JP5383342B2

JP5383342B2 - 加工方法

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Publication number: JP5383342B2
Application number: JP2009149063A
Authority: JP
Inventors: 智小久保
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2008-08-01
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2029-06-23
Also published as: US20110193268A1; JP2010052041A; WO2010013828A1

Description

本発明は、レーザ加工による微細加工分野において、特に、短パルスレーザを用いて微細な凹形状を加工する加工方法に関するものである。

一般的なレーザ加工は光吸収による熱発生による効果によるが、短パルスレーザを用いると、非熱的な加工が可能であることが知られている。よって、熱による形状崩れ等を起こさず高品質な加工を行なうことができる。

しかし短パルスレーザ光によって微細で高品質な加工を行う場合、照射エネルギーを加工閾値に近いエネルギーとすることが求められる。大きな照射エネルギーを与えると加工寸法の増大や加工領域周辺部の損傷を招いてしまう（非特許文献１参照）。このため、レーザ発信源で出力されたエネルギーを十分に有効活用できないという未解決の課題がある。

特許文献１では、パルスを分割し遅延回路を通すことで複数パルス列を作成し、１パルスあたりのエネルギーを低下させることで、周辺部の損傷を防止するとともにエネルギーの有効利用を図る方法が開示されている。また、特許文献２では、回折光学素子によりレーザ光を分岐し、同時に複数箇所を加工することが提案されている。

特開２００１−１３８０８３号公報特開平５−５７４６４号公報

橋田昌樹永嶋謙吾藤田雅之塚本雅裕甲藤正人井澤靖和、「金属のフェムト秒レーザアブレーション−新加工現象の特徴とナノ構造形成−」、９ｔｈＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎ "ＭｉｃｒｏｊｏｉｎｉｎｇａｎｄＡｓｓｅｍｂｌｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ"、２００３、Ｐ．５１７−５２２

しかしながら、特許文献２に開示された技術では、レーザ光の強度を均一に時分割しようとすると分割数に制約を受ける。また、部分反射ミラーによる時分割の場合は多数のパルスが得られるが、強度変化を伴い次第に強度が減衰していってしまう。実際に加工に有効なパルスはごく限定的であり、この方法ではレーザ発振源のエネルギーを十分に活用することはできない。

また、特許文献１に開示された、空間的にビームを分割する技術においては、数十〜数百の多数の加工スポットが同時に得られるため加工効率の向上に有効である。しかし、ビームを分岐するための回折位相格子を形状ごとに製作する必要があるうえ、回折位相格子によって光エネルギーの損失を生じてしまう。

本発明は、上記課題に鑑み、微細加工において、簡便な手段により、レーザ発振源からの光エネルギーを有効活用するとともに、加工に要する時間を短縮することのできる加工方法を提供することを目的とするものである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の形状加工方法は、被加工物表面に凹形状を加工するための加工方法において、被加工物表面に前記凹形状よりも深さが浅い凹形パターンを形成する基本形状形成工程と、前記凹形パターンの幅よりも大きいビーム径のレーザ光を、前記凹形パターンに照射して、凹形状を加工する形状成長工程とを有することを特徴とする。

加工形状に応じた光強度分布を形成する必要がない。このため、複雑な光学系や装置が不要であるうえ、光損失を小さく抑制することが可能となる。レーザ発振源の光エネルギーの上限の範囲において、可能な限り加工エリアを広く取ることができるため、光エネルギーの利用効率を最大化し、加工速度の高速化を図ることが可能となる。

熱影響が極小である短パルスレーザを用いて加工することで、高精度な形状を得ることができる。

実施形態を説明する図実施例１における被加工物の断面を測定した結果を示す図実施例２に用いた装置の構成を図実施例２による被加工物を示す断面観察像

本発明を実施するための一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、一実施形態を説明するもので、（ａ）は凹形パターンを示し、（ｂ）はレーザ加工装置を示す。

（基本形状形成工程）
まず、図１（ａ）に示すように、被加工物１表面に、例えば、一辺の長さａであって所望の凹形状より深さが浅い（凹底部の被加工物表面からの距離が短い）高低差の小さい凹形パターン２を、間隔ｐで格子状に形成する。本実施形態では正方形の凹形パターンを格子状に配置したが、正方形の他、円形、楕円形、線状、あるいは長方形であってもよい。この凹形パターンを形成する工程を、以降、基本形状形成工程と称することにする。この凹形パターンの加工方法は特に限定されるものではない。例えばレーザ加工、イオンビーム加工、電子ビーム加工、フォトリソグラフィーなど、得たいパターン形状の寸法や形状精度、被加工物の材質、コストなどの観点から最適な加工法を選択すればよい。例えばレーザ加工を選択した場合、次の工程で用いるレーザ発振源を利用することも可能であり、１台の装置での加工が実施が可能となる。

選択した加工方法により被加工物１を加工し、凹形パターン２を形成する。パターン２の深さは、方形のパターン２の一辺の長さ（幅）ａに対して０．０５倍以上の深さとなるように加工することが好ましい。パターン形状が正方形又は円形でない場合、例えば楕円、線状、あるいは長方形などである場合はその形状の短手方向の長さをここでは幅ａとする。

（形状成長工程）
被加工物１の表面に形成された凹形パターン２に対してレーザ光を照射する。例えば、図１（ｂ）に示すようなレーザ加工装置を用いる。図１（ｂ）において、レーザ発振源（図示せず）からのレーザビーム１０は、シャッター１１を通過した後、ＮＤフィルタ１２によって適宜減衰させた後、ミラー１３を介し、ビーム整形器１４に導入する。ビーム整形器１４は屈折型のビーム整形手段であり、ビーム径の調整機能も兼ねる。なお、屈折型のビーム整形手段は、例えば、文献「Ｆ．Ｍ．Ｄｉｃｋｅｙｅｔａｌ．“ＬａｓｅｒＢｅａｍＳｈａｐｉｎｇ”ＭａｒｃｅｌＤｅｋｋｅｒ，Ｉｎｃ．ｐ１６８−１７４（２０００）」に記載されている方法を用いることができる。このようなレーザ加工装置を用いて、前記凹形パターンの幅よりも大きいビーム径のレーザ光を、前記凹形パターンに照射する。これにより凹部底面と被加工物表面の高さの差（高低差）を増大させることが可能となる。その理由は以下の通りであると考えられる。

凹部がある被加工物に対してレーザを照射すると、凹部の側壁間での多重反射により、深さ方向への導波作用が得られる。これにより被加工物の表面である凸部と凹部のエッチングレートに差が発生する。この作用を利用することで、光強度分布を持たない、ほぼ均一な光強度分布のレーザ光を被加工物の表面に照射するだけで、予め形成された凹形パターンの深さを増大させ、所望の高低差の凹形状を形成することができる。この加工工程を以降、形状成長工程と称することにする。

この方法では、レーザ光の照射強度パターンが、加工するパターンの形状に依存しないので、容易に照射領域を拡大できる。よって、レーザ発振源からの光エネルギーを最大限に活用し、広い領域を一括して加工することも可能となる。

さらには、複雑な光強度パターンを形成する必要もないため、簡素な光学系により形状成長工程を実施できる。また、簡素な光学系で実現できることにより、光エネルギーの損失の少ない光学系を採用することが可能である。形状成長工程においては、パルスの時間幅が１０フェムト秒以上１ナノ秒未満のパルスレーザ光を光源として用いるとよい。

パルスレーザ光においてパルスの時間幅を１ナノ未満とすると、非熱的な作用による加工が得られる。パルスの時間幅が１ナノ秒未満の短パルスレーザを形状成長工程における光源として利用することにより、熱溶融による形状なまりのない、微細な形状形成が可能となる。具体的には数十ｎｍ〜数μｍの加工分解能を有する形状に対して形状成長工程を適用することができる。１０フェムト秒より小さいとほとんど加工することができない。

また、形状成長工程におけるレーザ光の照射量（フルエンス）を、被加工物の加工閾値の１倍以上４０倍以下の範囲とするとよい。照射量は、前記凹形パターンの凹部底面のエッチングレートが、前記被加工物表面のエッチングレートより大きくなる範囲の照射量となるようにＮＤフィルタによる減衰及びビーム径によって変化させることができる。

凸部（被加工物表面）と凹部（凹形状底面）のレーザ光によるエッチングレート差は、レーザ光の照射フルエンスが加工閾値の１倍以上４０倍以下のときに最も効果的に現れる。この範囲を大きく超えた照射フルエンスにて形状成長工程を実施した場合、基本形状形成工程で形成されたパターンの凸部（被加工物表面）と凹部底面との高低差が縮小してしまう場合がある。

加工閾値とは、被加工物がレーザ光の照射によってエッチングされはじめるフルエンスの値を指している。

レーザ加工においては複数の閾値が存在し、特に金属を超短パルスレーザで加工したとき３つの閾値が存在することが知られている（従来技術に記載の非特許文献１参照）。複数の閾値とは、エッチングレートの変化するフルエンス値を指しており、一番小さい閾値は金属の多光子吸収過程のよるもの、２番目は光解離によるもの、一番大きい閾値は熱過程によるものであることが知られている。本発明で加工閾値と呼称するものはこの一番小さい閾値（金属の多光子吸収過程によるもの）に相当する。また、一番大きい閾値を超え熱過程が支配的となると被加工物表面である凸部と凹部のレーザ光によるエッチングレート差は次第に減少していく。材料によりこの閾値の値は変化するが、エッチングレート差が得られる範囲は加工閾値に対して概ね約４０倍以内となる。また非金属材料においても、該エッチングレート差が得られる範囲は加工閾値に対して概ね約４０倍以内である
加工しようとする凹部の短手方向の幅は０．２μｍ以上１０μｍ未満であるのが好ましい。

凹部の向かい合う側壁の幅が１０μｍ未満であるとき、最も効率的に導波作用が得られる。このため、加工しようとする凹部の短手方向の幅を１０μｍ未満とすることにより、形状成長を最も効率的に実施することができる。０．２μｍより小さい場合は、加工を行なうことが難しい。

形状成長工程は、図１（ｂ）に示すように、レーザ発振源からでたレーザ光を、ビームエキスパンダあるいは集光レンズ等を通して必要なビーム径のレーザビーム１０に整える。このレーザビーム１０を、ビーム整形器１４によって適宜ビームの強度分布の均一化を図り、均一な光強度分布をもつレーザ光とする。このレーザ光を、ステージ１５上の被加工物１の表面に照射し、図１（ｂ）に示すパターン２の深さを増大させ、所望の高低差を有する凹形状を形成する。

ビーム整形手段はさまざまな形態が考えられる。例えば円形アパーチャによってレーザビームの中心部のみを通過させるようなものでもよい。あるいは、ビーム強度分布を反転させた空間透過率分布を有する光学フィルタ（例えば米ＯＦＲ社のＧＣ−２５）、インテグレーションレンズを用いる方法、屈折光学系を用いるもの、回折光学素子を用いるものなど、さまざまなものが考えられる。また、ビームエキスパンダとビーム整形手段を統合したものも考えられる。加工深さの均一度などから、光強度分布の均一度を定めればよく、均一度に応じてビーム整形手段を用いるか否かの選択そしてビーム整形手段の方式選択を行う。レーザ発振源の光エネルギーの利用効率の観点から損失が少ない方式を選択することが好ましい。

また、被加工物上でレーザビームを相対的に走査させて、単位面積あたりに照射される積算光エネルギーを均一にする方法によりビーム整形手段に代えることも可能である。

被加工物表面におけるレーザ光の照射フルエンスが最適となるようにビーム径及びビーム整形手段の設計を行う。必要に応じて、さらにＮＤフィルタなどの光エネルギーの減衰手段を加えてもよい。照射フルエンスは加工閾値の１〜４０倍の範囲とするのが望ましい。

以上のように調整されたレーザビームを被加工物表面に必要時間照射し、基本形状形成工程で形成された凹形パターンの深さを所望の高低差まで増大させる。照射に必要な時間は、１ミリ秒以上１分以下が好ましい。１ミリ秒より小さいとほとんど加工されず、また１分より多いと形状崩れを起こしやすくなる。

以下実施例により本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はかかる実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
前記実施形態で説明した加工方法について具体的に説明する。基本形状形成工程として収束イオンビーム加工観察装置（以下、ＦＩＢ装置）を用いて図１（ａ）に示す凹形状のパターン（凹形パターン）２を被加工物１に形成した。被加工物１は、銅板であり、この銅板上に一辺の長さａが２．５μｍの正方形の、所望の凹凸形状より高低差の小さい凹形パターン２を、４．２μｍの間隔ｐで格子状に形成した。この工程は、ＦＩＢ装置のワークステージに被加工物１を載置し、加速電圧４０ｋＶにてガリウムイオンビームを加速し電子レンズにて収束させたビームを１５０μｍのアパーチャを介して被加工物表面に照射した。このようにして、被加工物表面の除去加工を行い、パターン２の深さが０．１５μｍとなるように加工を行った。このときの原子間力顕微鏡による断面形状計測結果を図２（ａ）に示す。

基本形状形成工程によって凹形パターン２を形成した被加工物１に対して以下のような手順で形状成長工程を実施した。図１（ｂ）は、形状成長工程に用いた装置の構成を示す。レーザ発振源（図示せず）からのレーザビーム１０は、シャッター１１を通過した後、ＮＤフィルタ１２によって適宜減衰させた後、ミラー１３を介し、ビーム整形器１４に導入する。ビーム整形器１４は屈折型のビーム整形手段であり、ビーム径の調整機能も兼ねる。なお、屈折型のビーム整形手段は、例えば、文献「Ｆ．Ｍ．Ｄｉｃｋｅｙｅｔａｌ．“ＬａｓｅｒＢｅａｍＳｈａｐｉｎｇ”ＭａｒｃｅｌＤｅｋｋｅｒ，Ｉｎｃ．ｐ１６８−１７４（２０００）」に記載されている。

レーザ発振源は、波長８００ｎｍ、パルス幅１３０ｆｓ、繰り返し周波数１ｋＨｚのチタンサファイア再生増幅器を用いた。該発振源からは１．２ｍＪ、直径８ｍｍのレーザ光が出射される。ビーム整形器１４は、１０．５：１の縮小比をもつビーム径変換機能も兼ねており、０．７６ｍｍの直径のビームとして出射される。ビーム整形器１４の出射後のパルスエネルギーが０．９１ｍＪとなるようにＮＤフィルタ１２を選択した。これにより、０．２０Ｊ／ｃｍ２の照射フルエンスの、均一な光強度分布を持つレーザビームが得られた。この値は銅の加工閾値の約１１倍に相当した。

ステージ１５上に載置した被加工物１に対して、均一な光強度分布となったレーザビームを１００ｍｓ照射して形状成長工程を実施した。

形状成長工程により得られた被加工物表面を原子間力顕微鏡にて計測したところ、パターン凹部の幅２．５μｍという基本形状は変わらず、パターン底部の平均深さ（高低差）が０．６１μｍまで成長していることが確認された。その計測結果を図２（ｂ）に示す。

本実施例によれば、基本形状形成工程によって得られた微細なパターン形状を維持したまま、簡便な方法によりその高低差を成長させることができる。形状成長工程を光損失のわずかな光学系で実現できるうえ、広い領域を一度に加工することで光エネルギーの利用効率を飛躍的に増大させることができる。また、広い領域をごく短時間に加工できるため、加工に要する時間の短縮を図ることが可能となる。

（実施例２）
図３は、本実施例の基本形状形成工程と形状成長工程において使用した加工装置を示す。使用したレーザ発振源（図示せず）は波長８００ｎｍ、パルス幅１３０ｆｓ、繰り返し周波数１ｋＨｚのチタンサファイア再生増幅器である。該発振源より波長８００ｎｍ、パルス幅１３０ｆｓ、繰り返し周波数１ｋＨｚ、パルスエネルギー１．２ｍＪ、ビーム直径８ｍｍのレーザビーム３１が得られる。これを、アパーチャ３２を介してビーム径５ｍｍに切り出す。アッテネータ３３、シャッタ３４、ミラー３５を介してビームスプリッタ３６で２つのビームに分岐した。１方のビームはシャッタ３７、ミラー３８を通り、集光レンズ３９によって集光し、ステージ４５上に設置された被加工物２１の表面に照射する。もう一方のビームは光路長調整器４０、ＮＤフィルタ４１、ミラー４２を通り、集光レンズ４３によって被加工物２１の表面に照射する。被加工物表面での２つのビームスポットが一致するようにした。光路長調整器４０は２枚のミラーからなり、それらが図示の矢印の方向に平行移動可能な構成となっており、他方のビームとの光路長差をなくすように調整される。ＮＤフィルタ４１は分岐後のミラー枚数の違いなどにより発生する２つのビームの光強度差を、被加工物２１の表面において等しい強度となるようにその透過率が選定される。

被加工物２１としてニッケルの薄片を用い、集光レンズ３９、４３は焦点距離２５０ｍｍは単レンズを用い、２ビーム間の交差角を９０度として干渉パターンを得た。この干渉パターンによって基本形状形成工程のパターン加工を行った。照射エネルギーは１ビームあたり３．５μＪ、照射時間は１０ｍｓとした。シャッタ３７は常時開の状態として、シャッタ３４によって照射時間を決定した。これにより周期約６３０ｎｍ、凹部溝幅約３００ｎｍ、深さ２００ｎｍの凹部をもつ周期溝形状を得た。被加工物２１を収束イオンビーム加工により穴掘りし、露出した断面を電子顕微鏡で斜め３０°から観察した像を図４（ａ）に示す。

この凹形状のパターンに対し、同じ装置を用いて形状成長工程を実施した。基本形状形成工程と同じ条件としながら、シャッタ３７を常時閉の状態に保って加工を実施する。これにより、１方のビームのみが照射される。照射エネルギーも基本形状形成工程と同様に３．５μＪとして３０ｍｓ照射を実施した。これにより、周期約６３０ｎｍ、凹部溝幅約３００ｎｍのパターン形状を維持したまま凹部深さを３５０ｎｍに増大させ、所望の高低差を有する凹凸形状を得た。被加工物２１を収束イオンビーム加工により穴掘りし、露出した断面を電子顕微鏡で斜め３０°から観察した像を図４（ｂ）に示す。

本実施例では、同一の加工装置にて基本形状形成工程と形状成長工程を実施することができる。大気中で干渉パターンを形成して加工を実施する場合、空気揺らぎにより干渉パターンの揺らぎが発生することが考えられる。しかし、空気揺らぎの周期よりも十分短い時間において加工を終わらせることでその影響を回避することが可能である。本実施例の加工方法を用いれば、大気中でも干渉パターンを利用したパターン形成を実施し、深い凹凸形状を得ることが可能となる。さらには、複数の基本形状形成スポットに対して同時に形状成長工程を実施することで、加工時間の短縮も可能である。

１、２１被加工物
２パターン
１０、３１レーザビーム
１１、３４、３７シャッタ
１２、４１ＮＤフィルタ
１３、３５、３８、４２ミラー
１４ビーム整形器
１５、４５ステージ
３２アパーチャ
３３アッテネータ
３６ビームスプリッタ
３９、４３集光レンズ
４０光路長調整器

Claims

被加工物表面に凹形状を加工するための加工方法において、
被加工物表面に前記凹形状よりも深さが浅い凹形パターンを形成する基本形状形成工程と、
前記凹形パターンの幅よりも大きいビーム径のレーザ光を、前記凹形パターンに照射して、凹形状を加工する形状成長工程とを有することを特徴とする加工方法。
前記レーザ光は、パルスの時間幅が１０フェムト秒以上１ナノ秒未満であるパルスレーザ光であることを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
前記レーザ光の照射量は被加工物の加工閾値の１倍以上４０倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
前記凹形パターンの幅が０．２μｍ以上１０μｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載の加工方法。