー
７    パターニング光源部
８    パターン化照射手段部
９    試料部
１１    フェムト秒レーザー
１２    集光光学系
１３    Ｘｅクラスターターゲット
１４    レーザープラズマ軟Ｘ線
１５    トロイダルミラー
１６    マスターパターン
２０、２６    ステージ
２２    レーザー
２３    ターゲット
２４    軟Ｘ線
２５    透過孔
【図１】
0003683851.tif 000002
【図２】
0003683851.tif 000003
【図３】
0003683851.tif 000004