CN102741010A - 表面微细构造的形成方法以及具有表面微细构造的基体 - Google Patents
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Abstract
一种表面微细构造的形成方法，该方法包括：第一工序，准备具有加工合适值的基板，以接近于上述基板的上述加工合适值的照射强度、或者以加工合适值以上且烧蚀阈值以下的照射强度，对与上述基板的表面接近的部分照射具有皮秒量级以下的脉冲时间宽度的激光，在上述激光聚光的焦点以及接近于该焦点的区域中以自组织的方式形成周期性地配置第一改性部与第二改性部的周期构造；和第二工序，通过对形成有上述周期构造的上述基板的表面进行蚀刻处理，形成使上述第一改性部为凹部的凹凸构造。
Description
技术领域
本发明涉及利用激光以及蚀刻实现的表面微细构造的形成方法以及具有表面微细构造的基体。
本申请基于2010年2月5日在日本申请的特愿2010－024776号主张优先权，将其内容援用于本说明书中。
背景技术
众所周知，如果使脉冲时间宽度为皮秒量级以下的激光脉冲聚光照射到加工材料的内部，则由于因激光脉冲而在聚光部所产生的等离子激元（Plasmon）与入射光，改性部和数百纳米量级的周期构造会相对于激光偏振光垂直地形成。另外，众所周知，通过使圆偏振光聚光照射到材料内部，可得到沿偏振光旋转方向旋绕的特别构造。利用了这些现象的加工方法正被积极研究（例如参照下述专利文献1）。
人们提出了一种在内部形成该周期构造的基础上增大凹凸，来制造纵横（aspect）比高的周期构造的方法。例如，公开了下述方法，即以大于形成周期构造用的加工阈值的功率使脉冲时间宽度为皮秒量级以下的超短脉冲激光聚光照射到材质内部。然后进行研磨，来使激光改性部2露出，通过利用氢氟酸的湿法蚀刻选择性地对周期构造进行蚀刻，从而形成周期性的凹凸构造（例如参照下述非专利文献1）。
在利用通过蚀刻制成的周期构造来制造器件的情况下，为了能够与各种各样的器件对应，希望能够通过制造方法来控制该周期构造的纵横比。
但是，在上述非专利文献1所公开的方法中存在以下所示的问题。
（1）难以形成纵横比非常高的凹凸构造。
（2）由于在向内部照射了激光后，需要使周期构造露出的研磨工序，所以加工工序增加。
（3）虽容易形成比较高的纵横比的周期构造，但由于利用浓度为1％以下的氢氟酸实施蚀刻工序，所以难以通过变化该氢氟酸的浓度来控制加工形状。
专利文献1：日本国特开2008－49380号公报
非专利文献1：OPTICS LETTERS/July 15,2005/vol.30,NO.14/1867-
发明内容
本发明鉴于这样的现有实际情况而提出，其第一目的在于，通过比以往简略的方法来形成具有高纵横比的周期构造。
而且，第二目的在于，提供一种能够控制加工形状、并能够形成具有高纵横比的周期构造的表面微细构造的形成方法。
并且，本发明的第三目的在于，提供一种具备由具有高纵横比的周期构造构成的表面微细构造的基体。
本发明的方式涉及的表面微细构造的形成方法包括：第一工序，准备具有加工合适值的基板，以接近于上述基板的上述加工合适值的照射强度、或者以加工合适值以上且烧蚀阈值以下的照射强度，对与上述基板的表面接近的部分照射具有皮秒量级以下的脉冲时间宽度的激光，在上述激光聚光的焦点以及接近于该焦点的区域中以自组织的方式形成周期性地配置第一改性部与第二改性部的周期构造；和第二工序，通过对形成有上述周期构造的上述基板的表面进行蚀刻处理，形成使上述第一改性部为凹部的凹凸构造。
在上述第一工序中，也可以通过使用直线偏振激光作为上述激光，来形成与上述激光的偏振方向垂直地配置的上述凹部作为上述周期构造。
在上述第一工序中，也可以通过使用圆偏振激光作为上述激光，来形成具有沿圆偏振光的旋转方向旋绕的形状的上述凹部作为上述周期构造。
在上述第一工序中，也可以通过使用圆偏振激光作为上述激光，来形成与激光扫描方向倾斜地配置的上述凹部作为上述周期构造。
在上述第二工序中，作为上述蚀刻处理，也可以使用各向同性干法蚀刻法，形成具有在接近于上述激光聚光的焦点的区域周期性地配置的第一凹部和在该第一凹部的底部周期性地配置的微细的第二凹部的周期性凹凸构造。
在上述第二工序中，作为上述蚀刻处理，也可以使用各向异性干法蚀刻法，选择性地蚀刻接近于上述激光聚光的焦点的区域来较深地形成上述凹部，从而形成周期性凹凸构造。
作为上述蚀刻处理，也可以通过使用各向异性干法蚀刻法，并且使蚀刻时的处理压力变化，来控制上述凹部的形状。
本发明的方式涉及的基体在与基板的表面接近的部分具备由上述表面微细构造的形成方法形成的、包含周期性地配置的凹部的凹凸构造。
发明的效果
对于本发明的方式涉及的表面微细构造的形成方法而言，在第一工序中，以接近于该基板的加工合适值的照射强度、或者以加工合适值以上且烧蚀阈值以下的照射强度对与基板的表面接近的部分照射激光，在与上述激光聚光的焦点接近的区域自组织地形成周期性配置第一改性部与第二改性部的周期构造之后，在第二工序中对形成有上述周期构造的上述基板的表面进行蚀刻处理，从而形成选择性地蚀刻上述第一改性部来作为凹部的凹凸构造。因此，能够通过比以往简略的方法，形成具有高纵横比的周期构造。另外，通过改变上述激光的偏振、蚀刻时的参数，能够控制加工形状。由此，根据本发明，可以提供具有下述特征的表面微细构造的形成方法，即能够实现加工工序的简化，可控制加工形状，并且能够形成包含高纵横比的凹部的凹凸构造。
另外，本发明的方式涉及的基体具有包含周期性地配置于与基板的表面接近的部分的凹部的凹凸构造。由于该凹部通过上述本发明的表面微细构造的形成方法形成，所以具有高纵横比。结果，根据本发明，可以提供具备表面微细构造的基体，该表面微细构造由具有高纵横比的周期构造构成。
附图说明
图1A是示意性地表示本发明的一个实施方式涉及的表面微细构造的形成方法的剖视图。
图1B是示意性地表示本发明的一个实施方式涉及的表面微细构造的形成方法的剖视图。
图2是示意性地表示周期构造的形成例的俯视图。
图3是表示周期构造的形成例的照片。
图4是表示周期构造的形成例的照片。
图5是示意性地表示周期构造的形成例的俯视图。
图6是表示周期构造的形成例的照片。
图7是示意性地表示形成有包括凸部以及凹部的周期构造的例子的剖视图。
图8是示意性地表示形成有包括第一凹部和在该第一凹部的底部周期性地配置的微细的第二凸部以及第二凹部的周期构造的例子的剖视图。
图9是示意性地表示本发明的基体的一个构成例的剖视图。
具体实施方式
以下，对本发明的一个实施方式涉及的表面微细构造的形成方法以及基体进行说明。
图1A以及图1B是示意性地表示本实施方式的表面微细构造的形成方法的剖视图。
本发明的表面微细构造的形成方法包括：第一工序，以接近于该基板10的加工合适值的照射强度、或者以加工合适值以上且烧蚀阈值以下的照射强度对与基板10的表面接近的部分照射激光L，在与上述激光L聚光的焦点接近的区域，自组织地形成周期性地配置的、通过下一工序的蚀刻处理形成凹部12的周期构造14［参照图1A］；以及第二工序，对形成了上述周期构造14的上述基板10的表面进行蚀刻处理，向下挖掘形成上述凹部12的区域来形成凹凸构造15［参照图1B］。
对于本实施方式的表面微细构造的形成方法，在第一工序中，以接近于该基板10的加工合适值的照射强度、或者以加工合适值以上且烧蚀阈值以下的照射强度，对与基板10的表面接近的部分照射激光L。由此，在与上述激光L聚光的焦点接近的区域，自组织地形成周期性地配置的、通过下一工序的蚀刻处理形成凹部12的周期构造14［指图1A中的“由多个第一改性部11a构成的构造”］。然后，在第二工序中，对形成了上述周期构造14的上述基板10的表面进行蚀刻处理，形成包括上述凹部12的凹凸构造15。该凹凸构造15中的凹部12通过相当于等离子激元或者电子等离子体波与入射光的干涉波相互加强的部分的第一改性部11a与其他区域（第二改性部11b）相比，被选择性蚀刻而得到。另外，通过改变上述激光L的偏振、蚀刻时的参数，能够控制加工形状。尤其通过在蚀刻中使用干法蚀刻法，会更容易控制形状。由此，在本实施方式的表面微细构造的形成方法中，不仅能够控制加工形状，并且还能够形成具有高纵横比的凹部12的凹凸构造15。
以下，按工序顺序进行说明。
（1）如图1A所示，以接近于该基板10的加工合适值的照射强度、或者加工合适值以上且烧蚀阈值以下的照射强度向与基板10的表面接近的部分照射激光L，在与上述激光L聚光的焦点接近的区域自组织地形成周期构造14（第一工序）。该周期构造14由多个第一改性部11a［图1A中用粗直线表示的区域］构成，在第一改性部11a之间形成第二改性部11b［图1A中用斜线表示的区域］。第一改性部11a是等离子激元或者电子等离子体波与入射光的干涉波相互加强的部分，容易通过下一工序的蚀刻处理优先地被蚀刻，在蚀刻后成为凹部12。与此相对，第二改性部11b与第一改性部11a相比，是等离子激元（电子等离子体波）与入射光的干涉波的影响弱的部分，在下一工序的蚀刻处理中难以被蚀刻。
作为构成基板10的材料，优选通过第一工序在基板10的表面形成周期构造14、并且激光L透过率高的材料。合成石英最富有加工性，但也可以另外使用例如硼硅酸玻璃等玻璃材料、石英、蓝宝石、金刚石、单晶硅等结晶性材料。
以接近于构成上述基板10的材料的加工合适值的照射强度、或者加工合适值以上且烧蚀阈值以下的照射强度，对基板10的表面或者接近于表面的部分聚光照射激光L或者扫描聚光照射。由此，在与上述激光L聚光的焦点接近的区域自组织地形成周期构造14。
这里，加工合适值被定义为用于形成周期构造14的激光脉冲能量的下限值。另外，烧蚀阈值是用于产生烧蚀的激光脉冲能量的下限值，与上述加工合适值不同。一般情况下，加工合适值是比烧蚀阈值小的值。
另外，作为激光L，优选使用具有皮秒量级以下的脉冲时间宽度的激光。例如，可以使用掺钛蓝宝石激光、具有皮秒量级以下的脉冲时间宽度的光纤激光等。
使激光L聚光的透镜20例如可以使用折射式的物镜或折射式的透镜。此外，例如也可以使用菲涅耳、反射式、油浸、水浸式的物镜或者透镜进行照射。另外，例如若使用柱面透镜，则能够一次对基板10的表面的宽范围进行激光照射。另外，例如若使用全息掩模或干涉等，则可以一次加工宽范围的区域。
激光L的照射方法没有特别限定。例如，若一边沿与基板10的表面平行的方向移动激光L，一边进行照射，则可以在宽范围内形成周期性的凹凸构造。另外，例如若按照照射部与和激光传播方向平行的方向重合的方式照射激光L，则凹凸构造在其他的凹凸构造的影响下按照自形成的方式形成。因此，周期构造14彼此毫无偏差地重合。
具体而言，例如使用Ti：蓝宝石激光。作为照射条件，例如使波长为800nm、重复频率为200kHz、激光扫描速度为1mm/秒来聚光照射激光L。这些波长、重复频率、扫描速度的值只是一个例子，本发明并不局限于此，可任意改变。
在向石英基板照射上述的掺钛蓝宝石激光的情况下，作为聚光所使用的透镜20，优选使用N.A＜0.7的物镜。对于脉冲能量而言，在对接近于表面的部分进行照射时，优选使用烧蚀阈值以下，例如100nJ/pulse程度以下的能量进行照射。
另外，通过控制激光L的偏振来改变周期构造14，从而能够使形成反映了周期构造14的（通过后述的蚀刻处理得到的）凹凸构造15的凹部12的形成图案发生变化。
这里，图2以及图5是示意性地表示凹凸构造15的形成例的俯视图。需要说明的是，在图2以及图5中，激光L相对于纸面垂直照射。
例如，通过使用直线偏振激光作为激光L，可如图2～图4所示，形成与上述激光L的偏振（也称为电场或者电场向量）方向垂直地配置的凹部12，来作为反映了周期构造的凹凸构造15。图2是向1点照射了激光L时的图。图3是激光L的偏振方向与扫描方向垂直时的照片。图4是激光L的偏振方向与扫描方向平行时的照片。
另外，在由于使用圆偏振光的激光作为激光L而使得邻接的脉冲加工痕迹不重合的情况下，如图5所示，形成沿圆偏振光的旋转方向旋绕的形状的凹部12，来作为反映了周期构造的凹凸构造15。
另外，在由于使用圆偏振光的激光作为激光L而使得邻接的脉冲加工痕迹重合的情况下，如图6所示，形成与激光扫描方向倾斜地配置的形状的凹部12，来作为反映了周期构造的凹凸构造15。通过按照圆偏振光与基板10的表面平行的方式进行激光照射，能够形成凹凸构造15倾斜地构成的构造。其中，在由于使用圆偏振光与表面平行地进行扫描而使得多个脉冲加工痕迹重合的情况下，圆偏振光的表面变成与上述形状不同的形状，但在表面正下方成为旋绕的构造。
此外，这里作为偏振光，记载了直线偏振光和圆偏振光，但椭圆偏振光也能形成同样的周期性凹凸构造。
另外，为了抑制烧蚀、防止不必要的烧蚀粒子的飞散，也可以预先在基板10的表面形成牺牲层（省略图示）。作为牺牲层的材质，优选相对于激光波长透明的无机材料，但也可以是有机材料。该情况下，即便是向接近于材料的表面的部分的激光照射，也能够照射具有烧蚀阈值以上的能量的激光。
（2）接下来，如图1B所示，对形成有上述周期构造14的上述基板10的表面进行蚀刻处理，将上述凹部12向下挖掘（第二工序）。
通过进行蚀刻而形成周期构造14的、作为与等离子激元（电子等离子体波）和入射光的干涉波相互加强的部分相当的区域的第一改性部11a与其他的区域（第二改性部11b）相比被选择性蚀刻。由此，形成凹部12。因此，能够不进行研磨地在基板10的表面形成具有高纵横比的凹部12的周期构造14。
公知通过以加工合适值以上的照射强度聚光照射皮秒量级以下的脉冲激光，会在聚光部引起等离子激元与入射光的干涉，从而以自形成的方式形成与激光的偏振光垂直的周期构造14。反映了该周期构造14的凹凸构造15的凹部12被认为是蚀刻耐性弱的区域。例如，在石英的情况下，氧缺欠的区域与氧增加的区域周期性排列，氧缺欠部（前述的第一改性部11a）的蚀刻耐性弱。因此，若进行蚀刻，则形成周期性的凹部12以及凸部13。所以，凹部12是反映了第一改性部11a的区域，凸部13是反映了第二改性部11b的区域。
然而，上述蚀刻耐性由基板10与蚀刻液、或者蚀刻气体的组合来决定。因此，也存在基于两者的组合，第二改性部11b更选择性地被蚀刻而形成凹部的情况。
若进行湿法蚀刻，则可进行与干法蚀刻所实现的各向同性高的模式接近的蚀刻。在氢氟酸的浓度十分低时，蚀刻耐性较弱的区域被选择性蚀刻。但是，由于在浓度十分低的条件下进行加工，所以将形状改变成各种各样的参数性低，难以形成干法蚀刻所实现的多样形状。并且，在形成高纵横比的周期性凹凸构造时，由于蚀刻剂的表面张力等，周期构造有可能会破坏。
与此相对，通过使用干法蚀刻法，能够实现高纵横比的构造。而且，由于在本实施方式中使用干法蚀刻法，所以控制参数多，容易控制多样的加工形状。
通过使用各向异性干法蚀刻法作为干法蚀刻法，能够使与上述激光L聚光的焦点接近的部分不整体被蚀刻，只蚀刻并向下挖掘上述凹部12。
在干法蚀刻的各向异性强时，由于蚀刻耐性弱的区域（前述的第一改性部11a）比较容易被蚀刻，并且蚀刻为各向异性，所以不进行向横向的蚀刻。因此，改性部11以及接近于改性部11的区域的材料不被蚀刻，只有作为凹部12的区域被蚀刻，形成周期性的凹凸构造。
作为各向异性干法蚀刻法，例如可以使用作为采用了反应性离子蚀刻（以下记作RIE）的方法的平行平板型RIE、磁控管型RIE、ICP型RIE、NLD型RIE等。除了RIE以外，也可以使用例如采用了中性粒子束的蚀刻。
所使用的气体例如能够以碳氟化合物系、SF系气体、CHF3、含氟气体、氯气等能够以化学方式蚀刻材料的气体为主，并在它们中适当混合其他气体、氧、氩、氦等来加以使用。也能够通过其他的干法蚀刻方式来进行加工。
并且，在各向异性干法蚀刻法中，通过改变蚀刻时的处理压力（蚀刻腔室内的压力），能够控制上述凹部12的构造。蚀刻时的RF功率、腔室内的压力成为决定加工形状的参数。尤其蚀刻压力的变化是最容易控制周期构造14的蚀刻后形状（凹凸构造15的形状）的参数。
在压力低的情况下，由于离子向材料的导入强，所以有可能各向异性更提高，更选择性地仅对周期性的凹凸构造15中的蚀刻选择性高的区域进行蚀刻。因此，位于成为周期构造14的改性部11a间的改性部11b以及接近于改性部11b的部分的材料几乎不被蚀刻，改性部11a被选择性蚀刻。由此，如图7所示，形成由凸部13以及凹部12构成的凹凸构造15。
在压力高的情况下，离子向材料的导入变弱，成为各向同性更高的蚀刻。因此，形成周期构造14，作为蚀刻选择性高的区域的改性部11a在横向上也被蚀刻。即，接近于改性部11a的部分的材料（改性部11b）也与改性部11a一同被蚀刻。由此，如图8所示，形成由第一凹部12a、在该第一凹部12a的底部周期性配置的微细的第二凸部13b以及第二凹部12b构成的凹凸构造15。
另外，在干法蚀刻中，为了提高凸部13以及凹部12的选择性，优选减小RF功率等来尽可能减小等离子体密度。另一方面，如果增大RF功率等来增大等离子体密度，则存在凸部13以及凹部12的选择性变小的趋势。
另一方面，通过使用各向同性干法蚀刻法作为干法蚀刻法，形成具有在与上述激光L聚光的焦点接近的区域周期性配置的第一凹部12a和在该第一凹部12a的底部周期性配置的微细的第二凹部12b的凹凸构造15。
在干法蚀刻的各向同性强的情况下，由于蚀刻耐性弱的区域（改性部11a）更容易被蚀刻，并且蚀刻具有各向同性，所以进行向横向的蚀刻。因此，相邻的凹部12以及凸部13从上部逐渐地相连，改性部11a以及接近于改性部11a的部分的材料被蚀刻。由此，如图8所示，形成具有在与激光L聚光的焦点接近的区域周期性配置的第一凹部12a和在该第一凹部12a的底部周期性配置的微细的第二凹部12b的凹凸构造15。
作为各向同性蚀刻法，例如可以使用圆筒型等离子体蚀刻、平行平板型等离子体蚀刻、下降流型化学干法蚀刻等各种干法蚀刻方式。
如上所述，可以形成在接近于基板10的表面的部分周期性配置的凹部12所构成的凹凸构造15。
图9是示意性地表示本实施方式的基体1的一个构成例的剖视图。
本实施方式的基体具有在接近于基板10的表面的部分周期性配置的凹部12所构成的凹凸构造15。
本实施方式的基体1具有在接近于基板10的表面的部分周期性配置的凹部12所构成的凹凸构造15。该凹部12由于通过前述的本实施方式的方法形成，所以具有高纵横比。结果，本实施方式的基体具备由具有高纵横比的凹凸构造15构成的表面微细构造。
这样的具备由具有高纵横比的凹凸构造15构成的表面微细构造的基体1可以用于各种器件。
作为具体的应用例之一，可举出衍射光栅等光学元件。通过本发明的表面微细构造，可以实现以光的波长程度的周期排列的凹凸构造，来作为衍射光栅。作为其他的应用例，有生物体解析或化学合成用的纳米流路、纳米腔室、细胞取向用的基板、纳米压印的模板。通过本发明的表面微细构造的形成方法，可以不使用掩模容易地形成这样的复杂的形状。
以上，对本实施方式的表面微细构造的形成方法以及具有表面微细构造的基体进行了说明，但本发明并不限定于此，在不脱离发明主旨的范围内能够适当变更。
产业上的可利用性
本发明能够广泛应用于表面微细构造的形成方法以及具有该表面微细构造的基体。
附图标记的说明
1－基体；10－基板；11－改性部；11a－第一改性部；11b－第二改性部；12－凹部；12a－第一凹部；12b－第二凹部；13－凸部；13b－第二凸部；14－周期构造；15－凹凸构造；L－激光。
Claims (8)
1.一种表面微细构造的形成方法，其特征在于，包括：
第一工序，准备具有加工合适值的基板，以接近于上述基板的上述加工合适值的照射强度、或者以加工合适值以上且烧蚀阈值以下的照射强度，对与上述基板的表面接近的部分照射具有皮秒量级以下的脉冲时间宽度的激光，在上述激光聚光的焦点以及接近于该焦点的区域中以自组织的方式形成第一改性部与第二改性部周期性地配置的周期构造；和
第二工序，通过对形成有上述周期构造的上述基板的表面进行蚀刻处理，形成使上述第一改性部为凹部的凹凸构造。
2.根据权利要求1所述的表面微细构造的形成方法，其特征在于，
在上述第一工序中，通过使用直线偏振激光作为上述激光，来形成与上述激光的偏振方向垂直地配置的上述凹部作为上述周期构造。
3.根据权利要求1所述的表面微细构造的形成方法，其特征在于，
在上述第一工序中，通过使用圆偏振激光作为上述激光，来形成具有沿圆偏振光的旋转方向旋绕的形状的上述凹部作为上述周期构造。
4.根据权利要求1所述的表面微细构造的形成方法，其特征在于，
在上述第一工序中，通过使用圆偏振激光作为上述激光，来形成与激光扫描方向倾斜地配置的上述凹部作为上述周期构造。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的表面微细构造的形成方法，其特征在于，
在上述第二工序中，上述蚀刻处理使用各向同性干法蚀刻法，形成具有在接近于上述激光聚光的焦点的区域周期性地配置的第一凹部和在该第一凹部的底部周期性地配置的微细的第二凹部的周期性凹凸构造。
6.根据权利要求1～4中任意一项所述的表面微细构造的形成方法，其特征在于，
在上述第二工序中，上述蚀刻处理使用各向异性干法蚀刻法，选择性地蚀刻接近于上述激光聚光的焦点的区域来较深地形成上述凹部，由此来形成周期性凹凸构造。
7.根据权利要求1～4中任意一项所述的表面微细构造的形成方法，其特征在于，
在上述第二工序中，上述蚀刻处理使用各向异性干法蚀刻法，并且使蚀刻时的处理压力变化，由此来控制上述凹部的形状。
8.一种基体，其特征在于，
在与基板的表面接近的部分具备利用上述权利要求1～7中任意一项所述的方法形成的、包含周期性地配置的凹部的凹凸构造。
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