KR20060126740A

KR20060126740A - 소프트 ｘ선 가공장치 및 소프트 ｘ선 가공방법

Info

Publication number: KR20060126740A
Application number: KR1020067014917A
Authority: KR
Inventors: 테츠야 마키무라; 코우이치 무라카미
Original assignee: 도꾸리쯔교세이호징 가가꾸 기쥬쯔 신꼬 기꼬
Priority date: 2004-02-12
Filing date: 2005-02-09
Publication date: 2006-12-08
Also published as: US20070165782A1; EP1732086A1; JP2010120090A; CN1918667A; JP4499666B2; JPWO2005078738A1; EP1732086A4; JP5288498B2; WO2005078738A1

Abstract

소프트 X선의 파장에 맞추어 집광 효율을 향상시키는 타원 미러를 이용함으로써 소프트 X선의 에너지 밀도를 높게 하여, 패터닝 한 소프트 X선(패너팅 광)과 가공용의 레이저광 둘 다를 조사하지 않고, 소프트 X선만으로, 무기 재료 등의 피가공물을 수 nm의 정밀도로 가공 및/또는 개질한다. 광원부(7)로부터 방사되는 소프트 X선(14)을 타원 미러(15)로 고에너지 밀도로 집광하여 소정의 패턴으로 피가공물(19)에 조사하고, 피가공물(19)을 소정의 패턴으로 소프트 X선(14)을 조사한 부분만을 가공한다.

광원부, 집광조사 수단, 광 가공장치, 레이저광, 집광 광학계, 소프트 X선.

Description

소프트 Ｘ선 가공장치 및 소프트 Ｘ선 가공방법{SOFT X-RAY PROCESSING DEVICE AND SOFT X-RAY PROCESSING METHOD}

본 발명은 피가공물을 다단계의 공정을 거치지 않고 1공정으로, 미세하게(수 nm까지의 정밀도로) 가공하는 범용성이 높은 광 가공장치 및 광 가공법에 관한 것이다. 본 발명의 가공대상인 피가공물에는, 무기 재료, 유기 재료, 투명 재료, 불투명 재료, 또는 Si, SiO₂, 실리콘 등의 Si계 재료 등이 포함된다.

무기 재료는, 예를 들면 포토닉크리스탈(Photonic Crystal)이나 광 도파로 등의 광소자, 의료 및 바이오테크놀러지에 있어서의 초미량의 화학분석 및 화학반응 등의 분야에서 이용가치가 높아, 무기 재료의 정밀도에 우수하고, 저코스트의 가공과 개질의 기술이 요청되고 있다.

종래, 레이저광을 물질에 강조사하여, 조사면을 벗겨냄으로써 가공하는 레이저 어브레이션이라고 하는 기술은, 탄산가스 레이저를 사용한 금속 가공에 있어서 이미 실용화되어 있다. 가장 미세화가 진행되고 있는 광 리소그래피로 대표되는 광을 사용한 가공에서는, 가공정밀도는 가공에 사용하는 레이저광의 파장으로 제한되어, 좋아야 100nm의 정도이다.

또한, 종래의 광 가공기술로, 특히 무기 투명재료를 가공하려고 해도, 무기 투명재료는 무색이기 때문에 레이저광을 흡수하지 않기 때문에 가공은 곤란하다.

또한, 무기 재료 등의 피가공물의 광 가공기술로서 이미 알려져 있는 종래 기술에 대해서는 다음과 같다.

(1) 피가공물을 광을 흡수하는 용액에 담그고 레이저 가공을 행하는 기술이 보고되어 있는데, 가공정밀도는 파장의 정도까지 도달하지 못하고 있다.

(2) 피가공물 표면에 레이저 어브레이션에 의해 생성한 레이저 플라즈마를 접촉시키고, 이 부분에 가공용 레이저광을 조사하면, 그 에너지를 흡수한 플라즈마로 피가공물을 깎아낼 수 있는 것이 보고되어 있다. 그러나 이 기술에서도, 가공정밀도는 파장의 정도까지 도달하지 못하고 있다.

(3) 이산화규소에 F₂ 레이저를 조사하면 비정질성에 기인하는 상태로 흡수되고, 그 상태에서 동시에 KrF(크립톤 플루오라이드) 레이저광을 강조사 함으로써, 가공을 행할 수 있는 것이 보고되어 있다. 이 기술에서는, 제 1 레이저광을 흡수하는 상태가 미리 존재하는 것이 전제가 되어, 범용성이 낮다.

(4) 피가공물에 펨트초 레이저광을 조사하고, 동시에 복수의 광자를 흡수시키는 다광자 흡수에 의해 투명한 가공물에서도 흡수가 일어나고, 절삭이나 개질의 가공이 가능하게 되지만, 가공정밀도는 파장 정도일 뿐이다.

(5) 피가공물의 표면에서 펨트초 레이저광의 2개의 빔을 간섭시켜, 수 nm의 간섭 패턴으로 가공할 수 있는 것이 보고되어 있다. 그러나 가공할 수 있는 패턴 은 한정되어 있다.

또한, 5~200㎛의 두께의 폴리이미드 필름 등의 절연성 필름의 표면을 레이저에 의해 25㎛φ 정도의 범프 홀을 천공함으로써 생긴 범프 홀 내측이나 그 주변에 부착된 「그을음」이나 「찌꺼기」 등의 카본 등을 플라스마처리 및/또는 X선(소프트 X선)조사로 처리하여, 제거하는 것은 알려져 있다(특허문헌 1 참조).

그리고, 본 발명자는, 석영 등의 무기 투명재료를 나노 스케일(10nm까지)의 정밀도로 가공할 수 있는 범용성이 높은 가공기술을 실현하기 위해서, 도 7에 도시하는 바와 같이 소프트 X선 원(1)으로부터 방사되는 소프트 X선(2)을, 볼록거울과 오목거울의 조합으로 이루어지는 광학계(3)에 의해 소정의 패턴으로 무기 투명재료(4)에 집광하여 조사하여, 무기 투명재료(4)의 조사 부분에만 새로운 흡수를 생기게 하고, 이것에 가공용의 레이저광(5)을 조사함으로써, 패터닝 한 무기 투명재료(4)의 부분에만 고에너지 밀도의 가시 또는 자외의 가공용의 레이저광(5)(Nd:YAG 레이저광(266nm))을 흡수시켜서 무기 투명재료(4)를 가공하는 가공장치 및 가공방법을 이미 제안하였다(특허문헌 2, 3 참조).

특허문헌 1: 일본 특개2002-252258호 공보

특허문헌 2: 일본 특개2003-167354호 공보

특허문헌 3: 미국 특허 제6,818,908호 명세서

발명이 이루고자 하는 기술적 과제

특허문헌 1 기재의 기술은 5~200㎛의 두께의 폴리이미드 필름 등의 절연성 필름에 25㎛φ 정도의 천공을 레이저가공을 행하고, 그 잔사 등의 제거에서 플라스마처리 및/또는 X선(소프트 X선(soft x-ray)) 조사를 이용하는 것이며, 피가공물을 나노 정밀도로 가공하는 것이 아니다.

그리고, 상기 특허문헌 2, 3에 기재된 기술은, 나노 스케일의 정밀도로 석영 등의 무기 투명재료를 가공할 수 있는 범용성이 높은 가공기술을 실현하는 것이지만, 패터닝한 소프트 X선에 의해 생성된 흡수체에 의한 자외선흡수를 이용하고 있기 때문에, 패터닝한 소프트 X선(패터닝 광)과 가공용의 레이저광 둘 모두를 조사하지 않으면 안되므로, 장치나 가공조작이 복잡하게 되고, 게다가, 흡수체가 생성되는 재료만이 가공가능하므로, 더욱 개량의 여지가 있다는 문제가 있었다.

본 발명은, 상기 종래의 문제점을 해결하고, 가공용의 레이저광을 조사하지 않고 자외광 및/또는 소프트 X선만으로, 피가공물의 나노 오더의 가공을 가능하게 하는 것을 목적으로 하는 것이며, 그것을 위해 가공에 최적인 자외광 및/또는 소프트 X선을 발생하기 위한 광원을 선택함과 동시에, 자외광 및/또는 소프트 X선의 파장과 매치하여 집광 효율을 향상시켜 자외광 및/또는 소프트 X선의 에너지 밀도를 높게 하는 최적조건을 구비한 자외광 및/또는 소프트 X선과 타원 미러의 구성을 실현하는 것을 과제로 하는 것이다.

발명을 해결하기 위한 수단

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서, 광원부와 집광조사 수단으로 이루어지는 광 가공장치로서, 상기 광원부는 레이저광을 집광 광학계로 타깃에 집광조사 하여, 피가공물이 실효적으로 광흡수를 일으키기 위한 자외광 및/또는 소프트 X선을 발생시키는 광원부이며, 상기 집광조사 수단은 상기 자외광 및/또는 소프트 X선의 파장에 따라 자외광 및/또는 소프트 X선을 고에너지 밀도로 집광하는 광학계를 구비하고, 이 고에너지 밀도로 집광된 자외광 및/또는 소프트 X선을 피가공물에 소정의 패턴으로 조사하고, 상기 피가공물을 가공 및/또는 개질하는 것을 특징으로 하는 광 가공장치를 제공한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서, 광원부와 패턴화 조사 수단으로 이루어지는 광 가공장치로서, 상기 광원부는 레이저광을 집광 광학계로 타깃에 집광조사 하여, 피가공물이 실효적으로 광흡수를 일으키기 위한 자외광 및/또는 소프트 X선을 발생시키는 광원부이며, 상기 패턴화 조사 수단은 상기 자외광 및/또는 소프트 X선의 파장에 따라 자외광 및/또는 소프트 X선을 고에너지 밀도로 집광하는 광학계를 구비하고, 이 고에너지 밀도로 집광된 자외광 및/또는 소프트 X선을 가공할 형상에 맞춘 소정의 패터닝 광으로 하여 피가공물에 조사하고, 상기 피가공물을 가공하는 것을 특징으로 하는 광 가공장치를 제공한다.

상기 광 가공 장치에서는, 상기 자외광 및/또는 소프트 X선의 파장에 따라 자외광 및/또는 소프트 X선을 고에너지 밀도로 집광하는 광학계는, 타원 미러이며, 상기 광원부 중 자외광 및/또는 소프트 X선의 발생원이 타원 미러의 2개의 초점 중 일방의 초점에 배치되고, 이 타원 미러로 반사되어 타방의 초점에 집광되는 자외광 및/또는 소프트 X선의 파장에 대한 타원 미러 표면의 반사율과 상기 광원부에서 타원 미러를 바라보는 입체각과의 적을 크게 하는 구성으로 하는 것이 바람직하다.

상기 자외광 및/또는 소프트 X선의 파장에 따라 자외광 및/또는 소프트 X선을 고에너지 밀도로 집광하는 광학계는 타원 미러이며, 상기 광원부 중 자외광 및/또는 소프트 X선의 발생원이 타원 미러의 2개의 초점 중 일방의 초점에 배치되고, 이 타원 미러로 반사되어 타방의 초점에 집광되는 자외광 및/또는 소프트 X선의 파장에 대한 타원 미러 표면의 반사율(R)과 상기 광원부로부터 타원 미러의 장축 방향의 양끝을 바라보는 각이며 하기의 수식 1로 규정되는 φ와의 적을 크게 하는 구성으로 해도 된다.

단, 하기 수식 1중의 부호는 다음과 같다.

θ: 상기 일방의 초점으로부터 나온 광이 타원 미러에 입사될 때의 앙각

w/f: 초점간 거리(2f)에 대한 타원 미러의 회전축 방향의 길이 2w의 비

α: 「타원 미러의 회전축」과 「타원 미러의 상기 일방의 초점과 이 초점에 가까운 타원 미러의 회전축 방향의 끝점을 지나는 직선」이 이루는 각도

β: 「타원 미러의 회전축」과 「타원 미러의 상기 일방의 초점과 이 초점에 먼 타원 미러의 회전방향의 끝점을 지나는 직선」이 이루는 각도

[수 1]

상기 자외광 및/또는 소프트 X선의 파장에 따라 자외광 및/또는 소프트 X선을 고에너지 밀도로 집광하는 광학계는, 회전포물면 미러, 토로이달 미러, 회전 타원 미러 및 회전 쌍곡선 미러로 이루어지는 군 중 어느 1종의 미러 또는 2종 이상의 미러의 조합으로 이루어지는 구성으로 해도 된다.

상기 자외광 및/또는 소프트 X선의 파장에 따라 자외광 및/또는 소프트 X선을 고에너지 밀도로 집광하는 광학계는 회전 쌍곡면 미러와 회전 타원면 미러를 조합하여 이루어지는 볼터 미러(wolter mirror)인 구성으로 해도 된다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서, 광원부에서, 레이저광을 집광 광학계로 타깃에 집광조사 하여, 피가공물이 실효적으로 광흡수를 일으키기 위한 자외광 및/또는 소프트 X선을 발생시키고, 상기 자외광 및/또는 소프트 X선을 이 자외광 및/또는 소프트 X선의 파장에 따라 타원 미러로 고에너지 밀도로 집광하고, 이 고에너지 밀도로 집광한 자외광 및/또는 소프트 X선을 소정의 패턴으로 피가공물에 조사하고, 상기 피가공물을 가공 및/또는 개질하는 것을 특징으로 하는 광 가공방법을 제공한다.

발명의 효과

이상의 구성으로 이루어지는 본 발명에 의하면, 가공에 최적인 소프트 X선을 발생하기 위한 광원을 선택함과 동시에, 소프트 X선의 파장과 매치하여 집광 효율을 향상시키는 타원 미러를 이용함으로써 소프트 X선의 에너지 밀도를 높게 하고, 패터닝 한 소프트 X선(패터닝 광)과 가공용의 레이저광 둘 모두를 조사하지 않고, 패터닝 한 소프트 X선만으로, 피가공물을 나노 스케일의 정밀도로 가공할 수 있다.

본 발명에 의하면, 무기 재료, 유기 재료, 또는 Si, SiO₂, 실리콘 등의 Si계 재료 등의 피가공물을 가공할 수 있고, 게다가, 투명재료도 불투명재료도 가공이 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시예 1의 구성을 설명하는 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예 1을 설명하는 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시예 2의 구성을 설명하는 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시예 1을 설명하는 도면이다.

도 5는 본 발명의 실시예 1과 실시예 2를 설명하기 위해서 필요한 인용자료이다.

도 6은 본 발명의 실시예 3의 구성을 설명하는 도면이다.

도 7은 본 발명의 종래 기술을 설명하는 도면이다.

부호의 설명

1 광원 2, 18 패터닝 광

3, 17 광학계 4, 19 피가공물

5 가공용 레이저광 6 가공용 레이저

7 광원부 8 패턴화 조사 수단부

9 시료부 11 자외광 및/또는 소프트 X선 발생 레이저

12 집광 광학계 13 Ta 타깃

14 소프트 X선 15 타원 미러

16 매스터 패턴 20 스테이지

21 볼터 미러

본 발명에 따른 무기 재료 등의 피가공물을 가공하는 광 가공장치 및 광 가공방법의 실시형태를 실시예에 기초하여 도면을 참조하며 설명한다.

본 발명은, 무기 재료 등의 피가공물에 수 nm의 정밀도로 가공을 가능하게 하는 가공장치 및 가공방법이지만, 우선, 본 발명의 기본원리에 대해 설명한다. 종래와 같이 레이저로 피가공물의 가공을 행하려고 해도 가공정밀도는 파장 정도일 뿐이다. 또한, 피가공물이 무기 투명재료인 경우에는 무색이므로 광을 흡수하기 어렵기 때문에, 직접 레이저광을 조사해도 가공은 할 수 없다.

본 발명자에 의한 선행발명(특허문헌 2, 3 참조)은, 패터닝 광을 조사한 부분에서만 새로운 광흡수가 발생하는 것을 이용하여, 코스트나 안정성 등의 면에서 유리한 보다 파장이 긴 가시영역부터 자외의 파장영역의 가공용 레이저광을 더 조사하고 흡수시켜서, 용이하게 소프트 X선의 파장 정도까지의 가공정밀도를 확보할 수 있는 가공(절삭, 절단 등의 가공)이나 개질이 가능하게 하는 것이다.

이에 반해, 본 발명은, 패터닝 광으로서 사용하는 소프트 X선을 고에너지 밀도로 피가공물에 집광조사 함으로써 다른 가공용 레이저광을 더 흡수시키지 않고, 소프트 X선의 파장 정도까지의 가공정밀도를 확보할 수 있는 가공(절삭, 절단 등의 가공)이나 개질을 가능하게 하는 것이다.

이러한 원리인 본 발명에서는, 소프트 X선을 무기 재료 등의 피가공물에 가공할 소정의 형상으로 되도록 패턴화하여 조사함으로써, 동시에 피가공물의 표면의 가공(절삭, 절단 등의 가공)이나 개질도 가능하게 하는 것이다.

이 원리를 실현하기 위해서, 본 발명에서는, 소프트 X선을, 그 파장에 매치된 구성의 광학계를 사용하여 고에너지 밀도가 되도록 집광을 행하고, 이것을, 가동 주사 스테이지 또는 매스터 패턴 등의 패터닝 광조사화 수단을 사용하여 피가공물에 조사하고, 소정의 패턴으로 가공(절삭, 절단 등의 가공)이나 개질하는 것이다.

실시예 1

도 1은 본 발명에 따른 광 가공장치 및 광 가공방법의 실시예 1의 구성을 설명하는 도면이다. 이 실시예 1의 장치는 광원부(7), 집광조사 수단인 광학계(15) 및 시료부(9)로 구성된다.

소프트 X선을 발생하는 광원부(7)는 레이저광을 집광 광학계(12)로 타깃(13)에 집광조사 하여, 소프트 X선(14)을 발생시키는 구성으로 하고 있다.

레이저로서는 엑시머 레이저, Nd:YAG 레이저, 티탄사파이어 레이저로 대표되는 펨트초 레이저 등을 사용할 수 있고, 타깃으로서는 주석, 탄탈, 하프늄, 크세논 등의 타깃을 사용할 수 있다. 본 실시예에서는, Nd:YAG 레이저(11)로부터 720mJ/pulse, 532nm의 펄스 레이저광을 Ta(탄탈)타깃에 집광함으로써 소프트 X선(14)을 발생한다.

광원부(7)로부터 소프트 X선(14)을 발생시키고 타원 미러(15)로 집광시켜, 피가공물(19)(무기 재료 등)에 조사한다. 이것에 의해, 피가공물(19)에 소정의 패턴으로 소프트 X선을 조사하여, 피가공물(19)의 가공(절삭, 절단 등의 가공)이나 개질이 가능하게 된다.

피가공물에 소프트 X선을 가공할 소정의 형상으로 맞춘 패턴이 되도록 조사하는 패턴화 조사 수단은, 본 실시예 1에서는, 피가공물(19)을 설치한 가동 스테이지(20)를 소프트 X선에 대해 상대적으로 주사하는 구성으로 함으로써 실현할 수 있다. 이외의 패턴화 조사 수단으로서는 다음과 같은 구성이 있다.

(1) 주사거울에 의해, 소프트 X선을 피가공물에 집광조사 하고, 주사함으로써 패터닝 한다.

(2) 피가공물의 표면에 콘택트 마스크를 배치하고, 이 콘택트 마스크의 슬릿을 통과시켜 소프트 X선을 패턴 조사한다.

(3) 소프트 X선을 매스터 패턴과 결상광학계에 의해 소정의 패턴을 전사한다.

여기에서 본 발명의 특징으로 하는 구성은, 광원부(7)로부터의 소프트 X선(14)은 단위시간, 단위부피당의 광자수가 많은 고에너지 밀도의 레이저 플라즈마 소프트 X선을 사용하고, 이것을 타원 미러(15)를 사용하여 넓은 입체각으로 집광하여 소프트 X선의 에너지 밀도를 높이고, 이것을 피가공물(19)에 조사함으로써, 종래와 같이, 패터닝 광(소프트 X선)을 조사한 부분에, 가공용 레이저를 더 조사할 필요 없이, 가공 가능하게 하는 구성이다.

특히 중요한 점은, 본 발명자 등은, 사용하는 소프트 X선(14)의 파장 영역에 있어서의 타원 미러 표면에서의 입사각 및 반사율을 고려하여, 타원 미러의 집광 효율이 높아지도록 타원 미러(15)의 형상을 설계한 점이다. 이러한 타원 미러(15)의 구성(설계)에 대해 다음에 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 타원 미러(15)를 설명하기 위한 도면이다. 타원 미러(15)는 도 2(a)에 도시하는 바와 같이, 2개의 초점을 통과하는 회전축(X-X')의 주위로 타원 또는 그 일부를 회전시킴으로써 형성되는 미러이다. 그 회전 타원체의 내면이 반사면이 되는 것이다.

도 2(b)는 타원 미러(15)를 타원체의 회전축(X-X')을 포함하는 평면으로 절단한 단면도이다. 여기에서, A, B는 타원 미러(15)의 초점이며, 초점 A의 위치에 소프트 X선(14)의 발생원(타깃(13))을 배치하고, 초점 B에 배치한 피가공물(19)에 집광한다.

2개의 초점 A, B의 중점을 원점으로 하고, 회전축(X-X')과 같은 방향에 x축, 그것과 수직인 방향에 y축을 잡는 것으로 한다. 이 좌표계에서, 끝면을 형성하는 타원을 x²/a²+y²/b²=1로 나타내기로 한다.

도 2(b)에서, 2w는 타원 미러(15)의 회전축 방향의 길이로 한다. 초점 A, B의 좌표를 각각 (-f, 0), (f, 0)로 한다. 이때, 타원의 초점 A, B간의 거리는 2이다. 타원 미러(15)의 반사면의 회전축 방향의 끝점 중 초점 A에 가까운 쪽을 점 P, 먼 쪽을 점 Q로 한다. 이때, 「초점 A와 끝점 P를 지나는 직선 AP」와 「초점 A와 끝점 Q를 지나는 직선 AQ」가 이루는 바라보는 각을 φ로 한다.

타원과 y축의 교점(0, b)을 점 C로 하고, 「점 C(0, b)에서의 타원의 접선」과 「초점 A(-f, 0)과 점 C(0, b)를 지나는 직선」이 이루는 각을 θ로 한다. 이 각 θ는 초점 A로부터 나온 광이 타원 미러(15)에 입사될 때의 앙각이다.

도 2(c)는 타원 미러(15)를 원점(O)을 지나, 회전축에 수직한 평면으로 절단한 단면도이다. ψ는 타원 미러(15)를 바라보는 각도이다. 점 M, N을 각각 타원 미러의 끝점으로 하면, ψ는 직선 OM과 직선 ON이 이루는 각이다.

초점 A에 놓인 소프트 X선(14)의 발생원으로부터의 소프트 X선(14)을, 어느 만큼 초점 B에 있는 피가공물상에 집중시킬 수 있을지는, 「φ와 ψ로 정해지는 미러의 입체각」과 「미러 표면의 반사율(R)」에 의해 결정된다. 여기에서, ψ는 클수록 집광할 수 있는 광량이 많아진다.

ψ를 가공가능한 최대값에 고정하면, 집광 효율은 반사율 R과 바라보는 각의 적 Rφ로 결정된다. 이하에서는, 이것을 「집광 효율」로 하기로 한다.

타원 미러(15)의 장축방향의 길이(2w) 및 초점간 거리(2f)의 비를 일정하게 한 경우, θ를 크게 하면, φ는 커지지만 반사율(R)이 작아진다. 반대로, θ을 작게 하면, φ는 작아지지만 반사율(R)이 커진다. 본 발명에서는, 이것들을 고려하여 집광 효율 R×φ를 크게 하는 것을 타원 미러(15)의 설계지침으로 한다.

그런데, 도 2(b)에서, 타원의 초점(A, B)(±f,0)은 다음의 수식 2로 표시된다.

[수 2]

점 P의 좌표는 a=f/cosθ, b=ftanθ인 것을 주의하면, 다음 수식 3으로 표시된다.

[수 3]

따라서, 도 2(b)에 도시하는 「초점 A와 끝점 P를 지나는 직선 AP」와 회전축X-X')이 이루는 각을 α로 하면, tanα는 다음 수식 4로 표시된다.

[수 4]

이 수식 4로부터, α는 「앙각(θ)」과 「초점간 거리(2f)에 대한 타원 미러(15)의 장축방향의 길이(2w)의 비 2w/2f=w/f」에 의해 결정되어 가는 것을 알 수 있다.

마찬가지로, 도 2(b)에 도시하는 「초점 A와 끝점 Q를 지나는 직선 AQ」와 회전축(X-X')이 이루는 각을 β로 하면, tanβ는 다음 수식 5와 같이 표시된다.

[수 5]

그리고, 바라보는 각(φ)은 다음 수식 6으로 표시된다.

또한, 수식 6 중 tan^-1는 tan의 역함수이다.

[수 6]

이상으로 보아, 본 발명을 실시하는 가공장치의 전체적인 크기로부터, 소프트 X선의 발생원(초점 A)과 피가공물(19)(초점 B)의 초점간 거리(2f)와, 타원 미러(15)의 장축방향의 길이(2w)를 설정하고, 앙각(θ)을 정하면, α, β, φ가 각각 일의적으로 결정된다. 이것에 의해, 타원 미러(15)의 타원형상이 결정되고, 타원 미러(15)의 반사면이 형성가능하게 된다.

그런데, 앙각(θ)은 다음과 같이 정하면 된다. 소프트 X선(14)의 타원 미러(15)의 반사면에 있어서의 반사율(R)은, 반사표면의 재료와 소프트 X선(14)의 파장과 앙각(θ)에 의존한다. 이 의존성에 대해서는 기존값을 사용한다. 한편, φ는 앙각(θ)에 의존하고, 수식 6으로부터 φ를 산출할 수 있다. 이렇게 하여 얻어진 사용하는 소프트 X선(14)의 파장에 대해 R×φ가 최대가 되도록 앙각(θ)을 결정한다.

본 실시예에서는, 파장이 10nm 전후의 소프트 X선을 사용하는 것으로 한다. 이 파장영역에서 반사율(R)이 높은 금을 반사표면에 사용한다. 실제로는, 타원 미러(15) 본체를 석영으로 만들고, 석영의 표면을 크롬코팅하고, 게다가 그 위에 금 코팅한다.

본 발명자들이 행한 앙각(θ)의 결정의 구체예를, 도 2와, 도 4에 도시하는 그래프를 참조하여 설명한다. 도 2(b)에서, 타원 미러(15)의 장축방향의 길이(2w), 타원 미러(15)의 초점(A, B)간의 거리(2f)를 각각 2w=80mm, 2f=150mm로 했다.

그리고, 10nm 전후의 파장의 소프트 X선 영역에서의 파장 및 앙각(θ)에 대한 반사체인 금(Au)의 표면의 반사율(R)의 기존 값으로서, 도 5에 도시하는 인용자료인 「Atomic Data and Nuclear Data Tables vol. 54 No. 2 July(1993) p.315」기재의 「TABLE III. Specular Reflectivity for Mirrors」의 표, 및 이 표를 플롯하여 작성된 그래프에 나타내는 값을 인용했다.

또한, 이 인용 자료중, 「Line」은 X선 영역에서의 각 물질의 발광선이다. 「E(eV)」는 당해 각종의 X선 광원재료로부터 발생한 X선의 광자 에너지(1개의 광자가 갖는 에너지)이다. 「θ」는 X선이 금 표면에 입사되는 입사각(금 표면과 입사되는 X선이 이루는 각도)이며, 그 단위는 밀리 라디안(mr)이다. 「P(%)」는 반사율이다. 「ρ=19.30gm/cm³」은 반사체인 금의 밀도를 나타낸다.

이렇게 하여 얻어진 것이 도 4(a)에 도시하는 그래프이다. 이 그래프에 의하면, θ가 4.6˚~23.9˚의 범위에서, 10nm 전후의 파장의 소프트 X선(14)을 효율 좋게 집광할 수 있다는 지견을 얻었다. 특히, 도 4(a)에 도시하는 예에서는, θ=11.5˚로 하면 집광 효율(Rφ)이 최대가 된다. 또한, 보다 장파장의 소프트 X 선(14)을 집광하기 위해서는, θ을 크게 하면 집광 효율이 높아진다. 한편, 특히 8nm 이하의 보다 단파장의 소프트 X선(14)을 집광하기 위해서는 θ=7.2˚ 이하로 하면 집광 효율(Rφ)이 높아지게 된다.

그런데, 초점 A에 놓인 소프트 X선(14)의 발생원으로부터의 소프트 X선(14)을, 어느 만큼 초점 B에 있는 피가공물 상에 모을 수 있을지는, 전술한 바와 같이, 「φ와 ψ로 정해지는 미러의 입체각(ω)」과 「미러 표면의 반사율(R)」에 의해 결정되지만, ψ를 가공가능한 최대값에 고정하면, 집광 효율은 개략적으로, 반사율(R)과 바라보는 각의 적 Rφ로 정해진다. 그리고, 도 4(a)는 이 Rφ를 「집광 효율」로 가정하여 얻어진 그래프이다. 보다 정확하게 「φ와 ψ로 정해지는 미러의 입체각(ω)」과 「미러 표면의 반사율(R)」에 의해 산출하여 얻어진, 집광 효율을 나타내는 그래프를 도 4(b)로 나타낸다.

즉, 도 4(b)는 입사각(θ)을 50mr,………… 400mr로 변화시키고, 광자 에너지(입사광의 1개의 광자가 갖는 에너지)에 대한 집광 효율 R×ω/4π를 나타내는 그래프이다.

도 4(b)에 도시하는 그래프에 의하면, 100eV의 광자 에너지를 갖는 소프트 X선(14)은 θ=300mr로 하면 효율 좋게 집광할 수 있고, 또 150eV의 광자 에너지를 갖는 소프트 X선(14)은 θ=200mr로 하면 효율 좋게 집광할 수 있다는 지견을 얻었다. 도 4(a)에서도, 도 4(b)에서도, 보다 높은 광자 에너지를 갖는 소프트 X선을 효율 좋게 집광하기 위해서는, θ를 크게 할 필요가 있는 점에서 동일한 경향이 얻어졌다. 도 4(a)에서는 보다 간편하게, 도 4(b)에서는 보다 정밀하게 최적의 입사 각(θ)가 구해진다.

소프트 X선(14)이 타원 미러(15)로 시료부(9)에 고에너지 밀도로 집광된다. 이 소프트 X선(14)은 가동 스테이지(20)(재치대) 상에 재치된 피가공물(19)에 조사된다. 스테이지(20)가 소프트 X선(14)에 대해 소정의 이동을 함으로써, 피가공물(19)에 소정의 패턴으로 가공 및 개질을 행한다.

또한, 패터닝으로서는 상기한 바와 같이, 가동 스테이지(20)를 채용하는 것이 아니라, 콘택트 마스크를 사용해도 된다. 즉 소프트 X선(14)을 집광 광학계를 사용하여 고에너지 밀도로 하고, 또한 콘택트 마스크를 사용하여 소정의 패턴으로 패터닝 하여 피가공물(19)에 조사함으로써 절삭, 절단 등의 가공이나 개질이 가능하게 된다.

콘택트 마스크로서, 피가공물(19)의 소프트 X선이 조사되는 피가공면에 패터닝 하기 위한 마스크의 재료를 직접 성막한 것을 사용해도 된다. 콘택트 마스크의 성막 수단으로서는, 예를 들면 증착 또는 스퍼터링을 이용한다. 콘택트 마스크의 재료로서는, WS(텅스텐 실리사이드), Au, Cr 등의 재료가 이용된다. 패터닝에는, 광 리소그래피법, 전자 빔 리소그래피법, 또는 레이저 가공법을 사용한다.

실시예 2

도 3은 본 발명에 따른 광 가공장치 및 광 가공방법의 실시예 2를 설명하는 도면이다. 이 실시예 2는, 실시예 1과 동일하게, 레이저 플라즈마 소프트 X선(14)을, 타원 미러(15)로 집광하여 에너지 밀도를 높게 하고, 스테이지(20) 상의 피가공물(19)의 표면에 조사하여 가공이나 개질을 행하는 가공장치 및 가공방법이다.

이 실시예 2은, 그 패터닝은 매스터 패턴(16)을 결상광학계(17)에 의해 전사 하는 예이다. 즉 타원 미러(15)로 집광된 소프트 X선(14)을 매스터 패턴(16)을 투과시키고, 결상광학계(17)에 의해 패턴 광(18)으로서 피가공물(19)에 조사하는 구성을 채용하고 있다.

실시예 3

도 6은 본 발명에 따른 광 가공장치 및 광 가공방법의 실시예 3을 설명하는 도면이다. 이 실시예 3은 실시예 2의 광학계(17) 대신 볼터 미러(21)를 이용한 구성이며, 그 밖의 구성은 실시예 2와 동일하다. 즉 타원 미러(15)로 집광된 소프트 X선(14)을 매스터 패턴(16)을 투과시키고, 볼터 미러(21)에 의해 패턴 광(18)으로서 피가공물(19)에 조사하는 구성을 채용하고 있다.

이 실시예 3에서는, 매스터 패턴(16)을 투과한 소프트 X선(14)을, 자외광 및/또는 소프트 X선의 파장에 따라 자외광 및/또는 소프트 X선을 고에너지 밀도로 결상하는 광학계로서 볼터 미러(21)를 이용한다.

볼터 미러(21)는 회전 쌍곡면 미러와 회전 타원면 미러를 조합하여 이루어지는 미러이다. 소프트 X선(14)을 볼터 미러(21)의 반사면으로 2회 반사시켜, 피가공물(19)에 패터닝 조사한다. 이것에 의해, 피가공물(19)에 소정의 패턴으로 소프트 X선을 조사하고, 피가공물(19)의 가공(절삭, 절단 등의 가공)이나 개질이 가능하게 된다.

이상, 본 발명에 따른 광 가공장치 및 광 가공방법의 실시형태를 실시예에 기초하여 설명했는데, 본 발명은, 특히 이러한 실시예에 한정되지 않고, 특허청구 범위 기재의 기술적 사항의 범위 내에서 여러 실시예가 있는 것은 말할 필요도 없다. 예를 들면, 상기 실시예 1, 2에서는, 소프트 X선의 파장에 따라 소프트 X선을 고에너지 밀도로 집광하는 광학계로서 타원 미러를 사용하고, 실시예 3에서는 타원 미러와 볼터 미러를 이용했지만, 타원 미러나 볼터 미러 이외에, 회전 포물면 미러, 토로이달 미러, 회전 타원 미러 또는 회전 쌍곡선 미러, 또는 이들 타입의 상이한 미러의 조합을 채용하는 구성도 있다.

본 발명은 이상의 구성이므로, 예를 들면 포토닉 크리스탈이나 광 도파로 등의 광학기능성 부품, DNA 분석이나 혈액검사 등의 마이크로칩 케미스트리의 분야 등에 적용할 수 있다.

Claims

광원부와 집광조사 수단으로 이루어지는 광 가공장치로서,

상기 광원부는 레이저광을 집광 광학계로 타깃에 집광조사 하여, 피가공물이 실효적으로 광흡수를 일으키기 위한 자외광 및/또는 소프트 X선을 발생시키는 광원부이며,

상기 집광조사 수단은 상기 자외광 및/또는 소프트 X선의 파장에 따라 자외광 및/또는 소프트 X선을 고에너지 밀도로 집광하는 광학계를 구비하고, 이 고에너지 밀도로 집광된 자외광 및/또는 소프트 X선을 피가공물에 소정의 패턴으로 조사하여, 상기 피가공물을 가공 및/또는 개질하는 것을 특징으로 하는 광 가공장치.
광원부와 패턴화 조사 수단으로 이루어지는 광 가공장치로서,

상기 광원부는 레이저광을 집광 광학계로 타깃에 집광조사 하여, 피가공물이 실효적으로 광흡수를 일으키기 위한 자외광 및/또는 소프트 X선을 발생시키는 자외광 및/또는 소프트 X선을 발생하는 광원부이며,

상기 패턴화 조사 수단은 상기 자외광 및/또는 소프트 X선의 파장에 따라 자외광 및/또는 소프트 X선을 고에너지 밀도로 집광하는 광학계를 구비하고, 이 고에너지 밀도로 집광된 자외광 및/또는 소프트 X선을 가공할 형상에 맞춘 소정의 패터닝 광으로서 피가공물에 조사하여, 상기 피가공물을 가공하는 것을 특징으로 하는 광 가공장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 자외광 및/또는 소프트 X선의 파장에 따라 자외광 및/또는 소프트 X선을 고에너지 밀도로 집광하는 광학계는, 타원 미러이며, 상기 광원부 중 자외광 및/또는 소프트 X선의 발생원이 타원 미러의 2개의 초점 중 일방의 초점에 배치되고, 이 타원 미러로 반사되어 타방의 초점에 집광되는 자외광 및/또는 소프트 X선의 파장에 대한 타원 미러 표면의 반사율과 상기 광원부로부터 타원 미러를 바라보는 입체각과의 적을 크게 하는 구성인 것을 특징으로 하는 광 가공장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 자외광 및/또는 소프트 X선의 파장에 따라 자외광 및/또는 소프트 X선을 고에너지 밀도로 집광하는 광학계는, 타원 미러이며, 상기 광원부 중 자외광 및/또는 소프트 X선의 발생원이 타원 미러의 2개의 초점 중 일방의 초점에 배치되고, 이 타원 미러로 반사되어 타방의 초점에 집광되는 자외광 및/또는 소프트 X선의 파장에 대한 타원 미러 표면의 반사율(R)과 상기 광원부로부터 타원 미러의 장축방향의 양단을 바라보는 각이며, 하기의 수식 7로 규정되는 φ와의 적을 크게 하는 구성인 것을 특징으로 하는 광 가공장치.

단, 하기의 수식 7 중의 부호는 다음과 같다.

θ: 상기 일방의 초점으로부터 나온 광이 타원 미러에 입사될 때의 앙각

w/f: 초점간 거리(2f)에 대한 타원 미러의 회전축 방향의 길이 2w의 비

α: 「타원 미러의 회전축」과 「타원 미러의 상기 일방의 초점과 이 초점에 가까운 타원 미러의 회전축 방향의 끝점을 지나는 직선」이 이루는 각도

β: 「타원 미러의 회전축」과 「타원 미러의 상기 일방의 초점과 이 초점에 먼 타원 미러의 회전방향의 끝점을 지나는 직선」이 이루는 각도

[수 7]
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 자외광 및/또는 소프트 X선의 파장에 따라 자외광 및/또는 소프트 X선을 고에너지 밀도로 집광하는 광학계는, 회전 포물면 미러, 토로이달 미러, 회전 타원 미러 및 회전 쌍곡선 미러로 이루어지는 군 중 어느 1종의 미러 또는 2종 이상의 미러의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 가공장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 자외광 및/또는 소프트 X선의 파장에 따라 자외광 및/또는 소프트 X선을 고에너지 밀도로 집광하는 광학계는, 회전 쌍곡면 미러와 회전 타원면 미러를 조합하여 이루어지는 볼터 미러인 것을 특징으로 하는 광 가공장치.
광원부에서, 레이저광을 집광 광학계로 타깃에 집광조사 하여, 피가공물이 실효적으로 광흡수를 일으키기 위한 자외광 및/또는 소프트 X선을 발생시키고,

상기 자외광 및/또는 소프트 X선을, 이 자외광 및/또는 소프트 X선의 파장에 따라 타원 미러로 고에너지 밀도에 집광하고, 이 고에너지 밀도로 집광한 자외광 및/또는 소프트 X선을 소정의 패턴으로 피가공물에 조사하여, 상기 피가공물을 가공 및/또는 개질하는 것을 특징으로 하는 광 가공방법.