JP5965194B2 - Method for forming fine structure - Google Patents

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  • Laser Beam Processing (AREA)

Description

本発明は、レーザー光を用いた微細構造体の形成方法に関する。   The present invention relates to a method for forming a fine structure using laser light.

従来、微細構造体を製造するための方法として、フォトリソグラフィ法とエッチング法を組み合わせて加工する技術が知られている。フォトリソグラフィ法は、基板の主面のうち、微細構造体を形成しない領域を樹脂等で覆ってマスクする技術である。そのようなマスクが形成された基板をエッチング処理することにより、マスクされていない領域を選択的にエッチングし、基板の主面から深さ方向に微細構造体が形成される。上記技術によれば、基板の主面において、微細構造体を形成することができる。   2. Description of the Related Art Conventionally, as a method for manufacturing a fine structure, a technique for processing by combining a photolithography method and an etching method is known. The photolithography method is a technique in which a region where a fine structure is not formed is covered with a resin or the like on the main surface of a substrate and masked. By etching the substrate on which such a mask is formed, an unmasked region is selectively etched, and a microstructure is formed in the depth direction from the main surface of the substrate. According to the above technique, a fine structure can be formed on the main surface of the substrate.

他方、直線偏光されたピコ秒オーダー以下のパルス幅のレーザー光(直線偏光レーザー光)を基板の内部に集光照射し、集光した焦点の近傍域に構造改質部(改質部)を形成し、この改質部をエッチング処理することにより、基板内部に微細構造を形成する方法が、近年注目されている。この方法によれば、基板の内部において、三次元的な形状の微細構造を形成することができる。   On the other hand, linearly polarized laser light (linearly polarized laser light) with a pulse width on the order of picoseconds or less is condensed and irradiated on the inside of the substrate, and a structural modification part (modified part) is provided in the vicinity of the focused focal point. In recent years, attention has been paid to a method of forming a fine structure inside a substrate by forming and etching the modified portion. According to this method, a three-dimensional microstructure can be formed inside the substrate.

特許文献1によれば、図10に示すように、石英基板601に、直線偏光されたピコ秒オーダー以下のパルス幅を有する、パルス状のレーザー光602を集光照射すると、集光照射された領域が局所的に改質した構造改質部となる。構造改質部は、第一改質部603dと第二改質部603cとから構成されており、各々の改質部の基板主面に平行な方向のサイズは、照射したレーザー光の波長程度(数百[nm])となる。構造改質部は、第一改質部603dと第二改質部603cとが交互に並んで形成されており、石英基板601の主面上においてそれらの並ぶ方向は、レーザー光602の偏光方向Eと垂直である。これは、レーザー光の集光部に発生する、電子プラズマ波と入射光との干渉効果により相互作用が活発となり、電子プラズマ密度が周期的に変調することにより、基板の構造改質が誘起されることに起因するとされている。石英基板601は、電子プラズマ波と入射光が強め合う領域では酸素が欠乏した状態になり、弱め合う領域では酸素リッチな状態になるとされている。
レーザー光602の集光部に形成された構造改質部は、フッ酸水溶液等の薬液に対するエッチング耐性が弱まっている。特に、酸素が欠乏した状態の部位(酸素欠乏部)は、酸素リッチな部位に比べてエッチングが進行しやすい。
According to Patent Document 1, as shown in FIG. 10, when a quartz substrate 601 is focused and irradiated with a pulsed laser beam 602 having a pulse width equal to or less than the picosecond order of linearly polarized light, the focused irradiation is performed. The region is a structurally modified portion that is locally modified. The structural modification part is composed of a first modification part 603d and a second modification part 603c, and the size of each modification part in the direction parallel to the substrate main surface is about the wavelength of the irradiated laser beam. (Several hundreds [nm]). In the structural reforming portion, the first reforming portion 603d and the second reforming portion 603c are alternately arranged, and the direction in which they are arranged on the main surface of the quartz substrate 601 is the polarization direction of the laser beam 602. E and perpendicular. This is because the interaction is activated by the interference effect between the electron plasma wave and the incident light generated in the laser beam condensing part, and the structural modification of the substrate is induced by the periodic modulation of the electron plasma density. It is attributed to that. The quartz substrate 601 is in a state where oxygen is deficient in a region where the electron plasma wave and incident light are intensified, and is in an oxygen-rich state in a region where the electron beam is weakened.
The structural modification part formed in the condensing part of the laser beam 602 has weak etching resistance against a chemical solution such as a hydrofluoric acid aqueous solution. In particular, etching is more likely to proceed in the oxygen-deficient portion (oxygen-deficient portion) than in the oxygen-rich portion.

特許文献2によれば、パルス幅がピコ秒オーダー以下のレーザー光702のパルスエネルギーを漸次弱めるに従って、改質される領域は小さくなり、最後には一つの酸素欠乏部のみが形成された構造改質部となる。一つの酸素欠乏部のみが形成されるレーザー光702のパルスエネルギーは、基板の材料毎に定義される値であり、その基板材料における加工下限閾値と呼ばれる。パルスエネルギーが加工下限閾値のレーザー光702により形成された、酸素欠乏部をエッチング処理することにより、ナノレベルの微細加工を行うことができる。
さらに、図11に示すように、加工下限閾値のパルスエネルギーでレーザー光702を集光照射し、その焦点をシフトさせながら走査することによって、1パルス毎に形成される酸素欠乏部が連なって形成される。これをエッチング処理することにより、ナノレベルのサイズの微細孔を形成することができる。
ただし、特許文献2のレーザー光702は、直線偏光レーザー光であるため、レーザー光702の偏光方向と焦点の走査方向とを垂直に保ちつつ構造改質部を形成しなければならない。レーザー光702の偏光方向と焦点の走査方向とが垂直でない状態となる場合には、1パルス毎に形成される酸素欠乏部が繋がって形成されないため、形成される構造改質部が全長に亘って均質とはならず、安定したエッチング速度で微細孔の形成を行うことができない。
According to Patent Document 2, as the pulse energy of the laser beam 702 having a pulse width of the picosecond order or less is gradually weakened, the region to be modified becomes smaller, and finally the structure modification in which only one oxygen-deficient portion is formed. Become a quality department. The pulse energy of the laser beam 702 in which only one oxygen-deficient part is formed is a value defined for each material of the substrate, and is called a processing lower limit threshold for the substrate material. By performing an etching process on the oxygen-deficient portion formed by the laser beam 702 whose pulse energy is a processing lower limit threshold value, nano-level microfabrication can be performed.
Furthermore, as shown in FIG. 11, the laser beam 702 is condensed and irradiated with the pulse energy of the processing lower limit threshold, and scanning is performed while shifting the focal point, thereby forming a continuous oxygen-deficient portion formed for each pulse. Is done. By etching this, it is possible to form nano-sized micropores.
However, since the laser beam 702 of Patent Document 2 is a linearly polarized laser beam, the structural modification portion must be formed while keeping the polarization direction of the laser beam 702 and the scanning direction of the focus perpendicular to each other. When the polarization direction of the laser beam 702 and the scanning direction of the focal point are not perpendicular to each other, the oxygen-deficient portion formed for each pulse is not connected and formed, so that the formed structural modification portion extends over the entire length. In other words, the pores are not homogeneous and fine pores cannot be formed at a stable etching rate.

特許文献3によれば、基板内において微細構造を設ける領域に、パルス時間幅がピコ秒オーダー以下のパルス幅を有するレーザー光を照射し、該レーザー光が集光した焦点を走査して構造改質部を形成する。特許文献1および特許文献2においては、直線偏光された直線偏光レーザー光が用いられているのに対し、特許文献3においては、円偏光レーザー光が用いられている。円偏光レーザー光によって形成された構造改質部は、酸素が欠乏した部位と酸素リッチな部位とが、ランダムに混在されてなる。つまり、レーザー光の偏光方向と構造改質部の内部構造との間には規則性がない。したがって、焦点の走査方向を走査の途中で変更したり、走査方向に応じて偏光フィルタの調整を行ったりする必要がない。
しかし、特許文献3の円偏光レーザー光を用いた構造改質部の形成では、微細孔のサイズが数μmから数十μmである、1μm未満のナノレベルの微細孔を形成する手法については言及されていない。したがって、特許文献3の加工方法では、その結果、ナノレベルの微細孔を形成することが困難であった。
According to Patent Document 3, a region in which a fine structure is provided in a substrate is irradiated with laser light having a pulse width whose pulse time width is equal to or less than the picosecond order, and the focal point where the laser light is condensed is scanned to change the structure. Form a mass part. In Patent Document 1 and Patent Document 2, linearly polarized linearly polarized laser light is used, whereas in Patent Document 3, circularly polarized laser light is used. The structural reforming portion formed by the circularly polarized laser beam is a mixture of oxygen-deficient sites and oxygen-rich sites at random. That is, there is no regularity between the polarization direction of the laser light and the internal structure of the structural modification portion. Therefore, there is no need to change the scanning direction of the focus during the scanning or to adjust the polarizing filter in accordance with the scanning direction.
However, in the formation of the structural modification portion using the circularly polarized laser beam of Patent Document 3, mention is made of a technique for forming nano-level micropores of less than 1 μm, in which the size of the micropores is several μm to several tens of μm. It has not been. Therefore, in the processing method of Patent Document 3, as a result, it is difficult to form nano-level micropores.

国際公開第2011/096356号International Publication No. 2011/096356 国際公開第2011/096353号International Publication No. 2011/096353 特開2011−222700号公報JP 2011-222700 A

本発明は、以上のような問題点を考慮してなされたものであり、パルス幅がピコ秒オーダー以下のレーザー光を基板に集光照射し、その焦点を走査して構造改質部を形成する場合において、安定したエッチング速度でエッチングされる、ナノレベル(1nm以上1000nm未満)のサイズの構造改質部を形成することが可能な、微細構造体の形成方法の提供を目的とする。   The present invention has been made in consideration of the above-described problems. A laser beam having a pulse width of picosecond order or less is focused on the substrate, and the focal point is scanned to form a structurally modified portion. In this case, an object of the present invention is to provide a method for forming a fine structure capable of forming a structural modification portion having a nano-level (1 nm or more and less than 1000 nm) size that is etched at a stable etching rate.

請求項1に係る微細構造体の形成方法は、光源から出射したパルス幅がピコ秒オーダー以下のレーザー光を偏光手段および集光手段を通して基体に照射し、前記レーザー光が集光した焦点を走査することにより前記基体に構造改質部を形成する第1工程と、前記構造改質部をエッチング処理することにより微細孔を形成する第2工程と、を備えた微細構造体の形成方法であって、前記出射レーザー光は、前記偏光手段によって円偏光レーザー光へと変換され、前記焦点における前記円偏光レーザー光の強度は、前記出射レーザー光を直線偏光した直線偏光レーザー光を前記基に照射して構造改質部を形成するのに必要な強度に対して、1.3倍以上2倍以下である、ことを特徴とする。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a method for forming a fine structure in which a laser beam having a pulse width emitted from a light source and having a picosecond order or less is irradiated to a substrate through a polarizing unit and a condensing unit, and the focal point where the laser beam is condensed is scanned. Thus, there is provided a method for forming a fine structure, comprising: a first step of forming a structural modification portion on the substrate; and a second step of forming a fine hole by etching the structural modification portion. Te, the output laser beam is the is converted into circularly polarized laser beam by the polarization means, the intensity of the circularly polarized laser light in the focal point, the linearly polarized laser beam which is linearly polarized the emitted laser beam to the base body It is characterized by being 1.3 times or more and 2 times or less with respect to the intensity required to form the structural modification portion by irradiation.

請求項1によれば、本発明に係る微細構造体の形成方法は、第1工程において、円偏光されたパルス幅がピコ秒オーダー以下のレーザー光を基体内に集光照射し、その焦点を走査することによって構造改質部を形成する。このような手法によって形成される構造改質部は、集光照射したレーザー光に応じて1パルス毎にランダムライクな形状となり、レーザー光の焦点を走査することにより、全体に亘って均質な構造改質部となる。   According to the first aspect of the present invention, in the method for forming a microstructure according to the present invention, in the first step, a circularly polarized laser beam having a pulse width of the picosecond order or less is condensed and irradiated into the substrate, and the focal point thereof is focused. The structural modification part is formed by scanning. The structure modification portion formed by such a method has a random-like shape for each pulse according to the focused and irradiated laser beam, and the entire structure is uniform by scanning the focal point of the laser beam. It becomes the reforming section.

さらに、焦点における強度を、基体内に直線偏光レーザー光を照射して構造改質部を形成するのに必要な強度に対して、1.3倍以上2倍以下とした場合、基体内に形成される構造改質部は、ナノサイズ(1μm未満)であり、かつエッチング可能な程度の改質状態となる。したがって、安定したエッチング速度でエッチングされるナノレベルのサイズの構造改質部を形成することができ、形成した構造改質部をエッチング処理することにより、微細構造体を形成することが可能となる。   Furthermore, when the intensity at the focal point is 1.3 times or more and 2 times or less than the intensity necessary for irradiating the linearly polarized laser beam in the substrate to form the structural modification portion, it is formed in the substrate. The structurally modified portion is nano-sized (less than 1 μm) and is in a modified state that can be etched. Therefore, it is possible to form a nano-sized structural modified portion that is etched at a stable etching rate, and it is possible to form a microstructure by etching the formed structural modified portion. .

請求項2に係る微細構造体の形成方法は、請求項1において、前記第1工程に用いるレーザー光の焦点の走査方向を、前記焦点を走査する間に変更する、ことを特徴とする。 Method of forming a fine structure according to claim 2, Oite to claim 1, the scanning direction of the focal point of the laser beam used for the first step is changed while scanning the focal point, characterized in that .

請求項によれば、走査方向を変更する前後で構造改質部の状態が変化しないため、構造改質部をエッチングする際のエッチング速度が、形成された構造改質部の全長に亘って一定となり、安定的に微細構造体を形成することができる。 According to the second aspect , since the state of the structural reforming portion does not change before and after changing the scanning direction, the etching rate when etching the structural reforming portion extends over the entire length of the formed structural reforming portion. It becomes constant and a fine structure can be formed stably.

請求項に係る微細構造体の形成方法は、請求項1または2において、前記円偏光レーザー光の焦点の走査を、複数回繰り返すことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the fine structure forming method according to the first or second aspect , wherein the scanning of the focal point of the circularly polarized laser beam is repeated a plurality of times.

請求項によれば、前記円偏光レーザー光の焦点の走査を、複数回繰り返すので、複数本のライン状の構造改質部が形成される。したがって、各々の構造改質部のエッチング速度のばらつきが抑えることができる。 According to the third aspect , since the scanning of the focus of the circularly polarized laser beam is repeated a plurality of times, a plurality of line-shaped structural modification portions are formed. Therefore, variation in the etching rate of each structural modification portion can be suppressed.

本発明に係る微細構造体の形成方法は、第1工程において、円偏光されたレーザー光を基体内に集光照射し、その焦点を走査することによって構造改質部を形成する。このような手法によって形成される構造改質部は、集光照射したレーザー光に応じて1パルス毎にランダムライクな形状となり、レーザー光の焦点を走査することにより、全体に亘って均質な構造改質部となる。   In the fine structure forming method according to the present invention, in the first step, the structurally modified portion is formed by condensing and irradiating circularly polarized laser light into the substrate and scanning the focal point. The structure modification portion formed by such a method has a random-like shape for each pulse according to the focused and irradiated laser beam, and the entire structure is uniform by scanning the focal point of the laser beam. It becomes the reforming section.

さらに、焦点における強度を、基体内に直線偏光レーザー光を照射して構造改質部を形成するのに必要な強度に対して、1.3倍以上2倍以下とした場合、基体内に形成される構造改質部は、ナノサイズ(1nm以上1000nm未満)であり、かつエッチング可能な程度の改質状態となる。したがって、安定したエッチング速度でエッチングされるナノレベルのサイズの構造改質部を形成することができ、形成した構造改質部をエッチング処理することにより、微細構造体を形成することが可能となる。   Furthermore, when the intensity at the focal point is 1.3 times or more and 2 times or less than the intensity necessary for irradiating the linearly polarized laser beam in the substrate to form the structural modification portion, it is formed in the substrate. The structurally modified portion is nano-sized (1 nm or more and less than 1000 nm) and is in a modified state that can be etched. Therefore, it is possible to form a nano-sized structural modified portion that is etched at a stable etching rate, and it is possible to form a microstructure by etching the formed structural modified portion. .

本発明に係る微細構造体の形成方法は、第1工程において、円偏光されたレーザー光を石英ガラス基板に集光照射し、その焦点を走査する。また、焦点におけるパルスエネルギーは、80[nJ/pulse]以上125[nJ/pulse]以下とする。これにより、石英ガラス基板に、エッチング可能な程度の改質状態となったナノサイズの構造改質部が形成され、さらに形成された構造改質部は、1パルス毎に酸素欠乏部がランダムライクに分布した状態となる。よって、石英ガラス基板をエッチング処理する第2工程において、安定したエッチング速度で構造改質部がエッチングされる。したがって、安定したエッチング速度でエッチングされるナノレベルのサイズの構造改質部を形成することができる、微細構造体の形成方法を提供することが可能となる。   In the first step, the fine structure forming method according to the present invention condenses and irradiates a circularly polarized laser beam onto a quartz glass substrate and scans the focal point thereof. The pulse energy at the focal point is 80 [nJ / pulse] or more and 125 [nJ / pulse] or less. As a result, a nano-sized structurally modified portion is formed on the quartz glass substrate so as to have a modified state that can be etched, and the formed structurally modified portion has a random-like oxygen-depleted portion at every pulse. It becomes the state distributed in. Therefore, in the second step of etching the quartz glass substrate, the structural modification portion is etched at a stable etching rate. Therefore, it is possible to provide a method for forming a fine structure that can form a structural modification portion having a nano-level size that is etched at a stable etching rate.

(a)本発明の微細構造体の形成方法のうち、第1工程中の被処理体の斜視図である。(b)レーザー光のパルスパワーの制御系について、模式的に示した図である。(c)本発明の微細構造体の形成方法のうち、第2工程中の被処理体の斜視図ある。(A) It is a perspective view of the to-be-processed object in a 1st process among the formation methods of the microstructure of this invention. (B) It is the figure which showed typically about the control system of the pulse power of a laser beam. (C) It is a perspective view of the to-be-processed object in a 2nd process among the formation methods of the microstructure of this invention. 本発明の微細構造体の形成方法のうち、第1工程にて行う処理のフローである。It is the flow of the process performed at a 1st process among the formation methods of the microstructure of this invention. レーザー光の偏光状態の制御系について、模式的に示した図である。It is the figure which showed typically about the control system of the polarization state of a laser beam. (a)〜(f)レーザー光の照射条件に応じて形成された、微細構造の長手方向の形状を示すSEM画像である。(A)-(f) It is a SEM image which shows the shape of the longitudinal direction of the fine structure formed according to the irradiation conditions of the laser beam. (a)〜(f)レーザー光の照射条件に応じて形成された、長手方向に垂直な断面における、微細構造の形状を示すSEM画像である。(A)-(f) It is a SEM image which shows the shape of the fine structure in the cross section perpendicular | vertical to a longitudinal direction formed according to the irradiation conditions of the laser beam. (a)レーザー光の照射条件とエッチング深さとの関係を示したグラフである。(b)レーザー光の照射条件と、微細構造の略楕円形状の断面における短径との関係を示したグラフである。(A) It is the graph which showed the relationship between the irradiation conditions of a laser beam, and the etching depth. (B) It is the graph which showed the relationship between the irradiation conditions of a laser beam, and the short axis in the cross section of the substantially elliptical shape of a fine structure. (a)〜(c)レーザー光の照射条件に応じて形成された、微細構造の長手方向の形状を示すSEM画像である。(A)-(c) It is a SEM image which shows the shape of the longitudinal direction of the fine structure formed according to the irradiation conditions of the laser beam. レーザー光の照射条件に応じて形成された、長手方向に垂直な断面における、微細構造の形状を示すSEM画像である。It is a SEM image which shows the shape of the fine structure in the cross section perpendicular | vertical to a longitudinal direction formed according to the irradiation conditions of the laser beam. (a)、(b)本発明により形成可能な、微細構造の形状を示す平面図である。(A), (b) It is a top view which shows the shape of the fine structure which can be formed by this invention. 従来技術のレーザー光照射によって、基板表面に周期的パターンの構造改質部を形成する様子を、模式的に説明する図である。It is a figure which illustrates typically a mode that the structural modification part of a periodic pattern is formed in the substrate surface by laser beam irradiation of a prior art. 従来技術による微細構造の形成方法を、模式的に説明する図である。It is a figure which illustrates typically the formation method of the fine structure by a prior art.

以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。   Hereinafter, based on a preferred embodiment, the present invention will be described with reference to the drawings.

<第一実施形態> <First embodiment>

(微細構造体の形成方法)
本発明の第一実施形態に係る微細構造体の形成方法について、図1〜3を用いて説明する。微細構造体の形成方法は、少なくとも、以下に述べる二つの工程(第1工程、第2工程)を順に備えた方法である。
(Method for forming fine structure)
A method for forming a microstructure according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The formation method of the microstructure is a method including at least two steps (first step and second step) described below in order.

まず、図1(a)に示すように、第1工程として、平板状の基体101の内部のうち微細構造(微細孔)を形成する領域に、円偏光させたレーザー光(円偏光レーザー光)102を集光照射し、構造改質部(改質部)103を形成する。   First, as shown in FIG. 1A, as a first step, laser light circularly polarized (circularly polarized laser light) in a region where a fine structure (micropore) is formed in the flat substrate 101. The structural modification part (modification part) 103 is formed by focusing and irradiating 102.

第1工程は、図2のフローに示す5つのステップ(S1〜S5)を経て行う。   A 1st process is performed through five steps (S1-S5) shown to the flow of FIG.

すなわち、1つ目のステップS1として、シャッター等により閉じた空間に配された光源から、パルス幅がピコ秒オーダー以下のレーザー光を出射させる。本発明においては、ピコ秒オーダーのパルス幅とは、1ナノ秒以下のパルス幅のことを意味する。一般的なレーザー光においては、光源から出射されたレーザー光は、偏光状態が直線偏光のレーザー光である。   That is, as the first step S1, a laser beam having a pulse width of picosecond order or less is emitted from a light source disposed in a space closed by a shutter or the like. In the present invention, the pulse width on the order of picoseconds means a pulse width of 1 nanosecond or less. In general laser light, laser light emitted from a light source is laser light whose polarization state is linearly polarized light.

次に、ステップS1に続くステップS2として、光源において発生するレーザー光を、右回りまたは左回りに円偏光させた円偏光レーザー光102に変換する。光源から出射したレーザー光の偏光状態の調整は、偏光手段を介して行われる。偏光手段は、例えばレーザー光の偏光面を高速軸(又は低速軸)に対して45度傾ける1/4波長板22で構成される。   Next, in step S2 following step S1, laser light generated in the light source is converted into circularly polarized laser light 102 circularly polarized clockwise or counterclockwise. Adjustment of the polarization state of the laser light emitted from the light source is performed via a polarization means. The polarization means is constituted by a quarter-wave plate 22 that tilts the polarization plane of laser light by 45 degrees with respect to the fast axis (or slow axis), for example.

光源21において発生させた直線偏光レーザー光を、1/4波長板22を透過させることにより、2つの直交する偏光成分の位相が1/4波長分ずれる。これにより、レーザー光の進行方向k(Y軸方向)と垂直な平面(XZ面)において、進行方向kに対して右回りの円偏光したレーザー光が得られる。   By transmitting the linearly polarized laser beam generated in the light source 21 through the quarter-wave plate 22, the phase of two orthogonal polarization components is shifted by a quarter wavelength. Thereby, a laser beam polarized in the clockwise direction with respect to the traveling direction k is obtained on a plane (XZ plane) perpendicular to the traveling direction k (Y-axis direction) of the laser beam.

図3の符号A、Bは、それぞれ直線偏光レーザー光、円偏光レーザー光を構成する、電場の振動方向を示している。円偏光レーザー光も、偏光前と同様に、ピコ秒オーダー以下のパルス幅を有する。なお、図3において、波長板もしくは入射孔の偏光方向を90°回転させることにより、進行方向kに対して左回りの円偏光したレーザー光が得られる。   Symbols A and B in FIG. 3 indicate the vibration directions of the electric field constituting the linearly polarized laser beam and the circularly polarized laser beam, respectively. Circularly polarized laser light also has a pulse width on the order of picoseconds or less, as before polarization. In FIG. 3, by rotating the polarization direction of the wave plate or the incident hole by 90 °, a laser beam that is circularly polarized counterclockwise with respect to the traveling direction k can be obtained.

次に、ステップS2に続くステップS3として、光源が配された閉じた空間の開閉手段(シャッター)を開けて、円偏光レーザー光102を、基体101に照射する。円偏光レーザー光102は、集光手段を介して集光させる。集光手段としては、例えば屈折式の対物レンズを用いることが望ましいが、フレネル式、反射式、油浸式、水浸式などの対物レンズを用いてもよい。また、レンズ12として、例えばシリンドリカルレンズを用いることにより、基体101の表面の広範囲に対して複数の円偏光レーザー光102を照射することが可能となる。   Next, as step S3 following step S2, the opening / closing means (shutter) of the closed space where the light source is arranged is opened, and the base 101 is irradiated with the circularly polarized laser beam 102. The circularly polarized laser beam 102 is condensed through a condensing unit. As the light condensing means, for example, a refractive objective lens is preferably used, but an objective lens such as a Fresnel type, a reflective type, an oil immersion type, or a water immersion type may be used. Further, by using, for example, a cylindrical lens as the lens 12, it is possible to irradiate a plurality of circularly polarized laser beams 102 over a wide range of the surface of the base 101.

基体101としては、例えば、加工性に優れる石英ガラスなどにより構成される非結晶性基板、シリコンやサファイアなどにより構成される結晶性基板を用いる。なお、本実施形態および後述する実験例においては、平板状の基体の内部に構造改質部および後述する微細孔を形成する例を示しているが、構造改質部および微細孔を内部に形成する上で、基体の形状が限定されることはない。   As the substrate 101, for example, an amorphous substrate made of quartz glass or the like excellent in workability, or a crystalline substrate made of silicon or sapphire is used. In this embodiment and an experimental example described later, an example in which a structural reforming portion and a micro hole described later are formed inside a flat substrate is shown. However, the structural reforming portion and the micro hole are formed inside. In doing so, the shape of the substrate is not limited.

円偏光レーザー光102のパルスエネルギーの調整を、この時点で行う。パルスエネルギーの調整は、例えば図1(b)に示すような、計測系10を用いて行うことができる。計測系10は、対物レンズ11、パワーメータ(計測手段)12、モニタ(表示手段)13、パワーメータ12とモニタ13とを電気的に接続する配線14と、を備えている。   The pulse energy of the circularly polarized laser beam 102 is adjusted at this point. The adjustment of the pulse energy can be performed using a measurement system 10 as shown in FIG. The measurement system 10 includes an objective lens 11, a power meter (measuring unit) 12, a monitor (display unit) 13, and a wiring 14 that electrically connects the power meter 12 and the monitor 13.

計測系10による、円偏光レーザー光のパルスエネルギーの調整手順について説明する。まず、光源(不図示)から出射したレーザー光15aを、偏光手段および集光手段を通して、パワーメータ12を用いて受光する。次に、集光したレーザー光15bの出力をパワーメータ12において測定し、測定した結果を、モニタ13において表示させる。そして、モニタ13の表示内容を踏まえ、レーザー光15が所望のパルスエネルギーとなるように、減光フィルタなどを用いて平均出力調整する。   A procedure for adjusting the pulse energy of the circularly polarized laser beam by the measurement system 10 will be described. First, a laser beam 15a emitted from a light source (not shown) is received using a power meter 12 through a polarizing unit and a condensing unit. Next, the output of the condensed laser beam 15 b is measured by the power meter 12, and the measurement result is displayed on the monitor 13. Based on the display content of the monitor 13, the average output is adjusted using a neutral density filter or the like so that the laser beam 15 has a desired pulse energy.

次に、ステップS3に続くステップS4として、微細孔を形成する領域に沿って、集光した焦点102fを走査させる。焦点102fを走査するためには、光源側を移動させてもよいし、基体101側を移動させてもよい。   Next, as step S4 following step S3, the focused focal point 102f is scanned along the region where the microhole is formed. In order to scan the focal point 102f, the light source side may be moved, or the substrate 101 side may be moved.

そして、ステップS4に続くステップS5として、シャッターを閉め、レーザー光102の照射を遮断する。ステップS5に引き続いて基体101に他の構造改質部を形成する場合は、ステップS3へと戻り、光源または基体101を、他の構造改質部を形成する場所へ移動させ、再び焦点102fの走査を行う。   In step S5 subsequent to step S4, the shutter is closed and the irradiation of the laser beam 102 is interrupted. When another structural modification portion is formed on the base 101 subsequent to step S5, the process returns to step S3, the light source or the base 101 is moved to a place where another structural modification portion is formed, and the focal point 102f is again formed. Scan.

以上の5つのステップを経ることにより、基体101の内部において、レーザー光102を集光照射して走査した領域に、構造改質部103を形成することができる。形成された構造改質部103は、エッチング耐性が弱められている。   By passing through the above five steps, the structure modification | reformation part 103 can be formed in the area | region which carried out the condensing irradiation of the laser beam 102 inside the base | substrate 101, and was scanned. The formed structural reforming portion 103 has weak etching resistance.

構造改質部103は、円偏光レーザー光102によって改質されているため、酸素が欠乏した状態の部位と酸素リッチな状態の部位とが、ランダムライクに混在して形成されている。構造改質部103は、フッ酸水溶液等の薬液に対するエッチング耐性が弱まっており、さらに、酸素が欠乏した部位は、酸素リッチな状態の部位と比べてエッチング耐性が弱められている。   Since the structural modification portion 103 is modified by the circularly polarized laser beam 102, the oxygen-deficient portion and the oxygen-rich portion are formed in a random manner. The structural modification portion 103 has weak etching resistance against a chemical solution such as a hydrofluoric acid aqueous solution, and the etching deficiency is reduced in a portion lacking oxygen compared to a portion in an oxygen-rich state.

次に、第2工程として、第1工程を経て形成された構造改質部103の少なくとも一部を露出させ、構造改質部103に対して選択的にエッチング処理を行い、基体101の内部に微細孔を形成する。   Next, as a second step, at least a part of the structural reforming portion 103 formed through the first step is exposed, and the structural reforming portion 103 is selectively etched, so that the inside of the substrate 101 is formed. Micropores are formed.

構造改質部103は、例えば図1(a)に示すように、第1工程におけるレーザー光の走査経路の少なくとも一端103aを、基体101の表面に設けることにより、露出させることができる。また、構造改質部103は、基体101を、表面から構造改質部103のある位置まで、研磨等を行って除去することによっても露出させることができる。   For example, as shown in FIG. 1A, the structural modification unit 103 can be exposed by providing at least one end 103 a of the laser beam scanning path in the first step on the surface of the substrate 101. The structural modification unit 103 can also be exposed by removing the substrate 101 by polishing or the like from the surface to a position where the structural modification unit 103 is located.

エッチング処理は、ドライエッチング法、ウェットエッチング法のどちらを用いて行ってもよい。ウェットエッチング法を用いる場合は、図1(c)に示すように、第1工程を経た基体101を、容器104に収容されたエッチング液105に浸漬することにより構造改質部103をエッチングする。エッチング液としては、例えばフッ酸(HF)、水酸化カリウム(KOH)を主成分とするアルカリ溶液、フッ酸に硝酸等を適量添加したフッ硝酸系の混酸溶液などを用いることができ、基体101を構成する材料に応じて、他の薬液を用いることもできる。   The etching process may be performed using either a dry etching method or a wet etching method. When the wet etching method is used, as shown in FIG. 1C, the structural modification portion 103 is etched by immersing the substrate 101 that has undergone the first step in an etching solution 105 accommodated in a container 104. As the etchant, for example, an alkaline solution mainly containing hydrofluoric acid (HF) or potassium hydroxide (KOH), a hydrofluoric acid-based mixed acid solution in which an appropriate amount of nitric acid or the like is added to hydrofluoric acid, and the like can be used. Other chemicals can be used depending on the material constituting the.

以上の第1工程(ステップS1〜S5)と第2工程とを経ることによって、基体101に微細構造を形成することができる。   A fine structure can be formed on the substrate 101 through the first step (steps S1 to S5) and the second step.

以上説明したように、第一実施形態に係る微細構造体の形成方法は、第1工程において構造改質部の形成に用いるレーザー光を、円偏光させる。円偏光されたレーザー光(円偏光レーザー光)によって形成された構造改質部は、ランダムライクに酸素が欠乏した部位が分布した状態となる。したがって、複数本の構造改質部を形成したとしても、何れの構造改質部においても均質な改質状態となり、エッチング処理した際にエッチング速度のばらつきが軽減されたエッチング処理が可能となる。また、焦点を走査する途中で走査方向を変更したとしても、直線偏光レーザー光を用いて形成する場合のように、走査方向と偏光方向との関係に依存した改質状態とはならないため、構造改質部の全長に亘って均質な改質状態となり、エッチング処理した際にエッチング速度が一定のエッチング処理が可能となる。   As described above, the fine structure forming method according to the first embodiment circularly polarizes the laser light used for forming the structural modification portion in the first step. The structural modification portion formed by the circularly polarized laser beam (circularly polarized laser beam) is in a state where oxygen-deficient sites are distributed in a random manner. Therefore, even if a plurality of structural reforming portions are formed, a uniform reforming state is achieved in any structural reforming portion, and an etching process in which variation in etching rate is reduced during the etching process is possible. In addition, even if the scanning direction is changed during the scanning of the focal point, it does not become a modified state depending on the relationship between the scanning direction and the polarization direction as in the case of forming using linearly polarized laser light. A uniform modified state is obtained over the entire length of the modified portion, and an etching process with a constant etching rate is possible when the etching process is performed.

以下、第一実施形態に係る微細構造体の形成方法を適用した、実験例1〜3を用いて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明が適用可能な実験例は、実験例1〜3に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail using Experimental Examples 1 to 3 to which the method for forming a microstructure according to the first embodiment is applied, but the experimental example to which the present invention is applicable is Experimental Example 1. It is not limited to ~ 3.

[実験例1]
(円偏光レーザー光のパルスエネルギー)
実験例1は、円偏光レーザー光の照射とエッチング処理によって形成される微細孔について、照射する円偏孔レーザー光の照射パワーを変えて比較した例である。第2工程のエッチング処理に用いるエッチング液の主成分をフッ酸(HF)とした場合について、図4(a)〜(f)を用いて説明する。
[Experiment 1]
(Pulse energy of circularly polarized laser light)
Experimental Example 1 is an example in which the irradiation power of the circularly polarized hole laser light to be irradiated is changed for the fine holes formed by the irradiation with the circularly polarized laser light and the etching process. The case where the main component of the etching solution used in the etching process in the second step is hydrofluoric acid (HF) will be described with reference to FIGS.

図4(a)〜(f)は、それぞれ、第1工程および第2工程を経た基体301、311、321、331、341、351を、第1工程において光源と対向させた基体の一面301b、311b、321b、331b、341b、351b側から見た平面図である。いずれの基体も、第1工程において構造改質部を形成した後に、基体の一面301b、311b、321b、331b、341b、351bと垂直な一面301a、311a、321a、331a、341a、351aにおいて切断して構造改質部を露出させ、さらに、その後の第2工程においてエッチング処理を行ったものである。これにより、第1工程および第2工程を経て形成された微細孔が、断面において露出している。   4 (a) to 4 (f) show one surface 301b of the substrate where the substrates 301, 311, 321, 331, 341, and 351 that have undergone the first step and the second step are opposed to the light source in the first step, respectively. It is the top view seen from 311b, 321b, 331b, 341b, 351b side. After forming the structural modification portion in the first step, all the substrates are cut on one surface 301a, 311a, 321a, 331a, 341a, 351a perpendicular to the one surface 301b, 311b, 321b, 331b, 341b, 351b of the substrate. Then, the structural modification portion is exposed, and further, an etching process is performed in the subsequent second step. Thereby, the micropore formed through the first step and the second step is exposed in the cross section.

図4(a)〜(f)は、第1工程において用いる円偏光レーザー光のパルスエネルギーを、それぞれ60、70、80、90、100、125[nJ/pulse]とした場合の例について示している。パルスエネルギーは、強度Wに対し、円偏光レーザー光の集光部分の面積Sとパルス幅(パルスの時間幅)Tとを掛けた量、すなわち、パルスエネルギー=W×S×Tとして定義される。本発明の説明においては、集光した部分の面積Sおよびパルス幅Tをほぼ一定として扱うこととする。したがって、パルスエネルギーを制御することは、強度Wを制御することに相当する。   4A to 4F show an example in which the pulse energy of the circularly polarized laser beam used in the first step is 60, 70, 80, 90, 100, and 125 [nJ / pulse], respectively. Yes. The pulse energy is defined as an amount obtained by multiplying the intensity W by the area S of the condensing portion of the circularly polarized laser beam and the pulse width (pulse time width) T, that is, pulse energy = W × S × T. . In the description of the present invention, the area S and the pulse width T of the collected portion are treated as being substantially constant. Therefore, controlling the pulse energy corresponds to controlling the intensity W.

図4(a)〜(f)に示す基体301、311、321、331、341、351としては、いずれも平板状であって、石英ガラスによって構成されたものを用いた。第2工程のエッチング処理は、フッ酸(HF)を主成分とするエッチング液を用いて行った。エッチング液の温度は常温であり、エッチング時間は30分とした。   As the bases 301, 311, 321, 331, 341, and 351 shown in FIGS. 4A to 4F, all of them were flat and made of quartz glass. The etching process in the second step was performed using an etching solution mainly containing hydrofluoric acid (HF). The temperature of the etching solution was room temperature, and the etching time was 30 minutes.

図4(a)、(b)に示すように、円偏光レーザー光のパルスエネルギーを60、70[nJ/pulse]とした場合には、第1工程において構造改質部が形成されたものの、第2工程においてはエッチングが進行せず、微細孔は形成されなかった。
他方、図4(c)〜(f)に示すように、パルスエネルギーを80[nJ/pulse]以上とした場合には、それぞれの基体の一面(側面)321a、331a、341a、351aから内部に向けて延びる微細孔326、336、346、356が形成された。
As shown in FIGS. 4A and 4B, when the pulse energy of the circularly polarized laser beam is set to 60 and 70 [nJ / pulse], the structural modification portion is formed in the first step. Etching did not proceed in the second step, and no micropores were formed.
On the other hand, as shown in FIGS. 4C to 4F, when the pulse energy is set to 80 [nJ / pulse] or more, the inside of each substrate (side surface) 321a, 331a, 341a, 351a is introduced into the inside. Micropores 326, 336, 346, and 356 extending toward the surface were formed.

図5(a)〜(f)は、それぞれ図4(a)〜(f)に示した基体の一面301a、311a、321a、331a、341a、351aを拡大した平面図である。図5(a)、(b)に示すように、パルスエネルギーを60、70[nJ/pulse]とした場合には、第1工程において形成された構造改質部が、第2工程のエッチング処理を行っても除去されず、微細孔は形成されなかった。他方、図5(c)〜(f)に示すように、パルスエネルギーを80[nJ/pulse]以上とした場合には、基体の一面321a、331a、341a、351aにおいて、それぞれ開口する微細孔326、336、346、356が形成された。   5A to 5F are enlarged plan views of one surface 301a, 311a, 321a, 331a, 341a, and 351a of the base body shown in FIGS. 4A to 4F, respectively. As shown in FIGS. 5A and 5B, when the pulse energy is set to 60 and 70 [nJ / pulse], the structural reforming portion formed in the first step is subjected to the etching process in the second step. Even if it performed, it was not removed and the micropore was not formed. On the other hand, as shown in FIGS. 5C to 5F, when the pulse energy is set to 80 [nJ / pulse] or more, the fine holes 326 opened on the one surface 321a, 331a, 341a, and 351a of the substrate, respectively. 336, 346, 356 were formed.

第2工程としてエッチング処理を行った際に、第1工程において形成した構造改質部のうち、光源と対向させた基体の一面321b、331b、341b、351bに近い部分は除去されて、それぞれ微細孔326、336、346、356となる傾向が見られた。また、同時に、基体の一面321b、331b、341b、351bから遠い部分は除去されず、構造改質部323c、333c、343c、353cとして残る傾向も見られた。   When the etching process is performed as the second step, the portions near the one surface 321b, 331b, 341b, and 351b of the base that is opposed to the light source are removed from the structural reforming portion formed in the first step, and the fine portions are respectively removed. A tendency to become holes 326, 336, 346, 356 was observed. At the same time, the portions far from the one surface 321b, 331b, 341b, 351b of the substrate were not removed, and there was a tendency to remain as the structural reforming portions 323c, 333c, 343c, 353c.

図4(a)〜(f)および図5(a)〜(f)より、第1工程において石英ガラスからなる基体に円偏光レーザー光を照射して構造改質部を形成し、第2工程においてはフッ酸を主成分とするエッチング液を用いてエッチングを行う場合には、第1工程において、少なくとも80[nJ/pulse]以上のパルスエネルギーを有する、レーザー光を用いることが必要であると考えられる。   4 (a) to 4 (f) and FIGS. 5 (a) to 5 (f), in the first step, a substrate made of quartz glass is irradiated with a circularly polarized laser beam to form a structural modification portion, and the second step. When performing etching using an etchant containing hydrofluoric acid as a main component, it is necessary to use laser light having a pulse energy of at least 80 [nJ / pulse] or more in the first step. Conceivable.

図6(a)は、図4、5に示した結果を表すグラフである。グラフの横軸は、第1工程において用いる、円偏光レーザー光のパルスエネルギーを示している。グラフの縦軸は、基体の一面から深さ方向に測った微細孔の寸法(エッチング深さ)を示している。   FIG. 6A is a graph showing the results shown in FIGS. The horizontal axis of the graph indicates the pulse energy of the circularly polarized laser beam used in the first step. The vertical axis of the graph indicates the size (etching depth) of the micropores measured in the depth direction from one surface of the substrate.

図6(a)のグラフによれば、レーザー光のパルスエネルギーが100[nJ/pulse]以下の範囲においては、パルスエネルギーを大きくするにつれて、形成される微細孔のエッチング深さも、数[μm]のオーダーで大きくなる傾向が見られた。   According to the graph of FIG. 6A, in the range where the pulse energy of the laser light is 100 [nJ / pulse] or less, the etching depth of the formed microholes is several [μm] as the pulse energy is increased. There was a tendency to increase in the order of.

一方、レーザー光のパルスエネルギーが100[nJ/pulse]を超える範囲においては、形成されるエッチング深さが、パルスエネルギーを100[nJ/pulse]以下の範囲とした場合のエッチング深さを、1桁以上上回る傾向が見られた。   On the other hand, in the range where the pulse energy of the laser beam exceeds 100 [nJ / pulse], the etching depth when the formed etching depth is within the range of 100 [nJ / pulse] or less is 1 There was a tendency to exceed orders of magnitude.

図6(b)は、図4、5に示した結果を示したグラフである。グラフの横軸は、第1工程において用いる円偏光レーザー光のパルスエネルギーを示している。グラフの縦軸は、微細孔の長手方向と垂直な断面における楕円形状の短径を示している。レーザー光のパルスエネルギーが70[nJ/pulse]以下の範囲においては、形成される微細孔の短径が0[μm]となり、微細孔が形成されないことが分かった。そして、パルスエネルギーが80[nJ/pulse]を超える範囲においては、パルスエネルギーを大きくするにつれて、形成される微細孔の短径も大きくなる傾向が見られた。そして、パルスエネルギーが125[nJ/pulse]においては、短径のサイズが約1μmとなっていた。この結果から、パルスエネルギーが80[nJ/pulse]から125[nJ/pulse]の範囲において、ナノレベル(1nm以上1000nm未満)の微細孔を形成することが分かった。   FIG. 6B is a graph showing the results shown in FIGS. The horizontal axis of the graph indicates the pulse energy of the circularly polarized laser beam used in the first step. The vertical axis of the graph represents an elliptical minor axis in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the micropore. It was found that when the pulse energy of the laser beam is in the range of 70 [nJ / pulse] or less, the minor diameter of the formed micropore is 0 [μm], and the micropore is not formed. In the range where the pulse energy exceeds 80 [nJ / pulse], the short diameter of the formed micropores tends to increase as the pulse energy is increased. When the pulse energy was 125 [nJ / pulse], the size of the minor axis was about 1 μm. From this result, it was found that nano-level (1 nm or more and less than 1000 nm) micropores were formed in the range of pulse energy of 80 [nJ / pulse] to 125 [nJ / pulse].

直線偏光レーザー光を用いて石英ガラス基板に構造改質部を形成し、その構造改質部をエッチングすることにより、ナノレベルの微細孔を形成する場合において、直線偏光レーザー光のパルスエネルギーとしては、少なくとも60[nJ/pulse]が必要であるとされている。その値を基準とすれば、微細孔を形成する上で、円偏光レーザー光を用いる場合に照射するレーザー光のパルスエネルギーは、直線偏向レーザー光を用いる場合の1.3〜2倍であるとよい。   In the case of forming nano-scale micropores by forming a structural modification part in a quartz glass substrate using linearly polarized laser light and etching the structural modification part, the pulse energy of linearly polarized laser light is as follows: , At least 60 [nJ / pulse] is required. Based on that value, the pulse energy of the laser beam irradiated when using the circularly polarized laser beam in forming the microhole is 1.3 to 2 times that when using the linearly polarized laser beam. Good.

[実験例2]
実験例2は、本発明を適用して形成される微細孔の形状について、第1工程において用いるレーザー光のパルスエネルギー、偏光状態を変えて比較した例である。パルスエネルギーは、強度に対し、レーザー光の集光部分の面積とパルス幅とを掛けた量として定義される。本発明においては、集光した部分の面積およびパルス幅をほぼ一定として扱うため、パルスエネルギーを制御することは、強度を制御することに相当する。実験例2について、図7(a)〜(c)および図8を用いて説明する。
[Experiment 2]
Experimental Example 2 is an example in which the shape of the micropore formed by applying the present invention is compared by changing the pulse energy and polarization state of the laser light used in the first step. The pulse energy is defined as an amount obtained by multiplying the intensity by the area of the condensing portion of the laser beam and the pulse width. In the present invention, since the area of the condensed portion and the pulse width are treated as being substantially constant, controlling the pulse energy corresponds to controlling the intensity. Experimental example 2 will be described with reference to FIGS. 7A to 7C and FIG.

図7(a)は、第1工程および第2工程を経た、微細孔206が内部に形成された平板状の基体201を、基体201の一面201b側から見た平面写真である。レーザー光を基体201に集光させ、その焦点を10回走査させることにより、ライン状に延びた10本の構造改質部を形成した。その後、ライン状に延びる構造改質部を横断するように基体201を分断し、分割した後の分断面において構造改質部を露出させた。そして、基体201をエッチング液へ浸漬することにより、構造改質部のエッチング処理を行った。エッチング処理を行うことにより、ナノレベルの微細孔を形成した。図7(a)は、第1工程において、パルスエネルギーが60[nJ/pulse]である直線偏光レーザー光を用いた場合の例について示している。   FIG. 7A is a plane photograph of the flat substrate 201 having the micro holes 206 formed therein, as viewed from the one surface 201b side, through the first step and the second step. The laser beam was condensed on the substrate 201, and the focal point was scanned 10 times to form ten structurally modified portions extending in a line shape. Thereafter, the base body 201 was divided so as to cross the structural modified portion extending in a line shape, and the structural modified portion was exposed in the divided cross section after the division. Then, the structure 201 was etched by immersing the base body 201 in an etching solution. By performing an etching process, nano-level micropores were formed. FIG. 7A shows an example in which linearly polarized laser light having a pulse energy of 60 [nJ / pulse] is used in the first step.

図7(c)は、第1工程および第2工程を経た、微細孔226が内部に形成された平板状の基体221を、基体221の一面221b側から見た平面写真である。レーザー光を基体221に集光させ、その焦点を10回走査させることにより、ライン状に延びた10本の構造改質部を形成した。その後、ライン状に延びる構造改質部を横断するように基体221を分断し、分割した後の分断面に構造改質部を露出させた。そして、基体221をエッチング液へ浸漬することで、構造改質部のエッチング処理を行った。エッチング処理を行うことにより、ナノレベルの微細孔を形成した。図7(c)は、第1工程において、パルスエネルギーが100[nJ/pulse]である円偏光レーザー光を用いた場合の例について示している。   FIG. 7C is a plan view of the flat substrate 221 having the fine holes 226 formed therein, as viewed from the one surface 221b side of the substrate 221, which has undergone the first step and the second step. The laser beam was condensed on the substrate 221 and the focal point was scanned 10 times to form ten structurally modified portions extending in a line shape. Thereafter, the base body 221 was divided so as to cross the structurally modified portion extending in a line shape, and the structurally modified portion was exposed in the divided cross section after being divided. Then, the substrate 221 was immersed in an etching solution to perform an etching process on the structural modification portion. By performing an etching process, nano-level micropores were formed. FIG. 7C shows an example of using a circularly polarized laser beam having a pulse energy of 100 [nJ / pulse] in the first step.

基体201と基体221としては、平板状であって、石英ガラスによって構成されたもの(石英ガラス基板)を用いた。第1工程において、基体201および基体221に集光照射するレーザー光については、パルスエネルギー、偏光以外は同じとなるように制御して改質を行った。第2工程のエッチング処理は、希フッ酸(HF)溶液を用いて行った。エッチング液の温度は常温とし、エッチング時間は30分とした。   As the base 201 and the base 221, a flat plate made of quartz glass (quartz glass substrate) was used. In the first step, the laser light focused and irradiated on the base 201 and the base 221 was modified so as to be the same except for pulse energy and polarization. The etching process in the second step was performed using a dilute hydrofluoric acid (HF) solution. The temperature of the etching solution was normal temperature and the etching time was 30 minutes.

図7(c)と図7(a)に示した微細孔が形成された基体から、円偏光レーザー光を用いて微細孔を形成した場合と、直線偏光レーザー光を用いて微細孔を形成した場合とを比較した。具体的には、微細孔の長さを測長顕微鏡によって測長し、エッチング速度に算出して両者を比較した。   From the substrate on which the micropores shown in FIG. 7C and FIG. 7A are formed, the micropores are formed using a circularly polarized laser beam, and the micropores are formed using a linearly polarized laser beam. The case was compared. Specifically, the length of the fine holes was measured with a length measuring microscope, calculated as an etching rate, and compared.

先ず、図7(c)に示した微細孔の長さは、平均値は11.8μm、最大値は15.4μm、最小値は8.1μmであった。この結果からエッチング速度を算出すると、エッチング速度の平均値は0.39μm/min、最大値は0.51μm/min、最小値は0.27μm/minであった。エッチング速度のばらつき度合いを示す指標、すなわち(最大値−最小値)÷(最大値+最小値)の値は、31.18であった。   First, the average length of the micropores shown in FIG. 7C was 11.8 μm, the maximum value was 15.4 μm, and the minimum value was 8.1 μm. When the etching rate was calculated from this result, the average value of the etching rate was 0.39 μm / min, the maximum value was 0.51 μm / min, and the minimum value was 0.27 μm / min. The index indicating the degree of variation in the etching rate, that is, the value of (maximum value−minimum value) ÷ (maximum value + minimum value) was 31.18.

他方、図7(a)に示した微細孔の長さは、平均値で52.0μm、最大値は67.5μm、最小値は27.3μmであった。この結果からエッチング速度を算出すると、エッチング速度の平均値は1.73μm/min、最大値は2.25μm/min、最小値は0.91μm/minであった。エッチング速度のばらつき度合いを示す指標、すなわち(最大値−最小値)÷(最大値+最小値)の値は、42.40であり、円偏光レーザー光を用いた場合よりも大きな値となった。
以上より、円偏光レーザー光を用いて形成した構造改質部の方が、直線偏光レーザー光を用いて形成した構造改質部よりも、エッチング速度のばらつきが小さく、安定したエッチングが可能であることが明らかとなった。
On the other hand, the average length of the micropores shown in FIG. 7A was 52.0 μm, the maximum value was 67.5 μm, and the minimum value was 27.3 μm. When the etching rate was calculated from this result, the average value of the etching rate was 1.73 μm / min, the maximum value was 2.25 μm / min, and the minimum value was 0.91 μm / min. The index indicating the degree of variation in the etching rate, that is, the value of (maximum value−minimum value) ÷ (maximum value + minimum value) is 42.40, which is a larger value than when circularly polarized laser light is used. .
As described above, the structure modified portion formed using the circularly polarized laser beam has less variation in the etching rate than the structure modified portion formed using the linearly polarized laser beam, and stable etching is possible. It became clear.

図8は、図7(c)に示した基体の一面221aを拡大した平面図である。図8に示すように、形成した各微細孔226は、基体の一面221aにおいて開口した。微細孔226の開口面は略楕円形状であった。第2工程としてエッチング処理を行った際に、第1工程において形成した構造改質部のうち、基体の一面221bに近い部分は除去されて微細孔226となり、一面221bから遠い部分は除去されず、構造改質部223aのまま残る傾向が見られた。   FIG. 8 is an enlarged plan view of one surface 221a of the base shown in FIG. As shown in FIG. 8, each fine hole 226 formed was opened on one surface 221a of the substrate. The opening surface of the fine hole 226 was substantially elliptical. When the etching process is performed as the second step, the portion close to the one surface 221b of the substrate is removed from the structural modification portion formed in the first step to form the fine hole 226, and the portion far from the one surface 221b is not removed. There was a tendency that the structural reforming part 223a remained.

第2工程のエッチング処理後、基体101の内部の所定位置に、微細孔106が形成される。なお、第1工程において用いるレーザー光は、ミクロンオーダーよりも小さな微小領域を走査して改質させることが可能である。したがって、最小寸法をナノオーダーとする微細孔106を形成することができる。形成される微細孔106の断面は略楕円形状となる。エッチング処理の具合によっては、該断面は矩形に近い形状となることもある。   After the etching process in the second step, a fine hole 106 is formed at a predetermined position inside the substrate 101. Note that the laser light used in the first step can be modified by scanning a minute region smaller than a micron order. Therefore, it is possible to form the micropore 106 having a minimum dimension in the nano order. The cross-section of the formed fine hole 106 is substantially elliptical. Depending on the state of the etching process, the cross section may have a shape close to a rectangle.

[実験例3]
本発明を適用して形成することが可能な、微細孔の形状に関する例を、実験例3として、図9(a)、(b)に示す。図9(a)に示す基体501は、円形状の微細孔506を内部に備えている。図9(b)に示す基体511は、サインカーブ状の微細孔516を内部に備えている。基体501および基体511について、微細孔の形状を除いた構成については、いずれも第一実施形態として示した基体101の構成と同様である。第2工程で用いるエッチング液については、高アスペクト比な微細孔を形成し易いとされる水酸化カリウム(KOH)を主成分とするアルカリ溶液を用いた。
[Experiment 3]
FIGS. 9A and 9B show an experimental example 3 regarding the shape of the micropores that can be formed by applying the present invention. A substrate 501 shown in FIG. 9A includes circular fine holes 506 therein. A base 511 shown in FIG. 9B includes a sine curve-shaped fine hole 516 therein. About the base | substrate 501 and the base | substrate 511, about the structure except the shape of the micropore, all are the same as that of the structure of the base | substrate 101 shown as 1st embodiment. As the etching solution used in the second step, an alkaline solution containing potassium hydroxide (KOH) as a main component, which is considered to easily form high aspect ratio micropores, was used.

本発明に係る微細構造体の形成方法は、円偏光レーザー光を用いて、基体の内部に構造改質部を形成する。円偏光レーザー光を用いて形成された構造改質部は、その内部に酸素の欠乏した部位がランダムライクに形成されている。したがって、円偏光レーザー光を走査した方向によらず、均質な構造改質部が形成される。   In the method for forming a fine structure according to the present invention, a structurally modified portion is formed inside a substrate using a circularly polarized laser beam. The structurally modified portion formed using the circularly polarized laser beam has oxygen-deficient sites randomly formed therein. Therefore, a uniform structural modification portion is formed regardless of the direction in which the circularly polarized laser beam is scanned.

したがって、基体501、511の内部において、レーザー光を走査した所望の方向に沿って、エッチングレートが均一な構造改質部を形成することができる。そして、形成した構造改質部に対してエッチング処理を行うことにより、例えば、図9(a)に示すような円形の閉じた微細孔や、図9(b)に示すような複数個所において曲がる微細孔を形成することができる。   Therefore, it is possible to form a structurally modified portion having a uniform etching rate along the desired direction scanned with the laser light inside the bases 501 and 511. Then, by performing an etching process on the formed structural modification portion, for example, a circular closed fine hole as shown in FIG. 9A or a plurality of places as shown in FIG. 9B bends. Micropores can be formed.

なお、図9(a)、(b)においては、微細孔の形状として、一平面に含まれ、滑らかな曲線からなる形状を例に挙げたが、本発明を適用することにより、微細孔を、一部が屈曲または分岐した構造、あるいは基体の一面に対して垂直または斜めに配された3次元構造をなすように形成することもできる。   In FIGS. 9A and 9B, the shape of the micropores included in one plane and made of a smooth curve is taken as an example. However, by applying the present invention, the micropores are formed. Further, it may be formed so as to form a structure in which a part is bent or branched, or a three-dimensional structure arranged perpendicularly or obliquely to one surface of the substrate.

本発明は、微細構造の形成方法および微細構造を有する基体、例えば、マイクロ流路やマイクロウェル、光学部品、電子部品などの技術分野に広く適用することができる。   The present invention can be widely applied to technical fields such as a microstructure forming method and a substrate having a microstructure, such as a microchannel, a microwell, an optical component, and an electronic component.

10、20・・・制御系、11・・・対物レンズ、12・・・パワーメータ(計測手段)、13・・・モニタ(表示手段)、14・・・配線、15、15a、15b・・・レーザー光、
21・・・光源、22・・・1/4波長板、
101、111、121、201、211、221・・・基体、
301、311、321、331、341、351、・・・基体、
401、411、421、431、441、501、511・・・基体、
101a、201a、221a・・・一面、
401a、411a、421a、431a、441a、451a・・・一面、
101b、201b、211b、221b・・・一面、
301b、311b、321b、331b、341b、351b・・・一面、
102・・・円偏光レーザー光、102f・・・焦点、
103、103c、113、123・・・構造改質部、
103a・・・一端、103b・・・微小改質部、
303c、313c、323c、333c、343c、353c・・・構造改質部、
403c、413c、423c、433c、443c、453c・・・構造改質部、
104・・・容器、105・・・エッチング液、
106、206、226・・・微細孔、
326、336、346、356・・・微細孔、
426、436、446、456・・・微細孔、
107、207・・・外部空間、
307、317、327、337、347、357・・・外部空間、
407、417、427、437、447、457・・・外部空間、
A、B・・・振動方向、E・・・偏光方向、k・・・光軸方向、S・・・走査方向、
S1〜S5・・・ステップ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 20 ... Control system, 11 ... Objective lens, 12 ... Power meter (measuring means), 13 ... Monitor (display means), 14 ... Wiring, 15, 15a, 15b ...・ Laser light,
21 ... Light source, 22 ... 1/4 wavelength plate,
101, 111, 121, 201, 211, 221 ... base,
301, 311, 321, 331, 341, 351,...
401, 411, 421, 431, 441, 501, 511 ... substrate,
101a, 201a, 221a ... one side,
401a, 411a, 421a, 431a, 441a, 451a ... one side,
101b, 201b, 211b, 221b ... one side,
301b, 311b, 321b, 331b, 341b, 351b ... one side,
102: Circularly polarized laser beam, 102f: Focus,
103, 103c, 113, 123 ... structural reforming part,
103a... One end, 103b.
303c, 313c, 323c, 333c, 343c, 353c ... structural modification part,
403c, 413c, 423c, 433c, 443c, 453c ... structural reforming section,
104 ... Container, 105 ... Etching solution,
106, 206, 226 ... micropores,
326, 336, 346, 356 ... micropores,
426, 436, 446, 456 ... fine holes,
107, 207 ... external space,
307, 317, 327, 337, 347, 357 ... external space,
407, 417, 427, 437, 447, 457 ... external space,
A, B: vibration direction, E: polarization direction, k: optical axis direction, S: scanning direction,
S1-S5... Step.

Claims (3)

光源から出射したパルス幅がピコ秒オーダー以下のレーザー光を偏光手段および集光手段を通して基体に照射し、前記レーザー光が集光した焦点を走査することにより前記基体に構造改質部を形成する第1工程と、
前記構造改質部をエッチング処理することにより微細孔を形成する第2工程と、を備えた微細構造体の形成方法であって、
前記出射レーザー光は、前記偏光手段によって円偏光レーザー光へと変換され、前記焦点における前記円偏光レーザー光の強度パルスパワーは、前記出射レーザー光を直線偏光した直線偏光レーザー光を前記基に照射して構造改質部を形成するのに必要な強度に対して、1.3倍以上2倍以下であることを特徴とする微細構造体の形成方法。
A laser beam with a pulse width emitted from a light source of the order of picoseconds or less is irradiated onto the substrate through the polarizing means and the condensing means, and the structural focus is formed on the substrate by scanning the focal point where the laser light is collected. The first step;
A second step of forming micropores by etching the structural modification portion, and a method for forming a microstructural body,
The output laser beam is the converted by the polarization means to circularly polarized laser beam, the intensity pulse power of the circularly polarized laser light in the focal point, the linearly polarized laser beam which is linearly polarized the emitted laser beam to the base body A method for forming a microstructure, which is 1.3 times or more and 2 times or less the strength necessary for forming a structurally modified portion by irradiation.
前記第1工程に用いるレーザー光の焦点の走査方向を、前記焦点を走査する間に変更することを特徴とする請求項1に記載の微細構造体の形成方法。 Wherein the scanning direction of the focal point of the laser beam used in the first step, method of forming a fine structure according to claim 1, characterized in that to change while scanning the focal point. 前記円偏光レーザー光の焦点の走査を、複数回繰り返すことを特徴とする請求項1または2に記載の微細構造体の形成方法。 3. The method for forming a fine structure according to claim 1, wherein scanning of the focal point of the circularly polarized laser beam is repeated a plurality of times.
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