(57)【要約】【課題】周期性の高い周期構造を形成すること。【解決手段】本発明は、被加工物４０を連続発振レーザ光５２および５４に対し相対的に走査させた状態において、前記連続発振レーザ光５２および５４を、前記被加工物４０のアブレーションが生じるエネルギー密度以下のエネルギー密度で、前記被加工物４０の表面に照射することにより、前記被加工物４０の表面に周期的な凹凸構造５８を形成するステップを含む周期構造の形成方法である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物を連続発振レーザ光に対し相対的に走査させた状態において、前記連続発振レーザ光を、前記被加工物のアブレーションが生じるエネルギー密度以下のエネルギー密度で、前記被加工物の表面に照射することにより、前記被加工物の表面に周期的な凹凸構造を形成するステップを含むことを特徴とする周期構造の形成方法。
【請求項２】
前記連続発振レーザ光のエネルギー密度は、前記被加工物の表面が溶融するエネルギー密度以上であることを特徴とする請求項１記載の周期構造の形成方法。
【請求項３】
前記連続発振レーザ光は、波長が異なる複数のレーザ光であることを特徴とする請求項１または２記載の周期構造の形成方法。
【請求項４】
前記凹凸構造の周期は、前記複数のレーザ光のうち最も長い波長以下かつ最も短い波長以上であることを特徴とする請求項３記載の周期構造の形成方法。
【請求項５】
前記凹凸構造の周期は、前記複数のレーザ光のエネルギー密度を相対的に変化させることにより制御されることを特徴とする請求項４記載の周期構造の形成方法。
【請求項６】
前記凹凸構造の周期の方向は、前記連続発振レーザの偏光方向であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の周期構造の形成方法。
【請求項７】
前記連続発振レーザの偏光方向は、前記走査の方向と同じであることを特徴とする請求項６記載の周期構造の形成方法。
【請求項８】
前記凹凸構造の周期は、前記連続発振レーザ光の波長に略等しいことを特徴とする請求項１記載の周期構造の形成方法。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項記載の周期構造の形成方法により製造されたことを特徴とする周期構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周期構造およびその形成方法に関し、例えばレーザ光を照射することにより形成される周期構造およびその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細な周期を有する周期構造は、ＤＬＣ（Diamond Like Carbon）等のコーティング膜に適用することにより、切削機や加工機械の摺動性を向上させることができる。また、このような周期構造は、光の干渉による発色を利用した構造色の発現や無反射板などの光学素子への適用も可能である。さらに、周期構造の液体に対する撥水性の発現により、液体の流路を形成するために用いることも可能である。
【０００３】
微細な周期構造を形成する方法として、半導体装置の製造プロセスであるフォトリソグラフィを用いる方法、ナノインプリントを用いる方法等がある。しかしながら、これらの方法は、クリーンルーム等の特殊な環境下で行なわれる。また、これらの方法を行なうためには、複雑な装置を複数用いることになる。
【０００４】
特許文献１には、フェムト秒レーザを用い、周期構造を形成する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２１１４００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のように、レーザ光を照射することにより微細な周期構造が形成することができれば、クリーンルームといった特殊な環境や多くの装置を用いることなく、周期構造を形成することができる。
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、周期性に乏しい。また、レーザ光の走査速度が遅く、周期構造を形成するのに時間を要する。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、周期性の高い周期構造を形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、被加工物を連続発振レーザ光に対し相対的に走査させた状態において、前記連続発振レーザ光を、前記被加工物のアブレーションが生じるエネルギー密度以下のエネルギー密度で、前記被加工物の表面に照射することにより、前記被加工物の表面に周期的な凹凸構造を形成するステップを含むことを特徴とする周期構造の形成方法である。本発明によれば、周期性の高い周期構造を形成することができる。
【００１０】
上記構成において、前記連続発振レーザ光のエネルギー密度は、前記被加工物の表面が溶融するエネルギー密度以上である構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記連続発振レーザ光は、波長が異なる複数のレーザ光である構成とすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記凹凸構造の周期は、前記複数のレーザ光のうち最も長い波長以下かつ最も短い波長以上である構成とすることができる。
【００１３】
上記構成において、前記凹凸構造の周期は、前記複数のレーザ光のエネルギー密度を相対的に変化させることにより制御される構成とすることができる。
【００１４】
上記構成において、前記凹凸構造の周期の方向は、前記連続発振レーザの偏光方向である構成とすることができる。
【００１５】
上記構成において、前記連続発振レーザの偏光方向は、前記走査の方向と同じである構成とすることができる。
【００１６】
上記構成において、前記凹凸構造の周期は、前記連続発振レーザ光の波長に略等しい構成とすることができる。
【００１７】
本発明は、上記周期構造の形成方法により製造された周期構造である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、周期性の高い周期構造を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、実施例１の周期構造の製造方法に用いたレーザ装置を示すブロック図である。
【図２】図２（ａ）は、被加工物の表面の模式図、図２（ｂ）は、被加工物の断面模式図である。
【図３】図３（ａ）は、凹凸構造の上面からのＳＥＭ像を模式化した図、図３（ｂ）は、凹凸構造の断面を斜めから視たＳＥＭ像を模式化した図である。
【図４】図４は、第１レーザ光のエネルギー密度に対する周期Ｌを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照し、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１は、実施例１の周期構造の製造方法に用いたレーザ装置を示すブロック図である。図１に示すように、レーザ装置１００は、主に第１レーザ装置１０、第１光学系１２、第２レーザ装置２０、第２光学系２２、ダイクロイックミラー３０、結像光学系３２および駆動系３６を備えている。第１レーザ装置１０は、連続発振レーザ光である第１レーザ光１４を出射する。第１光学系１２は、第１レーザ光１４の強度分布および径を整形する。第２レーザ装置２０は、第１レーザ光１４とは波長の異なる連続発振レーザ光である第２レーザ光２４を出射する。第２光学系２２は、第２レーザ光２４の強度分布および径を整形する。
【００２２】
ダイクロイックミラー３０は、第１レーザ光１４を反射し、かつ第２レーザ光２４を透過させる。これにより、第１レーザ光１４と第２レーザ光２４とを合成する。結像光学系３２は、結像レンズであり、被加工物４０上に第１レーザ光１４および第２レーザ光２４を集光し照射する。被加工物４０はステージ３４上に配置されている。ステージ３４と、第１および第２レーザ光１４および２４と、は駆動系３６により相対的に走査される。
【００２３】
実施例１においては、第１レーザ装置１０はＹＶＯ４レーザの第２高調波を出射する。第１レーザ光１４の波長は約５３２ｎｍである。第２レーザ装置２０は半導体レーザであり、第２レーザ光２４の波長は約７９７ｎｍである。駆動系３６は、ステージ３４に対し、第１および第２レーザ光１４および２４を３００ｍ／分または３６０ｍ／分の速度で走査する。被加工物４０としては、リン（Ｐ）をイオン注入した単結晶シリコン基板を用いる。リンの注入条件は、注入エネルギーが２００ｋｅＶ、ドーズ量が１×１０１３ｃｍ２である。
【００２４】
図２（ａ）は、被加工物の表面の模式図、図２（ｂ）は、被加工物の断面模式図である。図２（ａ）に示すように、被加工物４０の表面に第１レーザ光５２および第２レーザ光５４が照射されている。第１レーザ光５２は、３２Ｊ／ｃｍ２のエネルギー密度であり、第２レーザ光５４は、３２Ｊ／ｃｍ２のエネルギー密度であり、第１レーザ光５２および第２レーザ光５４は、被加工物４０に対し、約３６０ｍ／分の速度で走査方向５０に走査されている。第１レーザ光５２および第２レーザ光５４の偏光方向５６は走査方向５０とほぼ一致している。第１レーザ光５２および第２レーザ光５４が照射された被加工物４０の表面には周期方向５９に、周期的な凹凸構造５８が形成される。凹凸構造５８の幅Ｗは約６μｍである。
【００２５】
図２（ｂ）に示すように、凹凸構造５８は、平坦部６０に周期Ｌの突起６２が形成される。平坦部６０の長さであるトレンチ長Ｔは、約２００ｎｍ程度である。突起６２の高さＨは、約２０ｎｍ程度である。凹凸構造５８をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）を用い観察した。
【００２６】
図３（ａ）は、凹凸構造の上面からのＳＥＭ像を模式化した図、図３（ｂ）は、凹凸構造の断面を斜めから視たＳＥＭ像を模式化した図である。図３（ａ）に示すように、凹凸構造５８は、走査方向５０に交差するように形成されている。走査方向５０と突起６２の延伸方向とはほぼ直交している。図３（ｂ）に示すように、平坦部６０に周期的に突起６２が形成されている。
【００２７】
第２レーザ光５４のエネルギー密度を３２Ｊ／ｃｍ２と固定し、第１レーザ光５２のエネルギー密度を２４Ｊ／ｃｍ２から３６Ｊ／ｃｍ２まで変化させ、凹凸構造５８を作製した。被加工物４０に対する第１レーザ光５２および第２レーザ光５４の走査速度は、約３００ｍ／分である。表１は、第２レーザ光５４のエネルギー密度に対する周期Ｌ、高さＨ、トレンチ長Ｔおよび凹凸構造５８の幅Ｗを示した表である。
【表１】
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【００２８】
図４は、第１レーザ光５２のエネルギー密度に対する周期Ｌを示す図である。図４および表１のように、第２レーザ光５４のエネルギー密度が小さい場合は、周期Ｌは約７７０ｎｍであり、第２レーザ光５４のエネルギー密度を大きくすると周期Ｌは約５３０ｎｍとなる。さらに、突起６２の高さＨは、第１レーザ光５２のエネルギー密度が大きくなると高くなる。トレンチ長Ｔは、第１レーザ光５２のエネルギー密度が大きくなると長くなる。凹凸構造５８の幅Ｗは、第１レーザ光５２のエネルギー密度が大きくなると広くなる。
【００２９】
表１に示すように、第１レーザ光５２のエネルギー密度が２４Ｊ／ｃｍ２の場合、凹凸構造５８は形成されなかった。被加工物４０（シリコン）の溶融状態を有限要素法で計算した。その結果、第１レーザ光５２のエネルギー密度が２６Ｊ／ｃｍ２以上場合、被加工物４０の表面が６μ秒以上溶融していることがわかった。このように、凹凸構造５８が形成されるためには、被加工物４０の表面が一定時間以上溶融していることが好ましいことがわかった。
【００３０】
図２（ａ）のように、凹凸構造５８の周期方向５９が偏光方向５６とほぼ一致している。また、図４のように、周期Ｌは、第１レーザ光５２のエネルギー密度を大きくすると、第１レーザ光５２の波長とほぼ一致し、第２レーザ光５４のエネルギー密度を大きくすると、第２レーザ光５４の波長とほぼ一致する。これらのことから、被加工物４０の表面が溶融した状態で、被加工物４０の表面に偏光方向５６に平行に生成されたレーザ光の定在波に関連し、周期的な凹凸構造５８が形成されるものと推測される。
【００３１】
以上の推測から、連続発振レーザ光は、１つの波長のレーザ光でもよい。また、連続発振レーザ光は、波長が異なる複数のレーザ光でもよい。被加工物４０を連続発振レーザ光に対し相対的に走査させた状態において、連続発振レーザ光を被加工物の表面に照射する。このとき、レーザ光５２および５４のエネルギー密度が被加工物４０のアブレーションが生じるエネルギー密度より大きい場合、アブレーションが生じてしまうため、凹凸構造５８は形成されない。よって、連続発振レーザ光を、被加工物４０のアブレーションが生じるエネルギー密度以下のエネルギー密度で、被加工物４０の表面に照射する。これにより、被加工物４０の表面に周期的な凹凸構造５８を形成することができる。
【００３２】
また、連続発振レーザ光のエネルギー密度が被加工物４０が溶融するエネルギー密度より小さい場合であっても、原子の再配列が生じ、周期性を有する凹凸構造が形成される場合もある。しかしながら、より確実に周期性を有する凹凸構造５８を形成するためには、レーザ光５２および５４のエネルギー密度が被加工物４０の表面が溶融するエネルギー密度以上であることが好ましい。なお、連続発振レーザ光が複数のレーザ光の場合、被加工物４０のアブレーションが生じるエネルギー密度、および被加工物４０の表面が溶融するエネルギー密度は、複数のレーザ光の総計のエネルギー密度である。
【００３３】
図３（ａ）および図３（ｂ）のように、形成された凹凸構造５８は、周期がほぼレーザ光の波長となるため周期性が高い。一方、特許文献１の方法では、繊維状の凹凸構造しか形成することができず、図３（ａ）および図３（ｂ）のように、周期性が高い凹凸構造を形成することができない。また、被加工物４０をレーザ光５２および５４に対し相対的に高速に走査できるため、凹凸構造５８を高速に形成することができる。さらに、半導体装置の製造プロセスやナノインプリントを用いる方法に比べ、簡単に凹凸構造５８を形成することができる。例えば、大気中において凹凸構造５８を形成することができる。
【００３４】
なお、被加工物４０のレーザ光５２および５４に対する走査は、被加工物４０を固定しレーザ光５２および５４を走査してもよい。また、レーザ光５２および５４を固定し被加工物４０を走査してもよい。さらに、レーザ光５２および５４と被加工物４０とを異なる方向に走査してもよい。走査速度も任意に設定することができる。
【００３５】
また、実施例１のように、連続発振レーザ光として、波長が異なる複数のレーザ光を用いることが好ましい。これにより、例えば、第２レーザ光５４を照射することにより被加工物４０の表面の温度を高め、さらに第１レーザ光５２を照射することにより、被加工物４０の表面を溶融させ、第１レーザ光５２の波長の周期を有する凹凸構造５８を形成することができる。
【００３６】
さらに、図４のように、複数のレーザ光５２および５４を用いた場合、凹凸構造５８の周期は、複数のレーザ光５２および５４のうち最も長い波長以下かつ最も短い波長以上とすることができる。このとき、凹凸構造５８の周期Ｌを、複数のレーザ光５２および５４のエネルギー密度を相対的に変化させることに制御することができる。なお、単純には、凹凸構造５８の周期Ｌは、複数のレーザ光５２および５４のエネルギー密度の比により制御することができる。しかしながら、厳密には、凹凸構造５８の周期Ｌと複数のレーザ光５２および５４のエネルギー密度の比とは、線形的には変化しない。
【００３７】
実施例１のように、凹凸構造５８の周期方向５９は、連続発振レーザ光５２および５４の偏光方向５６である。このため、連続発振レーザ光５２および５４の偏光方向５６は、走査方向５０とほぼ同じとすることにより、走査方向５０に連続して周期的な凹凸構造５８を形成することができる。なお、偏光方向５６と走査方向５０とを交差させることもできる。例えば、偏光方向５６と走査方向５０とを斜めに交差させることにより、走査方向５０に対し斜めの凹凸構造５８を形成することができる。
【００３８】
実施例１においては、第１レーザ光５２の波長が５３２ｎｍ、第２レーザ光５４の波長が７９７ｎｍの光を用いたが、形成する凹凸構造５８の周期により、レーザ光の波長を適宜選択することができる。また、複数のレーザ光５２および５４を照射する際に、図２（ａ）のように被加工物４０の同じ位置に同時に複数のレーザ光５２および５４を照射する例を説明したが、被加工物４０の同じ位置に時間差を設け複数のレーザ光５２および５４を照射してもよい。例えば、被加工物４０上のある位置に第２レーザ光５４を照射し、第２レーザ光５４の効果が残っている間（例えば被加工物４０の温度が下がる前）に第１レーザ光５２を同じある位置に照射してもよい。
【００３９】
さらに、被加工物４０の例としてシリコン基板を例に説明したが、シリコン以外の半導体、ステンレス等の金属、セラミックス等の無機化合物または有機化合物等を用いることもできる。
【００４０】
以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１０        第１レーザ装置
１４、５２  第１レーザ光
２０        第２レーザ装置
２４、５４  第２レーザ光
４０        被加工物
５０        走査方向
５６        偏光方向
５８        凹凸構造
５９        周期方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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