(57)【要約】      （修正有）【課題】マイクロおよびナノ加工の結果を完全に実現するためには、ナノメートル範囲の精度でマシンツールを位置決めし、その位置をサブナノメートル範囲内でロックする方法を提供する。【解決手段】複数の位置ポイントにおいてプロファイルの導関数の数値平均を計算し、各導関数値からこの平均を減算して新しい導関数値を得るて、次にこれらの新しい値を、最高値が１の値を有するように正規化し、次に、正規化値を１よりも大きな値で乗算し、これらの値を１よりも大きな値でべき乗する。全体的な効果として、エッジの直近エリアにおいてのみ導関数値が増幅されることにより、エッジの位置がより精確に決定されるので、単一のポイント３００、３１０が、マイクロ構造のエッジとして識別される。【選択図】図３
2007155703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ構造の表面上のあるポイントを位置同定する方法であって、
（ａ）上面および少なくとも２つの側面を有する前記マイクロ構造の表面プロファイルを取得するステップと、
（ｂ）前記プロファイルを処理することにより、前記少なくとも２つの側面の各位置および前記プロファイルを採った表面のおおよその中心点を決定するステップと、
（ｃ）前記おおよその中心点にセンタリングされ、かつ前記少なくとも２つの側面間の距離よりも大きい所定の長さを有する直線に対して、前記決定されたプロファイル上のポイント群からなる線分を当てはめるステップと、
（ｄ）前記直線から、前記当てはめられたポイント群の標準偏差を測定するステップと、
（ｅ）最小標準偏差が決定されるまでステップ（ｄ）を繰り返しながら前記線分の位置を変化させ、前記最小標準偏差を前記線分長についての標準偏差として記録し、前記最小標準偏差を有する線分を前記線分長についての前記センタリングされた線分として記録するステップと、
（ｆ）前記最小標準偏差が収束するまで、より短い長さを有する線分を選択してステップ（ｃ）から（ｅ）を繰り返すステップと、
（ｇ）前記収束した最小標準偏差におよそ等しい標準偏差を有する、最も長いセンタリングされた線分を、前記マイクロ構造の前記上面を横切って延びる直線を定義する線分として選択し、そのことによって、前記定義された直線に対して前記マイクロ構造上の前記あるポイントを規定するステップと、
を包含する方法。
【請求項２】
前記最小標準偏差におよそ等しい標準偏差を有する前記最も長い線分を選択する前記ステップは、前記収束した最小標準偏差におよそ等しい標準偏差をそれぞれ有する複数の線分を選択し、前記複数の線分の平均を計算することにより前記マイクロ構造の前記上面を横切って延びる前記直線を定義するステップを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
収束は、ステップ（ｅ）で計算される前記最小標準偏差の値の、以前のステップ（ｅ）の１回以上の実行において計算された前記最小標準偏差の値に対する増加として示される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記プロファイルは、
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、
近接場走査型光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）、
ＡＦＭプローブとして動作するＮＳＯＭプローブ、
走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、
干渉計、
白色光干渉計、
実体顕微鏡、または
共焦点顕微鏡
のうち少なくとも１つを用いて得られる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記プロファイルを処理して前記少なくとも２つの側面の各位置を決定する前記ステップは、
前記プロファイルの導関数を決定することと、
前記プロファイルを少なくとも１つのエッジ検出関数を用いてたたみ込むことと、
のうち少なくとも１つを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記プロファイルを処理して前記少なくとも２つの側面の各位置を決定する前記ステップは、前記プロファイルの導関数の絶対値を計算するステップを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
（ａ）前記計算された導関数上の複数の位置ポイントのそれぞれにおける前記導関数の数値平均を計算し、前記各位置ポイントにおける前記導関数の各値から前記平均を減算することにより、新しい導関数値を算出するステップと、
（ｂ）最高の新しい導関数値が１の値を有するように、前記新しい導関数値を正規化するステップと、
（ｃ）前記正規化値を１よりも大きな値で乗算するステップと、
（ｄ）ステップ（ｃ）で算出した前記値を、１よりも大きな値でべき乗するステップと、
をさらに包含する請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも２つの側面のサイズに実質的に等しい大きさのオフセットを有し、かつ前記得られた表面プロファイルの変動よりも大きい変化の振幅を有する乱数を、前記２つの側面の外側にある前記プロファイルのポイント群に加えることにより、前記側面を越えて延びる前記線分についての前記標準偏差を増大させるステップをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
マイクロ構造の上面上にある、５０ｎｍ未満の位置精度で位置決めされる１つ以上の構造をマイクロ加工する方法であって、前記方法は、
請求項１に記載の方法を用いて、前記マイクロ構造上の位置を決定するステップと、
加工ツールを前記決定された中心位置に位置決めするステップと、
前記ツールを作動させることにより、前記１つ以上の構造を作製するステップと、
方法。
【請求項１０】
前記マシンツールは、
近接場走査型光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）プローブ、
レーザのためのアンテナとして作用するように構成された原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）プローブ、
ＡＦＭプローブとして動作可能なＮＳＯＭプローブ、または
ＮＳＯＭプローブとＡＦＭプローブとが結合されたものを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記加工ツールはＡＦＭプローブを含み、前記方法は、前記マシンツールの垂直位置フィードバック制御を作動前にオフにすることにより、加工中の前記ツールの反動に起因する垂直位置変動を低減するステップをさらに包含する、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
ｈ）前記マイクロ構造の前記上面上のステップ（ｇ）で規定された前記ポイントを基準点として用いて、前記マイクロ構造の前記上面上のさらなるポイントを位置同定するステップ
をさらに包含する請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
マイクロ構造の表面上のあるポイントを位置同定する方法であって、
（ａ）上面および少なくとも２つの側面を有する前記マイクロ構造の表面プロファイルを取得するステップと、
（ｂ）前記プロファイルの導関数の絶対値を生成することにより、前記少なくとも２つの側面の各位置および前記プロファイルを採った表面のおおよその中心点を決定するステップと、
（ｃ）前記おおよその中心点にセンタリングされ、かつ前記少なくとも２つの側面間の距離よりも大きい所定の長さを有する直線上の、前記プロファイルの前記計算された導関数のポイント群を選択するステップと、
（ｄ）前記選択されたポイント群の平均値および標準偏差を測定するステップと、
（ｅ）最小標準偏差が決定されるまでステップ（ｄ）を繰り返しながら前記線分の位置を変化させ、前記最小標準偏差を前記線分長についての標準偏差として記録し、前記最小標準偏差を有する線分を前記線分長についての前記センタリングされた線分として記録するステップと、
（ｆ）前記最小標準偏差が収束するまで、より短い長さを有する線分を選択してステップ（ｃ）から（ｅ）を繰り返すステップと、
（ｇ）前記収束した最小標準偏差におよそ等しい標準偏差を有する、最も長い線分を、前記マイクロ構造の前記上面を横切って延びる直線を定義する線分として選択し、そのことによって、前記定義された直線に対して前記マイクロ構造上の前記あるポイントを規定するステップと、
を包含する方法。
【請求項１４】
前記最小標準偏差におよそ等しい標準偏差を有する前記最も長い線分を選択する前記ステップは、前記収束した最小標準偏差におよそ等しい標準偏差をそれぞれ有する複数の線分を選択し、前記複数の線分の平均を計算することにより前記マイクロ構造の前記上面を横切って延びる前記直線を定義するステップを包含する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
収束は、ステップ（ｅ）で計算される前記最小標準偏差の値の、以前のステップ（ｅ）の１回以上の実行において計算された前記最小標準偏差の値に対する増加として示される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記プロファイルは、
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、
近接場走査型光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）、
ＡＦＭプローブとして動作するＮＳＯＭプローブ、
走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、
干渉計、
白色光干渉計、
実体顕微鏡、または
共焦点顕微鏡
のうち少なくとも１つを用いて得られる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記少なくとも２つの側面のサイズに実質的に等しい大きさのオフセットを有し、かつ前記得られた表面プロファイルの変動よりも大きい変化の振幅を有する乱数を、前記エッジによって仕切られる領域の外側にあるプロファイルポイント群に加えることにより、前記側面のうちの少なくとも一方を越えて延びる線分についての前記標準偏差を増大させるステップをさらに包含する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
ｈ）前記マイクロ構造の前記上面上のステップ（ｇ）で規定された前記ポイントを基準点として用いて、前記マイクロ構造の前記上面上のさらなるポイントを位置同定するステップ
をさらに包含する請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ構造を含むマイクロ構造上のサブミクロン要素をレーザ加工する方法に関する。本方法はまた、汎用の電子機械的マイクロ構造の大量生産、カスタマイゼーションまたは補修を可能にし得る。より具体的には、マイクロ加工ツールの高精度位置ロッキングに関する。
【背景技術】
【０００２】
製品の小型化につれ、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）、マイクロ光学デバイスおよびフォトニック結晶への需要が高まっている。この需要に対応して、マイクロおよびナノ加工への関心が高まっている。ＭＥＭＳには無数のアプリケーションの可能性がある。生物学とマイクロエレクトロニクスのように、以前には無関係だった分野間に比類なき相乗効果を可能にする画期的な技術として、新しいＭＥＭＳアプリケーションが急速に出現しつつあり、現在認識されているあるいは公知のものを越えて広がろうとしている。また量子電気デバイス、マイクロ光学デバイスおよびフォトニック結晶においてさらなるアプリケーションが出現しつつある。
【０００３】
現在関心を持たれているアプリケーションをいくつか列挙する。
【０００４】
量子電気デバイス
量子計算などのアイデアへの関心から、セルラーオートマトンや結合量子ドット技術などの、より小さな寸法を要求するデバイスの開発がなされている。透過電子の量子効果を利用してマイクロ波回路の効率を増大し得る、共鳴トンネルダイオードなどの共鳴トンネルデバイスは、特に微細な要素を必要とする。
【０００５】
マイクロ光学
マイクロ加工技術の光学系への応用は、階調技術などの光学製造において数々の進歩をもたらしてきた。階調技術は、達成し得る最高の光学性能を可能にする、様々な形状の作製を可能にする。伝統的なバイナリオプティクスは、理想的な表面形状を「階段状」にした近似に依拠する。階調は、その理想形状を実際に作製することができる。曲線、傾斜面(ramps)、トロイド(torroids)、またはその他の任意の形状が可能である。多機能光学系、マイクロレンズアレイ、ディフューザ、ビームスプリッタ、およびレーザダイオード補正器はすべて、階調技術を用いることにより恩恵を受ける。これらおよび他の光学デバイス（より短波長光用の微細ピッチ格子を含む）は、マイクロ加工を用いて得られるより高い精度の恩恵を受ける。また、マイクロ加工技術の進歩により、ビームシェーパー、連続膜変形ミラー、チューナブルレーザ用移動ミラー、および走査２軸傾動ミラーを含む光学的ＭＥＭＳデバイスが登場している。
【０００６】
フォトニック結晶
フォトニック結晶は、ユニークな性質を有する光学デバイスを作製するために用い得る、人工形態の光学材料を代表するものである。フォトニック結晶は、半導体結晶の電気的性質に類似する多くの光学性質を有するため、現在の電気的半導体回路と同様な光学回路の開発を可能にし得る。フォトニック結晶を形成するために用いられる要素サイズおよび、これらの要素の高精度位置揃え要求が、これらの材料の製造を複雑にする。位置揃え技術の改善ならびに、マイクロ加工システムにおけるより小さな最小要素サイズ能力によって、この領域におけるさらなる発展が得られる可能性がある。
【０００７】
バイオテクノロジー
ＭＥＭＳ技術は、科学および工学において以下のような新しい発見を可能にしている。すなわち、ＤＮＡ増幅および同定のためのポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）マイクロシステム、マイクロ加工された走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）プローブチップ、有害な化学および生物物質の検出のためのバイオチップ、および、高スループットドラッグスクリーニングおよび選択のためのマイクロシステムである。
【０００８】
通信
共鳴トンネルデバイスの使用により得られ得る進歩に加えて、高周波回路もまた、ＲＦ−ＭＥＭＳ技術の出現により大きく恩恵を受け得る。ＭＥＭＳ技術を用いて作製したインダクタおよびチューナブルキャパシタなどの電気部品は、現在の対応する集積回路に比較して、有意により良く性能し得る。そのような部品を集積することにより、通信回路の性能が改善され得る一方、総回路面積、消費電力およびコストが減少し得る。さらに、いくつかの研究グループによって開発されているように、ＭＥＭＳ機械的スイッチは、様々なマイクロ波回路において多大な潜在能力を秘めたキー部品となり得る。デモンストレーションされたＭＥＭＳ機械的スイッチのサンプルは、以前に利用可能であったいかなるものよりもずっと高いＱファクターを有している。ＲＦ−ＭＥＭＳ部品の信頼性、高精度チューニング、そしてパッケージングは、ＲＦ−ＭＥＭＳ部品が市場においてより幅広く受け入れられるために解決されなければならない重要な問題点である。
【０００９】
マイクロ光学の進歩ならびにフォトニック結晶を用いた新しい光学デバイスの導入によりまた、通信技術は恩恵を受け得る。
【００１０】
加速度計
ＭＥＭＳ加速度計は、自動車両の衝突エアバッグ作動システムにおいて、従来の加速度計に急速にとって代わりつつある。従来のアプローチは、車の前部に実装された別個の部品からなるいくつかのかさ高い加速度計と、エアバッグ近傍の別の電子系とを用いるものである。ＭＥＭＳ技術は、従来のアプローチのコストの１／５から１／１０のコストで、加速度計と電子系とを単一のシリコンチップ上に集積することを可能にした。従来のマクロスケールの加速度計素子に比較して、これらのＭＥＭＳ加速度計はずっと小さく、より機能的であり、より軽く、また信頼性が高い。
【００１１】
マイクロ回路
電子回路のサイズの縮小もまた、ＭＥＭＳ技術が多くの分野に影響し得る領域である。これらのマイクロ回路において部品や接続の密度が高まるにつれ、加工公差は減少する。マイクロ回路の製造における一つの難題は、だんだん位置が近くなりつつある部品やナノ配線間の短絡を防ぐことにある。これらの欠陥を補修する能力を有するマイクロ加工方法によって、歩留まりは有意に増大され得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
サブミクロン要素のマイクロ加工は、電子ビーム、紫外線ビーム、およびＸ線リソグラフィ機、ならびに集束イオンビーム機によって支配される領域であった。これらの高コスト技術は通常、高度な真空またはクリーンルーム条件などの、厳しい環境条件を要求する。あるゆるリソグラフィ方法は、複数のマスクを生成しフォトレジストを用いることを包含する、一連の複雑な手順を必要とする。
【００１３】
ビーム処理法を用いた場合、適正な処理のためには、高いレベルの精度でビームが正確に所望の位置に導かれることが望ましい。現在４つの利用可能な技術（レーザ直接描画、集束イオンビーム描画、マイクロ放電機、および光化学エッチング）だけが、この潜在能力を有する。その他の技術（例えばイオンビーム加工(ion beam milling)）は、平坦なウェハ処理においてのみ望ましい。ただし、レーザ直接描画は、周囲大気中での動作と言うさらなる利点を有する。依然として、サブミクロン要素をレーザの波長よりも小さなレーザビームで形成することは、難しい問題である。
【００１４】
近接場走査型光学顕微鏡(near-field scanning optical microscope)（ＮＳＯＭ）−−時に走査型近接場光学顕微鏡(scanning near-field optical microscope)として知られる−−の近接場放射を用いることによる表面のレーザ加工が、サブミクロン要素をレーザ加工する一手段として提案されている。このように表面をマイクロ加工する一つの方法の可能性が、Ｈ．Ｏｗａｒｉらの日本国特許出願第２０００−５１９７５号、レーザ加工装置及び方法とこれを用いて加工された光学素子に開示されている。Ｏｗａｒｉらは、原子間力顕微鏡のプローブを透過した、短波長紫外レーザからの光を用いて、光学格子をレーザ加工することを開示している。
【００１５】
これらのマイクロおよびナノ加工の結果を完全に実現するためには、ナノメートル範囲の精度でマシンツールを位置決めし、その位置をサブナノメートル範囲内でロックすることが可能な方法が必要である。
【００１６】
現在、処理された基板上に１０ｎｍより良い位置決め精度を非破壊的に達成することを可能な技術は知られていない。ＵＶ光ステッパなどの他の技術は、ブランク基板上にそのような精度を達成し得るが、これらの技術は、高精度な表面トポロジーのフィードバックを欠いているため、予め形成された構造には適用することができない。一般に、光学撮像方法により５０ｎｍの横方向精度が達成され得る。荷電ビーム装置は非常に良い精度を達成し得るが、破壊的であることを意図されている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、１０ｎｍに近づく精度および安定性で、マイクロ構造の表面上のポイントを位置同定する方法として実現される。本発明はまた、同じ位置精度で、本発明の方法を用いてマシンツールを位置決めすることによる、マイクロ加工をも包含する。
【００１８】
本方法例は、マイクロ構造の表面プロファイルを生成し、プロファイルを処理することにより、少なくとも２つのエッジの位置および、プロファイルを採った表面のおおよその中心点を決定する。本方法はつぎに、決定されたプロファイル上のポイント群からなる線分を上記おおよその中心点にセンタリングされた直線に当てはめ、当てはめられたポイント群の標準偏差を測定する。最小標準偏差が決定されるまで、線分の長さおよび位置を変化させる。最小標準偏差におよそ等しい標準偏差を有する最も長い線分から、ポイントを決定する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、以下の詳細な説明を添付の図面とともに読んだときもっともよく理解される。一般に行われるように、図面の様々な要素は縮尺通りではないことを強調しておく。逆に、明瞭さのために様々な要素の寸法を任意に拡大または縮小している。図面には以下の図が含まれる。
【００２０】
図１は、可能性として１０ｎｍ未満の位置決め精度および安定性で、マイクロ構造の表面上のポイントを位置同定する方法の一実施形態を示す。「マイクロ構造」の語は、１マイクロメートルよりも小さい要素を少なくとも１つ有する物理構造として理解される。
【００２１】
開始に際して、マイクロ構造のプロファイルを測定し（１００）、マイクロ構造表面の少なくとも２つのエッジの各位置を得る。プロファイルは、表面上の横方向位置を定義する位置ポイントと、各位置ポイントにおける表面の高さまたは深さを与えるプロファイルポイントとからなる。各位置ポイントに対して１つのプロファイルポイントが対応づけられる。プロファイルは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、近接場走査型光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）、ＡＦＭプローブとして動作するＮＳＯＭプローブ、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、干渉計、白色光干渉計、実体顕微鏡、または共焦点顕微鏡などの、十分に小さい空間分解能を有する任意の方法によって得ることができる。図２は、ＮＳＯＭによって得られるプロファイルの一例を示す。位置ポイント値をｘ軸２００上にｎｍ単位で示し、プロファイルポイント値をｙ軸２１０上にｎｍ単位で示す。この例においてわかるように、プロファイルは、マイクロ構造の上面２１２ならびに２つの側面２１４および２１６を規定する。発明の一実施形態において、本方法例を用いることにより、マイクロ構造の上面２１２の中心点を正確に決定する。
【００２２】
プロファイルデータから、マイクロ構造のエッジの位置を決定する（１１０）。エッジは、当該分野において公知である任意の標準的なエッジ検出技術を用いて見出すことができる。例えば、プロファイルデータの導関数または、エッジ検出関数（例えば階段関数や衝撃関数など）によるプロファイルデータのたたみ込みを用いることである。例えば、複数の位置ポイントにおいてプロファイルの導関数を計算することにより、妥当な精度でエッジを見出すことができる。これは、エッジ近傍においてはプロファイルポイントの値が比較的素早く変化するためである。したがって、プロファイルポイントの導関数の大きさの有意な変化は、エッジを示し得る。これらの導関数を処理することにより、エッジをさらにエンハンスすることが可能である。これを行うための１つの方法は、導関数の絶対値を計算し、導関数の数値平均を計算し、各導関数値からこの平均を減算して新しい導関数値を得ることである。次にこれらの新しい値を、最高値が１の値を有するように正規化する。次に、正規化値を１よりも大きな値で乗算し、これらの値を１よりも大きな値でべき乗する。全体的な効果として、エッジの直近エリアにおいてのみ導関数値が増幅されることにより、エッジの位置がより精確に決定される。図３にこの方法を用いたエッジ検出例を示す。この例では、単一のポイント３００、３１０が、マイクロ構造のエッジとして識別されている。
【００２３】
ＮＳＯＭは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）と同じ原理の多くを用いて、正確に表面のプロファイルを採る。ＮＳＯＭプローブチップからの近接場放射を用いてこれら表面をレーザマイクロ加工することにより、非近接場放射および自由空間光学系を用いることに比べて、いくつかの利点が得られ得る。これらの利点としては、ＮＳＯＭプローブチップの高精度な位置決め制御および、最小要素サイズが減少することが含まれる。ＮＳＯＭデバイスにおいて用いられる高精度移送台を用いて、高精度な水平および垂直位置決め制御を得ることができる。また、ＮＳＯＭにより表面のプロファイルを採る能力は、有意な近接場放射を表面に結合するために望まれる、プローブチップの正確な垂直位置決めを可能にする。
【００２４】
近接場放射を用いた本発明のＮＳＯＭレーザ加工システム例により加工され得る最小要素サイズは、近接場放射の生成に用いられるレーザ光の波長ではなく、ＮＳＯＭプローブチップのサイズによって決定される。このことにより、Ｏｗａｒｉらの開示するようなレーザ加工装置によって、同じレーザ源からの自由空間レーザビームの回折限界のスポットサイズよりも小さな、表面上のエリアを加工することが可能になる。ただし、レーザの波長は依然として問題になる。なぜなら、レーザの波長は、光がＮＳＯＭプローブチップを介して近接場に結合する効率に影響するからである。Ｏｗａｒｉらが、そのＮＳＯＭプローブチップの円形の断面の直径におよそ等しい波長を有する短波長ＵＶレーザの使用を開示しているのは、このためである。
【００２５】
図１を再び参照して、本方法の図示した実施形態における次のステップは、エッジからおよそ等距離のポイントを位置同定することである（１１５）。このポイントは、本発明の方法のこの実施形態によって決定される最終ポイントの位置の、最初の近似となる。２つのエッジのみを用いる場合、これは、エッジ間の中点である。エッジの位置から、等距離ポイントを容易に計算し得る。
【００２６】
次に、位置ポイントのうち複数を含む線分を定義する（１２０）。この線分は中心点および長さを有しており、線分は、その中心点がエッジからおよそ等距離のポイントに一致するように、位置決めされる。初めの線分長は、エッジ位置によって規定される長さよりも、１０あるいは２０位置ポイント大きくてもよい。発明の本実施形態例において、位置とは、ＮＳＯＭによって達成し得る最も細かい分解能ステップを表している。
【００２７】
次のステップは、直線を、線分内に含まれる選択された位置ポイントに対応する、プロファイルポイントに対して当てはめる（１２５）ことである。これを行うための標準的な方法は、最小自乗法を用いて線形当てはめを行うことにより、最もよく当てはまる傾きと、実際のプロファイルポイントの標準偏差との両方を計算することである（１３０）。これと等価的に、標準偏差は、各選択された位置ポイントについて、対応するプロファイルポイントと当てはめられた直線の対応する値との間の差分を計算し、これらの差分の平均および標準偏差を計算することによっても、計算され得る。標準偏差を、線分の位置を示している対応する位置値とともに、格納する。
【００２８】
次に、プロファイルの位置ポイントに対し、線分を、自身の長さ方向に沿って新しい位置まで変位させる（１３５）。この変位は、所定回数、おそらくは初期位置に対して両方向に実行される（１４０）。一例として、線分は、線分の初期位置に対して、５位置ポイント左また５位置ポイント右にずらされる。図６Ａは、その初期位置ならびに４つの変位された位置６１０、６１５、６２０、６２５において、線分６００を概略的に示している。これらの線分の長さは一定であり、明瞭さのため、線分を互いに縦にずらして示している。実際は上述のように、これらは一致する。
【００２９】
各変位において、線分に含まれる位置ポイントに対応するプロファイルポイントのすべてについて平均および標準偏差を上述のように計算し、これらの標準偏差を、線分の位置を規定する対応する位置値とともに、それぞれ格納する。次にこの複数の値中の最小標準偏差を見出し（１４５）、その対応する線分位置値および線分の長さとともに、別途格納する。線分を、この最小標準偏差に対応する位置まで変位させる。
【００３０】
次に、線分の長さを減少する（１５５）。減少の量は、１位置ポイントであり得る。このより短い線分に含まれる位置ポイントについて、より短い線分を用いた直線への当てはめを上述のように行う（１２５）。より短い線分を、所定回数変位させ（１３５、１４０）、新しい最小標準偏差を抽出し（１４５）、対応する線分の位置および長さとともに格納する。最小標準偏差の各抽出後、この最小値を、一定値に収束するかどうかチェックする（１５０）。収束までこの繰り返しが続けられる。
【００３１】
収束が起こったら、最小標準偏差群の収束値におよそ等しい対応する最小標準偏差値を有する、最も大きい長さの線分であるような、１つ以上の線分を格納手段から選択する（１６０）。これらの線分の位置値から、２つのエッジ間の中点などのような、マイクロ構造の表面上の目標ポイントのための位置値を計算する（１６０）。例えば、目標位置は、収束した標準偏差値におよそ等しい標準偏差を有する最も長い１つの線分から計算されるか、あるいは、この最も長い線分よりも１位置ポイント小さいおよび／または大きい長さを有する数個の選択された線分の中点の位置値の平均として、計算され得る。これらの選択された線分は、例えば所定の公差内で標準偏差値に収束した収束シーケンス中の、３つの最も長い線分であり得る。この時点で方法は終了する（１６５）。
【００３２】
図６Ｂは、線分を短くしていく様子を概略的に示している。線分６５０、６５５および６６０は、連続する繰り返しから得られた線分である。線分６６０は、最小標準偏差の収束値にほぼあると見なしてよい。図６Ａと同様に、線分は明瞭さのために互いに縦にずらして示しているにすぎない。実際には、各線分は、上述のようにプロファイルの対応値にマッピングされる。
【００３３】
最小標準偏差値の収束は、最小標準偏差値の増加（以前の繰り返しにおけるこの値に対する）に着目することにより、検出することができる。図５はこの現象の一例を示しており、標準偏差が最後から２番目の繰り返し５００において最小値に達するものの、最後の繰り返し５１０において再び上昇している。この場合、最小ポイント５００を、収束のポイントと見なすことができる。この標準偏差の上昇は、図６Ｂにおける線分６６０のように、線分が構造のエッジの間に完全に含まれるようになってしまうことから起こり得る。この領域において、プロファイルポイントはランダムに変化し得る。その場合、標準偏差計算に用いられるサンプル数を減少する（線分を短くしていくことによる）ことは、標準偏差値を増大させ得る。なぜなら標準偏差の不確定性は、サンプル数の平方根に反比例するからである。
【００３４】
図７は、本明細書に説明する方法を用いて目標ポイントが収束する様子を示す。この例においては、目標ポイントの収束は非常に素早くその最良レベルに到達し、図５に示すように標準偏差が降下し続けるように見えるものの、目標ポイントの変化は第２回目の繰り返し以降改善しないことが明らかである。これは、最終結果が、この技術そのものではなく、元のデータ中のノイズによって制限を受けていることを示している。図７における目標ポイントの２０ｎｍの標準偏差は、１回の測定あるいは１回のスキャンについての標準偏差である。より意味のある標準偏差を得るためには、複数の測定を行うことが一般に望ましい。ただし、小さな熱ドリフトのため、複数のスキャンを行っても単一回のスキャンよりも良い標準偏差を得ることはできない。洗練されたデータ入手手順と、ずっとノイズの少ないより良いサンプルを用いることにより、５．８ｎｍの変化が達成された。
【００３５】
別の実施形態においては、直線への当てはめ（１２５）は用いず、プロファイルの導関数値を用いる。まず、様々な位置ポイントにおけるプロファイルの導関数値を決定し、上述のようにエッジ位置および等距離ポイントを決定し、上述のように線分を定義する。ただし各繰り返しにおいて、線分に含まれる選択された位置ポイントに対応する導関数を求め、これら導関数の平均および標準偏差を計算する。この標準偏差を、線分の位置を示す対応する位置値とともに格納する。そして当てはめられた直線から導出された標準偏差の代わりに、この導関数標準偏差を用いて、第１の実施形態と同様に、前と同じように繰り返しを行う。
【００３６】
いずれの実施形態においても、収束のさらなる助けとして、繰り返しを開始する前に、構造の決定されたエッジによって仕切られる領域の外側にあるプロファイルポイントの値に乱数を加えることによって、この領域中に延びる線分についての標準偏差を増大させてもよい。これらの乱数は、得られた表面プロファイルの変動よりも大きな振幅で変化し、かつ側面の得られたサイズに実質的に等しい大きさのオフセットを含むことが望ましい。図４は、得られるプロファイルの一例を示す。領域４００および４１０におけるエッジの外側にあるポイントの標準偏差は、領域４２０４２０におけるエッジ内で実際に発生している標準偏差よりも、有意に大きくされている。また、領域４００および４１０におけるポイントに加えられた乱数のおおよそのオフセット（４３０）および変化の振幅（４４０）も示している。
【００３７】
本発明の実施形態例で説明される方法例によって目標ポイントが決定されれば、マイクロ構造上のさらなるポイントを、目標ポイントを基準点として用いて、この基準点に対して所望のプローブまたはマシンツールを再位置決めすることにより、位置同定することができる。これは望ましくは、プローブまたはマシンツールを、目標ポイントから精確な方向に精確な距離だけ動かすことにより達成され得る。このようにして、目標ポイントの位置の精度にほぼ同じ精度で、さらなるポイントの位置を決定し得る。
【００３８】
本明細書に説明する方法を用いて目標ポイントが決定されれば、本方法により提供される位置決め精度でマイクロ加工を実行することができる。発明の一実施形態を用いてマシンツールを位置決めした後、加工された構造を製造するために動作させ得る。マシンツールは、アブレーションのためにレーザを用いることにより、レーザ光の波長未満のサイズの構造を作製することができる。レーザ加工は、ナノメートルの空間分解能が可能な任意のデバイスによって達成し得る。例えば、ＮＳＯＭプローブ、ＡＦＭプローブ（おそらくは光をワークピース表面上に集中させるためのレーザ光のためのアンテナとして作用する）、ＡＦＭプローブとして動作することが可能な（おそらくは金属クラッディングを有することによる）ＮＳＯＭプローブ、またはＮＳＯＭプローブとＡＦＭプローブとを結合したものである。ＡＦＭプローブをレーザ光のためのアンテナとして用いる方法例が、Ａ．Ｃｈｉｍｍａｌｇｉらによる、「Femtosecond Laser Aperturless Near-Field Nanomachining of Metals Assisted by Scanning Probe Microscopy」と題された論文、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ８２，Ｎｏ．８，２４  Ｆｅｂｒｕａｒｙ２００３に記載されている。
【００３９】
本方法例の一使用例は、フォトニック結晶のチューニングである。上述のように、フォトニック結晶は、規則的に間隔を空けられた孔を導波路構造に作製することにより、形成され得る。フォトニック結晶の性質は、孔の間隔またはサイズの不完全性によって決定される。一つのフォトニック結晶例として、Ｓｉ導波路中において、５つの規則的に間隔を空けられた孔の第１の組を、第１の組を反映した５つの規則的に間隔を空けられた孔の第２の組に対して、孔を有さない導波路部分によって隔てる。この構造を、孔のうちの１つを部分的または完全に埋めること、孔のうち１つを大きくすること、あるいは第１および第２の孔の組を隔てる空間中に新しい孔を形成することによって、チューニングすることができる。本方法例はこのうち最後の技術に対して有用である。本方法例は導波路の中心線の正確な決定を可能にする。本方法を導波路の長さおよび幅の両方に適用すれば、導波路上の中心点の正確な決定が可能になり、また、その中心点に孔をレーザ加工するための、ＮＳＯＭまたはＡＦＭチップの正確な位置決めが可能になる。ただし、本方法例は中心位置の決定に限定されない。ＮＳＯＭまたはＡＦＭは決定された直線上の任意の位置に移動され得る。このように、導波路の長さに沿って中心線を確立し、そして任意の所望のフォトニック結晶のための孔を加工する用にＮＳＯＭまたはＡＦＭを間隔を空けて中心線に沿って位置決めすることにより、発明の本実施形態例を用いてフォトニック結晶を正確に加工することができる。上述のように、本方法例は、２次元中のポイントを位置同定するために用い得る。したがって、本方法は、２次元フォトニック結晶構造にも適用可能である。
【００４０】
アプリケーションによっては、作動前にマシンツールの垂直位置フィードバック制御をオフにすることが望ましい場合がある。これにより、ツールの垂直位置変動が減少し、レーザアブレーション中の反動による悪影響が低減される。
【００４１】
一システム例において、超高速レーザ源は望ましくは、超高速レーザ加工アプリケーションにおいて典型的に用いられる任意のタイプの固相利得媒体を含み得る。例えば、Ｃｒ：ＹＡＧ（ピーク基本波長、λf＝１５２０ｎｍ）、Ｃｒ：苦土カンラン石（λf＝１２３０−１２７０ｎｍ）、Ｎｄ：ＹＡＧおよびＮｄ：ＹＶＯ4（λf＝１０６４ｎｍ）、Ｎｄ：ＧｄＶＯ4（λf＝１０６３ｎｍ）、Ｎｄ：ＹＬＦ（λf＝１０４７ｎｍおよび１０５３ｎｍ）、Ｎｄ：ガラス（λf＝１０４７−１０８７ｎｍ）、Ｙｂ：ＹＡＧ（λf＝１０３０ｎｍ）、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ（λf＝８２６−８７６ｎｍ）、Ｔｉ：サファイア（λf＝７６０−８２０ｎｍ）、およびＰｒ：ＹＬＦ（λf＝６１２ｎｍ）である。これらの固相利得媒体は、エルビウムドーピングされたファイバレーザおよびダイオードレーザなどの標準的な光ポンピングシステムを用いて励起され得る。これらの標準的な光ポンピングシステムの出力パルスは、固相利得媒体に直接結合されてよく、あるいは固相利得媒体を励起するために用いられる前に、高調波生成を経てもよい。固相利得媒体（単数または複数）は、レーザ発振器、シングルパス増幅器（single pass amplifier）、および／またはマルチプルパス増幅器（multiple pass amplifier）のうち１つ以上として動作するように構成され得る。この素子はまた、レーザ光を実質的に平行光化するための光学系を有する。超高速レーザ源は、約１ｎｓ未満の期間を有するレーザ光パルスを生成する。これらのパルスは望ましくは、約２０ｐｓ未満の期間を有し、多くの場合においてその期間は２００ｆｓ未満であり得る。超高速レーザ源によって生成されるレーザ光パルスは望ましくは、ほぼフーリエ変換限界であり得る。超高速レーザ源の出力パワーを増大するために、ＸｅＣｌ、ＫｒＦ、ＡｒＦまたはＦ2エキシマ増幅器（図示せず）などの、追加的な非固相のシングルまたはマルチプルパス増幅器を含めてもよい。または、超高速レーザ源は、超高速エキシマレーザシステム（例えばＸｅＣｌ、λf＝３０８ｎｍ、ＫｒＦ、λf＝２４８ｎｍ、ＡｒＦ、λf＝１９３ｎｍ、またはＦ2、λf＝１５７ｎｍ）、あるいは超高速色素レーザシステム（例えば７−ジエチルアミノ−４−メチルクマリン、λf＝４３５−５００ｎｍ、安息香酸、２−［６−（エチルアミノ）−３−（エチルイミノ）−２，７−ジメチル−３Ｈ−キサンテン−９−イル］−エチルエステル、一塩酸塩、λf＝５５５−６２５ｎｍ；４−ジシアンメチレン−２−メチル−６−（ｐ−ジメチルアミノスチリル）−４Ｈ−ピラン、λf＝５９８−７１０ｎｍ；または２−（６−（４−ジメチルアミノフェニル）−２，４−ネオペンチレン−１，３，５−ヘキサトリエニル）−３−メチルベンゾチアゾリウム過塩素酸塩、λf＝７８５−９００ｎｍ）を含み得る。
【００４２】
超高速レーザ源は、約４００ｎｍ未満のピーク波長を有することが望ましくあり得る。この部品内において、レーザ光パルスのピーク波長を減少させるために高調波生成結晶を用い得る。望ましくは、周波数２逓倍、１５０ｆｓのＴｉ：サファイアレーザ（例えばＣｌａｒｋ  ＭＸＲ  ＣＰＡ２０００）を超高速レーザ源として用い得る。
【００４３】
本発明を特定の実施形態について図示および説明したが、本発明は示された詳細に限定されるものではない。むしろ、請求項の均等物の範疇・範囲内において、本発明から逸脱することなく、詳細について様々な改変をなし得る。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明のマイクロ構造の表面上のポイントを位置同定する方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【図２】本方法例において用いられるマイクロ構造のプロファイルの一例を示す、高さ対変位のグラフである。
【図３】図２に示すプロファイルの処理後の導関数の絶対値を示す、エンハンスした傾き対変位のグラフであり、マイクロ構造のプロファイルを採った表面のエッジを位置同定するために用いられる。
【図４】ある構造のエッジによって仕切られる領域の外側にあるプロファイルポイントに乱数を加えた、図２のプロファイルを示す。
【図５】方法が連続的な繰り返されるにつれ、最小標準偏差に収束する様子を示す、高さの標準偏差対変位のグラフである。
【図６Ａ】プロファイルに対する一定長の線分の変位を、概略的に示すプロファイルグラフである。
【図６Ｂ】最小標準偏差が得られる最大長まで線分を短くしていく様子を概略的に示す、プロファイルグラフである。
【図７】本方法例の連続的な繰り返しについて、マイクロ構造の決定された中心点を示すグラフである。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【外国語明細書】
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