JP4322045B2

JP4322045B2 - 微小バンプ作製方法

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Publication number: JP4322045B2
Application number: JP2003134403A
Authority: JP
Inventors: 芳樹中田
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2003-05-13
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2023-05-13
Also published as: JP2004339538A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フェムト秒レーザー光やピコ秒レーザー光のような超短パルスレーザー光等を複数の光束に分離し、この光束を干渉させて周期構造の微小なバンプを作製する微小バンプ作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ハードディスク表面のレーザーテクスチャリングや操作プローブ顕微鏡の探針等において、微小なバンプ（突起構造）を作製することが実用化されている。そして最近では、ナノワイヤやナノ微粒子、ナノチューブを使って、電子銃と電界放出ディスプレーの実用化が検討されている。この実用化の鍵はピクセルごとに必要な微小なバンプ、言い換えれば周期構造をもつナノサイズクラスのバンプを希望通りの形態に作製できるか否かに係っているといえる。
【０００３】
そこで、まず従来のハードディスク表面におけるレーザーテクスチャリングについて説明する（特許文献１参照）。特許文献１によれば、ＹＡＧレーザー等のパルスレーザー発振器からのガウス分布状の光強度分布をもったビームをビーム変換器で光強度分布が中心部に比しその略円環部の方が強い円環状ビームに変換し、その円環状ビームをミラーで変向して集光レンズを通って回転且つ並進する基板の内周側円環帯領域の表面に集光するものである。
【０００４】
集光スポット照射の断面は光強度分布が円環状になるため、マランゴニ対流により、溶融部分のうち中心部に比しその周辺の略円環部の方が温度が高く、表面張力が小さいので、中心部に溶融材が集まり、小径の単峰状バンプが確実に形成される。すなわち、以前のレーザーテクスチャリングでは直径１０μｍ（＝×１０^−６ｍ）以上のものしか形成されなかったが、この技術によれば３μm〜６μmが可能になる。しかしこの技術でも、ナノサイズ（１０^−９ｍ〜１０⁻ ⁷ｍ）のバンプを得ることはできない。また、この技術は多ショットの加工と試料の移動が必要で、周期構造のバンプを形成する方法としては実用面で問題があるものであった。
【０００５】
ナノワイヤーやナノ微粒子の作製法としては、アーク放電法やレーザーブレーション法、ＣＶＤ法があるが、作製プロセスの複雑さや作製時間が長いこと、形状コントロール、アセンブルが困難であることなどバンプをつくるには問題が多い。中でも、フェムト秒レーザー光やピコ秒レーザー光のような超短パルスレーザー光（１０^−１５秒〜１０^−１２秒）を１点に集光させ、この超短パルスレーザー光と加工用基材との相互作用によってアブレーションを行うレーザーアブレーション法は、照射エネルギー密度（以下、フルエンス）は大きいが、１本のビームでアブレーションするため、実用上使用可能な周期構造のバンプをつくるためには多ショットの加工と試料の移動が必要で、従来のレーザーテクスチャリングと同じ問題があった。
【０００６】
周期構造を得るため、ナノ秒クラスの複数光束の干渉を用いたレーザー装置は提案されているが、超短パルスレーザー光は可干渉性をもつか否かの実証が遅れ、未解決の課題がきわめて多い。このような干渉を用いたフェムト秒レーザー加工装置の提案の１つとして、フェムト秒レーザー光をビームスプリッタにより２光束に分割し、光学遅延回路を用いた光学系を用いて物質表面に集光、干渉させ、ホログラムを作製する技術が開示された（特許文献２参照）。これは、パルス幅が９００〜１０フェムト秒（１０^−１５秒）、ピーク出力が１ＧＷ以上で、フーリエ限界またはそれと近似できるフェムト秒レーザーを光源とし、該レーザーからのパルスをビームスプリッタによって二つに分割し、二つのビームを光学遅延回路（平面ミラー）を介して時間的に制御し、且つ微小回転する平面ミラーと凹面ミラーを用いて空間的に制御し、ホログラムを記録する基材表面または基材内部に、エネルギー密度１００ＧＷ／ｃｍ²以上で集光するものである。このほか、本発明者もフェムト秒レーザー光を回析格子により複数の光束に分割し、集光、干渉させるフェムト秒レーザー加工装置を提案した（非特許文献１参照）。
【０００７】
しかし、これらのフェムト秒レーザー加工装置を使って、周期構造の微小なバンプをどのようにすればナノワイヤ等を介さずに直接作製できるのか、どのようにすればバンプ形状をコントロールできるのか、という基本的な点は未解決である。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−３２８６６７号公報
【特許文献２】
特開２００１−２３６００２号公報
【非特許文献１】
中田，外２名，「回折光学素子とフェムト秒レーザーを用いた微細周期構造の作製」，第４９回応用物理学関係連合講演会講演予稿集，応用物理学会，２００２年３月，p.1120
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、従来のレーザーテクスチャリングはパルス幅がナノ秒のビーム１本で行われており、加工速度が遅く、直径がナノサイズのバンプを作製するのは困難であった。その理由として、従来のナノ秒レーザーなどの光源では、加工を行う時間内に熱伝導によって被加工物の温度が広い範囲へ拡散してしまうことが考えられる。そして、周期構造のバンプを作製するため、ビーム１本で加工するのでは時間がかかりすぎ、実用面からも問題のあるものであった。
【００１０】
また、特許文献２のフェムト秒レーザー加工装置は周期構造の加工を念頭に置いたものであり、これだけではバンプを作製するのは困難である。周期構造のバンプを作製するまったく新しい作製方法への期待が高まっている。また、ビームスプリッタを使った特許文献２のフェムト秒レーザーは、１ショットの加工範囲は３０μｍが限界であり、光学的遅延の調整や軸合わせ等が必要になるものであった。広い加工範囲と取り扱いの容易なレーザー加工装置が望まれる。
【００１２】
そこで本発明は、周期構造をもつナノサイズクラスの微小なバンプを容易に加工することができる微小バンプ作製方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
以上説明した従来の課題を解決するために本発明の微小バンプ作製方法は、フェムト秒からピコ秒領域の超短パルスレーザー光を発振し、出射する超短パルスレーザー光を複数の光束に分離し、分離した光束を干渉させた状態で基板上の薄膜に集光し、この干渉によってバンプ形成閾値以上のフルエンスであってかつ薄膜のバンプ頂点部分に破れが生じるバンプ限界閾値より小さいフルエンスの干渉域を形成し、該干渉域の薄膜を基板と薄膜の熱膨張差により基板から剥離させて周期構造のバンプを作製することを特徴とする。
【００１７】
これにより、周期構造をもつナノサイズクラスの微小なバンプを容易に加工することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の発明は、フェムト秒からピコ秒領域の超短パルスレーザー光を発振し、出射する超短パルスレーザー光を複数の光束に分離し、分離した光束を干渉させた状態で基板上の薄膜に集光し、この干渉によってバンプ形成閾値以上のフルエンスであってかつ薄膜のバンプ頂点部分に破れが生じるバンプ限界閾値より小さいフルエンスの干渉域を形成し、該干渉域の薄膜を基板と薄膜の熱膨張差により基板から剥離させて周期構造のバンプを作製する微小バンプ作製方法であり、レーザー光を干渉させることによりレーザー光のフルエンスを高めることができ、これをバンプ形成閾値以上でバンプ限界閾値より小さいフルエンスとして薄膜を熱膨張差により基板から剥離させることができ、レーザー光が干渉したスポットの薄膜が膨張したナノサイズクラスのバンプを形成することができる。干渉によるスポットの周期性によってバンプをナノサイズクラスの周期構造にすることができる。このとき、超短パルス化によって熱拡散の影響が抑えられ、基板に照射された高エネルギーが熱伝導で均一化する前にエネルギー注入過程が終了するため、ナノサイズクラスの周期性と直径をもった高温部分が多数配列された温度分布を形成することができる。バンプ形成閾値以上で熱膨張差によってせん断力で薄膜が剥がれて膨張し、冷却による固化によって釣鐘状のバンプを形成することができる。そして、バンプ限界閾値より小さいため、バンプに破れを生じ破壊されて開口になることはない。
【００２２】
本発明の第２の発明は、第１の発明において、干渉域の薄膜を基板と薄膜の熱膨張差と共に、薄膜または基板の一部の蒸発したガスの圧力により基板から剥離させる微小バンプ作製方法であり、熱膨張差と共に、バンプ形成閾値以上で蒸発したガス圧によって薄膜が剥がれて膨張し、釣鐘状のバンプを形成することができる。バンプ限界閾値より小さいため、バンプが破壊されて開口になることはない。
【００２３】
本発明の第３の発明は、第１または２の発明において、干渉によって前記バンプ限界閾値以上で開口形成閾値より小さいフルエンスの干渉域を形成し、バンプ頂点部分に２段目の突起を形成する微小バンプ作製方法であり、２段目の突起を備えたバンプを生成することができる。
【００３７】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における微小バンプ作製方法と、そのレーザー加工装置及び作製用基板について説明する。あわせて微細メッシュ作製方法についても説明する。図１（ａ）は薄膜の熱膨張を用いてナノサイズクラスのバンプを形成する説明図、図１（ｂ）はガスの膨張を用いてナノサイズクラスのバンプを形成する説明図、図２（ａ）は本発明の実施の形態１におけるレーザー加工装置の構成図、図２（ｂ）は反射型回折格子を使用した場合の要部拡大図である。
【００３８】
まず、図１（ａ）（ｂ）に基づいて、実施の形態１における微小バンプ作製方法によってナノサイズクラスの周期構造のバンプが作製できる原理を説明する。図１（ａ）（ｂ）において、１はナノサイズクラスの周期構造をもつバンプを形成する作製用基板、１ａは作製用基板１に形成されたバンプ、１ｂはバンプ１ａを作製したい基板、１ｃは基板１ｂ上に形成された薄膜である。
【００３９】
図１（ａ）に示すように、レーザー発振して得られたフェムト秒レーザー光またはピコ秒レーザー光（以下、超短パルスレーザー光）を回折によって複数に分離し、これを干渉させて作製用基板１に照射すると、短パルス化によって熱拡散の影響が抑えられ、作製用基板１に注入された高エネルギーが熱伝導で均一化する前にエネルギー注入過程が終了する。これによって、ナノサイズの周期性と直径をもつ温度分布を形成することが可能になる。
【００４０】
このとき、照射するレーザー光が、バンプ形成閾値以上でバンプ限界閾値より小さなフルエンス（照射エネルギー密度）のとき、局所的な温度上昇が一定の閾値を越え、様々な形状のバンプを形成することが可能になる。さらにバンプ限界閾値以上のフルエンスのレーザー光を照射すると、バンプが破れ開口が形成され始める。しかし、開口形成閾値になるまでは微小球や２段目のバンプが形成されたり、また一度開いた開口部が閉じたりして、多くの場合完全な開口とは評価できない開口が形成される。条件によっては、付帯物は形成されるが開口しない場合もある。付帯物のない開口として許容できる穴を形成するには、開口形成閾値以上のフルエンスのレーザー光を照射する必要がある。要するに、バンプ形成閾値以上でバンプ限界閾値より小さいフルエンスのレーザー光を照射したときにバンプを形成でき、このバンプ限界閾値以上のフルエンスを照射すると２段目のバンプを形成したり完全とはいえない開口が形成されたりする状態になり、さらにフルエンスが開口形成閾値以上になると穴を形成することができる。このバンプ形成閾値、バンプ限界閾値、開口形成閾値は、以下説明するように作製用基板１ごとに材料や基板構造等で決定される。バンプ形成閾値は５０ｎｍの金膜を蒸着した石英基板の場合、７３mJ/cm²程度であり、バンプ限界閾値は９１mJ/cm²程度、開口形成閾値は１１４mJ/cm²程度である。これらの閾値は薄膜材料や構造、レーザーパルスの時間形状等により変化する。なお、実施の形態１においては超短パルスレーザー光を使用しているが、薄膜１ｃの材料やコーティング構造の選択、レーザー光を干渉させる光束の数や交差角度、波長を選択することにより、超短パルスレーザー光の場合よりバンプサイズは大きいが、ナノ秒レーザー光でも熱拡散の影響を抑えた温度分布を形成することも可能である。
【００４１】
実施の形態１の作製用基板１は、基板１ｂ上に薄膜１ｃが形成されているため、この温度分布が加わると境界面で剥離を起こし、これに薄膜１ｃの熱膨張や、薄膜１ｃあるいは基板１ｂの材料の蒸発による薄膜１ｃの押し上げを利用することにより、効率的にバンプを成長させることができる。薄膜材料としては金属類が優れ、基板材料としては石英やガラス等が、易剥離面を形成して変形が容易であるとともに気化の点でも好適である。また、膜厚は目的とするバンプのサイズより薄いことが望ましい。干渉させるレーザー光の本数とフルエンス、その交差角度、時間的遅延の差に応じて、干渉域（干渉スポット）が生成され、この干渉域に応じた加工ができる。このように干渉域をコントロールすることで、バンプ１ａの形状や並び、間隔などの配置をコントロールすることができる。
【００４２】
ところで、従来の技術で説明したナノ秒レーザー光を用いたテクスチャリングの場合、直径が数μｍ程度、高さが数十ｎｍ程度の構造が形成され、このとき直径が高さより２桁程度大きくなる。すなわち、これは直径が百倍程度広く、アスペクト比（＝バンプ高さ／バンプ直径）が非常に小さな（＝０．０１のオーダ）丘陵状の構造が得られ、バンプとは評価できないものであった。これに対して、本発明は、作製用基板１は基板１ｂ上に薄膜１ｃが形成されているため、バンプ形成閾値以上でバンプ限界閾値より小さなフルエンスのレーザー光を照射すると、極短時間の発生熱と熱拡散のバランスで以下説明するメカニズムにより、直径が数十〜数百nm、高さも同程度の数十〜数百nmのバンプが形成され、アスペクト比の大きなバンプ（アスペクト比＝０．１〜５）が作製可能であり、バンプ形状がコントロールできる。さらに、バンプ限界閾値以上のフルエンスを選択することにより、薄膜１ｃの破れや表面張力や融合などの流体的な挙動によって、後述する図５（ｃ）（ｄ）に示すように突起構造の頂点部分に２段目となる突起を作製することもできる。開口形成閾値以上のフルエンスを選択すれば開口を形成することができる。さらに、作製用基板１の移送（スキャン）を組み合わせれば、より密な構造や、異なる大きさのバンプや開口を組み合わせた構造も作製できる。
【００４３】
このバンプを形成するメカニズムには２つのメカニズムが存在すると推定できる。第１のメカニズムは、図1（ａ）に示すように、薄膜１ｃと基板１ｂの間の熱膨張に差があることによるものである。熱膨張力の差が薄膜１ｃと基板１ｂの間をせん断力で分離し、薄膜１ｃの方が熱膨張で膨れることで釣鐘状に湾曲し、冷却で固化してバンプが作製されるものである。熱膨張の差は、熱膨張率の差やレーザー光の吸収，反射率の差、熱放射度の差などを変化させることで得られる。
【００４４】
また、第２のメカニズムは、図１（ｂ）に示すように、薄膜１ｃあるいは基板１ｂの一部が蒸発し、その圧力によって薄膜１ｃを押し上げることによるものである。これらのうち、どちらか一方または両方の発生条件が満たされたときに高いアスペクト比のバンプが形成される。なお、この第２のメカニズムが起こるときは高温のため第１のメカニズムが同時に発生するが、第１，第２のメカニズムのどちらかを主体としてレーザー加工装置に最も適した作製用基板１にすることができる。
【００４５】
この第１，第２のメカニズムを生じさせる方法について説明する。いずれも薄膜１ｃが湾曲する必要があるから、薄膜１ｃは超短パルスレーザーの波長においてレーザー光を吸収し、それによる温度上昇で軟化する材料である必要がある。なお、温度上昇に対してあまり依存しない場合でも、湾曲可能な柔軟な材料であればよい。金属膜等が好適である。さらに薄膜１ｃと基板１ｂが剥離し易い易剥離構造である必要があるが、これは基板１ｂと薄膜１ｃの材料の組み合わせによる易剥離構造だけでなく、基板１ｂと薄膜１ｃの表面が十分な平滑度の平面で構成された易剥離構造であればよい。薄膜１ｃと基板１ｂの間に熱膨張の差は、材料の熱膨張率の差やレーザー光の吸収，反射率の差、熱放射度の差などを変化させることで得られ、これらの１以上を組み合わせて総合的に薄膜１ｃの熱膨張が基板１ｂより大きくする必要がある。また、薄膜１ｃあるいは基板１ｂの一部を蒸発させ、薄膜１ｃと基板１ｂの境界部分で圧力を発生させ薄膜１ｃを押し上げることができる。
【００４６】
このようにして形成されるバンプの形状は、基本的にレーザー光のフルエンスによって決定される。フルエンスがバンプ形成閾値以上でバンプ限界閾値よりかなり小さな場合、上記第１，第２のメカニズムによって薄膜１ｃが盛り上がり、バンプが形成される。バンプ限界閾値より低いがフルエンスを大きくすると、バンプ１つ当りの面積が大きくなり、それに伴いバンプの高さも高くなる。バンプ限界閾値以上にフルエンスが高くなると、温度上昇により薄膜が液体である時間が長くなり、流体的挙動が支配的になる。そのため液体の張力の影響が大きくなり、ちょうど液体表面に物質を落としたときのように、バンプの上に微小突起があるような複雑な形状が形成される。あるいは、バンプの頂点が破れ、そこから圧力が逃げることで内圧が低下し、それによって穴が閉じる際に頂点部分が融合することでバンプの上に微小突起が形成される。さらに開口形成閾値以上にフルエンスを大きくすると薄膜１ｃに開口だけが開くようになる。
【００４７】
ところで、基板１ｂを透明基板にすると、薄膜１ｃの背面側、すなわち透明な基板１ｂの側からレーザー光を入射することができる。透明基板の上に形成された薄膜１ｃを加工する場合に、薄膜１ｃと基板１ｂの間の部分に背面側からレーザー光を照射することで薄膜１ｃにバンプを形成したり、加工したり、剥離することも可能である。微小な開口が形成された薄膜１ｃの場合、これを用いることで薄膜１ｃを分離して取り出して微細メッシュにすることができる。このとき使用するレーザーはバンプまたは開口作製に用いるレーザー加工装置のフェムト秒レーザー部を使うのでも、または以下説明するフェムト秒レーザー励起用の固体レーザーを用いるのでも、さらに別のレーザーを設けるのでもよい。また、機械的剥離を用いてもよい。
【００４８】
続いて、実施の形態１のレーザー加工装置について説明する。図２（ａ）において、２はフェムト秒レーザー光またはピコ秒レーザー光を生成するフェムト秒レーザー部、３は減光フィルターやスリットなどを用いてエネルギーおよびビーム形状の調整を行うビーム調整部、３ａはレーザー光の出射開口に設けられ減光フィルターやスリットを操作してレーザー光を出射するときだけ開くビーム調整駆動部である。実施の形態１のフェムト秒レーザー部２は、グリーン固体レーザー励起で自己モード同期発振を行うチタンサファイアレーザーであり、ＹＡＧレーザー励起チタンサファイア再生増幅器を備えている。実施の形態１のレーザー加工装置は全固体高パワー超短パルスレーザーであり、波長は約８００ｎｍ、パルス幅は約９０フェムト秒（ｆｓ）、１ショットのエネルギーは最大５ｍＪ、レーザーの繰り返し周波数は１０Ｈｚを実現できる。超短パルスレーザー光がフェムト秒レーザー光またはピコ秒レーザー光であるため、バンプ形成閾値とバンプ限界閾値、開口形成閾値を含む広い範囲のフルエンスを出力でき、バンプや開口を作製するのに好適である。
【００４９】
４はレーザー光を受光して複数の光束に回折するビーム分割部、４ａはビーム分割部４のレーザー分離機能素子としての透過型回折格子、４ｂはビーム分割駆動部である。ビーム分割駆動部４ｂは透過型回折格子４ａを交換するとき使用するが、手作業で交換する場合などでは不要である。ビーム分割部４としては、透過型回折格子４ａのほかに、反射型回折格子、ビームスプリッター、空間位相変調器、ホログラム等が好適である。このビーム分割部４により、分割する光束の数を任意に設定し、透過型回折格子４ａ等のレーザー分離機能素子の交換のため手作業もしくはビーム分割駆動部４ｂを制御することで、光束が回折される角度、各光束のエネルギー分配率を変化させることもできる。また、任意のビーム形状を作り出すホログラムを利用することもできる。この場合、ビーム形状に応じたバンプが作製される。また、コンピューター制御の空間位相変調器を用いることで、ビームの数や形状等をリアルタイムで変えながら加工することもできる。
【００５０】
なお、反射型回折格子を図２（ｂ）に示す。４ｃはビーム分割部４として設けられた反射型回折格子、２０はミラーである。レーザー光がミラー２０に入射され、反射されたレーザー光は反射型回折格子４ｃで回折され、複数の光束に分かれて凸レンズ６に導かれる。この反射型回折格子４ｃとミラー２０を用いたレーザー加工装置は、フェムト秒レーザー部２を直線状に配置する必要がないため、横長の構成とならない。
【００５１】
５はビーム分割部４によって複数に分けられた光束を互いに干渉させるためのビーム干渉部、５ａは干渉制御部、６，７はビーム干渉部５を構成する１組の凸レンズである。ビーム干渉部５によって作製用基板１の表面で干渉させる。凸レンズ６の焦点距離はＦ１、凸レンズ７の焦点距離をＦ２、ビーム分割部４から凸レンズ６までの距離をＬ１、凸レンズ６，７間の距離をＬ２、凸レンズ７から作製用基板１までの距離Ｌ３とする。凸レンズ６，７は透過型回折格子４ａによって回折された光束を再度小さな角度θで交差させて、これを干渉させる。ビームを効率よく干渉させるためには、Ｌ１≒Ｆ１、Ｌ２≒Ｆ１＋Ｆ２、Ｌ３≒Ｆ２となるように配置するのがよい。
【００５２】
干渉する複数の光束の交差する角度θは干渉縞（干渉域）の周期に影響し、これが大きくなると周期構造のピッチが狭くなり、小さくなるとピッチが広くなる。交差角度θは透過型回折格子による回折角とレンズの倍率で決定され、光束の数はビーム分割部４、実施の形態１では透過型回折格子４ａの種類と途中に設けるダンプ部１０（後述）によって決定される。また、作製用基板１の表面でのレーザー光の平均フルエンス（干渉による強弱を平均したもの）はビーム調整部３の減光フィルターの透過率をＴ、２枚のレンズの倍率をＭ（Ｍ＝Ｆ２／Ｆ１）としたとき、全体でＴ／Ｍ^２倍にコントロールされる。交差角度θ、干渉域の数、フルエンスによって、干渉域の形状が決定され、この干渉域の形状と熱の拡散の程度によって周期構造をもつバンプが決定される。
【００５３】
ところで、図２（ａ）で示すビーム干渉部５に２枚の凸レンズ６，７を用いる場合、1枚目のレンズ６の焦点部分でレーザー光のエネルギー密度の上昇によるプラズマ化、いわゆるエアブレークダウンが起きる場合がある。これによるビーム品質の劣化が問題になる場合は、凸レンズ６の焦点周りを減圧する減圧部（図示しない）または不活性ガスを流すためのエアポンプを含んだ流動部（図示しない）を設け、焦点位置の減圧やエアブレークダウンしにくいガスを流すことで対応できる。
【００５４】
８は光束が互いに交差し干渉する干渉領域と回折光学素子との間に設けられた円柱レンズ（本発明の干渉域整形光学素子）である。必要に応じて設けられる。円柱レンズ８は光束を特定の方向に絞ったり拡大させたりする。ここでは円柱レンズ８は半月状に盛り上がった、あるいはへこんだレンズで、凸レンズ６，７によるレーザー光の干渉領域を扁平に整形するとともにエネルギー密度を集中あるいは弱くし、作製用基板１の薄膜１ｃと干渉領域との相互作用によってバンプ加工する。また、円柱レンズにより一方向のみのビーム角度が変化するので、その結果バンプ形状や間隔が変化する。円柱レンズ８に代えて、フレネルレンズ、回折レンズ、凸や凹面鏡等を設けるのでもよい。
【００５５】
９はＸＹＺθステージ、９ａは駆動モータである。ＸＹＺθステージ９は、ステージ（図示しない）の上に作製用基板１が装着され、駆動モータ９ａによってＸ方向，Ｙ方向，Ｚ方向、θ方向の４方向にそれぞれ独立に制御される。１０はビーム分割部４を構成する回折格子で回折した光束のうち中央を透過する０次の回折光を遮断するダンプ部である。ダンプ部１０はダンプしないでもよいし、他の次数光をダンプすることで異なる形状を作製することができる。なお、図示はしないが、作製用基板１の被加工部分の周囲を真空引き等により減圧する第２減圧部を設けるのもよい。この減圧によってアブレーションされた粒子の再付着を防止することができる。
【００５６】
次に、１１は実施の形態１のレーザー加工装置の制御を行うシステム制御部、１１ａはシステム制御部１１を構成する中央制御装置（ＣＰＵ）にロードする制御プログラムや周期構造を加工するための設定データ、例えばＸＹＺθステージ９の移動速度等を格納するメモリ部、１１ｂはレーザーの繰り返し周波数、ショット数等を設定データを入力する入力部、１１ｃは入力部１１ｂから入力するとき入力内容を表示したりレーザー加工時の運転状態、加工状態を表示する表示部、１１ｄは計時手段、１１ｅはショット数をカウントするカウンタ、１１ｆは干渉領域の位置を検出し駆動モータ９ａを駆動させるためのＣＣＤ等の位置検出センサ、１１ｇはモニタ用カメラである。位置検出センサ１１ｆからの検出データを画像処理してＸＹＺθステージ９の位置が干渉領域の最適位置に制御される。
【００５７】
１１ｈはシステム制御部１１に設けられ基板１ｂと作製するバンプまたは開口の形態（形状と配置）に応じてレーザー光のフルエンスと光束の数、さらにはダンプの位置を選択し、各駆動部を制御する形状配列管理手段である。形状配列管理手段１１ｈは作製用基板１に応じた作製管理と制御を行う機能実現手段として、データと共にメモリ部１１ａに格納され、ＣＰＵに読み出されて構成される。作製するバンプまたは開口の作製条件は入力部１１ｂから入力される。但し、作製用基板１に対応した薄膜材料と基板材料の組み合せ、多層の場合の構造情報、バンプ形成閾値，バンプ限界閾値，開口形成閾値は、作製用基板１ごとに作製データとしてメモリ部１１ａに予め記憶しておけばよく、作製条件、例えばバンプの配列情報やアスペクト比、直径を入力部１１ｂから入力すれば、形状配列管理手段１１ｈがフルエンスと光束の数、ダンプの位置、レーザーの繰り返し周波数、ショット回数等をメモリ部１１ａから作製データを読出して選定し、これに従ってフェムト秒レーザー部２、ビーム調整駆動部３ａ、場合によりビーム分割駆動部４ｂ，干渉制御部５ａを動作させる。また、開口を形成する場合は、同様に開口の配列情報や開口径を入力する。この形状配列管理手段１１ｈによって自動化が可能になる。形状配列管理手段１１ｈが、ビーム分割部４の透過型回折格子とビーム干渉部５ではフルエンスと光束の数を実現できないと判断したときは、透過型回折格子４ａやビーム干渉部５の凸レンズ６，７の交換等を指示する。
続いて、このように構成された実施の形態１のレーザー加工装置の動作について説明する。システム制御部１１の電源スイッチ（図示しない）をＯＮすることにより、システム制御部１１はメモリ部１１ａから制御プログラムをロードし、表示部１１ｃに入力画面を表示させ、制御のための作製条件を入力できるようにする。入力部１１ｂから作製用基板１を特定し、バンプまたは開口の形状等を入力すると、形状配列管理手段１１ｈはメモリ部１１ａからこれらと関係付けられている関連データ、例えば作製用基板１ごとの構造情報を読み出し、併せて演算結果を表示部１１ｃに表示する。透過型回折格子４ａやビーム干渉部５の凸レンズ６，７の交換を指示すべきときは、この旨を表示する。
【００５８】
表示内容を確認した後、システム制御部１１のスタートボタン（図示しない）を押すことにより、励起用のグリーン固体レーザーを動作させる。フェムト秒レーザー部２のチタンサファイアレーザーが発振し、システム制御部１１からの動作命令でシャッタが開かれ、増幅後のフェムト秒レーザー光は、１ショット目が出射される。繰り返し周波数１０Ｈｚで出射させるため、システム制御部１１はレーザー光を出射する少なくとも１パルス（９０ｆｓ）前にシャッタを開放する。これは、発振開始から計時手段１１ｄによってタイミングを計って実行する。この後レーザー光は透過型回折格子４ａで回折されて複数、例えば４本の光束に分割される。システム制御部１１は最初の１ショットを出射した後、レーザー光の出射が終わった後にシャッタを閉止する。またシステム制御部１１は最初の１ショットの加工が終わると、二度目のショットを行うべく、フェムト秒レーザー部２を発振させる。
【００５９】
図３は４光束による干渉と加工状態の説明図である。分割された光束Ｉ〜ＩＶはビーム干渉部５を構成する凸レンズ６を透過し、０次の回折光はダンプ部１０で遮断され、凸レンズ７で再び集光される。４光束が凸レンズ７の焦点近くで干渉する。対向する４本，８本等の光束が集光されると、光束同士が干渉し、光強度の高いスポットが多数分布した干渉域（温度分布）が形成される。なお、４本の光束のうち１本をダンプして３本にしたときは、楕円状のスポットが分布する。これらの詳細については後述する。また、ビーム分割部４において、２本の光束に分離して干渉させる場合は、光強度の高いラインが一列に並んだ干渉縞を形成する。
【００６０】
システム制御部１１は最初の１ショットの加工が終わると、カウンタ１１ｅでカウントし、Ｘ方向及び／またはＹ方向の駆動モータ９ａに起動をかけ、作製用基板１の所定の方向への所定量の移送を行う。なお、発停を繰返すことも、連続で移送させることもできる。計時手段１１ｄの計時により、二度目のショットを行う前にシャッタを開放し、フェムト秒レーザー部２から二度目のショットを出射する。このレーザー光は透過型回折格子４ａで回折され、凸レンズ６，７を透過して干渉領域を形成する。二度目のショットで二回目のバンプまたは開口等が複数個並んで同時に加工される。
【００６１】
以下、以上の繰り返しを続け、カウンタ１１ｅのカウント数が入力された所定の回数に達したら、システム制御部１１はフェムト秒レーザー部２の励起用グリーン固体を停止させ、ＸＹＺスθテージ９の移送動作を停止する。このとき、１ショットで加工されたバンプまたは開口等が、所定ピッチで複数並んで形成された加工物が完成する。バンプまたは開口は干渉のスポットのピッチ分だけ離れて配置され、設定カウント回数だけ加工領域が並んだものとなる。
【００６２】
続いて、実施の形態１の透過型回折格子４ａによる干渉領域と、ビームスプリッタによる干渉領域との違いについて説明する。図４（ａ）は回折格子による干渉領域を示す概念図、図４（ｂ）はビームスプリッタによる干渉領域を示す概念図である。
【００６３】
図４（ｂ）に示すように、ビームスプリッタで分離された光束は、各光束の光軸に対してその波面が垂直であり、角度θで交差するとき２つの波面同士は平行とはならない。このときの干渉領域Ｂの幅Ｗは、各波面の波連長さａと光束の交差する角度θにより、ｗ＝ａ／ｓｉｎ（θ／２）となる。この領域以外の部分では干渉することなくそのまま通過する。波連長さａはパルス幅τ、光速ｃを使うとａ＝τ・ｃであるから、干渉領域Ｂの幅ｗは非常に小さな値となり、通常は数百μｍとなる。例えばτ＝１００ｆｓ、θ＝１０°とした場合、ｗ＝３４４μｍである。
【００６４】
これに対し実施の形態１のように透過型回折格子４ａで分離した場合、図４（ａ）に示すように実施の形態１の回折格子３で回折された光束は２つの波面同士が平行な関係を保って交差する。このため干渉領域Ａの幅ｗは大きくなり、ビーム径全体で干渉が得られるようになる。ｗはビームを分割する前のビーム径と同じになり、干渉領域Ａの幅はビームスプリッタの干渉領域Ｂの幅と比較し１０倍以上の値となる。従って、透過型回折格子４ａを使えば加工面積を１０倍以上に拡大することが容易であり、ビームスプリッタを使う場合より同時に加工できるバンプや開口の数が加工面積分多くなる。多数のバンプや開口を作製したいとき、また、光束数を増したいに透過型回折格子４ａで分離するのが有効となる。なお、ホログラムを使用する場合は、ホログラムでビーム形状を作り出し、直接ビーム形状に応じたバンプまたは開口が作製される。
【００６５】
このように実施の形態１の微小バンプ作製方法と、微細メッシュ作製方法、そのレーザー加工装置及び作製用基板によれば、超短パルス秒レーザー光を干渉させることにより超短パルス幅レーザー光のエネルギー密度を上げフルエンスを高めることができる。これをバンプ形成閾値以上にコントロールし、干渉したスポットの薄膜を膨張させ、所望のナノサイズ、ナノサイズクラスのバンプ作製することができる。開口形成閾値以上のフルエンスを加えることによりナノサイズ、ナノサイズクラスの開口を作製することができる。干渉によるスポットの周期性によってバンプまたはメッシュをナノサイズ、ナノサイズクラスの周期構造にすることができる。ナノサイズ、ナノサイズクラスのバンプまたはメッシュを作製することが自動的に行える。
【００６６】
（実施の形態２）
実施の形態２のレーザー加工装置は、図示はしないが、実施の形態１のフェトム秒レーザー部に加えて、第２レーザー部を備えたものである。この場合、第２レーザー部によって通常のレーザーアブレーション加工、熱加工、感光等を行う。例えば、メッシュのように加工した薄膜１ｃを取り出す場合など、被加工部分にさらに加工することが必要な場合がある。このような場合は、第２レーザー部による加工や、機械加工を併用するのが好適である。第２レーザー部を使って、切除、切除部分の湾曲などの加工を行うこともできる。第２レーザー部はフェトム秒レーザー部（第１レーザー部）や増幅部、あるいはそれらの励起用レーザーの部分を使うのでも、他のレーザーを別途設置するのでもよい。
【００６７】
実施の形態２のレーザー加工装置は、第２レーザー部を備えることにより、バンプ作製と併せて他の加工を複合的に行うことができる。
【００６８】
【実施例】
（実施例１）
実施例１のレーザー加工装置は、実施の形態１で説明した全固体高エネルギー超短パルスレーザーであり、グリーン固体レーザー励起で自己モード同期発振を行うフェムト秒チタンサファイアレーザーと、ＹＡＧレーザー励起チタンサファイア再生増幅器を組み合わせたシステムである。波長は約８００ｎｍ、パルス幅は約９０フェムト秒（ｆｓ）、これを透過型回折格子で分割した。１次光の光束数は４本、１ショットのエネルギーは最大５ｍＪ、０次光を遮断した場合２．３ｍＪ、レーザーの繰り返し周波数は１０Ｈｚである。
【００６９】
実施例１は、図３に示すように、１次光からなる４光束であり、図２に示すように０次光はダンプ部１０によりダンプしている。凸レンズ６，７の倍率はＭ≒０．１６である。４光束の示す交差角度θは、透過型回折格子４ａの後で互いに対向する２つの一次光の光束同士でいずれも約６度である。室温、大気中においてシングルショットで加工を行った。作製用基板１は、図３の金の薄膜１ｃを石英の透明基板１ｂ上に蒸着したものを用いた。金の膜厚は５０ｎｍである。
【００７０】
実施例１の加工した結果を図５に示す。図５はフルエンスの変化と加工形状を示す電子顕微鏡写真である。実施例１のバンプ形成閾値のフルエンスは約７３mJ/cm²であった。図５（ａ）はフルエンスが約７６mJ/cm²のときのバンプであり、干渉スポットに応じてバンプが整然と並んで形成されているのが分かる。直径５００ｎｍ、高さ７５ｎｍ程度のナノサイズのバンプで、アスペクト比（高さ／直径）は０．１５程度である。図５（ｂ）はフルエンスが９１mJ/cm²のときのバンプであり、（ａ）と同様、干渉スポットに応じてバンプが整然と形成されている。直径８２５ｎｍ、高さ３００ｎｍ程度のナノサイズのバンプで、アスペクト比は０．３６程度である。図５（ａ）（ｂ）から分かるように、フルエンスが大きいほどバンプの直径と高さが大きくなり、アスペクト比も向上する。
【００７１】
さらに図５（ｃ）はフルエンスが９９mJ/cm²のときのバンプであり、直径９９０ｎｍ、高さ４００ｎｍ程度のナノサイズのバンプの頂点部分に微小球が形成された。図５（ｄ）はフルエンスが１１０mJ/cm²のときのバンプであり、さらにフルエンスが大きく、直径８００ｎｍ、高さ１００ｎｍ程度の漏斗を伏せた形状の縁にバンプが立った複雑な形状が形成された。さらに図５（ｅ）はフルエンスが１１４mJ/cm²のときのバンプであり、薄膜が開口され、直径８００ｎｍ程度の多数の開口が形成された。
【００７２】
（参考例）
参考例は、膜厚５０ｎｍの金の薄膜１ｃに多数開口したメッシュで、これは図５（ｄ）に示す実施例１の作製用基板１から薄膜１ｃを取り出したものある。図６は図５（ｄ）の薄膜を剥がした状態を示す顕微鏡写真の説明図である。直径８００ｎｍ程度の多数の開口が１．７μｍのピッチで配列されている。なお、参考例のメッシュは、図５（ｄ）に示す作製用基板１の薄膜１ｃをエアブロウで剥離した。上述したように薄膜１ｃの背面、すなわち透明基板側からレーザー光を照射して薄膜１ｃを剥離することも、機械加工で剥離することもできる。
【００７３】
図示はしないが、実施例１の図５（ａ）（ｂ）の周期構造のバンプも同様に剥離することができる。剥離する方法は、エアブロウや機械的なもの、透明基板側からレーザー光を照射することによって剥離するのもよい。
【００７４】
（実施例２）
実施例２は、膜厚５０ｎｍの金の薄膜１ｃを透明基板上に蒸着した作製用基板１に、図３に示す４本の光束のうち１本をダンプして３本とし、合計０．２３mJのエネルギーでバンプを形成したものである。図７は３光束にして加工を行った状態の電子顕微鏡写真による説明図である。電子顕微鏡を用いて真上から観察している。図７に示すように、長径６００ｎｍ、短径２４０ｎｍの楕円形のバンプが形成されている。各バンプ間のピッチは１．７μｍである。
【００７５】
（実施例３）
図８は９光束で行う干渉の説明図、図９は９光束にして加工を行った状態の電子顕微鏡写真による説明図である。実施例３は、膜厚２０ｎｍの金の薄膜１ｃを透明基板上に蒸着した作製用基板に、図８に示すように９本の光束Ｉ〜ＩＸを集光し、合計で０．４７mJのエネルギーの光束で開口を形成したものである。図９に示すように、９光束の場合、開口の形状と間隔がバラバラで複雑になっている。しかし、ビームの光束数を何本に増やしても、その干渉縞に応じた加工ができる。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の微小バンプ作製方法によれば、周期構造をもつナノサイズクラスのバンプを容易に加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）薄膜の熱膨張を用いてナノサイズクラスのバンプを形成する説明図
（ｂ）ガスの膨張を用いてナノサイズクラスのバンプを形成する説明
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１におけるレーザー加工装置の構成図
（ｂ）反射型回折格子を使用した場合の要部拡大図
【図３】４光束による干渉と加工状態の説明図
【図４】（ａ）回折格子による干渉領域を示す概念図
（ｂ）ビームスプリッタによる干渉領域を示す概念図
【図５】フルエンスの変化と加工形状を示す電子顕微鏡写真による説明図
【図６】図５（ｄ）の薄膜を剥がした状態を示す顕微鏡写真の説明図
【図７】３光束にして加工を行った状態の電子顕微鏡写真による説明図
【図８】９光束で行う干渉の説明図
【図９】９光束にして加工を行った状態の電子顕微鏡写真による説明図
【符号の説明】
１作製用基板
１ａバンプ
１ｂ基板
１ｃ薄膜
２フェムト秒レーザー部
３ビーム調整部
３ａビーム調整駆動部
４ビーム分割部
４ａ透過型回折格子
４ｂビーム分割駆動部
４ｃ反射型回折格子
５ビーム干渉部
５ａ干渉制御部
６，７凸レンズで
８円柱レンズ
９ＸＹＺθステージ
９ａ駆動モータ
１０ダンプ部
１１システム制御部
１１ａメモリ部
１１ｂ入力部
１１ｃ表示部
１１ｄ計時手段
１１ｅカウンタ
１１ｆ位置検出センサ
１１ｇモニタ用カメラ
１１ｈ形状配列管理手段
２０ミラー

Claims

フェムト秒からピコ秒領域の超短パルスレーザー光を発振し、出射する超短パルスレーザー光を複数の光束に分離し、分離した光束を干渉させた状態で基板上の薄膜に集光し、この干渉によってバンプ形成閾値以上のフルエンスであってかつ薄膜のバンプ頂点部分に破れが生じるバンプ限界閾値より小さいフルエンスの干渉域を形成し、該干渉域の薄膜を前記基板と前記薄膜の熱膨張差により前記基板から剥離させて周期構造のバンプを作製することを特徴とする微小バンプ作製方法。
前記干渉域の薄膜を前記基板と前記薄膜の熱膨張差と共に、前記薄膜または基板の一部の蒸発したガスの圧力により前記基板から剥離させることを特徴とする請求項１記載の微小バンプ作製方法。
前記干渉によって前記バンプ限界閾値以上で開口形成閾値より小さいフルエンスの干渉域を形成し、バンプ頂点部分に２段目の突起を形成することを特徴とする請求項１または２記載の微小バンプ作製方法。