JP2002018585A - レーザを用いて波長より小さなピッチで穴を開けるための方法および装置 - Google Patents
レーザを用いて波長より小さなピッチで穴を開けるための方法および装置Info
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 レーザの波長よりも小さなピッチの複数の穴
をあけることのできるレーザ加工方法を提供する。 【解決手段】 材料上にあけるべき複数の穴を、２つの
グループに分ける。第１グループは、その穴間隔をレー
ザ加工に伴う硬化領域を越えて設定する。第２グループ
は、第１グループの穴から硬化領域を超えない範囲に設
定する。第１グループの穴を所定のエネルギーレベル或
いはパルス数に設定したレーザを用いてあけ、次に硬化
された材料のアブレーション闘値より高いエネルギーレ
ベルにまでレーザービーム強度を増大し、これにより第
２グループの穴をあける。
をあけることのできるレーザ加工方法を提供する。 【解決手段】 材料上にあけるべき複数の穴を、２つの
グループに分ける。第１グループは、その穴間隔をレー
ザ加工に伴う硬化領域を越えて設定する。第２グループ
は、第１グループの穴から硬化領域を超えない範囲に設
定する。第１グループの穴を所定のエネルギーレベル或
いはパルス数に設定したレーザを用いてあけ、次に硬化
された材料のアブレーション闘値より高いエネルギーレ
ベルにまでレーザービーム強度を増大し、これにより第
２グループの穴をあける。
Description
【０００１】（発明の背景）半導体および通信の分野で
の多くの新たな材料加工用途がサブミクロンの加工能力
を必要としている。この能力、つまり、電子ビームエッ
チング、プラズマエッチング、Ｘ線リソグラフィー、お
よび超高速パルスレーザでの加工（レーザ加工）等を有
するか、またはすぐに有するようになる多くの競合技術
が存在する。これらの技術のうち、レーザ加工のみが標
準的な環境、およびインサイチュでのモニタリングにお
いて動作するという利点を提供する。
の多くの新たな材料加工用途がサブミクロンの加工能力
を必要としている。この能力、つまり、電子ビームエッ
チング、プラズマエッチング、Ｘ線リソグラフィー、お
よび超高速パルスレーザでの加工（レーザ加工）等を有
するか、またはすぐに有するようになる多くの競合技術
が存在する。これらの技術のうち、レーザ加工のみが標
準的な環境、およびインサイチュでのモニタリングにお
いて動作するという利点を提供する。
【０００２】超高速パルスレーザの重要な特徴は、レー
ザの最小回折限界である、スポットサイズよりも小さな
表面領域をアブレートする能力である。この能力は、パ
ルスの間の熱の伝播を実質的に許容しないパルスの短
さ、およびガウス空間ビームプロフィールによって生み
出される。パルスのエネルギーを慎重に制御することに
より、ビームの中心の小さな領域においてのみ強度を、
加工されている材料のアブレーション閾値よりも高くす
ることが可能である。パルスが継続している間の熱伝導
がないために、その小さな領域のみがアブレートされ
る。このようにして、穴はレーザの波長よりも小さな直
径にまでレーザ加工され得、例えば、約５００ｎｍの直
径を有する穴が、７７５ｎｍフェムト秒のパルスレーザ
を用いて開けられ得る。幾何学的に言うと、これらの穴
を５００ｎｍ程度の狭い間隔で形成することが可能であ
る。しかしながら、穴が同じレーザで一方の端から他方
の端まで１つづつ開けられる場合、連続する穴をレーザ
加工する従来方法では、穴の中心間の間隔（ピッチ）
は、この限界に近づき得ない。
ザの最小回折限界である、スポットサイズよりも小さな
表面領域をアブレートする能力である。この能力は、パ
ルスの間の熱の伝播を実質的に許容しないパルスの短
さ、およびガウス空間ビームプロフィールによって生み
出される。パルスのエネルギーを慎重に制御することに
より、ビームの中心の小さな領域においてのみ強度を、
加工されている材料のアブレーション閾値よりも高くす
ることが可能である。パルスが継続している間の熱伝導
がないために、その小さな領域のみがアブレートされ
る。このようにして、穴はレーザの波長よりも小さな直
径にまでレーザ加工され得、例えば、約５００ｎｍの直
径を有する穴が、７７５ｎｍフェムト秒のパルスレーザ
を用いて開けられ得る。幾何学的に言うと、これらの穴
を５００ｎｍ程度の狭い間隔で形成することが可能であ
る。しかしながら、穴が同じレーザで一方の端から他方
の端まで１つづつ開けられる場合、連続する穴をレーザ
加工する従来方法では、穴の中心間の間隔（ピッチ）
は、この限界に近づき得ない。
【０００３】以下の実施例はこの問題を例証する。最初
の穴が所与のレーザ強度および所与のレーザパルス数で
開けられるものと仮定する。レーザ強度は、レーザが誘
発するアブレーションが表面に形成されるビームスポッ
トの中心部のみで起こり、破壊閾値に達するように選択
される。このアブレーションにより穴が開く。しかしな
がら、たとえ、照射される周辺部がアブレーション閾値
に達しなくても、その次のレーザ照射におけるアブレー
ション閾値を増加する材料特性の変化を受ける。この、
レーザ照射が誘発する材料の硬化現象（以下、レーザ硬
化）は、硬化された部分に同じレーザ強度およびパルス
数を用いた際、レーザで硬化された領域には、新たな穴
を開け得ないことを意味する。それゆえ、穿孔の確実性
および再現性が悪化する。この問題は、正確なサブミク
ロンのピッチで配置される多数の実質的に同一の穴が望
まれる、フォトニック結晶等のデバイスで特に重要であ
る。
の穴が所与のレーザ強度および所与のレーザパルス数で
開けられるものと仮定する。レーザ強度は、レーザが誘
発するアブレーションが表面に形成されるビームスポッ
トの中心部のみで起こり、破壊閾値に達するように選択
される。このアブレーションにより穴が開く。しかしな
がら、たとえ、照射される周辺部がアブレーション閾値
に達しなくても、その次のレーザ照射におけるアブレー
ション閾値を増加する材料特性の変化を受ける。この、
レーザ照射が誘発する材料の硬化現象（以下、レーザ硬
化）は、硬化された部分に同じレーザ強度およびパルス
数を用いた際、レーザで硬化された領域には、新たな穴
を開け得ないことを意味する。それゆえ、穿孔の確実性
および再現性が悪化する。この問題は、正確なサブミク
ロンのピッチで配置される多数の実質的に同一の穴が望
まれる、フォトニック結晶等のデバイスで特に重要であ
る。
【０００４】（発明の要旨） １．超高速パルスレーザビームを用いて、材料に複数の
穴を開ける方法であって、ａ）該レーザビームのパルス
エネルギーを第１の所定レベルに設定する工程であっ
て、該第１の所定レベルが、該レーザビームの穿孔部分
内に該材料のアブレーション閾値よりも高い強度を提供
するように選択される、工程と、ｂ）該材料の表面の複
数の第１の位置のうちの１つに該レーザビームを集束さ
せるように、該材料を配置する工程と、ｃ）該レーザビ
ームの多数のパルスを当てて該表面をアブレートするこ
とにより、該表面に該複数の穴のうちの１つを形成する
工程と、ｄ）該表面の該複数の第１の位置の全てが該複
数の穴のうちの１つを有するまで該工程ｂ）およびｃ）
を繰り返す工程と、ｅ）該レーザビームの該パルスエネ
ルギーを第２の所定レベルに設定する工程であって、該
第２の所定レベルが、該レーザビームの該穿孔部分内に
該材料のレーザ硬化アブレーション閾値よりも高い強度
を提供するように選択される、工程と、ｆ）該表面の少
なくとも１つの第２の位置のうちの１つに該レーザビー
ムを集束させるように、該材料を配置する工程であっ
て、該１つの第２の位置が、該複数の第１の位置のうち
の隣接する２つの間にある、工程と、ｇ）該レーザビー
ムの多数のパルスを当てて該表面をアブレートすること
により、該表面に該複数の穴のうちの１つを形成する工
程と、を包含する方法。
穴を開ける方法であって、ａ）該レーザビームのパルス
エネルギーを第１の所定レベルに設定する工程であっ
て、該第１の所定レベルが、該レーザビームの穿孔部分
内に該材料のアブレーション閾値よりも高い強度を提供
するように選択される、工程と、ｂ）該材料の表面の複
数の第１の位置のうちの１つに該レーザビームを集束さ
せるように、該材料を配置する工程と、ｃ）該レーザビ
ームの多数のパルスを当てて該表面をアブレートするこ
とにより、該表面に該複数の穴のうちの１つを形成する
工程と、ｄ）該表面の該複数の第１の位置の全てが該複
数の穴のうちの１つを有するまで該工程ｂ）およびｃ）
を繰り返す工程と、ｅ）該レーザビームの該パルスエネ
ルギーを第２の所定レベルに設定する工程であって、該
第２の所定レベルが、該レーザビームの該穿孔部分内に
該材料のレーザ硬化アブレーション閾値よりも高い強度
を提供するように選択される、工程と、ｆ）該表面の少
なくとも１つの第２の位置のうちの１つに該レーザビー
ムを集束させるように、該材料を配置する工程であっ
て、該１つの第２の位置が、該複数の第１の位置のうち
の隣接する２つの間にある、工程と、ｇ）該レーザビー
ムの多数のパルスを当てて該表面をアブレートすること
により、該表面に該複数の穴のうちの１つを形成する工
程と、を包含する方法。
【０００５】２．前記少なくとも１つの第２の位置が複
数の第２の位置を含み、該複数の第２の位置のそれぞれ
が、前記複数の第１の位置のうちの隣接する２つの間に
あり、前記方法は、ｈ）前記表面の該複数の第２の位置
の全てが前記複数の穴のうちの１つを有するまで工程
ｆ）およびｇ）を繰り返す工程と、ｉ）前記レーザビー
ムの前記パルスエネルギーを、前記第２の所定レベルよ
りも高い第３の所定レベルに設定する工程と、ｊ）該表
面の少なくとも１つの第３の位置のうちの１つに該レー
ザビームを集束させるように、前記材料を配置する工程
であって、該１つの第３の位置が、該複数の第１の位置
のうちの１つと、該複数の第２の位置のうちの隣接する
１つとの間にある、工程と、ｋ）該レーザビームの多数
のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、
該表面に該複数の穴のうちの１つを形成する工程とをさ
らに包含する、項目１に記載の方法。
数の第２の位置を含み、該複数の第２の位置のそれぞれ
が、前記複数の第１の位置のうちの隣接する２つの間に
あり、前記方法は、ｈ）前記表面の該複数の第２の位置
の全てが前記複数の穴のうちの１つを有するまで工程
ｆ）およびｇ）を繰り返す工程と、ｉ）前記レーザビー
ムの前記パルスエネルギーを、前記第２の所定レベルよ
りも高い第３の所定レベルに設定する工程と、ｊ）該表
面の少なくとも１つの第３の位置のうちの１つに該レー
ザビームを集束させるように、前記材料を配置する工程
であって、該１つの第３の位置が、該複数の第１の位置
のうちの１つと、該複数の第２の位置のうちの隣接する
１つとの間にある、工程と、ｋ）該レーザビームの多数
のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、
該表面に該複数の穴のうちの１つを形成する工程とをさ
らに包含する、項目１に記載の方法。
【０００６】３．前記レーザビームがＴＥＭ0,0モード
で発振するようにレーザを作動させる工程をさらに包含
する、項目１に記載の方法。
で発振するようにレーザを作動させる工程をさらに包含
する、項目１に記載の方法。
【０００７】４．前記レーザビームがある波長を有し、
該レーザビームの前記パルスエネルギーを前記第１の所
定レベルに設定する前記工程は、該レーザビームの前記
穿孔部分が該レーザビームの該波長よりも小さな直径を
有するように規定するために、該レーザビームの該パル
スエネルギーを設定する工程を含む、項目１に記載の方
法。
該レーザビームの前記パルスエネルギーを前記第１の所
定レベルに設定する前記工程は、該レーザビームの前記
穿孔部分が該レーザビームの該波長よりも小さな直径を
有するように規定するために、該レーザビームの該パル
スエネルギーを設定する工程を含む、項目１に記載の方
法。
【０００８】５．前記レーザビームが７７５ナノメート
ルの波長を有し、該レーザビームの前記パルスエネルギ
ーを設定する前記工程は、該レーザビームの前記穿孔部
分を約５００ｎｍの直径を有するように規定する、項目
４に記載の方法。
ルの波長を有し、該レーザビームの前記パルスエネルギ
ーを設定する前記工程は、該レーザビームの前記穿孔部
分を約５００ｎｍの直径を有するように規定する、項目
４に記載の方法。
【０００９】６．前記レーザビームの前記パルスエネル
ギーを前記第２の所定レベルに設定する前記工程が、該
パルスエネルギーの該第２の所定レベルを、該パルスエ
ネルギーの前記第１の所定レベルよりも高いレベルに設
定する工程を含む、項目１に記載の方法。
ギーを前記第２の所定レベルに設定する前記工程が、該
パルスエネルギーの該第２の所定レベルを、該パルスエ
ネルギーの前記第１の所定レベルよりも高いレベルに設
定する工程を含む、項目１に記載の方法。
【００１０】７．前記レーザビームの前記パルスエネル
ギーを前記第１の所定レベルに設定する前記工程が、該
パルスエネルギーを１ナノジュールと１マイクロジュー
ルとの間に設定する工程を含む、項目１に記載の方法。
ギーを前記第１の所定レベルに設定する前記工程が、該
パルスエネルギーを１ナノジュールと１マイクロジュー
ルとの間に設定する工程を含む、項目１に記載の方法。
【００１１】８．材料に複数の穴を開ける装置であっ
て、レーザビームを提供する超高速パルスレーザと、該
超高速パルスレーザに結合された、該レーザビームのパ
ルスエネルギーを第１の所定レベルに設定する手段であ
って、該第１の所定レベルが、該レーザビームの穿孔部
分内に該材料のアブレーション閾値よりも高い強度を提
供するように選択される、手段と、該材料の表面の複数
の第１の位置のそれぞれに該レーザビームを集束させる
ように、該材料を該複数の第１の位置に配置する、平行
移動テーブルと、該レーザビームの多数のパルスを当て
て、該第１の複数の位置のそれぞれの該表面をアブレー
トすることにより、該表面に該複数の穴の第１の部分を
形成する手段と、該レーザビームの該パルスエネルギー
を第２の所定レベルに設定する手段であって、該第２の
所定レベルが、該レーザビームの該穿孔部分内に該材料
のレーザ硬化アブレーション閾値よりも高い強度を提供
するように選択される、手段と、該表面の少なくとも１
つの第２の位置のうちの１つに該レーザビームを集束さ
せるように該材料を配置する、該平行移動テーブルに結
合された手段であって、該１つの第２の位置が、該複数
の第１の位置のうちの隣接する２つの間にある、手段
と、該レーザビームの多数のパルスを該第２の所定レベ
ルのビームエネルギーで当てて、該１つの第２の位置の
該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の
穴のうちの１つを形成する手段とを含む装置。
て、レーザビームを提供する超高速パルスレーザと、該
超高速パルスレーザに結合された、該レーザビームのパ
ルスエネルギーを第１の所定レベルに設定する手段であ
って、該第１の所定レベルが、該レーザビームの穿孔部
分内に該材料のアブレーション閾値よりも高い強度を提
供するように選択される、手段と、該材料の表面の複数
の第１の位置のそれぞれに該レーザビームを集束させる
ように、該材料を該複数の第１の位置に配置する、平行
移動テーブルと、該レーザビームの多数のパルスを当て
て、該第１の複数の位置のそれぞれの該表面をアブレー
トすることにより、該表面に該複数の穴の第１の部分を
形成する手段と、該レーザビームの該パルスエネルギー
を第２の所定レベルに設定する手段であって、該第２の
所定レベルが、該レーザビームの該穿孔部分内に該材料
のレーザ硬化アブレーション閾値よりも高い強度を提供
するように選択される、手段と、該表面の少なくとも１
つの第２の位置のうちの１つに該レーザビームを集束さ
せるように該材料を配置する、該平行移動テーブルに結
合された手段であって、該１つの第２の位置が、該複数
の第１の位置のうちの隣接する２つの間にある、手段
と、該レーザビームの多数のパルスを該第２の所定レベ
ルのビームエネルギーで当てて、該１つの第２の位置の
該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の
穴のうちの１つを形成する手段とを含む装置。
【００１２】９．前記少なくとも１つの第２の位置が複
数の第２の位置を含み、該複数の第２の位置のそれぞれ
が、前記複数の第１の位置のうちの隣接する２つの間に
あり、前記装置は、前記レーザビームの前記パルスエネ
ルギーを前記第２の所定レベルよりも高い第３の所定レ
ベルに設定する手段と、前記表面の少なくとも１つの第
３の位置のうちの１つに該レーザビームを集束させるよ
うに、前記材料を配置する手段であって、該１つの第３
の位置が、該複数の第１の位置のうちの１つと、該複数
の第２の位置のうちの隣接する１つとの間にある、手段
と、該レーザビームの多数のパルスを当てて該１つの第
３の位置の該材料の該表面をアブレートすることによ
り、該表面に該複数の穴のうちの１つを形成する手段と
をさらに含む、項目８に記載の装置。
数の第２の位置を含み、該複数の第２の位置のそれぞれ
が、前記複数の第１の位置のうちの隣接する２つの間に
あり、前記装置は、前記レーザビームの前記パルスエネ
ルギーを前記第２の所定レベルよりも高い第３の所定レ
ベルに設定する手段と、前記表面の少なくとも１つの第
３の位置のうちの１つに該レーザビームを集束させるよ
うに、前記材料を配置する手段であって、該１つの第３
の位置が、該複数の第１の位置のうちの１つと、該複数
の第２の位置のうちの隣接する１つとの間にある、手段
と、該レーザビームの多数のパルスを当てて該１つの第
３の位置の該材料の該表面をアブレートすることによ
り、該表面に該複数の穴のうちの１つを形成する手段と
をさらに含む、項目８に記載の装置。
【００１３】１０．前記レーザビームがＴＥＭ0,0モー
ドで発振する、項目８に記載の装置。
ドで発振する、項目８に記載の装置。
【００１４】１１．前記レーザビームがある波長を有
し、該レーザビームの前記エネルギーレベルが、該レー
ザビームの前記穿孔部分を該レーザビームの該波長より
も小さい直径に規定するために設定される、項目８に記
載の装置。
し、該レーザビームの前記エネルギーレベルが、該レー
ザビームの前記穿孔部分を該レーザビームの該波長より
も小さい直径に規定するために設定される、項目８に記
載の装置。
【００１５】１２．前記レーザビームが７７５ナノメー
トルの波長を有し、該レーザビームの前記穿孔部分が約
５００ｎｍの直径を有する、項目１１に記載の装置。
トルの波長を有し、該レーザビームの前記穿孔部分が約
５００ｎｍの直径を有する、項目１１に記載の装置。
【００１６】１３．前記パルスエネルギーの前記第２の
所定レベルが、該パルスエネルギーの前記第１の所定レ
ベルよりも高い、項目８に記載の装置。
所定レベルが、該パルスエネルギーの前記第１の所定レ
ベルよりも高い、項目８に記載の装置。
【００１７】１４．前記レーザビームの前記パルスエネ
ルギーが、１ナノジュールと１マイクロジュールとの間
である、項目８に記載の装置。
ルギーが、１ナノジュールと１マイクロジュールとの間
である、項目８に記載の装置。
【００１８】１５．項目１に記載の方法によって形成さ
れた複数の穴を有する基板を含むフォトニック結晶。
れた複数の穴を有する基板を含むフォトニック結晶。
【００１９】１６．前記基板が誘電材料を含む、項目１
５に記載のフォトニック結晶。
５に記載のフォトニック結晶。
【００２０】１７．前記基板が多層誘電材料を含む、項
目１５に記載のフォトニック結晶。
目１５に記載のフォトニック結晶。
【００２１】１８．前記多層誘電材料がシリコン層およ
び二酸化シリコン層を含む、項目１７に記載のフォトニ
ック結晶。
び二酸化シリコン層を含む、項目１７に記載のフォトニ
ック結晶。
【００２２】１９．前記複数の穴が線形アレイの穴であ
り、前記フォトニック結晶が一次元のフォトニック結晶
である、項目１５に記載のフォトニック結晶。
り、前記フォトニック結晶が一次元のフォトニック結晶
である、項目１５に記載のフォトニック結晶。
【００２３】２０．前記複数の穴が線形の穴のマトリッ
クスであり、前記フォトニック結晶が二次元フォトニッ
ク結晶である、項目１５に記載のフォトニック結晶。
クスであり、前記フォトニック結晶が二次元フォトニッ
ク結晶である、項目１５に記載のフォトニック結晶。
【００２４】２１．超高速パルスレーザ、およびレーザ
ビームが通過する出力カプラを含むレーザ加工装置を用
いて、材料に複数の穴を開ける方法であって、ａ．該レ
ーザビームのパルスエネルギーを第１の所定レベルに設
定する工程と、ｂ．該材料の表面の複数の第１の位置の
うちの１つに該レーザビームを集束させるように、該出
力カプラを配置する工程と、ｃ．該レーザビームの多数
のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、
該表面に該複数の穴のうちの１つを形成する工程と、
ｄ．該第１の位置のうちのそれぞれ異なる１つに該出力
カプラを配置して、該複数の穴の一部が該複数の第１の
位置に形成されるまで該工程ｂおよびｃを繰り返す工程
と、ｅ．該レーザビームの該パルスエネルギーを第２の
所定レベルに設定する工程と、ｆ．該表面の少なくとも
１つの第２の位置のうちの１つに該レーザビームを集束
させるように、該出力カプラを配置する工程であって、
該少なくとも１つの第２の位置のうちの該１つが該複数
の第１の位置のうちの隣接する２つの間にある、工程
と、ｇ．該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面
をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のう
ちの１つを形成する工程とを含む方法。
ビームが通過する出力カプラを含むレーザ加工装置を用
いて、材料に複数の穴を開ける方法であって、ａ．該レ
ーザビームのパルスエネルギーを第１の所定レベルに設
定する工程と、ｂ．該材料の表面の複数の第１の位置の
うちの１つに該レーザビームを集束させるように、該出
力カプラを配置する工程と、ｃ．該レーザビームの多数
のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、
該表面に該複数の穴のうちの１つを形成する工程と、
ｄ．該第１の位置のうちのそれぞれ異なる１つに該出力
カプラを配置して、該複数の穴の一部が該複数の第１の
位置に形成されるまで該工程ｂおよびｃを繰り返す工程
と、ｅ．該レーザビームの該パルスエネルギーを第２の
所定レベルに設定する工程と、ｆ．該表面の少なくとも
１つの第２の位置のうちの１つに該レーザビームを集束
させるように、該出力カプラを配置する工程であって、
該少なくとも１つの第２の位置のうちの該１つが該複数
の第１の位置のうちの隣接する２つの間にある、工程
と、ｇ．該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面
をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のう
ちの１つを形成する工程とを含む方法。
【００２５】２２．超高速パルスレーザビームを用いて
材料に複数の穴を開ける方法であって、ａ）該レーザビ
ームのパルスエネルギーを所定レベルに設定する工程で
あって、該所定レベルが、該レーザビームの穿孔部分内
に該材料のアブレーション閾値よりも高い強度を提供す
るように選択される、工程と、ｂ）該材料の表面の複数
の第１の位置のうちの１つに該レーザビームを集束させ
るように、該材料を配置する工程と、ｃ）該レーザビー
ムの第１の所定数のパルスを当てて該表面をアブレート
することにより、該表面に該複数の穴をのうちの１つを
形成する工程と、ｄ）該表面の該複数の第１の位置の全
てが該複数の穴のうちの１つを有するまで該工程ｂ）お
よびｃ）を繰り返す工程と、ｅ）該表面の少なくとも１
つの第２の位置のうちの１つに該レーザビームを集束さ
せるように、該材料を配置する工程であって、該１つの
第２の位置が、該複数の第１の位置のうちの隣接する２
つの間にある、工程と、ｆ）該第１の所定数よりも大き
い第２の所定数のパルスを当てて該表面をアブレートす
ることにより、該表面に該複数の穴のうちの１つを形成
する工程とを含む方法。
材料に複数の穴を開ける方法であって、ａ）該レーザビ
ームのパルスエネルギーを所定レベルに設定する工程で
あって、該所定レベルが、該レーザビームの穿孔部分内
に該材料のアブレーション閾値よりも高い強度を提供す
るように選択される、工程と、ｂ）該材料の表面の複数
の第１の位置のうちの１つに該レーザビームを集束させ
るように、該材料を配置する工程と、ｃ）該レーザビー
ムの第１の所定数のパルスを当てて該表面をアブレート
することにより、該表面に該複数の穴をのうちの１つを
形成する工程と、ｄ）該表面の該複数の第１の位置の全
てが該複数の穴のうちの１つを有するまで該工程ｂ）お
よびｃ）を繰り返す工程と、ｅ）該表面の少なくとも１
つの第２の位置のうちの１つに該レーザビームを集束さ
せるように、該材料を配置する工程であって、該１つの
第２の位置が、該複数の第１の位置のうちの隣接する２
つの間にある、工程と、ｆ）該第１の所定数よりも大き
い第２の所定数のパルスを当てて該表面をアブレートす
ることにより、該表面に該複数の穴のうちの１つを形成
する工程とを含む方法。
【００２６】２３．前記少なくとも１つの第２の位置が
複数の第２の位置を含み、該複数の第２の位置のそれぞ
れが、この問題に対する解決手段は、本発明の例示的な
レーザ加工処理であり、穴どうしをより近くに形成する
ことにより、波長以下の穴の中心間の間隔（ピッチ）に
達することが可能となる。
複数の第２の位置を含み、該複数の第２の位置のそれぞ
れが、この問題に対する解決手段は、本発明の例示的な
レーザ加工処理であり、穴どうしをより近くに形成する
ことにより、波長以下の穴の中心間の間隔（ピッチ）に
達することが可能となる。
【００２７】この例示的なプロセスの第１の工程は、材
料サンプルの表面の穴の位置を、いずれのグループにお
ける２つの穴が、レーザビームのスポットサイズよりも
小さいピッチで形成することがないように選択された２
つのグループに分けることである。次に、レーザビーム
のパルスエネルギーを、表面に所望の直径の穴を開ける
ように選択された、所定レベルに設定する。そして、レ
ーザビームを表面の第１グループの穴の位置に集束する
ようにサンプルを配置し、多数のレーザパルスが表面を
アブレートすることにより、表面に穴を形成する。この
プロセスは、第１グループの各穴の位置に対して繰り返
される。
料サンプルの表面の穴の位置を、いずれのグループにお
ける２つの穴が、レーザビームのスポットサイズよりも
小さいピッチで形成することがないように選択された２
つのグループに分けることである。次に、レーザビーム
のパルスエネルギーを、表面に所望の直径の穴を開ける
ように選択された、所定レベルに設定する。そして、レ
ーザビームを表面の第１グループの穴の位置に集束する
ようにサンプルを配置し、多数のレーザパルスが表面を
アブレートすることにより、表面に穴を形成する。この
プロセスは、第１グループの各穴の位置に対して繰り返
される。
【００２８】この時点で、レーザビームのパルスエネル
ギーを、レーザ硬化された表面に所望の直径の穴を開け
るように選択された、第２の所定レベルに設定する。次
いで、レーザビームを表面の第２グループの穴の位置に
集束するようにサンプルを配置し、多数のレーザパルス
が表面をアブレートすることにより、表面に穴を形成す
る。あるいは、ビームのパルスエネルギーを同じレベル
に維持し、より多くの数のパルスをレーザ硬化された表
面に当ててもよい。このプロセスは、第２グループの各
穴の位置に対して繰り返される。
ギーを、レーザ硬化された表面に所望の直径の穴を開け
るように選択された、第２の所定レベルに設定する。次
いで、レーザビームを表面の第２グループの穴の位置に
集束するようにサンプルを配置し、多数のレーザパルス
が表面をアブレートすることにより、表面に穴を形成す
る。あるいは、ビームのパルスエネルギーを同じレベル
に維持し、より多くの数のパルスをレーザ硬化された表
面に当ててもよい。このプロセスは、第２グループの各
穴の位置に対して繰り返される。
【００２９】あるいは、サンプルではなく、レーザビー
ムを移動してもよい。
ムを移動してもよい。
【００３０】本発明の別の局面は、上記の方法により、
材料サンプルに形成された複数の穴を含む例示的なフォ
トニック結晶である。
材料サンプルに形成された複数の穴を含む例示的なフォ
トニック結晶である。
【００３１】（発明の詳細な説明）本発明は、実質的に
均一なサイズおよび形状を有し、レーザビームの波長よ
りも小さな直径を有する小さな穴を開けるためのレーザ
材料加工用途で用いられる方法を記載する。現在、フェ
ムト秒のレーザパルスを用いるフォトニックバンドギャ
ップ結晶の加工等の多くのレーザ材料加工用途が、サブ
ミクロンの加工能力を必要としている。図１Ａは、材料
サンプル１００にレーザ加工された、間隔が広い穴の列
１０２を示す。これらの穴は、穴を開けるために用いら
れる超高速レーザの波長よりも小さな直径ｄを有するよ
うに形成され得る。例えば、使用されるレーザが７７５
ｎｍフェムト秒レーザである場合、図１の穴は、２μｍ
のピッチｐで、５００ｎｍの直径を有し得る。幾何学的
に言うと、これらの穴を５００ｎｍ程度の狭い間隔で形
成することが可能である。しかしながら、穴がレーザ加
工されるときに、レーザ硬化領域１０４も、サンプルの
表面に沿って、ビーム幅ｗと等しい直径で形成される。
本実施例において、ｗは１．５μｍである。レーザ硬化
領域の材料特性は表面の硬化されていない部分とは著し
く異なり得るので、少なくともその一部が表面のレーザ
硬化領域内に開けられた穴は、硬化されていない部分に
開けられた穴とは大きく異なる特質を有し得る。
均一なサイズおよび形状を有し、レーザビームの波長よ
りも小さな直径を有する小さな穴を開けるためのレーザ
材料加工用途で用いられる方法を記載する。現在、フェ
ムト秒のレーザパルスを用いるフォトニックバンドギャ
ップ結晶の加工等の多くのレーザ材料加工用途が、サブ
ミクロンの加工能力を必要としている。図１Ａは、材料
サンプル１００にレーザ加工された、間隔が広い穴の列
１０２を示す。これらの穴は、穴を開けるために用いら
れる超高速レーザの波長よりも小さな直径ｄを有するよ
うに形成され得る。例えば、使用されるレーザが７７５
ｎｍフェムト秒レーザである場合、図１の穴は、２μｍ
のピッチｐで、５００ｎｍの直径を有し得る。幾何学的
に言うと、これらの穴を５００ｎｍ程度の狭い間隔で形
成することが可能である。しかしながら、穴がレーザ加
工されるときに、レーザ硬化領域１０４も、サンプルの
表面に沿って、ビーム幅ｗと等しい直径で形成される。
本実施例において、ｗは１．５μｍである。レーザ硬化
領域の材料特性は表面の硬化されていない部分とは著し
く異なり得るので、少なくともその一部が表面のレーザ
硬化領域内に開けられた穴は、硬化されていない部分に
開けられた穴とは大きく異なる特質を有し得る。
【００３２】図１Ｂは例示的な材料サンプルを示す。サ
ンプルにレーザ加工された穴は、その穴が一直線上に連
続して開けられる場合、最初の穴に続く各穴の領域の交
差部１０６近傍の部分が、表面のレーザ硬化領域に含ま
れるように狭い間隔で形成される。図１Ａを参照して示
した、上記と同じ例示的なレーザビームパラメータを用
いると、図１Ｂのピッチｐは７５０ｎｍである。
ンプルにレーザ加工された穴は、その穴が一直線上に連
続して開けられる場合、最初の穴に続く各穴の領域の交
差部１０６近傍の部分が、表面のレーザ硬化領域に含ま
れるように狭い間隔で形成される。図１Ａを参照して示
した、上記と同じ例示的なレーザビームパラメータを用
いると、図１Ｂのピッチｐは７５０ｎｍである。
【００３３】このようにして形成された穴は不完全であ
るか、または形が損なわれているかもしれない。特に、
正確な許容差が望まれるフォトニック結晶等の用途では
望ましくない。レーザ硬化領域の最小直径がレーザの回
折限界であるビームスポットサイズにより決定されるの
で、波長よりも小さなピッチの実質的に同一の穴を、連
続した穿孔パターンを用いてレーザ加工することは、多
くの材料において不可能であり得る。
るか、または形が損なわれているかもしれない。特に、
正確な許容差が望まれるフォトニック結晶等の用途では
望ましくない。レーザ硬化領域の最小直径がレーザの回
折限界であるビームスポットサイズにより決定されるの
で、波長よりも小さなピッチの実質的に同一の穴を、連
続した穿孔パターンを用いてレーザ加工することは、多
くの材料において不可能であり得る。
【００３４】図２は、本発明で用いられるレーザ加工装
置の例示的な実施形態を示す。超短波パルスレーザ２０
４、例えば、７７５ｎｍフェムト秒のレーザが、望まし
くはＴＥＭ0,0モードで発振するレーザビーム２００を
生成する。このレーザビームは、レーザ加工装置の構成
要素間の、介在する空気中を通るか、または光ファイバ
ー（図示せず）に沿って伝播され得る。レーザから出射
された後、ビームは、可変強度減衰器およびシャッター
アセンブリー２０６を通過し、シャッター（図示せず）
および可変強度減衰器（図示せず）を含む。シャッター
がパルス数を制御し、可変強度減衰器はビームのパルス
エネルギーを制御する。半波長板および交差偏光子が、
例示的な可変強度減衰器を形成し得る。この組み合わせ
によって、所望のレーザ強度および当てるべきパルス数
を選択することが可能である。本発明の例示的な実施形
態は、７７５ｎｍの波長を有する超短波パルスレーザを
用いる。この可変強度減衰器によって、レーザのパルス
エネルギーが１ナノジュール〜１マイクロジュールに設
定され得る。
置の例示的な実施形態を示す。超短波パルスレーザ２０
４、例えば、７７５ｎｍフェムト秒のレーザが、望まし
くはＴＥＭ0,0モードで発振するレーザビーム２００を
生成する。このレーザビームは、レーザ加工装置の構成
要素間の、介在する空気中を通るか、または光ファイバ
ー（図示せず）に沿って伝播され得る。レーザから出射
された後、ビームは、可変強度減衰器およびシャッター
アセンブリー２０６を通過し、シャッター（図示せず）
および可変強度減衰器（図示せず）を含む。シャッター
がパルス数を制御し、可変強度減衰器はビームのパルス
エネルギーを制御する。半波長板および交差偏光子が、
例示的な可変強度減衰器を形成し得る。この組み合わせ
によって、所望のレーザ強度および当てるべきパルス数
を選択することが可能である。本発明の例示的な実施形
態は、７７５ｎｍの波長を有する超短波パルスレーザを
用いる。この可変強度減衰器によって、レーザのパルス
エネルギーが１ナノジュール〜１マイクロジュールに設
定され得る。
【００３５】レーザビームは、次いで、加工するサンプ
ル１００の表面に集束される。ビーム２００をワークピ
ース１００に集束させるために、作動距離が長く開口率
が高い、顕微鏡の対物レンズ等の出力カプラ２０２が用
いられ得る。サンプル１００は、ナノメーターの解像度
を有する精密なＸＹＺ平行移動ステージ２１０に取りつ
けられ得る。光カプラ２０２に対してＸＹＺステージ２
１０を移動させることによって、図２の集束されたレー
ザビーム２０８で示すように、サンプル上の任意のスポ
ットにレーザビームを正確に集束し得る。
ル１００の表面に集束される。ビーム２００をワークピ
ース１００に集束させるために、作動距離が長く開口率
が高い、顕微鏡の対物レンズ等の出力カプラ２０２が用
いられ得る。サンプル１００は、ナノメーターの解像度
を有する精密なＸＹＺ平行移動ステージ２１０に取りつ
けられ得る。光カプラ２０２に対してＸＹＺステージ２
１０を移動させることによって、図２の集束されたレー
ザビーム２０８で示すように、サンプル上の任意のスポ
ットにレーザビームを正確に集束し得る。
【００３６】図５にチャートで示す本発明の例示的な方
法は、図２に示す種類のレーザ加工装置を用いて、波長
よりも小さな間隔を有する穴を開けるための手順であ
る。これは、新たな穿孔パターンを用いて達成される。
法は、図２に示す種類のレーザ加工装置を用いて、波長
よりも小さな間隔を有する穴を開けるための手順であ
る。これは、新たな穿孔パターンを用いて達成される。
【００３７】第１の工程５００は材料サンプル１００上
の位置を隔てることであり、穴は２つのグループに分け
て開けられる。これらのグループは、所与のグループの
２つの穴が、一方の穴の加工中に形成されたレーザ硬化
領域が他方の穴の一部と重なるほど互いに近くならない
ように選択される必要がある。厳密には、これは、同じ
グループの任意の２つの穴の間隔が、レーザ硬化領域の
幅と少なくとも等しいことを意味する。一列の穴に対し
て、これらのグループは、穴に連続した番号をつけるこ
とによって、通常は選択され得、偶数の番号を付けられ
た穴が一方のグループとなり、奇数の番号をつけられた
穴が他方のグループとなる。一列の穴が２つのグループ
に分けられた後も、一方のグループの穴がなお互いに近
接している場合、３つのグループが形成され得ることが
企図されている。
の位置を隔てることであり、穴は２つのグループに分け
て開けられる。これらのグループは、所与のグループの
２つの穴が、一方の穴の加工中に形成されたレーザ硬化
領域が他方の穴の一部と重なるほど互いに近くならない
ように選択される必要がある。厳密には、これは、同じ
グループの任意の２つの穴の間隔が、レーザ硬化領域の
幅と少なくとも等しいことを意味する。一列の穴に対し
て、これらのグループは、穴に連続した番号をつけるこ
とによって、通常は選択され得、偶数の番号を付けられ
た穴が一方のグループとなり、奇数の番号をつけられた
穴が他方のグループとなる。一列の穴が２つのグループ
に分けられた後も、一方のグループの穴がなお互いに近
接している場合、３つのグループが形成され得ることが
企図されている。
【００３８】次の工程５０２で、レーザビームのパルス
エネルギーが、レーザビームの集束された空間プロフィ
ールの中心領域内に、硬化されていない材料のアブレー
ション閾値よりも高いレーザビーム強度を提供するレベ
ルに設定される。この強度がアブレーション閾値を越え
るレーザビームプロフィールの面積は、望ましくは、加
工される穴１個分の面積と同じである。
エネルギーが、レーザビームの集束された空間プロフィ
ールの中心領域内に、硬化されていない材料のアブレー
ション閾値よりも高いレーザビーム強度を提供するレベ
ルに設定される。この強度がアブレーション閾値を越え
るレーザビームプロフィールの面積は、望ましくは、加
工される穴１個分の面積と同じである。
【００３９】次に、図５に示す例示的な実施形態におい
て、サンプルは、レーザビームがサンプルの表面の第１
のグループの穴の位置のうちの１つに集束されるように
配置される（工程５０４）。サンプルは、表面に穴を適
切に配置するためにＸおよびＹ方向に正確に配置され、
そして、表面にレーザビームを集束させるようにＺ方向
に正確に配置される。サンプルを動かす代わりに、作動
距離が長い顕微鏡の対物レンズ２０２を操作して、レー
ザビームを集束および／または配置し得ることが企図さ
れている。レーザビームを配置するために、顕微鏡の対
物レンズを移動する場合、レーザビームが、レーザ加工
装置の構成要素間を光ファイバー内で伝播され得ること
が望ましい。
て、サンプルは、レーザビームがサンプルの表面の第１
のグループの穴の位置のうちの１つに集束されるように
配置される（工程５０４）。サンプルは、表面に穴を適
切に配置するためにＸおよびＹ方向に正確に配置され、
そして、表面にレーザビームを集束させるようにＺ方向
に正確に配置される。サンプルを動かす代わりに、作動
距離が長い顕微鏡の対物レンズ２０２を操作して、レー
ザビームを集束および／または配置し得ることが企図さ
れている。レーザビームを配置するために、顕微鏡の対
物レンズを移動する場合、レーザビームが、レーザ加工
装置の構成要素間を光ファイバー内で伝播され得ること
が望ましい。
【００４０】所定数のパルスが、表面５０６をアブレー
トするために当てられる。この数は、硬化されていない
部分に所望の穴のサイズを導入するために計算され得
る。あるいは、穿孔プロセスが、適切な数のパルスが通
った時を確認するために、インサイチュでモニターされ
得る。このようにして、非常に精度が高い穴の深さが達
成され得る。
トするために当てられる。この数は、硬化されていない
部分に所望の穴のサイズを導入するために計算され得
る。あるいは、穿孔プロセスが、適切な数のパルスが通
った時を確認するために、インサイチュでモニターされ
得る。このようにして、非常に精度が高い穴の深さが達
成され得る。
【００４１】工程５０８での判定により、前の２つの工
程５０４および５０６が、第１のグループ全ての穴が開
けられるまで繰り返される。
程５０４および５０６が、第１のグループ全ての穴が開
けられるまで繰り返される。
【００４２】表面の第１の位置の全てが穴を有すると、
プロセスは工程５１０に進む。レーザビームのパルスエ
ネルギーが、レーザ硬化された材料のアブレーション閾
値よりも高いレーザビーム強度を提供する第２のレベル
に設定される。この強度がアブレーション閾値を越える
レーザビームプロフィールの面積は、望ましくは、加工
される穴の１個分の面積と同じである。
プロセスは工程５１０に進む。レーザビームのパルスエ
ネルギーが、レーザ硬化された材料のアブレーション閾
値よりも高いレーザビーム強度を提供する第２のレベル
に設定される。この強度がアブレーション閾値を越える
レーザビームプロフィールの面積は、望ましくは、加工
される穴の１個分の面積と同じである。
【００４３】次に、サンプルは、レーザビームがサンプ
ルの表面の第２グループの穴の位置のうちの１つに集束
されるように配置される（工程５１２）。サンプルは工
程５０４と同様に配置される。
ルの表面の第２グループの穴の位置のうちの１つに集束
されるように配置される（工程５１２）。サンプルは工
程５０４と同様に配置される。
【００４４】レーザビームの多数のパルスが、次いで、
表面５１４をアブレートするために当てられる。この数
は、レーザ硬化部分に望ましい穴のサイズを導入するた
めに計算され得るか、または工程５０６に関して既述し
たようにモニターされ得る。
表面５１４をアブレートするために当てられる。この数
は、レーザ硬化部分に望ましい穴のサイズを導入するた
めに計算され得るか、または工程５０６に関して既述し
たようにモニターされ得る。
【００４５】これらの最後の２つの工程５１２および５
１４は、第２グループの全ての穴が開けられるまで繰り
返され得る。第３グループの穴の位置がある場合には、
パルスエネルギーは、レーザビームに２度当てられた材
料に対して、第３グループの穴を、最初の２つのグルー
プと同様の方法で開けるために再度増加され得る。
１４は、第２グループの全ての穴が開けられるまで繰り
返され得る。第３グループの穴の位置がある場合には、
パルスエネルギーは、レーザビームに２度当てられた材
料に対して、第３グループの穴を、最初の２つのグルー
プと同様の方法で開けるために再度増加され得る。
【００４６】この方法は、レーザ硬化された周辺部が存
在し得、且つ従来の穿孔方式を連続して用いたときに確
実な穿孔結果を妨げ得る、レーザ加工プロセスのいずれ
にも適用できる。図３に示す本発明の例示的な実施形態
は、フォトニック結晶を生成するために、基板３００に
フェムト秒のパルスで穴１０２を開ける工程を伴う。こ
の基板は、望ましくは、誘電材料または二酸化シリコン
上のシリコン構造等の多層構造で形成され得る。図３に
示す例示的なフォトニック結晶は、正方形のパターンに
配列された穴を有する二次元のフォトニック結晶構造と
して形成されている。この正方形のパターンは、単に二
次元のフォトニック結晶の１つの可能なパターンにすぎ
ない。六角形のパターン等の他のパターンもまた、本発
明のレーザ加工法を用いて形成され得る。１次元のフォ
トニック結晶構造も同様に、本発明のレーザ加工プロセ
スを用いて形成され得ることが企図されている。
在し得、且つ従来の穿孔方式を連続して用いたときに確
実な穿孔結果を妨げ得る、レーザ加工プロセスのいずれ
にも適用できる。図３に示す本発明の例示的な実施形態
は、フォトニック結晶を生成するために、基板３００に
フェムト秒のパルスで穴１０２を開ける工程を伴う。こ
の基板は、望ましくは、誘電材料または二酸化シリコン
上のシリコン構造等の多層構造で形成され得る。図３に
示す例示的なフォトニック結晶は、正方形のパターンに
配列された穴を有する二次元のフォトニック結晶構造と
して形成されている。この正方形のパターンは、単に二
次元のフォトニック結晶の１つの可能なパターンにすぎ
ない。六角形のパターン等の他のパターンもまた、本発
明のレーザ加工法を用いて形成され得る。１次元のフォ
トニック結晶構造も同様に、本発明のレーザ加工プロセ
スを用いて形成され得ることが企図されている。
【００４７】図４は、図５を参照して上述した例示的な
レーザ加工プロセスの別の用途を示す。図４の材料サン
プル１００は、表面にレーザ加工された溝４０２を有す
る。この溝は、本発明に従って、穴の直径の一部をピッ
チとして、波長よりも小さい直径の穴を連続して形成す
ることによって刻まれ得るので、穴が重なり合い、実質
的に滑らかな溝を形成する。このような溝を形成するた
めに、穴の位置を少なくとも３つのグループに分けるこ
とが望ましい。
レーザ加工プロセスの別の用途を示す。図４の材料サン
プル１００は、表面にレーザ加工された溝４０２を有す
る。この溝は、本発明に従って、穴の直径の一部をピッ
チとして、波長よりも小さい直径の穴を連続して形成す
ることによって刻まれ得るので、穴が重なり合い、実質
的に滑らかな溝を形成する。このような溝を形成するた
めに、穴の位置を少なくとも３つのグループに分けるこ
とが望ましい。
【００４８】本発明を例示的な実施形態に関して述べた
が、本発明は、添付の特許請求の範囲内で上述のとおり
に実行され得ることが企図されている。また、添付の特
許請求の範囲によって規定される本発明の範囲から逸脱
しない、多くの他の改変例が存在することを、当業者は
理解する。
が、本発明は、添付の特許請求の範囲内で上述のとおり
に実行され得ることが企図されている。また、添付の特
許請求の範囲によって規定される本発明の範囲から逸脱
しない、多くの他の改変例が存在することを、当業者は
理解する。
【００４９】結論として、本発明は、超高速パルスレー
ザを用いるレーザ加工の方法を提供する。本発明に従っ
て、レーザの波長よりも小さなピッチの複数の穴が材料
サンプルに開けられる。確実且つ再現可能な穿孔が、第
１の集合の穴に隣接する穴について表面のレーザ硬化を
避けるために間隔を置いた表面に、第１のパルスエネル
ギーで多数のパルスを当てる例示的な穿孔のシーケンス
を通して達成される。次に、パルス数を増加するか、ま
たはレーザビームのエネルギーを増加させて、第１の集
合の穴の間に穴を開ける。例示的なレーザ加工プロセス
は、他の用途の中でも特に、１次元および二次元双方の
フォトニック結晶を製造するために用いられ得る。
ザを用いるレーザ加工の方法を提供する。本発明に従っ
て、レーザの波長よりも小さなピッチの複数の穴が材料
サンプルに開けられる。確実且つ再現可能な穿孔が、第
１の集合の穴に隣接する穴について表面のレーザ硬化を
避けるために間隔を置いた表面に、第１のパルスエネル
ギーで多数のパルスを当てる例示的な穿孔のシーケンス
を通して達成される。次に、パルス数を増加するか、ま
たはレーザビームのエネルギーを増加させて、第１の集
合の穴の間に穴を開ける。例示的なレーザ加工プロセス
は、他の用途の中でも特に、１次元および二次元双方の
フォトニック結晶を製造するために用いられ得る。
【図１Ａ】図１Ａは、レーザ加工されたサンプルの一部
分における、間隔を広く置いた穴、および関連するレー
ザ硬化領域を示す上面図である。
分における、間隔を広く置いた穴、および関連するレー
ザ硬化領域を示す上面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、レーザ加工されたサンプルの一部
分における、間隔を狭く置いた穴、および関連するレー
ザ硬化領域を示す上面図である。
分における、間隔を狭く置いた穴、および関連するレー
ザ硬化領域を示す上面図である。
【図２】図２は、本発明の例示的なレーザ加工装置を示
すブロック図である。
すブロック図である。
【図３】図３は、本発明の例示的なレーザ加工法によっ
て形成された例示的なフォトニック結晶を示す上面図で
ある。
て形成された例示的なフォトニック結晶を示す上面図で
ある。
【図４】図４は、本発明の例示的なレーザ加工法を用い
て、材料の一部に刻まれたレーザ加工された溝を示す上
面図である。
て、材料の一部に刻まれたレーザ加工された溝を示す上
面図である。
【図５】図５は、本発明の例示的なレーザ加工法を示す
フローチャートである。
フローチャートである。
フロントページの続き Ｆターム(参考） 4E068 AF01 CA02 CA03 CA14 CD05 CD14 CK01
Claims (27)
- 【請求項１】 超高速パルスレーザビームを用いて、材
料に複数の穴を開ける方法であって、 ａ）該レーザビームのパルスエネルギーを第１の所定レ
ベルに設定する工程であって、該第１の所定レベルが、
該レーザビームの穿孔部分内に該材料のアブレーション
閾値よりも高い強度を提供するように選択される、工程
と、 ｂ）該材料の表面の複数の第１の位置のうちの１つに該
レーザビームを集束させるように、該材料を配置する工
程と、 ｃ）該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面をア
ブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの
１つを形成する工程と、 ｄ）該表面の該複数の第１の位置の全てが該複数の穴の
うちの１つを有するまで該工程ｂ）およびｃ）を繰り返
す工程と、 ｅ）該レーザビームの該パルスエネルギーを第２の所定
レベルに設定する工程であって、該第２の所定レベル
が、該レーザビームの該穿孔部分内に該材料のレーザ硬
化アブレーション閾値よりも高い強度を提供するように
選択される、工程と、 ｆ）該表面の少なくとも１つの第２の位置のうちの１つ
に該レーザビームを集束させるように、該材料を配置す
る工程であって、該１つの第２の位置が、該複数の第１
の位置のうちの隣接する２つの間にある、工程と、 ｇ）該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面をア
ブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの
１つを形成する工程と、を包含する方法。 - 【請求項２】 前記少なくとも１つの第２の位置が複数
の第２の位置を含み、該複数の第２の位置のそれぞれ
が、前記複数の第１の位置のうちの隣接する２つの間に
あり、前記方法は、 ｈ）前記表面の該複数の第２の位置の全てが前記複数の
穴のうちの１つを有するまで工程ｆ）およびｇ）を繰り
返す工程と、 ｉ）前記レーザビームの前記パルスエネルギーを、前記
第２の所定レベルよりも高い第３の所定レベルに設定す
る工程と、 ｊ）該表面の少なくとも１つの第３の位置のうちの１つ
に該レーザビームを集束させるように、前記材料を配置
する工程であって、該１つの第３の位置が、該複数の第
１の位置のうちの１つと、該複数の第２の位置のうちの
隣接する１つとの間にある、工程と、 ｋ）該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面をア
ブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの
１つを形成する工程と、をさらに包含する、請求項１に
記載の方法。 - 【請求項３】 前記レーザビームがＴＥＭ0,0モードで
発振するようにレーザを作動させる工程をさらに包含す
る、請求項１に記載の方法。 - 【請求項４】 前記レーザビームがある波長を有し、該
レーザビームの前記パルスエネルギーを前記第１の所定
レベルに設定する前記工程は、該レーザビームの前記穿
孔部分が該レーザビームの該波長よりも小さな直径を有
するように規定するために、該レーザビームの該パルス
エネルギーを設定する工程を含む、請求項１に記載の方
法。 - 【請求項５】 前記レーザビームが７７５ナノメートル
の波長を有し、該レーザビームの前記パルスエネルギー
を設定する前記工程は、該レーザビームの前記穿孔部分
を約５００ｎｍの直径を有するように規定する、請求項
４に記載の方法。 - 【請求項６】 前記レーザビームの前記パルスエネルギ
ーを前記第２の所定レベルに設定する前記工程が、該パ
ルスエネルギーの該第２の所定レベルを、該パルスエネ
ルギーの前記第１の所定レベルよりも高いレベルに設定
する工程を含む、請求項１に記載の方法。 - 【請求項７】 前記レーザビームの前記パルスエネルギ
ーを前記第１の所定レベルに設定する前記工程が、該パ
ルスエネルギーを１ナノジュールと１マイクロジュール
との間に設定する工程を含む、請求項１に記載の方法。 - 【請求項８】 材料に複数の穴を開ける装置であって、 レーザビームを提供する超高速パルスレーザと、 該超高速パルスレーザに結合された、該レーザビームの
パルスエネルギーを第１の所定レベルに設定する手段で
あって、該第１の所定レベルが、該レーザビームの穿孔
部分内に該材料のアブレーション閾値よりも高い強度を
提供するように選択される、手段と、 該材料の表面の複数の第１の位置のそれぞれに該レーザ
ビームを集束させるように、該材料を該複数の第１の位
置に配置する、平行移動テーブルと、 該レーザビームの多数のパルスを当てて、該第１の複数
の位置のそれぞれの該表面をアブレートすることによ
り、該表面に該複数の穴の第１の部分を形成する手段
と、 該レーザビームの該パルスエネルギーを第２の所定レベ
ルに設定する手段であって、該第２の所定レベルが、該
レーザビームの該穿孔部分内に該材料のレーザ硬化アブ
レーション閾値よりも高い強度を提供するように選択さ
れる、手段と、 該表面の少なくとも１つの第２の位置のうちの１つに該
レーザビームを集束させるように該材料を配置する、該
平行移動テーブルに結合された手段であって、該１つの
第２の位置が、該複数の第１の位置のうちの隣接する２
つの間にある、手段と、 該レーザビームの多数のパルスを該第２の所定レベルの
ビームエネルギーで当てて、該１つの第２の位置の該表
面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴の
うちの１つを形成する手段と、を含む装置。 - 【請求項９】 前記少なくとも１つの第２の位置が複数
の第２の位置を含み、該複数の第２の位置のそれぞれ
が、前記複数の第１の位置のうちの隣接する２つの間に
あり、前記装置は、 前記レーザビームの前記パルスエネルギーを前記第２の
所定レベルよりも高い第３の所定レベルに設定する手段
と、 前記表面の少なくとも１つの第３の位置のうちの１つに
該レーザビームを集束させるように、前記材料を配置す
る手段であって、該１つの第３の位置が、該複数の第１
の位置のうちの１つと、該複数の第２の位置のうちの隣
接する１つとの間にある、手段と、 該レーザビームの多数のパルスを当てて該１つの第３の
位置の該材料の該表面をアブレートすることにより、該
表面に該複数の穴のうちの１つを形成する手段と、をさ
らに含む、請求項８に記載の装置。 - 【請求項１０】 前記レーザビームがＴＥＭ0,0モード
で発振する、請求項８に記載の装置。 - 【請求項１１】 前記レーザビームがある波長を有し、
該レーザビームの前記エネルギーレベルが、該レーザビ
ームの前記穿孔部分を該レーザビームの該波長よりも小
さい直径に規定するために設定される、請求項８に記載
の装置。 - 【請求項１２】 前記レーザビームが７７５ナノメート
ルの波長を有し、該レーザビームの前記穿孔部分が約５
００ｎｍの直径を有する、請求項１１に記載の装置。 - 【請求項１３】 前記パルスエネルギーの前記第２の所
定レベルが、該パルスエネルギーの前記第１の所定レベ
ルよりも高い、請求項８に記載の装置。 - 【請求項１４】 前記レーザビームの前記パルスエネル
ギーが、１ナノジュールと１マイクロジュールとの間で
ある、請求項８に記載の装置。 - 【請求項１５】 請求項１に記載の方法によって形成さ
れた複数の穴を有する基板を含むフォトニック結晶。 - 【請求項１６】 前記基板が誘電材料を含む、請求項１
５に記載のフォトニック結晶。 - 【請求項１７】 前記基板が多層誘電材料を含む、請求
項１５に記載のフォトニック結晶。 - 【請求項１８】 前記多層誘電材料がシリコン層および
二酸化シリコン層を含む、請求項１７に記載のフォトニ
ック結晶。 - 【請求項１９】 前記複数の穴が線形アレイの穴であ
り、前記フォトニック結晶が一次元のフォトニック結晶
である、請求項１５に記載のフォトニック結晶。 - 【請求項２０】 前記複数の穴が線形の穴のマトリック
スであり、前記フォトニック結晶が二次元フォトニック
結晶である、請求項１５に記載のフォトニック結晶。 - 【請求項２１】 超高速パルスレーザ、およびレーザビ
ームが通過する出力カプラを含むレーザ加工装置を用い
て、材料に複数の穴を開ける方法であって、 ａ．該レーザビームのパルスエネルギーを第１の所定レ
ベルに設定する工程と、 ｂ．該材料の表面の複数の第１の位置のうちの１つに該
レーザビームを集束させるように、該出力カプラを配置
する工程と、 ｃ．該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面をア
ブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの
１つを形成する工程と、 ｄ．該第１の位置のうちのそれぞれ異なる１つに該出力
カプラを配置して、該複数の穴の一部が該複数の第１の
位置に形成されるまで該工程ｂおよびｃを繰り返す工程
と、 ｅ．該レーザビームの該パルスエネルギーを第２の所定
レベルに設定する工程と、 ｆ．該表面の少なくとも１つの第２の位置のうちの１つ
に該レーザビームを集束させるように、該出力カプラを
配置する工程であって、該少なくとも１つの第２の位置
のうちの該１つが該複数の第１の位置のうちの隣接する
２つの間にある、工程と、 ｇ．該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面をア
ブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの
１つを形成する工程と、を含む方法。 - 【請求項２２】 超高速パルスレーザビームを用いて材
料に複数の穴を開ける方法であって、 ａ）該レーザビームのパルスエネルギーを所定レベルに
設定する工程であって、該所定レベルが、該レーザビー
ムの穿孔部分内に該材料のアブレーション閾値よりも高
い強度を提供するように選択される、工程と、 ｂ）該材料の表面の複数の第１の位置のうちの１つに該
レーザビームを集束させるように、該材料を配置する工
程と、 ｃ）該レーザビームの第１の所定数のパルスを当てて該
表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴
をのうちの１つを形成する工程と、 ｄ）該表面の該複数の第１の位置の全てが該複数の穴の
うちの１つを有するまで該工程ｂ）およびｃ）を繰り返
す工程と、 ｅ）該表面の少なくとも１つの第２の位置のうちの１つ
に該レーザビームを集束させるように、該材料を配置す
る工程であって、該１つの第２の位置が、該複数の第１
の位置のうちの隣接する２つの間にある、工程と、 ｆ）該第１の所定数よりも大きい第２の所定数のパルス
を当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に
該複数の穴のうちの１つを形成する工程と、を含む方
法。 - 【請求項２３】 前記少なくとも１つの第２の位置が複
数の第２の位置を含み、該複数の第２の位置のそれぞれ
が、前記複数の第１の位置のうちの隣接する２つの間に
あり、前記方法は、 ｇ）前記表面の該複数の第２の位置の全てが前記複数の
穴のうちの１つを有するまで前記工程ｅ）およびｆ）を
繰り返す工程と、 ｈ）該表面の少なくとも１つの第３の位置のうちの１つ
に前記レーザビームを集束させるように、前記材料を配
置する工程であって、該１つの第３の位置が、該複数の
第１の位置のうちの１つと、該複数の第２の位置のうち
の隣接する１つとの間にある、工程と、 ｉ）該レーザビームの第３の所定数のパルスを当てて該
表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴
のうちの１つを形成する工程であって、該第３の所定数
が前記第２の所定数よりも大きい、工程と、をさらに含
む、請求項２２に記載の方法。 - 【請求項２４】 前記レーザビームがＴＥＭ0,0モード
で発振するように前記レーザを作動させる工程をさらに
含む、請求項２２に記載の方法。 - 【請求項２５】 前記レーザビームがある波長を有し、
該レーザビームの前記パルスエネルギーを前記所定レベ
ルに設定する前記工程が、該レーザビームの前記穿孔部
分が該レーザビームの該波長よりも小さい直径を有する
ように規定するために、該レーザビームの該パルスエネ
ルギーを設定する工程を含む、請求項２２に記載の方
法。 - 【請求項２６】 前記レーザビームが７７５ナノメート
ルの波長を有し、前記レーザビームの前記パルスエネル
ギーを設定する前記工程が、該ビームの前記穿孔部分を
約５００ｎｍの直径を有するように規定する、請求項２
５に記載の方法。 - 【請求項２７】 前記レーザビームの前記パルスエネル
ギーを前記所定レベルに設定する前記工程が、該パルス
エネルギーを１ナノジュールと１マイクロジュールとの
間に設定する工程を含む、請求項２２に記載の方法。
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|---|---|---|---|
| US17189499P | 1999-12-23 | 1999-12-23 | |
| US60/171.894 | 1999-12-23 |
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|---|---|
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|---|---|---|---|
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| Country | Link |
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