JP7116174B2 - 直接レーザ干渉構造化のための光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、多様な材料から作られるワークまたは部品の表面にパターニングを形成することができる直接レーザ干渉パターニング（ＤＬＩＰ）のための光学装置に関する。その際、表面は必ずしも外向きの直接表面である必要はない。また、使用されるレーザ放射に対して少なくとも部分的に透明な材料で覆われた表面であってもよい。

本方法によれば、高解像度パターニングを形成し、使用される光学素子およびそれらの相互に対する配置に高い要件を課して、必要とされる干渉効果を利用できるようにすることができる。

その際、レーザ光は部分ビームに分割され、そしてそのビームは、電力損失が最小限で済むように光路に沿って案内される必要がある。個々の部分ビームが移動する距離は、特に超短パルスレーザ源が使用される場合、異なってはいけないか、または異なってもごくわずかでなければならない。要件に応じて干渉周期Λを変更できる可能性があることも重要な要素である。当然のことながら、それは、ＤＬＩＰに使用可能な装置のためのコストおよび調整の複雑さを可能な限り小さく維持するためである。

レーザ光は、通常、ビームスプリッタ、プリズムまたは回折光学素子（ＤＯＥ）によって複数の部分ビームに分割される。

このように、反射素子を有する構成があるが、これらを用いて干渉周期Λに影響を与えることは不可能である。しかし、これらの実施形態は、コンパクトでも費用対効果が高いわけでもなく、位置合わせに関して影響を受けやすい。

２つの光学レンズを有するＤＯＥを使用することも知られている。それによっても、干渉周期を変更する機能を達成することはできない。ＤＯＥによるビーム分割は、実用的でコンパクトな解決策を構成するが、使用した回折の結果として、著しい電力損失がある。さらに、ＤＯＥは、損傷しきい値が低く、製造コストが高く、そしてレーザ放射の１波長に対してしか設計することができない。

干渉パターンを生成するために、２つのバイプリズムを有する構成も知られている。ここで、入射レーザ光は、プリズムの重要な領域をカバーできるビーム断面を有していなければならない。複数の部分ビームに対するエネルギーの分割比は、プリズムの方位と配置に強く依存する。また、互いに干渉する部分ビームを２つ以上使用することはできない。

回折素子とバイプリズムとを有する実施形態においては、回折素子に起因する電力損失も同様に悪影響を及ぼす。干渉周期Λは部分ビームの距離を変化させることで影響を受けたり変化したりするが、その構成は依然として高価であり、しかも対称的な３ビーム干渉は実現できない。ここでも、ＤＯＥは１つの波長に対してしか設計できない。

例えば、試料の干渉パターニングのためのデバイスおよび方法並びにこのようにして製造された試料は、独国特許出願公開第１０２０１２０１１３４３号明細書で知られている。

また独国特許出願公開第１０２０１１１１９７６４号明細書は、平面試料を干渉パターニングするためのデバイスおよび方法に関する。

また独国特許出願公開第１０２０１１１０１４１５号明細書には、レーザ干渉パターニングのための光学装置が開示されている。

また独国特許出願公開第１０２０１１０１１７３４号明細書には、干渉パターニングのためのデバイス、装置、および方法が記載されている。

また米国特許第６，５４９，３０９号明細書は、ホログラフィ・パターンを生成することができる手段によるホログラフィ・デバイスに関する。

また米国特許出願公開第２０１０／０３３７３１号明細書には、レーザ測距機器が記載されている。

従って、本発明の目的は、レーザ放射が種々の波長で使用され、干渉周期Λを単純かつ信頼性のある方法で変化させることができる様々なパターニング作業に柔軟に適合することができる、単純で費用対効果の高い光学アセンブリに関連する直接レーザ干渉パターニングの可能性を特定することである。

本目的は、本発明によれば、請求項１に記載の特徴を有する光学装置によって達成される。本発明の有利な実施形態および発展は、従属項に記載された特徴によって実現することができる。

本発明にかかる直接レーザ干渉パターニングのための光学装置においては、レーザ放射源から出射されたレーザ光が、レーザ光を反射する素子であって、その反射面がレーザ光の光軸に対して４５度の角度をなしている素子に向けられる。

反射素子によって反射されたレーザ光は、第１のビームスプリッタに入射し、第１のビームスプリッタは、反射されたレーザ光を２つの部分ビームに分割する。第１のビームスプリッタで得られた部分ビームは、第１のビームスプリッタで反射され、その光軸が集束光学素子の方向に偏向される。

本発明にかかる第１の変形例では、第１のビームスプリッタを透過した第２の部分ビームは、第１のペンタミラー、特に、ルーフペンタミラーまたはペンタプリズムに入射し、それによって、多重反射および/または多重屈折した後に、第１の部分ビームの光軸に平行になるように集束光学素子に向けられる。

本発明にかかる第２の変形例では、第１のビームスプリッタで得られ、かつ透過した第２の部分ビームが第２のビームスプリッタに向けられ、第２のビームスプリッタは、第２の部分ビームを、第２のビームスプリッタで反射した第３の部分ビームと第２のビームスプリッタで透過した第２の部分ビームの部分とに分割する。そして反射した第３の部分ビームは、第１のペンタミラー、特にルーフペンタミラーまたはペンタプリズムにより第１のビームスプリッタで反射した第１の部分ビームの光軸に平行になるように集束光学素子に向けられる。そして第２の部分ビームの透過した部分が第２のペンタミラー、特にルーフペンタミラーまたはペンタプリズムに向けられ、これにより多重反射および/または多重屈折の後に第１の部分ビームおよび反射した第３の部分ビームの光軸に平行になるように集束光学素子に向けられる。

いずれの変形例においても、表面上または表面の領域にパターニングを形成するために、互いに平行な光軸を有するように配向された部分ビームは、互いに干渉するように、集束光学素子、好ましくはレンズによって、その表面に向けられる。

また、反射素子は、干渉周期Λに影響を与えるために、レーザ光源から出射されるレーザ光の光軸に平行に、かつ４５度の角度を維持して変位可能でなければならない。これは特に、レーザ光を４５度偏向させる反射素子の反射領域の向き、配置および位置に関連する。

反射素子は、第１のビームスプリッタの領域の長さが二等辺三角形の斜辺の長さである場合の、その二等辺三角形の隣辺の長さに対応する光軸に沿った最大距離にわたって変位可能であることが有利である。ここで、隣辺の長さは、変位中に反射素子のエッジ、例えば外端が移動する距離である。したがって、干渉周期Λを変化させるときには、最大バンド幅を利用することができる。

平面平行波長板は、集束光学素子の上流の少なくとも１つの部分ビームのビーム経路内に配置され得る。これにより、各部分ビームの偏光を個別に影響させることができる。

有利には、反射素子は、第１および第２の部分ビーム、ならびに必要に応じて第３の部分ビームがそれぞれ、集束光学素子に入射するまで等しい長さの距離を移動するように、第１の部分ビームのビーム経路内に配置され得る。その際、第１の部分ビームは、複数回、元の光軸から反射して元の光軸に戻ることができる。これは、特に、ピコ秒またはフェムト秒レーザ光源を使用する場合に必要である。

部分ビームはまた、第１のビームスプリッタ、１若しくは複数のペンタミラーまたは１のペンタプリズム、あるいは複数のペンタプリズムまたは複数のペンタミラーと、集束素子との間に配置されたダヴプリズムを介して向けられることができる。その際、部分ビームは屈折および反射される。ここで、ダヴプリズムの主軸と光軸ＯＡとは、平行でかつ一致している。

パターニング中に、ダヴプリズムは、光軸ＯＡである軸、または部分ビームの光軸と平行に配向された軸を中心に回転することができ、これらの軸は互いに平行に配向される。これにより、パターニングを形成しながら、各表面に角度方向の異なる干渉パターンを形成することができる。

本発明にかかる第１の変形例では、第１のビームスプリッタは、２つの部分ビームが互いに干渉するようにそれぞれの表面に向けられた場合に、第１の部分ビームと第２の部分ビームとのエネルギー比率が比５０：５０となるように構成されるべきである。
しかしながら、本発明にかかる第２の変形例では、第１のビームスプリッタは、第１の部分ビームと第２の部分ビームとのエネルギー比率が比３３：６６となるように構成され、第２のビームスプリッタは、３つの部分ビームが互いに干渉するようにそれぞれの表面に向けられた場合に、第２の部分ビームの第１の部分ビームと第３の部分ビームとのエネルギー比率が比５０：５０となるように構成されるべきである。

本発明では、実行する必要があった、配置のさらなる調整をしないで、種々の波長のレーザ光を使用することができる。種々のレーザパルス長もまた、問題なくレーザ動作に用いることができる。

レーザ光は、レーザ光源から反射素子に直接向けることができる。焦点距離に影響を及ぼし、レーザ光の断面を形成する光学素子は、レーザ光源と反射素子との間のレーザ光のビーム経路内に配置されることもできる。

反射素子の位置を変えることにより、互いに平行に配向された部分ビームの光軸間の距離を変えることができる。反射素子の反射領域をレーザ光源の方向に変位させることによって、部分ビームの相互の距離を増加させることができ、反対方向への移動によって減少させることができる。この距離は、対応する干渉周期Λ、およびそれぞれの表面に対応して形成されたパターンにつながる。

形成された干渉パターンのパターン周期Λの変化は、以下の式に従う。
Λ= λ/(2 sin(tan^-1 (h +2)/f)).

ここで、λは使用するレーザ放射の波長、fは集束光学素子Lの焦点距離、そしてhは反射素子の反射領域の変位の経路長である。図４に、例示的な図を示す。

以下、本発明を実施例により詳細に説明する。その際、個々の実施例または図中の例示の特徴は、独立して互いに組み合わせることができ、また特徴は、個々の実施例または個々の例示に縛られない。

２つの干渉部分ビームを有し、反射素子を移動させることによって干渉周期に影響を与える、本発明にかかる光学装置の一例を概略的に示す図である。 ２つの干渉部分ビームを有し、反射素子を移動させることによって干渉周期に影響を与える、本発明にかかる光学装置の一例を概略的に示す図である。 ３つの干渉部分ビームを有する本発明にかかる装置の第２の例の概略図である。 ダヴプリズムを通って導かれる２つの部分ビームを示す図である。 反射素子をｍｍ単位で移動させることによる、干渉周期に及ぼすμｍ単位での影響を示す図である。 本発明にかかる装置で偏光方向を変化させて製造することができるパターン素子の例を示す図である。

図１Ａは、本発明にかかる装置の一例の概略図を示す。ここで２つの部分ビーム３，４は、互いに干渉するように、パターン化されるべきワーク９の表面に向けられている。

レーザ光２は、レーザ放射源１から反射素子Ｍに、その反射素子Ｍの反射領域が、レーザ放射源１から出射されたレーザ光２の光軸に対して４５度の角度で配向されるように向けられる。反射されたレーザ光２は、第１のビームスプリッタＢＳ１に入射する。このときレーザ光２が入射する当該ビームスプリッタの領域は、光軸に対して４５度傾いて入射する。この領域でレーザ放射の一部が反射され、レーザ放射源１から出射された元々のレーザ光２の光軸と平行な光軸を有する第１の部分ビーム３が集束素子Ｌの方向に反射される。

レーザ光２のレーザ放射の一部は、第１のビームスプリッタＢＳ１を透過し、第２の部分ビーム４がルーフペンタミラーＲＰＭ１の反射領域に入射する。これにより、第２の部分ビーム４は、集束素子Ｌの方向に、第１の部分ビーム３の光軸に対して平行に向けられるように反射される。

部分ビーム３，４は、集束素子Ｌによって、ワーク９の、パターニングが形成されるべきである表面の方向に、互いに干渉するように集束または偏向される。

図１Ａに示す例では、第１のルーフペンタミラーＲＰＭ１と集束素子Ｌとの間の第２の部分ビーム４のビーム経路に平面平行波長板 （λ／２板）５が配置されている。

反射素子６は、第１のビームスプリッタＢＳ１と集束素子Ｌとの間の第１の部分ビーム３のビーム経路内に配置されている。反射素子６は、第１の部分ビーム３が入射する反射領域に配向するように、そして第１の部分ビーム３及び第２の部分ビーム４が第１のビームスプリッタＢＳ１から集束素子Ｌに入射するまでに進行する距離の差を補償して、部分ビーム３，４の両方が少なくとも略同一または完全に同一の経路距離で進行するように、配置されている。

図１Ａに示す例では、レーザ光源１の下流のレーザ光２のビーム経路に、光学望遠鏡８と、レーザ光２を形成する少なくとも１つの素子１０とが追加的に配置されている。

なお、両端矢印は、反射素子Ｍが、レーザ光源１から出射されたレーザ光２の光軸に平行に並進移動可能であり、かつ、２つの部分ビーム３，４の干渉周期Λを変化させるためにその方向を変化させることを、まだ行っていないことを示している。

図１Ｂは、反射素子Ｍの並進変位の影響を示している。図１Ｂの上側の図では、反射素子Ｍは、中心位置からレーザ光源１の方向に７ｍｍの値だけ進行して変位している。これにより、反射素子Ｍによって偏向されたレーザ光２の光軸も同様に、レーザ光源１の方向に変位する。この結果、２つの部分ビーム３，４の光軸間の距離が大きくなり、このようにして干渉周期Λが大きくなる。

図１Ｂの中間の図においても同様に、反射素子Ｍは、レーザ光源１の方向における７ｍｍの値だけレーザ放射源１から離れる方向に中心位置から進行して並進移動する。これにより、レーザ光２の反射素子Ｍによって偏向された部分の光軸も同様に、レーザ光源１から遠ざかるように変位する。その結果、２つの部分ビーム３，４の光軸間の距離が小さくなり、このようにして干渉周期Λが短くなる。

図１Ｂの最下部には、集束素子Ｌを通過した後の２つの部分ビーム３，４のビーム経路の部分図が示されている。干渉する部分ビーム３，４によって得られる干渉ボリュームは、パターン化対象のワーク９の表面上の領域に示される。

図１Ａおよび図１Ｂにおいて、ＯＡは、得られた部分ビーム３，４の平均光軸を示す。

第１のビームスプリッタＢＳ１は、部分ビーム３，４が少なくとも略同一のエネルギーを有するようにレーザ光２を分割する。

図２に、本発明にかかる装置のさらなる例を示す。ここで、レーザ光２は、図１ａおよび図１ｂの例と同様に、反射素子Ｍの領域に向けられ、そこから第１のビームスプリッタＢＳ１に反射される。第１の部分ビーム３は、第１のビームスプリッタＢＳ１からワーク９の表面方向に反射される。第１のビームスプリッタＢＳ１を透過した部分ビーム４は、第２のビームスプリッタＢＳ２に向けられる。その際、第２のビームスプリッタで得られた第１の部分ビーム４．１は、ルーフペンタミラーＲＰＭ１の反射領域に入射する。第２のビームスプリッタＢＳ２で得られた第２の部分ビーム４．２は、ルーフペンタミラーＲＰＭ２の反射領域に入射する。部分ビーム４．１および４．２は、ＲＰＭ１およびＲＰＭ２によって、パターン化対象のワーク９の表面方向に反射される。

３つの部分ビーム３，４．１および４．２へ分割することを除いて、図２にかかる例は図１Ａおよび１Ｂにかかる例と異ならない。この例においても、部分ビーム４．１および４．２は、平面平行波長板（λ／２板)５によって定義された偏光を与えることができる。反射素子６は、第１のビームスプリッタＢＳ１と集束素子Ｌとの間の第１の部分ビーム３のビーム経路内に配置することができ、これらの反射素子を用いて部分ビーム３，４．１および４．２の経路長を補償することができる。３つの部分ビーム３，４．１および４．２は、集束光学素子Ｌによってそれぞれの表面に向けられることができる。

図２の左図に、本例の平面図が示される。

図３は、ダヴプリズムＤＰを介して導かれた２つの部分ビーム３，４を模式的に示すものである。このとき、部分ビーム３，４は複数回屈折および反射して、方向が変化する。互いに干渉する部分ビーム３，４の向きの変化は、ダヴプリズムＤＰを、光軸ＯＡを中心に回転させることによって達成することができる。そしてこれにより、対応する干渉周期Λと干渉することに加えて、次に表面９上に形成されるべきパターン素子の向きを変更させる可能性がある。

図５には、本発明で生成可能な４つの異なる計算された干渉プロファイル強度が示されており、これらは、それに応じて形成可能なパターン素子に対応する。これらの変化は、部分ビームの偏光の変化によってのみ実現できる。その際に用いられる偏光ベクトルを矢印で示す。これに応じて、平面平行波長板５により偏光を適応させることができる。

偏光は、各部分ビームに対してλ／２板で個別に行うことができる。図５ａは、各部分ビームが同一に配向された偏光を有する状況を示す。波長板を回転させることによって、さらなる偏光状態を実現することができ、したがって、各部分ビームの偏光は、６０度（図５ｂ）、４５度（図５ｃ）または任意の角度（図５ｄ）で配向される。

Claims (7)

1. 直接レーザ干渉パターニングのための光学装置であって、
   レーザ光源（１）から出射されたレーザ光（２）が、前記レーザ光（２）を反射する反射素子（Ｍ）であって、その反射面が前記レーザ光（２）の光軸に対して４５度の角度で傾斜している前記反射素子（Ｍ）に向けられ、
   ａ‐前記反射素子（Ｍ）により反射された前記レーザ光は、第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）に入射して、前記第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）は、反射した前記レーザ光を２つの部分ビーム（３，４）に分割し、前記第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）によって得られた部分ビーム（３）は、前記第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）によって反射され、その光軸は、集束光学素子（Ｌ）の方向に偏向され、
   かつ、
   ｂ１‐前記第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）を透過した第２の部分ビーム（４）は、第１のペンタミラー（ＲＰＭ１）に入射し、若しくは、
   ｂ２‐ペンタプリズムに入射し、これにより多重反射および／または多重屈折をした後に、第１の部分ビーム（３）の光軸に平行になるように前記集束光学素子（Ｌ）に向けられ、
   または、
   ｃ１‐前記第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）によって得られた第２の部分ビーム（４）は、第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）に向けられ、前記第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）は、前記第２の部分ビーム（４）を、前記第２の部分ビーム（４）の第１の部分ビーム（４．１）と、第３の部分ビーム（４．２）とに分割し、前記第２の部分ビーム（４）の前記第１の部分ビーム（４．１）は、第１のペンタミラー（ＲＰＭ１）により、若しくは、
   ｃ２‐ペンタプリズムにより、前記第１の部分ビーム（３）の前記光軸に平行になるように前記集束光学素子（Ｌ）に入射し、前記第２の部分ビーム（４）の前記第２の部分ビーム（４．２）は、第２のペンタミラー（ＲＰＭ２）若しくはペンタプリズムに入射し、これにより、多重反射および／または多重屈折をした後に、前記第１の部分ビーム（３）および前記第２の部分ビーム（４）の前記第１の部分ビーム（４．１）の前記光軸に平行になるように前記集束光学素子（Ｌ）に向けられ、
   かつ、
   ｄ‐表面上または前記表面の領域内にパターニングを形成するために、前記部分ビーム（３，４，４．１，４．２）は、互いに干渉するように、前記集束光学素子（Ｌ）によって前記表面に向けられ、
   かつ
   ｅ‐前記反射素子（Ｍ）は、前記レーザ光源（１）から出射された前記レーザ光（２）の前記光軸に平行に、かつ、干渉周期Λに影響を与えるために角度４５度を維持して並進移動可能である、
   光学装置。
2. 前記反射素子（Ｍ）は、二等辺三角形の隣辺の長さに対応する最大距離ｈだけ変位可能であり、前記第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）の、前記反射素子（Ｍ）によって偏向された前記レーザ光（２）が入射する領域の長さは、前記二等辺三角形の斜辺の長さであることを特徴とする
   請求項１に記載の光学装置。
3. 平面平行波長板（５）が、前記集束光学素子（Ｌ）の上流側の少なくとも１つの部分ビーム（４，４．１，４．２）のビーム経路内に配置されていることを特徴とする
   請求項１または２に記載の光学装置。
4. 反射素子（６）が、前記第１の部分ビーム（３）のビーム経路内に、前記第１および第２の部分ビームと、必要に応じて第３の部分ビーム（３，４，４．１および４．２）とが、それぞれ、前記集束光学素子（Ｌ）に入射するまで等しい長さの距離を移動するように配置されていることを特徴とする
   請求項１から３のいずれか１項に記載の光学装置。
5. 前記部分ビーム（３，４，４．１，４．２）は、前記第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）、１若しくは複数の前記ペンタミラー（ＲＰＭ１）または１の前記ペンタプリズム、あるいは複数の前記ペンタミラー（ＲＰＭ１，ＲＰＭ２）または複数の前記ペンタプリズムと、前記集束光学素子（Ｌ）との間に配置されたダヴプリズム（ＤＰ）を介して向けられることを特徴とする
   請求項１から４のいずれか１項に記載の光学装置。
6. 前記ダヴプリズム（ＤＰ）は、互いに平行に配向する前記部分ビーム（３，４，４．１，４．２）の前記光軸に平行な軸を中心として回転可能であることを特徴とする
   請求項５に記載の光学装置。
7. ２つの部分ビーム（３，４）が互いに干渉するようにそれぞれの表面に向けられた場合に第１の部分ビーム（３）と第２の部分ビーム（４）とのエネルギー比率が比５０：５０となるように、第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）が構成され、または、
   ３本の部分ビーム（３，４．１，４．２）が互いに干渉するようにそれぞれの表面に向けられた場合に、第１の部分ビーム（３）と第２の部分ビーム（４）とのエネルギー比率が３３：６６となるように、第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）が構成され、かつ前記第２の部分ビーム（４）の第１の部分ビーム（４．１）と第３の部分ビーム（４．２）とのエネルギー比率が５０：５０となるように第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）が構成される
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光学装置。

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