JP2013063446A - Periodic structure and method of forming the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、周期構造およびその形成方法に関し、例えばレーザ光を照射することにより形成される周期構造およびその形成方法に関する。 The present invention relates to a periodic structure and a method for forming the same, for example, a periodic structure formed by irradiating a laser beam and a method for forming the same.
微細な周期を有する周期構造は、DLC(Diamond Like Carbon)等のコーティング膜に適用することにより、切削機や加工機械の摺動性を向上させることができる。また、このような周期構造は、光の干渉による発色を利用した構造色の発現や無反射板などの光学素子への適用も可能である。さらに、周期構造の液体に対する撥水性の発現により、液体の流路を形成するために用いることも可能である。 By applying a periodic structure having a fine period to a coating film such as DLC (Diamond Like Carbon), the slidability of a cutting machine or a processing machine can be improved. In addition, such a periodic structure can be applied to optical elements such as a non-reflective plate and the development of a structural color using color generation by light interference. Furthermore, it can also be used to form a liquid flow path by exhibiting water repellency with respect to a liquid having a periodic structure.
微細な周期構造を形成する方法として、半導体装置の製造プロセスであるフォトリソグラフィを用いる方法、ナノインプリントを用いる方法等がある。しかしながら、これらの方法は、クリーンルーム等の特殊な環境下で行なわれる。また、これらの方法を行なうためには、複雑な装置を複数用いることになる。 As a method for forming a fine periodic structure, there are a method using photolithography which is a manufacturing process of a semiconductor device, a method using nanoimprint, and the like. However, these methods are performed in a special environment such as a clean room. Further, in order to perform these methods, a plurality of complicated apparatuses are used.
特許文献1には、フェムト秒レーザを用い、周期構造を形成する技術が記載されている。 Patent Document 1 describes a technique for forming a periodic structure using a femtosecond laser.
特許文献1のように、レーザ光を照射することにより微細な周期構造が形成することができれば、クリーンルームといった特殊な環境や多くの装置を用いることなく、周期構造を形成することができる。 If a fine periodic structure can be formed by irradiating laser light as in Patent Document 1, the periodic structure can be formed without using a special environment such as a clean room or many devices.
しかしながら、特許文献1に記載の方法では、周期性に乏しい。また、レーザ光の走査速度が遅く、周期構造を形成するのに時間を要する。 However, the method described in Patent Document 1 has poor periodicity. Further, the scanning speed of the laser beam is slow, and it takes time to form the periodic structure.
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、周期性の高い周期構造を形成することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said subject, and aims at forming a periodic structure with high periodicity.
本発明は、被加工物を連続発振レーザ光に対し相対的に走査させた状態において、前記連続発振レーザ光を、前記被加工物のアブレーションが生じるエネルギー密度以下のエネルギー密度で、前記被加工物の表面に照射することにより、前記被加工物の表面に周期的な凹凸構造を形成するステップを含むことを特徴とする周期構造の形成方法である。本発明によれば、周期性の高い周期構造を形成することができる。 In the present invention, the workpiece is scanned at an energy density equal to or lower than an energy density at which the ablation of the workpiece is generated in a state where the workpiece is scanned relative to the continuous wave laser beam. A method for forming a periodic structure comprising the step of forming a periodic uneven structure on the surface of the workpiece by irradiating the surface of the workpiece. According to the present invention, a periodic structure with high periodicity can be formed.
上記構成において、前記連続発振レーザ光のエネルギー密度は、前記被加工物の表面が溶融するエネルギー密度以上である構成とすることができる。 The said structure WHEREIN: The energy density of the said continuous wave laser beam can be set as the structure more than the energy density which the surface of the said workpiece melts.
上記構成において、前記連続発振レーザ光は、波長が異なる複数のレーザ光である構成とすることができる。 In the above configuration, the continuous wave laser beam may be a plurality of laser beams having different wavelengths.
上記構成において、前記凹凸構造の周期は、前記複数のレーザ光のうち最も長い波長以下かつ最も短い波長以上である構成とすることができる。 The said structure WHEREIN: The period of the said uneven structure can be set as the structure which is below the longest wavelength and more than the shortest wavelength among these laser beams.
上記構成において、前記凹凸構造の周期は、前記複数のレーザ光のエネルギー密度を相対的に変化させることにより制御される構成とすることができる。 The said structure WHEREIN: The period of the said uneven structure can be set as the structure controlled by changing the energy density of these laser beams relatively.
上記構成において、前記凹凸構造の周期の方向は、前記連続発振レーザの偏光方向である構成とすることができる。 The said structure WHEREIN: The direction of the period of the said uneven structure can be set as the structure which is the polarization direction of the said continuous wave laser.
上記構成において、前記連続発振レーザの偏光方向は、前記走査の方向と同じである構成とすることができる。 In the above configuration, the polarization direction of the continuous wave laser may be the same as the scanning direction.
上記構成において、前記凹凸構造の周期は、前記連続発振レーザ光の波長に略等しい構成とすることができる。 In the above-described configuration, the period of the concavo-convex structure may be substantially equal to the wavelength of the continuous wave laser beam.
本発明は、上記周期構造の形成方法により製造された周期構造である。 The present invention is a periodic structure manufactured by the method for forming a periodic structure.
本発明によれば、周期性の高い周期構造を形成することができる。 According to the present invention, a periodic structure with high periodicity can be formed.
以下、図面を参照し、本発明の実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、実施例1の周期構造の製造方法に用いたレーザ装置を示すブロック図である。図1に示すように、レーザ装置100は、主に第1レーザ装置10、第1光学系12、第2レーザ装置20、第2光学系22、ダイクロイックミラー30、結像光学系32および駆動系36を備えている。第1レーザ装置10は、連続発振レーザ光である第1レーザ光14を出射する。第1光学系12は、第1レーザ光14の強度分布および径を整形する。第2レーザ装置20は、第1レーザ光14とは波長の異なる連続発振レーザ光である第2レーザ光24を出射する。第2光学系22は、第2レーザ光24の強度分布および径を整形する。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a laser apparatus used in the method for manufacturing a periodic structure according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the
ダイクロイックミラー30は、第1レーザ光14を反射し、かつ第2レーザ光24を透過させる。これにより、第1レーザ光14と第2レーザ光24とを合成する。結像光学系32は、結像レンズであり、被加工物40上に第1レーザ光14および第2レーザ光24を集光し照射する。被加工物40はステージ34上に配置されている。ステージ34と、第1および第2レーザ光14および24と、は駆動系36により相対的に走査される。
The
実施例1においては、第1レーザ装置10はYVO4レーザの第2高調波を出射する。第1レーザ光14の波長は約532nmである。第2レーザ装置20は半導体レーザであり、第2レーザ光24の波長は約797nmである。駆動系36は、ステージ34に対し、第1および第2レーザ光14および24を300m/分または360m/分の速度で走査する。被加工物40としては、リン(P)をイオン注入した単結晶シリコン基板を用いる。リンの注入条件は、注入エネルギーが200keV、ドーズ量が1×1013cm2である。
In the first embodiment, the
図2(a)は、被加工物の表面の模式図、図2(b)は、被加工物の断面模式図である。図2(a)に示すように、被加工物40の表面に第1レーザ光52および第2レーザ光54が照射されている。第1レーザ光52は、32J/cm2のエネルギー密度であり、第2レーザ光54は、32J/cm2のエネルギー密度であり、第1レーザ光52および第2レーザ光54は、被加工物40に対し、約360m/分の速度で走査方向50に走査されている。第1レーザ光52および第2レーザ光54の偏光方向56は走査方向50とほぼ一致している。第1レーザ光52および第2レーザ光54が照射された被加工物40の表面には周期方向59に、周期的な凹凸構造58が形成される。凹凸構造58の幅Wは約6μmである。
FIG. 2A is a schematic diagram of the surface of the workpiece, and FIG. 2B is a schematic sectional view of the workpiece. As shown in FIG. 2A, the surface of the
図2(b)に示すように、凹凸構造58は、平坦部60に周期Lの突起62が形成される。平坦部60の長さであるトレンチ長Tは、約200nm程度である。突起62の高さHは、約20nm程度である。凹凸構造58をSEM(Scanning Electron Microscope)を用い観察した。
As shown in FIG. 2B, in the concavo-
図3(a)は、凹凸構造の上面からのSEM像を模式化した図、図3(b)は、凹凸構造の断面を斜めから視たSEM像を模式化した図である。図3(a)に示すように、凹凸構造58は、走査方向50に交差するように形成されている。走査方向50と突起62の延伸方向とはほぼ直交している。図3(b)に示すように、平坦部60に周期的に突起62が形成されている。
FIG. 3A is a diagram schematically showing an SEM image from the upper surface of the concavo-convex structure, and FIG. 3B is a diagram schematically showing an SEM image obtained by obliquely viewing a cross section of the concavo-convex structure. As shown in FIG. 3A, the concavo-
第2レーザ光54のエネルギー密度を32J/cm2と固定し、第1レーザ光52のエネルギー密度を24J/cm2から36J/cm2まで変化させ、凹凸構造58を作製した。被加工物40に対する第1レーザ光52および第2レーザ光54の走査速度は、約300m/分である。表1は、第2レーザ光54のエネルギー密度に対する周期L、高さH、トレンチ長Tおよび凹凸構造58の幅Wを示した表である。
図4は、第1レーザ光52のエネルギー密度に対する周期Lを示す図である。図4および表1のように、第2レーザ光54のエネルギー密度が小さい場合は、周期Lは約770nmであり、第2レーザ光54のエネルギー密度を大きくすると周期Lは約530nmとなる。さらに、突起62の高さHは、第1レーザ光52のエネルギー密度が大きくなると高くなる。トレンチ長Tは、第1レーザ光52のエネルギー密度が大きくなると長くなる。凹凸構造58の幅Wは、第1レーザ光52のエネルギー密度が大きくなると広くなる。
FIG. 4 is a diagram showing the period L with respect to the energy density of the
表1に示すように、第1レーザ光52のエネルギー密度が24J/cm2の場合、凹凸構造58は形成されなかった。被加工物40(シリコン)の溶融状態を有限要素法で計算した。その結果、第1レーザ光52のエネルギー密度が26J/cm2以上場合、被加工物40の表面が6μ秒以上溶融していることがわかった。このように、凹凸構造58が形成されるためには、被加工物40の表面が一定時間以上溶融していることが好ましいことがわかった。
As shown in Table 1, the
図2(a)のように、凹凸構造58の周期方向59が偏光方向56とほぼ一致している。また、図4のように、周期Lは、第1レーザ光52のエネルギー密度を大きくすると、第1レーザ光52の波長とほぼ一致し、第2レーザ光54のエネルギー密度を大きくすると、第2レーザ光54の波長とほぼ一致する。これらのことから、被加工物40の表面が溶融した状態で、被加工物40の表面に偏光方向56に平行に生成されたレーザ光の定在波に関連し、周期的な凹凸構造58が形成されるものと推測される。
As shown in FIG. 2A, the
以上の推測から、連続発振レーザ光は、1つの波長のレーザ光でもよい。また、連続発振レーザ光は、波長が異なる複数のレーザ光でもよい。被加工物40を連続発振レーザ光に対し相対的に走査させた状態において、連続発振レーザ光を被加工物の表面に照射する。このとき、レーザ光52および54のエネルギー密度が被加工物40のアブレーションが生じるエネルギー密度より大きい場合、アブレーションが生じてしまうため、凹凸構造58は形成されない。よって、連続発振レーザ光を、被加工物40のアブレーションが生じるエネルギー密度以下のエネルギー密度で、被加工物40の表面に照射する。これにより、被加工物40の表面に周期的な凹凸構造58を形成することができる。
From the above estimation, the continuous wave laser beam may be a laser beam having one wavelength. Further, the continuous wave laser beam may be a plurality of laser beams having different wavelengths. In a state where the
また、連続発振レーザ光のエネルギー密度が被加工物40が溶融するエネルギー密度より小さい場合であっても、原子の再配列が生じ、周期性を有する凹凸構造が形成される場合もある。しかしながら、より確実に周期性を有する凹凸構造58を形成するためには、レーザ光52および54のエネルギー密度が被加工物40の表面が溶融するエネルギー密度以上であることが好ましい。なお、連続発振レーザ光が複数のレーザ光の場合、被加工物40のアブレーションが生じるエネルギー密度、および被加工物40の表面が溶融するエネルギー密度は、複数のレーザ光の総計のエネルギー密度である。
Even when the energy density of the continuous wave laser beam is smaller than the energy density at which the
図3(a)および図3(b)のように、形成された凹凸構造58は、周期がほぼレーザ光の波長となるため周期性が高い。一方、特許文献1の方法では、繊維状の凹凸構造しか形成することができず、図3(a)および図3(b)のように、周期性が高い凹凸構造を形成することができない。また、被加工物40をレーザ光52および54に対し相対的に高速に走査できるため、凹凸構造58を高速に形成することができる。さらに、半導体装置の製造プロセスやナノインプリントを用いる方法に比べ、簡単に凹凸構造58を形成することができる。例えば、大気中において凹凸構造58を形成することができる。
As shown in FIGS. 3A and 3B, the formed concavo-
なお、被加工物40のレーザ光52および54に対する走査は、被加工物40を固定しレーザ光52および54を走査してもよい。また、レーザ光52および54を固定し被加工物40を走査してもよい。さらに、レーザ光52および54と被加工物40とを異なる方向に走査してもよい。走査速度も任意に設定することができる。
The scanning of the
また、実施例1のように、連続発振レーザ光として、波長が異なる複数のレーザ光を用いることが好ましい。これにより、例えば、第2レーザ光54を照射することにより被加工物40の表面の温度を高め、さらに第1レーザ光52を照射することにより、被加工物40の表面を溶融させ、第1レーザ光52の波長の周期を有する凹凸構造58を形成することができる。
Further, as in Example 1, it is preferable to use a plurality of laser beams having different wavelengths as the continuous wave laser beam. Thereby, for example, the temperature of the surface of the
さらに、図4のように、複数のレーザ光52および54を用いた場合、凹凸構造58の周期は、複数のレーザ光52および54のうち最も長い波長以下かつ最も短い波長以上とすることができる。このとき、凹凸構造58の周期Lを、複数のレーザ光52および54のエネルギー密度を相対的に変化させることに制御することができる。なお、単純には、凹凸構造58の周期Lは、複数のレーザ光52および54のエネルギー密度の比により制御することができる。しかしながら、厳密には、凹凸構造58の周期Lと複数のレーザ光52および54のエネルギー密度の比とは、線形的には変化しない。
Furthermore, as shown in FIG. 4, when a plurality of
実施例1のように、凹凸構造58の周期方向59は、連続発振レーザ光52および54の偏光方向56である。このため、連続発振レーザ光52および54の偏光方向56は、走査方向50とほぼ同じとすることにより、走査方向50に連続して周期的な凹凸構造58を形成することができる。なお、偏光方向56と走査方向50とを交差させることもできる。例えば、偏光方向56と走査方向50とを斜めに交差させることにより、走査方向50に対し斜めの凹凸構造58を形成することができる。
As in the first embodiment, the
実施例1においては、第1レーザ光52の波長が532nm、第2レーザ光54の波長が797nmの光を用いたが、形成する凹凸構造58の周期により、レーザ光の波長を適宜選択することができる。また、複数のレーザ光52および54を照射する際に、図2(a)のように被加工物40の同じ位置に同時に複数のレーザ光52および54を照射する例を説明したが、被加工物40の同じ位置に時間差を設け複数のレーザ光52および54を照射してもよい。例えば、被加工物40上のある位置に第2レーザ光54を照射し、第2レーザ光54の効果が残っている間(例えば被加工物40の温度が下がる前)に第1レーザ光52を同じある位置に照射してもよい。
In the first embodiment, light having a wavelength of the
さらに、被加工物40の例としてシリコン基板を例に説明したが、シリコン以外の半導体、ステンレス等の金属、セラミックス等の無機化合物または有機化合物等を用いることもできる。
Furthermore, although the silicon substrate has been described as an example of the
以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
10 第1レーザ装置
14、52 第1レーザ光
20 第2レーザ装置
24、54 第2レーザ光
40 被加工物
50 走査方向
56 偏光方向
58 凹凸構造
59 周期方向
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Cited By (1)
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---|---|---|---|---|
JP2018023991A (en) * | 2016-08-09 | 2018-02-15 | 学校法人 名古屋電気学園 | Surface fine structure forming method, and structure manufacturing method |
-
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- 2011-09-15 JP JP2011202149A patent/JP2013063446A/en not_active Withdrawn
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