(57)【要約】      （修正有）【課題】流動性物質の入ったセルで覆われた透明基板の裏面を再現性よくレーザー光の集光位置に保持することのできる透明材料の微細加工装置を提供する。【解決手段】透明材料１１の裏面にレーザー波長に対して高い吸収率を有する流動性物質１２を接触させ、正面からレーザー光Ｌを照射して透明材料１１の裏面に微細加工を施す透明材料の微細加工装置において、前記透明材料の裏面位置を直接規制する基準プレート１３を設けて前記透明基板１１の裏面を再現性よくレーザー光の集光位置に保持することで、透明材料裏面への微細加工を可能とする。【選択図】図１
2004306134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明材料の裏面にレーザー波長に対して高い吸収率を有する流動性物質を接触させ、正面からレーザー光を照射して透明材料の裏面に微細加工を施す透明材料の微細加工装置であって、
前記透明材料の裏面位置を直接規制する基準プレートを備えたことを特徴とする透明材料の微細加工装置。
【請求項２】
前記透明材料は、前記基準プレートと、保持プレートに挟持される保持されることを特徴とする請求項１に記載の透明材料の微細加工装置。
【請求項３】
前記透明材料の裏面に接触される流動性物質は、透明材料とは独立して保持されることを特徴とする請求項１または２に記載の透明材料の微細加工装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか一つに記載の透明材料の微細加工装置を用いた光学素子作製方法であって、
透明材料に光吸収の大きな流動性物質を接触させ、所定のフォトマスクを透過して特定のビーム形状を持ったレーザー光を透明材料の表面側から照射しながら、レーザー光をスキャンすることにより、透明材料に所定の３次元表面微細構造を加工することを特徴とする光学素子作製方法。
【請求項５】
前記光学素子に適用する該３次元表面微細構造として、Ｖ溝及びＶ溝アレイ、のこぎり歯溝及びのこぎり歯溝アレイ、Ｕ溝及びＵ溝アレイ、矩形溝及び矩形溝アレイ、上記溝及び溝アレイの湾曲構造、ピラミッド状構造２次元アレイ、レンズ状構造２次元アレイ、矩形２次元アレイのいずれかを作製することを特徴とする請求項４記載の光学素子作製方法。
【請求項６】
前記Ｖ溝及びＶ溝アレイの作製に、２等辺三角形及び２等辺三角形列のビーム形状のレーザー光を照射方向に垂直にスキャンすることを特徴とする請求項５記載の光学素子作製方法。
【請求項７】
前記のこぎり刃及びのこぎり刃溝アレイの作製に直角三角形及び直角三角形列のビーム形状のレーザー光を照射方向に垂直にスキャンすることを特徴とする請求項５記載の光学素子作製方法。
【請求項８】
前記Ｕ溝の作製に、半円形、半楕円形、円形、楕円形のいずれかのビーム形状、Ｕ溝アレイの作製に半円形、半楕円形、円形、楕円形のいずれかの列のビーム形状のレーザー光を照射方向に垂直にスキャンすることを特徴とする請求項５記載の光学素子作製方法。
【請求項９】
前記矩形溝及び矩形溝アレイの作製に、長方形及び長方形列のビーム形状のレーザー光を照射方向に垂直にスキャンすることを特徴とする請求項５記載の光学素子作製方法。
【請求項１０】
前記溝及び溝アレイ湾曲構造の作製に、請求項６〜請求項９のいずれか一つに記載のビーム形状のレーザー光を、照射方向に垂直な面内で曲線状にスキャンしつつ、同期してフォトマスクと被加工物のいずれかを回転させてレーザー光のスキャン方向に対する角度を一定に保つことを特徴とする請求項５記載の光学素子作製方法。
【請求項１１】
前記ピラミッド状構造２次元アレイの作製に、請求項６記載の光学素子作製方法によりＶ溝アレイを作製後、フォトマスクと被加工物を相対的に９０°回転し、再びＶ溝アレイ作製を行うことを特徴とする請求項５記載の光学素子作製方法。
【請求項１２】
前記レンズ状構造２次元アレイの作製に、請求項８記載の方法でＵ溝アレイを作製後、フォトマスクと被加工物を相対的に９０°回転し、再びＵ溝アレイ作製を行うことを特徴とする請求項５記載の光学素子作製方法。
【請求項１３】
前記矩形２次元アレイの作製に、請求項９記載の方法で矩形溝アレイを作製後、フォトマスクと被加工物を相対的に９０°回転し、再び矩形溝アレイ作製を行うことを特徴とする請求項５記載の光学素子作製方法。
【請求項１４】
前記透明材料として石英ガラス、一般ガラス、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、シリコンカーバイド、サファイア、アルミナ、水晶、ダイヤモンド、またはフッ素樹脂を用いることを特徴とする請求項４記載の光学素子作製方法。
【請求項１５】
前記レーザーとして、エキシマレーザー、またはＹＡＧレーザー、ＹＶＯレーザー、ＹＬＦレーザー、色素レーザー、銅蒸気レーザー、チタンサファイアレーザーの基本発振波長あるいは高調波を用い、レーザー光強度として０．０１Ｊ／ｃｍ２／ｐｕｌｓｅから１００Ｊ／ｃｍ２／ｐｕｌｓｅまでを用いることを特徴とする請求項４記載の光学素子作製方法。
【請求項１６】
前記流動性物質として、有機化合物、有機色素、無機顔料または炭素粉末を含む物質を用いることを特徴とする請求項４記載の光学素子作製方法。
【請求項１７】
前記光学素子作製方法により、回折格子、偏光板、反射板、反射防止板、プリズムアレイ、ホログラム光学素子、フォトニック結晶素子として利用される可視〜紫外〜真空紫外光用回折光学素子、及び光通信素子、光導波路基板、液晶配向基板を作製することを特徴とする請求項４記載の光学素子作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザーを使用して透明材料に微細加工を行う加工装置、特に光吸収率の大きな流動性物質を利用してレーザー加工することのできる透明材料の微細加工装置、ならびに、透明材料に３次元表面微細構造を加工することにより、回折格子、偏光板、反射板、反射防止板、プリズムアレイ、ホログラム光学素子、フォトニック結晶素子などとして利用される可視〜紫外〜真空紫外光用回折光学素子、及び光通信素子、光導波路基板、液晶配向基板を作製する光学素子作製法に関する。さらに詳しくは、透明材料に光吸収の大きな流動性物質を接触させ、所定のフォトマスクを透過して特定のビーム形状を持ったレーザー光を透明材料の表面側から照射しながら、レーザー光をスキャンすることにより、透明材料に所定の３次元表面微細構造を加工することを特徴とする光学素子作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路製造工程の要を担っているフォトリソグラフィー・プロセスにおいて、加工分解能が使用光源の波長に比例するため、光源の短波長化による高分解能化、高集積化が進められてきている。また、フォトリソグラフィー以外の短波長光加工プロセスにおいても、光源の短波長化により加工分解能の向上を図ることができる。このため、近紫外から深紫外、真空紫外といった、より短波長の光の制御に利用可能な光学素子の重要性は増すばかりである。特に、透明材料に溝アレイ、溝アレイの湾曲構造、２次元アレイ構造といった３次元表面微細構造を加工し、必要に応じて公知の方法で誘電体膜や金属膜を塗布することにより作製される回折光学素子は、回折格子、偏光板、反射板、反射防止板、プリズムアレイ、ホログラム光学素子、フォトニック結晶素子などの機能を有し、従来の複数の光学部品の機能を１個で置き換えることが可能であり、光学系の小型化、簡略化、高機能化を図る上で重要な役割を果たす。このような観点から、可視光から深紫外光の制御に利用可能な石英ガラスやサファイア、さらに真空紫外光までの制御に利用可能なフッ化カルシウムなどのフッ化物結晶を用いた光学素子、特に回折光学素子が重要度を増している。
【０００３】
また、Ｖ溝及びＶ溝アレイは光ファイバー位置決め基板といった光通信素子として利用可能であり、紫外光を透過する石英ガラスなどの透明材料を用いることで、紫外光硬化樹脂による光ファイバーの接着、固定が簡便に行えるという利点を持つ。
【０００４】
さらに、溝構造、溝アレイ構造、溝及び溝アレイの湾曲構造は光導波路基板、液晶配向用基板としても利用可能である。
【０００５】
上記の理由から、簡便、高品位、高効率で、石英ガラス、サファイアなどからフッ化物結晶までの広範な透明材料の表面に三次元微細形状を加工して光学素子を作製する方法が望まれている。
【０００６】
しかし、光吸収率の少ない透明材料はレーザーアブレーションやレーザー溶融法によって直接的に材料表面に微細加工を行うことは困難である。また、請求項１４に挙げた透明材料は堅くてもろいため、研削などの機械加工では加工速度が非常に小さく、クラックや欠けが発生しやすいために加工効率が悪いという難点を持つ。さらに、複雑な三次元表面形状の精密微細加工を行うことは一段と困難である。
【０００７】
そこで、特許第３０１２９２６号公報（特許文献１）に示すようにレーザーの直接照射による加工が困難な透明材料については、透明材料の裏面に光吸収率の大きな流動性物質を接触させ、流動性物質のレーザー吸収を利用した微細加工方法が提案されている。
【０００８】
また、装置に透明材料を保持する機構として、図５に示すように透明材料１の正面側をＯリング２を介してホルダー３の保持プレート３ａに当接させ、透明材料１の裏面にＯリング４を介して光吸収率の大きな流動性物質５を収容したセル６の開口部６ａを接触保持させている。図５に示す例では、セル６の裏面からホルダープレート７をボルト８で保持プレート３ａに取付けている。つまり、透明材料１は、Ｏリング４とセル６を介して背面から押さえられている。また、透明材料１の裏面に流動性物質５を接触させてレーザー加工する技術は、特許文献１に記載されている。
【０００９】
他方、レーザー光を吸収する材料に対するレーザー光の直接照射による３次元微細表面加工方法として以下の方法が知られている。
（１）点集光したレーザー光を３次元的にスキャンしてアブレーション加工し、所定の３次元形状を加工する方法。［例えば、特開２０００−３１７６６５号公報（特許文献２）］
（２）他種類のフォトマスクを準備し、レーザー照射によるアブレーション加工を段階的に行い、段階ごとにフォトマスクを取り替えて、所定の３次元形状を加工する方法。［例えば、特開平０９−３０８９４２号公報（特許文献３）、特開平１０−１６２１５号公報（特許文献４）］
（３）光の二次元透過形状を自由に制御出来る液晶パネルをフォトマスクとして用い、レーザー加工を進めながらレーザー光のビーム形状を変化させて、所定の３次元形状を加工する方法。［例えば、特開平０９−１５８６７号公報（特許文献５）、特開２００１−２１２６８７号公報（特許文献６）、特開２００１−２１２７９８号公報（特許文献７）、特開２００２−２９２４８８号公報（特許文献８）］
（４）光の透過量を連続的に変化させるグレー・フォトマスクを用い、透過するレーザー光強度の二次元分布を制御して、所定の３次元形状を加工する方法。［例えば、特開平０７−５８４３４号公報（特許文献９）、特開平０８−２２４６８６号公報（特許文献１０）、特開平２００３−１５２７５号公報（特許文献１１）］
（５）フォトマスクを透過して所定のビーム形状を持ったレーザー光を照射してアブレーション加工しながら、集光レンズを照射方向に移動させ、縮小率を変えて３次元形状を加工する方法。［特開平０８−２２１７２９号公報（特許文献１２）］
（６）フォトマスクを透過してあるビーム形状を持ったレーザー光を加工物上でレーザー照射方向と垂直な一方向にスキャンすることにより、ランプ構造などの３次元表面形状を加工する方法。［Ｚｉｍｍｅｒら：Ａｐｐｌ．Ｓｕｒｆ．Ｓｃｉ．Ｖｏｌ．９６−９８，ｐ．４２５（１９９６）（非特許文献１）］
【００１０】
しかし、前記段落０００９の（１）の方法では加工領域全てをスキャンして３次元加工を行っていくため、レーザーの繰返し周波数が高く、かつレーザー強度が非常に高い場合を除くと、時間効率が悪いという問題がある。段落０００９の（２）の方法では、頻繁にフォトマスクの交換を行う必要があって煩雑かつ時間効率が悪く、さらに階段状の加工断面になりやすいという問題がある。段落０００９の（３）の方法では、使用できるレーザー光の波長が液晶パネルを透過出来るものに限定されるという問題がある。段落０００９の（４）の方法では、グレー・フォトマスク、特に短波長レーザーで高いレーザー強度に耐えるグレー・フォトマスクの作製が大変困難であるという問題がある。段落０００９の（５）の方法では、縮小率の変化に伴うレーザー強度の変化による加工効率の変化も考慮する必要があり、加工形状の制御が困難を伴うという問題がある。段落０００９の（６）の方法は簡便であるが、Ｚｉｍｍｅｒらはその用途について言及していない。
【００１１】
特許文献１の方法と前記段落０００９の（４）、（６）の方法を用いた、石英ガラスへの３次元表面加工例が報告されている。
（１）フレネルレンズ、ランダム位相板の加工
グレー・フォトマスクを用いることでレーザー光強度の２次元分布を制御し、石英ガラスの背面に流動性物質を接触させ、石英ガラスの表面側からレーザー光を照射して、フレネルレンズ、ランダム位相板の加工を行った。［Ｋｏｐｉｔｋｏｖａｓら：Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｅｎｇ．Ｖｏｌ．６７−６８，ｐ．４３８（２００３）（非特許文献２）。］
（２）シリンドリカル凹レンズ構造の加工
フォトマスクを通過したレーザー光を石英ガラスの表面から流動性物質に照射しながら、レーザー光をレーザー照射方向と垂直な一方向にスキャンすることにより、シリンドリカル凹レンズ構造を加工した。［Ｂｏｅｈｍｅら：Ａｐｐｌ．Ｓｕｒｆ．Ｓｃｉ．Ｖｏｌ．１８６，ｐ．２７６（２００２）（非特許文献３）。］
【００１２】
ただし、前記段落００１１（１）の方法では、所定のレーザー光強度分布を得るためのグレー・フォトマスクの設計・作製が難しい。具体的には、レジスト塗布、リソグラフィーによるパターニング、イオンビーム・エッチング、レジスト剥離の複雑工程を複数回繰り返す必要があり、大変手間がかかる。このとき、工程数を減らすと、透過光量の変化が階段状になって滑らかさを欠くことになり、加工品位に影響を及ぼす。段落００１１の（２）の方法では、Ｂｏｅｈｍｅの報告例は石英ガラス表面へのシリンドリカル凹レンズ構造のみであり、さらにその用途については何も言及していない。
【００１３】
【特許文献１】特許第３０１２９２６号公報
【特許文献２】特開２０００−３１７６６５号公報
【特許文献３】特開平０９−３０８９４２号公報
【特許文献４】特開平１０−１６２１５号公報
【特許文献５】特開平０９−１５８６７号公報
【特許文献６】特開２００１−２１２６８７号公報
【特許文献７】特開２００１−２１２７９８号公報
【特許文献８】特開２００２−２９２４８８号公報
【特許文献９】特開平０７−５８４３４号公報
【特許文献１０】特開平０８−２２４６８６号公報
【特許文献１１】特開２００３−１５２７５号公報
【特許文献１２】特開平０８−２２１７２９号公報
【非特許文献１】Ｚｉｍｍｅｒら：Ａｐｐｌ．Ｓｕｒｆ．Ｓｃｉ．Ｖｏｌ．９６−９８，ｐ．４２５（１９９６）
【非特許文献２】Ｋｏｐｉｔｋｏｖａｓら：Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｅｎｇ．Ｖｏｌ．６７−６８，ｐ．４３８（２００２）
【非特許文献３】Ｂｏｅｈｍｅら：Ａｐｐｌ．Ｓｕｒｆ．Ｓｃｉ．Ｖｏｌ．１８６，ｐ．２７６（２００２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
前記段落０００８で述べた透明材料の微細加工法において、レーザー加工する加工部位が透明基板の裏面であり、流動性物質の入ったセルで覆われているために、直接観察することができない。したがって、加工に使用するレーザー光の焦点位置を正確に測定することは困難であった。また、図６に示すように透明材料１の裏面を直接規制する部材が存在しなかったので、微細加工を行うべき透明材料の裏面の位置が微妙にずれてしまい、微細加工に悪影響を与える場合が存在した。
【００１５】
本発明は、前記実情に鑑み提案されたもので、流動性物質の入ったセルで覆われた透明基板の裏面を再現性よくレーザー光の集光位置に保持することのできる透明材料の微細加工装置を提供することを目的とする。
【００１６】
ならびに、上記微細加工装置を用いて、透明材料に３次元表面微細構造を加工することにより、回折格子、偏光板、反射板、反射防止板、プリズムアレイ、ホログラム光学素子、フォトニック結晶素子などの可視〜紫外〜真空紫外光用回折光学素子、光通信素子、光導波路基板、液晶配向基板などの光学素子を簡便、高品位、高効率に作製することを目的とする。具体的な３次元表面微細構造としてＶ溝及びＶ溝アレイ、のこぎり歯溝及びのこぎり歯溝アレイ、Ｕ溝及びＵ溝アレイ、矩形溝及び矩形溝アレイ、上記溝及び溝アレイの湾曲構造、ピラミッド状構造の２次元アレイ、レンズ状構造の２次元アレイ、矩形の２次元アレイを用いるものとする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、透明材料の裏面にレーザー波長に対して高い吸収率を有する流動性物質を接触させ、正面からレーザー光を照射して透明材料の裏面に微細加工を施す透明材料の微細加工装置であって、前記透明材料の裏面位置を直接規制する基準プレートを備えたことを特徴としている。
【００１８】
また、請求項２に記載の発明は、前記基準プレートと、保持プレートに挟持される保持されることを特徴とするものである。
【００１９】
また、請求項３に記載の発明は、前記透明材料の裏面に接触される流動性物質は、透明材料とは独立して保持されることを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明においては、前記レーザー光は、ＡｒＦ（波長：１９３ｎｍ）、ＫｒＦ（２４８ｎｍ）、ＫｒＣｌ（２２２ｎｍ）、ＫｒＦ（２４８ｎｍ）、ＸｅＣｌ（３０８ｎｍ）、ＸｅＦ（３５１ｎｍ）エキシマレーザー、ＹＡＧレーザー、ＹＶＯレーザー、ＹＬＦレーザー、色素レーザー、銅蒸気レーザー、チタンサファイアレーザー等の基本発振波長あるいは高調波を用い用いることができる。例えば、ＹＡＧレーザーの二倍高調波（５３２ｎｍ）、三倍高調波（３５５ｎｍ）、四倍高調波（２６６ｎｍ）、五倍高調波（２１３ｎｍ）なども挙げられる。透明材料の表面加工を行うためのレーザー強度は、レーザー波長に対する流動性物質の吸収によって異なるが、レーザー強度が０．０１から１００Ｊ／ｃｍ２／ｐｕｌｓｅまでが望ましい。更に望ましいのは、０．１から１０Ｊ／ｃｍ２／ｐｕｌｓｅまでの範囲である。レーザー強度が弱すぎる場合には、エッチングが起こらず、強すぎるときは材料に損傷を与える。
【００２１】
特に請求項４に記載の光学素子作製方法の発明においては、前記請求項１〜請求項３のいずれか一つに記載の透明材料の微細加工装置を用いた光学素子作製方法であって、透明材料に光吸収の大きな流動性物質を接触させ、所定のフォトマスクを透過して特定のビーム形状を持ったレーザー光を透明材料の表面側から照射しながら、レーザー光をスキャンすることにより、透明材料に所定の３次元表面微細構造を加工することを特徴とするものである。
【００２２】
また、請求項５に記載の発明においては、前記光学素子に適用する該３次元表面微細構造として、Ｖ溝及びＶ溝アレイ、のこぎり歯溝及びのこぎり歯溝アレイ、Ｕ溝及びＵ溝アレイ、矩形溝及び矩形溝アレイ、上記溝及び溝アレイの湾曲構造、ピラミッド状構造２次元アレイ、レンズ状構造２次元アレイ、矩形２次元アレイのいずれかを作製することを特徴とするものである。
【００２３】
また、請求項６に記載の発明においては、前記Ｖ溝及びＶ溝アレイの作製に、２等辺三角形及び２等辺三角形列のビーム形状のレーザー光を照射方向に垂直にスキャンすることを特徴とするものである。
【００２４】
また、請求項７に記載の発明においては、前記のこぎり刃及びのこぎり刃溝アレイの作製に直角三角形及び直角三角形列のビーム形状のレーザー光を照射方向に垂直にスキャンすることを特徴とするものである。
【００２５】
また、請求項８に記載の発明においては、前記Ｕ溝の作製に、半円形、半楕円形、円形、楕円形のいずれかのビーム形状、Ｕ溝アレイの作製に半円形、半楕円形、円形、楕円形のいずれかの列のビーム形状のレーザー光を照射方向に垂直にスキャンするものである。
【００２６】
また、請求項９に記載の発明においては、前記矩形溝及び矩形溝アレイの作製に、長方形及び長方形列のビーム形状のレーザー光を照射方向に垂直にスキャンすることを特徴とするものである。
【００２７】
また、請求項１０に記載の発明においては、前記溝及び溝アレイ湾曲構造の作製に、請求項６〜請求項９のいずれか一つに記載のビーム形状のレーザー光を、照射方向に垂直な面内で曲線状にスキャンしつつ、同期してフォトマスクと被加工物のいずれかを回転させてレーザー光のスキャン方向に対する角度を一定に保つことを特徴とするものである。
【００２８】
また、請求項１１に記載の発明においては、前記ピラミッド状構造２次元アレイの作製に、請求項６記載の光学素子作製方法によりＶ溝アレイを作製後、フォトマスクと被加工物を相対的に９０°回転し、再びＶ溝アレイ作製を行うことを特徴とするものである。
【００２９】
また、請求項１２に記載の発明においては、前記レンズ状構造２次元アレイの作製に、請求項８の方法でＵ溝アレイを作製後、フォトマスクと被加工物を相対的に９０°回転し、再びＵ溝アレイ作製を行うことを特徴とするものである。
【００３０】
また、請求項１３に記載の発明においては、前記矩形２次元アレイの作製に、請求項９の方法で矩形溝アレイを作製後、フォトマスクと被加工物を相対的に９０°回転し、再び矩形溝アレイ作製を行うことを特徴とするものである。
【００３１】
また、請求項１４に記載の発明においては、前記透明材料として石英ガラス、一般ガラス、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、シリコンカーバイド、サファイア、アルミナ、水晶、ダイヤモンド、またはフッ素樹脂を用いることを特徴とするものである。
【００３２】
また、請求項１５に記載の発明においては、前記レーザーとして、エキシマレーザー、またはＹＡＧレーザー、ＹＶＯレーザー、ＹＬＦレーザー、色素レーザー、銅蒸気レーザー、チタンサファイアレーザーの基本発振波長あるいは高調波を用い、レーザー光強度として０．０１Ｊ／ｃｍ２／ｐｕｌｓｅから１００Ｊ／ｃｍ２／ｐｕｌｓｅまでを用いることを特徴とするものである。
【００３３】
また、請求項１６に記載の発明においては、前記流動性物質として、有機化合物、有機色素、無機顔料または炭素粉末を含む物質を用いることを特徴とするものである。より具体的には、使用するレーザー波長に高い吸収率を持つ物質であればよく、例えばピレンのアセトン溶液、ベンジルのアセトン溶液、ピレンのテトラヒドロフラン溶液、ローダミン６Ｇのエタノール溶液、フタロシアニンのエタノール溶液などの芳香族環を含む有機化合物、トルエン、ベンゼン、４塩化炭素等の液体状化合物、ピラニン水溶液、ナフタレン誘導体水溶液、有機化合物、有機色素、無機顔料、あるいは炭素などの微粒子などを分散して作った溶液等を使用することができる。
【００３４】
また、請求項１７に記載の発明においては、前記光学素子作製方法により、回折格子、偏光板、反射板、反射防止板、プリズムアレイ、ホログラム光学素子、フォトニック結晶素子として利用される可視〜紫外〜真空紫外光用回折光学素子、及び光通信素子、光導波路基板、液晶配向基板を作製することを特徴とするものである。
【００３５】
さらに、前記段落００１７に記載の光学素子を作製するために、透明材料の裏面に光吸収の大きな流動性物質を接触させ、所定のフォトマスクを透過して特定のビーム形状を持ったレーザー光を透明材料の表面側から照射しながら、レーザー光をスキャンすることにより、透明材料の裏面に所定の３次元表面微細構造を加工し、可視〜深紫外〜真空紫外光用回折光学素子などの光学素子を作製する方法を提供する。
【発明の効果】
【００３６】
請求項１に記載の発明では、透明材料の裏面にレーザー波長に対して高い吸収率を有する流動性物質を接触させ、正面からレーザー光を照射して透明材料の裏面に微細加工を施す透明材料の微細加工装置であって、前記透明材料の裏面位置を直接規制する基準プレートを備えたので、透明材料を正確な位置に保持することができ、高精度に様々な形状を表面加工することができる。また、基準プレートの存在により透明材料を再現性よく保持できるので、さまざまな形状の透明材料の裏面に微細加工を施すことができる。
【００３７】
また、請求項２に記載の発明では、前記基準プレートと、保持プレートに挟持される保持されるので、加工すべき透明材料を正確な位置に保持することができ、再現性よく透明材料の裏面に微細加工を施すことができる。
【００３８】
また、請求項３に記載の発明では、前記透明材料の裏面に接触される流動性物質は、透明材料とは独立して保持されるので、加工すべき透明材料が流動性物質の保持状態に影響を受けることがない。したがって、透明材料を再現性よく正確な位置に保持して微細なレーザー加工が実現できる。
【００３９】
また、本発明において、前記レーザー光には、エキシマレーザー、ＹＡＧレーザー、さらには請求項１５に記載したレーザーを使用するので、レーザー光の焦点位置が的確に制御でき周辺部分の損傷を未然に防止することができる。また、レーザー光を直接に集光照射するだけでなく、マスクを介して照射することも可能である。さらに真空雰囲気も不要である。
【００４０】
また、本発明において、前記透明材料は、石英、サファイア、さらに請求項１４に記載した材料を使用することができ、レーザー光に対して透明性を有するこれらの材料の微細加工が可能となった。また、これらの透明材料の形状は、板状、筒状等の任意の形状であってもよい。
【００４１】
また、本発明において、前記流動性物質は、ピレン／アセトン溶液あるいはトルエン溶液を使用した場合、レーザー波長に対して高い吸収率を呈し、１パルスあたり１０ｎｍオーダーの大きなエッチング速度を得ることができる。
【００４２】
また、本発明において、前記流動性物質としてナフタレン誘導体水溶液またはピラニン水溶液を使用した場合、レーザー波長に対して高い吸収率を呈すると共に、精密かつ極めて平坦性の高いエッチング加工が可能となる。
【００４３】
さらに、本発明により、石英ガラス、フッ化カルシウムなどの広範な透明材料にＶ溝、Ｖ溝アレイ、のこぎり刃溝、のこぎり刃溝アレイ、Ｕ溝、Ｕ溝アレイ、矩形溝、矩形溝アレイ、溝及び溝アレイの湾曲構造、ピラミッド状構造の２次元アレイ、レンズ状構造の２次元アレイ、矩形の２次元アレイといったさまざまな三次元表面形状を簡便、精密かつ高効率に作製することが可能となる。上記加工品は、回折格子、偏光板、反射板、反射防止板、プリズムアレイ、ホログラム光学素子、フォトニック結晶素子などの可視〜紫外〜真空紫外光用回折光学素子、ファイバー位置決め基板、光導波路基板、液晶配向用基板などの広範な光学素子に利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
流動性物質の入ったセルで覆われた透明基板の裏面を再現性よくレーザー光の集光位置に保持することのできる透明材料の微細加工装置を提供することを目的とし、また、上記微細加工装置を用いて、透明材料に３次元表面微細構造を加工することにより、回折格子、偏光板、反射板、反射防止板、プリズムアレイ、ホログラム光学素子、フォトニック結晶素子などの可視〜紫外〜真空紫外光用回折光学素子、光通信素子、光導波路基板、液晶配向基板などの光学素子を簡便、高品位、高効率に作製することを目的として、透明材料の裏面にレーザー波長に対して高い吸収率を有する流動性物質を接触させ、正面からレーザー光を照射して透明材料の裏面に微細加工を施す透明材料の微細加工装置であって、前記透明材料の裏面位置を直接規制する基準プレートを備えたことを特徴とする透明材料の微細加工装置としたものであり、また、前記透明材料の微細加工装置を用いた光学素子作製方法であって、透明材料に光吸収の大きな流動性物質を接触させ、所定のフォトマスクを透過して特定のビーム形状を持ったレーザー光を透明材料の表面側から照射しながら、レーザー光をスキャンすることにより、透明材料に所定の３次元表面微細構造を加工することを特徴とする光学素子作製方法としたものである。
【実施例１】
【００４５】
以下、本発明の一実施例を図面にしたがって詳細に説明する。図１は、本発明に係る透明材料の微細加工装置の概略構成を示す説明図、図２は、本発明に係る透明材料の微細加工装置の正面図である。ここで、本発明に係る透明材料の微細加工装置１０は、透明材料１１の裏面にレーザー波長に対して高い吸収率を有する流動性物質１２を接触させ、正面からレーザー光Ｌを照射して透明材料１１の裏面に微細加工を施すものであって、透明材料１１の裏面位置を直接規制する基準プレート１３を備えている。
【００４６】
基準プレート１３は、透明材料１１を裏面から押圧保持するものであって、基準面１３ａと流動性物質１２を収容するセル１４を当接させるための窓部１３ｂを備えており、固定ボルト１５によって第１ホルダープレート２１に取付けられている。
【００４７】
第１ホルダープレート２１は、透明材料１１を狭持する面に凹部２１ａを有しており、この凹部２１ａにＯリング１７が配置されており、透明材料１１の厚さのバラツキを補償する。また、第１ホルダープレート２１は、正面にレーザー光を受け入れるための開口部２１ｂを有する。
【００４８】
ホルダー１６は、正面にレーザー光を受け入れるための開口部１６ａを有すると共に固定ボルト１５を挿通するためのボルト穴１８が形成されている。このように構成されたホルダー１６は、図外のクランプ機構によりＸＹＺステージに固定される。
【００４９】
セル１４は、透明材料１１の裏面と接触する開口部１４ａが形成されており、この開口部１４ａの周囲にＯリング２２が配設されている。セル１４には、レーザー波長に対して高い吸収率を有する流動性物質１２が収容されている。流動性物質１２としては、使用するレーザー波長に高い吸収率を持つ物質であればよく、例えばピレンのアセトン溶液、ベンジルのアセトン溶液、ピレンのテトラヒドロフラン溶液、ローダミン６Ｇのエタノール溶液、フタロシアニンのエタノール溶液などの芳香族環を含む有機化合物、トルエン、ベンゼン、４塩化炭素等の液体状化合物、ピラニン水溶液、ナフタレン誘導体水溶液、有機化合物、有機色素、無機顔料、あるいは炭素などの微粒子などを分散して作った溶液等を使用することができる。更に、上記に挙げられた物質の二種類以上を混合して作られた流動性物質も使用することができる。これらの物質は使用しているレーザー波長に対して高い吸収率を有することが必要で、例えば流動性物質と透明材料の界面から、流動性物質内部に０．１ｍｍの深さで１０％以上の吸収率を有することが望ましい。更に望ましいのは０．１ｍｍの深さで５０％以上の吸収率を有することである。吸収率が十分に高くない場合には、透明材料の表面加工の精密化及び微細化が十分には達せられない。
【００５０】
セル１４の上端には、上に伸びた筒状開口部１４ｂが形成されており、流動性物質１２にレーザー光が照射された際に発生する気泡及び体積変動を吸収している。また、セル１４の背面からホルダープレート１９をボルト２０で基準プレート１３に取付けている。ホルダープレート１９には、加工時の様子を観察可能とするために、ほぼ中央に開口窓１９ａが形成されている。このように、基準プレート１３、透明材料１１、第１ホルダープレート２１及びセル１４が固定ボルトでそれぞれ一体的に組み立てられたものを、最後にホルダー１６に組み付けることで、再現性の良いレーザー加工が可能となる。
【００５１】
次に、このように構成された透明材料の微細加工装置１０の使用手順について説明する。先ず、加工の対象となる透明材料１１を基準プレート１３及び第１ホルダープレート２１で挟み込み、締め付けトルクを一定（現機構では約１２ｃＮｍ）の状態で４本の固定ボルト１５によりネジ止め固定する。この際、基準プレート１３を省略して、透明材料１１とセル１４をまとめてホルダー１６、ホルダープレート１９で挟み込む方が簡便である。しかし、これでは透明材料１１の裏面の位置が全く保証されず、基板保持の度にレーザー集光方向に対して数１０ミクロンの位置ずれが起こり、再現性の良い透明材料の微細加工が実行できない。
【００５２】
このため、本発明では基準プレート１３を設け、これを透明材料１１の裏面の位置出しの基準としている。また、締め付けトルクを一定に管理しないでボルト止めすると、基準プレート１３のたわみによって十ミクロン強のオーダーで位置ずれが起こり、再現性の良い微細加工が達成できない。このため、ボルト止めする際の締め付けトルクの管理が必須である。これは、他の箇所のボルト止めにおいても同様である。さらに、第１ホルダープレート２１と透明材料である基板表面との間のクッション用にＯリング１７により基板厚さのばらつきを補償する。もし、Ｏリング１７を用いないで、透明材料１１を基準プレート１３、第１ホルダープレート２１で挟むと、隙間が残って基板裏面の位置ブレが起こるか、透明材料１１が基準プレート１３、第１ホルダープレート２１から圧力を受けて表面が微小変形するか、或いは破損するかのいずれかとなってしまう。このため、本発明ではクッション用のＯリング１７の使用が必須である。
【００５３】
また、シール用のＯリング２２を介して透明材料１１とセル１４を接触させ、ホルダープレート１９により挟み込み、締め付けトルク一定の下でボルト止め固定した後、セル１４に流動性物質を注入する。ホルダープレート１９を基準プレート１３に締め付けトルク一定の下でボルト止め固定する。次に、ホルダー１６を図外のＸＹＺステージ上面に載せ、４個の基準ピンにより位置出しする。基準ピンなしでは、ホルダー１６をＸＹＺステージ上面に着脱する際の位置再現性を全く保持できず、結果として微細加工の精度、再現性が保てなくなる。このため、基準ピンの使用が望ましい。
【００５４】
さらに、クランプレバーによりクランプを上下させることで、ホルダー１６をＸＹＺステージ上面に低荷重（現機構では約１０N）で固定する。ホルダー１６をＸＹＺステージ上面に固定する必要があるが、固定する際にネジ止めやボルト止めを行うと、固定作業によりＸＹＺステージにトルクがかかって、ステージの微小移動を引き起こし、加工対象である基板裏面の位置がずれて、緒果として微細加工の精度、再現性が保てなくなる。このため、ソフトかつ、厳重な固定方法が必要であり、クランプ機構を用いる本方法により実現される。
【００５５】
具体的な微細加工手順の詳細は、次に述べるように、加工対象となる加工基板（透明材料１１）をＸＹＺステージと被加工物保持機構によりステージに保持する。次に、エキシマレーザービームの調整を行い、被加工物へのビーム照射を行う。また、アッテネーター（減光器）により、レーザー光の強度を調整する。さらに、ホモジナイザーにより、レーザー光強度分布を均一化する。レーザー光を、所定の形状がデザインされたフォトマスクを通過させ、プロジェクションレンズによって、レーザー光が加工基板裏面と流動性物質の界面に縮小投影され、所定の形状のエッチング加工が行われる。なお、具体的な加工例、流動性物質の種類と濃度、レーザーの種類と波長、レーザー強度、フォトマスクにより投影・加工される形状の例は表１に示す通りである。
【００５６】
以上のような構成により、透明材料１１の裏面を基準プレート１３で規制することにより、位置ずれを防止し、再現性のよい微細加工が可能となる。また、加工対象基板の形状変更に対して小さな基準プレート１３と第１ホルダープレート２１の改造で迅速に対応することができる。
【００５７】
【表１】
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【００５８】
図３は、本発明の第２の実施形態を示す側面図である。本実施の形態において、透明材料１１は基準プレート１３とホルダー１６で狭持されている。ホルダー１６は、正面にレーザー光を受け入れるための開口部１６ａを有すると共に固定ボルト１５を挿通するためのボルト穴１８が形成されている。ホルダー１６は、透明材料１１を狭持する面に狭持凹部１６ｂを有しており、この狭持凹部１６ｂにＯリング１７ａを配置することにより、透明材料１１の厚さのバラツキを補償する。このように構成されたホルダー１６は、図外のクランプ機構によりＸＹＺステージに固定される。
【００５９】
以上のように構成された場合、第１ホルダープレートを必要としないので、部品点数の削減を図ることができる。また、透明材料１１の裏面が基準プレート１３によって直接規定されるので、再現性の良い微細レーザー加工が可能となる。
【００６０】
図４は、本発明の第３の実施形態を示す側面図である。本実施の形態において、透明材料の微細加工装置３０は、ホルダー３１に透明材料１１の裏面を規制する基準プレート３２が形成されている。また、ホルダープレート３３は、透明材料１１の正面側にボルト３４で固定される。基準プレート３２の正面側には、透明材料１１の裏面側の基準となる当接面３２ａが形成されている。この当接面３２ａは、平坦で且つホルダー３１と一体的に形成されているので、ＸＹＺステージとの位置調整を正確に行うことができる。また、ホルダープレート３３の裏面には、透明材料１１を保持する為の凹部３３ａが形成されており、Ｏリング ３５が配置されており、厚さのバラツキを補償する。
【００６１】
セル１４は、透明材料１１の裏面と接触する開口部１４ａが形成されており、この開口部１４ａの周囲にＯリング１９が配設されている。また、セル１４の上端には第１の実施例と同様に上に伸びた筒状開口部１４ｂが形成されており、流動性物質１２にレーザー光が照射された際の体積変動を吸収している。さらに、セル１４の背面からホルダープレート１９をボルト２０で基準プレート３２に取付けている。ホルダープレート１９には、加工時の様子を観測可能とするために、略中央に開口窓１９ａが形成されている。
【００６２】
このように構成した場合には、透明材料１１の裏面位置を規制する基準プレート３２がホルダー３１と一体的に構成されているので、より正確に透明材料１１の裏面位置を定めることができ、再現性の良い微細加工が可能となる。
【００６３】
また、本発明はこれらの実施の形態に限定されることなく、本発明の技術範囲にしたがって種々の設計変更をすることができる。
【００６４】
さらに、３次元表面微細加工を達成するために、上記微細加工装置を用い、所定のフォトマスクを透過して特定のビーム形状を持ったレーザー光を照射し、レーザー光をスキャンすることにより、透明材料の各加工位置に照射されるレーザーパルス数及びレーザー強度を制御する。前記特許文献１の方法では、レーザー１パルスあたりの加工深さがレーザー強度に対して線形に増加し、さらに加工深さが照射パルス数に比例するという特徴を持つ。このため、加工深さはレーザー強度と照射レーザーパルス数で容易に制御することができる。そこで、各加工位置での加工深さを任意に制御して、複雑な三次元的表面微細構造の加工を行うことを特徴とする。また、レーザー光をスキャンすることにより、被加工物上におけるレーザーのビームサイズより大きな領域を加工することが可能となる。なお、用いるフォトマスクは、光の透過・遮光のみを制御する通常のフォトマスクでよく、作製困難なグレー・フォトマスクをあえて用いる必要はない。
【００６５】
のこぎり刃溝を作製するには、透明材料の背面に光吸収流動性物質を接触させた状態で、フォトマスクを透過して直角三角形のビーム形状を持ったレーザー光を透明材料の表側から照射しながら、レーザー光を照射方向に垂直な面内で、透明材料／流動性物質界面に投影された直角三角形の頂点方向にスキャンする（図７）。レーザーの照射の様子を透明材料の裏面側から見ると図８（ａ）のようになり、直角三角形形状のレーザー光を矢印方向にスキャンするとき、線分ＸＹ上の点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅに照射されるレーザーパルス数はそれぞれ線分ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの長さに比例することになる。前記段落００６４に記載の通り、加工深さは照射レーザーパルス数に比例するため、点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅにおける加工深さはそれぞれ線分ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅに比例する。すなわち、線分XＹ上の断面形状は、図８（ｂ）に示すように、点Ｙを最深部とするのこぎり刃溝形状となる。のこぎり刃の幅は直角三角形の底辺と一致し、のこぎり刃溝の深さは直角三角形の高さ、レーザー強度、スキャン速度、流動性物質の種類及び濃度によって制御できる。
【００６６】
のこぎり刃溝アレイの加工には、フォトマスクにより直角三角形が１列に並んだビーム形状を持ったレーザー光をスキャンする。
【００６７】
なお、透明材料に対するレーザー光の照射位置が相対的に移動すれば上記加工が達成されるので、（１）レーザー光をスキャンする、（２）レーザー光に対して被加工物を移動させる、のいずれでも構わない。
【００６８】
同様にして、Ｖ溝加工には２等辺三角形のビーム形状をしたレーザー光をスキャンする。Ｕ溝加工にはフォトマスクにより円、楕円、半円、半楕円のいずれかのビーム形状をしたレーザー光をスキャンする。矩形溝加工には、長方形のビーム形状をしたレーザー光をスキャンする。
【００６９】
さらに、Ｖ溝アレイ、Ｕ溝アレイ、矩形溝アレイの加工には、フォトマスクにより上記形状が１列に並んだビーム形状を持ったレーザー光をスキャンする。
【００７０】
溝及び溝アレイの湾曲構造の加工には、前記段落００６５〜００６９に記載したビーム形状のレーザー光を、照射方向と垂直な面内で弧を描くようにスキャンする。ただし、例えばのこぎり刃溝の湾曲構造の加工において、レーザー光のスキャンのみ弧を描くようにしても、溝構造は滑らかにつながらない。スキャンの際に、同期してフォトマスク、被加工物のいずれかを回転させ、投影された直角三角形ビーム形状の頂点方向を常にレーザー光のスキャン方向と一致させる。これにより、のこぎり刃溝が滑らかに弧を描いて加工されることになる。他の溝及び溝アレイの湾曲構造の場合も同様である。
【００７１】
ピラミッド状構造２次元アレイの加工には、Ｖ溝アレイ作製後に、フォトマスクあるいは被加工物を９０°回転して再度Ｖ溝アレイ加工を行う。この結果、１度目のＶ溝加工と直交方向にＶ溝加工が重畳され、結果としてピラミッド状構造２次元アレイ形状が形成される。
【００７２】
同様にして、レンズ状構造２次元アレイの加工にはＵ溝アレイ加工、矩形２次元アレイの加工には矩形溝アレイ加工を２度、直交するように行うことで達成される。なお、矩形溝の間隔が一定の場合、２度の加工で正方形２次元アレイが形成され、矩形溝の間隔が一定でない場合、２度の加工で長方形２次元アレイが形成され、長方形の長辺と短辺の長さに意図的に乱れを導入することも可能である。
【００７３】
本発明における三次元表面微細加工では、一段階のレーザー処理で加工でき、簡便かつ高効率である。さらに、低レーザー強度のため、マスク・プロジェクションを通して大面積一括加工も可能で、パターンの精度は１マイクロメーター以下も可能である。加えて、エッチング速度も制御でき、エッチング表面の化学組成にも変化を与えないことから、微細化、精密化、高品位化できる方法である。さらに、フォトマスクを透過したレーザー光をスキャンするという簡便な方法で所定の３次元表面微細構造をもった光学素子の作製が可能である。
【００７４】
なお、本発明によって作製された３次元微細構造表面に、必要に応じて公知の方法で誘電体膜や金属膜を塗布することにより作製される光学素子として、回折格子、偏光板、反射板、反射防止板、プリズムアレイ、ホログラム光学素子、フォトニック結晶素子などの可視〜紫外〜真空紫外光用回折光学素子、ファイバー位置決め基板、光導波路基板、液晶配向用基板などが挙げられる。
【００７５】
以下、透明材料の３次元表面微細加工を実験例により更に詳細に説明する。
実験例１
石英ガラス基板にＶ溝を作製した。流動性物質としてトルエンを用い、石英基板と流動性物質容器を接触させた状態で電動ステージに固定し、直角二等辺三角形のレーザー光パターンを透過するフォトマスクを用いてＫｒＦエキシマレーザー光を石英ガラス基板／流動性物質界面に照射しながら、電動ステージで石英ガラス基板を移動させてレーザー光をスキャンした。Ｖ溝の幅は二等辺三角形の底辺１００マイクロメートルに一致し、レーザー強度、レーザー光の移動速度を変えることによって、溝の深さは２０マイクロメートル、４０マイクロメートル、５０マイクロメートルと制御性よく変えることができた。また、加工斜面及び底部も所定の形状に加工されていることが確認できた。加工されたＶ溝の３次元形状観察結果を図９に示す。
【００７６】
実験例２
石英基板にＵ溝を加工した。流動性物質としてピレンのアセトン溶液を用い、石英基板と流動性物質容器を接触させた状態で電動ステージに固定し、円形状のレーザー光を透過するフォトマスクを用いてＫｒＦエキシマレーザー光を石英基板／流動性物質界面に照射しながら、電動ステージにより石英基板をレーザー照射方向と垂直に移動させてレーザー光をスキャンした。Ｕ溝の幅は１８ミクロン、溝の深さは９ミクロンであった。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】図１は、本発明に係る透明材料の微細加工装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】図２は、同透明材料の微細加工装置の正面図である。
【図３】図３は、本発明の第２の実施の形態を示す側面図である。
【図４】図４は、本発明の第３の実施の形態を示す側面図である。
【図５】図５は、従来の微細加工装置の一例を示す側面図である。
【図６】図６は、従来の微細加工装置における透明材料の位置ずれの例を示す側面図である。
【図７】図７はのこぎり刃溝加工の概略を示す説明図である。
【図８】図８（ａ）は直角三角形のビーム形状のレーザー光を照射しながら、レーザー光をスキャンする様子を、透明材料の裏面側から見た説明図である。図８（ｂ）は作製されるのこぎり刃溝の模式図である。
【図９】図９は石英ガラス表面に作製したV溝の３次元形状観察結果である。
【符号の説明】
【００７８】
１０        透明材料の微細加工装置
１１        透明材料
１２        流動性物質
１３        基準プレート
１３ａ      基準面
１３ｂ      窓部
１４        セル
１４ａ      開口部
１４ｂ      筒状開口部  
１５        固定ボルト
１６        ホルダー
１６ａ      開口部
１６ｂ      保持凹部
１７        Ｏリング
１８        ボルト穴
１９        ホルダープレート
１９ａ      開口窓
２０        ボルト
２１        第１ホルダープレート
２１ａ      凹部
２１ｂ      開口部
２２        Ｏリング
３０        透明材料の微細加工装置
３１        ホルダー
３２        基準プレート
３２ａ      当接面
３３        ホルダープレート
３４        ボルト
３５        Ｏリング
４０        レーザー光
４１        フォトマスク
４２        集光レンズ
４３        直角三角形ビーム
４４        透明材料
４５        流動性物質容器
４６        透明材料裏面／流動性物質接触領域
４７        レーザー光スキャン方向
４８        透明材料裏面に加工されたのこぎり刃溝
４９        レーザー光スキャン方向
【図１】
2004306134.tif 000004
【図２】
2004306134.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004306134.tif 000009
【図７】
2004306134.tif 000010
【図８】
2004306134.tif 000011
【図９】
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