(57)【要約】【課題】所望の微細パターンを再現性よく形成することが可能な微細構造体の製造方法を提供する。【解決手段】本発明の微細構造体の製造方法は、多光子吸収性のパルスレーザービームを回折光学素子を用いて複数本の回折ビームに分岐する分岐工程と、前記分岐した複数の回折ビームのうち２本の回折ビームを選択し、これを集光して被加工体に照射する第一の露光工程と、前記選択した２本の回折ビームに位相差を与えて、これを集光して被加工体に照射する第二の露光工程と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多光子吸収性のパルスレーザービームを回折光学素子を用いて複数本の回折ビームに分岐する分岐工程と、
前記分岐した複数の回折ビームのうち２本の回折ビームを選択し、これを集光して被加工体に照射する第一の露光工程と、
前記選択した２本の回折ビームに位相差を与えて、これを集光して被加工体に照射する第二の露光工程と、
を含む、微細構造体の製造方法。
【請求項２】
前記多光子吸収性のパルスレーザービームは、パルス幅が１０×１０-15秒以上１０×１０-12秒以下である超短パルスレーザービームである、請求項１記載の微細構造体の製造方法。
【請求項３】
前記被加工体へ照射される回折ビームは、円偏光である、請求項１又は２記載の微細構造体の製造方法。
【請求項４】
前記被加工体へ照射される回折ビームは、直線偏光である、請求項１又は２記載の微細構造体の製造方法。
【請求項５】
前記多光子吸収性のパルスレーザービームの波長及び直径、交叉角度、焦点距離、並びに位相差の少なくとも一つを調整する工程を含む、請求項１〜４の何れかに記載の微細構造体の製造方法。
【請求項６】
多光子吸収性のパルスレーザービームを複数本の回折ビームに分岐する回折光学素子と、
前記分岐した複数の回折ビームを集光する第一のレンズと、
前記複数の回折ビームのうち２本の回折ビームのみを通過させる空間フィルタと、
前記２本の回折ビームに位相差を与える位相差板と、
前記２本の回折ビームを集光する第二のレンズと、
を含む、微細構造体の製造装置。
【請求項７】
前記回折光学素子は、表面形状又は屈折率分布が周期的構造をなす、請求項６記載の微細構造体の製造装置。
【請求項８】
前記位相差板は、前記２本の回折ビームのうちの一の回折ビームが入射する部位と、他の回折ビームが入射する部位と、において、厚み又は屈折率が異なる、請求項６又は７記載の微細構造体の製造装置。
【請求項９】
請求項１〜５の何れかに記載の微細構造体の製造方法によって製造される、デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細構造体の製造方法、製造装置、及びこれにより得られるデバイスに関し、特に、所望の微細パターンを再現性よく形成することが可能な微細構造体の製造方法、製造装置、及びこれにより得られるデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
パルスレーザービームを用いて形成される微細パターンは、反射防止、位相遅延、マーカー等の様々な工業上の用途を有しており、近年、微細加工技術の向上への関心が高まっている。
例えば、直線偏光のフェムト秒レーザーを物質に照射してナノ周期構造を物質表面に形成する方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
しかしながら、超短パルスレーザービームによる微細パターン形成のメカニズムには諸説があり、レーザーパラメータをどのように制御すれば所望の微細パターンが得られるのかが明らかではなく、微細パターンを再現性よく実現することが難しいという問題があった。
【０００３】
また、複数本の超短パルスレーザービームの位相を制御して、これらを干渉させ、その干渉による光強度分布を利用して被加工体を加工する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【非特許文献１】井澤  友策他、第６６回応用物理学会学術講演会  講演予稿集  2005, p.992, 8p-B-12
【特許文献１】特開２００３−２５０８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、この方法は光強度分布を制御して一定の微細パターンを得ることはできるが、被加工体の素材・物性によっても得られる微細パターンの構造は影響されるため、被加工体の素材・物性の影響を受けずに所望の微細なパターンを再現性よく実現できる加工方法の提供が望まれている。
【０００５】
そこで、本発明は、所望の微細パターンを再現性よく形成することが可能な微細構造体の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、前記優れた微細構造体の製造方法により得られるデバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、鋭意検討の結果、多光子吸収性のパルスレーザービームを回折光学素子を用いて複数本の回折ビームに分岐する分岐工程と、前記分岐した複数の回折ビームのうち２本の回折ビームを選択し、これを集光して被加工体に照射する第一の露光工程と、前記選択した２本の回折ビームに位相差を与えて、これを集光して被加工体に照射する第二の露光工程と、を含む、微細構造体の製造方法を採用することにより、所望の微細パターンを再現性よく実現できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち、本発明は、（１）多光子吸収性のパルスレーザービームを回折光学素子を用いて複数本の回折ビームに分岐する分岐工程と、前記分岐した複数の回折ビームのうち２本の回折ビームを選択し、これを集光して被加工体に照射する第一の露光工程と、前記選択した２本の回折ビームに位相差を与えて、これを集光して被加工体に照射する第二の露光工程と、を含む、微細構造体の製造方法；（２）前記多光子吸収性のパルスレーザービームは、パルス幅が１０×１０-15秒以上１０×１０-12秒以下である超短パルスレーザービームである、前記（１）記載の微細構造体の製造方法；（３）前記被加工体へ照射される回折ビームは、円偏光である、前記（１）又は（２）記載の微細構造体の製造方法；（４）前記被加工体へ照射される回折ビームは、直線偏光である、前記（１）又は（２）記載の微細構造体の製造方法；（５）前記多光子吸収性のパルスレーザービームの波長及び直径、交叉角度、焦点距離、並びに位相差の少なくとも一つを調整する工程を含む、前記（１）〜（４）の何れかに記載の微細構造体の製造方法；（６）多光子吸収性のパルスレーザービームを複数本の回折ビームに分岐する回折光学素子と、前記分岐した複数の回折ビームを集光する第一のレンズと、前記複数の回折ビームのうち２本の回折ビームのみを通過させる空間フィルタと、前記２本の回折ビームに位相差を与える位相差板と、前記２本の回折ビームを集光する第二のレンズと、を含む、微細構造体の製造装置；（７）前記回折光学素子は、表面形状又は屈折率分布が周期的構造をなす、前記（６）記載の微細構造体の製造装置；（８）前記位相差板は、前記２本の回折ビームのうちの一の回折ビームが入射する部位と、他の回折ビームが入射する部位と、において、厚み又は屈折率が異なる、前記（６）又は（７）記載の微細構造体の製造装置；（９）前記（１）〜（５）の何れかに記載の微細構造体の製造方法により得られる、デバイス；を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高い再現性により所望の微細パターンを形成することができる。本発明の微細構造体の製造方法によれば、被加工体の素材・物性の影響を受けすに、その表面又は内部に所望の微細パターンを再現性よく形成することができる。また、本発明の微細構造体の製造装置は、装置構成が簡便かつ安定である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に、本発明の実施の形態について説明する。以下の実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな形態で実施することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１０】
（微細構造体の製造装置）
本発明の実施例の微細構造体の製造装置１０を図１に示す。
図１に示すように、微細構造体の製造装置１０は、多光子吸収性のパルスレーザービームを出射するパルスレーザー１１と、シャッター１２と、ミラー１３と、パルスレーザービームを複数の回折ビームに分岐する回折光学素子１４と、分岐した複数の回折ビームを集光して安定化させる第一のレンズ１５と、複数の回折ビームのうち２本の回折ビームのみを通過させる空間フィルタ１６と、２本の回折ビームに位相差を与える位相差板１７と、２本の回折ビームを集光する第二のレンズ１８と、から構成される。
【００１１】
本実施形態において、パルスレーザー１１から出射される多光子吸収性のパルスレーザービームは、パルス幅が１０×１０-15秒以上１０×１０-12秒以下であり、波長が８００ｎｍ、平均出力は１ｍＪ（ただし、パルス繰り返しは１ＫＨｚ）である超短パルスレーザービームである。超短パルスレーザービームの直径（Ｄ１）は６ｍｍφである。
なお、本実施形態では超短パルスレーザービームを用いるが、本発明はこれに限定されず、多光子吸収性のパルスレーザービームであればよい。
【００１２】
本実施形態において、第一のレンズ１５の焦点距離ｆ１は５００ｍｍ、第二のレンズ１８の焦点距離ｆ２は１０ｍｍである。
【００１３】
図２（ａ）に回折光学素子１４の側面図、図２（ｂ）に位相差板１７の側面図を示す。
図２（ａ）に示すように、回折光学素子１４は、ギャップｈ（＝８８９ｎｍ）の２つのレベルを周期Ｐ（＝１００μｍ）にて備えたバイナリ構造を有しており、表面形状が周期的構造をなしている。回折光学素子１４は、レーザー描画とイオンエッチングにより、石英基板上に作製される。
なお、回折光学素子１４は、バイナリ構造に限定されず、例えば、表面形状がサイン（コサイン）曲面形状をなす周期的構造をなしていてもよく、あるいは、外観が平らであり内部の屈折率が周期的に分布する周期的構造をなしていてもよい。
【００１４】
図２（ｂ）に示すように、位相差板１７は、表面にギャップｇ（＝８８９ｎｍ）の段差を有している。すなわち、前記２本の回折ビームのうちの一の回折ビームが入射する部位と、他の回折ビームが入射する部位と、において、位相差板１７の厚みが異なっており、２本の回折ビーム間に所定の光路差（位相差π）を与えることができる。位相差板１７は、レーザー描画とイオンエッチングにより石英基板上に作製される。
位相差板１７が有するギャップｇは、位相差πについて８８９ｎｍ、位相差π／２について４４４ｎｍ、位相差π／４について２２２ｎｍである。
なお、位相差板１７は、厚みが異なる段差付形状に限定されず、例えば、外観は平らであり左右領域の屈折率が異なる構成としてもよい。
【００１５】
（微細構造体の製造方法）
次に、上記製造装置１０を用いた微細構造体の製造方法を説明する。
図３は、干渉光強度分布による被加工体表面への微細パターン形成を模式的に示す図であり、（ａ）は第一の露光、（ｂ）は第二の露光を示す。図４（ａ）は第一の露光後の被加工体の回折ビーム照射領域の拡大図であり、図４（ｂ）は第二の露光後の被加工体の回折ビーム照射領域の拡大図である。
【００１６】
〔第一の露光〕
図１に示すように、パルスレーザー１１から出射された超短パルスレーザービームは、シャッター１２を通過し、ミラー１３で反射され、回折光学素子１４により複数の回折ビームに分岐され、さらに、第一のレンズ１５によって集光・安定化される。次に、レンズの集光面の近傍に配置された空間フィルタ１６により２本の回折ビームのみが通過する。これら通過した２本の回折ビームを、第二のレンズ１８で集光し、被加工体１９へ照射する。
この２本の回折ビームは、所定の交叉角度θで干渉し、周期的な干渉光強度分布を発生させる。この干渉光強度分布によって、被加工体の表面に干渉光強度分布と等しい周期の微細パターンが形成される。回折ビームによる露光時間は数ｍｍ秒程度であり、露光時間はシャッター１２により制御される。
【００１７】
図４（ａ）に示すように、第一の露光では、干渉光強度分布により周期ｄ（＝１μｍ）の微細パターンが被加工体表面に形成される。
干渉光強度分布の周期ｄは、以下の式で与えられる。
［数１］
ｄ＝λ／（２ｓｉｎθ）＝（ｆ２／ｆ１）（Ｐ／２）
（式中、λは超短パルスレーザーの波長、θは交叉角度、ｆ１は第一のレンズの焦点距離、ｆ２は第二のレンズの焦点距離である。）
例えば、λ＝８００ｎｍ、交叉角度θ＝２４度とすれば、干渉光強度分布の周期ｄは１．０μｍである。
【００１８】
また、図３（ａ）に示すように、超短パルスレーザービームを被加工体に照射すると、ある閾値以上の強度分布に対してのみ、被加工体の表面が除去され、この除去領域によって微細パターンが形成される。被加工体の表面が除去される領域の広さＤ２は、以下の式により与えられる。
［数２］
Ｄ２＝（ｆ２／ｆ１）Ｄ１
（式中、Ｄ１はレーザービームの直径、ｆ１は第一のレンズの焦点距離、ｆ２は第二のレンズの焦点距離である。）
例えば、ｆ１＝５００、ｆ２＝１０、Ｄ１＝６ｍｍとすれば、除去領域の広さＤ２は１２０μｍである。
【００１９】
〔第二の露光〕
上記第一の露光後に、位相差板１７を用いて２本の回折ビームの間に位相差（π）を与えた以外は上記第一の露光と同様にして、２本の回折ビームによる干渉光強度分布によって被加工体の表面に微細パターンを形成する。
図３（ｂ）の破線に示すように、第一の露光により除去された領域に対して半周期（ｄ／２）ずれた位置で、被加工体の表面が除去され、その結果、図４（ｂ）に示すように、周期０．５μｍの微細パターンが形成される。
【００２０】
なお、上記実施形態においては、位相差をπとした場合について説明したが、位相差をさらに小さくして干渉露光を繰り返すことにより、さらに微細な周期のレリーフ構造を形成することができる。
また、上記実施形態においては、回折ビーム波長に対して不透明な素材の表面へ微細パターンを形成する場合について説明したが、回折ビーム波長に対して透明な素材の内部へ微細構造を形成してもよい。
また、本発明の微細構造体の製造方法においては、第二の露光工程を先に行い、次いで第一の露光工程を行うこととしてもよい。
【００２１】
上記実施形態に示されたように、本発明の微細構造体の製造方法及び製造装置によれば、微細パターンの大きさと形状は、干渉光強度分布の周期と位相差を調整することによって定量的に決定される。そして、干渉光強度分布の周期と位相差の大きさは、図１に示すレーザー干渉露光系を構成する素子や部品の仕様を調整することによって決定される。したがって、本発明の微細構造体の製造方法及び製造装置によれば、極めて再現性よく所望の微細パターンを形成することができる。
すなわち、本発明の微細構造体の製造方法において、回折ビームの波長及び直径、交叉角度、焦点距離、並びに位相差の少なくとも一つを調整することにより、所望の微細パターンを再現性よく実現することができる。
【００２２】
また、図１に示したレーザー干渉露光系は、分岐された２本の回折ビームが互いに近接しており、干渉露光に要する時間が数ｍｍ秒程度と短いため、外乱に対して極めて安定であり、振動や空気ゆらぎの影響を受けにくい。
一般的に、レーザー干渉露光系は、空気ゆらぎに敏感であり、安定性を確保するためには、露光系を防振ベンチの上に置き、さらに、露光系と防振ベンチを強固なカバーで覆う等の処置が必要であり、設備に多額のコストを要するものであるが、本発明の微細構造体の製造方法及び製造装置によれば、外乱に対して極めて安定であるので、安定した露光系を簡便な装置構成によって実現することができる。
【００２３】
さらに、本発明の微細構造体の製造方法及び製造装置によれば、被加工体の素材・物性の影響を受けずに、その表面又は内部に所望の微細パターンを再現性よく形成することができる。
【００２４】
（実施例）
上記実施形態に記載の微細構造体の製造方法・製造装置により、被加工体に微細パターンを形成した。超短パルスレーザービームとしては、干渉光強度分布の周期ｄが２．０μｍである回折ビームを用いて、それぞれ円偏光、直線偏光（ＴＥ偏光；平行偏波）、及び直線偏光（ＴＭ偏光；直行偏波）の異なるパルス偏光条件によって加工した。
図５〜７に、円偏光、直線偏光（ＴＥ偏光）、直線偏光（ＴＭ偏光）の各回折ビームを用いて形成した微細パターンを撮影した電子顕微鏡写真をそれぞれ示す。
【００２５】
図５に示すように、円偏光の回折ビームを用いた場合には、第二の露光後に、ｄ／２（＝１．０μｍ）の周期をなす均一な微細加工パターンが得られた。
また、図６及び７に示すように、直線偏光の回折ビームを用いた場合にも、第二の露光後に、ｄ／２（＝１．０μｍ）の周期をなす微細加工パターンが得られた。さらに、直線偏光のパルス条件で加工した場合には、所望の微細加工パターンに重畳して、偏光方位と平行する方向に微細な構造が得られることが判った。すなわち、図６に示されるように、ＴＥ偏光の回折ビームを用いた場合には、所望の微細加工パターンに重畳して、図中の垂直方向（ＴＥ偏光の方位）に微細な構造が得られる。また、ＴＭ偏光の回折ビームを用いた場合には、図７に示されるように、所望の微細加工パターンに重畳して、図中の水平方向（ＴＭ偏光の方位）に、微細な構造が得られる。
【００２６】
（応用例）
本発明の微細構造体の製造方法は、微細構造パターンの形成が必要とされる様々なデバイスの製造に有用である。液体材料は所望のデバイスの機能に合わせて選択する。
例えば、干渉露光で形成した微細パターンをエッチングにより基板へ転写して微細構造を有する基板を作製してもよい。
【００２７】
デバイスとしては、光学薄膜デバイス、半導体薄膜デバイス、マーキング、微小機械部品、等が挙げられる。
光学薄膜デバイスへの応用としては、例えば、液晶応用機器へ用いられる反射防止膜、位相差板、光導波路、偏光素子、配向膜、ＬＥＤ素子、ＥＬ素子等の発光素子に用いるフォトニック構造、高密度光ディスク、等が挙げられる。
半導体デバイスへの応用としては、ＳＡＷ素子（表面弾性波素子）の電極パターン、半導体素子の絶縁膜パターン、配線パターン、有機ＴＦＴ半導体膜等の作製が挙げられる。
マーキングへの応用例としては、例えば、微細構造が有する認識性を利用したマーキングが挙げられ、電子部品等の一部へ微細構造からなるパターンや文字を形成し、これを読み取ることにより前記部品の生産管理を行う。
微小機械部品への応用例としては、例えば、歯車への応用が挙げられ、部品の表面に微細構造を形成して表面の改質を行うことにより、その摩擦係数を制御する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は本発明の実施例の微細構造体の製造装置１０である。
【図２】図２（ａ）は回折光学素子１４の側面図、図２（ｂ）は位相差板１７の側面図である。
【図３】干渉光強度分布による被加工体表面への微細パターン形成を模式的に示す図であり、（ａ）は第一の露光、（ｂ）は第二の露光を示す。
【図４】（ａ）は第一の露光後の被加工体の回折ビーム照射領域の拡大図であり、（ｂ）は第二の露光後の被加工体の回折ビーム照射領域の拡大図である。
【図５】円偏光の超短パルスレーザービームを用いて形成した微細パターンを撮影した電子顕微鏡写真である。
【図６】直線ＴＥ偏光の超短パルスレーザービームを用いて形成した微細パターンを撮影した電子顕微鏡写真である。
【図７】直線ＴＭ偏光の超短パルスレーザービームを用いて形成した微細パターンを撮影した電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  微細構造体の製造装置、１１  パルスレーザー、１２  シャッター、１３  ミラー、１４  回折光学素子、１５  第一のレンズ、１６  空間フィルタ、１７  位相差板、１８  第二のレンズ
【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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【図６】
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【図７】
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