(57)【要約】  表面上にレーザ光パルスにより加工されるエリアの形状を、その形状が所望の楕円形状を有し、その長軸が所望の方向に位置揃えされ、かつこの長軸の長さがビームスポットの直径以下であるように、制御する方法。パルスを生成し、目標エリア内のビームスポットに集束する。パルスの偏光を楕円偏光に調整し、偏りの楕円の軸が所望の方向に向いているようにする。レーザ光パルスがワークピース表面上に定加工キャパシティ等高線を有し、かつ定加工キャパシティ等高線は上記所望の形状に同様な形状を有するように、パルスの偏光の楕円率を調整する。パルスによって加工されるエリアが実質的に所望の形状であるように、パルス光のフルエンスを制御する。
2007531008.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークピースの表面上にレーザ光パルスによりレーザ加工されるエリアの形状を、所定方向に位置揃えされた所定の長軸を有する所定の楕円形状に制御する方法であって、前記所定の長軸は、前記レーザ光パルスのビームスポットの直径以下である所定の長軸長を有し、前記方法は、
ａ）前記レーザ光パルスを生成するステップと、
ｂ）前記レーザ光パルスを、前記マイクロ構造ワークピースの目標エリア内の前記ビームスポットに集束するステップと、
ｃ）前記ビームスポットにおいて前記レーザ光パルスが楕円偏光され、かつ前記レーザ光パルスの偏りの楕円の軸が前記所定方向に向いているように、前記レーザ光パルスの偏光を調整するステップと、
ｄ）前記レーザ光パルスが前記マイクロ構造ワークピースの前記表面上に定加工キャパシティ等高線を有し、かつ前記定加工キャパシティ等高線は前記所定の楕円形状に実質的に同様な形状を有するように、前記レーザ光パルスの偏光の楕円率を調整するステップと、
ｅ）前記ワークピースの前記表面の、前記レーザ光パルスによってレーザ加工される前記エリアが実質的に前記所定の楕円形状であるように、前記ビームスポットにおける前記集束されたレーザ光パルスのフルエンスを制御するステップと、
を包含する方法。
【請求項２】
前記ビームスポットの直径は実質的に回折限界である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ステップ（ｃ）は、前記ビームスポットにおいて前記レーザ光パルスが前記所定方向に直線偏光されるように、前記レーザ光パルスの前記偏光を調整することを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
マイクロ構造ワークピースの表面上に要素をレーザ加工する方法であって、前記要素は、前記要素の中心線に実質的に垂直に、可変のサブミクロン幅を有しており、前記方法は、
ａ）複数のレーザ光パルスを生成するステップと、
ｂ）前記複数のレーザ光パルスを、前記マイクロ構造ワークピースの目標エリア内のビームスポットに集束するステップと、
ｃ）前記目標エリアのうち、前記複数のレーザ光パルスのうちの円偏光パルスによって加工されるエリアの直径が、前記中心線に垂直な前記要素の最小幅に実質的に等しいように、前記ワークピースの前記目標エリアにおける前記ビームスポットのフルエンスを制御するステップと、
ｄ）前記目標エリア内の前記ビームスポットの中心の位置を、前記要素の前記中心線に追従するように制御するステップと、
ｅ）前記マイクロ構造ワークピースの前記表面のうち、１つのレーザ光パルスによって加工されるエリアが、前記１つのパルスについての前記ビームスポットの前記中心に対応する前記中心線の入射点において前記中心線に実質的に垂直な長軸を有する実質的に楕円の形状を有し、かつ前記実質的に楕円の形状の前記長軸の長さは、前記入射点における前記中心線に垂直な前記要素の幅に実質的に等しいように、前記マイクロ構造ワークピースに入射する前記複数の集束されたレーザ光パルスの偏光を制御するステップと、
を包含する方法。
【請求項５】
前記マイクロ構造ワークピースは、マイクロ構造鋳型、量子セルラーオートマトン、結合量子ドットデバイス、共鳴トンネルデバイス、多機能光学アレイ、回折光学素子、ビームシェーパー、マイクロレンズアレイ、光学ディフューザ、ビームスプリッタ、レーザダイオード補正器、微細ピッチ格子、プレーナ導波路デバイス、フォトニック結晶、マイクロ電気機械システム、マイクロ回路、マイクロ表面弾性波デバイス、マイクロメカニカルオシレータ、ポリメラーゼ連鎖反応マイクロシステム、有害な化学および生物物質検出のためのバイオチップ、または高スループットドラッグスクリーニングおよび選択マイクロシステムのうち少なくとも１つの製造に用いられる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
ステップ（ｄ）は、前記目標エリア内の前記ビームスポットの前記中心の位置を、約１００ｎｍ未満の精度で制御するステップをさらに包含する、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記複数のレーザ光パルスは、ピンホールを有し横方向に移動可能な、ビーム経路に配置されたピンホールマスクを含むビーム経路に沿って伝播し、
ステップ（ｂ）は、前記ワークピースの前記目標エリア内の前記ビームスポットのビームスポット直径が前記ピンホールのピンホール直径よりも小さくなるように、前記複数のレーザ光パルスを集束することを包含し、
ステップ（ｄ）は、前記ピンホール直径の前記ビームスポット直径に対する比に基づき、スケール化した量だけ前記横方向に移動可能なピンホールマスクを移動することにより、前記目標エリア内の前記ビームスポット前記中心の位置を制御することを包含する、
請求項４に記載の方法。
【請求項８】
ステップ（ｄ）は、前記マイクロ構造ワークピースを移動させることにより、前記マイクロ構造ワークピースの前記目標エリア内における前記ビームスポット前記中心の位置を制御することを包含する、請求項４に記載の方法。
【請求項９】
ステップ（ａ）は、超高速レーザまたはパルス化エキシマレーザのいずれかを用いて、前記複数のレーザ光パルスを生成することを包含する、請求項４に記載の方法。
【請求項１０】
前記マイクロ構造ワークピースの前記表面上に前記要素を加工することは、
前記マイクロ構造ワークピースのワークピース材料をアブレーションすること、
堆積材料を前記マイクロ構造ワークピースの前記表面上にレーザ化学蒸着すること、
前記マイクロ構造ワークピースの前記表面にフォトレジストを露光すること、
前記マイクロ構造ワークピースのワークピース材料の屈折率を変更すること、
前記マイクロ構造ワークピースのワークピース材料の格子構造を変更すること、または
前記マイクロ構造ワークピースのワークピース材料の化学組成を変更すること、
のうち１つを包含する、請求項４に記載の方法。
【請求項１１】
前記要素の前記中心線は湾曲部を有する、請求項４に記載の方法。
【請求項１２】
前記複数のレーザ光パルスの各パルスによって加工される前記マイクロ構造ワークピースの材料の深さは実質的に一定である、請求項４に記載の方法。
【請求項１３】
実質的に透過性のマイクロ構造ワークピース中に要素をレーザ加工する方法であって、前記要素は、前記要素の中心線に垂直に、実質的に楕円形の断面を有しており、前記方法は、
ａ）複数のレーザ光パルスを生成するステップと、
ｂ）前記複数のレーザ光パルスを集束し、前記実質的に透過性のマイクロ構造ワークピースの目標エリア内にビームウェストを形成するステップと、
ｃ）前記ビームウェストの前記中心が第１端から第２端まで前記中心線に実質的に追従するとき、前記複数のレーザ光パルスのうち各パルスの伝播方向が、前記中心線上の前記ビームウェストの中心に対応する点において、前記要素の前記中心線に実質的に平行になるように、前記目標エリア内における前記ビームウェストの位置揃えおよび位置を制御するステップと、
ｄ）前記マイクロ構造ワークピースの前記目標エリア内における前記複数のレーザ光パルスのうち１つのパルスの偏光を、前記１つのパルスが前記ビームウェスト内に定加工キャパシティ等高面を有し、かつ前記定加工キャパシティ等高面が、前記１つのパルス中の前記ビームウェストの前記中心に対応する前記中心線上の前記点において、前記１つのパルスの前記伝播方向に垂直に、前記要素の前記実質的に楕円形の断面に実質的に共焦である断面形状を有するように、制御するステップと、
ｅ）前記ビームウェストの前記中心に対応する前記点において、前記１つのパルスによって加工される前記目標エリアの領域が、前記中心線に垂直な前記要素の前記実質的に楕円形の断面に実質的に合致するように、前記ビームウェストにおける前記１つのパルスのフルエンスを制御するステップと、
を包含する方法。
【請求項１４】
前記実質的に透過性のマイクロ構造ワークピースは、量子セルラーオートマトン、結合量子ドットデバイス、共鳴トンネルデバイス、多機能光学アレイ、回折光学素子、ビームシェーパー、マイクロレンズアレイ、光学ディフューザ、ビームスプリッタ、レーザダイオード補正器、微細ピッチ格子、導波路デバイス、フォトニック結晶、マイクロ電気機械システム、マイクロ回路、マイクロメカニカルオシレータ、ポリメラーゼ連鎖反応マイクロシステム、有害な化学および生物物質の検出のためのバイオチップ、または高スループットドラッグスクリーニングおよび選択マイクロシステムのうち少なくとも１つの製造に用いられる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
ステップ（ｃ）は、前記目標エリア内の前記ビームウェストの前記中心の位置を、約１００ｎｍ未満の精度で制御するステップをさらに包含する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
ステップ（ｃ）は、前記実質的に透過性のマイクロ構造ワークピースを移動させることにより、前記実質的に透過性のマイクロ構造ワークピースの前記目標エリア内における前記ビームウェストの前記中心の位置揃えおよび位置を制御することを包含する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
ステップ（ａ）は、超高速レーザまたはパルス化エキシマレーザのいずれかを用いて、前記複数のレーザ光パルスを生成することを包含する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記実質的に透過性のマイクロ構造ワークピース中に前記要素を加工することは、
前記実質的に透過性のマイクロ構造ワークピースの材料の屈折率を変更すること、
前記実質的に透過性のマイクロ構造ワークピースの材料の格子構造を変更すること、または
前記実質的に透過性のマイクロ構造ワークピースの材料の化学組成を変更すること、
のうち１つを包含する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記要素の前記中心線は湾曲部を有する、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記要素は導波路であり、
前記要素の前記中心線の前記第１端は前記実質的に透過性のマイクロ構造ワークピースの裏側面上にあり、
前記要素の前記中心線の前記第２端は前記実質的に透過性のマイクロ構造ワークピースの表側面上にある、
請求項１３に記載の方法。
【請求項２１】
前記導波路は少なくとも１つのビームモード拡張部を有する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記導波路は少なくとも１つの偏光シフト部を有する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
レーザ加工によって形成された複数のマークによって表面上にデータを格納する方法であって、前記複数のマークのそれぞれは所定の数の方向のうち１つに位置揃えされた形状長軸を有する所定の楕円形状を有し、前記所定の数は１より大きく、前記方法は、
ａ）前記所定の数の方向から選択された一連の方向に、前記データをエンコードするステップと、
ｂ）複数のレーザ光パルスを生成および集束して、前記表面上にビームスポットを形成するステップと、
ｃ）前記複数のレーザ光パルスの各パルスが、ゼロより大きい所定の楕円率を有する偏りの楕円を有し、かつ前記複数のレーザ光パルスの各パルスによってレーザ加工される前記表面のエリアが実質的に前記所定の楕円形状であるように、前記表面に入射する前記複数の集束されたレーザ光パルスの偏光およびフルエンスを調整するステップと、
ｄ）前記複数のレーザ光パルスのうち各集束されたパルスが、前記表面上の別の位置を加工するように、前記ビームスポットを前記表面上にスキャンするステップと、
ｅ）前記複数のレーザ光パルスのうち各集束されたパルスの前記偏りの楕円の偏光長軸が、順に、ステップ（ａ）で前記データを表すようにエンコードされた前記一連の方向のうち１つに対応する前記所定の数の方向のうち１つに対して実質的に位置揃えされるように、前記表面に入射する前記複数の集束されたレーザ光パルスの前記偏りの楕円を回転するステップと、
を包含する方法。
【請求項２４】
前記所定の方向の数は２の累乗である、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記偏りの楕円の所定の楕円率は約１である、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記形状長軸の長さは、前記複数のレーザ光パルスのピーク波長未満である、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
レーザ加工によって形成された複数のマークによって表面上にデータを格納する方法であって、前記複数のマークのそれぞれは所定方向に位置揃えされた形状軸を有する楕円形状および、所定の数の楕円率から選択された楕円率を有し、前記所定の数は１より大きく、前記方法は、
ａ）前記所定の数の楕円率から選択された一連の楕円率に、前記データをエンコードするステップと、
ｂ）複数のレーザ光パルスを生成および集束して、前記表面上にビームスポットを形成するステップと、
ｃ）前記複数のレーザ光パルスの各パルスが、前記所定方向に位置揃えされた偏光長軸を有する偏りの楕円を有するように、前記表面に入射する前記複数の集束されたレーザ光パルスの偏光およびフルエンスを調整するステップと、
ｄ）前記複数のレーザ光パルスのうち各集束されたパルスが、前記表面上の別の位置を加工するように、前記ビームスポットを前記表面上にスキャンするステップと、
ｅ）前記複数のレーザ光パルスのうち各集束されたパルスの前記偏りの楕円の偏光楕円率が、順に、ステップ（ａ）で前記データを表すようにエンコードされた前記一連の楕円率のうち１つに対応する前記所定の数の楕円率のうち１つに実質的に設定されるように、前記表面に入射する前記複数の集束されたレーザ光パルスの前記偏りの楕円の楕円率を変更するステップと、
を包含する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超高速レーザパルスを用いて様々な形状の要素をマイクロおよびナノ加工する方法に関する。本方法はまた、拡張ビームモードおよび楕円モードシフト化導波路構造のレーザ加工を可能にし得る。
【背景技術】
【０００２】
製品の小型化につれ、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）、マイクロ光学デバイスおよびフォトニック結晶への需要が高まっている。この需要に対応して、マイクロおよびナノ加工への関心が高まっている。ＭＥＭＳには無数のアプリケーションの可能性がある。生物学とマイクロエレクトロニクスのように、以前には無関係だった分野間に比類なき相乗効果を可能にする画期的な技術として、多くの新しいＭＥＭＳアプリケーションが出現しており、また近い将来においてさらに多くが出現する可能性があり、現在認識されているあるいは公知のものを越えて広がろうとしている。また量子電気デバイス、マイクロ光学デバイスおよびフォトニック結晶においてさらなるアプリケーションが出現しつつある。
【０００３】
現在関心を持たれているアプリケーションをいくつか列挙する。
【０００４】
量子電気デバイス
量子計算などのアイデアへの関心から、セルラーオートマトンや結合量子ドット技術などの、より小さな寸法を要求するデバイスの開発がなされている。透過電子の量子効果を利用してマイクロ波回路の効率を増大し得る、共鳴トンネルダイオードなどの共鳴トンネルデバイスは、特に微細な要素を必要とする。
【０００５】
マイクロ光学
マイクロ加工技術の光学系への応用は、階調技術などの光学製造において数々の進歩をもたらしてきた。階調技術は、達成し得る最高の光学性能を可能にする、様々な形状の作製を可能にする。伝統的なバイナリオプティクスは、理想的な表面形状を「階段状」にした近似に依拠する。階調は、その理想形状を実際に作製することができる。曲線、傾斜面（ramps）、トロイド（torroids）、またはその他の任意の形状が可能である。多機能光学系、マイクロレンズアレイ、ディフューザ、ビームスプリッタ、およびレーザダイオード補正器はすべて、階調技術を用いることにより恩恵を受ける。これらおよび他の光学デバイス（より短波長光用の微細ピッチ格子を含む）は、マイクロ加工を用いて得られるより高い精度の恩恵を受ける。また、マイクロ加工技術の進歩により、ビームシェーパー、連続膜変形ミラー、チューナブルレーザ用移動ミラー、および走査２軸傾動ミラーを含む光学的ＭＥＭＳデバイスが登場している。
【０００６】
フォトニック結晶
フォトニック結晶は、ユニークな性質を有する光学デバイスを作製するために用い得る、人工形態の光学材料を代表するものである。フォトニック結晶は、半導体結晶の電気的性質に類似する多くの光学性質を有するため、現在の電気的半導体回路と同様な光学回路の開発を可能にし得る。フォトニック結晶を形成するために用いられる要素サイズおよび、これらの要素の高精度位置揃え要求が、これらの材料の製造を複雑にする。位置揃え技術の改善ならびに、マイクロ加工システムにおけるより小さな最小要素サイズ能力によって、この領域におけるさらなる発展が得られる可能性がある。
【０００７】
バイオテクノロジー
ＭＥＭＳ技術は、科学および工学において以下のような新しい発見を可能にしている。すなわち、ＤＮＡ増幅および同定のためのポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）マイクロシステム、マイクロ加工された走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）プローブチップ、有害な化学および生物物質の検出のためのバイオチップ、および、高スループットドラッグスクリーニングおよび選択のためのマイクロシステムである。
【０００８】
通信
共鳴トンネルデバイスの使用により得られ得る進歩に加えて、高周波回路もまた、ＲＦ−ＭＥＭＳ技術の出現により大きく恩恵を受け得る。ＭＥＭＳ技術を用いて作製したインダクタおよびチューナブルキャパシタなどの電気部品は、現在の対応する集積回路に比較して、有意により良く性能し得る。そのような部品を集積することにより、通信回路の性能が改善され得る一方、総回路面積、消費電力およびコストが減少し得る。さらに、いくつかの研究グループによって開発されているように、ＭＥＭＳ機械的スイッチは、様々なマイクロ波回路において多大な潜在能力を秘めたキー部品となり得る。デモンストレーションされたＭＥＭＳ機械的スイッチのサンプルは、以前に利用可能であったいかなるものよりもずっと高いＱファクターを有している。ＲＦ−ＭＥＭＳ部品の信頼性、高精度チューニング、そしてパッケージングは、ＲＦ−ＭＥＭＳ部品が市場においてより幅広く受け入れられるために解決されなければならない重要な問題点である。
【０００９】
マイクロ光学の進歩ならびにフォトニック結晶を用いた新しい光学デバイスの導入によりまた、通信技術は恩恵を受け得る。
【００１０】
加速度計
ＭＥＭＳ加速度計は、自動車両の衝突エアバッグ作動システムにおいて、従来の加速度計に急速にとって代わりつつある。従来のアプローチは、車の前部に実装された別個の部品からなるいくつかのかさ高い加速度計と、エアバッグ近傍の別の電子系とを用いるものである。ＭＥＭＳ技術は、従来のアプローチのコストの１／５から１／１０で、加速度計と電子系とを単一のシリコンチップ上に集積することを可能にした。従来のマクロスケールの加速度計素子に比較して、これらのＭＥＭＳ加速度計はずっと小さく、より機能的であり、より軽く、また信頼性が高い。
【００１１】
マイクロ回路
電子回路のサイズの縮小もまた、ＭＥＭＳ技術が多くの分野に影響し得る領域である。これらのマイクロ回路において部品や接続の密度が高まるにつれ、加工公差は減少する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
多くのアプリケーションにおいて、要素サイズには厳しい要求が存在する（場合によっては＜１０００ｎｍ）。これらの要素サイズ要求は、可変幅を有する直線および曲線部の両方の加工を含み得る。そのような可変幅の線は、マイクロ加工レーザのビームスポットおよびフルエンスを、線の最も狭い部分を加工するように設定し、より広い部分をわずかなオフセットをともなってトレースすることによって可変幅を産むことにより、加工され得る。この方法は、高精度かつ繰り返し可能な位置決め制御（場合によっては＜１０ｎｍ）を必要とし、線の中心の一部が、対応するエッジ部よりも多く加工されてしまう可能性がある。伝統的に、位置決めにしばしば用いられる移送台におけるヒステリシスのため、このような位置決め繰り返し性要求は従来のレーザマイクロ加工方法では満足することが困難であった。
【００１３】
あるいは、線の描画中において加工幅を変化させるようにマイクロ加工レーザのフルエンスを調整してもよいが、この方法は、幅の変化にともなって、加工された領域の加工深さおよび／または表面品質を望ましくなく変化させてしまい得る。したがって、サブミクロン要素のマイクロ加工は、電子ビーム、紫外線ビーム、およびＸ線リソグラフィ機、ならびに集束イオンビーム機によって支配される領域であった。これらの高コスト技術は通常、高度な真空またはクリーンルーム条件などの、厳しい環境条件を要求する。標準的なリソグラフィ方法では、複数のマスクを生成するためには別個の操作が必要となる。
【００１４】
ビーム処理法は、適正な処理のためには、高いレベルの精度でビーム（レーザ、電子、イオンなど）が正確に所望の位置に導かれることを要求する。現在４つの利用可能な技術（レーザ直接描画、集束イオンビーム描画、マイクロ放電機、および光化学エッチング）だけが、この潜在能力を有する。その他の技術（例えばイオンビーム加工（ion beam milling））は、平坦なウェハ処理においてのみ望ましい。ただし、レーザ直接描画は、（１）光照明下にある周囲大気中での動作、（２）透明材料中で構造を形成する能力、そして（３）低い材料依存性を含む、さらなる利点を有する。レーザ直接描画はまた、リソグラフィ技術の一環として、マスクセットを予め作製する必要なくフォトレジストを露光するためにも用い得る。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の実施形態例は、ワークピースの表面上にレーザ光パルスによりレーザ加工されるエリアの形状を制御する方法であって、その制御された形状は、所望の楕円形状を有し、その長軸が所望の方向に位置揃えされ、かつこの長軸の長さがレーザ光パルスのビームスポットの直径以下であるようにされる。レーザ光パルスを生成し、マイクロ構造ワークピースの目標エリア内のビームスポットに集束する。ビームスポットにおいてレーザ光パルスが楕円偏光され、かつレーザ光パルスの偏りの楕円の軸（長軸または短軸）が所望の方向に向いているように、レーザ光パルスの偏光を調整する。レーザ光パルスがマイクロ構造ワークピースの表面上に定加工キャパシティ等高線を有し、かつ定加工キャパシティ等高線は所望の楕円形状に実質的に同様な形状を有するように、レーザ光パルスの偏光の楕円率を調整する。ワークピースの表面の、レーザ光パルスによってレーザ加工されるエリアが実質的に所望の楕円形状であるように、ビームスポットにおける集束されたレーザ光パルスのフルエンスを制御する。
【００１６】
本発明の別の実施形態例は、マイクロ構造ワークピースの表面上に要素をレーザ加工する方法であって、上記要素は、その中心線に実質的に垂直に、可変のサブミクロン幅を有している。複数のレーザ光パルスを生成し、マイクロ構造ワークピースの目標エリア内のビームスポットに集束する。目標エリアのうち、円偏光レーザ光パルスによって加工されるエリアの直径が、その中心線に垂直な要素の最小幅に実質的に等しいように、目標エリアにおけるビームスポットのフルエンスを制御する。目標エリア内においてビームスポットの中心の位置を、要素の中心線に追従するように制御する。マイクロ構造ワークピースの表面のうち、１つのレーザ光パルスによって加工されるエリアが、そのパルスについてのビームスポットの中心に対応する中心線の入射点において中心線に実質的に垂直な長軸を有する実質的に楕円の形状を有するように、マイクロ構造ワークピースに入射する集束されたレーザ光パルスの偏光を制御する。また、レーザ光パルスによって加工される実質的に楕円の形状の長軸の長さは、対応する入射点における中心線に垂直な要素の幅に実質的に等しい。
【００１７】
本発明のまた別の実施形態例は、実質的に透過性のマイクロ構造ワークピース中に要素をレーザ加工する方法であって、上記要素は、その中心線に垂直に、実質的に楕円形の断面を有している。複数のレーザ光パルスを生成および集束し、実質的に透過性のマイクロ構造ワークピースの目標エリア内にビームウェストを形成する。ビームウェストの中心が一端から他端まで中心線に実質的に追従するとき、各レーザ光パルスの伝播方向が、中心線上のビームウェストの中心に対応する点において、要素の中心線に実質的に平行になるように、目標エリア内におけるビームウェストの位置揃えおよび位置を制御する。目標エリア内における１つのパルスレーザ光の偏光を、１つのパルスがビームウェスト内に定加工キャパシティ等高面を有し、かつ上記定加工キャパシティ等高面が、上記パルス中のビームウェストの中心に対応する中心線上の点において、上記パルスの伝播方向に垂直に、要素の実質的に楕円形の断面に実質的に共焦である断面形状を有するように、制御する。ビームウェストの中心に対応する点において、上記パルスによって加工される目標エリアの領域が、中心線に垂直な要素の実質的に楕円形の断面に実質的に合致するように、ビームウェストにおける上記パルスのフルエンスを制御する。
【００１８】
本発明のさらなる実施形態例は、レーザ加工によって形成された複数のマークによって表面上にデータを格納する方法である。上記マークのそれぞれは、１より大きい所定の数の方向のうち１つに位置揃えされた形状長軸を有する所望の楕円形状を有する。上記数の方向から選択された一連の方向に、データをエンコードする。複数のレーザ光パルスを生成および集束して、表面上にビームスポットを形成する。各レーザ光パルスが、ゼロより大きい所定の楕円率を有する偏りの楕円を有し、かつ各レーザ光パルスによってレーザ加工される表面のエリアが実質的に所望の楕円形状であるように、表面に入射する複数の集束されたレーザ光パルスの偏光およびフルエンスを調整する。各集束されたレーザ光パルスが、表面上の別の位置を加工するように、ビームスポットを表面上にスキャンする。各集束されたレーザ光パルスの偏りの楕円の偏光長軸が、順に、データを表すようにエンコードされた一連の方向のうち１つに対応する上記方向のうち１つに対して実質的に位置揃えされるように、表面に入射する集束されたレーザ光パルスの偏りの楕円を回転する。
【００１９】
本発明のさらに別の実施形態例は、レーザ加工によって形成された複数のマークによって表面上にデータを格納する方法である。上記マークのそれぞれは、ある方向に位置揃えされた形状軸を有する楕円形状および、１より大きい所定の数の楕円率から選択された楕円率を有する。上記数の楕円率から選択された一連の楕円率に、データをエンコードする。複数のレーザ光パルスを生成および集束して、表面上にビームスポットを形成する。各レーザ光パルスが、所定方向に位置揃えされた偏光長軸を有する偏りの楕円を有するように、表面に入射する集束されたレーザ光パルスの偏光およびフルエンスを調整する。各集束されたレーザ光パルスが、表面上の別の位置を加工するように、ビームスポットを表面上にスキャンする。各集束されたレーザ光パルスの偏りの楕円の偏光楕円率が、順に、データを表すようにエンコードされた一連の楕円率のうち１つに対応する上記楕円率のうち１つに実質的に設定されるように、表面に入射する集束されたレーザ光パルスの偏りの楕円の楕円率を変更する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明は、以下の詳細な説明を添付の図面とともに読んだときもっともよく理解される。一般に行われるように、図面の様々な要素は縮尺通りではないことを強調しておく。逆に、明瞭さのために様々な要素の寸法を任意に拡大または縮小している。図面には以下の図が含まれる。
【００２１】
図１は、本発明によるレーザマイクロ加工システム例の単純化したブロック図を示す。このシステム例は、超高速レーザ源１００と、シャッタ１０２と、可変アッテネータ１０４と、二色性ミラー１０６および１１８と、直線偏光回転器１０８と、回転可能な１／４波長板１１０と、レンズ１１２、１１６および１２０と、マスク１１４と、ワークピースホルダ１２２とを備えている。このマイクロ加工レーザシステム例の光ビーム路は、点線として示している。
【００２２】
本システム例において、超高速レーザ源１００は望ましくは、超高速レーザ加工アプリケーションにおいて典型的に用いられる任意のタイプの利得媒体を含み得る。例えば、固相ゲイン材料、レーザ色素ゲイン材料、および／または、エキシマガスを含む気体ゲイン材料である。高調波生成結晶および／または増幅器をこの部材内において用い得る。超高速レーザ源１００は望ましくは、約１ｎｓ未満、典型的には１ｐｓ未満の期間を有する、ほぼフーリエ変換限界のパルスを生成する。望ましくは、周波数２逓倍、１５０ｆｓのＴｉ：サファイアレーザ（例えばＣｌａｒｋ  ＭＸＲ  ＣＰＡ２０００）をレーザとして用い得る。レーザ源は１００はまた望ましくは、そのレーザビーム出力の平行化を制御する光学系を有する。シャッタ１０２を用いてレーザ出力を制御する（すなわち加工中には開き、加工しないときには閉じてビームをブロックする）。これによりマイクロ加工システム例内の他の部品の寿命を延ばし得る。
【００２３】
可変アッテネータ１０４は望ましくはパルスエネルギー、ひいてはビームフルエンスの微妙な制御を可能にする。可変アッテネータ１０４は望ましくは、超高速レーザにともなう高いピークパワーに耐え得る、偏光タイプの制御可能な可変アッテネータである。例えばＰｏｃｋｅｌｓセル、Ｋｅｒｒセル、または液晶などの、制御可能な偏光回転素子の両側に設けられた一対の直線偏光子である。または、固定の直線偏光子および回転可能な偏光子を、可変アッテネータ１０４として用い得る。得られるパルスエネルギーの制御は、特定の波長の光について達成し得る最小スポットサイズよりも小さな要素の加工のために、望ましい。公開済み米国特許出願ＵＳ−２００３−０２０１５７８−Ａ１、Ｍ．ＬｉらのMETHOD OF DRILLING HOLES WITH PRECISION LASER MICROMACHININGに記載されるように、超高速マイクロ加工レーザの場合、ビームスポットの回折限界のサイズよりも小さな微細要素をマイクロ加工することが可能である。
【００２４】
図１のマイクロ加工レーザシステム例において、可変アッテネータ１０４はまた望ましくは、既知の方向に直線偏光されたレーザ光を生成する。これは、直線偏光が図１に示す偏光制御システム（直線偏光回転器１０８および回転可能な１／４波長板１１０）のための入力光として望ましいからである。この偏光制御システム例では直線偏光された入力光を用いているが、入力光の偏光が既知である限り、偏光制御システムの素子のわずかな変更ともに他の偏光を有する入力光を用いてもよいことが、当業者には理解される。また、固定の直線偏光子（図示せず）を直線偏光回転器１０８の前に加えてもよいことに留意されたい。
【００２５】
望ましくは、ミラー１０６およびミラー１１８の両方とも、レーザパルスの帯域全体を通じて高反射率（＞９５％）を有し、かつ超高速レーザ源１００のピーク波長近傍において望ましくは最小の吸収を有するように設計された、二色性ミラーである。これらの二色性ミラーは望ましくは、超高速レーザ源１００において発生されるレーザ光パルスのピーク波長程度の厚さを有する、多数の誘電体層から形成される。これらの二色性ミラーの所望の高反射率帯域が広くなるにつれ、この層状誘電体構造はより複雑になる。したがって、これらのパルスの帯域を、そのフーリエ変換限界近傍に実質的に保つことが望ましい。
【００２６】
この二色性ミラー対１０６および１１８は、ＵＶレーザビームの操縦を可能にする。二色性ミラー１１８は望ましくは、偏光制御システムから透過されたレーザ光パルスの偏光を変更しないように偏光保存性であるが、二色性ミラー１１８に起因する任意の既知の偏光変化は、偏光制御システムによって補償されてもよい。また二色性ミラー１１８は望ましくは、可視光モニタリングシステム（図示せず）を用いて可視光がワークピースを照明および撮像するために、効率よく透過されることを可能にする。
【００２７】
直線偏光回転器１０８は望ましくは、回転可能な１／２波長板として機能する制御可能な偏光回転素子であり、これは、可変アッテネータ１０４を透過した減衰されたレーザパルスの偏光方向を、所望の角度に制御可能に回転するために用いられ得る。直線偏光回転器１０８は望ましくは、物理的に回転され得る１／２波長板、あるいは、印加された電場に基づいて光の偏光方向を制御された量だけ回転させ得るＰｏｃｋｅｌｓセル、Ｋｅｒｒセル、または液晶などの電子光学デバイスであり得る。そして回転可能な１／４波長板１１０が、レーザ光パルスの偏光を楕円偏光を有するように変換する。
【００２８】
本発明において、楕円偏光はその一般的な意味で用いられる。すなわち、直線偏光および円偏光を、偏りの楕円の楕円率がそれぞれ１および０に等しい特殊な例として、含む。直線偏光回転器１０８は望ましくは、１８０°の範囲で、レーザ光パルスの偏光を回転させる。回転可能な１／４波長板１１０は望ましくは、９０°の範囲で回転可能である。回転可能な１／４波長板１１０の９０°の回転範囲は、偏りの楕円の軸のうちいずれかを任意の角度に設定することを可能にする。直線偏光回転器１０８が可能にする偏光角回転の１８０°の範囲は、偏りの楕円のいずれかの軸を長軸として選択することを可能にし、また、回転可能な１／４波長板１１０のすべての設定について偏りの楕円の楕円率を０から１まで変化させることを可能にする。この組み合わせは、すべての可能な楕円偏光を達成することを可能にする。なお、直線偏光回転器１０８が物理的に回転可能な１／２波長板である実施形態例において、減衰されたレーザパルスの偏光方向は、１／２波長板が回転される１度毎につき２度回転することに留意されたい。したがって、２つの物理的に回転可能な波長板が偏光制御システムに用いられるとき、両波長板は望ましくは９０°の回転範囲を有する。
【００２９】
楕円偏光のパルスは、マスク１１４のピンホールを通じて、レンズ１１２により集束され、その後レンズ１１６によって再平行光化され得る。ピンホールは、ワークピース１２４の表面に縮小イメージを形成するための対物レンズとして用い得る。レンズ１１２および１１６は望ましくは、レーザ光パルスの帯域内において、低い吸収率および低い色収差を有する。
【００３０】
次にレーザビームを、二色性ミラー１１８によってレンズ１２０に導く。レンズ１２０は、ワークピースホルダ１２２によって定位置に保持されているワークピース１２４表面上の目標エリアに、ビームを集束させる。なお、レンズ１２０は望ましくは、ＵＶ顕微鏡の対物レンズ、単一のレンズ、またはいくつかの別個の光学素子からなり得るが、この最後の選択肢を取った場合にはシステムの位置揃えが複雑になることに留意されたい。いずれの選択肢を用いた場合でも、この素子もまた望ましくはレーザ光パルスの帯域内において低い吸収率および低い色収差を有する。楕円偏光のレーザ光パルスは、ワークピースの表面において回折限界のまたはほぼ回折限界のスポットに集束され得ることにより、最小要素サイズの加工を可能にし得る。
【００３１】
ワークピースホルダ１２２は望ましくは、マイクロメートル分解能を持つコンピュータ制御ＸＹＺ移送台（例えばＢｕｒｌｅｉｇｈ製のミクロン分解能）を有する。またナノメートル分解能を持つコンピュータ制御の圧電ＸＹ移送台（例えばＱｕｅｅｎｓｇａｔｅ製の圧電ＸＹ移送台）を、ＸＹＺ移送台とともに、あるいはその代わりに用いてもよい。ＸＹＺ移送台を用いて、ワークピース１２４をレンズ１２０に近づけたり遠ざけたりすることにより、レーザ光パルスの集光が達成され得る。ワークピースホルダ１２２のこれらの１つまたは２つのコンピュータ制御移送台、レーザマイクロ加工システムのビームスポットをワークピース１１４の表面上に位置揃えするために用い得、マイクロメートル分解能ＸＹＺ移送台が粗い位置決めを提供し、圧電移送台が微妙な位置決めを提供する。ワークピースホルダ１２２はまた望ましくは、分角分解能を持つコンピュータ制御φθ角度移送台を有してもよい。
【００３２】
あるいは、ナノメートル分解能を持つ、マスク１１４に結合されたコンピュータ制御の圧電ＸＹ移送台（図示せず）を、レーザマイクロ加工システムのビームスポットのワークピース１２４上における微妙な位置揃えに用い得る。前述のように、ワークピース１２４表面上における加工ビームスポットサイズは、回折限界であってもよい。マスク１１４のピンホールは、所望の加工ビームスポットサイズより大きてもよく、またレンズ１１６および１２０の焦点距離は、ピンホールの縮小イメージを加工ビームスポットとして提供するように選択されてもよい。マスク１１４におけるビームサイズがピンホールより大きい場合、集束されたレーザビーム内においてピンホールを動かすことにより、ワークピース１２４表面に形成されたビームスポットを、スケール化した量だけ移動させることが可能になり、このことによりビームスポット位置揃えの最終精度が上がる。このスケール化は、ピンホールサイズの加工スポットサイズに対する比に基づき、この比は望ましくは１０：１以上であり得る。１０：１比および、ナノメートル分解能を持つコンピュータ制御圧電ＸＹ移送台を用いてマスクを移動させた場合、加工ビームスポットの位置決めは、よりよい精度で制御され得る。
【００３３】
図１のレーザマイクロ加工システム例における素子のうちいくつかの順番は、システムの機能を変更することなく並べ替えることが可能であることが当業者には理解される。例えば、シャッタ１０２は、加工レーザビームのビーム経路上の任意の場所（図１に示す位置から＃レンズ１２０の直前まで）に配置され得、また偏光回転器１０６および回転可能な１／４波長板１１０は、レンズ１１６または二色性ミラー１１８の後に配置され得る。可変アッテネータ１０４と同様であるが、偏光回転器１０６の入力光が他に偏光されない限りは、可変アッテネータ１０４は偏光回転器１０６の前に存在するままの方が望ましい。
【００３４】
円偏光は、ビームがガウス０，０ビーム強度曲線を有するレーザマイクロ加工システムについて、ワークピース面上あるいはワークピースの本体中に、最小サイズかつ一貫して円形である加工エリアを生成することがわかっている。したがって、実質的にガウスビーム強度曲線を有するビームの使用と同様に、円偏光は、最も小さくかつ最も再現性の高い要素をレーザ加工で形成するために望ましくあり得る。他の楕円偏光は、偏りの楕円の長軸に向かって長細い、おおよそ楕円形状のレーザ加工されたエリアを形成する。これらの長細いエリアは、円偏光パルスによって加工された円形のエリアの直径を、実質的にその短軸の長さとして維持することが、わかっている。
【００３５】
図１のレーザマイクロ加工システム例は、予め存在するマイクロ構造上のサブミクロン要素のレーザ加工を可能にするようにも、新たなマイクロ構造の製造を可能にするようにも動作され得る。マイクロ構造の大量カスタマイゼーションおよび、欠陥を有するマイクロ構造の修理も、このシステム例を用いて達成し得る。図２は、本発明による、ワークピースの表面上にレーザ光パルスによりレーザ加工されるエリアの形状を制御する方法例を示すフローチャートである。なお、ワークピースの表面上の要素のレーザ加工は、いくつかの異なる形の材料処理を含み得ることに留意されたい。例えば、ワークピースにネガティブ構造を形成するためのワークピースの材料のアブレーションや、ワークピース上にポジティブ構造を形成するためのマイクロ構造ワークピースの表面の堆積材料のレーザ補助化学蒸着や、ワークピースのさらなる処理を助けるためのマイクロ構造ワークピースの表面のフォトレジストの露光や、ワークピース材料の構造の永久的な変更、例えば屈折率の変更、格子構造の変更、あるいはワークピース材料の化学組成の変更である。この方法例は、図１のシステム例と同様なレーザマイクロ加工システムを用いて行い得る。
【００３６】
この方法例において、ワークピースの表面上にレーザ加工される形状は、所定の楕円形状であり得る。所定の楕円形状は、レーザ光パルスのビームスポットの半波高全幅値（ＦＷＨＭ）以下の長軸長（多くのマイクロ加工レーザシステム例において＜１０００ｎｍ）を有し得る。この長軸は望ましくは、任意の所望の方向に位置揃えされる。
【００３７】
図１の超高速レーザ源１００のようなパルス化レーザ源により、レーザ光パルスを生成する（ステップ２００）。レーザ光パルスは、マイクロ構造ワークピースの目標エリア内のビームスポットに集束される。（ステップ２０２）。ビームスポットのＦＷＨＭは、最小サイズの要素の加工を可能にするために、実質的に回折限界であってもよい。なお理想的には、レーザ加工されたエリアのエッジは、ビームスポットの強度曲線の傾きの最も急峻な部分近くにあってもよいことに留意されたい。これは、ガウス強度曲線を有するビームにおいては、加工されたエリアの幅がガウス曲線のＦＷＨＭの約．７２であるときに起こる。したがってビームスポットのＦＷＨＭは、加工されるべき所望のエリアの長軸よりも大きいことが望ましく、好ましくはその４／３倍に近い。
【００３８】
マイクロ構造ワークピースの表面に入射するレーザ光パルスは、レーザビームの偏光によって影響され得る、定加工キャパシティ等高線を有する。図３は、３つのビームスポット偏光例における、ワークピース３００上の定加工キャパシティ等高線３０８、３１０、３１２、３１４、３１６、および３１８を示す。ビームスポット３０２は、円偏光ビーム例における、定加工キャパシティ等高線３０８、３１０、３１２、３１４、３１６、および３１８を示す。University of Erlanqen-Nurnbergのthe Institute for Optics. Information and Photonics におけるthe Annual Report of the Chair for Optics '02の第３７頁において、Ｒ．Ｄｏｒｎらは、ＨｅＮｅレーザビームを直線偏光すると非円形のフォーカルスポットが得られると言う知見を報告している。円偏光ではないレーザ光パルスについて、定加工キャパシティ等高線に対する偏光の影響は、Ｄｏｒｎらの図１ａに開示されたフォーカルスポットの形状における小さな変化よりも、大きいと見受けられる。この定加工キャパシティ等高線の離心率がフォーカルスポットに比べて高まっていることにより、幅広い範囲の実質的に楕円の形状を、単一のレーザ光の偏光制御パルスで加工することが可能になる。ビームスポット３０４および３０６は、偏りの楕円が異なる長軸を有する非円形の楕円偏光されたビーム例における、定加工キャパシティ等高線３０８、３１０、３１２、３１４、３１６、および３１８を示している。
【００３９】
レーザ光パルスの偏光は、レーザ光パルスのビームスポットが楕円偏光され、かつレーザ光パルスの偏りの楕円の軸が所望の方向に向けられるように、調整される（ステップ２０４）。図１のシステム例において、このレーザパルス偏光の調整は、レーザビーム中において、回転可能な１／４波長板１１０の光学軸を、ワークピースの表面における加工されるべきエリアの所望の方向に対して平行または垂直に位置揃えすることにより、達成され得る。レーザ光パルスの偏光の楕円率はまた、マイクロ構造ワークピースの表面上の定加工キャパシティ等高線が、所望の楕円形状に対して実質的に同様な形状を有するように、調整され得る（ステップ２０６）。
【００４０】
ステップ２０４において、ビームスポットにおいてレーザ光パルスが所定方向に直線偏光されるようにレーザ光パルスの偏光を調整することが望ましくあり得る。図１のシステム例を用いた場合、これは、直線偏光回転器１０８を用いて、回転可能な１／４波長板１１０に入射するパルスの偏光を、回転可能な１／４波長板１１０と同期して回転させ、直線偏光を回転可能な１／４波長板１１０の光軸と位置揃えされた状態に保つことにより、達成され得る。このように、ステップ２０６の開始時における偏りの楕円の楕円率は常に１である。回転可能な１／４波長板１１０に入射する直線偏光ベクトルを、同じ方向に０°から９０°さらに回転させることにより、すべての可能な楕円偏光を可能にし、その偏りの楕円が所望の方向に軸を有するようにできる。
【００４１】
レーザ光パルスによってレーザ加工されたワークピースの表面のエリアが実質的に所定の楕円形状を有するように、集束されたレーザ光パルスのフルエンスがビームスポットにおいて制御される（ステップ２０８）。図３において、ある選択したパルスフルエンス例における、ビームスポット３０２、３０４および３０６を示している。このパルスフルエンスの制御例では、これらのビームスポットのうちそれぞれの等高線３１４が、レーザ光パルス例によって加工されるエリアのエッジを規定することになる。
【００４２】
なお、この方法例において、ステップ２０２、２０４、２０６および２０８は、所与のレーザパルスについて実質的に同時に起こることに留意されたい。
【００４３】
図４は、マイクロ構造ワークピースの表面上にサブミクロン幅要素をレーザ加工する方法例を示す。図１のシステム例などのマイクロ加工レーザシステムを用い得る。この方法例は、要素の中心線に実質的に垂直な方向に、可変のサブミクロン幅を有する要素のレーザ加工を可能にする。図４の方法例は、望ましくは可変のサブミクロン幅を有する要素を有し得る、さまざまな異なるマイクロ構造を形成するために用い得る。限定されないが、これらは以下を含む。すなわち、マイクロ構造鋳型、量子セルラーオートマトン、結合量子ドットデバイス、共鳴トンネルデバイス、多機能光学アレイ、回折光学素子、ビームシェーパー、マイクロレンズアレイ、光学ディフューザ、ビームスプリッタ、レーザダイオード補正器、微細ピッチ格子、フォトニック結晶、マイクロ電気機械システム、マイクロ回路、マイクロ表面弾性波デバイス、マイクロメカニカルオシレータ、ポリメラーゼ連鎖反応マイクロシステム、有害な化学および生物物質検出のためのバイオチップ、ならびに高スループットドラッグスクリーニングおよび選択マイクロシステムである。この方法例は、可変幅を有する直線および／または曲線からなる要素、例えば、１つ以上のビームモード拡張部を備えたプレーナ導波路部などを形成するために、特に適し得る。
【００４４】
レーザ光パルスを生成する（ステップ４００）。これらのレーザ光パルスは、超高速レーザまたはパルス化エキシマレーザなどの任意の標準的なパルス化マイクロ加工レーザを用いて生成し得る。レーザ光パルスは、マイクロ構造ワークピースの目標エリア内のビームスポットに集束される（ステップ４０２）。ビームスポットは望ましくは回折限界であるが、図２の方法例を参照して上述したように、所望のビームスポットサイズは、理想的には加工される最小要素サイズに基づく。マイクロ加工レーザ光のパルスによって加工されるエリアはまた、ビームスポットにおけるパルスのフルエンスによっても影響される。望ましくは、目標エリアにおけるビームスポットのフルエンスは、円偏光レーザ光パルスによって加工されるエリアの直径が、要素の中心線に対して垂直な要素の最小幅に実質的に等しいように、制御される（ステップ４０４）。
【００４５】
図５は、図４の方法例を用いてワークピース５００の表面に加工され得る要素５０２を示している。要素５０２は、レーザ補助化学蒸着によりワークピース５００の表面上に形成された、あるいは、要素の境界内においてその屈折率を変更するようワークピース材料を加工することによってワークピース５００の表面に沿って形成された、プレーナ導波路構造であり得る。鎖線の円５０６は、円偏光レーザ光パルスによって加工されるべき所望のエリアを示す。ステップ４０４において説明したように、要素５０２の最小幅を用いて、ビームスポットにおけるフルエンスを、鎖線の円５０６が図５に示すように最小要素幅内におさまるように設定し得る。鎖線の楕円５０８は、要素５０２のレーザ加工中において、レーザ光パルスによって加工されるべき所望のエリア例を示す。
【００４６】
要素５０２のレーザ加工中において、ビームスポットの中心の位置は、要素の中心線５０４に追従するように制御される（ステップ４０６）。図５に示すように、この中心線は湾曲していてもよく、また直線部も有していてもよい。目標エリア内におけるビームスポットの中心の位置は、約１００ｎｍ未満の精度で望ましくは制御される。図１のシステム例に示すように、レーザ光パルスはピンホールマスク１１４を含むビーム経路に沿って伝播し、このピンホールマスク１１４は、ビーム経路内に配置されたピンホールを有する。このピンホールマスクは、横方向に移動可能であり得る。レーザ光パルスはピンホールマスク１１４上に集束され得、レンズ１１６および１２０は、ワークピースの目標エリアにおけるビームスポット直径がピンホールのピンホール直径より小さくなるような、縮小光学系として機能し得る。この場合、目標エリア内におけるビームスポットの中心の位置は、横方向に移動可能なピンホールマスクを、ピンホール直径のビームスポット直径に対する比に基づくスケール化した量だけ移動させることにより、大きな精度で制御し得る。あるいは、マイクロ構造ワークピースを直接移動させることにより、目標エリアにおけるビームスポットの中心の位置が制御されてもよい。
【００４７】
要素の中心線上の各位置において、マイクロ構造ワークピースに入射する集束されたレーザ光パルスの偏光が制御される（ステップ４０８）。偏光は望ましくは、各レーザ光パルスによって加工される表面のエリアが、図５の鎖線の楕円５０８によって示されるように、所与のパルスの中心に対応する中心線の入射点において、その長軸が中心線に対して実質的に垂直であるような実質的に楕円の形状を有するように、制御される。図示されるように、これらの実質的に楕円の形状の長軸の長さは望ましくは、入射点における中心線に垂直な要素の幅に等しい。
【００４８】
ステップ４０４で設定されるフルエンスは、各レーザ光パルスによって加工される材料の深さが実質的に一定であるように、選択され得る。ステップ４０６においてビームスポットが中心線に沿ってスキャンされる速度もまた、要素全体を通じて加工される材料の深さが実質的に一定の深さを維持することを可能にするように、選択され得る。
【００４９】
図６は、実質的に透過性のマイクロ構造ワークピースにおいて、その中心線に垂直な実質的に楕円形の断面を有する要素を、レーザ加工する方法例を示す。なお、実質的に透過性のワークピースにおける要素のレーザ加工は、いくつかの異なる形の材料処理を含み得ることに留意されたい。例えば、屈折率の変更、格子構造の変更、またはワークピース材料の化学組成の変更である。他の本発明の方法例と同様に、この方法例は、図１のシステム例と同様なレーザマイクロ加工システムを用いて実行し得る。
【００５０】
図６の方法例は、楕円形の断面を有する内部要素を有し得る、様々な異なるマイクロ構造を形成するために用い得る。例えば、量子セルラーオートマトン、結合量子ドットデバイス、共鳴トンネルデバイス、多機能光学アレイ、回折光学素子、ビームシェーパー、マイクロレンズアレイ、光学ディフューザ、ビームスプリッタ、レーザダイオード補正器、微細ピッチ格子、フォトニック結晶、マイクロ電気機械システム、マイクロ回路、マイクロ表面弾性波デバイス、マイクロメカニカルオシレータ、ポリメラーゼ連鎖反応マイクロシステム、有害な化学および生物物質の検出のためのバイオチップ、および高スループットドラッグスクリーニングおよび選択マイクロシステムである。この方法例は、１つ以上のビームモード拡張部および／または偏光シフト部を有する楕円導波路デバイス例などの、可変幅および／または向きを有する楕円形の断面を備えた要素を形成するために特に適し得る。
【００５１】
図４の方法例におけるように、レーザ光パルスを生成する（ステップ６００）。これらのレーザ光パルスを集束し、実質的に透過性のマイクロ構造ワークピースの目標エリア内に、ビームウェストを形成する（ステップ６０２）。ビームウェスト内において、レーザ光パルスは、おおよそ楕円状の定加工能力等高面を有する。これらの面は、面のレーザ加工について、図２を参照して前述した定加工能力等高線と同様である。材料内のレーザ加工によりこれらの３次元面が得られるため、レーザパルスをワークピース内に集束するためには高開口数レンズを用いることが望ましくあり得る。このことはビームを集束する角度を増加し、したがっておおよそ楕円状である定加工能力等高面を光の伝播方向に平らにすることにより、加工された要素のサイズおよび形状のさらなる制御を可能にする。
【００５２】
ビームウェストの中心が要素の中心線の一端から他端まで実質的に中心線に追従するように、目標エリア内におけるビームウェストの位置揃えおよび位置を制御する（ステップ６０４）。ビームウェストの中心が、好ましくはワークピースホルダに装着された際の要素の最も深い部分から最も浅い部分にかけて、中心線に追従する際、中心線上のビームウェストの中心に対応する点において、レーザ光パルスのそれぞれの伝播方向は要素の中心線に対し実質的に平行に位置揃えされる。目標エリア内におけるビームウェストの中心の位置は望ましくは、実質的に透過性のマイクロ構造ワークピースを移動させることにより、約１００ｎｍ未満の精度である。
【００５３】
レーザ光パルスのそれぞれに対して、マイクロ構造ワークピースの目標エリア内の偏光を制御する（ステップ６０６）。各パルスの制御された偏光は、所与のレーザ光パルスが、ある断面形状をレーザ光パルスの伝播方向に対して垂直に有するような定加工キャパシティ等高面を、そのビームウェスト中に有するようにされる。この断面形状は、所与のレーザ光パルス中のビームウェストの中心に対応する中心線上の点において、要素の実質的に楕円形の断面に対し、実質的に共焦である。
【００５４】
ビームウェスト内における各レーザ光パルスのフルエンスも制御する（ステップ４０８）。このフルエンス制御は望ましくは、各レーザ光パルスが、ビームウェストの中心に対応する点における中心線に垂直な要素の所望の楕円形の断面に実質的に合致する、目標エリアのある領域を加工するようにさせる。
【００５５】
図６の方法を用いて形成し得る１つの要素例は、楕円導波路である。なお、楕円導波路は、その有利な伝播および透過モード特性のため、マイクロ波および弾性波アプリケーションに幅広く用いられることに留意されたい。楕円導波路を加工する場合、レーザ加工が始まる中心線の第１端は実質的に透過性のマイクロ構造ワークピースの裏側面上にあり、レーザ加工が終わる中心線の第２端は実質的に透過性のマイクロ構造ワークピースの表側面上にある。なお、本明細書において、表側面および裏側面と言う呼称は、楕円導波路例の入力／出力ポートとして用いられる実質的に透過性のマイクロ構造ワークピースの任意の２つの表面エリアを指し、したがってこれらの面は平行である必要はないことに留意されたい。
【００５６】
図７は、図６の方法によってレーザ加工を用いて導波路内の材料の屈折率を変更することにより、実質的に透過性のマイクロ構造ワークピース７００内に形成された、２つの導波路例７０２および７０４を示す。鎖線７０６おび７０８はそれぞれ、導波路部例７０２および７０４の中心線を示す。導波路例７０２は、ゼロに近い楕円率を有する楕円形の断面を有する（すなわち円形  または円形に近い）。長軸の長さ（あるいは円形断面の直径）は、導波路７０２の端部でビームモード拡張部を形成するこの導波路の中央部で増大する。導波路例７０４は、一定の長軸長で楕円形の断面を有する。アジマス角（すなわち楕円形の断面の長軸の方向）は、この楕円導波路例の長さに沿って約９０°にわたって変化される。もっと大きなスケールでは、同様ならせんねじれ楕円導波路部が、マイクロ波の偏光の制御に用いられてきた。図６の方法例は、可視およびＵＶアプリケーションのための偏光シフト部を含む、導波路７０４などのサブミクロン寸法の楕円導波路のレーザ加工を可能にする。
【００５７】
図７の２つの楕円導波路例は、図６の方法例を用いて加工し得る２つの可能な構成の単なる例であり、限定的なものではない。例えば、導波路例７０２および７０４における中心線７０６および７０８は直線状であるが、図６の方法例を用いて、湾曲部を含む中心線を有する導波路を形成し得ることに留意されたい。また断面が可変の楕円率を有するような導波路を形成してもよい。
【００５８】
図８は、レーザ加工によって形成されたマークによって表面上にデータを格納する方法例を示す。この方法例において、マークのそれぞれは所定の楕円形状を有し、その長軸は、所定の数の方向のうちの１つに位置揃えされ得る。この格納方法において表面上に最大情報密度を達成するためには、所定の楕円形状の長軸の長さが、これらのマークを加工するために用いられるレーザ光パルスのピーク波長未満であることが望ましくあり得る。
【００５９】
データは、所定の数の方向から選択された一連の方向（シンボル）にエンコードされる（ステップ８００）。レーザ光パルスが生成され集束されることにより、データが格納されるべき表面上にビームスポットを形成する（ステップ８０２）。表面に入射する集束されたレーザ光パルスの偏光およびフルエンスを、各レーザ光パルスによってレーザ加工される表面のエリアが、実質的にコード中におけるマークの所定の楕円形状であるように、調整する（ステップ８０４）。表面上の非円形のマークを単一のパルスによって加工することを可能にするために、各レーザ光パルスの偏りの楕円は、ゼロより大きい所定の楕円率を有する。この偏光楕円率は、図２の方法例について上述したように、得られる加工されたマークにおいて最大の楕円率を達成するためには、約１に設定されることが望ましくあり得る。
【００６０】
各集束されたレーザ光パルスが表面上の別の位置を加工するように、ビームスポットを表面にスキャンする（ステップ８０６）。各レーザ光パルスが順に表面上に集束される際、その偏りの楕円の長軸が、ステップ８００においてエンコードされる一連の方向のうちの次のものに対応する方向に実質的に位置揃えされるように、表面に入射する偏りの楕円を回転する（ステップ８０８）。したがって、表面上にレーザ加工される一連のマークは、エンコードされる一連の方向に合致し、データを表現し得る。
【００６１】
得られるエンコードされたデータを一般的な２値コードに容易に相関させるためには、コード中の所定の方向の数（すなわちシンボルの数）が２の累乗（２、４、８など）に等しいことが望ましくあり得るが、このエンコード方法は必要ではない。図９は、２の累乗に等しい数のシンボル（この場合４）を用いた、図８の方法例によるデータ格納例を示す。シンボル９０２、９０４、９０６および９０８（望ましくはそれぞれ数値０、１、２および３を表す）が、格納媒体９００の表面上に加工される。これらのシンボルのそれぞれは、実質的に同じ楕円形状を有し、固有の方向に位置揃えされる。シンボルは、図示するように、各列が２値データの１バイトを表すような４列に並べられてもよい。
【００６２】
図１０は、レーザ加工によって形成されたマークによって表面上にデータを格納する、別の方法例を示す。図８の方法例と同様に、各マークは楕円形状を有するが、この実施形態例においては、楕円形状の長軸の方向ではなく楕円率を変化させることによって、データがエンコードされる。
【００６３】
データは、所定の数の楕円率から選択される一連の方向（シンボル）にエンコードされる（ステップ１０００）。レーザ光パルスが生成され集束されることにより、データが格納されるべき表面上にビームスポットを形成する（ステップ１００２）。表面に入射する集束されたレーザ光パルスの偏光およびフルエンスを、各レーザ光パルスが、その偏光長軸が所定方向に位置揃えされた偏りの楕円を有するように、調整する（ステップ１００４）。
【００６４】
各集束されたレーザ光パルスが表面上の別の位置を加工するように、ビームスポットを表面上にスキャンする（ステップ１００６）。各レーザ光パルスが順に表面上に集束される際、その偏りの偏光楕円率が、ステップ１０００においてエンコードされる一連の楕円率のうちの次のものに対応するように実質的に設定されるように、表面に入射するその偏りの楕円の楕円率が変更される（ステップ１００８）。したがって、表面上にレーザ加工される一連のマークは、エンコードされる一連の方向に合致し、データを表現し得る。
【００６５】
図１１は、楕円率１、０および−１に対応する３つのシンボルを用いた、図９の方法例によるデータ格納例を示す。シンボル１１０２、１１０４、１１０６および１１０８（望ましくはそれぞれ数値０、１および２を表し得る）が、格納媒体１１００の表面上に加工される。
【００６６】
本発明は、可変の偏光特性を有するレーザ光パルスを用いて要素をレーザ加工するいくつかの方法を包含する。このような技術は、レーザマイクロ加工の使用領域を拡張する助けになり得る。本発明を特定の実施形態について図示および説明したが、本発明は示された詳細に限定されるものではない。むしろ、請求項の均等物の範疇・範囲内において、本発明から逸脱することなく、詳細について様々な改変をなし得る。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の方法例において用い得る、レーザマイクロ加工システム例のブロック図である。
【図２】本発明による、レーザマイクロ加工システム例によって加工されたエリアの形状を制御する方法例を示すフローチャートである。
【図３】図２の方法例を用いたレーザマイクロ加工システム例によって加工されたエリア例の概略図である。
【図４】本発明による、可変幅を有する線をワークピースの表面上にレーザ加工する方法例を示すフローチャートである。
【図５】図４の方法例を用いてレーザ加工された、可変幅を有する線の例の概略図である。
【図６】本発明による、可変断面を有する要素をワークピース中にレーザ加工する方法例を示すフローチャートである。
【図７】図６の方法例を用いてレーザ加工された、可変断面を有する要素例の概略図である。
【図８】本発明による、レーザマイクロ加工システム例を用いてデータを表面にエンコードする方法例を示すフローチャートである。
【図９】図８の方法例を用いてエンコードされたデータ例の概略図である。
【図１０】本発明による、レーザマイクロ加工システム例を用いて表面にデータをエンコードする別の方法例を示すフローチャートである。
【図１１】図１０の方法例を用いてエンコードされたデータ例の概略図である。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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