JP2000284231A - 超解像を利用した微小加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光の超解像技術を用い、光をその波長以下に
集光することにより、ナノメートルからマイクロメート
ルオーダーの微小な領域を高エネルギー密度で加工を行
えるようにした微小加工方法を提供する。 【解決手段】 光の空間周波数領域を分割用光学器２に
おいて分割し、加工対象物３上の集光点４でそれらの分
割成分を干渉により合成し、高い集光性をもって高いエ
ネルギー密度を持つ光として結像させる。これにより、
ナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーの
微小領域の加工を可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光のエネルギーを
ナノメートルオーダーの領域に集光し、高エネルギー密
度を得ることにより、ナノメートルからマイクロメート
ルオーダーの微小領域、特に光の波長以下の極微小領域
を加工するための、超解像を利用した微小加工方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】ナノメートルオーダーの微小な領域を加
工する技術としては、フォトエッチング法（リソグラフ
ィー法）がある。この方法では、エネルギー源としてＸ
線、電子線、あるいは光を用いている。これらの各種リ
ソグラフィー法では、被加工物にナノメートルオーダー
の形状を加工することが可能であるが、個々の製品の加
工パターンを反映したマスクパターンを予め作製する必
要がある。さらに、これらの方法では、設計したマスク
パターンを通して被加工物の広い面積に対して同時にエ
ネルギーが投入される。このため、短時間で広い面積を
微細に加工するのには適しているが、局所的な形状変化
を制御性よく形成することは困難である。

【０００３】また、同様の微小領域を加工する技術とし
て、電子線を走査させて直接加工を行う電子線描画法
や、高出力レーザー光をレンズやミラーにより集光する
方法もある。しかしながら、上記電子線描画法は、高真
空中での加工を必要とする。このため、不純物の混入の
ないクリーンな微細加工ができるが、加工のために真空
室内に被加工物を置くという制限を受けるばかりでな
く、被加工物の加工部分において雰囲気ガスと反応を起
こさせることが困難である。一方、高出力レーザー光を
既存の光学系のみで集光しても高いエネルギー密度を得
ることができる。しかしながら、この高出力レーザー光
を集光して用いる方法では、照射したレーザー光の波長
オーダーにしか集光できず、このため、ナノメートルオ
ーダーの微小な加工を行うことはできない。

【０００４】さらに、従来からあるハードな工具を使用
した機械加工においても、マイクロメートル程度の領域
を加工することは可能であるが、ナノメートルオーダー
の微小な領域を加工することは困難である。イオンを用
いたエッチング加工でも微小領域の加工を行うことが可
能であるが、加工の位置制御が難しく、加工に時間を要
する欠点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の技術的課題
は、ナノメートルオーダーの領域に高エネルギー密度を
得るための方法として、光の超解像技術を用い、光をそ
の波長以下に集光することにより、ナノメートルからマ
イクロメートルオーダーの微小な領域の加工を行えるよ
うにした微小加工方法を提供することにある。本発明の
他の技術的課題は、各種リソグラフィー技術において用
いられるようなマスクパターンを必要とせず、また、電
子線描画法のように高真空中での加工を必要としない微
小領域の加工方法を提供することにある。本発明の他の
技術的課題は、上述したように高真空中での加工を必要
としないことから、雰囲気ガスと加工対象物との反応を
起こさせて、微小領域に新たな化合物を生成させること
により機能付与加工を行うことが可能な加工方法を提供
することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の超解像を利用した微小加工方法は、光の空間
周波数領域を分割して加工対象物上の集光点でそれらの
分割成分を干渉により合成し、高い集光性をもって高い
エネルギー密度を持つ光として結像させ、ナノメートル
オーダーからマイクロメートルオーダーの微小領域の加
工を行うことを特徴とするものである。上記微小加工方
法においては、光を高いエネルギー密度を持つように集
光するための手段として、光を円環状または複数の点状
に分割して、単一または複数の集光レンズまたはミラー
により、その光を加工対象物上の集光点で干渉により合
成し、あるいは、集光レンズまたはミラーの一部を遮光
することにより分割された光を、加工対象物上の集光点
で干渉により合成することができる。

【０００７】また、上記微小加工方法においては、干渉
により集光点周辺に現れるリング状の干渉縞のうち、中
心の高強度部のみを用いるのが有効であるが、この高強
度部のみを用いるための方法としては、光のコヒーレン
スの制御により、干渉縞の中心の高強度部の光とその外
側周辺部の光の強度比を大きくし、周辺部の光を加工に
影響しない程度の強度を持つものとするのが適切であ
る。上記微小加工方法においては、高いエネルギー密度
で点または線状に結像させた光を、静止する加工対象物
に照射し、または加工対象物に対し相対的に走査させて
加工することができる。

【０００８】上述した本発明の微小加工方法は、光の空
間周波数領域を分割し、これを合成して結像させること
により、ナノメートルオーダーの領域での高エネルギー
密度を持った像を得る光の超解像技術を利用するもので
あり、光をその波長以下に集光することにより、ナノメ
ートルからマイクロメートルオーダーの微小な領域の加
工を行うことが可能になる。そのエネルギー源には、高
コヒーレンスで波長が数百ナノメートル、出力が少なく
とも１０ｍＷ以上、望ましくは数Ｗ以上のレーザー光が
用いられる。光の空間周波数領域を分割するには、円環
状または複数の点状のエネルギー分布を持った光を用い
る方法、ホログラムを用いて発生させた円環状や複数の
点状の光を用いる方法、集光レンズやミラーの一部を遮
光する方法、光を分岐して複数のレンズやミラーで集光
する方法などを、選択的に用いることができる。

【０００９】また、上記微小加工方法においては、光の
干渉により集光点の周辺に干渉縞が観察され、加工では
この干渉縞の中心の高強度部を用いるが、このための光
のコヒーレンスの制御においては、少なくとも中心部の
エネルギー密度を周辺部のエネルギー密度の数倍以上、
望ましくは１０倍以上にすることが望ましい。コヒーレ
ンス制御においては、その波長成分は、波長変換結晶等
を用いて制御し、また位相成分はレンズやミラーの一部
の屈折率を変えることにより制御することができる。こ
のコヒーレンス制御のほか、干渉縞の中心の高強度部を
用いるには、周辺部の光をマスク等で物理的にカットす
る方法もある。

【００１０】さらに、上記微小加工方法では、高真空中
での加工を必要とせず、雰囲気を選ばないことから、雰
囲気ガスと加工対象物の特定箇所との反応を起こさせ
て、ナノメートルからマイクロメートルオーダーの微小
領域に新たな化合物を生成させることにより、機能付与
加工を行うことが可能になる。こうして得られた高エネ
ルギー密度の光は、それを直接加工対象物に照射し、ま
たは加工対象物上において走査させるが、加工対象物を
走査させる方法も有効な方法である。その際、光をナノ
メートルオーダーの領域に点または線状等に集光して用
いることもできる。このため、リソグラフィー技術にお
いて用いられるようなマスクパターンを必要とせず、ま
た、電子線描画法のように高真空中での加工を必要とせ
ず、局所的な形状変化を制御性よく形成・加工すること
が可能になる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、光の超解像技術を利用し
てナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダー
の領域の加工を行う本発明の微小加工方法の実施の態様
を、概念的に示すものである。光で加工を行うには、高
いエネルギー密度が要求されるため、エネルギー源とし
て用いる光ビーム１としては、高エネルギーが得られ、
光の波長や位相の揃ったレーザー光を用いることが望ま
しい。超解像を得るためには、光の空間周波数領域を分
割用光学器２において上記光ビーム１をいくつかに分割
して、加工対象物３上の集光点（被加工領域）４でそれ
らの分割成分を干渉により合成し、高い集光性をもって
結像させることが必要である。

【００１２】分割用光学器２における光の空間周波数領
域の分割にはいくつかの方法が考えられる。この例を図
１及び図２のＡ〜Ｃに示す。図１は、集光に用いるレン
ズやミラーからなる光学器２の一部を遮光膜２ａ等で遮
光する場合を示している。図２のＡは、リングモードレ
ーザー１０により発生させたリング状のエネルギー分布
を持った光１１を用いる場合、同図のＢは、光学器１３
により光束１２を円環状または複数の点状の光１４ａ，
１４ｂに分割する場合を示している。これらの分割した
光は、集光レンズまたはミラーにより、図１に示すよう
に、加工対象物３上の集光点４で干渉により合成し、ま
た、図２のＣに例示するように、複数の集光レンズまた
はミラーからなる光学器１５で集光することができる。

【００１３】超解像では、光の分割の後にそれらを干渉
によって合成するため、集光点周辺では干渉縞が観察さ
れる。光の波長以下の極微小領域の加工のためには、干
渉縞のうち、中心の高強度部のみを使用し、残りはカッ
トすることが望ましい。このためには、周辺部の光が加
工に影響しない程度の強度を持つように、中心部とその
周辺部の光の強度比を大きくするのが有効である。この
強度比を付与すると、光のコヒーレンスを制御する方法
が適している。このコヒーレンス制御においては、波長
成分を波長変換結晶等を用いて制御し、また位相成分を
レンズやミラーの一部の屈折率を変えることにより制御
することもできる。その他、図１に示すマスク５等を用
いることにより、周辺部の光を物理的にカットする方法
もある。このマスク５を用いるときに問題となるのは、
マスク５と加工対象物３との間の距離ｄである。この距
離ｄは、マスク５を通った光が回折を起こして加工対象
物３に影響を与えないように、使用する光の波長オーダ
ーにする必要がある。

【００１４】次に、本発明の実施の態様をさらに具体的
に説明する。例えば、５００ｎｍ程度の波長で１Ｗのレ
ーザー光を超解像技術により集光する場合には、光学系
でのエネルギー損失を考え、集光できるエネルギーを発
振エネルギーの１／１０００程度と見積もると、５０ｎ
ｍ程度の領域には４×１０^７Ｗ／ｃｍ^２ のエネルギー
を投入できることになる。このエネルギー密度は、金属
等を加工するために必要なエネルギー密度といわれてい
る１×１０^６ Ｗ／ｃｍ^２ を上回るものである。

【００１５】光の超解像を得るために光の空間周波数領
域を分割するには、前述したリングモードレーザーを用
いたり、共振器によりリング状のエネルギー分布を持た
せた光を用いる方法、ホログラムを用いて発生させた円
環状または複数の点状の光を用いる方法、集光レンズや
ミラーの一部を遮光する方法、光を分岐して複数のレン
ズやミラーで集光する方法がある。このときに用いるレ
ンズやミラーは、その有効焦点距離が短いものが有効で
ある。

【００１６】超解像技術により、集光点に観察される干
渉縞の中心の高強度部を用いるに際し、光のコヒーレン
スを制御する場合には、中心部のエネルギー密度を周辺
部のエネルギー密度の数倍、望ましくは１０倍以上にす
ることにより、周辺部の光が加工に寄与しないようにす
るが、このコヒーレンス制御において、その波長成分
は、波長変換結晶の一部の組成や、構造、形状等を変え
ることにより制御する。また、位相成分は、レンズやミ
ラーの一部の組成や、構造、形状等を変え、屈折率を変
えることにより制御する。この他、周辺部の光を金属膜
などを用いて物理的にカットする加工方法もある。

【００１７】こうして得られた高エネルギー密度の光
は、直接加工対象物上の加工点に、または加工対象物に
対して相対的に移動させながら照射するが、この照射す
る光をパルス化する方法は、単パルスあたりのピークパ
ワーを大きくし、あるいは単位時間あたりのエネルギー
量を多くすることができるため、加工周辺部への熱的影
響の少ないより有効な加工方法となる。

【００１８】この超解像利用の微小加工方法では、前述
したように、高真空中での加工を必要とせず、加工場の
雰囲気を選ばない。このため、加工場の局所的高温・高
圧状態を利用して雰囲気ガスと加工対象物との反応を起
こさせ、特定部分の組成や構造を変えることが可能であ
る。例えば、酸素雰囲気中で金属の加工を行うと、光照
射部のみに酸化物を形成できる。つまり、この場合には
ナノメートルオーダーで電気抵抗値の異なる部分を形成
できて、量子細線や量子ドットといわれる量子力学的効
果を発現する構造を実現できる。

【００１９】なお、上記加工方法において用いている光
の超解像技術は、既に微小領域の形状や組成の違いに由
来する光の変化を観察する技術として応用されている
が、加工を目的としては利用されていない。このため、
高エネルギー密度の光を微小領域に集光させるための光
学系は、従来から考慮されていなかったものである。し
かしながら、この既存の超解像利用技術は、上記微小加
工方法の実施に際して超解像技術を利用する光学系を設
計するうえで、有効に利用することができる。

【００２０】ここで、通常の集光光学系による加工と超
解像光学系での加工を比較する。例えば、５００ｎｍ程
度の波長で１Ｗのレーザー光を、この波長オーダーに集
光すると、光学系でのエネルギー損失を考慮して、通常
の集光光学系では、１×１０^８ Ｗ／ｃｍ^２ という高い
エネルギー密度を得て加工を行うことができる。しか
し、このエネルギー密度で波長オーダーの５００ｎｍよ
りも微小な領域を加工することはできない。一方、上記
レーザー光を超解像技術により集光する場合には、光学
系でのエネルギー損失を考え、集光できるエネルギーが
発振エネルギーの１／１０００程度として、５０ｎｍ程
度の領域に４×１０^７ Ｗ／ｃｍ^２ のエネルギーを投入
できることになる。このエネルギー密度は、金属等を加
工するために必要といわれている１×１０^６ Ｗ／ｃｍ
^２ のエネルギー密度を上回るものであり、しかも、通
常の集光光学系に比してナノメートルオーダーという極
めて微細な領域の加工を行うことができる。

【００２１】そして、この方法によって加工を行うこと
により、数十ナノメートル幅でマイクロメートルオーダ
ー程度の長さの構造体を形成することができる。また、
この領域で雰囲気ガスとの反応を起こさせ、酸化物や窒
化物等の化合物を加工領域の一部に形成することができ
る。これにより、量子細線や量子ドットといわれる量子
力学的効果を発現する構造体を作製することができる。
これらは、光電変換素子、単一電子素子や、量子配線、
量子ドット構造を利用した冷却素子や熱制御素子、光ナ
ノ触媒や電子触媒といった機能を持つ構造体として期待
できるものである。

【００２２】

【発明の効果】以上に詳述した本発明の微小加工方法
は、ナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダ
ーの微小領域に高エネルギー密度の光を得るための方法
として、光の超解像技術を用い、光をその波長以下に集
光することを第一の特徴とするものである。これによ
り、各種リソグラフィー技術において用いられるような
マスクパターンを必要とせず、また、電子線描画法のよ
うに高真空中での加工を必要としない微小領域の加工方
法を得ることができる。しかも、上述したように高真空
中での加工を必要としないことから、雰囲気ガスと加工
対象物との反応を起こさせて、微小領域に新たな化合物
を生成させることにより機能付与加工を行うことが可能
になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る微小加工方法の実施の態様を概念
的に示す説明図である。

【図２】Ａ〜Ｃは、光の空間周波数領域の分割について
の説明図である。

【符号の説明】

１ 光ビーム ２ 分割用光学器 ２ａ 遮光膜 ３ 加工対象物 ４ 集光点（被加工領域） ５ マスク １０ リングモードレーザー １１ 光 １２ 光束 １３ 光学器 １４ａ，１４ｂ 光 １５ 光学器

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１２年１月１７日（２０００．１．１
７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【請求項３】 請求項１ないし２のいずれかに記載の方
法において、干渉により集光点周辺に現れるリング状の
干渉縞のうち、中心の高強度をのみを加工に用いること
を特徴とする超解像を利用した微小加工方法。

【請求項４】 請求項３に記載された方法において、千
渉縞の中心の高強度のみを用いるための方法として、光
のコヒーレンスの制御により、干渉縞の中心の高強度の
光とその外側周辺部の光の強度を大きくし、周辺部の光
を加工に影響しない程度の強度を持つものとすることを
特徴とする超解像を利用した微小加工方法。

【請求項５】 高いエネルギー密度で点又は線状に結像
させた光を、静止する加工対象物に照射し、または加工
対象物に対し相対的に走査させて加工することを特徴と
する請求項ｌないし４のいずれかに記載の超解像を利用
した微小加工方法。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の超解像を利用した微小加工方法は、リングモ
ードレーザー若しくは共振器によりエネルギー分布を分
割されたレーザーの光を生成し、又は集光レンズ、ミラ
ー若しくはホログラムを用いて、円環状または複数の点
状に分割したエネルギー分布を実現して、光を円環状ま
たは複数の点状に分割した光を生成し、これらの光を集
光点にレンズまたはミラーにより集光して、これらの分
割成分を干渉により合成し、高い集光性をもって高いエ
ネルギー密度を持つ光として加工対象物上に結像させ、
ナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーの
徴小領域の加工を行うことを特徴とするものである。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】本発明に係る微小加工方法の参考例を概念的に
示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永 壽 伴 章 茨城県つくば市並木１丁目２番地 工業技 術院機械技術研究所内 Ｆターム(参考） 4E068 CA04 CB08 CD01 CD05 CD08 CD12 CD14

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光の空間周波数領域を分割して加工対象物
   上の集光点でそれらの分割成分を干渉により合成し、高
   い集光性をもって高いエネルギー密度を持つ光として結
   像させ、ナノメートルオーダーからマイクロメートルオ
   ーダーの微小領域の加工を行うことを特徴とする超解像
   を利用した微小加工方法。
2. 【請求項２】光を円環状または複数の点状に分割し、集
   光レンズまたはミラーによりその光を加工対象物上の集
   光点で干渉により合成することを特徴とする請求項１に
   記載の超解像を利用した微小加工方法。
3. 【請求項３】集光レンズまたはミラーの一部を遮光する
   ことにより分割された光を、加工対象物上の集光点で干
   渉により合成することを特徴とする請求項１に記載の超
   解像を利用した微小加工方法。
4. 【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載の方法
   において、干渉により集光点周辺に現れるリング状の干
   渉縞のうち、中心の高強度部のみを加工に用いることを
   特徴とする超解像を利用した微小加工方法。
5. 【請求項５】請求項４に記載の方法において、干渉縞の
   中心の高強度部のみを用いるための方法として、光のコ
   ヒーレンスの制御により、干渉縞の中心の高強度部の光
   とその外側周辺部の光の強度比を大きくし、周辺部の光
   を加工に影響しない程度の強度を持つものとすることを
   特徴とする超解像を利用した微小加工方法。
6. 【請求項６】高いエネルギー密度で点または線状に結像
   させた光を、静止する加工対象物に照射し、または加工
   対象物に対し相対的に走査させて加工することを特徴と
   する請求項１ないし５のいずれかに記載の超解像を利用
   した微小加工方法。