JP2004535604A - 光放射用のビーム形成素子及び当該素子の製造方法。 - Google Patents

Abstract

本発明は、特にＵＶレーザーの光放射のためのビーム整形素子及び当該ビーム整形素子の製造方法に関連する。このビーム整形素子は、光放射のビームの整形のために構成された薄層金属配線がベアリングされたキャリア基板（１）を備え、薄層金属配線は、少なくとも２層の金属層（２，３）から構成され、光放射（４）が少なくとも所定の強度又は放射期間において行われた時点で、当該光放射（４）の衝撃に応じて永久的な色の変化を伴って互いに反応する。ビーム整形素子の実施形態によれば、使用により光学活性による視認可能な痕跡が残るので、偶発的に複数回使用されることがなくなる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、光放射（optical radiation）、より詳細にはＵＶレーザー放射のためのビーム整形素子(beam-shaping element)に関連し、入射する光放射のビームの整形を行うように構成された薄層金属配線（thin-layer metallization）がベアリングされたキャリア基板を備える。本発明はまた、光放射のビーム整形素子を製造するための方法に関する。
【０００２】
ビーム整形素子は、例えば材料処理分野や、医療技術分野に適用するためにレーザービームを整形するのに利用される。ビーム整形素子の目的は、まず所定の強度プロファイルを有するレーザー放射を生成することであり、これは各用途への適用に際して有用である。ビーム整形素子は、例えば強烈なＵＶレーザー放射の強度プロファイル（intensity profile）をレベリングして、平面材料処理（planar material processing）において未処理のエリアへの継続的な遷移（continuous transition）を可能とするために利用される。処理対象は生物であってもよい。特に、医療分野では、ＵＶレーザーを使った角膜処置では、角膜収差を修正するためにそのような継続的な遷移が必要とされる。ビーム整形素子は、微細構造のビーム整形ダイアフラムとして設計され、そのような設計においてレーザ放射の強烈な強度プロファイルは回折され、フラットなビームプロファイルが得られる。そのようなタイプのビーム整形素子において、薄金属層が微細構造が生成される透明なキャリア基板上に形成される。
【０００３】
しかしながら、特に、強烈なＵＶレーザー放射を利用する場合は、この金属配線（metallization）は経時的に損なわれてしまい、入射レーザー放射におけるビーム整形の効果がもはや期待できないようになってしまう。ユーザーはメタライゼーションの初期の劣化（early wear）を知ることができないために、特に医療分野において患者に対して少なからぬリスクを招くものである。これらの理由により、強烈なＵＶ放射についてのビーム整形素子の使用は、医療技術分野においては１回のみとすべきである。しかしながら、そのような一回のみの使用を確実なものとするためには、ユーザーが忍耐強い注意を持って作業することが要求される。というのも、ビーム整形素子がそれ以前に使用されたかどうかは、大抵の場合明らかではないからである。よって、使用済みのビーム整形素子が偶発的に再使用されてしまうことが起こり得る。
【０００４】
本発明の目的は、特にＵＶレーザーの光放射のためのビーム整形素子及び、当該ビーム整形素子を製造する方法を提供することであり、ここで当該素子は、強烈な光放射において利用される際に１回限りの使用を認識可能なビーム整形素子である。
【０００５】
[発明の記述]
本発明の目的は、請求項１及び請求項１１にそれぞれ記載のビーム整形素子及び方法によって達成される。ビーム整形素子及び方法の有用な実施形態は、従属請求項の主題である。
【０００６】
本発明のビーム整形素子は、光放射のビームの整形のために構成された薄層金属配線がベアリングされたキャリア基板を備え、薄層金属配線が、少なくとも２層の金属層から構成され、光照射が少なくとも所定の強度又は放射期間のいずれかにおいて行われた時点で、永久的な色の変化を伴って相互反応することを特徴とする。
【０００７】
２つの金属層の材料の反応により、好ましくはそれぞれの金属の合金が生成される。これは、光放射のインパクトのポイントにおいてこれらのコートが入射した光放射により暖められた結果である。各金属を適切に選択することで、上部の金属層の色と比較して明らかに変化した色の合金が形成される。色の変化を含めてそのようなタイプの合金形成に相応しい金属は当業者には公知である。当該反応を引き起こすのに必要とされるエネルギーは、光放射の照射がされない状態での温度エネルギーを当然に上回るべきである。さらに、反応が引き起こされる際の光放射の強度、照射時間は、金属層がこの強度及び／又はこの照射期間において既にダメージを受けているので、あまり高くてもいけない。
【０００８】
光放射の強度プロファイルを整形するために本発明のビーム整形素子を利用する場合、十分な強度が十分な照射期間において照射されるレーザー放射の場合は特に、光学的照射のインパクトのポイントにおける色の変化によりユーザーは使用後に直ちに、当該ビーム整形素子が以前に利用されたものであると認識することができる。このように、特に医療分野において、強烈はＵＶレーザー放射を利用する際に、ビーム整形素子の複数回の利用による過ちを防止することができる。照射のインパクトポイントにおける色の変化による使用の痕跡は、放射による消耗で金属配線に亀裂やホールが現れるよりも遙かに前に、金属配線に起こり得る光学的な劣化を示すものである。これらの光学的に視認可能な使用の痕跡にもかかわらず、ビーム整形素子の金属配線の機能は維持され、このポイントにおける金属配線に亀裂やボンディングの問題は発生しない。
【０００９】
好ましくは、本発明のビーム整形素子の金属層は、利用される光放射に対する薄層金属配線の反射率が、２層間において引き起こされる反応により永久的に低減されるように選択される。このような変色領域における反射率の更なる低減により、特にＵＶレーザー放射の場合に、ビーム整形素子における反射が高すぎると簡単に損傷をうけてしまう上流の高品位の視覚（high-grade optic）の寿命が長くなる。
【００１０】
本発明の好適な実施形態においては、二層の金属層のうちの上部は貴金属で形成される。この貴金属によるカバー層の利用により、ビーム整形素子の無限のエージングが可能となり、エージングは誤作動を引き起こさない。二層の金属層のうちの下部、即ち、キャリア基板上に配置された層は好ましくはクロム或いは、クロム合金により形成される。クロムはこの接続において様々な利点を有している。例えば、キャリア基板と上層との間のボンディング物質として作用することができる。一方、ビーム整形に必要とされる微細構造の生成するのに、この材料には湿式化学（wet-chemical）エッチングを利用することができる。
【００１１】
ビーム整形素子の好適な実施形態において、上層は金で形成され、下層はクロムで形成される。クロム層と金層との厚みの比率は好ましくは１：１．４から１：１．８である。
【００１２】
強烈な光放射、特にＵＶレーザー放射を利用した照射を受けると、これらの二層の金属層は照射による局所的な治金反応の結果として合金を形成し、光放射のインパクトのポイントにおいて、光沢のある金色から光沢のないグレーブラウンに明らかに視認可能に変色する。層の厚みの比率を望ましく選択することにより、一方では望ましい合金が形成され、他方では、薄層金属配線における合金の形成による大きな引張応力（tensile stress）を防止することができる。このビーム整形素子は、193nm帯のＵＶレーザー放射について利用することにより大きな利点があり、このレーザー放射帯域において、光学活性による視認可能な変色により継続的に反射率が１％より下に引き下げられる。その一方で、レーザービームによる衝撃（impingement of the laser beam）を受ける以前の金層の反射率は１９３nmで約１０％である。
【００１３】
少なくとも２層の金属層により構成される薄層金属配線は、もちろん、ビーム整形に必要とされる光学的密集（optical denseness）が得られるような厚みを有するように選択されなければならない。しかしながら、微細光学的構造において構造的な幅が２５０nmを下回るように、この薄層金属配線は全体的な厚みとして２５０nm以下であることが好ましい。
【００１４】
本発明の光放射のためのビーム整形素子の製造方法において、特に上述のビーム整形素子は、クロム若しくはクロム合金の第１の下層は、光放射に対して透明なキャリア基板に形成される。貴金属の上層は、中間層の形成の後の環境下において、この下層の上に形成される。層を構成するシーケンスは結果的に、必要とされるビーム整形に応じて構成される。フォトリソグラフィを利用した上層の微細構造化と、その後の下層までエッチングを施すドライエッチング処理とにより構造形成が行われる。上層は、下層の微細構造化におけるエッチングマスクとして作用し、湿式化学エッチング処理により下層の構造形成が行われる。これにより、正確な微細構造を有するビーム整形ダイアフラムを簡単な方法により製造することができる。下層及び上層は好ましくは物理的なスパッタリング方法を利用して形成される。
【００１５】
本発明の方法は、上述のビーム整形素子の製造を可能とする。しかしながら、本方法は、光放射の衝撃による変色によって使用の痕跡を示さないようなビーム整形素子を製造する際にも利用することができる。この場合、形成された層は光放射の衝撃によっても光学活性による視認可能な治金反応が発生しないように、サーマルエージング処理、特にはテンパリング（tempering）により熱力学的に安定化される。サーマルエージング処理により、もし金が上層に、クロムが下層に採用され、チタニウム中間層を伴う場合では、１９３nm帯における光放射に対して有利な方法で非常に低い反射率として２％未満が達成され、レーザーの衝撃によっても変化しない。さらに、貴金属のカバー層により、ビーム整形素子に室温における無限のエージング時間がもたらされる。このタイプのビーム整形素子は、低反射率で耐久性に優れた複数回利用可能なビーム整形素子が要求される分野において利用可能である。
【００１６】
以下において、添付する図面を参照して、好適な実施形態に基づき発明の全体的な概念に一切の限定を付与することなく、再度本発明を簡潔に説明する。
【００１７】
［発明を実施する方法］
図１は、本発明のビーム整形素子８の構成の一例を模式的に示す図である。この例において、ビーム整形素子８は、キャリア基板１とその上に形成された２層の金属層２、３の薄層金属配線により構成されている。この例において、キャリア基板１として両面を研磨された水晶ガラスが使用される。この水晶ガラスは、利用されるＵＶ放射帯域、特に１９３nm帯に対して透過性が非常に高いためである。クロム層はキャリア基板と上層とのボンディング材として作用し、下層２として形成される。上層の金属層３は金であり、本例で使用される１９３nmの波長のレーザーに対して約１０％という低い反射率を有している。この例において、薄層金属配線全体としての層の厚みは１４０nmであり、下層２のクロムが４０nmであり、上層３の金が１００nmである。これらの層の厚みは、この図には示していないが構造幅が２５０nmまでの薄層金属配線の微細構造化を可能とするものである。
【００１８】
図２は、ａ）において、ビーム整形素子８が変更しようとするＵＶレーザービーム４の強度プロファイルの一例を詳細に示すものである。強度プロファイルの形状はほぼ長方形に近い形をしており、ビーム境界において強度が急激に降下（drop）している。この降下は多くの材料処理アプリケーションにとって望ましいものではない。ビーム整形素子８は、衝突し、通過するＵＶレーザービーム４の強度プロファイルを、具体的に図２ｂ）に一例を示すように低減させ、連続的にビーム境界まで低減していくように、本発明により微細構造化される。
【００１９】
そのようなビーム整形に必要とされる薄層金属配線の微細構造のジオメトリは、光学的な原理を考慮する一方で、前もって計算することができる。
【００２０】
１９３nmの波長を有する強烈なＵＶレーザービームのビームを整形するために図１に例を示すようなビーム整形素子８を使用する場合、例えば医療分野における眼の手術において利用される場合は、最初に使用した後に明確に視認可能な使用の痕跡が薄層金属配線の表面に残る。図３は、そのような薄層金属配線の例を示すビーム整形素子８の平面図である。ＵＶレーザー放射の照射は、インパクト６のポイントにおいて金とクロムとの間における局所的な治金反応を引き起こす。この反応は、光沢のある金色（Ａｕ）の表面を、光沢のないグレーブラウン（Ａｕ−Ｃｒ合金）へ光学活性により視認可能に変色する原因となる。この変色はレーザー放射のインパクト６のポイントにおいてのみ発生し、残りのエリアはその表面が光沢のある金色のままである。これにより、もしビーム整形素子８が使用済みであれば、そのことを直ちに認知することができる。この場合、光学活性による視認可能な変色は、ＵＶレーザー放射に対し、初期状態と比べて明らかに低い１％を下回る反射率をもたらすものである。視認可能な使用の痕跡にもかかわらず、金属配線の機能は継続するため、亀裂やボンディング問題が金属配線に対して生ずることはない。
【００２１】
図４は、ビームダイアフラムから図１に対応するビーム整形素子８を製造するための製造工程の一例を示す図である。この工程では、４０nmの厚さのＣｒ層２が水晶ウェーハに形成される。当該ウェーハは両面が研磨され（キャリア基板１）、物理的なスパッタリングにより低い側の表面の粗さ（low surface roughness）は５nm未満である（図４ａ）及びｂ））。真空を維持したまま、１００nmの厚さのＡｕ層３がＣｒ層２にやはり物理的なスパッタリングにより同様に形成され、非常に好ましいレイヤーボンディングが得られる（図４ａ）、ｂ））。光に敏感な（light-sensitive）フォトレジスト７が二層２、３により形成された薄層金属配線上に形成される（図４ｃ）、ｄ））。投影システムにより、所望の微細構造を生成するためのマスクを利用して、フォトレジスト層７は選択的に露光される。フォトレジストフィルム７の現像の後、アルゴン・プラズマ・エッチャーを利用して金層３は露光エリアから除去される。さらに、クロム層２が露光される（図４ｅ）、ｆ））。クロム層２は、水晶基板１をラフにすることなく、露光部分が水晶基板１まで湿式化学クロムエッチング手法を用いたエッチングにより除去される。すでに形成されている金層３は、湿式化学エッチングにおいてエッチングマスクとして機能する。フォトレジスト７の除去の後、水晶ウェーハはダイアモンドカッティング装置により単一のビーム整形素子８に分割される。
【００２２】
この方法を修正することにより、ＵＶレーザー照射下においても、光学活性による視認可能な使用の痕跡を形成せず、低反射率、高耐久性のビーム整形素子を製造することができる。この目的のために、図４に対応する方法を利用して製造されるビーム整形ダイアフラムは、５００度のテンパリング工程において熱力学的に安定化される（図５）。さらに、チタニウムの中間層５を、金とクロム層の物理的スパッタリングの間に２つの層２、３の間に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のビーム整形素子の構造の一例の断面図である。
【図２】ビーム整形素子によるレーザー放射のビームプロファイルの一例を示す図である。
【図３】本発明を利用した場合の使用痕跡通知の一例を示す図である。
【図４】図１に対応するビーム整形素子の製造工程の一例を示す図である。
【図５】光学活性により視認可能な使用痕跡を残さないビーム整形素子の製造の一例を示した図である。
【符号の説明】
【００２４】
１．キャリア基板
２．低金属層
３．高金属層
４．光放射、レーザー放射
５．中間層
６．インパクトのポイント
７．フォトセンシティブ・レジスト
８．ビーム整形素子

Claims (15)

1. 特にＵＶレーザーの光放射のためのビーム整形素子であって、
   前記光放射のビームの整形のために構成された薄層金属配線がベアリングされたキャリア基板（１）を備え、
   前記薄層金属配線は、少なくとも２層の金属層（２，３）から構成され、前記光放射（４）が少なくとも所定の強度又は放射期間のいずれかにおいて行われた時点で、前記光放射（４）の衝撃に応じて永久的な色の変化を伴って互いに反応することを特徴とするビーム整形素子。
2. 前記２層の金属層（２，３）は、前記光放射（４）が少なくとも所定の強度又は照射期間のいずれかにおいて行われた時点で、前記光放射（４）の衝撃により互いに合金を形成するように反応する材料から構成されることを特徴とする請求項１に記載のビーム整形素子。
3. 前記反応は、前記光放射（４）に対する前記薄層金属配線の反射率を永久的に低減することを特徴とする請求項１又は２に記載のビーム整形素子。
4. 前記２層の金属層の上層（３）は貴金属で形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のビーム整形素子。
5. 前記２層の金属層の下層（２）は、Ｃｒ又はＣｒ合金で形成されることを特徴とする請求項４に記載のビーム整形素子。
6. 前記上層（３）はＡｕで形成され、前記下層（２）はＣｒで形成され、前記下層（２）に対する前記上層（３）の厚みの比率が１：１．４から１：１．８であることを特徴とする請求項５に記載のビーム整形素子。
7. １９３nmの波長の前記光放射（４）に対応するように設計されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のビーム整形素子。
8. 前記キャリア基板が水晶ガラスで構成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のビーム整形素子。
9. 前記薄層金属配線が、前記光放射（４）の衝撃に対する光学的ダイアフラムを形成するように構成されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のビーム整形素子。
10. 前記薄層金属配線の全体としての層の厚さが２５０nm以下であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のビーム整形素子。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載のビーム整形素子を製造する方法であって、
    Ｃｒ又はＣｒ合金の下層（２）を前記光放射（４）に対して透明なキャリア基板（１）上に形成する工程と、
    貴金属の上層（３）を前記下層（２）上に形成する工程と、
    前記上層（３）をフォトリソグラフィー及びドライエッチング処理により微細構造化する工程と、
    前記下層（２）を、前記上層（３）をエッチングマスクとして作用させて湿式エッチング処理により微細構造化する工程とを備えることを特徴とする方法。
12. 前記下層（２）及び前記上層（３）は物理的スパッタリングにより形成されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記上層（３）を形成する以前に、Ｔｉの中間層（５）が前記下層（２）の上に形成されることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の方法。
14. 前記形成された層（２、３、５）が、サーマルエージング処理により熱力学的に安定化されることを特徴とする請求項１１又は１３に記載の方法。
15. Ａｕ層が前記上層（３）として形成されることを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれかに記載の方法。

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