JP4832423B2 - 表面構造化レーザ加工により光学部品の製造をするための方法 - Google Patents

Description

本発明は、仕上がった光学部品に適用すべき適用波長領域の電磁光線に対する光学部品の光学機能が、加工波長領域のレーザ光線によるレーザ加工により発生される、光学部品を製造するための方法に関する。

レーザによるマイクロ材料加工は、光学、機械工学、流体技術、及び電子工学の種々の適用のために使用される。このための例は、プリント基板又はインクジェットヘッドへの微細孔の穿孔、電気部品のトリミング、導体からの絶縁体の除去、又は医療用ステントの製造である。微小に構造化された光学部品、例えばビームガイド及びその適用をするためのビームの均質化をするために必要となるようなコンポーネントの場合、加工の精度は、相応のレーザ波長での光学的な吸収能力と親密に関係する。著しく吸収する材料だけ、高い精度で加工することができる。特にレーザ除去により所定のプロフィルもしくは所定の構造を発生させるため、加工すべき材料の高い吸収能力が前提である。この場合、所望の構造、例えばマスクは、材料を切除することにより、照射された箇所で発生される。他方、光学ガラス及び他の光学材料（クリスタル）は、光学的なスペクトル領域、すなわち紫外線（ＵＶ）に至るまでの可視の波長において規定通り少ししか吸収をせず、従って、このスペクトル領域で放出するレーザでは、高い精度で加工をすることができない。

特に重要であるのは、マイクロ材料加工に対して予定されている脈動するＵＶエキシマレーザのビームの形成及びビームの均質化をするために、機能的なＵＶ光学系、例えば回折光学要素（位相要素、振幅要素）に対して高まる要求である。これら光学系は、特にエキシマレーザの典型的な波長（１９３ｎｍ，２４８ｎｍ）に対して透明であるべきであるので、これら光学系を製造するため、光学材料、例えばクォーツガラスが十分吸収する更に短い波長（１５７ｎｍ）だけが問題となる。しかしながら、このように極端に短い波長での加工は、非常に困難であり、費用がかかる。加えて、このように製造された光学系を常に加工波長よりも長い適用波長で適用することは、制限されたままである。従って、光学仕上げにおけるレーザ除去は、これが特に小型化された複雑に形成された光学系の仕上げにおいて古典的（機械研削及び研磨）又はリソグラフによる仕上げ技術と比べて有利であるにもかかわらず、未だ定着していない。

特に個別部材又は小ロットの仕上げの際、コスト、時間及び製造プロセスの複雑さにおける投資は、リソグラフによる方法の多岐にわたるステップ（コーティング、感光、現像、エッチング）によって高く、成形における柔軟度が制限されている。特に、レーザ加工は、リソグラフによる方法とは対照的に、湾曲した表面に問題なくて適用することができる。

特許文献１から、誘電性のリフレクションマスクを製造するための方法が公知であり、この方法の場合、高い屈折率を有する層と低い屈折率の層の交互の層から成る、サブストレートとリフレクションマスク層構造間の部品への構造化レーザ照射の前に加工波長領域のレーザ光線を吸収する層が配設される。吸収層の構造化除去の後、照射された箇所では、適用波長用のマスクの透明度を不所望に阻害することがある吸収層の少なからずの残留物が残ることがある。その場合、これらの残滓は、マスクの透過を改善するため、後続の材料変換ステップで透明な材料に変換することができる。

公知の方法は、確かに、リフレクションマスクを製造する際に、加工波長よりも大きな波長への適用波長の限定が廃止されるという利点を有するが、しかしながら、部品の光学機能が、予め装着されたマスク層と協働する場合しか実現されないという不利な結果をもたらす。これに対して、吸収層は、マスクを製造する場合にだけ有効である。この方法は、サブストレート側から背面側からの除去をするためだけにも適している。他の部品、特に多くの適用のために要求されるような多段のプロフィルを有するものを製造するために、この方法は、むしろ不適当である。
独国特許出願公開第１００ １７ ６１４号明細書

従って、本発明の課題は、適用のために予定された電磁光線の適用波長を、レーザ光線の加工波長に依存せずに選択可能にし、１つ又は複数段のプロフィルを部品に発生可能にし、異なった様式の部品に選択的に前面側及び／又は背面側からの加工をすることにより自在に適用可能にする、レーザ加工により電磁光線用の光学部品を製造するための方法を提供することにある。

この課題は、請求項１の上位概念と関連して、
以下のステップ、即ち
１）未加工状態で加工波長領域のレーザ光線を吸収する材料から成る固体を加工するステップと、
２）光学部品の段付きプロフィルを発生させるために、１つ又は複数の加工ステップで固体をレーザ加工するステップと、
３）固体が適用波長領域の電磁光線に対して透明である、予定された光学機能を満足する最終状態に固体を材料変換するステップと
が実施されること、
加工波長領域のレーザ光線を吸収する材料として、１＜ｘ＜２の非化学量論組成のＳｉＯｘ化合物が使用されること、ＳｉＯｘ材料が、材料変換ステップによりＳｉＯ _２ の最終状態に変換されること
によって解決される。

本発明による方法により、光学機能を発生させるための部品のレーザ加工（表面の構造化）を、十分に吸収性を有する状態で行なうことができるプロセスが提供される。形が仕上がった部品は、光学機能を可能にするために、透明な状態に移行され、その際、その吸収／透過を、形態を変えさせない材料変換により広い領域にわたり変更することができる材料が使用される。

レーザ加工のため、初期状態で加工波長領域のレーザ光線を吸収し、材料変換後の最終状態で適用波長領域の電磁光線に対して透明である固体が使用されることによって、固体が未加工状態でそれ自身吸収特性を備えるので吸収層を装着する必要なしに、加工波長に依存する波長用の光学部品を製造することができる。これは、特に安価で省時間に作用する。特に加工波長は、（後の）適用波長領域内に入れることができ、例えば、加工波長と適用波長は、それぞれ１９３ｎｍとすることができる。適当な初期材料は、短い波長から長い波長へと通常連続的に減少する吸収特性を、従って相応に連続的に減少するレーザ加工性を示し、連続的に増加する適用性を光学要素として備えるので、部品を製造する場合、段階的なこれら吸収／透過の変化を考慮する中間状態も可能である。例えば、初期材料は、加工波長領域の第１の波長の光線を強く吸収し、第２の波長の光線をそれほど吸収しないことがあるので、正確な加工のための吸収能力は、この第２の波長の場合不十分であるが、他方、光学的な適用のためには未だ非常に高い。その場合に、レーザ加工が第１の波長で実施された場合、材料は、材料変換後、第２の波長に対しては十分に透明であったり、第１の波長に対してはそれほど吸収しなかったりする。即ち、材料変換の際、所定の透過度（理想的な場合にはトータルの透明度まで）は、加工波長領域の加工波長に応じて得られる。いずれにしても、部品の初期状態にとっては、正確な加工のための加工波長の十分な吸収が、最終状態にとっては、所望の適用波長に対する十分な透明度が、光学機能を満足するために基準となる。

材料変換では、固体全体が適用波長領域の電磁光線に対して透明となる。固体の表面を除去により構造化する場合に照射される、即ち除去される領域と、照射されない領域とは、材料変換後、即ち透明な状態で、その光学機能において協働する。このため、材料変換は、照射された領域と照射されない領域に適用される。固体のレーザ加工は、特に比較的大きな面積の層を切除するためにも、しかしながらまた構造化されたパターンを発生させるためにも適している。特にＵＶパルスレーザ、例えばマイクロ材料加工のために特に適している１９３ｎｍ及び２４８ｎｍの波長を有するエキシマレーザを使用する場合、パルスエネルギー及びパルス数を調整することにより多段のプロフィル（表面レリーフ）を発生させることができる。

多段の構造を形成するため、構造要素の表面は、好ましくは点状に連続する加工ステップで照射される。この場合、例えば、均一なパルスエネルギーもしくはパルスエネルギー密度（フルエンス）が選択され、パルスの数は変化する。フルエンスは、材料が、所定の深さまで切除されるように調整される。その場合、異なった照射箇所に異なったパルス数を選択することにより、複数回で段付けされたプロフィルを発生させることができる。特に２段のプロフィル、即ち２つの高さ水準を有する構造（切除されてない面と切除された面）を形成するため、構造を有する結像要素による、例えばいわゆるパターンマスクを介した全面にわたる同時の構造化照射は、著しい時間の節約に基づいて特に有利である。段とは、極小までの巨視的な除去と理解されるので、いわば連続的に変化するプロフィルも発生可能である。

処理の容易化のため、固体は、仕上がった光学部品の構成要素でもあり得る好ましくは透明な支持体に装着することができる。

固体用の出発材料としては、ＳｉＯｘが、特にＵＶレーザによる適用のために適している。１＜ｘ＜２のＳｉＯｘは、ＵＶ光線に対して強い吸収性を有する非化学量論組成の酸化ケイ素化合物（部分的に酸化された、しかしながら巨視的には均質な材料）である。これに対して、ＳｉＯ_２（完全酸化された材料）として、ＵＶ光線用の材料は、非常に透明であり、加えて、高い破壊限度を備えるので、この材料は、高いエネルギー密度のために適している。材料変換は、酸化環境下で（例えば空気内で）材料を加熱することによって実現可能である。この場合、ＳｉＯｘ材料がＳｉＯ_２に酸化される。一連の試験で、約９００°Ｃで約８〜９時間の間空気内でＳｉＯｘ部品の熱的材料変換（酸化）をすることが効果的であると分かった。この処理により、特に高い透明度（１９３ｎｍに対して本来の透明度＞９０％）を得ることができる。短い酸化時間及び／又は低い温度は、結果として生じる粗悪な透明度値をもたらし、長い酸化時間及び／又は高い温度では、更なる著しい改善は、何ら得ることができない。基本的に、更なる熱処理の有り無しで酸化雰囲気内で除去限度以下の浅い又は局所的に溶解されるレーザ光線による光化学酸化も可能である。集中的に材料を局所的に溶解させて変換し、これにより、（材料切除に依存しなくとも）光学的な構造を発生させる更に広範な可能性が得られる。

基本的に、方法は、他の材料でも、可視の、更には赤外線のスペクトル領域で適用することができる。材料として、原理的に金属酸化物及び半導体酸化物のような酸化物材料が使用可能である。ＵＶ波長領域用に、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）以外に、酸化アルミニウム、酸化スカンジウム、酸化ハフニウム、及び酸化イットリウムが特に適している。可視のスペクトル領域用に、酸化タンタル及び酸化チタンが特に適している。

上記の課題は、本発明によれば、請求項４の上位概念と関連して、光学部品の段付きプロフィルを発生させるため、それぞれ、未加工状態で加工波長領域のレーザ光線を吸収する材料から成る吸収層が、加工波長領域のレーザ光線に対して透明なサブストレート体に装着される堆積ステップと、装着された吸収層が、レーザ光線が照射された箇所を少なくとも層厚さの一部にわたって除去される除去ステップとから成る加工サイクルが複数回実施されること、発生されたプロフィルが適用波長領域の電磁光線に対して透明な最終状態に変換される材料変換ステップが、少なくとも一度実施されること、加工波長領域のレーザ光線を吸収する材料として、１＜ｘ＜２の非化学量論組成のＳｉＯｘ化合物が使用されること、ＳｉＯｘ材料が、材料変換ステップによりＳｉＯ _２ の最終状態に変換されること
によっても解決される。

層の堆積と構造を発生させる除去とから成る加工サイクルが複数回実施されることにより、２つ以上の高さ水準を有する多段の構造要素を形成することができる。これは、特に回折位相要素（ＤＰＥ）を製造する場合、多段の（例えば４、８、１６段の）ＤＰＥが高い回折効果を備えるので有利である。レーザエネルギー密度、パルス数及び層厚さを相応に調整した場合、除去は、サブストレートに至るまでの除去層の深さ全体にわたって調整可能であるので、サブストレートと吸収層間のそれぞれの限界面は、「規定破面」として使用することができる。この限界面は、サブストレートの所定の領域を層から一様かつ綺麗に（高い表面品質で）除去することを容易にする。従って、固体の加工と比べて、又は吸収層が単に層厚さの一部にわたり切除される場合は、構造化レーザ加工の際に更に高い精度（段高さに関して）が実現可能である。前面側からの除去をする（直接吸収層に照射する）場合、この方法では、ｎ回のサイクルで２^ｎ段の要素を製造することができる。背面側からの除去をする（サブストレートを通して照射する）場合は、相応にそれぞれ（それまでに構成された）層構造全体が下はサブストレートに至るまで切除されるので、この場合、ｎ回の露出でｎ＋１段の要素を生じさせることができる。複雑な構造のため、前面側からの除去と背面側からの除去を組み合せることも考えられる。しかしながらまた、基本的に、照射エネルギーを介して制御をして、異なった箇所でそれぞれ層厚さの所定の部分だけを切除することにより、集中的に吸収層内に段付け部を発生させることも考えられる。堆積と除去は、別の装置で実施することができるが、しかしながらまた、レーザ除去プロセスは、堆積装置に統合することもできる。

上記の課題は、本発明によれば、請求項７の上位概念と関連して、同様に、先ず、加工波長領域のレーザ光線を透過する材料から成る層と、加工波長領域のレーザ光線を吸収する材料から成る層から成る２重層から成る層構造が、加工波長領域のレーザ光線に対して透明な材料から成るサブストレート体に装着されること、引き続き、光学部品の段付きプロフィルを発生させるために、それぞれ１つの２重層の、レーザ光線が照射された箇所が除去される除去ステップが、複数回実施されること、発生されたプロフィルが適用波長領域の電磁光線に対して透明な最終状態に変換される材料変換ステップが実施されること、加工波長領域のレーザ光線を吸収する材料として、１＜ｘ＜２の非化学量論組成のＳｉＯｘ化合物が使用されること、ＳｉＯｘ材料が、材料変換ステップによりＳｉＯ _２ の最終状態に変換されることによって解決される。

吸収をする層（例えばＳｉＯｘ）と透明な層（ＳｉＯ_２）の交互の層から成る（多重の）層構造を適当な厚さで配設することにより、適応波長が加工波長に依存していない多段に成形された光学部品を製造する更なる可能性が得られる。除去のため、前面側からの除去によりそれぞれ１つのこのような２重層を除去するフルエンスを調整する場合、ｎ回の露出−この場合、露出は、照射位置毎に１つ又は複数のレーザパルスから成っていてもよい−で、２^ｎ段の要素を製造することができる。

本発明の更なる詳細を、以下の詳細な説明及び本発明の好ましい実施形を例示する貼付図から明らかにする。図１は、複数回の層堆積とレーザ除去により４段の回折位相要素を製造するための概略を示す。

光学部品６を製造する方法は、本質的に、吸収層の堆積ステップと、構造を構成するレーザ除去ステップと、部品６がレーザ光線に対して透明な最終状態に変換される材料変換ステップとから成る加工サイクルを複数回実施することに基づく。

この方法は、ＵＶ波長用の４段の回折位相要素（ＤＰＥ）の例で説明する。その作用方法は、光学材料において微小に構造化された表面レリーフにおける光の回折に基づく。入射する電磁波、例えばレーザビームのＤＰＥでの回折及び干渉により、所望の強度分布をいわゆる信号面内に生じさせることができる。ＤＰＥの場合、光波の位相だけが変調され、即ち、ＤＰＥは、実際に完全に透過性の要素を許容する（これに対し、回折振幅要素（ＤＡＥ）は、入射する光波の振幅を変調し、即ち、ＤＡＥは、常に損失を孕んでいる）。従って、例えば、エキシマレーザのビームプロフィルは、後続の適用のために形成及び均質化することができる。このために必要な表面レリーフは、予め、原理が知られている計算アルゴリズム、例えばコンピュータが発生させたホログラムにより計算される。この場合、構造の全深さは、式 Ｄ＝（ｑ−１）／ｑ×λ／（ｎ−１）によって与えられ、この場合、ｑは、高さ水準の数、即ちｑ−１は、段の数であり、λは、ＤＰＥがその光学機能を満足すべき波長であり、ｎは、空気中でのＤＰＥの材料の屈折率である。従って、例えば１９３ｎｍの適用波長用の４段の要素のため、ｎ＝１．５６１の屈折率の場合、８６ｎｍのそれぞれの段高さで２５８ｎｍの全構造深さが得られる。

有利なことに水晶体として形成されたサブストレート１上に、蒸着（堆積）により、第１の吸収層２が、原理的に公知の適当な装置によって装着される。（図示されてない）第１の（計算された）マスクを介して、吸収層２は、引き続き照射された箇所がレーザ光線７によりサブストレート高さにまで除去される（図１ａ）。選択的に、加工は、レーザの相応の制御を介した部品６の表面の点状の搬出により行なうこともできる。除去のためのレーザエネルギーは、装着される層厚さに適合され、吸収層が完全に除去されるように選択されるが、この場合、サブストレート１は、無傷のままである。加工は、サブストレート側で、即ち背面側からの除去として行なわれる。レーザ除去は、例えば１９３ｎｍの波長を有する、即ちＤＰＥの後での機能のために予定されているのと同じ波長を有するＵＶエキシマレーザが使用される。吸収層２は、１９３ｎｍで強く吸収するＳｉＯｘ材料から成る。この第１の加工サイクルの結果は、２つの高さ水準４，４’、即ち１つの段５（図１ｂ）を有する構造３を備える表面である。即ち、４段の要素は、４つの高さ水準（レベル）と３つの段を有する。第２の加工サイクルは、第１のサイクルで発生した構造３上に蒸着される（図１ｃ）第２の吸収層２’の堆積をもって開始する。引き続き、（第２のマスクを介した、もしくは点状の）構造化レーザ光線７’による第２の除去が行なわれ、この場合、３つの高さ水準４，４’，４’’を有する構造３’が生じる（図１ｄ）。コーティング（堆積）と除去とから成る第３の加工サイクルでは、同じ方法で、吸収層２’’を介してレーザ除去７’’により４つの高さ水準４，４’，４’’，４’’’を有する構造３’’が生じる（図１ｅ）。部品６が炉内で数時間にわたり空気中で数１００°Ｃに加熱される最後の熱的材料変換が行なわれた場合、構造材料ＳｉＯｘが酸化してＳｉＯ_２に成り、これにより、レーザ波長に対して透明になる。従って、最終的に、構造３’’から、加工波長に対するＤＰＥとしての所望の光学機能を満足する４段の透明なプロフィル８が生じる。

吸収層の複数回の除去と堆積の代わりに、固体が加工されるか、層厚さ全体が切除されない場合、所定の段深さもしくはいわば連続的なプロフィルを吸収材料内に得るために、レーザのパルスエネルギー密度とパルス数が利用され、この場合、サブストレート−吸収層の（役に立つ）「規定破面」がなくなるので、高い精度を得るためには、場合によっては光学要素を前に接続することにより、上記パラメータ並びにビームプロフィル（レーザビーム特性）を非常に正確に調整することが重要である。

複数回の層堆積とレーザ除去により４段の回折位相要素を製造するための概略を示す。

１ サブストレート
２〜２’’ 吸収層
３〜３’’ 構造
４〜４’’’ 高さ水準
５ 段
６ 光学部品
７〜７’’ レーザ光線
８ プロフィル

Claims (11)

1. 仕上がった光学部品に適用すべき適用波長領域の電磁光線に対する光学部品の光学機能が、加工波長領域のレーザ光線によるレーザ加工により発生される、光学部品を製造するための方法において、
   以下のステップ、即ち
   １）未加工状態で加工波長領域のレーザ光線を吸収する材料から成る固体を加工するステップと、
   ２）光学部品の段付きプロフィルを発生させるために、１つ又は複数の加工ステップで固体をレーザ加工するステップと、
   ３）固体が適用波長領域の電磁光線に対して透明である、予定された光学機能を満足する最終状態に固体を材料変換するステップと
   が実施されること、
   加工波長領域のレーザ光線を吸収する材料として、１＜ｘ＜２の非化学量論組成のＳｉＯｘ化合物が使用されること、ＳｉＯｘ材料が、材料変換ステップによりＳｉＯ _２ の最終状態に変換されること
   を特徴とする方法。
2. 予め選択されたパルスエネルギー密度を有するＵＶパルスレーザにより、光学部品の材料が、レーザ光線が照射された箇所が所定の深さになるまで除去されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. パルスエネルギー密度とパルスの数をそれぞれ調整することにより、所定の段高さの選択可能な段数の、光学部品の段付きプロフィルが形成されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 仕上がった光学部品に適用すべき適用波長領域の電磁光線に対する光学部品の光学機能が、加工波長領域のレーザ光線によるレーザ加工により発生される、光学部品を製造するための方法において、
   光学部品（６）の段付きプロフィル（８）を発生させるため、それぞれ、未加工状態で加工波長領域のレーザ光線を吸収する材料から成る吸収層（２，２’，２’’）が、加工波長領域のレーザ光線に対して透明なサブストレート体（１）に装着される堆積ステップと、装着された吸収層（２，２’，２’’）が、レーザ光線が照射された箇所を少なくとも層厚さの一部にわたって除去される除去ステップとから成る加工サイクルが複数回実施されること、発生されたプロフィル（８）が適用波長領域の電磁光線に対して透明な最終状態に変換される材料変換ステップが、少なくとも一度実施されること、
   加工波長領域のレーザ光線を吸収する材料として、１＜ｘ＜２の非化学量論組成のＳｉＯｘ化合物が使用されること、ＳｉＯｘ材料が、材料変換ステップによりＳｉＯ _２ の最終状態に変換されること
   を特徴とする方法。
5. 複数回実施される加工サイクルの各加工サイクルの後又は選択された個々の加工サイクルの後で、それぞれの吸収層（２，２’，２’’）のために材料変換ステップが実施されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 複数回実施される加工サイクルが、吸収層が直接レーザ光線を照射される前側からの除去ステップ及び／又は吸収層がサブストレート体（１）を経てレーザ光線を照射される後側からの除去ステップを備えることを特徴とする請求項４又は５に記載の方法。
7. 仕上がった光学部品に適用すべき適用波長領域の電磁光線に対する光学部品の光学機能が、加工波長領域のレーザ光線によるレーザ加工により発生される、光学部品を製造するための方法において、
   先ず、加工波長領域のレーザ光線を透過する材料から成る層と加工波長領域のレーザ光線を吸収する材料から成る層から成る２重層から成る層構造が、加工波長領域のレーザ光線に対して透明な材料から成るサブストレート体に装着されること、引き続き、光学部品の段付きプロフィルを発生させるために、それぞれ１つの２重層の、レーザ光線が照射された箇所が除去される除去ステップが、複数回実施されること、発生されたプロフィルが適用波長領域の電磁光線に対して透明な最終状態に変換される材料変換ステップが実施されること、
   加工波長領域のレーザ光線を吸収する材料として、１＜ｘ＜２の非化学量論組成のＳｉＯｘ化合物が使用されること、ＳｉＯｘ材料が、材料変換ステップによりＳｉＯ _２ の最終状態に変換されること
   を特徴とする方法。
8. 材料変換ステップが、酸化雰囲気内で光学部品を熱処理することによる熱酸化ステップであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の方法。
9. 熱酸化ステップの際、光学部品が、８〜９時間の間、約９００°Ｃの温度に晒されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 材料変換ステップが光化学酸化ステップであり、この光化学酸化ステップの際、酸化雰囲気内でレーザ光線を光学部品に照射することによって、レーザ光線が照射された材料が、少なくとも部分領域を適用波長領域の電磁光線に対して透明な最終状態に変換されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の方法。
11. 光学部品の加工が、連続するステップで加工面を走査する点状のレーザ光線の照射によって行なわれること、又は加工が、少なくとも１つの結像要素による全面的なレーザ光線の照射によって行なわれることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の方法。

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