(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超高速パルスレーザビームを用いて、材料に複数の穴を開ける方法であって、
ａ）該レーザビームのパルスエネルギーを第１の所定レベルに設定する工程であって、該第１の所定レベルが、該レーザビームの穿孔部分内に該材料のアブレーション閾値よりも高い強度を提供するように選択される、工程と、
ｂ）該材料の表面の複数の第１の位置のうちの１つに該レーザビームを集束させるように、該材料を配置する工程と、
ｃ）該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの１つを形成し、かつ、該表面における該複数の穴のうちの該１つのまわりにレーザ硬化領域を形成する工程であって、該レーザ硬化領域の直径は、該レーザビームの幅と等しい、工程と、
ｄ）該表面の該複数の第１の位置の全てが該複数の穴のうちの１つを有するまで該工程ｂ）およびｃ）を繰り返す工程であって、該複数の第１の位置に形成された該複数の穴のうちの各穴の間の距離は、少なくとも該レーザ硬化領域の直径である、工程と、
ｅ）該レーザビームの該パルスエネルギーを第２の所定レベルに設定する工程であって、該第２の所定レベルが、該レーザビームの該穿孔部分内に該材料の該レーザ硬化領域のレーザ硬化アブレーション閾値よりも高い強度を提供するように選択される、工程と、
ｆ）該表面の少なくとも１つの第２の位置のうちの１つに該レーザビームを集束させるように、該材料を配置する工程であって、該１つの第２の位置が、該複数の第１の位置のうちの隣接する２つの間にある、工程と、
ｇ）該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの１つを形成する工程と
を含む、方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つの第２の位置が複数の第２の位置を含み、該複数の第２の位置のそれぞれが、前記複数の第１の位置のうちの隣接する２つの間にあり、前記方法は、
ｈ）前記表面の該複数の第２の位置の全てが前記複数の穴のうちの１つを有するまで工程ｆ）およびｇ）を繰り返す工程であって、該複数の第２の位置に形成された該複数の穴のうちの各穴の間の距離は、少なくとも該レーザ硬化領域の直径である、工程と、
ｉ）前記レーザビームの前記パルスエネルギーを前記第２の所定レベルよりも高い第３の所定レベルに設定する工程と、
ｊ）該表面の少なくとも１つの第３の位置のうちの１つに該レーザビームを集束させるように、前記材料を配置する工程であって、該１つの第３の位置が、該複数の第１の位置のうちの１つと、該複数の第２の位置のうちの隣接する１つとの間にある、工程と、
ｋ）該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの１つを形成する工程と
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記レーザビームがＴＥＭ0,0モードで発振するようにレーザを作動させる工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記レーザビームがある波長を有し、該レーザビームの前記パルスエネルギーを前記第１の所定レベルに設定する前記工程は、該レーザビームの前記穿孔部分が該レーザビームの該波長よりも小さな直径を有するように規定するように、該レーザビームの該パルスエネルギーを設定する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記レーザビームが７７５ナノメートルの波長を有し、該レーザビームの前記パルスエネルギーを設定する前記工程は、該レーザビームの前記穿孔部分を約５００ｎｍの直径を有するように規定する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記レーザビームの前記パルスエネルギーを前記第２の所定レベルに設定する前記工程が、該パルスエネルギーの該第２の所定レベルを該パルスエネルギーの前記第１の所定レベルよりも高いレベルに設定する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記レーザビームの前記パルスエネルギーを前記第１の所定レベルに設定する前記工程が、該パルスエネルギーを１ナノジュールと１マイクロジュールとの間に設定する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
材料に複数の穴を開ける装置であって、
レーザビームを提供する超高速パルスレーザと、
該超高速パルスレーザに結合された、該レーザビームのパルスエネルギーを第１の所定レベルに設定する手段であって、該第１の所定レベルが、該レーザビームの穿孔部分内に該材料のアブレーション閾値よりも高い強度を提供するように選択される、手段と、
該材料の表面の複数の第１の位置のそれぞれに該レーザビームを集束させるように、該材料を該複数の第１の位置に配置する、平行移動テーブルと、
該レーザビームの多数のパルスを当てて、該複数の第１の位置のそれぞれの該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの複数の第１の穴を形成し、かつ、該複数の第１の穴における穴のそれぞれのまわりにレーザ硬化領域を形成する手段であって、該レーザ硬化領域の直径は、該レーザビームの幅と等しく、該複数の第１の位置のそれぞれにおいて形成された該複数の第１の穴の各穴の間の距離は、少なくとも該レーザ硬化領域の直径である、手段と、
該レーザビームの該パルスエネルギーを第２の所定レベルに設定する手段であって、該第２の所定レベルが、該レーザビームの該穿孔部分内に該材料の該レーザ硬化領域のレーザ硬化アブレーション閾値よりも高い強度を提供するように選択される、手段と、
該表面の少なくとも１つの第２の位置のうちの１つに該レーザビームを集束させるように該材料を配置する、該平行移動テーブルに結合された手段であって、該１つの第２の位置が、該複数の第１の位置のうちの隣接する２つの間にある、手段と、
該レーザビームの多数のパルスを該第２の所定レベルのビームエネルギーで当てて、該１つの第２の位置の該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの１つを形成する手段と
を含む、装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つの第２の位置が複数の第２の位置を含み、該複数の第２の位置のそれぞれが、前記複数の第１の位置のうちの隣接する２つの間にあり、該複数の第２の位置に形成された該複数の穴のうちの各穴の間の距離は、少なくとも前記レーザ硬化領域の直径であり、前記装置は、
前記レーザビームの前記パルスエネルギーを前記第２の所定レベルよりも高い第３の所定レベルに設定する手段と、
前記表面の少なくとも１つの第３の位置のうちの１つに該レーザビームを集束させるように、前記材料を配置する手段であって、該１つの第３の位置が、該複数の第１の位置のうちの１つと、該複数の第２の位置のうちの隣接する１つとの間にある、手段と、
該レーザビームの多数のパルスを当てて該１つの第３の位置の該材料の該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの１つを形成する手段と
をさらに含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記レーザビームがＴＥＭ0,0モードで発振する、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記レーザビームがある波長を有し、該レーザビームの前記エネルギーレベルが、該レーザビームの前記穿孔部分を該レーザビームの該波長よりも小さい直径に規定するように設定される、請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
前記レーザビームが７７５ナノメートルの波長を有し、該レーザビームの前記穿孔部分が約５００ｎｍの直径を有する、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記パルスエネルギーの前記第２の所定レベルが、該パルスエネルギーの前記第１の所定レベルよりも高い、請求項８に記載の装置。
【請求項１４】
前記レーザビームの前記パルスエネルギーが、１ナノジュールと１マイクロジュールとの間である、請求項８に記載の装置。
【請求項１５】
請求項１に記載の方法によって形成された複数の穴を有する基板を含むフォトニック結晶。
【請求項１６】
前記基板が誘電材料を含む、請求項１５に記載のフォトニック結晶。
【請求項１７】
前記基板が多層誘電材料を含む、請求項１５に記載のフォトニック結晶。
【請求項１８】
前記多層誘電材料がシリコン層および二酸化シリコン層を含む、請求項１７に記載のフォトニック結晶。
【請求項１９】
前記複数の穴が線形アレイの穴であり、前記フォトニック結晶が一次元のフォトニック結晶である、請求項１５に記載のフォトニック結晶。
【請求項２０】
前記複数の穴が線形の穴のマトリックスであり、前記フォトニック結晶が二次元フォトニック結晶である、請求項１５に記載のフォトニック結晶。
【請求項２１】
超高速パルスレーザ、およびレーザビームが通過する出力カプラを含むレーザ加工装置を用いて、材料に複数の穴を開ける方法であって、
ａ．該レーザビームのパルスエネルギーを第１の所定レベルに設定する工程と、
ｂ．該材料の表面の複数の第１の位置のうちの１つに該レーザビームを集束させるように、該出力カプラを配置する工程と、
ｃ．該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの１つを形成し、かつ、該表面における該複数の穴のうちの該１つのまわりにレーザ硬化領域を形成する工程であって、該レーザ硬化領域の直径は、該レーザビームの幅と等しい、工程と、
ｄ．該第１の位置のうちのそれぞれ異なる１つに該出力カプラを配置して、該複数の穴の一部が該複数の第１の位置に形成されるまで該工程ｂおよびｃを繰り返す工程であって、該複数の第１の位置に形成された該複数の穴のうちの各穴の間の距離は、少なくとも該レーザ硬化領域の直径である、工程と、
ｅ．該レーザビームの該パルスエネルギーを第２の所定レベルに設定する工程と、
ｆ．該表面の少なくとも１つの第２の位置のうちの１つに該レーザビームを集束させるように、該出力カプラを配置する工程であって、該少なくとも１つの第２の位置のうちの該１つが該複数の第１の位置のうちの隣接する２つの間にある、工程と、
ｇ．該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの１つを形成する工程と
を含む、方法。
【請求項２２】
超高速パルスレーザビームを用いて材料に複数の穴を開ける方法であって、
ａ）該レーザビームのパルスエネルギーを所定レベルに設定する工程であって、該所定レベルが、該レーザビームの穿孔部分内に該材料のアブレーション閾値よりも高い強度を提供するように選択される、工程と、
ｂ）該材料の表面の複数の第１の位置のうちの１つに該レーザビームを集束させるように、該材料を配置する工程と、
ｃ）該レーザビームの第１の所定数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴をのうちの１つを形成し、かつ、該表面における該複数の穴のうちの該１つのまわりにレーザ硬化領域を形成する工程であって、該レーザ硬化領域の直径は、該レーザビームの幅と等しい、工程と、
ｄ）該表面の該複数の第１の位置の全てが該複数の穴のうちの１つを有するまで該工程ｂ）およびｃ）を繰り返す工程であって、該複数の第１の位置に形成された該複数の穴の各穴の間の距離は、少なくとも該レーザ硬化領域の直径である、工程と、
ｅ）該表面の少なくとも１つの第２の位置のうちの１つに該レーザビームを集束させるように、該材料を配置する工程であって、該１つの第２の位置が、該複数の第１の位置のうちの隣接する２つの間にある、工程と、
ｆ）該第１の所定数よりも大きい第２の所定数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの１つを形成する工程と
を含む、方法。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの第２の位置が複数の第２の位置を含み、該複数の第２の位置のそれぞれが、前記複数の第１の位置のうちの隣接する２つの間にあり、
前記方法は、
ｇ）前記表面の該複数の第２の位置の全てが前記複数の穴のうちの１つを有するまで前記工程ｅ）およびｆ）を繰り返す工程であって、該複数の第２の位置に形成された該複数の穴の各穴の間の距離は、少なくとも該レーザ硬化領域の直径である、工程と、
ｈ）該表面の少なくとも１つの第３の位置のうちの１つに前記レーザビームを集束させるように、前記材料を配置する工程であって、該１つの第３の位置が、該複数の第１の位置のうちの１つと、該複数の第２の位置のうちの隣接する１つとの間にある、工程と、
ｉ）該レーザビームの第３の所定数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの１つを形成する工程であって、該第３の所定数が前記第２の所定数よりも大きい、工程と
をさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記レーザビームがＴＥＭ0,0モードで発振するように前記レーザを作動させる工程をさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記レーザビームがある波長を有し、該レーザビームの前記パルスエネルギーを前記所定レベルに設定する前記工程が、該レーザビームの前記穿孔部分が該レーザビームの該波長よりも小さい直径を有するように規定するように、該レーザビームの該パルスエネルギーを設定する工程を含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記レーザビームが７７５ナノメートルの波長を有し、前記レーザビームの前記パルスエネルギーを設定する前記工程が、該レーザビームの前記穿孔部分を約５００ｎｍの直径を有するように規定する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記レーザビームの前記パルスエネルギーを前記所定レベルに設定する前記工程が、該パルスエネルギーを１ナノジュールと１マイクロジュールとの間に設定する工程を含む、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
半導体および通信の分野での多くの新たな材料加工用途がサブミクロンの加工能力を必要としている。この能力、つまり、電子ビームエッチング、プラズマエッチング、Ｘ線リソグラフィー、および超高速パルスレーザでの加工（レーザ加工）等を有するか、またはすぐに有するようになる多くの競合技術が存在する。これらの技術のうち、レーザ加工のみが標準的な環境、およびインサイチュでのモニタリングにおいて動作するという利点を提供する。
【０００２】
超高速パルスレーザの重要な特徴は、レーザの最小回折限界である、スポットサイズよりも小さな表面領域をアブレートする能力である。この能力は、パルスの間の熱の伝播を実質的に許容しないパルスの短さ、およびガウス空間ビームプロフィールによって生み出される。パルスのエネルギーを慎重に制御することにより、ビームの中心の小さな領域においてのみ強度を、加工されている材料のアブレーション閾値よりも高くすることが可能である。パルスが継続している間の熱伝導がないために、その小さな領域のみがアブレートされる。このようにして、穴はレーザの波長よりも小さな直径にまでレーザ加工され得、例えば、約５００ｎｍの直径を有する穴が、７７５ｎｍフェムト秒のパルスレーザを用いて開けられ得る。幾何学的に言うと、これらの穴を５００ｎｍ程度の狭い間隔で形成することが可能である。しかしながら、穴が同じレーザで一方の端から他方の端まで１つづつ開けられる場合、連続する穴をレーザ加工する従来方法では、穴の中心間の間隔（ピッチ）は、この限界に近づき得ない。
【０００３】
以下の実施例はこの問題を例証する。最初の穴が所与のレーザ強度および所与のレーザパルス数で開けられるものと仮定する。レーザ強度は、レーザが誘発するアブレーションが表面に形成されるビームスポットの中心部のみで起こり、破壊閾値に達するように選択される。このアブレーションにより穴が開く。しかしながら、たとえ、照射される周辺部がアブレーション閾値に達しなくても、その次のレーザ照射におけるアブレーション閾値を増加する材料特性の変化を受ける。この、レーザ照射が誘発する材料の硬化現象（以下、レーザ硬化）は、硬化された部分に同じレーザ強度およびパルス数を用いた際、レーザで硬化された領域には、新たな穴を開け得ないことを意味する。それゆえ、穿孔の確実性および再現性が悪化する。この問題は、正確なサブミクロンのピッチで配置される多数の実質的に同一の穴が望まれる、フォトニック結晶等のデバイスで特に重要である。
【０００４】
（発明の要旨）
１．超高速パルスレーザビームを用いて、材料に複数の穴を開ける方法であって、ａ）該レーザビームのパルスエネルギーを第１の所定レベルに設定する工程であって、該第１の所定レベルが、該レーザビームの穿孔部分内に該材料のアブレーション閾値よりも高い強度を提供するように選択される、工程と、ｂ）該材料の表面の複数の第１の位置のうちの１つに該レーザビームを集束させるように、該材料を配置する工程と、ｃ）該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの１つを形成する工程と、ｄ）該表面の該複数の第１の位置の全てが該複数の穴のうちの１つを有するまで該工程ｂ）およびｃ）を繰り返す工程と、ｅ）該レーザビームの該パルスエネルギーを第２の所定レベルに設定する工程であって、該第２の所定レベルが、該レーザビームの該穿孔部分内に該材料のレーザ硬化アブレーション閾値よりも高い強度を提供するように選択される、工程と、ｆ）該表面の少なくとも１つの第２の位置のうちの１つに該レーザビームを集束させるように、該材料を配置する工程であって、該１つの第２の位置が、該複数の第１の位置のうちの隣接する２つの間にある、工程と、ｇ）該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの１つを形成する工程と、
を包含する方法。
【０００５】
２．前記少なくとも１つの第２の位置が複数の第２の位置を含み、該複数の第２の位置のそれぞれが、前記複数の第１の位置のうちの隣接する２つの間にあり、前記方法は、ｈ）前記表面の該複数の第２の位置の全てが前記複数の穴のうちの１つを有するまで工程ｆ）およびｇ）を繰り返す工程と、ｉ）前記レーザビームの前記パルスエネルギーを、前記第２の所定レベルよりも高い第３の所定レベルに設定する工程と、ｊ）該表面の少なくとも１つの第３の位置のうちの１つに該レーザビームを集束させるように、前記材料を配置する工程であって、該１つの第３の位置が、該複数の第１の位置のうちの１つと、該複数の第２の位置のうちの隣接する１つとの間にある、工程と、ｋ）該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの１つを形成する工程とをさらに包含する、項目１に記載の方法。
【０００６】
３．前記レーザビームがＴＥＭ0,0モードで発振するようにレーザを作動させる工程をさらに包含する、項目１に記載の方法。
【０００７】
４．前記レーザビームがある波長を有し、該レーザビームの前記パルスエネルギーを前記第１の所定レベルに設定する前記工程は、該レーザビームの前記穿孔部分が該レーザビームの該波長よりも小さな直径を有するように規定するために、該レーザビームの該パルスエネルギーを設定する工程を含む、項目１に記載の方法。
【０００８】
５．前記レーザビームが７７５ナノメートルの波長を有し、該レーザビームの前記パルスエネルギーを設定する前記工程は、該レーザビームの前記穿孔部分を約５００ｎｍの直径を有するように規定する、項目４に記載の方法。
【０００９】
６．前記レーザビームの前記パルスエネルギーを前記第２の所定レベルに設定する前記工程が、該パルスエネルギーの該第２の所定レベルを、該パルスエネルギーの前記第１の所定レベルよりも高いレベルに設定する工程を含む、項目１に記載の方法。
【００１０】
７．前記レーザビームの前記パルスエネルギーを前記第１の所定レベルに設定する前記工程が、該パルスエネルギーを１ナノジュールと１マイクロジュールとの間に設定する工程を含む、項目１に記載の方法。
【００１１】
８．材料に複数の穴を開ける装置であって、レーザビームを提供する超高速パルスレーザと、該超高速パルスレーザに結合された、該レーザビームのパルスエネルギーを第１の所定レベルに設定する手段であって、該第１の所定レベルが、該レーザビームの穿孔部分内に該材料のアブレーション閾値よりも高い強度を提供するように選択される、手段と、該材料の表面の複数の第１の位置のそれぞれに該レーザビームを集束させるように、該材料を該複数の第１の位置に配置する、平行移動テーブルと、該レーザビームの多数のパルスを当てて、該第１の複数の位置のそれぞれの該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴の第１の部分を形成する手段と、該レーザビームの該パルスエネルギーを第２の所定レベルに設定する手段であって、該第２の所定レベルが、該レーザビームの該穿孔部分内に該材料のレーザ硬化アブレーション閾値よりも高い強度を提供するように選択される、手段と、該表面の少なくとも１つの第２の位置のうちの１つに該レーザビームを集束させるように該材料を配置する、該平行移動テーブルに結合された手段であって、該１つの第２の位置が、該複数の第１の位置のうちの隣接する２つの間にある、手段と、該レーザビームの多数のパルスを該第２の所定レベルのビームエネルギーで当てて、該１つの第２の位置の該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの１つを形成する手段とを含む装置。
【００１２】
９．前記少なくとも１つの第２の位置が複数の第２の位置を含み、該複数の第２の位置のそれぞれが、前記複数の第１の位置のうちの隣接する２つの間にあり、前記装置は、前記レーザビームの前記パルスエネルギーを前記第２の所定レベルよりも高い第３の所定レベルに設定する手段と、前記表面の少なくとも１つの第３の位置のうちの１つに該レーザビームを集束させるように、前記材料を配置する手段であって、該１つの第３の位置が、該複数の第１の位置のうちの１つと、該複数の第２の位置のうちの隣接する１つとの間にある、手段と、該レーザビームの多数のパルスを当てて該１つの第３の位置の該材料の該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの１つを形成する手段とをさらに含む、項目８に記載の装置。
【００１３】
１０．前記レーザビームがＴＥＭ0,0モードで発振する、項目８に記載の装置。
【００１４】
１１．前記レーザビームがある波長を有し、該レーザビームの前記エネルギーレベルが、該レーザビームの前記穿孔部分を該レーザビームの該波長よりも小さい直径に規定するために設定される、項目８に記載の装置。
【００１５】
１２．前記レーザビームが７７５ナノメートルの波長を有し、該レーザビームの前記穿孔部分が約５００ｎｍの直径を有する、項目１１に記載の装置。
【００１６】
１３．前記パルスエネルギーの前記第２の所定レベルが、該パルスエネルギーの前記第１の所定レベルよりも高い、項目８に記載の装置。
【００１７】
１４．前記レーザビームの前記パルスエネルギーが、１ナノジュールと１マイクロジュールとの間である、項目８に記載の装置。
【００１８】
１５．項目１に記載の方法によって形成された複数の穴を有する基板を含むフォトニック結晶。
【００１９】
１６．前記基板が誘電材料を含む、項目１５に記載のフォトニック結晶。
【００２０】
１７．前記基板が多層誘電材料を含む、項目１５に記載のフォトニック結晶。
【００２１】
１８．前記多層誘電材料がシリコン層および二酸化シリコン層を含む、項目１７に記載のフォトニック結晶。
【００２２】
１９．前記複数の穴が線形アレイの穴であり、前記フォトニック結晶が一次元のフォトニック結晶である、項目１５に記載のフォトニック結晶。
【００２３】
２０．前記複数の穴が線形の穴のマトリックスであり、前記フォトニック結晶が二次元フォトニック結晶である、項目１５に記載のフォトニック結晶。
【００２４】
２１．超高速パルスレーザ、およびレーザビームが通過する出力カプラを含むレーザ加工装置を用いて、材料に複数の穴を開ける方法であって、ａ．該レーザビームのパルスエネルギーを第１の所定レベルに設定する工程と、ｂ．該材料の表面の複数の第１の位置のうちの１つに該レーザビームを集束させるように、該出力カプラを配置する工程と、ｃ．該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの１つを形成する工程と、ｄ．該第１の位置のうちのそれぞれ異なる１つに該出力カプラを配置して、該複数の穴の一部が該複数の第１の位置に形成されるまで該工程ｂおよびｃを繰り返す工程と、ｅ．該レーザビームの該パルスエネルギーを第２の所定レベルに設定する工程と、ｆ．該表面の少なくとも１つの第２の位置のうちの１つに該レーザビームを集束させるように、該出力カプラを配置する工程であって、該少なくとも１つの第２の位置のうちの該１つが該複数の第１の位置のうちの隣接する２つの間にある、工程と、ｇ．該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの１つを形成する工程とを含む方法。
【００２５】
２２．超高速パルスレーザビームを用いて材料に複数の穴を開ける方法であって、ａ）該レーザビームのパルスエネルギーを所定レベルに設定する工程であって、該所定レベルが、該レーザビームの穿孔部分内に該材料のアブレーション閾値よりも高い強度を提供するように選択される、工程と、ｂ）該材料の表面の複数の第１の位置のうちの１つに該レーザビームを集束させるように、該材料を配置する工程と、ｃ）該レーザビームの第１の所定数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴をのうちの１つを形成する工程と、ｄ）該表面の該複数の第１の位置の全てが該複数の穴のうちの１つを有するまで該工程ｂ）およびｃ）を繰り返す工程と、ｅ）該表面の少なくとも１つの第２の位置のうちの１つに該レーザビームを集束させるように、該材料を配置する工程であって、該１つの第２の位置が、該複数の第１の位置のうちの隣接する２つの間にある、工程と、ｆ）該第１の所定数よりも大きい第２の所定数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの１つを形成する工程とを含む方法。
【００２６】
２３．前記少なくとも１つの第２の位置が複数の第２の位置を含み、該複数の第２の位置のそれぞれが、
この問題に対する解決手段は、本発明の例示的なレーザ加工処理であり、穴どうしをより近くに形成することにより、波長以下の穴の中心間の間隔（ピッチ）に達することが可能となる。
【００２７】
この例示的なプロセスの第１の工程は、材料サンプルの表面の穴の位置を、いずれのグループにおける２つの穴が、レーザビームのスポットサイズよりも小さいピッチで形成することがないように選択された２つのグループに分けることである。次に、レーザビームのパルスエネルギーを、表面に所望の直径の穴を開けるように選択された、所定レベルに設定する。そして、レーザビームを表面の第１グループの穴の位置に集束するようにサンプルを配置し、多数のレーザパルスが表面をアブレートすることにより、表面に穴を形成する。このプロセスは、第１グループの各穴の位置に対して繰り返される。
【００２８】
この時点で、レーザビームのパルスエネルギーを、レーザ硬化された表面に所望の直径の穴を開けるように選択された、第２の所定レベルに設定する。次いで、レーザビームを表面の第２グループの穴の位置に集束するようにサンプルを配置し、多数のレーザパルスが表面をアブレートすることにより、表面に穴を形成する。あるいは、ビームのパルスエネルギーを同じレベルに維持し、より多くの数のパルスをレーザ硬化された表面に当ててもよい。このプロセスは、第２グループの各穴の位置に対して繰り返される。
【００２９】
あるいは、サンプルではなく、レーザビームを移動してもよい。
【００３０】
本発明の別の局面は、上記の方法により、材料サンプルに形成された複数の穴を含む例示的なフォトニック結晶である。
【００３１】
（発明の詳細な説明）
本発明は、実質的に均一なサイズおよび形状を有し、レーザビームの波長よりも小さな直径を有する小さな穴を開けるためのレーザ材料加工用途で用いられる方法を記載する。現在、フェムト秒のレーザパルスを用いるフォトニックバンドギャップ結晶の加工等の多くのレーザ材料加工用途が、サブミクロンの加工能力を必要としている。図１Ａは、材料サンプル１００にレーザ加工された、間隔が広い穴の列１０２を示す。これらの穴は、穴を開けるために用いられる超高速レーザの波長よりも小さな直径ｄを有するように形成され得る。例えば、使用されるレーザが７７５ｎｍフェムト秒レーザである場合、図１の穴は、２μｍのピッチｐで、５００ｎｍの直径を有し得る。幾何学的に言うと、これらの穴を５００ｎｍ程度の狭い間隔で形成することが可能である。しかしながら、穴がレーザ加工されるときに、レーザ硬化領域１０４も、サンプルの表面に沿って、ビーム幅ｗと等しい直径で形成される。本実施例において、ｗは１．５μｍである。レーザ硬化領域の材料特性は表面の硬化されていない部分とは著しく異なり得るので、少なくともその一部が表面のレーザ硬化領域内に開けられた穴は、硬化されていない部分に開けられた穴とは大きく異なる特質を有し得る。
【００３２】
図１Ｂは例示的な材料サンプルを示す。サンプルにレーザ加工された穴は、その穴が一直線上に連続して開けられる場合、最初の穴に続く各穴の領域の交差部１０６近傍の部分が、表面のレーザ硬化領域に含まれるように狭い間隔で形成される。図１Ａを参照して示した、上記と同じ例示的なレーザビームパラメータを用いると、図１Ｂのピッチｐは７５０ｎｍである。
【００３３】
このようにして形成された穴は不完全であるか、または形が損なわれているかもしれない。特に、正確な許容差が望まれるフォトニック結晶等の用途では望ましくない。レーザ硬化領域の最小直径がレーザの回折限界であるビームスポットサイズにより決定されるので、波長よりも小さなピッチの実質的に同一の穴を、連続した穿孔パターンを用いてレーザ加工することは、多くの材料において不可能であり得る。
【００３４】
図２は、本発明で用いられるレーザ加工装置の例示的な実施形態を示す。超短波パルスレーザ２０４、例えば、７７５ｎｍフェムト秒のレーザが、望ましくはＴＥＭ0,0モードで発振するレーザビーム２００を生成する。このレーザビームは、レーザ加工装置の構成要素間の、介在する空気中を通るか、または光ファイバー（図示せず）に沿って伝播され得る。レーザから出射された後、ビームは、可変強度減衰器およびシャッターアセンブリー２０６を通過し、シャッター（図示せず）および可変強度減衰器（図示せず）を含む。シャッターがパルス数を制御し、可変強度減衰器はビームのパルスエネルギーを制御する。半波長板および交差偏光子が、例示的な可変強度減衰器を形成し得る。この組み合わせによって、所望のレーザ強度および当てるべきパルス数を選択することが可能である。本発明の例示的な実施形態は、７７５ｎｍの波長を有する超短波パルスレーザを用いる。この可変強度減衰器によって、レーザのパルスエネルギーが１ナノジュール〜１マイクロジュールに設定され得る。
【００３５】
レーザビームは、次いで、加工するサンプル１００の表面に集束される。ビーム２００をワークピース１００に集束させるために、作動距離が長く開口率が高い、顕微鏡の対物レンズ等の出力カプラ２０２が用いられ得る。サンプル１００は、ナノメーターの解像度を有する精密なＸＹＺ平行移動ステージ２１０に取りつけられ得る。光カプラ２０２に対してＸＹＺステージ２１０を移動させることによって、図２の集束されたレーザビーム２０８で示すように、サンプル上の任意のスポットにレーザビームを正確に集束し得る。
【００３６】
図５にチャートで示す本発明の例示的な方法は、図２に示す種類のレーザ加工装置を用いて、波長よりも小さな間隔を有する穴を開けるための手順である。これは、新たな穿孔パターンを用いて達成される。
【００３７】
第１の工程５００は材料サンプル１００上の位置を隔てることであり、穴は２つのグループに分けて開けられる。これらのグループは、所与のグループの２つの穴が、一方の穴の加工中に形成されたレーザ硬化領域が他方の穴の一部と重なるほど互いに近くならないように選択される必要がある。厳密には、これは、同じグループの任意の２つの穴の間隔が、レーザ硬化領域の幅と少なくとも等しいことを意味する。一列の穴に対して、これらのグループは、穴に連続した番号をつけることによって、通常は選択され得、偶数の番号を付けられた穴が一方のグループとなり、奇数の番号をつけられた穴が他方のグループとなる。一列の穴が２つのグループに分けられた後も、一方のグループの穴がなお互いに近接している場合、３つのグループが形成され得ることが企図されている。
【００３８】
次の工程５０２で、レーザビームのパルスエネルギーが、レーザビームの集束された空間プロフィールの中心領域内に、硬化されていない材料のアブレーション閾値よりも高いレーザビーム強度を提供するレベルに設定される。この強度がアブレーション閾値を越えるレーザビームプロフィールの面積は、望ましくは、加工される穴１個分の面積と同じである。
【００３９】
次に、図５に示す例示的な実施形態において、サンプルは、レーザビームがサンプルの表面の第１のグループの穴の位置のうちの１つに集束されるように配置される（工程５０４）。サンプルは、表面に穴を適切に配置するためにＸおよびＹ方向に正確に配置され、そして、表面にレーザビームを集束させるようにＺ方向に正確に配置される。サンプルを動かす代わりに、作動距離が長い顕微鏡の対物レンズ２０２を操作して、レーザビームを集束および／または配置し得ることが企図されている。レーザビームを配置するために、顕微鏡の対物レンズを移動する場合、レーザビームが、レーザ加工装置の構成要素間を光ファイバー内で伝播され得ることが望ましい。
【００４０】
所定数のパルスが、表面５０６をアブレートするために当てられる。この数は、硬化されていない部分に所望の穴のサイズを導入するために計算され得る。あるいは、穿孔プロセスが、適切な数のパルスが通った時を確認するために、インサイチュでモニターされ得る。このようにして、非常に精度が高い穴の深さが達成され得る。
【００４１】
工程５０８での判定により、前の２つの工程５０４および５０６が、第１のグループ全ての穴が開けられるまで繰り返される。
【００４２】
表面の第１の位置の全てが穴を有すると、プロセスは工程５１０に進む。レーザビームのパルスエネルギーが、レーザ硬化された材料のアブレーション閾値よりも高いレーザビーム強度を提供する第２のレベルに設定される。この強度がアブレーション閾値を越えるレーザビームプロフィールの面積は、望ましくは、加工される穴の１個分の面積と同じである。
【００４３】
次に、サンプルは、レーザビームがサンプルの表面の第２グループの穴の位置のうちの１つに集束されるように配置される（工程５１２）。サンプルは工程５０４と同様に配置される。
【００４４】
レーザビームの多数のパルスが、次いで、表面５１４をアブレートするために当てられる。この数は、レーザ硬化部分に望ましい穴のサイズを導入するために計算され得るか、または工程５０６に関して既述したようにモニターされ得る。
【００４５】
これらの最後の２つの工程５１２および５１４は、第２グループの全ての穴が開けられるまで繰り返され得る。第３グループの穴の位置がある場合には、パルスエネルギーは、レーザビームに２度当てられた材料に対して、第３グループの穴を、最初の２つのグループと同様の方法で開けるために再度増加され得る。
【００４６】
この方法は、レーザ硬化された周辺部が存在し得、且つ従来の穿孔方式を連続して用いたときに確実な穿孔結果を妨げ得る、レーザ加工プロセスのいずれにも適用できる。図３に示す本発明の例示的な実施形態は、フォトニック結晶を生成するために、基板３００にフェムト秒のパルスで穴１０２を開ける工程を伴う。この基板は、望ましくは、誘電材料または二酸化シリコン上のシリコン構造等の多層構造で形成され得る。図３に示す例示的なフォトニック結晶は、正方形のパターンに配列された穴を有する二次元のフォトニック結晶構造として形成されている。この正方形のパターンは、単に二次元のフォトニック結晶の１つの可能なパターンにすぎない。六角形のパターン等の他のパターンもまた、本発明のレーザ加工法を用いて形成され得る。１次元のフォトニック結晶構造も同様に、本発明のレーザ加工プロセスを用いて形成され得ることが企図されている。
【００４７】
図４は、図５を参照して上述した例示的なレーザ加工プロセスの別の用途を示す。図４の材料サンプル１００は、表面にレーザ加工された溝４０２を有する。この溝は、本発明に従って、穴の直径の一部をピッチとして、波長よりも小さい直径の穴を連続して形成することによって刻まれ得るので、穴が重なり合い、実質的に滑らかな溝を形成する。このような溝を形成するために、穴の位置を少なくとも３つのグループに分けることが望ましい。
【００４８】
本発明を例示的な実施形態に関して述べたが、本発明は、添付の特許請求の範囲内で上述のとおりに実行され得ることが企図されている。また、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲から逸脱しない、多くの他の改変例が存在することを、当業者は理解する。
【００４９】
結論として、本発明は、超高速パルスレーザを用いるレーザ加工の方法を提供する。本発明に従って、レーザの波長よりも小さなピッチの複数の穴が材料サンプルに開けられる。確実且つ再現可能な穿孔が、第１の集合の穴に隣接する穴について表面のレーザ硬化を避けるために間隔を置いた表面に、第１のパルスエネルギーで多数のパルスを当てる例示的な穿孔のシーケンスを通して達成される。次に、パルス数を増加するか、またはレーザビームのエネルギーを増加させて、第１の集合の穴の間に穴を開ける。例示的なレーザ加工プロセスは、他の用途の中でも特に、１次元および二次元双方のフォトニック結晶を製造するために用いられ得る。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】図１Ａは、レーザ加工されたサンプルの一部分における、間隔を広く置いた穴、および関連するレーザ硬化領域を示す上面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、レーザ加工されたサンプルの一部分における、間隔を狭く置いた穴、および関連するレーザ硬化領域を示す上面図である。
【図２】図２は、本発明の例示的なレーザ加工装置を示すブロック図である。
【図３】図３は、本発明の例示的なレーザ加工法によって形成された例示的なフォトニック結晶を示す上面図である。
【図４】図４は、本発明の例示的なレーザ加工法を用いて、材料の一部に刻まれたレーザ加工された溝を示す上面図である。
【図５】図５は、本発明の例示的なレーザ加工法を示すフローチャートである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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