JP5965194B2 - 微細構造体の形成方法 - Google Patents

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、微細構造体を形成しない領域を樹脂等で覆ってマスクする技術である。そのようなマスクが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エッチングし、基板の主面から深さ方向に微細構造体が形成される。上記技術によれば、基板の主面において、微細構造体を形成することができる。

他方、直線偏光されたピコ秒オーダー以下のパルス幅のレーザー光（直線偏光レーザー光）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１０に示すように、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平行な方向のサイズは、照射したレーザー光の波長程度（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Ｅ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。一つの酸素欠乏部のみが形成されるレーザー光７０２の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ばれる。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、ナノレベルの微細加工を行うことができる。
さらに、図１１に示すように、加工下限閾値の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、１パルス毎に形成される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、ナノレベルのサイズの微細孔を形成することができる。
ただし、特許文献２のレーザー光７０２は、直線偏光レーザー光であるため、レーザー光７０２の偏光方向と焦点の走査方向とを垂直に保ちつつ構造改質部を形成しなければならない。レーザー光７０２の偏光方向と焦点の走査方向とが垂直でない状態となる場合には、１パルス毎に形成される酸素欠乏部が繋がって形成されないため、形成される構造改質部が全長に亘って均質とはならず、安定したエッチング速度で微細孔の形成を行うことができない。

特許文献３によれば、基板内において微細構造を設ける領域に、パルス時間幅がピコ秒オーダー以下のパルス幅を有するレーザー光を照射し、該レーザー光が集光した焦点を走査して構造改質部を形成する。特許文献１および特許文献２においては、直線偏光された直線偏光レーザー光が用いられているのに対し、特許文献３においては、円偏光レーザー光が用いられている。円偏光レーザー光によって形成された構造改質部は、酸素が欠乏した部位と酸素リッチな部位とが、ランダムに混在されてなる。つまり、レーザー光の偏光方向と構造改質部の内部構造との間には規則性がない。したがって、焦点の走査方向を走査の途中で変更したり、走査方向に応じて偏光フィルタの調整を行ったりする必要がない。
しかし、特許文献３の円偏光レーザー光を用いた構造改質部の形成では、微細孔のサイズが数μｍから数十μｍである、１μｍ未満のナノレベルの微細孔を形成する手法については言及されていない。したがって、特許文献３の加工方法では、その結果、ナノレベルの微細孔を形成することが困難であった。

国際公開第２０１１／０９６３５６号 国際公開第２０１１／０９６３５３号 特開２０１１−２２２７００号公報

本発明は、以上のような問題点を考慮してなされたものであり、パルス幅がピコ秒オーダー以下のレーザー光を基板に集光照射し、その焦点を走査して構造改質部を形成する場合において、安定したエッチング速度でエッチングされる、ナノレベル（１ｎｍ以上１０００ｎｍ未満）のサイズの構造改質部を形成することが可能な、微細構造体の形成方法の提供を目的とする。

請求項１に係る微細構造体の形成方法は、光源から出射したパルス幅がピコ秒オーダー以下のレーザー光を偏光手段および集光手段を通して基体に照射し、前記レーザー光が集光した焦点を走査することにより前記基体に構造改質部を形成する第１工程と、前記構造改質部をエッチング処理することにより微細孔を形成する第２工程と、を備えた微細構造体の形成方法であって、前記出射レーザー光は、前記偏光手段によって円偏光レーザー光へと変換され、前記焦点における前記円偏光レーザー光の強度は、前記出射レーザー光を直線偏光した直線偏光レーザー光を前記基体に照射して構造改質部を形成するのに必要な強度に対して、１．３倍以上２倍以下である、ことを特徴とする。

請求項１によれば、本発明に係る微細構造体の形成方法は、第１工程において、円偏光されたパルス幅がピコ秒オーダー以下のレーザー光を基体内に集光照射し、その焦点を走査することによって構造改質部を形成する。このような手法によって形成される構造改質部は、集光照射したレーザー光に応じて１パルス毎にランダムライクな形状となり、レーザー光の焦点を走査することにより、全体に亘って均質な構造改質部となる。

さらに、焦点における強度を、基体内に直線偏光レーザー光を照射して構造改質部を形成するのに必要な強度に対して、１．３倍以上２倍以下とした場合、基体内に形成される構造改質部は、ナノサイズ（１μｍ未満）であり、かつエッチング可能な程度の改質状態となる。したがって、安定したエッチング速度でエッチングされるナノレベルのサイズの構造改質部を形成することができ、形成した構造改質部をエッチング処理することにより、微細構造体を形成することが可能となる。

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、前記第１工程に用いるレーザー光の焦点の走査方向を、前記焦点を走査する間に変更する、ことを特徴とする。

請求項２によれば、走査方向を変更する前後で構造改質部の状態が変化しないため、構造改質部をエッチングする際のエッチング速度が、形成された構造改質部の全長に亘って一定となり、安定的に微細構造体を形成することができる。

請求項３に係る微細構造体の形成方法は、請求項１または２において、前記円偏光レーザー光の焦点の走査を、複数回繰り返すことを特徴とする。

請求項３によれば、前記円偏光レーザー光の焦点の走査を、複数回繰り返すので、複数本のライン状の構造改質部が形成される。したがって、各々の構造改質部のエッチング速度のばらつきが抑えることができる。

本発明に係る微細構造体の形成方法は、第１工程において、円偏光されたレーザー光を基体内に集光照射し、その焦点を走査することによって構造改質部を形成する。このような手法によって形成される構造改質部は、集光照射したレーザー光に応じて１パルス毎にランダムライクな形状となり、レーザー光の焦点を走査することにより、全体に亘って均質な構造改質部となる。

さらに、焦点における強度を、基体内に直線偏光レーザー光を照射して構造改質部を形成するのに必要な強度に対して、１．３倍以上２倍以下とした場合、基体内に形成される構造改質部は、ナノサイズ（１ｎｍ以上１０００ｎｍ未満）であり、かつエッチング可能な程度の改質状態となる。したがって、安定したエッチング速度でエッチングされるナノレベルのサイズの構造改質部を形成することができ、形成した構造改質部をエッチング処理することにより、微細構造体を形成することが可能となる。

本発明に係る微細構造体の形成方法は、第１工程において、円偏光されたレーザー光を石英ガラス基板に集光照射し、その焦点を走査する。また、焦点におけるパルスエネルギーは、８０［ｎＪ／ｐｕｌｓｅ］以上１２５［ｎＪ／ｐｕｌｓｅ］以下とする。これにより、石英ガラス基板に、エッチング可能な程度の改質状態となったナノサイズの構造改質部が形成され、さらに形成された構造改質部は、１パルス毎に酸素欠乏部がランダムライクに分布した状態となる。よって、石英ガラス基板をエッチング処理する第２工程において、安定したエッチング速度で構造改質部がエッチングされる。したがって、安定したエッチング速度でエッチングされるナノレベルのサイズの構造改質部を形成することができる、微細構造体の形成方法を提供することが可能となる。

（ａ）本発明の微細構造体の形成方法のうち、第１工程中の被処理体の斜視図である。（ｂ）レーザー光のパルスパワーの制御系について、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２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１工程にて行う処理のフローである。 レーザー光の偏光状態の制御系について、模式的に示した図である。 （ａ）〜（ｆ）レーザー光の照射条件に応じて形成された、微細構造の長手方向の形状を示すＳＥＭ画像である。 （ａ）〜（ｆ）レーザー光の照射条件に応じて形成された、長手方向に垂直な断面における、微細構造の形状を示すＳＥＭ画像である。 （ａ）レーザー光の照射条件とエッチング深さとの関係を示したグラフである。（ｂ）レーザー光の照射条件と、微細構造の略楕円形状の断面における短径との関係を示したグラフである。 （ａ）〜（ｃ）レーザー光の照射条件に応じて形成された、微細構造の長手方向の形状を示すＳＥＭ画像である。 レーザー光の照射条件に応じて形成された、長手方向に垂直な断面における、微細構造の形状を示すＳＥＭ画像である。 （ａ）、（ｂ）本発明により形成可能な、微細構造の形状を示す平面図である。 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構造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。

＜第一実施形態＞

（微細構造体の形成方法）
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１〜３を用いて説明する。微細構造体の形成方法は、少なくとも、以下に述べる二つの工程（第１工程、第２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１工程として、平板状の基体１０１の内部のうち微細構造（微細孔）を形成する領域に、円偏光させたレーザー光（円偏光レーザー光）１０２を集光照射し、構造改質部（改質部）１０３を形成する。

第１工程は、図２のフローに示す５つのステップ（Ｓ１〜Ｓ５）を経て行う。

すなわち、１つ目のステップＳ１として、シャッター等により閉じた空間に配された光源から、パルス幅がピコ秒オーダー以下のレーザー光を出射させる。本発明においては、ピコ秒オーダーのパルス幅とは、1ナノ秒以下のパルス幅のことを意味する。一般的なレーザー光においては、光源から出射されたレーザー光は、偏光状態が直線偏光のレーザー光である。

次に、ステップＳ１に続くステップＳ２として、光源において発生するレーザー光を、右回りまたは左回りに円偏光させた円偏光レーザー光１０２に変換する。光源から出射したレーザー光の偏光状態の調整は、偏光手段を介して行われる。偏光手段は、例えばレーザー光の偏光面を高速軸（又は低速軸）に対して４５度傾ける１／４波長板２２で構成される。

光源２１において発生させた直線偏光レーザー光を、１／４波長板２２を透過させることにより、２つの直交する偏光成分の位相が１／４波長分ずれる。これにより、レーザー光の進行方向ｋ（Ｙ軸方向）と垂直な平面（ＸＺ面）において、進行方向ｋに対して右回りの円偏光したレーザー光が得られる。

図３の符号Ａ、Ｂは、それぞれ直線偏光レーザー光、円偏光レーザー光を構成する、電場の振動方向を示している。円偏光レーザー光も、偏光前と同様に、ピコ秒オーダー以下のパルス幅を有する。なお、図３において、波長板もしくは入射孔の偏光方向を９０°回転させることにより、進行方向ｋに対して左回りの円偏光したレーザー光が得られる。

次に、ステップＳ２に続くステップＳ３として、光源が配された閉じた空間の開閉手段（シャッター）を開けて、円偏光レーザー光１０２を、基体１０１に照射する。円偏光レーザー光１０２は、集光手段を介して集光させる。集光手段としては、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、基体１０１の表面の広範囲に対して複数の円偏光レーザー光１０２を照射することが可能となる。

基体１０１としては、例えば、加工性に優れる石英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験例においては、平板状の基体の内部に構造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、構造改質部および微細孔を内部に形成する上で、基体の形状が限定されることはない。

円偏光レーザー光１０２のパルスエネルギーの調整を、この時点で行う。パルスエネルギーの調整は、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、円偏光レーザー光のパルスエネルギーの調整手順について説明する。まず、光源（不図示）から出射したレーザー光１５ａを、偏光手段および集光手段を通して、パワーメータ１２を用いて受光する。次に、集光したレーザー光１５ｂの出力をパワーメータ１２において測定し、測定した結果を、モニタ１３において表示させる。そして、モニタ１３の表示内容を踏まえ、レーザー光１５が所望のパルスエネルギーとなるように、減光フィルタなどを用いて平均出力調整する。

次に、ステップＳ３に続くステップＳ４として、微細孔を形成する領域に沿って、集光した焦点１０２ｆを走査させる。焦点１０２ｆを走査するためには、光源側を移動させてもよいし、基体１０１側を移動させてもよい。

そして、ステップＳ４に続くステップＳ５として、シャッターを閉め、レーザー光１０２の照射を遮断する。ステップＳ５に引き続いて基体１０１に他の構造改質部を形成する場合は、ステップＳ３へと戻り、光源または基体１０１を、他の構造改質部を形成する場所へ移動させ、再び焦点１０２ｆの走査を行う。

以上の５つのステップを経ることにより、基体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に、構造改質部１０３を形成することができる。形成された構造改質部１０３は、エッチング耐性が弱められている。

構造改質部１０３は、円偏光レーザー光１０２によって改質されているため、酸素が欠乏した状態の部位と酸素リッチな状態の部位とが、ランダムライクに混在して形成されている。構造改質部１０３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おり、さらに、酸素が欠乏した部位は、酸素リッチな状態の部位と比べてエッチング耐性が弱められている。

次に、第２工程として、第１工程を経て形成された構造改質部１０３の少なくとも一部を露出させ、構造改質部１０３に対して選択的にエッチング処理を行い、基体１０１の内部に微細孔を形成する。

構造改質部１０３は、例えば図１（ａ）に示すように、第１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、基体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、構造改質部１０３は、基体１０１を、表面から構造改質部１０３のある位置まで、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。ウェットエッチング法を用いる場合は、図１（ｃ）に示すように、第１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に浸漬することにより構造改質部１０３をエッチングする。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。

以上の第１工程（ステップＳ１〜Ｓ５）と第２工程とを経ることによって、基体１０１に微細構造を形成することができる。

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、第１工程において構造改質部の形成に用いるレーザー光を、円偏光させる。円偏光されたレーザー光（円偏光レーザー光）によって形成された構造改質部は、ランダムライクに酸素が欠乏した部位が分布した状態となる。したがって、複数本の構造改質部を形成したとしても、何れの構造改質部においても均質な改質状態となり、エッチング処理した際にエッチング速度のばらつきが軽減されたエッチング処理が可能となる。また、焦点を走査する途中で走査方向を変更したとしても、直線偏光レーザー光を用いて形成する場合のように、走査方向と偏光方向との関係に依存した改質状態とはならないため、構造改質部の全長に亘って均質な改質状態となり、エッチング処理した際にエッチング速度が一定のエッチング処理が可能となる。

以下、第一実施形態に係る微細構造体の形成方法を適用した、実験例１〜３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験例は、実験例１〜３に限定されるものではない。

［実験例１］
（円偏光レーザー光のパルスエネルギー）
実験例１は、円偏光レーザー光の照射とエッチング処理によって形成される微細孔について、照射する円偏孔レーザー光の照射パワーを変えて比較した例である。第２工程のエッチング処理に用いるエッチング液の主成分をフッ酸（ＨＦ）とした場合について、図４（ａ）〜（ｆ）を用いて説明する。

図４（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ、第１工程および第２工程を経た基体３０１、３１１、３２１、３３１、３４１、３５１を、第１工程において光源と対向させた基体の一面３０１ｂ、３１１ｂ、３２１ｂ、３３１ｂ、３４１ｂ、３５１ｂ側から見た平面図である。いずれの基体も、第１工程において構造改質部を形成した後に、基体の一面３０１ｂ、３１１ｂ、３２１ｂ、３３１ｂ、３４１ｂ、３５１ｂと垂直な一面３０１ａ、３１１ａ、３２１ａ、３３１ａ、３４１ａ、３５１ａにおいて切断して構造改質部を露出させ、さらに、その後の第２工程においてエッチング処理を行ったものである。これにより、第１工程および第２工程を経て形成された微細孔が、断面において露出している。

図４（ａ）〜（ｆ）は、第１工程において用いる円偏光レーザー光のパルスエネルギーを、それぞれ６０、７０、８０、９０、１００、１２５［ｎＪ／ｐｕｌｓｅ］とした場合の例について示している。パルスエネルギーは、強度Ｗに対し、円偏光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。本発明の説明においては、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こととする。したがって、パルスエネルギーを制御することは、強度Ｗを制御することに相当する。

図４（ａ）〜（ｆ）に示す基体３０１、３１１、３２１、３３１、３４１、３５１としては、いずれも平板状であって、石英ガラスによって構成されたものを用いた。第２工程のエッチング処理は、フッ酸（ＨＦ）を主成分とするエッチング液を用いて行った。エッチング液の温度は常温であり、エッチング時間は３０分とした。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、円偏光レーザー光のパルスエネルギーを６０、７０［ｎＪ／ｐｕｌｓｅ］とした場合には、第１工程において構造改質部が形成されたものの、第２工程においてはエッチングが進行せず、微細孔は形成されなかった。
他方、図４（ｃ）〜（ｆ）に示すように、パルスエネルギーを８０［ｎＪ／ｐｕｌｓｅ］以上とした場合には、それぞれの基体の一面（側面）３２１ａ、３３１ａ、３４１ａ、３５１ａから内部に向けて延びる微細孔３２６、３３６、３４６、３５６が形成された。

図５（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ図４（ａ）〜（ｆ）に示した基体の一面３０１ａ、３１１ａ、３２１ａ、３３１ａ、３４１ａ、３５１ａを拡大した平面図である。図５（ａ）、（ｂ）に示すように、パルスエネルギーを６０、７０［ｎＪ／ｐｕｌｓｅ］とした場合には、第１工程において形成された構造改質部が、第２工程のエッチング処理を行っても除去されず、微細孔は形成されなかった。他方、図５（ｃ）〜（ｆ）に示すように、パルスエネルギーを８０［ｎＪ／ｐｕｌｓｅ］以上とした場合には、基体の一面３２１ａ、３３１ａ、３４１ａ、３５１ａにおいて、それぞれ開口する微細孔３２６、３３６、３４６、３５６が形成された。

第２工程としてエッチング処理を行った際に、第１工程において形成した構造改質部のうち、光源と対向させた基体の一面３２１ｂ、３３１ｂ、３４１ｂ、３５１ｂに近い部分は除去されて、それぞれ微細孔３２６、３３６、３４６、３５６となる傾向が見られた。また、同時に、基体の一面３２１ｂ、３３１ｂ、３４１ｂ、３５１ｂから遠い部分は除去されず、構造改質部３２３ｃ、３３３ｃ、３４３ｃ、３５３ｃとして残る傾向も見られた。

図４（ａ）〜（ｆ）および図５（ａ）〜（ｆ）より、第１工程において石英ガラスからなる基体に円偏光レーザー光を照射して構造改質部を形成し、第２工程においてはフッ酸を主成分とするエッチング液を用いてエッチングを行う場合には、第１工程において、少なくとも８０［ｎＪ／ｐｕｌｓｅ］以上のパルスエネルギーを有する、レーザー光を用いることが必要であると考えられる。

図６（ａ）は、図４、５に示した結果を表すグラフである。グラフの横軸は、第１工程において用いる、円偏光レーザー光のパルスエネルギーを示している。グラフの縦軸は、基体の一面から深さ方向に測った微細孔の寸法（エッチング深さ）を示している。

図６（ａ）のグラフによれば、レーザー光のパルスエネルギーが１００［ｎＪ／ｐｕｌｓｅ］以下の範囲においては、パルスエネルギーを大きくするにつれて、形成される微細孔のエッチング深さも、数［μｍ］のオーダーで大きくなる傾向が見られた。

一方、レーザー光のパルスエネルギーが１００［ｎＪ／ｐｕｌｓｅ］を超える範囲においては、形成されるエッチング深さが、パルスエネルギーを１００［ｎＪ／ｐｕｌｓｅ］以下の範囲とした場合のエッチング深さを、１桁以上上回る傾向が見られた。

図６（ｂ）は、図４、５に示した結果を示したグラフである。グラフの横軸は、第１工程において用いる円偏光レーザー光のパルスエネルギーを示している。グラフの縦軸は、微細孔の長手方向と垂直な断面における楕円形状の短径を示している。レーザー光のパルスエネルギーが７０［ｎＪ／ｐｕｌｓｅ］以下の範囲においては、形成される微細孔の短径が０［μｍ］となり、微細孔が形成されないことが分かった。そして、パルスエネルギーが８０［ｎＪ／ｐｕｌｓｅ］を超える範囲においては、パルスエネルギーを大きくするにつれて、形成される微細孔の短径も大きくなる傾向が見られた。そして、パルスエネルギーが１２５［ｎＪ／ｐｕｌｓｅ］においては、短径のサイズが約１μｍとなっていた。この結果から、パルスエネルギーが８０［ｎＪ／ｐｕｌｓｅ］から１２５［ｎＪ／ｐｕｌｓｅ］の範囲において、ナノレベル（１ｎｍ以上１０００ｎｍ未満）の微細孔を形成することが分かった。

直線偏光レーザー光を用いて石英ガラス基板に構造改質部を形成し、その構造改質部をエッチングすることにより、ナノレベルの微細孔を形成する場合において、直線偏光レーザー光のパルスエネルギーとしては、少なくとも６０［ｎＪ／ｐｕｌｓｅ］が必要であるとされている。その値を基準とすれば、微細孔を形成する上で、円偏光レーザー光を用いる場合に照射するレーザー光のパルスエネルギーは、直線偏向レーザー光を用いる場合の１．３〜２倍であるとよい。

［実験例２］
実験例２は、本発明を適用して形成される微細孔の形状について、第１工程において用いるレーザー光のパルスエネルギー、偏光状態を変えて比較した例である。パルスエネルギーは、強度に対し、レーザー光の集光部分の面積とパルス幅とを掛けた量として定義される。本発明においては、集光した部分の面積およびパルス幅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。実験例２について、図７（ａ）〜（ｃ）および図８を用いて説明する。

図７（ａ）は、第１工程および第２工程を経た、微細孔２０６が内部に形成された平板状の基体２０１を、基体２０１の一面２０１ｂ側から見た平面写真である。レーザー光を基体２０１に集光させ、その焦点を１０回走査させることにより、ライン状に延びた１０本の構造改質部を形成した。その後、ライン状に延びる構造改質部を横断するように基体２０１を分断し、分割した後の分断面において構造改質部を露出させた。そして、基体２０１をエッチング液へ浸漬することにより、構造改質部のエッチング処理を行った。エッチング処理を行うことにより、ナノレベルの微細孔を形成した。図７（ａ）は、第１工程において、パルスエネルギーが６０［ｎＪ／ｐｕｌｓｅ］である直線偏光レーザー光を用いた場合の例について示している。

図７（ｃ）は、第１工程および第２工程を経た、微細孔２２６が内部に形成された平板状の基体２２１を、基体２２１の一面２２１ｂ側から見た平面写真である。レーザー光を基体２２１に集光させ、その焦点を１０回走査させることにより、ライン状に延びた１０本の構造改質部を形成した。その後、ライン状に延びる構造改質部を横断するように基体２２１を分断し、分割した後の分断面に構造改質部を露出させた。そして、基体２２１をエッチング液へ浸漬することで、構造改質部のエッチング処理を行った。エッチング処理を行うことにより、ナノレベルの微細孔を形成した。図７（ｃ）は、第１工程において、パルスエネルギーが１００［ｎＪ／ｐｕｌｓｅ］である円偏光レーザー光を用いた場合の例について示している。

基体２０１と基体２２１としては、平板状であって、石英ガラスによって構成されたもの（石英ガラス基板）を用いた。第１工程において、基体２０１および基体２２１に集光照射するレーザー光については、パルスエネルギー、偏光以外は同じとなるように制御して改質を行った。第２工程のエッチング処理は、希フッ酸（ＨＦ）溶液を用いて行った。エッチング液の温度は常温とし、エッチング時間は３０分とした。

図７（ｃ）と図７（ａ）に示した微細孔が形成された基体から、円偏光レーザー光を用いて微細孔を形成した場合と、直線偏光レーザー光を用いて微細孔を形成した場合とを比較した。具体的には、微細孔の長さを測長顕微鏡によって測長し、エッチング速度に算出して両者を比較した。

先ず、図７（ｃ）に示した微細孔の長さは、平均値は１１．８μm、最大値は１５．４μm、最小値は８．１μmであった。この結果からエッチング速度を算出すると、エッチング速度の平均値は０．３９μｍ／ｍｉｎ、最大値は０．５１μｍ／ｍｉｎ、最小値は０．２７μｍ／ｍｉｎであった。エッチング速度のばらつき度合いを示す指標、すなわち（最大値−最小値）÷（最大値＋最小値）の値は、３１．１８であった。

他方、図７（ａ）に示した微細孔の長さは、平均値で５２．０μm、最大値は６７．５μm、最小値は２７．３μmであった。この結果からエッチング速度を算出すると、エッチング速度の平均値は１．７３μｍ／ｍｉｎ、最大値は２．２５μｍ／ｍｉｎ、最小値は０．９１μｍ／ｍｉｎであった。エッチング速度のばらつき度合いを示す指標、すなわち（最大値−最小値）÷（最大値＋最小値）の値は、４２．４０であり、円偏光レーザー光を用いた場合よりも大きな値となった。
以上より、円偏光レーザー光を用いて形成した構造改質部の方が、直線偏光レーザー光を用いて形成した構造改質部よりも、エッチング速度のばらつきが小さく、安定したエッチングが可能であることが明らかとなった。

図８は、図７（ｃ）に示した基体の一面２２１ａを拡大した平面図である。図８に示すように、形成した各微細孔２２６は、基体の一面２２１ａにおいて開口した。微細孔２２６の開口面は略楕円形状であった。第２工程としてエッチング処理を行った際に、第１工程において形成した構造改質部のうち、基体の一面２２１ｂに近い部分は除去されて微細孔２２６となり、一面２２１ｂから遠い部分は除去されず、構造改質部２２３ａのまま残る傾向が見られた。

第２工程のエッチング処理後、基体１０１の内部の所定位置に、微細孔１０６が形成される。なお、第１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。

［実験例３］
本発明を適用して形成することが可能な、微細孔の形状に関する例を、実験例３として、図９（ａ）、（ｂ）に示す。図９（ａ）に示す基体５０１は、円形状の微細孔５０６を内部に備えている。図９（ｂ）に示す基体５１１は、サインカーブ状の微細孔５１６を内部に備えている。基体５０１および基体５１１について、微細孔の形状を除いた構成については、いずれも第一実施形態として示した基体１０１の構成と同様である。第２工程で用いるエッチング液については、高アスペクト比な微細孔を形成し易いとされる水酸化カリウム（ＫＯＨ）を主成分とするアルカリ溶液を用いた。

本発明に係る微細構造体の形成方法は、円偏光レーザー光を用いて、基体の内部に構造改質部を形成する。円偏光レーザー光を用いて形成された構造改質部は、その内部に酸素の欠乏した部位がランダムライクに形成されている。したがって、円偏光レーザー光を走査した方向によらず、均質な構造改質部が形成される。

したがって、基体５０１、５１１の内部において、レーザー光を走査した所望の方向に沿って、エッチングレートが均一な構造改質部を形成することができる。そして、形成した構造改質部に対してエッチング処理を行うことにより、例えば、図９（ａ）に示すような円形の閉じた微細孔や、図９（ｂ）に示すような複数個所において曲がる微細孔を形成することができる。

なお、図９（ａ）、（ｂ）においては、微細孔の形状として、一平面に含まれ、滑らかな曲線からなる形状を例に挙げたが、本発明を適用することにより、微細孔を、一部が屈曲または分岐した構造、あるいは基体の一面に対して垂直または斜めに配された３次元構造をなすように形成することもできる。

本発明は、微細構造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、２０・・・制御系、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、
２１・・・光源、２２・・・１／４波長板、
１０１、１１１、１２１、２０１、２１１、２２１・・・基体、
３０１、３１１、３２１、３３１、３４１、３５１、・・・基体、
４０１、４１１、４２１、４３１、４４１、５０１、５１１・・・基体、
１０１ａ、２０１ａ、２２１ａ・・・一面、
４０１ａ、４１１ａ、４２１ａ、４３１ａ、４４１ａ、４５１ａ・・・一面、
１０１ｂ、２０１ｂ、２１１ｂ、２２１ｂ・・・一面、
３０１ｂ、３１１ｂ、３２１ｂ、３３１ｂ、３４１ｂ、３５１ｂ・・・一面、
１０２・・・円偏光レーザー光、１０２ｆ・・・焦点、
１０３、１０３ｃ、１１３、１２３・・・構造改質部、
１０３ａ・・・一端、１０３ｂ・・・微小改質部、
３０３ｃ、３１３ｃ、３２３ｃ、３３３ｃ、３４３ｃ、３５３ｃ・・・構造改質部、
４０３ｃ、４１３ｃ、４２３ｃ、４３３ｃ、４４３ｃ、４５３ｃ・・・構造改質部、
１０４・・・容器、１０５・・・エッチング液、
１０６、２０６、２２６・・・微細孔、
３２６、３３６、３４６、３５６・・・微細孔、
４２６、４３６、４４６、４５６・・・微細孔、
１０７、２０７・・・外部空間、
３０７、３１７、３２７、３３７、３４７、３５７・・・外部空間、
４０７、４１７、４２７、４３７、４４７、４５７・・・外部空間、
Ａ、Ｂ・・・振動方向、Ｅ・・・偏光方向、ｋ・・・光軸方向、Ｓ・・・走査方向、
Ｓ１〜Ｓ５・・・ステップ。

Claims (3)

1. 光源から出射したパルス幅がピコ秒オーダー以下のレーザー光を偏光手段および集光手段を通して基体に照射し、前記レーザー光が集光した焦点を走査することにより前記基体に構造改質部を形成する第１工程と、
   前記構造改質部をエッチング処理することにより微細孔を形成する第２工程と、を備えた微細構造体の形成方法であって、
   前記出射レーザー光は、前記偏光手段によって円偏光レーザー光へと変換され、前記焦点における前記円偏光レーザー光の強度パルスパワーは、前記出射レーザー光を直線偏光した直線偏光レーザー光を前記基体に照射して構造改質部を形成するのに必要な強度に対して、１．３倍以上２倍以下であることを特徴とする微細構造体の形成方法。
2. 前記第１工程に用いるレーザー光の焦点の走査方向を、前記焦点を走査する間に変更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. 前記円偏光レーザー光の焦点の走査を、複数回繰り返すことを特徴とする請求項１または２に記載の微細構造体の形成方法。