JP2016515163A - レーザ誘起ガスプラズマ加工 - Google Patents

Abstract

基板から材料を除去するための技法が提供される。レーザビームは、処置されるべき表面からある距離に集束される。ガスが合焦点に供給される。ガスはレーザエネルギーを使用して解離されて、ガスプラズマを発生させる。次に、基板をガスプラズマに接触させて、材料除去が可能になる。【選択図】図１

Description

[関連出願の相互参照]
[0001]本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下で、２０１３年２月１３日に出願された米国特許仮出願第６１／７６４，４８２号の優先権を主張し、その内容は、すべての目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。

［連邦政府支援の研究開発に基づいてなされた発明についての権利に関する陳述］
[0002]米国政府は、Ｌａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙの活動のための、ｔｈｅ Ｕ．Ｓ． Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ ＥｎｅｒｇｙとＬａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ， ＬＬＣとの間の契約第ＤＥ−ＡＣ５２−０７ＮＡ２７３４４号に従って本発明に権利を有する。

[0003]金属及び他のタイプの表面のための従来の形態のレーザ加工は、蒸発した材料を加工されている表面から引き離すためにガスを使用する。加えて、レーザ加工の従来の方法は、加工されている基板の表面を実質的に加熱する傾向がある。加熱は、基板に残留応力を誘起し、再堆積された材料の量を増加させ、表面材料の溶融に起因する材料流れを増加させ、及び／又は表面仕上げを損ない、最後には基板の損傷で終わることになる場合がある。

[0004]上記の従来のレーザ加工の悪影響を排除及び／又は減少させることができるレーザ加工プロセスを有することは有益であろう。

[0005]本発明の実施形態は、一般には、様々な表面の加工に関する。詳細には、本発明の実施形態は、レーザエネルギーを使用して発生させたガスプラズマを使用して、基板の表面を加工することに関する。特定の実施形態では、レーザエネルギーを使用してガスを分解して、基板の近傍に反応性ガスプラズマクラウドを形成する。次に、基板をガスプラズマクラウドに接触させて、基板の所望の一部分を加工する。

[0006]本発明のある実施形態は、基板から材料を除去する方法を提供する。この方法は、第１の表面及び反対側の第２の表面を有する基板を用意するステップを含む。この方法は、第１の表面から所定の距離に位置する合焦点にレーザビームを集束させるステップと、合焦点に又はその近くにガスを供給するステップとをさらに含む。その後、この方法は、レーザビームによって供給されるエネルギーを使用してガスを分解することによってガスプラズマを発生させるステップと、第１の表面の一部分をガスプラズマにさらすステップとを含む。最後に、この方法は、第１の基板の一部分から材料を除去するステップを含む。

[0007]特定の実施形態では、合焦点は、第１の表面の前方に位置し、所定の距離は、３ｍｍと１０ｍｍとの間にある。ガスプラズマは、合焦点及び第１の表面から離れる方向に伝搬することができる。いくつかの実施形態では、ガスは、空気、窒素、アルゴン、水素、フッ化水素（ＨＦ）、又は四フッ化炭素（ＣＦ_４）のうちの１つを含む。この方法では、第１の表面の一部分をさらすステップは、基板がレーザビームの軸に対してある角度で配設されるように基板を移動させるステップと、基板がその角度で配設される場合、基板の一部分がガスプラズマに物理的に接触するように基板を移動させるステップとをさらに含むことができる。いくつかの実施形態では、角度は２０度未満である。特定の実施形態では、ガスプラズマの半減期は、１０μｓと１００μｓとの間の範囲にある。プラズマの寿命は、ガス密度（圧力）、プラズマの体積、及びガスのイオン化の程度に依存する。分子の再結合事象が、より高密度のプラズマクラウドではより大きい割合で生じる。プラズマの冷却は、イオン化／再結合とともに膨張、伝導、対流によって生じる。大きい体積は、低い平均密度に達するのに小さい体積よりも時間がかかることがある。

[0008]本発明のいくつかの実施形態は、システムを提供する。このシステムは、レーザビームを発生させるように構成されたレーザ源と、レーザビームの経路に配設され、レーザビームを合焦点に集束させるように構成された集束レンズと、合焦点に又はその近くにガスを送り出すように構成されたガス源と、第１の表面及び反対側の第２の表面を有する基板とを含む。基板は、第１の表面が合焦点から第１の距離に位置するように配設することができ、合焦点は、集束レンズと基板との間に位置する。このシステムは、ガスプラズマを合焦点の近傍に発生させるように動作することができる。ガスプラズマは、レーザビームの経路に沿って、ビーム伝搬の方向から離れる又はそれと反対の方向に伝搬する。このシステムは、さらに、基板の一部分をガスプラズマにさらし、ガスプラズマを使用して基板の一部分から材料を除去するように基板を移動させることを可能にすることができる。

[0009]一実施形態では、レーザ源はＹＡＧレーザを含み、ガスは、空気、窒素、アルゴン、水素、フッ化水素（ＨＦ）、又は四フッ化炭素（ＣＦ_４）のうちの１つを含む。基板は、溶融石英、金属、又はセラミックのうちの１つを含むことができる。いくつかの実施形態では、第１の距離は、３ｍｍと１０ｍｍとの間にあり、基板は、レーザビームの経路に対してある角度で配設することができる。特定の実施形態では、角度は２０度未満である。別の実施形態では、システムは、ノズルをさらに含むことができる。ノズルは、合焦点がノズル内に位置するように集束レンズと基板との間に配設することができる。この実施形態では、ガス源は、ノズルに結合され、５Ｌ／分と２０Ｌ／分との間の流量を有するガスを供給することができる。さらに、この実施形態では、システムは、ガスプラズマの発生後に残された残留ガスを使用してガスプラズマを基板の方に伝搬させることができる。いくつかの実施形態では、ノズルは、レーザビームの発散光を遮り、表面が入射ビームにさらされるのを減少させるように作用することができる。

[0010]本発明のさらなる別の実施形態は、基板から材料を除去する別の方法を提供する。この方法は、第１の表面及び反対側の第２の表面を有する基板を用意するステップと、基板の第２の表面から第１の距離に位置する合焦点にレーザビームを集束させるステップとを含む。この実施形態では、レーザビームは、第１の基板に当たった後、基板を通過する。この方法は、合焦点に又はその近くにガスを供給するステップと、レーザビームからのエネルギーを使用してガスを分解することによってガスプラズマを発生させるステップとをさらに含む。ガスプラズマは、合焦点から離れ、基板の第２の表面の方に向きを定められる。この方法は、第２の表面の一部分をガスプラズマにさらすために基板を移動させるステップと、第２の表面の一部分から材料を除去するステップとをさらに含む。

[0011]以下の詳細な説明は、添付図面とともに、本発明の本質及び利点のよりよい理解を与えるであろう。

本発明の一実施形態による、基板から材料を除去するためのシステムの高レベルブロック図である。 本発明の実施形態を使用する有益な効果を示す図である。 リム高さ及びピッティングレートへの本明細書で開示する技法の効果を示す図である。 本発明の第１の実施形態の機能ブロックダイアグラムである。 本発明の第２の実施形態の機能ブロックダイアグラムである。 本発明の第３の実施形態の機能ブロックダイアグラムである。 本発明の一実施形態によるビーム整形を示す概略図である。 従来のレーザビームと、本発明の一実施形態に従って変更されたレーザビームとの断面を示す図である。 本発明の第４の実施形態の機能ブロックダイアグラムである。 本発明の実施形態を使用して基板をエッチングした結果を示す図である。 本発明の一実施形態による、基板から材料を除去するためのプロセスの流れ図である。 本発明の別の実施形態による、基板から材料を除去するためのプロセスの流れ図である。

[0024]本発明の実施形態は、一般には、基板のレーザベース加工に関する。多くのタイプの基板が本明細書で説明する技法を使用して加工され得ることに留意されたい。しかしながら、溶融石英ベース光学構成要素が、本発明の様々な実施形態を説明するために、明細書を通じて例として使用される。

[0025]本明細書で説明するようなガスプラズマレーザ加工技法は、著しい蒸発（加熱の期間の間の）がない場合でさえ、溶融、流れ、又は表面分子緩和によって、表面仕上げ／粗さ／品質に影響を与えることがある。表面仕上げ粗さ効果は、（ａ）界面化学の変更、それゆえに界面エネルギーの変更（例えば、粗い表面が平らになる傾向は、界面エネルギーが大きいほど大きくなる）、（ｂ）マランゴニ流れを推進する界面エネルギーの温度依存の変更、及び（ｃ）蒸発温度の低下、それによる粘性の増加及び材料流れの減少、したがってリム形成の減少のために生じることがある。

[0026]レーザは、ドリル加工、切断、ある材料の被覆の別の材料からの除去、マーキング／彫刻、表面仕上げ／平滑化などのような様々な加工作業で使用することができる。本発明の実施形態は、基板の表面から材料を除去するために、レーザを使用して発生させたガスプラズマを使用することに関する。加えて、本発明の実施形態は、材料を除去することなしに材料の溶融、流れ、又は表面仕上げで使用することができる。しかしながら、本明細書で開示する技法はレーザ加工の任意の他の用途に適用可能である。詳細には、本発明の実施形態は、溶融石英ベース光学構成要素を使用して説明される。当業者は、本明細書で開示する技法が、金属、セラミックス、及び他のタイプの材料のレーザ加工に等しく適用可能であることをはっきり理解するであろう。

[0027]シリカは、耐火性ライニング、ファイバ光学部品、光学基板の原材料などの多くの工業用途で、及び一般に不活性及び靱性を必要とするデバイスの構成要素として使用される。しかしながら、シリカは、処理するのが困難である。ガラス作業点（≒２４００°Ｋ）より上の高い温度が溶融石英の成形に使用され、一方、非常に反応的な化学種がシリカの化学エッチングで必要とされる。さらに、シリカの処理特性の多くは、温度に大幅に依存する。特に、シリカの蒸発エッチングは、シリカの沸点、例えば、３０００°Ｋに近い極端な温度を使用する。そのような温度は、周囲条件下で加工するには実用的でない。空気中でガラスを加工するのに局部加熱が使用される用途では、これらの高温要件は、多くの場合、残留応力の不要な増加、リム構造の形成、及びガラスの再堆積欠陥を引き起こす。材料除去のための処置温度の低下は、これらの不要な要因を減少及び／又は排除することによって熱処理を大幅に改善する。本発明の１つの実施形態では、レーザ発生ガスプラズマが、レーザを基板表面に直接に入射することなしに、材料除去に使用される。

[0028]従来のレーザ加工は、材料のレーザベース蒸発に、及び高温表面の近くのクヌーセン層内の脱出化学種（ｅｓｃａｐｅｄ ｓｐｅｃｉｅｓ）の速度に依拠する。しかしながら、従来の技法は、反応ガスからのいかなる化学反応も、又は気相生成物の存在に由来する蒸発反応の平衡のいかなるシフトも含まない。加えて、従来の技法では、材料除去に使用されるガスは、蒸発プロセス中に材料と直接反応しない。本発明の実施形態は、レーザエネルギーを使用したガスプラズマの発生を実現する。ガスプラズマは、基板の表面からある距離において発生される。次に、基板をガスプラズマに接触させて加工を行う。

[0029]従来、シリカ光学部品へのレーザベース損傷緩和は、主として、表面を局所的に照射して損傷場所を除去することによって対処されている。上述で説明したように、このプロセスは、蒸発、アブレーション、及び材料流れにより表面にピットを残す。いくつかの事例では、注意深いピット整形は、ビーム変調（ｂｅａｍ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を損傷閾値より下のレベルに減少させ、さらに、ピットの周囲での腐食性リム構造の形成を最小にすることができる。レーザビームフルエンス及び発射回転率（ｓｈｏｔ ｔｕｒｎｏｖｅｒ ｒａｔｅ）の両方が連続的に増加すると、損傷緩和方策の厳しさが高まる。

[0030]レーザ処置表面でのリムの形成は、通常、マランゴニ駆動流によるか、又はピットの中心から外側に材料を押す反動圧力による溶融シリカの変位に関連する。１つの損傷緩和手法では、短いＣＯ_２レーザパルス（≒μｓ範囲の）の移動ビームが集束され、移動ビームが、基板の加熱を減少させながら、材料を所望の形状に次第に局所的にアブレートする。達せられる高いピーク温度、例えば、≒４５００Ｋにもかかわらず、基板加熱のこの減少は、短いが強いマイクロ秒露光に由来する短い熱拡散長≒√Ｄｔ_ｅｘｐのためであり、ここで、Ｄは熱拡散であり、ｔ_ｅｘｐはレーザ露光時間である。例えば、≒２０００〜３０００Ｋ範囲の別の低温手法は、定常状態レーザ加熱条件（ｔ_ｅｘｐ≒秒）下で固定ＣＷ ＣＯ_２ビームを用いるより簡単な手順（ｐｒｏｔｏｃｏｌ）を使用する。これらの長いレーザ露光の欠点は、かなり大きいバルク材料加熱、焼き締まり、残留応力、及び大きいリムを含み、それにより、この手法は、定型化された損傷緩和では問題が多くなる。いくつかの事例では、反応性アシストガスが、使用されるガス化学的性質に応じてレーザ処置温度を約≒２５０Ｋだけ減少させるために適用されている。温度のその減少は、溶融粘度を増加させるが、一方、熱毛管流及び残留応力を減少させる。しかしながら、溶融石英は、反応性ガス雰囲気下でさえ非常に不活性であるので、約２８００Ｋの高い蒸発温度が、実用的な時間スケールを通して十分な材料を除去し流れさせるのに依然として必要とされる。ガラス転移点より下にさらに処置温度を低下させるために、ＣＦ_４又はＨＦなどの非常に反応性の高いガスを場合によっては使用することがある。しかしながら、これらのガスは、有毒であり、大開口光学部品のために設計された処理設備では扱うのが困難である。

[0031]本発明の実施形態は、強いビームがレーザの合焦点での高度のイオン化を用いて空気中でプラズマを点火することができる技法を提供する。次に、このように形成されたガスプラズマは、シリカ表面を移動させるか、又はシリカ表面と反応して、揮発性化学種を生成することができる。レーザエネルギーの大部分は、プラズマエッチングを除いては表面に影響しないままでありながら、リム形成を防止するために最小熱占有面積で、ガスに結合することができる。プラズマの温度は、プラズマ減衰よりも速く冷却する。さらに、ガスプラズマは非常に反応的であるが、大気圧での迅速なイオン再結合に起因して短命でもある。したがって、プラズマの発生源は、周囲に伝搬する前に化学的に十分に消滅され、それにより、プラズマは、局在化エッチングガスとして使用するのに安全になる。いくつかの実施形態では、ガス（例えば、空気又はＮ_２）は、強いレーザパルスにより光学的に分解されて、処置される光学構成要素の近くでエッチングプラズマを、光学構成要素を損傷することなく、発生する。

[0032]多くの利点が、本発明の実施形態を使用することによって実現される。例えば、本明細書で説明する技法は、材料の所与の蒸発速度での蒸発温度を低下させ、それにより、低下した温度で、材料のエッチングが実行され得る。材料の温度によって表されるレーザ堆積エネルギーの量のこの低下は、材料の構造変更が対応して減少することとともに、応力及び材料の冷却後の残留応力を減少させるのに役立ち、材料寿命を増加させ、一方、故障の場合に材料が損傷することになる範囲を減少させ（例えば、より小さい応力場に由来する破損サイズの減少）、さらに、材料流れを減少させるのに役立つ。別の利点は、従来のプロセスと比較して、所望のエッチングレートで材料を蒸発／エッチングするのに必要とされるレーザエネルギーが減少することである。加えて、本明細書で開示する技法は、表面の明白な再堆積された材料の量を減少させ、それにより、加工面の構造的及び光学的欠点を減少させるのにも役立つ。追加として、基板の表面から離れたところで発生されるガスプラズマを使用すると、加熱場所縁部でのマランゴニ流れに起因するリム形成及び湾曲の減少又はさらに排除がもたらされる。これは、材料が光学用途で光を方向づけるのに使用されるとき、伝搬光を強めるように作用することができるより少ないフィーチャを持つ平坦な表面を維持するのに役立つ。同様の表面トポロジー及びプロセスの改善は、金属、セラミックスなどのような他の材料で得ることができる。本明細書で説明する実施形態を使用して発生させるガスプラズマは、材料除去のために基板上の材料の熱分解を必要とすることなしに、非常に反応的である。そのようなガスプラズマは、さらに、フッ化水素（ＨＦ）のような攻撃的で有毒なガスと比較して、短い寿命のためにより安全である。

[0033]本発明の以下の実施形態は、主として、溶融石英ベース材料に関連して説明する。しかしながら、以下で説明する実施形態は、金属、セラミックスなどのような他のタイプの材料に等しく同様に適用可能であることを理解すべきである。

[0034]図１は、本発明の一実施形態による、レーザ誘起ガスプラズマ加工プロセスを実行するためのシステム１００の高レベルブロック図である。システム１００は、レーザビーム１０４を出力することができるレーザ源１０２を含む。レーザ源は、任意の従来のレーザ源を含むことができる。特定の実施形態では、３ワットで動作し、約３５５ナノメートルの波長を有するＹＡＧレーザを使用することができる。レーザビーム１０４は、集束レンズ１０８を通過して、点１１６に集束することができる。いくつかの実施形態では、ビーム直径は約１０マイクロメートルであり、レンズ１０８の焦点距離は約５０ミリメートルである。ガス、例えば、空気又は窒素は、合焦点１１６に又はその近くに供給することができる。図１に示すように、ガス源１１４は、所望のガスを流量制御機構１１２を介して供給することができる。合焦点１１６の近傍において、レーザビーム１０４はガスを分解して、ガスプラズマ１１０を形成することができる。ガスプラズマ１１０は、ガスプラズマの大多数が合焦点から離れてレンズ１０８の方に導かれるように形成される。ガスプラズマを発生させるのに必要とされるレーザエネルギーは、主としてガスのタイプを含むいくつかの要因に依存する。１つの実施形態では、レーザエネルギーは２０ｍＪと５０ｍＪとの間とすることができる。レーザ源１０２は、１０Ｈｚと１００Ｈｚとの間の繰り返し周波数を持ち、約７〜１０ナノ秒のパルス持続時間を有する一連の短持続時間レーザパルスを供給するように動作することができる。

[0035]加工されるべき基板１０６は、必要に応じて水平、垂直、及び／又は半径方向に基板１０６を移動させることによってガスプラズマ１１０に接触させることができる。基板１０６の表面がガスプラズマ１１０に接触されられたとき、ガスプラズマのイオン化化学種が表面材料と反応し、その結果、表面材料の除去がもたらされる。レーザビーム１０４が基板１０６の表面に集束されないので、基板の表面の温度はより低いレベルに保たれ、上述の問題を避けることができる。特定の実施形態では、結果として生じるガスプラズマは、１分未満の寿命を有し、それにより、基板１０６の暴露時間がさらに制限され、レーザによって引き起こされることがある損傷が減少する。実施形態によっては、ガスプラズマの半減期はマイクロ秒範囲である。

[0036]さらに、システム１００は本明細書では特定のブロックを参照しながら説明しているが、これらのブロックは説明の便宜のために定義されており、構成部品の特定の物理的配列を意味するようには意図されていないことを理解すべきである。さらに、ブロックは、物理的に別個の構成要素に対応する必要はない。ブロックは、例えば、プロセッサをプログラムするか又は適切な制御回路を用意することよって、様々な作業を実行するように構成することができ、様々なブロックは、初期構成がどのように得られたかに応じて再構成可能である場合もあるし、そうでない場合もある。本発明の実施形態は、回路及びソフトウェアの任意の組合せを使用して実装される電子デバイスを含む様々なデバイスで実現することができる。

[0037]図２は、様々なレーザベースエッチング技法の使用による温度と表面プロファイルとの間の関係を示すグラフである。図２から見て分かるように、本明細書で開示するようなガスプラズマエッチングは、基板の表面にわたり最も均一な表面プロファイルを与える。さらに、図２から明らかなように、ガスプラズマエッチングは、エッチングが実行されるとき形成されることがあるリムの量を減少させる。図３は、従来の方法及び本明細書で説明するガスプラズマエッチングの使用によるリム高さとピッティングレートとの間の関係を示す。図２から見て分かるように、ピッティングレートが増加するにつれて、従来のプロセスではリム高さも増加する。しかしながら、本明細書で開示するガスプラズマエッチング技法を使用することによって、ピッティングレート（又はエッチングレート）が増加しても、リム高さはほとんど増加しないことが見て分かる。したがって、本明細書で開示する実施形態を使用することによって、エッチングレートを増加させると同時にリム高さを最小にして、より均一なエッチングプロファイルを得ることが可能である。

[0038]図４は、本発明の第１の実施形態の概略図である。この実施形態では、レーザビーム１０４は、加工されるべき基板１０６の表面４０２の前方の点１１６に集束される。特定の実施形態では、合焦点１１６は、基板の表面から３ｍｍと５ｍｍとの間の距離に位置する。ガスは、合焦点１１６の近傍に導入される。レーザビーム１０４からのエネルギーはガスを分解して、ガスプラズマ１１０を形成する。ガスプラズマ１１０は、ガス分解によって発生されたイオン化化学種及び遊離基を含む。これらのイオン化化学種及び遊離基は非常に反応的である。ガスプラズマ１１０は、レーザ源１０２に向かう方向で合焦点１１６から後方に伝搬する。基板１０６は、表面４０２の一部分をガスプラズマ１１０に接触させるように横方向に移動させることができる。ガスプラズマのイオン化化学種及び遊離基は、表面４０２の材料と反応して、材料の一部分を除去する。暴露時間及び基板の場所を、基板１０６の移動及び／又はレーザ源１０２の操作によって制御して、所望の結果を得ることができる。レーザを使用してガスを分解してプラズマを発生させる機構は、当技術分野でよく知られており、それの説明は本明細書では提供されない。いくつかの実施形態では、基板１０６はステージに装着することができる。様々な軸でのステージの移動は、運動制御の既知の従来の手段のいずれかを使用して達成することができる。運動制御機構の詳細は、当技術分野で知られているので、本明細書では提供されない。この実施形態では、レーザビームは基板の表面からある距離に集束されても、基板がガスプラズマに近づけられるので、ガスプラズマは、プラズマ熱傷に起因する表面への損傷を引き起こすことがある。加えて、基板が合焦点１１６に近づくとき、レーザビーム自体が、表面損傷を引き起こすことがある。加工される材料に応じて、そのような損傷が許容される場合もあり、許容されない場合もある。しかしながら、本実施形態は、プラズマ熱傷に耐えることができる材料にとって好適であることに留意されたい。実施形態によっては、基板を移動させる代わりに、合焦点１１６を移動させて、ガスプラズマを基板の近くに又は基板から遠くに移動させることができる。

[0039]図５は、本発明の第２の実施形態を示す。この実施形態では、レーザビーム１０４は、基板１０６を通過し、基板１０６の他の側の合焦点１１６に収斂する。ガスは、合焦点１１６に又はその近くに供給され、ガスプラズマ１１０が、上述のように発生される。見て分かるように、ガスプラズマ１１０は、合焦点１１６から基板１０６の表面５０２の方に後方に突き出る。次に、基板１０６は、表面５０２の一部分をガスプラズマ１１０にさらすために水平に及び／又は垂直に移動させることができる。特定の実施形態では、ガスプラズマ１１０は、表面５０２から１０ｍｍと１５ｍｍとの間の距離で発生することができる。ガスプラズマは合焦点から後方に伝搬するので、基板１０６の他の側に合焦点があるのは、基板がレーザビーム自体に接触することを心配する必要なしに、ガスプラズマのより多くに表面５０２をさらすことができるのに役立つ。図５はこれを明確に示しており、ガスプラズマ１１０が合焦点から離れて基板の表面の方に伝搬する。対照的に、上述の図４に示すように、ガスプラズマは、合焦点から離れたところに、及び基板の表面４０２から離れたところに伝搬する。これは、レーザビームが表面をエッチングするのを防止し、ガスプラズマのより多くを使用してエッチングを実行するのに役立つ。この特定のセットアップは、やはり、図４を参照して上述したものと同じ問題を持つが、レーザに起因する材料損傷が問題でない場合には、又は材料が、レーザが材料を全く損傷できないようなものである場合には好適となり得る。

[0040]図６は、本発明の第３の実施形態を示す。この実施形態では、レーザビーム１０４はノズル６０２の内側で収斂する。圧縮ガスが、ノズルの内側の合焦点１１６に又はその近くに供給されて、ガスプラズマを発生させる。ガスプラズマ１１０は、発生した後、ガスプラズマの発生後に残された過剰ガスによって、基板１０６の表面４０２の方に押し進められる。この構成では、合焦点１１６を基板の表面から離しておくことが可能である。特定の実施形態では、距離Ｂは３ｍｍと６ｍｍとの間である。ガスプラズマ１１０を基板１０６の表面４０２の方に「押し進める」ために過剰ガスが使用されているので、レーザビームと基板との間の相互作用は最小ないし無しであり、したがって、レーザビーム自体によって引き起こされることがある損傷の量を著しく減少させる。ノズル６０２の先端は、表面４０２から約１ｍｍの距離Ａに配置することができる。一実施形態では、圧縮ガスの流量は、５Ｌ／分〜約２０Ｌ／分の間とすることができる。使用することができる圧縮ガスは、空気、窒素、アルゴン、水素、又は任意の他の好適な反応性ガスを含むことができる。ビームエネルギー空間分布を調整することによって、レーザビームの同じエネルギーを使用して、焦点においてプラズマを発生させることができ、しかも、高強度ビーム部分の大部分は、ビームが発散し、前方に伝搬する場合、ノズル壁によって遮られ得る／クリップされ得る。この実施形態では、ビームの軸の近くの一部分のみがノズル開口を通過し、それにより、レーザビームへの表面暴露と、表面損傷の危険性とが減少する。

[0041]図６から見て分かるように、レーザビームの照準線は、レーザビームが基板自体にいかなる損傷も引き起こさないようにするためにわずかに中心から外れている。いくつかの実施形態では、ビーム整形は、例えば、表面でより少ない露光受けるが、ガスが出ていくノズルの開口によってビームの側面がクリップされるか又は遮られるようにドーナツ形状にビームエネルギーを集中させることによって、そのビーム遮蔽をさらに改良することができる。図６Ａはこの態様を示す。図６Ａに示すように、レーザビーム１０４からの発散光は、光が基板１０６に達するのを防止するノズル６０２の壁によって阻止され、それにより、レーザビーム１０４に基板１０６をさらすことが減少する。ビーム整形は、例えば、表面でより少ない露光を受けるが、ガスが出ていくノズルの開口によってビームの側面がクリップされるか又は遮られるようにドーナツ形状にビームエネルギーを集中させることによって、そのビーム遮蔽をさらに改良することができる。図６Ｂに示すように、ビームエネルギー空間分布を調整することによって、同じエネルギーを使用して、焦点でプラズマを発生させることができ、しかも、高強度ビーム部分の大部分は、ビームが発散し、前方に伝搬する場合、ノズル壁によって遮られ得る／クリップされ得る。この実施形態では、ビームの軸の近くの一部分のみがノズル開口を通過し、それにより、レーザビームへの表面暴露と、表面損傷の危険性とが減少する。

[0042]図７は、本発明の第４の実施形態を示す。この実施形態では、ガスプラズマ１１０が基板表面４０２に垂直な方向で基板表面に直接当てられる（図４、５、及び６の実施形態におけるように）代わりに、基板１０６は、ガスプラズマと比べて角度７０２に保持される。ガスプラズマは、上述の前の実施形態のすべてと同様に発生される。しかしながら、基板がガスプラズマに対してある角度で保持されているので、レーザビーム自体と基板の表面との間に相互作用がない。特定の実施形態では、基板の表面４０２とレーザビームの軸との間の角度７０２は、２０度未満である。この実施形態のガスプラズマは基板の表面をかすめるか又は軽く触れて通るので、基板表面の均一でより正確なエッチングが、必要に応じて基板１０６を移動させることによって達成され得る。加えて、レーザビームが基板の表面から離れたところで集束されるので、レーザビームによって引き起こされる潜在的な損傷を最小にするか又は排除することができる。

[0043]１つの実施形態では、基板の表面温度は、２０００ケルビンと２５００ケルビンとの間に達することができる。これは、基板の表面で材料の若干の溶融がある場合でさえ、材料の再堆積を減少させるのに役立つ。図８は、本発明の実施形態を使用した基板のエッチングの結果を示す。

[0044]図９は、本発明の一実施形態による、基板の表面から材料を除去するためのプロセス９００の流れ図である。プロセス９００は、例えば図１のシステム１００によって実行することができる。プロセス９００は、エッチングされるべき基板が用意されるステップ９０２で始まる。上述のように、基板は、溶融石英ベース構成要素、金属、セラミック、又は任意の他の材料を含むことができる。ステップ９０４において、レーザビームが、基板の表面から所定の距離に集束される。レーザビームは、レーザビームが基板の表面に達するのではなく、むしろ合焦点で終了するように集束される。いくつかの実施形態では、所定の距離は、基板の表面から３ｍｍと１０ｍｍとの間にある。ステップ９０６において、ガスが、レーザの合焦点に又はその近くに供給される。いくつかの実施形態では、ガスは、空気、窒素、水素、ＨＦ、ＣＦ_４などからなる群から選択され得る。ステップ９０８において、レーザエネルギーがガスを合焦点で分解し、ガスプラズマを発生させる。発生したガスプラズマは、合焦点から離れてレーザビームの発生源に向かう方向に伝搬する。ステップ９１０において、基板の表面が、基板を移動させるか又はガスプラズマを移動させることによってガスプラズマに接触させられる。ひとたび基板の表面の一部分がガスプラズマにさらされると、ガスプラズマは、ステップ９１２において、基板の表面の一部分の材料をエッチングし除去することができる。上述のように、基板は、いくつかの方法でガスプラズマと比べて向きを定めることができる。

[0045]図９に示した特定のステップは、本発明の一実施形態に従って表面をエッチングする特定の方法を実現していることをよく理解すべきである。ステップの他のシーケンスを代替実施形態に従って実行することもできる。例えば、本発明の代替実施形態は、上述で概説したステップを異なる順序で実行することができる。その上、図９に示した個々のステップは多数のサブステップを含むことができ、サブステップは、個々のステップにとって適切な様々なシーケンスで実行することができる。さらに、追加のステップを、特定用途に応じて追加又は除去することができる。当業者は、多くの変形、変更、及び代替を認識するであろう。

[0046]図１０は、本発明の別の実施形態による基板の表面から材料を除去するプロセス１０００の流れ図である。プロセス１０００は、基板が用意されるステップ１００２で始まる。基板は、第１の表面及び反対側の第２の表面を有する。ステップ１００４において、レーザビームは、第１の基板に当てられる。レーザビームは、基板を通過し、第２の表面から第１の距離に位置する点に集束される。ステップ１００６において、ガスが、合焦点に供給される。ステップ１００８において、ガスプラズマが、レーザエネルギーを使用してガスを分解することによって発生される。ガスプラズマは、基板材料と反応できる遊離基を含む。ステップ１０１０において、基板が、ガスプラズマと第２の表面の一部分との間の接触を可能にするように移動される。その後、ステップ１０１２において、材料が、第２の表面の一部分から除去される。

[0047]図１０に示した特定のステップは、本発明の一実施形態に従って表面をエッチングする特定の方法を実現していることをよく理解すべきである。ステップの他のシーケンスを代替実施形態に従って実行することもできる。例えば、本発明の代替実施形態は、上述で概説したステップを異なる順序で実行することができる。その上、図１０に示した個々のステップは多数のサブステップを含むことができ、サブステップは、個々のステップにとって適切な様々なシーケンスで実行することができる。さらに、追加のステップを、特定用途に応じて追加又は除去することができる。当業者は、多くの変形、変更、及び代替を認識するであろう。

[0048]本発明のこの説明は、例証及び説明のために提示された。網羅的であること、又は説明した正確な形態に本発明を限定することを意図したものではなく、多くの変更及び変形が上述の教示に照らして可能である。実施形態は、本発明の原理及び本発明の実際の用途を最も良く説明するために選ばれ説明された。この説明により、当業者は、様々な実施形態で及び特定の使用に適合された様々な変更で本発明を最良に利用し実践することができる。本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって定義される。

Claims (20)

1. 第１の表面及び反対側の第２の表面を有する基板を用意するステップと、
   前記第１の表面から所定の距離に位置する合焦点にレーザビームを集束させるステップと、
   前記合焦点に又はその近くにガスを供給するステップと、
   前記レーザビームによって供給されたエネルギーを使用して前記ガスを分解することによってガスプラズマを発生させるステップと、
   前記第１の表面の一部分を前記ガスプラズマにさらすステップと、
   前記第１の基板の前記一部分から材料を除去するステップと
   を含む方法。
2. 前記合焦点が、前記第１の表面の前に位置している、請求項１に記載の方法。
3. 前記所定の距離が、３ｍｍと１０ｍｍとの間にある、請求項１に記載の方法。
4. 前記ガスプラズマが、前記合焦点及び前記第１の表面から離れる方向に伝搬する、請求項１に記載の方法。
5. 前記ガスが、空気、窒素、アルゴン、水素、フッ化水素（ＨＦ）、又は四フッ化炭素（ＣＦ_４）のうちの１つを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記第１の表面の前記一部分をさらすステップが、
   前記基板が前記レーザビームの軸に対してある角度で配設されるように前記基板を移動させるステップと、
   前記基板が前記角度で配設されているときに前記基板の前記一部分が前記ガスプラズマに物理的に接触するように、前記基板を移動させるステップと
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記角度が２０度未満である、請求項６に記載の方法。
8. 前記ガスプラズマの半減期が、１０μｓと１００μｓとの間の範囲にある、請求項１に記載の方法。
9. レーザビームを発生させるように構成されたレーザ源と、
   前記レーザビームの経路に配設され、前記レーザビームを合焦点に集束させるように構成された集束レンズと、
   前記合焦点に又はその近くにガスを送り出すように構成されたガス源と、
   第１の表面及び反対側の第２の表面を有する基板であり、前記基板は、前記第１の表面が前記合焦点から第１の距離に位置するように配設されており、前記合焦点が前記集束レンズと前記基板との間に位置している、基板と
   を備えるシステムであって、
   前記レーザビームの前記経路に沿って前記第１の表面から離れる方向に伝搬するガスプラズマを前記合焦点の近傍に発生させ、
   前記基板を移動させて、前記基板の一部分を前記ガスプラズマにさらすのを可能にし、
   前記ガスプラズマを使用して前記基板の前記一部分から材料を除去する
   ように構成されている、システム。
10. 前記レーザ源が、ＹＡＧレーザを含む、請求項９に記載のシステム。
11. 前記ガスが、空気、窒素、アルゴン、水素、フッ化水素（ＨＦ）、又は四フッ化炭素（ＣＦ_４）のうちの１つを含む、請求項９に記載のシステム。
12. 前記基板が、溶融石英、金属、又はセラミックのうちの１つを含む、請求項９に記載のシステム。
13. 前記第１の距離が、３ｍｍと１０ｍｍとの間にある、請求項９に記載のシステム。
14. 前記基板が、前記レーザビームの前記経路に対してある角度で配設されている、請求項９に記載のシステム。
15. 前記角度が２０度未満である、請求項１４に記載のシステム。
16. ノズルをさらに備え、前記ノズルは、前記合焦点が前記ノズル内に位置するように前記集束レンズと前記基板との間に配設されている、請求項９に記載のシステム。
17. 前記ガス源が、前記ノズルに結合されており、５Ｌ／分と２０Ｌ／分との間の流量を有する前記ガスを供給することができる、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記ガスプラズマの発生後に残された残留ガスを使用して、前記ガスプラズマを前記基板の方に移動させるようにさらに構成されている、請求項１７に記載のシステム。
19. 第１の表面及び反対側の第２の表面を有する基板を用意するステップと、
    前記基板の前記第２の表面から第１の距離に位置する合焦点にレーザビームを集束させるステップであり、前記レーザビームが前記第１の基板に当たった後に前記基板を通過する、集束させるステップと、
    前記合焦点に又はその近くにガスを供給するステップと、
    前記レーザビームからのエネルギーを使用して前記ガスを分解することによってガスプラズマを発生させるステップであり、前記ガスプラズマが、前記合焦点から離れ、前記基板の前記第２の表面の方に向きを定められる、発生させるステップと、
    前記基板を移動させて、前記第２の表面の一部分を前記ガスプラズマにさらすステップと、
    前記第２の基板の前記一部分から材料を除去するステップと
    を含む方法。
20. 前記レーザビームによって発生される前記エネルギーが、２５ｍＪと５０ｍＪとの間にある、請求項１９に記載の方法。

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