JP2009541065A - フェムト秒レーザービームを用いてターゲットを加工するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フェムト秒レーザービームを用いてターゲットを加工するための方法及び装置を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明は、ナノテクノロジーにおいてレーザービームをフォーカス合わせすることにより得られる加工寸法をかなり減少させるために、偏光効果又はその他の何らかの技術を用いた振幅又は位相フィルタリングの使用を介してアブレーション閾値の決定論的な性質とそれの非線形依存性（ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ）とを利用することにある。そのようなフィルタリング方法は、ブライトリングを決定論的なアブレーション閾値より下に維持させつつレーザーパルスのスペクトルの中央成分の最大値を減少させるように、焦点面における強度の分布を修正するものである。本発明は、フェムト秒アブレーション技術を決定論的な閾値とアポダイゼーション技術とに関連付けたものである。

Description

本発明は、フェムト秒レーザービームを用いてターゲットを加工するための方法及び装置に関するものである。本発明の特に有用な適用分野は、ナノテクノロジーの分野である。然しながら、本発明は、バイオテクノロジーやバイオチップ（ｂｉｏｃｈｉｐ）のようなその他の分野にも適用することができる。

数十年前に始まったパワフルレーザーの迅速な発展によって、多くの物理的現象の発見と研究への進路の基礎が固められた。光−物質相互作用（ｌｉｇｈｔ−ｍａｔｔｅｒ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ）の点のみにおいて、多重イオン化（ｍｕｌｔｉ−ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）の分野における顕著な発展が、臨界強度における光学（ｏｐｔｉｃｓ ａｔ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ（ＯＣＩ））のような他の現象にある程度暗雲を投げかけた。然しながら、強烈で短い放射線の影響下でのターゲットの位相変化に関係するこのシステムは、非常に明確に定義された再現可能な遷移閾値を特徴とし、それにより、常に増加する精度と空間解像度とを要求するナノテクノロジーのための選択の手段とされる。

ＯＣＩの最近確立された特性は、５ピコ秒よりも短い持続時間を有するレーザーパルスのためのもので、ターゲットのダメージ閾値が、ランダムな挙動（２０〜５０％）と比較して、非常に再現可能な態様（１％以上が良好）において決定論的に（ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ）なり、それにより、長い持続時間を有し且つその持続時間の間に持続時間の平方根に従ってダメージ閾値が変化する、レーザーパルスによるアブレーションを特徴付ける。

レーザーパルスの持続でダメージ閾値の可なりの減少を暗示しているように思われる多重イオン化効果によってＯＣＩが明らかに齎されるという仮説を推進させてきた今までの研究は、パルスが実際に短くなるならば、プラトー（ｐｌａｔｅａｕ）によってフォローされる、この閾値の僅かな減少を証明するに過ぎない実験によって確認することが可能であることを証明できていない。これらの報告に基づいて、それ自体トンネル効果イオン化（ｔｕｎｎｅｌ−ｅｆｆｅｃｔ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）（ツェナー効果）によって齎されるアバランシェイオン化（ａｖａｌａｎｃｈｅ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）と組み合わさったツェナー効果の主な役割を強調する別の解釈が成功裏のうちに推進された。

広範囲の持続時間（ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｄｕｒａｔｉｏｎｓ）をカバーするレーザーパルス（「チャープルパルス増幅」タイプの或いはＣＰＡタイプのレーザー）を巻き込んだ実験によって支持されたこの解釈に従って、レーザーは先ずプラズマを生成する。このプラズマの周波数がレーザーの周波数に近づいた時に、電界が、ターゲットの価電子の全てがイオン化された場合にのみ尽きるこのプラズマの生成に関して累積効果（ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔ）を有する非常に強い増幅を受ける。プラズマの周波数がレーザーの周波数を越えた時に、プラズマは吸収力のあるものになって、アブレーションを生じさせる。原子間力顕微鏡法測定（ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ）は、この解釈によりアブレーションの深さが「スキン効果（ｓｋｉｎ ｅｆｆｅｃｔ）」の濃さ（ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）程度であることを示している。この理論は、アブレーション閾値の確実な基本原理を決定論的な性質のものにさせる。そのプロセスは、電子密度が臨界ダメージ閾値を越えた時に不伝導性になる誘電性材料上においてさえ生ずる。この閾値は、強度に関連して非常に非線形である。非線形性と決定論（ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｍ）とが有効的に組み合わさって、回折（「閾値化」）によって課せられる限度より小さいパターンのナノ加工を、非常に高い再現性と、アブレーション輪郭の比類のない鮮明さによって特徴付けられる精度をもって可能にする。そのパターンの寸法は、ナノメートルスケールの下限に位置する３０ｎｍ〜４５ｎｍである。特に、レーザービーム波長よりも小さな寸法の再現可能なアブレーションを実施することを可能にする方法が米国特許第５，６５６，１８６号に開示されている。そのレーザービーム波長は、パルス化されて、処理される対象にフォーカス合わせされる。

更に、レーザービームをフォーカス合わせさせるレンズの後側の焦点面において空間フィルタリングを用いて、フォーカス合わせされた光の強度の分布を修正するための技術が知られている。歴史的理由で一般にアポダイゼーション（「点像分布工学（ｐｏｉｎｔ−ｓｐｒｅａｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）」と呼ばれている、焦点面における回折パターンをリモデリング（ｒｅｍｏｄｅｌｌｉｎｇ）するためのこの技術（この場合には、回折「フットプリント」の増加を求めるものであるけれども）は、次のように有効に要約することのできる特徴を有している。
・アポダイジングフィルターに左右される可変比率による、フォーカス合わせされた光スポットの横及び又は縦寸法の減少。これは、超解像度と呼ばれ、即ち、回折によって課せられる限界を越えるフォーカス合わせである。
・ブライト中央スポットと同心の一つ又はそれ以上のブライトリング系（ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ ｂｒｉｇｈｔ ｒｉｎｇｓ）を形成する二次最大値（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｍａｘｉｍａ）の付随する遺憾な不可避的増加。これらのリングは、フィルターの特性に従ってハイト（ｈｅｉｇｈｔ）が変化する。
・光強度の大きな部分がブライトリングに「転移される（ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ）」につれて且つアポダイジングフィルター自体が吸収を引き起こすにつれて、全体効率が著しく低下すること。

長い間、アポダイゼーションは、理論的な領域に留まっていて、ハイゼンベルグの不確実性原理と矛盾するように思われたので痛烈な論争を引き起こした。今日、アポダイゼーションは、顕微鏡の空間解像度を増加させることができるものとして正式に受け入れられているが、その適用は、フォーカスパターンにおけるサイドローブのヘイト（ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ｓｉｄｅ ｒｏｂｅｓ）に起因して極めて限定されて、これら最大値がターゲット上に望ましくないマークを発生させるので、レーザービームによるナノ加工には好ましくないものにさせてしまう。

本発明の目的は、高い解像度を有する加工方法を提案することにより、上述した欠点を改善することにある。本発明の更なる目的は、レーザービームの波長よりもはるかに小さい寸法のパターンの加工を実施することにある。本発明の更に別の目的は、レーザービームの単純なフォーカス合わせによって得られるパターン以外に同等な小さい寸法の全てのパターンの加工を実施することにある。

上述した目的の少なくとも一つは、決定論的な閾値フェムト秒アブレーション（ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ−ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｆｅｍｔｏｎｓｅｃｏｎｄ ａｂｌａｔｉｏｎ）として知られている技術に従って、フォーカスレンズを用いてフェムト秒レーザービームをフォーカス合わせすることによりターゲットを加工するための方法によって達成される。この方法は、
ターゲットのアブレーション閾値を決定する工程と、
（アポダイゼーションの技術に従って）焦点面における中央スポットの寸法を減少させるために、前記レンズに達する前記レーザービームを瞳空間フィルタリングする工程を含み、
前記フィルタリングを、中央スポットの強度の一部を前記アブレーション閾値より大きく保持させると共に、前記レーザービームのサイドローブを前記アブレーション閾値よりも小さく維持させるように実施する。

より詳述すると、ＯＣＩアブレーションが、一定の材料に関して明確に定められた閾値を有しているので、上述した特徴によれば、二次最大値（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｍａｘｉｍａ）がアブレーション閾値より小さいままであるならば、より小さなアブレーションを可能にし且つその二次最大値の増加は望ましくない作用を及ぼさないため、ＯＣＩアブレーションをアポダイゼーションと組み合わせることは、有益であるように思われる。フォーカス合わせされた光の強さの著しい減少は、チャープパルス増幅レーザー或いはＣＰＡを用いることにより簡単に補正される。換言すると、本発明は、以下の二つの技術を理知的に組み合わせたものであると看做すことができる。
・アポダイゼーション、或る制約下において、振幅フィルター及び又は位相フィルターの構想によって、レンズの焦点の回りの回折パターンを修正するというコンセプト。
・決定論的な閾値フェムト秒アブレーション、このコンセプトにより、実験のパラメータのために再現可能な或る非常に明確に定義されるパワー閾値を越える時にのみアブレーションが実施される。焦点の外側の光エネルギーは、アブレーションもダメージにも何らの影響も及ぼさない。この周囲エネルギーは、全て、アポダイゼーションの増加に起因して中央スポットを狭めるものとしてより重要である。

本発明によるＯＣＩアブレーションレーザーは、最終的に、アポダイゼーションの実施中にフォーカスパターン中にサイドローブが存在することに起因する望ましくないマークの問題を解決することを可能にする。実は、アブレーション閾値より下であるという単純な事実によって、これらのローブは何ら影響がない。

殆どの場合に、ターゲットは誘電性材料から作られている。然しながら、それは、金属材料から作られていてもよい。

一例として挙げると、アブレーション閾値は、先ずレーザービームを試験ターゲット上にフォーカス合わせさせ、次に、フォーカス合わせされた回折パターンの中央最大部だけがアブレーションを発生させるように当該ビームのパワーを調整することにより決定することができる。

フェムト秒レーザービームは、５ピコ秒より実質的に少ない持続時間を有するレーザーパルスをトランスミットするレーザーを意味する。

本発明による方法では、サイドローブのハイトをアブレーション閾値より下に維持させ、レーザービームの強度プロファイル（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｐｒｏｆｉｌｅ）の幅を減少させることにより、閾値効果とアブレーションの非線形特性と組み合わさって、回折によって課せられる限界よりも小さな寸法の焦点でアブレーションが生じて、ナノテクノロジーに適した実に小さい寸法のパターンをカットすることを可能にさせる。

本発明による方法によれば、寸法が１９ｎｍと２９ｎｍとの間のパターンをカットすることできる。

本発明の有益な特徴によれば、瞳フィルタリングは、位相フィルタリング、振幅フィルタリング又は位相フィルタリングと振幅フィルタリングとを組み合わせた工程を含んでいる。換言すると、瞳フィルタリングは、位相、振幅又はそれら二つを変化させる工程を含んでいる。

一例を挙げれば、写真乾板（ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ ｐｌａｔｅ）又は写真用フィルム（ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ ｆｉｌｍ）を用いて瞳空間フィルタリングを実施することができる。

有益なことに、瞳空間フィルタリングは、液晶変調器（ｌｉｑｕｉｄ−ｃｒｙｓｔａｌ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）又は補償光学ミラー（ａｄａｐｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃｓ ｍｉｒｒｏｒ）を用いて実施することができる。実際に、補償光学ミラー及び液晶マトリックスの使用によって、高精度のフィルターを作ることができる。

本発明の有益な一実施形態によれば、フィルターのトポグラフィー（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）は、特に、ダークリング，ライトリング又はグレイリングを含んだバイナリータイプ（ｂｉｎａｒｙ ｔｙｐｅ）のものである。

これに代えて、フィルターのトポグラフィーは、連続して変化したタイプのものであってもよい。

本発明の一実施形態によれば、フィルタリングは、フォーカスレンズのアップストリームにフィルターを置くことにより実施される。このフィルタリングは、フォーカスレンズの後側の焦点面上にフィルターのイメージを作るリレー光学システム（ｒｅｌａｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）に当該フィルターを導入することにより実施することもできる。

本発明の別の側面に依れば、決定論的な閾値フェムト秒アブレーション技術に従って、フォーカスレンズを用いてフェムト秒レーザービームをフォーカス合わせすることによりターゲットを加工するための装置が提案される。本発明に依れば、この装置は、焦点面におけるレーザービームの中央スポットの寸法を減少させるために、フォーカスレンズのアップストリームに配置された、瞳空間フィルタリングを実施するための手段を有し、このフィルタリング手段は、中央スポットの強度の一部を所定のアブレーション閾値より大きく保持させ且つレーザービームのサイドローブの強度を前記アブレーション閾値より小さく維持させるように寸法合わせされている。

本発明の他の利点及び特徴については、本発明の限定的でない実施形態についての後述の詳細な説明及び図面を参照することにより明らかになるであろう。

図１は、従来技術に係るピコ秒レーザーを用いて実施した低品質アブレーション（ｐｏｏｒ−ｑｕａｌｉｔｙ ａｂｌａｔｉｏｎ）について示した図である。このアブレーションは、切り込み（ｉｎｃｉｓｉｏｎ）を完了させるために続いて手作業による介入が必要とされる。特に米国特許第５，６５６，１８６号の特許文献に記載されているような従来技術においても、フェムト秒レーザーによってアブレーションを実施することが知られている。図２は、精密且つきれいな輪郭によって正確に区画された二つのラメラ同心切り込みを形成したこのタイプの作業を示している。そのような方法でのアブレーション領域は、約１ミリメータである。従来技術においては、アブレーションは、顕微鏡レンズによってフォーカス合わせされる（１００ｆｓより短い）短パルスレーザービームによって実施されている。このレンズの入射瞳は、何らの妨げ、即ち、入射ビームの波面位相の変形を含んでいないので、「クリアー」と呼ばれている。焦点合わせされたビームの強度の分布は、最大強度の二分の一より大きいか又は等しい強度を含んだサークル中のフォーカスされたエネルギーの４８％と回折のためにダークリングによって取り囲まれたサークル中の８４％とをコンセントレートする「エアリーディスク」の分布で、残りはブライト同心リング中に含まれている。

図３は、本発明の実施形態を図示した線図である。パルス化されたフェムト秒レーザービーム１が、振幅フィルター又は位相振幅フィルターであってもよい位相フィルター２に向かっていることが分かる。フィルター２からのビーム出力は、レーザービームを誘電性材料のターゲット４にフォーカス合わせさせる機能を有するレンズ４を通過する。図４は、ターゲット４に達したレーザービームの強度曲線を示している。レーザービームに及ぼすフィルター２の作用は、アポダイゼーション（ａｐｏｄｉｚａｔｉｏｎ）工程を構成し、中央最大部５の横寸法を狭めることを可能にする。即ち、その中央部における光強度の分布は、そのようなフィルターなしに得られる光強度の分布よりも狭い。この中央部における光度の減少を補償するために、強力で安定したフェムト秒レーザーが用いられる。図５は、パルス化されたレーザービームの焦点面を表した模式図である。そのような構成で、図６に示したような高い解像度の深いナノ加工（ｈｉｇｈ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｄｅｅｐ ｎａｎｏ−ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）を実施することができる。カットは、正確で、略直線状で、９．６１μｍの深さで、約６２２ｎｍの寸法を有している。

アブレーション閾値（ａｂｌａｔｉｏｎ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）とレーザーのパワーの調整についての決定例は下記の通りである。
・アブレーション閾値は、後方の焦点面にアポダイジングフィルター（または、その光学イメージ）を含んだレンズの焦点面に置かれた試験ターゲットに関して測定する。
・フェムト秒レーザーパルスのパワーは、アブレーションがブライトスポットにおいてのみ実施されるように調整する。

一例として挙げると、本発明による装置の特徴は次の通りである。位相フィルターが、三つの環状領域を有し、レーザーパルスのスペクトルの中央の成分の二分の一波長に相当するフレームシフトをもたらす。この位相フィルターが中央の成分の最大部を狭めて、それの直径がフィルタリングされていない状態の０．５８倍に等しくなり、他方、ブライトリング（ｂｒｉｇｈｔ ｒｉｎｇ）が全て最大強度のフラクション（ｆｒａｃｔｉｏｎ）以下となる。この実施形態においては、フラクションは０．８に略等しい。アブレーション閾値は非常に正確に決定されるので、ナノ加工（ｎａｎｏ−ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）は、このアブレーションに何らかの影響を持つブライトリング無しに、略７３％のアブレーションの直径の減少で、強度の略中央最大部でのみ実施される。ナノエングレーヴィング（ｎａｎｏ−ｅｎｇｒａｖｉｎｇ）の横寸法の減少の結果、書き込み濃度の表面積（ｓｕｒｆａｃｅ ａｒｅａ ｏｆ ｔｈｅ ｗｒｉｔｉｎｇ ｄｅｎｓｉｔｙ）の増加、従って、情報の増加が、このように約３倍に増大される。

用いられる位相フィルターは、内側ディフェージングリング（ｄｅｐｈａｓｉｎｇ ｒｉｎｇ）の（レンズ瞳の直径に関連する）直径が０．１２５、０．２１５、中間リングの直径が０．３７９、０．５３１、外側リングの直径が０．７４６、１．０となっているものである。

従って、本発明は、ナノテクノロジーにおいて適用することができ、例えば、一般に、光センサの設計のため又は電気通信のために適用することができる。本発明は、特に、フェムト秒アブレーションによるナノ結晶（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｔｅｓ）の生成に適用することができる。これらのナノ粒子は、ナノテクノロジー及び生物科学にとって興味のある優れた非線形特性を有している。

また、本発明は、アポダイゼーションの分野に関するもので、この分野においては顕微鏡法、特に二次最大値の増加の意義が、二光子吸収蛍光及び三光子吸収蛍光の非線形効果によって及び第二及び第三調波の発生によって、徹底的に低減される、特に多光子顕微鏡法の研究が益々増加していることが認められる。

勿論、本発明は、上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲を逸脱しない範囲内で上記実施形態に対して様々な調整を加えることができる。

従来技術による、網膜剥離の一例のイメージを示した図である。 従来技術に係るパルスレーザーによる網膜剥離の別の一例のイメージを示した図である。 本発明の一実施形態の簡単な模式図である。 本発明によりターゲットに到達したパルスレーザービームの強度曲線を示した図である。 本発明によりフォーカス合わせされたレーザービームの模式図である。 本発明による方法を用いた詳細なナノ加工を示した図である。

Claims (19)

1. 決定論的な閾値フェムト秒アブレーションとして知られている技術に従って、フォーカスレンズを用いてフェムト秒レーザービームをフォーカス合わせすることによりターゲットを加工するための方法であって、
   前記ターゲットのアブレーション閾値を決定する工程と、
   アポダイゼーションの技術に従って焦点面における中央スポットの寸法を減少させるために、前記レンズに達する前記レーザービームを瞳空間フィルタリングする工程を含み、
   前記フィルタリングを、前記中央スポットの強度の一部を前記アブレーション閾値より大きく保持させると共に、前記レーザービームのサイドローブ強度を前記アブレーション閾値よりも小さく維持させるように実施することを特徴とする、ターゲットを加工するための方法。
2. 前記瞳フィルタリングが、位相フィルタリングを含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記瞳フィルタリングが、振幅フィルタリングを含んでいることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記アブレーション閾値を、前記レーザービームを先ず試験ターゲットにフォーカス合わせさせて、次に、フォーカス合わせされた回折パターンの中央最大部だけがアブレーションを発生させるように前記ビームのパワーを調整することにより決定することを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
5. 前記瞳フィルタリングが、位相フィルタリングと振幅フィルタリングとを組み合わせた工程を含んでいることを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
6. 前記瞳フィルタリングを、写真乾板を用いて実施することを特徴とする、請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
7. 前記瞳フィルタリングを、写真用フィルムを用いて実施することを特徴とする、請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
8. 前記瞳フィルタリングを、液晶変調器を用いて実施することを特徴とする、請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
9. 前記瞳フィルタリングを、補償光学ミラーを用いて実施することを特徴とする、請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
10. 前記フィルターのトポグラフィーが、バイナリータイプのものであることを特徴とする、請求項１〜９の何れか一項に記載の方法。
11. 前記フィルターのトポグラフィーが、連続して変化したタイプのものであることを特徴とする、請求項１〜９の何れか一項に記載の方法。
12. フィルターを前記フォーカスレンズのアップストリームに配置することにより、前記フィルタリングを実施することを特徴とする、請求項１〜１１の何れか一項に記載の方法。
13. 前記フォーカスレンズの後側の焦点面上にフィルターのイメージを作るリレー光学システムに当該フィルターを導入することにより、前記フィルタリングを実施することを特徴とする、請求項１〜１１の何れか一項に記載の方法。
14. 前記レーザービームをチャープルパルス増幅レーザーから発生させることを特徴とする、請求項１〜１３の何れか一項に記載の方法。
15. 前記ターゲットが、誘電性材料又は金属材料からつくられていることを特徴とする、請求項１〜１４の何れか一項に記載の方法。
16. 決定論的な閾値フェムト秒アブレーションと呼ばれる技術に従って、フォーカスレンズを用いてフェムト秒レーザービームをフォーカス合わせすることによりターゲットを加工するための装置であって、
    焦点面におけるレーザービームの中央スポットの寸法を減少させるために、前記フォーカスレンズのアップストリームに配置された、瞳空間フィルタリングを実施するための手段を有し、このフィルタリング手段が、中央スポットの強度の一部を所定のアブレーション閾値より大きく保持させ且つ前記レーザービームのサイドローブの強度を前記アブレーション閾値より小さく維持させるように寸法合わせされていることを特徴とする装置。
17. 前記フィルタリング手段が、位相フィルターを含んでいることを特徴とする、請求項１６に記載の装置。
18. 前記フィルタリング手段が、振幅フィルターを含んでいることを特徴とする、請求項１６又は１７に記載の装置。
19. 前記フィルタリング手段が、位相フィルターと振幅フィルターとの組合せを含んでいることを特徴とする、請求項１６に記載の装置。

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