WO2005115676A1

WO2005115676A1 - レーザ加工方法および装置

Info

Publication number: WO2005115676A1
Application number: PCT/JP2005/007403
Authority: WO
Inventors: Saulius Juodkazis; Oleg Efimov; Hiroaki Misawa; Yasuyuki Tsuboi
Original assignee: Hokkaido University NUC
Current assignee: Hokkaido University NUC
Priority date: 2004-05-26
Filing date: 2005-04-18
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2006-11-26
Also published as: JP4631044B2; JP2007253156A; US20080314883A1

Abstract

　誘電体材料基板や半導体材料基板などの加工対象物の内部にプラズマを生起させることなく、加工に使用するレーザ波長の回折限界値の半分以下の極めて微細な改質領域を形成することができるレーザ加工方法および装置。この技術においては、プラズマを全く生起しないようなレーザ強度でも、新たな損傷が生起されることに着目し、プラズマが生起するレーザ強度のしきい値よりも低い（例えば、１／１.５倍程度）レーザ強度を有するレーザ光（１）を、集光位置（３）において自己収束効果を生起させないように精密設計された照射光学系（２０）を用いて加工対象物（１０）に集光照射する。

Description

明細書

レーザ加工方法および装置

技術分野

[0001] 本発明は、レーザ加工方法および装置に関し、特に、誘電体材料基板や半導体材料基板などの加工対象物に対し、パルスレーザ照射により微細な損傷 (改質)を形成したり、加工対象物の切断に使用される切断起点領域を形成したりするのに好適なレーザ加工方法および装置に関する。

背景技術

[0002] 近年のパルスレーザの応用の一つに材料の微細加工が挙げられる。特に、加工領域のサイズをより小さく微細にするためには、使用するパルスレーザのパルス時間幅をより短くすることが重要である。市販品として普及しているレーザのパルス幅としては、マイクロ（サブミリ）秒（lms = 10_⁶秒）、ナノ秒（Ins = 10_⁹秒）、ピコ秒（lps = l 0_¹²秒）、フェムト秒（lfs= 10_¹⁵秒）がある。一般に、加工に使用するレーザのパルス幅が長くなるにつれて、加工部位の周辺には熱的損傷が顕著になる。また、レーザのパルス幅が長いと多光子吸収などの非線形光学効果を利用し難くなる。すなわち

、加工に使用するレーザのパルス幅が長くなると加工精度 (加工の空間分解能）が低下し、レーザ波長よりも微細な加工は困難になる。

[0003] ナノテクノロジーに代表されるように、最近ではマイクロメートル以下の微細なカロェ技術の確立が急務となっている。そのため、レーザカ卩ェ技術においてもレーザの短パルス化が一つの流れとなっており、具体的には、 100フェムト秒（ = io_¹³秒)前後のパルス幅のレーザを用いたカ卩ェ技術が多数提案されて、る。このようなフェムト秒レーザを物質に照射すれば、フェムト秒という極めて短い時間に光エネルギを集中して注入することができる。そのため、照射部位の周囲への熱拡散をほとんど無視することができ、かつ、多光子吸収などの非線形効果を効果的に生起することができる。その結果、フェムト秒パルスレーザの場合には、その波長以下のサイズの微細加工が可能になることもある。

[0004] このようなフェムト秒レーザ加工における従来技術として、特許文献 1に記載された技術がある。特許文献 1記載の技術は、金などの金属やガラスなどの誘電体材料を対象にし、パルスレーザを照射し、損傷（LIB : Laser Induced Breakdown)が誘起されるフルエンス ϋ/cm²)のしき、値 (F )のレーザパルス幅（ τ )依存性を調べた。損

th

傷は、主にプラズマ放射強度をモニタすることにより確認している。すなわち、特許文献 1記載の技術における損傷とは、主としてプラズマ発生型の損傷である。ここで、プラズマという用語は、電離、誘電破壊、絶縁破壊、アバランシ工などとほぼ同義語である。

[0005] 特許文献 1記載の技術にお!ヽて、パルス幅 τが長、領域 (ガラスの場合、 τ > 10 ピコ秒）では、しきい値 F は τの 1Z2乗に比例する（F ^ z )というスケーリング

th th

則が観測された。一方、ノルス幅 τがそれより短くなると、プロットのカーブは急激にスケーリング則から変化/逸脱することが観測された。スケーリング則から逸脱する、パルス幅が短、領域で材料にレーザ照射を行うと、レーザ波長よりも小さなサイズの切断空洞が形成された。例えば、ガラスを加工対象物とし、レーザ波長 800nm、レ一ザパルス幅 150フェムト秒の場合、損傷のしきい値 F は 30jZcm²と大きな値とな

th

り、このような大きな F は多光子アバランシェ理論と一致することを指摘している。す

th

なわち、ガラスで誘起される損傷は多光子アバランシェによるプラズマ発生であるが、生起される損傷のサイズに関する具体的な値は示されて、な、。

[0006] 特許文献 1記載の技術は、ガラスの他にも、金などの金属や生体組織を加工対象物にした場合の実施例を示している。そのいずれも「スケーリング則カゝら逸脱するパルス幅の短い範囲では加工精度が向上する」ことを指摘している。すなわち、特許文献 1記載の技術で定義するところの「損傷」では、そのフルエンスしきい値 (F )のレ

th 一ザパルス幅（ τ )依存性は、パルス幅の長い領域では、いずれも F τのスケ

th

一リング則が成り立ち、パルス幅がある値よりも短くなればこのスケーリング則から予測される値よりもしきい値 (F )は大きくなる。このような挙動を示す「損傷」のみに対し

th

て、特許文献 1記載の技術は加工精度の向上を見出している。

特許文献 1：国際公開第 95Z27587号パンフレット

発明の開示

発明が解決しょうとする課題 [0007] し力しながら、特許文献 1記載の技術にお!、ては、特にガラスのような誘電体材料では、損傷を誘起する機構は多光子アバランシェによるプラズマ発生である。上記のように特許文献 1記載の技術においては、 F τ

th のスケーリング則力も逸脱するような短いパルス幅で、損傷しきい値のフルエンス F はパルス幅の減少に応じて減少

th

することなく (スケーリング則力も逸脱して)増加する。すなわち、損傷を誘起するには高いフルエンスが必要となり、このような高いフルエンスでは、まさにプラズマ発生による損傷が誘起されるわけである。

[0008] プラズマ発生においては、照射部位における温度は瞬間的に数万度にも達し、し力も高い運動エネルギを有する自由電子が多数発生する。したがって、照射位置における原子構造は完全に破壊されるばかりか、高い温度上昇による熱拡散により損傷領域のサイズも大きくなる。さらに、高い運動エネルギを有する自由電子もランダムに拡散し、損傷を誘起することになり、この効果も損傷のサイズを大きくする一因である。すなわち、損傷のサイズの減少、つまり加工の微細化の観点からは、プラズマの生起は好ましいものではない。このようなプラズマ生起による加工では、損傷のサイズはレーザ波長を下回ることは可能力もしれないけれども、レーザ波長の回折限界値（およそレーザ波長 λの 0.6倍)の半分以下程度の微細加工は不可能である。

[0009] 本発明の目的は、半導体材料や、ガラスなどの誘電体材料に対し、レーザパルス照射により、プラズマを生起することなぐ照射部位においてレーザ波長の回折限界値よりも小さな損傷 (改質)を生起することができるレーザ加工方法および装置を提供することである。

課題を解決するための手段

[0010] 本発明は、加工対象物にプラズマを生起させるレーザ強度のしきい値よりも小さいレーザ強度を有するレーザ光を、光学系を介して加工対象物に集光照射し、加工対象物にプラズマを生起させることなく損傷を生起させるようにした。

発明の効果

[0011] 本発明によれば、様々な誘電体材料や半導体材料に対し、プラズマを誘起することなぐレーザ波長の回折限界値よりも小さな損傷 (改質)を生起することができるレーザカ卩ェ方法および装置を得ることができる。図面の簡単な説明

[0012] [図 1]本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図

[図 2]図 1のレーザカ卩ェ装置を用いた力卩ェの手順を示すフローチャート

[図 3]図 3Aは、ガラス (屈折率 n= 1.515)におけるレーザビーム断面方向の損傷のサイズ (直径)のレーザ強度依存性のシミュレーション結果を示す図、図 3Bは、同ガラスにおけるレーザビーム光軸方向の損傷のサイズ (長さ）のレーザ強度依存性のシミュレーシヨン結果を示す図

[図 4]図 4Aは、本発明における損傷の光散乱像を示す図、図 4Bは、プラズマ発光の画像を示す図

[図 5]図 5Aは、本発明における損傷のレーザ強度 (イラディアンス）のしきい値のパルス幅依存性を示す図、図 5Bは、特許文献 1記載の技術における損傷のレーザ強度（イラディアンス）のしき、値のパルス幅依存性を示す図

[図 6]本発明における損傷のレーザ強度（フルエンス）のしき、値のパルス幅依存性を示す図

[図 7]ガラスに対して本発明における損傷で誘起される構造変化を模式的に示す図であり、図 7Aは、レーザ照射前のガラスの構造を示す図、図 7Bは、レーザ照射後のガラスの構造を示す図

[図 8]様々な加工対象物に対する本発明における損傷のレーザ強度しき、値の測定結果を示す図

発明を実施するための最良の形態

[0013] 以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

[0014] 本発明者は、ガラスなどの誘電体材料に対物レンズを含む光学系により各種パルスレーザを材料内部に集光し、同時に照射部位のレーザ散乱画像拡大観察を行つた。その結果、プラズマを生起するフルエンスしきい値力もレーザ強度を徐々に下げて、くと、特許文献 1記載の技術のようなプラズマを全く生起しな、ようなフルエンスでも、新たな損傷が生起されることを見出した。この全く新しいレーザ損傷現象に基づき、本発明者は以下詳述する本願発明を着想するに到った。

[0015] 本発明は、加工対象物に回折限界値よりも微細な加工を施し、かつその加工部位を観察する方法および装置に関する。本発明では、精緻に最適化された照射光学系によりパルスレーザ光を集光し、同時に照射部位を暗視野型レーザ光散乱法により画像計測し、損傷の有無を精密計測する。照射光学系の設計指針には、集光位置において自己収束効果を生起させない工夫も肝要な点として含まれる。また、パルスレーザ照射における集光位置の変化を計測することにより、照射位置にプラズマを生起することなぐプラズマを生起するよりも低い光エネルギにおいて、プラズマによる損傷とは全く異なる微細な損傷を生起させるものである。

[0016] 上記のように、本発明における損傷は、特許文献 1記載の技術におけるプラズマ誘起損傷とは根本的に異なる。これは、下記のような観測事実からも容易に理解できょう。本発明における損傷のフルエンスしき!、値を後述するレーザ光散乱画像計測法により各種材料に対し決定した。その結果、本発明における損傷のフルエンスしきい値は、加工対象物がガラスの場合、プラズマ誘起しきい値の 1Z 1.5程度の大きさであることがわ力た。さらに、例えば、ガラスを加工対象物として、本願発明の損傷しきい値のレーザパルス幅依存性を、特許文献 1記載の技術と同様に調べた。その結果、レーザパルス幅を 150フェムト秒から 30ナノ秒まで広範に変化させた場合、損傷のしきい値は、レーザパルス幅の減少に従い、線形的に単調に減少することを見出した。すなわち、本発明における損傷では F cc _τが成り立つ。これは、特許文献 1記

th

載の技術のスケーリング則 F τとは明確に異なる振る舞いであり、本発明にお

th

ける損傷が特許文献 1記載の技術とは全く異なる機構により生起されることを示している。

[0017] 上記挙動は、レーザ強度をフルエンスで表した場合に観測される。「フルエンス」とは、単位面積あたりの光エネルギであり、 QiZcm²]の単位で表される。一方、レーザ強度の定義には、単位面積、単位時間あたりに照射される光エネルギで表す「イラディアンス」と呼ばれる量もあり、これは [WZcm²]の単位で表される。そこで、上記した F cc ての依存性をイラディアンスしきい値を用いて書き直した。すなわち、本発明に th

おける損傷のイラディアンスしき、値 (I )のレーザパルス幅（ τ )の依存性を調べた。

th

その結果、イラディアンスしきい値はパルス幅に全く依存せず、一定値をとる (I = th 一定)ような、極めて特異的な挙動が観測された。本発明は、このような挙動に従う損傷を生起させるものである。

[0018] 以下、図面を用いて本発明の好適な実施の形態を説明する。

[0019] 本発明で加工の対象とする材料は、ガラス、アルカリハライド (フッ化カルシウムなど )、サファイア、ダイヤモンドなどの誘電体や半導体である。使用するパルスレーザの波長（ λ )は、これら材料のバンドギャップよりも低い光子エネルギに対応するものであり、具体的には 500nm程度の可視光から l〜2 /z m程度の近赤外光が相当する。このような波長のパルス光を供給使用するパルスレーザとしては、例えば、パルス幅 1 0〜500フェムト秒のフェムト秒パルス発振のチタンサファイアレーザ（ λ〜800nm) およびその高調波（ λ〜400nm)、パルス幅 10ピコ秒前後のピコ秒パルス発振のチタンサファイアレーザ（ λ〜800nm)およびその高調波（ λ〜400nm)、パルス幅 10 〜30ピコ秒のピコ秒 Nd: YAGレーザ（ λ = 1064nm)およびその高調波（ λ = 532 nmまたは 355nm)、パルス幅 10ナノ秒前後のナノ秒パルス発振の Nd:YAGレーザ ( λ = 1064nm)およびその高調波（ λ = 532nmまたは 355nm)などを用いることができる。損傷の微細化には、フェムト秒パルスレーザの使用が好ましい。本発明における損傷は、単発照射で形成できるため、パルス発振の繰り返し発振周波数 (単位時間あたりのパルス供給の数)は特に限定されないが、加工対象物に多数の損傷を高速に生起するためには高繰り返し発振形態であることが好ましぐ具体的には、例えば、 1kHz (キロへルツ)発振のフェムト秒チタンサファイアレーザなどが用いられる

[0020] 図 1は、本発明の一実施の形態に係るレーザカ卩ェ装置の構成を示すブロック図である。

[0021] このレーザ加工装置 100は、本発明に係る上記損傷を誘起し、同時にその損傷を確認する装置であって、加工対象物 10内部に本発明における損傷を誘起するための照射光学系 20と、生起した損傷を観察するためのレーザ光散乱画像計測光学系 30とを有する。加工対象物 10は、三次元ステージ 12に固定されており、所定の位置に加工が施されるよう、三次元的に任意に駆動走査できるようになつている。

[0022] 照射光学系 20は、レーザ光を加工対象物 10内部に光の回折限界値にまで絞り込み、かつ自己収束効果を生起しないように設計されている。照射光学系 20は、テレスコープ光学系 22、ダイヤフラム 24、および対物レンズ 26を有する。図示しないレーザ光源で発生したレーザ光 1は、テレスコープ光学系 22によってビーム径が所定の倍率 (例えば、 3倍程度）に拡大される。具体的には、例えば、レーザ光 1の直径はテレスコープ光学系 22によって 6mmから最大 20mmにまで拡大される。ビーム径が拡大されたレーザ光 1は、ダイヤフラム 24を通じて、リング状のビーム断面にビーム整形される。リング状にビーム整形する理由は後述する。リングの直径は、例えば、 8〜： LO mmである。ビーム整形されたレーザ光 1は、高い開口数 (NA値)を有する油浸対物レンズ 26によってカ卩ェ対象物 10内部の所定の集光位置 3に集光される。具体的には、例えば、対物レンズ 26の開口数（NA: Numerical Aperture)は、 NA= 1.0以上である。実際には、ダイヤフラム 24および対物レンズ 26は、光学顕微鏡に組み込まれて使用される。このような光学配置により、レーザ光 1は大きな立体角をなして加工対象物 10の内部に集光される。その結果、集光位置 3において自己収束効果によるビームスポットの伸長は生起されることなぐ集光位置 3におけるビームスポット径は、レーザ光 1の回折限界値 (およそえ X 0.6)程度にまで集光することができる。

[0023] 一方、レーザ照射の反対側に配置されているのは、生起された損傷を確認するためのレーザ光散乱画像計測光学系 30である。損傷を生起するために上記のように加工対象物 10の内部に集光されたレーザ光 1は、自己が生起した損傷により散乱されるため、その散乱光を暗視野で拡大画像計測することにより微細な損傷を確認することができる。損傷を確認するためにこのような方法が必要な理由は、本発明における損傷は、特許文献 1記載の技術におけるプラズマによる空洞状の損傷 (クラックや穴)ではなぐ照射部位の密度、屈折率が変化するような損傷であり、単純な光学顕微鏡により確認するのは困難であるからである。

[0024] レーザ光散乱画像計測光学系 30は、スポットスクリーン（開口） 32、対物レンズ 34、 CCDカメラ 36、および光学フィルタ 38を有する。上記のようにリング状のビーム断面を有し損傷を生起するために加工対象物 10の内部に集光されたレーザ光 1は、リング状のビーム断面を有するまま再び発散する力加工対象物 10を抜け出た後にスポットスクリーン 32により遮断される。しかし、損傷が集光位置 3に生起された場合においては、入射レーザ光 1の一部は集光位置 3での損傷により散乱され、光路 (進行方向）が変化する。その結果、散乱光 5はスポットスクリーン 32を通過することができる。その後、散乱光 5は対物レンズ 34を通過して拡大され、散乱像力CCDカメラ 36によつて撮像される。すなわち、本発明における損傷が生起されない場合には、散乱像は完全な暗視野となり、損傷が誘起された場合にのみ散乱像が CCD画面上に現れ、損傷の生起を確認することができる。また、レーザ照射により特許文献 1記載の技術のようにプラズマを生起させる場合には、 CCDカメラ 36の前面にレーザ波長のみをカットする光学フィルタ 38を配置してレーザ散乱光 5をカットし、プラズマ発光のみを撮像することちできる。

[0025] レーザ光散乱画像計測光学系 30により、加工対象物 10に対する本発明における損傷を誘起できる照射条件 (フルエンスしき!ヽ値)が決定される。決定された照射条件は直ちに照射手順にフィードバックされ、レーザ出力が決定された出力になるようにレーザ光源（図示せず）が調整される。加工対象物 10は、上記のように、三次元ステージ 12に固定されており、所定の位置に加工が施されるよう、三次元的に任意に駆動走査可能である。レーザ光 1は、上記のように、照射光学系 20を用いて加工対象物 10に集光され、所定の位置に力卩ェを施すことができる。

[0026] 図 2は、図 1のレーザカ卩ェ装置 100を用いた力卩ェの手順を示すフローチャートである。図 2に示すように、加工の手順は、加工のレーザ強度が未知の場合と既知の場合とで異なる。

[0027] 加工のレーザ強度が未知の場合は、加工対象物 10を三次元ステージ 12に転載し、加工位置を位置決めした後、レーザ光 1を加工対象物 10に照射し、レーザ光散乱画像計測光学系 30により、加工対象物 10の損傷のしきい値を決定し、加工のレーザ強度を決定する (ステップ S100)。そして、ステップ S 100で決定したレーザ強度で、照射光学系 20を通じて、加工予定位置にレーザ光 1を照射する (ステップ S 200)。そして、あら力じめ決められたカ卩ェ予定ラインに沿って二次元 Z三次元的に三次元ステージ 12を駆動走査し、加工予定ラインに沿った損傷を誘起して所望の加工を行う（ステップ S 300)。

[0028] 加工のレーザ強度が既知の場合は、ステップ S 100の手順は必要ではなぐ直ちにステップ S200およびステップ S300の手順を行う。 [0029] ここで、上記方法により生起する本発明における損傷のサイズ (レーザ光軸に対し垂直方向のサイズ）は、次の数値計算に従って計算することができる。本発明において使用するレーザ光は、その進行方向に対して垂直方向の光の強度分布（つまり、ビームの断面の強度分布）がガウス関数で表され、このような光ビームはガウシアンビームと呼ばれて、る。このようなガウシアンビームをカ卩ェ対象物に対物レンズで集光すると、集光位置における光の強度分布 I(r,z)およびビームの集光スポットサイズの半径 w(z)は、それぞれ、次の（式 1)および (式 2)のように表される。

[数 1] r, z = J (式 1 )

[数 2]

(式 2 )

ここで、 rはビームの断面方向の座標（ビームの中心で r=0)であり、 zはビームの進行方向の座標である（焦点位置で z = 0)。 nは加工対象物の屈折率であり、 λは真空中のレーザ波長である。 Iは焦点位置におけるビーム中心 (r=z = 0)での光強度で

0

あり、 wは焦点位置（z = 0、この位置は「ビームウェスト」と呼ばれる）におけるビーム

0

の集光スポットサイズである。（式 2)において、 zはレイリー長と呼ばれるものであり、

R

次の（式 3)のように表される。

[数 3]

n v.

^ZR (式 3 )

λ

[0030] (式 1)から、ビームウェスト（ζ = 0)における集光スポットの周辺部 (r=z )の光強度 I

0

は、 1 = 1 Ze²の関係に従って中心部 I力もその強度が減衰する。一方、集光スポット

0 0

サイズとしては、慣例的には、ビームの集光スポットサイズの直径 dを半値全幅（FW HM : Full Width at Half Maximum)で考える。すなわち、断面方向のビームの光強度 Iがビーム中心の光強度 Iの半分になる（1 = 1 Z2)ところの集光スポットの直径で、レ

0 0

一ザビーム断面方向の損傷の直径 Dを定義する。換言すれば、ビームスポットサイズを、光強度が中心部の強度の 1 = 1 Zeに減衰する位置力、または、 1 = 1 Z2に減衰

0 0 する位置かで考えるわけである力慣例では後者 (FWHMでの定義)で考え、この場合、後者の定義に従う dは前者の定義に従った場合よりも 2Z 2In(2)= 1.699だけ小さくなる（1.699分の 1になる）。一方、ビームの進行方向においては、この光強度が半分になる位置は z = zである。以上に基づき、本発明における損傷のサイズを

R

計算することができる。

[0031] すなわち、損傷のしきい値 I 以上の光強度 Iにおける損傷に関し、（式 1)において th 0

I(r,z)=Ithとおくと、本発明における損傷のレーザビーム断面方向のサイズ (直径) D およびレーザビーム光軸方向のサイズ (長さ） Lは、それぞれ、次の（式 4)および (式 5 )のように表すことができる。

[数 4]

[数 5]

L = ... (式 5 )

ここで、ビームウェスト（z = 0)における集光スポットサイズ wは、使用する対物レンズ

0

の開口数を NAとおくと、次の（式 6)で近似的に表すことができる。

[数 6]

(式 6 )

そこで、（式 4)および (式 5)を用いれば、損傷のレーザビーム断面方向の直径 Dおよびレーザビーム光軸方向の長さ Lをそれぞれ計算することができる。

[0032] 本発明者は、上記の理論（(式 4)と (式 5) )に基づき、シリケートガラス (屈折率 n= l .515)を対象に、波長 800nmのレーザ光を集光した場合の損傷のサイズ (上記 Dと L)のレーザ強度依存性をシミュレーション計算した。図 3は、そのシミュレーション結果を示す図である。図 3Aは、レーザビーム断面方向の損傷の直径 Dのシミュレーシヨン結果であり、図 3Bは、レーザビーム光軸方向の損傷の長さ Lのシミュレーション結果である。ここで、図 3Aおよび図 3Bには、いずれも、二つの異なる対物レンズ (NA = 0.55と NA= 1.30)を用、た場合のシミュレーション結果を示して、る。同図において、横軸は、レーザ強度 I

0を損傷のしきい値 I ZI )

thで規格ィ匕した値 (I

0 thを目盛っている。すなわち、横軸のレーザ強度は、損傷のしきい値で規格ィ匕した値である。

[0033] 図 3Aから、損傷のレーザビーム断面方向の直径 Dに関しては、レーザ強度が増加するにつれて損傷の直径 Dも増大することが容易に認識される。その際、注目すべきはそのサイズである。対物レンズの開口数が 0.55の場合 (NA=0.55)、レーザ強度 Iがしきい値 I の 1.10倍に達すると、直径 Dは増大するものの 200nm程度である。さ

th

らに、対物レンズを開口数 NA= 1.30のものにすると、直径 Dを lOOnm以下にすることができる。また、図 3Bから、損傷のレーザビーム光軸方向の長さ Lに関しては、開口数 NA=0.55の場合、レーザ強度 Iがしきい値 I の 1.10倍に達すると、 Lはレーザ

th

波長（800nm)にまで達していることがわかる。し力し、対物レンズの開口数を大きくして NA= 1.30にすると、損傷の長さ Lは 150nm以下にまで小さくすることができる。このように、使用する対物レンズの開口数 NAを大きくすることにより（例えば、 NA> 1 )、損傷のサイズをレーザ波長の回折限界値の半分以下にまで小さくことができる。

[0034] このように、本実施の形態によれば、プラズマが生起するレーザ強度のしきい値よりも低い（例えば、 1Z1.5倍程度）レーザ強度を有するレーザ光を、集光位置において自己収束効果を生起させな、ように精密設計された縮小投影光学系を用いてカロェ対象物に集光照射するため、誘電体材料基板や半導体材料基板などの加工対象物の内部にプラズマを生起させることなぐ加工に使用するレーザ波長の回折限界値の半分以下の極めて微細な改質領域を形成することができる。

[0035] なお、この微細な改質領域は、通常の方法で確認することは困難である力上記のように、暗視野型光散乱観察法を用いることにより、明確に改質が施された場所を特定することができ、所望の位置に当該微細な加工を施すことができる。

[0036] また、本発明者は、本発明を実証するために実験を行った。

[0037] (実験例 1)

実験例 1では、加工対象物としてシリケートガラス（商標名： BK7)を用いた。加工を施すレーザとして、フェムト秒チタンサファイアレーザ（波長 800nm、パルス幅 150fs )を使用した。そして、図 1の装置により、レーザ光 1を回折限界値（800nmX 0.6=4 80nm)にほぼ等しい直径 550nmのスポットにまで集光できることを確認した。これは、表面集光の対照実験、原子間力顕微鏡観察、数値シミュレーションにより確認した値である。

[0038] 以下において、損傷の生起は、 1箇所につきすベて単発のレーザパルス照射で行つた o

[0039] (実験例 2)

実験例 2では、実験例 1と同様にして、ガラスのフェムト秒パルスレーザ誘起損傷のレーザ強度依存性を調べた。すなわち、加工対象物としてシリケートガラス (商標名： BK7)を用い、レーザとしてフェムト秒チタンサファイアレーザ（波長 800nm、パルス幅 150fs)を用いた。図 4は、このときのレーザ照射位置における暗視野光散乱画像の代表的な例を示す図である。図 4Aは、フルエンス F= 1.45jZcm² (イラディアンス I = 6.6TWZcm²)で誘起した、本発明における損傷の光散乱像を示し、図 4Bは、フルエンス F= 2. lj/cm² (イラディアンス I = 9.4TW/cm²)で誘起した、プラズマ発光の画像を示している。

[0040] すなわち、照射部位におけるイラディアンス Iがしきい値 I^P = 9.8TWZcm²に達す

th

ると、照射部位にはスパーク状の可視発光が観測された（図 4B参照)。これは、特許文献 1記載の技術においても観測されているようなレーザ集光によるプラズマの生起である。次に、レーザ強度をプラズマ発生のしきい値 I^P

thよりも低くし、照射部位を光散乱画像により詳細に観測したところ、プラズマ発生のしきい値 I^P の 1Z1.5倍のィ

th

ラディアンスしきい値 I^d =6. 6TW/cm²においても、図 4Aのように、プラズマは生

th

起されることなぐレーザ光散乱像が観測されており、損傷が生起されていることが確認できた。このしきい値において、 1パルスあたりの光エネルギは 40nJであった。上記の数値シミュレーションや共焦点型顕微鏡によりこの損傷のサイズを見積もったところ、損傷のサイズは、使用したレーザ波長の回折限界値（80011111 0.6

ょりもはるかに小さい 100〜200nmであることがわかった。

[0041] このように、本発明によれば、プラズマを生起することなぐレーザ波長の回折限界値よりもはるかに小さい（回折限界値の半分以下の）サイズの損傷を誘起できることが実証された。

[0042] (実験例 3)

そこで、実験例 3では、ガラス (例えば、 BK7ガラス）を対象にして、本発明における損傷のレーザ強度 (イラディアンス）のしき、値のパルス幅依存性を調べた。使用したパルスレーザは、フェムト秒チタンサファイアレーザ（波長 800nm、パルス幅 150fs) 、ピコ秒 Nd : YAGレーザ（波長 1064nm、パルス幅 30ps)、ナノ秒 Nd : YAGレーザ (波長 1064nm、パルス幅 10ns)などである。その結果、図 5Aに示すように、パルス幅が 100フェムト秒から 30ナノ秒の広い範囲にわたって、損傷のイラディアンスしきい値 I^d は、ほぼ 6TWZcm²と一定値を保つことがゎカゝつた。すなわち、損傷のイラディ th

アンスしきい値 I^d は、使用するパルスレーザのパルス幅 τには全く依存せず、ほぼ

th

一定値をとることがわ力た。これは、本発明における損傷を特徴付ける重要な実験事実である。

[0043] 比較のため、特許文献 1記載の技術におけるガラスに対するフルエンスしきい値のパルス幅依存性をイラディアンスに書き改めたものを図 5Bに示す。すなわち、図 5B は、特許文献 1記載の技術における損傷のレーザ強度 (イラディアンス）のしき、値のパルス幅依存性を示して、る。

[0044] 図 5Aと図 5Bにおいて、加工対象物はともにガラスである。したがって、図 5Aと図 5 Bを比較すれば、本発明が特許文献 1記載の技術とは全く異なる機構に基づく加工であることは一目瞭然である。

[0045] 逆に、本発明の損傷のしきい値を今度はフルエンスに換算して、パルス幅に対してプロットすると、図 6に示すようになる。図 6力ら、フルエンスしきい値 F はパルス幅 τ th

に対して単調に減少する、つまり、 F τの関係を満たすことがわかる。

th

[0046] すなわち、図 6から明らかなように、本発明においては、特許文献 1記載の技術で見られたようなスケーリング則 (F τ )は全く観測されず、すべてのパルス幅の範

th

囲で F τの関係がよく成り立つことがわかった。

th

[0047] ここで、本発明における損傷の生起の機構にっ、て説明する。本発明における損傷は、特許文献 1記載の技術におけるようなプラズマ発生により生起される空洞状の損傷ではなぐ密度変化 Z屈折率変化で特徴付けられる損傷である。上記のように、この損傷はパルス幅の値にかかわらず、単位時間、単位面積あたりの光エネルギ（つまり、イラディアンス）が一定値 i^d に達すれば誘起される現象である。この

th ことは、多光子吸収により材料物質の化学結合に関与する電子が結合力解放され、この解放された電子の数 (密度）がある一定値を超えると損傷が誘起されることを示唆して、る。結合に関与していた電子が解放されると、結合エネルギが瞬間的に弱くなり、電子の脱離に伴い、原子核の配置 Z構造が歪むことになる。その後、脱離していた電子が結合軌道に再び戻ってくると、原子核配置 Z構造は、その歪んだ配置 Z構造のまま凍結すること〖こなる。この様子を図 7に模式的に示す。

[0048] すなわち、図 7は、ガラスに対して本発明における損傷で誘起される構造変化を模式的に示す図である。図 7Aは、レーザ照射前のガラスの構造を示し、図 7Bは、レーザ照射後のガラスの構造を示している。前者では、ガラスは規則的な構造 Z配置を有し、後者では、ガラスの構造 Z配置は大きく乱れたまま凍結されている。このような構造変化は、金属—誘電体相転移に類似している。したがって、本発明における損傷 (密度 Z屈折率変化）はこのような機構により誘起されて、ると考えられる。

[0049] (実験例 4)

実験例 4では、様々な加工対象物に対する本発明における損傷のレーザ強度しきい値を測定した。すなわち、上記ガラスで示した本発明における損傷は、もちろん、他の誘電体材料に対して生起可能である。そこで、開口数 NA= 1.07、波長 800nm 、パルス幅 220fsのパルスレーザを用いて、損傷を生起するためのレーザ強度のしき V、値 (パルスエネルギ Zフルエンス Zイラディアンス）を、図 1の装置を用いて測定した。いくつかの誘電体、例えば、フッ化カルシウム（CaF )、フッ化ストロンチウム（SrF

2

)、フッ化バリウム（BaF )、フッ化マグネシウム（MgF )、および BK7ガラス（SiO )

2 2 2 2 に対する結果を、図 8に示す。したがって、本手法は各種固体材料に対して極めて汎用性の高、技術であることがわかる。

[0050] このように、本発明によれば、様々な誘電体材料や半導体材料に対し、プラズマを誘起することなぐレーザ波長の回折限界値の半分以下のサイズを有する極めて微細な損傷 (改質)を誘起することができる。このような損傷は、加工対象物に対し、焦点位置を自在に変えることにより、加工対象物内部の任意の位置に誘起することができる。

[0051] その際、この損傷は、屈折率変化となって現れるため、光学的な読み出しが可能な損傷である。したがって、このような微細な損傷スポットをメモリドットに用いれば、従来よりも記憶密度が 1桁以上向上した二次元 Z三次元メモリを各種固体材料で作製することができる。

[0052] あるいは、本発明における損傷を固体材料中に任意に形成することにより、各種材料に微細なマーキングを施すことも可能となる。

[0053] あるいは、本発明における損傷は密度変化をも誘起するものであるため、このような損傷は材料切断の起点にもなる。切断予定ラインに沿って損傷を整列させれば、マイク口メートル以下の加工精度で、固体材料を切断することもできる。

[0054] このように、本発明は、プラズマを誘起することなぐ 100〜200nm、または、 ΙΟΟη m以下の極めて微細な損傷を各種材料に施すことができる、汎用性の高!、技術を提供するものである。

[0055] 本明細書は、 2004年 5月 26日出願の特願 2004— 156768に基づく。この内容はすべてここに含めておく。

産業上の利用可能性

[0056] 本発明に係るレーザ加工方法および装置は、様々な誘電体材料や半導体材料に対し、プラズマを誘起することなぐレーザ波長の回折限界値の半分以下のサイズを有する極めて微細な損傷 (改質)を誘起することができるレーザ加工方法および装置として有用である。

Claims

請求の範囲

[1] 加工対象物にプラズマを生起させるレーザ強度のしきい値よりも小さいレーザ強度を有するレーザ光を、光学系を介して前記加工対象物に集光照射し、前記加工対象物にプラズマを生起させることなく損傷を生起させる、レーザ加工方法。

[2] 前記レーザ光は、前記加工対象物の損傷生起のイラディアンスのしきい値とレーザパルス幅との関係において、前記イラディアンスしきい値力レーザパルス幅に依存することなく、前記加工対象物に固有の一定値をとる特性曲線を用ヽて決定されたレ一ザ強度を有する、請求項 1記載のレーザカ卩ェ方法。

[3] 前記レーザ光は、前記加工対象物の損傷生起のフルエンスのしきい値とレーザパルス幅との関係にお!、て、前記フルエンスしき!、値がレーザパルス幅に単調に比例する特性曲線を用いて決定されたレーザ強度を有する、請求項 1記載のレーザ加工方法。

[4] 前記レーザ光は、前記加工対象物にプラズマを生起させるレーザ強度のしきい値の 1Z1.5以下のレーザ強度を有する、請求項 1記載のレーザカ卩ェ方法。

[5] 前記光学系を、前記レーザ光の集光位置にぉ、て自己収束効果を生起させな、ように設定する、請求項 2から請求項 4のいずれかに記載のレーザカ卩ェ方法。

[6] 前記光学系は、対物レンズを有し、

前記対物レンズは、前記レーザ光の集光位置において自己収束効果を生起させない開口数を有する、請求項 5記載のレーザ加工方法。

[7] 前記対物レンズは、開口数 NA> 1のレンズである、請求項 6記載のレーザ力卩ェ方法。

[8] 前記光学系は、対物レンズを有し、

前記レーザ光は、ビーム径を拡大した後、前記対物レンズに導入する、請求項 5記載のレーザ加工方法。

[9] 前記レーザ光を、所定のビーム断面形状に整形した後、前記加工対象物に集光照射し、前記加工対象物からの散乱光を、所定の開口を介して検出することにより、前記損傷を検出する、請求項 1記載のレーザ加工方法。

[10] 加工時に、所定のビーム断面形状に整形した前記レーザ光を前記加工対象物に集光照射し、加工時における前記加工対象物からの散乱光を所定の開口を介して検出することにより、前記損傷を検出する、請求項 9記載のレーザ加工方法。

[11] 加工後に、所定のビーム断面形状に整形した前記レーザ光を前記加工対象物に集光照射し、加工後における前記加工対象物からの散乱光を所定の開口を介して検出することにより、前記損傷を検出する、請求項 9記載のレーザ加工方法。

[12] 前記レーザ光のパルス幅は、 10フェムト秒から 100ナノ秒の範囲内にある、請求項

1記載のレーザ加工方法。

[13] 加工対象物にプラズマを生起させるレーザ強度のしきい値よりも小さいレーザ強度を有するレーザ光を発生するレーザ光発生手段と、

前記レーザ光を前記加工対象物に集光照射する光学系と、を有し、

前記レーザ光のレーザ強度は、前記加工対象物の損傷生起のイラディアンスのしきい値とレーザパルス幅との関係において、前記イラディアンスしきい値力レーザパルス幅に依存することなぐ前記加工対象物に固有の一定値をとる特性曲線を用いて決定され、かつ、前記光学系は、前記レーザ光の集光位置において自己収束効果を生起させな!/ヽように設定されて!ヽる、レーザ加工装置。

[14] 加工対象物にプラズマを生起させるレーザ強度のしきい値よりも小さいレーザ強度を有するレーザ光を発生するレーザ光発生手段と、

前記レーザ光のレーザ強度は、前記加工対象物の損傷生起のフルエンスのしき、値とレーザパルス幅との関係にぉ、て、前記フルエンスしき、値がレーザパルス幅に単調に比例する特性曲線を用いて決定され、かつ、前記光学系は、前記レーザ光の集光位置において自己収束効果を生起させないように設定されている、レーザ加工装置。

[15] 前記レーザ光は、前記加工対象物にプラズマを生起させるレーザ強度のしきい値の 1Z1.5以下のレーザ強度を有する、請求項 13または請求項 14記載のレーザカロェ方法。

[16] 前記光学系は、対物レンズを有し、

前記対物レンズは、開口数 NA> 1のレンズである、請求項 13または請求項 14記載のレーザ加工装置。

[17] 前記光学系は、対物レンズを有し、前記レーザ光発生手段と前記対物レンズとの間に前記レーザ光のビーム径を拡大するテレスコープ光学系を有する、請求項 13または請求項 14記載のレーザカ卩ェ装置。

[18] 前記レーザ光のパルス幅は、 10フェムト秒から 100ナノ秒の範囲内にある、請求項 13または請求項 14記載のレーザカ卩ェ装置。