(57)【要約】【課題】本発明は、シリコン基板の表面にナノレベルの微細構造を容易に形成することができる微細加工方法を提供することを目的とするものである。【解決手段】レーザ発振部１としてＮｄ：ＹＡＧレーザを用いてレーザビームＬをシリコン基板Ｍの表面に垂直方向から照射することで、シリコン基板Ｍの表面に針状結晶突起又は樹枝状結晶突起からなるナノレベルの微細構造を形成する。レーザのフルーエンスが８Ｊ／ｃｍ２〜１８Ｊ／ｃｍ２の範囲では、樹枝状結晶突起（ｄｅｎｄｒｉｔｅ）からなる微細構造が形成されており、１８Ｊ／ｃｍ２〜４０Ｊ／ｃｍ２の範囲では、針状結晶突起（ｎｅｅｄｌｅ−ｌｉｋｅ）からなる微細構造が形成されている。したがって、フルーエンスを調整することにより微細構造を樹枝状結晶突起又は針状結晶突起に選択して形成することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基材の表面に対して垂直方向からナノ秒レーザを照射することで当該表面に針状結晶突起又は樹枝状結晶突起からなる微細構造を形成することを特徴とするシリコン基材の微細加工方法。
【請求項２】
フルーエンスが８Ｊ／ｃｍ２〜１８Ｊ／ｃｍ２の範囲の照射エネルギーで照射することで樹枝状結晶突起からなる微細構造を形成することを特徴とする請求項１に記載のシリコン基材の微細加工方法。
【請求項３】
フルーエンスが１８Ｊ／ｃｍ２〜４０Ｊ／ｃｍ２の範囲の照射エネルギーで照射することで針状結晶突起からなる微細構造を形成することを特徴とする請求項１に記載のシリコン基材の微細加工方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の微細加工方法により形成された微細構造を有する機械部品。
【請求項５】
請求項１から３のいずれかに記載の微細加工方法により形成された微細構造を有する電子部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ秒レーザを用いてシリコン基材の表面に微細構造を形成する微細加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１９６０年代に開発されたレーザは、様々な分野に応用されており、レーザを用いて材料を加工するレーザ加工もそうした分野の１つである。レーザ加工では、加工対象物にレーザを照射することで、加工対象物の表面を融解又は蒸発させて微細な孔や溝を精密に加工することができる。近年では、パルス幅の極めて短いナノ秒、ピコ秒、フェムト秒といったパルスレーザを用いた微細加工の研究開発が進められている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、ナノ秒Ｎｄ：ＹＡＧレーザを使用して不活性ガス雰囲気中で金属表面に繰り返し照射を行い、高アスペクト比の微小突起を作製する点が記載されている。また、特許文献２では、固体材料表面に低フルーエンスのフェムト秒レーザを偏光制御して照射することで、照射したレーザの波長よりも小さいサイズの微細構造を形成する点が記載されている。
【０００４】
こうした微細加工は、例えば半導体デバイスのような電子部品やマイクロマシンに用いる機械部品の加工に用いられており、このような部品の材料としては、シリコン材料が代表的なものとして挙げられる。シリコン材料表面にパルスレーザを照射した場合にどのような現象が生じるのかについて、例えば、非特許文献１では、チタンサファイアフェムト秒レーザを照射した場合にレーザアブレーション改質による形態を観察した結果、非晶質化、再結晶化、表面の蒸発によるバブル模様や、それ以外のリップル模様、カラム（円柱）模様が観察され、材料の表面移動によるクレータ（噴火口）模様が観察された点が報告されている。また、非特許文献２では、シリコン材料表面に、エキシマレーザ（波長３０８ｎｍ、パルス長２８ｎｍ、最大出力２５０ｍＪ／パルス）を照射すると、カラム（円柱）模様が現れることが報告されている。
【特許文献１】特開２００２−２１９５８７号公報
【特許文献２】特開２００３−２１１４００号公報
【特許文献３】特開平１１−４３７７０号公報
【非特許文献１】J.Bonse,S.Baudach et al,"Femtosecond laser ablation of silicon-modification thresholds and morphology",Applied Physics A 74 19-25(2002)
【非特許文献２】E.van. de Riet et al,"Reduction of droplet emission and target roughing in laser ablation and deposition of metals",J.Appl.Phys.74.(3),1(1993)2008-2013
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した先行文献をみると、レーザ加工では一般にナノレベルの微細構造を加工することは技術的に困難である。特許文献２に示すように、フェムト秒レーザを用いてナノレベルの微細構造が可能となっているが、フェムト秒レーザを用いたレーザ加工装置は、高価であり実用化に向けて課題がある。また、電子デバイス等の電子部品やマイクロマシンといった機械部品で用いられる代表的なシリコン材料をナノレベルで加工する技術は、上述した先行文献に示されているように、レーザ照射による現象の分析研究が行われているが、安定した微細加工については確立されていない。本発明者らは、シリコン材料を実用的なナノ秒レーザ加工装置を用いて安定した微細構造を形成できることを知得した。そこで、本発明では、こうした知見に基づいてシリコン基材表面にナノレベルの微細構造を安定して形成できる微細加工方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るシリコン基材の微細加工方法は、シリコン基材の表面に対して垂直方向からナノ秒レーザを照射することで当該表面に針状結晶突起又は樹枝状結晶突起からなる微細構造を形成することを特徴とする。さらに、フルーエンスが８Ｊ／ｃｍ２〜１８Ｊ／ｃｍ２の範囲の照射エネルギーで照射することで樹枝状結晶突起からなる微細構造を形成することを特徴とする。さらに、フルーエンスが１８Ｊ／ｃｍ２〜４０Ｊ／ｃｍ２の範囲の照射エネルギーで照射することで針状結晶突起からなる微細構造を形成することを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る機械部品は、上記の微細加工方法により形成された微細構造を有する。
【０００８】
本発明に係る電子部品は、上記の微細加工方法により形成された微細構造を有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るシリコン基材の微細加工方法は、シリコン基材の表面に垂直方向からナノ秒レーザを照射することで、当該表面に針状結晶突起又は樹枝状結晶突起からなる微細構造を形成することができる。通常のレーザ加工では、照射表面から反射するレーザを避けるために表面に対して傾斜した角度でレーザ照射を行うことが一般的であるが、本発明者らは、シリコン基材表面に対して垂直方向からナノ秒レーザを照射した場合、針状結晶突起又は樹枝状結晶突起からなるナノレベルの微細構造が形成されることを知得した。こうした現象は、レーザ照射により融解したシリコンが再結晶化して形成されると考えられる。レーザ照射で照射表面が高温に加熱されると照射表面のシリコンが融解するが、レーザを照射表面に対して垂直方向から照射することで照射痕に融解したシリコンが溜まり、レーザ照射が停止されると、融解したシリコンが自然冷却し過冷却状態となった後何らかの原因で再結晶化されて針状結晶突起又は樹枝状結晶突起が形成されるのではないかと考えられる。
【００１０】
また、本発明に係る微細加工方法では、既に実用化されているナノ秒レーザを用いた簡単な構成で行うことができ、空気中で常温状態においても微細加工を行うことが可能であるためコスト面においても大きなメリットを有する。
【００１１】
そして、ナノ秒レーザの照射エネルギーをフルーエンスが８Ｊ／ｃｍ２〜１８Ｊ／ｃｍ２の範囲となるように設定することで、照射表面に樹枝状結晶突起からなるナノレベルの微細構造を形成することができ、照射エネルギーをフルーエンスが１８Ｊ／ｃｍ２〜４０Ｊ／ｃｍ２の範囲となるように設定することで、照射表面に針状結晶突起からなるナノレベルの微細構造を形成することができる。こうしたフルーエンスの違いにより形成される微細構造が異なるのは、融解したシリコンの温度状態が照射エネルギーの大きさにより異なり、そのため自然冷却して過冷却状態になる段階に影響が及んで再結晶化の違いとなって現れるものと考えられる。
【００１２】
いずれにしてもフルーエンスの違いにより形成する微細構造をコントロールすることができため、例えば、電子デバイスに用いるシリコン基板の表面に針状結晶突起を形成すれば、多数のナノレベルの微小突起を形成することができ、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ）のエミッタ材料等に好適である。また、マイクロマシンに用いる微細な機械部品としてシリコン材料を加工して作成した場合機械部品同士の接合部分の表面に樹枝状結晶突起を形成することで、部品強度が低下することなく摩擦抵抗を低減することができる。このように、電子部品又は機械部品に本発明に係る微細加工方法により微細構造を形成することで様々な改良を行うことが可能となり、また、加工装置の簡便性により幅広い用途に対応することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。
【００１４】
図１は、本発明に係る微細加工方法を実施するレーザ加工装置に関する概略構成図である。レーザ発振部１は、この例では公知のＮｄ：ＹＡＧレーザを用いており、Ｎｄが添加されたＹＡＧロッド１０に対して励起ランプ１１から光を照射して励起状態とし、誘導放出された光を全反射鏡１２及び部分反射鏡１３からなる共振器により共振させて部分反射鏡１３から透過してレーザビームＬが取り出される。発射されたレーザビームＬは、ベンドミラー２によりシリコン基材Ｍの方向に向くように調整され、シリコン基材Ｍの表面に直接照射される。この例では、シリコン基材Ｍは、平板状で加工台３の上面に載置されている。なお、ナノ秒レーザとしては、波長が２００ｎｍ〜１０００ｎｍのレーザが好ましく、上記したＮｄ：ＹＡＧレーザ以外に、エキシマレーザが挙げられる。
【００１５】
レーザビームＬは、シリコン基材Ｍの表面に対して垂直方向から照射するように調整される。レーザビームＬの表面に対する照射角度の調整は、加工台３を回転移動させて載置面の角度を調整したり、ベンドミラー２を回転させて調整することができる。
【００１６】
シリコン基材Ｍとして、ハードディスク等の薄膜磁気媒体用の単結晶シリコン基板（直径２．５インチ）を用い、レーザ発振部１は、以下のとおりに特性のものを用いて、空気中で常温状態において微細加工を行った。
波長  ５３２ｎｍ
出力パルスエネルギー  １２ｍＪ
最大出力  ３．０ＭＷ
平均出力  １５０ｍＷ
パルス幅  ４〜６ナノ秒
ビームサイズ  ３ｍｍ
繰り返し周波数  １〜１５Ｈｚ
【００１７】
図２は、フルーエンスが３９．１Ｊ／ｃｍ２の照射エネルギー密度で１パルス照射した場合のシリコン基板表面の状態を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した結果を示す写真である。図２において、照射痕は直径３６５μｍのほぼ円形に形成されており、垂直方向からレーザビームが照射されたことを示している。照射痕内は非結晶化された領域となっているが、その表面に線状に再結晶化された針状結晶突起からなる微細構造が形成されている。
【００１８】
図３は、図２に示す微細構造について拡大して観察した結果を示す写真である。針状結晶突起は、約８００ｎｍの幅で直線状に延びており、所々欠けた部分があって、矩形状の微小突起となっている。突起の高さは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で測定した結果１００ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲に揃っており、ほぼ均一な微小突起からなる微細構造が形成されていることがわかる。
【００１９】
図４は、フルーエンスが１５．７Ｊ／ｃｍ２の照射エネルギー密度で１パルス照射した場合の照射痕内の状態を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した結果を示す写真である。照射痕は直径１６９μｍのほぼ円形に形成されており、照射痕内の表面に樹枝状結晶突起からなる微細構造が形成されていることが示されている。樹枝状の幹部分では、４００〜５００ｎｍの幅で直線状に結晶が延びており、幹部分からは枝部分がほぼ直角方向に両側へ延びている。枝部分についても幹部分と同じような幅を有している。枝部分の両側にはほぼ直角方向に細かい突起が形成されている。そして、表面全体が樹枝状突起で覆われている。突起の高さは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で測定した結果１００ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲に揃っており、表面全体をほぼ均一に微小突起で覆われた微細構造に形成されていることがわかる。
【００２０】
図５は、フルーエンスを変化させてレーザを照射した場合に照射痕に形成される微細構造を示すグラフである。横軸にフルーエンス（Ｊ／ｃｍ２）をとり、縦軸に照射痕の径（μｍ）をとっている。図５に示すグラフをみると、ビームサイズは３ｍｍで一定に保ちフルーエンスを変化させると、照射痕の直径は、フルーエンスとほぼ正の相関関係で変化することがわかる。また、フルーエンスが８Ｊ／ｃｍ２〜１８Ｊ／ｃｍ２の範囲では、樹枝状結晶突起（ｄｅｎｄｒｉｔｅ）からなる微細構造が形成されており、１８Ｊ／ｃｍ２〜４０Ｊ／ｃｍ２の範囲では、針状結晶突起（ｎｅｅｄｌｅ−ｌｉｋｅ）からなる微細構造が形成されている。したがって、フルーエンスを調整することにより微細構造を樹枝状結晶突起又は針状結晶突起に選択して形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
以上説明したように、本発明に係る微細加工方法を用いることで、シリコン基材表面に針状結晶突起又は樹枝状結晶突起からなる微細構造を形成することができる。そして、針状結晶突起からなる微細構造は、ナノレベルの微小突起群がほぼ同じ高さに形成できることから、例えば、ＦＥＤのエミッタ材料に形成される微小な突起状の電極として使用できる可能性がある。また、樹枝状結晶突起からなる微細構造は、表面全体にナノレベルの突起が縦横に延びてほぼ均一に分布していることから、マイクロマシンの微小な機械部品の接合部分に形成することで、強度を低下させることなく摩擦抵抗を低減させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る微細加工方法を実施するための加工装置の概略構成図である。
【図２】レーザ照射痕をＳＥＭにより観察した結果を示す写真である。
【図３】針状結晶突起からなる微細構造をＳＥＭにより観察した結果を示す写真である。
【図４】樹枝状結晶突起からなる微細構造をＳＥＭにより観察した結果を示す写真である。
【図５】レーザ照射のフルーエンス値及び形成される微細構造の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２３】
Ｌ      レーザビーム
Ｍ      シリコン基板
１      レーザ発振部
２      ベンドミラー
３      加工台
【図１】
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【図５】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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