JP2013215767A - 微細構造体の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の一方の主面から離れた基板の内部において、ナノオーダーの構造改質部を形成し、さらに構造改質部をエッチング処理することによって、ナノオーダーの微細構造体を形成する方法を提供する。
【解決手段】基板１０１の一面１０１ａ側から内部に、レーザー光を、加工下限閾値の近傍の強度で照射し、レーザー光１０２が集光した焦点１０２ｆに改質部１０３を形成する第一工程と、改質部１０３の少なくとも一部が露出するように、基板１０１の一部を除去する第二工程と、改質部１０３に対してエッチング処理を行うことにより、基板１０１に微細構造を形成する第三工程と、を順に有し、改質部１０３がエッチング除去可能となるように、第一工程において、主面１０１ａから改質部１０３を形成する位置までの距離に応じて、レーザー光１０２の強度を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー光を用いた微細構造体の形成方法に関する。

従来、微細構造体を製造するための方法として、フォトリソグラフィ法とエッチング法を組み合わせて加工する技術が知られている。フォトリソグラフィ法は、基板の主面のうち、微細構造を形成しない領域を樹脂等で覆ってマスクを形成する技術である。そのようなマスク形成された基板をエッチング処理することにより、マスクされていない領域を選択的に削り、基板の主面から深さ方向に微細構造が形成できる。上記技術によれば、基板の主面において、二次元的な形状の微細構造体を形成することができる。

一方、直線偏光されたレーザー光を基板の内部に集光照射し、集光した焦点の近傍域に構造改質部（改質部）を形成し、この改質部を、エッチング処理を行って除去することにより、基板内部に微細構造を形成する方法が近年注目されている。この方法によれば、基板の内部において、三次元的な形状の微細構造を形成することができる。

特許文献１によれば、図１１示すように、石英基板６０１に、直線偏光されたピコ秒オーダー以下のパルス幅を有するパルス状のレーザー光６０２を集光照射すると、集光照射された領域が局所的に改質した構造改質部となる。構造改質部は、第一改質部６０３ｄと第二改質部６０３ｃとから構成されており、各々の改質部の基板主面に垂直な方向のサイズは、照射したレーザー光の波長のオーダー程度（数百［ｎｍ］）となる。構造改質部は、第一改質部６０３ｄと第二改質部６０３ｃとが交互に並んで形成されており、石英基板６０１の主面上においてそれらの並ぶ方向は、レーザー光６０２の偏光方向と垂直である。

これは、レーザー光の集光部に発生する電子プラズマ波と入射光との干渉効果により相互作用が活発となり、電子プラズマ密度が周期的に変調することにより、基板の構造改質が誘起されることに起因するとされている。石英基板６０１は、電子プラズマ波と入射光が強め合う領域では酸素が欠乏した状態になり、弱め合う領域では酸素リッチな状態になるとされている。レーザー光６０２の集光部に形成された第一改質部６０３ｄは、フッ酸水溶液等の薬液に対するエッチング耐性が弱まっている。特に、酸素が欠乏した状態の部位（酸素欠乏部）は、酸素リッチな部位に比べてエッチングが進行しやすい。
レーザー光６０２の集光部に形成された構造改質部は、フッ酸水溶液等の薬液に対するエッチング耐性が弱まっている。特に、酸素が欠乏した状態の部位（酸素欠乏部）は、酸素リッチな部位に比べてエッチングが進行しやすい。

特許文献２によれば、パルス幅がピコ秒オーダー以下のレーザー光７０２の照射パルスエネルギーを漸次弱めるに従って改質される領域は小さくなり、最後には一つの酸素欠乏部のみが形成された構造改質部となる。一つの酸素欠乏部が形成されるレーザー光７０２の照射パルスエネルギーは、基板の材料毎に定義される値であり、その基板材料における加工下限閾値と呼ぶ。照射パルスエネルギーが加工下限閾値のレーザー光７０２により形成された、酸素欠乏部をエッチング処理することにより、ナノオーダーの微細加工を行うことができる。
さらに、図１２に示すように、加工下限閾値の照射パルスエネルギーでレーザー光７０２を集光照射し、その焦点をシフトさせながら走査することによって、酸素欠乏部が連なって形成される。これをエッチング処理することにより、ナノオーダーの微細孔を形成することができる。

ところが、本発明者らは、特許文献２に記載される方法について更に研究を進めたところ、基体（基板）の表面から深い位置においては、微細構造を容易に形成できないことを発見した。その理由として、特許文献２に記載される方法では、レーザー光の散乱や、デフォーカス等によって、レーザー光の焦点において改質に必要なパルスエネルギーを確保することが困難であったりするため、構造改質部を形成するのが難しいことが考えられる。

国際公開第２０１１／０９６３５６号 国際公開第２０１１／０９６３５３号

本発明は以上のような点を考慮してなされたものであり、基板の一方の主面から離れた基板の内部において、ナノオーダーの構造改質部を形成し、さらに構造改質部をエッチング処理することによって、ナノオーダーの微細構造体を形成する方法の提供を目的とする。

本発明の請求項１に係る微細構造体の形成方法は、基板の一方の主面側から前記基板の内部に、ピコ秒オーダー以下のパルス時間幅であるレーザー光を、加工下限閾値の近傍の強度で照射し、前記レーザー光が集光した焦点に改質部を形成する第一工程と、前記改質部の少なくとも一部が露出するように、前記基板の一部を除去する第二工程と、前記改質部に対してエッチング処理を行うことにより、前記基板に微細構造を形成する第三工程と、を順に有する微細構造体の形成方法であって、前記加工下限閾値は、前記レーザー光を、前記基板の一方の主面に照射した場合に、集光した焦点に改質部を形成することが可能な強度の閾値に相当し、前記改質部がエッチング除去可能となるように、前記第一工程において、前記主面から前記改質部を形成する位置までの距離に応じて、前記レーザー光の強度を調整する、ことを特徴とする。

請求項１によれば、レーザー光のパルスエネルギーを調整することにより、基板の内部において、基板の一方の主面からの距離に応じて、ナノオーダーサイズの構造改質部を形成することができる。形成される構造改質部はエッチングレートが高く、エッチング処理を行った際に、短時間で選択的に除去することが可能である。したがって、第一工程を経て形成した改質部のみを、第二工程にて選択的に除去することが可能であり、基板の一方の主面から離れた基板の内部に、所望の形状の微細構造を形成することができる。

本発明の請求項２に係る微細構造体の形成方法は、請求項１において、前記主面から前記改質部を形成する位置までの距離は、１２０［μｍ］以上かつ２４０［μｍ］以下の範囲にあり、前記レーザー光のパルスエネルギーを、前記加工下限閾値以上かつ７０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］以下とする、ことを特徴とする。

請求項２によれば、基板の内部において、基板の一方の主面からの距離が、１２０［μｍ］以上かつ２４０［μｍ］以下の範囲にある所望の位置に、ナノオーダーの改質部を形成することができる。そして、形成された改質部に対してエッチング処理を行うことにより、基板の内部に、ナノオーダーの微細構造を形成することができる。

本発明の請求項３に係る微細構造体の形成方法は、請求項１において、前記主面から前記改質部を形成する位置までの距離は、２４０［μｍ］より大きく、かつ３６０［μｍ］以下の範囲にあり、前記レーザー光のパルスエネルギーを、６０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］より大きく、かつ７０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］以下とする、ことを特徴とする。

請求項３によれば、基板の内部において、基板の一方の主面からの距離が、２４０［μｍ］より大きく、かつ３６０［μｍ］以下の範囲にある所望の位置に、ナノオーダーの改質部を形成することができる。そして、形成された改質部に対してエッチング処理を行うことにより、基板の内部に、ナノオーダーの微細構造を形成することができる。

本発明の請求項４に係る微細構造体の形成方法は、請求項１において、前記主面から前記改質部を形成する位置までの距離は、３６０［μｍ］より大きく、かつ４８０［μｍ］以下の範囲にあり、前記レーザー光のパルスエネルギーを、７０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］より大きく、かつ８０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］以下とする、ことを特徴とする。

請求項４によれば、基板の内部において、基板の一方の主面からの距離が、３６０［μｍ］より大きく、かつ４８０［μｍ］以下の範囲にある所望の位置に、ナノオーダーの改質部を形成することができる。そして、形成された改質部に対してエッチング処理を行うことにより、基板の内部に、ナノオーダーの微細構造を形成することができる。

本発明に係る微細構造体の形成方法は、レーザー光の強度を調整することにより、基板の内部において、基板の一方の主面からの深さに応じて、ナノオーダーサイズの構造改質部を形成することができる。構造改質部はエッチングレートが高く、エッチング処理を行った際に、短時間で選択的に除去することが可能である。したがって、第一工程を経て形成した改質部のみを、第二工程にて選択的に除去することが可能であり、基板の一方の主面から離れた基板の内部に、所望の形状の微細構造を形成することができる。

（ａ）本発明の微細構造体の形成方法のうち、第一工程中の被処理体の斜視図ある。（ｂ）レーザー光のパルスパワーの計測系について、模式的に示した図である。（ｃ）本発明の微細構造体の形成方法のうち、第二工程中の被処理体の斜視図ある。 本発明の微細構造体の形成方法のうち、第一工程にて行う処理のフローである。 基板の改質させる位置と改質に用いるレーザー光のパワーを変えて、形成された改質部および微細孔の形状を比較する表である。 基板の主面からの深さとエッチング量との関係を示すグラフである。 （ａ）基板の改質させる位置と、形成される微細孔の断面における短径との関係を示すグラフである。（ｂ）基板の改質させる位置と、形成される微細孔の断面における長径との関係を示すグラフである。 マイクロミキサを構成する第一構造体および第二構造体の斜視図である。 マイクロミキサを、流路の長手方向に平行に切断した際の断面図である。 マイクロミキサを製造するために行う処理のフローである。 （ａ）、（ｃ）、（ｅ）改質部を内在する基板を、主面側から見た平面図である。（ｂ）、（ｄ）基板を、改質部の長手方向に平行に切断した際の断面図である。（ｆ）基板を、微細孔の長手方向に平行に切断した際の断面図である。 基板の厚み方向に延びる改質部を形成する方法について、説明する図である。 従来技術のレーザー光照射によって、基板表面に周期的パターンの改質部を形成する様子を、模式的に説明する図である。 従来技術による微細構造体の形成方法を、模式的に説明する図である。

以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。尚、本発明においては、ナノオーダーとは、１ｎｍ〜１０００ｎｍ未満のサイズ領域を意味する。

＜第一実施形態＞

本発明の第一実施形態に係る微細構造体の形成方法について、図１、２を用いて説明する。微細構造体の形成方法は、少なくとも、以下に述べる三つの工程（第一工程、第二工程、第三工程）を順に備えた方法である。

まず、図１（ａ）に示すように、第一工程として、ステージ１０４上に載置された平板状の基板１０１の内部のうち微細構造（例えば微細孔）を形成する領域に、レンズ１０５を介してレーザー光１０２を集光照射し、構造改質部（改質部）１０３を形成する。

第一工程は、図２のフローに示す４つのステップ（Ｓ１〜Ｓ４）を経て行う。すなわち、１つ目のステップＳ１として、パルス幅がピコ秒オーダー以下の直線偏光したレーザー光（直線偏光レーザー光）のパルスパワーが、所望の大きさとなるように調整を行う。

具体的には、基板１０１に集光照射した、レーザー光１０２の焦点１０２ｆにおけるパワーが、加工下限閾値より大きくなるように調整を行う。ここでの加工下限閾値は、直線偏光レーザー光を基板１０１の表面近傍に集光照射させた際に、集光した焦点において、第一改質部を形成することが可能な下限値として定義されるものである。

レーザー光１０２のパワーは、形成する改質部がエッチング除去可能となるように、第一工程において、基板の一方の主面（一面）１０１ａから、改質部を形成する位置までの距離に応じて調整する。

レーザー光のパワーの計測は、例えば図１（ｂ）に示すような計測系１０を用いて行うことができる。計測系１０は、対物レンズ１１、パワーメータ（計測手段）１２、モニタ（表示手段）１３、パワーメータ１２とモニタ１３とを電気的に接続する配線１４と、を備えている。

計測系１０による、レーザー光１５の平均出力の計測手順について説明する。まず、光源（不図示）から照射されるレーザー光１５ａを、対物レンズ１１先端でのレーザー光１５ｂを、パワーメータ１２を用いて受光し、集光したレーザー光１５ｂの平均出力を測定する。そして、モニタ１３に表示された内容を踏まえ、レーザー光１５が所望のパルスパワーとなるように、減光フィルタなどを用いて平均出力を調整する。

ステップＳ１を終えた後に、レーザー光１０２の焦点を所望の領域へと移動させステップＳ２を行う。ステップＳ２として、シャッターが閉じた状態で基板をセットし、光源が配された閉じた空間の開閉手段（シャッター）を開放し、光源において発生するレーザー光１０２を、レンズを透過させるなどして基体１０１の内部に集光させ、外部空間に配された基体１０１に照射させる。

基板１０１としては、例えば、加工性に優れる、ガラスなどにより構成される非結晶性基板、シリコンやサファイアなどにより構成される結晶性基板を用いる。なお、本実施形態および後述する実施例においては、平板状の基板の内部に改質部および後述する微細孔を形成する例を示しているが、改質部および微細孔を内部に形成する上で、基板の形状が限定されることはなく、基板を任意の形状の基体に置き換えてもよい。

次に、ステップＳ２に続くステップＳ３として、改質部（微細孔）を形成する領域に沿って、集光したレーザー光１０２の焦点１０２ｆを走査させる。

レーザー光１０２の集光に用いるレンズとしては、例えば屈折式の対物レンズを用いることが望ましいが、フレネル式、反射式、油浸式、水浸式などの対物レンズを用いてもよい。また、レンズ１２として、例えばシリンドリカルレンズを用いることにより、一度に基体１０１の表面の広範囲に対して、レーザー光１０２を照射することが可能となる。

次に、ステップＳ３に続くステップＳ４として、光源が配された空間の開閉手段（シャッター）を閉鎖することにより、基板１０１に対するレーザー光１０２の照射を遮断する。

ステップＳ４に引き続き、基板１０１に他の構造改質部を形成する位置において走査継続する場合は、ステップＳ２に戻り、他の構造改質部を形成する場所にレーザー光１０２が集光照射されるように、光源または基板１０１を相互に移動させ、レーザー光１０２の平均出力の調整を行った上で、再び焦点１０２ｆの走査を行う。

以上のステップを経ることにより、基板１０１の内部において、レーザー光１０２を集光照射して走査した領域とその近傍の領域に、改質部１０３を形成することができる。形成された第一改質部１０３は、レーザー光１０２の集光照射により、酸素の含有量が欠乏してエッチング耐性が弱められている。

実際には、レーザー光１０２を走査した際に、走査した領域、すなわち改質予定の領域に第一改質部が形成されるとともに、走査した領域近傍の領域、すなわち改質予定でない領域に第二改質部が形成される。ただし、第一改質部のエッチング耐性は、第二改質部のエッチング耐性よりも弱くなっている。

次に、第二工程として、第一工程を経て形成された第一改質部１０３の少なくとも一部を露出させて、改質部１０３に対して選択的にエッチング処理を行い、基板１０１の内部に微細孔を形成する。

第一改質部１０３は、例えば図１（ａ）に示すように、第一工程におけるレーザー光の走査経路の少なくとも一端１０３ａを、外部空間と接する基板１０１の表面に設けることにより、露出させることができる。また、第一改質部１０３は、基板１０１内部において第一改質部１０３と重なる部分を、基板の主面側から研磨等を行って除去することによっても、露出させることができる。

エッチング処理は、ドライエッチング法、ウェットエッチング法のどちらを用いて行ってもよいが、三次元構造の微細孔を形成するため、等方性の高いウェットエッチング法を用いる方が好ましい。よって、本実施形態における第三工程のエッチング処理は、ウェットエッチング法を適用して行うものとする。

具体的には、図１（ｃ）に示すように、第一工程を経た基体１０１を、容器１０４に収容されたエッチング液１０５に浸漬する。そして、基板１０１内部に形成された第一改質部１０３の全体にエッチング液１０５を染み込ませ、第一改質部１０３の除去を進行させる。

第三工程のエッチング処理は、基板１０１の内部において、第一改質部１０３が、レーザー照射されずに構造改質していない部分に比べて、速くエッチングされる現象を利用するものであり、結果として改質部１０１の形状に応じた微細孔を形成することができる。

エッチング液としては、例えばフッ酸（ＨＦ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）を主成分とするアルカリ溶液、フッ酸に硝酸等を適量添加したフッ硝酸系の混酸溶液などを用いることができ、基体１０１を構成する材料に応じて、他の薬液を用いることもできる。

特に、水酸化カリウムを主成分とするアルカリ溶液（ＫＯＨ溶液）は、エッチング液としての選択性が高く、改質部のみを選択的に除去する機能に優れる。そのため、ＫＯＨ溶液は、例えば、互いに近接して形成された複数の第一改質部を除去して微細孔をなす空間を形成する際に、空間同士が繋がってしまわないように、第一改質部のみをより選択的に除去することが求められる場合に有効となる。

第三工程のエッチング処理後、基体１０１の内部の所望の位置に、微細孔１０６が形成される。なお、第一工程において用いるレーザー光は、ミクロンオーダーよりも小さな微小領域を走査して改質させることが可能である。したがって、最小寸法をナノオーダー（１ｎｍ〜１０００ｎｍ未満）とする微細孔１０６を形成することができる。形成される微細孔１０６のサイズは、例えば、短径が２０［ｎｍ］〜２００［ｎｍ］程度、長径が０．２［μｍ］〜５［μｍ］程度となり、微細孔の断面は略楕円形状となる。エッチング処理の具合によっては、該断面は矩形に近い形状となることもある。

なお、エッチング処理時間を調整することによって、第一改質部１０３のうち、除去されて微細孔１０６となる部分と除去されないで改質部として残る部分との体積比率を調整することができる。例えば、エッチング処理時間を長くすることにより、短径を１［μｍ］〜２［μｍ］程度に伸ばすことも可能である。

以上説明したように、第一実施形態に係る微細構造体の形成方法は、レーザー光の強度を調整することにより、基板の内部において、基板の一方の主面からの深さに応じて、所望の品質の第一改質部を形成することができる。すなわち、基板の一方の主面から数百ミクロンオーダーの深い位置において、レーザー光を集光照射した領域に第一改質部を形成することができる。

第一改質部はエッチングレートが高く、エッチング処理を行った際に、短時間での除去が可能である。そのため、第一改質部に対してエッチング処理を行った際に、処理時間の経過にともなって、第一改質部とともに、第一改質部近傍に形成される第二改質部等のレーザー光を集光照射していない部分まで、エッチングが進行するのを抑えることができる。したがって、第一工程を経て形成した第一改質部のみを、第二工程にて選択的に除去することが可能であり、基板の一方の主面から数百ミクロンオーダーの深い位置に、所望の形状の微細構造を形成することができる。

以下、第一実施形態に該当する実施例１、２を用いて、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明が適用可能な実施例は、実施例１、２に限定されるものではない。

［実施例１］
実施例１として、基板の一方の主面（基板の一面）から、レーザー光を用いて改質させる部分までの距離（改質させる位置の深さ）に応じて変化する、レーザー光の好適なパワー範囲について調べた。調べた結果について、図３〜５を用いて説明する。

図３は、改質させる位置の深さと、改質に用いるレーザー光のパワーとを相互に変えた条件にて形成された、サンプルＡ１〜Ａ１１の改質部（第一改質部、第二改質部）および微細孔の形状を比較した表を示している。なお、図３に示す第二改質部は、エッチングレートが第一改質部に比べて低い改質部として定義されるものである。

サンプルＡ１は、基板２０１を、形成された微細孔２０３ａおよび改質部（第二改質部）２０３ｂを含む面において、切断した際の断面ＳＥＭ画像である。
サンプルＡ２は、基板２１１を、形成された微細孔２１３ａおよび改質部（第二改質部）２１３ｂを含む面において、切断した際の断面ＳＥＭ画像である。
サンプルＡ３は、基板２２１を、形成された改質部（第二改質部）２１３ｂを含む面において、切断した際の断面ＳＥＭ画像である。
サンプルＡ４は、基板３０１を、形成された微細孔３０３ａおよび改質部（第二改質部）３０３ｂを含む面において、切断した際の断面ＳＥＭ画像である。
サンプルＡ５は、基板３１１を、形成された微細孔３１３ａおよび改質部（第二改質部）３１３ｂを含む面において、切断した際の断面ＳＥＭ画像である。
サンプルＡ６は、基板３２１を、形成された微細孔３２３ａおよび改質部（第二改質部）３２３ｂを含む面において、切断した際の断面ＳＥＭ画像である。
サンプルＡ７は、基板３３１を、形成された改質部（第二改質部）３３３ｂを含む面において、切断した際の断面ＳＥＭ画像である。
サンプルＡ８は、基板４０１を、形成された微細孔４０３ａおよび改質部（第二改質部）４０３ｂを含む面において、切断した際の断面ＳＥＭ画像である。
サンプルＡ９は、基板４１１を、形成された微細孔４１３ａおよび改質部（第二改質部）４１３ｂを含む面において、切断した際の断面ＳＥＭ画像である。
サンプルＡ１０は、基板４２１を、形成された微細孔４２３ａおよび改質部（第二改質部）４２３ｂを含む面において、切断した際の断面ＳＥＭ画像である。
サンプルＡ１１は、基板４３１を、形成された微細孔４３３ａおよび改質部（第二改質部）４３３ｂを含む面において、切断した際の断面ＳＥＭ画像である。

図３の表のうち縦方向には、第三工程を経て形成された微細孔および改質部（第二改質部）のＳＥＭ画像が、改質させた位置の深さについて、小さい順（１２０［μｍ］、２４０［μｍ］、３６０［μｍ］、４８０［μｍ］）に並んで示されている。

また、図３の表のうち横方向には、第三工程を経て形成された微細孔および改質部（第二改質部）の断面のＳＥＭ画像が、改質に用いたレーザー光のパルスエネルギーについて、小さい順（６０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］、７０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］、８０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］）に並んで示されている。パルスエネルギーは、強度Ｗに対し、レーザー光の集光部分の面積Ｓとパルス幅（パルスの時間幅）Ｔとを掛けた量、すなわちパルスエネルギー＝Ｗ×Ｓ×Ｔとして定義される。本発明においては、集光した部分の面積Ｓおよびパルス幅Ｔをほぼ一定として扱うため、パルスエネルギーを制御することは、強度を制御することに相当する。

基板の一面から１２０［μｍ］、２４０［μｍ］の深さの位置を改質させた場合、改質に用いたレーザー光のパルスエネルギーが６０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］、７０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］、８０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］のいずれであっても、エッチング処理を行うことにより、第一改質部が除去されて微細孔が形成された。形成される微細孔の断面は略楕円形状であり、改質に用いたレーザー光のパルスエネルギーに応じて断面積の大きくなる傾向が見られた。

基板の一面から３６０［μｍ］の深さの位置を改質させた場合、改質に用いたレーザー光のパルスエネルギーを７０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］あるいは８０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］としたときには、エッチング処理を行うことにより、第一改質部が除去されて微細孔が形成された。ただし、改質に用いたレーザー光のパルスエネルギーを６０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］としたときには、エッチング処理を行っても第一改質部は除去されず、微細孔が形成されなかった。

基板の一面から４８０［μｍ］の深さの位置を改質させた場合、改質に用いたレーザー光のパルスエネルギーを８０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］としたときには、エッチング処理を行うことにより、第一改質部が除去されて微細孔が形成された。ただし、改質に用いたレーザー光のパルスエネルギーを７０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］としたときには、エッチング処理を行っても第一改質部は除去されず、微細孔が形成されなかった。

図３の表より、微細孔を形成する部分、すなわち改質部を形成する部分が基板の一面から深い位置にあるほど、形成された改質部はエッチング除去しにくくなる傾向を示し、改質に用いるレーザー光のパルスエネルギーを高める必要があることが分かった。具体的には、基板の一面から改質部を形成する位置までの距離が、１２０［μｍ］以上かつ２４０［μｍ］以下の範囲にある場合には、レーザー光のパルスエネルギーを、加工下限閾値以上かつ７０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］以下とする必要があることが分かった。

また、図３の表より、基板の一面から改質部を形成する位置までの距離が、２４０［μｍ］より大きく、かつ３６０［μｍ］以下の範囲にある場合には、レーザー光のパルスエネルギーを、６０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］より大きく、かつ７０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］以下とする必要があることが分かった。

また、図３の表より、基板の一面から改質部を形成する位置までの距離が、３６０［μｍ］より大きく、かつ４８０［μｍ］以下の範囲にある場合には、レーザー光のパルスエネルギーは、７０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］より大きく、かつ８０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］以下とする必要があることが分かった。

図４は、改質に用いるレーザー光のパルスエネルギーに依存する、改質させた部分の位置（微細孔を形成した部分の位置）と、形成された微細孔の寸法との関係を示すグラフである。グラフの横軸は、改質させた部分の位置と基板の一面との距離を示している。グラフの縦軸は、レーザー光の走査方向に平行な方向、すなわち基板の一面に平行な方向における微細孔の寸法（エッチング深さ）を示している。グラフ上の三種類のプロット（円形、四角形、三角形）は、改質させる際に用いたレーザー光のパルスエネルギーを、それぞれ６０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］、７０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］、８０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］とした場合に対応する。グラフ上のいずれのプロットも、同じ条件で行った複数の実験の平均データを示している。

図４のグラフから、改質させる位置の深さを少なくとも２４０［μｍ］以下とした場合、改質に用いるレーザー光のパルスエネルギーによらず、ほぼ一定のエッチング深さの微細孔が形成される傾向が見られた。そして、改質させる位置を深くするほど、低いパルスエネルギーのレーザー光を用いて改質部、微細孔を形成するのが難しくなる傾向が見られた。改質させる位置の深さを３６０［μｍ］とした場合、レーザー光のパルスエネルギーを少なくとも６０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］より高くしないと、基板の一面と平行に延びる微細孔は形成されないことが分かった。また、改質させる位置の深さを４８０［μｍ］とした場合、レーザー光のパルスエネルギーを少なくとも７０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］より高くしないと、基板の一面と平行に延びる微細孔は形成されないことが分かった。

図５（ａ）は、改質に用いるレーザー光のパルスエネルギーに依存する、改質させた部分の位置（微細孔を形成した部分の位置）と、形成された微細孔の断面の形状との関係を示すグラフである。グラフの横軸は、改質させた位置と基板の一面との距離を示している。グラフの縦軸は、レーザー光の走査方向に垂直な方向、すなわち基板の一面に垂直な方向における、楕円形状となる微細孔の断面の短径を示している。グラフ上の三種類のプロット（円形、四角形、三角形）は、改質させる際に用いたレーザー光のパルスエネルギーを、それぞれ６０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］、７０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］、８０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］とした場合に対応する。グラフ上のいずれのプロットも、同じ条件で行った複数の実験の平均データを示している。

図５（ａ）のグラフから、改質に用いるレーザー光のパルスエネルギーを６０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］とした場合、改質させる位置の深さが少なくとも２４０［μｍ］以下の範囲においては、形成される微細孔の断面の短径が、ほぼ一定となる傾向が見られた。一方、改質させる位置の深さが少なくとも３６０［μｍ］以上の範囲においては、短径が０［μｍ］となっていることから、微細孔が形成されないことが分かった。

また、図５（ａ）のグラフから、改質に用いるレーザー光のパルスエネルギーを７０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］とした場合、改質させる位置の深さが少なくとも３６０［μｍ］以下の範囲においては、形成される微細孔の断面の短径が、ほぼ一定となる傾向が見られた。一方、改質させる位置の深さが少なくとも４８０［μｍ］以上の範囲においては、短径が０［μｍ］となっていることから、微細孔が形成されないことが分かった。

また、図５（ａ）のグラフから、改質に用いるレーザー光のパルスエネルギーを８０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］とした場合、改質させる位置が深くなるとともに、形成される微細孔の断面の短径は小さくなる傾向が見られた。

図５（ｂ）は、改質に用いるレーザー光のパルスエネルギーに依存する、改質させた部分の位置（微細孔を形成した部分の位置）と、形成された微細孔の断面の形状との関係を示すグラフである。グラフの横軸は、改質させた部分の位置と基板の一面との距離を示している。グラフの縦軸は、レーザー光の走査方向に垂直な方向、すなわち基板の一面に垂直な方向における、楕円形状となる微細孔の断面の長径を示している。グラフ上の三種類のプロット（円形、四角形、三角形）は、改質させる際に用いたレーザー光のパルスエネルギーを、それぞれ６０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］、７０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］、８０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］とした場合に対応する。グラフ上のいずれのプロットも、同じ条件で行った複数の実験の平均データを示している。

図５（ｂ）のグラフから、改質に用いるレーザー光のパルスエネルギーを６０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］とした場合、改質させる位置の深さが少なくとも２４０［μｍ］以下の範囲においては、形成される微細孔の断面の長径が、ほぼ一定となる傾向が見られた。一方、改質させる位置の深さが少なくとも３６０［μｍ］以上の範囲においては、長径が０［μｍ］となっていることから、微細孔が形成されないことが分かった。

また、図５（ｂ）のグラフから、改質に用いるレーザー光のパルスエネルギーを７０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］とした場合、改質させる位置の深さが少なくとも３６０［μｍ］以下の範囲においては、形成される微細孔の断面の長径が、ほぼ一定となる傾向が見られた。一方、改質させる位置の深さが少なくとも４８０［μｍ］以上の範囲においては、長径が０［μｍ］となっていることから、微細孔が形成されないことが分かった。

また、図５（ｂ）のグラフから、改質に用いるレーザー光のパルスエネルギーを８０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］とした場合、改質させる位置の深さによらず、形成される微細孔の断面の長径は、ほぼ一定となる傾向が見られた。

［実施例２］
本発明を適用することにより形成可能となるデバイスとして、例えば二種類の流体（第一流体、第二流体）を混合するマイクロミキサを提示する。以下に、マイクロミキサを形成するための具体的なプロセスを示すが、これはあくまで一例であり、必ずしも以下のプロセスに限定するものではない。図６は、実施例２として示すマイクロミキサ５００の斜視図である。図６は、マイクロミキサ５００を構成する第一構造体５１０（下側）および第二構造体５２０（上側）の斜視図である。マイクロミキサ５００の構成について説明するため、図６においては、第一構造体５１０と第二構造体５２０とを分離して示しているが、デバイスとして動作させる際には、両者を重ね合わせる。

第一構造体５１０の構成について説明する。第一構造体５１０は、第一基板５１１の一方の主面（一面）５１１ａに、第一溝部５１４Ａと、第二溝部５１４Ｂと、複数の第三溝部５１５Ａと、複数の第四溝部５１５Ｂと、を備えてなる。複数の第三溝部５１５Ａは、第一溝部５１４Ａから第二溝部５１４Ｂ側に分岐し、櫛歯状に配されたトレンチを構成する。また、複数の第四溝部５１５Ｂは、第二溝部５１４Ｂから第一溝部５１４Ａ側に分岐し、櫛歯状に配されたトレンチを構成する。第三溝部５１５Ａと第四溝部５１５Ｂとは、互い違いに離間して配されている。

第二構造体５２０の構成について説明する。第二構造体５２０は、第二基板５２１の一方の主面（一面）５２１ａに、第五溝部５２２と第六溝部５２３とを備えてなる。第五溝部５２２は、第三溝部５１５Ａを流れる第一流体と第四溝部５１５Ｂを流れる第二流体とを混合する空間として機能する。第六溝部５２３は、第五溝部５２２において混合された流体の導出路をなし、第五溝部５２２と第二基板５２１の外部空間とを連通させている。

実施例２のマイクロミキサ５００は、第一基板の一方の主面５１１ａと第二基板の一方の主面５２１ａとが接触し、かつ、第五溝部５２２が、第三溝部５１５Ａおよび第四溝部５１５Ｂと重なる位置にあるように、第一構造体５１０と第二構造体５２０とを重ねてなる。

図７は、第一構造体５１０に、第二構造体５２０を前述したように重ねた上で、Ｃ１−Ｃ１線において、第一基板の一面５１１ａおよび第二基板の一面５２１ａと垂直な方向に、
マイクロミキサ５００（第一構造体５１０および第二構造体５２０）を切断した際の断面図である。

図６、７に示すように、マイクロミキサ５００の構成によれば、第一溝部５１４Ａおよび第二溝部５１４Ｂが、それぞれ第一流体および第二流体の導入路をなし、第三溝部５１５Ａおよび第四溝部５１５Ｂは、それぞれ第一流体および第二流体の分岐路をなす。したがって、第五溝部５２２を、第三溝部５１５Ａおよび第四溝部５１５Ｂと重ねてなる空間が、第一流体と第二流体とを混合する空間として機能する混合部をなす。

また、第一溝部５１４Ａに導入した第一流体を第三溝部５１５Ａ側に押し出して分割させ、分割した第一流体をさらに第五溝部５２２側に押し出すことができる。同様に、第二溝部に導入した第二流体を第四溝部側に押し出して分割させ、分割した第二流体をさらに第五溝部５２２側に押し出すことができる。そして第五溝部５２２において、押し出された第一流体と第二流体とを合流させ、混合させることができる。第五溝部５２２に押し出される第一流体、第二流体は、それぞれ第三溝部、第四溝部において細かく分割されているため、合流させた際に、均質に混合させることができる。

図６および図７を用いて示したマイクロミキサ５００を構成する第一構造体５１０の製造方法について、図８、９を用いて説明する。図８は、マイクロミキサ５００を製造するために行う処理のフローである。マイクロミキサ５００は、図８に示す５つのステップ（第一ステップＳ１１、第二ステップＳ１２、第三ステップＳ１３、第四ステップＳ１４、第五ステップＳ１５）を経ることにより、製造することができる。

まず、第一ステップＳ１１として、基板５１１の内部の第三溝部５１５Ａ、第四溝部５１５Ｂを設ける領域に対して、第一実施形態の第一工程と同様に、レーザー光を集光照射し、焦点を走査させて改質部を形成する。

図９（ａ）は、第一ステップＳ１１を経て形成された、改質部５１３を有する基板５１１の平面図である。改質部５１３は、第三溝部５１５Ａを設ける領域に形成された複数の改質部５１３Ａと、第四溝部５１５Ｂを設ける領域に形成された複数の改質部５１３Ｂとで構成されている。複数の改質部５１３Ａ、複数の改質部５１３Ｂは、それぞれ櫛歯状に配されている。また、複数の改質部５１３Ａと複数の改質部５１３Ｂとは、互い違いに離間して配されている。

図９（ｂ）は、図９（ａ）のＣ２−Ｃ２線において、基板の一面５１１ｂと垂直な方向に、基板５１１を切断した際の断面図である。図９（ｂ）に示すような、基板５１１の厚み方向に延びる形状の改質部５１３Ａの形成方法について、図１０を用いて説明する。

図１０は、基板１０１の内部において厚み方向Ｔに、一回の走査によって形成される改質部の大きさ（幅）分以上に延びる形状の改質部を形成する方法について説明する図である。図１０に示すような、基板１０１の内部において厚み方向Ｔに延びる形状の改質部（第一改質部）１０３は、レーザー光１０２を用いた二種類の走査（第一走査、第二走査）を、交互に繰り返して行うことによって形成することができる。

第一走査は、基板１０１内部の改質させる領域に対して、レーザー光の焦点１０２ｆを、基板の一面１０１ａと平行な方向Ｐ１に移動させて行う走査である。基板の一面１０１ａに平行に延びる第一改質部１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃは、いずれも第一走査を行うことによって形成される。

第二走査は、第一走査した領域から基板の一面１０１ａ側の方向Ｐ２に、ずらして行う走査である。形成される第一改質部１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃの大きさ（幅ｄ）分以下の範囲において第二走査を行うことにより、第一改質部１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ同士が一体化し、基板１０１の厚み方向において、一回の走査によって形成される改質部の大きさ分以上に延びる形状の第一改質部１０３を形成することができる。

図１０を用いて説明したように、第一走査と第二走査とを交互に繰り返して行うことにより、厚み方向に改質部５１３a、５１３ｂを重ねて形成する。図９（ｂ）には示されていない改質部５１３Ｂも、改質部５１３Ａと同様にして形成する。

なお、図９（ｂ）においては、第一走査を二回行い、二つの改質部５１３ａ、５１３ｂを重ねることにより、改質部５１３Ａを形成する例を示したが、第一走査の回数は、形成する改質部の大きさに応じて調整する。また、改質部５１３Ａおよび改質部５１３Ｂは、必ずしも、基板の一面５１１ｂにおいて外部空間に露出していなくてもよい。

次に、第一ステップＳ１１に続く第二ステップＳ１２として、フォトリソグラフィ法によるミクロンオーダーの流路（マイクロ流路）用のパターニングを行い、基板５１１の第一溝部５１４Ａ、第二溝部５１４Ｂを設ける部分を除いた部分を、レジストを用いてマスクする。続いて第三ステップＳ１３として、マスクされていない、第一溝部５１４Ａ、第二溝部５１４Ｂを設ける部分を、ドライエッチング処理を行って除去する。続いて第四ステップＳ１４として、マスクに用いたレジストを、基板５１１から剥離させて除去する。

図９（ｃ）は、第一ステップＳ１１〜第四ステップＳ１４を経て形成された、改質部５１３（５１３Ａ、５１３Ｂ）、第一溝部５１４Ａ、第二溝部５１４Ｂを有する基板５１１の平面図である。第一溝部５１４Ａと第二溝部５１４Ｂとが互いに対向して配され、第三溝部５１３Ａの一端が第一溝部５１４Ａに、第四溝部５１３Ｂの一端が第二溝部５１４Ｂに、それぞれ接続されている。

図９（ｄ）は、図９（ｃ）のＣ３−Ｃ３線において、基板の一面５１１ｂと垂直な方向に、基板５１１を切断した際の断面図である。図９（ｃ）、（ｄ）に示すように、改質部５１３Ａ、５１３Ｂは、少なくとも一部が、それぞれ第一溝部５１４Ａ、第二溝部５１４Ｂに対して露出している。

次に、第四ステップＳ１４に続く第五ステップＳ１５として、改質部５１３Ａ、５１３Ｂを、第一実施形態の第三工程と同様のエッチング処理を行って除去することにより、第三溝部５１５Ａ、第四溝部５１５Ｂを形成する。

図９（ｅ）は、第五ステップＳ１５を経て形成された、第一溝部５１４Ａ、第二溝部５１４Ｂ、溝部５１５を有する、基板５１１の平面図である。溝部５１５は、複数の第三溝部５１５Ａと複数の第四溝部５１５Ｂとで構成されている。複数の第三溝部５１５Ａ、複数の第四溝部５１５Ｂは、それぞれ櫛歯状に配されている。また、複数の第三溝部５１５Ａと複数の第四溝部５１５Ｂとは、互い違いに離間して配されている。

図９（ｆ）は、図９（ｅ）のＣ４−Ｃ４線において、基板の一面５１１ｂと垂直な方向に、基板５１１を切断した際の断面図である。図９（ｅ）、（ｆ）に示すように、第三溝部５１５Ａ、第四溝部５１５Ｂは、少なくとも一部が、それぞれ第一溝部５１４Ａ、第二溝部５１４Ｂに対して露出している。

上述した製造方法によれば、第一工程のレーザー照射条件、第四工程のエッチング処理条件を調整することにより、任意のサイズの第三溝部５１５Ａ、第四溝部５１５Ｂを形成することができる。そこで、第三溝部５１５Ａおよび第四溝部５１５Ｂの幅を、それぞれナノオーダーで形成することにより、第三溝部５１５Ａを流れる第一流体および第四溝部５１５Ｂを流れる第二流体を、それぞれナノオーダーのサイズに分割することができる。

ナノオーダーのサイズに分割されることにより、第一流体および第二流体を、分子のレベルで均質に混ざりやすい状態にすることができる。したがって、第一流体および第二流体を、ともに第五溝部５２２内に押し出した際に、二つの流体の混合を促進することができる。

また、上述した製造方法によれば、第一工程のレーザー照射条件、第四工程のエッチング処理条件を調整することにより、アスペクト比の高い第三溝部５１５Ａ、第四溝部５１５Ｂをファインピッチで形成することができる。これにより、第三溝部５１５Ａを流れる第一流体および第四溝部５１５Ｂを流れる第二流体を構成する分子の拡散距離が短くなるため、二つの流体の混合を促進することができる。

本発明は、微細構造体の形成方法および微細構造を有する基体、例えば、マイクロ流路やマイクロウェル、光学部品、電子部品などの技術分野に広く適用することができる。

１０・・・計測系、１１・・・対物レンズ、１２・・・パワーメータ（計測手段）、
１３・・・モニタ（表示手段）、１４・・・配線、１５、１５ａ、１５ｂ・・・レーザー光、
１０１、２０１、２１１、２２１、３０１、３１１、３２１、３３１・・・基板、
４０１、４１１、４２１、４３１、５１１、５２１、５３１・・・基板、
１０１ａ、５１１ａ、５２１ａ・・・一面、１０２・・・レーザー光、
１０２ｆ・・・焦点、１０３、１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ・・・改質部、
１０３ｅ・・・一端、１０４・・・ステージ
１０５・・・レンズ、１０６・・・容器、１０７・・・エッチング液、
２０３ａ、２１３ａ、３０３ａ、３１３ａ、３２３ａ、３３３ａ・・・微細孔、
４０３ａ、４１３ａ、４２３ａ、４３３ａ・・・微細孔、
２０３ｂ、２１３ｂ、２２３ｂ、３０３ｂ、３１３ｂ、３２３ｂ、３３３ｂ・・・改質部、
４０３ｂ、４１３ｂ、４２３ｂ、４３３ｂ・・・改質部、
５００、５３０・・・マイクロミキサ、５１０・・・第一構造体、
５１３Ａ、５１３Ｂ、５１３ａ、５１３ｂ・・・改質部、５１４Ａ・・・第一溝部、
５１４Ｂ・・・第二溝部、５１５、５１５Ａ、５１５ａ、５１５ｂ・・・第三溝部、
５１５Ｂ・・・第四溝部、５２０・・・第二構造体、５２２・・・第五溝部、
５２３・・・第六溝部、５３４Ａ、５３４Ｂ、５３４Ｃ・・・溝部、
Ｓ１、Ｓ１１・・・第一ステップ、Ｓ２、Ｓ１２・・・第二ステップ、
Ｓ３、Ｓ１３・・・第三ステップ、Ｓ４、Ｓ１４・・・第四ステップ、
Ｓ１５・・・第五ステップ、ｋ・・・光軸方向、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３・・・流体、
Ｐ１、Ｐ２、Ｔ・・・方向。

Claims (4)

1. 基板の一方の主面側から前記基板の内部に、ピコ秒オーダー以下のパルス時間幅であるレーザー光を、加工下限閾値の近傍のレーザー強度で照射し、前記レーザー光が集光した焦点に改質部を形成する第一工程と、
   前記改質部の少なくとも一部が露出するように、前記基板の一部を除去する第二工程と、
   前記改質部に対してエッチング処理を行うことにより、前記基板に微細構造を形成する第三工程と、を順に有する微細構造体の形成方法であって、
   前記加工下限閾値は、前記レーザー光を、前記基板の一方の主面に照射した場合に、集光した焦点に改質部を形成することが可能なレーザー強度の閾値に相当し、
   前記改質部がエッチング除去可能となるように、前記第一工程において、前記主面から前記改質部を形成する位置までの距離に応じて、前記レーザー光の強度を調整する、ことを特徴とする微細構造体の形成方法。
2. 前記主面から前記改質部を形成する位置までの距離は、１２０［μｍ］以上かつ２４０［μｍ］以下の範囲にあり、
   前記レーザー光のパワーを、前記加工下限閾値以上かつ７０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］以下とする、ことを特徴とする請求項１に記載の微細構造体の形成方法。
3. 前記主面から前記改質部を形成する位置までの距離は、２４０［μｍ］より大きく、かつ３６０［μｍ］以下の範囲にあり、
   前記レーザー光のパワーを、６０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］より大きく、かつ７０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］以下とする、ことを特徴とする請求項１に記載の微細構造体の形成方法。
4. 前記主面から前記改質部を形成する位置までの距離は、３６０［μｍ］より大きく、かつ４８０［μｍ］以下の範囲にあり、
   前記レーザー光のパワーを、７０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］より大きく、かつ８０［ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ］以下とする、ことを特徴とする請求項１に記載の微細構造体の形成方法。