(57)【要約】【課題】加工対象物の加工対象面に直線性が高く且つ規則的に配列されたナノメートルオーダーの周期構造を形成するとともに周期構造の周期を制御する。【解決手段】第１の工程において、加工対象面Ｓ１に形成しようとする周期構造１２０の周期ｄの、加工対象物１００の材質に応じた倍数に相当する周期Λで配列された複数の直線状の溝を含む凹凸構造を加工対象面Ｓ１に有する加工対象物を用意する。第２の工程において凹凸構造１１０における複数の溝の伸びる方向に応じた偏光方向の偏光を有するレーザ光によるレーザパルスを凹凸構造１１０が形成された加工対象面Ｓ１に照射して加工対象面Ｓ１に周期構造１２０を形成する。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物の加工対象面にレーザ光を照射して前記加工対象面に前記レーザ光の波長よりも短い周期を有する周期構造を形成する加工方法であって、
複数の直線状の溝を含む凹凸構造を前記加工対象面に有する前記加工対象物を用意する第１の工程と、
前記凹凸構造における複数の溝の伸びる方向に応じた偏光方向の偏光を有するレーザ光による超短パルスのレーザパルスを前記凹凸構造に照射して前記加工対象面に前記周期構造を形成する第２の工程と、
前記加工対象物と同じ材質の物体の表面に超短パルスのレーザパルスを照射した場合に、前記物体の表面に形成される微細構造の周期のうち、出現しやすい周期を導出する第３の工程と、を含み、
前記凹凸構造における前記複数の溝の配列周期を、前記第３の工程において導出した周期の整数倍とする
加工方法。
【請求項２】
前記第１の工程において、互いに異なる方向から照射される同一波長の２つのレーザ光による干渉縞を前記加工対象面に形成することによって前記干渉縞の周期に応じた周期の前記凹凸構造を前記加工対象面に形成する
請求項１に記載の加工方法。
【請求項３】
前記凹凸構造における前記複数の直線状の溝の配列周期が、前記周期構造の周期の、前記加工対象物の材質に応じた倍数に相当する周期となるように、前記２つのレーザ光の波長および前記２つのレーザ光の光軸のなす角の少なくとも一方を調整する
請求項２に記載の加工方法。
【請求項４】
前記２つのレーザ光の波長をλ、前記２つのレーザ光の光軸のなす角をθとしたとき、λ／ｓｉｎθが、前記周期構造の周期の、前記加工対象物の材質に応じた倍数に相当する値となるように、前記２つのレーザ光の波長および光軸のなす角の少なくとも一方を調整する
請求項３に記載の加工方法。
【請求項５】
前記２つのレーザ光のうちの一方が、前記第２の工程において前記加工対象面に照射されるレーザ光と同じレーザ光であり且つ前記第１の工程および前記第２の工程において、前記加工対象面に対して垂直方向から照射される
請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の加工方法。
【請求項６】
前記加工対象面に照射された前記２つのレーザ光が前記加工対象面において散乱することにより生じる散乱光を撮像し、
撮像された前記散乱光に基づいて前記２つのレーザ光の行路の長さを一致させる
請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の加工方法。
【請求項７】
撮像された前記散乱光において観測される干渉縞の明瞭度が最大となるように前記２つのレーザ光の少なくとも一方の行路の長さを調整する
請求項６に記載の加工方法。
【請求項８】
前記第１の工程において前記２つのレーザ光の前記加工対象面における照射位置を順次移動させることにより、前記加工対象面の所定範囲に前記凹凸構造を形成し、
前記第２の工程において前記レーザパルスの前記加工対象面における照射位置を順次移動させることにより、前記加工対象面の前記所定範囲に前記周期構造を形成する
請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の加工方法。
【請求項９】
前記第１の工程において、前記凹凸構造における前記複数の直線状の溝に対応する凹部の幅と、前記凹凸構造における前記凹部以外の凸部の幅とが互いに異なる前記加工対象物を用意する
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の加工方法。
【請求項１０】
前記第２の工程において前記加工対象面に照射される前記レーザパルスの照射回数を調整することにより、前記凹部に対応する部分に形成される周期構造の周期と前記凸部に対応する部分に形成される前記周期構造の周期を調整する
請求項９に記載の加工方法。
【請求項１１】
前記第２の工程において前記加工対象面に照射される前記レーザパルスのエネルギー密度を調整することにより、前記周期構造の周期を調整する
請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の加工方法。
【請求項１２】
加工対象物の加工対象面にレーザ光を照射して前記加工対象面の２方向に前記レーザ光の波長よりも短い周期を有する周期構造を形成する加工方法であって、
前記周期構造の第１の方向における周期の、前記加工対象物の材質に応じた倍数に相当する周期で配列された複数の直線状の溝を含む第１の凹凸構造を前記加工対象面に有する前記加工対象物を用意する第１の工程と、
前記第１の凹凸構造における複数の直線状の溝の伸びる方向に応じた偏光方向の偏光を有するレーザ光による超短パルスの第１のレーザパルスを前記第１の凹凸構造に照射して前記第１の方向に周期性を有する第１の周期構造を前記加工対象面に形成する第２の工程と、
前記第２の工程の後に、前記周期構造の前記第１の方向と交差する第２の方向における周期の、前記加工対象物の材質に応じた倍数に相当する周期で配列され且つ前記第１の凹凸構造における複数の直線状の溝の伸びる方向と交差する方向に伸びる複数の直線状の溝を含む第２の凹凸構造を前記加工対象面に形成する第３の工程と、
前記第２の凹凸構造における複数の直線状の溝の伸びる方向に応じた偏光方向の偏光を有するレーザ光による超短パルスの第２のレーザパルスを前記第２の凹凸構造に照射して前記第２の方向に周期性を有する第２の周期構造を前記加工対象面に形成する第４の工程と、
を含む加工方法。
【請求項１３】
前記第１の工程において、互いに異なる方向から照射される同一波長の２つのレーザ光による第１の干渉縞を前記加工対象面に形成することによって前記第１の干渉縞の周期に応じた周期の前記第１の凹凸構造を前記加工対象面に形成し、
前記第３の工程において、互いに異なる方向から照射される同一波長の２つのレーザ光による第２の干渉縞を前記加工対象面に形成することによって前記第２の干渉縞の周期に応じた周期の前記第２の凹凸構造を前記加工対象面に形成する
請求項１２に記載の加工方法。
【請求項１４】
前記第１の工程および前記第２の工程において前記加工対象面に垂直な軸を回転軸とした場合の前記加工対象面の回転角度位置を第１の位置に固定し、
前記第３の工程および前記第４の工程において前記加工対象面の回転角度位置を前記第１の位置とは異なる第２の位置に固定する
請求項１３に記載の加工方法。
【請求項１５】
前記第１の工程および前記第２の工程において前記加工対象面に垂直な軸を回転軸とした場合の前記２つのレーザ光の光軸の回転角度位置を第１の位置に固定し、
前記第３の工程および前記第４の工程において前記第２つのレーザ光の光軸の回転角度位置を前記第１の位置とは異なる第２の位置に固定する
請求項１３に記載の加工方法。
【請求項１６】
前記第１の工程において互いに異なる方向から照射される同一波長の２つのレーザ光の前記加工対象面における照射位置を順次移動させることにより、前記加工対象面の所定範囲に前記第１の凹凸構造を形成し、
前記第２の工程において前記第１のレーザパルスの前記加工対象面における照射位置を順次移動させることにより、前記加工対象面の前記所定範囲に前記第１の周期構造を形成し、
前記第３の工程において互いに異なる方向から照射される同一波長の２つのレーザ光の前記加工対象面における照射位置を順次移動させることにより、前記加工対象面の所定範囲に前記第２の凹凸構造を形成し、
前記第４の工程において前記第２のレーザパルスの前記加工対象面における照射位置を順次移動させることにより、前記加工対象面の前記所定範囲に前記第２の周期構造を形成する
請求項１３から請求項１５のいずれか１項に記載の加工方法。
【請求項１７】
加工対象物の加工対象面にレーザ光を照射して前記加工対象面に前記レーザ光の波長よりも短い周期を有する周期構造を形成する場合の前記周期構造の周期を示す情報の入力を受け付ける入力手段と、
前記入力手段に入力された情報によって示される前記周期構造の周期の前記加工対象物の材質に応じた倍数に相当する値を導出する導出手段と、
を有する導出装置。
【請求項１８】
加工対象物の加工対象面にレーザ光を照射して前記加工対象面に前記レーザ光の波長よりも短い周期を有する周期構造を形成する場合の前記周期構造の周期を示す情報の入力を受け付ける入力手段と、前記入力手段に入力された情報によって示される前記周期構造の周期の前記加工対象物の材質に応じた倍数に相当する値を導出する導出手段と、有する導出装置と、
超短パルスのレーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光を第１のレーザ光および第２のレーザ光に分割し、前記第１のレーザ光を第１の方向から前記加工対象面に照射するとともに前記第２のレーザ光を前記第１の方向とは異なる第２の方向から前記加工対象面に照射するように構成された光学系と、
前記第１のレーザ光の光軸と前記第２のレーザ光の光軸とのなす角が、前記導出手段によって導出された値に応じた大きさとなるように前記光学系を制御する制御部と、
を含む加工装置。
【請求項１９】
前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光の波長をλ、前記第１のレーザ光の光軸と前記第２のレーザ光の光軸とのなす角をθとしたとき、前記制御部は、λ／ｓｉｎθが前記導出装置によって導出された値に一致するように、前記第１のレーザ光の光軸と前記第２のレーザ光の光軸とのなす角を制御する
請求項１８に記載の加工装置。
【請求項２０】
前記光学系は、前記第１のレーザ光の行路の長さおよび前記第２のレーザ光の行路の長さの少なくとも一方が可変であり、
前記制御部は、前記第１のレーザ光の行路の長さと前記第２のレーザ光の行路の長さとが一致するように前記光学系を制御する
請求項１８または請求項１９に記載の加工装置。
【請求項２１】
前記加工対象面に垂直な軸を回転軸として前記加工対象物を回転させる回転機構を更に含む
請求項１８から請求項２０のいずれか１項に記載の加工装置。
【請求項２２】
前記加工対象面に垂直な軸を回転軸として前記光学系を回転させる回転機構を更に含む
請求項１８から請求項２０のいずれか１項に記載の加工装置。
【請求項２３】
前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光の前記加工対象面における照射位置を移動させる移動機構を更に含む
請求項１８から請求項２２のいずれか１項に記載の加工装置。
【請求項２４】
前記第１のレーザ光のエネルギー密度を調整する第１のエネルギー調整部と、
前記第２のレーザ光のエネルギー密度を調整する第２のエネルギー調整部と、
を更に含む請求項１８から請求項２３のいずれか１項に記載の加工装置。
【請求項２５】
前記加工対象面において前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光が散乱されることにより生じた散乱光を撮像する撮像部を更に含み、
前記制御部は、前記撮像部で撮像された前記散乱光に基づいて前記第１のレーザ光の行路の長さと前記第２のレーザ光の行路の長さを一致させる
請求項２０に記載の加工装置。
【請求項２６】
前記光学系は、前記第１のレーザ光が前記加工対象面に対して垂直方向から照射されるように構成されている
請求項１８から請求項２５のいずれか１項に記載の加工装置。
【請求項２７】
第１の方向および前記第１の方向と交差する第２の方向において周期性を有するナノメートルオーダーの周期構造が表面に形成された加工物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工対象物の加工対象面に超短パルスレーザ光を照射して加工対象面にレーザ光の波長よりも短い周期を有する周期構造を形成するレーザ微細加工技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体表面にフェムト秒レーザパルスを複数回に亘り照射することにより、ナノ周期構造を形成する技術が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、直線偏光で所定波長のフェムト秒レーザを、固体材料表面に照射することにより、その偏光方向と直交する方向に沿って配列された細長い突起部を含む微細構造を形成することを特徴とする微細加工方法が記載されている。
【０００４】
また、例えば、非特許文献１には、加工対象物の加工対象面にレーザ照射によって規則的な凹凸を形成した後、その上から重ねてフェムト秒レーザパルスを照射することで、加工対象面にナノメートルオーダーの周期構造が形成されることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４２６３８６５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】宮崎, 宮地，J. Appl. Phys., vol.114, pp.153108-1-6 (2013)
【非特許文献２】宮崎, 宮地，Appl. Phys. Lett., vol.107, pp.071103-1-5 (2015)
【非特許文献３】宮地, 宮崎, Opt. Express, vol.24, pp.4648-4653 (2016)
【非特許文献４】宮崎, 宮地，Appl. Phys. Lett., vol.91, pp.123102-1-6 (2007)
【非特許文献５】宮地, 宮崎, Opt. Express, vol.16, pp.16265-16271 (2008)
【非特許文献６】宮地, 宮崎, 張, 吉藤, 藤田, Opt. Express, vol.20, pp.14848-14856 (2012)
【非特許文献７】安丸, 宮崎, 木内, Appl. Phys. A, vol.76, pp.983-985 (2003)
【非特許文献８】宮地, 宮崎, Appl. Phys. A, vol.98, pp.927-930 (2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の特許文献１に記載の方法によれば、加工対象物の表面に形成された細長い突起部は、直線性が低く、周期も一定ではない。このようなランダムな微細構造は工業的な用途が限定され、利用価値が高いとはいえない。また、上記の非特許文献１〜７においては、レーザを用いて形成されるナノメートルオーダーの周期構造の周期を制御する方法については開示されていない。
【０００８】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、加工対象物の加工対象面に直線性が高く且つ規則的に配列されたナノメートルオーダーの周期構造を形成するとともに周期構造の周期を制御することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る加工方法は、加工対象物の加工対象面にレーザ光を照射して前記加工対象面に前記レーザ光の波長よりも短い周期を有する周期構造を形成する加工方法であって、複数の直線状の溝を含む凹凸構造を前記加工対象面に有する前記加工対象物を用意する第１の工程と、前記凹凸構造における複数の溝の伸びる方向に応じた偏光方向の偏光を有するレーザ光による超短パルスのレーザパルスを前記凹凸構造に照射して前記加工対象面に前記周期構造を形成する第２の工程と、前記加工対象物と同じ材質の物体の表面に超短パルスのレーザパルスを照射した場合に、前記物体の表面に形成される微細構造の周期のうち、出現しやすい周期を導出する第３の工程と、を含む。前記凹凸構造における前記複数の溝の配列周期を、前記第３の工程において導出した周期の整数倍とする。
【００１０】
本発明に係る他の加工方法は、加工対象物の加工対象面にレーザ光を照射して前記加工対象面の２方向に前記レーザ光の波長よりも短い周期を有する周期構造を形成する加工方法であって、前記周期構造の第１の方向における周期の、前記加工対象物の材質に応じた倍数に相当する周期で配列された複数の直線状の溝を含む第１の凹凸構造を前記加工対象面に有する前記加工対象物を用意する第１の工程と、前記第１の凹凸構造における複数の直線状の溝の伸びる方向に応じた偏光方向の偏光を有するレーザ光による超短パルスの第１のレーザパルスを前記第１の凹凸構造に照射して前記第１の方向に周期性を有する第１の周期構造を前記加工対象面に形成する第２の工程と、前記第２の工程の後に、前記周期構造の前記第１の方向と交差する第２の方向における周期の、前記加工対象物の材質に応じた倍数に相当する周期で配列され且つ前記第１の凹凸構造における複数の直線状の溝の伸びる方向と交差する方向に伸びる複数の直線状の溝を含む第２の凹凸構造を前記加工対象面に形成する第３の工程と、前記第２の凹凸構造における複数の直線状の溝の伸びる方向に応じた偏光方向の偏光を有するレーザ光による超短パルスの第２のレーザパルスを前記第２の凹凸構造に照射して前記第２の方向に周期性を有する第２の周期構造を前記加工対象面に形成する第４の工程と、を含む。
【００１１】
本発明に係る導出装置は、加工対象物の加工対象面にレーザ光を照射して前記加工対象面に前記レーザ光の波長よりも短い周期を有する周期構造を形成する場合の前記周期構造の周期を示す情報の入力を受け付ける入力手段と、前記入力手段に入力された情報によって示される前記周期構造の周期の前記加工対象物の材質に応じた倍数に相当する値を導出する導出手段と、を有する。
【００１２】
本発明に係る加工装置は、加工対象物の加工対象面にレーザ光を照射して前記加工対象面に前記レーザ光の波長よりも短い周期を有する周期構造を形成する場合の前記周期構造の周期を示す情報の入力を受け付ける入力手段と、前記入力手段に入力された情報によって示される前記周期構造の周期の前記加工対象物の材質に応じた倍数に相当する値を導出する導出手段と、を有する導出装置と、超短パルスのレーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光を第１のレーザ光および第２のレーザ光に分割し、前記第１のレーザ光を第１の方向から前記加工対象面に照射するとともに前記第２のレーザ光を前記第１の方向とは異なる第２の方向から前記加工対象面に照射するように構成された光学系と、前記第１のレーザ光の光軸と前記第２のレーザ光の光軸とのなす角が、前記導出手段によって導出された値に応じた大きさとなるように前記光学系を制御する制御部と、を含む。
【００１３】
本発明に係る加工物は、第１の方向および前記第１の方向と交差する第２の方向において周期性を有するナノメートルオーダーの周期構造が表面に形成された加工物である。
【００１４】
ここで、超短パルスのレーザパルスとは数百ピコ秒以下のパルス幅を有するレーザパルスを意味する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、加工対象物の加工対象面に直線性が高く且つ規則的に配列されたナノメートルオーダーの周期構造を形成するとともに周期構造の周期を制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１Ａ】本発明の実施形態に係る加工対象面に凹凸構造を形成する方法の一例を示す図である
【図１Ｂ】本発明の実施形態に係る加工対象面に形成される凹凸構造の一例を示す図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態に係る加工方法を示す図である。
【図２Ｂ】本発明の実施形態に係る加工対象面に形成された周期構造の一例を示す図である。
【図３】図２Ｂにおける３−３線に沿った断面図である
【図４】本発明の実施形態に係る加工装置の構成の一例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る遅延時間調整部の構成の一例を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係るエネルギー調整部の構成の一例を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る集光部の構成の一例を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係る導出装置において実施される処理の一例を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施形態に係る制御部において実施される処理の一例を示すフローチャートである。
【図１０Ａ】窒化ガリウム基板の表面に形成された凹凸構造の電子顕微鏡画像である。
【図１０Ｂ】窒化ガリウム基板の表面に形成された周期構造の電子顕微鏡画像である。
【図１１】本発明の実施形態に係る凹凸構造が形成された加工対象物の断面の電子顕微鏡画像である。
【図１２Ａ】窒化ガリウム基板の表面に形成された凹凸構造の一例を示す図である。
【図１２Ｂ】窒化ガリウム基板の表面に形成された周期構造の一例を示す図である。
【図１２Ｃ】窒化ガリウム基板の表面に形成された周期構造の一例を示す図である。
【図１３Ａ】窒化ガリウム基板の表面に形成された凹凸構造の一例を示す図である。
【図１３Ｂ】窒化ガリウム基板の表面に形成された周期構造の一例を示す図である。
【図１４Ａ】本発明の実施形態に係る加工方法の一例を示す図である。
【図１４Ｂ】本発明の実施形態に係る加工方法の一例を示す図である。
【図１４Ｃ】本発明の実施形態に係る加工方法の一例を示す図である。
【図１４Ｄ】本発明の実施形態に係る加工方法の一例を示す図である。
【図１５】本発明の実施形態に係る加工装置の構成の一例を示す図である。
【図１６】本発明の実施形態に係る導出装置において実施される処理の一例を示すフローチャートである。
【図１７Ａ】本発明の実施形態に係る制御部において実施される処理の一例を示すフローチャートである。
【図１７Ｂ】本発明の実施形態に係る制御部において実施される処理の一例を示すフローチャートである。
【図１８Ａ】窒化ガリウム基板の表面に形成された第１の凹凸構造の電子顕微鏡画像である。
【図１８Ｂ】窒化ガリウム基板の表面に形成された第１の周期構造の電子顕微鏡画像である。
【図１８Ｃ】窒化ガリウム基板の表面に第１の周期構造に重ねて形成された第２の凹凸構造の電子顕微鏡画像である。
【図１８Ｄ】窒化ガリウム基板の表面に第１の周期構造に重ねて形成された第２の周期構造の電子顕微鏡画像である。
【図１９Ａ】窒化ガリウム基板の表面に形成された周期構造におけるＸ方向における空間周波数分布を示すグラフである。
【図１９Ｂ】窒化ガリウム基板の表面に形成された周期構造におけるＹ方向における空間周波数分布を示すグラフである。
【図２０Ａ】加工対象面に円偏光を有するレーザ光によるレーザパルスを照射することによって加工対象面に形成された比較例に係る構造物の電子顕微鏡画像である。
【図２０Ｂ】図２０Ａに示す構造物の動径方向における空間周波数分布を示すグラフである。
【図２１】本発明の実施形態に係る加工装置の構成の一例を示す図である。
【図２２Ａ】物体の平坦な表面に対して超短パルスのレーザパルスを照射した場合に、物体の表面に形成される微細構造の一例を示す図である。
【図２２Ｂ】微細構造の周波数解析結果の一例を示す図である。
【図２２Ｃ】第３の工程において形成される微細構造の周期と、第２の工程において形成される周期構造の周期との関係の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しつつ説明する。なお、各図面において同一または等価な構成要素および部分には同一の参照符号を付与している。
本発明の実施形態に係る加工方法は、加工対象物の加工対象面にレーザ光を照射して加工対象面にレーザ光の波長よりも短いナノメートルオーダーの周期を有する周期構造を形成するものである。
【００１８】
本発明の各実施形態に係る加工方法を用いて加工される加工対象物の材質は、特に限定されるものではなく、例えば、ＣｒＮ、ＴｉＮ、サファイアおよびＳｉＯ２等の誘電体、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＮおよびＳｉＣ等の半導体、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、ＣｕおよびＳＵＳ等の導電体を加工対象物とすることができる。
【００１９】
[第１の実施形態]
本発明の第１の実施形態に係る加工方法は、加工対象物の加工対象面に形成しようとする周期構造の周期ｄの、加工対象物の材質に応じた倍数に相当する周期Λで配列された複数の直線状の溝を含む凹凸構造を加工対象面に形成する第１の工程を含む。すなわち、第１の工程において加工対象面に形成される凹凸構造の周期Λと、加工対象面に形成しようとする周期構造の周期ｄとの間に下記の（１）式が成立する。
Λ＝ｎ・ｄ  ・・・（１）
（１）式においてｎは正の整数である。整数ｎは、加工対象物の材質に応じて定められる。加工対象物が例えばＧａＮである場合、整数ｎは４または５のいずれかであり、従って第１の工程においてＧａＮの表面に周期４ｄまたは５ｄの凹凸構造を形成する。また、加工対象物が例えばＳＵＳである場合、整数ｎは３または４のいずれかであり、従って第１の工程においてＳＵＳの表面に周期３ｄまたは４ｄの凹凸構造を形成する。
【００２０】
図１Ａは、加工対象面に周期Λで配列された複数の直線状の溝を含む凹凸構造を形成する方法の一例を示す図である。図１Ａに示すように、互いに異なる方向から照射される第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスを、加工対象物１００の加工対象面Ｓ１上に時間的、空間的に重ねることで加工対象面Ｓ１に干渉縞を形成する。加工対象面Ｓ１は、ＸＹ平面内に存在しているものとする。第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２は、同一の波長を有し且つお互いの偏光方向は直交してない。第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２は、１つのレーザ光をビームスプリッタを用いて分割した２つのレーザ光であってもよい。加工対象面Ｓ１に２つのレーザによる干渉縞を形成することで、干渉縞の明部と暗部に対応した凹凸構造が加工対象面Ｓ１に形成される。
【００２１】
図１Ｂは、２つのレーザ光を用いて加工対象面Ｓ１に干渉縞を形成することによって加工対象面Ｓ１に形成される凹凸構造１１０の一例を示す図である。第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２が、偏光方向がＸ方向である偏光を有することで、Ｙ方向に沿って直線状に伸びる複数の溝１１１が、Ｘ方向に周期的に配列された凹凸構造１１０が形成される。なお、本実施形態において、溝１１１に相当する凹部の幅と、溝１１１以外の部分に相当する凸部の幅の比率は一例として１：１である。
【００２２】
凹凸構造１１０の周期Λ（すなわち複数の溝１１１の配列周期）は、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２の波長λによって制御することが可能である。また、凹凸構造１１０の周期Λは、第１のレーザ光Ｌ１の光軸と第２のレーザ光Ｌ２の光軸とのなす角θによって制御することが可能である。ここで、Λ、λおよびθの間に下記の（２）式が成立する。
Λ＝λ／ｓｉｎθ  ・・・（２）
従って、第１の工程では、Λ＝ｎ・ｄを満たすように、（２）式に基づいてλおよびθの少なくとも一方を調整する。すなわち、λ／ｓｉｎθが、加工対象面Ｓ１に形成しようとするナノメートルオーダーの周期構造の周期ｄの倍数ｎ・ｄに相当する値となるように、λおよびθの少なくとも一方を調整する。
【００２３】
本実施形態に係る加工方法では、第１の工程において、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２の加工対象面Ｓ１における照射位置を順次移動させることにより、加工対象面Ｓ１の所定範囲に凹凸構造１１０を形成する。なお２つのレーザ光の照射位置の移動は、加工対象物１００をＸＹ方向に移動させることによって行ってもよいし、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２をＸＹ方向に走査することにより行ってもよい。また、エネルギーロスを抑制する観点から第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２のうちの一方が、加工対象面Ｓ１に対して垂直方向から照射されることが好ましい。図１Ａに示す例では、第１のレーザ光Ｌ１が加工対象面Ｓ１に対して垂直方向から照射されている様子が示されている。
【００２４】
加工対象面Ｓ１に干渉縞を形成するためには、第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスと、第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスとが同一時間帯に加工対象面Ｓ１に照射されることが必要である。従って、例えば、各レーザ光のパルス幅が１００フェムト秒程度である場合、第１のレーザ光Ｌ１の行路の長さと、第２のレーザ光Ｌ２の行路の長さとの差が３０μｍ以下であることを要する。第１のレーザ光Ｌ１の行路の長さと、第２のレーザ光Ｌ２の行路の長さとを一致させる方法として、以下の方法が挙げられる。例えば、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２を加工対象面Ｓ１において散乱させ、その散乱光をＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ等の撮像装置で撮像する。そして、撮像された散乱光において観測される干渉縞の明瞭度が最大となるように第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２の少なくとも一方の行路の長さを調整する。第１のレーザ光Ｌ１の行路の長さと、第２のレーザ光Ｌ２の行路の長さとが一致したとき干渉縞の明瞭度が最大となる。なお、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２を加工対象面Ｓ１において散乱させる方法として、加工対象面Ｓ１のレーザ照射位置に、穴または突起等の微細な構造物を形成し、この微細な構造物に第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２を照射する方法が挙げられる。微細な構造物は、例えば、加工対象面Ｓ１に第１のレーザ光Ｌ１または第２のレーザ光Ｌ２を照射することにより形成してもよい。
【００２５】
第１の工程において、加工対象物の加工対象面に周期Λの凹凸構造を形成する他の方法として、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてもよい。周期Λは、マイクロメートルオーダーであることが想定されるので、公知の微細加工技術を用いて加工対象物に周期Λの凹凸構造を形成することは比較的容易である。
【００２６】
本発明の実施形態に係る加工方法は、第１の工程において加工対象面に形成された凹凸構造における複数の溝の伸びる方向に応じた偏光方向（例えば溝の伸びる方向に直交する偏光方向）の偏光を有するレーザ光による超短パルスのレーザパルスを凹凸構造に照射してレーザ光の波長よりも短い周期の周期構造を加工対象面に形成する第２の工程を含む。
【００２７】
図２Ａは、第２の工程において加工対象面Ｓ１にレーザ光Ｌによるレーザパルスを照射している様子を示す図である。第２の工程において加工対象面Ｓ１に照射されるレーザ光Ｌのエネルギー密度は、加工対象物１００の材質に応じて適宜定められるが、例えば、１０ｍＪ／ｃｍ２以上１０００ｍＪ／ｃｍ２以下であることが好ましい。また、第２の工程において加工対象面Ｓ１に照射されるレーザ光Ｌのパルス幅は、加工対象物１００の材質に応じて適宜定められるが、例えば、１０フェムト秒以上１００フェムト秒以下であることが好ましい。また、第２の工程において加工対象面Ｓ１に照射されるレーザ光Ｌのパルス数は、加工対象物１００の材質に応じて適宜定められるが、例えば、１以上１０００以下であることが好ましい。なお、第２の工程において使用されるレーザ光Ｌは、第１の工程において、凹凸構造１１０を形成するために用いた第１のレーザ光Ｌ１または第２のレーザ光Ｌ２と同じであってもよい。この場合、加工対象物１００の材質によっては非特許文献８に記載されているように、レーザ光の入射角度によって非対称な形状を有する微細周期構造 が形成される場合があるため、対称な形状を有する微細周期構造を形成する場合には、レーザ光Ｌは、加工対象面Ｓ１に対して垂直方向から照射されることが好ましい。このように、第１の工程において加工対象面Ｓ１に形成された周期Λ（＝ｎ・ｄ）の凹凸構造１１０に重ねて超短パルスのレーザ光Ｌを照射することで、凹凸構造１１０が微細化され、レーザ光Ｌの波長よりも短いナノメートルオーダーの周期ｄを有する周期構造が加工対象面Ｓ１に形成される。
【００２８】
図２Ｂは、第１の工程において形成された凹凸構造１１０に重ねて偏光方向がＸ方向である超短パルスのレーザパルスを照射することにより、加工対象面Ｓ１に形成された周期構造１２０の一例を示す図、図３は、図２Ｂにおける３−３線に沿った断面図である。第１の工程において形成された凹凸構造１１０に重ねて、凹凸構造１１０における溝の伸びるＹ方向に対して直交するＸ方向に偏光面を有する超短パルスレーザを照射することで、Ｙ方向に沿って直線状に伸びる複数の溝１２１が、Ｘ方向に周期的に配列された周期構造１２０が形成される。周期構造１２０の周期ｄは、第１の工程において形成された凹凸構造１１０の周期Λの１／ｎ倍（ｎは正の整数）である（ｄ＝Λ／ｎ）。すなわち、加工対象面Ｓ１に予め形成した凹凸構造１１０に重ねて超短パルスレーザを照射することで、凹凸構造１１０の周期Λの１／ｎに相当する周期ｄの周期構造１２０が加工対象面Ｓ１に形成される。また、図２Ｂに示すように、周期構造１２０における複数の溝１２１の周期は均一であり且つ各溝１２１は直線性に優れている。また、図３に示すように、溝１２１の幅Ｗと深さＤとの比（Ｄ／Ｗ）であるアスペクト比は６程度であり、高アスペクト比を実現できる。
【００２９】
なお、第１の工程において形成された凹凸構造１１０に重ねて超短パルスレーザを照射することにより均一且つ直線性に優れる周期構造１２０が形成されるのは、超短パルスレーザによって励起されるプラズモンの空間分布が、先に形成された凹凸構造１１０により規制されるためであると考えられる。従って、凹凸構造１１０の周期Λを制御することによって、周期構造１２０の周期ｄを制御できるものと考えられる。
【００３０】
上記のように、（１）式における整数ｎは、加工対象物１００の材質に応じて定められる。加工対象物１００が例えばＧａＮである場合、第１の工程において加工対象面Ｓ１に形成される凹凸構造１１０の周期Λの１／４または１／５に相当する周期ｄの周期構造１２０が第２の工程において加工対象面Ｓ１に形成される。周期構造１２０の周期ｄが凹凸構造１１０の周期Λの１／４になるか１／５になるかは、第２の工程において加工対象面Ｓ１に照射されるレーザ光Ｌのエネルギー密度に依存する。具体的には、エネルギー密度が所定の閾値よりも高い場合に１／４となり、所定の閾値よりも低い場合に１／５となる傾向がある。従って、第１の工程において形成される凹凸構造１１０の周期Λを制御するとともに、第２の工程において加工対象面Ｓ１に照射されるレーザ光Ｌのエネルギー密度を制御することによって、所望の周期ｄを有する周期構造１２０を加工対象面Ｓ１に形成することができる。
【００３１】
本実施形態に係る加工方法では、第２の工程において、レーザ光Ｌの加工対象面Ｓ１における照射位置を順次移動させることにより、加工対象面Ｓ１の所定範囲に周期構造１２０を形成する。なお２つのレーザ光の照射位置の移動は、加工対象物１００をＸＹ方向に移動させることによって行ってもよいし、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２をＸＹ方向に走査することにより行ってもよい。
【００３２】
本実施形態に係る加工方法によれば、第１の工程において、最終的に加工対象面Ｓ１に形成しようとするナノメートルオーダーの周期構造１２０の周期ｄの、加工対象物１００の材質に応じた倍数ｎ・ｄに相当する周期Λで配列された複数の直線状の溝を含む凹凸構造１１０を加工対象面Ｓ１に形成するので、第２の工程において所望の周期ｄ（＝Λ／ｎ）の周期構造１２０を得ることができる。例えば、加工対象物がＧａＮである場合、第１の工程において形成する凹凸構造１１０の周期Λを４ｄまたは５ｄとしておくことで、第２の工程において所望の周期ｄの周期構造１２０を得ることができる。凹凸構造１１０を２つのレーザ光による干渉縞によって形成する場合には、λ／ｓｉｎθが、４ｄまたは５ｄに相当する値となるように、λおよびθの少なくとも一方を調整すればよい。
【００３３】
第１の工程において形成される凹凸構造１１０の周期Λは、例えば、以下のようにして定めることができる。すなわち、本実施形態に係る加工方法は、加工対象物１００と同じ材質の物体の表面に、超短パルスのレーザパルスを照射した場合に当該物体の表面に形成される微細構造の周期のうち、出現しやすい周期を導出する第３の工程を含む。そして、凹凸構造１１０における複数の溝の配列周期Λを、第３の工程において導出した周期の整数倍とする。
【００３４】
第３の工程における微細構造は、凹凸構造が形成されていない平坦な表面に対してレーザパルスを照射することにより形成される。また、第３の工程における微細構造を形成する際に照射されるレーザパルスの照射条件（パルス幅、エネルギー密度及び照射回数）は、第２の工程において周期構造１２０を形成する際に照射されるレーザパルスの照射条件に一致していることが好ましい。物体の平坦な表面に超短パルスのレーザパルスを照射することで、第２の工程において形成される周期構造１２０（図２Ｂ参照）とは異なり、図２２Ａに示すように、物体表面には周期が不均一なナノメートルオーダーの微細構造が形成される。このようにして形成された微細構造を観察し、空間周波数分析を行うことで、微細構造において出現しやすい周期を導出することができる。図２２Ｂは、凹凸構造が形成されていない平坦な表面に対して超短パルスのレーザパルスを照射することにより形成された微細構造の空間周波数分析を行った結果の一例である。図２２Ｂに示される、微細構造の空間周波数分析を行うことによって得られるスペクトルは、当該加工対象物１００における、周期毎の構造のできやすさを示している。図２２Ｃは、第３の工程において形成される微細構造の周期と、第２の工程において形成される周期構造１２０の周期との関係の一例を示す図である。図２２Ｃには、第２の工程において形成される周期構造１２０の周期ｄ（＝Λ／ｎ）を定める整数ｎのうち、最も形成されやすいｎ＝５とする周期ｄ（ｄ＝Λ／５）の周期構造１２０が形成されることが例示されている。このように、第３の工程において、加工対象物１００と同じ材質の物体の表面に超短パルスのレーザパルスを照射した場合に当該物体の表面に形成される微細構造を観察することで、第２の工程において形成される周期構造１２０の周期を予測することができる。従って、第１の工程において形成される凹凸構造１１０における複数の溝の配列周期Λを、第３の工程において導出した周期のｎ倍（ｎは正の整数）とすることで、第２の工程において、周期ｄがΛ／ｎの周期構造１２０を形成することができる。なお。第２の工程においてより均一で直線性のよい周期構造１２０を得るためには、整数ｎは、小さい方が好ましい。
【００３５】
図４は、上記した加工方法を実現する本発明の実施形態に係る加工装置１の構成の一例を示す図である。
【００３６】
レーザ光源１０は、一例として、中心波長が８００ｎｍ程度、パルス幅が数百ピコ秒以下の超短パルスレーザを出力するチタンサファイアレーザシステムであり、レーザ発振器、パルス伸長器、レーザ増幅器およびパルス圧縮器を含んで構成されている。
【００３７】
加工装置１は、レーザ光源１０から出射されたレーザ光Ｌ０を第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２に分割し、第１のレーザ光Ｌ１を垂直方向から加工対象物１００の加工対象面Ｓ１に照射するとともに第２のレーザ光Ｌ２を、加工対象面Ｓ１における第１のレーザ光Ｌ１の照射位置に向けて斜め方向から照射するように構成された光学系を備えている。光学系は、ビームスプリッタ１１、遅延時間調整部２０、エネルギー調整部３１、３２および集光部４１、４２を含んで構成されている。
【００３８】
ビームスプリッタ１１は、レーザ光源１０から出射されたレーザ光Ｌ０を第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２に分割し、それぞれ互いに異なる方向に出射する。
【００３９】
遅延時間調整部２０は、第２のレーザ光Ｌ２の行路内に配置されている。遅延時間調整部２０は、第２のレーザ光Ｌ２が加工対象面Ｓ１に到達するまでの行路の長さを変化させることにより、第２のレーザ光Ｌ２が加工対象面Ｓ１に到達するタイミングを変化させる機能を有する。
【００４０】
図５は、遅延時間調整部２０の構成の一例を示す図である。遅延時間調整部２０は、反射ミラー２０１、２０２および２０３と、反射ミラー２０２および２０３が載置された移動ステージ２０４と、を含んで構成されている。遅延時間調整部２０に入射した第２のレーザ光Ｌ２は、反射ミラー２０１、２０２および２０３の反射面で順次反射され、反射ミラー２０３で反射された第２のレーザ光Ｌ２が次段のエネルギー調整部３２に入射するように構成されている。移動ステージ２０４が、Ｐ方向に移動することで、第２のレーザ光Ｌ２の行路の長さが変化する。移動ステージ２０４の移動は、後述する制御部６０によって制御される。第２のレーザ光Ｌ２の行路の長さは、制御部６０によって第１のレーザ光Ｌ１の行路の長さと一致するように制御される。
【００４１】
エネルギー調整部３１は、第１のレーザ光Ｌ１のエネルギー密度を調整する機能を有する。同様に、エネルギー調整部３２は、第２のレーザ光Ｌ２のエネルギー密度を調整する機能を有する。図６は、エネルギー調整部３１および３２の構成の一例を示す図である。エネルギー調整部３１および３２は、互いに同じ構成を有し、それぞれ、半波長板３０１と、偏光子３０２と、入射するレーザ光の光軸を回転軸として半波長板３０１を回転駆動する駆動機構（図示せず）を含んで構成されている。半波長板３０１は、その回転角度位置が変化することにより、入射した第１のレーザ光Ｌ１または第２のレーザ光Ｌ２の偏光方向を変化させる。半波長板３０１の回転角度位置は、制御部６０によって制御される。偏光子３０２は、半波長板３０１から出射された偏光のうち、特定方向の成分のみを透過させる。従って、半波長板３０１の回転角度位置に応じて、半波長板３０１から出射される偏光のＸ方向成分の強度が変化する。すなわち、エネルギー調整部３１、３２において、半波長板３０１の回転角度位置を制御することで、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２のエネルギー密度を調整することができる。
【００４２】
集光部４１は、エネルギー調整部３１によってエネルギー密度が調整された第１のレーザ光Ｌ１を加工対象面Ｓ１に集光するためのレンズ（図示せず）を含んで構成されている。集光部４１は、第１のレーザ光Ｌ１を加工対象面Ｓ１に対して垂直方向から照射する。
【００４３】
一方、集光部４２は、エネルギー調整部３２によってエネルギー密度が調整された第２のレーザ光Ｌ２を、加工対象面Ｓ１に対して斜め方向から照射する。図７は、集光部４２の構成の一例を示す図である。集光部４２は、反射ミラー４０１、４０３、反射ミラー４０３が載置された移動ステージ４０４、集光レンズ４０６およびシャッター４０７を含んで構成されている。集光部４２に入射した第２のレーザ光Ｌ２は、反射ミラー４０１および４０３の反射面で順次反射され、集光レンズ４０６を介して加工対象面Ｓ１に照射される。反射ミラー４０１は、回転軸４０２を中心として回転することで、その反射面の向きを変化させることが可能である。また、集光レンズ４０６は、加工対象面Ｓ１に第１のレーザ光Ｌ１が入射する点と一致した回転軸４０８を中心として回転することで、集光レンズ４０６の位置を第２のレーザ光Ｌ２の行路に整合させることが可能である。移動ステージ４０４が、Ｑ方向に移動するとともに反射ミラー４０１の反射面の向きおよび集光レンズ４０６の位置が変化することで、第２のレーザ光Ｌ２の加工対象面Ｓ１に対する照射角度が変化する。シャッター４０７は開状態となることで第２のレーザ光Ｌ２が加工対象面Ｓ１に照射され、閉状態となることで第２のレーザ光Ｌ２が遮断される。反射ミラー４０１の反射面の向き、移動ステージ４０４および集光レンズ４０６の移動およびシャッター４０７の開閉は、制御部６０によって制御される。
【００４４】
加工装置１は、加工対象物１００を支持する支持軸８１を備えた支持部８０を有している。支持軸８１は、ＸＹ面内に延在する加工対象面Ｓ１をＸＹ方向において移動させることが可能である。加工対象面Ｓ１がＸＹ方向に移動することで、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２の加工対象面Ｓ１における照射位置を移動させることが可能である。支持軸８１による加工対象面Ｓ１の移動は、制御部６０によって制御される。
【００４５】
加工装置１は、第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスの照射タイミングを第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスの照射タイミングに一致させるための手段として、照明用光源５０、顕微装置５１および撮像・解析装置５２を備えている。
【００４６】
照明用光源５０は、加工対象面Ｓ１における第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２の照射位置を照明する照明光を出射する光源である。照明用光源５０から出射される照明光の波長は特に限定されず、照明用光源５０として、例えば、ハロゲンランプ、ＬＥＤおよび半導体レーザ等を用いることが可能である。
【００４７】
顕微装置５１は、加工対象面Ｓ１を顕微観察するための複数のレンズを含んで構成されている。顕微装置５１による観察領域のサイズは、加工対象面Ｓ１における第１のレーザ光Ｌ１のスポットサイズと同程度（数百μｍ程度）である。加工対象面Ｓ１において散乱された第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２の散乱光による像は、照明用光源５０によって照明されるとともに顕微装置５１によって拡大され、撮像・解析装置５２に導入される。
【００４８】
撮像・解析装置５２は、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２の散乱光による像を撮像するＣＣＤカメラ等の撮像装置と、撮像装置によって撮像された画像を解析する画像解析装置と、を含んで構成されている。画像解析装置は、例えば、画像解析プログラムがインストールされたコンピュータによって構成され得る。撮像・解析装置５２は、加工対象面Ｓ１に形成される第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２による干渉縞を撮像し、干渉縞の明瞭度を示す情報を生成する。撮像・解析装置５２によって生成された干渉縞の明瞭度を示す情報は、制御部６０に供給される。制御部６０は、撮像・解析装置５２から供給された情報によって示される干渉縞の明瞭度が最大となるように、遅延時間調整部２０によって第２のレーザ光Ｌ２の行路の長さを調整することで、第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスの照射タイミングを第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスの照射タイミングに一致させる。
【００４９】
加工装置１は、導出装置７０を備えている。導出装置７０は、加工対象面Ｓ１に形成すべき周期構造１２０（図２Ｂ参照）の周期ｄおよび加工対象物１００の材質を示す情報の入力を受け付ける入力手段と、受け付けた入力情報に基づいて加工条件を導出する導出手段と、を含んで構成されている。導出手段は、加工条件の１つとして、入力情報によって示される周期ｄの、加工対象物１００の材質に応じた倍数ｎ・ｄに相当する値を導出する。なお、ｎは正の整数である。また、導出手段は、入力情報に基づいて、第１の工程において加工対象面Ｓ１に照射される第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザＬ２のエネルギー密度Ｆ１、第２の工程において加工対象面Ｓ１に照射される第１のレーザ光Ｌ１のエネルギー密度Ｆ２およびパルス数Ｎ２を導出する。
【００５０】
導出装置７０は、例えば、加工対象物１００の材質および加工対象面Ｓ１に形成すべき周期構造１２０の周期ｄと、倍率ｎ、エネルギー密度Ｆ１、Ｆ２およびパルス数Ｎ２とを対応付けたテーブルを有し、このテーブルを参照することで、入力情報によって示される加工対象物１００の材質および加工対象面Ｓ１に形成すべき周期構造１２０の周期ｄに対応する倍率ｎ、エネルギー密度Ｆ１、Ｆ２およびパルス数Ｎ２を抽出する。上記のテーブルは、例えば、実験結果に基づいて作成することが可能である。導出装置７０は、抽出した倍率ｎと入力情報によって示される周期ｄとの積を、倍数ｎ・ｄとして出力する。また、導出装置７０は、抽出したエネルギー密度Ｆ１、Ｆ２およびパルス数Ｎ２を出力する。導出装置７０によって導出された倍数ｎ・ｄ、エネルギー密度Ｆ１、Ｆ２およびパルス数Ｎ２は、制御部６０に供給される。導出装置７０によって導出された倍数ｎ・ｄは、制御部６０において周期構造１２０の形成に先立って加工対象面Ｓ１に形成される凹凸構造１１０（図１Ａ参照）の周期Λとして扱われる。
【００５１】
導出装置７０は、例えば、倍数ｎ・ｄ、エネルギー密度Ｆ１、Ｆ２およびパルス数Ｎ２を導出するための処理を記述した導出プログラムがインストールされたコンピュータによって構成され、導出プログラムを実行するプロセッサと、加工対象物１００の材質および加工対象面Ｓ１に形成すべき周期構造１２０の周期ｄと、倍率ｎ、エネルギー密度Ｆ１、Ｆ２およびパルス数Ｎ２とを対応付けたテーブルを記憶したメモリと、入力情報を受け付ける入力手段としてのキーボード、タッチパネルまたはその他の入力装置と、を含んで構成されている。
【００５２】
制御部６０は、導出装置７０から供給される倍数ｎ・ｄ（＝Λ）および撮像・解析装置５２から供給される干渉縞の明瞭度を示す情報に基づいて、遅延時間調整部２０、エネルギー調整部３１、３２、集光部４２を制御する。制御部６０は、例えば、制御プログラムがインストールされたコンピュータによって構成され、制御プログラムを実行するプロセッサやメモリ等を含んで構成されている。なお、制御部６０と導出装置７０とは同一のコンピュータで構成されていてもよい。
【００５３】
以下に、加工装置１の動作について説明する。はじめに、導出装置７０の動作について説明する。図８は、導出装置７０において実施される処理の一例を示すフローチャートである。
【００５４】
ステップＡ１において導出装置７０は、加工対象面Ｓ１に形成すべき周期構造１２０の周期ｄおよび加工対象物１００の材質を示す情報の入力を受け付ける。
【００５５】
ステップＡ２において導出装置７０は、上記のテーブルを参照することで、入力情報によって示される加工対象物１００の材質および加工対象面Ｓ１に形成すべき周期構造１２０の周期ｄに対応する、倍率ｎ、エネルギー密度Ｆ１、Ｆ２およびパルス数Ｎ２を抽出する。
【００５６】
ステップＡ３において導出装置７０は、抽出した倍率ｎと入力された周期ｄとの積を、倍数ｎ・ｄとして出力する。
【００５７】
ステップＳ４において導出装置７０は、抽出したエネルギー密度Ｆ１、Ｆ２およびパルス数Ｎ２を加工条件として出力する。
【００５８】
次に、制御部６０の動作について説明する。図９は、制御部６０において実施される処理の一例を示すフローチャートである。
【００５９】
制御部６０は、導出装置７０によって導出された倍数ｎ・ｄを、凹凸構造１１０の周期Λとして扱う。
【００６０】
ステップＡ１１において制御部６０は、導出装置７０によって導出された倍数ｎ・ｄと、λ／ｓｉｎθとが等しくなるθを導出する。λは第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２の波長であり、θは第１のレーザ光Ｌ１の光軸と第２のレーザ光Ｌ２の光軸とのなす角である。ここでは、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２の波長λは、既知の固定値であるものとする。
【００６１】
ステップＡ１２において制御部６０は、第１のレーザ光Ｌ１の光軸と第２のレーザ光Ｌ２の光軸とのなす角が、ステップＡ１１において導出されたθとなるように集光部４２における反射ミラー４０１の反射面の向きおよび移動ステージ４０４および集光レンズ４０６（図７参照）の移動を制御する。
【００６２】
ステップＡ１３において制御部６０は、第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスの照射タイミングと第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスの照射タイミングとが一致するように、遅延時間調整部２０における移動ステージ２０４（図５参照）の位置決めを行う。すなわち、制御部６０は、第１のレーザ光Ｌ１の行路の長さと、第２のレーザ光Ｌ２の行路の長さを一致させる。制御部６０は、撮像・解析装置５２によって生成される情報に基づいて遅延時間調整部２０を制御する。以下に、第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスの照射タイミングと第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスの照射タイミングとを一致させるための処理の詳細について説明する。
【００６３】
はじめに、第１のレーザ光Ｌ１のみを加工対象面Ｓ１に照射して、加工対象面Ｓ１に微細な穴を形成する。微細な穴の形成位置は、周期構造１２０を形成する領域の外側であることが好ましい。第２のレーザ光Ｌ２は、集光部４２におけるシャッター４０７が閉状態となることで遮断される。
【００６４】
次に、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２のエネルギー密度を、加工対象面Ｓ１においてアブレーションが生じない程度の大きさに調整した後、第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスおよび第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスを加工対象面Ｓ１に照射する。第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２は、加工対象面Ｓ１に形成された微細な穴によって散乱され、その散乱光は顕微装置５１を経由して撮像・解析装置５２に導入される。
【００６５】
次に、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２の散乱光の強度が等しくなるように、エネルギー調整部３１、３２を制御する。
【００６６】
次に、第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスおよび第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスを加工対象面Ｓ１に照射しながら、遅延時間調整部２０における移動ステージ２０４の位置を徐々に変化させることで第２のレーザ光Ｌ２の行路の長さを徐々に変化させる。第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスおよび第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスが加工対象面Ｓ１において時間的に重なると、撮像・解析装置５２において撮像される散乱光の像において干渉縞が現れる。撮像・解析装置５２は、撮像された干渉縞の明瞭度を示す情報を生成し、これを制御部６０に供給する。なお、干渉縞は一定の空間周波数を有していることから、撮像・解析装置５２は撮像した画像に対してフーリエ変換等の画像処理を施し、特定の空間周波数成分の強度を干渉縞の明瞭度を示す情報として導出してもよい。
【００６７】
制御部６０は、撮像・解析装置５２から供給された情報によって示される干渉縞の明瞭度が最大となる位置において移動ステージ２０４を停止させる。以上の処理によって、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスが加工対象面Ｓ１上に時間的に重なることが保証される。
【００６８】
ステップＡ１４において制御部６０は、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２のエネルギー密度Ｆ１が、導出装置７０によって導出されたエネルギー密度Ｆ１となるようにエネルギー調整部３１、３２を制御する。
【００６９】
ステップＡ１５において制御部６０は、レーザ光源１０を駆動する。これにより、レーザ光源１０からレーザ光Ｌ０によるレーザパルスが出力される。本ステップにおいてレーザ光源１０から出力されるレーザパルスのパルス数Ｎ１は１である。レーザ光Ｌ０によるレーザパルスは、ビームスプリッタ１１によって第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２に分割される。第１のレーザ光Ｌ１は、エネルギー調整部３１および集光部４１を経由して加工対象面Ｓ１に対して垂直方向から照射される。一方、第２のレーザ光Ｌ２は、遅延時間調整部２０、エネルギー調整部３２および集光部４２を経由して加工対象面Ｓ１に対して斜め方向から照射される。第２のレーザ光Ｌ２は、第１のレーザ光Ｌ１の光軸と第２のレーザ光Ｌ２の光軸とのなす角が、ステップＡ１１において導出されたθとなり、加工対象面Ｓ１における第１のレーザ光Ｌ１の照射位置と同じ位置に照射される。また、第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスと第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスが加工対象面Ｓ１上にほぼ同じタイミングで照射される。
【００７０】
互いに異なる方向から照射される第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスおよび第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスが、加工対象物１００の加工対象面Ｓ１上に時間的、空間的に重なることで、加工対象面Ｓ１に干渉縞が形成される。加工対象面Ｓ１に２つのレーザによる干渉縞を形成することで、干渉縞の明部と暗部に対応した凹凸構造１１０が加工対象面Ｓ１に形成される。第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２の光軸が存在する面と垂直なＹ方向に沿って直線状に伸びる複数の溝１１１が、Ｘ方向に周期的に配列された凹凸構造１１０が形成される（図１Ｂ参照）。第１のレーザ光Ｌ１の光軸と第２のレーザ光Ｌ２の光軸とのなす角が、ステップＡ１１において導出されたθとされることで、凹凸構造１１０の周期Λは、導出装置７０によって導出された倍数ｎ・ｄに一致する。
【００７１】
ステップＡ１６において制御部６０は、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスの加工対象面Ｓ１における所定範囲に亘る照射が完了したか否かを判定し、完了していないと判定した場合には処理をステップＡ１６に移行し、完了したと判定した場合には処理をステップＡ１７に移行する。
【００７２】
ステップＡ１７において制御部６０は、ＸＹ方向に支持部８０の支持軸８１を移動させることで、加工対象面Ｓ１をＸＹ方向に移動させ、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスの照射位置を移動させ、処理をステップＡ１５に戻す。これにより、加工対象面Ｓ１の新たな位置に凹凸構造１１０が形成される。
【００７３】
ステップＡ１８において制御部６０は、加工対象物１００を初期位置に戻し、集光部４２におけるシャッター４０７を閉状態とし、第１のレーザ光Ｌ１のエネルギー密度Ｆ２が導出装置７０によって導出されたエネルギー密度Ｆ２となるようにエネルギー調整部３１を制御する。
【００７４】
ステップＡ１９において、制御部６０は、レーザ光源１０を駆動してレーザ光源１０からレーザパルスを出射させる。本ステップにおいてレーザ光源１０から出力されるレーザパルスのパルス数Ｎ２は、導出装置７０によって導出されたパルス数Ｎ２に設定される。レーザ光Ｌ０によるレーザパルスは、ビームスプリッタ１１によって第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２に分割される。第１のレーザ光Ｌ１は、エネルギー調整部３１および集光部４１を経由して加工対象面Ｓ１に対して垂直方向から照射される。一方、第２のレーザ光Ｌ２は、シャッター４０７によって遮断され、加工対象面Ｓ１に照射されない。
【００７５】
加工対象面Ｓ１に形成された周期Λ（＝ｎ・ｄ）の凹凸構造１１０に重ねて第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスを照射することで、凹凸構造１１０が微細化され、第１のレーザ光Ｌ１の波長よりも短いナノメートルオーダーの周期ｄを有する周期構造１２０が加工対象面Ｓ１に形成される。すなわち、加工対象面Ｓ１に形成された凹凸構造１１０の周期Λに応じて定まる周期ｄ（＝Λ／ｎ）の周期構造１２０が加工対象面Ｓ１に形成される。
【００７６】
ステップＡ２０において制御部６０は、第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスの加工対象面Ｓ１における所定範囲に亘る照射が完了したか否かを判定し、完了していないと判定した場合には処理をステップＡ２１に移行し、完了したと判定した場合には処理を終了させる。
【００７７】
ステップＡ２１において制御部６０は、ＸＹ方向に支持部８０の支持軸８１を移動させることで、加工対象面Ｓ１をＸＹ方向に移動させ、処理をステップＡ１７に戻す。これにより、加工対象面Ｓ１の新たな位置に周期構造１２０が形成される。
【００７８】
なお、上記の実施形態では、第１の工程においてレーザ加工またはフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて加工対象面Ｓ１に凹凸構造１１０を形成する場合を例示したが、本発明は、この態様に限定されない。すなわち、第１の工程は、加工対象物に形成しようとする周期構造の周期の、加工対象物の材質に応じた倍数に相当する周期で配列された複数の直線状の溝を含む凹凸構造を加工対象面に有する加工対象物を用意できればよい。例えば、表面に凹凸構造が形成された加工対象物を購入するなどして取得してもよい。
【００７９】
［実施例１］
以下、実施例により本発明の第１の実施形態を詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されない。加工対象物として窒化ガリウム（ＧａＮ）基板を用いた。レーザ光源として、中心波長８００ｎｍ、パルス幅１００フェムト秒の直線偏光を出射するチタンサファイアレーザシステムを用いた。
【００８０】
第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２のエネルギー密度Ｆ１をそれぞれ、４００ｍＪ／ｃｍ２に設定した。窒化ガリウム基板の表面に周期ｄが２５０ｎｍの周期構造を形成するべく（１）式および（２）式から２つのレーザ光の光軸のなす角θを５３°に設定した。なお、（１）式における整数ｎの値は４である。
【００８１】
第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスと第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスとが時間的、空間的に重なるように各レーザ光を窒化ガリウム基板の表面に照射した。照射したレーザパルスのパルス数Ｎ１を１とした。これにより、窒化ガリウム基板の表面に干渉縞が形成され、窒化ガリウム基板の干渉縞の明部に対応する部分においてアブレーションが生じ、周期的に配列された複数の溝を含む凹凸構造が形成された。図１０Ａは、窒化ガリウム基板の表面に形成された凹凸構造の電子顕微鏡画像である。凹凸構造の周期Λは、１μｍ程度であった。
【００８２】
続いて、第１のレーザ光Ｌ１のエネルギー密度Ｆ２を４４０ｍＪ／ｃｍ２に設定した。その後、第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスを窒化ガリウム基板の表面に形成された凹凸構造に重ねて照射した。第１のレーザ光Ｌ１の偏光方向は、窒化ガリウム基板の表面に形成された凹凸構造における溝の伸びる方向と直交する方向とし、照射したレーザパルスのパルス数Ｎ２を４０回とした。これにより、窒化ガリウム基板の表面に形成された凹凸構造が微細化され、第１のレーザ光Ｌ１の波長よりも短いナノメートルオーダーの周期を有する周期構造が加工対象面Ｓ１に形成された。図１０Ｂは、窒化ガリウム基板の表面に形成された周期構造の電子顕微鏡画像である。周期構造の周期ｄは、先に形成された凹凸構造の周期Λの１／４倍に相当する周期２５０ｎｍであった。
【００８３】
以上のように、本発明の第１の実施形態に係る加工方法および加工装置１によれば、加工対象物の加工対象面に直線性が高く且つ規則的に配列されたナノメートルオーダーの周期構造を形成するとともに周期構造の周期を制御することが可能である。
【００８４】
本発明の第１の実施形態に係る加工方法は、例えば、液晶ディスプレイの位相差板の製造に用いられる円筒金型の作製に好適に用いることができる。本発明の第１の実施形態に係る加工方法によれば、高アスペクト比であり、直線性が良好であり且つ周期が均一な周期構造を加工対象面に形成することができるので、位相差板製造用の円筒金型の作製に適用することで、位相差板の高性能化に寄与することができる。
【００８５】
また、本発明の第１の実施形態に係る加工方法は、液晶ディスプレイのワイヤーグリッド偏光子の製造に用いられる金型の作製やナノインプリント用の金型の作製にも好適に用いることができる。
【００８６】
［第２の実施形態］
図１１は、加工対象面Ｓ１に周期Λの凹凸構造１１０が形成された加工対象物１００の断面図である。本発明の第２の実施形態に係る加工方法は、凹凸構造１１０における溝に相当する凹部の幅ａ、溝以外の部分に相当する凸部の幅ｂ、凹凸構造１１０に重ねて照射される第１のレーザ光Ｌ１のエネルギー密度Ｆ２および照射回数（パルス数Ｎ２）によって、凹凸構造１１０における凹部に対応する部分に形成される周期構造の周期ｄａと、凹凸構造１１０における凸部に対応する部分に形成される周期構造の周期ｄｂとを異ならせる、というものである。それ以外の事項は、上記した第１の実施形態に係る加工方法と同じであり、重複する説明は省略する。
【００８７】
図１２Ａは、窒化ガリウム基板の表面に形成された凹凸構造１１０の一例を示す図である。図１２Ａに示す凹凸構造１１０において、凹部の幅ａは５３４ｎｍであり、凸部の幅ｂは４０６ｎｍである。すなわち、凹凸構造１１０の周期Λ（＝ａ＋ｂ）は９４０ｎｍである。
【００８８】
図１２Ｂは、図１２Ａに示す凹凸構造１１０に重ねてエネルギー密度Ｆ２が４００ｍＪ／ｃｍ２に調整された第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスを２０回照射した場合に（パルス数Ｎ２＝２０）、窒化ガリウム基板の表面に形成された周期構造１２０の一例を示す図である。上記の条件で、第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスを照射することで、凹凸構造１１０の凹部（溝）に対応する部分に周期ｄａが１７８ｎｍの周期構造が形成され、凹凸構造１１０の凸部に対応する部分に周期ｄｂが２０３ｎｍの周期構造が形成された。すなわち、ｄａ＝ａ／３、ｄｂ＝ｂ／２である。
【００８９】
図１２Ｃは、図１２Ａに示す凹凸構造１１０に重ねてエネルギー密度Ｆ２が４００ｍＪ／ｃｍ２に調整された第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスを４０回照射した場合に（パルス数Ｎ２＝４０）、窒化ガリウム基板の表面に形成された周期構造１２０の一例を示す図である。上記の条件で、第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスを照射することで、窒化ガリウム基板の表面に均一な周期の周期構造が形成された。周期構造の周期ｄは１９０ｎｍであった。すなわちｄ＝Λ／５である。
【００９０】
図１３Ａは、窒化ガリウム基板の表面に形成された凹凸構造１１０の一例を示す図である。図１３Ａに示す凹凸構造１１０において、凹部の幅ａは４６２ｎｍであり、凸部の幅ｂは４７８ｎｍである。すなわち、凹凸構造１１０の周期Λ（＝ａ＋ｂ）は９４０ｎｍである。
【００９１】
図１３Ｂは、図１３Ａに示す凹凸構造１１０に重ねてエネルギー密度Ｆ２が４００ｍＪ／ｃｍ２に調整された第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスを３０回照射した場合に（パルス数Ｎ２＝３０）、窒化ガリウム基板の表面に形成された周期構造１２０の一例を示す図である。上記の条件で、第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスを照射することで、凹凸構造１１０の凹部（溝）に対応する部分に周期ｄａが２３１ｎｍの周期構造が形成され、凹凸構造１１０の凸部に対応する部分に周期ｄｂが１５９ｎｍの周期構造が形成された。すなわち、ｄａ＝ａ／２、ｄｂ＝ｂ／３である。
【００９２】
このように、凹凸構造１１０における凹部の幅ａ、凸部の幅ｂ、凹凸構造１１０に重ねて照射される第１のレーザ光Ｌ１のエネルギー密度Ｆ２および照射回数（パルス数Ｎ２）によって、凹凸構造１１０における凹部に対応する部分に形成される周期構造の周期ｄａと、凹凸構造１１０における凸部に対応する部分に形成される周期構造の周期ｄｂとを異ならせることが可能である。なお、凹部の幅ａおよび凸部の幅ｂが異なる凹凸構造１１０は、レーザ加工技術や、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術等の公知の微細加工技術を用いて形成することができる。また、凹部の幅ａおよび凸部の幅ｂが異なる凹凸構造１１０が形成された加工対象物を購入するなどして取得してもよい。
【００９３】
［第３の実施形態］
上記した第１の実施形態に係る加工方法は、加工対象面の１方向にのみ周期性を有する周期構造（例えば、Ｙ方向に伸びる複数の溝がＸ方向に周期的に配列された周期構造）を形成するものであった。これに対して、第３の実施形態に係る加工方法は、加工対象面の２方向に周期性を有する、網目状、ドット状またはマトリックス状の周期構造を形成するものである。
【００９４】
図１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃおよび１４Ｄは、本発明の第３の実施形態に係る加工方法の一例を示す図である。
【００９５】
本発明の第３の実施形態に係る加工方法は、加工対象物１００に形成しようとする周期構造の第１の方向（例えばＸ方向）における周期ｄ１の、加工対象物１００の材質に応じた倍数に相当する周期Λ１（＝ｎ・ｄ１）で配列された複数の直線状の溝を含む第１の凹凸構造を加工対象面Ｓ１に形成する第１の工程を含む（図１４Ａ）。この第１の工程は、上記した本発明の第１の実施形態に係る加工方法における第１の工程と同じである。
【００９６】
第１の工程において、加工対象面Ｓ１に第１の凹凸構造を形成する方法としては、第１の実施形態に係る加工方法と同様、第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスおよび第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスを、加工対象面Ｓ１上に時間的、空間的に重ねることで、加工対象面Ｓ１に干渉縞を形成する方法を用いることができる。第１の工程において、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２の加工対象面Ｓ１における照射位置を順次移動させることにより、加工対象面Ｓ１の所定範囲に第１の凹凸構造を形成する。なお、第１の工程において、加工対象物の加工対象面Ｓ１に第１の凹凸構造を形成する他の方法として、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてもよい。また、第１の工程は、上記第１の凹凸構造を加工対象面Ｓ１に形成する場合に限らず、上記の第１の凹凸構造を加工対象面Ｓ１に有する加工対象物１００を用意する工程であれば足りる。例えば、表面に上記の第１の凹凸構造が形成された加工対象物を購入するなどして取得してもよい。
【００９７】
本発明の第３の実施形態に係る加工方法は、第１の凹凸構造における複数の溝の伸びる方向に応じた偏光方向（例えば、第１の凹凸構造における溝の伸びる方向と直交する偏光方向）の偏光を有する第１のレーザ光Ｌ１による超短パルスのレーザパルスを第１の凹凸構造に照射して第１のレーザ光Ｌ１の波長よりも短い周期ｄ１の第１の周期構造を加工対象面Ｓ１に形成する第２の工程を含む（図１４Ｂ）。この第２の工程は、上記した本発明の第１の実施形態に係る加工方法における第２の工程と同じである。
【００９８】
第１の凹凸構造に重ねて超短パルスレーザを照射することで、第１の凹凸構造が微細化され、レーザ光の波長よりも短いナノメートルオーダーの周期ｄ１で配列された複数の溝を含む第１の周期構造が加工対象面Ｓ１に形成される。第２の工程において、第１のレーザ光Ｌ１の加工対象面Ｓ１における照射位置を順次移動させることにより、加工対象面Ｓ１の所定範囲に第１の周期構造を形成する。
【００９９】
本発明の第３の実施形態に係る加工方法は、第２の工程の後に、加工対象物１００に形成しようとする周期構造の上記第１の方向と交差する第２の方向（例えばＹ方向）における周期ｄ２の、加工対象物１００の材質に応じた倍数に相当する周期Λ２（＝ｎ・ｄ２）で配列され且つ第１の凹凸構造における複数の直線状の溝の伸びる方向（例えばＹ方向）と交差する方向（例えばＸ方向）に伸びる複数の直線状の溝を含む第２の凹凸構造を加工対象面Ｓ１に形成する第３の工程を含む（図１４Ｃ）。
【０１００】
加工対象面Ｓ１に第２の凹凸構造を形成する方法としては、第１の工程と同様、第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスおよび第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスを、加工対象面Ｓ１上に時間的、空間的に重ねることで加工対象面Ｓ１に干渉縞を形成する方法を用いることができる。第２の凹凸構造における複数の溝の伸びる方向を、第１の凹凸構造における複数の溝の伸びる方向に対して交差する方向とする方法の一例として、以下の方法が挙げられる。すなわち、図１４Ｃに示すように、加工対象面Ｓ１に垂直な軸を回転軸とした場合の加工対象面Ｓ１の回転角度位置を、第１の工程および第２の工程における回転角度位置とは異なる位置に固定して第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２を加工対象面Ｓ１に照射する。すなわち、第３の工程では、加工対象面Ｓ１を所定角度（例えば９０°）回転させた後、第１の工程における処理と同様の処理を行う。ここで、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２のエネルギー密度を、先の工程において形成された第１の周期構造が消失しないレベルに調整して第２の凹凸構造を形成する。第３の工程において、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２の加工対象面Ｓ１における照射位置を順次移動させることにより、加工対象面Ｓ１の所定範囲に第２の凹凸構造を形成する。なお、第３の工程において、加工対象物の加工対象面Ｓ１に第２の凹凸構造を形成する他の方法として、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてもよい。
【０１０１】
本発明の第３の実施形態に係る加工方法は、加工対象面Ｓ１の回転角度位置を第３の工程における回転角度位置を維持したまま、第２の凹凸構造における複数の溝の伸びる方向に応じた偏光方向（例えば、第２の凹凸構造における溝の伸びる方向と直交する偏光方向）の偏光を有する第１のレーザ光Ｌ１による超短パルスのレーザパルスを第２の凹凸構造に照射して第１のレーザ光Ｌ１の波長よりも短い周期ｄ２の第２の周期構造を加工対象面Ｓ１に形成する第４の工程を含む（図１４Ｄ）。
【０１０２】
第２の凹凸構造に重ねて超短パルスレーザを照射することで、第２の凹凸構造が微細化され、レーザ光の波長よりも短いナノメートルオーダーの周期ｄ２で配列された複数の溝を含む第２の周期構造が加工対象面Ｓ１に形成される。第４の工程において、第１のレーザ光Ｌ１の加工対象面Ｓ１における照射位置を順次移動させることにより、加工対象面Ｓ１の所定範囲に第２の周期構造を形成する。
【０１０３】
第２の周期構造における溝の伸びる方向は、第１の周期構造における溝の伸びる方向と交差する方向となる。例えば、第３の工程において、加工対象面Ｓ１を９０°回転させた場合、第１の周期構造における溝の伸びる方向と第２の周期構造における溝の伸びる方向が直交し、加工対象面Ｓ１に互いに直交する２方向に周期性を有する網目状、ドット状またはマトリックス状の周期構造が形成される。
【０１０４】
図１５は、上記した本発明の第３の実施形態に係る加工方法を実現する加工装置１Ａの構成の一例を示す図である。加工装置１Ａは、回転装置８２を備えている点において、図４に示す加工装置１と異なり、それ以外の構成は加工装置１と同様である。回転装置８２は、制御部６０による制御に基づいて、加工対象物１００の加工対象面Ｓ１を、加工対象面Ｓ１と垂直な支持軸８１を回転軸として回転させる機能を有する。
【０１０５】
以下に、加工装置１Ａの動作について説明する。以下の説明では、加工対象物の加工対象面におけるＸ方向およびＹ方向の２方向に周期性を有する周期構造を形成する場合について例示する。はじめに、導出装置７０の動作について説明する。図１６は、導出装置７０において実施される処理の一例を示すフローチャートである。
【０１０６】
ステップＡ２１において導出装置７０は、加工対象面Ｓ１に形成すべき周期構造のＸ方向における周期ｄ１、Ｙ方向における周期ｄ２および加工対象物１００の材質を示す情報の入力を受け付ける。
【０１０７】
ステップＡ２２において導出装置７０は、自身が備えるテーブルを参照することで、入力情報によって示される加工対象物１００の材質および加工対象面Ｓ１に形成すべき周期構造１２０の周期ｄ１およびｄ２に対応する倍率ｎ、エネルギー密度Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４よびパルス数Ｎ２、Ｎ４を抽出する。上記のテーブルにおいて、加工対象物１００の材質、加工対象面Ｓ１に形成すべき周期構造の周期ｄ１、ｄ２と、倍率ｎ、エネルギー密度Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４およびパルス数Ｎ２、Ｎ４と、が対応付けられている。なお、エネルギー密度Ｆ１は、第１の工程において加工対象面Ｓ１に照射される第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザＬ２のエネルギー密度である。エネルギー密度Ｆ２は、第２の工程において加工対象面Ｓ１に照射される第１のレーザ光Ｌ１のエネルギー密度である。パルス数Ｎ２は、第２の工程において加工対象面Ｓ１に照射される第１のレーザ光Ｌ１のパルス数である。パルス数Ｎ４は、第４の工程において加工対象面Ｓ１に照射される第１のレーザ光Ｌ１のパルス数である。上記のテーブルは、例えば、実験結果に基づいて作成することが可能である。
【０１０８】
ステップＡ２３において導出装置７０は、抽出した倍率ｎと、入力された周期ｄ１および周期ｄ２とのそれぞれの積を、倍数ｎ・ｄ１およびｎ・ｄ２として出力する。
【０１０９】
ステップＳ２４において導出装置７０は、抽出したエネルギー密度Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４およびパルス数Ｎ２、Ｎ４を加工条件として出力する。
【０１１０】
次に、制御部６０の動作について説明する。図１７Ａおよび図１７Ｂは、制御部６０において実施される処理の一例を示すフローチャートである。
【０１１１】
制御部６０は、導出装置７０によって導出された倍数ｎ・ｄ１およびｎ・ｄ２を、それぞれ、第１の凹凸構造の周期Λ１および第２の凹凸構造の周期Λ２として扱う。
【０１１２】
ステップＡ３１において制御部６０は、導出装置７０によって導出された倍数ｎ・ｄ１と、λ／ｓｉｎθ１とが等しくなるθ１を導出する。ここでは、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２の波長λは、既知の固定値であるものとする。
【０１１３】
ステップＡ３２において制御部６０は、第１のレーザ光Ｌ１の光軸と第２のレーザ光Ｌ２の光軸とのなす角が、ステップＡ３１において導出されたθ１となるように集光部４２における反射ミラー４０１の反射面の向きおよび移動ステージ４０４および集光レンズ４０６（図７参照）の移動を制御する。
【０１１４】
ステップＡ３３において制御部６０は、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスが加工対象面Ｓ１上に時間的に重なるように遅延時間調整部２０における移動ステージ２０４（図５参照）の位置決めを行う。すなわち、制御部６０は、第１のレーザ光Ｌ１の行路の長さと、第２のレーザ光Ｌ２の行路の長さを一致させる。制御部６０は、撮像・解析装置５２によって生成される情報に基づいて遅延時間調整部２０を制御する。
【０１１５】
ステップＡ３４において制御部６０は、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２のエネルギー密度Ｆ１が、導出装置７０によって導出されたエネルギー密度Ｆ１となるようにエネルギー調整部３１、３２を制御する。
【０１１６】
ステップＡ３５において制御部６０は、レーザ光源１０を駆動する。これにより、レーザ光源１０からレーザ光Ｌ０によるレーザパルスが出力される。本ステップにおいてレーザ光源１０から出力されるレーザパルスのパルス数Ｎ１は１である。レーザ光Ｌ０によるレーザパルスは、ビームスプリッタ１１によって第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２に分割される。第１のレーザ光Ｌ１は、エネルギー調整部３１および集光部４１を経由して加工対象面Ｓ１に対して垂直方向から照射される。一方、第２のレーザ光Ｌ２は、遅延時間調整部２０、エネルギー調整部３２および集光部４２を経由して加工対象面Ｓ１に対して斜め方向から照射される。第２のレーザ光Ｌ２は、第１のレーザ光Ｌ１の光軸と第２のレーザ光Ｌ２の光軸とのなす角が、ステップＡ３１において導出されたθ１となり、加工対象面Ｓ１における第１のレーザ光Ｌ１の照射位置と同じ位置に照射される。また、第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスと第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスが加工対象面Ｓ１上にほぼ同じタイミングで照射される。
【０１１７】
互いに異なる方向から照射される第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスおよび第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスを、加工対象物１００の加工対象面Ｓ１上に時間的、空間的に重ねることで加工対象面Ｓ１に干渉縞が形成される。加工対象面Ｓ１に２つのレーザによる干渉縞を形成することで、干渉縞の明部と暗部に対応した第１の凹凸構造が加工対象面Ｓ１に形成される。第１のレーザ光Ｌ１の光軸と第２のレーザ光Ｌ２の光軸とのなす角が、ステップＡ３１において導出されたθ１とされることで、第１の凹凸構造の周期Λ１は、導出装置７０によって導出された倍数ｎ・ｄ１に一致する。
【０１１８】
ステップＡ３６において制御部６０は、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスの加工対象面Ｓ１における所定範囲に亘る照射が完了したか否かを判定し、完了していないと判定した場合には処理をステップＡ３６に移行し、完了したと判定した場合には処理をステップＡ３７に移行する。
【０１１９】
ステップＡ３７において制御部６０は、ＸＹ方向に支持部８０の支持軸８１を移動させることで、加工対象面Ｓ１をＸＹ方向に移動させ、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスの照射位置を移動させ、処理をステップＡ３５に戻す。これにより、加工対象面Ｓ１の新たな位置に第１の凹凸構造が形成される。
【０１２０】
ステップＡ３８において制御部６０は、加工対象物１００を初期位置に戻し、集光部４２におけるシャッター４０７を閉状態とし、第１のレーザ光Ｌ１のエネルギー密度Ｆ２が導出装置７０によって導出されたエネルギー密度Ｆ２となるようにエネルギー調整部３１を制御する。
【０１２１】
ステップＡ３９において、制御部６０は、レーザ光源１０を駆動してレーザ光源１０からレーザパルスを出射させる。本ステップにおいてレーザ光源１０から出力されるレーザパルスのパルス数Ｎ２は、導出装置７０によって導出されたパルス数Ｎ２に設定される。レーザ光Ｌ０によるレーザパルスは、ビームスプリッタ１１によって第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２に分割される。第１のレーザ光Ｌ１は、エネルギー調整部３１および集光部４１を経由して加工対象面Ｓ１に対して垂直方向から照射される。一方、第２のレーザ光Ｌ２は、シャッター４０７によって遮断され、加工対象面Ｓ１に照射されない。
【０１２２】
第１の凹凸構造に重ねて第１のレーザ光Ｌ１を照射することで、第１の凹凸構造が微細化され、Ｘ方向に周期性を有する周期ｄ１の第１の周期構造が加工対象面Ｓ１に形成される。すなわち、加工対象面Ｓ１に形成された第１の凹凸構造の周期Λ１に応じて定まる周期ｄ１（＝Λ１／ｎ）の第１の周期構造が加工対象面Ｓ１に形成される。
【０１２３】
ステップＡ４０において制御部６０は、第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスの加工対象面Ｓ１における所定範囲に亘る照射が完了したか否かを判定し、完了していないと判定した場合には処理をステップＡ４１に移行し、完了したと判定した場合には処理をステップＡ４２に移行する。
【０１２４】
ステップＡ４１において制御部６０は、ＸＹ方向に支持部８０の支持軸８１を移動させることで、加工対象面Ｓ１をＸＹ方向に移動させ処理をステップＡ３９に戻す。これにより、加工対象面Ｓ１の新たな位置に第１の周期構造が形成される。
【０１２５】
ステップＡ４２において制御部６０は、回転装置８２を駆動して、支持軸８１を回転軸として加工対象面Ｓ１を一例として９０°回転させる。なお、加工対象面Ｓ１の回転角度は９０°に限らず、適宜設定することが可能である。
【０１２６】
ステップＡ４３において制御部６０は、導出装置７０によって導出された倍数ｎ・ｄ２と、λ／ｓｉｎθ２とが等しくなるθ２を導出する。ここでは、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２の波長λは、既知の固定値であるものとする。
【０１２７】
ステップＡ４４において制御部６０は、第１のレーザ光Ｌ１の光軸と第２のレーザ光Ｌ２の光軸とのなす角が、ステップＡ４１において導出されたθ２となるように集光部４２における反射ミラー４０１の反射面の向きおよび移動ステージ４０４および集光レンズ４０６（図７参照）の移動を制御する。
【０１２８】
ステップＡ４５において制御部６０は、第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスおよび第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスが加工対象面Ｓ１上に時間的に重なるように遅延時間調整部２０における移動ステージ２０４（図５参照）の位置決めを行う。すなわち、制御部６０は、第１のレーザ光Ｌ１の行路の長さと、第２のレーザ光Ｌ２の行路の長さを一致させる。制御部６０は、撮像・解析装置５２によって生成される情報に基づいて遅延時間調整部２０を制御する。なお、θ１＝θ２である場合、ステップＡ４２およびＡ４３の処理は省略することが可能である。
【０１２９】
ステップＡ４６において制御部６０は、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２のエネルギー密度Ｆ３が導出装置７０によって導出されたエネルギー密度Ｆ３となるようにエネルギー調整部３１、３２を制御する。
【０１３０】
ステップＡ４７において制御部６０は、レーザ光源１０を駆動する。これにより、レーザ光源１０からレーザ光Ｌ０によるレーザパルスが出力される。本ステップにおいてレーザ光源１０から出力されるレーザパルスのパルス数Ｎ３は１である。レーザ光Ｌ０によるレーザパルスは、ビームスプリッタ１１によって第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２に分割される。第１のレーザ光Ｌ１は、エネルギー調整部３１および集光部４１を経由して加工対象面Ｓ１に対して垂直方向から照射される。一方、第２のレーザ光Ｌ２は、遅延時間調整部２０、エネルギー調整部３２および集光部４２を経由して加工対象面Ｓ１に対して斜め方向から照射される。第２のレーザ光Ｌ２は、第１のレーザ光Ｌ１の光軸と第２のレーザ光Ｌ２の光軸とのなす角が、ステップＡ４３において導出されたθ２となり、加工対象面Ｓ１における第１のレーザ光Ｌ１の照射位置と同じ位置に照射される。また、第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスと第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスが加工対象面Ｓ１上にほぼ同じタイミングで照射される。
【０１３１】
互いに異なる方向から照射される第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスを、加工対象物１００の加工対象面Ｓ１上に時間的、空間的に重ねることで加工対象面Ｓ１に干渉縞が形成される。加工対象面Ｓ１に２つのレーザによる干渉縞を形成することで、干渉縞の明部と暗部に対応した第２の凹凸構造が加工対象面Ｓ１に形成される。第１のレーザ光Ｌ１の光軸と第２のレーザ光Ｌ２の光軸とのなす角が、ステップＡ４３において導出されたθ２とされることで、第２の凹凸構造の周期Λ２は、導出装置７０によって導出された倍数ｎ・ｄ２と一致する。ステップＡ４２において加工対象面Ｓ１が例えば９０°回転されることにより、第２の凹凸構造における溝の伸びる方向は、第１の凹凸構造における溝の伸びる方向に対して直交する方向となる。
【０１３２】
ステップＡ４８において制御部６０は、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスの加工対象面Ｓ１における所定範囲に亘る照射が完了したか否かを判定し、完了していないと判定した場合には処理をステップＡ４９に移行し、完了したと判定した場合には処理をステップＡ５０に移行する。
【０１３３】
ステップＡ４９において制御部６０は、ＸＹ方向に支持部８０の支持軸８１を移動させることで、加工対象面Ｓ１をＸＹ方向に移動させ、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスの照射位置を移動させ、処理をステップＡ４７に戻す。これにより、加工対象面Ｓ１の新たな位置に第２の凹凸構造が形成される。
【０１３４】
ステップＡ５０において制御部６０は、加工対象物１００を初期位置に戻し、集光部４２におけるシャッター４０７を閉状態とし、第１のレーザ光Ｌ１のエネルギー密度Ｆ４が導出装置７０によって導出されたエネルギー密度Ｆ４となるようにエネルギー調整部３１を制御する。
【０１３５】
ステップＳ５１において制御部６０は、レーザ光源１０を駆動してレーザ光源１０からレーザパルスを出射させる。本ステップにおいてレーザ光源１０から出力されるレーザパルスのパルス数Ｎ４は、導出装置７０によって導出されたパルス数Ｎ４に設定される。レーザ光Ｌ０によるレーザパルスは、ビームスプリッタ１１によって第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２に分割される。第１のレーザ光Ｌ１は、エネルギー調整部３１および集光部４１を経由して加工対象面Ｓ１に対して垂直方向から照射される。一方、第２のレーザ光Ｌ２は、シャッター４０７によって遮断され、加工対象面Ｓ１に照射されない。
【０１３６】
第２の凹凸構造に重ねて第１のレーザ光Ｌ１を照射することで、第２の凹凸構造が微細化され、Ｙ方向に周期性を有する周期ｄ２の第２の周期構造が加工対象面Ｓ１に形成される。すなわち、加工対象面Ｓ１に形成された第２の凹凸構造の周期Λ２に応じて定まる周期ｄ２（＝Λ２／ｎ）の第２の周期構造が加工対象面Ｓ１に形成される。
【０１３７】
ステップＡ５２において制御部６０は、第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスの加工対象面Ｓ１における所定範囲に亘る照射が完了したか否かを判定し、完了していないと判定した場合には処理をステップＡ５３に移行し、完了したと判定した場合には処理を終了させる。
【０１３８】
ステップＡ５３において制御部６０は、ＸＹ方向に支持部８０の支持軸８１を移動させることで、加工対象面Ｓ１をＸＹ方向に移動させ処理をステップＡ５１に戻す。これにより、加工対象面Ｓ１の新たな位置に第２の周期構造が形成される。ステップＡ４２において加工対象面Ｓ１が９０°回転されることにより、第２の周期構造における溝の伸びる方向は、第１の周期構造における溝の伸びる方向に対して直交する。すなわち、加工対象面Ｓ１に第１の周期構造と第２の周期構造とからなるＸ方向およびＹ方向に周期性を有する網目状、ドット状またはマトリックス状の周期構造が形成される。
【０１３９】
［実施例２］
以下、実施例により本発明の第３の実施形態を詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されない。加工対象物として窒化ガリウム（ＧａＮ）基板を用いた。レーザ光源として、中心波長８００ｎｍ、パルス幅１００フェムト秒の直線偏光を出射するチタンサファイアレーザシステムを用いた。
【０１４０】
第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２のエネルギー密度Ｆ１をそれぞれ、４００ｍＪ／ｃｍ２に設定した。窒化ガリウム基板の表面にＸ方向における周期ｄ１が２５０ｎｍの第１の周期構造を形成するべく（１）式および（２）式から２つのレーザ光の光軸のなす角θを５３°に設定した。なお、（１）式における整数ｎの値は４である。
【０１４１】
第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスと第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスとが時間的、空間的に重なるように各レーザ光を窒化ガリウム基板の表面に照射した。照射したレーザパルスのパルス数Ｎ１を１とした。これにより、窒化ガリウム基板の表面に干渉縞が形成され、窒化ガリウム基板の干渉縞の明部に対応する部分においてアブレーションが生じ、Ｘ方向に周期的に配列された複数の溝を含む第１の凹凸構造が形成された。図１８Ａは、窒化ガリウム基板の表面に形成された第１の凹凸構造の電子顕微鏡画像である。第１の凹凸構造の周期Λ１は、１μｍ程度であった。
【０１４２】
続いて、第１のレーザ光Ｌ１のエネルギー密度Ｆ２を４４０ｍＪ／ｃｍ２に設定した。その後、第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスを窒化ガリウム基板の表面に形成された第１の凹凸構造に重ねて照射した。照射したレーザパルスのパルス数Ｎ２を４０とした。これにより、窒化ガリウム基板の表面に形成された第１の凹凸構造が微細化され、Ｘ方向に周期性を有する周期ｄ１の第１の周期構造が加工対象面Ｓ１に形成された。図１８Ｂは、窒化ガリウム基板の表面に形成された第１の周期構造の電子顕微鏡画像である。第１の周期構造の周期ｄ１は、先に形成された第１の凹凸構造の周期Λ１の１／４倍に相当する周期２５０ｎｍであった。
【０１４３】
続いて、窒化ガリウム基板の加工対象面に対して垂直な軸を回転軸として窒化ガリウム基板を９０°回転させた。第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２のエネルギー密度Ｆ３をそれぞれ、４００ｍＪ／ｃｍ２に設定した。窒化ガリウム基板の表面にＹ方向における周期ｄ２が２５０ｎｍの周期構造を形成するべく（１）式および（２）式から２つのレーザ光の光軸のなす角θを５３°に設定した。なお、（１）式における整数ｎの値は４である。
【０１４４】
第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスと第２のレーザ光Ｌ２によるレーザパルスとが時間的、空間的に重なるように各レーザ光を第１の周期構造が形成された窒化ガリウム基板の表面に照射した。照射したレーザパルスのパルス数Ｎ３を１とした。これにより、窒化ガリウム基板の表面に干渉縞が形成され、窒化ガリウム基板の干渉縞の明部に対応する部分においてアブレーションが生じ、Ｙ方向に周期的に配列された複数の溝を含む第２の凹凸構造が形成された。図１８Ｃは、窒化ガリウム基板の表面に第１の周期構造に重ねて形成された第２の凹凸構造の電子顕微鏡画像である。第２の凹凸構造の周期Λ２は、１μｍ程度であった。
【０１４５】
続いて、第１のレーザ光Ｌ１のエネルギー密度Ｆ４を２９０ｍＪ／ｃｍ２に設定した。その後、第１のレーザ光Ｌ１によるレーザパルスを窒化ガリウム基板の表面に形成された第２の凹凸構造に重ねて照射した。照射したレーザパルスのパルス数Ｎ２を４０とした。これにより、窒化ガリウム基板の表面に形成された第２の凹凸構造が微細化され、Ｙ方向に周期性を有する周期ｄ２の第２の周期構造が加工対象面Ｓ１に形成された。図１８Ｄは、窒化ガリウム基板の表面に第１の周期構造に重ねて形成された第２の周期構造の電子顕微鏡画像である。第２の周期構造の周期ｄ２は、先に形成された第２の凹凸構造の周期Λ２の１／４倍に相当する周期２５０ｎｍであった。第２の周期構造を、第１の周期構造に重ねて形成することにより、窒化ガリウム基板の表面には、Ｘ方向およびＹ方向に周期性を有する網目状、ドット状またはマトリックス状の周期構造が形成された。
【０１４６】
図１９Ａおよび図１９Ｂは、それぞれ、窒化ガリウム基板の表面に形成されたＸ方向およびＹ方向に周期性を有する周期構造におけるＸ方向およびＹ方向における空間周波数分布を示すグラフである。図１９Ａおよび図１９Ｂに示すように、本発明の第３の実施形態に係る加工方法によれば、Ｘ方向およびＹ方向の２方向において均一な周期を有するナノメートルオーダーの構造物を加工対象面に形成することができる。
【０１４７】
図２０Ａは、加工対象面に円偏光を有するレーザ光によるレーザパルスを照射することによって加工対象面に形成された比較例に係る構造物の電子顕微鏡画像である。図２０Ｂは、図２０Ａに示す構造物の動径方向における空間周波数分布を示すグラフである。円偏光を有するレーザ光によるレーザパルスを加工対象面に照射した場合には、加工対象面に形成される構造物の配列方向は不規則となり、周期は不均一となる。
【０１４８】
なお、上記の実施例では、加工対象面を９０°回転させることにより、互いに直交する２方向に周期性を有する周期構造を形成する場合を例示したが、加工対象面の回転角度は９０°に限らず、任意の角度とすることが可能である。
【０１４９】
図２１は、本発明の第３の実施形態に係る加工方法を実現する加工装置の他の構成例を示す図である。加工装置１Ｂは、光学定盤９０および回転装置９１を備えている点において、図４に示す加工装置１と異なり、それ以外の構成は加工装置１と同様である。光学定盤９０の上には、ビームスプリッタ１１、遅延時間調整部２０、エネルギー調整部３１、３２および集光部４１、４２が載置されている。回転装置９１は、制御部６０による制御に基づいて、光学定盤９０を加工対象面Ｓ１に対して垂直な軸を回転軸として回転させる機能を有する。光学定盤９０を、加工対象面Ｓ１に対して垂直な軸を回転軸として回転させることにより、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２の光軸が、加工対象面Ｓ１に対して回転する。これにより、図１５に示す加工装置１Ａにおいて、回転装置８２によって加工対象面Ｓ１を回転させた場合と同様の効果を得ることができる。
【０１５０】
以上のように、本発明の第３の実施形態に係る加工方法および加工装置１Ａ、１Ｂによれば、加工対象物の加工対象面に直線性が高く且つ規則的に配列されたナノメートルオーダーの周期構造を形成するとともに周期構造の周期を制御することが可能である。また、加工対象面の２方向に周期性を有する周期構造を形成することができるので、周期構造の形状を網目状、ドット状またはマトリックス状とすることができる。
【０１５１】
本発明の第３の実施形態に係る加工方法は、例えば、無反射面の形成に用いることができる。光の波長よりも小さいドット状の構造物を物体表面に形成することにより、原理的に表面反射率をゼロにすることができる。モスアイ構造と呼ばれるこの構造は、近年ナノインプリント技術を用いて実用化されている。本発明の第３の実施形態に係る加工方法によれば、アスペクト比の高いドット状の周期構造を形成することができるので、高性能な無反射面を形成することができる。
【０１５２】
また、本発明の第３の実施形態に係る加工方法は、構造色の発現に用いることができる。これは、当該方法によって光の波長よりも小さい周期構造を物体表面に形成することにより、特定波長の光を減少または増幅させることができるためである。当該方法は加工対象物から微細周期構造を直接レーザ光で削り出すため、物体表面に薬剤を使用せずに着色することができる。当該方法によれば、周期が均一であり且つ整列した周期構造を形成することができるので、発色性が高く、視野方向および視野角に制限されない構造色による着色面を大面積に形成できる。
【０１５３】
上記した第１〜第３の実施形態に係る加工方法は、既存の微細加工技術に対して例えば以下の利点を有する。本実施形態に係る加工方法は真空中でなくても実施することができる。すなわち大気中または液体中でも実施することができる。また、本実施形態に係る加工方法によれば、加工対象面は平面に限らず球体や円筒が有するような曲面であってもよい。また、本実施形態に係る加工方法は加工対象面の移動またはレーザ光の走査によって加工部位を容易に移動できるので、加工領域の大きさは制限されにくく、大面積の加工物をシームレスに形成することができる。
【０１５４】
なお、上記した第１〜第３の実施形態において、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２の波長λが一定である場合を例示したが、波長変換手段を用いて、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２の波長λを可変とし、周期Λを有する凹凸構造を形成する場合に、（２）式に基づいてλを制御パラメータとしてもよい。波長変換手段として、ＢＢＯ結晶（β-BaB2O4）、ＫＤＰ結晶（KH2PO4）等の非線形光学結晶を用いることが可能である。波長変換手段は、例えば、ビームスプリッタ１１の前段に配置することが可能であう。
【０１５５】
また、上記した第１〜第３の実施形態において、遅延時間調整部２０によって第２のレーザ光Ｌ２の行路の長さを調整する場合を例示したが、第１のレーザ光Ｌ１の行路の長さを調整可能としてもよい。すなわち、第１のレーザ光Ｌ１および第２のレーザ光Ｌ２の少なくとも一方について、行路の長さが調整可能であればよい。
【符号の説明】
【０１５６】
１、１Ａ、１Ｂ  加工装置
１０  レーザ光源
１１  ビームスプリッタ
２０  遅延時間調整部
３１、３２  エネルギー調整部
４１、４２  集光部
５０  照明用光源
５１  顕微装置
５２  撮像・解析装置
６０  制御部
７０  導出装置
８０  支持部
８１  支持軸
８２  回転装置
９０  光学定盤
９１  回転装置
１００  加工対象物
１１０  凹凸構造
１１１  溝
１２０  周期構造
Ｌ１  第１のレーザ光
Ｌ２  第２のレーザ光
Ｓ１  加工対象面
【図１Ａ】
2018051626.tif 000003
【図１Ｂ】
2018051626.tif 000004
【図２Ａ】
2018051626.tif 000005
【図２Ｂ】
2018051626.tif 000006
【図３】
2018051626.tif 000007
【図４】
2018051626.tif 000008
【図５】
2018051626.tif 000009
【図６】
2018051626.tif 000010
【図７】
2018051626.tif 000011
【図８】
2018051626.tif 000012
【図９】
2018051626.tif 000013
【図１０Ａ】
2018051626.tif 000014
【図１０Ｂ】
2018051626.tif 000015
【図１１】
2018051626.tif 000016
【図１２Ａ】
2018051626.tif 000017
【図１２Ｂ】
2018051626.tif 000018
【図１２Ｃ】
2018051626.tif 000019
【図１３Ａ】
2018051626.tif 000020
【図１３Ｂ】
2018051626.tif 000021
【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
2018051626.tif 000023
【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１５】
2018051626.tif 000026
【図１６】
2018051626.tif 000027
【図１７Ａ】
2018051626.tif 000028
【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
2018051626.tif 000030
【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
2018051626.tif 000032
【図１８Ｄ】
2018051626.tif 000033
【図１９Ａ】
2018051626.tif 000034
【図１９Ｂ】
2018051626.tif 000035
【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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