JP6630666B2 - 干渉レーザ加工 - Google Patents

Description

本文書は、レーザ誘導改質および材料加工の分野に関する。改質は、光干渉プロファイルを特徴付ける狭ゾーンアレイ内にレーザ材料干渉を閉じ込めるによって実現される。

超短パルスレーザの出現は、光−物質干渉の精度を劇的に改善した。これは、熱劣化が全般的に減少したこと（１−３）、表面粗さ（１）、強非線形光吸収による。これらは現在において広範に研究され利用されている。透明媒体の内部において、このようなフェムト秒またはピコ秒のレーザ光は、高開口数（ＮＡ）レンズによって作られる小焦点体積内に閉じ込めると、調整によって強非線形吸収を起こすことができる。波長λのガウス形状レーザビームの場合、この焦点体積は、焦点深度ｄｒ＝λ／πＮＡ^２（レイリー範囲）を超えて半径ω_０＝λ／πＮＡ（１／ｅ^２放射強度）のビームウエストまで狭くすることができる。この小焦点体積からのみ複数光子蛍光が局所的に励起され、生体組織（４）に対する高解像度３次元（３Ｄ）顕微鏡を実現できる。一方で高露光により、３Ｄ光回路（５）に対して書き込むためのまたは３Ｄメモリやマーキングの微小爆発（６、７）を起こすための透過材料の屈折率が変化する可能性がある。

別のアプローチとして、光が自干渉することを介して材料内に光の半波長スケール上の小サイズ形状を記録して、光フリンジの高コントラスト干渉パターンを作成することができる。この高精細に構造化された光パターンは通常、材料を僅かに改質させる。これは熱散逸によって光干渉パターンを捕捉しまたは記録することができる。熱散逸は通常、光露光のタイムスケールで、熱拡散を通じて加工解像度を低下させるものである。光化学は、このような有用なプロセスの１つである。これは、撮影フィルムのホログラフィックまたは体積格子記録または体積格子記録、シリカ光ファイバのコア導波路における感光反応を通じたブラッグ格子のレーザ加工（８）、フォトレジスト内部において生成される４ビームレーザ干渉パターンにおける３Ｄ光結晶の形成（９）、の基礎となっているものである。

その他高解像アプローチとして、透過フィルムを介して短パルスレーザ光を送出して閉じ込め、シリコン基板の侵入深さ内で干渉させるものがある（１０、１１）。このアプローチにおいて、レーザ干渉ゾーンは、相対的に長い焦点深さから、埋没インターフェースにおける狭ゾーンまで、シリコンの光侵入深さで大幅に縮小されている。この薄干渉ゾーンにおけるレーザ散逸は、フィルムに対して爆発し、固体基板によって支持され、低レーザ露光において境界面から薄フィルム膨張部やナノ流体ネットワーク（１２）の形成を可能にし、あるいは高露光において境界面からフィルム厚さ全体にわたって正確に排出することを可能にする。この薄フィルム排出により、広範な新アプリケーションが可能になった。これは、マイクロ電子回路におけるパターン化と修復、光起電セル（１３）、ガラスディスプレイ製造を含む。排出現象はさらに、プリント製造や付加製造（Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）のためのレーザ誘起前方転写（ＬＩＦＴ）（１４）における駆動メカニズム、およびレーザ圧力射出によるセル排出の基盤となっている（４、１５）。

このようなフィルム内における直接レーザ加工により境界面から離れた薄い独立のレーザ干渉ゾーンを生成することについて、さらにチャレンジングな概念はこれまで報告されていない。レーザ材料加工の分野における当業者は、レーザ干渉体積が焦点深度全体にわたって伸長することを想定するであろう。この場合、最も一般的な薄膜フィルムにおいては、フィルムの厚さ全体にわたって伸長することになる。レーザ干渉は、フィルムインターフェースまたは表面に向かって絞り込まれ、他物質（例えば固体基板、液体または固体フィルムコート、空気、真空、ガス、プラズマ）とともに形成される。よって薄膜フィルム内の薄レーザ加工ゾーンの生成は、以前は期待されていなかった。したがってこのような薄加工ゾーンは、フィルム内に新たなタイプの構造を生成する未開領域に係るものである。これにより、相補型金属酸化半導体（ＣＭＯＳ）、フレキシブル電子部品、ディスプレイ、タッチスクリーン、光起電、微小電気機械素子（ＭＥＭ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、光回路、ラボオンチップデバイスの機能性を大幅に改善することができる。これらは薄膜フィルムが製造過程において配置されるデバイスである。

レーザ材料加工の分野における当業者にとって、光を操作するため利用できる多くの手段が既知である。例えば、ビーム分割とビーム混合ミラーやビーム分割プリズムや位相マスクや格子を用いることにより、レーザから自干渉して光フリンジの干渉パターンを形成するものである。これらデバイスは、上述のホログラフィ、ファイバブラッグ格子（８）、３Ｄ光子結晶（９）の例における機器である。干渉パターンを“外部に”形成するこの形態に加えて、例えば透過デバイス内部におけるレーザ光の複数面フレネル反射（例えばエタロン（薄膜フィルムを含む）、ファブリペロー共振器、複数層誘電体スタック）は、干渉反射が充分に強いとき干渉を起こすことが知られ、デバイス内部において定常波干渉パターンを生成する。よって、透過フィルムに対して法線照射した場合、λ／２ｎｆ間隔の最大フリンジが予期される。ｎｆは透過媒質の屈折率である。したがって、レーザ露光の光干渉パターンは、ビーム出射システムによって材料またはデバイスの外部に生成することができ、または材料のインターフェースからのレーザ反射によって材料内に生成することができる。透過デバイスが厚さｚの透過フィルムである非限定的例において、フィルムが４分の１波長厚さλ／４ｎｆを超えている場合、内部形成される少なくとも１つの最大フリンジが予期される。

透過フィルムコートにおけるレーザ損傷の研究において、単一層（１６、１７）または複数層（１８）誘電フィルムの破壊閾値が、実験的に減少したことが観察された。減少した破壊閾値は、非線形超高速レーザ干渉がフィルムインターフェースにおいて集中すること、または内部光干渉（１８）によって形成されたフィルム体積内の最大強度フリンジの位置における拡大レーザ散逸によるものである。後者の干渉の場合において、著者の結論によれば、最大強度フリンジにおけるレーザ干渉はフィルムのバルク容積にわたって拡散する（１８）。したがってこの研究（１８）においては、最大フリンジの予想位置における空間的に局所化されたレーザ改質は予期されず、フィルム層内においてこのような薄い干渉ゾーンは直接的に観察されなかった。光干渉フリンジの形成は、Ｈｏｓｏｋａｗａおよび共著者（１９、２０）によって予想されている。同文献において、Ｃｕフタロシアニンアモルファスフィルムの複数ステップレーザエッチングについて説明している。ここで、レーザ干渉メカニズムは、弱い分子間結合が分離することによるものである。これは、温度が緩やかに上昇する場合において物質の固相を破壊する光化学反応の１種であり、レーザアブレーションにおける高温反応よりもむしろフォトレジスト反応に類似している。したがって、誘電体などのような主要な透過材料に関しては高精度なパターン化は利用できない。光化学応答や分子間結合分離よりも強いレーザ干渉が必要だからである。

レーザ材料加工の分野における当業者は、レーザ干渉の非局所化に対して寄与するいくつかの要因が存在すること、したがってフィルム内の干渉による薄いレーザ加工ゾーンの形成を期待できないことを理解するであろう。例えば、わずか数１００ナノメートルの範囲においてフリンジ間隔（λ／２ｎｆ）が短い場合における局所加熱の高速熱拡散は、非常に短いタイムスケール（τ_ｄ＝λ^２／６４ｎｆ^２Ｄ）内で生じることが予期される。熱拡散スケール長（４Ｄτ_ｄ）^１／２、材料の熱拡散率Ｄ、２分の１フリンジ間隔（λ／４ｎｆ）、である。これは熱ピコ秒からナノ秒の範囲である。したがって、エネルギーのレーザ散逸は、通常のレーザ材料改質（すなわちアブレーション、マイクロ加工、マイクロ爆発）の間に生じる物理プロセスよりも速いタイムスケールで、フリンジ間隔を超えて拡散することが予想され、フリンジ幅（〜λ／４ｎｆ）よりも大きいサイズスケールまで伸長する材料改質がこれを表している。したがって、より大きなサイズの集束ビーム体積によって制御される。すなわち、ビームウエスト（ω０）および焦点深度（ｄｒ）である。

その他例において当業者は、短パルスレーザ光において通常みられる部分的非コヒーレンスまたは大スペクトル帯域幅により、フリンジ強度コントラストまたは可視性がぼやけて減少することを理解するであろう。フリンジは広がって均一強度プロファイルへ向かって結合する。ソース帯域幅Δλ_Ｌのとき、フリースペクトルレンジ（λ^２／２ｎｆｚ）まで増加する。最大ソース帯域幅Δλ_Ｌ＝λ^２／２ｎｆｚ、ｚはフィルム厚さである。したがって、熱拡散スケール長を短くしようとしてレーザパルスを短くすると、既知のフーリエ変換概念にしたがってより大きなスペクトル帯域幅が必要になり、フリンジ強度コントラストの拡散やぼやけにつながる。さらに、Δλ_Ｌ＝λ^２／２ｎｆｚにおける帯域幅スケールは、フィルム、エタロン、またはファブリペローデバイスの厚さが増えるとぼやけ効果がより明確になることを示している。したがってより厚いフィルムは、フリンジ可視性を維持するためより狭いスペクトル光源を必要とする。これはすなわち、フーリエ変換限界によってより長いパルスレーザ時間が必要であることを意味する。そうすると、散逸レーザエネルギーが最大フリンジゾーン外へ拡散して不利益を生じる。これらに起因して、充分大きいフィルム厚さを有するフィルムを均一にレーザ加熱することの期待につながっている。

その他例において当業者は、透過フィルムの場合は非常に小さいフリンジ強度コントラストが予期されることを理解するであろう。これは、光材料のインターフェースにおいてフレネル公式により導かれる反射強度が小さいことに起因する。当業者は、屈折率のコントラストが小さいその他材料のフィルムや基板を見つけることができるであろう。空気中におけるガラスの場合、屈折率差Δｎ＝１．５−１．０＝０．５は緩やかであり、単一面において反射率はわずか４％である。反射率がこのように小さい場合、ガラス内部のフリンジコントラストの形成は弱い（８５％〜１００％変調）。透明材料における非線形超高速レーザ干渉の場合、光干渉パターンの単一独立フリンジ内にレーザ加工体積を閉じ込めることは期待できない。

したがって、光干渉とレーザ干渉物理にも詳しいレーザ材料加工の分野における当業者は、透過フィルム（エタロン）の体積内部において形成される干渉フリンジから薄いサブ波長レーザ加工ゾーンが内部的に形成されること、およびこれに関連して光干渉が内部的に生じる兆候を期待しないであろう。例えば誘電体スタック、金属酸化物、ウエハ、シリンダまたはファイバ、球空洞、ファブリペローデバイス、リング共鳴器、光子結晶、メタ材料、ブラッグ格子などにおけるものである。あるいは、ビーム出射デバイスによって光干渉が外部的に生じることを期待しないであろう。

本文書は、フィルム内部の狭ゾーンにレーザ−材料干渉を閉じ込めることによりフェムト秒レーザを用いて基板上または支持なし基板上の透過薄膜フィルム内部において高解像度軸加工する新規な方法を開示する。厚さ≧λ／４ｎｆの透過フィルムにおいて、この閉じ込めが期待される。空気−フィルムインターフェースとフィルム−基板インターフェースからのフレネル反射の光干渉は、フリンジ間隔λ／２ｎｆでレーザ光のファブリペロー強度変調を生じさせる。超短レーザによる非線形光干渉は、電子密度プロファイルにおける強イオン化を生じさせて光干渉パターンの形状をフォローするが、薄い（例えば厚さ４５ｎｍ）プラズマディスク内に狭小化される。これはレーザ焦点深度の５０倍狭い。内部材料構造化のための閾値露光において、電子密度は最大フリンジ位置で臨界閾値に達し、フィルムの分別排出を生じさせ、またはレーザ割断面においてフィルム内部にλ／４ｎｆフリンジ間隔で周期的に分離された薄いナノ空洞を形成させる。この内部レーザ割断の形状は、透過材料においてはこれまで報告されておらず、レーザ焦点体積全体にわたってフィルムを構造化すること（７）やフィルム−基板インターフェースにおいて構造化を閉じ込めること（１２、２１〜２３）とは異なり、レーザ改質の制御を大幅に進歩させる。さらに、増幅ＣＣＤ撮像によってプラズマディスクが観察され、時間シーケンスにおける複数セグメントの分別排出が検証された。内部構造化とフィルムの分別排出が、厚さ５００〜１５００ｎｍのフィルムにおいて観察された。ビーム形状は均一またはガウス形状であった。

本開示の機能的および有利な側面は、以下の詳細説明と図面によって理解されるであろう。

図面を参照して、例示目的のため実施形態を説明する。

図１（ａ）は、レーザ光（１２）が干渉ゾーン（２４、２６、２８、３０）に対して入射する焦点干渉体積（１８）の部分を示す。干渉ゾーン（２４、２６、２８、３０）は、基板（１６）上の光フィルム（１４）内部の最大フリンジに配置されている。これは、境界面（２０、２２）からの入射光（１２）のフレネル反射の干渉の結果である：図１（ｂ）は、レーザパルス干渉の直後を示す。散逸レーザエネルギーが薄ディスク（２４、２６、２８、３０）のスタックアレイに局所化されている。これらディスクは、高強度干渉ゾーン（１８）に揃っており、図１（ａ）のフレネル反射によって形成されたものである：図１（ｃ）は、材料改質の閾値を超えるレーザ露光を示す。最初の干渉フリンジ位置（図１（ｂ）の（２４））において、薄空洞（３２）によってフィルム（１４）に開口が形成される。対応してセグメント１（Ｓ１）で示す膨張部が形成される：図１（ｄ）は、わずかに強度を増したレーザ露光により図１（ｃ）におけるＳ１が規定する膨張部が貫通（３４）されたことを示す：図１（ｅ）は、第２干渉フリンジ位置（図１（ｂ）の最上から２番目の黒ディスク（２６））においてわずかに強いレーザにさらして薄空洞（３６）によりフィルム（１４）を開口させた様子を示す。対応して、第１セグメント膨張部（Ｓ１）が排出されるとともに、セグメント２（Ｓ２）で示す膨張部が形成される：図１（ｆ）は、わずかに強度を増したレーザ露光により図１（ｅ）におけるＳ２が規定する膨張部が貫通（３４）されたことを示す：図１（ｇ）は、第３干渉フリンジ位置（図１（ｂ）の最上から３番目の黒ディスク（２８））において強いレーザにさらして薄空洞（３８）によりフィルム（１４）を開口させた様子を示す。対応して、第１セグメント膨張部（Ｓ１）が排出されるとともに、セグメント３（Ｓ３）で示す膨張部が形成される：図１（ｈ）は、わずかに強度を増したレーザ露光により図１（ｇ）におけるＳ３が規定する膨張部が貫通（３４）されたことを示す：図１（ｉ）は、フィルム（１４）と基板（１６）の境界において強いレーザにさらして薄空洞（４０）により開口させた様子を示す。対応して、セグメント５（Ｓ５）で示す膨張部が形成され、第１（Ｓ１）、第２（Ｓ２）、第３（Ｓ３）、第４（Ｓ４）膨張部が排出される。これらはそれぞれ、第１（２４）、第２（２６）、第３（２８）、第４（３０）干渉フリンジ位置から生じたものである（図１（ｂ）の最上から１番目〜４番目の黒ディスク）：図１（ｊ）は、わずかに強度を増したレーザ露光により図１（ｉ）におけるＳ５が規定する膨張部が貫通（３４）されたことを示す：図１（ｋ）は、わずかに強度を増したレーザ露光により全セグメント（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５）が排出されたことを示す。これにより、光フィルム（１４）を基板（１６）まで完全に貫通した“ブラインドビア”（４２）が形成される。

図２（ａ）は、５２２ｎｍレーザ光（１２）が薄干渉ゾーン（２４、２６、２８、３０）に対して入射する、シリコン基板（１６）上の厚さ５００ｎｍＳｉＮｘフィルム（１４）内部における焦点干渉体積の部分を示す。これは、境界面（２０、２２）からの入射光のフレネル反射の干渉の結果である：図２（ｂ）は、半径０．４９５μｍ（１／ｅ^２）のガウス形状ビームについて計算した変調強度プロファイル（４４）を示す。平均入射強度９×１０^１２Ｗ／ｃｍ^２の２００ｆｓパルス期間の閾値露光においてフィルム内部で想定される電子密度プロファイル（５０）を併せて計算した。電子密度は、最大フリンジ位置（２４、２６、２８、３０）において臨界プラズマ強度（ｎ_ｃｒ）（５２）を超えている。これは、図２（ｃ）のＳＥＭ画像断面図および斜視上面図に示すフィルムの内部構造化の兆候である：図２（ｃ）は、フィルム（１４）の内部構造化を示す断面および斜視上面ＳＥＭ画像である。これは、図２（ｂ）のレーザ露光状態に続くものである。近閾値強度により、セグメントＳ１（図示せず）とＳ２（一部）が排出され、融解したセグメントＳ３とＳ４の膨張部（４８）が第４最大フリンジ（５４）においてナノ空洞を形成し、シリコンとＳｉＮｘのインターフェースにおける第２ナノ空洞（４０）上の膨張部Ｓ５を形成する。割断面の位置は、図２（ｂ）の最大フリンジ位置と揃っており、点線の接続線によって示す。

厚さ９４５ｎｍのＳｉＮｘフィルムにおける単一または複数セグメントの分別排出を示す。これは、ガウス形状ビームを２１．６５Ｊ／ｃｍ^２の大フルエンスまで増加させることにともない観察されるものであり、上面および断面ＳＥＭ画像（ａ）（ｉ〜ｖｉｉｉ）として示す。４．４６Ｊ／ｃｍ^２の閾値露光を少し超えたところで、第１および第２セグメント（Ｓ１とＳ２）がそれぞれ排出され膨張し、ＳｉＮｘ−シリコン境界面（２２）において損傷（４０）が生じる。レーザフルエンスの増加にともなう各セグメントの膨張、破裂、排出のシーケンスは、（ｂ）にグラフとして要約している。閾値フルエンスにより、固体膨張部（５６）、破裂膨張部（５８）、排出された膨張セグメント（６０）が形成される。各セグメントは、割断面間（水平点線）に揃えられている。これは、図右側のλ／２ｎｆフリンジ間隔によってグラフ表示しているファブリペロー最大強度の位置によって想定されるものである。

時間分解ＩＣＣＤ光学カメラ画像（ａ）の例を示す。アブレーションプルームは、厚さ５００ｎｍのＳｉＮｘフィルムから横断的に記録した。１３．６７Ｊ／ｃｍ^２のフルエンスにさらした。（ｂ）はレーザ露光後のフィルムの上面および断面ＳＥＭ画像である。セグメントＳ１とＳ２の排出に対応するプルーム出射（ａ）は３〜９ｎｓウインドウの複数のクラスタにおいて観察され、Ｓ３とＳ４の部分的排出は１７３〜１９３ｎｓと２３３〜３９３ｎｓのウインドウにおいてそれぞれ観察され、Ｓ５の排出は３９３〜１４９３ｎｓのウインドウにおいて観察される。（ｃ）はより明確なデータ範囲を示しており、時間の関数として、表面からのクラスタグループの位置を示す。

図５（ａ）は、レーザ光（１２）が干渉ゾーン（フリンジパターン）（１８）に対して入射する焦点干渉体積（１８）の部分を示す。干渉ゾーン（１８）は、支持なし透過フィルム（１４）の内部に配置されている。これは、境界面（２０、６４）からの入射光（１２）のフレネル反射の干渉の結果である：図５（ｂ）は、レーザパルス干渉の直後を示す。散逸レーザエネルギーが高強度干渉ゾーン（２４、２６、２８、３０）に合わせて局所化されている。これらは、図５（ａ）のフレネル反射によって形成されたものである：図５（ｃ）は、材料改質の閾値を超えるレーザ露光を示す。最初の干渉フリンジ位置および最後の干渉フリンジ位置（図５（ｂ）の頂部黒ディスク（２４）および底部黒ディスク（３０））において、２つの薄空洞（３２、５４）によってフィルム（１４）に開口が形成される。対応してセグメント１（Ｓ１）と５（Ｓ５）で示す２つの膨張部が対向面に形成される：図５（ｄ）は、わずかに強度を増したレーザ露光により図５（ｃ）におけるＳ１とＳ５が規定する膨張部が貫通（３４）されたことを示す：図５（ｅ）は、第２および第３干渉フリンジ位置（図５（ｂ）の最上から２番目の黒ディスク（２６）と３番目の黒ディスク（２８））においてわずかに強いレーザにさらして２つの薄空洞（３６、３８）によりフィルム（１４）を開口させた様子を示す。対応して、第１セグメント膨張部（Ｓ１）と第５セグメント膨張部（Ｓ５）が排出されるとともに、セグメント２（Ｓ２）と４（Ｓ４）で示す２つの膨張部が形成される：図５（ｆ）は、わずかに強度を増したレーザ露光により図５（ｅ）におけるＳ２とＳ４で示す膨張部が貫通（３４）されたことを示す：図５（ｇ）は、図５（ｃ）（ｄ）と同様の条件のレーザ露光により２つの面（２０、６４）を非対称加工する様子を示す。第１および第４干渉フリンジ位置（図５（ｂ）の最上から１番目の黒ディスク（２４）と４番目の黒ディスク（３０））において、２つの薄空洞（３２、５４）によってフィルム（１４）に開口が形成される。その後、第１面（２０）においてセグメント１（Ｓ１）で示す膨張部の貫通（３４）が形成され、第２面（６４）においてセグメント５（Ｓ５）で示す閉膨張部が形成される：図５（ｈ）は、より高いレーザ露光による非対称加工を示す。第４干渉フリンジ位置（図５（ｂ）の最上から４番目の黒ディスク（３０））における単一の薄空洞（５４）によるフィルム（１４）の開口に続いて、第１面（２０）においてセグメント４（Ｓ４）で示す閉膨張部が形成され、第１（Ｓ１）、第２（Ｓ２）、第３（Ｓ３）セグメントは排出される：図５（ｉ）は、高レーザ露光により支持なし透過フィルム（１４）の全セグメントが排出された様子を示す。これは、第１、第２、第３、第４干渉フリンジ位置（図５（ｂ）における全黒ディスク（２４、２６、２８、３０））から生じたものである。透過フィルム（１４）において、スルービア（６６）が開けられる。

基板（１６）上の透過フィルムによる２層（上図）および複数層（下図）コートを示す。層ｊの屈折率ｎｊ、厚さｚｊである。レーザ光（１２）が薄干渉ゾーン（フリンジパターン）（６８）に対して入射する焦点体積の部分は、複数境界面からの入射光（１２）のフレネル反射の干渉の結果である。フリンジ間隔は、各層においてλ／２ｎｊである。

広領域にわたって光学、ナノ流体、ＭＥＭｓ部品を組み合わせた多機能デバイスの概略図である。干渉レーザ加工によってフィルム内に構築されたサンプル部品のＳＥＭ画像と光学画像を併せて示す。シリコン基板上の厚さ５００ｎｍのＳｉＮｘフィルムの例を（ｉ）〜（ｖｉｉｉ）に示す。トップハットレーザビームプロファイルをラスタスキャンすることにより、広領域にわたってセグメントＳ１（９２）（ｉ）、Ｓ２（９８）（ｉｉ）、Ｓ３（１００）（ｉｉｉ）が均一排出される。これは、単一レベル容器（７４）と開放蛇行チャネル（８４）を形成することを表す。Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３排出ゾーンにおけるフィルム色は、緑（９４）から赤（９６）（（ｉ）における挿入画像）からグレー（（ｉｉ）（ｉｉｉ）における挿入画像）へシフトする。異なるフリンジレベル排出を組み合わせて（ｉｖ）、複数レベル容器（１０４）、柱（８２）を有する混合チャネル（８０）（ｖ）、ブレーズド格子（８８）（ｖｉ）やフレネルレンズ（８６）（ｖｉｉ）などの光学部品、を生成することができる。第３ファブリペローフリンジ位置におけるナノ空洞（３８）は、結合されるとともに開放され（ｖｉｉｉ）、埋め込みナノ流体チャネル（７８）または広領域膜を形成する。これに代えて、フィルム（１４）を大径レーザビームにさらすことにより、広領域膜構造（９０）を形成することもできる。

シリコン基板上の厚さ５００ｎｍＳｉＮｘフィルムにおける複数部品デバイスの光学画像を示す。干渉レーザ出射により製造された、フレネルレンズ（８６）、ブレーズド格子（８８）、単一（７４）および複数レベル（１０８）容器、開放蛇行チャネル（８４）、交差チャネル（１１０）、混合チャネル（８０）を示す。

トップハットビームプロファイルにさらしたｃシリコン基板（１６）上の厚さ５００ｎｍＳｉＮｘフィルム（１４）の断面ＳＥＭ画像を示す。フルエンスは、（ｉ）９３．５ｍＪ／ｃｍ^２、（ｉｉ）１４０．２ｍＪ／ｃｍ^２、（ｉｉｉ）３０３．８ｍＪ／ｃｍ^２、（ｉｖ）４３６．２ｍＪ／ｃｍ^２である。閾値フルエンス９３．５ｍＪ／ｃｍ^２により（ｉ）、厚さ〜２９ｎｍのフィルム（１４）のセグメント（Ｓ１）の膨張部が観察される。これはより高いフルエンス露光により排出される（ｉｉ）。セグメント１（Ｓ１）と２（Ｓ２）はともに、（ｉｉｉ）（ｉｖ）に示すように、より高いフルエンス露光により除去され、より均一な形状（Ｓ３）を得る。これは図２〜図４に示すガウスビーム露光の場合とは対照的である。

ｃシリコン基板上の厚さ５００ｎｍＳｉＮｘフィルム（１４）のＳＥＭ画像を示す。それぞれ、３９６ｍＪ／ｃｍ^２（ａ）と３３９ｍＪ／ｃｍ^２（ｂ）フルエンスの略均一正方形ビームプロファイルにさらした後のものである。（ｉ）〜（ｖ）はそれぞれ、スポット間オフセットが０．６４〜０．８μｍの六角形パターン上のものである。

ｃシリコン基板上のＳｉＮｘフィルム（１４）厚さの関数として計算した、法線入射におけるスペクトル反射率を示す。垂直破線は、フィルム厚さ５００ｎｍ（フィルム全厚さ）と４７１ｎｍ（第１セグメント（Ｓ１）を排出した後のフィルム厚さ）において想定される反射スペクトルをハイライトしている。最も明るいフリンジ上で可視光照射により光学顕微鏡の下で肉眼観察される、緑（９４）（５０８ｎｍ波長）から赤（９６）（６３２ｎｍ波長）へのシフトが予想される。

図１２（ａ）は、支持なしフレキシブルまたは屈曲透過フィルム内部における薄干渉ゾーン（２４、２６、２８、３０）（フリンジパターン（１８））に対してレーザ光（１２）が入射する焦点干渉体積の部分を示す。これは、境界面（２０、６４）からの入射光（１２）のフレネル反射の干渉の結果である。上面（１１２）または底面（１１４）を照射する小径レーザビームの場合を示している。底面（１１６）において、複数レーザパルスが隣接箇所を時間シーケンスでまたは同時に照射し、または広領域レーザビームが上面（１１８）を照射する：図１２（ｂ）は、レーザパルス干渉の後における散逸レーザエネルギーが高強度干渉ゾーンに揃って局所化されている様子を示す。これは図１２（ａ）のフレネル反射によって形成されたものである。これにより、上面（２０）と底面（６４）において様々な対称または非対称構造を形成することができる：（１）第１干渉フリンジ位置（図１２（ａ）における面（１１２）に対応する（３０））における薄空洞（５４）によるフィルムの非対称開口（１２０）、最初の３つのセグメント（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）の排出、対向面における対応する２つの膨張部（セグメント４（Ｓ４）と５（Ｓ５）で示す）の形成；（２）第２および第３干渉フリンジ位置（図１２（ａ）における面（１１４）に対応する（２６、２８））における２つの薄空洞（３６、３８）によるフィルムの対称開口（１２２）、第１（Ｓ１）および最終（Ｓ５）セグメントの排出、対向面における対応する２つの膨張部（セグメント２（Ｓ２）と４（Ｓ４）で示す）の形成；（３）第１および最終干渉フリンジ位置（図１２（ａ）における面（１１８）に対応する（２４、３０））における２つの薄空洞（３２、５４）による広領域にわたる広領域レーザビームを用いたフィルムの対称開口（１２４）、対向面における対応する２つの膨張部（セグメント１（Ｓ１）と５（Ｓ５）で示す）の形成；（４）第１および最終干渉フリンジ位置（図１２（ａ）における面（１１６）に対応する（２４、３０））における２つの薄空洞（３２、５４）に対する広領域にわたる隣接レーザパルスを用いたフィルムの対称開口（１２６）、対向面上の開放接続空洞アレイ（３２、５４）上部における対応する接続膨張部アレイ（セグメント１（Ｓ１）と５（Ｓ５）で示す）の形成（接続埋め込みナノチャネル（７８）または空洞を規定する）；図１２（ｃ）は、屈曲／球面／円筒／非平面基板（１６）と同形状の光透過フィルム（１４）内部における干渉ゾーン（２４、２６、２８、３０）（フリンジパターン（１８））に対してレーザ光（１２）が入射する焦点干渉体積の部分（１２８）を示す。これは、屈曲境界面（２０、２２）からの入射光のフレネル反射の干渉の結果である。レーザパルス干渉後の例を併せて示す。第１（Ｓ１）および第２（Ｓ２）セグメントが排出（１３２）され、第３セグメント（Ｓ３）において貫通（３４）膨張部が形成され、第１セグメント（Ｓ１）が排出（１３４）され、第２セグメント（Ｓ２）において対応する閉膨張部が形成されている。これらはそれぞれ、図１（ｄ）、図１（ｈ）、図１（ｅ）に示すものと同様の構造を規定している。

透過液体／ゲル／材料（１３６）内部における薄干渉ゾーン（２４、２６、２８、３０）（フリンジパターン（１８））に対してレーザ光（１２）が入射する焦点干渉体積の部分を示す。透過液体／ゲル／材料（１３６）は、基板（１６）上のウェル／チャネル（１３８）または容器／ｖチャネル（１４０）内に充填されている。これは、境界面（２０、２２）からの入射光（１２）のフレネル反射の干渉の結果である。レーザパルス干渉の直後において、高強度干渉ゾーンに合わせて散逸レーザエネルギーが局所化されている。これは、材料改質のための閾値を超えるフレネル反射によって形成されたものである。以下を併せて示す：（１）第２干渉フリンジ位置（２６）における薄空洞（３６）による液体／ゲルの開口（１４２）、体積セグメント１（Ｓ１）から生じる液体／ゲル（１３６）の調整された体積の対応する排出；（２）ウェル内の２つの体積（セグメント１（Ｓ１）と２（Ｓ２）で示す）から生じる液体／ゲルの２つの調整された体積の排出（１４４）；（３）干渉フリンジ（１８）を形成するように構成されたＶ型チャネル（１４０）内の第１干渉フリンジ位置（２４）における薄空洞（３２）による液体／ゲル（１３６）の開口（１４６）。

図１４（ａ）は、図５ａと同様のものであり、支持なし透過フィルム（１４）内部のフリンジパターン（１８）上に形成された干渉ゾーンに対してレーザ光（１２）が入射する焦点干渉体積の部分を示す。これは、境界面（２０、６４）からの入射光のフレネル反射の干渉の結果である。第１面（２０）の法線方向における入射光の光線軌道（１４８）は、フィルム（１４）内部で屈折して複数回反射（１５０）する。これは、境界面（２０、６４）に対する法線入射における内部フレネル反射によるものである。これにより、フリンジ間隔はλ／２ｎｆとなり、各フリンジは境界面（２０、６４）に対して平行となる；図１４（ｂ）は、図１４（ａ）と同様のものであり、レーザビーム（１２）は異なる角度から到着する。対応する光線軌道（１５２）は、面（２０）法線方向（点線）に対して角度θｉで入射する。第１面（２０）における屈折に続いて、内部屈折した光線（１５４）は、境界面（２０、６４）におけるフレネル反射によりフィルム（１４）内部で複数回反射（１５６、１５８）し、面（２０）法線方向（点線）に対して反射角θで伝搬する。これにより、異なる干渉パターン（１６０）が生成され、フリンジ間隔はλ／２ｎｆｃｏｓθとなり、干渉フリンジは境界面（２０、６４）に対して平行に揃えられている；図１４（ｃ）は図１４（ｂ）と同じ要素を持ち、第２レーザビーム（１６２）がフィルム（１４）下方から異なる角度で到着する。対応する光線軌道（１６６）は、境界面（６４）法線方向（点線）に対して角度Φｉで入射する。底面（６４）からの屈折に続いて、内部屈折した光線（１６８）は面（２０、６４）法線方向（点線）に対して角度Φで伝搬し、上面（２０）において交差および屈折し、伝搬光線（１７０）としてフィルム（１４）を出る。境界面（２０、６４）のいずれかまたは双方における低フレネル反射の場合、内部複数回反射が弱いので、フィルム（１４）の下方（１６２）または上方（１２）いずれかからのビームの自己干渉によって、コントラストが弱く視認性が低い干渉フリンジが形成される。この場合であっても、支持なし透過フィルム（１４）は、フィルム（１４）内部のフリンジパターン（１７２）上に形成された薄干渉ゾーンに対して入射する重なり合う入射レーザ光ビーム（１２、１６２）の領域において、焦点干渉体積が改質される。これは、２つのレーザビーム（１２、１６２）の干渉の結果である。この場合２つのビームは、外部ビーム分離光学ビーム配信システムを用いることにより、互いにコヒーレントになっている。この場合、光干渉パターンは外部的に生成され、強い内部境界面反射の影響はなく、光干渉パターン（１７２）は図１４（ａ）（ｂ）の場合から変更されている。フリンジ間隔はλ／２ｎｆｃｏｓ［（θ＋Φ）／２］であり、干渉フリンジは境界面（２０、６４）に対して角度（θ−Φ）／２で回転する：図１４（ｄ）は、図１４（ｂ）（ｃ）の要素を組み合わせ、相互コヒーレントな２つの重なり合うビームレーザ光（１２、１６２）が入射する焦点干渉体積の部分を示す。レーザ光は、支持なし透過フィルム（１４）内部のフリンジパターン（１７６）上に形成された干渉ゾーンの２次元アレイに対して入射する。これは、境界面（２０、６４）からの入射光のフレネル屈折（光線（１５４、１６８））と反射（光線１５６、１７４）の干渉の結果である。この２次元光干渉パターンは、４つの面内光線（光線軌道（１５４、１５６、１６８、１７４））から生じると考えることができる。これらは、２つのコヒーレントビーム（１２）と（１６２）により外部生成（１７２）された干渉要素と境界面（２０、６４）のフレネル反射により内部生成（１６０）された干渉要素を組み合わせる。

以下の詳細記載を参照して、本文書の様々な実施形態と側面について説明する。以下の説明と図面は本文書の説明のためのものであり、本開示を限定するものと解釈すべきではない。図面は必ずしもスケール合わせしていない。多くの詳細部分は、本開示の様々な実施形態を完全に理解できるように記載したものである。ただし実施例によっては、既知のまたは従来からある詳細部分については、本開示の実施形態を簡潔に説明するため、記載していない。

定義：
本文書において、用語“備える”や“備えている”は、包括的かつ無制限のものであり排他的なものではないことを解釈されたい。具体的には、特許請求範囲を含む本明細書において用いる場合、用語“備える”“備えている”およびこれらの変形語は、指定した特徴、ステップ、部品が含まれていることを意味する。これら用語は、その他特徴、ステップ、部品の存在を排除するものであると解釈すべきではない。

本文書において、用語“例示”や“例”は、“例、実装、説明として提供する”ことを意味する。本文書におけるその他構成よりも望ましいあるいは有利であることを意味していると解釈すべきではない。

本発明は、短パルスレーザ光から得られる強吸収の利点を用いる。これは、媒体内の非線形光干渉を含む。この強吸収は、熱伝搬および拡散よりも速く進行し、ゾーン内の強度に局所化されたレーザ干渉を可能にする。これは、最大強度の光干渉フリンジに続くものである。光干渉は“内部的に”生成される。これはすなわち、材料がレーザ照射されたときその内部の境界面からのレーザ光源の複数反射の結果として形成されることを意味する。このフィルム（１４）内部に生成される干渉パターン（１８、１６０）の２つの非限定的例を、図１４（ａ）（ｂ）に示す。入射レーザビーム（１２）は、２つの異なる入射角θｉ＝０とθｉ≠０でそれぞれ示されている。

これに代えて光干渉は、“外部的に”生成することができる。これはすなわち、２以上の入射レーザビームが材料に対して集束または投射されて重なり合い、干渉して材料内部のフリンジパターンを形成した結果として形成されることを意味する。この場合、光源は互いに充分にコヒーレントである。このフィルム（１４）内部の外部生成干渉パターン（１７２）の非限定的例を、図１４（ｃ）に示す。２つのコヒーレント光線が角度θｉとΦｉで入射し、角度θとΦでフィルムに向かって屈折し、重なり合ったとき光干渉フリンジ（１７２）を生成する。

光学分野の当業者は、２以上の光線との“外部”光干渉を生成するために利用できる多くの方法を知っている。例えば、ビーム分離およびビーム結合ミラーをまたはビーム分離プリズムや位相マスク／格子を用いることによるものである。その他、２以上のスリットを用いることもできる。これらは非限定的例である。

本発明により、上述の光干渉の“内部的”方法と“外部的”方法を組み合わせて、材料内部に干渉フリンジが形成されることが予期される。非限定的例として、レーザビームを２つのコヒーレントビーム（１２、１６２）へ分離し、角度θｉとΦｉで基板なしフィルム（１４）に対して入射させると、これらが重なり合う部分において“外部”干渉が生じる。これら内部光線（１５４、１６８）はさらに、境界面（２０、６４）においてフレネル反射（１５６、１７４）し、“内部”干渉成分を生じさせる。図１４（ｄ）に示すように、これらはまとめて２次元光干渉パターン（１７６）を生成する。

より一般的には、本発明は、光干渉の“外部的”方法および／または“内部的”方法に依拠して、光フリンジパターンを形成する。これは、１次元、２次元、または３次元の周期的な構造によって特徴付けられる。非限定的例として、例えば２つの重なり合うコヒーレントレーザビームにより、１次元フリンジパターンを“外部的”に生成することができる。これは、ファブリペロー共鳴器内において、または１次元伝搬位相マスクの近接場において提供されるものである。他の非限定的例において、１次元フリンジパターンは、境界面（２０、６４）からの入射光線（１２）のフレネル反射の干渉により、例えば基板なしフィルムなどの材料内で“内部的”に生成することができる。図１４（ａ）（ｂ）にこれを示す。非限定的例として、互いにコヒーレントかつ異なる角度で伝搬する最小３つの共平面光線により、２次元光干渉パターンを生成することができる。これらビームは、例えば２セットのビーム分離光学部品により“外部的”に生成し、あるいは三角プリズムなどの３つの非平行境界面からの反射を組み合わせることにより材料内で“内部的”に生成することができる。これに代えて、図１４（ｄ）に示すように“内部的”生成と“外部的”生成を組み合わせることもできる。非限定的例として、３次元光干渉パターンは、３つの光線に対してコヒーレントだが共平面ではない４番目の光線を追加することにより、生成できる。この４ビーム光干渉は、例えば３セットのビーム分離器と連結ミラーにより“外部”生成することができる。あるいは、例えば三角ピラミッドなどの３次元材料の境界面からの内部フレネル反射を組み合わせることにより、材料内で“内部的”に生成することができる。あるいは“外部”干渉と“内部”干渉を組み合わせることにより、生成することができる。

本発明により、全て“外部的”、全て“内部的”、あるいはこれら組み合わせの１次元、２次元、および３次元光干渉パターンを生成するための様々な方法が予期される。これらの干渉方法は、光学分野の当業者にとって既知である。さらに、当業者が光干渉を計算するとともに、フリンジ位置、形状、視認性を予測するための光学理論とシミュレーションツールは、確立されている。これらは、“外部”および“内部”個別または組み合わせによって生じる１次元干渉、２次元干渉、３次元干渉の全てを考慮することができる。これは、マクスウェル波動方程式のスカラ解またはベクトル解を得ること、または有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）計算ツールを用いることを必要とする。“内部”干渉について、関連する多くの利用可能な文献やリソースが存在する。これらは、境界面からの内部反射によって材料内に生成される光強度パターンを計算するための、よく知られた解法を提供している。また、光源が光共鳴デバイス材料に対して入射する場合、本明細書に含まれるその他光散乱または反射構造を考慮している。したがって、フィルムコンパクトディスク、シリコンウエハ、ガラスファイバ、プラスチックプリズム、および水滴は、このような１次元以上の光干渉に関与する光共鳴器の非限定的例である。より一般には、本発明により、物理サイズに対して充分な光伝搬を有する任意形状の材料を期待することができる。入射光線により内部光干渉パターンを形成することができる光共鳴器としてみなされるものである。

非限定的例として、短時間レーザ光線による光と材料の干渉を実験した。光線は不透明基板上をコートする光フィルムに対して集束させた。ファブリペロー干渉パターンがフィルム内に形成されることが予想され、これはレーザビームが境界面（空気と基板）において複数回フレネル反射によるものである。本発明により、薄レーザ干渉ディスクが形成され、光フリンジの最大強度に揃えられ、焦点レイリー距離よりもはるかに小さい距離スケールにおいてフィルム体積内部の材料を改質することが予期される。レーザ干渉体積を物理的に解析し、レーザ焦点体積に準じていることが分かった。これは薄い軸平面アレイに分割され、フィルム内部の最大ファブリペローフリンジに揃っている。この新規な局所干渉は、フィルム内部を周期的に改質させるレーザ特性および集束形状によって制御することができる。あるいは薄いフィルムの場合は単一の最大フリンジ位置において改質することもできる。これにより、内部ナノ空洞またはナノディスクを開口させ、閉膨張部または貫通膨張部を生成し、フィルムディスクの一部を分別排出することができる。全ての場合において、第１フィルム面または第２フィルム面に隣接して形成されるとき、厚さがλ／２ｎｆの倍数であるフィルムセグメントまたはその欠片が生じる。

単一レーザパルスで照射する場合、セグメント深さに応じた順次ディスク排出を、増幅ＣＣＤ（ＩＣＣＤ）カメラを用いてアブレーションプルームの時間分解画像によって検証した。これを図４に示す。さらに、例えば図３（ａ）に示すような変化する干渉とその結果により、フィルム内部に３Ｄナノ流体構造を製造することができる。分別された表面構造は、フィルム膜作成、フィルム色付け、内部ラベル化、複数レベル表面構造を生成する新たなアプローチである。ナノ空洞と分別排出は、ＣＭＯＳウエハその他多くの製造プロセスにおいて広範に用いられているフィルムを構造化する有用な方法である。これにより、マイクロ電子部品、光学部品、ＭＥＭＳ、光流体部品、およびセンサデバイスの機能性を改善するとともに、フレキシブル電子部品やディスプレイフィルムや新たなラボインフィルムコンセプトの新たな方向性を開くことができる。

図１に示す本発明の１側面において、レーザ光（１２）は基板（１６）を覆う厚さλ／４ｎｆ以上の透過フィルム（１４）に対して入射する。空気−フィルム境界（２０）とフィルム−基板境界（２２）におけるフレネル反射と伝搬により、ファブリペロー干渉パターン（１８）が形成される。光学分野における当業者がよく知っているように、結果として得られるフリンジパターンとコントラストは、適切な材料選択を通じてフィルムと基板の屈折率を調整することにより、制御することができる。

図１（ａ）は、屈折率ｎｆの透過フィルム（１４）を示す。フィルム（１４）は、屈折率ｎｓの基板（１６）上にカバーされている。集束レーザビーム（１２）は、上方からフィルム（１４）に対して入射する。ビーム（１２）は、第１（空気−フィルム）境界（２０）と第２（フィルム−基板）境界（２２）においてフレネル反射し、入射レーザ光の局所焦点干渉体積を薄干渉ゾーン（フリンジパターン）へ分離させる。これをフィルム（１８）内部に示す。これは、フィルム（１４）内における上方伝搬レーザビームと下方伝搬レーザビームとの間の干渉の結果によって生じるものである。最大フリンジ（１８）は、レーザビーム直径にわたって延伸し、干渉境界の形状と並行である。想定されるフリンジ間隔λ／２ｎｆについて、約ｍ＝ｄ／（λ／２ｎｆ）のレーザ干渉ディスクの積層アレイが、フィルム厚さｚ内部で同じλ／２ｎｆ間隔上に形成されることが想定される。絶対ディスク位置は、空気／フィルム／基板の屈折率と透過係数に応じた境界面（２０、２２）における反射によって生じる電場位相シフトにしたがって固定される。簡易のため、基板は充分に厚く、レーザパルスが基板を２回伝搬する時間はパルス時間を超過し、フィルム（１４）内部に干渉フリンジの第２セットが形成されないと仮定する。基板がより薄く透明であり、および／またはパルス時間がより長い場合、別の干渉パターンがフィルム内に生成される。これは光学分野の当業者にとって、３つの境界（すなわち、空気−フィルム、フィルム−基板、基板−空気）からの反射に基づき容易に計算することができ、フィルム内と基板内の最大干渉の新たな位置、および両媒体内の高コントラストフリンジの望ましい位置を判定することができる。

図１（ｂ）は、レーザパルス干渉の直後において、薄ディスク（２４、２６、２８、３０）の積層アレイへ散逸レーザエネルギーが局所化されている様子を示す。ディスクは、図１（ａ）のフレネル反射によって形成された高強度干渉ゾーン（１８）に揃えられている。本発明の望ましい実施形態において、レーザ干渉ゾーンが形成され、分離薄ディスクへ材料が初期改質される。その時間は、フリンジ間の熱拡散時間τｄ＝λ^２／６４ｎｆ^２Ｄ（フリンジ間隔の２分の１）より短い。本発明の望ましい他実施形態において、レーザパルス時間τｐは、この熱分散時間τｄ＝λ^２／６４ｎｆ^２Ｄより短い。本発明の望ましい他実施形態において、光源のスペクトル帯域幅は、ΔλＬ＜λ^２／２ｎｆｚを満たし、レーザ干渉を局所化する十分なコントラストを有する干渉フリンジを生成する。この望ましい実施形態において、フィルム厚さがｚ＜λ^２／２ｎｆΔλＬを満たすようにし、十分なコントラストを有する干渉フリンジを生成することもできる。本発明の望ましい他実施形態において、レーザ干渉ディスクは、フリンジ間隔の２分の１であるλ^２／４ｆｎよりも薄いゾーンへ分離される。

レーザ材料加工の当業者は、フィルム上の複数のレーザ露光条件を適用して、例えばパルスエネルギー、波長、焦点スポットサイズ、焦点深さ、フィルム表面に対する軸ビームウエスト位置、反復率、ピークパワー、パルス時間、パルスまたはバーストトレインの時間プロファイル、ビームの開口数、複数ビームまたは複合ビームのビームプロファイルまたは形状、空間または時間コヒーレンス、パルスフロント傾斜、スペクトル帯域幅または形状またはスペクトルチャープ、２以上の重なるパルス間の時間遅延、ビームまたは複数の重なるビームがフィルムに対して入射する角度、を変化させることにより、レーザ干渉を制御できることを理解するであろう。このように、図１（ｂ）の各ディスクゾーンにおけるエネルギー散逸は、広範に変化して材料改質の方向や結果を様々に変化させることができる。基板上のフィルムにおけるいくつかの実施例を、図１（ｃ）から（ｋ）に示す。このレーザ露光制御は、本願のその他図面および実施形態に対して広範に適用される。

図１（ｃ）は、材料改質の閾値を超えるレーザ露光を示す。フィルム（１４）の開口は、第１干渉フリンジ位置（図１（ｂ）における最上黒ディスク）（２４）における薄空洞（３２）によって形成される。その結果、セグメント１（Ｓ１）で示す膨張部が形成される。レーザ材料加工の分野における当業者は、Ｓ１とＳ２を分離する第１レーザ干渉ゾーン（２４）が通常は入射レーザパワーの大部分を吸収し、これにより深い個所の干渉ゾーンにおけるレーザ強度を減少させることを、理解するであろう。第１ゾーンにおけるレーザ干渉は、欠陥、電子−ホールペア、プラズマ、その他材料改質を生じさせる場合がある。これらは入射レーザ光の吸収や反射を増加させ、その結果として深い個所の干渉ゾーンに到達する光が減少する。したがって、図１（ｃ）に示すフィルムのレーザ改質の第１証拠が想定される。最上レーザ干渉ゾーン（２４）は微小爆発し、フィルムにナノ空洞（３２）を割断させ、Ｓ１で示す薄い閉膨張部を形成する。このフィルム改質の閾値において、より深い個所の干渉ゾーン（２６、２８、３０）は、割断やその他改質を形成するのに充分なレーザエネルギーを吸収しない。よってフィルムは、第１最大フリンジ（２４）における最上レーザ割断平面以下においては変化しない。

別実施形態において、フィルム内のレーザ干渉パターンは、上境界面（２０）におけるレーザ強度が第１最大フリンジ（２４）の位置よりも小さくなるように、光物理における当業者が設計することができる。このレーザアブレーションは、初めに内部的に生じ、または内部的にのみ生じ、面（２０）においては生じない。同様に低強度を、第２境界位置（フィルム−基板（２２））において光学的に設計し、第１内部干渉ゾーン（２４）においてレーザアブレーションまたは割断を生じさせ、フィルム−基板境界に対してレーザダメージを与えないようにすることができる。

図１（ｄ）は、図１（ｃ）のＳ１で示す膨張部の貫通部（３４）を示す。レーザ露光は若干増加させている。レーザ露光を増加させると、ナノ空洞（３２）は図１（ｃ）の場合からサイズが増加し、膨張部は貫通（３４）し、図１（ｄ）に示すように貫通膨張部の空洞サイズと開口直径が増加する。

図１（ｅ）は、第２干渉フリンジ位置（図１（ｂ）における最上から２番目の黒ディスク（２６））における空洞（３６）によってフィルム（１４）の開口を若干高いレーザ露光にさらした様子を示す。対応して、セグメント２（Ｓ２）で示す膨張部が形成され、第１セグメント膨張部（Ｓ１）が排出される。このレーザ露光において、第１（２４）および第２（２６）レーザ干渉ゾーンのみが、材料改質の閾値を超過している。上述のプラズマシールドその他要因は、深い位置の干渉ゾーン（２８、３０）またはフィルム−基板境界（２２）における材料改質を防ぐ。第１干渉ゾーン（２４）における高エネルギーレーザ割断は、上面に対する第１最大フリンジ位置によって規定される厚さにおいて、Ｓ１を完全に排出させる。

図１（ｆ）は、図１（ｅ）におけるＳ２で示す膨張部の貫通部（３４）を示す。若干増加したレーザ露光にさらし、図１（ｃ）におけるＳ１の膨張から図１（ｄ）における膨張部貫通と同様の結果となっている。

図１（ｇ）は、高いレーザ露光にさらしてフィルム（１４）が第３干渉フリンジ位置（図１（ｂ）の最上から３番目の黒ディスク（２８））における薄空洞（３８）によって開口した様子を示す。対応して、セグメント３（Ｓ３）で示す膨張部が形成され、第１（Ｓ１）および第２（Ｓ２）セグメント膨張部が排出されている。最初にレーザ割断で第１セグメント（Ｓ１）を排出し、その後にＳ２を排出する。上から３つのレーザ干渉ゾーンにおいて入射光を減衰させ反射するプラズマシールドその他要因は、第４干渉ゾーン（３０）を恒久的に改質することを防ぐ。

図１（ｈ）は、図１（ｇ）のＳ３で示す膨張部の貫通部（３４）を示す。若干増加したレーザにさらし、図１（ｃ）と図１（ｄ）の間の遷移と同様のものが想定される。

図１（ｉ）は、非常に強いレーザにさらし、フィルム（１４）と基板（１６）の境界（２２）において薄空洞（４０）が開口した様子を示す。対応して、セグメント５（Ｓ５）で示す膨張部が形成され、第１（Ｓ１）、第２（Ｓ２）、第３（Ｓ３）、第４（Ｓ４）セグメント膨張部がそれぞれ第１（２４）、第２（２６）、第３（２８）、第４（３０）干渉フリンジ位置（図１（ｂ）の１番目（２４）から４番目（３０）の黒ディスク）から排出されている。ディスクの順次排出は、最上ディスク（Ｓ１）が最初でありセグメントＳ４が最後となる。

図１（ｊ）は、図１（ｉ）のＳ５で示す膨張部の貫通部（３４）を示す。レーザ露光を若干増加させている。

図１（ｋ）は、全セグメント（Ｓ１からＳ５）の排出を示す。レーザ露光を若干増加させ、光学フィルム（１４）を通過して基板（１６）に至る“ブラインドビア”（４２）が形成されている。順次排出は、Ｓ１から開始してＳ５が最後である。図１（ｃ）から図１（ｋ）までのレーザエネルギーの増加において、セグメントＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５は、フリンジ間隔λ／２ｆｎの等間隔レーザ割断面から排出される。したがって、層Ｓ１〜Ｓ５を量子排出する新たな手段を提供することができる。これは、レーザ露光によって制御可能なものである。この新規な内部レーザ干渉、特に内部レーザ割断は、これまでは実施も予期もされていなかった。

本発明の他実施形態において、基本光学設計を理解している光物理の当業者は、様々な公知手段を介してレーザ割断面の間隔（λ／２ｎｆ）を変化させることができる。これは、入射レーザの角度（間隔λ／２ｎｆｃｏｓθ、θは入射角であるとともに物質内の反射角、屈折率ｎｆ）、レーザ波長、フィルム材質を変えて屈折率を変えること、プラズマ／欠陥／電子−ホールペアをレーザ生成することによりフィルム特性を変えること、を含む。

本発明を、以下の条件で実施した：シリコン窒化物（ＳｉＮｘ；ｎｆ＝１．９８）フィルム（１４）、厚さｚ＝５００ｎｍ、シリコン基板（１６）（ｎｓｉ＝４．１９２、κｓｉ＝０．０３６）、波長λ＝５２２ｎｍのレーザビーム（１２）、図２（ａ）の上面から照射する。４つの最大フリンジは、ｍ＝ｚ／（λ／２ｎｆ）、λ／２ｎｆ＝１３１．８ｎｍ間隔で、フリンジ視認性は０．６３である。これをフィルム全体にわたって計算し、図２（ｂ）にプロット（４４）した。強度ノードは、ＳｉＮｘ−シリコン境界（２２）近傍に位置している。これは高コントラストによるものである。したがって、フリンジパターン（４４）は最後の最大フリンジ（３０）にロックされ、これは底面（２２）から約λ／４ｎｆ＝６５．９ｎｍである。その結果、上面（２０）から１番目のフリンジ（２４）は、フィルム厚さに応じて変化する。図２（ｂ）の場合は、空気−ＳｉＮｘ境界（２０）からｚ−ｍλ／２ｎｆ＝３８．７ｎｍ（ｍ＝４）である。

やや弱いレーザ強度において、シリコン基板内の強線形光干渉は、透過フィルム内の非線形プラズマ励起に対して支配的となり、シリコン内の貫通深さ１／κｓｉ＝２８ｎｍに対してのみレーザ加熱を生じさせる。この薄い加熱ゾーンに起因して、フィルム−シリコン境界における加工は、フィルム全体の膨張と排出の物理特性をサポートする。このことは、文献［１０、２１、２２、２４−２６］において、フィルム厚さを様々に変えて報告されており、透過フィルムの内部構造化の証拠はない。ただしこのような境界加工は、図２（ｃ）に示すように、フィルムを内部干渉レーザ構造化した証拠とともに発見された。これは、厚さ５００ｎｍフィルム（１４）を閾値入射強度ｌ_ａｖｇ＝９×１０^１２Ｗ／ｃｍ^２にさらして、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）により得た画像である。このようなレーザ加工の形態サンプルを、上面ＳＥＭ像と断面ＳＥＭ像により検査した。断面ＳＥＭ撮像においては、集束イオンビーム（ＦＩＢ）により軸切断を実施した。図２（ａ）における４つの最大ファブリペローによって規定されるレーザ誘起割断面（２４、２６、２８、３０）は、薄ディスクセグメントＳ１とＳ２を排出するとともに、最大干渉の計算位置に揃った位置においてナノ空洞を形成した。図２（ｂ）の接続点線でこれを示す。これら最大フリンジ位置（接続点線）は、図２（ｂ）におけるセグメントサイズ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５）を規定する。これは、図２（ｃ）の形態とよく合致する。すなわち、ホールエッジ（４６）のリムがＳ１の完全排出を示し、斜視図においてＳ２が一部排出され、ナノ空洞（５４）上でＳ３とＳ４の溶融層（４８）が膨張し、２つのナノ空洞（４０、５４）の間に内部膨張Ｓ５がある。

図２（ｃ）において、半径０．５３μｍの第２ディスクが完全排出された。これは、集束ガウスビームについて計算した半径ω０＝０．４９４μｍ（１／ｅ^２）に対応する。この半径位置（ω０）において、図２（ｂ）の（４４）に示すように、内部レーザ強度は０．８４から３．７４ＴＷ／ｃｍ^２まで軸方向で変調する。これは、フィルムの内部構造化について閾値強度露光３．７４ＴＷ／ｃｍ^２を示している。

本発明の非限定的例において、非線形レーザ吸収は、最大強度フリンジにおいて透過フィルム材料をイオン化し、プラズマを生成する。ＳｉＮｘフィルムサンプルについて説明を続ける。干渉−変調強度プロファイル（図２（ｂ）における（４４））を適用して、ＳｉＮｘフィルム内部の電子強度プロファイルを予測した。レーザ強度は内部構造化の閾値とした。レーザパルス時間が短いので（２００ｆｓ）、誘電フィルム内部の非線形光干渉は、多光子吸収と電子雪崩によって支配され、これは原子をイオン化して下記式１^２７の電子強度ｎｅを生成する：

入射レーザ強度（Ｉ）におけるインパクトイオン化率（Ｗ_ｉｍｐ）と多光子イオン化（ＭＰＩ）率（Ｗ_ｍｐｉ）は、それぞれ下記式２と式３により与えられる^２７。

有効電子衝突時間（τ_ｅｆｆ）と電子ｑｕｉｖｅｒエネルギー（ε_ｏｓｃ）は、下記式４^２８と式５^２７によって計算される。

電子緩和（式１におけるτ_ｒ項）は、ここで想定している短時間（τｐ＝２００ｆｓ）レーザパルスにとっては重要でない。ＳｉＮｘについて、原子密度Ｎａ＝８×１０^２２ｃｍ^−３、バンドギャップＥｇ＝５．３ｅＶ（２９）、イオン化ポテンシャルＪｉ＝Ｅｇ、電子の有効質量ｍｅ＊＝ｍｅを用いて、電子密度を計算した。レーザ周波数は、ω＝２Πｃ／λで与えられる。非線形ＭＰＩのオーダはＮ＝［Ｊｉ／ｈω］＝３に丸めた。

時間依存の式１、２、４を同時に解いて、図２（ｂ）の空間強度プロファイルにおいて想定される電子密度の時間上昇をフォローする。レーザパルスの終端において、図２（ｂ）の電子密度（５０）は、最大フリンジにおいて強いピーク５．８７×１０^２１ｃｍ^−３を示す。この値は、臨界プラズマ密度（５２）（ｎｃｒ〜４．１０×１０^２１ｃｍ^−３）を超過する。これは、プラズマがレーザに対して不透明になり、材料ダメージ^{１３、２１、２２}を開始させる値である。したがって、レーザが規定する割断面（図２（ｃ）における０．４９４μｍ）における排出ディスクの径幅は、通常材料を破損させるレーザ−プラズマ条件とよく合致する。さらにシミュレーションによれば、インパクトイオン化はレーザ−プラズマゾーンを図２（ｂ）の厚さ４５ｎｍディスクまで薄くすることができる。これは、ファブリペローフリンジ幅９１ｎｍよりも充分狭い。さらに、ＳｉＮｘのフリンジを排出する熱拡散時間の計算結果は、τｄ＝λ^２／６４ｎｆ^２Ｄ＝１００ｐｓであり、これはレーザパルス時間よりも５００倍大きい。したがって、薄加熱ディスクのアレイ（２４、２６、２８、３０）は、λ／２ｎｆフリンジ間隔で形成（図２（ａ））され、タイムスケールは熱伝搬よりも短い。これにより、焦点深度〜２．３μｍよりもはるかに小さいサイズスケールで薄透明フィルム内部を加工する新たな手段とすることができる。

ファブリペロー干渉フリンジ（２４、２６、２８、３０）にレーザ干渉ゾーンの積層アレイを形成する原理をテストするため、本発明の実施形態として、以下のようにＳｉＮｘフィルムをシリコンウエハ上に成長させた。厚さ２０ｎｍ〜１５４５ｎｍのＳｉＮｘフィルムを、プラズマ拡張化学蒸気積層（ＰＥＣＶＤ）によって成長させた。基板は、厚さ４００μｍの片面研磨ｐドープ（００１）結晶シリコンウエハである。ＰｌａｓｍａＬａｂ１００ＰＥＶＣＤシステム（Ｏｘｆｏｒｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）を用い、３００℃、室圧６５０ｍＴとした。混合気体は、５％シラン窒素（４００ｓｃｃｍ）、アンモニア（２０ｓｃｃｍ）、純窒素（６００ｓｃｃｍ）を用いた。堆積は、１４ｎｍ／分で実施した。高周波（１３．５６ＭＨｚ）と低周波（１００ＫＨｚ）の交互組み合わせを７秒間連続して用いた。無線（ＲＦ）パワーは高周波５０Ｗ、低周波４０Ｗとした。

本発明のこの非限定的実施形態をさらにテストするため、１００ｋＨｚ繰り返しレートおよびビーム品質Ｍ２＝１．３１で動作するファイバレーザ（ＩＭＲＡ、ＦＣＰＡ μＪｅｗｅｌ Ｄ−４００−ＶＲ）を２倍周波数で動作させ、パルス時間τｐ＝２００ｆｓ、波長λ＝５２２ｎｍを生成した。ＣＣＤカメラ上のバック反射をモニタリングすることにより、サンプル表面上に対してガウス形状レーザビームをスポットサイズ半径ω０＝０．４９５μｍ（１／ｅ^２放射強度）となるように、焦点距離８ｍｍのｐｌａｎｏ−ｃｏｎｖｅｘレンズ（Ｎｅｗ Ｆｏｃｕｓ、５７２４−Ｈ−Ａ）を配置した。これに代えて、均一露光プロファイルも試行した。これは、直径〜４．５ｍｍレーザビームを０．６ｍｍ×０．６ｍｍ正方形開口または円開口（直径１ｍｍ）でマスクすることにより実施した。開口位置は、焦点距離ｆ＝２．８ｍｍの非球面レンズの〜１１５ｃｍ前とした。それぞれ、均一１．５μｍ×１．５μｍ正方形ビームと直径２μｍトップハットビームプロファイルの撮像となった。コンピュータ制御線形ポラライザ減衰器により、５〜７０ｎＪの間でレーザパルスエネルギーを変化させ、単一パルスを各部に対して照射した。これは、ＸＹモニタステージ（Ａｅｒｏｔｅｃｈ、ＡＢＬ１０００）でサンプルをスキャンすることにより実施した。レーザラスタスキャンを用いて、レーザ改質構造を分離（速度＞１５μｍ／ｓ）しまたは結合させるとともに、音響光学変調器（ＡＯＭ）（Ｎｅｏｓ、２３０８０−３−１．０６−ＬＴＤ）によりコンピュータ制御で表面パターン化をさらに柔軟に実施できるようにした。

レーザ生成プラズマを薄ディスク内に閉じ込めて鮮明な周期的割断面をフィルム内部に生成した明確な証拠は、図２（ｃ）に示す整列円環構造（４６）、排出膜（Ｓ１、Ｓ２）、ナノ空洞、図２（ｂ）における計算した最大フリンジ位置である。第１膜構造（Ｓ１）の排出は、上面図において深さ〜３４ｎｍで見られる円環リング（４６）が証拠となる。これは、想定される第１フリンジまたはレーザ加熱ディスク（２４）の深さ位置２９ｎｍとよく合致する。斜視図における部分付加された膜（Ｓ２）は、第１最大フリンジ（２４）と第２最大フリンジ（２６）においてプラズマ−割断によって形成されたものである。これは厚さ〜１３５ｎｍの膜を規定する。これは想定されるフリンジ間隔λ／２ｎｆ＝１３１．８ｎｍと合致する。想定される３番目と４番目の膜構造（Ｓ３、Ｓ４）は、厚さ〜２６７ｎｍの２重層に溶融し、非破裂膨張部を形成したと見られる。その厚さは、想定される２重フリンジ間隔（２λ／２ｎｆ＝２６３．８ｎｍ）と合致する。この膨張部の下において、薄ディスクプラズマゾーン（３０）からのマイクロ爆発が、直径〜８００ｎｍ、高さ〜１３８ｎｍのナノ空洞として拡大したと想定される。より深い位置のナノ空洞（４０）は、シリコン−フィルム境界（２２）から高さ〜４５ｎｍにおいて形成されたと見られる。これらナノ空洞（４０、５４）は、５番目と最後の膜（Ｓ５）を規定する。その観察厚さ〜６４ｎｍは、想定される４分の１フリンジ厚さ（６５．７ｎｍ）とよく合致する。したがって、３番目と４番目セグメント（Ｓ３、Ｓ４）の溶融は、第３フリンジ位置（２８）においてレーザ割断が省略されたことによるものではなく、上２つの割断面（２４、２６）におけるマイクロ爆発の力に対向する第４フリンジ位置（３０）とフィルム−シリコン境界（２２）におけるレーザマイクロ爆発の衝撃圧の競合作用ことにより生じたことが、理解される。これにより、第３フリンジ位置（２８）におけるマイクロ爆発が収容されたと考えられる。

第１フリンジ位置（２４）において臨界プラズマ密度（図２（ｂ）における（５２））に達すると、強い光反射と減衰が、入射レーザ（１２）の前方進行ビーム強度を減少させる。これにより、深いフリンジ位置（２６、２８、３０）における干渉強度が減少させられる。これにより、強レーザ加熱ゾーンの個数を制御して、フィルム内部に形成される排出セグメントの個数とナノ空洞の個数をレーザ露光変化によって変化させることができる可能性が生じる。これら原理を、図３の厚さ９４５ｎｍＳｉＮｘフィルム（１４）で実践した。ガウス形状ビームは最大フルエンス２１．６５Ｊ／ｃｍ^２とした。上面ＳＥＭ画像と断面ＳＥＭ画像（図３（ａ）（ｉ−ｖｉｉｉ））は、想定されるレーザ改質ゾーンが広がることを示す。ビーム形状は、直径１．３μｍから２μｍとし、フルエンスを増加させた。改質閾値〜３．５０Ｊ／ｃｍ^２以上において、厚さ〜６４ｎｍの第１セグメント（Ｓ１）は完全に排出され、セグメント２（Ｓ２）は破裂（３４）膨張部に形成されて直径〜１３５ｎｍの開口を有し、これを図３（ａ）（ｉ）に示す。レーザ露光は４．４６Ｊ／ｃｍ^２である。より高いフルエンス６．３７Ｊ／ｃｍ^２において、図３（ａ）（ｉｉ）に示すように、セグメント２（Ｓ２）は完全排出された。第３および第４セグメント（Ｓ３、Ｓ４）は、厚さ〜２７０ｎｍの膨張部へ溶融したと見られる（図３（ａ）（ｉｉｉ）の側面図）。その下には深さ〜２６０ｎｍのナノ空洞（５４）がある。これは図２（ｃ）の５００ｎｍフィルムのケースと同様である。これら溶融セグメント（Ｓ３、Ｓ４）は、１０．２Ｊ／ｃｍ^２フルエンスにおいて破裂膨張部（３４）を形成し（図３（ａ）（ｉｖ）の側面図）、より高い露光１５．９Ｊ／ｃｍ^２において部分的に排出され（図３（ａ）（ｖｉ）の側面図）、ビア内部に明確に視認できる円環レッジを残す。この膨張、破裂（３４）、セグメント排出による個別深さのシーケンスは、フィルム内部のより深い位置に向かってレーザフルエンスをさらに増やしながら進む（すなわち、図３（ａ）（ｖｉｉ）（ｖｉｉｉ））。このように、実験結果によれば、図１で説明した想定される事象が検証された。

レーザフルエンスを増やしながらフィルム形状を形成する様子の概略を、図３（ｂ）にグラフ的に示す。各セグメントＳ１〜Ｓ８において固体膨張部（５６）、破裂膨張部（５８）、排出膨張部（６０）を形成するための閾値フルエンスを併せて示す。形状ゾーンは垂直方向に分離され、観察した割断面（点線）にしたがって各セグメント位置を報告した。割断位置は、計算した最大ファブリペロー強度（６２）（右側にグラフ的に整列して示す）とよく揃っていた（≦±６ｎｍ）。セグメント１（Ｓ１）は、閾値フルエンス４．４６Ｊ／ｃｍ^２で排出（６０）され、セグメント２（Ｓ２）の貫通（３４）膨張部（５８）が形成された。第１セグメント（Ｓ１）について膨張フェーズ（５６または５８）は顕出されなかった。第１フリンジ位置において生成されたレーザ−プラズマは、薄（６４ｎｍ）第１セグメント（Ｓ１）を介して、固体フィルムフェーズが残ることを妨げ、膨張部を形成させる。ナノ空洞は、セグメント３と４（Ｓ３、Ｓ４）の間で開口されなかった。その結果、２つのセグメントは膨張部（５６）、貫通（５８）、排出（６０）となった。各フルエンス範囲は、図３（ａ）（（ｉｉ）−（ｖｉ））および図３（ｂ）に示すように、５．４１〜９．２４Ｊ／ｃｍ^２、９．２４〜１４．９７Ｊ／ｃｍ^２、≧１４．９７Ｊ／ｃｍ^２であった。この２層Ｓ３とＳ４の溶融は、厚さ５００ｎｍから１５４５ｎｍのＳｉＮｘフィルムにおいて見られた。これは、Ｓ３／Ｓ４境界ディスクの上方および下方の他干渉ゾーンにおいて生じる衝撃力のタイミングから、およびフィルム境界からの衝撃力によって生じるものであると思われる。これにより薄ディスクアブレーション力に対して抵抗し閉じ込める。図３（ａ）（ｉ）と図２（ｃ）は、ＳｉＮｘ−Ｓｉ境界（２２）において低閾値空洞（４０）が形成されていることを示している。その形状は、低フルエンス閾値〜３５０Ｊ／ｃｍ^２において変化し始める。

排出ＳｉＮｘセグメントの残部（すなわち、図２（ｃ）図３（ａ）（ｉｉ）における（Ｓ２）、図３（ａ）（ｖｉ）における溶融セグメント（Ｓ３）（Ｓ４））は、レーザ誘起プラズマゾーンのアレイが形成膜を燃焼および気化させなかったことを示している。よって、プラズマ面が加熱しマイクロ爆発するのにともなって、時間シーケンスにしたがって分別排出が生じることが想定される。これは、面近傍（すなわち２４）から開始し、より深い割断位置（すなわち２６、２８、３０）へ向かって進行する。この様子は図１（ａ）〜図１（ｋ）に示した。

図２に示す高屈折率シリコン基板（１６）上の厚さ５００ｎｍＳｉＮｘフィルムの例に示すような高屈折率基板上の薄透明フィルムのレーザによる干渉内部構造は、フィルム（１４）内の薄レーザ割断面（２４、２６）からフィルムセグメント（Ｓ１、Ｓ２）が分別排出されたことを検証した。実験結果によれば、フィルム厚さよりも大きい焦点深さ（ｄｆ〜２．３μｍ）により、空気−ＳｉＮｘ境界（２０）およびＳｉＮｘ−シリコン境界（２２）からビームを複数回反射させ、４つの均一間隔ファブリペローフリンジをλ／２ｎｆ＝１３１．８ｎｍ間隔で形成することができる。非線形レーザ−材料干渉（式１〜式５）はさらに、レーザ散逸を厚さ〜４５ｎｍのフラット薄ディスク（２４、２６、２８、３０）内に閉じ込める（図２（ｂ））。これらはファブリペロー最大位置に揃っており、割断面を規定して、フィルム（１４）内部を構造化（３２、３６、３８、５４）する。図２において、９×１０^１２Ｗ／ｃｍ^２の閾値強度は、臨界プラズマ密度（５２）に達する電子密度（５０）に関連する（ｎｃｒ＝４．１０×１０^２１ｃｍ^−３）。第１フリンジ位置（２４）の場合、この密度のプラズマは到着レーザ光を減衰および反射し、したがってより深いフリンジ位置における強度を閾値以下に減少させる。したがって、この閾値露光については、最上フリンジ位置のみが開口して単一のナノ空洞（３２）を形成し、またはトップセグメント（Ｓ１）のみが排出されることが想定される。

フィルム上からレーザエネルギーフローが到着すると、本例においてプラズマシールドを補償するレーザ露光の増加は、より深いフリンジ位置における電子密度を臨界密度まで増加させる。このように、複数のセグメントが排出されるが（すなわち図３）、上方のディスク爆発の衝撃圧に対して深い位置の各プラズマディスクが爆発すると、時間的に遅延すると想定される。各セグメントにおいて、図２に示すように、ナノ空洞が割断面においてフィルム内部で開口し、膨張部を形成し、膨張部が貫通し、最後に厚さλ／２ｎｆセグメントがフィルムから排出される。フィルムのより深い位置におけるフリンジ位置からの順次膨張と排出は、レーザ露光を調整してレーザ加熱ゾーンの個数を制御する新規な方法を提供する。これにより、個別のステップにおいてフィルム形状および加工深さを制御することができる。これは従来想定されていなかったことである。

本発明の別実施形態において、フィルムセグメントの順次排出を、レーザアブレーションプルームの時間解像２次元側視撮像によってモニタリングした。顕微鏡対物レンズ（５０×）を増幅ＣＣＤカメラ（ＩＣＣＤ）（Ａｎｄｏｒ、ｉＳｔａｒ ＤＨ７３４−１８Ｕ−０３）に対して用いた。ＩＣＣＤトリガゲートは、デジタル遅延生成器（ＤＤＧ）（Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｙｓｔｅｍ、ＤＧ５３５）によりレーザパルスと同期させた。レーザ繰り返しレートは、ＡＯＭにより１Ｈｚにダウンカウントした。プルーム排出は、ゲート幅３から５０ｎｓ、時間遅延０から２μｓで記録した。広範なレーザ露光条件（５０から３８０ｎＪ）で実験を実施した。シリコン基板上に厚さ５００ｎｍのＳｉＮｘフィルムを配置した（図２の例と同様）。

この順次排出の証拠は、図４（ａ）に示すように、厚さ５００ｎｍＳｉＮｘフィルムから時間ゲートＩＣＣＤ画像において観察された。個別クラスタにおいて、アブレーションプルームが低速から高速まで様々に排出されたことが記録された。その個数は、所与のレーザフルエンスで排出されるＳＥＭ観察セグメントの個数と合致した。例えばフィルムのＳＥＭ画像（図４（ｂ））は、１３．６７Ｊ／ｃｍ^２照射時、５セグメント（Ｓ１からＳ５）の排出または部分排出を示す。セグメントＳ１とＳ２は、完全排出されていることが明確に見てとれる。セグメントＳ３とＳ４は、貫通膨張部（３４）に溶融し、これら２セグメントの部分排出を示している。第４想定フリンジ位置（３０）における大ナノ空洞（５４）と、ＳｉＮｘ−Ｓｉ境界（２２）における破裂ナノ空洞（４０）の証拠は、セグメントＳ５がシリコン基板（１６）に対して破壊されたことを示すとともに、セグメントＳ５の部分排出の貫通（３４）の証拠を示している。

図４（ａ）におけるＩＣＣＤ画像フレームによって見られるように、セグメントは個別プルームクラスタにおいて排出された。これはタイムゾーン３〜９ｎｓ（Ｓ１＋Ｓ２）、１７３〜１９３ｎｓ（Ｓ３）、２３３〜３９３ｎｓ（Ｓ４）、３９３〜１４９３ｎｓ（Ｓ５）において見られる。これらを図面にマークしている。プルーム位置は、フィルム面（２０）から１８０μｍの距離まで達している。これらの観察位置を時間の関数として図４（ｃ）に示す。第５セグメントは、最終排出プルーム（Ｓ５）であると推測する。溶融した第３（Ｓ３）および第４（Ｓ４）セグメントの部分排出はほぼ区別不能であり、図４（ａ）に示すように２００ｎｓ未満の時間遅延で同時に現れる。第５セグメント（Ｓ５）は、レーザ照射時間から数百ナノ秒後に初めて見られる。したがって、３〜１０ｎｓゾーンにおいて見られる（図４（ａ））明確な排出は、第１（Ｓ１）および第２（Ｓ２）セグメントがレーザ露光直後にプルーム膨張と膜排出したことによるものであるといえる。このフルエンスにおいて、最初の２つのセグメントは明瞭かつ即座に現れ、〜２．８ｋｍ／ｓの速度で移動する。より深い層の排出は、図４（ｃ）から推測できるように、第５セグメント（Ｓ５）がはるかに遅い速度０．１ｋｍ／ｓで移動することに起因して、ずっと遅れて（１７３〜１５００ｎｓ）現れる。したがって、直接アブレートした面材料および最初の排出セグメント（Ｓ１）と（Ｓ２）は、最高速度で即座に現れる。上層を押す力は排出を遅れさせ、フィルム内に形成されるより深いセグメント（Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５）の排出速度は３０倍遅くなる。レーザ露光を低くすると、排出されたものとして観察されたセグメント数は少なくなった。これは、図３において説明したように、排出されるセグメント数が減少することに対応する。さらに、レーザ露光を減少（増加）させると、排出速度は減少（増加）した。これは、より少ない（多い）レーザエネルギーが薄干渉ディスクに対して吸収されるとアブレーション力が弱く（強く）なるからである。

本発明の実施形態において、図１（ａ）の基板上に示すフィルム（１４）は、図５（ａ）に示すように支持しなくともよい。フィルムは透明であり、空気、気体、真空、液体、プラズマ、これらの組み合わせによって囲むことができる。各面に異なる媒体を配置することもできる。様々な実施形態において、フィルムは剛体でもよいしフレキシブルでもよい。厚くてもよいし薄くてもよい。厚さが不均一であってもよいし平坦でなくともよい。エタロン、ウインドウ、ウエハ、回路基板、ＣＣＤセンサ、ＬＥＤウエハ、光ディスプレイ、生体フィルム、または組織でもよい。様々な純粋物または混合物によって形成することができる。例えばポリマ、ゲル、液体層またはシート、液体搬送大小粒子またはナノ材料、イオン液、液体流ジェット、ガラス／セラミック／ポリマ／その他任意の透明材料の流体シートであってもよい。

本発明の基礎となっているレーザ干渉は、これらフィルムの様々な実施形態において発生し、これを図５に示す。レーザ改質は、フィルムの第１境界（２０）と第２境界（２２）の一方または双方において発生することが想定され、これによりナノ空洞形成、膨張部、セグメントの分別排出が２面上で対象または非対称に生じるという、新規な側面をもたらすことができる。プロセスは図５（ａ）から開始する。図５（ａ）は、焦点干渉体積の一部を示す。入射レーザ光（１２）は、支持なし透明フィルム（１４）内部の干渉フリンジ（１８）に対して入射する。これは、境界面（２０、６４）から入射光がフレネル反射して干渉した結果である。本例において、図５（ｂ）は、レーザパルス干渉の直後を示す。散逸熱エネルギーは薄ディスクの積層アレイ（２４、２６、２８、３０）へ局所化されている。薄ディスクは４つの高干渉ゾーン（１８）に揃っている。これは図５（ａ）のフレネル反射によって形成されたものである。

本発明の以下の実施形態において、レーザ干渉はフィルムの上面（２０）と底面（６４）を対称加工する。図５（ｃ）は、材料改質閾値を超えるレーザ露光を示す。図５（ｂ）において、１番目（２４）の干渉フリンジ位置と最後（３０）の干渉フリンジ位置において２つの薄空洞（３２、５４）によってフィルム（１４）が開口されている。対応して、セグメント１（Ｓ１）とセグメント５（Ｓ５）で示すように、対向面上で２つの膨張部が形成されている。図５（ｄ）は、図５（ｃ）のＳ１とＳ５で示す膨張部の貫通（３４）を示す。レーザ露光を若干増加させている。図５（ｅ）は、レーザ露光を若干高め、図５（ｂ）の第２（２６）および第３（２８）干渉フリンジ位置において２つの空洞（３６、３８）によってフィルム（１４）が開口した様子を示す。対応して、セグメント２（Ｓ２）とセグメント４（Ｓ４）で示す２つの膨張部が形成されている。併せて第１セグメント膨張部（Ｓ１）と第５セグメント膨張部（Ｓ５）が排出されている。薄膜（Ｓ３）は、２つのナノ空洞（３６、３８）を分離する。図５（ｆ）は、図５（ｅ）のＳ２とＳ４で示す膨張部の貫通（３４）を示す。レーザ露光を若干増加させている。

本発明の以下の実施形態において、レーザ干渉は支持なしフィルムの上面（２０）と底面（６４）を非対称加工する。図５（ｇ）は、２つの面（２０、６４）上の非対称加工を示す。図５（ｃ）または図５（ｄ）と同様のレーザ露光条件を用いている。図５（ｂ）の第１（２４）および第４（３０）干渉フリンジ位置における２つの薄空洞（３２、５４）によるフィルム（１４）の開口の後、第１面（２０）においてセグメント１（Ｓ１）で示す貫通（３４）膨張部が形成され、第２面（６４）においてセグメント５（Ｓ５）の閉膨張部が形成される。図５（ｈ）は、より高いレーザ露光による非対称加工を示す。フィルム（１４）は、図５（ｂ）の第４（３０）干渉フリンジ位置において単一の薄空洞（５４）によって開口される。その後、第１面（２０）においてセグメント４（Ｓ４）で示す閉膨張部が形成され、第２面（６４）においてセグメント５（Ｓ５）で示す閉膨張部が形成される。併せて第１（Ｓ１）、第２（Ｓ２）、第３（Ｓ３）セグメントが排出される。

図５（ｉ）は、支持なしフィルム（１４）から全セグメント（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５）が反対方向に排出されている様子を示す。レーザ露光をさらに高めている。位置は図５（ｂ）の第１（２４）、第２（２６）、第３（２８）、第４（３０）干渉フリンジ位置である。透明フィルム（１４）には貫通ビア（６６）が開口している。

図５の実施形態は限定的なものではなく、その他任意の構造の組み合わせが想定されることを理解されたい。例えば空洞の数、貫通膨張部の数、排出層の数はより多くとも少なくともよい。これらの形成は、より薄いフィルムでもよいしより厚いフィルムでもよい。干渉ゾーンの個数はより多くてもよいし少なくてもよい。ビームサイズはより大きくても小さくてもよく、フィルムに対するビーム方向が異なっていてもよい。

本発明において、図１または図５に示す実施形態は多層構造を考慮していることを理解されたい。すなわち材料のタイプやフェーズの様々な組み合わせを有するものである。図６は、２つの非限定的例を示す。基板（１６）上の透明フィルムの２層（上図）と複層（下図）の材料構造を示している。屈折率はｎｊ、厚さはｚｊであり、ｊは層番号である。これら層は基板による支持なしでもよい。これら層は透明でもよいし、透明／部分透明／散乱／非透明層の組み合わせでもよい。これら例における構造は、空中、ガス中、真空中、液体中、プラズマ中、これらの組み合わせのなかに配置することができる。対向面に異なる媒質を配置してもよい。層構造は、剛体でもよいしフレキシブルでもよい。厚くてもよいし薄くてもよい。厚さが不均一または凹凸であってもよい。エタロン、ウインドウ、ウエハ、回路基板、ＣＣＤセンサ、ＬＥＤウエハ、光ディスプレイ、生体フィルム、組織であってもよい。様々な純材料または混合物からなるものであってもよい。例えばポリマ、ゲル、液体層またはシート、液体搬送大小粒子またはナノ材料、イオン流体、液体ジェット、ガラスまたはセラミックの流体が挙げられる。

この多層構造（図６）において、層の光学的設計（ｊ、ｚｊ、ｎｊの値）は、光学干渉物理の分野における当業者が好適に設計することにより、層構造の特定のまたは複数の好適位置における光干渉プロファイル（６８）と最大フリンジ位置を調整することができる。レーザ加工は制御可能であり、図６に示すように構造の第１境界（７０）と最終境界（７２）の一方または双方において生じさせることができる。あるいは中間境界のいずれか１つ、選択した１つまたは複数、もしくはすべてにおいて生じさせることができる。このレーザ加工は、ナノ空洞形成、膨張部、セグメントの分別排出の新規な態様が、指定した境界面上で対称または非対称に生じることを含む。これらはレーザ干渉が各フィルム層のいくつかまたはすべてにおける最大ファブリペロー干渉位置（６８）内部に閉じ込められることによるものである。

非限定的例として、図６は基板（１６）上の２層（上図）および複層（下図）フィルム構造を示す。焦点干渉体積の一部において、最大フリンジ干渉位置（６８）における薄干渉ゾーンに対して入射レーザ光（１２）が入射する。これは複数境界面からの入射光のフレネル反射が干渉した結果である。フリンジ間隔は、λ／２ｎｊにしたがって層毎に異なる。レーザ露光を適切に実施すると、本発明において、ナノ空洞、膨張部、分別排出ディスクが薄干渉ゾーンのいずれかまたは複数から生じる。これにより、図１から図５で説明した内部構造と面構造の様々な組み合わせが生じる。レーザ加工構造において２以上のフィルム層が存在する場合、いずれか１つの層、複数の層、または全ての層の厚さは４分の１波長よりも小さいことを理解されたい。すなわちｚｊ＜λ／４ｎｊである。これにより、最大干渉フリンジは層の大部分にわたって延伸し、あるいは１以上の薄層全体にわたって延伸する。それ以外であれば、いずれか１以上の層内で整列が崩れる。したがって本発明は、ナノ空洞、膨張部、分別排出ディスクが単一の薄レーザ干渉ゾーンから生じ、この干渉ゾーンは薄フィルム層の１以上にわたって延伸することを想定している。

本発明において、透明フィルム内部における分別面排出とナノ空洞形成の様々な組み合わせにより、レーザ露光を変化させて、光学部品、ナノ流体部品、ＭＥＭｓ部品の新規な組み合わせを製造する新たな手段を提供することができる。図７は、マイクロおよびナノ流体デバイスを製造する概念を示す。同デバイスは、様々な容器（７４）を包含する。容器（７４）は、開放チャネル（７６）と埋め込みチャネル（７８）の様々なタイプに対して接続されている。これは、埋め込み壁（８２）と蛇行チャネル（８４）を有する混合チャネル（８０）を含む。さらに、フレネルレンズ（８６）とブレーズド格子（８８）、大面積膜センサ（９０）を有する。この多機能デバイス設計は、大面積にわたって光学部品、ナノ流体部品、ＭＥＭｓ部品を組み合わせたものであり、フィルムが本発明の干渉レーザ加工によって改質された場合はフィルム色の変化を含む。この非限定的例は、シリコン基板（１６）上の厚さ５００ｎｍＳｉＮｘフィルム（１４）を示す。図１のプロセスのいくつかにしたがって生成される形状を備えている。図１と図７において、図１（ｂ）に示すレーザ干渉の４つの薄ディスクゾーン（２４、２６、２８、３０）が生成される。図７に示すレーザ構造化デバイスは、シリコンウエハ上のマイクロ電子およびＣＣＤデバイス上にコートされたフィルム内に製造することができる。これにより、柔軟で有用な統合プラットフォームを提供することができる。あるいは、支持なしフィルムの実施形態（図５）や複数構造の実施形態（図６）、その他本明細書が記載する実施形態において提供することができる。

本発明は、干渉レーザ製造をより大きい加工領域に対して拡張することができる。本発明の実施形態において、パルスエネルギーとビームサイズをスケールアップし、例えば図７に示すようにフィルムを大径ＭＥＭＳデバイス（９０）へ膨張させることにより、大領域加工を想定する。ただし均一加工するためには、フラットトップビームプロファイルまたは均一ビームプロファイルへ集束させる必要がある。本レーザシステムによれば、略均一ビームは最大半径〜０．７５μｍまでにおいてのみ得られた。これは、レンズの回折限界によるものである。このビームプロファイルにより、図９および以下に示す排出面において、より均一なナノ空洞と膨張部の形状が生成された。

本発明の実施形態において、集束レーザビームの１．５μｍスポットサイズ超の大領域構造化を、各レーザスポットのアレイを結合することにより実施する。スポットサイズ０．７５μｍの略均一正方形ビームの場合において、レーザスポットの様々なグリッドパターンを様々なレーザ露光において実験し、結合を最適化するとともに図１０に示すように大領域にわたって均一形状を生成した。このように、第１（Ｓ１）、第２（Ｓ２）、または第３（Ｓ３）セグメントに対する各レーザ排出ゾーンは、大スキャン領域にわたって再現性よく結合することができる。深さは、図７（ｉ）（ｉｉ）（ｉｉｉ）に示す２９ｎｍ、１６１ｎｍ、２９３ｎｍにおける想定フリンジ位置に揃えられている。フィルムは厚さ５００ｎｍのＳｉＮｘである。興味深いことに、第１セグメント（Ｓ１）は緊密パターン化アレイ（９２）において個別レーザスポットの排出閾値以下の場合のみ、容易に除去された。レーザ衝撃は、隣接露光サイトにおいて弱結合した第１セグメント（Ｓ１）を除去することをアシストする。第１セグメント層の除去により、相対的に滑らかな形状（９２）を提供することができる。これは、薄フィルム干渉によって色が最初の積層５００ｎｍフィルムの緑（９４）からフィルム残部４７１ｎｍの赤（９６）へシフトすることにおいて、現れている。この様子は、図７（ｉ）の画像および図１１に見られる。高フルエンス露光により、多くのセグメント（図７（ｉｉ）におけるＳ１とＳ２（９８）、および図７（ｉｉｉ）におけるＳ１、Ｓ２、Ｓ３（１００））の再現可能な排出を、大アレイへ結合することができる。それぞれ、切除はより深い１６１ｎｍと２９３ｎｍに達する。ただしアブレーション残骸がサブ波長光学スケールにおいてより増加したと見られる。これは図７（ｉｉｉ）の第３セグメント排出において最も顕著である。この残骸により、光が強く散乱し、薄フィルム干渉効果を弱めてグレー色（１０２）を生じさせる。これは、第２および第３セグメント排出の場合において見られる（それぞれ図７（ｉｉ）と（ｉｉｉ））。

本発明の別実施形態において、別のフリンジレベル排出を組み合わせて、１層以上のフィルムの面上に１次元または２次元のナノ空洞、膨張部、分別排出サイトの組み合わせを柔軟にパターン化する。これにより例えば図７に示すように、複数層容器（１０４）、その他統合複数層面（７６、８０、８４、８６、８８）、埋め込みデバイス（７８、９０）を生成する。本例における面粗さとアブレーション残骸によらず、排出高さが異なることにより（９２、９８、１００）、平坦底構造の周りに柱（１０６）を形成することができる。これは、セグメントＳ１とＳ２（９８）またはＳ１、Ｓ２、Ｓ３（１００）を排出することにより形成される。この様子を図７（ｉｖ）のＳＥＭ画像に示した。この複数層構造を適用して、埋め込み壁（８２）を有するマイクロ流体ミキサチャネル（８０）、フレネル光学レンズ（８６）、ブレーズド光格子（８８）を生成することができる。色は緑（９４）、赤（９６）、グレー（１０２）であり、図７（ｖ）（ｖｉ）（ｖｉｉ）の光学画像に示すようにパターン化されている。

先に説明したように（図２と図３）、ナノ空洞（３６、３８、５４）は排出セグメント層下（図７（ｉ）〜（ｉｉｉ））においてフィルム（１４）内部で開口する。レーザ露光スポットの集積アレイ下において埋め込み空洞（３８）をリンクすることは、図７（ｖｉｉｉ）のＳＥＭ画像に示すように、第３フリンジ位置（２８）において生じる。これにより、図７に示す様々な容器をリンクする埋め込みナノ流体チャネル（７８）を形成する手段を提供することができる。この接続された空洞はさらに、光学的欠陥を規定する。この光学的欠陥は、センシングやメモリ装置における有用な光学特性を有する。複数層構造を適切に光学設計することにより、適切に配置された接続空洞のアレイは、中空光ガイドまたは光学格子カプラとして動作することができる。

本発明の実施形態の統合を図８に示す。シリコン基板上の厚さ５００ｎｍＳｉＮｘフィルムにおける複数部品デバイスの光学画像を示している。干渉レーザ加工を適用して、３つの異なる排出レベルＳ１（９２）、Ｓ１およびＳ２（９８）、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３（１００）をパターン化した。フレネルレンズ（８６）、ブレーズド格子（８８）、単一深さ（７４）および複数レベル（１０８）容器、直線チャネル（７６）、蛇行チャネル（８４）、交差チャネル（１１０）、混合チャネル（８０）を製造した例を組み合わせた。図７に示すように１つのセグメント層（Ｓ１）のみが排出されたチャネルにおいては、フィルムの緑色（９４）は赤（９６）へシフトする。その他デバイスはグレー（１０２）である。これはより深いセグメントが排出されて粗構造となっているからである。

本開示の１実施形態において、薄フィルムのデジタルレーザ加工によって生じさせるナノ空洞、膨張部、セグメント排出を、より大きい均一な加工領域に対して拡張する。１アプローチにおいて、レーザビームは開口によってマスクされ、トップハットビームプロファイルを形成する。これを撮像レンズによって直径〜１．５μｍへ縮小した。レンズの解像度が〜０．５μｍであることにより回折限界があるが、観察されたフィルム膨張と排出は、形状の均一性が改善されていた。この様子を、図９におけるｃ−シリコン基板（１６）上の厚さ５００ｎｍＳｉＮｘフィルム（１４）の断面ＳＥＭ像に示す。これはガウス形状レーザプロファイル（図２〜図４）とは対照的である。９３．５ｍＪ／ｃｍ^２におけるセグメント１（Ｓ１）の膨張（図９（ｉ））に続いて、図９（ｉｉ）における１４０．２ｍＪ／ｃｍ^２におけるＳ１の部分排出および第２（２６）第４（３０）ファブリペロー最大フリンジ位置におけるナノ空洞（３６と５４）が生じている。したがって、４つのセグメント（Ｓ１、Ｓ２、溶融したＳ３とＳ４、Ｓ５）は、このレーザフルエンスにおける干渉スクライブによってフィルム内に現れている。ナノ空洞として現れるレーザ誘起ダメージ（４０）も、第１セグメント（Ｓ１）（図９（ｉ））の膨張の閾値フルエンスにおけるＳｉＮｘ−シリコン境界（２２）において明らかである。これはシリコンのダメージ閾値が低いことによる。より高い３０３．８ｍＪ／ｃｍ^２において、セグメント１（Ｓ１）とセグメント２（Ｓ２）の均一排出を図９（ｉｉｉ）に示した。併せて２つの膨張部が形成された。１つは閉膨張部（溶融セグメントＳ３とＳ４）であり、１つは破損している（Ｓ５）。下方のナノ空洞（５４と４０）の証拠は、第４フリンジ位置（３０）とＳｉＮｘ−Ｓｉ境界（２２）である。この略均一ビームプロファイルで利用可能な最大露光（４３６．２ｍＪ／ｃｍ^２）において、図９（ｉｖ）にはさらなる層排出は見られない。ただしセグメント５（Ｓ５）はより完全に分離され、セグメント３と４は図２〜図４におけるガウスビーム露光で説明したように溶融したままである。このトップハットビーム形状により、フルエンス露光を増やしてセグメントを完全かつ均一に排出するように改善されたことが分かる。

表面に対するレーザビーム配信について、本発明の様々な実施形態を想定することができる。焦点ビームウエストを、加工する構造の上方または下方に配置して、スポットサイズとビーム広がりを変化させることができる。この広がりを適用して、フリンジ位置をフィルムの横方向に変化させることができる。あるいは曲線フリンジパターンを生成することができる。これにより、空洞と膨張部（セグメント）の非平面形状を形成することができる。レーザビームプロファイルは、考えられる任意形状でよい。例えばガウス形状、Ｓｉｎｃ、ベッセル、トップハット、正方形、長方形、直線、グリッドが挙げられる。光学分野の当業者がよく知っているビーム整形マスクやデバイスを適用して、光学的限界の範囲内で任意のビームパターンまたはプロファイルを生成することができる。これにより、加工や加工深さを変化させ、正弦レーザビームによってナノ空洞、膨張部、貫通膨張部、分別排出サイトの柔軟なパターンを生成することができる。レーザビームは自身と干渉し得る。これは例えばホログラフィック手段を介して、または位相マスクを用いることによる。これにより、面上に横方向フリンジパターンを形成することができる。したがって空洞、膨張部、分別排出レベルのパターンを変化させることができる。これは、本発明における干渉レーザ加工を制御する局所配信レーザエネルギーにしたがって局所的に生じるものである。

本開示の別実施形態において、より大きく均一な排出ゾーンを示す。レーザ露光は、略均一正方形ビームプロファイル（１．５μｍ×１．５μｍ）である。これを正方形グリッドの六角形パターンでラスタスキャンした。厚さ５００ｎｍのＳｉＮｘフィルム（１４）をｃ−シリコン基板（１６）上に配置した。スポット間オフセットとレーザフルエンスを変化させた。レーザ露光と間隔の組み合わせを最適化して、層を均一排出するとともに巻き添えダメージとアブレーション残骸を最小化することができる。図１０（ａ）（ｉ）〜（ｖ）は、ＳＥＭ画像を示す。オフセット０．６４〜０．８μｍの六角形パターンに対して３９６ｍＪ／ｃｍ^２フルエンスと３３９ｍＪ／ｃｍ^２フルエンスを比較している。０．８μｍオフセット（ｉ）において、３９６ｍＪ／ｃｍ^２により、セグメント１（Ｓ１）が密集して個別排出され、より大きいオフセットにおいては第１セグメントは排出されなかった。オフセットを０．８μｍ（ｉ）から０．７２μｍへ減らすと（図１０（ａ）（ｉｉｉ））、セグメント２（Ｓ２）が排出された。０．６８μｍオフセットにおいて、セグメント２の排出ゾーンが連結され、形状（９８）は最も均一になった（図１０（ａ）（ｉｖ））。露光フルエンスを３３９ｍＪ／ｃｍ^２に下げると、同様のＳＥＭ画像シーケンス図１０（ｂ）（ｉ）〜（ｖ）に示すように、第２層を排出させる閾値オフセットは、０．７２μｍ（図１０（ａ）（ｉｉｉ））から０．６８μｍ（図１０（ｂ）（ｉｖ））へシフトした。Ｓ２（９８）の均一排出のための最適オフセットは、０．６８μｍ（図１０（ａ）（ｉｖ））から０．６４μｍ（図１０（ｂ）（ｖ））へシフトした。したがって、スポット間オフセットとレーザフルエンスを調整して、柔軟に加工して排出ゾーン形状を制御するとともに分別排出および膨張部を大領域へ拡張することができる。

単一パルス露光によって大領域パターンを生成する他アプローチとして、８００ｎｍ波長の超高速レーザを１００ｆｓ適用した。１ｍＪ以上のパルスエネルギーにより、本干渉加工法を用いて大領域ナノ空洞および／または膨張部を形成した。焦点位置を面から遠ざけるようにシフトすることにより、直径２０μｍ超の膨張部とナノ空洞を、円柱集束の円形ビームまたは長さ１００μｍ以上の直線を用いて、同様のＳｉＮｘコートシリコン基板に対して大領域に形成した。

本発明の実施形態において、レーザのスペクトルコヒーレンスまたは光帯域幅を、レーザ当業者がよく知る態様で調整し、干渉フリンジ視認性を制御して高コントラストフリンジと低コントラストフリンジがフィルムまたは複数層フィルム構造にわたって変化するようにする。このように、空洞、膨張部、分別排出ゾーンの形成閾値は、フィルム内の異なる位置で励起するように変化させることができる。例えば低スペクトルコヒーレンスの場合の底面近傍（第１フリンジ位置（２４））から、高コヒーレンスの場合の上面（最終または最底フリンジ位置）である。これは、底境界面が上境界面よりも大幅に大きい反射率を有し、これにより全ての波長を固定して最高反射境界に最も近い共通フリンジを形成する場合と同様のものである。このアプローチは、フィルム厚さが増えるとより効果的である。厚い基板においては、フリンジパターンは高反射境界面近傍においてのみ存在するか、または特定のフィルム層内の選択した位置に調整することができる。フリンジ視認性を制御するアプローチは、２以上のレーザを組み合わせて個別の干渉パターンが特定フリンジコントラストを増加または減少させるようにすることにより、さらに拡張することができる。これにより、第１フリンジ（２４）、第２フリンジ（２６）、第３フリンジ（２８）、および残りフリンジにおける干渉ゾーンが増加レーザ露光によって励起する順番を変化させることができる。したがって光学分野の当業者は、図２に示すような、図１（ｂ）（ｅ）の低フルエンス第１フリンジ位置（２４）から開始して図１（ｋ）の最終セグメントＳ５の排出に至る膨張と排出のシーケンスを変更することができる、様々なビーム配信制御手段を有している。本発明は、単一レーザパルス配信または複数パルス配信に基づく様々な実施形態を想定している。これは、同一／類似／異なるパルスエネルギーを有するバーストパルストレインを含む。これにより、上述と同じレーザ干渉加工を用いて、ナノ空洞、膨張部、分別排出ゾーン、これらの組み合わせを形成することができる。

本発明は、レーザパルス時間を調整または変化させて、フリンジ間の熱散逸よりも短い時間スケールで、干渉パターンを生成することを想定している。すなわち、τｄ＝λ^２／６４ｎｆ^２Ｄよりも短い時間である。レーザ干渉の間に生じる熱散逸の程度を用いて、最大フリンジ位置に置いてフリンジ干渉ゾーン内に誘起される厚さとピーク温度を制御することができる。これにより、ナノ空洞と膨張部の形状を変化させるとともに、分別排出の加工深さを変化させることができる。例えばこの熱散逸時間τｄは、シリコンフィルムのような良好な熱導体における４ｐｓから、ＰＭＭＡポリマのような熱絶縁体における１７ｎｓまでにわたって変化し得る。これにより、フェムト秒領域、ピコ秒領域、ナノ秒領域においてレーザを用いる際に大きな許容度が与えられる。したがって、パルス時間０．１ｆｓから１００ｎｓのパルスレーザは、本発明を実施するのに好適な範囲である。

図１１は、ｃ−シリコン基板上のＳｉＮｘフィルムの厚さの関数として計算した法線入射におけるスペクトル反射率を示す。垂直点線は、フィルム厚さ５００ｎｍ（フィルムの全厚さ）と４７１ｎｍ（第１セグメント（Ｓ１）排出後のフィルム厚さ）における反射率スペクトルを示す。可視光を照射したとき光学顕微鏡下で観察される、最も明るいフリンジ上において視認する緑（５０８ｎｍ波長）から赤（６３２ｎｍ波長）へのシフトを予測している。

本発明の他実施形態において、ＳｉＮｘフィルムの分別排出は、厚さ５００ｎｍフィルム（図７（ｉ）〜（ｉｉｉ））において観察される色変化をもたらす。これは、薄フィルム光学干渉効果によって生じるものである。フレネル反射ｒ１、ｒ１’、ｒ２と伝搬係数ｔ１、ｔ１’にしたがって、空気−ＳｉＮｘ（１）境界とＳｉＮｘ−シリコン（２）境界の内部および外部反射について、屈折率ｎｆの薄フィルム境界の反射スペクトル（ｒ）とスペクトル反射率（Ｒ）を、フィルム厚さ（ｚ）の関数として式６と式７により計算した。入射角は法線方向（θ＝０）とした。

位相差δ＝４πｎｆｚｃｏｓ（０）／λにおいて、反射率の波長依存性が見られた。これを可視スペクトル（λ＝４００〜７５０ｎｍ）上で計算し、フィルム厚さの関数として図１１のようにプロットした。厚さ５００ｎｍＳｉＮｘフィルムについて、法線照射において計算した反射率は、２つの強い反射率ピークを示した。中心波長は５０８ｎｍ（緑）と４１２ｎｍ（紫）である。５００〜５２０ｎｍにおいて相対的に１０００倍強い人間の眼の応答は、この厚さに置いて支配的である緑（９４）波長を好む。これは、図１１における顕微鏡画像の非加工面に見られる。均一アレイパターンにおいて第１セグメント（Ｓ１）が排出されると（９２）、残り厚さ４７１ｎｍのフィルムは、強度ピーク６３２ｎｍ（明るい赤）、４８１ｎｍ（青）、３９１ｎｍ（紫）へシフトする。人間の眼は、６３２ｎｍと４８１ｎｍ波長については同等に応答し、３９１ｎｍ波長光における応答は非常に小さい。明るい赤色（９６）は、タングステンランプによって照射した６３２ｎｍ光のスペクトル強度の場合は支配的である。これは、第１セグメント深さが排出されたフィルムにおいて見られる明るい赤色の証拠である（図１１）。図１１におけるモデルからは、より深いセグメントの排出にともなって薄くなることによりフィルム色がさらに変化することが想定される。これは、セグメントＳ１＋Ｓ２、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３、Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４の排出に対応する垂直点線によって示している。この個別ステップにおける薄膜化の結果として、観察される波長フリンジの個数と短波長シフトの個数が、個別制御可能な、厚さ３３９ｎｍにおける波長６７８ｎｍおよび４６２ｎｍ、厚さ２０７ｎｍにおける４２５ｎｍ、シリコン上の残セグメントＳ５に対応する厚さ７６ｎｍにおける３９０ｎｍへ減少する。色は視認角（図１１に示すθ＝０°）にともなって変化することが想定される。

本発明はさらに、干渉条件におけるπ位相シフト（すなわち、δ＝π＋４πｎｆｚｃｏｓ（０）／λ）を想定している。これは例えば、ＳｉＮｘ−Ｓｉ境界（２２）においてナノ空洞（４０）が形成されＳｉＮｘ−空気境界が生成された場合のものである。深いセグメントからの色変化を実際に観察することは、面粗さとアブレーション残骸からの光散乱によって妨げられる。これにより、レーザ露光および／または加工面の化学洗浄をさらに調整できることが期待される。これに代えて、より大領域の排出ゾーン（すなわち、１００ｆｓおよび８００ｎｍレーザで直径１０μｍ、パルスエネルギー＞１ｍＪ）を形成することにより、深いセグメント層において均一に色変化させることができる。

例えば図１（ｃ）（ｅ）（ｇ）における閉膨張部の形成および同様の証拠も、色変化を生じさせる。これは、光学当業者が容易に計算することができる態様で光学干渉を改質させる別の薄空気層が存在することに起因するものである。したがって本発明により、既定個数のセグメントを排出することおよびナノ空洞の形成を通じて、広範なフィルム色を利用することができる。図１（ａ）に示す第１層（Ｓ１）膨張部の形成の証拠は、面下方でナノ空洞を内部生成することにより制御可能な色を有する未加工連続面を提供する際に特に有用である。この手段は、反射防止面を生成して光起電部品や光学部品における吸収を増加させる際にも有用である。

基板上にコートされた薄フィルム（図１）、支持なしフィルム（図５）、および複数層フィルム（図６）としてこれまで説明した実施形態は、構造が柔軟な形状で屈曲し、曲線であり、あるいは捻じれている場合であっても、干渉レーザ加工の本発明をサポートできることを理解されたい。捻じれたまたは曲がった構造によって生じる光干渉パターンの間隔を、光波長に近い捻じれ形状とサイズに適合させ、これによりレーザ干渉ゾーンをこれら曲がった形状上に形成することができる。非限定的例として、図１２（ａ）は入射光（１２）が干渉ゾーン（フリンジパターン）（１８）に対して入射する焦点干渉体積の部分を示す。これは、フレキシブルまたは屈曲支持なし透明フィルム内部に存在するものであり、境界面（２０と６４）からの入射光のフレネル反射の干渉の結果である。それぞれ、上面（１１２）または底面（１１４）を照射する小径レーザビーム、時間シーケンスでまたは同時に底面（１１６）の隣接位置を照射する複数レーザパルス、上面（１１８）を照射する大領域レーザビーム、の場合を示す。高強度干渉ゾーンにより、フリンジ位置（２４、２６、２８、３０）において散逸レーザエネルギーは薄ディスクの積層アレイに対して局所化される。

図１２（ｂ）は、このパルスレーザ干渉の後における、散逸レーザエネルギーの局所化を示す。図１２（ａ）のフレネル反射によって形成された高強度干渉ゾーンに揃っている。これにより、上面と底面において様々な対称構造または非対称構造が形成される：（１）最終干渉フリンジ位置（図１２（ａ）の（３０））における薄空洞（５４）による非対称なフィルム開口（１２０）、最初の３セグメント（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）の排出およびその結果形成される対向面上のセグメント４（Ｓ４）と５（Ｓ５）で示す２つの膨張部；（２）第２および第３干渉フリンジ位置（符号（１１４）に対応する図１２（ａ）の（２６、２８））における２つの薄空洞（３６、３８）による対称なフィルム開口（１２２）、第１（Ｓ１）および最終（Ｓ５）セグメントの排出、その結果形成される対向面上のセグメント２（Ｓ２）と４（Ｓ４）で示す２つの膨張部；（３）第１および最終干渉フリンジ位置（符号（１１８）に対応する図１２（ａ）における（２４、３０））における２つの薄空洞（３２、５４）による大領域レーザビームを用いた大領域にわたる対称なフィルム開口（１２４）、およびその結果形成される対向面上のセグメント１（Ｓ１）と５（Ｓ５）で示す２つの膨張部；（４）第１および最終干渉フリンジ位置（符号（１１６）に対応する図１２（ａ）における（２４、３０））２つの薄空洞（３２、５４）に対する隣接レーザパルス（１１６）を用いた大領域にわたる対称なフィルム開口（１２６）、およびその結果形成される対向面におけるセグメント１（Ｓ１）と５（Ｓ５）で示す膨張部アレイ、膨張部は空洞（３２、５４）と接続され、接続された埋め込みナノチャネル（７８）または空洞とＭＥＭｓデバイス（９０）を形成する。ナノ空洞、膨張部、分別排出のその他組み合わせも可能であること、および形成される構造はフィルム厚さによって変わりあるいは複数層フィルムその他本明細書の実施形態に拡張し得ることを理解されたい。

本発明の実施形態において、図１２（ｃ）は、入射光（１２）が光透過フィルム（１４）内部の薄干渉ゾーン（２４、２６、２８、３０）に対して入射する焦点干渉体積の部分（１２８）を示す。干渉ゾーンは、屈曲、球面、円柱、または非平面基板（１６）と同形に形成されている。これは、曲境界面（２０、２２）からの入射光のフレネル反射の干渉の結果である。さらに、レーザパルス干渉の後における例を示す。セグメント（Ｓ１）（１３０）の貫通（３４）膨張部の形成、第１（Ｓ２）および第２（Ｓ２）セグメントの排出（１３２）を示している。これは、第３セグメント（Ｓ３）において貫通（３４）膨張部が形成され、第１セグメント（Ｓ１）（１３４）が排出された結果である。これは、第２セグメント（Ｓ２）において閉膨張部が形成された結果である。これらは図１（ｄ）（ｈ）（ｅ）に示すものと同様の構造を規定する。ナノ空洞、膨張部、分別排出のその他組み合わせも可能であることを理解されたい。これらは、フィルム厚さが変わりあるいは複数層フィルムその他本明細書の実施形態に拡張されることにより、様々な形状と個数を有する構造を形成する。

本発明の他実施形態において、図１３は、入射光（１２）が透明液体またはゲルまたは材料（１３６）内部の明フリンジパターン（１８）において薄干渉ゾーン（２４、２６、２８、３０）に対して入射する焦点干渉体積の部分を示す。液体は、基板（１６）内のウェルまたはチャネルまたは容器（１３８）またはＶチャネル（１４０）に充填されている。これは、境界面（２０、２２）からの入射光（１２）のフレネル反射の干渉の結果である。レーザパルス干渉の直後において、高強度干渉ゾーンに揃った散逸レーザエネルギーの局所化を示す。これは、材料改質の閾値を超えるフレネル反射によって形成されたものである。これにともなって以下が形成される：（１）第２干渉フリンジ位置（２６）における薄空洞（３６）による液体またはゲルの開口（１４２）、対応する積滞またはゲルの制御された体積の排出、これは拡張する薄空洞（３６）からの運動量伝搬によって体積セグメント１（Ｓ１）から生じたものである；（２）セグメント１（Ｓ１）と２（Ｓ２）で示す２つの体積から生じる、液体またはゲルの２つの制御された体積の排出（１４４）；（３）液体またはゲル（１３６）の第１干渉フリンジ位置（２４）における干渉フリンジ（１８）を形成するように構成されたＶ型チャネル（１４０）内の薄空洞（３２）による液体またはゲルの開口（１４６）。様々な形状のウェルを有するこの材料（１３６）のレーザ加工により、制御可能な量の薬剤、生体材料、検体、ナノ粒子を、第２基板（図示せず）に対して配送することができる。これは、拡張ナノ空洞（３２、３６、３８、５４、４０）からの排出または射出によるものである。あるいは、印刷において適用することにより、制御された量のインクやダイを排出し、制御された体積のナノ空洞を形成することができる。

これまで説明した本発明の実施形態は、フィルム構造に対してレーザビームが法線入射されることを想定している。他実施形態において、レーザビームは表面に対して、グレージング角（法線入射からみてθｉ＝９０°）から法線角（θｉ＝０°）にわたる角度で照射することができる。角度を増加させるとビーム領域が広がり、スネルの屈折法則にしたがって各層内における伝搬角度も変化する。これにより、λ／２ｎｊｃｏｓθｊにしたがって、各フィルム層内部におけるレーザ干渉ゾーンのフリンジ間隔を調整する手段を提供することができる。θｊは、層ｊにおけるレーザビームの境界法線方向に対する伝搬角度である。これに代えて、フリンジ間隔を調整するため、レーザ波長を調整または変化させることができる。セグメント厚さは、５２２、８００、１０４４ｎｍ波長の法線入射におけるλ／２ｎｊフリンジ間隔と正確に合致する。

非限定的例として、図１４（ａ）は図５ａと同様のものであり、支持なし透明フィルム（１４）内部におけるフリンジパターン（１８）上で入射光（１２）が薄干渉ゾーンに対して入射する焦点干渉体積の部分を示す。これは、境界面（２０、６４）からの入射光のフレネル反射の干渉の結果である。第１面（２０）の法線入射における入射光の光線軌道（１４８）は、屈折した後にフィルム（１４）内部において複数回反射（１５０）する。これは、境界面（２０、６４）に対する法線入射における内部フレネル反射に起因するものである。これにより、フリンジ間隔λ／２ｎｒと境界面（２０、６４）に対して平行なフリンジが生じる。

他の非限定的例において、図１４（ｂ）は図１４（ａ）の変形例を示す。レーザビーム（１２）は異なる角度から到着する。光線軌道（１５２）は、面（２０）法線方向（点線）に対して角度θｉである。第１面（２０）における屈折に続いて、内部屈折した光線（１５４）はフィルム（１４）内部で複数回反射（１５６、１５８）する。これは、境界面（２０、６４）におけるフレネル反射に起因するものであり、面（２０、６４）の法線方向（点線）に対して屈折角θで伝搬する。これにより、フリンジ間隔λ／２ｎｆｃｏｓθの別干渉パターン（１６０）が形成され、干渉フリンジは境界面（２０、６４）に対して平行に揃えられる。

本発明は、複数ビームを配送して材料内部の加工位置で重ね合わせることを想定している。これにより、入射ビームの波長および／または入射ビームの角度および／または入射ビームの入射位置にしたがって制御された干渉パターンを組み合わせる。このように、光学分野の当業者は、干渉パターン全体のなかの特定フリンジを拡張および減少させて、選択したフリンジ位置のいずれか１つまたは組み合わせにおいて、薄ゾーンレーザ干渉を生じさせることができる。本発明の実施形態において、レーザビームはフィルムまたは複数層構造の両面から入射することができる。これに代えてレーザビームは、フィルム構造の対向面から構造に対して向けて、同期到着または時間遅延して到着させることができる（すなわち、図１、５、６、１２、１３の上面と底面の両方から）。本発明の実施形態は、ファブリペロー空洞内部に配置された材料またはデバイスの干渉レーザ加工を含む。これにより、材料境界面から生成されたのみではコントラストが不十分である場合においても、ファブリペローからの高コントラスト干渉フリンジの利点を利用して、材料内で強薄レーザ干渉ゾーンを生成することができる。関連実施形態は、単一ミラーまたは反射器とともに組み合わせによって材料内部で強薄レーザ干渉ゾーンを生成するレーザビームの干渉パターンを生じさせるサンプルを用いることを含む。

非限定的例において、図１４（ｃ）は図１４（ｂ）と同じ要素を示す。ただしフィルム（１４）下方から第１ビーム（１２）とは異なる角度で到着する第２レーザビーム（１６２）を追加している。光線軌道（１６６）は境界面（６４）の法線方向（点線）に対して入射角Φｉである。底面（６４）からの屈折に続いて、内部屈折光線（１６８）は境界面（２０、６４）の法線方向（点線）に対して屈折角Φで伝搬し、上面（２０）において屈折し、透過光線（１７としてフィルム（１４）を出射する。境界面（２０、６４）における低フレネル反射の場合、弱い内部複数反射により、弱いコントラストと低視認性干渉フリンジが形成される。これは、フィルム（１４）の下方（１６２）または上方（１２）からの入射ビームの自干渉によるものである。支持なし透明フィルム（１４）は、干渉ゾーンに対する入射レーザ光ビーム（１２、１６２）が重なり合う領域において別の焦点干渉体積が形成されていることを示す。干渉ゾーンは、フィルム（１４）内部のフリンジパターン（１７２）上に形成されている。これは、２つのレーザビーム（１２、１６２）の干渉結果である。これら２つのビームは、例えば外部ビーム分離光ビーム配送システムを用いることにより、互いにコヒーレントに構成されている。内部境界面反射による影響が少なく光干渉パターンが“外部”生成される場合、光干渉パターン（１７２）は図１４（ａ）（ｂ）の場合から変更される。フリンジ間隔はλ／２ｎｆｃｏｓ［（θ＋Φ）／２］、干渉フリンジは境界面（２０、６４）に対して角度（θ−Φ）／２で回転する。したがって本発明は、入射コヒーレントレーザ源を組み合わせることにより、いわゆる“外部”光干渉パターン（１７２）のさらに柔軟な構成を提供することを想定している。これは、材料内部で生成されるものであり、材料の境界面（２０、６４）における内部反射に依拠しない。

本発明の他の非限定的例において、図１４（ｄ）は図１４（ｂ）（ｃ）の要素を組み合わせている。相互コヒーレントな２つの重なる入射ビームレーザ光（１２、１６２）が干渉ゾーンの２次元アレイに対して入射する焦点干渉体積の部分を示す。干渉ゾーンは支持なし透明フィルム（１４）内部のフリンジパターン（１７６）上に形成されている。これはフレネル反射（光線（１５４、１６８））の干渉および入射光の境界面（２０、６４）からの反射（光線（１５６、１７４））の結果である。この２次元光干渉パターンは、光線軌道（１５４、１５６、１６８、１７４）を有する４つの面内光ビームから生じる場合もある。これにより、２つのコヒーレントビーム（１２）と（１６２）により外部生成（１７２）された干渉要素と、境界面（２０、６４）のフレネル反射によって内部生成（１６０）された干渉要素とを組み合わせることができる。

本発明はさらに、光フリンジの最大強度にしたがってレーザ干渉の小ゾーンまたは狭ゾーンを生成することを想定している。これは、本明細書が示す光干渉の“内部”証拠（図１４（ａ）または（ｂ））と“外部”証拠（図１４（ｃ））のいずれかまたは組み合わせによって形成されるものである。したがって本発明は、小レーザ干渉ゾーンの利用可能形状の広範な変形物を想定している。これは、１次元／２次元／３次元の光干渉から期待されるものにしたがったものである。すなわち、空洞、膨張部、貫通膨張部、セグメント分別排出を３次元面上に形成されたレーザ開口干渉ゾーン上で構造化することは、様々な角度、形状、材料周期性において生成された光パターンにしたがって、想定されている。本発明は、レーザ干渉によって広範な面と内部構造形状を提供することを想定している。これは、フィルム内部のメゾスコピック体積と３次元格子、および多次元セグメント形状を様々な軌道と角度で分別排出することを含む。

本発明の実施形態において、照射レーザによる干渉フリンジの形成は２つの境界面からの反射に限定されず、その他タイプの光共鳴器を含む。例えば球面、ディスク、ファイバ、円柱、コーン、リングであり、これらは非限定的例である。これら様々な実施形態において、光干渉パターンの形状は、光共鳴器のモードとして知られており、強レーザ干渉の小ゾーンまたは薄ゾーンを生成するために用いられる。これにより、最大干渉に沿ってナノ空洞、メゾスコピック体積、膨張部、分別排出ゾーンが形成される。これら干渉ゾーンは、柔軟な態様で生成することができ、構造に対するレーザ集束形状にしたがって特定モードへ励起することができる。このアプローチにより、マイクロスケールおよびナノスケール加工の新しい方法を提供することができる。これにより、光欠陥を誘起し、ＭＥＭｓ構造の新規な３次元形状を生成し、ミクロンサイズ粒子においてナノ空洞を誘起し、薄構造を形成することができる。これは、レーザ割断面における分別排出によるものである。これらによって粒子のサイズや形状を選択できる。

本発明は、上述の様々な実施形態において、必ずしも透明ではなくむしろ部分的透明な材料内で光干渉が生成されることを想定している。したがって、金属その他不透明材料が想定されており、これらは反射とフリンジコントラストを増加させる利点がある。レーザ構造化する適切なデバイスは、ビーム経路における各層または構造の光貫通深さが、層深さまたは構造サイズを超えているものである。これにより、第１反射構造からの光のラウンドトリップ経路は、第２または最終境界面から伝搬しまたは戻ってくる。したがって、自干渉してフィルム／フィルム層／共鳴器内で干渉パターンを生成する。これは本発明の干渉レーザ加工の基盤となっている。“外部”生成光干渉パターンの場合、光貫通深さはより短く、単一フリンジ幅λ／４ｎｆに近づく。

レーザ材料加工の分野における当業者は、本発明において適用する広範なレーザビーム源を有する。このレーザ源は、直接生成または改質レーザビームを含む。これは周波数混合して新たなレーザ波長を生成しまたは調整することを含む。レーザ波長の選択は、本発明のレーザ干渉加工全体に対して多大な影響を及ぼす。これは例えば以下を含む：（１）加工材料におけるフリンジ間隔を調整すること、除去するセグメントの厚さλ／２ｎｆを直接制御する；（２）波長に強く依存する線形および非線形手段によってレーザ材料干渉の強度を様々に変えること；（３）フィルム、基板、その他全ての材料部品の光吸収を様々に変えること；（４）各レーザ干渉ゾーンにおけるプラズマシールド効果を様々に変えること；（５）光回折理論に基づく集束レンズ解像度限界。広範なレーザ波長が想定されている。これは量子化カスケードレーザによるμｍの数百倍から、真空紫外線スペクトル１００ｎｍの高バンドギャップ材料における不透明の伝搬限界までを含む。

本発明において、薄透明フィルムまたは共鳴器構造の部分除去またはデジタル除去の上記実施形態により、選択的にテクスチャ形成し、フィルム内部λ／２ｎｆ精度で表面マイクロ加工し、横解像度１μｍ以下で精細ピッチパターン化するための、新たな方向性を開くことができる。これにより、薄透明フィルムのマーキング、色付け、および複数レベル構造化のための新たな手段をもたらすことができる（図７、図８）。さらに、複数レベルパターンの薄レーザ直接加工を、埋め込みナノ空洞またはチャネルと組み合わせることは、図７と図８で説明したように、例えばウエハ上またはフレキシブルシリコン上またはシリカ上またはポリマ箔上の薄フィルム内にＭＥＭＳ部品、光流体部品、その他光学部品を製造するために、利用することができる。このアプローチは、フレキシブルラブインフィルム（ＬＩＦ）構造へラボオンチップ（ＬＯＣ）デバイスを変換する際に非常に有用である。これは、ＣＭＯＳマイクロ電子部品ガラスディスプレイの現行製造設備と整合するものである。これにより、新規なチップスケールバイオセンサ、最小侵襲インプラントデバイス、可搬ポイントオブケア医療製品、コンパクト診療プラットフォーム、相互センサディスプレイ、を生成することができる。本発明は、このようなマイクロ電子チップ上、光源上、超薄ウエハ上のまたは光センサ上のレーザ構造化フィルムを想定している。これにより、超薄折り畳み可能かつ引き伸ばし可能統合回路において表皮バイオセンサを生成し、あるいは自然構造を模擬したバイオインプラントに対して血管タイプネットワークを形成することができる。膨張部の形成を用いて、繊細な材料のパッケージングを改善し、クッション効果またはスペーシング効果を提供して２以上の面が直接接触することを避け、２つのスライド面間の摩擦を減少させることができる。キャパシタや配線などの電子部品近傍にナノ空洞を形成することにより、誘電特性を局所変化させまたはトリミングする手段を提供することができる。これにより要件に応じて、マイクロ電子メモリ、プロセッサ、光電子チップ、ディスプレイ技術において、誘電体に沿って電気回路を加速し、またはキャパシタンスをトリミングすることができる。

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Claims (28)

1. 材料をレーザ誘起改質する方法であって、
   前記材料に対して少なくとも１つのレーザパルスを照射するステップであって、前記材料は第１面を有する、ステップ、
   前記少なくとも１つのレーザパルスを前記第１面に対して入射させるステップ、
   を有し、
   前記少なくとも１つのレーザパルスは、入射角を有し、
   前記材料は、少なくとも１つの入射レーザパルスの前記材料からの反射が光干渉パターンをサポートすることにより、前記光干渉パターンの少なくとも１つの最大強度部における薄体積が、閾値を超えるレーザ強度によって特徴付けられて、その応答として前記第１面に対する相対位置において前記材料の前記レーザ誘起改質を生じさせるように選択されている
   ことを特徴とする方法。
2. 前記少なくとも１つのレーザパルスの時間は、前記光干渉パターンのフリンジ間隔の２分の１の距離にわたる熱散逸時間よりも短く、
   前記熱散逸時間は、１００アト秒から１ナノ秒であり、
   前記材料の前記レーザ誘起改質は、前記少なくとも１つの最大強度部における前記薄体積の高速温度上昇によって特徴付けられ、
   前記材料の前記レーザ誘起改質は、高温改質、アブレーション、マイクロ爆発、溶融、気化、イオン化、プラズマ生成、電子−ホールペア生成、電離、のいずれかを含む
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記材料は、光共鳴をサポートすることができる光共鳴器であり、
   前記光共鳴器は、円柱共鳴器、ディスク共鳴器、光リング共鳴器、球面共鳴器、矩形共鳴器、またはフィルム型共鳴器であり、
   前記フィルムは、薄膜または厚膜であり、前記厚膜は、ウエハ、ディスク、またはエタロンである
   ことを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 前記材料はフィルムであり、
   前記フィルムは、空気、真空、ガス、液体、プラズマ、または基板に対して配置された第２面を有し、前記基板は固体基板または液体フィルムコートである、単一層フィルムであり、
   または、
   前記フィルムは、少なくとも２つの層を有し、前記フィルムの前記第２面は、第２フィルムの前記第１面に対して配置されている、複数層フィルムであり、
   前記フィルムは、サポートなしで独立したまたは形状を有する基板上に配置された剛体フィルムまたはフレキシブルフィルムであり、前記光干渉パターンのフリンジ位置は前記フィルムの形状または前記形状を有する基板によってガイドされている
   ことを特徴とする請求項１または２記載の方法。
5. 前記材料は、液体またはゲルであり、生体材質を含むかまたは組織によって構成されており、
   前記材料の前記レーザ誘起改質は、前記液体またはゲルの個別に制御された量を排出することを含み、
   前記液体またはゲルは、液滴、層、シート、サポートなしで独立しているフィルム、または流体ジェットの形状を有しており、または、接着性基板またはテクスチャが形成された基板によって支持され、または、支持空洞内に支持され、
   前記支持空洞は、ウェル、穴、チャネル、容器、Ｕチャネル、またはＶチャネルである ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
6. 前記光干渉パターンは、前記少なくとも１つのレーザパルスの内部反射によって生成された干渉パターンを有し、
   または、
   前記光干渉パターンは、前記材料の内部で実質的に交差する複数の交差レーザパルスによって生成された干渉パターンを有する
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の方法。
7. 前記材料の前記レーザ誘起改質は、ナノ空洞の生成または閉膨張部または貫通膨張部の生成を含み、
   前記貫通膨張部の少なくとも一部は、排出されて排出膨張部または部分排出膨張部を形成する
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の方法。
8. 前記材料内に誘起される前記光干渉パターンは、最大干渉の部分を有し、前記最大干渉の部分における前記材料の前記レーザ誘起改質は、複数レベルの深さにおいて生じ、
   前記部分の前記レーザ誘起改質は、各部の相対深さに依拠して独立した時刻で誘起することができ、
   前記少なくとも１つのレーザパルスの波長、材料特性、前記材料の形状またはサイズ、前記少なくとも１つのレーザパルスの入射角を変化させることにより、前記材料内で発生する前記部分を操作することができ、
   前記部分間の空隙と前記部分の位置は、前記第１面に対して配置されており、
   前記少なくとも１つのレーザパルスの波長は、１００ナノメートルから１００マイクロメートルの範囲内である
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の方法。
9. 前記レーザ誘起改質された部分のアレイは、１次元、２次元、または３次元に変化した改質部分を含み、
   前記レーザ誘起改質された部分のアレイは、ナノ流体チャネル、空洞、容器、またはこれらの組み合わせに対してリンクしまたは延伸することができ、
   前記材料の前記レーザ誘起改質は、前記少なくとも１つのレーザパルスの規定断面形状に類似する断面形状によって特徴付けられる
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項記載の方法。
10. 前記材料の前記レーザ誘起改質は、前記材料からの材料セグメントの分別排出を含み、 前記材料からの前記材料セグメントの前記分別排出は、前記材料の個別色変化を生じさせ、または、前記材料の表面品質を変更して、マーキング、テクスチャリング、またはパターニングすることを含む
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項記載の方法。
11. 前記少なくとも１つのレーザパルスの波長、前記材料の材料特性、前記材料の形状またはサイズ、前記少なくとも１つのレーザパルスの入射角を変化させることにより、前記少なくとも１つの最大強度部の位置を操作することができる
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項記載の方法。
12. 前記少なくとも１つのレーザパルスのスペクトル帯域幅または部分的コヒーレンスは、許容レベルの光干渉コントラストを生成する
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項記載の方法。
13. 前記材料は、
    二酸化ケイ素、光ガラス、カルコゲナイド、オキシ窒化物、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化セリウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、サファイア、二酸化チタニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、ケイ酸ハフニウム、ケイ酸ジルコニウム、二酸化ハフニウム、二酸化ジルコニウム、ＨｆＳｉＯＮ、ダイアモンド、ダイアモンド状炭素、金属酸化物、サファイア、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、ＫＤＰ、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＹＡＧ、シリコン、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＧａＰＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＳｉＣ、ＢＮ、ＢＰ、Ｔｅ、ＳｉＣ、Ｂａｓ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＣｄＳ、ＣｄＴ、ＺｎＯ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、Ｃｕ２Ｏ、ＣｕＯ、ＰＥＴ、ポリエチレン、ポリエチレン、ＰＭＭＡ、生体ポリマ、ポリスチレン、ＰＥＯ、ナイロン、ＰＤＭＳ、ポリイミド、光レジスト、ＩＴＯ、ＦＴＯ、ＺｎＯ、ＡＺＯ、インジウム添加酸化カドミウム、カーボンナノチューブ、ｐｏｌｙ（３，４−ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ＰＥＤＯＴ、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、銀、金、クロム、チタニウム、ニッケル、タンタル、タングステン、アルミニウム、白金、パラジウム
    のうち１以上から生成されている
    ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項記載の方法。
14. 前記フィルムは、基板に対して配置されており、
    前記基板は、
    二酸化ケイ素、光ガラス、カルコゲナイド、オキシ窒化物、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化セリウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、サファイア、二酸化チタニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、ケイ酸ハフニウム、ケイ酸ジルコニウム、二酸化ハフニウム、二酸化ジルコニウム、ＨｆＳｉＯＮ、ダイアモンド、ダイアモンド状炭素、金属酸化物、サファイア、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、ＫＤＰ、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＹＡＧ、シリコン、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＧａＰＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＳｉＣ、ＢＮ、ＢＰ、Ｔｅ、ＳｉＣ、Ｂａｓ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＣｄＳ、ＣｄＴ、ＺｎＯ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、Ｃｕ２Ｏ、ＣｕＯ、ＰＥＴ、ポリエチレン、ポリエチレン、ＰＭＭＡ、生体ポリマ、ポリスチレン、ＰＥＯ、ナイロン、ＰＤＭＳ、ポリイミド、光レジスト、ＩＴＯ、ＦＴＯ、ＺｎＯ、ＡＺＯ、インジウム添加酸化カドミウム、カーボンナノチューブ、ｐｏｌｙ（３，４−ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ＰＥＤＯＴ、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、銀、金、クロム、チタニウム、ニッケル、タンタル、タングステン、アルミニウム、白金、パラジウム
    のうち１以上から生成されている
    ことを特徴とする請求項４記載の方法。
15. 材料をレーザ誘起改質するシステムであって、
    材料に対して少なくとも１つのレーザを生成することができるレーザを備え、
    前記少なくとも１つのレーザパルスは、前記材料の第１面に対して入射角をもって入射し、
    前記材料は、少なくとも１つの入射レーザパルスの前記材料からの反射が光干渉パターンをサポートすることにより、前記光干渉パターンの少なくとも１つの最大強度部における薄体積が、閾値を超えるレーザ強度によって特徴付けられて、その応答として前記第１面に対する相対位置において前記材料の前記レーザ誘起改質を生じさせるように選択されている
    ことを特徴とするシステム。
16. 前記少なくとも１つのレーザパルスの時間は、前記光干渉パターンのフリンジ間隔の２分の１の距離にわたる熱散逸時間よりも短く、
    前記熱散逸時間は、１００アト秒から１ナノ秒であり、
    前記材料の前記レーザ誘起改質は、前記少なくとも１つの最大強度部における前記薄体積の高速温度上昇によって特徴付けられ、
    前記材料の前記レーザ誘起改質は、高温改質、アブレーション、マイクロ爆発、溶融、気化、イオン化、プラズマ生成、電子−ホールペア生成、電離、のいずれかを含む
    ことを特徴とする請求項１５記載のシステム。
17. 前記材料は、光共鳴をサポートすることができる光共鳴器であり、
    前記光共鳴器は、円柱共鳴器、ディスク共鳴器、光リング共鳴器、球面共鳴器、矩形共鳴器、またはフィルム型共鳴器であり、
    前記フィルムは、薄膜または厚膜であり、前記厚膜は、ウエハ、ディスク、またはエタロンである
    ことを特徴とする請求項１５または１６記載のシステム。
18. 前記材料はフィルムであり、
    前記フィルムは、空気、真空、ガス、液体、プラズマ、または基板に対して配置された第２面を有し、前記基板は固体基板または液体フィルムコートである、単一層フィルムであり、
    または、
    前記フィルムは、少なくとも２つの層を有し、前記フィルムの前記第２面は、第２フィルムの前記第１面に対して配置されている、複数層フィルムであり、
    前記フィルムは、サポートなしで独立したまたは形状を有する基板上に配置された剛体フィルムまたはフレキシブルフィルムであり、前記光干渉パターンのフリンジ位置は前記フィルムの形状または前記形状を有する基板によってガイドされている
    ことを特徴とする請求項１７記載のシステム。
19. 前記材料は、液体またはゲルであり、生体材質を含むかまたは組織によって構成されており、
    前記材料の前記レーザ誘起改質は、前記液体またはゲルの個別に制御された量を排出することを含み、
    前記液体またはゲルは、液滴、層、シート、サポートなしで独立しているフィルム、または流体ジェットの形状を有しており、または、接着性基板またはテクスチャが形成された基板によって支持され、または、支持空洞内に支持され、
    前記支持空洞は、ウェル、穴、チャネル、容器、Ｕチャネル、またはＶチャネルである ことを特徴とする請求項１５から１７のいずれか１項記載のシステム。
20. 前記光干渉パターンは、前記少なくとも１つのレーザパルスの内部反射によって生成された干渉パターンを有し、
    または、
    前記光干渉パターンは、前記材料の内部で実質的に交差する複数の交差レーザパルスによって生成された干渉パターンを有する
    ことを特徴とする請求項１５から１９のいずれか１項記載のシステム。
21. 前記材料の前記レーザ誘起改質は、ナノ空洞の生成または閉膨張部または貫通膨張部の生成を含み、
    前記貫通膨張部の少なくとも一部は、排出されて排出膨張部または部分排出膨張部を形成する
    ことを特徴とする請求項１５から２０のいずれか１項記載のシステム。
22. 前記材料内に誘起される前記光干渉パターンは、最大干渉の部分を有し、前記最大干渉の部分における前記材料の前記レーザ誘起改質は、複数レベルの深さにおいて生じ、
    前記部分の前記レーザ誘起改質は、各部の相対深さに依拠して独立した時刻で誘起することができ、
    前記少なくとも１つのレーザパルスの波長、材料特性、前記材料の形状またはサイズ、前記少なくとも１つのレーザパルスの入射角を変化させることにより、前記材料内で発生する前記部分を操作することができ、
    前記部分間の空隙と前記部分の位置は、前記第１面に対して配置されており、
    前記少なくとも１つのレーザパルスの波長は、１００ナノメートルから１００マイクロメートルの範囲内である
    ことを特徴とする請求項１５から２１のいずれか１項記載のシステム。
23. 前記レーザ誘起改質された部分のアレイは、１次元、２次元、または３次元に変化した改質部分を含み、
    前記レーザ誘起改質された部分のアレイは、ナノ流体チャネル、空洞、容器、またはこれらの組み合わせに対してリンクしまたは延伸することができ、
    前記材料の前記レーザ誘起改質は、前記少なくとも１つのレーザパルスの規定断面形状に類似する断面形状によって特徴付けられる
    ことを特徴とする請求項１５から２２のいずれか１項記載のシステム。
24. 前記材料の前記レーザ誘起改質は、前記材料からの材料セグメントの分別排出を含み、 前記材料からの前記材料セグメントの前記分別排出は、前記材料の個別色変化を生じさせ、または、前記材料の表面品質を変更して、マーキング、テクスチャリング、またはパターニングすることを含む
    ことを特徴とする請求項１５から２３のいずれか１項記載のシステム。
25. 前記少なくとも１つのレーザパルスの波長、前記材料の材料特性、前記材料の形状またはサイズ、前記少なくとも１つのレーザパルスの入射角を変化させることにより、前記少なくとも１つの最大強度部の位置を操作することができる
    ことを特徴とする請求項１５から２４のいずれか１項記載のシステム。
26. 前記少なくとも１つのレーザパルスのスペクトル帯域幅は、許容レベルの光干渉コントラストを生成する
    ことを特徴とする請求項１５から２５のいずれか１項記載のシステム。
27. 前記材料は、
    二酸化ケイ素、光ガラス、カルコゲナイド、オキシ窒化物、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化セリウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、サファイア、二酸化チタニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、ケイ酸ハフニウム、ケイ酸ジルコニウム、二酸化ハフニウム、二酸化ジルコニウム、ＨｆＳｉＯＮ、ダイアモンド、ダイアモンド状炭素、金属酸化物、サファイア、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、ＫＤＰ、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＹＡＧ、シリコン、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＧａＰＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＳｉＣ、ＢＮ、ＢＰ、Ｔｅ、ＳｉＣ、Ｂａｓ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＣｄＳ、ＣｄＴ、ＺｎＯ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、Ｃｕ２Ｏ、ＣｕＯ、ＰＥＴ、ポリエチレン、ポリエチレン、ＰＭＭＡ、生体ポリマ、ポリスチレン、ＰＥＯ、ナイロン、ＰＤＭＳ、ポリイミド、光レジスト、ＩＴＯ、ＦＴＯ、ＺｎＯ、ＡＺＯ、インジウム添加酸化カドミウム、カーボンナノチューブ、ｐｏｌｙ（３，４−ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ＰＥＤＯＴ、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、銀、金、クロム、チタニウム、ニッケル、タンタル、タングステン、アルミニウム、白金、パラジウム
    のうち１以上から生成されている
    ことを特徴とする請求項１５から２６のいずれか１項記載のシステム。
28. 前記フィルムは、基板に対して配置されており、
    前記基板は、
    二酸化ケイ素、光ガラス、カルコゲナイド、オキシ窒化物、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化セリウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、サファイア、二酸化チタニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、ケイ酸ハフニウム、ケイ酸ジルコニウム、二酸化ハフニウム、二酸化ジルコニウム、ＨｆＳｉＯＮ、ダイアモンド、ダイアモンド状炭素、金属酸化物、サファイア、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、ＫＤＰ、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＹＡＧ、シリコン、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＧａＰＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＳｉＣ、ＢＮ、ＢＰ、Ｔｅ、ＳｉＣ、Ｂａｓ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＣｄＳ、ＣｄＴ、ＺｎＯ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、Ｃｕ２Ｏ、ＣｕＯ、ＰＥＴ、ポリエチレン、ポリエチレン、ＰＭＭＡ、生体ポリマ、ポリスチレン、ＰＥＯ、ナイロン、ＰＤＭＳ、ポリイミド、光レジスト、ＩＴＯ、ＦＴＯ、ＺｎＯ、ＡＺＯ、インジウム添加酸化カドミウム、カーボンナノチューブ、ｐｏｌｙ（３，４−ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ＰＥＤＯＴ、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、銀、金、クロム、チタニウム、ニッケル、タンタル、タングステン、アルミニウム、白金、パラジウム
    のうち１以上から生成されている
    ことを特徴とする請求項１８記載のシステム。

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