JP4499666B2 - 光加工装置 - Google Patents
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Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工物を多段階の工程を経ることなく１工程で、微細に（数ｎｍまでの精度で）加工する汎用性の高い光加工装置に関するものである。本発明の加工対象である被加工物には、無機材料、有機材料、透明材料、不透明材料、或いはＳｉ、ＳｉＯ２、シリコーン等のＳｉ系材料等が含まれる。
【背景技術】
【０００２】
無機材料は、例えばフォトニッククリスタルや光導波路等の光素子、医療及びバイオテクノロジーにおける超微量な化学分析及び化学反応等の分野で利用価値が高く、無機材料の精度に優れ、低コストの加工や改質の技術が要請されている。
【０００３】
従来、レーザー光を物質に強照射し、照射面を剥ぎ取ることで加工するレーザーアブレーションという技術は、炭酸ガスレーザーを用いた金属加工において既に実用化されている。最も微細化が進んでいる光リソグラフィーに代表される光を用いた加工では、加工精度は加工に用いるレーザー光の波長で制限され、よくて１００ｎｍの程度である。
【０００４】
又、従来の光加工技術で、特に無機透明材料を加工しようとしても、無機透明材料は無色であるからレーザー光を吸収しないため加工は困難である。
【０００５】
さらに、無機材料等の被加工物の光加工技術として既に知られている従来技術については次のとおりである。
（１）被加工物を光を吸収する溶液に浸してレーザー加工を行なう技術が報告されているが、加工精度は波長の程度まで到達していない。
【０００６】
（２）被加工物表面にレーザーアブレーションにより生成したレーザープラズマを接触させて、この部分に加工用レーザー光を照射すると、そのエネルギーを吸収したプラズマで被加工物が削り取られることが報告されている。しかしこの技術においても、加工精度は波長の程度まで到達していない。
【０００７】
（３）二酸化珪素にＦ２レーザーを照射すると非晶質性に起因する状態に吸収され、その状態で同時にＫｒＦ（クリプトンフロライド）レーザー光を強照射することにより、加工を行なえることが報告されている。この技術では、第一のレーザー光を吸収する状態が予め存在することが前提となり、汎用性が低い。
【０００８】
（４）被加工物にフェムト秒レーザー光を照射し、同時に複数の光子を吸収させる多光子吸収により透明な加工物でも吸収が起こり、切削や改質の加工が可能となるが、加工精度は波長程度までである。
【０００９】
（５）被加工物の表面でフェムト秒レーザー光の２つのビームを干渉させ、数ｎｍの干渉パターンで加工できることが報告されている。しかしながら加工できるパターンは限られている。
【００１０】
さらに、５〜２００μｍの厚さのポリイミドフィルムなどの絶縁性フィルムの表面をレーザによって２５μｍφ程度のバンプホールの穿孔することで生じたバンプホール内やその周辺に付着した「すす」や「かす」などのカーボン等をプラズマ処理及び／又はＸ線（軟Ｘ線）照射で処理し、除去することは知られている（特許文献１参照）。
【００１１】
そして、本発明者は、石英等の無機透明材料をナノスケール（１０ｎｍまで）の精度で加工できる汎用性の高い加工技術を実現するために、図７に示すように、軟Ｘ線源１から放射される軟Ｘ線２を、凸面鏡と凹面鏡の組み合わせから成る光学系３により所定のパターンで無機透明材料４に集光して照射し、無機透明材料４の照射部分のみに新たな吸収を生じさせ、これに加工用のレーザー光５を照射することにより、パターニングした無機透明材料４の部分のみに高エネルギー密度の可視又は紫外の加工用のレーザー光５（Ｎｄ：ＹＡＧレーザー光（２６６ｎｍ））を吸収させて無機透明材料４を加工する加工装置及び加工方法をすでに提案している（特許文献２、３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】
特開２００２−２５２２５８号公報
【特許文献２】
特開２００３−１６７３５４号公報
【特許文献３】
米国特許第６，８１８，９０８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１記載の技術は、５〜２００μｍの厚さのポリイミドフィルムなどの絶縁性フィルムに２５μｍφ程度の穿孔をレーザ加工を行い、その残渣等の除去においてプラズマ処理及び／又はＸ線（軟Ｘ線）照射を利用するものであり、被加工物をナノ精度で加工するものではない。
【００１４】
そして、上記特許文献２、３に記載の技術は、ナノスケールの精度で石英等の無機透明材料を加工できる汎用性の高い加工技術を実現するものであるが、パターニングした軟Ｘ線により生成された吸収体による紫外線吸収を利用しているために、パターニングした軟Ｘ線（パターニング光）と加工用のレーザー光の両方を照射しなくてはならないので、装置や加工操作が複雑になり、さらには、吸収体が生成される材料のみが加工可能であることから、さらに改良の余地があるという問題があった。
【００１５】
本発明は、上記従来の問題点を解決し、加工用のレーザー光を照射することなく紫外光及び／又は軟Ｘ線のみで、被加工物のナノオーダーの加工を可能とすることを目的とするものであり、そのために加工に最適な紫外光及び／又は軟Ｘ線を発生するための光源を選択するとともに、紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長とマッチして集光効率を向上させ紫外光及び／又は軟Ｘ線のエネルギー密度を高くする最適条件を備えた紫外光及び／又は軟Ｘ線と楕円ミラーの構成を実現することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は上記課題を解決するために、光源部と、集光照射手段とから成る光加工装置であって、上記光源部は、レーザー光を集光光学系でターゲットに集光照射し、被加工物が実効的に光吸収を生じるための紫外光及び／又は軟Ｘ線を発生させる光源部であり、上記集光照射手段は、上記紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長に応じて紫外光及び／又は軟Ｘ線を高エネルギー密度に集光する光学系を備え、該高エネルギー密度に集光された紫外光及び／又は軟Ｘ線を、被加工物に所定のパターンで照射し、上記被加工物を加工及び／又は改質することを特徴とする光加工装置を提供する。
【００１７】
本発明は上記課題を解決するために、光源部とパターン化照射手段とから成る光加工装置であって、上記光源部は、レーザー光を集光光学系でターゲットに集光照射し、被加工物が実効的に光吸収を生じるための紫外光及び／又は軟Ｘ線を発生させる光源部であり、上記パターン化照射手段は、上記紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長に応じて紫外光及び／又は軟Ｘ線を高エネルギー密度に集光する光学系を備え、該高エネルギー密度に集光された紫外光及び／又は軟Ｘ線を、加工すべき形状に合わせた所定のパターニング光として被加工物に照射し、上記被加工物を加工することを特徴とする光加工装置を提供する。
【００１８】
上記光加工装置では、上記紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長に応じて紫外光及び／又は軟Ｘ線を高エネルギー密度に集光する光学系は、楕円ミラーであり、上記光源部のうち紫外光及び／又は軟Ｘ線の発生源が楕円ミラーの二つの焦点のうちの一方の焦点に配置され、該楕円ミラーで反射され他方の焦点に集光される紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長に対する楕円ミラー表面の反射率と上記光源部から楕円ミラーを見込む立体角との積を大きくする構成とすることが好ましい。
【００１９】
上記紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長に応じて紫外光及び／又は軟Ｘ線を高エネルギー密度に集光する光学系は、楕円ミラーであり、上記光源部のうち紫外光及び／又は軟Ｘ線の発生源が楕円ミラーの二つの焦点のうちの一方の焦点に配置され、該楕円ミラーで反射され他方の焦点に集光される紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長に対する楕円ミラー表面の反射率Ｒと上記光源部から楕円ミラーの長軸方向の両端を見込む角であり下記の数式１で規定されるφとの積を大きくする構成としてもよい。
但し、下記数式１中の符号は次のとおりである。
θ：上記一方の焦点から出た光が楕円ミラーに入射するときの仰角
ｗ／ｆ：焦点間距離２ｆに対する楕円ミラーの回転軸方向の長さ２ｗの比
α：「楕円ミラーの回転軸」と「楕円ミラーの上記一方の焦点と該焦点に近い楕円ミラーの回転軸方向の端点を通る直線」のなす角度
β：「楕円ミラーの回転軸」と「楕円ミラーの上記一方の焦点と該焦点に遠い楕円ミラーの回転方向の端点を通る直線」のなす角度
【００２０】
【数１】
【００２１】
上記紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長に応じて紫外光及び／又は軟Ｘ線を高エネルギー密度に集光する光学系は、回転放物面ミラー、トロイダルミラー、回転楕円ミラー及び回転双曲線ミラーから成る群のうちのいずれか１種のミラー又は２種以上のミラーの組み合わせから成る構成としてもよい。
【００２２】
上記紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長に応じて紫外光及び／又は軟Ｘ線を高エネルギー密度に集光する光学系は、回転双曲面ミラーと回転楕円面ミラーとを組み合わせて成るウォルターミラーである構成としてもよい。
【００２３】
本発明は上記課題を解決するために、光源部において、レーザー光を集光光学系でターゲットに集光照射し、被加工物が実効的に光吸収を生じるための紫外光及び／又は軟Ｘ線を発生させ、上記紫外光及び／又は軟Ｘ線を、該紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長に応じて楕円ミラーにて高エネルギー密度に集光し、該高エネルギー密度に集光した紫外光及び／又は軟Ｘ線を、所定のパターンで被加工物に照射し、上記被加工物を加工及び／又は改質することを特徴とする光加工方法を提供する。
【発明の効果】
【００２４】
以上の構成からなる本発明によれば、加工に最適な軟Ｘ線を発生するための光源を選択するとともに、軟Ｘ線の波長とマッチして集光効率を向上させる楕円ミラーを利用することで、軟Ｘ線のエネルギー密度を高くし、パターニングした軟Ｘ線（パターニング光）と加工用のレーザー光の両方を照射することなく、パターニングした軟Ｘ線のみで、被加工物をナノスケールの精度で加工できる。
【００２５】
本発明によれば、無機材料、有機材料、或いはＳｉ、ＳｉＯ２、シリコーン等のＳｉ系材料等の被加工物が加工でき、しかも、透明材料も不透明材料も加工が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は本発明の実施例１の構成を説明する図である。
【図２】図２は本発明の実施例１を説明する図である。
【図３】図３は本発明の実施例２の構成を説明する図である。
【図４】図４は本発明の実施例１を説明する図である。
【図５】図５は本発明の実施例１と実施例２を説明するために必要な引用資料である。
【図６】図６は本発明の実施例３の構成を説明する図である。
【図７】図７は本発明の従来技術を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明に係る無機材料等の被加工物を加工する光加工装置の実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して説明する。
【００２８】
本発明は、無機材料等の被加工物に数ｎｍの精度で加工を可能とする光加工装置であるが、まず、本発明の基本原理について説明する。従来のようにレーザで被加工物の加工を行おうとしても加工精度は波長程度までである。又、被加工物が無機透明材料の場合は無色であるから光を吸収しにくいために、直接レーザー光を照射しても加工はできない。
【００２９】
本発明者による先行発明（特許文献２、３参照）は、パターニング光を照射した部分のみで新たな光吸収が生じることを利用し、コストや安定性等の面で有利なより波長の長い可視から紫外の波長領域の加工用レーザー光をさらに照射し吸収させて、容易に軟Ｘ線の波長程度までの加工精度が確保できる加工（切削、切断等の加工）や改質が可能とするものである。
【００３０】
これに対して、本発明は、パターニング光として使用する軟Ｘ線を高エネルギー密度に被加工物に集光照射することで、別の加工用レーザー光をさらに吸収させることなく、軟Ｘ線の波長程度までの加工精度が確保できる加工（切削、切断等の加工）や改質を可能とするものである。
【００３１】
このような原理である本発明では、軟Ｘ線を無機材料等の被加工物に加工すべき所定の形状になるようにパターン化して照射することで、同時に被加工物の表面の加工（切削、切断等の加工）や改質も可能とするものである。
【００３２】
この原理を実現するために、本発明では、軟Ｘ線を、その波長にマッチした構成の光学系を用いて高エネルギー密度となるように集光を行い、これを、可動走査ステージ或いはマスタパターン等のパターニング光照射化手段を用いて被加工物に照射し、所定のパターンで加工（切削、切断等の加工）や改質するものである。
【実施例１】
【００３３】
図１は、本発明に係る光加工装置の実施例１の構成を説明する図である。この実施例１の装置は、光源部７、集光照射手段である光学系１５及び試料部９から構成される。
【００３４】
軟Ｘ線を発生する光源部７は、レーザー光を集光光学系１２でターゲット１３に集光照射し、軟Ｘ線１４を発生させる構成としている。
【００３５】
レーザーとしては、エキシマレーザー、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、チタンサファイアレーザーに代表されるフェムト秒レーザー等が用いられ、ターゲットとしては、スズ、タンタル、ハフニウム、キセノン等のターゲットが用いられる。本実施例では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１１から７２０ｍＪ／ｐｕｌｓｅ、５３２ｎｍのパルスレーザー光をＴａ（タンタル）ターゲットに集光することにより軟Ｘ線１４を発生する。
【００３６】
光源部７から軟Ｘ線１４を発生させて楕円ミラー１５で集光させて、被加工物１９（無機材料等）に照射する。これにより、被加工物１９に所定のパターンで軟Ｘ線を照射し、被加工物１９の加工（切削、切断等の加工）や改質が可能となる。
【００３７】
被加工物に、軟Ｘ線を、加工すべき所定の形状に合わせたパターンになるように照射するパターン化照射手段は、本実施例１では、被加工物１９を設置した可動なステージ２０を軟Ｘ線に対して相対的に走査する構成とすることにより実現できる。これ以外のパターン化照射手段としては次のような構成がある。
【００３８】
（１）走査鏡により、軟Ｘ線を被加工物に集光照射し、走査することでパターニングする。
（２）被加工物の表面にコンタクトマスクを配置して、このコンタクトマスクのスリットを通して軟Ｘ線をパターン照射する。
（３）軟Ｘ線をマスタパターンと結像光学系により所定のパターンを転写する。
【００３９】
ここで本発明の特徴とする構成は、光源部７からの軟Ｘ線１４は、単位時間、単位体積当たりの光子数の多い高エネルギー密度のレーザープラズマ軟Ｘ線を使用し、これを、楕円ミラー１５を使用して広い立体角で集光して軟Ｘ線のエネルギー密度を高め、これを被加工物１９に照射することで、従来のように、パターニング光（軟Ｘ線）を照射した部分に、さらに加工用レーザを照射する必要なく、加工可能とする構成である。
【００４０】
特に重要な点は、本発明者等は、使用する軟Ｘ線１４の波長域における楕円ミラー表面での入射角及び反射率を考慮し、楕円ミラーの集光効率が高くなるよう楕円ミラー１５の形状を設計した点である。このような楕円ミラー１５の構成（設計）について次に説明する。
【００４１】
図２は、本発明に係る楕円ミラー１５を説明するための図である。楕円ミラー１５は、図２（ａ）に示すように、２つの焦点を通る回転軸Ｘ−Ｘ’の周りに楕円又はその一部を回転させることにより形成されるミラーである。その回転楕円体の内面が反射面となるものである。
【００４２】
図２（ｂ）は楕円ミラー１５を、楕円体の回転軸Ｘ−Ｘ’を含む平面で切断した断面図である。ここで、Ａ、Ｂは楕円ミラー１５の焦点であり、焦点Ａの位置に軟Ｘ線１４の発生源（ターゲット１３）を配置し、焦点Ｂに配置した被加工物１９に集光する。
【００４３】
２つの焦点Ａ、Ｂの中点を原点とし、回転軸Ｘ−Ｘ’と同じ方向にｘ軸、それと垂直な方向にｙ軸をとることとする。この座標系において、断面を形成する楕円をｘ２／ａ２＋ｙ２／ｂ２＝１と表すこととする。
【００４４】
図２（ｂ）において、２ｗは楕円ミラー１５の回転軸方向の長さとする。焦点Ａ、Ｂの座標をそれぞれ（−ｆ、０）、（ｆ、０）とする。このとき、楕円の焦点Ａ、Ｂ間の距離は２ｆである。楕円ミラー１５の反射面の回転軸方向の端点のうち焦点Ａに近い方を点Ｐ、遠い方を点Ｑとする。このとき、「焦点Ａと端点Ｐを通る直線ＡＰ」と「焦点Ａと端点Ｑを通る直線ＡＱ」がなす見込み角をφとする。
【００４５】
楕円とｙ軸の交点（０、ｂ）を点Ｃとし、「点Ｃ（０、ｂ）における楕円の接線」と「焦点Ａ（−ｆ、０）と点Ｃ（０、ｂ）を通る直線」がなす角をθとする。この角θは、焦点Ａから出た光が楕円ミラー１５に入射する時の仰角である。
【００４６】
図２（ｃ）は楕円ミラー１５を、原点Ｏを通り、回転軸に垂直な平面で切断した断面図である。ψは楕円ミラー１５を見込む角度である。点Ｍ、Ｎをそれぞれ楕円ミラーの端点とすると、ψは直線ＯＭと直線ＯＮがなす角である。
【００４７】
焦点Ａに置いた軟Ｘ線１４の発生源からの軟Ｘ線１４を、どれだけ焦点Ｂにある被加工物上に集められるかは、「φとψで決まるミラーの立体角」と「ミラー表面の反射率Ｒ」によって決定される。ここで、ψは大きいほど集光できる光量が多くなる。
【００４８】
ψを加工可能な最大値に固定すると、集光効率は、反射率Ｒと見込み角の積Ｒφで決まる。以下では、これを「集光効率」ということにする。
【００４９】
楕円ミラー１５の長軸方向の長さ２ｗ及び焦点間距離２ｆの比を一定にした場合、θを大きくすると、φは大きくなるが反射率Ｒが小さくなる。逆に、θを小さくすると、φは小さくなるが反射率Ｒが大きくなる。本発明では、これらのことを考慮して集光効率Ｒ×φを大きくすることを楕円ミラー１５の設計指針とする。
【００５０】
ところで、図２（ｂ）において、楕円の焦点Ａ、Ｂ（±ｆ，０）は、次の数式２で表される。
【００５１】
【数２】
【００５２】
点Ｐの座標は、ａ＝ｆ／ｃｏｓθ、ｂ＝ｆｔａｎθ であることを注意すると、次の数式３で表される。
【００５３】
【数３】
【００５４】
従って、図２（ｂ）に示す「焦点Ａと端点Ｐを通る直線ＡＰ」と回転軸Ｘ−Ｘ’がなす角αとすると、ｔａｎαは次の数式４で表される。
【００５５】
【数４】
【００５６】
この数式４から、αは、「仰角θ」と「焦点間距離２ｆに対する楕円ミラー１５の長軸方向の長さ２ｗの比２ｗ／２ｆ＝ｗ／ｆ」により決まってくることがわかる。
【００５７】
同様に、図２（ｂ）に示す「焦点Ａと端点Ｑを通る直線ＡＱ」と回転軸Ｘ−Ｘ’がなす角をβとすると、ｔａｎβは次の数式５のように表される。
【００５８】
【数５】
【００５９】
そして、見込み角φは次の数式６で表される。なお、数式６中、ｔａｎ−１はｔａｎの逆関数である。
【００６０】
【数６】
【００６１】
以上からして、本発明を実施する加工装置の全体的な大きさから、軟Ｘ線の発生源（焦点Ａ）と被加工物１９（焦点Ｂ）との焦点間距離２ｆと、楕円ミラー１５の長軸方向の長さ２ｗを設定し、仰角θを決めれば、α、β、φがそれぞれ一意に決まる。これにより、楕円ミラー１５の楕円形状が決定され、楕円ミラー１５の反射面が形成可能となる。
【００６２】
ところで、仰角θは次のように決めればよい。軟Ｘ線１４の楕円ミラー１５の反射面における反射率Ｒは、反射表面の材料と軟Ｘ線１４の波長と仰角θに依存する。この依存性については既存値を使用する。一方、φは仰角θに依存し、数式６からφを算出できる。このようにして得られた使用する軟Ｘ線１４の波長に対してＲ×φが最大となるように仰角θを決定する。
【００６３】
本実施例では、波長が１０ｎｍ前後の軟Ｘ線を使用することとする。この波長領域で反射率Ｒが高い金を反射表面に使用する。実際には、楕円ミラー１５本体を石英で作成し、石英の表面をクロムコートし、さらにその上に金コートする。
【００６４】
本発明者らが行った仰角θの決定の具体例を、図２と、図４に示すグラフを参照して説明する。図２（ｂ）において、楕円ミラー１５の長軸方向の長さ２ｗ、楕円ミラー１５の焦点Ａ、Ｂ間の距離２ｆをそれぞれ２ｗ＝８０ｍｍ、２ｆ＝１５０ｍｍとした。
【００６５】
そして、１０ｎｍ前後の波長の軟Ｘ線領域における波長及び仰角θに対する反射体である金（Ａｕ）の表面の反射率Ｒの既存値として、図５に示す引用資料である「Atomic Data and Nuclear Data Tables vol.54 No.2 July(1993) p.315」記載の「TABLE III. Specular Reflectivity for Mirrors」の表、及びこの表をプロットして作成されたグラフに示す値を引用した。
【００６６】
なお、この引用資料中、「Ｌｉｎｅ」は、Ｘ線領域における各物質の発光線である。「Ｅ（ｅＶ）」は、当該各種のＸ線光源材料から発生したＸ線の光子エネルギー（１つの光子の持つエネルギー）である。「θ」は、Ｘ線が金表面に入射する入射角（金表面と入射するＸ線とのなす角度）であり、その単位はミリラジアン（mr）である。「Ｐ（％）」は反射率である。「ρ＝１９．３０ｇｍ／ｃｍ３ 」は反射体である金の密度を示す。
【００６７】
このようにして得られたのが図４（ａ）に示すグラフである。このグラフによると、θが４．６°〜２３．９°の範囲で、１０ｎｍ前後の波長の軟Ｘ線１４が効率良く集光できるという知見を得た。特に、図４（ａ）に示す例では、θ＝１１．５°にすると集光効率Ｒφが最大となる。又、より長波長の軟Ｘ線１４を集光するには、θを大きくすると集光効率が高くなる。一方、特に８ｎｍ以下のより短波長の軟Ｘ線１４を集光するにはθ＝７．２°以下とすると集光効率Ｒφが高くなる。
【００６８】
ところで、焦点Ａに置いた軟Ｘ線１４の発生源からの軟Ｘ線１４を、どれだけ焦点Ｂにある被加工物上に集められるかは、前述のとおり、「φとψで決まるミラーの立体角ω」と「ミラー表面の反射率Ｒ」によって決定されるが、ψを加工可能な最大値に固定すると、集光効率は、概略、反射率Ｒと見込み角の積Ｒφで決まる。そして、図４（ａ）は、このＲφを「集光効率」と仮定して得られたグラフである。より正確に「φとψで決まるミラーの立体角ω」と「ミラー表面の反射率Ｒ」により算出して得られた、集光効率を表すグラフを図４（ｂ）で示す。
【００６９】
即ち、図４（ｂ）は、入射角θを５０ｍｒ、…………４００ｍｒと変化させて、光子エネルギー（入射光の１つの光子の持つエネルギー）に対する集光効率Ｒ×ω／４πを示すグラフである。
【００７０】
図４（ｂ）に示すグラフによると、１００ｅＶの光子エネルギーを有する軟Ｘ線１４はθ＝３００ｍｒとすると効率良く集光でき、また１５０ｅＶの光子エネルギーを有する軟Ｘ線１４はθ＝２００ｍｒとすると効率良く集光できるという知見を得た。図４（ａ）でも、図４（ｂ）でも、より高い光子エネルギーを有する軟Ｘ線を効率よく集光するためには、θを大きくする必要がある点で同じ傾向が得られた。図４（ａ）ではより簡便に、図４（ｂ）ではより精密に最適な入射角θが求められる。
【００７１】
軟Ｘ線１４が楕円ミラー１５で試料部９に高エネルギー密度に集光される。この軟Ｘ線１４は、可動なステージ２０（載置台）上に載置された被加工物１９に照射される。ステージ２０が軟Ｘ線１４に対して所定の移動をすることで、被加工物１９に所定のパターンで加工及び／改質を行う。
【００７２】
なお、パターニングとしては上記のとおり、可動なステージ２０を採用するのではなく、コンタクトマスクを使用してもよい。即ち、軟Ｘ線１４を集光光学系を用いて高エネルギー密度にし、さらにコンタクトマスクを用いて所定のパターンにパターニングして被加工物１９に照射することで、切削、切断等の加工や改質が可能となる。
【００７３】
コンタクトマスクとして、被加工物１９の軟Ｘ線が照射される被加工面にパターニングするためのマスクの材料を直接成膜したものを用いてもよい。コンタクトマスクの成膜手段としては、例えば、蒸着又はスパッタリングを利用する。コンタクトマスクの材料としては、ＷＳ（タングステンシリサイド）、Ａｕ、Ｃｒ等の材料が利用される。パターニングには、光リソグラフィ法、電子ビームリソグラフィ法、又はレーザー加工法を用いる。
【実施例２】
【００７４】
図３は、本発明に係る光加工装置の実施例２を説明する図である。この実施例２は、実施例１同様に、レーザープラズマ軟Ｘ線１４を、楕円ミラー１５で集光しエネルギー密度を高くし、ステージ２０上の被加工物１９の表面に照射し加工や改質を行う加工装置及び加工方法である。
【００７５】
この実施例２は、そのパターニングは、マスターパターン１６を結像光学系１７により転写する例である。即ち、楕円ミラー１５で集光された軟Ｘ線１４をマスターパターン１６を透過させて、結像光学系１７によりパターン光１８として被加工物１９に照射する構成を採用している。
【実施例３】
【００７６】
図６は、本発明に係る光加工装置の実施例３を説明する図である。この実施例３は、実施例２の光学系１７に代えてウォルターミラー２１を利用した構成であり、その他の構成は、実施例２と同じである。即ち、楕円ミラー１５で集光された軟Ｘ線１４をマスターパターン１６を透過させて、ウォルターミラー２１によりパターン光１８として被加工物１９に照射する構成を採用している。
【００７７】
この実施例３では、マスターパターン１６を透過した軟Ｘ線１４を、紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長に応じて紫外光及び／又は軟Ｘ線を高エネルギー密度に結像する光学系としてウォルターミラー２１を利用する。
【００７８】
ウォルターミラー２１は、回転双曲面ミラーと回転楕円面ミラーとを組み合わせて成るミラーである。軟Ｘ線１４をウォルターミラー２１の反射面で２回反射させて、被加工物１９にパターニング照射する。これにより、被加工物１９に所定のパターンで軟Ｘ線を照射し、被加工物１９の加工（切削、切断等の加工）や改質が可能となる。
【００７９】
以上、本発明に係る光加工装置の実施の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明は、特にこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることはいうまでもない。例えば、上記実施例１、２では、軟Ｘ線の波長に応じて軟Ｘ線を高エネルギー密度に集光する光学系として楕円ミラーを使用し、実施例３では楕円ミラーとウォルターミラーを利用したが、楕円ミラーやウォルターミラー以外に、回転放物面ミラー、トロイダルミラー、回転楕円ミラー又は回転双曲線ミラー、或いはこれらタイプの異なるミラーの組み合わせを採用する構成もある。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は以上の構成であるから、例えばフォトニッククリスタルや光導波路等の光学機能性部品、ＤＮＡ分析や血液検査等のマイクロチップケミストリーの分野等に適用することができる。
【符号の説明】
【００８１】
１ 光源
２、１８ パターニング光
３、１７ 光学系
４、１９ 被加工物
５ 加工用レーザー光
６ 加工用レーザー
７ 光源部
８ パターン化照射手段部
９ 試料部
１１ 紫外光及び／又は軟Ｘ線発生レーザー
１２ 集光光学系
１３ Ｔａターゲット
１４ 軟Ｘ線
１５ 楕円ミラー
１６ マスターパターン
２０ ステージ
２１ ウォルターミラー
【０００１】
本発明は、被加工物を多段階の工程を経ることなく１工程で、微細に（数ｎｍまでの精度で）加工する汎用性の高い光加工装置に関するものである。本発明の加工対象である被加工物には、無機材料、有機材料、透明材料、不透明材料、或いはＳｉ、ＳｉＯ２、シリコーン等のＳｉ系材料等が含まれる。
【背景技術】
【０００２】
無機材料は、例えばフォトニッククリスタルや光導波路等の光素子、医療及びバイオテクノロジーにおける超微量な化学分析及び化学反応等の分野で利用価値が高く、無機材料の精度に優れ、低コストの加工や改質の技術が要請されている。
【０００３】
従来、レーザー光を物質に強照射し、照射面を剥ぎ取ることで加工するレーザーアブレーションという技術は、炭酸ガスレーザーを用いた金属加工において既に実用化されている。最も微細化が進んでいる光リソグラフィーに代表される光を用いた加工では、加工精度は加工に用いるレーザー光の波長で制限され、よくて１００ｎｍの程度である。
【０００４】
又、従来の光加工技術で、特に無機透明材料を加工しようとしても、無機透明材料は無色であるからレーザー光を吸収しないため加工は困難である。
【０００５】
さらに、無機材料等の被加工物の光加工技術として既に知られている従来技術については次のとおりである。
（１）被加工物を光を吸収する溶液に浸してレーザー加工を行なう技術が報告されているが、加工精度は波長の程度まで到達していない。
【０００６】
（２）被加工物表面にレーザーアブレーションにより生成したレーザープラズマを接触させて、この部分に加工用レーザー光を照射すると、そのエネルギーを吸収したプラズマで被加工物が削り取られることが報告されている。しかしこの技術においても、加工精度は波長の程度まで到達していない。
【０００７】
（３）二酸化珪素にＦ２レーザーを照射すると非晶質性に起因する状態に吸収され、その状態で同時にＫｒＦ（クリプトンフロライド）レーザー光を強照射することにより、加工を行なえることが報告されている。この技術では、第一のレーザー光を吸収する状態が予め存在することが前提となり、汎用性が低い。
【０００８】
（４）被加工物にフェムト秒レーザー光を照射し、同時に複数の光子を吸収させる多光子吸収により透明な加工物でも吸収が起こり、切削や改質の加工が可能となるが、加工精度は波長程度までである。
【０００９】
（５）被加工物の表面でフェムト秒レーザー光の２つのビームを干渉させ、数ｎｍの干渉パターンで加工できることが報告されている。しかしながら加工できるパターンは限られている。
【００１０】
さらに、５〜２００μｍの厚さのポリイミドフィルムなどの絶縁性フィルムの表面をレーザによって２５μｍφ程度のバンプホールの穿孔することで生じたバンプホール内やその周辺に付着した「すす」や「かす」などのカーボン等をプラズマ処理及び／又はＸ線（軟Ｘ線）照射で処理し、除去することは知られている（特許文献１参照）。
【００１１】
そして、本発明者は、石英等の無機透明材料をナノスケール（１０ｎｍまで）の精度で加工できる汎用性の高い加工技術を実現するために、図７に示すように、軟Ｘ線源１から放射される軟Ｘ線２を、凸面鏡と凹面鏡の組み合わせから成る光学系３により所定のパターンで無機透明材料４に集光して照射し、無機透明材料４の照射部分のみに新たな吸収を生じさせ、これに加工用のレーザー光５を照射することにより、パターニングした無機透明材料４の部分のみに高エネルギー密度の可視又は紫外の加工用のレーザー光５（Ｎｄ：ＹＡＧレーザー光（２６６ｎｍ））を吸収させて無機透明材料４を加工する加工装置及び加工方法をすでに提案している（特許文献２、３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】
特開２００２−２５２２５８号公報
【特許文献２】
特開２００３−１６７３５４号公報
【特許文献３】
米国特許第６，８１８，９０８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１記載の技術は、５〜２００μｍの厚さのポリイミドフィルムなどの絶縁性フィルムに２５μｍφ程度の穿孔をレーザ加工を行い、その残渣等の除去においてプラズマ処理及び／又はＸ線（軟Ｘ線）照射を利用するものであり、被加工物をナノ精度で加工するものではない。
【００１４】
そして、上記特許文献２、３に記載の技術は、ナノスケールの精度で石英等の無機透明材料を加工できる汎用性の高い加工技術を実現するものであるが、パターニングした軟Ｘ線により生成された吸収体による紫外線吸収を利用しているために、パターニングした軟Ｘ線（パターニング光）と加工用のレーザー光の両方を照射しなくてはならないので、装置や加工操作が複雑になり、さらには、吸収体が生成される材料のみが加工可能であることから、さらに改良の余地があるという問題があった。
【００１５】
本発明は、上記従来の問題点を解決し、加工用のレーザー光を照射することなく紫外光及び／又は軟Ｘ線のみで、被加工物のナノオーダーの加工を可能とすることを目的とするものであり、そのために加工に最適な紫外光及び／又は軟Ｘ線を発生するための光源を選択するとともに、紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長とマッチして集光効率を向上させ紫外光及び／又は軟Ｘ線のエネルギー密度を高くする最適条件を備えた紫外光及び／又は軟Ｘ線と楕円ミラーの構成を実現することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は上記課題を解決するために、光源部と、集光照射手段とから成る光加工装置であって、上記光源部は、レーザー光を集光光学系でターゲットに集光照射し、被加工物が実効的に光吸収を生じるための紫外光及び／又は軟Ｘ線を発生させる光源部であり、上記集光照射手段は、上記紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長に応じて紫外光及び／又は軟Ｘ線を高エネルギー密度に集光する光学系を備え、該高エネルギー密度に集光された紫外光及び／又は軟Ｘ線を、被加工物に所定のパターンで照射し、上記被加工物を加工及び／又は改質することを特徴とする光加工装置を提供する。
【００１７】
本発明は上記課題を解決するために、光源部とパターン化照射手段とから成る光加工装置であって、上記光源部は、レーザー光を集光光学系でターゲットに集光照射し、被加工物が実効的に光吸収を生じるための紫外光及び／又は軟Ｘ線を発生させる光源部であり、上記パターン化照射手段は、上記紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長に応じて紫外光及び／又は軟Ｘ線を高エネルギー密度に集光する光学系を備え、該高エネルギー密度に集光された紫外光及び／又は軟Ｘ線を、加工すべき形状に合わせた所定のパターニング光として被加工物に照射し、上記被加工物を加工することを特徴とする光加工装置を提供する。
【００１８】
上記光加工装置では、上記紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長に応じて紫外光及び／又は軟Ｘ線を高エネルギー密度に集光する光学系は、楕円ミラーであり、上記光源部のうち紫外光及び／又は軟Ｘ線の発生源が楕円ミラーの二つの焦点のうちの一方の焦点に配置され、該楕円ミラーで反射され他方の焦点に集光される紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長に対する楕円ミラー表面の反射率と上記光源部から楕円ミラーを見込む立体角との積を大きくする構成とすることが好ましい。
【００１９】
上記紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長に応じて紫外光及び／又は軟Ｘ線を高エネルギー密度に集光する光学系は、楕円ミラーであり、上記光源部のうち紫外光及び／又は軟Ｘ線の発生源が楕円ミラーの二つの焦点のうちの一方の焦点に配置され、該楕円ミラーで反射され他方の焦点に集光される紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長に対する楕円ミラー表面の反射率Ｒと上記光源部から楕円ミラーの長軸方向の両端を見込む角であり下記の数式１で規定されるφとの積を大きくする構成としてもよい。
但し、下記数式１中の符号は次のとおりである。
θ：上記一方の焦点から出た光が楕円ミラーに入射するときの仰角
ｗ／ｆ：焦点間距離２ｆに対する楕円ミラーの回転軸方向の長さ２ｗの比
α：「楕円ミラーの回転軸」と「楕円ミラーの上記一方の焦点と該焦点に近い楕円ミラーの回転軸方向の端点を通る直線」のなす角度
β：「楕円ミラーの回転軸」と「楕円ミラーの上記一方の焦点と該焦点に遠い楕円ミラーの回転方向の端点を通る直線」のなす角度
【００２０】
【数１】
上記紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長に応じて紫外光及び／又は軟Ｘ線を高エネルギー密度に集光する光学系は、回転放物面ミラー、トロイダルミラー、回転楕円ミラー及び回転双曲線ミラーから成る群のうちのいずれか１種のミラー又は２種以上のミラーの組み合わせから成る構成としてもよい。
【００２２】
上記紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長に応じて紫外光及び／又は軟Ｘ線を高エネルギー密度に集光する光学系は、回転双曲面ミラーと回転楕円面ミラーとを組み合わせて成るウォルターミラーである構成としてもよい。
【００２３】
本発明は上記課題を解決するために、光源部において、レーザー光を集光光学系でターゲットに集光照射し、被加工物が実効的に光吸収を生じるための紫外光及び／又は軟Ｘ線を発生させ、上記紫外光及び／又は軟Ｘ線を、該紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長に応じて楕円ミラーにて高エネルギー密度に集光し、該高エネルギー密度に集光した紫外光及び／又は軟Ｘ線を、所定のパターンで被加工物に照射し、上記被加工物を加工及び／又は改質することを特徴とする光加工方法を提供する。
【発明の効果】
【００２４】
以上の構成からなる本発明によれば、加工に最適な軟Ｘ線を発生するための光源を選択するとともに、軟Ｘ線の波長とマッチして集光効率を向上させる楕円ミラーを利用することで、軟Ｘ線のエネルギー密度を高くし、パターニングした軟Ｘ線（パターニング光）と加工用のレーザー光の両方を照射することなく、パターニングした軟Ｘ線のみで、被加工物をナノスケールの精度で加工できる。
【００２５】
本発明によれば、無機材料、有機材料、或いはＳｉ、ＳｉＯ２、シリコーン等のＳｉ系材料等の被加工物が加工でき、しかも、透明材料も不透明材料も加工が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は本発明の実施例１の構成を説明する図である。
【図２】図２は本発明の実施例１を説明する図である。
【図３】図３は本発明の実施例２の構成を説明する図である。
【図４】図４は本発明の実施例１を説明する図である。
【図５】図５は本発明の実施例１と実施例２を説明するために必要な引用資料である。
【図６】図６は本発明の実施例３の構成を説明する図である。
【図７】図７は本発明の従来技術を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明に係る無機材料等の被加工物を加工する光加工装置の実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して説明する。
【００２８】
本発明は、無機材料等の被加工物に数ｎｍの精度で加工を可能とする光加工装置であるが、まず、本発明の基本原理について説明する。従来のようにレーザで被加工物の加工を行おうとしても加工精度は波長程度までである。又、被加工物が無機透明材料の場合は無色であるから光を吸収しにくいために、直接レーザー光を照射しても加工はできない。
【００２９】
本発明者による先行発明（特許文献２、３参照）は、パターニング光を照射した部分のみで新たな光吸収が生じることを利用し、コストや安定性等の面で有利なより波長の長い可視から紫外の波長領域の加工用レーザー光をさらに照射し吸収させて、容易に軟Ｘ線の波長程度までの加工精度が確保できる加工（切削、切断等の加工）や改質が可能とするものである。
【００３０】
これに対して、本発明は、パターニング光として使用する軟Ｘ線を高エネルギー密度に被加工物に集光照射することで、別の加工用レーザー光をさらに吸収させることなく、軟Ｘ線の波長程度までの加工精度が確保できる加工（切削、切断等の加工）や改質を可能とするものである。
【００３１】
このような原理である本発明では、軟Ｘ線を無機材料等の被加工物に加工すべき所定の形状になるようにパターン化して照射することで、同時に被加工物の表面の加工（切削、切断等の加工）や改質も可能とするものである。
【００３２】
この原理を実現するために、本発明では、軟Ｘ線を、その波長にマッチした構成の光学系を用いて高エネルギー密度となるように集光を行い、これを、可動走査ステージ或いはマスタパターン等のパターニング光照射化手段を用いて被加工物に照射し、所定のパターンで加工（切削、切断等の加工）や改質するものである。
【実施例１】
【００３３】
図１は、本発明に係る光加工装置の実施例１の構成を説明する図である。この実施例１の装置は、光源部７、集光照射手段である光学系１５及び試料部９から構成される。
【００３４】
軟Ｘ線を発生する光源部７は、レーザー光を集光光学系１２でターゲット１３に集光照射し、軟Ｘ線１４を発生させる構成としている。
【００３５】
レーザーとしては、エキシマレーザー、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、チタンサファイアレーザーに代表されるフェムト秒レーザー等が用いられ、ターゲットとしては、スズ、タンタル、ハフニウム、キセノン等のターゲットが用いられる。本実施例では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１１から７２０ｍＪ／ｐｕｌｓｅ、５３２ｎｍのパルスレーザー光をＴａ（タンタル）ターゲットに集光することにより軟Ｘ線１４を発生する。
【００３６】
光源部７から軟Ｘ線１４を発生させて楕円ミラー１５で集光させて、被加工物１９（無機材料等）に照射する。これにより、被加工物１９に所定のパターンで軟Ｘ線を照射し、被加工物１９の加工（切削、切断等の加工）や改質が可能となる。
【００３７】
被加工物に、軟Ｘ線を、加工すべき所定の形状に合わせたパターンになるように照射するパターン化照射手段は、本実施例１では、被加工物１９を設置した可動なステージ２０を軟Ｘ線に対して相対的に走査する構成とすることにより実現できる。これ以外のパターン化照射手段としては次のような構成がある。
【００３８】
（１）走査鏡により、軟Ｘ線を被加工物に集光照射し、走査することでパターニングする。
（２）被加工物の表面にコンタクトマスクを配置して、このコンタクトマスクのスリットを通して軟Ｘ線をパターン照射する。
（３）軟Ｘ線をマスタパターンと結像光学系により所定のパターンを転写する。
【００３９】
ここで本発明の特徴とする構成は、光源部７からの軟Ｘ線１４は、単位時間、単位体積当たりの光子数の多い高エネルギー密度のレーザープラズマ軟Ｘ線を使用し、これを、楕円ミラー１５を使用して広い立体角で集光して軟Ｘ線のエネルギー密度を高め、これを被加工物１９に照射することで、従来のように、パターニング光（軟Ｘ線）を照射した部分に、さらに加工用レーザを照射する必要なく、加工可能とする構成である。
【００４０】
特に重要な点は、本発明者等は、使用する軟Ｘ線１４の波長域における楕円ミラー表面での入射角及び反射率を考慮し、楕円ミラーの集光効率が高くなるよう楕円ミラー１５の形状を設計した点である。このような楕円ミラー１５の構成（設計）について次に説明する。
【００４１】
図２は、本発明に係る楕円ミラー１５を説明するための図である。楕円ミラー１５は、図２（ａ）に示すように、２つの焦点を通る回転軸Ｘ−Ｘ’の周りに楕円又はその一部を回転させることにより形成されるミラーである。その回転楕円体の内面が反射面となるものである。
【００４２】
図２（ｂ）は楕円ミラー１５を、楕円体の回転軸Ｘ−Ｘ’を含む平面で切断した断面図である。ここで、Ａ、Ｂは楕円ミラー１５の焦点であり、焦点Ａの位置に軟Ｘ線１４の発生源（ターゲット１３）を配置し、焦点Ｂに配置した被加工物１９に集光する。
【００４３】
２つの焦点Ａ、Ｂの中点を原点とし、回転軸Ｘ−Ｘ’と同じ方向にｘ軸、それと垂直な方向にｙ軸をとることとする。この座標系において、断面を形成する楕円をｘ２／ａ２＋ｙ２／ｂ２＝１と表すこととする。
【００４４】
図２（ｂ）において、２ｗは楕円ミラー１５の回転軸方向の長さとする。焦点Ａ、Ｂの座標をそれぞれ（−ｆ、０）、（ｆ、０）とする。このとき、楕円の焦点Ａ、Ｂ間の距離は２ｆである。楕円ミラー１５の反射面の回転軸方向の端点のうち焦点Ａに近い方を点Ｐ、遠い方を点Ｑとする。このとき、「焦点Ａと端点Ｐを通る直線ＡＰ」と「焦点Ａと端点Ｑを通る直線ＡＱ」がなす見込み角をφとする。
【００４５】
楕円とｙ軸の交点（０、ｂ）を点Ｃとし、「点Ｃ（０、ｂ）における楕円の接線」と「焦点Ａ（−ｆ、０）と点Ｃ（０、ｂ）を通る直線」がなす角をθとする。この角θは、焦点Ａから出た光が楕円ミラー１５に入射する時の仰角である。
【００４６】
図２（ｃ）は楕円ミラー１５を、原点Ｏを通り、回転軸に垂直な平面で切断した断面図である。ψは楕円ミラー１５を見込む角度である。点Ｍ、Ｎをそれぞれ楕円ミラーの端点とすると、ψは直線ＯＭと直線ＯＮがなす角である。
【００４７】
焦点Ａに置いた軟Ｘ線１４の発生源からの軟Ｘ線１４を、どれだけ焦点Ｂにある被加工物上に集められるかは、「φとψで決まるミラーの立体角」と「ミラー表面の反射率Ｒ」によって決定される。ここで、ψは大きいほど集光できる光量が多くなる。
【００４８】
ψを加工可能な最大値に固定すると、集光効率は、反射率Ｒと見込み角の積Ｒφで決まる。以下では、これを「集光効率」ということにする。
【００４９】
楕円ミラー１５の長軸方向の長さ２ｗ及び焦点間距離２ｆの比を一定にした場合、θを大きくすると、φは大きくなるが反射率Ｒが小さくなる。逆に、θを小さくすると、φは小さくなるが反射率Ｒが大きくなる。本発明では、これらのことを考慮して集光効率Ｒ×φを大きくすることを楕円ミラー１５の設計指針とする。
【００５０】
ところで、図２（ｂ）において、楕円の焦点Ａ、Ｂ（±ｆ，０）は、次の数式２で表される。
【００５１】
【数２】
点Ｐの座標は、ａ＝ｆ／ｃｏｓθ、ｂ＝ｆｔａｎθ であることを注意すると、次の数式３で表される。
【００５３】
【数３】
従って、図２（ｂ）に示す「焦点Ａと端点Ｐを通る直線ＡＰ」と回転軸Ｘ−Ｘ’がなす角αとすると、ｔａｎαは次の数式４で表される。
【００５５】
【数４】
この数式４から、αは、「仰角θ」と「焦点間距離２ｆに対する楕円ミラー１５の長軸方向の長さ２ｗの比２ｗ／２ｆ＝ｗ／ｆ」により決まってくることがわかる。
【００５７】
同様に、図２（ｂ）に示す「焦点Ａと端点Ｑを通る直線ＡＱ」と回転軸Ｘ−Ｘ’がなす角をβとすると、ｔａｎβは次の数式５のように表される。
【００５８】
【数５】
そして、見込み角φは次の数式６で表される。なお、数式６中、ｔａｎ−１はｔａｎの逆関数である。
【００６０】
【数６】
以上からして、本発明を実施する加工装置の全体的な大きさから、軟Ｘ線の発生源（焦点Ａ）と被加工物１９（焦点Ｂ）との焦点間距離２ｆと、楕円ミラー１５の長軸方向の長さ２ｗを設定し、仰角θを決めれば、α、β、φがそれぞれ一意に決まる。これにより、楕円ミラー１５の楕円形状が決定され、楕円ミラー１５の反射面が形成可能となる。
【００６２】
ところで、仰角θは次のように決めればよい。軟Ｘ線１４の楕円ミラー１５の反射面における反射率Ｒは、反射表面の材料と軟Ｘ線１４の波長と仰角θに依存する。この依存性については既存値を使用する。一方、φは仰角θに依存し、数式６からφを算出できる。このようにして得られた使用する軟Ｘ線１４の波長に対してＲ×φが最大となるように仰角θを決定する。
【００６３】
本実施例では、波長が１０ｎｍ前後の軟Ｘ線を使用することとする。この波長領域で反射率Ｒが高い金を反射表面に使用する。実際には、楕円ミラー１５本体を石英で作成し、石英の表面をクロムコートし、さらにその上に金コートする。
【００６４】
本発明者らが行った仰角θの決定の具体例を、図２と、図４に示すグラフを参照して説明する。図２（ｂ）において、楕円ミラー１５の長軸方向の長さ２ｗ、楕円ミラー１５の焦点Ａ、Ｂ間の距離２ｆをそれぞれ２ｗ＝８０ｍｍ、２ｆ＝１５０ｍｍとした。
【００６５】
そして、１０ｎｍ前後の波長の軟Ｘ線領域における波長及び仰角θに対する反射体である金（Ａｕ）の表面の反射率Ｒの既存値として、図５に示す引用資料である「Atomic Data and Nuclear Data Tables vol.54 No.2 July(1993) p.315」記載の「TABLE III. Specular Reflectivity for Mirrors」の表、及びこの表をプロットして作成されたグラフに示す値を引用した。
【００６６】
なお、この引用資料中、「Ｌｉｎｅ」は、Ｘ線領域における各物質の発光線である。「Ｅ（ｅＶ）」は、当該各種のＸ線光源材料から発生したＸ線の光子エネルギー（１つの光子の持つエネルギー）である。「θ」は、Ｘ線が金表面に入射する入射角（金表面と入射するＸ線とのなす角度）であり、その単位はミリラジアン（mr）である。「Ｐ（％）」は反射率である。「ρ＝１９．３０ｇｍ／ｃｍ３ 」は反射体である金の密度を示す。
【００６７】
このようにして得られたのが図４（ａ）に示すグラフである。このグラフによると、θが４．６°〜２３．９°の範囲で、１０ｎｍ前後の波長の軟Ｘ線１４が効率良く集光できるという知見を得た。特に、図４（ａ）に示す例では、θ＝１１．５°にすると集光効率Ｒφが最大となる。又、より長波長の軟Ｘ線１４を集光するには、θを大きくすると集光効率が高くなる。一方、特に８ｎｍ以下のより短波長の軟Ｘ線１４を集光するにはθ＝７．２°以下とすると集光効率Ｒφが高くなる。
【００６８】
ところで、焦点Ａに置いた軟Ｘ線１４の発生源からの軟Ｘ線１４を、どれだけ焦点Ｂにある被加工物上に集められるかは、前述のとおり、「φとψで決まるミラーの立体角ω」と「ミラー表面の反射率Ｒ」によって決定されるが、ψを加工可能な最大値に固定すると、集光効率は、概略、反射率Ｒと見込み角の積Ｒφで決まる。そして、図４（ａ）は、このＲφを「集光効率」と仮定して得られたグラフである。より正確に「φとψで決まるミラーの立体角ω」と「ミラー表面の反射率Ｒ」により算出して得られた、集光効率を表すグラフを図４（ｂ）で示す。
【００６９】
即ち、図４（ｂ）は、入射角θを５０ｍｒ、…………４００ｍｒと変化させて、光子エネルギー（入射光の１つの光子の持つエネルギー）に対する集光効率Ｒ×ω／４πを示すグラフである。
【００７０】
図４（ｂ）に示すグラフによると、１００ｅＶの光子エネルギーを有する軟Ｘ線１４はθ＝３００ｍｒとすると効率良く集光でき、また１５０ｅＶの光子エネルギーを有する軟Ｘ線１４はθ＝２００ｍｒとすると効率良く集光できるという知見を得た。図４（ａ）でも、図４（ｂ）でも、より高い光子エネルギーを有する軟Ｘ線を効率よく集光するためには、θを大きくする必要がある点で同じ傾向が得られた。図４（ａ）ではより簡便に、図４（ｂ）ではより精密に最適な入射角θが求められる。
【００７１】
軟Ｘ線１４が楕円ミラー１５で試料部９に高エネルギー密度に集光される。この軟Ｘ線１４は、可動なステージ２０（載置台）上に載置された被加工物１９に照射される。ステージ２０が軟Ｘ線１４に対して所定の移動をすることで、被加工物１９に所定のパターンで加工及び／改質を行う。
【００７２】
なお、パターニングとしては上記のとおり、可動なステージ２０を採用するのではなく、コンタクトマスクを使用してもよい。即ち、軟Ｘ線１４を集光光学系を用いて高エネルギー密度にし、さらにコンタクトマスクを用いて所定のパターンにパターニングして被加工物１９に照射することで、切削、切断等の加工や改質が可能となる。
【００７３】
コンタクトマスクとして、被加工物１９の軟Ｘ線が照射される被加工面にパターニングするためのマスクの材料を直接成膜したものを用いてもよい。コンタクトマスクの成膜手段としては、例えば、蒸着又はスパッタリングを利用する。コンタクトマスクの材料としては、ＷＳ（タングステンシリサイド）、Ａｕ、Ｃｒ等の材料が利用される。パターニングには、光リソグラフィ法、電子ビームリソグラフィ法、又はレーザー加工法を用いる。
【実施例２】
【００７４】
図３は、本発明に係る光加工装置の実施例２を説明する図である。この実施例２は、実施例１同様に、レーザープラズマ軟Ｘ線１４を、楕円ミラー１５で集光しエネルギー密度を高くし、ステージ２０上の被加工物１９の表面に照射し加工や改質を行う加工装置及び加工方法である。
【００７５】
この実施例２は、そのパターニングは、マスターパターン１６を結像光学系１７により転写する例である。即ち、楕円ミラー１５で集光された軟Ｘ線１４をマスターパターン１６を透過させて、結像光学系１７によりパターン光１８として被加工物１９に照射する構成を採用している。
【実施例３】
【００７６】
図６は、本発明に係る光加工装置の実施例３を説明する図である。この実施例３は、実施例２の光学系１７に代えてウォルターミラー２１を利用した構成であり、その他の構成は、実施例２と同じである。即ち、楕円ミラー１５で集光された軟Ｘ線１４をマスターパターン１６を透過させて、ウォルターミラー２１によりパターン光１８として被加工物１９に照射する構成を採用している。
【００７７】
この実施例３では、マスターパターン１６を透過した軟Ｘ線１４を、紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長に応じて紫外光及び／又は軟Ｘ線を高エネルギー密度に結像する光学系としてウォルターミラー２１を利用する。
【００７８】
ウォルターミラー２１は、回転双曲面ミラーと回転楕円面ミラーとを組み合わせて成るミラーである。軟Ｘ線１４をウォルターミラー２１の反射面で２回反射させて、被加工物１９にパターニング照射する。これにより、被加工物１９に所定のパターンで軟Ｘ線を照射し、被加工物１９の加工（切削、切断等の加工）や改質が可能となる。
【００７９】
以上、本発明に係る光加工装置の実施の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明は、特にこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることはいうまでもない。例えば、上記実施例１、２では、軟Ｘ線の波長に応じて軟Ｘ線を高エネルギー密度に集光する光学系として楕円ミラーを使用し、実施例３では楕円ミラーとウォルターミラーを利用したが、楕円ミラーやウォルターミラー以外に、回転放物面ミラー、トロイダルミラー、回転楕円ミラー又は回転双曲線ミラー、或いはこれらタイプの異なるミラーの組み合わせを採用する構成もある。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は以上の構成であるから、例えばフォトニッククリスタルや光導波路等の光学機能性部品、ＤＮＡ分析や血液検査等のマイクロチップケミストリーの分野等に適用することができる。
【符号の説明】
【００８１】
１ 光源
２、１８ パターニング光
３、１７ 光学系
４、１９ 被加工物
５ 加工用レーザー光
６ 加工用レーザー
７ 光源部
８ パターン化照射手段部
９ 試料部
１１ 紫外光及び／又は軟Ｘ線発生レーザー
１２ 集光光学系
１３ Ｔａターゲット
１４ 軟Ｘ線
１５ 楕円ミラー
１６ マスターパターン
２０ ステージ
２１ ウォルターミラー
Claims (2)
- 光源部と、集光照射手段とから成る光加工装置であって、
上記光源部は、レーザー光を集光光学系でターゲットに集光照射し、被加工物が実効的に光吸収を生じるための紫外光及び／又は軟Ｘ線を発生させる光源部であり、
上記集光照射手段は、上記紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長に応じて紫外光及び／又は軟Ｘ線を高エネルギー密度に集光する光学系を備え、該高エネルギー密度に集光された紫外光及び／又は軟Ｘ線を、被加工物に所定のパターンで照射し、上記被加工物を加工及び／又は改質し、
上記紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長に応じて紫外光及び／又は軟Ｘ線を高エネルギー密度に集光する光学系は、楕円ミラーであり、上記光源部のうち紫外光及び／又は軟Ｘ線の発生源が楕円ミラーの二つの焦点のうちの一方の焦点に配置され、該楕円ミラーで反射され他方の焦点に集光される紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長に対する楕円ミラー表面の反射率Ｒと上記光源部から楕円ミラーの長軸方向の両端を見込む角であり下記の数式７で規定されるφとの積を大きくする構成であることを特徴とする光加工装置。
但し、下記の数式７中の符号は次のとおりである。
θ：上記一方の焦点から出た光が楕円ミラーに入射するときの仰角
ｗ／ｆ：焦点間距離２ｆに対する楕円ミラーの回転軸方向の長さ２ｗの比
α：「楕円ミラーの回転軸」と「楕円ミラーの上記一方の焦点と該焦点に近い楕円ミラーの回転軸方向の端点を通る直線」のなす角度
β：「楕円ミラーの回転軸」と「楕円ミラーの上記一方の焦点と該焦点に遠い楕円ミラーの回転方向の端点を通る直線」のなす角度
- 光源部とパターン化照射手段とから成る光加工装置であって、
上記光源部は、レーザー光を集光光学系でターゲットに集光照射し、被加工物が実効的に光吸収を生じるための紫外光及び／又は軟Ｘ線を発生させる紫外光及び／又は軟Ｘ線を発生する光源部であり、
上記パターン化照射手段は、上記紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長に応じて紫外光及び／又は軟Ｘ線を高エネルギー密度に集光する光学系を備え、該高エネルギー密度に集光された紫外光及び／又は軟Ｘ線を、加工すべき形状に合わせた所定のパターニング光として被加工物に照射し、上記被加工物を加工するものであり、
上記紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長に応じて紫外光及び／又は軟Ｘ線を高エネルギー密度に集光する光学系は、楕円ミラーであり、上記光源部のうち紫外光及び／又は軟Ｘ線の発生源が楕円ミラーの二つの焦点のうちの一方の焦点に配置され、該楕円ミラーで反射され他方の焦点に集光される紫外光及び／又は軟Ｘ線の波長に対する楕円ミラー表面の反射率Ｒと上記光源部から楕円ミラーの長軸方向の両端を見込む角であり下記の数式７で規定されるφとの積を大きくする構成であることを特徴とする光加工装置。
但し、下記の数式７中の符号は次のとおりである。
θ：上記一方の焦点から出た光が楕円ミラーに入射するときの仰角
ｗ／ｆ：焦点間距離２ｆに対する楕円ミラーの回転軸方向の長さ２ｗの比
α：「楕円ミラーの回転軸」と「楕円ミラーの上記一方の焦点と該焦点に近い楕円ミラーの回転軸方向の端点を通る直線」のなす角度
β：「楕円ミラーの回転軸」と「楕円ミラーの上記一方の焦点と該焦点に遠い楕円ミラーの回転方向の端点を通る直線」のなす角度
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