JP4483793B2 - 微細構造体の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

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高いスループットにより再現性良く被加工体の表面又は内部に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。

ベッセルビームは集光深度が深く、被加工体の表面にうねりや厚みむらがあるような加工点が深さ方向に変位する状況においても、再現性の良い加工ができ、また、厚い透明素材の内部を一度で加工できるため、ベッセルビームを利用したレーザー微細加工技術への関心が高まっている。
ベッセルビームを用いた微細加工は、例えば、リアプロジェクションＴＶ等へ利用される大画面スクリーンの製造プロセスへの適用が検討されている。

例えば、ベッセルビームを用いて金属薄膜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）。
特開２００５−１５３０１３号公報

しかしながら、従来の加工方法は１本のベッセルビームを用いて加工しているため、加工スループットが低く、広い領域を加工する場合には多大な時間（数日〜数十日）を要する。このように低スループットであるために、適当な加工用途がみつからず、加工技術が普及するには至っていない。

スループットを向上させるために、偏光分離素子を用いてベッセルビームを分岐させて２本のベッセルビームを得て、２本のビームにより加工することも理論的に可能である。
しかしながら、２本のベッセルビームを互いに平行に伝搬させることが、偏光分離素子の製作上困難であるため、被加工体の表面にうねりや厚みむらがあり加工点が上下に変位する場合には、加工点が左右にも変位することになり、加工精度が維持できないという問題がある。
また、偏光分離素子を用いてベッセルビームを分岐すると、得られる２本のベッセルビームはそれぞれＳ偏光とＰ偏光となり偏光状態が互いに異なるため、均一な加工を行うことができず、加工孔の形状等が互いに異なる結果となってしまう。

そこで、本発明は、被加工体の素材・物性の影響を受けずに、所望の微細パターンを高いスループットにより再現性良く被加工体の表面又は内部に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。

本発明者は、鋭意検討の結果、入射レーザービームを、回折光学素子を用いて複数の回折ビームに分岐する工程と、前記分岐した複数の回折ビームを、テレセントリックレンズにより集光して互いに平行な回折ビームとする工程と、前記互いに平行となった各回折ビームを、複数のアキシコンがアレイ状に配置されてなるアキシコン集合体へ、各回折ビームの中心と各アキシコンの中心とが一致するように面垂直に入射させ、複数のアレイ状のベッセルビームを形成する工程と、前記複数のアレイ状のベッセルビームを被加工体に照射する工程と、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高いスループットにより再現性良く実現できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、（１）入射レーザービームを、回折光学素子を用いて複数の回折ビームに分岐する工程と、前記分岐した複数の回折ビームを、テレセントリックレンズにより集光して互いに平行な回折ビームとする工程と、前記互いに平行となった各回折ビームを、複数のアキシコンがアレイ状に配置されてなるアキシコン集合体へ、各回折ビームの中心と各アキシコンの中心とが一致するように面垂直に入射させ、複数のアレイ状のベッセルビームを形成する工程と、前記複数のアレイ状のベッセルビームを被加工体に照射する工程と、を含む、微細構造体の製造方法；（２）前記入射レーザービームは、円偏光である、前記（１）記載の微細構造体の製造方法；（３）入射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と、前記分岐した複数の回折ビームを集光して互いに平行な回折ビームとするテレセントリックレンズと、複数のアキシコンがアレイ状に配置されてなり、各々のアキシコンがベッセルビームを生成可能に構成されたアキシコン集合体と、を含む、微細構造体の製造装置；（４）前記アキシコンは、回折型アキシコンである、前記（３）記載の微細構造体の製造装置；（５）前記（１）又は（２）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；を提供する。

本発明において、「テレセントリックレンズ」とは、主光線が焦点を通るように配置された光学系であり、主光線が光軸に対して平行なレンズである。
「アキシコン」とは、点光源から光軸に沿って存在する線像を作る光学系であり、焦点距離を持たないレンズである。
「ベッセルビーム」とは、非回折性ビームであり、集光深度が深いという特徴を有する。

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・物性の影響を受けずに、所望の微細パターンを高いスループットにより再現性良く被加工体の表面又は内部に形成することができる。ベッセルビームを高精度でアレイ状に発生させ、これにより加工するため、同じ偏光状態をもつ複数のベッセルビームによって同時に複数箇所を加工することができる。
また、本発明の微細構造体の製造装置は、自動焦点機構を必要としないため、装置構成が簡便かつ安定である。

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。

（微細構造体の製造装置）
本発明の実施形態の微細構造体の製造装置１０を図１に模式的に示す。
図１に示すように、微細構造体の製造装置１０は、４分の１波長板２１と、入射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互いに平行な回折ビームとするテレセントリックレンズ１５と、複数の回折型アキシコン６がアレイ状に配置されて構成されるアキシコン集合体１６と、を備える。

本実施形態において、加工光源としては、パルス幅が１０ｎ秒以下のパルスレーザーを用いる。例えば、Ｑスイッチ発振のＮｄ：ＹＡＧレーザーであって、波長が５３２ｎｍ、平均出力が１Ｗ以下（パルス繰り返しは１ｋＨｚ）、ビーム直径が６ｍｍφ以下、であるレーザーを用いる。

図２に本実施形態に用いられる回折光学素子１４のレリーフ構造を示す。
回折光学素子１４は、図２に示すような所定のギャップを有する２つのレベルを有するバイナリ構造体を１周期ｓとし、これを複数備えて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。

図３に、本実施形態に用いられる回折型アキシコン６のレリーフ構造を示す。
回折型アキシコン６は、図３に示すようなブレーズタイプであり、その周期ｄは例えば５．０μｍ、レリーフの高さｈは１１８０ｎｍである。回折型アキシコン６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。

図４に複数のアキシコンがアレイ状に配置されたアキシコン集合体１６の外観写真の一部を示す。

また、本発明において「アレイ状に配置」とは、本実施形態のような各アキシコン６が１次元状に（一列に）配置された場合のほか、２次元状に（マトリクス状に）配置された場合も含む意味である。
また、複数のアキシコンのアレイ状配置の態様は、規則的な配置に限定されない。

（微細構造体の製造方法）
図１に示すように、入射レーザービームは、４分の１波長板２１を通して円偏光となり、回折光学素子１４によって強度が互いに等しい３本の回折ビームに分岐される。
次に、分岐された３本の回折ビームは、テレセントリックレンズ１５によって集光かつ偏向され、互いに平行な回折ビームとなる。
さらに、互いに平行となった３本の回折ビームを、３個の回折型アキシコン６がアレイ状に配置されてなるアキシコン集合体１６へ、各回折ビームの中心と各回折型アキシコン６の中心とが一致するように面垂直に入射させることにより、各ビームは各回折型アキシコン６により回折され、ビーム伝搬軸上に３本のベッセルビームをアレイ状に形成する。
そして、得られた３本のアレイ状のベッセルビームを、例えば、ガラス基板上３１上にＣｒ膜３２が形成された被加工体に照射して加工することにより、所望の微細構造体が得られる。

図１の微細構造体の製造装置１０において、回折型アキシコン６に入射される互いに平行な回折ビームの間隔Δは、以下の式で与えられる。
Δ＝ｆ１λ／Ｐ
（式中、ｆ１はテレセントリックレンズ１５の集光距離、λはレーザービームの波長、Ｐは回折光学素子１４の周期である。）
例えば、ｆ１＝１００ｍｍ、λ＝５３２ｎｍ、Ｐ＝２６．６μｍである場合、回折ビームの間隔Δは２．０ｍｍとなる。したがって、この間隔Δで回折型アキシコン６を配置してアキシコン集合体１６を構成すれば、回折ビームの中心とアキシコンの中心とを一致させることができる。

また、得られるベッセルビームの幅ｗは、以下の式で与えられる。
ｗ＝０．７７ｄ
（式中、ｄは回折型アキシコンの周期である。）
例えば、ｄ＝５．０μｍである場合、ベッセルビームの幅ｗは３．８５μｍとなる。
また、集光深度をピーク強度の９０％以上を与える深さと定義すると、ベッセルビームの集光深度は６ｍｍ程度である。

また、図１の微細構造体の製造装置１０において、例えば、テレセントリックレンズ１５の集光距離ｆ１は１００ｍｍ、回折型アキシコン６の集光距離ｆ２は１０ｍｍである。
このように、ｆ１とｆ２とがｆ１／ｆ２≧１０の関係にある好適な構成とすることにより、回折型アキシコン６へ入射するビームが有する波面曲率の影響をほとんど受けることなく、良好な軸上強度分布を有するベッセルビームが形成される。

なお、図１においては、回折光学素子１４により３本の回折ビームに分岐し、かつ、３個の回折型アキシコン６がアレイ状に配置されたアキシコン集合体１６を用いる場合について説明したが、これに限定されず、回折光学素子１４の分岐数及びアキシコン集合体１６が備える回折型アキシコン６の数を変えることによって、より多数（例えばの１３本）のアレイ状のベッセルビームを用いた加工を行うこともできる。

また、回折型アキシコン６を１次元状に配置し１次元状のアレイ状ベッセルビームを得て加工する場合に限定されず、回折型アキシコン６を２次元状（マトリクス状）に配置し２次元のアレイ状ベッセルビームを得て加工することもできる。
「アレイ状」とは、規則的なパターンを有するものに限定されない。

また、上記実施例では、レーザー波長に対して不透明な素材の表面へ微小孔を形成する場合について説明したが、レーザー波長に対して透明な素材の内部へ微細構造を形成する場合でも、本発明は適用可能である。

本発明のレーザー加工方法によれば、アレイ化されたベッセルビームを用いることにより、従来よりも格段に高いスループットで加工を行うことが可能となる。

（実施例１）
図５に、上記微細構造体の製造方法を用いた、微小孔の加工例を示す。図５（ａ）はベッセルビームを用いた加工により得られた直径２μｍ以下の孔のＳＥＭ像であり、図５（ｂ）は、加工点の異なる位置（上下の変位）に対して得られた孔の平均孔径を示すグラフである。本実施例における被加工体は、図１に示されている被加工体と同じく、ガラス基板上３１上に形成されたＣｒ膜３２である。
図５（ｂ）に示すように、加工点が上下に±１ｍｍ以上変位した場合でも、再現性良く孔が加工されることが判った。

（実施例２）
図６に、上記微細構造体の製造方法を用いた、マイクロレンズアレイの金型の製造プロセスを模式的に示す。
図６（ａ）に示すように、最初に、９本のアレイ化されたベッセルビームを用いて、大型のガラス基板４１（１ｍ×１ｍ以下）上の金属膜４２へ微小孔をアレイ状に開けた。次に、図６（ｂ）に示すように、化学エッチングにより、前記微小孔を通じてガラス基板４１を加工し、さらに図６（ｃ）に示すように金属膜４２を除去することにより、ガラス基板上にレンズアレイのモールド４３を形成した。
このようにして作製されたモールド４３を用いて、熱転写や２Ｐ法（Photo Polymerization）により、マイクロレンズアレイを成型した。

図７（ａ）に、作製されたモールド４３のＳＥＭ像を、図７（ｂ）に、得られたマイクロレンズアレイのＳＥＭ像を示す。
得られたマイクロレンズアレイを構成する各レンズの表面形状は球面、縦横の間隔は７２μｍ×５４μｍ、深さは７６μｍであった。

（応用例）
本発明の微細構造体の製造方法は、孔開け、切断、接合、等といった微細加工に用いることができ、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。
例えば、本発明の微細構造体の製造方法により得られるマイクロレンズアレイは、リアプロジェクションＴＶ等へ利用される大画面スクリーンとして応用できるほか、マイクロレンズアレイとして、ステッパ露光装置や液晶プロジェクタで使われるホモジナイザ（光強度分布を平坦化するための光学素子）としても応用できる。
また、本発明の微細構造体の製造方法により得られる、ガラス内部へ流路（細長い貫通孔）が形成されたデバイスは、化学微量分析に利用される検査デバイスとして応用できる。

本発明の実施形態の微細構造体の製造装置１０である。 本発明の実施形態に用いられる回折光学素子１４のレリーフ構造である。 本発明の実施形態に用いられる回折型アキシコン６のレリーフ構造である。 アキシコン集合体１６の外観写真の一部である。 実施例１に係り、（ａ）は加工孔のＳＥＭ像であり、（ｂ）は加工点の異なる位置に対して得られた孔の平均孔径を示すグラフである。 実施例２に係り、マイクロレンズアレイの金型の製造プロセスを示す図である。 実施例２に係り、（ａ）は作製されたモールド４３のＳＥＭ像であり、（ｂ）はマイクロレンズアレイのＳＥＭ像である。

符号の説明

１０ 微細構造体の製造装置、１４ 回折光学素子、１５ テレセントリックレンズ、６ 回折型アキシコン、１６ アキシコン集合体、２１ ４分の１波長板

Claims (3)

1. 入射レーザービームを、回折光学素子を用いて複数の回折ビームに分岐する工程と、
   前記分岐した複数の回折ビームを、テレセントリックレンズにより集光して互いに平行な回折ビームとする工程と、
   前記互いに平行となった各回折ビームを、複数の回折型アキシコンがアレイ状に配置されてなるアキシコン集合体へ、各回折ビームの中心と各アキシコンの中心とが一致するように面垂直に入射させ、複数のアレイ状のベッセルビームを形成する工程と、
   前記複数のアレイ状のベッセルビームを被加工体に照射する工程と、
   を含み、
   前記テレンセントリックレンズの焦点距離をｆ１とし、前記回折型アキシコンの焦点距離をｆ２とした場合に、ｆ１／ｆ２≧１０の関係とする、微細構造体の製造方法。
2. 前記入射レーザービームは、円偏光である、請求項１記載の微細構造体の製造方法。
3. 入射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と、
   前記分岐した複数の回折ビームを集光して互いに平行な回折ビームとするテレセントリックレンズと、
   複数の回折型アキシコンがアレイ状に配置されてなり、各々のアキシコンがベッセルビームを生成可能に構成されたアキシコン集合体と、
   を含み、
   前記テレンセントリックレンズの焦点距離をｆ１とし、前記回折型アキシコンの焦点距離をｆ２とした場合に、ｆ１／ｆ２≧１０の関係にされている、微細構造体の製造装置。