(57)【要約】本発明は、レーザアブレーションマイクロリソグラフィに関する。具体的には、画素毎に複数のミラーを使用して、ミラーに損傷を与えない程度にＳＬＭミラー面上のエネルギー密度を維持しつつ、レーザアブレーションを容易にするエネルギー密度にエネルギーを集中させる、新たなＳＬＭ設計およびパターニング方法を開示する。複数のマイクロミラーは、現行のＤＭＤ装置をはるかに超える非常に高い周波数で再設定することができる。
2013521131.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物の熱的パターニングまたは光化学パターニングのための装置であって、
複数の画素を有する、本質的に１次元のＳＬＭであって、各画素は、マイクロミラーの再装着及び再配置のための動作周波数が５００ｋＨｚ以上である５よりも多い個数の回折マイクロミラーを含む、前記ＳＬＭと、
加工対象物を保持し移動させる加工対象物台と、
１ワット以上の平均パワーで１００ｐｓよりも短いパルスを放射するレーザと、
前記レーザを前記ＳＬＭに結合する照明光学系であって、前記ＳＬＭの画素を照明するビームレットのアレイを生成する前記照明光学系と、
前記ＳＬＭを前記加工対象物に結合し、前記加工対象物上に１Ｊ／平方ｃｍ以上のパルスエネルギー密度で変調されたレーザパルスを投射する縮小光学系と、
前記ＳＬＭにデータを供給し、前記レーザからのパルスに同期して前記加工対象物台を移動させるコントローラと
を備える装置。
【請求項２】
各画素が、１０〜２４個のマイクロミラーを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
各画素が、２５〜４９個のマイクロミラーを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
各画素が、５０よりも多い個数のマイクロミラーを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記マイクロミラーが、１ＭＨｚ以上の周波数で動作する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記マイクロミラーが、２ＭＨｚ以上の周波数で動作する、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記レーザが、１０ｐｓより短いパルスを放射する、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記レーザが、１ｐｓより短いパルスを放射する、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記レーザが、５ワット以上の平均パワーでパルスを放射する、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記レーザが、２５ワット以上の平均パワーでパルスを放射する、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記ＳＬＭを前記加工対象物に結合する前記縮小光学系が、前記加工対象物上に４Ｊ／平方ｃｍ以上のパルスエネルギー密度で変調されたレーザパルスを投射する、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記ＳＬＭは、画素クロックによって制御され、前記ＳＬＭの前記画素クロックと有効に同期するパルス反復をさらに含む、請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
前記ＳＬＭ上のマイクロミラーの数が、２０４８以上である、請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
前記ＳＬＭ上のマイクロミラーの数が、４０９６以上である、請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１５】
ビームレットの数が、１０２４以上である、請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
ビームレットの数が、２０４８以上である、請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１７】
１０００よりも多い個数のマイクロミラーを有するＳＬＭを用いた加工対象物の熱的パターニングまたは光化学パターニングの方法であって、
５００ＫＨｚ以上の再装着および再配置周波数で単独の振幅値まで画素ユニットとして５個以上の隣接マイクロミラーを駆動すること、
１ワット以上の平均パワーで１００ｐｓより短いパルスを放射するレーザを用いてＳＬＭ画素ユニットを照明すること、
前記ＳＬＭを変調し、前記加工対象物上にパターンを生成するように計算されたデータで前記ＳＬＭを再装着すること、
正に変調されたレーザパルスが前記加工対象物に対して１Ｊ／平方ｃｍ以上のパルスエネルギー密度を有するように、前記ＳＬＭから縮小光学系を介して前記加工対象物まで前記変調されたレーザパルスを中継すること
を含む方法。
【請求項１８】
各画素ユニットが、１０よりも多い個数のマイクロミラーを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
各画素ユニットが、２５よりも多い個数のマイクロミラーを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
各画素ユニットが、５０よりも多い個数のマイクロミラーを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
１ＭＨｚ以上の周波数で前記マイクロミラーを駆動することをさらに含む、請求項１７ないし２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
２ＭＨｚ以上の周波数で前記マイクロミラーを駆動することをさらに含む、請求項１７ないし２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記レーザが、１０ｐｓより短いパルスを放射する、請求項１７ないし２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記レーザが、１ｐｓより短いパルスを放射する、請求項１７ないし２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記レーザが、５ワット以上の平均パワーでパルスを放射する、請求項１７ないし２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記レーザが、２５ワット以上の平均パワーでパルスを放射する、請求項１７ないし２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記縮小が、前記加工対象物に対して４Ｊ／平方ｃｍ以上のパルスエネルギー密度で変調されたパルスを中継する、請求項１７ないし２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記ＳＬＭが、画素クロックによって制御され、前記レーザのパルス反復と前記ＳＬＭの前記画素クロックとが同期化される、請求項１７ないし２７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
前記ＳＬＭ上のマイクロミラーの数が、２０４８以上である、請求項１７ないし２８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
前記ＳＬＭ上のマイクロミラーの数が、４０９６以上である、請求項１７ないし２８のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１０年３月５日に提出された米国仮特許出願第６１／３１１，２７１号「レーザアブレーションの方法および装置（Ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  Ｄｅｖｉｃｅ  ｆｏｒ  Ｌａｓｅｒ  Ａｂｌａｔｉｏｎ）」の権利を主張する。
【０００２】
本願は、２００９年１１月２５日に提出された米国特許出願第１２／６２６，５８１号「複合二次元インターレース方式を用いる画像の読取りおよび書込み（Ｉｍａｇｅ  Ｒｅａｄｉｎｇ  Ａｎｄ  Ｗｒｉｔｉｎｇ  Ｕｓｉｎｇ  Ａ  Ｃｏｍｐｌｅｘ  Ｔｗｏ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｉｎｔｅｒｌａｃｅ  Ｓｃｈｅｍｅ）」に関連しており、同出願は、多数の画素を有する大型ＳＬＭ（ｓｐａｔｉａｌ  ｌｉｇｈｔ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を用いる方法およびシステムを開示している。
【０００３】
本願は、２０１０年２月１６日に提出された米国特許出願第１２／７０６，６２４号「高パワー配信用に複数のミラーを組み合わせるＳＬＭ装置および方法（ＳＬＭ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  Ｃｏｍｂｉｎｉｎｂ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｍｉｒｒｏｒｓ  Ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ  Ｄｅｌｉｖｅｒｙ）」に関連しており、参照により同出願を組み込む。同出願は、高画質、高変調速度、および、高パワー処理を有するＳＬＭを開示している。
【０００４】
本願は、２０１０年３月５日に提出された米国特許出願第１２／７１８，９０４号「一部干渉性照明用の照明方法および装置（Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  Ｄｅｖｉｃｅｄ  ｆｏｒ  Ｐａｒｔｉａｌｌｙ  Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）」にも関連している。本明細書に記載されるパルスは、参照出願に記載されるように、仮想瞳孔を通じて処理される連続レーザまたはモードロック準連続レーザからの疑似パルスであってもよい。参照出願に記載される加工対象物追跡装置も、本文書に記載のアブレーション技術を用いて使用することができる。
【背景技術】
【０００５】
本発明はレーザアブレーションマイクロリソグラフィ、概して、パルスレーザ光を用いるレーザパターニングに関する。特に、画素毎に複数のミラーを使用して、ミラーに損傷を与えない程度にＳＬＭミラー面上のエネルギー密度を維持しつつ、レーザアブレーションを容易にするエネルギー密度にエネルギーを集中させる、新たなＳＬＭ設計およびパターニング方法を開示する。複数のマイクロミラーは、Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製造販売のＤＭＤ装置をはるかに超える非常に高い周波数で再設定することができる。この設計は、米国特許出願第１２／６２６，５８１号に記載の書込みパターンと有効に組み合わせることができる。
【０００６】
たとえば、ＬＣＤディスプレイ製造用の現在の大半のリソグラフィはフォトレジストを用いて行われており、後でフォトレジストは、露光して、現像して、パターニング前に領域全体に蒸着される均一な膜にパターンを描くために使用されるエッチマスクとなる。この手順により高品質が保証されるが、多くのステップを必要とし、場合によっては、全面蒸着された高価な材料のほとんどが浪費される。したがって、工程ステップの数を低減させる、および／または材料の量を減らす新たな工程が積極的に探られている。集中パルス光を使用して、材料を加工対象物へ移送する、あるいは表面または表面膜を変更する方法がいくつか既知である。パルス毎の露光量は１〜５Ｊ／ｃｍ２とすることができるが、０．１〜１Ｊ／ｃｍ２のエネルギー密度で十分な場合がある。
【０００７】
フォトレジストをパターニングし、マスクを用いて膜を切除する技術が既知である。マスクの代わりにＤＭＤ装置を使用することも既知である。ＤＭＤ直接レーザアブレーションのスループットが低いのは、ＤＭＤで達成可能なパワー密度と更新レートが中程度であるためである。設計上、典型的なＤＭＤミラーは個々の変調器としての役割を果たし、１１×１１または１３×１３ミクロンの面積を有する。ミラー毎のパルスパワーは、一部はミラーのサイズ、一部は基部のＣＭＯＳの機能またはＭＥＭＳの機能を損なう、あるいは阻害するリスクによって制限される。ＤＭＤ装置は通常、２０〜３０ｋＨｚ、またはチップ面積のごく一部だけが更新される場合は最大約７０ｋＨｚのフレームレートを有する。制限されたフレームレートと制限されたパルスエネルギーでは、平均パワーがアブレーションの多くの用途で不十分である。シリコン上液晶（「ＬＣＯＳ」）ＳＬＭを使用して、マルチビームアブレーションシステムを制御することが当分野において既知である。ＬＣＯＳ装置は比較的低速で、通常は５０〜２００Ｈｚで動作し、低キロヘルツの範囲で動作するように最適化することができる。
【０００８】
ＴＩ社製ＤＭＤの初期モデルを使用するアブレーションが特許文献１に記載されている。１，０００×１，０００画素の変調器のＤＭＤは、２００×２００ミクロンの面積上に８５倍に縮小される。ＳＬＭは、システムがレーザパルス間に１００ミクロンずつ進む画像を生成する。各変調器は個別に駆動されて、対称的縮小で、ＤＭＤから基板上に撮像される。ＤＭＤはミラーからミラーへの位相コヒーレンス用に設計されていないため、多数のミラーを加工対象物上の１つの回折限界レーザスポットに寄与させることは困難である。したがって、縮小は、最善でも１つのミラー領域対１つのアブレーションスポットである。開示される技術はこのような制限を克服し、加工対象物に当たるパルスにおいて高または非常に高いエネルギー密度を可能にする。
【０００９】
当分野において、表面材料のレーザアブレーションにより表面トポグラフィを作製することが既知である。また、有機、半導体、無機誘電体、または金属膜などの薄膜を全面蒸着し、レーザアブレーションによりパターニングすることも既知である。さらに、膜上のポリマなどのマスク材料を蒸着し、レーザアブレーションによってマスク材料をパターニングし、残りのマスクをエッチマスクとして利用して膜をパターニングすることも既知である。さらに、膜の全面蒸着の前にポリマフィルムなどのマスク材料を蒸着し、リフトオフを行い、膜をパターニングすることも既知である。全面蒸着の代わりに、インク噴射などによって特定領域に選択蒸着してもよく、蒸着された領域は、直接あるいはアブレーションパターンエッチまたはリフトオフマスクの熱でレーザアブレーションによりトリミングすることができる。また、空気、不活性ガス、液体、または真空中でアブレーションを実行することも既知である。アブレーションは、加工対象物の前側からと透明加工対象物の裏側から実行されている。特許文献２は、主に「レーザ治療、レーザ切断、およびレーザ手術」の段落００３５で特定されている医療用のいわゆるスペクトルブラシ上で強力な連続波またはパルスレーザを使用するレーザアブレーションについて言及している。空間情報のレーザビームの後方反射への空間符号化は、上記公開の重要な特徴である。段落００１６。
【００１０】
特許文献３は、１０６ｐｓｉもの強力な衝撃波を生成することによって金属表面を変更する金属表面のレーザピーニングについて記載している。カラム４、第４５行。レーザビームの高フルエンスがＳＬＭの選択および使用において問題となり得るという注意とともに空間光変調器が言及されている。カラム６、第５９行。
【００１１】
特許文献４は、ホログラフィックブランク用基板の状況でのレーザアブレーションについて言及している。９ページ。ポリマがアブレーション材料の良好な候補として特定されている。１４ページ。マイクロミラーアレイの最新技術が２０ページで説明されている。
【００１２】
開示されている方法および装置はレーザパルスによるパターニングに適するが、本願はＳＬＭ面への高パワー集中によって生じるＳＬＭへの損傷を回避し、スループットの向上を可能にする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第５２０８８１８号明細書
【特許文献２】米国特許公開２０１０／０１４１８２９号明細書
【特許文献３】米国特許第６４２３９２５号明細書
【特許文献４】国際出願特許公開第２００８／１０９６１８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明はレーザアブレーションマイクロリソグラフィに関する。特に、画素毎に複数のミラーを使用して、ミラーに損傷を与えない程度にＳＬＭミラー面上のエネルギー密度を維持しつつ、レーザアブレーションを容易にするエネルギー密度にエネルギーを集中させる、新たなＳＬＭ設計およびパターニング方法を開示する。複数のマイクロミラーは、現行のＤＭＤ装置をはるかに超える非常に高い周波数で再設定することができる。この設計は、米国特許出願第１２／６２６，５８１号に記載の書込みパターンと有効に組み合わせることができる。本発明の具体的な態様は、請求項、明細書、および図面で説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】１列の画素を有する１Ｄ  ＳＬＭの部分を示し、各画素は多数のミラーを含み、１光ビームレット／スポットは３画素毎にある。
【図１Ｂ】２列の画素を有するＳＬＭを示し、ビームレットの数は２倍である。
【図１Ｃ】駆動の簡易化のために共に接続された複数列のミラーを有するＳＬＭを示す。
【図１Ｄ】図１Ｃと類似するが２列の画素を有するＳＬＭを示す。
【図１Ｆ】各画素をミラー内でさらに分割する別の形を示す。
【図１Ｇ】各画素をミラー内でさらに分割する別の形を示す。
【図１Ｈ】各画素をミラー内でさらに分割する別の形を示す。
【図１Ｉ】各画素をミラー内でさらに分割する別の形を示す。
【図２】レーザとＳＬＭ上にスポットアレイを生成するビームスプリッタの例を示す。
【図３】レーザアブレーションシステムの高パワー実施形態を示す。
【図４Ａ】いかにして高パルス周波数がパルスエネルギー制限下で高平均速度を付与できるかを示す。
【図４Ｂ】較正が材料の均一な除去に及ぼす好影響を示す。
【図４Ｃ】較正が材料の均一な除去に及ぼす好影響を示す。
【図５】いかにして材料除去レートがパルスエネルギーの非線形関数であるかを示す。
【図６Ａ】パルスレートおよび画素パターンのバリエーションを示す。
【図６Ｂ】パルスレートおよび画素パターンのバリエーションを示す。
【図６Ｃ】パルスレートおよび画素パターンのバリエーションを示す。
【図６Ｄ】パルスレートおよび画素パターンのバリエーションを示す。
【図６Ｅ】パルスレートおよび画素パターンのバリエーションを示す。
【図６Ｆ】パルスレートおよび画素パターンのバリエーションを示す。
【図７】領域をカバーできる代替方法を示す。
【図８】材料除去レートが平坦構造での距離ｚにいかに依存するかを示す。
【図９】焦点を介した材料除去レートの関数を示す。
【図１０】基板上の材料の特徴高さの上になったり下になったりする傾斜焦点面を有する、基板に平行な焦点面を備えたシステムの動作を比較する。
【図１１】基板上の材料の特徴高さの上になったり下になったりする傾斜焦点面を有する、基板に平行な焦点面を備えたシステムの動作を比較する。
【図１２】同一のミラーアレイ上に単独画素を形成するために使用される様々なミラー群を示す。
【図１３Ａ】ガウスビーム分布からトップハット、超解像スポット、または類似の分布への任意の変換を示す。
【図１３Ｂ】ガウスビーム分布からトップハット、超解像スポット、または類似の分布への任意の変換を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して詳細な説明を行う。好適な実施形態は、請求項に定義される本発明の範囲を限定するのではなく、本発明を例示するために記載する。当業者であれば、以下の記載に基づき様々な等価の変形を理解するであろう。
【００１７】
提案されるアブレーションシステムは、米国特許出願第１２／７０６，６２４号「高パワー配信用に複数のミラーを組み合わせるＳＬＭ装置および方法（ＳＬＭ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｍｉｒｒｏｒｓ  Ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ  Ｄｅｌｉｖｅｒｙ）」のマイクロレーザシステムに記載される新型のＳＬＭ（ｓｐａｔｉａｌ  ｌｉｇｈｔ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ、空間光変調器）に基づくことができる。新型のＳＬＭはＣＭＯＳを搭載しない完全に受動型の装置であり、各画素は比較的小さなミラーの集合、典型的には同一の端末によって駆動されるミラー列である。活性化領域のサイズは、たとえば、８２ｍｍ×２ｍｍすなわち１６４平方ｍｍとすることができる。個々のミラーが小さいため、更新レートは０．５、１、２、または４ＭＨｚを含む範囲に収めることができる。ＳＬＭは、５０ワット以上の平均光パワーに耐えるように作製される。
【００１８】
複数のマイクロミラーは、各ミラーを小さくすることができるため、現行のＤＭＤ装置をはるかに超える、非常に高い周波数で再設定することができる。静電始動ミラーの速度は、バネ定数とミラーの質量間の比に左右される。速度が速いほど高い駆動電圧を達成できるが、電子機器の駆動がより困難になるという代償を払う。ミラーはＤＭＤ装置とは対照的に、ミラーの通常の移動に伴い、約４分の１の波長、たとえば、１ミクロンの波長で約２５０ｎｍ、および０．５、０．３５、および０．２５０ミクロンで１２５、８３、および６３ｎｍで回折を生じる。小さな移動なので、高共振周波数用の硬いバネを使用できる。動作は常に、装置を頑丈で信頼性の高いものにする機械的バネの弾性条件下にある。駆動電圧の作用を拡大し、硬いバネと高共振周波数を許容する高い定バイアス電圧を有する旋回ミラーを使用することが特に有益である。旋回ミラーは始動中に光源に向かって移動するミラー面の部分と、光源から離れるように移動するミラー面の別の部分とでほぼ対称的であり、反射パワーの良好かつ安定したアナログ変調を可能にする。ミラーはデジタルアナログコンバータ（「ＤＡＣ」）からのアナログ電圧によって駆動され、ミラー（ひいてはＳＬＭ画素）の反射は該電圧の連続的な機能である。後述するように、これは正確なエネルギー較正のために使用することができる。
【００１９】
ＤＭＤ装置とは対照的に、記載されるＳＬＭのミラーは単独の光学面としての役割を果たすように設計される、すなわち、１画素として使用されるミラーの全面が、明るい状態で光学的に平坦にすることができる。ミラーとＭＥＭＳは密な平坦度、たとえば１０ｎｍ未満の平坦誤差で作動させられ、結果として優れた位相制御を実現する。これにより、個々の小さなミラーの速度と同じ速度で、ミラーの集合を１つの変調器セルまたは画素として作動させることができる。画素領域のサイズは、実際的な点、主に平坦度と装置全体のサイズによってのみ制限される。１画素、すなわち、変調の１単位を形成するミラーの集合は、ＤＭＤよりもずっと大きな面積を有する。また、Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｌｉｇｈｔ  Ｍａｃｈｉｎｅｓ製の回折格子ライトバルブ（ＧＬＶ）の１画素よりもずっと大きい。
【００２０】
ＳＬＭの表面上の複数ミラーは、画素領域が非常に非対称である、あるいは高アスペクト比を有する場合でも、回折限界スポットなどの加工対象物上の１スポットに方向付けることができる。装置の全長に沿って１０２４、２０４８、４０９６、または８１９２個以上など、できるだけ多くの画素を嵌め込めるように、ＳＬＭ画素領域はＳＬＭアレイの縦方向に短く、たとえば２０、１０、８、または６ミクロン以下である。また、できるだけ高いパワーに耐え得るように画素は横方向に比較的大きく、たとえば０．２５、０．５、または１ｍｍよりも大きい。画素は形状が極めて非対称であるスポットで照明されて、高非対称スポットからの投射は高アナモルフィック光学系によって縮小される。アナモルフィック特性は２方向、および／または大きく焦点からずれてＳＬＭ上で広がる長方向への様々な縮小（拡大）を用いて実現することができる。
【００２１】
典型的な実施形態では、このＳＬＭはピコ秒またはフェムト秒の範囲で、ＳＬＭの最大動作周波数までの反復周波数でパルスを生成するパルスレーザによって照明される。もしくはＳＬＭの更新周波数よりも高い周波数でパルスを生成するレーザによって、電子的更新毎に複数のパルスをＳＬＭに印加することができる。
【００２２】
該レーザは、Ｌｕｍｅｒａ  Ｌａｓｅｒ社（ドイツ）製の市販のピコ秒レーザとすることができる。高い平均パワーを得るため、適切な特性を有するレーザは、ディスクまたはファイバ増幅器で増幅させることができる。たとえば、Ｌａｗｒｅｎｃｅ  Ｓｈａｈらによる論文「５０Ｗ、５０μＪ、サブピコ秒レーザシステムでのマイクロマシニング」、ＯＰＴＩＣＳ  ＥＸＰＲＥＳＳ  第１４巻、２５号（２００６）を参照されたい。ビームを分割し、平行増幅器（たとえば、ファイバ）を用いて増幅することによって、ほぼ無制限のパワーを付与することができる。ビームレットは、単独のレーザ、複数のレーザ、または同一の発振器により駆動される複数の増幅器から発射することができる。アブレーションに使用されるレーザは通常、可視の赤か近赤外線を放射するが、手近のアブレーションに適した波長、たとえば、可視の緑、青、または紫外線を与えるように変換された周波数であってもよい。
【００２３】
アブレーションに関しては、大量の文献や多数の産業的用途が存在する。波長、パルスエネルギー密度、パルス時間などのパラメータは広範に変動する。本発明はナノ秒、ピコ秒、またはフェムト秒のパルスなどの様々なパルス長を有するレーザを用いて利用することができるが、本開示は短パルスに的を絞っている。高品質、低熱損傷、および高質量除去レートで大半の材料を切除するのにピコ秒レーザを使用できることが既知である。これにより、Ｌｕｍｅｒａ社製レーザなどの適切なレーザが商業的に利用可能となっている。通常、アブレーションは１〜５Ｊ／平方ｃｍ程度のパルスエネルギー密度で行われるが、材料の中にはアブレーションに０．１ｍＪしか必要としないものもある。パルス長が約５ピコ秒未満であるとき、透明材料までもいわゆるクーロン爆発により切除される場合がある。すなわち、高瞬時電力が加工対象物材料の薄層内の価電極をひき剥がし、材料が分解する。フェムト秒範囲のさらに短いパルスは、材料改変、３Ｄ加工、または３Ｄリソグラフィのための材料内の２光子工程などの非線形作用を引き起こすために使用することができる。
【００２４】
短パルスアブレーションの例は、Ｌａｗｒｅｎｃｅ  Ｓｈａｈらの論文「５０Ｗ、５０μＪ、サブピコ秒ファイバレーザシステムを用いるマイクロマシニング（Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ  ｗｉｔｈ  ａ  ５０  Ｗ，  ５０μＪ，  ｓｕｂｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ  ｆｉｂｅｒ  ｌａｓｅｒ  ｓｙｓｔｅｍ）」、ＯＰＴＩＣＳ  ＥＸＰＲＥＳＳ  第１４巻、２５号（２００６）に記載されている。４５ＭＨｚパルス反復周波数での１０３８ｎｍレーザ発振器からのパルスが捕捉され、５０マイクロジュールのエネルギーで０．５〜１ｐｓ長のパルスを出力する格子パルスコンプレッサを備えるチャープファイバ増幅器によって増幅される。使用されたパルス反復レートは１ＭＨｚであるが、著者はこのレートは増幅器へのポンプパワーによってのみ制限されたと述べている。ビームの質は、ポンプおよび出力パワーの範囲全体を通じて良好であった。レーザパルスは、アルミニウム、アルミナ、およびガラスの３つの材料を対象に、４０Ｗの平均パワーで０．１７〜０．２４ｍｍ３／ｓのアブレーションレートでこれらの材料を切除するのに使用された。
【００２５】
Ｓｈａｈは、この材料除去レートで、１時間で１ミクロン厚の膜０．６平方メートルが除去可能であると報告している。単独画素に複数のミラーを有する本発明者らの開示するシステムを用いれば、特徴を有する表面上に１ミクロン未満のサイズでパターンを生成しつつ、１時間当たり数平方メートルから材料を除去できるだけの高データレートとレーザパワーレベルにミラーを変調できると本発明者らは予測する。これは、任意の現在既知なアブレーション技術の能力をはるかに超えている。
（例示の実施形態）
ある設計では、５０Ｗの平均パワーおよび１ＭＨｚの反復レートを有するユーザの使用を提案する。レーザから加工対象物への光学効率は５０％とすることができる。ＳＬＭは８１９２個の画素を有し、ビームは分割されて３画素毎に照明するように焦点が合わせられる。中間の未使用画素は、ビームレットが互いに干渉するのを防ぐ分離区域としての役割を果たす。８１９２／３＝２７３０個のビームを有し、各ビームはＳＬＭ上に１０＊１０００平方μｍ、すなわち０．０１平方ｍｍの有効フットプリントを有する。ミラー当たりのパルスエネルギーは２５ｗ／２７３０／１ＭＨｚ＝１０ｎＪであり、エネルギー密度は１００μＪ／平方ｃｍである、またはアブレーションにとって１０，０００倍も低い。したがって、ミラーはパルスエネルギーから安全である。画像を領域で４０，０００倍に縮小した後、すなわち、各スポットを０．５＊０．５平方μｍにした後、妥当なアブレーションパワーである４Ｊ／平方ｃｍに至る。この時点で、加工対象物を切除する２５Ｗのエネルギーと、１秒当たり２７３０＊１，０００、０００＝２７億のデータ画素の画素レート（ビームレットの数×パルス周波数）を有する。このレートでは、計算上、薄膜は１秒当たり６７５平方ｍｍまたは１時間当たり２．４平方ｍのスループットで１ミクロン未満の解像度で切除できる。
【００２６】
このスキームは、ＳＬＭ上のより多いまたは少ないスポットとレーザのより高いまたは低い反復レートを用いて変更することができる。図１Ａは、１列のＳＬＭ画素１００と、３つのＳＬＭ画素毎に１つの光ビームレット／スポット１０４、１０５とを有するＩＤ  ＳＬＭの部分を示す。ＳＬＭ画素は複数のミラー１０１から成り、電子接続部１０２によってアドレス指定される電子的にアドレス指定可能なユニット１００である。パターンの設計は画素マップとして付与され得るため、１つのレーザパルスによって書き込まれる１つのスポットに関してデータ画素という用語を使用する必要がある。中間のＳＬＭ画素は、加工対象物に放射線を中継しない屈折または回折状態に設定することによって暗状態に設定することができる。スポット１０４、１０５間の放射を吸収する代わりに反射することで、ＳＬＭ表面上のエネルギーの蓄積と、それに伴う加熱およびミラーの損傷を低減する。
【００２７】
複数のミラー１０１は単独画素１００として共に動作する。一実施例では、複数のミラー１０１は単独の導体１０２によって駆動されるため、複数のミラーが同一の信号に反応する。図１Ｃ〜１Ｄに示される別の実施例では、これをさらに進めて、同一の信号１２０に反応する複数列のミラー１２１、１２２を駆動する。物理的な便宜上、導体１０２、１０３はそれぞれミラーアレイの対向側に配置することができる。
【００２８】
多数のミラーが、図１Ａ〜図１Ｂに示されるように単独行に複数ミラー、あるいは図１Ｃ〜１Ｄに示されるように隣接列および行に複数ミラーのいずれかの形で、単一ＳＬＭ画素としての機能を果たすことができる。図１Ｂは、２列の画素１０６、１０７を有し、ビームレットの数が２倍であるＳＬＭアレイ１０８を示す。３列以上の列を使用することもできる。さらに多くのスポットに、１画素当たり１ビームレットの最終限界に達するまで、レンズアレイとビーム間の干渉を止める開口を装着することができる。マイクロレンズアレイおよび開口に関しては、Ｂａｌｌ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓに与えられた米国特許第２００６／０１４７８４１  Ａ１号を参照し、引用により組み込む。この例における１秒当たりのデータ画素の最終的な数は８１９２＊２ＭＨｚ＝１６Ｇｐ／ｓである。パルスエネルギー密度を増大させるには、縮小を増大させる、あるいはパルスレートを一定の平均パワーで低減させることができる。
【００２９】
単独画素として組み合わせる別のミラー構造を図１Ｆ〜図１Ｉに示す。図１Ｆは、単独画素として組み合わされる正方形または略正方形の画素を示す。斜線と網目状の升は２つのミラーを示す。図１Ｇ〜図１Ｈは画素に組み合わされる縦軸と横軸の主軸を有する矩形ミラーを示す。煙突付きの家として大まかに示されるその他のモザイクが図１Ｉに示される。従来用途では、画素に分類され得る菱形、切頂菱形、六角形、および「Ｈ」型などのその他のミラー形状が示されている。
【００３０】
開示されるアブレーションシステムは、薄膜をパターニングする、あるいは固体面にパターンを密に作製するために使用することができる。これは、エンボス加工、ナノ刻印などのための母体を作製するのに有効である。さらに、パワーは、表面硬化、熱分解、およびレーザ誘起前方移送などのその他の熱活性化工程にとっても十分なほど高い。
【００３１】
図２は、レーザ２０１、ビームスプリッタ２０３、およびＳＬＭ２０７上にスポットアレイを形成する光学系２０５を有するように開示された技術の一具体例を示す。ビームスプリッタは当分野において既知な回折ファンアウト素子であってもよい。ＳＬＭ２０７からの光は、レンズ２２５および２３５によって、台２４５により支持され移動させられる加工対象物２３４上に縮小される。コンピュータ／コントローラ２１７はデータおよびジョブ制御命令を受信し、データをＳＬＭ２０７に供給し、レーザ２０１からのパルスに同期して台を制御する。簡易化して描かれているレンズシステム２２５および２３５は、ＳＬＭ上のスポットの加工対象物上のスポットへの２方向で異なる縮小率のアナモルフィックレンズである。
【００３２】
図４Ａは図２に対して、図２に示唆されるが明瞭化のために省略されている開口４６６の後に配置されているビームスプリッタまたはビームサンプル採取装置４７６を追加している。ビームサンプル採取装置４７６は加工対象物２３４上のレンズ２３５とカメラ４５４上のレンズ４５６間でレーザエネルギーを分割する際に非対称である。カメラ４５４はスポットの画像を記録し、ＳＬＭ２０７を駆動するデータが修正されて、スポットのエネルギーが均一化され較正されるように、記録した画像をコントローラ２１７に送信する４５２。ミラーはＤＡＣからのアナログ電圧によって駆動され、画素の反射はアドレス電圧の連続的機能であるため、データの修正を利用して各スポットのエネルギーを制御することができる。システム開口４６６後の較正測定の機能は、加工対象物に到着する際の真のエネルギーを測定することである。もしくは、またはさらに、台２４５上の検知器４３８は、エネルギーの測定および較正のためにコントローラ２０７に接続することができる。
【００３３】
図４Ｂ〜４Ｃは、較正が材料の均一除去に及ぼす好影響を示す。これらの図面は、加工対象物上の５個のレーザスポットのエネルギーを上側に示し、その結果生じる被影響領域を下側に示す。アブレーションやレーザ前方移送などの熱工程はきわめて非線形であるため、エネルギー高さ４０２、４０４、４０６間の比較的小さな差異がかなり異なる材料除去量をもたらす可能性がある。表面４０１上の４０３、４０５、４０７を比較されたい。スポットエネルギーの較正では、エネルギー高さ４１２、４１４、４１６を均一化させることができ、その結果生じる除去領域４１３、４１５、４１７も均一化される。これは非常に有益になり得る。
【００３４】
図５はパルスエネルギー、パルスレート、および平均パワー間の関係を示し、提案されるアーキテクチャが高平均パワーおよび高スループットを可能にする理由を説明するものである。パルスエネルギーはいくつかの要因によって制限され得る。第１に、ＳＬＭは処理可能なパルスエネルギーの上限値を有し、光学機器の他の部分も上限値を有する。超短パルスはミラーの超薄層を加熱するため、温度上昇が高く急速である。第２に、多くの魅力的なレーザはその原理によりパルスエネルギーが制限される。たとえば、ファイバレーザは、少量のポンプ材料およびファイバ内の非線形現象のためにパルスエネルギーが制限される。第３に、高解像度パターニングは小さなスポットを意味し、最適処理条件はスポット当たりのエネルギーが小さい場合がある。グラフ内の２本の対角線は、図示されるようにそれぞれ５０および１０マイクロジュールのパルス当たりのエネルギーを示す。このパルスエネルギー量はパルス期間全体にわたるパワーを統合するので、パルス長またはパルス反復レートを特定せずに述べることができる。縦軸の平均パワーは、横軸の反復レートまたはレーザパルス周波数とパルスエネルギーの積である。平均パワーは反復レートまたはパルス周波数に比例する。５０マイクロジュールのパルスエネルギーでは、５０ワットの平均パワーは１Ｍｈｚの反復レートで達成される。５０Ｗの平均パワーがＳＬＭが耐え得る上限だと仮定すると、より高いパルス周波数に達する可能性はない。低パルス周波数は平均パワーが失われ、スループットが落ちることを意味する。一方、パルスエネルギーがパルス当たり１０マイクロジュールしかないとすると、平均パワーは１ＭＨｚで５０Ｗの上限に達しない。２ＭＨｚのパルスレートでは、１０マイクロジュールのパルスが２０Ｗの平均パワーを生成し、最大平均パワーは５ＭＨｚまで達しない。傾斜ミラーが５ＭＨｚで動作するように最適化できるとは考えられない。高レーザパルス周波数は多くの場合、高スループットをもたらす。その他のＳＬＭは制限を有する。ＤＭＤは約６０〜７０ｋＨｚより速く更新できず、ＧＬＶは数百キロヘルツだが、パルスエネルギーの限界が小さく、ＬＣＯＳに基づくＳＬＭは通常５０〜２００Ｈｚの更新レートを有する。
【００３５】
図３の高パワーの実施形態を用いて、薄固体膜のアブレーションに短い強力なパルスを使用することができる。スポットグリッドはスポットサイズとスポット密度間に最適に合うように合わせて調節することができ、所望すれば、たとえば、２、４、８、またはその他の整数などの所定数のフラッシュが各スポットに配信される。さらに、すべてのスポットを「コールド」近傍（すなわち周囲のグリッド点のいずれもが最新の数フラッシュ内で切除されていない）に位置させるように、スポットの書込み命令を選択することができる。同一のオンオフスポットの密なグリッドと、良好なアドレス解像度をさらに与える書込み戦略の場合、グレートーンの画素の比較的粗いグリッドと対照的に、スポットサイズ、エネルギー、およびパルス長を、切除された膜の完全な除去のために最適化することができる。もしくは、アブレーションを利用して、制御された方法で固定面に窪みまたは表面プロファイルを形成することができ、点に配信されるフラッシュの数は表面へのアブレーション深度に変換される。
【００３６】
加工対象物上の連続パルスの近接性と特定パルスでの画素の近接性に依存するパターンで除去される。パルスレートと画素パターンのバリエーションのいくつかを図６Ａ〜図６Ｆに示す。反復レートおよび走査速度に応じて、連続パルスは区別不能に重複する、部分的に重複する、あるいは個別のスポットとして現れる場合がある。たとえば、１マイクロメートル径の丸型除去スポット、１秒当たり１メートルの掃引速度、および１ＭＨｚの反復レートの場合、結果的に生じるパターンは、互いに接触するがカットアウト周囲に材料が残るカットアウトスポットとして現れる。より低速な掃引速度では、図６Ｂでは、連続掃引が結果的に生じる。同一のスポットサイズおよび反復レートの場合、（より高速の）１秒当たり２メートルの掃引では、スポット間の間隔がスポットサイズに類似するスポットが残る、図６Ｄ。
【００３７】
画素間の間隔が密な場合、ＳＬＭから中継される放射が連続線として現れることがある、図６Ａ。この脈動線は緩やかに掃引されて図６Ａのように表面を掃引するか、あるいは急速に掃引されて図６Ｃのように一連の線を生成する。
【００３８】
図１Ｂおよび図１Ｄに示されるような２次元アレイの画素では、一部の画素は完全に垂直ではない軸を有する回転グリッド内で互いにオフセットさせることができる。１例を図６Ｅに示す。図６Ｅのパターン上で２回目を切除すると、組み合わされたパターンが表面を覆うことになる、図６Ｆ。
【００３９】
スポットよりもＳＬＭ画素の多い図１Ａの構成により、スポットの位置および間隔を変更することができる。図１２は、同一のミラーアレイ上のビームレットを変調するのに使用される様々なミラー群を示す。このようにして、用途の需要に応じて、より多くのパルスエネルギーをもたらすより大きな面積を各スポットに割り当てることができる、あるいは１秒当たりより多くのデータ画素を得るためにより多くのスポットを生成することができる。システム全体における選択肢の１つは、異なる用途に応じて異なるビームスプリッタ２０３を使用することである。図中で大きなまたは小さな照明領域を生成する交換可能なビームスプリッタを、たとえばホログラムとして製造することができる。２つのケースが異なる楕円率のスポットを有するために、光学系のアナモルフィック特性を同時に調節する必要がある。これは、投射システム２２５、２３５の部品の調節または交換のいずれかによって達成できる。図面の右側と左側の両方に見られるマイクロミラーアレイ１２０１は、画素間が大きく離れた４個の画素１２１１に対して、または画素間が比較的狭く離れた１０個の画素１２１２に対して使用することができる。適切な制御回路を用いて、単独画素内のミラー列の数および画素を分離するミラー列の数は、スポットへのビームの分割に合致するように選択することができる。
【００４０】
ビームは通常、断面状はガウスであるため、縁部で部分的に重複する場合があり、２つのビーム間の干渉がクロストークを引き起こすことがある。過剰なクロストークなしにビームをより密に束ねるため、隣接ビームを非干渉にすることができる。いくつかの方法が存在し、隣接ビームは対向する偏光、たとえば左右の回転偏光を有することができる。隣接ビームは、わずかに異なる周波数で２つのレーザから出射することができる。あるいは、短パルスの場合、一部のスポットを近隣よりも遅延させて、近隣が終了した後に加工対象物に達することができる。
【００４１】
図１３Ａは、ガウスビーム分布からトップハットまたは類似の分布への任意の変換を示す。アブレーションは非常に非線形的な作用であるため、いわゆるトップハットまたはフラットトップ分布または類似の均一分布は、レーザ出力にとって典型的なガウス分布よりも優れて機能する。図１３では、最初のレーザ源１３２１がガウスやそれに類似のビーム分布１３１１を生成する。レーザビームはビームスプリッタ１３２４によっていくつかのビームに分割され、該ビームはレンズ１３２３によって集束されてＳＬＭ１３３１上にスポット１３２７を形成する。投射光学系１３３５、１３３４はＳＬＭからの光を加工対象物１３３７上に集束させる。フィルタ１３２５、通常は位相フィルタは、スポットの形状をガウスからフラットトップに変更する。フラットトップ分布は加工対象物のアブレーションをより理想的にするが、クロストークを増大させずにＳＬＭ上のスポットサイズを増大させるためにも使用することができる。同様に、ＳＬＭをわずかに焦点からずらすことによって１３３３、各スポットがＳＬＭ上で見える面積を増やすことができる。
【００４２】
同じ方法が、フラットトップの代わりに、図１３Ｂのように超解像スポット（ｓｕｐｅｒ−ｒｅｓｏｌｖｉｎｇ  ｓｐｏｔ）１３４３を生成することによってシステムの解像度を向上させるために使用することができる。少なくとも一部の用途では、アブレーションおよびその他の熱工程は閾値を有するため、ガウススポットは副ローブを有するより狭い中央ローブに変質させることができる。中央ローブを狭くすることと副ローブを生成することとの間には基本的な関連がある。図１３Ｂでは、図示される断面１３４１を有するビームを生成するために図１３Ａとは異なるフィルタが選択され、前記断面が加工対象物上に突出している１３４３。加工対象物上の閾値は１３４５によって表示される。アブレーションなどの工程は、エネルギー密度が閾値１３４５より高い場合のみ、すなわち、フィルタがない場合よりも小さな領域で行われる。副ローブはアブレーションを生じない。
【００４３】
同様に、開示される技術による所定エネルギーでのスポットのプリンティングは、熱処理、溶融、融解、相転移、光分解、選択的活性などの非線形工程に適する。これらの用途の中で、レーザ転写は搬送膜上の材料を使用する。材料はレーザの放射を受けると、選択的に加工対象物へ転写される。開示される技術は、レーザ誘起熱撮像ＬＩＴＩ、放射線誘起昇華転写ＲＩＳＴ、およびレーザ誘起パターン式昇華ＬＩＰＳなど、本発明者らが「レーザ誘起パターン転写」と呼ぶ一般的な方法に適する。本開示が役立ち得る電子、光学、および印刷業界で使用されるその他の工程は、当業者にとって自明であろう。
【００４４】
この技術が適用可能な追加の用途を図７〜図１１を参照して説明する。この技術は、本発明者らが有効なアブレーションエネルギーの焦点深度と呼ぶものを利用することを含む。図７では、焦点面またはいわゆるウエスト７０７へのエネルギー密度７０１の収束と、その後の発散７１１を示す。焦点深度の従来の測定値はレイリー長であり、移動軸Ｚに沿って１つのレイリー長が定義される。レイリー長はモード半径が２の平方根倍増大するビームウエスト７０７  （円錐点よりもウエストに近い）からの距離である。７０３、７０９を参照。半径がその倍数だけ増加するにつれ、エネルギー密度は半減する。顕微鏡を通じて収束されるレーザなどの実際的な設計では、レイリー長は２００ナノメートルとすることができ、低ＮＡ光学系では、相当のミリメートルとなる場合がある。１レイリー長を超えて、発散は円錐として継続すると考えられる。
【００４５】
図７では、ビームウエストより下の表面７２１は波状に示されている。同図からは、表面の下側の谷は上側の山よりも低いエネルギー密度を受けることが分かる。その結果、山は谷よりも切除される可能性が高い。これは、表面を平面化する傾向にあるという好ましい結果につながる。
【００４６】
図８は、相対単位に沿ったエネルギー密度閾値未満の材料除去の非線形性を示す。５０％のエネルギー密度で、閾値はまだ満たされておらず、べき関数曲線に沿った除去レートは、１００％のエネルギー密度で達成される除去レートのわずか１０〜１５％である。図７に関連して、ウエスト領域７０７が１００％の除去レートをもたらす場合、斜線付き台形７０９の底部は１５％程度の除去レートしか達成しない。このことは表面を完全には平面化しないが、山７２１は谷よりも迅速に除去され、表面の不均一を低減する傾向にある。
【００４７】
図９は、焦点を介した材料除去レートの関数を示す。上側の曲線９０１の放物線は、ビームウエストからの様々な距離でのビーム幅を示す。最も遠い距離では、ビームは最も広い。曲線９０３は、焦点面からの特定のレイリー距離に位置する表面で生成される材料の除去レートを示す。この曲線は、表面全体で一体化される質量または厚さでの除去を示す。顕著な山と谷を有する短破線９０５は、除去レート曲線９０３の派生である。それは、除去レート曲線に沿って焦点面から離れる際に、いかにその除去レートが迅速に変更するかを示す。最後に、長破線９０７は、除去レート曲線９０３によって正規化（分割）される派生曲線（短破線）を表す。結果として生じる長破線は、平坦化の有効性の代用となる。曲線９０５を読み取ると、除去レートの最大差は約０．５レイリー長、焦点を外れている。ここで、短破線９０５は除去レート曲線９０３の最大および最小傾斜に対応する最大および最小値を有する。一方、平坦化された表面が焦点面の０、５レイリー長内である場合、相当量の材料が全面から除去される可能性が高い。長破線９０７を見ると、合計で平坦化により除去される材料が少ないため、より低速であれば、１〜２レイリー長の動作範囲の焦点ずれがより好ましい。したがって、平坦化のための動作範囲は、それより低いと平坦化が低い０．２５レイリー長の焦点ずれと、それより高いと除去レートが低い２．０レイリー長の間となるべきである。平坦化と材料除去の組み合わせにとっては約０．５〜１．５が好適であろう。不十分な材料除去と良好な平坦化の場合、０．７５〜１．５レイリー長または１．０〜２．０レイリー長の焦点ずれが好ましいだろう。
【００４８】
図１０〜図１１は、基板上の材料の特徴高さの上になったり下になったりする傾斜焦点面を有する、基板に平行な焦点面を備えたシステムの動作を比較する。傾斜焦点面を使用することで、比較的深い溝で迅速に材料のアブレーションを行うことができる。基板の移動の矢印１０２０、１１２０は、基板面が最も高い、すなわち特徴高さよりも高い焦点面１１１１の部分に最初に相対することを示す。溝の形成が開始される。基板が移動し、焦点面が特徴高さ１１１３まで、次に特徴高さの下方へと下降するにつれ、追加のアブレーションパルスは溝をより深く掘っていく。
（具体的な実施形態）
開示される技術は、加工対象物の熱パターニングまたは光化学パターニング用装置を含む。該装置は、複数のマイクロミラーから成る画素を有するＳＬＭを含む。ミラーは回折モードで動作する。それらのミラーは、アナログ電圧によって設定される正電力により駆動することができる。ミラーは傾斜する、あるいはピストン状に移動することができる。各画素は互いに位相コヒーレントである６個以上のマイクロミラーを含む、すなわち、それらは共に光学平坦面を形成する、あるいは平坦な反射波長板を形成することができる。もしくは、各画素は１０、２５、または５０個超のマイクロミラーを含むことができる。上述したように、複数のマイクロミラーを使用することで、システムのパワー能力が増大する。ＳＬＭのマイクロミラーは５００ｋＨｚ以上の再装着（リロード）および再配置周波数で動作するように設計される。もしくは、マイクロミラーは、１ＭＨｚ以上の周波数または２ＭＨｚ以上の周波数で動作することができる。該装置は、加工対象物を保持し移動させる加工対象物台と、高エネルギーで短パルスを放射するレーザとをさらに含む。パルスは１００ｐｓよりも短くてもよい。もしくは、１０または１ｐｓよりも短くてもよい、あるいは１ｎｓより長くてもよい。レーザの平均パワーは１Ｗ以上である。もしくは、平均パワーは５、２５、または５０Ｗ以上にすることができる。該装置は、レーザをＳＬＭに結合し、ＳＬＭ上の画素を照明するビームレットのアレイを生成する照明光学系をさらに含む。任意で、小型レンズまたは開口を使用して、ビームレット間の分離を維持し、ビームレット間の回折作用を回避することができる。もしくは、ビームレットが非干渉であるようにスクランブルさせることができる。たとえば、隣接ビームは対向する偏光状態に置くことができるため、重複する場合でも干渉し得ない。一部のビームを遅延させることができるため、隣接ビームが散乱のため非干渉となる。パルスレーザの場合、これは、隣接ビームのパルス間の時間的重複の欠如と同じであろう。該装置は、ＳＬＭを加工対象物に結合する光学系を縮小することと、１Ｊ／平方ｃｍ以上のパルスエネルギー密度で加工対象物上に変調されたレーザパルスに投射することとをさらに含む。もしくは、縮小する加工対象物のパルスエネルギー密度は４Ｊ／平方ｃｍ以上であってもよい。ある用途では、たとえば、超薄膜のアブレーションでは、エネルギー密度は０．１Ｊ／平方ｃｍより大きくすることができる。該装置は、データをＳＬＭに供給し、レーザからのパルスと同期して加工対象物台を移動させるコントローラをさらに含む。
【００４９】
該装置およびその代替またはオプションはＳＬＭ画素クロックをさらに含むことができる。この追加の構成要素により、パルス反復レートとＳＬＭの画素クロックとを有効に同期化させることができる。
【００５０】
上記装置では、ＳＬＭのＳＬＭ画素数は２０４８、４０９６、または８１９２のいずれか以上とすることができる。ＳＬＭに投射されるビームレットの数は１０２４、２０４８、または４０９６以上とすることができる。ＳＬＭ上の画素は２つ以上のマイクロミラーで構成され、複数のＳＬＭ画素を使用して１つのビームレットを制御することができるため、マイクロミラーと画素の数がビームレットの数を超える場合があることに注意されたい。
【００５１】
開示される装置に匹敵するのが、１０００個超ものマイクロミラーを有するＳＬＭを用いて加工対象物に熱パターニングまたは光化学パターニングを行う方法である。この方法は、５００ｋＨｚ以上の再装着または再配置周波数で、単独の振幅値まで画素ユニットとして５つ以上の隣接ミラーを駆動することを含む。もしくは、再装着周波数は１ＭＨｚ以上または２ＭＨｚ以上とすることができる。該方法は、１Ｗ以上の平均パワーで１００ｐｓより短いパルスを放射するレーザを用いてＳＬＭ画素ユニットを照射することをさらに含む。もしくは、パルスは、１０または１ｐｓより短くてもよい。照射の平均パワーは５、２５、または５０Ｗ以上であってもよい。該方法は、ＳＬＭを変調し、加工対象物上にパターンを生成するように計算されたシータでＳＬＭを再装着することをさらに含む。該方法は、正に変調されたレーザパルスが加工対象物に対して１Ｊ／平方ｃｍ以上のパルスエネルギー密度を有するように、ＳＬＭから光学系の縮小を介して加工対象物まで変調されたレーザパルスを中継することをさらに含む。もしくは、エネルギー密度は４Ｊ／平方ｃｍ以上または０．１Ｊ／平方ｃｍ以上であってもよい。
【００５２】
該方法は、ＳＬＭ画素クロックを制御することと、レーザのパルス反復とＳＬＭの画素クロックとを同期させることを任意で含むことができる。
この方法を適用すると、ＳＬＭ内のマイクロミラーの数を２０４８または４０９６以上とすることができる。
【００５３】
開示される技術の有益な用途の１つは、相互位相コヒーレンスを有する微小機械ＳＬＭの多数のミラーを使用して、アブレーションなどの材料処理用の高パワーレーザビームを形成することである。これには、２次元領域からスポットの１次元アレイにエネルギーを集中させるアナモルフィック光学系の使用を伴うことができる。
【００５４】
ＳＬＭは、１列にスポットを配置し、その列に並べられた方向で加工対象物を走査することによって、所与のパルスエネルギーに関して高更新レートおよび高平均パワーを得ることに適用することができる。
【００５５】
個々のビームのパワーをミラーのアナログ機能によって較正すると開示してきた。ここでアナログ機能とは、ミラーの傾斜を駆動するＤＡＣからのアナログ電圧を意味する。
該方法およびそれに対応する装置は、ミラーアレイ、光学ビームスプリッタ、およびアナモルフィック光学系を提供し、後者の２つは画素レートとスポット当たりのパワー間の様々なトレードオフに達するように調節可能または変更可能である。様々な数のビームをミラーアレイ上に定めることができる結果、様々な数およびパワーの撮像スポットが達成される
深度制御向上のために高ＮＡ（＞０．２５）スポットのアレイを用いて焦点面の下方の０．２５〜２レイリー長間で表面のアブレーションを行うと説明した。
【００５６】
ガウス分布からフラットトップまたはトップハット、超解像などの異なる所望の形状へ焦点スポットを変更するアブレーションシステム内のフィルタを用いると例示した。
いくつかの実施例では、隣接スポット上で直交する、あるいは少なくとも異なる偏光を使用することで、クロストークを低減し、より密なビームレットピッチを可能にすることを教示する。
【００５７】
開示される技術は、コンピュータ命令を含む非一時記憶媒体で具体化させることができる。この非一時記憶媒体は、ハードウェアと組み合わされた場合、上述の方法のいずれかをハードウェアに実行させるコンピュータ命令を含むことができる。もしくは、非一時記憶媒体は、ハードウェアに搭載される場合、上述の装置のいずれかを構成するコンピュータ命令を含むことができる。
【００５８】
開示される技術はコンピュータソフトウェアであってもよい。コンピュータソフトウェアは、適切なハードウェアに搭載される場合、上述の方法のいずれかを実行することができる。もしくは、コンピュータソフトウェアは、ハードウェアに搭載される場合、上述の装置のいずれかを構成することができる。
【００５９】
以下のとおり請求する。
【図１Ａ】
2013521131.tif 000003
【図１Ｂ】
2013521131.tif 000004
【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｆ】
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【図１Ｇ】
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【図１Ｈ】
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【図１Ｉ】
2013521131.tif 000010
【図３】
2013521131.tif 000011
【図４Ｂ】
2013521131.tif 000012
【図４Ｃ】
2013521131.tif 000013
【図６Ａ】
2013521131.tif 000014
【図６Ｂ】
2013521131.tif 000015
【図６Ｃ】
2013521131.tif 000016
【図６Ｄ】
2013521131.tif 000017
【図６Ｅ】
2013521131.tif 000018
【図６Ｆ】
2013521131.tif 000019
【図７】
2013521131.tif 000020
【図１２】
2013521131.tif 000021
【図１３Ａ】
2013521131.tif 000022
【図１３Ｂ】
2013521131.tif 000023
【図２】
2013521131.tif 000024
【図４Ａ】
2013521131.tif 000025
【図５】
2013521131.tif 000026
【図８】
2013521131.tif 000027
【図９】
2013521131.tif 000028
【図１０】
2013521131.tif 000029
【図１１】
2013521131.tif 000030
【手続補正書】
【提出日】平成24年12月10日(2012.12.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物の熱的パターニングまたは光化学パターニングのための装置であって、
複数の画素を有する、本質的に１次元のＳＬＭ（２０７）であって、各画素は、マイクロミラーの再装着及び再配置のための５００ｋＨｚよりも大きい動作周波数を有する５よりも多い個数の回折マイクロミラーを含む、前記ＳＬＭと、
加工対象物を保持し移動させるように構成された加工対象物台（２４５）と、
１ワットよりも大きい平均パワーで１００ｐｓよりも短いパルスを放射するように構成されたレーザ（２０１、１３２１）と、
前記レーザを前記ＳＬＭに結合し、前記ＳＬＭの画素を照明するビームレットのアレイを生成するように構成された照明光学系（２０５、１３２３、１３２４、１３２５）と、
前記ＳＬＭを前記加工対象物に結合し、前記加工対象物上に１Ｊ／平方ｃｍよりも大きいパルスエネルギー密度で変調されたレーザパルスを投射するように構成された縮小光学系（２２５、２３５、１３３４、１３３５）と、
前記ＳＬＭにデータを供給し、前記レーザからのパルスに同期して前記加工対象物台を移動させるように構成されたコントローラ（２１７）と
を備え、前記照明光学系は、さらに、形状が極めて非対称であるスポットで前記ＳＬＭの画素を照明するビームレットの前記アレイを生成するように構成されており、前記縮小光学系は、さらに、形状が極めて非対称であるスポットでの前記ＳＬＭの画素の照明から変調されたレーザパルスを前記加工対象物上の一つのスポットに中継及び投射するように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
各画素が、１０よりも多い個数のマイクロミラーを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
各画素が、２５よりも多い個数のマイクロミラーを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
各画素が、５０よりも多い個数のマイクロミラーを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記マイクロミラーが、１ＭＨｚ以上の周波数で動作する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記マイクロミラーが、２ＭＨｚ以上の周波数で動作する、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記レーザが、１０ｐｓより短いパルスを放射する、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記レーザが、１ｐｓより短いパルスを放射する、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記レーザが、５ワット以上の平均パワーでパルスを放射する、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記レーザが、２５ワット以上の平均パワーでパルスを放射する、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記ＳＬＭを前記加工対象物に結合する前記縮小光学系が、前記加工対象物上に４Ｊ／平方ｃｍ以上のパルスエネルギー密度で変調されたレーザパルスを投射する、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記ＳＬＭは、画素クロックによって制御され、前記ＳＬＭの前記画素クロックと有効に同期するパルス反復をさらに含む、請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
前記ＳＬＭ上のマイクロミラーの数が、２０４８以上である、請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
前記ＳＬＭ上のマイクロミラーの数が、４０９６以上である、請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１５】
ビームレットの数が、１０２４以上である、請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
ビームレットの数が、２０４８以上である、請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１７】
１０００よりも多い個数のマイクロミラーを有するＳＬＭ（２０７）を用いた加工対象物の熱的パターニングまたは光化学パターニングの方法であって、
５００ＫＨｚよりも大きい再装着および再配置周波数で単独の振幅値まで画素ユニットとして５個以上の隣接マイクロミラーを駆動すること、
１ワットよりも大きい平均パワーで１００ｐｓより短いパルスを放射するレーザ（２０１、１３２１）を用いてＳＬＭ画素ユニットを照明すること、
前記ＳＬＭを変調し、前記加工対象物上にパターンを生成するように計算されたデータで前記ＳＬＭを再装着すること、
正に変調されたレーザパルスが前記加工対象物に対して１Ｊ／平方ｃｍよりも大きいパルスエネルギー密度を有するように、前記ＳＬＭから縮小光学系（２２５、２３５、１３３４、１３３５）を介して前記加工対象物まで前記変調されたレーザパルスを中継すること
を含み、前記照明することは、照明光学系（２０５、１３２３、１３２４、１３２５）を用いて形状が極めて非対称であるスポットを有するビームレットのアレイを生成することを含み、前記中継することは、前記ＳＬＭから縮小光学系を介して前記加工対象物上のスポットへ前記変調されたレーザパルスを投影することであることを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記ＳＬＭが、画素クロックによって制御され、前記レーザのパルス反復と前記ＳＬＭの前記画素クロックとが同期化される、請求項１７に記載の方法。
【国際調査報告】
2013521131.tif 000031
2013521131.tif 000032
2013521131.tif 000033