JPS61502593A - 光学材料の形状の形成 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光学材料の形状の形成 不発明は光学材料内にデバイス及び他の物品を形成するための技術に関する。本 発明においては放射電磁エネルギーによって材料の選択された領域が除去される 。

２先行技術の説明 ニオブ酸リチウム及び他の複屈折結晶は広範囲の光学システムへの用途が研究さ れている。近年においては、これら結晶を電子光学導波デバイスの製造に使用す ることが提案されている。これらデバイスは交換、偏波、結合、分離等の光エネ ルギーに関する各種の機能を遂行するのに使用される。この光エネルギーは、通 常、光ファイバを通じて情報を伝送する。しかし、殆どの複屈折結晶材料は化学 的に不活性であるため簡単なエツチングを行なう上で障害となる。より具体的に は、ニオブ酸リチウム及び他の材料は反応性イオンエツチング　システムを含む 化学システム及びプラズマ　システムのエツチングに対して強い抵抗を示す。材 料の除去（つまり、エツチング）は光学材料の多くのデバイスを製造するための 重要な作業である。

各種の材料を蒸発させるためにレーザー　エネルギーが使用されることは周知で ある。高度に反射性の材料（例えば、殆んどの金属）が使用される場合は、レー ザー　エネルギーの吸収を向上させるために材料に吸収体を被覆したり、あるい は材料の表面を調節することが知られている。しかし、これは吸収体層もレーザ ー　パルスによって除去されるため、一度のレーザー　パルスの照射によって透 明の材料の所望の除去ができるか否かに依存する。除去された材料の量が十分で ないときは、吸収体層がさらに被覆され、このプロセスが反復されるが、これは 非効率である。

発明の要約 不発明においては、最初の放射電磁エネルギーの照射によって光学材料内に表面 パターンが形成される。１つの実施態様においては、この表面パターンは光学材 料の除去を誘発するいき値以上のパワー密度にて放射電磁エネルギーを加えるこ とによって形成される。もう１つの実施態様においては、この表面パターンは放 射電磁エネルギーを光学材料の表面上の消電材吸収層に当てることによって形成 される。こうして、最初に表面パターンを形成した後、表面下の追加の材料を除 去するために、第２のいき値以下の放射電磁エネルギーが照射される。この後続 の放射エネルギーの照射は最初に定義されたパターンエり広い領域をカバーし、 これによって、自己整合構造が得られる。後続の照射に使用される放射エネルギ ーのタイプは最初の照射のエネルギー　タイプとは異なるものが使用される。典 型的には放射電磁エネルギー源としてレーザーが使用されるが、別の方法として 非干渉タイプのエネルギーを使用することもできる。

第１図は消電材層が被覆された光学材料にレーザービームの幅によって定義され る溝を形成するところを示し； 第２図は第１図において最初に形成された溝をさらに光学材料に伝播されるとこ ろを示し； 第３図はパルス　レーザーに工って形成される重複スポットの正面図を示し：そ して 第４図は最初に形成されたパターンＬりも広い領域をカバーする固定レーザー　 ビームによって形状を光学材料に伝播するところを示す。

詳細な説明 以下の詳細な説明は電磁エネルギーを複数回当てることによって光学材料内に形 状を形成する技術に関する。

電磁エネルギーはここで一例として使用されるようにレーザー　ビームの形式で もよい。後に説明するごとく、この他のソースの放射電磁エネルギーを使用する こともできる。ここで使用される用語″光学材料”は有効量の光エネルギーがそ の中にあるいはそれを通って伝播することが可能な材料を意味する。多くの有用 な光学材料は複屈折を示すが、複屈折においては、ある１つの偏波の光エネルギ ーが異なる（例えば、直交する）偏波の光エネルギーと異なる速度にて伝播する 。さらに、多くの有用な光学材料は電気光学材料である。つまり、これらはこの 材料間に電圧が加えられると屈折率の変化を示す。

ただし、本発明はこのような現象を示す材料に限定されるものではない。

本発明は高パワー電磁放射の好都合なソースとしてレーザー　ビームを使用する 。第１図に示されるごとく、光学材料の基板１０上には消電材層１１が被覆され るが、これを横断してレーザー　ビーム１２による走査が行なわれ、結果として 光学材料内に溝１３が生成される。ここではコリメート　レーザー　ビーム１２ が示されるが、スポット　サイズ及びエネルギー密度の制御を高めるためにフォ ーカス　ビームを使用することもできる。不発明においだけ、後に詳細に説明さ れるように、光学材料としてはレーザー　ビームを当てると光学吸収に変化を示 すニオブ酸リチウムあるいは他の材料が使用される。

消電材１１はレーザー　ビーム１２の波長で吸収を示す有機あるいは無機材料で ある。本発明の実施において、多くの反射性金属が消電材として機能することが 発見された。これは、一部には、高レーザー強度において、幾つかの金属の吸収 率が増加することに起因する。例えば、高パワー　レーザー放射の効果（Ｅｆｆ ｅｃｔｌＩｏｆ　ｆ（ｉｇｈ−ＰｏｗｅｒＬａｓｅｒ　Ｒａｄｉａｔｉｏｎ　） 、Ｊ、　Ｆ、レディ（Ｊ、　Ｆ、　Ｒｅａｄｙ　）、アカデミツク　プレス（Ａ ｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ　）、ニュ、−ヨーク、ページ１１５−１１６（１ ９７１年）を参照すること。後に詳細に説明されるごとく、金属の使用は光学材 料に関する他の処理ステップに使用される場合に特に便利である。

消電材は厚さが同一の場合、透明な光学材料と比較してより多くのレーザー　エ ネルギーを吸収する。ここに使用される光学材料は闇いき値以下のレーザー　パ ワーレベルにおいて、１０マイクロメートルの厚さの材料に垂直なレーザー　エ ネルギーの典型的には１チ以下、より典型的には０．１％以下を吸収する。消電 材被積層の１つの目的は実質的に透明な光学材料による吸収と比較してレーザー 　ビームの吸収を増加することにある。レーザーは、典型的にはレーザー　ビー ムを一回あてるのみで消電材が消耗、つまり除去されるのに十分に高いパワー　 レベルにて動作される。さらに、レーザー　ビームのエネルギーが十分に高いた め、消電材層の吸収によって生成される熱によって、光学材料の表面の最初の形 状１３がエツチングされる。エツチングされた形状はここではしばしば”溝”と 呼ばれるが、分離した穴（あるいは”ピット″）、及びエリ複雑な構造を含む他 の形状も考えられる。

第２図に示されるごとく、本発明の一面においては、次にレーザー　ビーム１２ が最初に形成された溝に沿って再度パスされる。消電材層は既に光学基板のこの 領域から除去されているが、最初のレーザー照射によってこの光学材料の吸収率 が増加されているため二度目の照射によって追加の材料が除去される。我々はこ のプロセスが自己伝播、つまり、１つの層が除去されると、その下の層の吸収率 が増加し、次のレーザー照射によって追加の除去が行なわれることを発見した。

連続波レーザーを使用することもできるが、ここに説明の実施態様において使用 されるレーザーはパルス　タイプであり、レーザーは１つのポイントの所で少な くともその位置の所で要求される除去が達成されるまでそこにとどまり、次に隣 接する領域に移動する。第３図には多重レーザー　パルスによって形成された重 複するピット３２−３７が示される。溝の滑らかさは当業者においては明白であ るごとく、レーザー　パルスの重複の程度によって影響される。

さらに、ろる場合には、溝に沿っての任意のレーザー照射においてちる位置の所 定の深さのみを除去し、次に、溝に沿って、もう−回、あるいは複数回の追加の レーザー照射を行なって残りの材料を所定の深さまで除去することによってより 滑らかな溝壁を得ることができる。

（パルス　レーザーの場合には）レーザー　スポットの位置を１つの経路から次 の経路にずらすことによって滑らかな側壁を得ることができる。

以下に本発明の一例としての詳細な説明を行なう。

市販の音響−光学ＱスイッチＮｄ　：ＹＡＧレーザーによってエツチング領域を 形成するためのエネルギーを得た。このレーザーは１．０６μｍ波長の基本ＴＥ Ｍｏｏ、モードにて動作し、ランダムの偏波出力を与えるように構成された。こ のレーザーは４５ナノ秒パルス１５０μＪの出力エネルギーを生成する能力を示 した（ｅ−１ポイントにて測定）。

Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｓ結晶の表面を最初５００オングストロームのアルミニウム 層によって被覆した。

以前の実験においては、被覆されないＬｉＮｂ０．結晶に１５０μＪ　パルスを 照射しても材料の明らかな除去は見られなかった。しかし、アルミニウムが被覆 された結晶では、２．．５μＪ／パルス以上のレーザー　エネルギーにおいて、 アルミニウム層及びＬｉＮｂｏｓ結晶の表層の両方が除去されることが確認され た。最初のパルスによってレーザー　パルスによって生成されたピットの周りに 材料の盛り上った縁が生成されることが確認された。さらに、最初のパルスによ って、いったんアルミニウム及び結晶の表層にピットが形成されると、このプロ セスは自己伝播することが発見された。つまり、後続のレーザー　パルスによっ てさらに材料を除去するため・にアルミニウムを再沈殿する必要がないことが発 見された。分析によって、最初のパルスの後に目標領域に残存するアルミニウム はないことが確認された。これより、後続のパルスの吸収においては、明らかに 異なる機構が関与していることがわかる。我々は最初のパルスによって形成され た溶融光学材料がリチウム及びニオビウムの各種の酸化物として再固化するもの と推定する。この新たな材料は明らかに赤外及び可視波長を吸収し、結果として 、個々の後続のパルスとともに新たな吸収層が生成される。

消電材層としてアルミニウムが示されているが、他の材料を使用することもでき る。通常の状態において反射性の高い金属はアルミニウムと実質的に類似の結果 を示すことが知られている。チタニウム、銅、金、バラジュウムも吸収消電材層 として有効であることが発見された。

一般的に、２００オンゲスト°ロームから２０００オングストロームの範囲の厚 さが適当である。層が薄過ぎる場合はレーザー放射の吸収が十分でなく、一方、 層が厚過ぎる場合は所望の領域から熱が必要以上に急速に逃げる。

しかし、少なくとも０．０１マイクロメートル（１００オングストローム）から １マイクロメートルの範囲の厚さがあれば十分であり、利用できるレーザー　エ ネルギー及びレーザー波長によっては、さらに広い範囲が可能である。有機消電 材を使用することも可能である。例えば、周知のフォトレジストを使用すること もできる。ただし、通常の市販のフォトレジストは材質の最初の除去を行なうの に十分なエネルギーを光学材料に結合しないことが確認された。これは通常のフ ォトレジストが１．０６マイクロ゛メートルのＮｄ：ＹＡＧレーザーより短い波 長の所で吸収されるように最適化されているためである。従って、この波長の所 でフォトレジスト吸収を向上させるために色素吸収体を使用することが推奨され る。消電材層としてこの他の有機及び無機材料を使用することも可能である。

本発明は光学材料の表面に損傷を与えるいき値以上のパワー密度のレーザー（あ るいは他のタイプの放射電磁）エネルギーを当てることによって消電材層を使用 することな〈実施することもできる。ここで使用される用語”いき値“は、被を 夏されてない光学材料から表層を除去するのに必要な任意のタイプの放射電磁エ ネルギーの最低パワー密度として定義される。（消電材層が使用される場合、放 射エネルギーの初期照射はいき値以上あるいは以下となる）。表面パターンを形 成した後に、これと異なるタイプの放射電磁エネルギーを使用して光学材料にパ ターンを伝播することができる。従って、２つのタイプの放射エネルギーは光学 材料によって異なって吸収されるため異なるいき値を持つ。次に表面形状が続い て照射される放射エネルギーのいき値以下のパワー密度にて材料に伝播される。

例えば、０．５３マイクロメートルの波長にて動作する周波数を二倍にされたＮ ｄ：ＹＡＧレーザーは約６マイクロメードルのビーム直径ではパルス当たり約７ ．５マイクロジユールのいき値以上でニオブ酸リチウムに損傷を与える。（レー ザーの１．０６マイクロメードルの波長の所では使用されるレーザーのパルス当 たり１５０マイクロシユ・−ルのパワー限界まで損傷は観察されなかった。）好 ましいことに、さらに短い波長を使用することも可能である。例えば１９２　ｎ ｍ　の波長にて動作する紫外線エクサイマ　レーザーは、ＬｉＮｂ０゜にダーク ニングを与えることが知られており、表面パターンを形成するため、あるいはパ ターンを光学材料に伝播するため、あるいはこの両方に使用することができる。

従って、本発明の１つの実施態様においては、光面損傷いき値以上のレーザー　 パワーにて光学材料の表面上に所望の形状の第１のエツチングが行なわれ、その 後、いき値以下のレーザー　パワーの所で形状が材料内に伝播される。消電材層 を利用する実施態様と同様に、この伝播は表面層の下の層に対するレーザー　エ ネルギーの吸収が向上されることを応用する。

このエツチング　パターンの”いき値以下の伝播”によって、例えば、自己整合 された所望のパターンを製造することができる。例えば、第４図に示されるごと く、消電材層を沈殿するか、あるいは損傷いき値以上で走査層を形成して示され るパターンを形成することによって最初に光学材料６００表面にパターン６１を 形成する。

次に、いき値以下のパワー　レベルで相対的に広い領域のレーザー　ビーム６３ を当ることによって、パターン６１を光学材料６０に伝播する。レーザー　ビー ム６３はパターン６１の領域ｚりも広い領域６２をカバーするが、レーザー　ビ ームは所望のパターン領域の外側では損傷いき値以下であるため所望のパターン のみが光学材料６０に伝播する。この方法の１つの長所はレーザービーム６３を 最初に形成された形状に整合する必要がないことにある。つまり、このプロセス では形状の基板への伝播が”自己整合的に行なわれる。

上の説明においては、ニオブ酸リチウムが使用されたが、他の光学材料を使用す ることもできる。例えば、ストロンチウム　バリウム　ニオベート（ＳｒＢａＮ ｂ０３　）も消電材吸収体を使用するしないにかかわらず、また１、０６マイク ロメードル及び０．５３マイクロメートルの両方の波長において実質的にニオブ 酸リチウムと同一の挙動を示すことが発見された。損傷いき値以下のレベルにて 基板にパターンを伝播するのに必要なエネルギーは概むね同程度である。リチウ ム　タンタレート（ＬｉＴａＯｓ）も０．５３マイクロメートルの波長にて本発 明による方法によってパターン化できる。しかし、上述の２つの材料より高いパ ワー密度が要求される。例えば、消電材を使用することなしに表面形状を生成す るだめのいき値は約６マイクロメードルのビーム直径では０．５３マイクロメー トルの波長の所でパルス当たり約３０マイクロジユールである。いちど形成され ると、この形状はいき値以下でも材料内に伝播する。

観察される物理現象を検証するためのコントロールとしてガラス、溶融石英、及 び石英の各々にアルミニウム消電材層が被覆され前述のごとくレーザーが照射さ れた。

レーザーの照射の最初のパルスにおいて損傷ピットが形成されるが、後続のパル スはなんの影響も与えないことが発見された。つまり、形状は基板の存在する深 さまで伝播しないことが発見された。前述の光学材料の結果とのかねあいから、 材料の吸収率の変化はいき値以上では吸収材が被覆されているといないとに関係 なくレーザーの最初の照射によって発生し、この吸収率の変化がその下の層に伝 播し、この結果、放射エネルギーの後続のいき値以下の照射によってこれが除去 されることがわかる。

ニオブ酸リチウムとストロンチウム　バリウム　ニオベートの結果は１．０６及 び０．５３マイクロメートル　レーザー波長の両方において実質的に類似するこ とが観察された。しかし、リチウム　タンタレートは０．５３マイクロメートル の波長の所で匹敵する効果を得るためには工り高いレーザー　エネルギーが必要 であり、１．０６マイクロメードルの波長の所ではパターンの形成は見られない 。従ッテ、観察される現象は（Ｉ、１Ｎｂｏ、及びＳ　ｒ　Ｂ　ａ　ＮｂＯ５） の場合はニオビウムの酸化状態の変化に起因し、（ＬｉＴａＯ２）の場合はタン タルの酸化状態の変化に起因すると考えられる。これはまた新たに露出された層 の色中心の生成に起因するとも考えられる。レーザー　エネルギーの一回の照射 で、材料の比較的に厚い層（例えば、約１マイクロメートルの厚さ）が除去され るが、吸収は比較的に薄い吸収層（例えば０．１マイクロメートルあるいはそれ 以下）で起こると考えられる。ただし、吸収率の変化については他の説明も可能 である。本発明の実施には他の各種の光学材料が使用できる可能性がある。より 具体的には、上記の説明は少なくとも１つの金属を含む化合物あるいは他の材料 が本発明の実施に特に適することを示す。

レーザーは高密度電磁放射には好都合のソースであるが、非干渉性放射源を含む 他のソースを使用することもできる。例えば、反射性の容器内に収容されるキセ ノン及びクリプトン　フラッシュ　ランプを高温焼きなましの目的で半導体技術 に使用することもできる。通常、これらソースはレーザーで得られる以下のパワ ー密度にて放射を起こすが、非干渉性電磁放射にて本発明を実施するために補助 ソースに十分なエネルギーを与えることができる。例えば、光学材料の温度を上 げ、これによって表面パターンを形成し、あるいは後にこれを光学材料に伝播す るのに必要とされる放射パワーを減少するために抵抗ヒータを使用することがで きる。さらに別の放射源あるいはこれらの組合せも可能である。

ＦＩＧ、／ 国　際　ｉＩＩ′４Ｆ　鰯　失 Ａ、％Ｗ’ＥＸ　ＴＯＴ：　工ＮτＥＲＮＡＴＩＯＮＡ（，５ＥＡＲＣ！！　Ｒ ＥＩ’ＯＲでＯＮ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．光学材料に表面パターンを形成する方法において、本方法が 該光学材料の表面層を選択的に除去するために第１の放射電磁エネルギーの照射 を行なうステツプ、及び次いで、該光学材料から表面層が除去されるいき値以下 のパワー密度にて少なくとも１回の追加の放射電磁エネルギーを照射することに よつて該表面層の下の光学材料の少なくとも１つの追加の層を除去するステツプ を含むことを特徴とする方法。
2. ２．請求の範囲第１項に記載の方法において、該第１の放射電磁エネルギーの照 射による該表面層の除去が該光学材料上の消摩材の屑によつて助けられることを 特徴とする方法。
3. ３．請求の範囲第２項に記載の方法において、該消摩材が金属であることを特徴 とする方法。
4. ４．請求の範囲第３項に記載の方法において、該金属がアルミニウム、銅、金、 パラジウム、及びチタニウムからなる一群から選択される金属であることを特徴 とする方法。
5. ５．請求の範囲第１項に記載の方法において、放射電磁エネルギーの該第１の照 射及び追加の照射が同一のエネルギー源によつて達成されることを特徴とする方 法。
6. ６．請求の範囲第１項に記載の方法において、該放射電磁エネルギーの第１の照 射が第１のエネルギーソースによつて達成され、放射電磁エネルギーの該追加の 照射が該第１のソースと異なる第２のソースによつて達成されることを特徴とす る方法。
7. ７．請求の範囲第１項に記載の方法において、該表面層の除去が表面材料が該エ ネルギーによつて該光学材料から除去されるいき値レベル以上のパワーレベルで 達成されることを特徴とする方法。
8. ８．請求の範囲第１項に記載の方法において、放射電磁エネルギーの該追加の照 射が放射電磁エネルギーの該第１の照射の際のビームの断面積と比較して大きな 断面積を持つことを特徴とする方法。
9. ９．請求の範囲第１項に記載の方法において、該表面パターンが該光学材料上の 消摩材パターンによつて定義され、該放射電磁エネルギーの該照射が該パターン の面積よりも大きな断面積を持つビームによつて達成されることを特徴とする方 法。
10. １０．請求の範囲第１項に記載の方法において、該光学材料がＬｉＮｂＯ３、Ｓ ｒＢａＮｂＯ３、及びＬｉＴａＯ３から選択されることを特徴とする方法。