JP2013539911A - レーザマイクロ・ナノ加工システム及び方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図3
Description
図4は、実施形態1に係るレーザマイクロ・ナノ加工システムの構成イメージを示す図である。レーザマイクロ・ナノ加工システム200は、レーザ1、ハーフミラー3、逓倍結晶5のような逓倍器、光学遅延モジュール9、光学集束モジュール及び移動テーブル21を含む。レーザ1は、パルス幅がナノ秒からフェムト秒までの範囲内にあるパルスレーザを発生する。ハーフミラー3は、レーザ1の出力光の光路に配置され、透過光と反射光とを形成する。透過光の光路において、主軸に沿って逓倍結晶5とフィルタ6とが順に配置されている。フィルタ6は、逓倍された光(以下、逓倍光とも称する。)ビームをフィルタリングし、その出力エネルギーのうち、逓倍されたレーザビームのエネルギーとフィルタの出力エネルギーとの比率は、99.5%以上である。レーザマイクロ・ナノ加工システム200は、透過されて逓倍された光(以下、透過逓倍光とも称する。)の経路上においてフィルタ6の後方に位置し、逓倍光を拡大するレンズ12、13をさらに含む。ハーフミラー3の反射光の光路において、主軸に沿って反射鏡4が配置されている。反射鏡4は、反射された後の光(以下、基本波光とも称する)の光路を透過逓倍光の光路と平行させる。反射鏡4の後方には、光学遅延モジュール9が配置されている。光学遅延モジュール9は、2つのレーザビームが集束することにより同一の焦点に到達する時間の差を、加工すべき感光性材料が励起された励起状態のエネルギー準位の寿命よりも大きくならないように、光学的距離を調整する。さらに、光学遅延モジュール9の後方には、基本波光を拡大するレンズ10及び11が配置されている。レーザマイクロ・ナノ加工システム200は、それぞれ透過光路と反射光路の上に位置し、透過光路と反射光路上のレーザの偏光状態をそれぞれ調整する波長板15、14をさらに含む。波長板14、15は、動作波長が所在する光路のレーザ光の波長の全波長板、1/2波長板や1/4波長板であることが好ましい。レーザマイクロ・ナノ加工システム200の光学集束モジュールは、ダイクロイックミラー18及び反射鏡19と、対物レンズ20とを含む。ダイクロイックミラー18及び反射鏡19は、2つのレーザを重畳レーザビームに重畳させる。対物レンズ20は、レーザビームをコンピュータ制御の3次元マイクロ移動テーブル21に置かれた感光性材料に集束させる。対物レンズ20は、乾燥対物レンズ、水浸対物レンズまたは油浸対物レンズで、開口数が0.7〜1.65、倍率が10〜100であることが好ましい。コンピュータ制御の3次元マイクロ移動テーブルのx、y、及びz方向の移動範囲は、1nm〜200mmであることが好ましい。レーザマイクロ・ナノ加工システム200は、それぞれ透過光路と反射光路に位置して露光時間を調整するシャッター8、7と、それぞれ透過光路と反射光路に位置して露光エネルギーを調整する光減衰器17、16とをさらに含む。好ましくは、レンズ10、11、12、13の焦点距離は、それぞれ1mm〜500mmの範囲内である。本実施形態において、レーザマイクロ・ナノ加工システム200は、基本波のレーザビームと逓倍されたレーザビームとを、同じ光路に沿って伝搬される重畳レーザビームに形成する。そして、当該重畳レーザビームを同一の焦点に集束させ、加工すべき感光性材料を露光している。これによって、高分解能及び高い加工精度で感光性材料をマイクロ・ナノ加工する方法を提供する。
図5は、実施形態1の変形例に係るレーザマイクロ・ナノ加工システムの概略構成を示す図である。レーザマイクロ・ナノ加工システム300は、レーザ1、レーザ2、光学遅延モジュール9、光学集束モジュール及び移動テーブル21を含む。レーザ1は、第1の波長を有し、パルス幅がナノ秒からフェムト秒までの範囲内にある第1のパルスレーザを発生する。レーザ2は、図4に示すハーフミラー3、反射鏡4、逓倍結晶5、フィルタ6の代わりものとして、第1の波長と異なる第2の波長を有し、且つパルス幅がナノ秒からフェムト秒までの範囲内にある第2のパルスレーザを提供する。レーザマイクロ・ナノ加工システム300において、レーザ2を除くその他の構成は、図4に示すレーザマイクロ・ナノ加工システム200と同様である。
以下、本発明に係るレーザマイクロ・ナノ加工システム、及び当該レーザマイクロ・ナノ加工システムを用いてガラス基板上に施された商品名がSCR500のフォトレジストにおいてラインアレイ構造を形成する方法を詳細に説明する。
以下、上記の実施例1と比較して、800nmの単一のレーザビームのみで感光性材料を露光し、他の実施条件を実施例1と同様にした場合の比較例および得られた結果を説明する。
以下、図4に示したレーザマイクロ・ナノ加工システム、及び当該レーザマイクロ・ナノ加工システムを用いてガラス基板上に施された商品名がSCR500のフォトレジストにおいてフロートライン構造を形成する方法を詳細に説明する。
以下、図4に示したレーザマイクロ・ナノ加工システム、及び当該レーザマイクロ・ナノ加工システムを用いてガラス基板上に施された商品名がSCR500のフォトレジストにおいて2次元ドットアレイ構造を形成する方法を詳細に説明する。
以下、上記の実施例3と比較して、波長が800nmの単一のレーザビームのみで感光性材料を露光し、他の実施条件を実施例3と同様にした場合の比較例および得られた結果を説明する。
以下、図面に示したレーザマイクロ・ナノ加工システム、及び当該レーザマイクロ・ナノ加工システムを用いてガラス基板上に施された商品名がSCR500のフォトレジストにおいて重合点を形成する方法を詳細に説明する。
図12は、実施形態2に係る金属マイクロ・ナノ構造を製作するレーザマイクロ・ナノ加工システム400の概略構成を示す図である。レーザマイクロ・ナノ加工システム400は、第1の光路に位置する第1レーザ1、第1のシャッター7、レンズ10と11とからなる第1のレンズ群、減衰器16を含む。また、レーザマイクロ・ナノ加工システム400は、第2の光路に位置する第2レーザ2、第2のシャッター8、レンズ12と13とからなる第2のレンズ群、減衰器17を含む。さらに、レーザマイクロ・ナノ加工システム400は、ダイクロイックミラー18、反射鏡19、対物レンズ20、マイクロ移動テーブル21を含む。第1レーザ1は、パルス幅がナノ秒からフェムト秒の範囲内にあり、繰り返し周波数が1Hz〜100MHz、波長調整可能な範囲が157nm〜1064nmである第1のレーザビームを生成する。シャッター7は、第1のレーザの出力光路の開閉を制御し、レンズ10とレンズ11は、第1のレーザ1のレーザビームを拡大する。減衰器16は、照射過程において、第1のレーザ1からの第1のレーザビームが試料に入射するレーザパワーを制御する。第2のレーザ2は、波長調整可能な範囲が300nm〜1064nmであって、光ピンセット作用及び表面プラズマ吸収熱作用を発生させる第2のレーザビームを出力する連続波レーザであることが好ましい。シャッター8は、第2のレーザの出力光路の開閉を制御し、レンズ12とレンズ13は、第2のレーザ2からの第2のレーザビームを拡大する。減衰器17は、照射過程において試料に入射される第2のレーザビームのレーザパワーを制御する。ダイクロイックミラー18は、第1のレーザビームを対物レンズに反射するとともに、第2のレーザビームを透過させ、反射鏡19は、第2のレーザビームを対物レンズに反射する。これにより、第1のレーザビームと第2のレーザビームとを、同一の光路に沿って進行する重畳レーザビームに重畳させる。対物レンズは、重畳されたレーザビームを3次元マイクロ移動テーブル21に置かれた試料に集束させる。レーザマイクロ・ナノ加工システム400は、さらに、第1のレーザビームの光路上に位置する波長板14と、第2のレーザビームの光路上に位置する波長板15とを含む。波長板14、15は、所在する光路のレーザ光の波長の全波長板、1/2波長板及び1/4波長板であることが好ましい。レーザマイクロ・ナノ加工システム400のレンズ10、11、12、13の焦点距離は、1mm〜500mmであることが好ましい。レーザマイクロ・ナノ加工システム400の対物レンズ20は、乾燥対物レンズ、水浸対物レンズや油浸対物レンズで、開口数が0.75〜1.65、倍率が10〜100倍であることが好ましい。レーザマイクロ・ナノ加工システム400のマイクロ移動テーブル21は、コンピュータにより制御され、その移動範囲は、1nm〜200mmである。
以下、図12に示すレーザマイクロ・ナノ加工システムを用いて、ガラス基板の上に銀ナノワイヤを加工する実施例を詳細に説明する。
比較として、図16は、他の実施条件を実施例5と同様にし、780nmのフェムト秒レーザビームを単独で使用して銀イオンを露光した場合、得られた銀ワイヤの電子顕微鏡の図である。フェムト秒レーザビームのパワーが0.85mWである場合の銀ワイヤの線幅は255nmであるが、パワーが0.51mWである場合には連続する銀ワイヤを取得することができない。
他の実施条件を実施例5と同様にし、第1のフェムト秒レーザビームを波長が780nm、レーザパワーが0.484mWにし、第2の連続波レーザビームを波長が441.6nm、レーザパワーが2.47mWにして銀ナノワイヤを製作する。さらに、コンピュータ制御のマイクロ移動テーブルを変位させることにより、銀ナノワイヤアレイを製作する。この場合の走査型電子顕微鏡の図は、図17に示す通りである。
他の実施条件を実施例5と同様にし、事前にプログラミングされたプログラムで第1のレーザビームと第2のレーザビームの重畳レーザビームの銀イオン溶液での走査を制御し、2次元の開ループ共振リングアレイを製作する。この場合の走査型電子顕微鏡の図は、図18に示す通りである。
フェムト秒レーザ直接描画技術において、レーザビームは、通過する全ての領域において物質との作用を起こさず、一定の閾値に達し、物質に二光子吸収を発生させて光化学反応を引き起せる領域においてのみ物質と作用する。1つのレーザビームが入射した場合、材料が同時に2光子を吸収し、吸収効率は焦点におけるレーザ光強度の2乗に正比例し、加工分解能はレーザ光の焦点における光強度分布関数の2乗により決められる。一方、波長の異なる2つのレーザビームが入射した場合、材料が2つの異なる周波数の光子を吸収し、吸収効率は焦点での2つのレーザ光強度の積に正比例し、加工分解能は2つのレーザ光の焦点における光強度分布関数の積に決められる。
以下、図21〜28を参照して、SOI基板上でFinFETデバイスを製作することを例にして、本実施形態の方法を詳細に説明する。
3 ハーフミラー、
4 反射鏡、
5 逓倍結晶、
6 フィルタ、
7、8 シャッター、
9 光学遅延モジュール、
10、11、12、13 レンズ、
14、15 波長板、
16、17 光減衰器、
18 ダイクロイックミラー、
19 反射鏡、
20 対物レンズ、
21 移動テーブル、
22 1次元マイクロ移動テーブル、
23、24、25、26 反射鏡、
27、28 直角プリズム、
100、200、300、400 レーザマイクロ・ナノ加工システム、
101 レーザ光源、
102 光学集束モジュール、
103 コンピュータ制御のマイクロ移動テーブル、
601、602 メサ構造、
603 アクティブ領域、
801 フォトレジスト層、
802 上層シリコン、
803 酸化シリコン絶縁層、
804 シリコン基板。
Claims (16)
- 第1の波長を有し且つパルス幅がナノ秒からフェムト秒までの範囲内にある第1のレーザビームと、第1の波長と異なる第2の波長を有する第2のレーザビームとを供給するレーザ光源と、
前記第1のレーザビームと前記第2のレーザビームとを同一の焦点に集束させる光学集束モジュールと、
コンピュータにより制御されるマイクロ移動テーブルと、を含むレーザマイクロ・ナノ加工システム。 - 前記第1のレーザビームは、繰り返し周波数が1Hz〜200MHzであり、波長が157nm〜1064nmの範囲内にあることを特徴とする請求項1に記載のレーザマイクロ・ナノ加工システム。
- 前記第2のレーザビームのパルス幅がナノ秒からフェムト秒までの範囲内にあり、
前記第1のレーザビームと第2のレーザビームとが前記焦点に到達する時間の差が、加工すべき感光性材料が励起された励起状態のエネルギー準位の寿命よりも大きくならないように、前記第1のレーザビームまたは第2のレーザビームの光学的距離を調整する光学遅延モジュールをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のレーザマイクロ・ナノ加工システム。 - 前記第2のレーザビームが連続波レーザビームであることを特徴とする請求項1に記載のレーザマイクロ・ナノ加工システム。
- 加工すべき感光性材料に多光子効果を発生させる第1の波長を有し且つパルス幅がナノ秒からフェムト秒までの範囲内にある第1のレーザビームと、第1の波長と異なる第2の波長を有する第2のレーザビームとを出力するように、レーザ光源を調整するステップと、
前記第1のレーザビームと第2のレーザビームとを同一の焦点に集束させるように、光学集束モジュールを調整するステップと、
マイクロ移動テーブル上の加工すべき感光性材料を前記焦点で露光するように、コンピュータ制御のマイクロ移動テーブルを調整するステップと、を含むレーザマイクロ・ナノ加工方法。 - 前記加工すべき感光性材料が、有機感光性材料、無機感光性材料、金属イオンを含有する感光性材料から選択されたものであることを特徴とする請求項5に記載のレーザマイクロ・ナノ加工方法。
- 前記第2のレーザビームは、パルス幅がナノ秒からフェムト秒までの範囲にあるパルスレーザビームであり、
前記レーザ光源から出力される前記第2のレーザビームの波長を、加工すべき感光性材料に二光子効果を発生させる第2の波長に調整するステップと、
第1のレーザビームと第2のレーザビームとが前記焦点に到達する時間の差が、加工すべき感光性材料が励起された励起状態のエネルギー準位の寿命よりも大きくならないように、前記第1のレーザビームまたは第2のレーザビームの光学的距離を調整するステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項5に記載のレーザマイクロ・ナノ加工方法。 - 前記加工すべき感光性材料が金属イオン溶液であり、かつ、前記第2のレーザビームが連続波レーザビームであり、
前記金属イオンが金属ナノ粒子を形成するように前記第1のレーザビームを調整するステップと、
前記金属ナノ粒子に光ピンセット作用を発生させるように前記第2のレーザビームの第2の波長を調整するステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項5に記載のレーザマイクロ・ナノ加工方法。 - 前記金属ナノ粒子に光ピンセット作用を発生させるように前記第2のレーザビームの第2の波長を調整するステップは、前記金属ナノ粒子に表面プラズマ吸収及び光ピンセット作用を発生させるように、前記第2のレーザビームの第2の波長を調整するステップをさらに含むことを特徴とする請求項8に記載のレーザマイクロ・ナノ加工方法。
- 前記金属イオン溶液は、銀イオン溶液、金イオン溶液、白金イオン溶液、銅イオン溶液、鉄イオン溶液、ニッケルイオン溶液、コバルトイオン溶液、またはパラジウムイオン溶液を含むことを特徴とする請求項7に記載のレーザマイクロ・ナノ加工方法。
- 前記金属イオン溶液は、界面活性剤をさらに含むことを特徴とする請求項7に記載のレーザマイクロ・ナノ加工方法。
- 得られたマイクロ・ナノ構造が、1次元マイクロ・ナノ構造、2次元マイクロ・ナノ構造、または3次元マイクロ・ナノ構造であることを特徴とする請求項5に記載のレーザマイクロ・ナノ加工方法。
- 基板にフォトレジストを塗布し、フォトレジスト層を形成するステップと、
レーザ光源により出力された第1のレーザビームと第2のレーザビームとを、それぞれ、前記フォトレジストに二光子吸収効果を発生させる第1の波長と、第1の波長と異なる第2の波長とに調整し、前記第1のレーザビーム及び前記第2のレーザビームのパルス幅がナノ秒からフェムト秒までの範囲内にあるようにレーザ光源を調整するステップと、
前記第1のレーザビームと前記第2のレーザビームとを、同一の光路に沿って進行する重畳レーザビームに重畳させるステップと、
対物レンズを介して前記重畳レーザビームを同一の焦点に集束させるステップと、
同一の焦点に集束されたレーザビームにより前記フォトレジストの特定位置を露光するステップと、
前記フォトレジストを現像するステップと、
得られたフォトレジストのパターンを基板に転写するステップと、を含む、レーザ二光子直接描画技術によりマイクロ・ナノ構造デバイスを製作する方法。 - 前記マイクロ・ナノ構造デバイスが半導体装置であることを特徴とする請求項13に記載のレーザ二光子直接描画技術によりマイクロ・ナノ構造デバイスを製作する方法。
- 基板にフォトレジストを塗布し、フォトレジスト層を形成するステップの後に、
透明補助基板を前記フォトレジスト層上に置き、基板と、フォトレジスト層と、透明補助基板とからなるサンドイッチ構造を形成するステップと、
前記レーザビームを前記サンドイッチ構造の透明補助基板方向から前記フォトレジストに照射し、前記フォトレジストの特定位置を露光するステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項13に記載のレーザ二光子直接描画技術によりマイクロ・ナノ構造デバイスを製作する方法。 - 前記第1のレーザビームと第2のレーザビームとの平均パワーがそれぞれ0.1μW〜1Wであり、露光時間がそれぞれ1ms〜10minであることを特徴とする請求項13に記載のレーザ二光子直接描画技術によりマイクロ・ナノ構造デバイスを製作する方法。
Applications Claiming Priority (7)
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