(57)【要約】      （修正有）【課題】微細構造の製造のスループットを向上させる。【解決手段】積層した第１の材料と第２の材料において、第１の材料は第２の材料よりレーザビームによるアブレーション（溶発）がし易いもので構成されている。すなわちアブレーション閾値が第１の材料の方が高いものとする。例えば第１の材料はシリコン、第２の材料はポリイミドから成るポリマーオンシリである。この積層体に非貫通孔をあける微細加工を行う除去プロセスは、まず第１の材料にレーザビームを照射して、孔底に第１の材料を少し残存させた状態で２つの材料の界面近くまで材料を除去するステップと、第２の材料側から第２の材料に影響ないレーザ光強度、すなわち第２の材料のアブレーション閾値より低いアブレーションフルエンスのレーザビームを照射して前記第１の材料の残りを除去するステップとからなる。【選択図】図１
2006159289.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の材料と、該第１の材料に取り付けられた第２の材料と、レーザビームを生成するためのレーザシステムとを提供し、該第１の材料が、該レーザビームの所定のアブレーション・フルエンスを超えない第１のアブレーション閾値を示し、該第２の材料が、該所定のアブレーション・フルエンスを超える第２のアブレーション閾値を示し、
前記第１の材料の一部分を除去して、前記第１の材料と前記第２の材料との界面において、該第１の材料を残存させ、及び、
前記レーザビームを前記所定のアブレーション・フルエンスで用いて前記残存材料をアブレートして、該残存材料を除去することからなる、微細構造を製造する方法。
【請求項２】
前記第１の材料と、第２の材料と、レーザシステムとを提供することが、
前記レーザビームの前記所定のアブレーション・フルエンスに基づいて第１の材料と第２の材料とを選択することと、
前記第１の材料と前記第２の材料とに基づいてレーザシステムを選択すること
とのうちの１つを含むことからなる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の材料と前記第２の材料とを互いに結合させることを更に含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の材料が、半導体材料を含み、前記第２の材料が、ポリマー材料を含むことからなる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ポリマー材料が、ＳＵ８と、ポリイミドと、ＰＭＭＡとのうちの１つを含むことからなる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の材料の一部分を除去することが、バルク微細加工技法を用いて該一部分を除去することを含むことからなる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記バルク微細加工技法が、エッチングと、マイクロミリングと、マイクロドリリングと、エキシマレーザ加工とのうちの１つを含むことからなる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記レーザビームが、超短パルスレーザビームを含むことからなる、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記超短パルスレーザビームが、各パルスが１ピコ秒未満の継続時間のパルス幅を有するパルスレーザビームを含むことからなる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記各パルスが、３００フェムト秒未満の継続時間のパルス幅を有することからなる、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２のアブレーション閾値が、前記第１のアブレーション閾値の少なくとも２倍であることからなる、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記レーザビームが、前記第１の材料と同じ側から前記残存材料上へと照射されることからなる、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記レーザビームが、前記第２の材料を通して前記残存材料上へと照射されることからなる、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、微細構造（マイクロ構造）を製造する方法に関し、特にシリコン微細構造上のポリマー（ポリマー・オン・シリコン微細構造）を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、微細製造技術によって、共通のシリコン基板上において機械素子、センサ、アクチュエータ、及び電子回路を統合化したものであり、バイオテクノロジ及び通信のような用途において次第に普及してきている。各ＭＥＭＳデバイスの製造において、集積回路処理シーケンス（例えば、ＣＭＯＳプロセスか、バイポーラプロセスか、又はＢＩＣＭＯＳプロセス）を用いて電子回路が製造される一方で、親和性のある（又は互換性のある）微細加工プロセス（マイクロマシンプロセス）を用いて微小機械の構成要素が製造される。該親和性のある微細加工プロセスは、選択的にシリコンウェーハの一部分を除去又はエッチングして取り去るか、或いは新たな構造層を追加して、機械デバイスと電気機械デバイスとを形成するものである。
【０００３】
バイオテクノロジの分野において、ＭＥＭＳ技術は、ＤＮＡ増幅（amplification）とＤＮＡ同定（identification）のためのポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）マイクロシステム、微細加工された走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、有害な化学薬剤と生物学的作用物とを検出するためのバイオチップ、及び高スループットの薬物ふるい分け（スクリーニング）及び薬物選定のためのマイクロシステムのような用途において使用されている。
【０００４】
通信の分野において、インダクタ及び同調キャパシタのような電気的な構成要素を、単一回路内へと集積することができる。そのような構成要素の集積化（又は統合化）によって、通信回路の性能が改善される一方で、全回路面積、電力消費、及びコストが低減される。更に、様々なマイクロ波回路において、機械式スイッチは、重要な鍵となる構成要素である。機械式スイッチの実証されたサンプルは、それまで利用可能であったもののＱ（quality factor）よりもはるかに高いＱを有する。
【非特許文献１】Applied Surface Science 207、2003年、306-313
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
いくつかのＭＥＭＳデバイスに、シリコン微細構造上のポリマー（ポリマー・オン・シリコン微細構造）を含めることは一般的である。そのような微細構造を微細加工するための１つの既知の技法は、微細構造内において切溝（kerfs）とブラインドビア（blind vias）とを形成するためのレーザ・アブレーションを含む。時にはポリマーではなく、シリコンをアブレートすること（又は切除すること、又は剥離させること）のみを必要とすることがあるので、レーザ・アブレーションは、正確に制御されなければならない。１つのそのようなレーザ・アブレーション法は、所与の量か又は深さの材料をアブレートするために必要とされる（特定のレーザビームの）レーザパルスの総数を実験的に求めることと、このパルスの数を用いて、続いて類似の構造をアブレートすることである。そのようなオープンループ・アブレーション法のスループットは低く、頻繁に結果として、シリコンのアンダーカットか又はポリマーのオーバーカットのいずれかが生じる。別のレーザ・アブレーション法は、深度フィードバック制御を含む。しかしながら、この方法もまた、スループットが低いという痛手を受ける。従って、比較的より効率的で且つ正確な、ポリマー−シリコン微細構造を微細加工する方法を、有することが望ましい。
【０００６】
「ポリマー・オン・シリコン」微細構造をレーザ微細加工する方法は、少なくとも２つの不利な条件に関連付けられる。第１に、レーザ微細加工が、レーザパルス当たりか又は単位時間当たりのエッチング深度を不正確にさせ、従って下層に影響を及ぼす可能性を高めることである。第２に、微細加工するレーザから生成される熱が、シリコン微細構造内に組み込まれるデバイスに影響を及ぼす可能性が高いことである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様において、微細構造を製造するための方法が提供される。前記方法は、第１の材料と、該第１の材料に取り付けられた（又は結合された）第２の材料と、レーザビームを生成するためのレーザシステムとを提供することを含む。提供された前記第１の材料は、レーザビームの所定のアブレーション・フルエンスを超えない第１のアブレーション閾値を示し、提供された前記第２の材料は、レーザビームの所定のアブレーション・フルエンスを超える第２のアブレーション閾値を示す。前記方法は、２つの材料の界面（インターフェース）において前記第１の材料を残存させるように前記第１の材料の一部分を除去することと、その後、該残存材料（又は残留物）を除去するために、所定のアブレーション・フルエンスにおけるレーザビームを用いて、該残存材料をアブレートするように前記第１の材料の一部分を除去することとを更に含む。
【発明の効果】
【０００８】
微細構造の製造の全スループットを従来技術よりも高めることができる。
【実施例】
【０００９】
本発明は、図面に関連させることでより良く理解されるであろう。
【００１０】
図１Ａのフローチャートは、微細構造を製造するための方法２を示す。第１のステップ４は、４において、第１の材料、第２の材料、及びレーザシステムを提供することを含む。第２のステップ１６は、前記第１の材料の一部分を除去して、その２つの材料（すなわち第１の材料と第２の材料）の界面において該第１の材料を残存させることを含む。最後のステップ２４は、前記第２の材料に損傷を与えること無く、前記第１の材料の残りをアブレートすることを含む。
【００１１】
そのような微細構造の一例が、図１Ｂにおいて示されるようなＭＥＭＳデバイスのポリマー・オン・シリコン微細構造１００である。ポリマー・オン・シリコン微細構造１００において、シリコン（Ｓｉ）は、第１の材料６としての役割を果たすことができ、並びに、ポリイミドすなわち第２の材料８が取り付けられる基板としての役割を果たすこともできる。ポリマー・オン・シリコン微細構造１００は、任意のＭＥＭＳデバイス内に存在させることができる。
【００１２】
例えば、ポリマー・オン・シリコン微細構造１００は、低い吸収特性を有する導波管コアとして用いられる、高アスペクト比のシリコンストリップ内に存在させることができる。貫通エッチングされたシリコンストリップの各々は、４μｍの幅であり、１０５μｍの高さであり、８ｍｍの長さである。ポリマー・オン・シリコン微細構造１００はまた、インクジェットのプリントヘッドにおいてか、又は流体を分配させるためのマイクロ−医療デバイスにおけるような多くの他の分野において使用されることが可能である。上記の微細構造デバイスのチャンネルは、使用されるレーザ及びその光学部品のタイプに依存して、マイクロメートル内か、又はより小さなものとすることができる。
【００１３】
所定のアブレーション・フルエンスに設定されたレーザビーム１０によって照射される時には、第１の材料６は、該所定のアブレーション・フルエンスを超えない第１のアブレーション閾値を示し、第２の材料８は、該所定のアブレーション・フルエンスを超える第２のアブレーション閾値を示す。このようにして、第１の材料の表面上において所定のアブレーション・フルエンスを生じさせるために該第１の材料６上に照射される時のレーザビーム１０を、第２の材料８を実質的には除去すること無く、又は第２の材料８に実質的に損傷を与えることなく、第１の材料６をアブレートするように使用することができる。換言すると、例えば、第１の材料６内に、切溝か又は約１０ミクロンの直径のブラインドビア１２を形成するための微細構造５のアブレーションは、構造そのものによって制限を受ける（又は自動的に制限を受ける）。第２の材料は、「エッチングの歯止め（etch stop）」としての役割を果たすことができる。
【００１４】
一実施形態において、４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲を有する任意の市販のナノ秒（ｎｓ）レーザを用いることができる。そのようなレーザの例は、５３２ｎｍの波長をもつ出力レーザビームを有するＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ、８ｎｓのパルス幅と５２６ｎｍの波長とを有するＮｄ：ＹＬＦレーザ、並びに８０ｎｓのパルス幅と８５５ｎｍの波長とを有するＣｒ：ＬｉＳＡＦレーザである（但し、これらに限定されない）。上述の波長及びパルス幅の範囲を利用するレーザによって、例えば、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、及びポリテトラフルオロエチレンのようないくつかのポリマーのアブレーション閾値は、約０．４２Ｊ／ｃｍ２であるシリコンのアブレーション閾値よりもはるかに高い（非特許文献１）。アブレーション閾値を、第２のアブレーション閾値が第１のアブレーション閾値の少なくとも２倍であるように選択することができる。
【００１５】
方法２は更に、第１の材料６の一部分を除去するステップ（１６）であって、例えばブラインドビア１２を形成するために、２つの材料６、８の界面２０に隣接する第１の材料６の残り１８を残存させるように除去する、ステップ（１６）を含む。第１の材料６の一部分を、任意のバルク微細加工技法を用いて除去することができる。バルク微細加工技法は、エッチング、マイクロミリング、マイクロドリリング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、ディープＲＩＥ（ＤＲＩＥ）、及びエキシマレーザ加工を含む（但し、これらに限定されない）。
【００１６】
バルク微細加工を行うことによって、第１の材料６の一部分が、比較的素早く除去されることが可能となる。図２Ａは、第１の材料６の一部分をアブレートするために、エキシマレーザビーム２２が使用されているところを示す。第１の材料６の一部分を除去するためにエキシマレーザ加工を用いる時には、エキシマレーザビーム２２が第１の材料６の対応する量を除去するように、所定の数のレーザパルスを照射することができる。そのようなレーザシステムの例は、ＥＸシリーズ（GAM Lasers Inc．）の、Ｌａｍｂｄａ  Ｐｈｙｓｉｋ ｌａｓｅｒを備えたエキシマレーザシステムシリーズ８０００（Exitech UK）とすることができ、Ｍａｅｓｔｒｏシリーズ（Resonetics Laser Systems Group）を使用することができる（但し、これに限定されない）。
【００１７】
方法２は、第２の材料８を実質的に除去すること無く、残りの材料（又は残留物）１８を除去するために、所定のアブレーション・フルエンスにおけるレーザビーム１０を用いて残りの材料１８をアブレートするステップ（２４）を更に含む。レーザビーム１０のアブレーション・フルエンスは、第２のアブレーション閾値よりも低いので、第２の材料８上へと該レーザビームを照射することによって、結果として第２の材料８の実質的なアブレーションがほとんど生じない。残りの材料１８を、図２Ｂにおいて示されるように、第１の材料６と同じ側から残りの材料１８上へとレーザビーム１０を照射することによって除去することができる。レーザビーム１０のそのような位置決め（ポジショニング）による残りの材料１８のアブレートは、残りの材料１８に隣接したプルーム（plume（図示せず））を生じさせる可能性がある。
【００１８】
プルームは、分子片、中性粒子、自由電子及びイオン、並びに化学反応生成物から成るプラズマ状の物質である。プルームは、入射するレーザビーム１０の光学的な吸収と散乱とを結果として生じさせ、周囲の材料６上、及び／又は、レーザシステムのビーム供給光学部品（図示せず）上に凝縮する可能性がある。レーザビーム１０が悪影響を受ける場合には、窒素か又はアルゴンのような、加圧された不活性ガスによって、アブレーション場所をクリアにすることができる。
【００１９】
プルームに関連した問題を回避するために、残りの材料１８を、図２Ｃにおいて示されるように、第２の材料８を通して残りの材料１８上へとレーザビーム１０を照射することによって除去することができる。この手法において、レーザビーム１０は、プルームによって影響を受ける可能性が低くなる。短い焦点距離のレーザビーム１０が、第２の材料８を通して第１の材料６上へと合焦される。これにより、ビーム１０の焦点か又はスポットにおいて所定のアブレーション・フルエンスが、得られるようになる。そのような短い焦点距離のレーザビーム１０の第２の材料８への影響は、最小化される。
【００２０】
第２の材料８を通してレーザビーム１０を照射することによって界面における残りの材料１８を除去するのに、４００ｎｍから１μｍまでの範囲の波長を有するレーザが適合可能である。何故ならば、ここで問題としているポリマーは、そのスペクトル範囲において透過性があり、シリコンよりもはるかに高いアブレーション閾値を有するためである。５３２ｎｍ／１．０６μｍの出力を有するＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザシステムが、この目的のためには十分であろう（但し、このレーザに限定されない）。代替的には、そのポリマーはシリコンのアブレーション閾値の約５倍のアブレーション閾値を有する可能性があるので、同じ波長範囲内における出力を有するフェムト秒レーザシステムを用いることもできる。そのようなシステムの一例は、１５０ｆｓのパルス幅と８００ｎｍの波長とを有するＴｉ：サファイアレーザシステムであろう（但し、これに限定されない）。短い焦点レンズが使用される時には、フェムト秒レーザ照射を受けた前記ポリマーによる２つの光子の吸収が、特に第１の材料６と第２の材料８との間の界面において、考慮されなければならない。従って、図２Ｂにおいて用いられるレーザは、第２の材料８に対して透過性を有するように選択された波長を有するフェムト秒レーザか又はｎｓレーザとすることができる。図２Ｃにおいて用いられるレーザは、ここでもまた第２の材料８に対して透過性を有するように選択された対応する波長を有するｎｓレーザか又はフェムト秒レーザとすることができる。
【００２１】
第１の材料６、第２の材料８、及びレーザシステム、のうちの１つを、その他の構成要素を選択するための基準として使用することができる。いくつかの実施形態において、第１の材料６と第２の材料８とを互いに結合させることができる（又は結びつけることができる）。結合する手段は、接着か、スピンコーティングか、スパッタコーティングか、レーザ溶接か、熱硬化か、又は化学結合を含むことができる（但し、これらに限定されない）。
【００２２】
構成要素を提供することにおいて、レーザシステムを出発点とすることができる。すなわち、第１の材料６をアブレートするために使用されることになるレーザビームの所定のアブレーション・フルエンスに更に基づいて、第１の材料６と第２の材料８とが選択される。レーザシステムは、持続波（ＣＷ）か又はパルスレーザのいずれかを含むことができる。
【００２３】
レーザと共に使用するための材料６を選択することにおいて、レーザエネルギーを吸収するための、材料６、８の能力が考慮される。レーザエネルギーの吸収は、そのエネルギーが材料６において有用なアブレーションを実行することができる深さを制限する。材料６の吸収深度は、アブレーション深度と、アブレーションによって引き起こされる材料６の気化熱とを決定する。吸収深度はまた、レーザ波長、ビームエネルギー密度、及び（パルスレーザか、又はあまり一般的ではないが、シャッターを切られる（又はオン／オフされる）ＣＷレーザに対する）レーザパルス継続時間の関数である。レーザビームエネルギー密度、すなわち材料６、８上の単位面積当たりのエネルギーは、次のように定義されたエネルギーフルエンスによって測定される。
フルエンス（ジュール／ｃｍ２）＝レーザパルスエネルギー（Ｊ）／焦点スポット面積（ｃｍ２）
【００２４】
レーザアブレーションによって、結果として、アブレートされた材料６内において熱の影響を受けた区域（ゾーン）が生じられることに留意されたい。この熱の影響を受けた区域は、熱によって溶けた材料６がその場で再凝固することによって形成されるか、又は結果として脆化が生じるほどに十分に熱せられて急速に冷却された材料６によって形成される。材料特性におけるこの変化は、次に続くレーザアブレーションと材料性能とを変化させる可能性がある。
【００２５】
熱の影響を受けた区域の大きさは、レーザパルス継続時間、並びに熱伝導率及び比熱のような材料パラメータの関数である。熱の影響を受けた区域の広がり（又は程度、又は範囲）は、材料６内において熱が伝導される距離に依存し、材料６とレーザの波長によって変動する。材料の伝導（熱拡散率）を良くするほど、熱の影響を受けた区域の広がりが広くなる。熱の影響を受けた区域の材料６への影響（例えば脆化）は、材料の熱機械特性の更なる関数である。
【００２６】
鋳直しと、バリの形成とが、熱の影響を受けた区域に関連付けられる。アブレーション中において、材料６の排除（expulsion）は、レーザビーム１０のスポット下における材料６の溶融たまり（プール）上に圧縮力をもたらす。このことによって、液化した材料６の一部が、アブレーション区域の外へと強制的に押し出されて、周囲の領域上へと堆積させられる。鋳直される材料の量は、溶融される体積を低減する浅い吸収深度の材料６を選択することによって、且つ、溶融された材料のより多くの部分をより迅速に気体に変換させる高いレーザ電力を使用することによって、最小化されることが可能である。より高い電力を、より短いパルス継続時間のレーザによって得ることができる。そのようなレーザは、比較的大量な液化した材料６上への力学的な衝撃（インパクト）を低減する。強制的に押し出す作用の継続時間は、液化した材料６の力学的な応答時間に比べて短い。第２の材料８は、レーザビーム１０の波長領域内において透過性を有するように選択されるべきである。
【００２７】
第２の材料は、１光子の透過中に８０％よりも高い透過が生じる時には、透過性を有するとみなされる。例えば、石英（又は水晶）が、３００ｎｍ〜１μｍのスペクトル領域内において８０％よりも高い透過が生じることが測定され、そのことは従って、透過性があるとみなされる。同様に、使用されるポリマーは、４００ｎｍ〜１μｍのスペクトル領域内において透過性があるとみなされる。何故ならば、該ポリマーが、前記スペクトル領域内において同様に少なくとも８０％の透過を生じるからである。従って、材料の透過性は、波長にのみ関連付けられる。
【００２８】
しかしながら、第１の材料６と第２の材料８とが、構成要素の選択の出発点として使用される場合には、レーザシステムか、又はより詳細には、レーザシステムのレーザビーム１０のパラメータが、該レーザビーム１０が照射される時には、それと共に、上述のように、第１の材料６が該レーザビーム１０の所定のアブレーション・フルエンスを超えない第１のアブレーション閾値又はフルエンスを示し、且つ、第２の材料８が所定のアブレーション・フルエンスを超える第２のアブレーション閾値又はフルエンスを示すように、選択される。上述のようないくつかのレーザパラメータが、レーザを選択する時には、同様に考慮される必要がある。
【００２９】
第１のパラメータは、アブレートされることになる第１の材料６の吸収深度を結果として最小化する波長を選択することである。このことは、迅速で且つ完全なアブレーションのために、第１の材料６の小さな体積内において高エネルギー堆積が確実に行われることを助ける。第２のパラメータは、ピーク電力を最大化するための、且つ周囲の材料６に対する熱伝導を最小化するためのパルス継続時間である。第３のパラメータは、パルス繰り返し率である。該繰り返し率があまりにも低い場合には、アブレーションのために用いられないエネルギーの全てが、アブレーション区域から消滅し、第１の材料６内におけるアブレーション区域を冷却することを許す結果となる。パルス繰り返し率が高い場合には、生成された熱をより良好に保つことができ、その結果として、アブレーションがより効率的になる。高いパルス繰り返し率によって、入射するエネルギーのより多くが、アブレーションにあてられて、周囲の材料と環境とに対するエネルギー消失がより少なくなる。第４のパラメータは、ビーム品質である。
【００３０】
ビーム品質は、ビームの輝度（エネルギー）、合焦能力、及び均質性によって測定される。ビームエネルギーが、アブレーションゾーンに対して適切に且つ効率的に振り向けられる（又はチャネリングされる）ことができない場合には、そのエネルギーのほとんどか、又は全てが使用されない。更に、そのビームが、制御可能な大きさでない場合には、アブレーション領域が所望の領域よりも大きくなる可能性があり、結果として、例えば、ブラインドビア１２をアブレートする時に、側壁において極端な傾斜が生じる。
【００３１】
比較的低いデューティサイクルを有するレーザを選択することが、アブレーションに対して有利であることがわかっている。すなわち、パルス幅（時間）が、パルス間の時間と比較して短い。従って、そのようなレーザが、高いデューティサイクルの他のレーザに比べて低い平均電力を有したとしても、そのレーザのピーク電力を非常に大きくすることができる。レーザのピーク電力とピーク強度（peak intensity）とは、次式によって与えられる。
ピーク電力（Ｗ）＝パルスエネルギー（Ｊ）／パルス継続時間（ｓｅｃ）
放射照度又は強度（ワット／ｃｍ２）＝ピーク電力（Ｗ）／焦点スポット面積（ｃｍ２）
【００３２】
図４において示されるような、以下の一連のステップを含む方法４００を、アブレーションプロセスのための材料とレーザとを選択するために、使用することができる。第１のステップ４０２は、デバイスパラメータを決定することを含む。例えば、微細構造に含まれる層の数がいくつであるか、層のタイプが何であるか、及び層の厚みがどれほどであるかが、決定されることになる。次のステップ４０４は、各材料のアブレーション閾値特性を決定することを含む。次のステップ４０６は、最も適切なレーザパラメータを決定することを含む。最後のステップ４０８は、ステップ４０２〜４０６が適切な結果を提供しない場合には、異なる材料によってステップ４０４を繰り返すことを含む。必要であれば、選択を行うために、２回以上の繰り返しが必要とされることもあり得る。
【００３３】
レーザは、例えば、一実施形態において、Ｑスイッチレーザとすることができる。Ｑスイッチレーザは、ピーク出力電力を高める（ブーストする）ために出力パルス幅を低減するように、且つ、パルスごとの出力の一貫性（又はばらつきの少なさ：consistency）を改善するように、パルス式レーザを改良したものである。そのようなＱスイッチレーザのピーク光出力電力は、Ｑスイッチングを用いないレーザよりもはるかに高くすることができる。典型的にはナノ秒か又はピコ秒（又は更により短い時間）における短いパルス継続時間に起因して、控えめな大きさのレーザであっても、メガワットか又はギガワットのピーク電力を生成することができる。Ｑスイッチレーザは、非常に多くの場合に、半導体光学ポンピングタイプ（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、ルビーなど）であるが、この技法を、多くの他の（但し、必ずしも全てとは限らない）レーザに対して同様に適用することができる。
【００３４】
更に別の実施形態において、レーザは、超短パルス（ウルトラショートパルス）レーザとすることもできる。超短パルスレーザは、フェムト秒範囲内（１フェムト秒＝１×１０−１５秒）のパルス継続時間を有する任意のレーザを指す。超短パルスは、一般に１ピコ秒か又はそれ未満、典型的には、３００フェムト秒未満であるとみなされる。比較すると、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧパルスは、一般に約２０ナノ秒であり、すなわち、１００フェムト秒の超短パルスレーザのパルス継続時間よりも約１０６倍長い。
【００３５】
代替的には、様々な技術を利用することによって、Ｎｄ：ＹＡＧのパルス幅を変更して、Ｎｄ：ＹＡＧを超短パルスレーザに変化させることができる。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧは、Ｑスイッチング技法によってナノ秒出力とすることができるか、又はアクティブ／パッシブモード−ロッキング技法によってピコ秒出力か又はサブピコ秒出力にすることができる。
【００３６】
物質が、フェムト秒時間スケールにおいては、それよりも長い時間スケールとは全く異なる反応をすることに留意されたい。超短パルスレーザによって半導体をアブレートする時には、半導体内における電子は、熱を格子（又は結晶格子）に伝達するための時間が無く、すなわち、処理は本質的には無熱である。アブレーション区域内の半導体材料は、アブレーション区域に隣接する半導体材料の残りに十分な量の熱を伝達すること無く除去される。超短パルスレーザは、従って、理想的な材料除去ツール（又は手段）である。シリコンのような金属において、パルス継続時間の１０００倍の削減が、熱の影響を受けた区域を１０分の１だけに低減させることがわかっている。金属がナノ秒パルスによって処理される場合には、１ミクロンの、熱の影響を受けた区域を得ることができる。フェムト秒パルスによって、０．１ミクロンの、熱の影響を受けた区域を得ることができる。
【００３７】
超短パルスレーザの一例は、モード−ロックレーザである。モード−ロックレーザは、出力ビームの特性に影響を及ぼす光学的空洞（又は光キャビティ、又は光共振器）の共振モードによって動作する。異なる周波数モードの位相どうしが同期をとられて、すなわち「互いにロック」させられる時には、異なるモードが、互いに干渉して、ビート効果を生み出す。その結果がレーザ出力である。該レーザ出力は、規則正しく隔置された脈動（又は振動、又は波動）として観測される。このモードロックのやり方において動作するレーザは、通常、規則正しく隔置されたパルス列を生成する。該パルス列は、各々が１０−１５（フェムト）秒〜１０−１２（ピコ）秒の継続時間を有する。モード−ロックレーザは、Ｑスイッチングモードにおいて動作する同じレーザよりも非常に高いピーク電力を配送することができる。これらのパルスは、多くの場合に１０１２ワットピークからの範囲内における非常に高いピーク電力を有する。
【００３８】
超短レーザパルスを用いることの利点は、それが、比較的低いエネルギーであるが、高いピーク電力に到達することを容易にさせることである。１００ｆｓにおける１００ｍＪは、１テラワット（１ＴＷ＝１０１２ワット）の平均パルス電力をもたらす。１ｎｓパルスを用いると、その同じ平均電力に達するために１，０００Ｊのエネルギーを必要とすることとなり、そのようなレーザを構築して動作させるために、一般に非常に多く費用がかかることになる。超短パルスレーザのパルス幅は、アブレーション区域外への熱の伝達を大幅に低減するほど十分に短い。このことは、熱をより局所化させる傾向があり、熱の影響を受けた区域の広がりを低減する。この結果として、超短パルスレーザを用いてマイクロデバイス３０をアブレートすることができる。該マイクロデバイス３０は、本質的には、図３Ａ〜図３Ｃにおいて示されるような第１の材料６と第２の材料８との間に挟まれた回路層３２を含む微細構造である。該微細構造は、該回路層３２に対する損傷を避けるために、高精度であるか、又は良好な選択性を有する。
【００３９】
一実施形態において、第１の材料６は、シリコンのような半導体材料とすることができる一方で、第２の材料８は、ＳＵ８、ＰＭＭＡ、及びポリイミドのような任意のポリマー材料とすることができる。マイクロバルブデバイスを形成するための、Ｓｉ／ポリマーの組み合わせの場合、例えば、５３２ｎｍの出力を有する２０ｎｓのＮｄ：ＹＡＧレーザといった、４００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲の波長を有するｎｓレーザを用いることができる。代替的には、例えば、Ｔｉ：サファイアレーザシステム（１５０ｆｓ及び８００ｎｍ）といった、同じスペクトル領域内におけるフェムトレーザを用いることもできる。５３２ｎｍにおけるＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザが使用される時には、そのアブレーション・フルエンスは０．５Ｊ／ｃｍ２のレベルに調整されるべきであるが、そのポリマーのこの波長に対する吸収又は損傷はごくわずかである。１５０ｆｓのパルス幅と８００ｎｍの波長とを有するｆｓレーザが使用される時には、照射フルエンスは、約１．０〜２．６Ｊ／ｃｍ２であるポリマーのアブレーション閾値を超えないように、約０．２〜０．５Ｊ／ｃｍ２にする必要がある。
【００４０】
選択されたパラメータによって、レーザビームは、約０．２〜０．５Ｊ／ｃｍ２のアブレーション・フルエンスを有することができる。そのようなレーザビームによって照射される時には、シリコンは、約０．２Ｊ／ｃｍ２のアブレーション閾値を示し、一方、ポリイミド、ＳＵ８、及びＰＭＭＡは、それぞれ１．０Ｊ／ｃｍ２、１．１Ｊ／ｃｍ２、及び２．６Ｊ／ｃｍ２のアブレーション閾値を示す。
【００４１】
好都合なことに、本発明を具現化する方法２によって、微細構造の、迅速で且つ正確な微細加工が可能になる。第１の材料の一部分の除去が第２の材料に対して損傷を与えることを気にすることなく、又は切込み深度か又は輪郭（又はプロファイル：profile）の正確な制御を必要とすることなく、高速に進めることができるため、該方法は迅速である。第１の材料と第２の材料との界面に残された、第１の材料の残りは、構造そのものによって制限するステップ（又は自動的に制限するステップ）、従ってより正確なレーザアブレーションステップを用いて、次に続いて除去される。従って、微細構造の製造の全スループットが、従来技術における全スループットと比較して高められる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１Ａ】微細構造を製造するための、本発明の一実施形態による、一連のステップのフローチャートである。
【図１Ｂ】本発明の一実施形態による、第２の材料のポリイミドが、基板としてもまた機能する第１の材料のシリコン（Ｓｉ）に取り付けられた状態におけるＭＥＭＳデバイスのポリマー・オン・シリコン微細構造を示す概略図である。
【図２Ａ】図１内のバルク材料を除去するステップにおいて第１の材料の一部分をアブレートするために、第１のレーザビームが使用される微細構造を示す概略図である。
【図２Ｂ】第２のレーザビームが、第１の材料と同じ面から残りの第１の材料上に照射されて、該残りの第１の材料を除去する、図２Ａ内における微細構造を示す概略図である。
【図２Ｃ】代替の一実施形態に従って、第２のレーザビームが、第２の材料を通して、残りの第１の材料上に照射されて、該残りの第１の材料を除去する、図２Ａにおける微細構造を示す概略図である。
【図３Ａ】微細構造が、第１の材料と第２の材料との間に挟まれた回路層を更に備え、マイクロデバイスを画定する、図２Ａに示される図に類似の概略図である。
【図３Ｂ】微細構造が、第１の材料と第２の材料との間に挟まれた回路層を更に備え、マイクロデバイスを画定する、図２Ｂに示される図に類似の概略図である。
【図３Ｃ】微細構造が、第１の材料と第２の材料との間に挟まれた回路層を更に備え、マイクロデバイスを画定する、図２Ｃに示される図に類似の概略図である。
【図４】アブレーションプロセスのための材料とレーザとを選択するために各ステップが実行されることになる一連のステップを含む方法を詳述するフローチャートである。
【符号の説明】
【００４３】
５  微細構造
６  第１の材料
８  第２の材料
１０  レーザービーム
１８  第１の材料の残り
２０  界面
２２  レーザービーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年12月8日(2005.12.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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