JP6843347B2 - 表面微細構造形成方法、構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、加工対象物に対する表面微細構造形成方法、及び構造体の製造方法に関する。

従来より、レーザ誘起表面散乱光干渉による方法（例えば、非特許文献１参照）や、表面張力波凍結機構による方法（例えば、非特許文献２参照）によって、加工対象物の表面を加工できることが知られている。

これらの方法は、パルスレーザ光を加工対象物の表面に照射することにより、表面に爆発的な剥離を起こさせて表面を加工する、いわゆるレーザアブレーションによる方法として知られている。したがって、加工対象物はポリマー等のように比較的軟らかいものが対象になっている。

Jeff F. Young et al., Physical Review B, Vol.27, p.1155, 1983 H.Niino et al., Applied Physics Letters, Vol.55, p.510, 1989

しかしながら、レーザアブレーションによる方法では、パルスレーザ光を発生させるための装置が必要である。また、加工対象物の表面の一部が溶融するので、デブリの発生にも対応しなければならない。このように、従来のレーザアブレーションによる方法では、加工に時間と手間が掛かってしまうという問題がある。

なお、エッチングによる表面加工の方法も知られているが、水を使用することや、薬品の処理が煩雑であり、上記と同様に、短時間で容易に表面加工することは困難である。

本発明は上記点に鑑み、急速かつ容易に加工対象物の表面に微細な構造体を形成することができる表面微細構造形成方法を提供することを第１の目的とする。また、当該表面微細構造形成方法を用いた構造体の製造方法を提供することを第２の目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、加工対象物（２００）の表面（２１０）に不規則構造を構成する微細な構造体（２３０）を形成する表面微細構造形成方法であって、以下の点を特徴としている。

すなわち、加工対象物（２００）にレーザ光を照射して、加工対象物（２００）のうちレーザ光の照射部分を局所的に加熱することにより、加工対象物（２００）の表面（２１０）に構造体（２３０）として、表面（２１０）の一部が隆起した隆起構造、あるいは表面（２１０）の一部が凹凸した凹凸構造、あるいは隆起構造と凹凸構造との複合構造を形成するレーザ光照射工程を含み、レーザ光照射工程では、レーザ光として赤外光のレーザ光を加工対象物（２００）に照射すると共に、加工対象物（２００）に対してレーザ光の照射位置を固定した状態でレーザ光を加工対象物（２００）に照射することを特徴とする。

これによると、加工対象物（２００）にレーザ光を照射するだけで良いので、レーザ光を照射する装置の他に装置を必要としない。また、レーザ光を照射する工程の他に洗浄、塗布、エッチング等の他の工程やそのための準備が必要ない。このため、時間や労力を掛けずに構造体（２３０）を形成することができる。そして、加工対象物（２００）にレーザ光を照射するだけで構造体（２３０）を形成することができるので、構造体（２３０）を容易に形成することができる。したがって、急速かつ容易に加工対象物（２００）の表面（２１０）に微細な構造体（２３０）を形成することができる。また、赤外光のレーザ光を用いることにより、微細な構造体（２３０）を確実に形成することができる。

請求項２に記載の発明では、レーザ光照射工程では、レーザ光として連続発振のレーザ光を加工対象物（２００）に照射することを特徴とする。連続発振のレーザ光を用いることにより、微細な構造体（２３０）を確実に形成することができる。

さらに、請求項３に記載の発明では、レーザ光照射工程では、加工対象物（２００）が半導体材料で構成されたものを用いることを特徴とする。加工対象物（２００）として半導体材料で構成されたものを用いることにより、微細な構造体（２３０）を確実に形成することができる。

上記では、加工対象物（２００）の表面（２１０）に微細な構造体（２３０）を形成する表面微細構造形成方法について述べたが、加工対象物（２００）に構造体（２３０）を形成する構造体の製造方法としても同様の特徴及び効果を有する。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の一実施形態において、レーザ光照射工程で用いられるレーザ光照射装置の全体構成を示した図である。 レーザ光の照射時間を３秒とした場合にＳｉウェハの表面に形成された構造体を示した図である。 レーザ光の照射時間を５秒とした場合にＳｉウェハの表面に形成された構造体を示した図である。 レーザ光の照射時間を１０秒とした場合にＳｉウェハの表面に形成された構造体を示した図である。 レーザ光の照射時間を１０秒とした場合にＳｉウェハの表面に形成された構造体を示した図である。

以下、本発明の一実施形態について図に基づいて説明する。本実施形態に係る表面微細構造形成方法及び構造体の製造方法は、加工対象物の表面に微細な構造体を形成するための方法である。以下では、加工対象物として半導体材料で構成されたＳｉウェハの表面に微細構造を形成する例について説明する。なお、「Ｓｉウェハの表面」とは、Ｓｉウェハの表面だけでなく当該表面を含んだ表層部も含んでいる。

まず、レーザ光照射工程で用いるレーザ光照射装置について説明する。図１に示されるように、レーザ光照射装置１００は、レーザ光源１１０、集光レンズ１２０、及びステージ１３０を備えて構成されている。

レーザ光源１１０は、Ｓｉウェハ２００に対してレーザ光を発するものである。レーザ光源１１０として、レーザ光はＳｉウェハ２００を透過していくがＳｉウェハ２００の表面２１０近傍を十分に加熱できるもの、例えばレーザ光の波長が可視光あるいは赤外光であり、連続発振のレーザ光が用いられる。なお、この条件は一例であり、他の条件でレーザ光源１１０を駆動しても構わない。

このように、Ｓｉウェハ２００は、レーザ光の一部を吸収する。言い換えると、レーザ光は、エネルギーの一部がＳｉウェハ２００に吸収されながらＳｉウェハ２００を透過していく。つまり、上記のレーザ光の波長域では、Ｓｉウェハ２００は半透明に構成されている。

集光レンズ１２０は、レーザ光源１１０から発せられたレーザ光を入射してＳｉウェハ２００の内部に集光するものである。例えば、集光レンズ１２０は、レーザ光の焦点１４０がＳｉウェハ２００の表面２１０近傍に位置するようにＳｉウェハ２００に対して配置される。すなわち、集光レンズ１２０は、Ｓｉウェハ２００の表面２１０近傍を十分加熱するためにＳｉウェハ２００の表面２１０近傍にレーザ光を集光する。

なお、集光レンズ１２０はレーザ光源１１０と共にパッケージ化されている。このようなものとして、例えば、浜松ホトニクス社製のＬＤ照射光源装置を用いることができる。一方、レーザ光照射装置１００は、Ｓｉウェハ２００の表面２１０近傍を十分加熱できるように構成されていれば良いので、集光レンズ１２０はレーザ光照射装置１００に必須の構成ではない。すなわち、レーザ光照射装置１００はレーザ光源１１０から照射されるレーザ光によってＳｉウェハ２００の表面２１０近傍を十分加熱できる条件に設定されていれば良い。

ステージ１３０は、Ｓｉウェハ２００を乗せるための設置面１３１を有している。ステージ１３０は、石英ガラス板やＡｌ板等の金属板で構成されている。本実施形態では、Ｓｉウェハ２００の表面２１０側が集光レンズ１２０に向けられると共に、Ｓｉウェハ２００の裏面２２０が設置面１３１に接触するように、Ｓｉウェハ２００がステージ１３０の設置面１３１に設置される。以上が、レーザ光照射装置１００の構成である。

次に、Ｓｉウェハ２００の表面２１０に微細な構造体を形成する方法について説明する。まず、Ｓｉウェハ２００を用意し、上記のレーザ光照射装置１００のステージ１３０の設置面１３１にＳｉウェハ２００を配置する。

続いて、レーザ光照射工程を行う。レーザ光の照射環境は、真空中や特定のガス中である必要は無い。空気中でＳｉウェハ２００に対するレーザ光の照射を行う。

具体的には、Ｓｉウェハ２００の内部にレーザ光の焦点１４０を合わせて表面２１０の上方から内部にレーザ光を照射する。これにより、Ｓｉウェハ２００のうちレーザ光の照射部分を局所的に加熱する。Ｓｉウェハ２００の表面２１０に照射されるレーザ光の径は例えば４００μｍ程度である。

このレーザ光照射工程では、レーザ光として、連続発振のレーザ光をＳｉウェハ２００に照射する。また、レーザ光として波長が９１５ｎｍの赤外光のレーザ光をＳｉウェハ２００に照射する。レーザ光の照射出力は例えば１０Ｗ〜１８Ｗである。Ｓｉウェハ２００に対するレーザ光の照射時間は、数秒あるいは十数秒程度である。

図２〜図５は、Ｓｉウェハ２００の表面２１０の結晶面が（１００）面のものに対し、レーザ光の照射時間をそれぞれ異ならせて形成した構造体２３０を示している。図２〜図５は、構造体２３０を光学顕微鏡で観察したものを示している。

図２は、レーザ光の照射時間が３秒の場合の構造体２３０を示している。図２に示されるように、構造体２３０として縦横に延びるしわのような構造が形成された。すなわち、構造体２３０としてＳｉウェハ２００の表面２１０の一部が凹凸した凹凸構造が形成された。しわのピッチは約５μｍだった。

図３は、レーザ光の照射時間が５秒の場合の構造体２３０を示している。図３に示されるように、構造体２３０として大小様々な平面四角形状の凸状の島がいくつも形成された。すなわち、構造体２３０として、Ｓｉウェハ２００の表面２１０の一部が隆起した隆起構造が形成された。

図４及び図５は、レーザ光の照射時間が１０秒の場合の構造体２３０をそれぞれ示している。なお、図４及び図５は、レーザ光を照射したＳｉウェハ２００がそれぞれ異なる。

図４及び図５に示されるように、構造体２３０として、凸状の島構造だけでなく、Ｓｉウェハ２００の表面２１０の一部が凹んだ凹構造や、畝（うね）のような直線状の構造が形成された。畝の幅は約５μｍで長さは１００μｍ前後だった。特に、図５に示された構造体２３０では、畝が中央部の構造を囲むように形成されており、迷路構造を構成していた。このように、レーザ光の照射時間を長くすることで隆起構造と凹凸構造との複合構造が形成されることがわかった。

図４に示された構造体２３０と、図５に示された構造体２３０とは、レーザ光の照射時間は同じであるが、同じ構造の構造体２３０は形成されなかった。これは、ステージ１３０の設置面１３１に対するＳｉウェハ２００の密着性や配置位置、Ｓｉウェハ２００の表面２１０の汚れ、傷等が影響したと考えられる。また、Ｓｉウェハ２００に対するレーザ光の焦点１４０の深さが異なることによって焦点１４０の位置の加熱温度に違いが生じたことも構造体２３０の構造の違いに影響したと考えられる。

そして、図２〜図５に示された各構造体２３０は、Ｓｉウェハ２００の表面２１０に対するレーザ光の照射範囲とほぼ一致していた。すなわち、レーザ光の照射範囲内に構造体２３０を形成することができる。

以上説明したように、本実施形態では、加工対象物であるＳｉウェハ２００にレーザ光を照射する方法が特徴となっている。この方法により、Ｓｉウェハ２００の表面２１０に、当該表面２１０の一部が隆起した隆起構造、あるいはＳｉウェハ２００の表面２１０の一部が凹凸した凹凸構造、あるいは隆起構造と凹凸構造との複合構造を有する構造体２３０を形成することができる。構造体２３０が形成された原因としては、レーザ光がＳｉウェハ２００に照射されたことによって照射部分が熱膨張を起こしたことや、再結晶化したことが考えられる。

そして、上記の構造体２３０の形成には、Ｓｉウェハ２００にレーザ光を照射する装置の他に加熱等のプロセスに必要な装置を用いていない。もちろん、洗浄、塗布、エッチング等の他の工程やそのための準備も必要ない。このため、時間や労力を掛けずに構造体２３０を形成することができる。特に、パルスレーザを用いなくても、ランプアニールよりも速くＳｉウェハ２００を局所的に加熱することができる。

また、Ｓｉウェハ２００にレーザ光を所定時間だけ照射することで表面２１０のうちレーザ光の照射範囲に構造体２３０を形成することができるので、構造体２３０の形成が非常に容易である。したがって、急速かつ容易にＳｉウェハ２００の表面２１０に微細な構造体２３０を形成することができる。

上記の構造体２３０は、例えば、加工対象物の表面の動摩擦係数のコントロールと方向性の付与に利用することが可能である。また、加工対象物の濡れ性制御や生体親和性の向上も見込める。濡れ性制御の具体例として、加工対象物の表面に微細構造を形成することで撥水効果を得ることが可能である。

構造体２３０の別の応用例として、光デバイスの発光／受光効率の向上や、ナノインプリントの金型作製や、回折格子／散乱ターゲットの作製に役立つ可能性がある。さらに、ＭＥＭＳ要素部品やマイクロフィンガープリント（簡易識別用タグ）への応用も考えられる。蓮の葉の撥水効果のようなバイオミメティクス（生物模倣技術）への応用、プラズモンの発生を促す構造としての応用も考えられる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、Ｓｉウェハ２００が特許請求の範囲の「加工対象物」に対応する。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された構造体２３０を形成する方法は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、ＳｉＣ、ＧａＮ等の半導体材料、ダイヤモンド、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３等のレーザ光の照射が可能な材料を加工対象物としても良い。この他、石英、ガラス、ポリマー、樹脂等の軟らかいものを加工対象物としても良い。金属材料も少なからず光を吸収するので、上記の方法により表面に構造体２３０を形成することは可能である。

また、レーザ光照射工程におけるレーザ光の照射は、加工対象物の一カ所に対する照射だけでなく、表面２１０を走査しても良い。レーザ光を走査する場合、レーザ光の焦点１４０と加工対象物とを相対的に移動させれば良い。したがって、レーザ光源１１０及び集光レンズ１２０の位置を固定した状態でステージ１３０を移動させても良いし、ステージ１３０の位置を固定した状態でレーザ光源１１０及び集光レンズ１２０の位置を移動させても良い。

さらに、上記のレーザ光照射工程では、Ｓｉウェハ２００の内部にレーザ光の焦点１４０を合わせて表面２１０の上方から内部にレーザ光を照射していたが、これはレーザ光照射の一例である。Ｓｉウェハ２００の内部にレーザ光の焦点１４０が位置していなくても良い。したがって、Ｓｉウェハ２００の内部にレーザ光の焦点１４０を合わせずに表面２１０の上方からＳｉウェハ２００にレーザ光を照射しても良い。

１１０ レーザ光源
１２０ 集光レンズ
１４０ 焦点
２００ Ｓｉウェハ（加工対象物）
２１０ 表面
２３０ 構造体

Claims (6)

1. 加工対象物（２００）の表面（２１０）に不規則構造を構成する微細な構造体（２３０）を形成する表面微細構造形成方法であって、
   前記加工対象物（２００）にレーザ光を照射して、前記加工対象物（２００）のうち前記レーザ光の照射部分を局所的に加熱することにより、前記加工対象物（２００）の前記表面（２１０）に前記構造体（２３０）として、前記表面（２１０）の一部が隆起した隆起構造、あるいは前記表面（２１０）の一部が凹凸した凹凸構造、あるいは前記隆起構造と前記凹凸構造との複合構造を形成するレーザ光照射工程を含み、
   前記レーザ光照射工程では、前記レーザ光として赤外光のレーザ光を前記加工対象物（２００）に照射すると共に、前記加工対象物（２００）に対して前記レーザ光の照射位置を固定した状態で前記レーザ光を前記加工対象物（２００）に照射することを特徴とする表面微細構造形成方法。
2. 前記レーザ光照射工程では、前記レーザ光として連続発振のレーザ光を前記加工対象物（２００）に照射することを特徴とする請求項１に記載の表面微細構造形成方法。
3. 前記レーザ光照射工程では、前記加工対象物（２００）が半導体材料で構成されたものを用いることを特徴とする請求項１または２に記載の表面微細構造形成方法。
4. 加工対象物（２００）の表面（２１０）に不規則構造を構成する微細な構造体（２３０）を形成する構造体の製造方法であって、
   前記加工対象物（２００）にレーザ光を照射して、前記加工対象物（２００）のうち前記レーザ光の照射部分を局所的に加熱することにより、前記加工対象物（２００）の前記表面（２１０）に前記構造体（２３０）として、前記表面（２１０）の一部が隆起した隆起構造、あるいは前記表面（２１０）の一部が凹凸した凹凸構造、あるいは前記隆起構造と前記凹凸構造との複合構造を形成するレーザ光照射工程を含み、
   前記レーザ光照射工程では、前記レーザ光として赤外光のレーザ光を前記加工対象物（２００）に照射すると共に、前記加工対象物（２００）に対して前記レーザ光の照射位置を固定した状態で前記レーザ光を前記加工対象物（２００）に照射することを特徴とする構造体の製造方法。
5. 前記レーザ光照射工程では、前記レーザ光として連続発振のレーザ光を前記加工対象物（２００）に照射することを特徴とする請求項４に記載の構造体の製造方法。
6. 前記レーザ光照射工程では、前記加工対象物（２００）が半導体材料で構成されたものを用いることを特徴とする請求項４または５に記載の構造体の製造方法。