(57)【要約】【課題】加工対象物表面の近接した複数の箇所を、短時間で、加工する。【解決手段】基板と、該基板上に形成され、半径が１μｍ以下である複数の微小球体が配列されてなる微小球体層とを有する微小レンズアレイを提供する。【選択図】　　　図１
2004102164.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板上に形成され、半径が１μｍ以下である複数の微小球体が配列されてなる微小球体層と
を有する微小レンズアレイ。
【請求項２】
前記微小球体層の隣り合う前記微小球体は、相互に接触して配列されている請求項１に記載の微小レンズアレイ。
【請求項３】
前記微小球体は、ポリスチレンまたはシリカで形成されている請求項１または２に記載の微小レンズアレイ。
【請求項４】
前記基板は、硼硅酸ガラスまたはシリカで形成されている請求項１〜３のいずれかに記載の微小レンズアレイ。
【請求項５】
半径が１μｍ以下の球面の一部と整合する複数の凹部が形成されている面であって、複数の前記凹部は、互いに開口の縁を接して形成されている面を有する凹型微小レンズアレイ。
【請求項６】
銅、ニッケル、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、シリコンゴム（ポリジメチルシロキサン、ＰＤＭＳ）からなる群より選ばれた材料で形成される請求項５に記載の凹型ナノレンズアレイ。
【請求項７】
半径が１μｍ以下の複数の微小球体を、基板の表面上に、隣り合う該微小球体が相互に接触するように配置する工程と、
前記微小球体の表面のうち、前記基板とは反対側の部分に密着する膜を形成する工程と、
該膜から前記微小球体を除去する工程と
を有する凹型微小レンズアレイの製造方法。
【請求項８】
前記膜は金属材料で形成され、前記膜を形成する工程が、前記微小球体の表面に、無電解めっきもしくはスパッタリングで前記膜を付着する工程、及び付着された該膜の厚みを、電解めっきにより増大させる工程を含む請求項７に記載の凹型微小レンズアレイの製造方法。
【請求項９】
前記微小球体を除去する工程が、前記微小球体を加熱して、該微小球体を溶融または焼失させる工程を含む請求項７または８に記載の凹型微小レンズアレイの製造方法。
【請求項１０】
半径が１μｍ以下の複数の微小球体を、基板の表面上に、隣り合う該微小球体が相互に接触するように配置する工程と、
前記微小球体の表面のうち、前記基板とは反対側の部分を転写し、前記微小球体の球面の一部に整合する、複数の凹部を有する第１の型を作製する工程と、
前記第１の型の前記複数の凹部が形成された部分を転写し、前記微小球体の球面の一部に整合する複数の凸部を有する第２の型であって、金属材料で形成される第２の型を作製する工程と、
前記第２の型の前記複数の凸部が形成された部分を、樹脂材料に転写する工程と
を有する凹型微小レンズアレイの製造方法。
【請求項１１】
基板と、該基板上に形成され、半径が１μｍ以下である複数の微小球体が配列されてなる微小球体層とを有する微小レンズアレイを準備する工程と、
レーザビームを前記微小レンズアレイの微小球体の各々で集光して、加工対象物表面の複数の位置に同時に入射させ、該加工対象物の表面を加工する工程と
を有するレーザ加工方法。
【請求項１２】
半径が１μｍ以下の球面の一部と整合する複数の凹部が形成されている面であって、複数の前記凹部は、互いに開口の縁を接して形成されている面を有する凹型微小レンズアレイを準備する工程と、
Ｘ線を、前記凹型微小レンズアレイの前記凹部の各々で集光して、加工対象物表面の複数の位置に同時に入射させ、該加工対象物の表面を加工する工程と
を有するＸ線加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半径１μｍ以下の微小球体を含んで構成されるレンズアレイ、半径１μｍ以下の球面の一部と整合する凹部を含んで構成されるレンズアレイ、及びそれらの製造方法、更に、それらのレンズアレイを用いて行う加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザビームをレンズで集光して、サブミクロンオーダーの高アスペクト比の穴を大量に作成するのは困難である。レーザビームでアブレーションされる穴の穴径はサブミクロンになりにくい上、１ショットのビームで１つの穴を開けるため、加工効率が悪い。
【０００３】
加工対象物表面にポリマーの微粒子を配列し、近接場光を照射して、サブミクロンオーダーの穴開けに成功したことが報告されている。（たとえば、非特許文献１参照。）しかし、この方法では、穴開け加工後、配列されたポリマー微粒子は、ばらばらに加工対象物から除去される。すなわち配列状態のポリマー微粒子は、一度の加工でのみ使用される。また、加工対象物表面の材料によっては、微粒子を密接に配列することは難しいと予想される。
【０００４】
また、たとえば１５ｋｅＶ以上の硬Ｘ線は、集光されにくいので、これを用いて、拡大撮像を行うのは難しい。このため、多数のレンズを列にした「複合レンズ」を拡大撮像に利用するという提案がなされている。たとえば、機械的に微細に加工された複合レンズ（たとえば、非特許文献２参照。）や、有機粒子を用いた複合レンズ（たとえば、非特許文献３参照。）が提案されている。
【０００５】
しかし、複合レンズの焦点距離を短くするためには、複合レンズを構成する単レンズの枚数を増やしたり、単レンズの半径を小さくしたりする必要がある。単レンズの枚数を増やすと、レンズによるＸ線の吸収が増大する。一方、半径の小さいレンズの作製は困難である。
【０００６】
また、基盤上に、微小球体からなる微小球体層を形成する方法は公知である。（たとえば特許文献１参照。）それによると、まず、プラスチック又は高分子化合物からなる微小球体を液体に混合し、混合した液体を平板状の基盤に付着させる。次に、基盤を傾斜させた状態で、基盤に付着した液体を蒸発させて、基盤上に微小球体を配列させた微小球体層を形成する。この方法により、微小球体を、基盤上に、均一に配列することができる。
【０００７】
【非特許文献１】Ｈ．Ｍｕｅｎｚｅｒら著、ＬＰＭ２００１論文集、ＳＰＩＥ出版、２００１年
【非特許文献２】Ｂ．Ｌｅｎｇｅｌｅｒら著、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７４巻、ＡＩＰ出版、１９９９年
【非特許文献３】香村芳樹著、放射光　第１２巻第４号、日本放射光学会、１９９９年
【特許文献１】特開平８−１６０２２５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、加工対象物表面の近接した複数の箇所を、短時間で、加工することのできる微小レンズアレイを提供することである。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、その微小レンズアレイの製造方法を提供することである。
【００１０】
更に、本発明の他の目的は、その微小レンズアレイを用いたレーザ加工方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、基板と、該基板上に形成され、半径が１μｍ以下である複数の微小球体が配列されてなる微小球体層とを有する微小レンズアレイが提供される。
【００１２】
また、本発明の他の観点によれば、半径が１μｍ以下の球面の一部と整合する複数の凹部が形成されている面であって、複数の前記凹部は、互いに開口の縁を接して形成されている面を有する凹型微小レンズアレイが提供される。
【００１３】
レーザビームを、これらの微小レンズアレイで集光して、加工対象物表面の近接した多数の箇所を、短時間で、加工することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１（Ａ）は、本発明の第１の実施例による微小レンズアレイの概略図である。透明な基板１の表面上に、半径が１μｍ以下である複数の微小球体２が配列され、固着されている。基板１には、たとえば厚さ０．１２〜０．１７μｍのカバーグラスを用いることができる。また、微小球体２には、たとえば平均粒子径が８０２ｎｍで、誤差の範囲が±６ｎｍの市販のポリスチレン粒子を用いることができる。微小球体２は、たとえば隣り合う微小球体２が相互に接触するように、基板１上に配列されており、たとえば基板１上において、２次元最密構造をとるように配列されている。２次元最密構造とは、平面上において、１つの粒子の周囲に６つの粒子が接触する構造をいう。基板１上に配列された複数の微小球体２により、微小球体層３が形成されている。基板１及び微小球体層３により、微小レンズアレイ４が形成される。
【００１５】
図１（Ａ）に示した第１の実施例による微小レンズアレイ４は、たとえば従来技術の説明の欄に記載した方法により、作製することができる。後に詳述するが、この微小レンズアレイ４を用いて、レーザビームを集光し、レーザ加工を行うことができる。
【００１６】
基板１は、レーザ加工を行う際に使用するレーザビーム、とりわけ可視光領域の光に対する透過率が高い、たとえば、硼硅酸ガラスなどのガラス系材料や、シリカなどの石英系材料で形成される。また、表面に親水処理を施し、強い親水性をもたせた透明材料を用いることもできる。
【００１７】
複数の微小球体２には、レーザ加工を行う際に使用するレーザビーム、たとえばＴｉ：サファイアレーザから出射された、波長８００ｎｍのビームに対する透過率が高く、更に、平均粒子径の標準偏差値が非常に小さい、たとえば、ポリスチレン標準粒子、シリカ標準粒子などを使用することが望ましい。
【００１８】
図１（Ｂ）を参照し、微小レンズアレイ４を用いたレーザ加工方法について説明する。加工対象物は、たとえば表面処理をしたシリコンウエハ５である。シリコンウエハ５は、たとえば微小レンズアレイ４に密着して配置される。
【００１９】
たとえば、Ｔｉ：サファイアレーザ発振器から、波長８００ｎｍ、パルス幅１００ｆｓのパルスレーザビームが、たとえばビーム断面形状を直径８ｍｍの円形に整形されて、微小レンズアレイ４の基板１に入射する。基板１を透過したレーザビームは、微小球体層３に入射し、微小球体２の各々で集光されて、シリコンウエハ５表面の複数の位置に、同時に照射される。図１（Ｂ）には、微小球体２で集光され、シリコンウエハ５に入射するレーザビームの一部を示した。レーザビームの入射した位置のシリコンウエハ５には、アブレーションにより穴が開けられる。穴径は、たとえばサブミクロンである。多数のサブミクロン径の穴が、シリコンウエハ５の表面に形成される。
【００２０】
微小レンズアレイ４を用いたシリコンウエハ５表面のレーザ加工が終了すると、微小レンズアレイ４とシリコンウエハ５とを分離する。微小球体２は、基板１上に固着されており、配列状態を崩さないため、微小レンズアレイ４は、次の加工にもそのまま利用することができる。シリコンウエハ５の表面上に形成された、多数のサブミクロン径の穴は、高アスペクト比の穴とすることができる。多数の高アスペクト比の穴が形成されたシリコンウエハ５は、たとえば、フォトニック結晶に利用することができる。
【００２１】
図２（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、本発明の第２の実施例による、凹型微小レンズアレイの製造方法を説明する。凹型微小レンズアレイは、たとえば図１（Ａ）に示した微小レンズアレイ４を利用して製造する。
【００２２】
図２（Ａ）を参照する。まず、微小レンズアレイ４上に、たとえば無電解めっきで、膜を形成する。膜は、たとえば銅やニッケルなどの金属材料により、微小球体層３上の、基板１と反対側の部分に付着される。無電解めっきでなくても、スパッタを行うことで、膜を形成することもできる。
【００２３】
図２（Ｂ）を参照する。次に、形成された膜を、厚さ方向に成長させる。これは、たとえば電解めっきを行うことにより行われる。
【００２４】
膜を所定の厚さに成長させた後、膜から微小レンズアレイ４を除去する。除去は、たとえば、微小球体層３を加熱して、微小球体層３を溶融または焼失させることにより行う。
【００２５】
図３は、以上のようにして作製された凹型微小レンズアレイ１０の断面図である。膜厚は、たとえば１０μｍである。凹型微小レンズアレイ１０の一方の面には、半径が１μｍ以下の微小球体２の球面の一部と整合する複数の凹部１０ａが形成されている。複数の凹部１０ａは、互いに開口の縁を接して形成されている。もう一方の面は、たとえば平面である。
【００２６】
図３に示すような凹型微小レンズアレイ１０は、銅やニッケルなどの金属材料だけでなく、成形しやすい樹脂材料、たとえばポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）やシリコンゴム（ポリジメチルシロキサン、ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ，ＰＤＭＳ）を用いても、製造することができる。以下、樹脂材料で形成される凹型微小レンズアレイ１０の製造方法を記す。
【００２７】
図４（Ａ）を参照する。まず、微小レンズアレイ４の微小球体２の表面のうち、基板１とは反対側の部分を転写し、型１２を作製する。型１２は、たとえばシリコンゴム（ポリジメチルシロキサン、ＰＤＭＳ）で形成される。また、転写は、たとえば、レプリカモールディング（Ｒｅｐｌｉｃａ　Ｍｏｌｄｉｎｇ）により行われる。
【００２８】
図４（Ａ）は、型１２の概略図である。型１２は、微小球体２の球面の一部と整合する複数の凹部１２ａが、互いに開口の縁を接して形成された面を有している。
【００２９】
次に型１２の、複数の凹部１２ａが形成された面に、たとえばニッケル等の金属材料で電気めっきを施すことにより、金型１３を作製する。
【００３０】
図４（Ｂ）は、金型１３の概略図である。金型１３の一方の面には、微小レンズアレイ４の微小球体２の球面に整合する、複数の凸部１３ａが形成されている。
【００３１】
金型１３をもとにして、図３に示す凹型微小レンズアレイ１０を製作することができる。たとえば、金型１３をスタンパーとして利用し、樹脂材料、たとえばポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）等の炭素系ポリマー材料で形成された凹型微小レンズアレイ１０を、大量に作製することができる。
【００３２】
上述の例では、微小レンズアレイ４を用いて、凹型微小レンズアレイ１０を製造したが、半径が１μｍ以下の複数の微小球体を、基板の表面上に、隣り合う微小球体が相互に接触するように配置し、その微小球体上の、基板と反対側の部分に膜を形成することにより、凹型微小レンズアレイ１０を作製することもできる。また、その微小球体上の、基板と反対側の部分を２度転写した金型を用いて、凹型微小レンズアレイ１０を製造することもできる。
【００３３】
図５を参照して、凹型微小レンズアレイ１０を用いたＸ線加工方法について説明する。Ｘ線加工方法に用いる凹型微小レンズアレイ１０の、凹部１０ａは、たとえば、平均粒子径が１０２ｎｍで、誤差の範囲が±３ｎｍである微小球体２の球面に整合する、複数の凹部１０ａが形成されている。また、加工対象物３０は、たとえば、エポキシ系ネガ型レジスト（ＳＵ−８、ＭｉｃｒｏＣｈｅｍ　Ｃｏ．製）または、旭化成工業（株）製ＡＰＲスタンプ樹脂で形成された基板３０ａ上に、Ｘ線が照射されると液体から固体に硬化する感光性樹脂液３０ｂを、たとえば厚さ５００μｍまで塗布したものである。
【００３４】
たとえば、集光されにくい１５ｋｅＶ以上の硬Ｘ線、たとえば２０ｋｅＶの硬Ｘ線が、凹型微小レンズアレイ１０に入射する。凹型微小レンズアレイ１０に入射した硬Ｘ線は、凹部１０ａの各々で集光されて、感光性樹脂液３０ｂの表面の複数の位置に、同時に照射される。図５には、凹部１０ａで集光され、感光性樹脂液３０ｂに入射する硬Ｘ線の一部を示した。集光されたサブミクロン径の硬Ｘ線ビームは、ビーム断面における強度がガウス分布をもつため、感光性樹脂液３０ｂ表面上に集光され照射されると、照射された位置の感光性樹脂液３０ｂは円錐状に硬化する。したがって、光造形法により、基板３０ａ上に、ナノ円錐アレイを形成することができる。ナノ円錐アレイは、モズ・アイと呼ばれる。なお、図５には、感光性樹脂液３０ｂが硬化することにより形成された円錐構造体の１つを斜線で示した。
【００３５】
凹型微小レンズアレイ１０の焦点距離ｆは、ｆ＝Ａ／（２δ）で求められる。Ａは、凹型微小レンズアレイ１０の凹部１０ａが整合する微小球体２の平均粒子径である。δは、凹型微小レンズアレイ１０の屈折率をｎとしたとき、δ＝１−ｎで定義される。凹型微小レンズアレイ１０が銅で形成されており、硬Ｘ線のエネルギが２０ｋｅＶであるとき、δ＝４×１０−６となる。したがって、Ａ＝１０２ｎｍであれば、焦点距離ｆは約１２．５ｍｍである。また、硬Ｘ線の透過率は、凹型微小レンズアレイ１０の厚さ（膜厚）をＬ、吸収係数をμとするとき、１−μＬで求められる。凹型微小レンズアレイ１０が、厚さ１０μｍの銅で形成されているとき、２０ｋｅＶの硬Ｘ線の透過率は、約７０％となる。凹型微小レンズアレイ１０は、硬Ｘ線に対する短い焦点距離と、高い透過率とを両立させることができる。
【００３６】
以上、実施例に沿って本発明を説明した。本明細書において、「球体」とは、幾何学上の完全な球である必要はなく、光を集束させる作用を有する微小物体を意味する。
【００３７】
また、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、加工対象物表面の近接した複数の箇所を、短時間で、加工することのできる微小レンズアレイ及びその製造方法を提供することができる。
【００３９】
更に、その微小レンズアレイを用いたレーザ加工方法、Ｘ線加工方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は、第１の実施例による微小レンズアレイの概略図であり、（Ｂ）は、微小レンズアレイで集光され、加工対象物に入射するレーザビームの一部を示す概略図である。
【図２】（Ａ）及び（Ｂ）は、第２の実施例による、凹型微小レンズアレイの製造方法を説明するための概略図である。
【図３】凹型微小レンズアレイの概略的な断面図である。
【図４】（Ａ）は、複数の凹部を有する型の概略図であり、（Ｂ）は、複数の凸部を有する金型の概略図である。
【図５】凹型微小レンズアレイで集光され、加工対象物に入射するＸ線の一部を示す概略図である。
【符号の説明】
１　基板
２　微小球体
３　微小球体層
４　微小レンズアレイ
５　シリコンウエハ
１０　凹型微小レンズアレイ
１０ａ　凹部
１２　型
１２ａ　凹部
１３　金型
１３ａ　凸部
３０　加工対象物
３０ａ　基板
３０ｂ　感光性樹脂液
【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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