JP2018051626A - 超短パルスレーザを用いた微細加工方法、導出装置、加工装置および加工物 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態に係る加工方法は、加工対象物の加工対象面にレーザ光を照射して加工対象面にレーザ光の波長よりも短いナノメートルオーダーの周期を有する周期構造を形成するものである。
本発明の第1の実施形態に係る加工方法は、加工対象物の加工対象面に形成しようとする周期構造の周期dの、加工対象物の材質に応じた倍数に相当する周期Λで配列された複数の直線状の溝を含む凹凸構造を加工対象面に形成する第1の工程を含む。すなわち、第1の工程において加工対象面に形成される凹凸構造の周期Λと、加工対象面に形成しようとする周期構造の周期dとの間に下記の(1)式が成立する。
Λ=n・d ・・・(1)
(1)式においてnは正の整数である。整数nは、加工対象物の材質に応じて定められる。加工対象物が例えばGaNである場合、整数nは4または5のいずれかであり、従って第1の工程においてGaNの表面に周期4dまたは5dの凹凸構造を形成する。また、加工対象物が例えばSUSである場合、整数nは3または4のいずれかであり、従って第1の工程においてSUSの表面に周期3dまたは4dの凹凸構造を形成する。
Λ=λ/sinθ ・・・(2)
従って、第1の工程では、Λ=n・dを満たすように、(2)式に基づいてλおよびθの少なくとも一方を調整する。すなわち、λ/sinθが、加工対象面S1に形成しようとするナノメートルオーダーの周期構造の周期dの倍数n・dに相当する値となるように、λおよびθの少なくとも一方を調整する。
以下、実施例により本発明の第1の実施形態を詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されない。加工対象物として窒化ガリウム(GaN)基板を用いた。レーザ光源として、中心波長800nm、パルス幅100フェムト秒の直線偏光を出射するチタンサファイアレーザシステムを用いた。
図11は、加工対象面S1に周期Λの凹凸構造110が形成された加工対象物100の断面図である。本発明の第2の実施形態に係る加工方法は、凹凸構造110における溝に相当する凹部の幅a、溝以外の部分に相当する凸部の幅b、凹凸構造110に重ねて照射される第1のレーザ光L1のエネルギー密度F2および照射回数(パルス数N2)によって、凹凸構造110における凹部に対応する部分に形成される周期構造の周期daと、凹凸構造110における凸部に対応する部分に形成される周期構造の周期dbとを異ならせる、というものである。それ以外の事項は、上記した第1の実施形態に係る加工方法と同じであり、重複する説明は省略する。
上記した第1の実施形態に係る加工方法は、加工対象面の1方向にのみ周期性を有する周期構造(例えば、Y方向に伸びる複数の溝がX方向に周期的に配列された周期構造)を形成するものであった。これに対して、第3の実施形態に係る加工方法は、加工対象面の2方向に周期性を有する、網目状、ドット状またはマトリックス状の周期構造を形成するものである。
以下、実施例により本発明の第3の実施形態を詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されない。加工対象物として窒化ガリウム(GaN)基板を用いた。レーザ光源として、中心波長800nm、パルス幅100フェムト秒の直線偏光を出射するチタンサファイアレーザシステムを用いた。
10 レーザ光源
11 ビームスプリッタ
20 遅延時間調整部
31、32 エネルギー調整部
41、42 集光部
50 照明用光源
51 顕微装置
52 撮像・解析装置
60 制御部
70 導出装置
80 支持部
81 支持軸
82 回転装置
90 光学定盤
91 回転装置
100 加工対象物
110 凹凸構造
111 溝
120 周期構造
L1 第1のレーザ光
L2 第2のレーザ光
S1 加工対象面
Claims (27)
- 加工対象物の加工対象面にレーザ光を照射して前記加工対象面に前記レーザ光の波長よりも短い周期を有する周期構造を形成する加工方法であって、
複数の直線状の溝を含む凹凸構造を前記加工対象面に有する前記加工対象物を用意する第1の工程と、
前記凹凸構造における複数の溝の伸びる方向に応じた偏光方向の偏光を有するレーザ光による超短パルスのレーザパルスを前記凹凸構造に照射して前記加工対象面に前記周期構造を形成する第2の工程と、
前記加工対象物と同じ材質の物体の表面に超短パルスのレーザパルスを照射した場合に、前記物体の表面に形成される微細構造の周期のうち、出現しやすい周期を導出する第3の工程と、を含み、
前記凹凸構造における前記複数の溝の配列周期を、前記第3の工程において導出した周期の整数倍とする
加工方法。 - 前記第1の工程において、互いに異なる方向から照射される同一波長の2つのレーザ光による干渉縞を前記加工対象面に形成することによって前記干渉縞の周期に応じた周期の前記凹凸構造を前記加工対象面に形成する
請求項1に記載の加工方法。 - 前記凹凸構造における前記複数の直線状の溝の配列周期が、前記周期構造の周期の、前記加工対象物の材質に応じた倍数に相当する周期となるように、前記2つのレーザ光の波長および前記2つのレーザ光の光軸のなす角の少なくとも一方を調整する
請求項2に記載の加工方法。 - 前記2つのレーザ光の波長をλ、前記2つのレーザ光の光軸のなす角をθとしたとき、λ/sinθが、前記周期構造の周期の、前記加工対象物の材質に応じた倍数に相当する値となるように、前記2つのレーザ光の波長および光軸のなす角の少なくとも一方を調整する
請求項3に記載の加工方法。 - 前記2つのレーザ光のうちの一方が、前記第2の工程において前記加工対象面に照射されるレーザ光と同じレーザ光であり且つ前記第1の工程および前記第2の工程において、前記加工対象面に対して垂直方向から照射される
請求項2から請求項4のいずれか1項に記載の加工方法。 - 前記加工対象面に照射された前記2つのレーザ光が前記加工対象面において散乱することにより生じる散乱光を撮像し、
撮像された前記散乱光に基づいて前記2つのレーザ光の行路の長さを一致させる
請求項2から請求項5のいずれか1項に記載の加工方法。 - 撮像された前記散乱光において観測される干渉縞の明瞭度が最大となるように前記2つのレーザ光の少なくとも一方の行路の長さを調整する
請求項6に記載の加工方法。 - 前記第1の工程において前記2つのレーザ光の前記加工対象面における照射位置を順次移動させることにより、前記加工対象面の所定範囲に前記凹凸構造を形成し、
前記第2の工程において前記レーザパルスの前記加工対象面における照射位置を順次移動させることにより、前記加工対象面の前記所定範囲に前記周期構造を形成する
請求項2から請求項7のいずれか1項に記載の加工方法。 - 前記第1の工程において、前記凹凸構造における前記複数の直線状の溝に対応する凹部の幅と、前記凹凸構造における前記凹部以外の凸部の幅とが互いに異なる前記加工対象物を用意する
請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の加工方法。 - 前記第2の工程において前記加工対象面に照射される前記レーザパルスの照射回数を調整することにより、前記凹部に対応する部分に形成される周期構造の周期と前記凸部に対応する部分に形成される前記周期構造の周期を調整する
請求項9に記載の加工方法。 - 前記第2の工程において前記加工対象面に照射される前記レーザパルスのエネルギー密度を調整することにより、前記周期構造の周期を調整する
請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の加工方法。 - 加工対象物の加工対象面にレーザ光を照射して前記加工対象面の2方向に前記レーザ光の波長よりも短い周期を有する周期構造を形成する加工方法であって、
前記周期構造の第1の方向における周期の、前記加工対象物の材質に応じた倍数に相当する周期で配列された複数の直線状の溝を含む第1の凹凸構造を前記加工対象面に有する前記加工対象物を用意する第1の工程と、
前記第1の凹凸構造における複数の直線状の溝の伸びる方向に応じた偏光方向の偏光を有するレーザ光による超短パルスの第1のレーザパルスを前記第1の凹凸構造に照射して前記第1の方向に周期性を有する第1の周期構造を前記加工対象面に形成する第2の工程と、
前記第2の工程の後に、前記周期構造の前記第1の方向と交差する第2の方向における周期の、前記加工対象物の材質に応じた倍数に相当する周期で配列され且つ前記第1の凹凸構造における複数の直線状の溝の伸びる方向と交差する方向に伸びる複数の直線状の溝を含む第2の凹凸構造を前記加工対象面に形成する第3の工程と、
前記第2の凹凸構造における複数の直線状の溝の伸びる方向に応じた偏光方向の偏光を有するレーザ光による超短パルスの第2のレーザパルスを前記第2の凹凸構造に照射して前記第2の方向に周期性を有する第2の周期構造を前記加工対象面に形成する第4の工程と、
を含む加工方法。 - 前記第1の工程において、互いに異なる方向から照射される同一波長の2つのレーザ光による第1の干渉縞を前記加工対象面に形成することによって前記第1の干渉縞の周期に応じた周期の前記第1の凹凸構造を前記加工対象面に形成し、
前記第3の工程において、互いに異なる方向から照射される同一波長の2つのレーザ光による第2の干渉縞を前記加工対象面に形成することによって前記第2の干渉縞の周期に応じた周期の前記第2の凹凸構造を前記加工対象面に形成する
請求項12に記載の加工方法。 - 前記第1の工程および前記第2の工程において前記加工対象面に垂直な軸を回転軸とした場合の前記加工対象面の回転角度位置を第1の位置に固定し、
前記第3の工程および前記第4の工程において前記加工対象面の回転角度位置を前記第1の位置とは異なる第2の位置に固定する
請求項13に記載の加工方法。 - 前記第1の工程および前記第2の工程において前記加工対象面に垂直な軸を回転軸とした場合の前記2つのレーザ光の光軸の回転角度位置を第1の位置に固定し、
前記第3の工程および前記第4の工程において前記第2つのレーザ光の光軸の回転角度位置を前記第1の位置とは異なる第2の位置に固定する
請求項13に記載の加工方法。 - 前記第1の工程において互いに異なる方向から照射される同一波長の2つのレーザ光の前記加工対象面における照射位置を順次移動させることにより、前記加工対象面の所定範囲に前記第1の凹凸構造を形成し、
前記第2の工程において前記第1のレーザパルスの前記加工対象面における照射位置を順次移動させることにより、前記加工対象面の前記所定範囲に前記第1の周期構造を形成し、
前記第3の工程において互いに異なる方向から照射される同一波長の2つのレーザ光の前記加工対象面における照射位置を順次移動させることにより、前記加工対象面の所定範囲に前記第2の凹凸構造を形成し、
前記第4の工程において前記第2のレーザパルスの前記加工対象面における照射位置を順次移動させることにより、前記加工対象面の前記所定範囲に前記第2の周期構造を形成する
請求項13から請求項15のいずれか1項に記載の加工方法。 - 加工対象物の加工対象面にレーザ光を照射して前記加工対象面に前記レーザ光の波長よりも短い周期を有する周期構造を形成する場合の前記周期構造の周期を示す情報の入力を受け付ける入力手段と、
前記入力手段に入力された情報によって示される前記周期構造の周期の前記加工対象物の材質に応じた倍数に相当する値を導出する導出手段と、
を有する導出装置。 - 加工対象物の加工対象面にレーザ光を照射して前記加工対象面に前記レーザ光の波長よりも短い周期を有する周期構造を形成する場合の前記周期構造の周期を示す情報の入力を受け付ける入力手段と、前記入力手段に入力された情報によって示される前記周期構造の周期の前記加工対象物の材質に応じた倍数に相当する値を導出する導出手段と、有する導出装置と、
超短パルスのレーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光を第1のレーザ光および第2のレーザ光に分割し、前記第1のレーザ光を第1の方向から前記加工対象面に照射するとともに前記第2のレーザ光を前記第1の方向とは異なる第2の方向から前記加工対象面に照射するように構成された光学系と、
前記第1のレーザ光の光軸と前記第2のレーザ光の光軸とのなす角が、前記導出手段によって導出された値に応じた大きさとなるように前記光学系を制御する制御部と、
を含む加工装置。 - 前記第1のレーザ光および前記第2のレーザ光の波長をλ、前記第1のレーザ光の光軸と前記第2のレーザ光の光軸とのなす角をθとしたとき、前記制御部は、λ/sinθが前記導出装置によって導出された値に一致するように、前記第1のレーザ光の光軸と前記第2のレーザ光の光軸とのなす角を制御する
請求項18に記載の加工装置。 - 前記光学系は、前記第1のレーザ光の行路の長さおよび前記第2のレーザ光の行路の長さの少なくとも一方が可変であり、
前記制御部は、前記第1のレーザ光の行路の長さと前記第2のレーザ光の行路の長さとが一致するように前記光学系を制御する
請求項18または請求項19に記載の加工装置。 - 前記加工対象面に垂直な軸を回転軸として前記加工対象物を回転させる回転機構を更に含む
請求項18から請求項20のいずれか1項に記載の加工装置。 - 前記加工対象面に垂直な軸を回転軸として前記光学系を回転させる回転機構を更に含む
請求項18から請求項20のいずれか1項に記載の加工装置。 - 前記第1のレーザ光および前記第2のレーザ光の前記加工対象面における照射位置を移動させる移動機構を更に含む
請求項18から請求項22のいずれか1項に記載の加工装置。 - 前記第1のレーザ光のエネルギー密度を調整する第1のエネルギー調整部と、
前記第2のレーザ光のエネルギー密度を調整する第2のエネルギー調整部と、
を更に含む請求項18から請求項23のいずれか1項に記載の加工装置。 - 前記加工対象面において前記第1のレーザ光および前記第2のレーザ光が散乱されることにより生じた散乱光を撮像する撮像部を更に含み、
前記制御部は、前記撮像部で撮像された前記散乱光に基づいて前記第1のレーザ光の行路の長さと前記第2のレーザ光の行路の長さを一致させる
請求項20に記載の加工装置。 - 前記光学系は、前記第1のレーザ光が前記加工対象面に対して垂直方向から照射されるように構成されている
請求項18から請求項25のいずれか1項に記載の加工装置。 - 第1の方向および前記第1の方向と交差する第2の方向において周期性を有するナノメートルオーダーの周期構造が表面に形成された加工物。
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