JP2571740B2 - 真空紫外光による加工装置および加工方法 - Google Patents

真空紫外光による加工装置および加工方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザー光を利用した
加工装置および加工方法に係り、特に、真空紫外領域に
光の吸収が存在する物質の加工に好適な真空紫外光によ
る加工装置および加工方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来から、レーザー光を利用して各種の
物質を加工することが行われている。このようなレーザ
ー光として真空紫外光を利用した場合次のような利点が
ある。 光の波長が短いことから高い加工精度が得られる。
【0003】 加工対象物質の光の吸収率の高い波長
を選択すると、光子のエネルギーが高いことから光によ
って物質を構成する分子の結合を切ることができ、熱加
工に見られるような損傷を与えることなく物質を加工で
きる。
【0004】 光化学反応を利用した加工が可能であ
る。
【0005】従来、このような加工用の真空紫外光の実
用可能なコヒーレント光源としては、ArFレーザー
(波長193nm)、F2 レーザー(波長157nm)
の2種がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
においては、実用可能な加工用の真空紫外光の光源が2
種類(2波長)しかなく、加工対象となる物質や加工方
法が限定されるという問題があった。
【0007】また、このような真空紫外光の波長域を拡
大する方法として、完成度の高い紫外レーザーを非線形
波長変換法で真空紫外光に変換する方法が知られてい
る。しかしながら、この方法の場合、得られる真空紫外
光の出力が数キロワット程度と弱いこと、また、得られ
る真空紫外光ビームの空間強度分布(ビーム形状)がビ
ーム中心部の強度が弱いドーナツ状になる等の問題があ
り、加工用としては用いられていない。
【0008】本発明は、かかる従来の事情に対処してな
されたもので、加工用に適したより多くの真空紫外光を
得ることができ、高精度かつ多彩な加工を行うことので
きる真空紫外光による加工装置および加工方法を提供し
ようとするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の真空紫外光によ
る加工装置は、励起光を発生させるレーザー光源と、前
記レーザー光源からの前記励起光を波長変換する波長変
換物質が充填された波長変換セルと、前記波長変換セル
から放出される真空紫外光を、内部に収容した被加工物
に照射して加工を行う真空チャンバと、前記真空紫外光
を観察可能として、該真空紫外光のビーム形状をモニタ
するためのビームモニタ機構と、前記波長変換セル内の
圧力を変更し、前記真空紫外光のビームを加工に適する
よう調節するための圧力調節機構とを具備したことを特
徴とする。
【0010】また、請求項2記載の本発明の真空紫外光
による加工装置は、上記構成に加えて、前記真空紫外光
の出力を測定するための出力測定機構と、前記真空紫外
光を前記ビームモニタ機構および前記出力測定機構に入
射させるビームスプリッターとを具備したことを特徴と
する。
【0011】また、本発明の真空紫外光による加工方法
は、レーザー光源からの励起光を波長変換物質が充填さ
れた波長変換セルに入射させて真空紫外光を発生させ、
この真空紫外光を被加工物に照射して加工を行う加工方
法であって、予め、前記真空紫外光を可視化してそのビ
ーム形状をモニタしつつ、前記波長変換セル内の波長変
換物質の圧力、および/または、前記レーザー光源から
の励起光の状態を変更し、前記真空紫外光のビーム形状
を加工に適した形状に調節しておくことを特徴とする。
【0012】 本発明の真空紫外光による加工方法は、
真空紫外領域に光の吸収が存在する物質、例えばポリテ
トラフルオロエチレン「テフロン(登録商標)」、石英
ガラス等からなる被加工物の加工に好適である。
【0013】
【作用】高強度のレーザー光を水素ガス等のラマン活性
な媒質に入力すると、誘導ラマン散乱によりラマン媒質
特有のエネルギー量の整数倍だけ波長のシフトしたコヒ
ーレント光が発生する。この時、入射したレーザー光
(励起光)の周波数をωin、エネルギーのシフト量をω
r とすると短波長側で得られる変換光の周波数ω
ou t は、次式で与えられる。
【0014】 ωout =ωin+Nωr (Nは正の整数) このことから、反ストークス誘導ラマン散乱により、真
空紫外領域に多くの波長成分の変換光を発生することが
できる。この時、変換効率は、位相整合条件と呼ばれる
変換に関与する光子の運動量の保存則に強く影響を受け
る。
【0015】反ストークス誘導ラマン散乱によって発生
する真空紫外光を加工に適用するためには、高い光強度
が必要である。このような光強度を反ストークス光によ
って達成するためには、高出力化を図ることと、十分集
光できる空間強度分布(ビーム形状)の優れたビームを
発生させることが必要となるが、従来、このような反ス
トークス光を得ることは困難とされていた。
【0016】しかしながら、本発明者等が鋭意研究を重
ねた結果、次のような知見を得ることができた。
【0017】すなわち、反ストークス光のビーム形状
は、出力(変換効率)と同様に、反ストークス誘導ラマ
ン散乱過程における位相整合条件に強く影響を受ける。
この位相整合条件は、励起レーザー光の状態(励起レー
ザー光の波長、集光状態等)と、ラマン媒質の状態(ラ
マン媒質の種類、圧力等)によって変化し、これらの条
件を調節することにより、加工に最適なビーム形状を得
ることができる。
【0018】具体的には、励起レーザーおよびラマン媒
質に応じて、蛍光板等によって真空紫外光のビーム形状
をモニターしながら、集光光学系およびラマン媒質の圧
力を調整することにより、加工に最適なビーム形状を得
ることができる。
【0019】なお、ある励起レーザー光の状態におい
て、ラマン媒質の圧力を変化させると、ある圧力で出力
は最大となる。これは、低圧側では、利得が減少し、高
圧側では位相不整合量が増加するためである。ところ
が、このように出力が最大となる条件と、上述した加工
に最適なビーム形状を得ることができる条件とは、必ず
しも一致しない。このため、ビーム形状と出力とを同時
にモニターしつつラマン媒質の圧力等を調整することに
より、加工に最適なビームを得ることが好ましい。ここ
で、ラマン媒質としては、水素、重水素を用いるのが好
ましい。
【0020】このようにして、本願発明では、真空紫外
領域の多くの波長において、加工に適用できるレベルの
強度を持つレーザービームを得ることができる。
【0021】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。
【0022】図1は、本発明の一実施例の真空紫外光に
よる加工装置の構成を示すもので、同図において1は励
起光を発生するためのレーザー光源である。このレーザ
ー光源1から発せられたレーザー光は、ミラー2、集光
レンズ3を介してラマン媒質が充填されたラマンセル4
に入射するよう構成されている。このラマンセル4に
は、ガス圧力調節機5が配設されており、ラマンセル4
内の圧力を調節可能に構成されている。
【0023】上記ラマンセル4から後のビーム光路部分
は、真空に保持されるよう構成されている。そして、ラ
マンセル4で発生した真空紫外光は、この真空雰囲気下
に配置された60度分散プリズム6によって波長選択さ
れ、真空容器7内のレンズ8、スリット9、マスク10
を介して、試料台11に保持された試料12に照射され
るよう構成されている。
【0024】この試料台11は、図中矢印で示すよう
に、ラマンセル4からの真空紫外光の光路内と光路外の
間を移動可能に構成されており、試料台11の後方に
は、ビームスプリッター13が配設されている。そし
て、試料台11を光路外に移動させた状態では、ラマン
セル4からの真空紫外光が、ビームスプリッター13に
入射し、ここで2つに分けられて、ビームモニタ機構と
しての蛍光板14と、ビーム出力を検出する出力検出機
15に入射するよう構成されている。なお、ビームモニ
タ機構としては、蛍光板14の換わりに、CCDカメラ
等を用いることもできる。
【0025】本実施例では、レーザー光源1としてN
d:YAGレーザーを用い、その第4高調波を励起光と
して用いた。また、ラマン媒質としては水素を用い、得
られた変換光から60度分散プリズム6によって波長1
60nmの真空紫外光を取り出した。
【0026】そして、まず試料台11を真空紫外光の光
路外に移動させた状態で、ラマンセル4からの真空紫外
光を、蛍光板14および出力検出機15に入射させ、そ
のビーム形状(空間強度分布)を蛍光板14によって可
視化してモニターするとともに、出力検出機15で出力
を測定しつつ、ガス圧力調節機5によってラマンセル4
内の圧力を調節した。
【0027】この時、蛍光板14によって観察された真
空紫外光のビーム形状の変化の様子を図2に模式的に示
す。同図に示すように、ラマンセル4内のラマン媒質の
圧力を変化させると、ラマンセル4からの真空紫外光の
ビーム形状が変化し、ラマンセル4内のラマン媒質の圧
力が1.5〜3.0kg/cm2 の比較的低圧域ではほ
ぼ円形のビーム形状となり、7.0〜9.0kg/cm
2 の比較的高圧域では環状(ドーナツ状)のビーム形状
となり、その中間の5.0kg/cm2 付近では、これ
らの中間的な形状となっている。
【0028】このようなビーム形状の変化を、ビームの
空間強度分布として、縦軸をビーム強度、横軸をビーム
位置とした図3のグラフに示すと、ラマンセル4内のラ
マン媒質の圧力が1.5kg/cm2 付近では、図中一
点鎖線Aで示すように、空間強度分布がビーム中心をピ
ークとするガウス分布状の分布となっており、圧力が増
加するに従って図中実線Bで示すようにこの分布が広が
り、圧力が7.0kg/cm2 以上となると、図中点線
Cで示すように2つのピークを有するビーム中心の出力
が低下した分布となる。ここで、加工に適したビームと
しては、図3の一点鎖線Aまたは実線Bで示すビームと
なる。
【0029】そこで、蛍光板14によって観察されるビ
ーム形状がほぼ円形となるようにガス圧力調節機5によ
ってラマンセル4内のラマン媒質の圧力を調節した。な
お、ラマンセル4内のラマン媒質の圧力を必要以上に低
下させると、利得が減少し、出力が低下してしまうの
で、この時、同時に出力検出機15によってビーム出力
をモニタし、ビーム形状およびビーム出力が最適化され
るように圧力調節を行った。
【0030】 この後、試料台11をビームの光路内に
移動させ、25μm×25μmの矩形状開口を有するニ
ッケル製マスク10(厚さ100μm、縦10mm、横
10mm)を介して、ポリテトラフルオロエチレン「テ
フロン(登録商標)」製の板(厚さ2mm、縦10m
m、横10mm)からなる試料12に、上述のようにし
て最適化した真空紫外光のビームを照射した。
【0031】 これにより、波長160nmの真空紫外
光ビームによるレーザーアブレーションにより、テフロ
ン(登録商標)製の試料12の25μm×25μmの矩
形状の領域に対してエッチング加工が行われる。照射後
の試料12を電子顕微鏡で観察したところ、加工縁部等
に熱的な損傷のない良好な形状の矩形状の凹部が形成さ
れており、良好な加工が施されていることが確認され
た。
【0032】次に、反ストークス誘導ラマン散乱によっ
て発生した真空紫外光の全波長を、石英ガラス板(厚さ
1mm、縦10mm、横10mm)からなる試料12に
照射し、上述した実施例と同様にして加工を行った。
【0033】そして、加工を施した試料を、触針法によ
るスタイラス・プロファイル・モニターで測定した。こ
の測定結果を、縦軸を深さ、横軸を面内位置とした図4
に示す。同図に示すように、石英ガラス板からなる試料
12には深さ約0.7μmの凹部が形成されており、こ
の凹部内側面の傾斜幅は3μm以内とシャープな開口エ
ッジ部が得られ、また凹部底面も平坦な良好な加工が施
されていることが確認できた。一方、YAGの4次高調
波である266nmの波長のみで加工を行うと、加工形
状が悪化し、さらに加工速度も半減する。このことより
本真空紫外光を用いることの優位性が示された。
【0034】なお、従来のレーザー光による石英ガラス
の加工では、ほとんどの場合、照射部が溶融してしま
い、所望形状の加工を行うことができず、加工精度が非
常に悪かった。
【0035】このように、本実施例では、加工用に適し
たより多くの真空紫外光を得ることができ、高精度かつ
多彩な加工を行うことができた。なお、縦軸を出力エネ
ルギー、横軸を波長とした図5のグラフに、本実施例の
加工装置によって得られたレーザー光の波長とその出力
エネルギーを示す。
【0036】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の真空紫外
光による加工装置および加工方法によれば、加工用に適
したより多くの真空紫外光を得ることができ、高精度か
つ多彩な加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の真空紫外光による加工装置
の構成を示す図。
【図2】蛍光板によって観察されたビーム形状の変化を
説明するための図。
【図3】ビームの空間強度分布の違いを説明するための
図。
【図4】加工を行った石英ガラス板のスタイラス・プロ
ファイル・モニターの測定結果を示す図。
【図5】図1の装置によって得られた各波長の真空紫外
光の出力を示す図。
【符号の説明】
1 レーザー光源 2 ミラー 3 集光レンズ 4 ラマンセル 5 ガス圧力調節機 6 60度分散プリズム 7 真空容器 8 レンズ 9 スリット 10 マスク 11 試料台 12 試料 13 ビームスプリッター 14 蛍光板 15 出力検出機
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−320085(JP,A)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 励起光を発生させるレーザー光源と、 前記レーザー光源からの前記励起光を波長変換する波長
    変換物質が充填された波長変換セルと、 前記波長変換セルから放出される真空紫外光を、内部に
    収容した被加工物に照射して加工を行う真空チャンバ
    と、 前記真空紫外光を観察可能として、該真空紫外光のビー
    ム形状をモニタするためのビームモニタ機構と、 前記波長変換セル内の圧力を変更し、前記真空紫外光の
    ビームを加工に適するよう調節するための圧力調節機構
    とを具備したことを特徴とする真空紫外光による加工装
    置。
  2. 【請求項2】 励起光を発生させるレーザー光源と、 前記レーザー光源からの前記励起光を波長変換する波長
    変換物質が充填された波長変換セルと、 前記波長変換セルから放出される真空紫外光を、内部に
    収容した被加工物に照射して加工を行う真空チャンバ
    と、 前記真空紫外光を観察可能として、該真空紫外光のビー
    ム形状をモニタするためのビームモニタ機構と、 前記真空紫外光の出力を測定するための出力測定機構
    と、 前記真空紫外光を前記ビームモニタ機構および前記出力
    測定機構に入射させるビームスプリッターと、 前記波長変換セル内の圧力を変更し、前記真空紫外光の
    ビームを加工に適するように調節するための圧力調節機
    構とを具備したことを特徴とする真空紫外光による加工
    装置。
  3. 【請求項3】 レーザー光源からの励起光を波長変換物
    質が充填された波長変換セルに入射させて真空紫外光を
    発生させ、この真空紫外光を被加工物に照射して加工を
    行う加工方法であって、 予め、前記真空紫外光を可視化してそのビーム形状をモ
    ニタしつつ、前記波長変換セル内の波長変換物質の圧
    力、および/または、前記レーザー光源からの励起光の
    状態を変更し、前記真空紫外光のビーム形状を加工に適
    した形状に調節しておくことを特徴とする真空紫外光に
    よる加工方法。
  4. 【請求項4】 レーザー光源からの励起光を波長変換物
    質が充填された波長変換セルに入射させて真空紫外光を
    発生させ、この真空紫外光をポリテトラフルオロエチレ
    ンからなる被加工物に照射して加工を行う加工方法であ
    って、 予め、前記真空紫外光を可視化してそのビーム形状を観
    察しつつ、前記波長変換セル内の波長変換物質の圧力、
    および/または、前記レーザー光源からの励起光の状態
    を変更し、前記真空紫外光のビーム形状を加工に適した
    形状に調節しておくことを特徴とする真空紫外光による
    加工方法。
  5. 【請求項5】 レーザー光源からの励起光を波長変換物
    質が充填された波長変換セルに入射させて真空紫外光を
    発生させ、この真空紫外光を石英ガラスからなる被加工
    物に照射して加工を行う加工方法であって、 予め、前記真空紫外光を可視化してそのビーム形状を観
    察しつつ、前記波長変換セル内の波長変換物質の圧力、
    および/または、前記レーザー光源からの励起光の状態
    を変更し、前記真空紫外光のビーム形状を加工に適した
    形状に調節しておくことを特徴とする真空紫外光による
    加工方法。
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