(57)【要約】【課題】レーザ光のＮＳＯＭプローブへの、またＮＳＯＭプローブからの結合を効率よく行うニアフィールド走査光学顕微鏡レーザ加工装置の較正方法および装置を得る。【解決手段】ピーク波長を有するレーザ光を発生するレーザ光源１１０と、ＮＳＯＭプローブ１１０と、レーザピーク波長をほぼ伝達する材料によって形成した結合サブストレート１２４と、ＮＳＯＭプローブおよび結合サブストレートを制御可能に保持するＮＳＯＭマウントと、ＮＳＯＭコントローラと、ＮＳＯＭマウントに光学的に結合される光検出器とを有する。レーザ光源により発生するレーザ光は、ＮＳＯＭプローブの一方の端部における入力面１０７を介してＮＳＯＭプローブ１１０に光学的に結合される。光検出器１２８は、ＮＳＯＭプローブの他方の端部に位置するプローブチップから結合サブストレート１２４に結合される放射のパワーを測定し、パワーが最適化されるまで調整する。【選択図】図１
2006105972.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ加工に使用するニアフィールド走査光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）プローブのプローブチップから放射されるレーザピーク波長でレーザ放射を測定する装置において、
前記レーザピーク波長を有するレーザ光を発生するレーザ光源と、
ほぼ円筒形の形状を有するＮＳＯＭプローブであって、このＮＳＯＭプローブの一方の端部には、レーザ光源により発生したレーザ光をＮＳＯＭプローブに光学的に結合する入力面を有し、またこのＮＳＯＭプローブの他方の端部にはプローブチップを有する該ＮＳＯＭプローブと、
前記レーザピーク波長をほぼ伝達する材料で形成した結合サブストレートと、
前記ＮＳＯＭプローブおよび結合サブストレートを制御可能に保持し、前記ＮＳＯＭプローブまたは結合サブストレートのうちの一方に連結したＺ方向運動ステージを設けたＮＳＯＭマウントと、
前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップと前記結合サブストレートの頂面との間における距離を決定するよう前記ＮＳＯＭマウントに連結したＮＳＯＭプローブモニタと、
前記ＮＳＯＭプローブモニタおよびＺ方向運動ステージに連結し、ＮＳＯＭプローブのプローブチップから結合サブストレートに放射が結合される際に前記ＮＳＯＭプローブモニタによって決定されるＮＳＯＭプローブと前記結合サブストレートの頂面との間における距離に基づいて、前記Ｚ方向運動ステージに連結した前記ＮＳＯＭプローブまたは結合サブストレートの垂直方向位置を制御するＮＳＯＭコントローラと、および
前記結合サブストレートに光学的に結合し、前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップから前記結合サブストレートに結合される放射のパワーを測定する光検出器と
を具えたことを特徴とするレーザ放射測定装置。
【請求項２】
前記レーザ光のレーザピーク波長を約４００ｎｍ以下とした請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記レーザ光源は、所定パルス持続時間を有するレーザ光パルスを発生する超高速レーザを有するものとした請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記レーザ光パルスの前記所定パルス持続時間を約２０ｐｓ以下とした請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記レーザ光源に、前記レーザ光を前記入力面を介して前記ＮＳＯＭプローブに光学的に結合する光学系を設け、また
前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップから前記結合サブストレートに結合される放射を光検出器によって測定した放射パワーに基づいて、前記ＮＳＯＭプローブのプローブニップから前記結合サブストレートに結合される放射のパワーをほぼ最適化するよう、前記光学系および前記ＮＳＯＭプローブの前記入力面の位置のうちの少なくとも一方を調整するものとした請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記レーザ光源の前記光学系は、前記レーザ光を前記ＮＳＯＭプローブに伝達する中実コア光ファイバを有するものとし、また
前記ＮＳＯＭプローブの前記入力面は、前記中実コア光ファイバの断面積にほぼ等しい入力領域を有するものとした請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記レーザ光源の前記光学系は、前記レーザ光を前記ＮＳＯＭプローブに伝達する中空光ファイバを有するものとし、また
前記ＮＳＯＭプローブの前記入力面は、前記中空光ファイバの中空コアの断面積にほぼ等しい入力領域を有するものとした請求項５記載の装置。
【請求項８】
前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップの断面積を、前記レーザピーク波長の２乗値よりも小さいものとした請求項１記載の装置。
【請求項９】
前記ＮＳＯＭプローブは、さらに、
ほぼ前記入力面から前記プローブチップまで延在し、前記レーザ光源から前記入力面を介して光学的に結合される部分を有する光伝達コアと、
前記プローブチップに近接する前記ＮＳＯＭプローブの側面に形成した放射制限コーティングと
を有するものとして構成した請求項１記載の装置。
【請求項１０】
前記ＮＳＯＭプローブの前記光伝達コアを、前記レーザピーク波長の近傍で低吸収性を示す光導波材料により形成した請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記放射制限コーティングは、前記レーザピーク波長の近傍で低吸収性および高反射性を有するものとした請求項９記載の装置。
【請求項１２】
前記ＮＳＯＭプローブは、前記入力面と前記プローブチップとの間でほぼ９０゜の曲げ部を形成し、前記ＮＳＯＭプローブにおけるレーザ光の伝播方向が、前記入力面と前記プローブチップとの間でほぼ９０゜曲がるようにした請求項１記載の装置。
【請求項１３】
前記結合サブストレートを、イオン着色したフィルタガラスにより形成した請求項１記載の装置。
【請求項１４】
前記結合サブストレートの頂面に、ほぼ不透明のマスク層を形成し、このほぼ不透明なマスク層に、前記結合サブストレートの頂面の窓部分を露出させるピンホールを設け、
前記ＮＳＯＭマウントは、前記ＮＳＯＭプローブまたは前記結合サブストレートのうちの一方に連結したＸＹ方向運動ステージを設け、前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップから結合サブストレートに結合されるニアフィールド放射を測定する間に、前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップを前記結合サブストレートの頂面における前記窓部分に整列させるようにした請求項１記載の装置。
【請求項１５】
前記結合サブストレートの頂面における前記窓部分は、前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップの断面積よりも大きく、約３０μｍ2 以下の面積を有するものとした請求項１４記載の装置。
【請求項１６】
前記ほぼ不透明なマスク層には、さらに、前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップを前記結合サブストレートの頂面における前記窓部分に整列させる補助となるようピンホールに中心を有する向き決めマークを設けた請求項１４記載の装置。
【請求項１７】
前記向き決めマークは、複数個の半径ライン、複数個の同心リングライン、またはスパイラルラインのうちの一つとした請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
前記Ｚ方向運動ステージを、圧電式運動ステージとした請求項１記載の装置。
【請求項１９】
前記ＮＳＯＭプローブモニタは、
モニタピーク波長を有する光をほぼコリメートした光ビームを発生する光源と、
前記ほぼコリメートした光ビームの一部を反射するよう前記ＮＳＯＭプローブに連結した反射面と、
前記ほぼコリメートした光ビームの反射部分を検出する少なくとも２個の検出器領域を有し、また各検出器領域によって検出した光量に基づいて信号を発生する光検出器と、
前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップと前記結合サブストレートの頂面との間における距離を、前記光検出器によって生じた信号に基づいて決定する処理手段と
を有するものとし、また
前記結合サブストレートの材料は、前記モニタピーク波長に対しては非伝達性を示すものとした請求項１記載の装置。
【請求項２０】
前記光検出器は、前記モニタピーク波長を有する光よりも、前記レーザピーク波長を有する光に対して一層感受性の高いものとした請求項１９記載の装置。
【請求項２１】
前記光検出器は、フォトマルチプライヤ管もしくはアバランシェフォトダイオードのうちの一方とした請求項１記載の装置。
【請求項２２】
レーザ光源を使用して微細構造ワークピースの表面に造作をレーザ加工するニアフィールド走査光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）レーザ加工装置において、
前記レーザピーク波長を有するレーザ光を発生するレーザ光源と、
ほぼ円筒形の形状を有するＮＳＯＭプローブであって、このＮＳＯＭプローブの一方の端部には、レーザ光源により発生したレーザ光をＮＳＯＭプローブに光学的に結合する入力面を有し、またこのＮＳＯＭプローブの他方の端部にはプローブチップを有する該ＮＳＯＭプローブと、
中空光ファイバを有し、前記レーザ光源からのレーザ光を前記入力面を経て前記ＮＳＯＭプローブに光学的に結合する光学系と、
前記ＮＳＯＭプローブおよび微細構造ワークピースを制御可能に保持するＮＳＯＭマウントであって、前記ＮＳＯＭプローブまたは前記微細構造ワークピースのうちの一方に連結したＸＹ方向運動ステージ、および前記ＮＳＯＭプローブまたは微細構造ワークピースのうちの一方に連結したＺ方向運動ステージを設けたＮＳＯＭマウントと、
前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップと前記微細構造ワークピースの表面との間における距離を決定するよう前記ＮＳＯＭマウントに連結したＮＳＯＭプローブモニタと、
前記ＮＳＯＭプローブモニタ、ＸＹ方向運動ステージ、およびＺ方向運動ステージに連結し、ＮＳＯＭプローブのプローブチップから微細構造ワークピースに放射が結合される際に前記ＮＳＯＭプローブモニタによって決定されるＮＳＯＭプローブと前記微細構造ワークピースの表面との間における距離に基づいて、前記Ｚ方向運動ステージに連結した前記ＮＳＯＭプローブまたは微細構造ワークピースの垂直方向位置を、並びにレーザ加工中に前記微細構造ワークピースの表面にレーザ加工される造作に基づいて、前記ＸＹ方向運動ステージに連結したＮＳＯＭプローブまたは微細構造ワークピースのうちの一方の水平方向位置を制御するＮＳＯＭコントローラと
を具えたことを特徴とするＮＳＯＭレーザ加工装置。
【請求項２３】
前記ＮＳＯＭプローブの入力面は、中空光ファイバの中空コアの断面積にほぼ等しい入力面積を有するものとした請求項２２記載の装置。
【請求項２４】
レーザ光源を使用して微細構造ワークピースの表面に造作をレーザ加工するニアフィールド走査光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）レーザ加工装置において、
前記レーザピーク波長を有するレーザ光を発生するレーザ光源と、
ほぼ円筒形の形状を有するＮＳＯＭプローブであって、このＮＳＯＭプローブの一方の端部には、レーザ光源により発生したレーザ光をＮＳＯＭプローブに光学的に結合する入力面を有し、またこのＮＳＯＭプローブの他方の端部にはプローブチップを有する該ＮＳＯＭプローブと、
前記レーザピーク波長をほぼ伝達する材料で形成し、窓部分を設けた頂面を有する結合サブストレートと、
前記結合サブストレートおよび前記微細構造ワークピースを保持するサブストレートホルダと、
前記ＮＳＯＭプローブおよびサブストレートホルダを制御可能に保持するＮＳＯＭマウントであって、前記ＮＳＯＭプローブまたは前記サブストレートホルダのうちの一方に連結したＸＹ方向運動ステージ、および前記ＮＳＯＭプローブまたはサブストレートホルダのうちの一方に連結したＺ方向運動ステージを設けたＮＳＯＭマウントと、
前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップと、前記微細構造ワークピースの表面または結合サブストレートの頂面との間における距離を決定するよう前記ＮＳＯＭマウントに連結したＮＳＯＭプローブモニタと、
前記ＮＳＯＭプローブモニタ、ＸＹ方向運動ステージ、およびＺ方向運動ステージに連結したＮＳＯＭコントローラであって、ＮＳＯＭ較正中に、ＮＳＯＭプローブのプローブチップから結合サブストレートに放射が結合される際に前記ＮＳＯＭプローブモニタによって決定されるＮＳＯＭプローブと前記結合サブストレートの頂面との間における距離に基づいて、前記Ｚ方向運動ステージに連結した前記ＮＳＯＭプローブまたはサブストレートホルダの垂直方向位置、および前記結合サブストレートの頂面における窓部分の位置に基づいて、前記ＸＹ方向運動ステージに連結したＮＳＯＭプローブまたはサブストレートホルダのうちの一方の水平方向位置のうちの一方を制御するか、または、ＮＳＯＭプローブのプローブチップから微細構造ワークピースに放射が結合される際に前記ＮＳＯＭプローブモニタによって決定されるＮＳＯＭプローブと前記微細構造ワークピースの表面との間における距離に基づいて、前記Ｚ方向運動ステージに連結した前記ＮＳＯＭプローブまたはサブストレートホルダの垂直方向位置を、並びにレーザ加工中に前記微細構造ワークピースの表面にレーザ加工される造作に基づいて、前記ＸＹ方向運動ステージに連結したＮＳＯＭプローブまたはサブストレートホルダのうちの一方の水平方向位置を制御するかする該ＮＳＯＭコントローラと、
前記結合サブストレートに光学的に結合し、ＮＳＯＭ較正中に、前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップから前記結合サブストレートに結合される放射のパワーを測定する光検出器と
を具えたことを特徴とするＮＳＯＭレーザ加工装置。
【請求項２５】
前記レーザ光のレーザピーク波長を約４００ｎｍ以下とした請求項２４記載の装置。
【請求項２６】
前記レーザ光源は、１ｎｓ以下の所定パルス持続時間を有するレーザ光パルスを発生する超高速レーザを有するものとした請求項１記載の装置。
【請求項２７】
前記レーザ光源に、前記レーザ光を前記入力面を介して前記ＮＳＯＭプローブに光学的に結合する光学系を設け、また
前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップから前記結合サブストレートに結合される放射を光検出器によって測定した放射パワーに基づいて、前記ＮＳＯＭプローブのプローブニップから前記結合サブストレートに結合される放射のパワーをほぼ最適化するよう、前記光学系および前記ＮＳＯＭプローブの前記入力面の位置のうちの少なくとも一方を調整するものとした請求項２４記載の装置。
【請求項２８】
前記レーザ光源の前記光学系は、前記レーザ光を前記ＮＳＯＭプローブに伝達する中実コア光ファイバを有するものとし、また
前記ＮＳＯＭプローブの前記入力面は、前記中実コア光ファイバの断面積にほぼ等しい入力領域を有するものとした請求項２７記載の装置。
【請求項２９】
前記レーザ光源の前記光学系は、前記レーザ光を前記ＮＳＯＭプローブに伝達する中空光ファイバを有するものとし、また
前記ＮＳＯＭプローブの前記入力面は、前記中空光ファイバの中空コアの断面積にほぼ等しい入力領域を有するものとした請求項２７記載の装置。
【請求項３０】
前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップの断面積を、前記レーザピーク波長の２乗値よりも小さいものとした請求項２４記載の装置。
【請求項３１】
前記ＮＳＯＭプローブは、さらに、
ほぼ前記入力面から前記プローブチップまで延在し、前記レーザ光源から前記入力面を介して光学的に結合される部分を有する光伝達コアと、
前記プローブチップに近接する前記ＮＳＯＭプローブの側面に形成した放射制限コーティングと
を有するものとして構成した請求項２４記載の装置。
【請求項３２】
前記結合サブストレートの頂面に、ほぼ不透明のマスク層を形成し、このほぼ不透明なマスク層に、前記結合サブストレートの頂面の窓部分を露出させるピンホールを設けた請求項２４記載の装置。
【請求項３３】
前記ほぼ不透明なマスク層には、さらに、前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップを前記結合サブストレートの頂面における前記窓部分に整列させる補助となるようピンホールに中心を有する向き決めマークを設けた請求項３２記載の装置。
【請求項３４】
前記向き決めマークは、複数個の半径ライン、複数個の同心リングライン、またはスパイラルラインのうちの一つとした請求項３３記載の装置。
【請求項３５】
前記サブストレートホルダは、前記微細構造ワークピースおよび前記結合サブストレートを所定の関係にして保持しうるようにした請求項２４記載の装置。
【請求項３６】
前記微細構造ワークピースおよび前記結合サブストレートの所定の並置関係は、前記微細構造ワークピースの表面と前記結合サブストレートの頂面とがほぼ平行となる関係にした請求項３４記載の装置。
【請求項３７】
前記ＸＹ方向運動ステージを圧電式のＸＹ方向運動ステージとし、前記Ｚ方向運動ステージを圧電式Ｚ方向運動ステージとした請求項２４記載の装置。
【請求項３８】
前記ＮＳＯＭプローブモニタは、
モニタピーク波長を有する光をほぼコリメートした光ビームを発生する光源と、
前記ほぼコリメートした光ビームの一部を反射するよう前記ＮＳＯＭプローブに連結した反射面と、
前記ほぼコリメートした光ビームの反射部分を検出する少なくとも２個の検出器領域を有し、また各検出器領域によって検出した光量に基づいて信号を発生する光検出器と、
前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップと前記微細構造ワークピースの表面または前記結合サブストレートの頂面との間における距離を、前記光検出器によって生じた信号に基づいて決定する処理手段と
を有するものとし、また
前記結合サブストレートの材料は、前記モニタピーク波長に対しては非伝達性を示すものとした請求項２４記載の装置。
【請求項３９】
前記光検出器は、前記モニタピーク波長を有する光よりも、前記レーザピーク波長を有する光に対して一層感受性の高いものとした請求項３８記載の装置。
【請求項４０】
前記光検出器は、フォトマルチプライヤ管もしくはアバランシェフォトダイオードのうちの一方とした請求項２４記載の装置。
【請求項４１】
ニアフィールド走査光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）レーザ加工装置であり、レーザ光源、ＮＳＯＭプローブ、結合サブストレート、および光検出器を有する該ＮＳＯＭレーザ加工装置のＮＳＯＭプローブを較正する方法において、
a)  前記結合サブストレートの頂面の上方に前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップを整列させるステップと、
b)  前記プローブチップと前記結合サブストレートの頂面との間における距離を決定するステップと、
c)  前記プローブチップと前記結合サブストレートの頂面との間における距離が較正距離にほぼ等しくなるように、前記プローブチップと前記結合サブストレートの頂面との間における距離を制御するステップと、
d)  レーザ光源を使用して所定パワーおよびレーザピーク波長を有するレーザ光を発生するステップと、
e)  前記ＮＳＯＭレーザ加工装置の前記ＮＳＯＭプローブにレーザ光を結合するステップと、
f)  前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップから前記結合サブストレートに、レーザ光の一部を結合するステップと、
g)  前記光検出器を使用して前記結合サブストレートに結合されたレーザ光の部分の結合パワーを検出するステップと、
h)  前記ステップ（ｅ）におけるＮＳＯＭプローブにおけるレーザ光の結合を調整し、前記ステップ（ｆ）における結合サブストレートに結合されるレーザ光の部分の結合パワーがほぼ最適化されるまで前記ステップ（ｆ），（ｇ），（ｈ）を繰り返すステップと
よりなることを特徴とするＮＳＯＭプローブ較正方法。
【請求項４２】
前記結合サブストレートの頂面に、ほぼ不透明のマスク層を形成し、このほぼ不透明なマスク層に、前記結合サブストレートの頂面の窓部分を露出させるピンホールを設け、
前記ステップ（ａ）は、前記結合サブストレートの頂面における窓部分の上方に、前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップを整列させることを含むものとした請求項４１記載の方法。
【請求項４３】
前記ほぼ不透明なマスク層には、さらに、前記ピンホールに中心を有する向き決めマークを設け、
前記ステップ（ａ）は、向き決めマークを結像させ、この向き決めマークの画像に基づいて、前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップに対する前記結合サブストレートの頂面における窓部分の位置を決定するステップを含むものとした請求項４２記載の方法。
【請求項４４】
前記ステップ（ｂ）は、前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップと前記結合サブストレートの頂面との間における原子間力を決定するステップを含むものとした請求項４１記載の方法。
【請求項４５】
前記ＮＳＯＭレーザ加工装置は、さらに、Ｚ方向運動ステージを有するものとし、
前記ステップ（ｃ）は、前記ステップ（ｂ）で決定した前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップと前記結合サブストレートの頂面との間における距離に基づいて、前記Ｚ方向運動ステージを使用し、前記ＮＳＯＭプローブまたは前記結合サブストレートのうちの一方の垂直方向位置を制御するステップを含むものとした請求項４１記載の方法。
【請求項４６】
前記較正距離は、前記レーザ光の前記レーザピーク波長の約半分程度の範囲とし、
前記ステップ（ｃ）において前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップと前記結合サブストレートの頂面との間における距離を、５ｎｍ以下の公差となるよう制御する請求項４１記載の方法。
【請求項４７】
前記ＮＳＯＭレーザ加工装置のレーザ光源は、超高速レーザを有するものとし、
前記ステップ（ｄ）は、前記超高速レーザを使用し、前記レーザピーク波長、所定パルスエネルギ、および所定パルス持続時間を有するレーザ光を発生するステップを含むものとし、
前記所定パルス持続時間を１ｎｓ以下とした請求項４１記載の方法。
【請求項４８】
前記ＮＳＯＭレーザ加工装置は、光学系を有するものとし、
前記ステップ（ｅ）は、前記光学系を使用して前記レーザ光源から前記ＮＳＯＭプローブにレーザ光を結合するステップを含むものとし、
前記ステップ（ｈ）は、前記光学系を調整し、前記ステップ（ｅ）における前記ＮＳＯＭプローブへのレーザ光の結合を調整するステップを含むものとした請求項４１記載の方法。
【請求項４９】
前記ＮＳＯＭプローブは、ほぼ円筒形の形状を有し、一方の端部にプローブチップ、他方の端部に入力面を有するものとし、
前記ステップ（ｅ）は、前記レーザ光源から前記入力面を介してレーザ光を前記ＮＳＯＭプローブに結合するステップを含むものとし、
前記ステップ（ｈ）は、前記ステップ（ｅ）における前記ＮＳＯＭプローブへのレーザ光結合を調整するため、前記ＮＳＯＭプローブの入力面の位置を変化させるステップを含むものとした請求項４１記載の方法。
【請求項５０】
前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップは、前記レーザピーク波長の２乗値よりも小さいチップ領域を有するものとし、
前記ステップ（ｆ）は、
ｆ１）  前記レーザ光の一部を前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップに伝達するステップと、
ｆ２）  前記プローブチップの前記チップ領域にほぼ等しい前記結合サブストレートの頂面における被放射領域を介して、前記レーザ光の一部を前記結合サブストレートに結合するステップと
よりなる
のとした請求項４１記載の方法。
【請求項５１】
前記ステップ（ｈ）における前記レーザ光の一部の結合パワー最適化は、
前記ステップ（ｆ）における前記結合サブストレートに結合される前記レーザ光の結合パワーを増大させるステップ、または
前記ステップ（ｆ）における前記結合サブストレートに結合される前記レーザ光の結合パワーを所定の較正パワーレベルに設定するステップ
のうちの少なくとも一方を含むものとした請求項４１記載の方法。
【請求項５２】
ニアフィールド走査光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）レーザ加工装置であり、レーザ光源、ＮＳＯＭプローブ、結合サブストレート、および光検出器を有する該ＮＳＯＭレーザ加工装置を使用して微細構造ワークピースに造作をレーザ加工するＮＳＯＭレーザ加工方法において、
a)  前記微細構造ワークピースをＮＳＯＭレーザ加工装置に取り付けるステップと、
b)  前記結合サブストレートの頂面上に前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップを整列させるステップと、
c)  前記プローブチップと前記結合サブストレートの頂面との間における距離を決定するステップと、
d)  前記プローブチップと前記結合サブストレートの頂面との間における距離が較正距離にほぼ等しくなるように、前記プローブチップと前記結合サブストレートの頂面との間における距離を制御するステップと、
e)  レーザ光源を使用して所定較正パワーおよびレーザピーク波長を有するレーザ光を発生するステップと、
f)  前記ＮＳＯＭレーザ加工装置の前記ＮＳＯＭプローブにレーザ光を結合するステップと、
g)  前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップから前記結合サブストレートに、レーザ光の一部を結合するステップと、
h)  前記光検出器を使用して前記結合サブストレートに結合されたレーザ光の部分の結合パワーを検出するステップと、
i)  前記ステップ（ｆ）におけるＮＳＯＭプローブにおけるレーザ光の結合を調整し、前記ステップ（ｇ）における結合サブストレートに結合されるレーザ光の部分の結合パワーがほぼ最適化されるまで前記ステップ（ｇ），（ｈ），（ｉ）を繰り返すステップと、
j)  前記微細構造ワークピースの加工表面上に前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップを再整列させるステップと、
k)  前記ステップ（ｈ）で検出した結合パワーに基づいて、加工パワーを有するレーザ光を発生するよう前記レーザ光源を調整するステップと、
l)  前記プローブチップと前記加工表面との間における距離を決定するステップと、
m)  前記プローブチップと前記加工表面との間の距離が加工距離にほぼ等しくなるように、前記プローブチップと前記加工表面との間の距離を制御するステップと、
n)  前記ＮＳＯＭプローブのプローブチップから、このプローブチップの位置に対応する前記微細構造ワークピースの加工表面の被放射領域に前記レーザ光の一部を結合し、この被放射領域をレーザ加工するステップと、
o)  前記ＮＳＯＭプローブまたは前記微細構造ワークピースの少なくとも一方を移動し、前記プローブチップが、造作に対応する加工表面の造作領域にわたり走査する走査ステップであって、前記プローブチップと前記加工表面との間の距離が前記加工距離にほぼ等しくなるよう維持するために前記ステップ（ｌ）および（ｍ）を繰り返し、また前記微細構造ワークピースの加工表面上に造作をレーザ加工する前記ステップ（ｎ）を繰り返しながら行う該走査ステップと
よりなることを特徴とするＮＳＯＭレーザ加工方法。
【請求項５３】
前記ステップ（ｎ）における被放射領域のレーザ加工ステップは、
前記被放射領域における微細構造ワークピースの材料を溶除するステップ、または前記被放射領域における微細構造ワークピースの加工表面上に堆積材料をレーザ支援化学蒸着するステップ、または前記被放射領域における微細構造ワークピース加工表面上にフォトレジスト露光を行うステップ、または前記被放射領域における微細構造ワークピースの材料の屈折率を変化させるステップ、または前記被放射領域における微細構造ワークピースの材料の回折格子構造を改変させるステップ、または前記被放射領域における微細構造ワークピースの材料の化学成分を変化させるステップのうちの少なくとも一つのステップを含むものとした請求項５２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ニアフィールド走査光学顕微鏡（near-field scanning optical microscope＝ＮＳＯＭ）のプローブチップ（先端）を較正する装置および方法に関するものである。この方法は、電子的、光学的、および機械的な微細構造の製造改善、大量生産、または修復をすることにもなる。
【背景技術】
【０００２】
生産品が一層小さくなるにつれて、マイクロ電気‐機械的システム（micro-electrical-mechanical system=ＭＥＭＳ)、マイクロオプティクス、およびフォトニッククリスタル(photonic crystals）に対する要望が高まっている。この要望によれば、これに関連したマイクロマシニング（微細加工）およびナノマシニング（超微細加工）に対する関心が高まっている。多くの用途がＭＥＭＳには存在する。従前では無関係だった分野間、例えば、生物学とマイクロエレクトロニクス（超小型電子技術）との間の前代未聞の相乗効果をもたらすブレークスルーの技術として、新しいＭＥＭＳ用途が急速に出現し、今日認知されている範囲を越えて広まりつつある。量子電気装置、マイクロ光学装置およびフォトニック結晶における他の応用分野も出現している。
現在の関心事である新しい応用分野として、幾つかのものをここに紹介する。
【０００３】
量子電気装置(Quantum Electrical Devices)
量子コンピュータのようなアイデアに対する関心は、より小さい寸法を必要とするデバイス、例えば、セルラーアンテナ、結合量子ドット技術の開発に向かわしめている。マイクロ波回路の効率を増大させる電子伝達の量子効果を利用する共鳴トンネルダイオードのような共鳴トンネル装置は、特別に微細形状の特徴（微細造作）を必要とする。
【０００４】
マイクロオプティクス(Micro-Optics)
マイクロマシニング（微細加工）技術のオプティクスへの応用は、グレースケール技術のような光学的製造において、多くの進歩をもたらしてきた。グレースケール技術は、最良の光学的性能を得ることが可能となる広範囲な形状を創出することができる。従来のバイナリなオプティクスは、理想的な表面形状を近似させた「階段ステップ(stair step)」に頼っている。これに対し、グレースケールは、その理想形状を実際に創出することができる。曲線、傾斜ランプ、トロイドまたは他の形状を可能とする。多機能オプティクス、マイクロレンズアレイ、デフューザ、ビームスプリッタ、レーザダイオードコレクタは、すべてグレースケール技術を使用した賜物である。これら光学的デバイス、並びにより短い波長光のための微細ピッチ格子を含む他のデバイスは、マイクロマシニングを使用することにより得られる超精密の賜物である。ビームシェーパー、連続薄膜変形可能ミラー、チューナブルレーザのための可動ミラー、２軸走査傾動ミラーを含む光学的ＭＥＭＳデバイスも、マイクロマシニング技術の進歩から出現した。
【０００５】
フォトニッククリスタル(Photonic Crystals)
フォトニッククリスタルは、独自の特性を有する光学的デバイスを作り出すのに使用される光学材料の人工的形態である。フォトニッククリスタルは、半導体結晶の電気的特性に類比する多くの光学的特性を有し、また、現在の電気的半導体回路に類似した光学的回路を開発することもできる。フォトニック結晶を形成するのに使用される造作寸法、およびこれら造作の精密な整列（アラインメント）条件は、これら材料の製造を複雑にする。マイクロマシニング装置のための改善したアラインメント技術および微細造作寸法の能力は、この領域におけるさらなる開発に向かわしめている。
【０００６】
バイオテクノロジー(Biotechnology)
ＭＥＭＳ技術は、科学および工学における新しい発見を可能にし、例えば、ＤＮＡ増幅および識別のためのポリメラーゼ連鎖反応（polymerase chain reaction=ＰＣＲ）マイクロシステム、マイクロ加工した走査トンネル顕微鏡（scanning tunneling microscope ＝ＳＴＭ）プローブチップ、有害な化学物質および生物学的物質の検出用バイオチップ、および高いスループットの薬剤スクリーニングおよび選択用マイクロシステムがある。
【０００７】
通信(Communications)
共鳴トンネル装置を使用することから得られる進歩の他に、ＲＦ‐ＭＥＭＳ技術の出現から、高周波回路も大きな恩恵を受けている。ＭＥＭＳ技術を使用して作られたインダクタおよびチューナブルコンデンサのような電気的コンポーネントは、現在の集積回路相当のものよりも格段に優れた性能を示す。さらに、幾つかのリサーチグループによって開発されたＭＥＭＳのメカニカルスイッチは、種々のマイクロ波回路における高い潜在能力を有するキーコンポーネントである。ＭＥＭＳメカニカルスイッチの宣伝展示サンプルは、従来入手できるいかなるメカニカルスイッチより数段高い品質を示す。ＲＦ‐ＭＥＭＳコンポーネントの信頼性、精密チューニングおよびパッケージングは、これらが市場に広く受け入れられる前の解決すべき深刻な問題として存在する。
【０００８】
マイクロオプティクスにおける進歩およびフォトニッククリスタルを使用する新たな光学的装置の導入は、通信技術にも恩恵を与えている。
【０００９】
加速度計(Accelerometer)
ＭＥＭＳ（加速度計）は、自動車における衝突エアバッグ展開システムのための従来の加速度計に急速にとって代わりつつある。従来の手法は、自動車のフロント部分に、エアバッグの近傍の個別の電子機器とともに取り付けた個別コンポーネントとして形成した幾つかのかさばる加速度計を使用するものであった。ＭＥＭＳ技術は、加速度計および電子機器を単独チップに集積させ、従来手法によるコストに対して１／５〜１／１０まで低減することができる。これらＭＥＭＳ加速度計は、従来の小型加速度計素子に比べてより一層、小型であり、機能が豊富であり、軽量であり、また信頼性が高い。
【００１０】
マイクロ回路(Micro-circuitry)
電子回路のサイズを小さくすることは、ＭＥＭＳ技術が多くの分野に影響を与える他の領域である。これらマイクロ回路におけるコンポーネントおよび接続の密度が増大することは、処理の公差が縮小することを意味する。マイクロ回路を製造するチャレンジの一つとして、より一層密に位置決めされているコンポーネントおよびナノワイヤ間の短絡防止がある。マイクロマシニング方法を使用することによって生産量は大きく増大し、欠陥修理もできるようになっている。
【００１１】
走査型ニアフィールド光学顕微鏡としても知られているニアフィールド走査光学顕微鏡(near-field scanning optical microscope=ＮＳＯＭ）のニアフィールドモード放射を使用する表面レーザ加工は、サブミクロン単位の形状の微細造作をレーザ加工する手段として提案された。このように表面をマイクロ加工する方法の一つとして、原子間力顕微鏡のプローブから伝達され、短波長紫外線レーザからの光を使用して光学的格子をレーザ加工することを記載した特許文献１（「レーザ加工装置及び方法とこれを用いて加工された光学素子」という発明の名称の下で出願された大割氏らの特願２０００‐５１９７５号）がある。
【特許文献１】特開２００１−２３９３９０号
【００１２】
ＮＳＯＭは、  原子間力顕微鏡(atomic force microscopes=AFM's)と同じ原理の多くを使用し、表面を正確にプロファイル（輪郭形成）する。ＮＳＯＭプローブチップからのニアフィールド放射を使用してこれら表面のレーザマイクロマシニング（レーザ微細加工）は、非ニアフィールド放射および自由空間型オプティクスを使用するものと比べると多くの利点がある。これら利点として、ＮＳＯＭプローブチップの正確な位置決め制御および減少した微細造作寸法がある。ＮＳＯＭ装置に使用される微細運動ステージは、精密な水平方向および垂直方向の位置決め制御するのに使用される。さらに、表面を輪郭形成するＮＳＯＭの能力によれば、大きなニアフィールド放射を表面に結合するのに必要なプローブチップの正確な垂直方向位置決めを可能にする。ニアフィールドモード以外の他のモードをＮＳＯＭプローブチップから伝達することもできるが、プローブチップを加工している表面に適切に近接させた状態に維持する限りは、他のモードでは、ＮＳＯＭレーザ加工の利点を有効に利用できない。
【００１３】
本発明のＮＳＯＭレーザ加工装置により加工した微細造作の寸法は、ニアフィールド放射を発生するに使用するレーザ光の波長よりも、むしろＮＳＯＭプローブチップの寸法によって決定される。このことによって、大割氏らにより開示されたようなレーザ加工装置は、同一のレーザ光源からの自由空間レーザビームを回折限定したスポットサイズよりも小さい表面上の領域を加工することができる。レーザ波長は、ＮＳＯＭプローブチップから近接フィールドに結合される光の効率に影響を与えるため、依然として問題である。したがって、大割氏らは、ＮＳＯＭプローブチップの円形断面の直径にほぼ等しい波長を有する短波長ＵＶレーザを使用することを開示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
このようなシステムでの重要な問題は、レーザ光のＮＳＯＭプローブへの、またＮＳＯＭプローブからの結合を効率よく行うことを確実にすることである。
【００１５】
ＮＳＯＭプローブのチップ（先端）は、ニアフィールドモードの光をプローブチップに結合できるように形成するのが望ましいとともに、光がファーフィールドモードで伝達されないようにすることである。プローブチップは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で結像され、チップ品質がその外観に基づいて評価されるが、この方法は、チップを介して結合される光を直接測定することはない。したがって、ＳＥＭ画像のみを使用してプローブチップを較正することは困難であり、不可能でさえもある。さらに、プローブチップのＳＥＭ画像を得るには、ＮＳＯＭからＮＳＯＭプローブを除去する必要がある。ＳＥＭ結像は、ＮＳＯＭチップに欠陥があるか否かを初期的にＮＳＯＭプローブを遮蔽するのが望ましいが、磨耗および／または損傷があるか否かを判別するため、操作中にプローブチップをモニタするのは実用的ではない。したがって、ＮＳＯＭプローブチップを介して結合される光のパワー、とくに、ニアフィールドモードに結合される光のパワーを測定する手段が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、レーザ加工に使用されるニアフィールド走査光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）プローブのプローブチップから放射される放射をレーザピーク波長で測定する装置を一つの実施例とする。この装置は、ピーク波長を有するレーザ光を発生するレーザ光源と、ＮＳＯＭプローブと、レーザピーク波長をほぼ伝達する材料によって形成した結合サブストレートと、ＮＳＯＭプローブおよび結合サブストレートを制御可能に保持するＮＳＯＭマウントと、ＮＳＯＭコントローラと、ＮＳＯＭマウントに光学的に結合される光検出器とを有する。ＮＳＯＭプローブは、ほぼ円筒形の形状を有している。レーザ光源により発生するレーザ光は、ＮＳＯＭプローブの一方の端部における入力面を介してＮＳＯＭプローブに光学的に結合される。プローブチップは、ＮＳＯＭプローブの他方の端部に位置する。ＮＳＯＭマウントは、ＮＳＯＭプローブまたは結合サブストレートのいずれかに連結したＺ方向運動ステージを有する。ＮＳＯＭプローブモニタは、ＮＳＯＭプローブのプローブチップと結合サブストレートの頂面との間における距離を決定する。ＮＳＯＭコントローラは、ＮＳＯＭプローブモニタおよびＺ方向運動ステージに接続する。このＮＳＯＭコントローラは、Ｚ方向運動ステージに連結したＮＳＯＭプローブまたは結合サブストレートの垂直方向位置を制御する。この垂直方向位置は、ＮＳＯＭプローブモニタによって決定されるＮＳＯＭプローブのプローブチップと結合サブストレートの頂面との間における距離に基づいて制御され、ＮＳＯＭプローブのプローブチップから結合サブストレートに放射が結合される。光検出器は、ＮＳＯＭプローブのプローブチップから結合サブストレートに結合される放射のパワーを測定する。
【００１７】
また、レーザ光源を使用する微細構造ワークピースの表面に造作をレーザ加工するＮＳＯＭを、本発明の他の実施例とします。このＮＳＯＭは、ピーク波長を有するレーザ光を発生するレーザ光源と、ほぼ円筒形の形状を有するＮＳＯＭプローブと、レーザピーク波長をほぼ伝達する材料により形成した結合サブストレートと、結合サブストレートおよび微細構造ワークピースを保持するサブストレートホルダと、ＮＳＯＭプローブおよびサブストレートホルダを制御可能に保持するＮＳＯＭマウントと、ＮＳＯＭマウントに接続したＮＳＯＭプローブモニタと、ＮＳＯＭコントローラと、結合サブストレートに光学的に結合した光検出器とを有する。レーザ光源により発生したレーザ光は、ＮＳＯＭプローブの一方の端部における入力面を介してＮＳＯＭプローブに光学的に結合される。プローブチップは、ＮＳＯＭプローブの反対側の端部に位置する。結合サブストレートは、窓部分を設けた頂面を有する。ＮＳＯＭマウントは、ＸＹ方向運動ステージおよびＺ方向運動ステージを有する。各運動ステージをＮＳＯＭプローブまたはサブストレートホルダに連結する。ＮＳＯＭプローブモニタは、ＮＳＯＭプローブのプローブチップと、結合サブストレートの頂面または微細構造ワークピースの表面のうちの一方との間における距離を決定する。ＮＳＯＭコントローラは、ＮＳＯＭプローブモニタ、ＸＹ方向運動ステージ、およびＺ方向運動ステージに接続する。このＮＳＯＭコントローラは、以下のいずれかの制御を行う。すなわち、1)（ＮＳＯＭ較正中に）ＮＳＯＭプローブモニタによって決定したＮＳＯＭプローブと結合サブストレートの頂面との間における距離に基づいて、ＮＳＯＭプローブのプローブチップから放射が結合サブストレートに結合されるようにＺ保護運動ステージに連結したＮＳＯＭプローブまたはサブストレートホルダのいずれかの垂直方向位置、および、結合サブストレートの頂面における窓部分の位置に基づいて、ＸＹ運動ステージに連結されたＮＳＯＭプローブまたはサブストレートホルダのうちのどちらかの水平方向位置、2)（レーザ加工中に）ＮＳＯＭプローブモニタによって決定されたＮＳＯＭプローブのプローブチップと微細構造ワークピースの表面との間における距離に基づいてＺ方向運動ステージに連結されたＮＳＯＭプローブまたはサブストレートホルダのうちのいずれかの垂直方向位置、および微細構造ワークピースの表面にレーザ加工すべき造作位置位置に基づいて、ＸＹ方向運動ステージに連結されたＮＳＯＭプローブまたはサブストレートホルダのいずれかの水平方向位置。光検出器は、ＮＳＯＭ較正中に、ＮＳＯＭプローブのプローブチップから結合サブストレートに結合される放射のパワーを測定する。
【００１８】
さらに、本発明は、レーザ光源、ＮＳＯＭプローブ、結合サブストレートおよび光検出器を有するＮＳＯＭレーザ加工装置のＮＳＯＭプローブを較正する方法を一つの実施例とする。ＮＳＯＭプローブのプローブチップは、結合サブストレートの頂面の上方に整列させる。プローブチップと結合サブストレートの頂面との間における距離を決定し、この距離は、較正距離にほぼ等しい距離となるように制御する。所定パワーおよびレーザピーク波長を有するレーザ光は、レーザ光源を使用して発生する。ＮＳＯＭレーザ加工装置のＮＳＯＭプローブとレーザ光の一部とのレーザ光は、ＮＳＯＭプローブのプローブチップを経て結合サブストレートに結合される。結合サブストレートに結合されるレーザ光の一部の結合パワーは、光検出器を使用して検出される。ＮＳＯＭプローブへのレーザ光の結合は、結合サブストレートに結合されるレーザ光の一部の結合パワーがほぼ最適化されるまで調整される。
【００１９】
さらに、本発明は、レーザ光源、ＮＳＯＭプローブ、結合サブストレート、および光検出器を有するＮＳＯＭレーザ加工装置を使用して微細構造ワークピースに造作をレーザ加工する方法を一つの実施例とする。微細構造ワークピースは、ＮＳＯＭレーザ加工装置に取り付ける。ＮＳＯＭプローブのプローブチップを結合サブストレートの頂面の上方に整列させる。プローブチップと結合サブストレートの頂面との間における距離を決定し、この距離が較正距離にほぼ等しくなるよう距離を制御する。所定較正パワーおよびレーザピーク波長を有するレーザ光を、レーザ光源を使用して発生する。ＮＳＯＭレーザ加工装置のＮＳＯＭプローブとレーザ光の一部との結合は、ＮＳＯＭプローブのプローブチップから結合サブストレートへの結合とする。結合サブストレートに結合されるレーザ光の部分の結合パワーは、光検出器を使用して検出する。ＮＳＯＭプローブへのレーザ光結合は、結合サブストレートに結合されるレーザ光部分の結合パワーがほぼ最適化されるまで調整する。ＮＳＯＭプローブのプローブチップは、微細構造ワークピースの加工表面の上方に再整列し、レーザ光源は、較正中に検出される結合パワーに基づいて加工パワーを維持するレーザ光を発生するように調整する。プローブチップと加工表面との間における距離を検出し、この距離が加工距離にほぼ等しくなるよう制御する。レーザ光の部分は、ＮＳＯＭプローブのプローブチップを介して微細構造ワークピースの加工表面のプローブチップ位置に対応する放射領域に結合され、放射領域をレーザ加工する。ＮＳＯＭプローブまたは微細構造ワークピースの少なくとも一方は、プローブチップと加工表面との間における距離が加工距離にほぼ等しくなるよう維持しつつ、かつ微細構造ワークピースの加工表面上に造作をレーザ加工し続けながら、プローブチップが造作に対応する加工表面の造作領域にわたり走査する。
【００２０】
本発明は、さらに、レーザ光源を使用して微細構造ワークピースの表面上に造作をレーザ加工するＮＳＯＭ装置を一つの実施例とする。ＮＳＯＭ装置は、ピーク波長を有するレーザ光を発生するレーザ光源と、ほぼ円筒形形状を有するＮＳＯＭプローブと、レーザ光源からＮＳＯＭプローブにレーザ光を光学的に結合する光学系と、ＮＳＯＭプローブおよび微細加工ワークピースを制御可能に保持するＮＳＯＭマウントと、このＮＳＯＭマウントに接続したＮＳＯＭプローブモニタと、ＮＳＯＭプローブモニタ、ＸＹ方向運動ステージおよびＺ方向運動ステージに接続したＮＳＯＭコントローラとを有する。光学系は、有孔光ファイバを有し、レーザ光源により発生したレーザ光は、この有孔光ファイバからＮＳＯＭプローブに、ＮＳＯＭプローブの一方の端部における入力面を介して光学的に結合される。プローブチップは、ＮＳＯＭプローブの他方の端部に位置する。ＮＳＯＭマウントは、ＸＹ方向運動ステージおよびＺ方向運動ステージを有する。各運動ステージは、ＮＳＯＭプローブまたはサブストレートホルダのいずれかに連結する。ＮＳＯＭプローブモニタは、ＮＳＯＭプローブのプローブチップと微細構造ワークピースの表面との間における距離を決定する。ＮＳＯＭコントローラは、ＮＳＯＭプローブモニタによって決定したＮＳＯＭプローブのプローブチップと微細構造ワークピースの表面との間における距離に基づいてＺ方向運動ステージに連結したＮＳＯＭプローブまたは微細構造ワークピースの垂直方向位置を、また微細構造ワークピースの表面上にレーザ加工すべき造作の位置に基づいてＸＹ方向運動ステージに連結したＮＳＯＭプローブまたは微細構造ワークピースの水平方向位置を制御する。
【００２１】
次に、図面につき本発明の好適な実施例を詳細に説明する。しかし、図面の種々の部分は縮尺通りではないことに注意されたい。説明を分かり易くするため、種々の部分の寸法は、任意に拡大したり、縮小したりしている。
【実施例】
【００２２】
図１は、ＮＳＯＭレーザ加工装置の一つの実施例における簡単なブロック図を示し、ＮＳＯＭプローブチップ（プローブ先端）に結合される測定光も示す。この測定光は、好適には、ＮＳＯＭプローブチップから結合サブストレートに集束しつつ結合するニア（近）フィールドモード光を含むものとし、また、ＮＳＯＭプローブチップ（プローブ先端）を経て結合されるファー（遠）フィールドモード光を含むものとすることもできる。
【００２３】
量子セルラー自動機械、結合量子ドット装置、共鳴トンネリング装置、多機能光学アレイ、回折光学素子、ビーム整形装置（シェーパー）、マイクロレンズアレイ、光学的デフューザ、ビームスプリッタ、レーザダイオード修正器、微細ピッチ回折格子、光量子クリスタル、微細電気機械的システム、微細回路、微細表面音響波装置、微細機械的オシレータ、ポリメラーゼ連鎖反応マイクロシステム、有害な化学物質および生物学的物質を検出するバイオチップ、高いスループットの薬剤スクリーニングおよび選択用のマイクロシステム、他の微細構造体の成形型が、本発明ＮＳＯＭレーザ加工装置によって加工される微細構造体の例である。これら微細構造体は、本発明ＮＳＯＭレーザ加工装置の実施例を使用して製造、修理もしくはカスタマイズすることができる。
【００２４】
図示した実施例の本発明ＮＳＯＭレーザ加工装置は、ワークピース１１２にレーザ光のパルスを発生および伝達するため、レーザ光源１００、ＮＳＯＭプローブ１１０（光ファイバ部分１０６を含む）、およびＮＳＯＭプローブホルダ１０８を有し、また、光ビーム１０２を、入力面１０７およびＮＳＯＭプローブ１１０を位置決めする種々のＮＳＯＭコンポーネントを経て光ファイバ１０６に結合するための光学系１０４を有する。図示した実施例の装置は、さらに、頂面に不透明なマスク層１２６を形成した結合サブストレート１２４と、ＮＳＯＭプローブ１１０から結合サブストレート１２４に結合された放射光を測定する光検出器１２８とを設ける。超高速レーザ光源を図１に示す実施例の装置に使用すると好適である。超高速レーザ光源は、長パルスレーザ光源（すなわち、パルス持続時間が１ｎｓより長いレーザ）におけるよりもパワーレベルが相当高いピークを発生する。これら高いピークのパワーは、レーザ光がプローブチップを経てニアフィールドモードおよび／または他のモードに結合される低い効率に打ち勝つのに役立つ。ＮＳＯＭプローブ１１０に一層高いピークパワーを発生することにより、ユーザーは、レーザ光源１００の波長に比べてより小さいＮＳＯＭプローブチップを使用することができる。
【００２５】
自由空間光学系を使用する他のレーザ加工用途において、超高速レーザを使用することは、「METHOD OF PRECISE LASER NANOMACHINING WITH UVULTRAFAST LASER PULSES 」という発明の名称の下にエム・リー(M. Li）氏による２００４年３月４日出願の米国特許出願第１０／７９３，５４３号に記載されたように、レーザ加工される構造部の周囲の熱影響ゾーンを相当減少することが分かっている。熱影響ゾーンを減少することは、レーザ加工構造の品質を劇的に向上させる。同様の利点は、本発明ＮＳＯＭレーザ加工装置の実施例のレーザ光源に超高速レーザを使用することによって得られる。さらに、超高速レーザパルスの増加したピークパワーは、ＮＳＯＭプローブ１１０のプローブチップから加工すべきワークピースに結合されるパワー量も増大することができる。ＮＳＯＭプローブ１１０のプローブチップから結合されるパワー量が増大することによって、レーザ光の各パルスは、微細構造ワークピース１１２のワークピース材料におけるより一層深い位置まで加工することができるようになる。
【００２６】
図１に示す実施例の装置において、レーザ光源１００は、レーザ加工の用途に使用される代表的な固体利得媒体(solid state gain medium）として任意のタイプがあり、例えば、Ｃｒ：ＹＡＧ（ピーク基本波長、λf ＝１５２０ｎｍ）；Ｃｒ：forsterite（λf ＝１５２０〜１２７０ｎｍ）；Ｎｄ：ＹＡＧおよびＮｄ：ＹＶＯ４（λf ＝１０６４ｎｍ）；Ｎｄ：ＧｄＶＯ４（λf ＝１０６３ｎｍ）；Ｎｄ：ＹＬＦ（λf ＝１０４７ｎｍおよび１０５３ｎｍ）；Ｎｄ：ガラス（λf ＝１０４７ｎｍ〜１０８７ｎｍ）；Ｙｂ：ＹＡＧ（λf ＝１０３０ｎｍ）；Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ（λf ＝８２６ｎｍ〜８７６ｎｍ）；Ｔｉ：サファイア（λf ＝７６０ｎｍ〜８２０ｎｍ）；Ｐｒ：ＹＬＦ（λf ＝６１２ｎｍ）；最近使用されているＹｂ：ＫＧＷ（λf ＝８００ｎｍ）がある。これら固体利得媒体は、レルビウムをドープしたファイバレーザおよびダイオードレーザのような標準的光学ポンピング系を使用してポンピングされ、この出力パルスを固体利得媒体に直接結合する、もしくは、固体利得媒体をポンピングするのに使用する前に調和振動を発生させる。固体利得媒体は、レーザオシレータ、シングルパス増幅器、および／またはマルチパス増幅器のうちの一つまたはそれ以上の組み合わせとして動作するよう構成する。この素子は、レーザ光をほぼコリメートする光学系を有するものとすることができる。追加の非固体のシングルもしくはマルチパス増幅器、例えば、ＸｅＣｌ、ＫｒＦ、ＡｒＦ、もしくはＦ2 エクシマー(excimer）増幅器（図示せず）を使用してレーザ光源１００の出力パワーを増大することもできる。
【００２７】
レーザ光源１００は、長パルスのレーザ光を発生することができ、もしくはＣＷを発生することさえできるが、約１ｎｓ以下の持続時間を有するレーザ光パルスを発生するのが好ましい。これらパルスは、約２０ｐｓ以下の持続時間を有するのが好ましく、多くの場合、２００ｆｓ以下の持続時間とする。レーザ光源１００によって発生するレーザ光パルスは、フーリエ変換で限定されるものとすると好適である。
【００２８】
代案として、レーザ光源１００は、励起レーザ系（例えば、ＸｅＣｌ，λf ＝３０８ｎｍ；ＫｒＦ，λf ＝２４８ｎｍ；ＡｒＦ，λf ＝１９３ｎｍ；またはＦ2 ，λf ＝１５７ｎｍ）とするか、もしくは色素(dye）レーザ系（例えば、７‐ジエチルアミノ‐４‐メチルクマリン，λf ＝４３５〜５００ｎｍ；安息香酸、２‐［６‐（エチルアミノ）‐３‐（エチルイミノ）‐２，７‐ジメチル‐３Ｈ‐キサテン‐９‐ｙｌ］‐エチルエステル、モノヒドロクロライド，λf ＝５５５〜６２５ｎｍ；４‐ジシアンメチレン‐２‐メチル‐６‐（ｐ‐ジメチルアミノスチリル）‐４Ｈ‐ピラン，λf ＝５９８〜７１０ｎｍ；もしくは２‐（６‐（４‐ジメチルアミノフェニル）‐２、４‐ネオペンチレン‐１，２，３‐ヘキサトリエニル）‐３‐メチルベンゾチアゾリウム過塩素酸塩，λf ＝７８５〜９００ｎｍ）とする。
【００２９】
レーザ光源１００は、約４００ｎｍ以下のピーク波長を有するのが好ましい。高調波発生結晶をこのコンポーネント内に使用し、レーザ光のピーク波長を減少する。好適には、二重周波数１５０ｆｓのＴｉ：サファイアレーザ（例えば、Clark MXR CPA2000)を、レーザ光源１００として使用する。
【００３０】
レーザ光源１００の出力レーザビーム１０２を、光学系１０４によってＮＳＯＭプローブ１１０の光ファイバ部分１０６に集束させ、この光ファイバ部分は、レーザ光のピーク波長の近傍では低い吸収性を示す導波材料で形成したファイバコアを有するものとすると好適である。光は、入力面１０７を介して光ファイバ部分１０６に結合される。さらに、光学系１０４は、レーザビーム１０２の強度、偏光、および／またはコリメーションを制御する光学的コンポーネントを有するものとする。偏光コントローラを光学系１０４に設け、レーザ光源１００によって発生するレーザ光の偏光を制御する。このレーザ光は、円形の偏光を生ずるものとすると好適である。シャッタおよび／または可変減衰器を光学系１０４に設ける。これらコンポーネントは、ＮＳＯＭの制御回路（図示せず）に接続し、微細構造のワークピース１１２の表面に構造部を加工する間にＮＳＯＭプローブ１１０に結合されるレーザ光の特性を制御する。光学系１０４の種々のコンポーネントは、ＮＳＯＭ１１０から結合サブストレート１２４に結合される放射部分の測定中に調整し、ＮＳＯＭレーザ加工装置の較正する。
【００３１】
光ファイバ部分１０６は、ＮＳＯＭプローブ１１０の一部であり、光ファイバ１０６の切断端部は、ＮＳＯＭプローブ１１０の入力面１０７として機能する。光ファイバ部分１０６を含むＮＳＯＭプローブ１１０は、ＮＳＯＭプローブホルダ１０８に保持する。さらに、光学系１０４は、ＮＳＯＭプローブ１１０とは別個の光ファイバを有するものとすることができる。
【００３２】
他の実施例において、光学系１０４における光ファイバと、ＮＳＯＭプローブ１１０の光ファイバ部分１０６とを整列させ、ＮＳＯＭプローブへのレーザ光パルスの結合損失を少なくする。ＮＳＯＭプローブ１１０の入力面１０７は、光学系１０４の光ファイバにおける切断端部の断面積にほぼ等しい入力領域を有するファイバ切断端部にすると好適である。図示の実施例では、光ファイバ部分１０６の長さを短くし、光の分散もしくは他の好ましくない非線形作用を減少する。光学系１０４における光ファイバは、光の分散および非線形作用の少ない中実ファイバもしくは有孔ファイバとする。しかし、有孔ファイバを使用してＮＳＯＭプローブを形成するのは、中空もしくは多孔性のファイバコアゆえに困難である。光学系１０４には、さらに、ボールレンズのようなコンポーネントを設け、光ファイバ間の光学的結合を生ずるのに役立てることができる。
【００３３】
光学系１０４および光ファイバ部分１０６の一方、もしくは双方には、機械的コンポーネントとの取付部（図示せず）、例えば、線形運動台および回転運動台を設け、入力面１０７に入射するレーザビームの位置、角度および／またはフォーカスのような結合パラメータを調整できるようにすると好適である。これら結合パラメータは、好適には、結合サブストレート１２４に結合される放射パワーを最適化することができるようにする。
【００３４】
ＮＳＯＭプローブ１１０は、ほぼ円筒形の形状に形成する。ＮＳＯＭプローブ１１０の断面形状は、円形もしくは他の楕円形状にするか、代案として、導波に使用する他の形状例えば、方形にすることができ、また長さに沿って寸法および形状を変化させることもできる。例えば、ＮＳＯＭプローブ１１０のほぼ円筒形の形状は、先端（チップ）に向かってテーパを付け、プローブチップを生ずるようにする。さらに、ＮＳＯＭプローブ１１０のほぼ円筒形の形状は、図１に示すように軸線に沿う曲げ部を有するものとすることができる。
【００３５】
図２は、ＮＳＯＭプローブ１１０の実施例における先端部を拡大し、較正中における結合サブストレート１２４、不透明マスク層１２６、および光検出器１２８との好ましい関係を示す。光ファイバ部分１０６を含むＮＳＯＭプローブ１１０の端部は、図２には示さない。ＮＳＯＭプローブ１１０の入力面１０７とは反対側の端部に位置するプローブチップ（先端）２１０を示す。ＮＳＯＭプローブ１１０は、図示のように、光伝達コア２００の一部を有し、さらに、クラッディング層２０２の一部を有する。プローブチップ２１０において、光伝達コア２００およびクラッディング層２０２の材料は、図２に示す実施例のチップ領域ではこれら材料を分離する点線で示すように識別不能である。結合放射部分２０６を生ずるＮＳＯＭプローブチップ２１０は、好適には、レーザ光パルスのピーク波長の２乗値よりも小さい断面積、およびピーク波長よりも短い軸線を有する楕円形状の加工を行うことができる楕円断面形状を有するものとする。
【００３６】
光伝達コア２００は、好適には、入力面１０７からプローブチップ（先端）２１０まで延在させ、入力面１０７において光学系１０４を介してレーザ光源１００と光学的に結合するものとする。ＮＳＯＭプローブ１１０の光伝達コア２００は、レーザ光のピーク波長の近傍では低い吸収性を示す材料で形成する。さらに、クラッディング層２０２は、好適には、入力面１０７からプローブチップ２１０まで延在させ、光伝達コア２００内にレーザ光を閉じ込める補助を行うようにするが、クラッディング層なしで十分な閉じ込めを生ずることができるならば省略することができる。
【００３７】
放射制限コーティング２０４をＮＳＯＭプローブ１１０上に形成し、プローブチップ２１０の近傍からプローブの側面に沿って延在させる。放射制限コーティング２０４によれば、光伝達コア２００内のレーザ光を、プローブチップ２１０の近傍の狭い部分および曲率半径が小さい部分のような特にレーザ光が漏れやすいＮＳＯＭプローブ１１０の断面内に閉じ込めることができる。さらに、放射制限コーティング２０４は、この放射制限コーティングが存在しないことによって、プローブチップ２１０の領域を規定する。ＮＳＯＭプローブが９０゜の曲げ部を有する図示の実施例では、図３に示すように、少なくとも曲げ部の周りに放射制限コーティング２０４を延在させると好適である。放射制限コーティング２０４は、レーザ光のピーク波長の近傍で高い反射性を示し、また曲げ部では低い吸収性を示す。この放射制限コーティングは、少なくとも１種類の金属層および／または誘電層とすることができる。さらに、図３に示すように、放射制限コーティング２０４は、ＮＳＯＭプローブ１１０の位置を光学的にモニタするのに使用する光を反射するものとするのが好ましい。
【００３８】
図２に示すように、結合放射部分２０６は、プローブチップ２１０から、結合サブストレート１２４の頂面の被放射領域２０８まで延在する。結合サブストレート１２４は、レーザ光源１００のピーク波長を有する光を透過する材料で形成した平面状のサブストレートとすると好適である。結合放射部分２０６におけるニアフィールドモードおよび他のモードの光は、被放射領域２０８に結合した後に、結合サブストレート１２４を経て伝達され、したがって、光検出器１２８によって検出される。結合サブストレート１２４は、較正中における結合放射部分２０６の吸収度が低くなるように選択されるが、較正中にはレーザ加工中よりも一層低いレーザパワーを使用し、結合サブストレート１２４の好ましくない加工を防止する。このことは、超高速レーザ光源を使用するときには重要である。
【００３９】
レーザ光源１００のピーク波長に基づいて、ガラス、プラスチック、および上述の誘電体のような種々の光学的材料を結合サブストレート１２４に使用することができる。プローブチップ２１０の好適な小ささ、および結合サブストレート１２４を加工しないという要求に基づいて、結合放射部分２０６の総パワーは、極めて小さいものとするのが代表的である。したがって、結合サブストレートは、光検出器１２８によって検出される信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ）を改善するフィルタとして作用する材料、すなわち、光が選択的に結合放射部分２０６のスペクトル特性を有することができるとともに、異なるピーク波長を有する他の光源に対してはほぼ非透過性を示す材料により形成するのがよい。例えば、ショット・ガラス・テクノロジーズ(Schott Glass Technologies）社から市販されている型番ＢＧ‐３ガラスまたはＵＧ‐１ガラスのようなイオン着色したフィルタガラスを、より長い可視波長および赤外線波長をほぼブロックする紫外線レーザ光源（λ≦４００ｎｍ）を使用するＮＳＯＭレーザ加工装置に適用する。
【００４０】
不透明マスク１２６を使用し、他の光源からの光をほぼ阻止することにより測定すべき光のＳ／Ｎ比を改善することもできる。これら他の光源としては、光ファイバ部分１０６の被覆層および放射制限層２０４におけるギャップから漏れる光、レーザ光源１００と入力面１０７との間で光学系または外部素子によって生ずるビーム１０２の散乱、外光、および図３に示すようなＮＳＯＭのトラッキングビームからの光がある。不透明マスク１２６は、結合サブストレート１２４上に、塗料、エポキシ、フォトレジスト、金属または誘電体コーティングのような容易に堆積させることができる非透過性材料により形成するのが好ましい。代案として、不透明マスク１２６は、結合サブストレート１２４とは個別に形成し、またこの結合サブストレート１２４に結合する。図１，図２および図３に示すように、不透明マスク１２６は、結合サブストレート１２４の窓部分を露出させるピンホールを有する。このピンホールは、プローブチップ２１０とコーティング厚さの２倍の寸法との合計よりも、大きいものとするとよい。より小さい窓部分は、信号をよりよくバッフルするが、窓部分の寸法は、窓を光学的に位置決めすることができるシステムアラインメント用に使用する光学顕微鏡（図示せず）の光学的解像度よりも大きいものとすると好適である。結合サブストレート１２４における３０μｍ2 程度の表面積を有する窓部分を露出させるとよい。３０μｍ2 程度の窓部分を結合サブストレート１２４に使用するとき、背景レベルが信号サイズの０．５％以下となるよう実験上測定されている。
【００４１】
１ｃｍ2 のオーダーの面積をカバーする不透明マスクを有する代表的な寸法の結合サブストレート１２４におけるこのような小さい窓部分を有効に使用するため、図６Ａ〜図６Ｃに示すような、窓位置を割り出すための向き決めマークを設けるのが好ましい。図６Ａは、窓部分６００の位置で、半径ライン６０２が互いに直交する実施例を示す。図６Ｂは窓部分６００に中心を有する種々の直径のリング６０４を同心状に配列した他の実施例である。図６Ｂに示す同心円が好適であるが、同心多角形（例えば、正方形、六角形、三角形等）のような他の同心リングも使用することができる。図６Ｃは、窓部分６００に収斂するスパイラル６０６として形成した第３の実施例の向き決めマークを示す。高倍率顕微鏡の小さい視野の下では、これら実施例の向き決めマークは、較正作業中にミクロンサイズの窓部分を迅速に位置決めするガイドをなす。窓部分の寸法に関して上述したように、これら向き決めマークを形成するのに使用したラインの幅は、システムアラインメントに使用する光学顕微鏡の光学的解像度の範囲内にするのが好適であり、これにより、不透明マスクの表面上で見つけることができる。さらに、容易に結像する十分なコントラストを有するのが好ましい。これら較正用マークは、例えば、けがき、エッチング、堆積、ペインティング、プリンティング等の多くの技術で形成することができる。図６Ａ〜図６Ｃに示す向き決めマークの３つの実施例は、単に例示的なものであり、これに限定されないことに注意されたい。
【００４２】
結合サブストレート１２４に結合される総パワーのうちの僅かな量を検出用に使用するため、光検出器１２８は、極めて感度のよいおよび／または高い利得（ゲイン）を有するものとするのが好適である。例えば、１０6 のレンジの利得を有する高利得フォトマルチプライヤ管もしくはアバランシェフォトダイオードが望ましい。このような検出器は、光学系１０４とＮＳＯＭプローブ１１０との間の結合パラメータとして利得を極めて高く設定して検出を開始し、また低くできる可変利得を有するものとする。さらに、アバランシェフォトダイオードは、フォトン（光子）を計数するのに使用できる極めて高い感度を有し、したがって、極めて低い結合光を感知できる。光検出器１２８の感度および／または高利得は、光検出器を飽和させないように測定する光のＳ／Ｎ比を向上するという要求に駆り立てる。光検出器１２８は、レーザ光源１００のピーク波長の近傍の波長で高い感度を示すよう選択することにより、潜在的な飽和の問題を回避するのに役立つ。
【００４３】
再び図１を参照して説明すると、ＮＳＯＭプローブホルダ１０８は、ＮＳＯＭマウントに取り付け、ＮＳＯＭプローブ１１０を制御可能に保持および位置決めする。ＮＳＯＭマウントは、さらに、ＮＳＯＭプローブ１１０に対する結合サブストレート１２４および微細構造のワークピース１１２を制御可能に保持および位置決めする。このＮＳＯＭマウントは、ヒンジ１２０によりＮＳＯＭベース１１４に連結した頂部支持体１１８を有する。この構成により、ＮＳＯＭプローブ１１０は、結合サブストレート１２４および微細構造ワークピース１１２から離れるよう容易に持ち上げることができ、プローブの点検および／または交換、もしくはワークピースの着脱ができる。微細構造ワークピース１１２上におけるＮＳＯＭプローブ１１０の垂直方向すなわち、Ｚ方向のおおまかな位置決めは、リードねじ（図示せず）またはステップモータ（図示せず）に連結した止めねじ１２２を使用して行うことができる。図１に示すＮＳＯＭマウントの実施例には、さらに、結合サブストレート１２４および微細構造ワークピース１１２を保持するサブストレートホルダを有するワークピース位置決め手段１１６を設ける。ワークピース位置決め手段１１６は、ＮＳＯＭベース１１４に連結する。図１に示す実施例では、ＮＳＯＭプローブ１１０に対する微細構造ワークピース１１２を位置決めするワークピース位置決め手段１１６を設けたが、微細構造ワークピース１１２に対してＮＳＯＭプローブ１１０を位置決めする位置決め手段を追加して設けるか、もしくはワークピース位置決め手段１１６の代わりに使用することができることは当業者には理解できるであろう。
【００４４】
ワークピース位置決め手段１１６は、例えば、コンピュータ制御のマイクロメートル解像度を有するＸＹＺ方向運動ステージ（例えば、ブールライ(Burleigh)社製のミクロン解像度ＸＹＺ方向運動ステージ）を設けることができる。コンピュータ制御のナノメートル解像度を有する圧電式ＸＹ方向運動ステージ（例えば、クイーンズゲート(Queensgate)社製の圧電式ＸＹ方向運動ステージ）を使用することもできる。Ｚ方向の微細な位置決めは、ワークピース位置決め手段１１６に圧電式Ｚ方向運動ステージを使用することにより行うことができる。これらコンピュータ制御のワークピース位置決め手段１１６の運動ステージは、微細構造ワークピース１１２の表面上にレーザ微細加工装置のＮＳＯＭを位置決めするのに使用し、マイクロメートル解像度のＸＹＺ方向運動ステージにより大まかな位置決めを行い、圧電式運動ステージにより精細な位置決めを行う。代案として、ナノメートル解像度の他の精細運動ステージを使用して精細な位置決めを行うこともできる。
【００４５】
本発明によるＮＳＯＭレーザ微細加工装置の実施例においては、ＮＳＯＭ制御装置を設ける。ＮＳＯＭ制御装置の一つの例を図３に示す。このＮＳＯＭ制御装置の実施例は、ＮＳＯＭプローブモニタと、このＮＳＯＭプローブモニタに連結したＮＳＯＭコントローラと、圧電式ＸＹ方向運動ステージと、圧電式Ｚ方向運動ステージとを有する。ＮＳＯＭプローブモニタは、ＮＳＯＭプローブ１１０のプローブチップ２１０と、動作ステップに基づいて結合サブストレート１２４の頂面または微細構造ワークピース１１２の表面との間における距離を決定する。
【００４６】
ＮＳＯＭコントローラ（図示せず）はこの距離情報を使用し、位置決め手段に連結するＺ方向運動ステージに信号を伝送することにより、ＮＳＯＭプローブ１１０の垂直方向位置、または結合サブストレート１２４および微細構造ワークピース１１２の垂直方向位置のいずれか一方（もしくは双方）を制御する。ＮＳＯＭコントローラは、さらに、結合サブストレート１２４または微細構造ワークピース１１２の上方の所望のプローブ位置に基づいてＸＹ方向運動ステージに信号を伝送することにより、ＮＳＯＭプローブ１１０の水平方向位置、または結合サブストレート１２４および微細ワークピース１１２の水平方向位置のいずれか一方を制御する。ＮＳＯＭコントローラには、回路もしくはＡＳＩＣを設け、またＮＳＯＭプローブモニタからの距離情報および微細構造ワークピースの表面に加工すべき造作に関連する入力データに応答して運動ステージを駆動するようプログラムした汎用コンピュータを設ける。
【００４７】
図３には、原子間力測定を行う光学的手段に基づくＮＳＯＭプローブモニタの実施例を示す。この実施例は、９０゜の曲げ部を有するＮＳＯＭプローブを有する。他の実施例においては、真っ直ぐなＮＳＯＭプローブとすることもできる。ＮＳＯＭプローブ１１０のこれら実施例は、単なる例示的なものであり、これに限定されないことに注意されたい。
【００４８】
図３に示すＮＳＯＭプローブモニタの実施例は、ＮＳＯＭプローブホルダ１０８をＮＳＯＭ頂部支持体１１８に連結する片持ちアーム３００を使用する。このＮＳＯＭ頂部支持体１１８はほぼ剛体とし、一方片持ちアーム３００は、微細構造のワークピース１１２の表面にほぼ直交する方向にＮＳＯＭ頂部支持体１１８に対する片持ち量だけ移動自在にする。この較正移動は、片持ちアーム３００の可撓性の結果生ずるものとするか、もしくはプローブチップ２１０と微細構造ワークピース１１２の表面との間の原子間力に応答して片持ちアーム３００とＮＳＯＭ頂部支持体１１８との間の連結部（図示せず）における片持ちアーム３００の回動によって生ずるようにする。代案として、ＮＳＯＭプローブ１１０は、片持ちアーム３００に連結したＮＳＯＭプローブオシレータによって周期的な振動を生ずるようにすることもできる。ＮＳＯＭプローブ１１０のこの周期振動の振幅は、２０ｎｍのレンジの小さいものとすると好適である。ＮＳＯＭプローブ１１０のこの周期振動の周期または振幅の一方または双方は、プローブモニタのための較正運動をもたらす。
【００４９】
図３に示すＮＳＯＭプローブモニタの実施例は、光を放射制限コーティング２０４から直接反射する光学的感知方法を行う。光源３０２を、少なくとも２個の光学的領域３０４を有する光検出器と同様に、ほぼ堅固な頂部支持体１１８に連結する。光源３０２は、ほぼコリメートした光ビーム３０６を発生し、この光ビーム３０６は、放射制限コーティング２０４によって反射し、反射ビーム３０８を形成する。この反射ビーム３０８を光検出器によって検出する。ＮＳＯＭプローブ１１０がプローブチップ２１０と、結合サブストレート１２４または微細構造ワークピース１１２の表面との間の原子間力に応答して上昇または下降するとき、光源３０２からのほぼコリメートした光ビーム３０６と放射制限コーティング２０４とがなす入射角が変動し、片持ちアーム３００が撓んだり、回動したりする。このことにより、反射ビーム３０８が光検出器に入射する位置も変化する。片持ちアームの可撓性によっても、入射ポイントが変化し、これにより、反射ビーム３０８が光検出器に入射する位置も変化する。さらに、原子間力に基づいてＮＳＯＭプローブ１１０の撓みも検出することができる。多重検出器領域３０４によれば、各検出領域で検出する光の量に基づいて光検出器が信号を発生するようにすることができる。ＮＳＯＭコントローラにおける処理手段は、光検出器の信号を受取り、光検出器の各検出領域３０４で検出した光の量に基づいてＮＳＯＭプローブのプローブチップと微細構造ワークピースの表面との間の距離を決定する。処理手段によるこの距離決定は、ＮＳＯＭプローブのプローブチップと、結合サブストレートまたは微細構造ワークピースのうち一方の表面との間における距離が所望の距離よりも長いか短いかを決定しかつ表示し、代案として、較正した距離の読み取りを行うようにすることができる。
【００５０】
図３は、さらに、結合サブストレート１２４に衝突して光検出器１２８よって検出される好ましくない余剰光ビーム３１０を示す。この余剰光ビーム３１０は、ＮＳＯＭプローブ１１０またはＮＳＯＭレーザ加工装置の他のコンポーネントからの散乱および／または伝達の結果生ずる。図３に示すように不透明マスク１２６は、余剰光ビームが光検出器１２８に結合されないように余剰光ビームをブロックする。ほぼコリメートした光ビーム３０６（並びに余剰光ビーム３１０）は、レーザ光源１００からのレーザ光１０２とは異なるピーク波長を有するものとすると好適である。このようにすると、結合サブストレート１２４が不透明マスク１２６によって阻止されない残余の余剰光ビーム３１０の大部分を濾過することができる。例えば、レーザ加工用に３８７ｎｍのレーザ光を使用し、ＮＳＯＭプローブモニタ用に６３２ｎｍの光を使用するＮＳＯＭレーザ加工装置において、ＢＧ‐３型イオン着色フィルタガラスで形成した結合サブストレートは、不透明マスク１２６のピンホールに進入する６３２ｎｍの光は、このピンホールに進入する３８７ｎｍの光に比べると１０5 もの減少を生ずる。
【００５１】
図４は、本発明によるＮＳＯＭレーザ加工装置を較正する方法の実施例を示す。図１のＮＳＯＭレーザ微細加工装置の実施例を使用してこの方法の実施例を実施する。
【００５２】
ＮＳＯＭプローブのプローブチップを結合サブストレートの頂面上に整列させる（ステップ４００）図１、図２および図３につき上述したように、ほぼ不透明なマスク層１２６は、結合サブストレート１２４の頂面上に形成するのが好ましい。このほぼ不透明なマスク層１２６は、結合サブストレートの頂面の窓部分を露出させるピンホールを有する。この実施例において、ＮＳＯＭプローブのプローブチップを、結合サブストレートの頂面における窓部分上に整列させる。
【００５３】
ＮＳＯＭプローブ１１０のプローブチップ２１０と結合サブストレート１２４の頂面との間の距離を決定する（ステップ４０２）。この距離は、図３の実施例につき上述したように、プローブチップ２１０と頂面との間の原子間力を検出することにより決定するのが好ましい。
【００５４】
つぎに、プローブチップ２１０と結合サブストレート１２４の頂面との間の距離を制御し、所要の較正距離にほぼ等しくなるようにする（ステップ４０４）。所要較正距離は、レーザ光のパワー、レーザ光のピーク波長、プローブチップ２１０の寸法、結合サブストレートの光学的および熱的特性を含む多数の要因に基づくものであり、レーザ光源１００によって発生するレーザ光の波長の約半分となるレンジにするのが好ましい。ＮＳＯＭプローブ１１０のプローブチップ２１０と結合サブストレート１２４の頂面との間における距離は、圧電式のまたは他の形式の微細Ｚ方向運動ステージを使用し、ＮＳＯＭプローブまたはサブストレートの垂直方向位置を制御するとよい。運動ステージに加わる駆動電圧量は、ステップ４０２で決定したプローブチップ２１０と結合サブストレート１２４の頂面との間における距離に基づく。プローブチップ２１０と結合サブストレート１２４の頂面との間における距離は、５ｎｍ以下の公差内に制御するのが好ましい。
【００５５】
ＮＳＯＭが、ステップ４０２，４０４でプローブチップを位置決めするとき、レーザ光源１００を使用し、所定パワーおよびピーク波長を有するレーザ光を発生する（ステップ４０６）。高調波発生結晶を使用し、レーザ光源１００により発生する初期レーザ光からより短いピーク波長を有するレーザ光を発生する。さらに、レーザ光源１００に減衰器を設け、レーザ光のパワーを制御して所定パワーのレーザ光を発生する。偏光コントローラを使用し、パルスの偏光がほぼ円形となるように調整する。ＮＳＯＭレーザ加工装置のレーザ光源１００は、超高速レーザのようなパルスレーザとするとよく、レーザピーク波長、所定パルスエネルギ、および所定パルス持続時間を有するレーザ光のパルスを生ずるようにする。このようなパルスレーザ光の所定パルス持続時間は、１ｎｓ以下とすると好適である。
【００５６】
この結果生ずるレーザ光をＮＳＯＭプローブ１１０に結合する（ステップ４０８）。ＮＳＯＭプローブ１１０は、一方の端部にプローブチップ２１０を有するほぼ円筒形の形状とし、他方の端部に入力面１０７を有する。ＮＳＯＭレーザ加工装置は、図１につき上述したように、レーザ光源からのレーザ光をＮＳＯＭプローブの入力面に結合する光学系を設けると好適である。
【００５７】
図２に示すように、プローブチップ２１０と結合サブストレート１２４の頂面との間における距離を、ステップ４０４で所要較正距離にセットした後には、ステップ４０８でレーザ光をＮＳＯＭプローブ１１０に結合し、レーザ光の結合放射部分２０６を、ＮＳＯＭプローブのプローブチップ２１０から伝達し、結合サブストレート１２４の頂面における被放射領域２０８に結合し、この頂面から結合サブストレート１２４内に消失するよう結合される（ステップ４１０）。被放射領域２０８は、プローブチップ２１０の形状および寸法に類似し、プローブチップ２１０の水平方向位置に対応する。図２につき上述したように、プローブチップ２１０は、楕円断面形状を有し、レーザ光パルスのピーク波長の２乗値よりも小さい先端断面積を有するものとすると好適である。つぎに、結合サブストレート１２４に結合されるレーザ光の結合放射部分２０６の結合パワーを、光検出器１２８を使用して検出する（ステップ４１２）。光検出器１２８は、他の光源からシールドするとよい。
【００５８】
光検出器１２８によって検出した結合放射部分２０６の結合パワーを分析し、結合パワーがほぼ最適であるかを判定する（ステップ４１４）。結合パワーがほぼ最適であると判定される場合、ＮＳＯＭレーザ加工装置の較正を完了する（ステップ４１６）。そうでない場合、レーザ光のＮＳＯＭプローブ１１０への結合を調整し（ステップ４１８）、ステップ４１０，４１２，４１４を繰り返してこの調整結果をテストする。ＮＳＯＭプローブへのレーザ光の結合を調整することは、光学系１０４および／またはＮＳＯＭプローブ１１０の入力面１０７の位置を調整し、入力面１０７に入射するレーザ光の角度、位置、偏光度、またはフォーカスを変化させることによって行う。ステップ４１８，４１０，４１２，４１４は、結合サブストレート１２４に結合されるレーザ光の結合放射部分２０６の結合パワーがほぼ最適になるまで、もしくはＮＳＯＭプローブ１１０に欠陥があると判定されるまで繰り返す。
【００５９】
結合パワーを最適化することは、結合サブストレートに結合されるＮＳＯＭプローブからの結合パワーを最大化すること、またはステップ４１０において結合サブストレートに結合されるレーザ光の結合放射部分の結合パワーを所定較正パワーに設定することが含まれる。結合パワーを最大化するため、ステップ４１８，４１０，４１２，４１４を複数回反復し、光学系１０４および／または入力面１０７の位置の最適設定を決定する。所要較正パワー以上の結合パワーを設定するためには、所要パワーレベルに達するまで、もしくは所定回数の設定が失敗に終わるまで、光学系１０４および／または入力面１０７の位置の種々の設定を選択する。
【００６０】
図５には、本発明により較正したＮＳＯＭレーザ加工装置を使用して微細構造ワークピースに微細構造をレーザ加工する方法の実施例を示す。図１のＮＳＯＭレーザ加工装置の実施例を使用し、この方法の実施例を行う。微細構造ワークピース１１２をＮＳＯＭレーザ加工装置に取り付ける（ステップ５００）。つぎに、ＮＳＯＭプローブを較正し（ステップ５０２）、微細構造ワークピースの表面を加工するため、ほぼ最適化した結合パワーを生ずるようにする。ステップ５０２は、図４に示す実施例を使用して行うとよい。
【００６１】
つぎに、ＮＳＯＭプローブ１１０を、微細構造ワークピース上に再整列させ（ステップ５０４）、レーザ光のパワーを加工パワーに調整し（ステップ５０６）、造作のレーザ加工を開始する。加工パワーは、ＮＳＯＭプローブ較正から最適化した結合パワーに基づいて決定する。この所定位置へのＮＳＯＭプローブ較正、およびこの較正中に検出した造作のレーザ加工中に使用する加工パワーに設定した結合パワーを使用することにより、レーザ加工プロセスにわたり、より精細かつより広範囲に制御することができる。
【００６２】
ＮＳＯＭプローブ１１０のプローブチップ２１０と微細構造ワークピース１１２の表面との間における距離を決定する（ステップ５０８）。この距離は、図３の実施例につき上述したように、プローブチップ２１０と表面との間の原子間力を検出することによって決定するのが好ましい。
【００６３】
つぎに、プローブチップ２１０と微細構造ワークピース１１２の表面との間における距離を、所要加工距離にほぼ等しくなるよう制御する（ステップ５１０）。この所要加工距離は、レーザ光パルスのピークパワー、ピーク波長、プローブチップ２１０の寸法、行う加工のタイプを含む多くの要因に基づくが、表面を加工するのに使用する光パルスの波長の約半分のレンジとなるようにするとよい。この加工距離は、ステップ５０２で使用した較正距離と同一になるようにするのが好ましい。ＮＳＯＭプローブ１１０ょプローブチップ２１０と微細構造ワークピース１１２の表面との間における距離は、圧電式または他の形式の精細運動を生ずるＺ方向運動ステージを使用し、ＮＳＯＭプローブまたは微細構造ワークピースのいずれかの垂直方向距離を制限するのが好ましい。運動ステージに加わる駆動電圧量は、ステップ５０８で決定したプローブチップ２１０と微細構造ワークピース１１２の表面との間における距離に基づく。プローブチップ２１０と微細構造ワークピース１１２の表面との間における距離は、５ｎｍ以下の公差内に制御するのが好ましい。
【００６４】
ステップ５１０において、プローブチップ２１０と微細加工ワークピース１１２の表面との間における距離が所要の加工距離に設定された後には、ＮＳＯＭプローブ１１０内に結合されたレーザ光の結合放射間部分は、プローブチップ２１０を経て伝達され、微細構造ワークピース１１２の表面における被放射領域に消失するように結合される（ステップ５１２）。被放射領域は、プローブチップ２１０の形状および寸法に類似し、プローブチップ２１０の水平方向位置に対応する。図２につき上述したように、プローブチップ２１０は、楕円断面形状を有し、レーザ光パルスのピーク波長の２乗値よりも小さい先端断面積を有するものとすると好適である。ステップ５１２における被放射領域のレーザ加工としては、被放射領域における微細構造ワークピースの材料の溶除、被放射領域における微細構造ワークピースの表面上へのレーザ支援化学蒸着、被放射領域にけおる微細構造ワークピース表面上のフォトレジスト露光、被放射領域における微細構造ワークピースの材料の屈折率変化、被放射領域における微細構造ワークピースの材料の格子構造の改変、被放射領域における微細構造ワークピースの材料の化学成分の変質がある。
【００６５】
加工すべき造作の全体を加工したか否かを決定する（ステップ５１４）。すべての造作を加工した場合、造作のレーザ加工を完了し（ステップ５１８）、微細構造ワークピースをＮＳＯＭから取り外す。そうでない場合には、プローブチップ２１０を、造作の一部に対応する微細構造ワークピース１１２の表面上における未加工部分に移動する（ステップ５１６）。このことは、ＮＳＯＭプローブ１１０または微細構造ワークピース１１２のいずれかを移動することによって行う。
【００６６】
この方法の実施例では、ステップ５０８および５１０を経るループに戻り、プローブチップ２１０と表面との間における距離を加工距離にほぼ等しくなるよう維持し、ステップ５１２および５１４を経てプローブチップ２１０の各新しい位置で造作の対応部分をレーザ加工する。このようにして、プローブチップを微細構造ワークピースの表面の造作に対応する全体領域にわたり走査する移動を行う。
【００６７】
レーザ光源１００が、レーザ光を発生するレーザオシレータおよびレーザ光の発生を制御するシッャタを有する場合、プローブチップ２１０は微細構造ワークピース１１２の表面の造作領域を含むより大きな部分にわたり走査する。造作領域にわたりプローブチップ２１０を走査しているときはシッャタを開いて造作をレーザ加工できるようにし、プローブチップを他の表面領域にわたり走査しているときは、シッャタを閉じて微細構造のワークピース１１２の表面の他の走査領域での不所望なレーザ加工を阻止する。
【００６８】
上述したことろは、ＮＳＯＭレーザ加工装置を較正する、並びにニアフィールド放射を使用して微細構造ワークピースをレーザ加工する本発明装置および方法の実施例を説明したに過ぎない。上述した方法の実施例を使用することにより、外気条件の下に、微細加工を大幅に簡素化し、またより精細に行うことができる。このような技術は、微細構造をもたらし、またより一般的な用途にナノテクノロジーをもたらすのに役立つ。特別な実施例につき本発明を説明したが、図示の詳細な部分に限定することを意図するものではない。特許請求の範囲内で、また等価の範囲内で本発明の要旨から逸脱することなく、詳細な部分に関して種々の変更を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明による較正手段を有するＮＳＯＭレーザマイクロマシニング（微細・超精密加工）装置のブロック図である。
【図２】ＮＳＯＭプローブの直径に沿って切断する本発明によるＮＳＯＭプローブおよび較正手段の縦断面図である。
【図３】本発明によるＮＳＯＭプローブ、プローブホルダ、プローブ位置モニタ構成、および較正手段を示す側面図である。
【図４】本発明によるＮＳＯＭレーザ加工装置を較正する方法を示すフローチャートである。
【図５】本発明による微細構造の造作をレーザ加工する方法のフローチャートである。
【図６】（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）は、それぞれ本発明によるＮＳＯＭ較正中の整列調整に使用する向き決めマークを示す平面図である。
【符号の説明】
【００７０】
１００  レーザ光源
１０２  光ビーム
１０４  光学系
１０６  光ファイバ
１０７  入力面
１０８  ＮＳＯＭプローブホルダ
１１０  ＮＳＯＭプローブ
１１２  ワークピース
１１４  ＮＳＯＭベース
１１６  ワークピース位置決め手段
１１８  頂部支持体
１２０  ヒンジ
１２２  止めねじ
１２４  結合サブストレート
１２６  マスク層
１２８  光検出器
２００  光伝達コア
２０２  クラッディング層
２０４  放射制限コーティング
２０６  結合放射部分
２０８  被放射領域
２１０  プローブチップ
３００  片持ちアーム
３０２  光源
３０４  光学的領域
３０６  光ビーム
３０８  反射ビーム
３１０  余剰光ビーム
６００  窓部分
６０２  半径ライン
６０４  リング
６０６  スパイラル
【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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【外国語明細書】
2006105972000001.pdf