(57)【要約】  ２００ｎｍ未満の寸法を有する少なくとも１つの要素を有するマイクロ構造を、ワークピース上に製造する方法。約ｆｐｓ未満の期間および約３８０ｎｍ未満のピーク波長を有するＵＶレーザ光のパルスを生成する。これらのＵＶレーザ光のパルスを、ワークピース（１２４）の目標エリア内の実質的に回折限界のビームスポット（３０６）に集束する。ワークピース（１２４）の目標エリアにおけるこの実質的に回折限界のビームスポット（３０６）のフルエンスを、目標エリア（３０４）のうちＵＶレーザ光のパルスの１つによって加工された部分の直径が２００ｎｍ未満であるように制御する。
2007526129.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークピース上の２００ｎｍより小さい要素を加工するための超高速レーザマイクロ加工システムであって、
約１ｐｓ未満の期間および約３８０ｎｍ未満のピーク波長を有するＵＶレーザ光のパルスを生成するための超高速レーザ源と、
前記ワークピースを保持するためのワークピースホルダと、
前記保持されたワークピースの目標エリアを撮像する撮像システムと、
前記ＵＶレーザ光のパルスを、ビーム経路に沿って、前記超高速レーザ源から前記保持されたワークピースの前記目標エリアへと導くための導光光学系と、
前記ＵＶレーザ光のパルスを、前記目標エリア内の実質的に回折限界のビームスポットに集束する、フォーカシング機構と、
前記目標エリア内の前記実質的に回折限界のビームスポットの微妙な位置揃え制御を提供する、位置揃え機構と、
前記保持されたワークピースの前記目標エリアにおける前記超高速レーザマイクロ加工システムの前記実質的に回折限界のビームスポットのフルエンスを、前記目標エリアのうち前記ＵＶレーザ光のパルスの１つによって加工された部分の直径が２００ｎｍ未満であるように制御する、フルエンス制御手段と、
を備える超高速レーザマイクロ加工システム。
【請求項２】
前記フォーカシング機構および前記偏光制御光学系は、前記実質的に回折限界のビームスポットが実質的にガウス強度曲線を有し、２００ｎｍ以上の半波高全幅値（ＦＷＨＭ）を有するように、前記実質的に回折限界のビームスポットを制御する、請求項１に記載の超高速レーザマイクロ加工システム。
【請求項３】
前記ビーム経路において、前記保持されたワークピースの前記目標エリアに入射する前記集束されたＵＶレーザ光のパルスの偏光を制御する、偏光制御光学系をさらに備える、請求項１に記載の超高速レーザマイクロ加工システム。
【請求項４】
前記超高速レーザ源は、
前記ピーク波長が約３８０ｎｍである、周波数４逓倍Ｃｒ：ＹＡＧ超高速レーザまたは周波数２逓倍Ｔｉ：サファイア超高速レーザ、
前記ピーク波長が約３５５ｎｍである、周波数３逓倍Ｎｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＹＶＯ4超高速レーザ、
前記ピーク波長が約３５４ｎｍである、周波数３逓倍Ｎｄ：ＧｄＶＯ4超高速レーザ、
前記ピーク波長が約３４９ｎｍまたは約３５１ｎｍである、周波数３逓倍Ｎｄ：ＹＬＦ超高速レーザ、
前記ピーク波長が３４９ｎｍから３６２ｎｍの範囲である、周波数３逓倍Ｎｄ：ガラス超高速レーザ、
前記ピーク波長が約３０８ｎｍである、ＸｅＣｌ超高速エキシマレーザ、
前記ピーク波長が３０７ｎｍから３１８ｎｍの範囲である、周波数４逓倍Ｃｒ：苦土カンラン石超高速レーザ、
前記ピーク波長が約３０６ｎｍである、周波数２逓倍Ｐｒ：ＹＬＦ超高速レーザ、
前記ピーク波長が２９９ｎｍから３５５ｎｍの範囲である、周波数２逓倍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−ピラン超高速色素レーザ、
前記ピーク波長が２７７ｎｍから３１３ｎｍの範囲である、周波数２逓倍安息香酸、２−［６−（エチルアミノ）−３−（エチルイミノ）−２，７−ジメチル−３Ｈ−キサンテン−９−イル］−エチルエステル、一塩酸塩超高速色素レーザ、
前記ピーク波長が２７５ｎｍから２９２ｎｍの範囲である、周波数３逓倍Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ超高速レーザ、
前記ピーク波長が約２６６ｎｍである、周波数４逓倍Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ4またはＮｄ：ＧｄＶＯ4超高速レーザ、
前記ピーク波長が約２６２ｎｍまたは約２６３ｎｍである、周波数４逓倍Ｎｄ：ＹＬＦ超高速レーザ、
前記ピーク波長が２６２ｎｍから３００ｎｍの範囲である、周波数３逓倍２−（６−（４−ジメチルアミノフェニル）−２，４−ネオペンチレン−ｌ，３，５−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超高速色素レーザ、
前記ピーク波長が２６２ｎｍから２７２ｎｍの範囲である、周波数４逓倍Ｎｄ：ガラス超高速レーザ、
前記ピーク波長が約２５８ｎｍである、周波数４逓倍Ｙｂ：ＹＡＧ超高速レーザ、
前記ピーク波長が２５３ｎｍから２７４ｎｍの範囲である、周波数３逓倍Ｔｉ：サファイア超高速レーザ、
前記ピーク波長が約２４８ｎｍである、ＫｒＦ超高速エキシマレーザ、
前記ピーク波長が２１７ｎｍから２５０ｎｍの範囲である、周波数２逓倍７−ジエチルアミノ−４−メチルクマリン超高速色素レーザ、
前記ピーク波長が２０６ｎｍから２１９ｎｍの範囲である、周波数４逓倍Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ超高速レーザ、
前記ピーク波長が約２０４ｎｍである、周波数３逓倍Ｐｒ：ＹＬＦ超高速レーザ、
前記ピーク波長が１９９ｎｍから２３７ｎｍの範囲である、周波数３逓倍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−ピラン超高速色素レーザ、
前記ピーク波長が１９６ｎｍから２２５ｎｍの範囲である、周波数４逓倍２−（６−（４−ジメチルアミノフェニル）−２，４−ネオペンチレン−ｌ，３，５−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超高速色素レーザ、
前記ピーク波長が約１９３ｎｍである、ＡｒＦ超高速エキシマレーザ、
前記ピーク波長が１９０ｎｍから２０５ｎｍの範囲である、周波数４逓倍Ｔｉ：サファイア超高速レーザ、
前記ピーク波長が１８５ｎｍから２０８ｎｍの範囲である、周波数３逓倍安息香酸、２−［６−（エチルアミノ）−３−（エチルイミノ）−２，７−ジメチル−３Ｈ−キサンテン−９−イル］−エチルエステル、一塩酸塩超高速色素レーザ、
前記ピーク波長が約１５７ｎｍである、Ｆ2超高速エキシマレーザ、
前記ピーク波長が約１５４ｎｍである、周波数２逓倍ＸｅＣｌ超高速エキシマレーザ、
前記ピーク波長が約１５３ｎｍである、周波数４逓倍Ｐｒ：ＹＬＦ超高速レーザ、
前記ピーク波長が１４９ｎｍから１７８ｎｍの範囲である、周波数４逓倍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−ピラン超高速色素レーザ、
前記ピーク波長が１４５ｎｍから１６７ｎｍの範囲である、周波数３逓倍７−ジエチルアミノ−４−メチルクマリン超高速色素レーザ、
前記ピーク波長が１３９ｎｍから１５６ｎｍの範囲である、周波数４逓倍安息香酸、２−［６−（エチルアミノ）−３−（エチルイミノ）−２，７−ジメチル−３Ｈ−キサンテン−９−イル］−エチルエステル、一塩酸塩超高速色素レーザ、
前記ピーク波長が約１２４ｎｍである、周波数２逓倍ＫｒＦ超高速エキシマレーザ、
前記ピーク波長が１０９ｎｍから１２５ｎｍの範囲である、周波数４逓倍７−ジエチルアミノ−４−メチルクマリン超高速色素レーザ、または
前記ピーク波長が約１０３ｎｍである、周波数３逓倍ＸｅＣｌ超高速エキシマレーザ、
のうち１つを含む、請求項１に記載の超高速レーザマイクロ加工システム。
【請求項５】
前記撮像システムは、
照明光を生成するための照明源および前記ワークピースの前記目標エリアを撮像するデジタルカメラを含む、光学撮像システム、
走査電子顕微鏡、または
原子間力顕微鏡、
のうち１つを含む、請求項１に記載の超高速レーザマイクロ加工システム。
【請求項６】
前記フォーカシング機構は、前記ワークピースホルダに結合されたマイクロメートル分解能ＸＹＺ移送台を含む、請求項１に記載の超高速レーザマイクロ加工システム。
【請求項７】
前記位置揃え機構は、
前記ビーム経路に配置されたピンホールを有する横方向に移動可能なピンホールマスクと、
前記横方向に移動可能なピンホールマスクに結合された、ナノメートル分解能の圧電ＸＹ移送台と、
を有する、請求項１に記載の超高速レーザマイクロ加工システム。
【請求項８】
前記位置揃え機構は、前記ワークピースホルダに結合されたナノメートル分解能の圧電ＸＹ移送台を有する、請求項１に記載の超高速レーザマイクロ加工システム。
【請求項９】
前記フルエンス制御手段は、前記ビーム経路において可変アッテネータを有している、請求項１に記載の超高速レーザマイクロ加工システム。
【請求項１０】
２００ｎｍ未満の寸法を有する少なくとも１つの要素を有するマイクロ構造を、ワークピース上に製造する方法であって、
ａ）約１ｐｓ未満の期間および約３８０ｎｍ未満のピーク波長を有するＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
ｂ）前記ＵＶレーザ光のパルスを、前記ワークピースの目標エリア内の実質的に回折限界のビームスポットに集束するステップと、
ｃ）前記ワークピースの前記目標エリアにおける前記実質的に回折限界のビームスポットのフルエンスを、前記目標エリアのうち前記ＵＶレーザ光のパルスの１つによって加工された部分の直径が２００ｎｍ未満であるように制御するステップと、
を包含する方法。
【請求項１１】
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実質的に回折限界のビームスポット半波高全幅値が、前記目標エリアのうち前記ＵＶレーザ光のパルスの１つによって加工された前記部分の直径より大きくなるように、前記ＵＶレーザ光のパルスを集束することを包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
ｄ）前記目標エリア内の前記実質的に回折限界のビームスポットの位置を、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１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記ＵＶレーザ光のパルスは、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実質的に回折限界の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ＵＶレーザ光の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実質的に回折限界のビームスポットの位置を制御することを包含する、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
ステップ（ｄ）は、前記ワークピースを移動させることにより、前記ワークピースの前記目標エリア内の前記実質的に回折限界のビームスポットの位置を制御する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
ｄ）前記ワークピースの前記目標エリアに入射する前記集束されたＵＶレーザ光のパルスの偏光を制御するステップ
をさらに包含する請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記マイクロ構造は、マイクロ構造の鋳型、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つである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
ステップ（ａ）は、
ａ１）ＸｅＣｌ超高速エキシマレーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有し前記ピーク波長が約３０８ｎｍである前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップ
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
ステップ（ａ）は、
ａ１）ＫｒＦ超高速エキシマレーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有し前記ピーク波長が約２４８ｎｍである前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップ
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
ステップ（ａ）は、
ａ１）ＡｒＦ超高速エキシマレーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有し前記ピーク波長が約１９３ｎｍである前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップ
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項２０】
ステップ（ａ）は、
ａ１）Ｆ2超高速エキシマレーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有し前記ピーク波長が約１５７ｎｍである前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップ
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項２１】
ステップ（ａ）は、
ａ１）Ｔｉ：サファイア超高速レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を２逓倍することにより、前記ピーク波長が約３８０ｎｍである前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項２２】
ステップ（ａ）は、
ａ１）Ｐｒ：ＹＬＦ超高速レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を２逓倍することにより、前記ピーク波長が約３０６ｎｍである前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項２３】
ステップ（ａ）は、
ａ１）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−ピラン超高速色素レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を２逓倍することにより、前記ピーク波長が２９９ｎｍから３５５ｎｍの範囲である前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項２４】
ステップ（ａ）は、
ａ１）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−キサンテン−９−イル］−エチルエステル、一塩酸塩超高速色素レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を２逓倍することにより、前記ピーク波長が２７７ｎｍから３１３ｎｍの範囲である前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項２５】
ステップ（ａ）は、
ａ１）７−ジエチルアミノ−４−メチルクマリン超高速色素レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を２逓倍することにより、前記ピーク波長が２１７ｎｍから２５０ｎｍの範囲である前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項２６】
ステップ（ａ）は、
ａ１）ＸｅＣｌ超高速エキシマレーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を２逓倍することにより、前記ピーク波長が約１５４ｎｍである前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項２７】
ステップ（ａ）は、
ａ１）ＫｒＦ超高速エキシマレーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を２逓倍することにより、前記ピーク波長が約１２４ｎｍである前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項２８】
ステップ（ａ）は、
ａ１）Ｎｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＹＶＯ4超高速レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を３逓倍することにより、前記ピーク波長が約３５５ｎｍである前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項２９】
ステップ（ａ）は、
ａ１）Ｎｄ：ＧｄＶＯ4超高速レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を３逓倍することにより、前記ピーク波長が約３５４ｎｍである前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項３０】
ステップ（ａ）は、
ａ１）Ｎｄ：ガラス超高速レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を３逓倍することにより、前記ピーク波長が３４９ｎｍから３６２ｎｍの範囲である前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項３１】
ステップ（ａ）は、
ａ１）Ｎｄ：ＹＬＦ超高速レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を３逓倍することにより、前記ピーク波長が約３４９ｎｍまたは約３５１ｎｍである前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項３２】
ステップ（ａ）は、
ａ１）Ｙｂ：ＹＡＧ超高速レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を３逓倍することにより、前記ピーク波長が約３４３ｎｍである前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項３３】
ステップ（ａ）は、
ａ１）Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ超高速レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を３逓倍することにより、前記ピーク波長が２７５ｎｍから２９２ｎｍの範囲である前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項３４】
ステップ（ａ）は、
ａ１）２−（６−（４−ジメチルアミノフェニル）−２，４−ネオペンチレン−ｌ，３，５−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超高速色素レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を３逓倍することにより、前記ピーク波長が２６２ｎｍから３００ｎｍの範囲である前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項３５】
ステップ（ａ）は、
ａ１）Ｔｉ：サファイア超高速レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を３逓倍することにより、前記ピーク波長が２５３ｎｍから２７４ｎｍの範囲である前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項３６】
ステップ（ａ）は、
ａ１）Ｐｒ：ＹＬＦ超高速レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を３逓倍することにより、前記ピーク波長が約２０４ｎｍである前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項３７】
ステップ（ａ）は、
ａ１）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−ピラン超高速色素レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を３逓倍することにより、前記ピーク波長が１９９ｎｍから２３７ｎｍの範囲である前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項３８】
ステップ（ａ）は、
ａ１）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−キサンテン−９−イル］−エチルエステル、一塩酸塩超高速色素レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を３逓倍することにより、前記ピーク波長が１８５ｎｍから２０８ｎｍの範囲である前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項３９】
ステップ（ａ）は、
ａ１）７−ジエチルアミノ−４−メチルクマリン超高速色素レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を３逓倍することにより、前記ピーク波長が１４５ｎｍから１６７ｎｍの範囲である前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項４０】
ステップ（ａ）は、
ａ１）ＸｅＣｌ超高速エキシマレーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を３逓倍することにより、前記ピーク波長が約１０３ｎｍである前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項４１】
ステップ（ａ）は、
ａ１）Ｃｒ：ＹＡＧ超高速レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を４逓倍することにより、前記ピーク波長が約３８０ｎｍである前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項４２】
ステップ（ａ）は、
ａ１）Ｃｒ：苦土カンラン石超高速レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を４逓倍することにより、前記ピーク波長が３０７ｎｍから３１８ｎｍの範囲である前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項４３】
ステップ（ａ）は、
ａ１）Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ4またはＮｄ：ＧｄＶＯ4超高速レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を４逓倍することにより、前記ピーク波長が約２６６ｎｍである前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項４４】
ステップ（ａ）は、
ａ１）Ｎｄ：ガラス超高速レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を４逓倍することにより、前記ピーク波長が２６２ｎｍから２７２ｎｍの範囲である前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項４５】
ステップ（ａ）は、
ａ１）Ｎｄ：ＹＬＦ超高速レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を４逓倍することにより、前記ピーク波長が約２６２ｎｍまたは約２６３ｎｍである前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項４６】
ステップ（ａ）は、
ａ１）Ｙｂ：ＹＡＧ超高速レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を４逓倍することにより、前記ピーク波長が約２５８ｎｍである前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項４７】
ステップ（ａ）は、
ａ１）Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ超高速レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を４逓倍することにより、前記ピーク波長が２０６ｎｍから２１９ｎｍの範囲である前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項４８】
ステップ（ａ）は、
ａ１）２−（６−（４−ジメチルアミノフェニル）−２，４−ネオペンチレン−ｌ，３，５−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超高速色素レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を４逓倍することにより、前記ピーク波長が１９６ｎｍから２２５ｎｍの範囲である前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項４９】
ステップ（ａ）は、
ａ１）Ｔｉ：サファイア超高速レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を４逓倍することにより、前記ピーク波長が１９０ｎｍから２０５ｎｍの範囲である前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項５０】
ステップ（ａ）は、
ａ１）Ｐｒ：ＹＬＦ超高速レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を４逓倍することにより、前記ピーク波長が約１５３ｎｍである前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項５１】
ステップ（ａ）は、
ａ１）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−ピラン超高速色素レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を４逓倍することにより、前記ピーク波長が１４９ｎｍから１７８ｎｍの範囲である前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項５２】
ステップ（ａ）は、
ａ１）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−キサンテン−９−イル］−エチルエステル、一塩酸塩超高速色素レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を４逓倍することにより、前記ピーク波長が１３９ｎｍから１５６ｎｍの範囲である前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項５３】
ステップ（ａ）は、
ａ１）７−ジエチルアミノ−４−メチルクマリン超高速色素レーザを用いて、前記約１ｐｓ未満の期間を有するレーザ光の初期パルスを生成するステップと、
ａ２）前記初期パルスにおける前記レーザ光の周波数を４逓倍することにより、前記ピーク波長が１０９ｎｍから１２５ｎｍの範囲である前記ＵＶレーザ光のパルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＵＶ超高速レーザパルスを用いてマイクロ構造上の２００ｎｍより小さい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、２００ｎｍより小さい要素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。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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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】
【００１１】
フォトニック結晶やファイバーＢｒａｇｇ格子などのいくつかのアプリケーションにおいて、製造されたデバイスを機能させるためには、要素サイズ（場合によっては＜１０００ｎｍ）のみならず、これらのナノ要素の位置決め精度（例えば〜１０ｎｍ）にも、厳しい要求が存在する。伝統的に、これらの要素サイズと位置決め精度要求との両方とも、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。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動作が必要となる。
【００１２】
ビーム処理法を用いた場合、適正な処理のためには、高いレベルの精度でビームが正確に所望の位置に導かれることを、この処理は要求する。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ミリング）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。
【００１３】
典型的には、可視（色素レーザ）またはＩＲ域（Ｔｉ：サファイアまたはＮｄ：ＹＬＦの基本波長）の超高速レーザが、レーザ加工アプリケーションに用いられてきた。集束されたレーザビームの最小スポットサイズは、対物レンズのｆ＃の約２．４４掛けるレーザのピーク波長であること、すなわちスポットサイズはピーク波長に比例することが知られている。したがって、可視またはＩＲレーザがナノ加工に用いられるシステムにおいて、高開口数（低ｆ＃）の光学系が用いられたとしても、スポットサイズはサブミクロン要素を形成するためには望ましくないほど大きい。例えば、８００ｎｍのピーク波長を有するＴｉ：サファイアレーザおよび８００ｎｍにおいて１のｆ＃を有する光学系を用いたとしても、最小サイズビームスポットは直径１９５２ｎｍである。
【００１４】
この不利にもかかわらず、１９９９年後半および２０００年前半にかけて、３８７ｎｍのピーク波長を有する周波数２逓倍Ｔｉ：サファイアフェムト秒レーザにより、平坦なＳｉ−Ｏｎ−ＳｉＯ2基板に〜２００ｎｍのエアホールを加工する能力が示された。このサブミクロン要素は、ビームスポットのフルエンスを、レーザビームスポットの強度ピーク近傍でのみアブレーションが起こるように制御することにより、達成された。しかし、この技術は高精度ナノ加工に対してはいくつもの欠点を有する。なぜなら、実際に加工されるエリアの中心が、強度曲線の中心からややずれ得るからである。この加工中心の不確定性は、処理される材料の欠陥や不完全性によって引き起こされたり、あるいはビーム曲線の若干のパルス単位での変動に起因し得る。さらに、加工されたエリアのビームスポットに対する比が減少するにつれ、パルス間のフルエンス変動を減少させることがだんだん重要になってくる。
【００１５】
ピーク波長＜４００ｎｍ（主にエキシマレーザおよび周波数変換されたＹＡＧおよびＹＬＦレーザ）を有するＵＶレーザは、可視またはＩＲ域のレーザに比べて、優れた表面仕上げ性を提供することが示されている。また、最小スポットサイズは波長に比例するため、ＵＶレーザは、より小さなスポットサイズに集束され得る。これらのレーザのほとんどはパルス期間＞１ｎｓであるため、加工中において、周囲の材料中に望ましくない熱影響ゾーンを発生させ得る。したがって、これらのレーザは、多くのナノ加工アプリケーションにおいて望ましくない可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一実施形態例は、ワークピース上の２００ｎｍより小さい要素を加工するための超高速レーザマイクロ加工システムである。超高速レーザマイクロ加工システムは、ＵＶレーザ光のパルスを生成するための超高速レーザ源と、ワークピースを保持するためのワークピースホルダと、保持されたワークピースの目標エリアを撮像する撮像システムと、ＵＶレーザ光のパルスを、ビーム経路に沿って、超高速レーザ源から保持されたワークピースの目標エリアへと導くための導光光学系と、ＵＶレーザ光のパルスを、目標エリア内の実質的に回折限界のビームスポットに集束するフォーカシング機構と、目標エリア内の実質的に回折限界のビームスポットの微妙な位置揃え制御を提供する位置揃え機構と、保持されたワークピースの目標エリアにおける超高速レーザマイクロ加工システムの実質的に回折限界のビームスポットのフルエンスを制御するフルエンス制御手段と、を備える。超高速レーザ源によって生成されたＵＶレーザ光のパルスは、約１ｐｓ未満の期間および約３８０ｎｍ未満のピーク波長を有する。フルエンス制御手段は、目標エリアのうちＵＶレーザ光のパルスの１つによって加工された部分の直径が２００ｎｍ未満であるように、実質的に回折限界のビームスポットのフルエンスを制御する。
【００１７】
本発明の別の実施形態例は、２００ｎｍ未満の寸法を有する少なくとも１つの要素を有するマイクロ構造を、ワークピース上に製造する方法である。約１ｐｓ未満の期間および約３８０ｎｍ未満のピーク波長を有するＵＶレーザ光のパルスを生成する。これらのＵＶレーザ光のパルスを、ワークピースの目標エリア内の実質的に回折限界のビームスポットに集束する。ワークピースの目標エリアにおけるこの実質的に回折限界のビームスポットのフルエンスを、目標エリアのうちＵＶレーザ光のパルスの１つによって加工された部分の直径が２００ｎｍ未満であるように制御する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。
【００１９】
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、超高速レーザ発振器１００と、シャッタ１０２と、可変アッテネータ１０４と、高調波生成結晶１０６と、二色性ミラー１０８および１１８と、偏光制御手段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、ワークピース照明源１２６と、ビームスプリッタ１２８と、デジタルカメラ１３０とを備えている。本システム例における光ビームは、点線として示している。
【００２０】
本システム例において、超高速レーザ発振器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固相利得媒体を含み得る。例えば、Ｃｒ：ＹＡＧ（ピーク基本波長、λf＝１５２０ｎｍ）、Ｃｒ：苦土カンラン石（λf＝１２３０−１２７０ｎｍ）、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＝１０４７−１０８７ｎｍ）、Ｙｂ：ＹＡＧ（λf＝１０３０ｎｍ）、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ（λf＝８２６−８７６ｎｍ）、Ｔｉ：サファイア（λf＝７６０−８２０ｎｍ）、およびＰｒ：ＹＬＦ（λf＝６１２ｎｍ）である。これらの固相利得媒体は、エルビウムドーピングされたファイバレーザおよびダイオードレーザなどの標準的な光ポンピングシステムを用いて励起され得る。これらの標準的な光ポンピングシステムの出力パルスは、固相利得媒体に直接結合されてよく、あるいは固相利得媒体を励起するために用いられる前に、高調波生成を経てもよい。固相利得媒体（単数または複数）は、レーザ発振器、シングルパス増幅器(single pass amplifier)、および／またはマルチプルパス増幅器(multiple pass amplifier)のうち１つ以上として動作するように構成され得る。この素子はまた、レーザ光を実質的に平行光化するための光学系を有する。超高速レーザ発振器１００は望ましくは、約１ｐｓ未満、典型的には２００ｆｓ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。超高速レーザ発振器１００の出力パワーを増大するために、ＸｅＣｌ、ＫｒＦ、ＡｒＦまたはＦ2エキシマ増幅器（図示せず）などの、追加的な非固相のシングルまたはマルチプルパス増幅器を含めてもよい。または、超高速レーザ発振器１００は、超高速エキシマレーザシステム（例えばＸｅＣｌ、λf＝３０８ｎｍ、ＫｒＦ、λf＝２４８ｎｍ、ＡｒＦ、λf＝１９３ｎｍ、またはＦ2、λf＝１５７ｎｍ）、あるいは超高速色素レーザシステム（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−キサンテン−９−イル］−エチルエステル、一塩酸塩、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；または２−（６−（４−ジメチルアミノフェニル）−２，４−ネオペンチレン−１，３，５−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）を含み得る。
【００２１】
シャッタ１０２はレーザ出力を制御するために用いられる（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。
【００２２】
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、超高速レーザにともなう高いピークパワーに耐え得る、任意のタイプの制御可能な可変アッテネータであり得、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、特に重要である。上記のように、レーザマイクロ加工システムによって使用される光の波長は、そのシステムによって加工され得る最小要素サイズに影響する。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。
【００２３】
図３は、そのような要素をレーザ加工する方法例を示す。加工ビームスポット内におけるフルエンスの正確な制御は、本方法において非常に望ましい。図３の図示例において、レーザビームは、レーザマイクロ加工システム例のレンズ１２０によって集束されて、ワークピース１２４の上面上の回折限界のビームスポット３０６となる。ガウス曲線３００は、表面上のレーザビームの径方向フルエンスを表す。直線３０２は、デバイス材料の加工スレッショルドの一例である。レーザビームのピークフルエンスに依存して、直線３０２は、ガウス曲線３００の半波高全幅値（ＦＷＨＭ）の上側、下側、あるいは真上に位置する。ガウス曲線３００と直線３０２との交差点から延びる水平線は、ワークピース１２４の表面上にエリア３０４を規定する。したがって、エリア３０４が、表面のうちの、レーザによって直接加工される唯一の部分である。デバイス材料内における熱エネルギーの伝導によって、さらなる材料が加工され得るが、超高速レーザを用いたレーザ加工において、材料中のそのような熱影響ゾーンの形成は最小限になる。したがって、ピークフルエンスを可変アッテネータ１０４によって正確に制御することにより、エリア３０４のサイズを注意深く制御し得、超高速レーザの回折限界のスポットサイズより小さい微細要素の加工が可能になる。
【００２４】
図３からわかるように、エリア３０４の所望の直径が回折限界のビームスポット３０６の直径に対して小さくなるにつれ、加工スレッショルドにおけるビームフルエンス曲線の傾きはより浅くなる。より浅い傾きは、パルス間におけるビームスポットのピークフルエンスの小さな変動が、加工されたエリア３０４の望ましくないほど大きな不確定性につながることを意味する。また、ビームスポットのうちガウス曲線３００が浅い傾きを有する部分における加工は、加工されたエリア３０４の周囲の熱影響ゾーンを増大させ得る。理想的には、加工されたエリア３０４のエッジは、ガウス曲線３００の傾きの最も急峻な部分近くに位置し得る（加工されたエリア３０４の直径がガウス曲線３００のＦＷＨＭの約．７２であるとき）。したがって、より小さな要素の加工のためには、より短い波長の超高速レーザの使用に移行することが望ましい。
【００２５】
減衰されたビームは次に高調波生成結晶１０６に入射する。この結晶は、超高速レーザ発振器１００によって生成されたレーザパルスの基本周波数を２逓倍、３逓倍、または４逓倍することにより、超高速ＵＶパルスを生成するように設計され得る。この超高速ＵＶパルスは、望ましくは約３８０ｎｍより短いピーク波長を有し、１ｎｓ未満、好ましくは１００ｐｓ未満の期間を有する。高調波生成結晶１０６における高調波生成の効率は、結晶の厚さととも変動し得る。また、高調波生成結晶１０６の効率は、結晶に入射する基本光の強度とともに変動し得るので、可変アッテネータ１０４の所望の減衰の選択は、望ましくはこの変数をも考慮したものである。なお、高調波生成結晶は望ましくは、特定の入力基本波長および調波数について望ましい位相整合を提供するように、最適化され得ることに留意されたい。したがって、有意な範囲にわたって超高速レーザ発振器１００のピーク波長をチューニングすることも可能ではあり得るが、そのようなチューニングは高調波生成にとっては望ましくない。
【００２６】
また、本発明において望まれるような１ｎｓ未満の超高速レーザパルスにおいて、これらのパルスのフーリエ変換限界の帯域は比較的広くてよいことに留意されたい。そのような広帯域を用いた高調波生成は、高調波生成結晶１０６の出力側における基本波および高調波間の所望の位相整合条件によって、複雑となる。これらの比較的広帯域パルスについて所望の位相整合条件を達成するための１つの方法は、高調波生成結晶１０６の厚さを減らすことであるが、これは高調波生成の効率を低下させ得る。
【００２７】
望ましくは、ミラー１０８およびミラー１１８の両方とも、ＵＶパルスの帯域全体を通じて高反射率（＞９５％）を有し、より短い波長については高透過率（＞９９％）を有し、また超高速レーザ発振器１００の基本波長ならびに高調波生成結晶１０６において生成され得るそのすべての高調波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、高調波発生器１０６において発生されるＵＶ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。
【００２８】
この二色性ミラー対１０８および１１８は、ＵＶレーザビームの操縦を可能にし、また、基本波長あるいはＵＶパルスの所望の高調波よりも低い高調波で高調波生成結晶１０６から放射される不要光が、ワークピース１２４上の目標エリアに達することを防止するたすけとなる。また二色性ミラー１１８は望ましくは、ワークピース照明源１２６からの可視光が、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。
【００２９】
偏光制御手段１１０は望ましくは、ＵＶレーザパルスの偏光を円偏光に変換する。円偏光および円形の断面を有するビームスポットを使用することにより、最小サイズの加工エリアが得られることがわかっており、これはワークピース表面上またはワークピース本体内において、一貫して円形であり得る。したがって、レーザ加工によって最も小さくまた最も再現性の高い要素を形成するためには、円偏光が望ましくあり得る。偏光制御手段１１０に入射するＵＶパルスは直線偏光でもよく、この場合望ましくは、偏光制御手段１１０はＵＶパルスのピーク波長に対して最適化された１／４波長板である。これは、可変アッテネータ１０４が偏光型のアッテネータである場合は特にそうである。偏光制御手段１１０に入射するＵＶパルスがまだ偏光されていない場合は、偏光制御手段１１０は望ましくは、直線偏光子に引き続いて１／４波長板を有する。ＵＶパルスの帯域は、波長のすべてが１／４波長板によってほぼ円偏光にされるわけではないことを意味し得るが、ほぼフーリエ変換限界のパルスにおいて、この効果を無視するためには、パルス中のエネルギーの大部分はピーク波長に十分近い波長でなければならない。
【００３０】
ほぼ円偏光のＵＶパルスは、マスク１１４のピンホールまたはその他の形状を通じて、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。このようにレーザビームをマスク１０４を通すことは、レーザマイクロ加工ビームのビーム形状に影響し得る。レンズ１１２および１１６は望ましくは、ＵＶ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。
【００３１】
次にレーザビームを、二色性ミラー１１６によって高ｆ＃レンズ１２０に導く。高ｆ＃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、高ｆ＃レンズ１２０の代わりに、ＵＶ顕微鏡の対物レンズまたはいくつかの別個の光学素子を用い得るが、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ＵＶ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。望ましくは、ほぼ円偏光のＵＶ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ることにより、最小要素サイズの加工を可能にする。
【００３２】
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）を有してもよい。ＸＹＺ移送台を用いて、ワークピース１２４を高ｆ＃レンズ１２０に近づけたり遠ざけたりすることにより、ＵＶレーザ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。
【００３３】
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、望ましくは回折限界である。マスク１１４のピンホールは、望ましくはこの加工ビームスポットサイズより大きい。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ことが望ましい場合、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。
【００３４】
レーザマイクロ加工システムの位置揃えおよび処理の進行を監視するために、ワークピース１２４表面をワークピース照明源１２６によって照明し、デジタルカメラ１３０によって撮像してもよい（例えばＲｏｐｅｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃのデジタルカメラ；１３００×１０３０画素マトリックスを有し、画素長および幅が〜６．７μｍである）。ワークピース照明源からの撮像光は、内蔵されているレンズ系（別個には示していない）によって実質的に平行光化され、ビームスプリッタ１２８（半鍍銀ミラーであってもよい）および二色性ミラー１１８を通過し、ここでレーザ加工ビームの経路を通って、レンズ１２０によりワークピース１２４上に集束される。次に撮像光はこのレンズを通って反射し戻される。二色性ミラー１１８を戻って通り、ビームスプリッタ１２８からデジタルカメラ１３０へ反射されることにより、ワークピース表面の像を生成する。この像の潜在的な色収差を減少するために、撮像光は望ましくは狭いスペクトルを有する。したがって、ワークピース照明源１２６は発光ダイオードまたはダイオードレーザであることが望ましいが、フィルタリングされた広スペクトル光源を用いてもよい。加工ビームと撮像ビームとを組み合わせるために二色性ミラー１１８を用いることは、これらの光ビームが異なる波長を有することを要求するが、レンズ１２０が両ビームを同様に集束できるように２つの光源が同様な波長を有することが望ましい。照明波長およびマイクロ加工レーザのＵＶ波長における顕微鏡の対物レンズの焦点距離の差は、デジタルカメラ１３０の光学系および／またはビームスプリッタ１２８とデジタルカメラ１３０との間のさらなる光学系（図示せず）によって補償され得る。
【００３５】
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、超高速レーザマイクロ加工システムはその回折限界のスポットサイズよりも小さい要素を加工することができ、より小さな要素の加工が可能になる。この特許明細書に記載されたレーザマイクロ加工方法例もまた、加工されるエリアをビームスポット内においてセンタリングすることにより、レーザ加工された要素の位置決め精度の改善を可能にする利点を有する。上述のように、マイクロ構造上により微細な要素を製造するためには、マイクロ加工レーザのビームスポットもより高い精度で位置揃えできることが望ましい。また、サブミクロン寸法を有し得る要素を、マイクロ構造上において識別して加工することが望ましい。このような動作は、図１のこの撮像システム例の回折限界の分解能よりも大きな精度を要求し得る。また、コンピュータ制御圧電移送台は、図１に示す可視光撮像システムの回折限界を越える位置決め精度を可能にする。加工レーザの回折限界のスポットサイズよりも小さな要素を加工し、可視光撮像システムの回折限界を越える位置決め精度を達成するための方法の例が、２００４年３月１日付けの出願に係る米国特許出願であるＭ．ＬｉらのULTRAFAST LASER DIRECT WRITING METHOD FOR MODIFYING EXISTING MICROSTRUCTURES ON A SUBMICRON SCALEに記載されている。
【００３６】
あるいは、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、既存のマイクロ構造上のサブミクロン要素のレーザ加工のためのビームスポットの位置揃えを監視してもよいが、これはずっと高価な解決策であり、真空システムを必要とする。また、ＳＥＭは導電材料か導電層でコーティングされた材料のみを撮像可能である。また、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）もレーザマイクロ加工システムの位置揃えを監視するために用いることができる。ＡＦＭは非常に正確であるが、位置揃えのための表面要素のマッピングに多大な走査時間を必要とし得る。光学撮像システムに対してそれぞれ不利な点はあるものの、ＳＥＭおよびＡＦＭ位置揃え法は、より小さな要素のマイクロ加工にとって望ましくあり得る。
【００３７】
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、高調波生成結晶１０６は、可変アッテネータ１０４およびまたはシャッタ１０２の前に配置されてもよく、可変アッテネータ１０４はシャッタ１０２の前に配置されてもよく、偏光制御手段１１０は二色性ミラー１０８の前に配置されてもよく、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（現在の位置から高ｆ＃レンズ１２０の直前まで）に配置され得る。
【００３８】
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、超高速ＵＶレーザパルスを用いて約２００ｎｍより小さな要素をレーザ加工する方法例を示すフローチャートである。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実行し得る。
【００３９】
図２の方法例は、約２００ｎｍより小さな要素が望まれ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、マイクロ構造の鋳型、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。
【００４０】
約１ｐｓ未満の期間および約３８０ｎｍ未満のピーク波長を有する、ＵＶレーザ光の超高速パルスが生成される（ステップ２００）。これらのパルスは、複数の超高速レーザシステムの基本波長の高調波として生成され得る。例えば、Ｔｉ：サファイア超高速レーザが７６０−８２０ｎｍの範囲のピーク波長を有するレーザ光の初期パルスを生成するのに用いられ得る。この範囲の下端においてＴｉ：サファイア超高速レーザからのパルスを周波数２逓倍することにより、約３８０ｎｍのピークを有する第２次高調波ＵＶレーザ光のパルスを生成し得る。Ｔｉ：サファイアパルスはまた、周波数３逓倍されることによって第３次高調波ＵＶレーザ光のパルス（λf＝２５３ｎｍ−２７４ｎｍ）を生成し得、そして周波数４逓倍されることによって第４次高調波ＵＶレーザ光のパルス（λf＝１９０ｎｍ〜２０５ｎｍ）を生成し得る。
【００４１】
またＰｒ：ＹＬＦ超高速レーザ（λf＝６１２ｎｍ）を用いてレーザ光の初期パルスを生成し、周波数２逓倍して約３０６ｎｍのピーク波長とし、周波数３逓倍して約２０４ｎｍのピーク波長とし、あるいは周波数４逓倍して約１５３ｎｍのピーク波長とすることができる。
【００４２】
Ｎｄ：ＹＡＧおよびＮｄ：ＹＶＯ4超高速レーザ（λf＝１０６４ｎｍ）を周波数３逓倍または４逓倍して、約３５５ｎｍまたは２６６ｎｍのピーク波長をそれぞれ有する超高速ＵＶパルスを生成し得る。また、Ｎｄ：ＧｄＶＯ4超高速レーザ（λf＝１０６３ｎｍ）を周波数３逓倍または４逓倍して、約３５４ｎｍまたは２６６ｎｍのピーク波長をそれぞれ有する超高速ＵＶパルスを生成し得る。Ｎｄ：ＹＬＦは、１０４７ｎｍおよび１０５３ｎｍとして用いられ得る２つのピーク基本波長を有する。１０４７ｎｍのピーク基本波長を周波数３逓倍または４逓倍し、約３４９ｎｍまたは２６２ｎｍのピーク波長をそれぞれ有する超高速ＵＶパルスを生成し、また１０５３ｎｍのピーク基本波長を周波数３逓倍または４逓倍し、約３５１ｎｍまたは２６３ｎｍのピーク波長をそれぞれ有する超高速ＵＶパルスを生成し得る。Ｎｄ：ガラス超高速レーザは、約４０ｎｍ域にわたってチューニング可能であり、他の超高速Ｎｄレーザシステム（λf＝１０４７−１０８７ｎｍ）の基本波長を網羅する。したがって、Ｎｄ：ガラス超高速レーザを周波数３逓倍し、３４９ｎｍから３６２ｎｍの範囲のピーク波長を有する超高速ＵＶパルスを生成し、あるいは周波数４逓倍して２６２ｎｍから２７２ｎｍの範囲のピーク波長を有する超高速ＵＶパルスを生成し得る。
【００４３】
Ｙｂ：ＹＡＧ超高速レーザ（λf＝１０３０ｎｍ）を周波数３逓倍または４逓倍して、約３４３ｎｍまたは２５８ｎｍのピーク波長をそれぞれ有する超高速ＵＶパルスを生成し得る。
【００４４】
Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ超高速レーザは、約５０ｎｍ域にわたってチューニング可能である（λf＝８２６−８７６ｎｍ）。したがって、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ超高速レーザを周波数３逓倍して、２７５ｎｍから２９２ｎｍの範囲のピーク波長を有する超高速ＵＶパルスを生成し、あるいは周波数４逓倍して２０６ｎｍから２１９ｎｍの範囲のピーク波長を有する超高速ＵＶパルスを生成し得る。Ｃｒ：ＹＡＧ超高速レーザ（λf＝１５２０ｎｍ）を周波数４逓倍して、約３８０ｎｍのピーク波長を有するＵＶレーザ光のパルスを生成し、Ｃｒ：苦土カンラン石超高速レーザ（λf＝１２３０−１２７０ｎｍ）を周波数４逓倍して３０７ｎｍから３１８ｎｍの範囲のピーク波長を有するＵＶレーザ光のパルスを生成し得る。
【００４５】
ＸｅＣｌ超高速エキシマレーザを用いて、約３０８ｎｍのピーク波長を有する超高速ＵＶパルスを生成し得る。この基本波長を周波数２逓倍または３逓倍して、約１５４ｎｍまたは１０３ｎｍのピーク波長をそれぞれ有する超高速ＵＶパルスを生成し得る。ＫｒＦ超高速エキシマレーザを用いて、約２４８ｎｍのピーク波長を有する超高速ＵＶパルスを生成し得る。この基本波長を周波数２逓倍して、約１２４ｎｍのピーク波長を有する超高速ＵＶパルスを生成し得る。ＡｒＦ超高速エキシマレーザを用いて、約１９３ｎｍのピーク波長を有する超高速ＵＶパルスを生成し得る。Ｆ2超高速エキシマレーザを用いて、約１５７ｎｍのピーク波長を有する超高速ＵＶパルスを生成し得る。
【００４６】
２−（６−（４−ジメチルアミノフェニル）−２，４−ネオペンチレン−ｌ，３，５−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超高速色素レーザは、約１１５ｎｍ域にわたってチューニング可能である（λf＝７８５−９００ｎｍ）。したがって、２−（６−（４−ジメチルアミノフェニル）−２，４−ネオペンチレン−ｌ，３，５−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超高速色素レーザを周波数３逓倍して２６２ｎｍから３００ｎｍの範囲のピーク波長を有する超高速ＵＶパルスを生成し、あるいは周波数４逓倍して１９８ｎｍから２２５ｎｍの範囲のピーク波長を有する超高速ＵＶパルスを生成し得る。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−ピラン超高速色素レーザは、約１１２ｎｍ域にわたってチューニング可能である（λf＝５９８−７１０ｎｍ）。したがって、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−ピラン超高速色素レーザを周波数２逓倍して２９９ｎｍから３５５ｎｍの範囲のピーク波長を有する超高速ＵＶパルスを生成し、周波数３逓倍して１９９ｎｍから２３７ｎｍの範囲のピーク波長を有する超高速ＵＶパルスを生成し、あるいは周波数４逓倍して１４９ｎｍから１７８ｎｍの範囲のピーク波長を有する超高速ＵＶパルスを生成し得る。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−キサンテン−９−ｙｌ］−エチルエステル、一塩酸塩超高速色素レーザは、約７０ｎｍ域にわたってチューニング可能である（λf＝５５５−６２５ｎｍ）。したがって、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−キサンテン−９−イル］−エチルエステル、一塩酸塩超高速色素レーザを周波数２逓倍して、２７７ｎｍから３１３ｎｍの範囲のピーク波長を有する超高速ＵＶパルスを生成し、周波数３逓倍して１８５ｎｍから２０８ｎｍの範囲のピーク波長を有する超高速ＵＶパルスを生成し、あるいは周波数４逓倍して１３９ｎｍから１５６ｎｍの範囲のピーク波長を有する超高速ＵＶパルスを生成し得る。７−ジエチルアミノ−４−メチルクマリン超高速色素レーザは、約６５ｎｍ域にわたってチューニング可能である（λf＝４３５−５００ｎｍ）。したがって、７−ジエチルアミノ−４−メチルクマリン超高速色素レーザを周波数２逓倍して２１７ｎｍから２５０ｎｍの範囲のピーク波長を有する超高速ＵＶパルスを生成し、周波数３逓倍して１４５ｎｍから１６７ｎｍの範囲のピーク波長を有する超高速ＵＶパルスを生成し、あるいは周波数４逓倍して１０９ｎｍから１２５ｎｍの範囲のピーク波長を有する超高速ＵＶパルスを生成し得る。
【００４７】
ステップ２００のシステムのうちの１つによって生成されたＵＶレーザ光のパルスが、ワークピースの目標エリア内の、実質的に回折限界のビームスポットに集束される（ステップ２０２）。これは望ましくは、図１を参照して上述したように、高ｆ＃レンズまたは顕微鏡の対物レンズを用いて達成し得る。ワークピースの目標エリアに入力した集束されたＵＶレーザ光のパルスの偏光を制御して（ステップ２０４）、パルスからパルスにわたって実質的に一定であるようにする。望ましくは、集束されたＵＶレーザ光のパルスのピーク波長近傍の波長（望ましくはパルスのエネルギーの実質的な部分を含む）が円偏光であるように、偏光は制御される。
【００４８】
ワークピースの目標エリアにおける実質的に回折限界のビームスポットのフルエンスは、目標エリアのうち各ＵＶレーザ光のパルスによって加工される部分の直径が２００ｎｍ未満であるように、制御される（ステップ２０６）。なお、ステップ２０６におけるワークピースの材料の加工は、材料をアブレーションすること（すなわちサブミクロン要素の形状および／またはサイズを変更すること）、あるいは加工された部分の材料の構造を永久的に変更することを含み得ることに留意されたい。この材料の構造を永久的に変更することの例としては、材料の屈折率を変化させること、結晶性材料の格子構造を変更すること（場合によっては結晶構造中に非晶質領域を形成することを）、および材料の化学構造を変化させることが挙げられる。なお、ワークピース材料のアブレーションは望ましくはワークピースの表面で起こるが、表面における材料構造の変更とともに、内部材料構造の永久的な変更が比較的透明なワークピース材料内で行われ得ることに留意されたい。
【００４９】
また、望ましくはより短い波長のＵＶ光および高ｆ＃焦点光学系を用いることにより、図３を参照して上述したように、目標エリアの加工された部分のエッジが、実質的に回折限界のビームスポットのうちの、ビーム強度曲線比較的急峻な傾きを有する部分にあるようになることに留意されたい。
【００５０】
図１のシステム例を参照して上述したように、目標エリア内における実質的に回折限界のビームスポットの位置は、単一の加工されたスポットよりもより複雑な要素を形成されるように、望ましくは制御される（ステップ２０８）。この位置決めは望ましくは、用いられる監視および位置揃えシステムに依存して、約１００ｎｍ未満の精度で達成され得る。所望のマイクロ構造のすべてがレーザ光の超高速ＵＶパルスを用いて加工されれば、レーザ加工されたマイクロ構造が完成する（ステップ２１０）。
【００５１】
図２の方法例のデモンストレーションにおいて、Ｔｉ：サファイア超高速レーザ発振器を用いて、長さ１５０ｆｓの、周波数３逓倍２５８ｎｍピーク波長ＵＶレーザパルスを生成した。これらのＵＶレーザパルスを用い、幅約５７１ｎｍの導波路において、１次元（１Ｄ）フォトニック結晶例を形成した。この１Ｄフォトニック結晶例は、エアホール中心間の最小ピッチが約４１０ｎｍであり、エアホール直径は約２００ｎｍであり、これらは約８ｎｍの精度で導波路上に位置していた。
【００５２】
本発明の実施形態例は、超高速レーザ処理およびＵＶレーザ処理の特徴を、高精度ナノ加工のために組み合わせることを包含する。これらの実施形態例を用いることにより、最小要素サイズの減少ならびに、加工分解能の改善が達成され得る。例えば、２５８ｎｍピーク波長（例えばＴｉ：サファイア第３次高調波）の超高速レーザマイクロ加工システムを用いて形成されたマイクロ構造の最小要素サイズが１００ｎｍであれば、同様な３８７ｎｍピーク波長（例えばＴｉ：サファイア第２次高調波）の超高速レーザマイクロ加工システムを用いた最小要素サイズは１６０ｎｍであり、同様な７７５ｎｍピーク波長（例えばＴｉ：サファイア基本波）超高速レーザマイクロ加工システムを用いた最小要素サイズは３００ｎｍである。
【００５３】
本発明は、レーザマイクロ加工システムを用いて約２００ｎｍよりも小さな要素を加工するための、いくつかのシステム例および方法例を包含する。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】
【００５４】
【図１】本発明によ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】図１のレーザマイクロ加工システム例を用いて、２００ｎｍより小さい要素を加工する方法例を示す、フローチャートである。
【図３】図１のレーザマイクロ加工システム例のレーザビームの一例の概略図であり、ビームスポットサイズより小さい要素をレーザ加工する方法を示している。
【図１】
2007526129.tif 000003
【図２】
2007526129.tif 000004
【図３】
2007526129.tif 000005
【国際調査報告】
2007526129.tif 000006
2007526129.tif 000007
2007526129.tif 000008