JP5057202B2 - Microstructure manufacturing method and manufacturing apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、微細構造体の製造方法、製造装置、及びこれにより得られるデバイスに関し、特に、所望の微細パターンを再現性よく形成することが可能な微細構造体の製造方法、製造装置、及びこれにより得られるデバイスに関する。 The present invention relates to a fine structure manufacturing method, a manufacturing apparatus, and a device obtained thereby, and in particular, a fine structure manufacturing method, a manufacturing apparatus capable of forming a desired fine pattern with good reproducibility, and the same. It relates to the device obtained by
パルスレーザービームを用いて形成される微細パターンは、反射防止、位相遅延、マーカー等の様々な工業上の用途を有しており、近年、微細加工技術の向上への関心が高まっている。
例えば、直線偏光のフェムト秒レーザーを物質に照射してナノ周期構造を物質表面に形成する方法が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。
しかしながら、超短パルスレーザービームによる微細パターン形成のメカニズムには諸説があり、レーザーパラメータをどのように制御すれば所望の微細パターンが得られるのかが明らかではなく、微細パターンを再現性よく実現することが難しいという問題があった。
A fine pattern formed using a pulsed laser beam has various industrial uses such as antireflection, phase delay, and marker, and in recent years, interest in improving a fine processing technique is increasing.
For example, a method of forming a nano-periodic structure on a material surface by irradiating the material with a linearly polarized femtosecond laser has been proposed (for example, see Non-Patent Document 1).
However, there are various theories about the mechanism of fine pattern formation by ultrashort pulse laser beam, and it is not clear how the desired fine pattern can be obtained by controlling the laser parameters. There was a problem that was difficult.
また、複数本の超短パルスレーザービームの位相を制御して、これらを干渉させ、その干渉による光強度分布を利用して被加工体を加工する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、この方法は光強度分布を制御して一定の微細パターンを得ることはできるが、被加工体の素材・物性によっても得られる微細パターンの構造は影響されるため、被加工体の素材・物性の影響を受けずに所望の微細なパターンを再現性よく実現できる加工方法の提供が望まれている。 However, although this method can obtain a certain fine pattern by controlling the light intensity distribution, the structure of the fine pattern obtained is also affected by the material and physical properties of the workpiece. It is desired to provide a processing method capable of realizing a desired fine pattern with good reproducibility without being affected by physical properties.
そこで、本発明は、所望の微細パターンを再現性よく形成することが可能な微細構造体の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、前記優れた微細構造体の製造方法により得られるデバイスを提供することを目的とする。
Therefore, an object of the present invention is to provide a manufacturing method and a manufacturing apparatus of a fine structure capable of forming a desired fine pattern with good reproducibility.
Moreover, an object of this invention is to provide the device obtained by the manufacturing method of the said outstanding fine structure.
本発明者は、鋭意検討の結果、特定の微細構造体の製造方法を採用することにより、所望の微細パターンを再現性よく実現できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、(1)多光子吸収性のパルスレーザービームを射出するパルスレーザーを用いた微細構造体の製造方法であって、第1露光工程と第2露光工程とを備え、前記第1露光工程は、前記多光子吸収性のパルスレーザービームを、回折光学素子を用いて複数本の回折ビームに分岐する第1分岐工程と、前記分岐した複数の回折ビームのうち2本の回折ビームを、空間フィルタを用いて選択する第1選択工程と、前記2本の回折ビームを集光して、前記2本の回折ビームによる第1干渉光を被加工体に照射することにより、前記第1干渉光の強度分布のうち所定の閾値以上の領域において該被加工体の表面を除去する第1照射工程と、を備え、前記第2露光工程は、前記多光子吸収性のパルスレーザービームを、前記回折光学素子を用いて複数本の回折ビームに分岐する第2分岐工程と、前記第2分岐工程によって分岐された前記複数の回折ビームのうち2本の回折ビームを、前記空間フィルタを用いて選択する第2選択工程と、前記第2選択工程によって選択された前記2本の回折ビーム間に位相差を与える位相差付与工程と、前記位相差が付与された前記2本の回折ビームを集光して、前記位相差が付与された前記2本の回折ビームによる第2干渉光を前記被加工体に照射することにより、前記第2干渉光の強度分布のうち所定の閾値以上の領域において前記被加工体の表面を除去する第2照射工程と、を含み、前記第1照射工程および前記第2照射工程において、前記多光子吸収性のパルスレーザービームの波長及び直径、前記2本の回折ビームの交叉角度、焦点距離、並びに前記位相差の少なくとも一つを調整することを特徴とする微細構造体の製造方法である。
As a result of intensive studies, the present inventor has found that a desired fine pattern can be realized with good reproducibility by employing a method for producing a specific fine structure, and has completed the present invention.
That is, the present invention is (1) a method of manufacturing a microstructure using a pulse laser that emits a multiphoton absorbing pulse laser beam, comprising a first exposure step and a second exposure step, One exposure step includes a first branching step of branching the multiphoton absorbing pulsed laser beam into a plurality of diffracted beams using a diffractive optical element, and two diffracted beams among the plurality of branched diffracted beams A first selection step using a spatial filter, condensing the two diffracted beams, and irradiating the workpiece with the first interference light by the two diffracted beams, A first irradiation step of removing the surface of the workpiece in a region of a predetermined threshold value or more in the intensity distribution of one interference light, wherein the second exposure step uses the multiphoton absorbing pulsed laser beam. The diffractive optical element A second branching step for branching into a plurality of diffracted beams using the first and second diffracted beams among the plurality of diffracted beams branched in the second branching step using the spatial filter. A selection step, a phase difference providing step for providing a phase difference between the two diffracted beams selected by the second selection step, and condensing the two diffracted beams to which the phase difference is provided, By irradiating the workpiece with the second interference light by the two diffracted beams to which the phase difference has been given, the workpiece in a region of a predetermined threshold value or more in the intensity distribution of the second interference light. It viewed including a second irradiation step of removing the surface of the, in the first irradiation step and the second irradiation step, the multiphoton absorption of pulsed laser beam having a wavelength and a diameter, cross the two diffracted beams Angle, focus Distance, as well as a manufacturing method of a fine structure characterized by adjusting at least one of the phase difference.
本願発明は、以下の特徴を備えていてもよい。
(2)前記多光子吸収性のパルスレーザービームは、パルス幅が10×10-15秒以上10×10-12秒以下である超短パルスレーザービームである、前記(1)記載の微細構造体の製造方法;
(3)前記被加工体へ照射される回折ビームは、円偏光である、前記(1)又は(2)記載の微細構造体の製造方法;
(4)前記被加工体へ照射される回折ビームは、直線偏光である、前記(1)又は(2)記載の微細構造体の製造方法;
(5)多光子吸収性のパルスレーザービームを複数本の回折ビームに分岐する回折光学素子と、前記分岐した複数の回折ビームを集光する第一のレンズと、前記複数の回折ビームのうち2本の回折ビームのみを通過させる空間フィルタと、前記2本の回折ビームに位相差を与える位相差板と、前記2本の回折ビームを集光して、前記2本の回折ビームによる干渉光を被加工体に照射する第二のレンズと、を含み、前記多光子吸収性のパルスレーザービームの波長及び直径、前記2本の回折ビームの交叉角度、前記第一のレンズの焦点距離、前記第二のレンズの焦点距離、並びに前記位相差の少なくとも一つが調整可能であり、前記干渉光の強度分布のうち所定の閾値以上の領域において前記被加工体の表面が除去されることを特徴とする微細構造体の製造装置;
(6)前記回折光学素子は、表面形状又は屈折率分布が周期的構造をなす、前記(5)記載の微細構造体の製造装置;および
(7)前記位相差板は、前記2本の回折ビームのうちの一の回折ビームが入射する部位と、他の回折ビームが入射する部位と、において、厚み又は屈折率が異なる、前記(5)又は(6)記載の微細構造体の製造装置。
The present invention may have the following features.
(2) The microstructure according to (1), wherein the multiphoton absorbing pulse laser beam is an ultrashort pulse laser beam having a pulse width of 10 × 10 −15 seconds to 10 × 10 −12 seconds. Manufacturing method of
(3) The method for producing a microstructure according to (1) or (2), wherein the diffracted beam applied to the workpiece is circularly polarized light;
(4) The method for producing a microstructure according to (1) or (2), wherein the diffracted beam applied to the workpiece is linearly polarized light;
(5) A diffractive optical element for branching a multiphoton absorbing pulsed laser beam into a plurality of diffracted beams, a first lens for condensing the plurality of diffracted diffracted beams, and two of the plurality of diffracted beams. A spatial filter that allows only two diffracted beams to pass through, a phase difference plate that gives a phase difference to the two diffracted beams, and condensing the two diffracted beams to produce interference light by the two diffracted beams. A second lens that irradiates a workpiece, the wavelength and diameter of the multiphoton absorbing pulsed laser beam, the crossing angle of the two diffracted beams, the focal length of the first lens, the first lens The focal length of the second lens and at least one of the phase differences can be adjusted, and the surface of the workpiece is removed in a region of a predetermined threshold value or more in the intensity distribution of the interference light. Fine Concrete body manufacturing apparatus;
(6) The fine structure manufacturing apparatus according to (5), wherein the diffractive optical element has a periodic structure of a surface shape or a refractive index distribution; and (7) the retardation plate includes the two diffraction plates. The fine structure manufacturing apparatus according to (5) or (6), wherein a thickness or a refractive index is different between a portion where one diffracted beam is incident and a portion where another diffracted beam is incident .
本発明によれば、高い再現性により所望の微細パターンを形成することができる。本発明の微細構造体の製造方法によれば、被加工体の素材・物性の影響を受けすに、その表面又は内部に所望の微細パターンを再現性よく形成することができる。また、本発明の微細構造体の製造装置は、装置構成が簡便かつ安定である。 According to the present invention, a desired fine pattern can be formed with high reproducibility. According to the method for manufacturing a fine structure of the present invention, a desired fine pattern can be formed on the surface or inside thereof with good reproducibility without being affected by the material and physical properties of the workpiece. The fine structure manufacturing apparatus of the present invention has a simple and stable apparatus configuration.
次に、本発明の実施の形態について説明する。以下の実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな形態で実施することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
Next, an embodiment of the present invention will be described. The following embodiment is an example for explaining the present invention, and is not intended to limit the present invention only to this embodiment. The present invention can be implemented in various forms without departing from the gist thereof.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(微細構造体の製造装置)
本発明の実施例の微細構造体の製造装置10を図1に示す。
図1に示すように、微細構造体の製造装置10は、多光子吸収性のパルスレーザービームを出射するパルスレーザー11と、シャッター12と、ミラー13と、パルスレーザービームを複数の回折ビームに分岐する回折光学素子14と、分岐した複数の回折ビームを集光して安定化させる第一のレンズ15と、複数の回折ビームのうち2本の回折ビームのみを通過させる空間フィルタ16と、2本の回折ビームに位相差を与える位相差板17と、2本の回折ビームを集光する第二のレンズ18と、から構成される。
(Microstructure manufacturing equipment)
A microstructure manufacturing apparatus 10 according to an embodiment of the present invention is shown in FIG.
As shown in FIG. 1, the microstructure manufacturing apparatus 10 splits a pulse laser 11 that emits a multiphoton-absorbing pulse laser beam, a shutter 12, a mirror 13, and the pulse laser beam into a plurality of diffraction beams. Diffractive optical element 14, a first lens 15 that collects and stabilizes a plurality of branched diffracted beams, a spatial filter 16 that passes only two of the diffracted beams, and two The phase difference plate 17 that gives a phase difference to the diffracted beam and the second lens 18 that condenses the two diffracted beams.
本実施形態において、パルスレーザー11から出射される多光子吸収性のパルスレーザービームは、パルス幅が10×10-15秒以上10×10-12秒以下であり、波長が800nm、平均出力は1mJ(ただし、パルス繰り返しは1KHz)である超短パルスレーザービームである。超短パルスレーザービームの直径(D1)は6mmφである。
なお、本実施形態では超短パルスレーザービームを用いるが、本発明はこれに限定されず、多光子吸収性のパルスレーザービームであればよい。
In the present embodiment, the multiphoton absorbing pulse laser beam emitted from the pulse laser 11 has a pulse width of 10 × 10 −15 seconds to 10 × 10 −12 seconds, a wavelength of 800 nm, and an average output of 1 mJ. (However, the pulse repetition is 1 KHz). The diameter (D1) of the ultrashort pulse laser beam is 6 mmφ.
In this embodiment, an ultrashort pulse laser beam is used, but the present invention is not limited to this, and any multiphoton absorbing pulse laser beam may be used.
本実施形態において、第一のレンズ15の焦点距離f1は500mm、第二のレンズ18の焦点距離f2は10mmである。 In the present embodiment, the focal length f1 of the first lens 15 is 500 mm, and the focal length f2 of the second lens 18 is 10 mm.
図2(a)に回折光学素子14の側面図、図2(b)に位相差板17の側面図を示す。
図2(a)に示すように、回折光学素子14は、ギャップh(=889nm)の2つのレベルを周期P(=100μm)にて備えたバイナリ構造を有しており、表面形状が周期的構造をなしている。回折光学素子14は、レーザー描画とイオンエッチングにより、石英基板上に作製される。
なお、回折光学素子14は、バイナリ構造に限定されず、例えば、表面形状がサイン(コサイン)曲面形状をなす周期的構造をなしていてもよく、あるいは、外観が平らであり内部の屈折率が周期的に分布する周期的構造をなしていてもよい。
FIG. 2A shows a side view of the diffractive optical element 14 and FIG. 2B shows a side view of the retardation plate 17.
As shown in FIG. 2A, the diffractive optical element 14 has a binary structure having two levels of a gap h (= 889 nm) with a period P (= 100 μm), and the surface shape is periodic. It has a structure. The diffractive optical element 14 is produced on a quartz substrate by laser drawing and ion etching.
Note that the diffractive optical element 14 is not limited to a binary structure, and for example, the surface shape may be a periodic structure having a sine (cosine) curved surface shape, or the appearance is flat and the internal refractive index is low. A periodically distributed periodic structure may be formed.
図2(b)に示すように、位相差板17は、表面にギャップg(=889nm)の段差を有している。すなわち、前記2本の回折ビームのうちの一の回折ビームが入射する部位と、他の回折ビームが入射する部位と、において、位相差板17の厚みが異なっており、2本の回折ビーム間に所定の光路差(位相差π)を与えることができる。位相差板17は、レーザー描画とイオンエッチングにより石英基板上に作製される。
位相差板17が有するギャップgは、位相差πについて889nm、位相差π/2について444nm、位相差π/4について222nmである。
なお、位相差板17は、厚みが異なる段差付形状に限定されず、例えば、外観は平らであり左右領域の屈折率が異なる構成としてもよい。
As shown in FIG. 2B, the phase difference plate 17 has a step with a gap g (= 889 nm) on the surface. That is, the thickness of the phase difference plate 17 is different between the portion where one of the two diffracted beams is incident and the portion where the other diffracted beam is incident, and the difference between the two diffracted beams is different. Can be given a predetermined optical path difference (phase difference π). The phase difference plate 17 is produced on a quartz substrate by laser drawing and ion etching.
The gap g of the phase difference plate 17 is 889 nm for the phase difference π, 444 nm for the phase difference π / 2, and 222 nm for the phase difference π / 4.
The phase difference plate 17 is not limited to a stepped shape having a different thickness. For example, the phase difference plate 17 may have a flat appearance and a different refractive index in the left and right regions.
(微細構造体の製造方法)
次に、上記製造装置10を用いた微細構造体の製造方法を説明する。
図3は、干渉光強度分布による被加工体表面への微細パターン形成を模式的に示す図であり、(a)は第一の露光、(b)は第二の露光を示す。図4(a)は第一の露光後の被加工体の回折ビーム照射領域の拡大図であり、図4(b)は第二の露光後の被加工体の回折ビーム照射領域の拡大図である。
(Manufacturing method of fine structure)
Next, a method for manufacturing a fine structure using the manufacturing apparatus 10 will be described.
3A and 3B are diagrams schematically showing formation of a fine pattern on the surface of the workpiece by the interference light intensity distribution, where FIG. 3A shows the first exposure and FIG. 3B shows the second exposure. FIG. 4A is an enlarged view of the diffracted beam irradiation region of the workpiece after the first exposure, and FIG. 4B is an enlarged view of the diffracted beam irradiation region of the workpiece after the second exposure. is there.
〔第一の露光〕
図1に示すように、パルスレーザー11から出射された超短パルスレーザービームは、シャッター12を通過し、ミラー13で反射され、回折光学素子14により複数の回折ビームに分岐され、さらに、第一のレンズ15によって集光・安定化される。次に、レンズの集光面の近傍に配置された空間フィルタ16により2本の回折ビームのみが通過する。これら通過した2本の回折ビームを、第二のレンズ18で集光し、被加工体19へ照射する。
この2本の回折ビームは、所定の交叉角度θで干渉し、周期的な干渉光強度分布を発生させる。この干渉光強度分布によって、被加工体の表面に干渉光強度分布と等しい周期の微細パターンが形成される。回折ビームによる露光時間は数mm秒程度であり、露光時間はシャッター12により制御される。
[First exposure]
As shown in FIG. 1, the ultrashort pulse laser beam emitted from the pulse laser 11 passes through the shutter 12, is reflected by the mirror 13, and is branched into a plurality of diffracted beams by the diffractive optical element 14. The light is condensed and stabilized by the lens 15. Next, only two diffracted beams pass through the spatial filter 16 disposed in the vicinity of the condensing surface of the lens. The two diffracted beams that have passed through are condensed by the second lens 18 and irradiated onto the workpiece 19.
The two diffracted beams interfere with each other at a predetermined crossing angle θ to generate a periodic interference light intensity distribution. By this interference light intensity distribution, a fine pattern having the same period as the interference light intensity distribution is formed on the surface of the workpiece. The exposure time by the diffracted beam is about several millimeters, and the exposure time is controlled by the shutter 12.
図4(a)に示すように、第一の露光では、干渉光強度分布により周期d(=1μm)の微細パターンが被加工体表面に形成される。
干渉光強度分布の周期dは、以下の式で与えられる。
[数1]
d=λ/(2sinθ)=(f2/f1)(P/2)
(式中、λは超短パルスレーザーの波長、θは交叉角度、f1は第一のレンズの焦点距離、f2は第二のレンズの焦点距離である。)
例えば、λ=800nm、交叉角度θ=24度とすれば、干渉光強度分布の周期dは1.0μmである。
As shown in FIG. 4A, in the first exposure, a fine pattern having a period d (= 1 μm) is formed on the surface of the workpiece by the interference light intensity distribution.
The period d of the interference light intensity distribution is given by the following equation.
[Equation 1]
d = λ / (2 sin θ) = (f2 / f1) (P / 2)
(Where λ is the wavelength of the ultrashort pulse laser, θ is the crossing angle, f1 is the focal length of the first lens, and f2 is the focal length of the second lens.)
For example, if λ = 800 nm and the crossing angle θ = 24 degrees, the period d of the interference light intensity distribution is 1.0 μm.
また、図3(a)に示すように、超短パルスレーザービームを被加工体に照射すると、ある閾値以上の強度分布に対してのみ、被加工体の表面が除去され、この除去領域によって微細パターンが形成される。被加工体の表面が除去される領域の広さD2は、以下の式により与えられる。
[数2]
D2=(f2/f1)D1
(式中、D1はレーザービームの直径、f1は第一のレンズの焦点距離、f2は第二のレンズの焦点距離である。)
例えば、f1=500、f2=10、D1=6mmとすれば、除去領域の広さD2は120μmである。
Further, as shown in FIG. 3A, when the workpiece is irradiated with an ultrashort pulse laser beam, the surface of the workpiece is removed only for an intensity distribution equal to or higher than a certain threshold value. A pattern is formed. The area D2 from which the surface of the workpiece is removed is given by the following equation.
[Equation 2]
D2 = (f2 / f1) D1
(Where D1 is the diameter of the laser beam, f1 is the focal length of the first lens, and f2 is the focal length of the second lens.)
For example, if f1 = 500, f2 = 10, and D1 = 6 mm, the width D2 of the removal region is 120 μm.
〔第二の露光〕
上記第一の露光後に、位相差板17を用いて2本の回折ビームの間に位相差(π)を与えた以外は上記第一の露光と同様にして、2本の回折ビームによる干渉光強度分布によって被加工体の表面に微細パターンを形成する。
図3(b)の破線に示すように、第一の露光により除去された領域に対して半周期(d/2)ずれた位置で、被加工体の表面が除去され、その結果、図4(b)に示すように、周期0.5μmの微細パターンが形成される。
[Second exposure]
After the first exposure, the interference light generated by the two diffracted beams is the same as the first exposure except that a phase difference (π) is given between the two diffracted beams using the phase difference plate 17. A fine pattern is formed on the surface of the workpiece by the intensity distribution.
As shown by the broken line in FIG. 3B, the surface of the workpiece is removed at a position shifted by a half cycle (d / 2) with respect to the region removed by the first exposure. As a result, FIG. As shown in (b), a fine pattern with a period of 0.5 μm is formed.
なお、上記実施形態においては、位相差をπとした場合について説明したが、位相差をさらに小さくして干渉露光を繰り返すことにより、さらに微細な周期のレリーフ構造を形成することができる。
また、上記実施形態においては、回折ビーム波長に対して不透明な素材の表面へ微細パターンを形成する場合について説明したが、回折ビーム波長に対して透明な素材の内部へ微細構造を形成してもよい。
また、本発明の微細構造体の製造方法においては、第二の露光工程を先に行い、次いで第一の露光工程を行うこととしてもよい。
In the above-described embodiment, the case where the phase difference is set to π has been described. However, a relief structure with a finer period can be formed by further reducing the phase difference and repeating interference exposure.
In the above embodiment, the case where the fine pattern is formed on the surface of the material opaque to the diffraction beam wavelength has been described. However, even if the fine structure is formed inside the material transparent to the diffraction beam wavelength. Good.
Moreover, in the manufacturing method of the microstructure of this invention, it is good also as performing a 2nd exposure process first and then performing a 1st exposure process.
上記実施形態に示されたように、本発明の微細構造体の製造方法及び製造装置によれば、微細パターンの大きさと形状は、干渉光強度分布の周期と位相差を調整することによって定量的に決定される。そして、干渉光強度分布の周期と位相差の大きさは、図1に示すレーザー干渉露光系を構成する素子や部品の仕様を調整することによって決定される。したがって、本発明の微細構造体の製造方法及び製造装置によれば、極めて再現性よく所望の微細パターンを形成することができる。
すなわち、本発明の微細構造体の製造方法において、回折ビームの波長及び直径、交叉角度、焦点距離、並びに位相差の少なくとも一つを調整することにより、所望の微細パターンを再現性よく実現することができる。
As shown in the above embodiment, according to the fine structure manufacturing method and manufacturing apparatus of the present invention, the size and shape of the fine pattern are quantitative by adjusting the period and phase difference of the interference light intensity distribution. To be determined. The period of the interference light intensity distribution and the magnitude of the phase difference are determined by adjusting the specifications of the elements and components that constitute the laser interference exposure system shown in FIG. Therefore, according to the fine structure manufacturing method and manufacturing apparatus of the present invention, a desired fine pattern can be formed with extremely high reproducibility.
That is, in the method for manufacturing a fine structure according to the present invention, a desired fine pattern can be realized with good reproducibility by adjusting at least one of the wavelength and diameter of the diffracted beam, the crossing angle, the focal length, and the phase difference. Can do.
また、図1に示したレーザー干渉露光系は、分岐された2本の回折ビームが互いに近接しており、干渉露光に要する時間が数mm秒程度と短いため、外乱に対して極めて安定であり、振動や空気ゆらぎの影響を受けにくい。
一般的に、レーザー干渉露光系は、空気ゆらぎに敏感であり、安定性を確保するためには、露光系を防振ベンチの上に置き、さらに、露光系と防振ベンチを強固なカバーで覆う等の処置が必要であり、設備に多額のコストを要するものであるが、本発明の微細構造体の製造方法及び製造装置によれば、外乱に対して極めて安定であるので、安定した露光系を簡便な装置構成によって実現することができる。
The laser interference exposure system shown in FIG. 1 is extremely stable against disturbance because the two diffracted beams branched from each other are close to each other and the time required for the interference exposure is as short as several milliseconds. Less susceptible to vibrations and air fluctuations.
In general, laser interference exposure systems are sensitive to air fluctuations, and in order to ensure stability, the exposure system is placed on an anti-vibration bench, and the exposure system and anti-vibration bench are covered with a strong cover. Although a treatment such as covering is necessary and the equipment is expensive, the fine structure manufacturing method and manufacturing apparatus of the present invention are extremely stable against disturbances, so that stable exposure is possible. The system can be realized with a simple apparatus configuration.
さらに、本発明の微細構造体の製造方法及び製造装置によれば、被加工体の素材・物性の影響を受けずに、その表面又は内部に所望の微細パターンを再現性よく形成することができる。 Furthermore, according to the fine structure manufacturing method and manufacturing apparatus of the present invention, a desired fine pattern can be formed with good reproducibility on the surface or inside thereof without being affected by the material and physical properties of the workpiece. .
(実施例)
上記実施形態に記載の微細構造体の製造方法・製造装置により、被加工体に微細パターンを形成した。超短パルスレーザービームとしては、干渉光強度分布の周期dが2.0μmである回折ビームを用いて、それぞれ円偏光、直線偏光(TE偏光;平行偏波)、及び直線偏光(TM偏光;直行偏波)の異なるパルス偏光条件によって加工した。
図5〜7に、円偏光、直線偏光(TE偏光)、直線偏光(TM偏光)の各回折ビームを用いて形成した微細パターンを撮影した電子顕微鏡写真をそれぞれ示す。
(Example)
A fine pattern was formed on the workpiece by the fine structure manufacturing method and manufacturing apparatus described in the above embodiment. As the ultrashort pulse laser beam, a diffracted beam having a period d of the interference light intensity distribution of 2.0 μm is used, respectively, circularly polarized light, linearly polarized light (TE polarized light; parallel polarized light), and linearly polarized light (TM polarized light; orthogonal). Processing was performed under different pulse polarization conditions (polarization).
FIGS. 5 to 7 show electron micrographs obtained by photographing fine patterns formed using circularly polarized light, linearly polarized light (TE polarized light), and linearly polarized light (TM polarized light) diffraction beams.
図5に示すように、円偏光の回折ビームを用いた場合には、第二の露光後に、d/2(=1.0μm)の周期をなす均一な微細加工パターンが得られた。
また、図6及び7に示すように、直線偏光の回折ビームを用いた場合にも、第二の露光後に、d/2(=1.0μm)の周期をなす微細加工パターンが得られた。さらに、直線偏光のパルス条件で加工した場合には、所望の微細加工パターンに重畳して、偏光方位と平行する方向に微細な構造が得られることが判った。すなわち、図6に示されるように、TE偏光の回折ビームを用いた場合には、所望の微細加工パターンに重畳して、図中の垂直方向(TE偏光の方位)に微細な構造が得られる。また、TM偏光の回折ビームを用いた場合には、図7に示されるように、所望の微細加工パターンに重畳して、図中の水平方向(TM偏光の方位)に、微細な構造が得られる。
As shown in FIG. 5, when a circularly polarized diffracted beam was used, a uniform fine processing pattern having a period of d / 2 (= 1.0 μm) was obtained after the second exposure.
Also, as shown in FIGS. 6 and 7, even when a linearly polarized diffracted beam was used, a finely processed pattern having a period of d / 2 (= 1.0 μm) was obtained after the second exposure. Furthermore, it has been found that when processed under pulse conditions of linearly polarized light, a fine structure can be obtained in a direction parallel to the polarization azimuth by superimposing it on a desired fine processing pattern. That is, as shown in FIG. 6, when a TE-polarized diffracted beam is used, a fine structure is obtained in the vertical direction (TE-polarized azimuth) in the figure superimposed on a desired fine processing pattern. . When a TM-polarized diffraction beam is used, as shown in FIG. 7, a fine structure is obtained in the horizontal direction (TM-polarized direction) in the figure by superimposing the pattern on the desired microfabrication pattern. It is done.
(応用例)
本発明の微細構造体の製造方法は、微細構造パターンの形成が必要とされる様々なデバイスの製造に有用である。液体材料は所望のデバイスの機能に合わせて選択する。
例えば、干渉露光で形成した微細パターンをエッチングにより基板へ転写して微細構造を有する基板を作製してもよい。
(Application examples)
The method for manufacturing a microstructure of the present invention is useful for manufacturing various devices that require formation of a microstructure pattern. The liquid material is selected according to the desired device function.
For example, a fine pattern formed by interference exposure may be transferred to a substrate by etching to produce a substrate having a fine structure.
デバイスとしては、光学薄膜デバイス、半導体薄膜デバイス、マーキング、微小機械部品、等が挙げられる。
光学薄膜デバイスへの応用としては、例えば、液晶応用機器へ用いられる反射防止膜、位相差板、光導波路、偏光素子、配向膜、LED素子、EL素子等の発光素子に用いるフォトニック構造、高密度光ディスク、等が挙げられる。
半導体デバイスへの応用としては、SAW素子(表面弾性波素子)の電極パターン、半導体素子の絶縁膜パターン、配線パターン、有機TFT半導体膜等の作製が挙げられる。
マーキングへの応用例としては、例えば、微細構造が有する認識性を利用したマーキングが挙げられ、電子部品等の一部へ微細構造からなるパターンや文字を形成し、これを読み取ることにより前記部品の生産管理を行う。
微小機械部品への応用例としては、例えば、歯車への応用が挙げられ、部品の表面に微細構造を形成して表面の改質を行うことにより、その摩擦係数を制御する。
Examples of the device include an optical thin film device, a semiconductor thin film device, marking, a micro mechanical component, and the like.
Applications to optical thin film devices include, for example, photonic structures used for light-emitting elements such as antireflection films, retardation plates, optical waveguides, polarizing elements, alignment films, LED elements, EL elements, etc. A density optical disk, and the like.
Application to a semiconductor device includes preparation of an electrode pattern of a SAW element (surface acoustic wave element), an insulating film pattern of a semiconductor element, a wiring pattern, an organic TFT semiconductor film, and the like.
Examples of marking applications include, for example, marking that uses the recognizability of a fine structure. A pattern or character consisting of a fine structure is formed on a part of an electronic component, etc. Perform production management.
As an application example to a micro mechanical component, for example, an application to a gear can be cited. The friction coefficient is controlled by forming a fine structure on the surface of the component and modifying the surface.
10 微細構造体の製造装置、11 パルスレーザー、12 シャッター、13 ミラー、14 回折光学素子、15 第一のレンズ、16 空間フィルタ、17 位相差板、18 第二のレンズ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fine structure manufacturing apparatus, 11 Pulse laser, 12 Shutter, 13 Mirror, 14 Diffractive optical element, 15 1st lens, 16 Spatial filter, 17 Phase difference plate, 18 2nd lens
Claims (7)
第1露光工程と第2露光工程とを備え、
前記第1露光工程は、
前記多光子吸収性のパルスレーザービームを、回折光学素子を用いて複数本の回折ビームに分岐する第1分岐工程と、
前記分岐した複数の回折ビームのうち2本の回折ビームを、空間フィルタを用いて選択する第1選択工程と、
前記2本の回折ビームを集光して、前記2本の回折ビームによる第1干渉光を被加工体に照射することにより、前記第1干渉光の強度分布のうち所定の閾値以上の領域において該被加工体の表面を除去する第1照射工程と、を備え、
前記第2露光工程は、
前記多光子吸収性のパルスレーザービームを、前記回折光学素子を用いて複数本の回折ビームに分岐する第2分岐工程と、
前記第2分岐工程によって分岐された前記複数の回折ビームのうち2本の回折ビームを、前記空間フィルタを用いて選択する第2選択工程と、
前記第2選択工程によって選択された前記2本の回折ビーム間に位相差を与える位相差付与工程と、
前記位相差が付与された前記2本の回折ビームを集光して、前記位相差が付与された前記2本の回折ビームによる第2干渉光を前記被加工体に照射することにより、前記第2干渉光の強度分布のうち所定の閾値以上の領域において前記被加工体の表面を除去する第2照射工程と、
を含み、
前記第1照射工程および前記第2照射工程において、前記多光子吸収性のパルスレーザービームの波長及び直径、前記2本の回折ビームの交叉角度、焦点距離、並びに前記位相差の少なくとも一つを調整することを特徴とする、
微細構造体の製造方法。 A method of manufacturing a fine structure using a pulsed laser that emits a multiphoton absorbing pulsed laser beam,
A first exposure step and a second exposure step;
The first exposure step includes
A first branching step of branching the multi-photon absorbing pulsed laser beam into a plurality of diffracted beams using a diffractive optical element;
A first selection step of selecting two diffracted beams among the plurality of branched diffracted beams using a spatial filter;
By condensing the two diffracted beams and irradiating the workpiece with the first interference light by the two diffracted beams, the intensity distribution of the first interference light is in a region of a predetermined threshold value or more. A first irradiation step of removing the surface of the workpiece,
The second exposure step includes
A second branching step of branching the multiphoton absorbing pulsed laser beam into a plurality of diffracted beams using the diffractive optical element;
A second selection step of selecting two diffracted beams among the plurality of diffracted beams branched by the second branching step using the spatial filter;
A phase difference providing step of providing a phase difference between the two diffracted beams selected by the second selection step;
The two diffracted beams having the phase difference are condensed, and the workpiece is irradiated with second interference light by the two diffracted beams having the phase difference. A second irradiation step of removing the surface of the workpiece in a region of a predetermined threshold value or more in the intensity distribution of two interference light;
Only including,
In the first irradiation step and the second irradiation step, at least one of the wavelength and diameter of the multiphoton absorbing pulsed laser beam, the crossing angle of the two diffracted beams, the focal length, and the phase difference is adjusted. It is characterized by
A manufacturing method of a fine structure.
前記分岐した複数の回折ビームを集光する第一のレンズと、
前記複数の回折ビームのうち2本の回折ビームのみを通過させる空間フィルタと、
前記2本の回折ビームに位相差を与える位相差板と、
前記2本の回折ビームを集光して、前記2本の回折ビームによる干渉光を被加工体に照射する第二のレンズと、
を含み、
前記多光子吸収性のパルスレーザービームの波長及び直径、前記2本の回折ビームの交叉角度、前記第一のレンズの焦点距離、前記第二のレンズの焦点距離、並びに前記位相差の少なくとも一つが調整可能であり、
前記干渉光の強度分布のうち所定の閾値以上の領域において前記被加工体の表面が除去されることを特徴とする微細構造体の製造装置。 A diffractive optical element for splitting a multiphoton absorbing pulsed laser beam into a plurality of diffracted beams;
A first lens for condensing the plurality of branched diffracted beams;
A spatial filter that passes only two of the plurality of diffracted beams;
A phase difference plate that gives a phase difference to the two diffracted beams;
A second lens for condensing the two diffracted beams and irradiating a workpiece with interference light from the two diffracted beams;
Including
At least one of the wavelength and diameter of the multiphoton absorbing pulsed laser beam, the crossing angle of the two diffracted beams, the focal length of the first lens, the focal length of the second lens, and the phase difference Adjustable,
An apparatus for manufacturing a fine structure, wherein the surface of the workpiece is removed in a region of a predetermined threshold value or more in the intensity distribution of the interference light.
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