CN101007367A - 微细结构体的制造方法、制造装置及设备 - Google Patents

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Abstract

提供能够以高生产率再现性良好地在被加工体表面或内部形成所希望的微细图形的微细结构体的制造方法。本发明的微细结构体的制造方法包括：采用衍射光学元件将入射激光束分支成多个衍射光束的工序；由远心透镜将所述分支后的多个衍射光束聚光而形成相互平行的衍射光束的工序；使所述相互平行的各衍射光束以各衍射光束的中心和各旋转三棱镜的中心一致的方式向多个旋转三棱镜阵列状配置而成的旋转三棱镜集合体面垂直地入射，形成多个阵列状的贝塞尔光束的工序；对被加工体照射所述多个阵列状的贝塞尔光束的工序。

Description

微细结构体的制造方法、制造装置及设备
技术领域
本发明涉及微细结构体的制造方法、制造装置及由此而获得的设备，特别是涉及能够以高生产率再现性良好地在被加工体的表面或内部形成所希望的微细图形的微细结构体的制造方法、制造装置及由此而获得的设备。
背景技术
贝塞尔(Bessel)光束聚光深度深，即使在被加工体表面有波纹或厚度不均这样的加工点沿深度方向位移的状况下，也能够进行再现性良好的加工，另外，还能够一次完成厚透明原材料的内部加工，因而利用了贝塞尔光束的激光微细加工技术受到广泛关注。
关于采用了贝塞尔光束的微细加工，例如对适用于在背投电视等中利用的大画面屏幕的制造工序中的情况进行了研究。
例如，提出了利用贝塞尔光束加工金属薄膜的方法(例如，参照专利文献1)。
专利文献1：特开2005-153013号公报
不过，现有的加工方法由于采用1条贝塞尔光束进行加工，因而加工生产率低，在加工广阔区域时需要很多时间(几日～几十日)。由于生产率如此低，因而没有适当的加工用途，加工技术仍未普及。
为了提高生产率，采用偏振光分离元件将贝塞尔光束分支，获得2条贝塞尔光束，从而利用2条光束进行加工，这在理论上也是可能的。
不过，使2条贝塞尔光束相互平行地传播，在偏振光分离元件的制作上有困难，因而，在被加工体表面有波纹和厚度不均、加工点上下位移的情况下，存在加工点也左右位移、无法维持加工精度的问题。
另外，若采用偏振光分离元件将贝塞尔光束分支，则获得的2条贝塞尔光束分别为S偏振光和P偏振光，偏振光状态相互不同，因而不能进行均匀的加工，导致的结果是加工孔的形状等相互不同。
发明内容
本发明的目的在于，提供能够不受被加工体的原材料·物理性质的影响，以高生产率再现性良好地在被加工体表面或内部形成所希望的微细图形的微细结构体的制造方法及制造装置。
另外，本发明的目的在于，提供根据所述优越的微细结构体的制造方法而获得的设备。
本发明人经过锐意研究，结果发现采用如下的微细结构体的制造方法，能够以高生产率再现性良好地实现所希望的微细图形，从而完成了本发明，所述如下的微细结构体的制造方法包括：采用衍射光学元件将入射激光束分支成多个衍射光束的工序；由远心透镜将所述分支后的多个衍射光束聚光而形成相互平行的衍射光束的工序；使所述相互平行的各衍射光束以各衍射光束的中心和各旋转三棱镜的中心一致的方式向多个旋转三棱镜阵列状配置而成的旋转三棱镜集合体面垂直地入射，形成多个阵列状的贝塞尔光束的工序；对被加工体照射所述多个阵列状的贝塞尔光束的工序。
即，本发明提供：(1)一种微细结构体的制造方法，其包括：采用衍射光学元件将入射激光束分支成多个衍射光束的工序；由远心透镜将所述分支后的多个衍射光束聚光而形成相互平行的衍射光束的工序；使所述相互平行的各衍射光束以各衍射光束的中心和各旋转三棱镜的中心一致的方式向多个旋转三棱镜阵列状配置而成的旋转三棱镜集合体面垂直地入射，形成多个阵列状的贝塞尔光束的工序；对被加工体照射所述多个阵列状的贝塞尔光束的工序；(2)根据所述(1)记载的微细结构体的制造方法，其中，所述入射激光束为圆偏振光；(3)一种微细结构体的制造装置，其包括：将入射激光束分支成多个衍射光束的衍射光学元件；将所述分支后的多个衍射光束聚光而形成相互平行的衍射光束的远心透镜；多个旋转三棱镜阵列状配置而成的旋转三棱镜集合体；(4)根据所述(3)记载的微细结构体的制造装置，其中，所述旋转三棱镜为衍射型旋转三棱镜；(5)一种设备，其通过所述(1)或(2)记载的微细结构体的制造方法制造。
本发明中，所谓「远心透镜」是指以主光线通过焦点的方式配置的光学系统，是指主光线与光轴平行的透镜。
所谓「旋转三棱镜」是指制作从点光源沿光轴存在的线像的光学系统，是指不具有焦距的透镜。
所谓「贝塞尔光束」是指非衍射性光束，其具有聚光深度深的特征。
(发明效果)
根据本发明的微细结构体的制造方法，能够不受被加工体的原材料·物理性质的影响，以高生产率再现性良好地在被加工体表面或内部形成所希望的微细图形。将贝塞尔光束高精度地形成为阵列状，并由此进行加工，因而能够利用具有相同的偏振光状态的贝塞尔光束，同时加工多个部位。
另外，本发明的微细结构体的制造装置，由于不需要自动聚焦机构，因而装置构成简单且稳定。
附图说明
图1是本发明的实施方式的微细结构体的制造装置10。
图2是本发明的实施方式所采用的衍射光学元件14的起伏结构。
图3是本发明的实施方式所采用的衍射型旋转三棱镜6的起伏结构。
图4是旋转三棱镜集合体16的局部外观照片。
图5是实施例1，(a)是加工孔的SEM像，(b)是相对加工点不同的位置得到的孔的平均孔径的图表。
图6是实施例2，是表示微透镜阵列的模具的制造工序的图。
图7是实施例2，(a)是所制作的模43的SEM像，(b)是微透镜阵列的SME像。
图中：10-微细结构体的制造装置，14-衍射光学元件，15-远心透镜，6-衍射型旋转三棱镜，16-旋转三棱镜集合体，21-四分之一波长板。
具体实施方式
接着，说明本发明的实施方式。以下的实施方式只是用于说明本发明的例示，并不将本发明仅限定于该实施方式。只要不脱离本发明的宗旨，就能够以各种方式实施本发明。
以下，参照附图，说明本发明的实施方式。
(微细结构体的制造装置)
图1示意地表示本发明的实施方式的微细结构体的制造装置10。
如图1所示，微细结构体的制造装置10具备四分之一波长板21、将入射激光束分支成多个衍射光束的衍射光学元件14、将分支后的多个衍射光束聚光而形成相互平行的衍射光束的远心透镜15、多个衍射型旋转三棱镜6阵列状配置而成的旋转三棱镜集合体16。
本实施方式中，作为加工光源，采用脉冲持续时间10n秒以下的脉冲激光。例如，采用Q开关振荡的Nd：YAG激光，其波长为532nm、平均输出为1W以下(脉冲重复为1kHz)、光束直径为6mmφ以下。
图2表示本实施方式所采用的衍射光学元件14的起伏结构。
衍射光学元件14以具有隔开图2所示的规定间隙的2级的双态(binary)结构体为1周期s，具备多个这种结构，表面形状呈周期性结构。衍射光学元件14利用激光描绘和离子蚀刻制作在石英衬底上。
还有，衍射光学元件14并不限定于双态结构，例如，也可以是表面形状呈正弦(余弦)曲面形状的周期性结构，或者，也可以是外观平坦且内部的折射率周期性分布的周期性结构。
图3表示本实施方式所采用的衍射型旋转三棱镜6的起伏结构。
衍射型旋转三棱镜6为图3所示的炫耀型，其周期d例如为5.0μm，起伏高度h为1180nm。衍射型旋转三棱镜6利用激光描绘和离子蚀刻制作在石英衬底上。
图4表示多个旋转三棱镜阵列状配置而成的旋转三棱镜集合体16的局部外观照片。
另外，本发明中，所谓「阵列状配置」除了指本实施方式这样的各旋转三棱镜6配置成一维状(一列)的情况以外，还指配置成2维状(矩阵状)的情况。
另外，多个旋转三棱镜的阵列状配置的形态并不限定于规则性配置。
(微细结构体的制造方法)
如图1所示，入射激光束通过四分之一波长板21而成为圆偏振光，并由衍射光学元件14分支成强度相互相等的3条衍射光束。
接着，分支后的3条衍射光束由远心透镜15聚光且偏转，成为相互平行的衍射光束。
进而，相互平行的3条衍射光束以各衍射光束的中心和各旋转三棱镜6的中心一致的方式向3个衍射型旋转三棱镜6阵列状配置而成的旋转三棱镜集合体16面垂直地入射，由此，各光束由各衍射型旋转三棱镜6衍射，在光束传播轴上阵列状形成3条贝塞尔光束。
然后，获得的3条阵列状的贝塞尔光束例如照射加工在玻璃衬底31上形成有Cr膜32的被加工体，由此，获得所希望的微细结构体。
在图1的微细结构体的制造装置10中，向衍射型旋转三棱镜6入射的相互平行的衍射光束的间隙Δ用以下的式求出。
Δ＝f1λ/P
(式中，f1为远心透镜15的聚光距离，λ为激光束的波长，P为衍射光学元件14的周期。)
例如，当f1＝100mm、λ＝532nm、P＝26.6μm时，衍射光束的间隙Δ为2.0mm。从而，若以该间隙Δ配置衍射型旋转三棱镜6而构成旋转三棱镜集合体16，则能够使衍射光束的中心和旋转三棱镜的中心一致。
另外，所获得的贝塞尔光束的宽度w用以下的式求出。
w＝0.77d
(式中，d为衍射型旋转三棱镜的周期。)
例如，当d＝5.0μm时，贝塞尔光束的宽度w为3.85μm。
另外，若将聚光深度定义为赋予峰值(peak)强度的90％以上的深度，则贝塞尔光束的聚光深度为6mm左右。
另外，在图1的微细结构体的制造装置10中，例如，远心透镜15的聚光距离f1为100mm，衍射型旋转三棱镜6的聚光距离f2为10mm。
这样一来，由于采用f1和f2满足f1/f2≥10的关系的优选构成，从而，向衍射型旋转三棱镜6入射的光束几乎不受所具有的波面曲率的影响，形成具有良好的轴上强度分布的贝塞尔光束。
还有，在图1中，说明了由衍射光学元件14分支成3条衍射光束，且采用3个衍射型旋转三棱镜6阵列状配置而成的旋转三棱镜集合体16的情况，不过，并不限定于此，也可以通过改变衍射光学元件14的分支数目及旋转三棱镜集合体16所具备的衍射型旋转三棱镜6的数目，来采用更多(例如，13条)的阵列状的贝塞尔光束进行加工。
另外，并不限定于将衍射型旋转三棱镜6配置成1维状从而获得1维状的贝塞尔光束进行加工的情况，也可以将衍射型旋转三棱镜6配置成2维状(矩阵状)从而获得2维状的贝塞尔光束进行加工。
所谓「阵列状」并不限定于具有规则性图形的形状。
另外，所述实施例中，说明了在相对激光波长不透明的原材料的表面形成微小孔的情况，不过，本发明也可适用于在相对激光波长透明的原材料的内部形成微细结构的情况。
根据本发明的激光加工方法，由于采用阵列化的贝塞尔光束，从而能够以比现有高很多的生产率进行加工。
(实施例1)
图5表示采用了所述微细结构体的制造方法的、微小孔的加工例。图5(a)是采用贝塞尔光束进行加工从而获得的直径2μm以下的孔的SEM像，图5(b)是相对加工点不同的位置(上下的位移)得到的孔的平均孔径的图。本实施例中的被加工体与图1所示的被加工体相同，是在玻璃衬底31上形成的Cr膜32。
如图5(b)所示可知，即使在加工点上下位移了±1mm以上的情况下，也再现性良好地加工孔。
(实施例2)
图6是示意地表示采用了所述微细结构体的制造方法的、微透镜阵列的模具的制造工序。
如图6(a)所示，最初，采用9条阵列化的贝塞尔光束，在大型的玻璃衬底41(1m×1m以下)上的金属膜42上阵列状开放微小孔。接着，如图6(b)所示，利用化学蚀刻，通过所述微小孔对玻璃衬底41进行加工，进而如图6(c)所示除去金属膜42，由此，在玻璃衬底上形成透镜阵列的模43。
采用如此制作的模43，经由热复制或2P法(Photo Polymerization)，成型微透镜阵列。
图7(a)表示所制作的模43的SEM像，图7(b)表示所获得的微透镜阵列的SME像。
构成所获得的微透镜阵列的各透镜的表面形状为球面，纵横间隙为72μm×54μm，深度为76μm。
(应用例)
本发明的微细结构体的制造方法能够用于开孔、切断、接合等微细加工，在需要形成微细结构图形的各种设备的制造上是有用的。
例如，根据本发明的微细结构体的制造方法而获得的微透镜阵列，除了能够作为在背投电视等中利用的大画面屏幕应用以外，作为微透镜阵列，还能够作为在步进曝光装置或液晶投影器等中使用的均化器(用于使光强度分布平坦化的光学元件)应用。
另外，根据本发明的微细结构体的制造方法而获得的、向玻璃内部形成流路(细长的贯通孔)的设备，能够作为化学微量分析所利用的检查设备应用。

Claims (5)

1.一种微细结构体的制造方法，其包括：
采用衍射光学元件将入射激光束分支成多个衍射光束的工序；
由远心透镜将所述分支后的多个衍射光束聚光而形成相互平行的衍射光束的工序；
使所述相互平行的各衍射光束以各衍射光束的中心和各旋转三棱镜的中心一致的方式向多个旋转三棱镜阵列状配置而成的旋转三棱镜集合体面垂直地入射，形成多个阵列状的贝塞尔光束的工序；
对被加工体照射所述多个阵列状的贝塞尔光束的工序。
2.根据权利要求1所述的微细结构体的制造方法，其中，所述入射激光束为圆偏振光。
3.一种微细结构体的制造装置，其包括：
将入射激光束分支成多个衍射光束的衍射光学元件；
将所述分支后的多个衍射光束聚光而形成相互平行的衍射光束的远心透镜；
多个旋转三棱镜阵列状配置而成的旋转三棱镜集合体。
4.根据权利要求3所述的微细结构体的制造装置，其中，所述旋转三棱镜为衍射型旋转三棱镜。
5.一种设备，其通过权利要求1或2所述的微细结构体的制造方法制造。
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