マイクロおよびナノ構造のレーザ加工用の近接場走査型光学顕微鏡
超高速レーザ源を用いて、表面上に要素をレーザ加工するための近接場走査型光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）レーザマイクロ加工システムおよび、そのような要素をレーザ加工する方法。システムは、１ｎｓ未満のパルス期間およびピーク波長を有するレーザ光パルスを生成する超高速レーザ源と、実質的に円柱形状を有するＮＳＯＭプローブと、ＮＳＯＭプローブおよび加工されるマイクロ構造ワークピースを制御可能に保持なＮＳＯＭマウントと、ＮＳＯＭプローブのプローブチップと表面との間の距離を決定するための、ＮＳＯＭマウントに結合されたＮＳＯＭプローブモニタと、ＮＳＯＭプローブモニタおよびＮＳＯＭマウント中の移送台に結合されたＮＳＯＭ制御とを有する。ＮＳＯＭマウントは、ＸＹ移送台およびＺ移送台を有する。これらの移送台がＮＳＯＭプローブまたはマイクロ構造ワークピースに結合され、あるいは１つの移送台が各々に結合される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近接場走査型光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）を用いて、ナノ構造を含むマイクロ構造上におけるサブミクロン要素をレーザ加工する装置および方法に関する。本方法はまた、汎用の電子機械的マイクロ構造の大量カスタマイゼーションまたは補修を可能にし得る。
【背景技術】
【０００２】
製品の小型化につれ、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）、マイクロ光学デバイスおよびフォトニック結晶への需要が高まっている。この需要に対応して、マイクロおよびナノ加工への関心が高まっている。ＭＥＭＳには無数のアプリケーションの可能性がある。生物学とマイクロエレクトロニクスのように、以前には無関係だった分野間に比類なき相乗効果を可能にする画期的な技術として、新しいＭＥＭＳアプリケーションが急速に出現しつつあり、現在認識されているあるいは公知のものを越えて広がろうとしている。また量子電気デバイス、マイクロ光学デバイスおよびフォトニック結晶においてさらなるアプリケーションが出現しつつある。
【０００３】
現在関心を持たれているアプリケーションをいくつか列挙する。
【０００４】
量子電気デバイス
量子計算などのアイデアへの関心から、セルラーオートマトンや結合量子ドット技術などの、より小さな寸法を要求するデバイスの開発がなされている。透過電子の量子効果を利用してマイクロ波回路の効率を増大し得る、共鳴トンネルダイオードなどの共鳴トンネルデバイスは、特に微細な要素を必要とする。
【０００５】
マイクロ光学
マイクロ加工技術の光学系への応用は、階調技術などの光学製造において数々の進歩をもたらしてきた。階調技術は、達成し得る最高の光学性能を可能にする、様々な形状の作製を可能にする。伝統的なバイナリオプティクスは、理想的な表面形状を「階段状」にした近似に依拠する。階調は、その理想形状を実際に作製することができる。曲線、傾斜面(ramps)、トロイド(torroids)、またはその他の任意の形状が可能である。多機能光学系、マイクロレンズアレイ、ディフューザ、ビームスプリッタ、およびレーザダイオード補正器はすべて、階調技術を用いることにより恩恵を受ける。これらおよび他の光学デバイス（より短波長光用の微細ピッチ格子を含む）は、マイクロ加工を用いて得られるより高い精度の恩恵を受ける。また、マイクロ加工技術の進歩により、ビームシェーパー、連続膜変形ミラー、チューナブルレーザ用移動ミラー、および走査２軸傾動ミラーを含む光学的ＭＥＭＳデバイスが登場している。
【０００６】
フォトニック結晶
フォトニック結晶は、ユニークな性質を有する光学デバイスを作製するために用い得る、人工形態の光学材料を代表するものである。フォトニック結晶は、半導体結晶の電気的性質に類似する多くの光学性質を有するため、現在の電気的半導体回路と同様な光学回路の開発をも可能にし得る。フォトニック結晶を形成するために用いられる要素サイズおよび、これらの要素の高精度位置揃え要求が、これらの材料の製造を複雑にする。位置揃え技術の改善ならびに、マイクロ加工システムにおけるより小さな最小要素サイズ能力によって、この領域におけるさらなる発展が得られる可能性がある。
【０００７】
バイオテクノロジー
ＭＥＭＳ技術は、科学および工学において以下のような新しい発見を可能にしている。すなわち、ＤＮＡ増幅および同定のためのポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）マイクロシステム、マイクロ加工された走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）プローブチップ、有害な化学および生物物質の検出のためのバイオチップ、および、高スループットドラッグスクリーニングおよび選択のためのマイクロシステムである。
【０００８】
通信
共鳴トンネルデバイスの使用により得られ得る進歩に加えて、高周波回路もまた、ＲＦ−ＭＥＭＳ技術の出現により大きく恩恵を受け得る。ＭＥＭＳ技術を用いて作製したインダクタおよびチューナブルキャパシタなどの電気部品は、現在の対応する集積回路に比較して、有意により良く性能し得る。そのような部品を集積することにより、通信回路の性能が改善され得る一方、総回路面積、消費電力およびコストが減少し得る。さらに、いくつかの研究グループによって開発されているように、ＭＥＭＳ機械的スイッチは、様々なマイクロ波回路において多大な潜在能力を秘めたキー部品となり得る。デモンストレーションされたＭＥＭＳ機械的スイッチのサンプルは、以前に利用可能であったいかなるものよりもずっと高いＱファクターを有している。ＲＦ−ＭＥＭＳ部品の信頼性、高精度チューニング、そしてパッケージングは、ＲＦ−ＭＥＭＳ部品が市場においてより幅広く受け入れられるために解決されなければならない重要な問題点である。
【０００９】
マイクロ光学の進歩ならびにフォトニック結晶を用いた新しい光学デバイスの導入によりまた、通信技術は恩恵を受け得る。
【００１０】
加速度計
ＭＥＭＳ加速度計は、自動車両の衝突エアバッグ作動システムにおいて、従来の加速度計に急速にとって代わりつつある。従来のアプローチは、車の前部に実装された別個の部品からなるいくつかのかさ高い加速度計と、エアバッグ近傍の別の電子系とを用いるものである。ＭＥＭＳ技術は、従来のアプローチのコストの１／５から１／１０のコストで、加速度計と電子系とを単一のシリコンチップ上に集積することを可能にした。従来のマクロスケールの加速度計素子に比較して、これらのＭＥＭＳ加速度計はずっと小さく、より機能的であり、より軽く、また信頼性が高い。
【００１１】
マイクロ回路
電子回路のサイズの縮小もまた、ＭＥＭＳ技術が多くの分野に影響し得る領域である。これらのマイクロ回路において部品や接続の密度が高まるにつれ、加工公差は減少する。マイクロ回路の製造における一つの難題は、だんだん位置が近くなりつつある部品やナノ配線間の短絡を防ぐことにある。これらの欠陥を補修する能力を有するマイクロ加工方法によって、歩留まりは有意に増大され得る。
【００１２】
サブミクロン要素のマイクロ加工は、電子ビーム、紫外線ビーム、およびＸ線リソグラフィ機、ならびに集束イオンビーム機によって支配される領域であった。これらの高コスト技術は通常、高度な真空またはクリーンルーム条件などの、厳しい環境条件を要求する。あらゆるリソグラフィ方法は、複数のマスクを生成しフォトレジストを用いることを包含する、一連の複雑な手順を必要とする。
【００１３】
ビーム処理法を用いた場合、適正な処理のためには、高いレベルの精度でビームが正確に所望の位置に導かれることをこのプロセスは要求する。現在４つの利用可能な技術（レーザ直接描画、集束イオンビーム描画、マイクロ放電機、および光化学エッチング）だけが、この潜在能力を有する。その他の技術（例えばイオンビーム加工(ion beam milling)）は、平坦なウェハ処理においてのみ望ましい。ただし、レーザ直接描画は、周囲大気中での動作と言うさらなる利点を有する。依然として、サブミクロン要素をレーザの波長よりも小さなレーザビームで形成することは、難しい問題である。
【００１４】
近接場走査型光学顕微鏡(near-field scanning optical microscope)（ＮＳＯＭ）−−時に走査型近接場光学顕微鏡(scanning near-field optical microscope)として知られる−−の近接場放射を用いることによる表面のレーザ加工が、サブミクロン要素をレーザ加工する一手段として提案されている。このように表面をマイクロ加工する一つの方法の可能性が、Ｈ．Ｏｗａｒｉらの日本国特許出願第２０００−５１９７５号、レーザ加工装置及び方法とこれを用いて加工された光学素子に開示されている。Ｏｗａｒｉらは、原子間力顕微鏡のプローブを透過した、短波長紫外レーザからの光を用いて、光学格子をレーザ加工することを開示している。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一実施形態例は、超高速レーザ源を用いて、表面上に要素をレーザ加工するための近接場走査型光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）レーザマイクロ加工システムである。本システムは、１ｎｓ未満のパルス期間およびピーク波長を有するレーザ光パルスを生成する超高速レーザ源と、実質的に円柱形状を有するＮＳＯＭプローブと、ＮＳＯＭプローブおよび加工されるマイクロ構造ワークピースを制御可能に保持するＮＳＯＭマウントと、ＮＳＯＭプローブのプローブチップと表面との間の距離を決定するための、ＮＳＯＭマウントに結合されたＮＳＯＭプローブモニタと、ＮＳＯＭプローブモニタおよびＮＳＯＭマウント中の移送台に結合されたＮＳＯＭ制御器とを有する。ＮＳＯＭプローブは、一端の入射面と、レーザ光パルスのピーク波長の２乗未満の断面積を有する他端のプローブチップと、入射面からプローブチップに実質的に延びる光透過性コアと、プローブチップの近隣において、ＮＳＯＭプローブの側面の一部上に形成された放射閉じ込めコーティングとを有する。光透過性コアは、入射面を介して超高速レーザ源に光学的に結合される。ＮＳＯＭマウントは、ＸＹ移送台およびＺ移送台を有する。これらの移送台がＮＳＯＭプローブまたはマイクロ構造ワークピースに結合され、あるいは１つの移送台が各々に結合される。ＮＳＯＭ制御器は、ＮＳＯＭプローブモニタによって決定されたＮＳＯＭプローブのプローブチップとマイクロ構造ワークピースの表面との間の距離に基づいて、ＮＳＯＭプローブまたはマイクロ構造ワークピースのいずれか（どちらがＺ移送台に結合されているかに依存して）の垂直位置を制御する。ＮＳＯＭ制御器は、マイクロ構造ワークピースの表面上にレーザ加工されるべき要素に基づいて、ＮＳＯＭプローブまたはマイクロ構造ワークピースのいずれか（どちらがＸＹ移送台に結合されているかに依存して）の水平位置を制御する。
【００１６】
本発明の別の実施形態例は、超高速レーザ源およびＮＳＯＭを用いて、マイクロ構造ワークピース上に要素をレーザ加工する方法である。マイクロ構造ワークピースはＮＳＯＭに装着される。ＮＳＯＭプローブのプローブチップとマイクロ構造ワークピースの表面との間の距離を決定する。この距離は、加工距離に実質的に等しいように制御される。超高速レーザ源を用いて、１ｎｓ未満のパルス期間およびピーク波長を有するレーザ光パルスを生成する。これらのレーザ光パルスをＮＳＯＭプローブ中に結合し、レーザ光パルスの近接場モード部分を、ＮＳＯＭプローブのプローブチップを介して、プローブチップの位置に対応するマイクロ構造ワークピースの表面の近接場照射エリア上に結合する。レーザ光パルスの近接場モード部分が、近接場照射エリアをレーザ加工する。ＮＳＯＭプローブおよびマイクロ構造ワークピースのうち少なくとも一方を、要素に対応する表面の要素領域上をプローブチップがスキャンされるように移動する。プローブチップがスキャンされている間、プローブチップと表面との間の距離を決定し、プローブチップと表面との間の距離が加工距離に実質的に等しく維持されるように、制御する。また、プローブチップがスキャンされる間、レーザ光パルスが生成されてＮＳＯＭプローブ中に結合されており、またレーザ光パルスの近接場モード部分がプローブチップを介して近接場照射エリア上に結合されていることにより、マイクロ構造ワークピースの表面上に、要素がレーザ加工される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明は、以下の詳細な説明を添付の図面とともに読んだときもっともよく理解される。一般に行われるように、図面の様々な要素は縮尺通りではないことを強調しておく。逆に、明瞭さのために様々な要素の寸法を任意に拡大または縮小している。図面には以下の図が含まれる。
【００１８】
ＮＳＯＭは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）と同じ原理の多くを用いて、正確に表面のプロファイルを採る。ＮＳＯＭプローブチップからの近接場放射を用いてこれら表面をレーザマイクロ加工することにより、非近接場放射および自由空間光学系を用いることに比べて、いくつかの利点が得られ得る。これらの利点としては、ＮＳＯＭプローブチップの高精度な位置決め制御および、最小要素サイズが減少することが含まれ得る。ＮＳＯＭデバイスにおいて用いられる高精度移送台を用いて、高精度な水平および垂直位置決め制御を得ることができる。また、ＮＳＯＭにより表面のプロファイルを採る能力は、有意な近接場放射を表面に結合するために望まれる、プローブチップの正確な垂直位置決めを可能にする。
【００１９】
近接場放射を用いた本発明のＮＳＯＭレーザ加工システム例により加工され得る最小要素サイズは、近接場放射の生成に用いられるレーザ光の波長ではなく、ＮＳＯＭプローブチップのサイズによって決定される。このことにより、同じレーザ源からの自由空間レーザビームの回折限界のスポットサイズよりも小さな表面上のエリアを、Ｏｗａｒｉらによって開示されるようなレーザ加工装置によって加工することが可能になる。ただし、レーザの波長は依然として問題になる。なぜなら、レーザの波長は、光がＮＳＯＭプローブチップを介して近接場に結合する効率に影響するからである。したがってＯｗａｒｉらは、そのＮＳＯＭプローブチップの円形の断面の直径におよそ等しい波長を有する短波長ＵＶレーザの使用を開示している。
【００２０】
図１は、本発明のＮＳＯＭレーザマイクロ加工システム例の、単純化したブロック図を示す。量子セルラーオートマトン、結合量子ドットデバイス、共鳴トンネルデバイス、多機能光学アレイ、回折光学素子、ビームシェーパー、マイクロレンズアレイ、光学ディフューザ、ビームスプリッタ、レーザダイオード補正器、微細ピッチ格子、フォトニック結晶、マイクロ電気機械システム、マイクロ回路、マイクロ表面弾性波デバイス、マイクロメカニカルオシレータ、ポリメラーゼ連鎖反応マイクロシステム、有害な化学および生物物質検出のためのバイオチップ、高スループットドラッグスクリーニングおよび選択マイクロシステム、および他のマイクロ構造を形成するための鋳型が、本発明のＮＳＯＭレーザマイクロ加工システム例によって加工され得るマイクロ構造の例である。このようなシステム例を用いて、これらマイクロ構造を、製造、補修、または大量カスタマイゼーションすることができる。このシステム例は、レーザ光パルスを生成しワークピース１１２まで伝達させるための超高速レーザ源１００、光ファイバ１０６、ＮＳＯＭプローブホルダ１０８、およびＮＳＯＭプローブ１１０、ならびに光ビーム１０２を光ファイバ１０６に結合するレンズ１０４および、ＮＳＯＭプローブ１１０を位置決めするための多くのＮＳＯＭ部品を有している。
【００２１】
なお、図１のシステム例において超高速レーザ源を用いることに特に留意されたい。超高速レーザ源は、より長いパルスのレーザ源（すなわちパルス期間＞１ｎｓのレーザ）やＣＷレーザ源よりも、有意に高いピークパワーを提供し得る。これらの高ピークパワーは、プローブチップを介してレーザ光が近接場に結合されるときの低効率性を克服するために望ましい。ＮＳＯＭプローブ１１０により高いピークパワーを提供することにより、超高速レーザ源１００の波長に比べさらに小さなＮＳＯＭプローブチップを用いることが可能である。
【００２２】
２００４年３月４日付けで出願されMETHOD OF PRECISE LASER NANOMACHINING WITH UV ULTRAFAST LASER PULSESの名称を有する、Ｍ．Ｌｉの米国特許出願第１０／７９３，５４３号に開示されるように、非近接場レーザ加工アプリケーションにおける超高速レーザの使用は、レーザ加工される要素の周囲の熱影響ゾーンを有意に減少させることが示されている。熱影響ゾーンの減少は、レーザ加工された要素の品質を劇的に改善し得る。同じ利点が、本発明において超高速レーザ源１００をＮＳＯＭレーザマイクロ加工システムの一部として用いることにより、得られ得る。また、超高速レーザパルスのピークパワーが増大することは、ＮＳＯＭプローブ１１０のプローブチップを介してより高いパワー量を近接場モード部分に結合し得ることを意味する。この近接場モード部分におけるより高いパワー量は、各レーザ光パルスが、マイクロ構造ワークピース１１２のワークピース材料のより大きな深さを加工することを可能にする。
【００２３】
図１のシステム例において、超高速レーザ源１００は望ましくは、超高速レーザ加工アプリケーションにおいて典型的に用いられる任意のタイプの固相利得媒体を含み得る。例えば、Ｃｒ：ＹＡＧ（ピーク基本波長、λf＝１５２０ｎｍ）、Ｃｒ：苦土カンラン石（λf＝１２３０−１２７０ｎｍ）、Ｎｄ：ＹＡＧおよびＮｄ：ＹＶＯ4（λf＝１０６４ｎｍ）、Ｎｄ：ＧｄＶＯ4（λf＝１０６３ｎｍ）、Ｎｄ：ＹＬＦ（λf＝１０４７ｎｍおよび１０５３ｎｍ）、Ｎｄ：ガラス（λf＝１０４７−１０８７ｎｍ）、Ｙｂ：ＹＡＧ（λf＝１０３０ｎｍ）、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ（λf＝８２６−８７６ｎｍ）、Ｔｉ：サファイア（λf＝７６０−８２０ｎｍ）、およびＰｒ：ＹＬＦ（λf＝６１２ｎｍ）である。これらの固相利得媒体は、エルビウムドーピングされたファイバレーザおよびダイオードレーザなどの標準的な光ポンピングシステムを用いて励起され得る。これらの標準的な光ポンピングシステムの出力パルスは、固相利得媒体に直接結合されてよく、あるいは固相利得媒体を励起するために用いられる前に、高調波生成を経てもよい。固相利得媒体（単数または複数）は、レーザ発振器、シングルパス増幅器(single pass amplifier)、および／またはマルチプルパス増幅器(multiple pass amplifier)のうち１つ以上として動作するように構成され得る。この素子はまた、レーザ光を実質的に平行光化するための光学系を有する。超高速レーザ源１００は、約１ｎｓ未満の期間を有するレーザ光パルスを生成する。これらのパルスは望ましくは、約２０ｐｓ未満の期間を有し得、多くの場合においてその期間は２００ｆｓ未満であり得る。超高速レーザ源１００によって生成されるレーザ光パルスは望ましくは、ほぼフーリエ変換限界であり得る。レーザ源１００の出力パワーを増大するために、ＸｅＣｌ、ＫｒＦ、ＡｒＦまたはＦ2エキシマ増幅器（図示せず）などの、追加的な非固相のシングルまたはマルチプルパス増幅器を含めてもよい。または、レーザ源１００は、エキシマレーザシステム（例えばＸｅＣｌ、λf＝３０８ｎｍ、ＫｒＦ、λf＝２４８ｎｍ、ＡｒＦ、λf＝１９３ｎｍ、またはＦ2、λf＝１５７ｎｍ）、あるいは色素レーザシステム（例えば７−ジエチルアミノ−４−メチルクマリン、λf＝４３５−５００ｎｍ、安息香酸、２−［６−（エチルアミノ）−３−（エチルイミノ）−２，７−ジメチル−３Ｈ−キサンテン−９−イル］−エチルエステル、一塩酸塩、λf＝５５５−６２５ｎｍ；４−ジシアンメチレン−２−メチル−６−（ｐ−ジメチルアミノスチリル）−４Ｈ−ピラン、λf＝５９８−７１０ｎｍ；または２−（６−（４−ジメチルアミノフェニル）−２，４−ネオペンチレン−１，３，５−ヘキサトリエニル）−３−メチルベンゾチアゾリウム過塩素酸塩、λf＝７８５−９００ｎｍ）を含み得る。
【００２４】
超高速レーザ源１００が約４００ｎｍ未満のピーク波長を有することが望ましくあり得る。この部品内において、レーザ光パルスのピーク波長を減少させるために高調波生成結晶を用い得る。望ましくは、周波数２逓倍、１５０ｆｓのＴｉ：サファイアレーザ（例えばＣｌａｒｋ ＭＸＲ ＣＰＡ２０００）を超高速レーザ源１００として用い得る。
【００２５】
また、超高速レーザ源１００は、レーザビーム出力の強度、偏光および／または平行化を制御するための光学系を含んでいてもよい。超高速レーザ源１００により生成されたレーザ光パルスの偏光を制御するために、偏光制御器が含まれていてもよい。これらのパルスは望ましくは円偏光であり得る。また、シャッタおよび／または可変アッテネータを超高速レーザ源１００に含み得る。これらの部品は、マイクロ構造ワークピース１１２の表面上における要素のレーザ加工を制御するためのＮＳＯＭの制御回路（図示せず）に、結合され得る。
【００２６】
レーザ源１００の出力は、レンズ１０４によって光ファイバ１０６に集束され得る。光ファイバ１０６は、レーザ光パルスのピーク波長近傍において低吸収率を有する導波路材料から形成された、ファイバコアを望ましくは有する。光ファイバ１０６はＮＳＯＭプローブ１１０の一部であってもよく、光ファイバ１０６の切断端がＮＳＯＭプローブ１１０の入射面として機能してもよい。これはシステムの結合ロスを減少させるために望ましい。ＮＳＯＭプローブ１１０（その光ファイバ部分１０６を含む）は、ＮＳＯＭプローブホルダ１０８内に保持される。
【００２７】
あるいは、光ファイバ１０６はＮＳＯＭプローブ１１０と別であってもよい。この別の実施形態においては、ＮＳＯＭプローブ１１０は単にプローブチップからＮＳＯＭプローブホルダ１０８中に延びていればよい。光ファイバ１０６は、ＮＳＯＭプローブ１１０の端部の入射面を介して、レーザ光パルスをＮＳＯＭプローブ１１０に伝達する。光ファイバ１０６とＮＳＯＭプローブ１１０との両方が、ＮＳＯＭプローブホルダ１０８内に保持される。光ファイバ１０６およびＮＳＯＭプローブ１１０は、ＮＳＯＭプローブへのレーザ光パルスの低損失結合を可能にするように位置揃えされる。ＮＳＯＭプローブ１１０の入射面は望ましくはファイバ切断端であり、光ファイバ１０６の切断端の断面積におおよそ等しい入射面積を有している。ＮＳＯＭプローブホルダ１０８は、光ファイバ１０６とＮＳＯＭプローブ１１０とを光学的に結合することを助けるために、ボールレンズなどの光学系を有していてもよい。なお、分散効果を減少させるために、光ファイバ１０６を用いずに光ビーム１０２のパルスをＮＳＯＭプローブ１１０に直接結合してもよいが、これはシステムの位置揃えを複雑にし得ることに留意されたい。
【００２８】
ＮＳＯＭプローブ１１０は、実質的に円柱形状に形成される。なお、この実質的な円柱形状の有する断面形状は、望ましくはＮＳＯＭプローブ１１０の入射面として作用する端部近傍において光ファイバ１０６と同様であるが、このことは必ずしも必要ではないことに留意されたい。ＮＳＯＭプローブ１１０の断面形状は望ましくは円形またはその他の楕円形状であるか、あるいは長方形などの導波路に用いられる他の形状であってもよく、その長さに沿ってサイズまたは形状が変化してもよい。例えば、ＮＳＯＭプローブ１１０の実質的に円柱の形状は、端部近傍でテーパーすることによってプローブチップを作り出す。また、ＮＳＯＭプローブ１１０の実質的に円柱の形状は、図１に示すようにその軸に沿って曲げを有していてもよい。
【００２９】
図３は、ＮＳＯＭプローブ例１１０の先端部のクローズアップ図である。入射面を含むＮＳＯＭプローブの端部は図３には図示していない。ＮＳＯＭプローブ１１０の入射面とは反対側の端部に位置するプローブチップ３１０を示している。図示のようにＮＳＯＭプローブ１１０は、光透過性コア３００の部分および、クラッディング層３０２の部分を有している。プローブチップ３１０において、光透過性コア３００とクラッディング層３０２との材料は区別不能であり得、図３のチップ例のチップ領域において、これらの材料を分ける鎖線によって示している。近接場３０６が発生するＮＳＯＭプローブチップ３１０は望ましくは、レーザ光パルスのピーク波長の二乗未満の断面積を有しかつ楕円形の断面形状を有することにより、マイクロ構造ワークピース１１２の近接場照射エリア３０８において、ピーク波長より短い軸を有する相似な楕円形状の加工を可能にする。
【００３０】
光透過性コア３００は望ましくは、入射面からプローブチップ３１０まで延び、入射面において光ファイバ１０６を介して超高速レーザ源１００に光学的に結合する。光ファイバ１０６のファイバコアと同様に、ＮＳＯＭプローブ１１０の光透過性コア３００は、レーザ光パルスのピーク波長近傍において低吸収率を有する材料から形成されており、望ましくは同じ導波路材料から形成され得る。クラッディング層３０２は望ましくは、入射面からプローブチップ３１０まで延びて、レーザ光パルスを透過性コア３００内に閉じ込めることをたすけるが、これ無しで十分な閉じ込めが起こり得るならば省略可能である。
【００３１】
また、放射閉じ込めコーティング３０４がＮＳＯＭプローブ１１０上に形成され、プローブチップ３１０の近隣からプローブの側面に沿って延びる。放射閉じ込めコーティング３０４は、ＮＳＯＭプローブ１１０のうち特に漏れが大きい部分（例えばプローブチップ３１０近くの狭い部分や、曲率半径がタイトである任意の部分）において、レーザ光パルスの光透過性コア３００中へのさらなる閉じ込めを提供する。さらに、放射閉じ込めコーティング３０４が無いことで、実質的にプローブチップ３１０のエリアが規定される。これは入射面に隣接する開口部まで延びてもよく、あるいはこの距離の一部だけ延びていてもよい。ＮＳＯＭプローブが９０°の曲げを有している実施形態例においては、図４に示すように、放射閉じ込めコーティング３０４は少なくとも曲げの周りに延びていることが望ましい。放射閉じ込めコーティング４０３は、レーザ光パルスのピーク波長近傍において高反射率を有し、望ましくはこの帯域においても低吸収率を有する。少なくとも１つの金属および／または誘電体層が含まれ得る。さらに、図４に示すように、ＮＳＯＭプローブ１１０の位置を光学的に監視することに用い得る光に対して、放射閉じ込めコーティング３０４は実質的に反射性であることが望ましくあり得ることに留意されたい。
【００３２】
図１にもどって、ＮＳＯＭプローブホルダ１０８はＮＳＯＭプローブ１１０を制御可能に保持および位置決めするように、ＮＳＯＭマウントに結合される。ＮＳＯＭマウントはまた、ＮＳＯＭプローブ１１０に対してマイクロ構造ワークピース１１２を制御可能に保持および位置決めする。ＮＳＯＭマウントは、ヒンジ１２０によってＮＳＯＭベース１１４に接続された上部サポート１１８を有する。この構成により、ＮＳＯＭプローブ１１０を容易にマイクロ構造ワークピース１１２から取り外して、プローブの検査および／または取り替え、あるいはワークピースの装着および取り外しを行うことが可能になる。マイクロ構造ワークピース１１２上におけるＮＳＯＭプローブ１１０の粗垂直あるいはＺ位置決めは、リードねじ（図示せず）またはステッパモータ（図示せず）に結合され得るセットねじ１２２を用いて、達成し得る。図１のＮＳＯＭマウント例はまた、マイクロ構造ワークピース１１２が装着されるワークピース位置決め部１１６を有する。ワークピース位置決め手段１１６はＮＳＯＭベース１１４に結合される。なお、図１の実施形態例はマイクロ構造ワークピース１１２をＮＳＯＭプローブ１１０に対して位置決めするためのワークピース位置決め手段１１６を含むが、ＮＳＯＭプローブ１１０をマイクロ構造ワークピース１１２に対して位置決めする位置決め手段を、ワークピース位置決め手段１１６に加えてあるいはこの代わりに用い得ることが当業者には理解されることに留意されたい。
【００３３】
ワークピース位置決め手段１１６は例えば、マイクロメートル分解能を持つコンピュータ制御ＸＹＺ移送台（例えばＢｕｒｌｅｉｇｈ製のミクロン分解能ＸＹＺ移送台）を有する。またナノメートル分解能を持つコンピュータ制御圧電ＸＹ移送台（例えばＱｕｅｅｎｓｇａｔｅ製の圧電ＸＹ移送台）を有してもよい。微妙なＺ位置決めは、ワークピース位置決め手段１１６において圧電Ｚ移送台を用いることにより達成され得る。ワークピース位置決め手段１１６のこれらのコンピュータ制御移送台を、レーザマイクロ加工システムのＮＳＯＭをマイクロ構造ワークピース１１２の表面上に位置決めするために用い得、マイクロメートル分解能ＸＹＺ移送台が粗い位置決めを提供し、圧電移送台が微妙な位置決めを提供する。あるいは、ナノメートル分解能が可能な、その他の微移送台を用いて微妙な位置決めを提供してもよい。
【００３４】
本発明のＮＳＯＭレーザマイクロ加工システム例はまた、ＮＳＯＭ制御システムを有する。本発明によるＮＳＯＭ制御システム例を図４および５に示す。これらのＮＳＯＭ制御システム例は、ＮＳＯＭプローブモニタおよびＮＳＯＭ制御器（ＮＳＯＭプローブモニタ、圧電ＸＹ移送台、および圧電Ｚ移送台に結合されている）を有している。ＮＳＯＭプローブモニタは、ＮＳＯＭプローブ１１０のプローブチップ３１０とマイクロ構造ワークピース１１２の表面との間の距離を決定する。
【００３５】
ＮＳＯＭ制御器（図示せず）はこの距離情報を用いて、Ｚ移送台（単数または複数）に信号を送ることにより、どちらが位置決め手段に結合されているかに依存して、ＮＳＯＭプローブ１１０またはマイクロ構造ワークピース１１２のいずれか（あるいは両方）の垂直位置を制御する。ＮＳＯＭ制御器はまた、マイクロ構造ワークピース１１２の表面上にレーザ加工されるべき要素に基づいて、ＸＹ移送台（単数または複数）に信号を送ることにより、ＮＳＯＭプローブ１１０またはマイクロ構造ワークピース１１２のいずれかの水平位置を制御する。ＮＳＯＭ制御器は回路またはＡＳＩＣを含み得、また、ＮＳＯＭプローブモニタからの距離情報およびマイクロ構造ワークピースの表面上に加工されるべき要素に関する入力データに応じて移送台を駆動するようにプログラミングされた、汎用コンピュータを含み得る。
【００３６】
図４および５は、原子間力測定を行う光学手段に基づいた、２つのＮＳＯＭプローブモニタ例を示す。図４の実施形態例は、９０°の曲げを有するＮＳＯＭプローブを含み、図５の実施形態例は、まっすぐなＮＳＯＭプローブを含む。ＮＳＯＭプローブ１１０のこれらの別の実施形態は単に例示であり、限定的なものではない。
【００３７】
図４および５におけるＮＳＯＭプローブモニタ例のそれぞれは、ＮＳＯＭプローブホルダ１０８をＮＳＯＭ上部サポート１１８に結合する片持ちアーム４００を用いる。ＮＳＯＭ上部サポート１１８は実質的に剛性であり、片持ちアーム４００は、マイクロ構造ワークピース１１２の表面の実質的に法線方向において、ＮＳＯＭ上部サポート１１８に対し較正された量だけ移動し得る。この較正された移動は、プローブチップ３１０とマイクロ構造ワークピース１１２の表面との間の原子間力に応じた、片持ちアーム４００の撓み、あるいは片持ちアーム４００とＮＳＯＭ上部サポート１１８との間の結合部（図示せず）における片持ちアーム４００の旋回により、得られ得る。あるいは、ＮＳＯＭプローブ１１０は、片持ちアーム４００に結合されたＮＳＯＭプローブオシレータによって、周期的に往復振動されてもよい。ＮＳＯＭプローブ１１０のこの周期的往復振動の振幅は望ましくは小さく、０から２０ｎｍの範囲である。ＮＳＯＭプローブ１１０のこの周期的往復振動の周期または振幅のうちいずれか一方あるいは両方の変化が、較正された移動をプローブモニタに提供し得る。
【００３８】
図４のＮＳＯＭプローブモニタ例は、光が放射閉じ込めコーティング３０４から直接反射される、光学的感知方法を包含する。光源４０２は、実質的に剛性の上部サポート１１８に結合されており、少なくとも２つの光学領域４０４を有する光検出器もまた同様である。光源４０２は、実質的に平行化された光ビームを生成する。この実質的に平行化された光ビームは、放射閉じ込めコーティング３０４から反射され、光検出器によって検出される。プローブチップ３１０とマイクロ構造プリフォーム１１２の表面との間の原子間力に応答してＮＳＯＭプローブ１１０が上下動するにつれ、片持ちアーム４００は撓みあるいは旋回し、光源４０２からの実質的に平行化された光ビームと放射閉じ込めコーティング３０４との間の入射角を変化させる。これは、実質的に平行化された光ビームが光検出器に入射する位置を変化させる。片持ち撓みもまた入射位置を変化させ得、これによってさらに実質的に平行化された光ビームが光検出器に入射する位置が変化し得る。さらに、原子間力によってＮＳＯＭプローブ１１０が撓む可能性があるが、これもまた検出され得る。複数の検出器領域４０４は、各検出器領域によって検出された光の量に基づいて、光検出器が信号を生成することを可能にする。ＮＳＯＭ制御器中の処理手段は、この検出器信号を受け取り、光検出器の各検出器領域４０４によって検出された光の量に基づいて、ＮＳＯＭプローブのプローブチップとマイクロ構造ワークピースの表面との間の距離を決定し得る。処理手段によるこの距離決定は、ＮＳＯＭプローブのプローブチップとマイクロ構造ワークピースの表面との間の距離が所望の距離より大きいか小さいかを決定し表示することを包含するか、あるいは較正された距離読み取り値を提供し得る。
【００３９】
図５のＮＳＯＭプローブモニタ例は、光が片持ちアーム４００に結合された反射性の平坦な表面５００から反射される、別の光学的感知方法を用いる。光源４０２からの実質的に平行化された光ビームは、反射性の平坦な表面５００から反射され、光検出器によって検出され、実質的に平行化された光ビームが光検出器に入射する位置を変化させる。そして、図４の実施形態例と同様に、ＮＳＯＭプローブ１１０にかかる原子間力、ひいてはＮＳＯＭプローブのプローブチップとマイクロ構造ワークピースの表面との間の距離を、光信号の検出器信号から決定する。
【００４０】
あるいは、ＮＳＯＭプローブモニタ例は、ＮＳＯＭプローブにかかる原子間力を検出する別の手段に基づいていてもよい。原子間力顕微鏡に用いられる任意の手段を、本発明において用い得る。例えば、音叉方法を用いた場合、マッチングされた一対の音叉の共振周波数を比較する。１つの音叉をＮＳＯＭプローブに結合することにより、プローブにかかる力が音叉の共振周波数に影響するようにする。そして音叉の共振周波数の差を、ＮＳＯＭプローブにかかる原子間力に相関させる。
【００４１】
図２は、本発明によるＮＳＯＭおよび超高速レーザ源を用いて、マイクロ構造ワークピース上に要素をレーザ加工する方法例を示す。図１のＮＳＯＭレーザマイクロ加工システム例を、この方法例を実行するために用い得る。マイクロ構造ワークピース１１２をＮＳＯＭに装着する（ステップ２００）。ＮＳＯＭプローブ１１０のプローブチップ３１０とマイクロ構造ワークピース１１２の表面との間の距離を決定する（ステップ２０２）。図４および５の実施形態例を参照して上述したように、この距離は望ましくは、プローブチップ３１０と表面との間の原子間力を検出することにより決定され得る。
【００４２】
次にプローブチップ３１０とマイクロ構造ワークピース１１２の表面との間の距離を、所望の加工距離に実質的に等しくなるように制御する（ステップ２０４）。所望の加工距離は、レーザ光パルスのピークパワー、そのピーク波長、プローブチップ３１０のサイズ、および達成すべき加工のタイプを含むいくつかのファクターに基づくが、望ましくは、表面の加工に用いられる光パルスの波長の約半分までの範囲である。ＮＳＯＭプローブ１１０のプローブチップ３１０とマイクロ構造ワークピース１１２の表面との間の距離は望ましくは、圧電またはその他の微移送Ｚ移送台を用いてＮＳＯＭプローブまたはマイクロ構造ワークピースのいずれかの垂直位置を制御することにより、制御される。移送台に印加される駆動電圧の量は、ステップ２０２で決定したプローブチップ３１０とマイクロ構造ワークピース１１２の表面との間の距離に基づく。プローブチップ３１０とマイクロ構造ワークピース１１２の表面との間の距離は、５ｎｍ未満の公差で制御されることが望ましい。
【００４３】
ステップ２０２および２０４においてＮＳＯＭがプローブチップを位置決めする際、超高速レーザ源１００を用いて、約１ｎｓ未満のパルス期間を有するレーザ光パルスを生成する（ステップ２０６）。超高速レーザ源１００によって生成される初期レーザ光パルスから、高調波生成結晶を用いてより短いピーク波長を有するレーザ光パルスを生成し得る。さらに、アッテネータをレーザ源１００に含めることにより、レーザ光パルスのフルエンスを制御し、所定の近接場加工フルエンスを有するレーザ光パルスを生成してもよい。偏光制御器は、パルスの偏光を実質的に円であるように調整する。得られるレーザ光パルスをＮＳＯＭプローブ１１０中に結合する（ステップ２０８）。
【００４４】
図３に示すように、プローブチップ３１０とマイクロ構造ワークピース１１２の表面との間の距離がステップ２０４において所望の加工距離に設定され、ステップ２０８においてＮＳＯＭプローブ１１０中に結合されれば、これらのレーザ光パルスの近接場モード部分３０６を、ＮＳＯＭプローブのプローブチップ３１０を介して伝達し、マイクロ構造ワークピース１１２の表面の近接場照射エリア３０８上に消失的に結合する（ステップ２１０）。この結果、近接場照射エリア３０８が近接場モード部分３０６によってレーザ加工される。近接場照射エリア３０８は望ましくは、プローブチップ３１０の形状およびサイズを模倣しており、プローブチップ３１０の水平位置に対応している。図３を参照して上述したように、プローブチップ３１０は望ましくは楕円形の断面形状を有し、かつレーザ光パルスのピーク波長の二乗未満のチップ面積を有する。ステップ２１０における近接場照射エリア３０８のレーザ加工は、近接場照射エリアにおいてマイクロ構造ワークピースのワークピース材料をアブレーションすること、近接場照射エリアにおいてマイクロ構造ワークピースの表面に堆積材料をレーザ補助化学蒸着すること、近接場照射エリアにおいてマイクロ構造ワークピースの表面のフォトレジストを露光すること、近接場照射エリアにおいてマイクロ構造ワークピースのワークピース材料の屈折率を変更すること、近接場照射エリアにおいてマイクロ構造ワークピースのワークピース材料の格子構造を変更すること、および近接場照射エリアにおいてマイクロ構造ワークピースのワークピース材料の化学組成を変更することを含む。
【００４５】
加工されるべき微細要素のすべてが加工されたかどうかを決定する（ステップ２１２）。要素のすべてが加工されれば、要素のレーザ加工は完了し（ステップ２１６）、マイクロ構造ワークピースをＮＳＯＭから除去し得る。もしまだであれば、プローブチップ３１０を、マイクロ構造ワークピース１１２の表面の加工されていない部分（要素のある部分に対応する）に移動する（ステップ２１４）。これは、ＮＳＯＭプローブ１１０またはマイクロ構造ワークピース１１２のいずれかを移動させることにより行い得る。
【００４６】
本方法例はステップ２０２および２０４を通って戻ることによりプローブチップ３１０と表面との間を加工距離に実質的に等しく維持し、ステップ２０６、２０８、２１０および２１２を通って戻ることにより、プローブチップ３１０の各新しい位置において、要素の対応する部分をレーザ加工する。このように、この移動は、要素に対応して、マイクロ構造ワークピースの表面の全要素領域にわたってプローブチップをスキャンさせる。
【００４７】
超高速レーザ源１００がレーザ光パルスを生成するための超高速レーザ発振器およびパルスの出射を制御するためのシャッタを有する場合には、要素領域を含んだマイクロ構造ワークピース１１２の表面のより大きな部分上を、プローブチップ３１０はスキャンされ得る。要素領域上をプローブチップ３１０がスキャンしているときにシャッタを開けることにより、微細要素のレーザ加工を許可し、表面の他の領域上をプローブチップがスキャンしているときにはシャッタを閉じることにより、マイクロ構造ワークピース１１２の表面のこれらの他のスキャンされた領域が、不用意にレーザ加工されてしまうことを防ぐ。
【００４８】
本発明は、近接場放射を用いて、マイクロ構造ワークピースの表面をレーザ加工するシステム例および方法例を包含する。これらの方法例を使用することにより、周囲雰囲気条件において、大きく簡素化されかつ高精度なマイクロ加工が可能になる。このような技術は、マイクロ構造およびナノテクノロジーを、より一般に使用されるよう導くたすけとなり得る。本発明を特定の実施形態について図示および説明したが、本発明は示された詳細に限定されるものではない。むしろ、請求項の均等物の範疇・範囲内において、本発明から逸脱することなく、詳細について様々な改変をなし得る。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明によるＮＳＯＭレーザマイクロ加工システム例のブロック図である。
【図２】本発明による、マイクロ構造の要素をレーザ加工する方法例を示す、フローチャートである。
【図３】本発明によるＮＳＯＭプローブ例の、ＮＳＯＭプローブ例の直径に沿って切った側破断図である。
【図４】本発明による、ＮＳＯＭプローブ、プローブホルダ、およびプローブ位置監視構成例の側面図である。
【図５】本発明による、別のＮＳＯＭプローブ、プローブホルダ、およびプローブ位置監視構成例の側面図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近接場走査型光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）を用いて、ナノ構造を含むマイクロ構造上におけるサブミクロン要素をレーザ加工する装置および方法に関する。本方法はまた、汎用の電子機械的マイクロ構造の大量カスタマイゼーションまたは補修を可能にし得る。
【背景技術】
【０００２】
製品の小型化につれ、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）、マイクロ光学デバイスおよびフォトニック結晶への需要が高まっている。この需要に対応して、マイクロおよびナノ加工への関心が高まっている。ＭＥＭＳには無数のアプリケーションの可能性がある。生物学とマイクロエレクトロニクスのように、以前には無関係だった分野間に比類なき相乗効果を可能にする画期的な技術として、新しいＭＥＭＳアプリケーションが急速に出現しつつあり、現在認識されているあるいは公知のものを越えて広がろうとしている。また量子電気デバイス、マイクロ光学デバイスおよびフォトニック結晶においてさらなるアプリケーションが出現しつつある。
【０００３】
現在関心を持たれているアプリケーションをいくつか列挙する。
【０００４】
量子電気デバイス
量子計算などのアイデアへの関心から、セルラーオートマトンや結合量子ドット技術などの、より小さな寸法を要求するデバイスの開発がなされている。透過電子の量子効果を利用してマイクロ波回路の効率を増大し得る、共鳴トンネルダイオードなどの共鳴トンネルデバイスは、特に微細な要素を必要とする。
【０００５】
マイクロ光学
マイクロ加工技術の光学系への応用は、階調技術などの光学製造において数々の進歩をもたらしてきた。階調技術は、達成し得る最高の光学性能を可能にする、様々な形状の作製を可能にする。伝統的なバイナリオプティクスは、理想的な表面形状を「階段状」にした近似に依拠する。階調は、その理想形状を実際に作製することができる。曲線、傾斜面(ramps)、トロイド(torroids)、またはその他の任意の形状が可能である。多機能光学系、マイクロレンズアレイ、ディフューザ、ビームスプリッタ、およびレーザダイオード補正器はすべて、階調技術を用いることにより恩恵を受ける。これらおよび他の光学デバイス（より短波長光用の微細ピッチ格子を含む）は、マイクロ加工を用いて得られるより高い精度の恩恵を受ける。また、マイクロ加工技術の進歩により、ビームシェーパー、連続膜変形ミラー、チューナブルレーザ用移動ミラー、および走査２軸傾動ミラーを含む光学的ＭＥＭＳデバイスが登場している。
【０００６】
フォトニック結晶
フォトニック結晶は、ユニークな性質を有する光学デバイスを作製するために用い得る、人工形態の光学材料を代表するものである。フォトニック結晶は、半導体結晶の電気的性質に類似する多くの光学性質を有するため、現在の電気的半導体回路と同様な光学回路の開発をも可能にし得る。フォトニック結晶を形成するために用いられる要素サイズおよび、これらの要素の高精度位置揃え要求が、これらの材料の製造を複雑にする。位置揃え技術の改善ならびに、マイクロ加工システムにおけるより小さな最小要素サイズ能力によって、この領域におけるさらなる発展が得られる可能性がある。
【０００７】
バイオテクノロジー
ＭＥＭＳ技術は、科学および工学において以下のような新しい発見を可能にしている。すなわち、ＤＮＡ増幅および同定のためのポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）マイクロシステム、マイクロ加工された走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）プローブチップ、有害な化学および生物物質の検出のためのバイオチップ、および、高スループットドラッグスクリーニングおよび選択のためのマイクロシステムである。
【０００８】
通信
共鳴トンネルデバイスの使用により得られ得る進歩に加えて、高周波回路もまた、ＲＦ−ＭＥＭＳ技術の出現により大きく恩恵を受け得る。ＭＥＭＳ技術を用いて作製したインダクタおよびチューナブルキャパシタなどの電気部品は、現在の対応する集積回路に比較して、有意により良く性能し得る。そのような部品を集積することにより、通信回路の性能が改善され得る一方、総回路面積、消費電力およびコストが減少し得る。さらに、いくつかの研究グループによって開発されているように、ＭＥＭＳ機械的スイッチは、様々なマイクロ波回路において多大な潜在能力を秘めたキー部品となり得る。デモンストレーションされたＭＥＭＳ機械的スイッチのサンプルは、以前に利用可能であったいかなるものよりもずっと高いＱファクターを有している。ＲＦ−ＭＥＭＳ部品の信頼性、高精度チューニング、そしてパッケージングは、ＲＦ−ＭＥＭＳ部品が市場においてより幅広く受け入れられるために解決されなければならない重要な問題点である。
【０００９】
マイクロ光学の進歩ならびにフォトニック結晶を用いた新しい光学デバイスの導入によりまた、通信技術は恩恵を受け得る。
【００１０】
加速度計
ＭＥＭＳ加速度計は、自動車両の衝突エアバッグ作動システムにおいて、従来の加速度計に急速にとって代わりつつある。従来のアプローチは、車の前部に実装された別個の部品からなるいくつかのかさ高い加速度計と、エアバッグ近傍の別の電子系とを用いるものである。ＭＥＭＳ技術は、従来のアプローチのコストの１／５から１／１０のコストで、加速度計と電子系とを単一のシリコンチップ上に集積することを可能にした。従来のマクロスケールの加速度計素子に比較して、これらのＭＥＭＳ加速度計はずっと小さく、より機能的であり、より軽く、また信頼性が高い。
【００１１】
マイクロ回路
電子回路のサイズの縮小もまた、ＭＥＭＳ技術が多くの分野に影響し得る領域である。これらのマイクロ回路において部品や接続の密度が高まるにつれ、加工公差は減少する。マイクロ回路の製造における一つの難題は、だんだん位置が近くなりつつある部品やナノ配線間の短絡を防ぐことにある。これらの欠陥を補修する能力を有するマイクロ加工方法によって、歩留まりは有意に増大され得る。
【００１２】
サブミクロン要素のマイクロ加工は、電子ビーム、紫外線ビーム、およびＸ線リソグラフィ機、ならびに集束イオンビーム機によって支配される領域であった。これらの高コスト技術は通常、高度な真空またはクリーンルーム条件などの、厳しい環境条件を要求する。あらゆるリソグラフィ方法は、複数のマスクを生成しフォトレジストを用いることを包含する、一連の複雑な手順を必要とする。
【００１３】
ビーム処理法を用いた場合、適正な処理のためには、高いレベルの精度でビームが正確に所望の位置に導かれることをこのプロセスは要求する。現在４つの利用可能な技術（レーザ直接描画、集束イオンビーム描画、マイクロ放電機、および光化学エッチング）だけが、この潜在能力を有する。その他の技術（例えばイオンビーム加工(ion beam milling)）は、平坦なウェハ処理においてのみ望ましい。ただし、レーザ直接描画は、周囲大気中での動作と言うさらなる利点を有する。依然として、サブミクロン要素をレーザの波長よりも小さなレーザビームで形成することは、難しい問題である。
【００１４】
近接場走査型光学顕微鏡(near-field scanning optical microscope)（ＮＳＯＭ）−−時に走査型近接場光学顕微鏡(scanning near-field optical microscope)として知られる−−の近接場放射を用いることによる表面のレーザ加工が、サブミクロン要素をレーザ加工する一手段として提案されている。このように表面をマイクロ加工する一つの方法の可能性が、Ｈ．Ｏｗａｒｉらの日本国特許出願第２０００−５１９７５号、レーザ加工装置及び方法とこれを用いて加工された光学素子に開示されている。Ｏｗａｒｉらは、原子間力顕微鏡のプローブを透過した、短波長紫外レーザからの光を用いて、光学格子をレーザ加工することを開示している。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一実施形態例は、超高速レーザ源を用いて、表面上に要素をレーザ加工するための近接場走査型光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）レーザマイクロ加工システムである。本システムは、１ｎｓ未満のパルス期間およびピーク波長を有するレーザ光パルスを生成する超高速レーザ源と、実質的に円柱形状を有するＮＳＯＭプローブと、ＮＳＯＭプローブおよび加工されるマイクロ構造ワークピースを制御可能に保持するＮＳＯＭマウントと、ＮＳＯＭプローブのプローブチップと表面との間の距離を決定するための、ＮＳＯＭマウントに結合されたＮＳＯＭプローブモニタと、ＮＳＯＭプローブモニタおよびＮＳＯＭマウント中の移送台に結合されたＮＳＯＭ制御器とを有する。ＮＳＯＭプローブは、一端の入射面と、レーザ光パルスのピーク波長の２乗未満の断面積を有する他端のプローブチップと、入射面からプローブチップに実質的に延びる光透過性コアと、プローブチップの近隣において、ＮＳＯＭプローブの側面の一部上に形成された放射閉じ込めコーティングとを有する。光透過性コアは、入射面を介して超高速レーザ源に光学的に結合される。ＮＳＯＭマウントは、ＸＹ移送台およびＺ移送台を有する。これらの移送台がＮＳＯＭプローブまたはマイクロ構造ワークピースに結合され、あるいは１つの移送台が各々に結合される。ＮＳＯＭ制御器は、ＮＳＯＭプローブモニタによって決定されたＮＳＯＭプローブのプローブチップとマイクロ構造ワークピースの表面との間の距離に基づいて、ＮＳＯＭプローブまたはマイクロ構造ワークピースのいずれか（どちらがＺ移送台に結合されているかに依存して）の垂直位置を制御する。ＮＳＯＭ制御器は、マイクロ構造ワークピースの表面上にレーザ加工されるべき要素に基づいて、ＮＳＯＭプローブまたはマイクロ構造ワークピースのいずれか（どちらがＸＹ移送台に結合されているかに依存して）の水平位置を制御する。
【００１６】
本発明の別の実施形態例は、超高速レーザ源およびＮＳＯＭを用いて、マイクロ構造ワークピース上に要素をレーザ加工する方法である。マイクロ構造ワークピースはＮＳＯＭに装着される。ＮＳＯＭプローブのプローブチップとマイクロ構造ワークピースの表面との間の距離を決定する。この距離は、加工距離に実質的に等しいように制御される。超高速レーザ源を用いて、１ｎｓ未満のパルス期間およびピーク波長を有するレーザ光パルスを生成する。これらのレーザ光パルスをＮＳＯＭプローブ中に結合し、レーザ光パルスの近接場モード部分を、ＮＳＯＭプローブのプローブチップを介して、プローブチップの位置に対応するマイクロ構造ワークピースの表面の近接場照射エリア上に結合する。レーザ光パルスの近接場モード部分が、近接場照射エリアをレーザ加工する。ＮＳＯＭプローブおよびマイクロ構造ワークピースのうち少なくとも一方を、要素に対応する表面の要素領域上をプローブチップがスキャンされるように移動する。プローブチップがスキャンされている間、プローブチップと表面との間の距離を決定し、プローブチップと表面との間の距離が加工距離に実質的に等しく維持されるように、制御する。また、プローブチップがスキャンされる間、レーザ光パルスが生成されてＮＳＯＭプローブ中に結合されており、またレーザ光パルスの近接場モード部分がプローブチップを介して近接場照射エリア上に結合されていることにより、マイクロ構造ワークピースの表面上に、要素がレーザ加工される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明は、以下の詳細な説明を添付の図面とともに読んだときもっともよく理解される。一般に行われるように、図面の様々な要素は縮尺通りではないことを強調しておく。逆に、明瞭さのために様々な要素の寸法を任意に拡大または縮小している。図面には以下の図が含まれる。
【００１８】
ＮＳＯＭは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）と同じ原理の多くを用いて、正確に表面のプロファイルを採る。ＮＳＯＭプローブチップからの近接場放射を用いてこれら表面をレーザマイクロ加工することにより、非近接場放射および自由空間光学系を用いることに比べて、いくつかの利点が得られ得る。これらの利点としては、ＮＳＯＭプローブチップの高精度な位置決め制御および、最小要素サイズが減少することが含まれ得る。ＮＳＯＭデバイスにおいて用いられる高精度移送台を用いて、高精度な水平および垂直位置決め制御を得ることができる。また、ＮＳＯＭにより表面のプロファイルを採る能力は、有意な近接場放射を表面に結合するために望まれる、プローブチップの正確な垂直位置決めを可能にする。
【００１９】
近接場放射を用いた本発明のＮＳＯＭレーザ加工システム例により加工され得る最小要素サイズは、近接場放射の生成に用いられるレーザ光の波長ではなく、ＮＳＯＭプローブチップのサイズによって決定される。このことにより、同じレーザ源からの自由空間レーザビームの回折限界のスポットサイズよりも小さな表面上のエリアを、Ｏｗａｒｉらによって開示されるようなレーザ加工装置によって加工することが可能になる。ただし、レーザの波長は依然として問題になる。なぜなら、レーザの波長は、光がＮＳＯＭプローブチップを介して近接場に結合する効率に影響するからである。したがってＯｗａｒｉらは、そのＮＳＯＭプローブチップの円形の断面の直径におよそ等しい波長を有する短波長ＵＶレーザの使用を開示している。
【００２０】
図１は、本発明のＮＳＯＭレーザマイクロ加工システム例の、単純化したブロック図を示す。量子セルラーオートマトン、結合量子ドットデバイス、共鳴トンネルデバイス、多機能光学アレイ、回折光学素子、ビームシェーパー、マイクロレンズアレイ、光学ディフューザ、ビームスプリッタ、レーザダイオード補正器、微細ピッチ格子、フォトニック結晶、マイクロ電気機械システム、マイクロ回路、マイクロ表面弾性波デバイス、マイクロメカニカルオシレータ、ポリメラーゼ連鎖反応マイクロシステム、有害な化学および生物物質検出のためのバイオチップ、高スループットドラッグスクリーニングおよび選択マイクロシステム、および他のマイクロ構造を形成するための鋳型が、本発明のＮＳＯＭレーザマイクロ加工システム例によって加工され得るマイクロ構造の例である。このようなシステム例を用いて、これらマイクロ構造を、製造、補修、または大量カスタマイゼーションすることができる。このシステム例は、レーザ光パルスを生成しワークピース１１２まで伝達させるための超高速レーザ源１００、光ファイバ１０６、ＮＳＯＭプローブホルダ１０８、およびＮＳＯＭプローブ１１０、ならびに光ビーム１０２を光ファイバ１０６に結合するレンズ１０４および、ＮＳＯＭプローブ１１０を位置決めするための多くのＮＳＯＭ部品を有している。
【００２１】
なお、図１のシステム例において超高速レーザ源を用いることに特に留意されたい。超高速レーザ源は、より長いパルスのレーザ源（すなわちパルス期間＞１ｎｓのレーザ）やＣＷレーザ源よりも、有意に高いピークパワーを提供し得る。これらの高ピークパワーは、プローブチップを介してレーザ光が近接場に結合されるときの低効率性を克服するために望ましい。ＮＳＯＭプローブ１１０により高いピークパワーを提供することにより、超高速レーザ源１００の波長に比べさらに小さなＮＳＯＭプローブチップを用いることが可能である。
【００２２】
２００４年３月４日付けで出願されMETHOD OF PRECISE LASER NANOMACHINING WITH UV ULTRAFAST LASER PULSESの名称を有する、Ｍ．Ｌｉの米国特許出願第１０／７９３，５４３号に開示されるように、非近接場レーザ加工アプリケーションにおける超高速レーザの使用は、レーザ加工される要素の周囲の熱影響ゾーンを有意に減少させることが示されている。熱影響ゾーンの減少は、レーザ加工された要素の品質を劇的に改善し得る。同じ利点が、本発明において超高速レーザ源１００をＮＳＯＭレーザマイクロ加工システムの一部として用いることにより、得られ得る。また、超高速レーザパルスのピークパワーが増大することは、ＮＳＯＭプローブ１１０のプローブチップを介してより高いパワー量を近接場モード部分に結合し得ることを意味する。この近接場モード部分におけるより高いパワー量は、各レーザ光パルスが、マイクロ構造ワークピース１１２のワークピース材料のより大きな深さを加工することを可能にする。
【００２３】
図１のシステム例において、超高速レーザ源１００は望ましくは、超高速レーザ加工アプリケーションにおいて典型的に用いられる任意のタイプの固相利得媒体を含み得る。例えば、Ｃｒ：ＹＡＧ（ピーク基本波長、λf＝１５２０ｎｍ）、Ｃｒ：苦土カンラン石（λf＝１２３０−１２７０ｎｍ）、Ｎｄ：ＹＡＧおよびＮｄ：ＹＶＯ4（λf＝１０６４ｎｍ）、Ｎｄ：ＧｄＶＯ4（λf＝１０６３ｎｍ）、Ｎｄ：ＹＬＦ（λf＝１０４７ｎｍおよび１０５３ｎｍ）、Ｎｄ：ガラス（λf＝１０４７−１０８７ｎｍ）、Ｙｂ：ＹＡＧ（λf＝１０３０ｎｍ）、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ（λf＝８２６−８７６ｎｍ）、Ｔｉ：サファイア（λf＝７６０−８２０ｎｍ）、およびＰｒ：ＹＬＦ（λf＝６１２ｎｍ）である。これらの固相利得媒体は、エルビウムドーピングされたファイバレーザおよびダイオードレーザなどの標準的な光ポンピングシステムを用いて励起され得る。これらの標準的な光ポンピングシステムの出力パルスは、固相利得媒体に直接結合されてよく、あるいは固相利得媒体を励起するために用いられる前に、高調波生成を経てもよい。固相利得媒体（単数または複数）は、レーザ発振器、シングルパス増幅器(single pass amplifier)、および／またはマルチプルパス増幅器(multiple pass amplifier)のうち１つ以上として動作するように構成され得る。この素子はまた、レーザ光を実質的に平行光化するための光学系を有する。超高速レーザ源１００は、約１ｎｓ未満の期間を有するレーザ光パルスを生成する。これらのパルスは望ましくは、約２０ｐｓ未満の期間を有し得、多くの場合においてその期間は２００ｆｓ未満であり得る。超高速レーザ源１００によって生成されるレーザ光パルスは望ましくは、ほぼフーリエ変換限界であり得る。レーザ源１００の出力パワーを増大するために、ＸｅＣｌ、ＫｒＦ、ＡｒＦまたはＦ2エキシマ増幅器（図示せず）などの、追加的な非固相のシングルまたはマルチプルパス増幅器を含めてもよい。または、レーザ源１００は、エキシマレーザシステム（例えばＸｅＣｌ、λf＝３０８ｎｍ、ＫｒＦ、λf＝２４８ｎｍ、ＡｒＦ、λf＝１９３ｎｍ、またはＦ2、λf＝１５７ｎｍ）、あるいは色素レーザシステム（例えば７−ジエチルアミノ−４−メチルクマリン、λf＝４３５−５００ｎｍ、安息香酸、２−［６−（エチルアミノ）−３−（エチルイミノ）−２，７−ジメチル−３Ｈ−キサンテン−９−イル］−エチルエステル、一塩酸塩、λf＝５５５−６２５ｎｍ；４−ジシアンメチレン−２−メチル−６−（ｐ−ジメチルアミノスチリル）−４Ｈ−ピラン、λf＝５９８−７１０ｎｍ；または２−（６−（４−ジメチルアミノフェニル）−２，４−ネオペンチレン−１，３，５−ヘキサトリエニル）−３−メチルベンゾチアゾリウム過塩素酸塩、λf＝７８５−９００ｎｍ）を含み得る。
【００２４】
超高速レーザ源１００が約４００ｎｍ未満のピーク波長を有することが望ましくあり得る。この部品内において、レーザ光パルスのピーク波長を減少させるために高調波生成結晶を用い得る。望ましくは、周波数２逓倍、１５０ｆｓのＴｉ：サファイアレーザ（例えばＣｌａｒｋ ＭＸＲ ＣＰＡ２０００）を超高速レーザ源１００として用い得る。
【００２５】
また、超高速レーザ源１００は、レーザビーム出力の強度、偏光および／または平行化を制御するための光学系を含んでいてもよい。超高速レーザ源１００により生成されたレーザ光パルスの偏光を制御するために、偏光制御器が含まれていてもよい。これらのパルスは望ましくは円偏光であり得る。また、シャッタおよび／または可変アッテネータを超高速レーザ源１００に含み得る。これらの部品は、マイクロ構造ワークピース１１２の表面上における要素のレーザ加工を制御するためのＮＳＯＭの制御回路（図示せず）に、結合され得る。
【００２６】
レーザ源１００の出力は、レンズ１０４によって光ファイバ１０６に集束され得る。光ファイバ１０６は、レーザ光パルスのピーク波長近傍において低吸収率を有する導波路材料から形成された、ファイバコアを望ましくは有する。光ファイバ１０６はＮＳＯＭプローブ１１０の一部であってもよく、光ファイバ１０６の切断端がＮＳＯＭプローブ１１０の入射面として機能してもよい。これはシステムの結合ロスを減少させるために望ましい。ＮＳＯＭプローブ１１０（その光ファイバ部分１０６を含む）は、ＮＳＯＭプローブホルダ１０８内に保持される。
【００２７】
あるいは、光ファイバ１０６はＮＳＯＭプローブ１１０と別であってもよい。この別の実施形態においては、ＮＳＯＭプローブ１１０は単にプローブチップからＮＳＯＭプローブホルダ１０８中に延びていればよい。光ファイバ１０６は、ＮＳＯＭプローブ１１０の端部の入射面を介して、レーザ光パルスをＮＳＯＭプローブ１１０に伝達する。光ファイバ１０６とＮＳＯＭプローブ１１０との両方が、ＮＳＯＭプローブホルダ１０８内に保持される。光ファイバ１０６およびＮＳＯＭプローブ１１０は、ＮＳＯＭプローブへのレーザ光パルスの低損失結合を可能にするように位置揃えされる。ＮＳＯＭプローブ１１０の入射面は望ましくはファイバ切断端であり、光ファイバ１０６の切断端の断面積におおよそ等しい入射面積を有している。ＮＳＯＭプローブホルダ１０８は、光ファイバ１０６とＮＳＯＭプローブ１１０とを光学的に結合することを助けるために、ボールレンズなどの光学系を有していてもよい。なお、分散効果を減少させるために、光ファイバ１０６を用いずに光ビーム１０２のパルスをＮＳＯＭプローブ１１０に直接結合してもよいが、これはシステムの位置揃えを複雑にし得ることに留意されたい。
【００２８】
ＮＳＯＭプローブ１１０は、実質的に円柱形状に形成される。なお、この実質的な円柱形状の有する断面形状は、望ましくはＮＳＯＭプローブ１１０の入射面として作用する端部近傍において光ファイバ１０６と同様であるが、このことは必ずしも必要ではないことに留意されたい。ＮＳＯＭプローブ１１０の断面形状は望ましくは円形またはその他の楕円形状であるか、あるいは長方形などの導波路に用いられる他の形状であってもよく、その長さに沿ってサイズまたは形状が変化してもよい。例えば、ＮＳＯＭプローブ１１０の実質的に円柱の形状は、端部近傍でテーパーすることによってプローブチップを作り出す。また、ＮＳＯＭプローブ１１０の実質的に円柱の形状は、図１に示すようにその軸に沿って曲げを有していてもよい。
【００２９】
図３は、ＮＳＯＭプローブ例１１０の先端部のクローズアップ図である。入射面を含むＮＳＯＭプローブの端部は図３には図示していない。ＮＳＯＭプローブ１１０の入射面とは反対側の端部に位置するプローブチップ３１０を示している。図示のようにＮＳＯＭプローブ１１０は、光透過性コア３００の部分および、クラッディング層３０２の部分を有している。プローブチップ３１０において、光透過性コア３００とクラッディング層３０２との材料は区別不能であり得、図３のチップ例のチップ領域において、これらの材料を分ける鎖線によって示している。近接場３０６が発生するＮＳＯＭプローブチップ３１０は望ましくは、レーザ光パルスのピーク波長の二乗未満の断面積を有しかつ楕円形の断面形状を有することにより、マイクロ構造ワークピース１１２の近接場照射エリア３０８において、ピーク波長より短い軸を有する相似な楕円形状の加工を可能にする。
【００３０】
光透過性コア３００は望ましくは、入射面からプローブチップ３１０まで延び、入射面において光ファイバ１０６を介して超高速レーザ源１００に光学的に結合する。光ファイバ１０６のファイバコアと同様に、ＮＳＯＭプローブ１１０の光透過性コア３００は、レーザ光パルスのピーク波長近傍において低吸収率を有する材料から形成されており、望ましくは同じ導波路材料から形成され得る。クラッディング層３０２は望ましくは、入射面からプローブチップ３１０まで延びて、レーザ光パルスを透過性コア３００内に閉じ込めることをたすけるが、これ無しで十分な閉じ込めが起こり得るならば省略可能である。
【００３１】
また、放射閉じ込めコーティング３０４がＮＳＯＭプローブ１１０上に形成され、プローブチップ３１０の近隣からプローブの側面に沿って延びる。放射閉じ込めコーティング３０４は、ＮＳＯＭプローブ１１０のうち特に漏れが大きい部分（例えばプローブチップ３１０近くの狭い部分や、曲率半径がタイトである任意の部分）において、レーザ光パルスの光透過性コア３００中へのさらなる閉じ込めを提供する。さらに、放射閉じ込めコーティング３０４が無いことで、実質的にプローブチップ３１０のエリアが規定される。これは入射面に隣接する開口部まで延びてもよく、あるいはこの距離の一部だけ延びていてもよい。ＮＳＯＭプローブが９０°の曲げを有している実施形態例においては、図４に示すように、放射閉じ込めコーティング３０４は少なくとも曲げの周りに延びていることが望ましい。放射閉じ込めコーティング４０３は、レーザ光パルスのピーク波長近傍において高反射率を有し、望ましくはこの帯域においても低吸収率を有する。少なくとも１つの金属および／または誘電体層が含まれ得る。さらに、図４に示すように、ＮＳＯＭプローブ１１０の位置を光学的に監視することに用い得る光に対して、放射閉じ込めコーティング３０４は実質的に反射性であることが望ましくあり得ることに留意されたい。
【００３２】
図１にもどって、ＮＳＯＭプローブホルダ１０８はＮＳＯＭプローブ１１０を制御可能に保持および位置決めするように、ＮＳＯＭマウントに結合される。ＮＳＯＭマウントはまた、ＮＳＯＭプローブ１１０に対してマイクロ構造ワークピース１１２を制御可能に保持および位置決めする。ＮＳＯＭマウントは、ヒンジ１２０によってＮＳＯＭベース１１４に接続された上部サポート１１８を有する。この構成により、ＮＳＯＭプローブ１１０を容易にマイクロ構造ワークピース１１２から取り外して、プローブの検査および／または取り替え、あるいはワークピースの装着および取り外しを行うことが可能になる。マイクロ構造ワークピース１１２上におけるＮＳＯＭプローブ１１０の粗垂直あるいはＺ位置決めは、リードねじ（図示せず）またはステッパモータ（図示せず）に結合され得るセットねじ１２２を用いて、達成し得る。図１のＮＳＯＭマウント例はまた、マイクロ構造ワークピース１１２が装着されるワークピース位置決め部１１６を有する。ワークピース位置決め手段１１６はＮＳＯＭベース１１４に結合される。なお、図１の実施形態例はマイクロ構造ワークピース１１２をＮＳＯＭプローブ１１０に対して位置決めするためのワークピース位置決め手段１１６を含むが、ＮＳＯＭプローブ１１０をマイクロ構造ワークピース１１２に対して位置決めする位置決め手段を、ワークピース位置決め手段１１６に加えてあるいはこの代わりに用い得ることが当業者には理解されることに留意されたい。
【００３３】
ワークピース位置決め手段１１６は例えば、マイクロメートル分解能を持つコンピュータ制御ＸＹＺ移送台（例えばＢｕｒｌｅｉｇｈ製のミクロン分解能ＸＹＺ移送台）を有する。またナノメートル分解能を持つコンピュータ制御圧電ＸＹ移送台（例えばＱｕｅｅｎｓｇａｔｅ製の圧電ＸＹ移送台）を有してもよい。微妙なＺ位置決めは、ワークピース位置決め手段１１６において圧電Ｚ移送台を用いることにより達成され得る。ワークピース位置決め手段１１６のこれらのコンピュータ制御移送台を、レーザマイクロ加工システムのＮＳＯＭをマイクロ構造ワークピース１１２の表面上に位置決めするために用い得、マイクロメートル分解能ＸＹＺ移送台が粗い位置決めを提供し、圧電移送台が微妙な位置決めを提供する。あるいは、ナノメートル分解能が可能な、その他の微移送台を用いて微妙な位置決めを提供してもよい。
【００３４】
本発明のＮＳＯＭレーザマイクロ加工システム例はまた、ＮＳＯＭ制御システムを有する。本発明によるＮＳＯＭ制御システム例を図４および５に示す。これらのＮＳＯＭ制御システム例は、ＮＳＯＭプローブモニタおよびＮＳＯＭ制御器（ＮＳＯＭプローブモニタ、圧電ＸＹ移送台、および圧電Ｚ移送台に結合されている）を有している。ＮＳＯＭプローブモニタは、ＮＳＯＭプローブ１１０のプローブチップ３１０とマイクロ構造ワークピース１１２の表面との間の距離を決定する。
【００３５】
ＮＳＯＭ制御器（図示せず）はこの距離情報を用いて、Ｚ移送台（単数または複数）に信号を送ることにより、どちらが位置決め手段に結合されているかに依存して、ＮＳＯＭプローブ１１０またはマイクロ構造ワークピース１１２のいずれか（あるいは両方）の垂直位置を制御する。ＮＳＯＭ制御器はまた、マイクロ構造ワークピース１１２の表面上にレーザ加工されるべき要素に基づいて、ＸＹ移送台（単数または複数）に信号を送ることにより、ＮＳＯＭプローブ１１０またはマイクロ構造ワークピース１１２のいずれかの水平位置を制御する。ＮＳＯＭ制御器は回路またはＡＳＩＣを含み得、また、ＮＳＯＭプローブモニタからの距離情報およびマイクロ構造ワークピースの表面上に加工されるべき要素に関する入力データに応じて移送台を駆動するようにプログラミングされた、汎用コンピュータを含み得る。
【００３６】
図４および５は、原子間力測定を行う光学手段に基づいた、２つのＮＳＯＭプローブモニタ例を示す。図４の実施形態例は、９０°の曲げを有するＮＳＯＭプローブを含み、図５の実施形態例は、まっすぐなＮＳＯＭプローブを含む。ＮＳＯＭプローブ１１０のこれらの別の実施形態は単に例示であり、限定的なものではない。
【００３７】
図４および５におけるＮＳＯＭプローブモニタ例のそれぞれは、ＮＳＯＭプローブホルダ１０８をＮＳＯＭ上部サポート１１８に結合する片持ちアーム４００を用いる。ＮＳＯＭ上部サポート１１８は実質的に剛性であり、片持ちアーム４００は、マイクロ構造ワークピース１１２の表面の実質的に法線方向において、ＮＳＯＭ上部サポート１１８に対し較正された量だけ移動し得る。この較正された移動は、プローブチップ３１０とマイクロ構造ワークピース１１２の表面との間の原子間力に応じた、片持ちアーム４００の撓み、あるいは片持ちアーム４００とＮＳＯＭ上部サポート１１８との間の結合部（図示せず）における片持ちアーム４００の旋回により、得られ得る。あるいは、ＮＳＯＭプローブ１１０は、片持ちアーム４００に結合されたＮＳＯＭプローブオシレータによって、周期的に往復振動されてもよい。ＮＳＯＭプローブ１１０のこの周期的往復振動の振幅は望ましくは小さく、０から２０ｎｍの範囲である。ＮＳＯＭプローブ１１０のこの周期的往復振動の周期または振幅のうちいずれか一方あるいは両方の変化が、較正された移動をプローブモニタに提供し得る。
【００３８】
図４のＮＳＯＭプローブモニタ例は、光が放射閉じ込めコーティング３０４から直接反射される、光学的感知方法を包含する。光源４０２は、実質的に剛性の上部サポート１１８に結合されており、少なくとも２つの光学領域４０４を有する光検出器もまた同様である。光源４０２は、実質的に平行化された光ビームを生成する。この実質的に平行化された光ビームは、放射閉じ込めコーティング３０４から反射され、光検出器によって検出される。プローブチップ３１０とマイクロ構造プリフォーム１１２の表面との間の原子間力に応答してＮＳＯＭプローブ１１０が上下動するにつれ、片持ちアーム４００は撓みあるいは旋回し、光源４０２からの実質的に平行化された光ビームと放射閉じ込めコーティング３０４との間の入射角を変化させる。これは、実質的に平行化された光ビームが光検出器に入射する位置を変化させる。片持ち撓みもまた入射位置を変化させ得、これによってさらに実質的に平行化された光ビームが光検出器に入射する位置が変化し得る。さらに、原子間力によってＮＳＯＭプローブ１１０が撓む可能性があるが、これもまた検出され得る。複数の検出器領域４０４は、各検出器領域によって検出された光の量に基づいて、光検出器が信号を生成することを可能にする。ＮＳＯＭ制御器中の処理手段は、この検出器信号を受け取り、光検出器の各検出器領域４０４によって検出された光の量に基づいて、ＮＳＯＭプローブのプローブチップとマイクロ構造ワークピースの表面との間の距離を決定し得る。処理手段によるこの距離決定は、ＮＳＯＭプローブのプローブチップとマイクロ構造ワークピースの表面との間の距離が所望の距離より大きいか小さいかを決定し表示することを包含するか、あるいは較正された距離読み取り値を提供し得る。
【００３９】
図５のＮＳＯＭプローブモニタ例は、光が片持ちアーム４００に結合された反射性の平坦な表面５００から反射される、別の光学的感知方法を用いる。光源４０２からの実質的に平行化された光ビームは、反射性の平坦な表面５００から反射され、光検出器によって検出され、実質的に平行化された光ビームが光検出器に入射する位置を変化させる。そして、図４の実施形態例と同様に、ＮＳＯＭプローブ１１０にかかる原子間力、ひいてはＮＳＯＭプローブのプローブチップとマイクロ構造ワークピースの表面との間の距離を、光信号の検出器信号から決定する。
【００４０】
あるいは、ＮＳＯＭプローブモニタ例は、ＮＳＯＭプローブにかかる原子間力を検出する別の手段に基づいていてもよい。原子間力顕微鏡に用いられる任意の手段を、本発明において用い得る。例えば、音叉方法を用いた場合、マッチングされた一対の音叉の共振周波数を比較する。１つの音叉をＮＳＯＭプローブに結合することにより、プローブにかかる力が音叉の共振周波数に影響するようにする。そして音叉の共振周波数の差を、ＮＳＯＭプローブにかかる原子間力に相関させる。
【００４１】
図２は、本発明によるＮＳＯＭおよび超高速レーザ源を用いて、マイクロ構造ワークピース上に要素をレーザ加工する方法例を示す。図１のＮＳＯＭレーザマイクロ加工システム例を、この方法例を実行するために用い得る。マイクロ構造ワークピース１１２をＮＳＯＭに装着する（ステップ２００）。ＮＳＯＭプローブ１１０のプローブチップ３１０とマイクロ構造ワークピース１１２の表面との間の距離を決定する（ステップ２０２）。図４および５の実施形態例を参照して上述したように、この距離は望ましくは、プローブチップ３１０と表面との間の原子間力を検出することにより決定され得る。
【００４２】
次にプローブチップ３１０とマイクロ構造ワークピース１１２の表面との間の距離を、所望の加工距離に実質的に等しくなるように制御する（ステップ２０４）。所望の加工距離は、レーザ光パルスのピークパワー、そのピーク波長、プローブチップ３１０のサイズ、および達成すべき加工のタイプを含むいくつかのファクターに基づくが、望ましくは、表面の加工に用いられる光パルスの波長の約半分までの範囲である。ＮＳＯＭプローブ１１０のプローブチップ３１０とマイクロ構造ワークピース１１２の表面との間の距離は望ましくは、圧電またはその他の微移送Ｚ移送台を用いてＮＳＯＭプローブまたはマイクロ構造ワークピースのいずれかの垂直位置を制御することにより、制御される。移送台に印加される駆動電圧の量は、ステップ２０２で決定したプローブチップ３１０とマイクロ構造ワークピース１１２の表面との間の距離に基づく。プローブチップ３１０とマイクロ構造ワークピース１１２の表面との間の距離は、５ｎｍ未満の公差で制御されることが望ましい。
【００４３】
ステップ２０２および２０４においてＮＳＯＭがプローブチップを位置決めする際、超高速レーザ源１００を用いて、約１ｎｓ未満のパルス期間を有するレーザ光パルスを生成する（ステップ２０６）。超高速レーザ源１００によって生成される初期レーザ光パルスから、高調波生成結晶を用いてより短いピーク波長を有するレーザ光パルスを生成し得る。さらに、アッテネータをレーザ源１００に含めることにより、レーザ光パルスのフルエンスを制御し、所定の近接場加工フルエンスを有するレーザ光パルスを生成してもよい。偏光制御器は、パルスの偏光を実質的に円であるように調整する。得られるレーザ光パルスをＮＳＯＭプローブ１１０中に結合する（ステップ２０８）。
【００４４】
図３に示すように、プローブチップ３１０とマイクロ構造ワークピース１１２の表面との間の距離がステップ２０４において所望の加工距離に設定され、ステップ２０８においてＮＳＯＭプローブ１１０中に結合されれば、これらのレーザ光パルスの近接場モード部分３０６を、ＮＳＯＭプローブのプローブチップ３１０を介して伝達し、マイクロ構造ワークピース１１２の表面の近接場照射エリア３０８上に消失的に結合する（ステップ２１０）。この結果、近接場照射エリア３０８が近接場モード部分３０６によってレーザ加工される。近接場照射エリア３０８は望ましくは、プローブチップ３１０の形状およびサイズを模倣しており、プローブチップ３１０の水平位置に対応している。図３を参照して上述したように、プローブチップ３１０は望ましくは楕円形の断面形状を有し、かつレーザ光パルスのピーク波長の二乗未満のチップ面積を有する。ステップ２１０における近接場照射エリア３０８のレーザ加工は、近接場照射エリアにおいてマイクロ構造ワークピースのワークピース材料をアブレーションすること、近接場照射エリアにおいてマイクロ構造ワークピースの表面に堆積材料をレーザ補助化学蒸着すること、近接場照射エリアにおいてマイクロ構造ワークピースの表面のフォトレジストを露光すること、近接場照射エリアにおいてマイクロ構造ワークピースのワークピース材料の屈折率を変更すること、近接場照射エリアにおいてマイクロ構造ワークピースのワークピース材料の格子構造を変更すること、および近接場照射エリアにおいてマイクロ構造ワークピースのワークピース材料の化学組成を変更することを含む。
【００４５】
加工されるべき微細要素のすべてが加工されたかどうかを決定する（ステップ２１２）。要素のすべてが加工されれば、要素のレーザ加工は完了し（ステップ２１６）、マイクロ構造ワークピースをＮＳＯＭから除去し得る。もしまだであれば、プローブチップ３１０を、マイクロ構造ワークピース１１２の表面の加工されていない部分（要素のある部分に対応する）に移動する（ステップ２１４）。これは、ＮＳＯＭプローブ１１０またはマイクロ構造ワークピース１１２のいずれかを移動させることにより行い得る。
【００４６】
本方法例はステップ２０２および２０４を通って戻ることによりプローブチップ３１０と表面との間を加工距離に実質的に等しく維持し、ステップ２０６、２０８、２１０および２１２を通って戻ることにより、プローブチップ３１０の各新しい位置において、要素の対応する部分をレーザ加工する。このように、この移動は、要素に対応して、マイクロ構造ワークピースの表面の全要素領域にわたってプローブチップをスキャンさせる。
【００４７】
超高速レーザ源１００がレーザ光パルスを生成するための超高速レーザ発振器およびパルスの出射を制御するためのシャッタを有する場合には、要素領域を含んだマイクロ構造ワークピース１１２の表面のより大きな部分上を、プローブチップ３１０はスキャンされ得る。要素領域上をプローブチップ３１０がスキャンしているときにシャッタを開けることにより、微細要素のレーザ加工を許可し、表面の他の領域上をプローブチップがスキャンしているときにはシャッタを閉じることにより、マイクロ構造ワークピース１１２の表面のこれらの他のスキャンされた領域が、不用意にレーザ加工されてしまうことを防ぐ。
【００４８】
本発明は、近接場放射を用いて、マイクロ構造ワークピースの表面をレーザ加工するシステム例および方法例を包含する。これらの方法例を使用することにより、周囲雰囲気条件において、大きく簡素化されかつ高精度なマイクロ加工が可能になる。このような技術は、マイクロ構造およびナノテクノロジーを、より一般に使用されるよう導くたすけとなり得る。本発明を特定の実施形態について図示および説明したが、本発明は示された詳細に限定されるものではない。むしろ、請求項の均等物の範疇・範囲内において、本発明から逸脱することなく、詳細について様々な改変をなし得る。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明によるＮＳＯＭレーザマイクロ加工システム例のブロック図である。
【図２】本発明による、マイクロ構造の要素をレーザ加工する方法例を示す、フローチャートである。
【図３】本発明によるＮＳＯＭプローブ例の、ＮＳＯＭプローブ例の直径に沿って切った側破断図である。
【図４】本発明による、ＮＳＯＭプローブ、プローブホルダ、およびプローブ位置監視構成例の側面図である。
【図５】本発明による、別のＮＳＯＭプローブ、プローブホルダ、およびプローブ位置監視構成例の側面図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超高速レーザ源を用いてマイクロ構造ワークピースの表面上に要素をレーザ加工するための近接場走査型光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）であって、前記ＮＳＯＭは、
１ｎｓ未満のパルス期間およびピーク波長を有するレーザ光パルスを生成する前記超高速レーザ源と、
実質的に円柱形状を有するＮＳＯＭプローブであって、
前記ＮＳＯＭプローブの一端の入射面と、
前記ＮＳＯＭプローブの他端のプローブチップであって、前記レーザ光パルスの前記ピーク波長の２乗未満の断面積を有するプローブチップと、
前記入射面から前記プローブチップに実質的に延びる光透過性コアであって、前記入射面を介して前記超高速レーザ源に光学的に結合された、光透過性コア部分と、
前記プローブチップの近隣において、前記ＮＳＯＭプローブの側面の一部上に形成された放射閉じ込めコーティングと、
を有する、ＮＳＯＭプローブと、
前記ＮＳＯＭプローブおよび前記マイクロ構造ワークピースを制御可能に保持するＮＳＯＭマウントであって、
前記ＮＳＯＭプローブまたは前記マイクロ構造ワークピースのうち一方に結合されたＸＹ移送台と、
前記ＮＳＯＭプローブまたは前記マイクロ構造ワークピースのうち一方に結合されたＺ移送台と、
を有する、ＮＳＯＭマウントと、
前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップと前記マイクロ構造ワークピースの前記表面との間の距離を決定するための、前記ＮＳＯＭマウントに結合されたＮＳＯＭプローブモニタと、
前記ＮＳＯＭプローブモニタ、前記ＸＹ移送台、および前記Ｚ移送台に結合されたＮＳＯＭ制御器であって、
前記ＮＳＯＭプローブモニタによって決定された前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップと前記マイクロ構造ワークピースの前記表面との間の距離に基づいて、前記ＮＳＯＭプローブまたは前記マイクロ構造ワークピースのうち前記Ｚ移送台に結合された前記一方の垂直位置を制御し、
前記マイクロ構造ワークピースの前記表面にレーザ加工されるべき前記要素に基づいて、前記ＮＳＯＭプローブまたは前記マイクロ構造ワークピースのうち前記ＸＹ移送台に結合された前記一方の水平位置を制御する、ＮＳＯＭ制御器と、
を備えている、ＮＳＯＭ。
【請求項２】
前記超高速レーザ源に光学的に結合され、前記レーザ光パルスを前記ＮＳＯＭプローブに伝達する光ファイバをさらに備えており、
前記ＮＳＯＭプローブの前記入射面は、前記光ファイバの断面積におよそ等しい入射面積を有する、
請求項１に記載のＮＳＯＭ。
【請求項３】
前記光ファイバは、前記レーザ光パルスの前記ピーク波長近傍において低吸収率を有する導波路材料から形成されたファイバコアを有している、
請求項２に記載のＮＳＯＭ。
【請求項４】
前記超高速レーザ源は、
前記レーザ光パルスの前記ピーク波長を減少させる高調波生成結晶、
前記要素のレーザ加工を制御する、前記ＮＳＯＭ制御器に結合されたシャッタ、
前記要素のレーザ加工を制御する、前記ＮＳＯＭ制御器に結合されたアッテネータ、または
前記超高速レーザ源によって生成された前記レーザ光パルスの偏光を円偏光に制御する、偏光制御器
のうち少なくとも１つを有する、請求項１に記載のＮＳＯＭ。
【請求項５】
前記レーザ光パルスの前記ピーク波長は約４００ｎｍ未満である、請求項１に記載のＮＳＯＭ。
【請求項６】
前記レーザ光パルスの前記パルス期間は約２０ｐｓ未満である、請求項１に記載のＮＳＯＭ。
【請求項７】
前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップは楕円形の断面形状を有する、請求項１に記載のＮＳＯＭ。
【請求項８】
前記ＮＳＯＭプローブの前記光透過性コアは、前記レーザ光パルスの前記ピーク波長近傍において低吸収率を有する導波路材料から形成されている、請求項１に記載のＮＳＯＭ。
【請求項９】
前記放射閉じ込めコーティングは、前記レーザ光パルスの前記ピーク波長近傍において、低吸収率および高反射率を有する、請求項１に記載のＮＳＯＭ。
【請求項１０】
前記放射閉じ込めコーティングは、金属層または誘電体層のうち少なくとも一方から形成されている、請求項１に記載のＮＳＯＭ。
【請求項１１】
前記ＮＳＯＭプローブは、前記入射面と前記プローブチップとの間に実質的に９０°の曲げを形成しており、
そのことによって、前記ＮＳＯＭプローブの前記光透過性コア中における前記レーザ光パルスの伝播方向が、前記入射面と前記プローブチップとの間で実質的に９０°曲げられる、
請求項１に記載のＮＳＯＭ。
【請求項１２】
前記放射閉じ込めコーティングによってコーティングされた前記ＮＳＯＭプローブの前記側面の前記一部は、前記プローブチップ近隣から、少なくとも前記実質的に９０°の曲げまで延びている、請求項１１に記載のＮＳＯＭ。
【請求項１３】
前記ＸＹ移送台は圧電ＸＹ移送台であり、
前記Ｚ移送台は圧電Ｚ移送台である、
請求項１に記載のＮＳＯＭ。
【請求項１４】
前記ＮＳＯＭマウントは、前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップと前記マイクロ構造ワークピースの前記表面との間の原子間力に応答して、前記ＮＳＯＭプローブの較正された移動を可能にするように構成された、方持ちＮＳＯＭプローブホルダをさらに有しており、
前記ＮＳＯＭプローブモニタは、前記ＮＳＯＭプローブの前記較正された移動に基づいて、前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップと前記マイクロ構造ワークピースの前記表面との間の距離を決定する、
請求項１に記載のＮＳＯＭ。
【請求項１５】
前記ＮＳＯＭマウントは、前記マイクロ構造ワークピースの前記表面に対して実質的に法線方向に前記ＮＳＯＭプローブの周期的往復振動を発生させる、前記方持ちＮＳＯＭプローブホルダに結合されたＮＳＯＭプローブオシレータをさらに有しており、
前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップと前記マイクロ構造ワークピースの前記表面との間の原子間力に応答した、前記ＮＳＯＭプローブの前記較正された移動は、
前記ＮＳＯＭプローブの前記周期的往復振動の周期または、
前記ＮＳＯＭプローブの前記周期的往復振動の振幅
のうち少なくとも一方の変化である、
請求項１４に記載のＮＳＯＭ。
【請求項１６】
前記ＮＳＯＭプローブの前記周期的往復振動の前記振幅は、０から２０ｎｍの範囲である、
請求項１５に記載のＮＳＯＭ。
【請求項１７】
前記ＮＳＯＭプローブモニタは、
実質的に平行化されたビーム光を生成する光源と、
前記ＮＳＯＭプローブおよび前記方持ちＮＳＯＭプローブホルダの一方に結合され、前記実質的に平行化されたビーム光を反射する、反射性平坦面と、
前記反射された実質的に平行化されたビーム光を検出し、各検出器領域によって検出された光量に基づいて信号を生成する少なくとも２つの検出器領域を有する、光検出器と、
前記光検出器によって生成された信号に基づいて、前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップと前記マイクロ構造ワークピースの前記表面との間の距離を決定する、処理手段と、
を有する、請求項１４に記載のＮＳＯＭ。
【請求項１８】
前記ＮＳＯＭプローブモニタは、
前記ＮＳＯＭマウントと、
前記ＮＳＯＭプローブまたは前記マイクロ構造ワークピースのうち一方と、
の間に結合された力計器を有している、請求項１に記載のＮＳＯＭ。
【請求項１９】
超高速レーザ源および近接場走査型光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）を用いて、マイクロ構造ワークピース上に要素をレーザ加工する方法であって、
ａ）前記マイクロ構造ワークピースを前記ＮＳＯＭに装着するステップと、
ｂ）前記ＮＳＯＭのＮＳＯＭプローブのプローブチップと前記マイクロ構造ワークピースの表面との間の距離を決定するステップと、
ｃ）前記プローブチップと前記マイクロ構造ワークピースの前記表面との間の距離を、前記距離が加工距離に実質的に等しいように制御するステップと、
ｄ）前記超高速レーザ源を用いて、１ｎｓ未満のパルス期間およびピーク波長を有するレーザ光パルスを生成するステップと、
ｅ）前記レーザ光パルスを前記ＮＳＯＭプローブ中に結合するステップと、
ｆ）前記レーザ光パルスの近接場モード部分を、前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップを介して、前記プローブチップの位置に対応する前記マイクロ構造ワークピースの前記表面の近接場照射エリア上に結合することにより、前記近接場照射エリアをレーザ加工するステップと、
ｇ）前記ＮＳＯＭプローブまたは前記マイクロ構造ワークピースのうち少なくとも一方を、
ステップ（ｂ）および（ｃ）を繰り返して前記プローブチップと前記表面との間の距離を前記加工距離に実質的に等しく維持し、
ステップ（ｄ）、（ｅ）および（ｆ）を繰り返して前記マイクロ構造ワークピースの前記表面上に前記要素をレーザ加工しながら、
前記要素に対応する前記マイクロ構造ワークピースの前記表面の要素領域上を前記プローブチップがスキャンされるように、移動させるステップと、
を包含する方法。
【請求項２０】
前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップと前記マイクロ構造ワークピースの前記表面との間の距離を決定する前記ステップは、前記プローブチップと前記表面との間の原子間力を検出することを包含する、請求項１９に記載に方法。
【請求項２１】
前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップと前記マイクロ構造ワークピースの前記表面との間の距離を決定する前記ステップは、
ｂ１）前記マイクロ構造ワークピースの前記表面に対して実質的に法線方向に、前記ＮＳＯＭプローブの周期的往復振動を発生させることと、
ｂ２）以下のうち少なくとも一方を検出するステップと：
前記ＮＳＯＭプローブの前記周期的往復振動の周期または
前記ＮＳＯＭプローブの前記周期的往復振動の振幅、
ｂ３）前記周期的往復振動の前記周期または前記振幅のうち少なくとも一方の変化に基づいて、前記プローブと前記表面との間の距離を決定することと、
を包含する、請求項１９に記載に方法。
【請求項２２】
前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップと前記マイクロ構造ワークピースの前記表面との間の距離を制御する前記ステップは、Ｚ移送台を用いて、ステップ（ｂ）で決定した前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップと前記マイクロ構造ワークピースの前記表面との間の距離に基づいて、前記ＮＳＯＭプローブまたは前記マイクロ構造ワークピースのうち一方の垂直位置を制御することを包含する、請求項１９に記載に方法。
【請求項２３】
前記加工距離は、前記レーザ光パルスの前記ピーク波長の約半分までの範囲であり、
ステップ（ｃ）において、前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップと前記マイクロ構造ワークピースの前記表面との間の距離は、５ｎｍ未満の公差で制御される、
請求項１９に記載に方法。
【請求項２４】
前記超高速レーザ源は、超高速レーザ発振器およびアッテネータを有しており、
ステップ（ｄ）は、
ｄ１）前記超高速レーザ発振器を用いて、１ｎｓ未満のパルス期間、前記ピーク波長、および初期フルエンスを有する初期レーザ光パルスを生成するステップと、
ｄ２）前記アッテネータを用いて、前記初期レーザ光パルスの前記フルエンスを制御することにより、所定の近接場加工フルエンスを有する前記レーザ光パルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１９に記載に方法。
【請求項２５】
前記超高速レーザ源は、超高速レーザ発振器および偏光制御器を有しており、
ステップ（ｄ）は、
ｄ１）前記超高速レーザ発振器を用いて、１ｎｓ未満のパルス期間、前記ピーク波長、および初期偏光を有する初期レーザ光パルスを生成するステップと、
ｄ２）前記偏光制御器を用いて、前記初期レーザ光パルスの前記初期偏光を実質的に円偏光に調節することにより、前記レーザ光パルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１９に記載に方法。
【請求項２６】
前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップは、楕円形の断面形状を有しており、
ステップ（ｆ）は、
ｆ１）前記光パルスの前記近接場モード部分を、前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップを介して伝達することと、
ｆ２）前記光パルスの前記近接場モード部分を、前記マイクロ構造ワークピースの前記表面の、前記プローブチップと実質的に同じ楕円形の断面形状を有する前記近接場照射エリア上に、消失的に結合することと、
を包含する、請求項１９に記載に方法。
【請求項２７】
前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップは、前記ピーク波長の２乗未満のチップ面積を有しており、
ステップ（ｆ）は、
ｆ１）前記光パルスの前記近接場モード部分を、前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップを介して伝達することと、
ｆ２）前記光パルスの前記近接場モード部分を、前記マイクロ構造ワークピースの前記表面の、前記プローブチップの前記チップ面積に実質的に等しい前記近接場照射エリア上に、消失的に結合することと、
を包含する、請求項１９に記載に方法。
【請求項２８】
ステップ（ｆ）において前記近接場照射エリアをレーザ加工することは、
前記近接場照射エリアにおいて、前記マイクロ構造ワークピースのワークピース材料をアブレーションすること、
前記近接場照射エリアにおいて、前記マイクロ構造ワークピースの前記表面上に堆積材料をレーザ補助化学蒸着すること、
前記近接場照射エリアにおいて、前記マイクロ構造ワークピースの前記表面上のフォトレジストを露光すること、
前記近接場照射エリアにおいて、前記マイクロ構造ワークピースのワークピース材料の屈折率を変更すること、
前記近接場照射エリアにおいて、前記マイクロ構造ワークピースのワークピース材料の格子構造を変更すること、または
前記近接場照射エリアにおける、前記マイクロ構造ワークピースのワークピース材料の化学組成を変更すること、
のうち少なくとも１つを包含する、請求項１９に記載に方法。
【請求項２９】
前記超高速レーザ源は、ステップ（ｄ）において前記レーザ光パルスを生成する超高速レーザ発振器および、前記パルスの出射を制御するシャッタを有しており、
ステップ（ｇ）は、
ｇ１）前記ＮＳＯＭプローブまたは前記マイクロ構造ワークピースのうち前記少なくとも一方を移動させることにより、前記マイクロ構造ワークピースの前記表面のうち前記要素領域を含む部分上において、前記プローブチップをスキャンさせるステップと、
ｇ２）前記プローブチップが、前記マイクロ構造ワークピースの前記表面の前記要素領域上をスキャンされたときに前記シャッタを開くことにより、前記要素のレーザ加工を許可するステップと、
ｇ３）前記プローブチップが、前記マイクロ構造ワークピースの前記表面の他のスキャンされた領域上をスキャンされたときに前記シャッタを閉じることにより、前記マイクロ構造ワークピースの前記表面の前記他のスキャンされた領域がレーザ加工されることを防ぐステップと、
を包含する、請求項１９に記載に方法。
【請求項１】
超高速レーザ源を用いてマイクロ構造ワークピースの表面上に要素をレーザ加工するための近接場走査型光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）であって、前記ＮＳＯＭは、
１ｎｓ未満のパルス期間およびピーク波長を有するレーザ光パルスを生成する前記超高速レーザ源と、
実質的に円柱形状を有するＮＳＯＭプローブであって、
前記ＮＳＯＭプローブの一端の入射面と、
前記ＮＳＯＭプローブの他端のプローブチップであって、前記レーザ光パルスの前記ピーク波長の２乗未満の断面積を有するプローブチップと、
前記入射面から前記プローブチップに実質的に延びる光透過性コアであって、前記入射面を介して前記超高速レーザ源に光学的に結合された、光透過性コア部分と、
前記プローブチップの近隣において、前記ＮＳＯＭプローブの側面の一部上に形成された放射閉じ込めコーティングと、
を有する、ＮＳＯＭプローブと、
前記ＮＳＯＭプローブおよび前記マイクロ構造ワークピースを制御可能に保持するＮＳＯＭマウントであって、
前記ＮＳＯＭプローブまたは前記マイクロ構造ワークピースのうち一方に結合されたＸＹ移送台と、
前記ＮＳＯＭプローブまたは前記マイクロ構造ワークピースのうち一方に結合されたＺ移送台と、
を有する、ＮＳＯＭマウントと、
前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップと前記マイクロ構造ワークピースの前記表面との間の距離を決定するための、前記ＮＳＯＭマウントに結合されたＮＳＯＭプローブモニタと、
前記ＮＳＯＭプローブモニタ、前記ＸＹ移送台、および前記Ｚ移送台に結合されたＮＳＯＭ制御器であって、
前記ＮＳＯＭプローブモニタによって決定された前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップと前記マイクロ構造ワークピースの前記表面との間の距離に基づいて、前記ＮＳＯＭプローブまたは前記マイクロ構造ワークピースのうち前記Ｚ移送台に結合された前記一方の垂直位置を制御し、
前記マイクロ構造ワークピースの前記表面にレーザ加工されるべき前記要素に基づいて、前記ＮＳＯＭプローブまたは前記マイクロ構造ワークピースのうち前記ＸＹ移送台に結合された前記一方の水平位置を制御する、ＮＳＯＭ制御器と、
を備えている、ＮＳＯＭ。
【請求項２】
前記超高速レーザ源に光学的に結合され、前記レーザ光パルスを前記ＮＳＯＭプローブに伝達する光ファイバをさらに備えており、
前記ＮＳＯＭプローブの前記入射面は、前記光ファイバの断面積におよそ等しい入射面積を有する、
請求項１に記載のＮＳＯＭ。
【請求項３】
前記光ファイバは、前記レーザ光パルスの前記ピーク波長近傍において低吸収率を有する導波路材料から形成されたファイバコアを有している、
請求項２に記載のＮＳＯＭ。
【請求項４】
前記超高速レーザ源は、
前記レーザ光パルスの前記ピーク波長を減少させる高調波生成結晶、
前記要素のレーザ加工を制御する、前記ＮＳＯＭ制御器に結合されたシャッタ、
前記要素のレーザ加工を制御する、前記ＮＳＯＭ制御器に結合されたアッテネータ、または
前記超高速レーザ源によって生成された前記レーザ光パルスの偏光を円偏光に制御する、偏光制御器
のうち少なくとも１つを有する、請求項１に記載のＮＳＯＭ。
【請求項５】
前記レーザ光パルスの前記ピーク波長は約４００ｎｍ未満である、請求項１に記載のＮＳＯＭ。
【請求項６】
前記レーザ光パルスの前記パルス期間は約２０ｐｓ未満である、請求項１に記載のＮＳＯＭ。
【請求項７】
前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップは楕円形の断面形状を有する、請求項１に記載のＮＳＯＭ。
【請求項８】
前記ＮＳＯＭプローブの前記光透過性コアは、前記レーザ光パルスの前記ピーク波長近傍において低吸収率を有する導波路材料から形成されている、請求項１に記載のＮＳＯＭ。
【請求項９】
前記放射閉じ込めコーティングは、前記レーザ光パルスの前記ピーク波長近傍において、低吸収率および高反射率を有する、請求項１に記載のＮＳＯＭ。
【請求項１０】
前記放射閉じ込めコーティングは、金属層または誘電体層のうち少なくとも一方から形成されている、請求項１に記載のＮＳＯＭ。
【請求項１１】
前記ＮＳＯＭプローブは、前記入射面と前記プローブチップとの間に実質的に９０°の曲げを形成しており、
そのことによって、前記ＮＳＯＭプローブの前記光透過性コア中における前記レーザ光パルスの伝播方向が、前記入射面と前記プローブチップとの間で実質的に９０°曲げられる、
請求項１に記載のＮＳＯＭ。
【請求項１２】
前記放射閉じ込めコーティングによってコーティングされた前記ＮＳＯＭプローブの前記側面の前記一部は、前記プローブチップ近隣から、少なくとも前記実質的に９０°の曲げまで延びている、請求項１１に記載のＮＳＯＭ。
【請求項１３】
前記ＸＹ移送台は圧電ＸＹ移送台であり、
前記Ｚ移送台は圧電Ｚ移送台である、
請求項１に記載のＮＳＯＭ。
【請求項１４】
前記ＮＳＯＭマウントは、前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップと前記マイクロ構造ワークピースの前記表面との間の原子間力に応答して、前記ＮＳＯＭプローブの較正された移動を可能にするように構成された、方持ちＮＳＯＭプローブホルダをさらに有しており、
前記ＮＳＯＭプローブモニタは、前記ＮＳＯＭプローブの前記較正された移動に基づいて、前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップと前記マイクロ構造ワークピースの前記表面との間の距離を決定する、
請求項１に記載のＮＳＯＭ。
【請求項１５】
前記ＮＳＯＭマウントは、前記マイクロ構造ワークピースの前記表面に対して実質的に法線方向に前記ＮＳＯＭプローブの周期的往復振動を発生させる、前記方持ちＮＳＯＭプローブホルダに結合されたＮＳＯＭプローブオシレータをさらに有しており、
前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップと前記マイクロ構造ワークピースの前記表面との間の原子間力に応答した、前記ＮＳＯＭプローブの前記較正された移動は、
前記ＮＳＯＭプローブの前記周期的往復振動の周期または、
前記ＮＳＯＭプローブの前記周期的往復振動の振幅
のうち少なくとも一方の変化である、
請求項１４に記載のＮＳＯＭ。
【請求項１６】
前記ＮＳＯＭプローブの前記周期的往復振動の前記振幅は、０から２０ｎｍの範囲である、
請求項１５に記載のＮＳＯＭ。
【請求項１７】
前記ＮＳＯＭプローブモニタは、
実質的に平行化されたビーム光を生成する光源と、
前記ＮＳＯＭプローブおよび前記方持ちＮＳＯＭプローブホルダの一方に結合され、前記実質的に平行化されたビーム光を反射する、反射性平坦面と、
前記反射された実質的に平行化されたビーム光を検出し、各検出器領域によって検出された光量に基づいて信号を生成する少なくとも２つの検出器領域を有する、光検出器と、
前記光検出器によって生成された信号に基づいて、前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップと前記マイクロ構造ワークピースの前記表面との間の距離を決定する、処理手段と、
を有する、請求項１４に記載のＮＳＯＭ。
【請求項１８】
前記ＮＳＯＭプローブモニタは、
前記ＮＳＯＭマウントと、
前記ＮＳＯＭプローブまたは前記マイクロ構造ワークピースのうち一方と、
の間に結合された力計器を有している、請求項１に記載のＮＳＯＭ。
【請求項１９】
超高速レーザ源および近接場走査型光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）を用いて、マイクロ構造ワークピース上に要素をレーザ加工する方法であって、
ａ）前記マイクロ構造ワークピースを前記ＮＳＯＭに装着するステップと、
ｂ）前記ＮＳＯＭのＮＳＯＭプローブのプローブチップと前記マイクロ構造ワークピースの表面との間の距離を決定するステップと、
ｃ）前記プローブチップと前記マイクロ構造ワークピースの前記表面との間の距離を、前記距離が加工距離に実質的に等しいように制御するステップと、
ｄ）前記超高速レーザ源を用いて、１ｎｓ未満のパルス期間およびピーク波長を有するレーザ光パルスを生成するステップと、
ｅ）前記レーザ光パルスを前記ＮＳＯＭプローブ中に結合するステップと、
ｆ）前記レーザ光パルスの近接場モード部分を、前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップを介して、前記プローブチップの位置に対応する前記マイクロ構造ワークピースの前記表面の近接場照射エリア上に結合することにより、前記近接場照射エリアをレーザ加工するステップと、
ｇ）前記ＮＳＯＭプローブまたは前記マイクロ構造ワークピースのうち少なくとも一方を、
ステップ（ｂ）および（ｃ）を繰り返して前記プローブチップと前記表面との間の距離を前記加工距離に実質的に等しく維持し、
ステップ（ｄ）、（ｅ）および（ｆ）を繰り返して前記マイクロ構造ワークピースの前記表面上に前記要素をレーザ加工しながら、
前記要素に対応する前記マイクロ構造ワークピースの前記表面の要素領域上を前記プローブチップがスキャンされるように、移動させるステップと、
を包含する方法。
【請求項２０】
前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップと前記マイクロ構造ワークピースの前記表面との間の距離を決定する前記ステップは、前記プローブチップと前記表面との間の原子間力を検出することを包含する、請求項１９に記載に方法。
【請求項２１】
前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップと前記マイクロ構造ワークピースの前記表面との間の距離を決定する前記ステップは、
ｂ１）前記マイクロ構造ワークピースの前記表面に対して実質的に法線方向に、前記ＮＳＯＭプローブの周期的往復振動を発生させることと、
ｂ２）以下のうち少なくとも一方を検出するステップと：
前記ＮＳＯＭプローブの前記周期的往復振動の周期または
前記ＮＳＯＭプローブの前記周期的往復振動の振幅、
ｂ３）前記周期的往復振動の前記周期または前記振幅のうち少なくとも一方の変化に基づいて、前記プローブと前記表面との間の距離を決定することと、
を包含する、請求項１９に記載に方法。
【請求項２２】
前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップと前記マイクロ構造ワークピースの前記表面との間の距離を制御する前記ステップは、Ｚ移送台を用いて、ステップ（ｂ）で決定した前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップと前記マイクロ構造ワークピースの前記表面との間の距離に基づいて、前記ＮＳＯＭプローブまたは前記マイクロ構造ワークピースのうち一方の垂直位置を制御することを包含する、請求項１９に記載に方法。
【請求項２３】
前記加工距離は、前記レーザ光パルスの前記ピーク波長の約半分までの範囲であり、
ステップ（ｃ）において、前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップと前記マイクロ構造ワークピースの前記表面との間の距離は、５ｎｍ未満の公差で制御される、
請求項１９に記載に方法。
【請求項２４】
前記超高速レーザ源は、超高速レーザ発振器およびアッテネータを有しており、
ステップ（ｄ）は、
ｄ１）前記超高速レーザ発振器を用いて、１ｎｓ未満のパルス期間、前記ピーク波長、および初期フルエンスを有する初期レーザ光パルスを生成するステップと、
ｄ２）前記アッテネータを用いて、前記初期レーザ光パルスの前記フルエンスを制御することにより、所定の近接場加工フルエンスを有する前記レーザ光パルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１９に記載に方法。
【請求項２５】
前記超高速レーザ源は、超高速レーザ発振器および偏光制御器を有しており、
ステップ（ｄ）は、
ｄ１）前記超高速レーザ発振器を用いて、１ｎｓ未満のパルス期間、前記ピーク波長、および初期偏光を有する初期レーザ光パルスを生成するステップと、
ｄ２）前記偏光制御器を用いて、前記初期レーザ光パルスの前記初期偏光を実質的に円偏光に調節することにより、前記レーザ光パルスを生成するステップと、
を包含する、請求項１９に記載に方法。
【請求項２６】
前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップは、楕円形の断面形状を有しており、
ステップ（ｆ）は、
ｆ１）前記光パルスの前記近接場モード部分を、前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップを介して伝達することと、
ｆ２）前記光パルスの前記近接場モード部分を、前記マイクロ構造ワークピースの前記表面の、前記プローブチップと実質的に同じ楕円形の断面形状を有する前記近接場照射エリア上に、消失的に結合することと、
を包含する、請求項１９に記載に方法。
【請求項２７】
前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップは、前記ピーク波長の２乗未満のチップ面積を有しており、
ステップ（ｆ）は、
ｆ１）前記光パルスの前記近接場モード部分を、前記ＮＳＯＭプローブの前記プローブチップを介して伝達することと、
ｆ２）前記光パルスの前記近接場モード部分を、前記マイクロ構造ワークピースの前記表面の、前記プローブチップの前記チップ面積に実質的に等しい前記近接場照射エリア上に、消失的に結合することと、
を包含する、請求項１９に記載に方法。
【請求項２８】
ステップ（ｆ）において前記近接場照射エリアをレーザ加工することは、
前記近接場照射エリアにおいて、前記マイクロ構造ワークピースのワークピース材料をアブレーションすること、
前記近接場照射エリアにおいて、前記マイクロ構造ワークピースの前記表面上に堆積材料をレーザ補助化学蒸着すること、
前記近接場照射エリアにおいて、前記マイクロ構造ワークピースの前記表面上のフォトレジストを露光すること、
前記近接場照射エリアにおいて、前記マイクロ構造ワークピースのワークピース材料の屈折率を変更すること、
前記近接場照射エリアにおいて、前記マイクロ構造ワークピースのワークピース材料の格子構造を変更すること、または
前記近接場照射エリアにおける、前記マイクロ構造ワークピースのワークピース材料の化学組成を変更すること、
のうち少なくとも１つを包含する、請求項１９に記載に方法。
【請求項２９】
前記超高速レーザ源は、ステップ（ｄ）において前記レーザ光パルスを生成する超高速レーザ発振器および、前記パルスの出射を制御するシャッタを有しており、
ステップ（ｇ）は、
ｇ１）前記ＮＳＯＭプローブまたは前記マイクロ構造ワークピースのうち前記少なくとも一方を移動させることにより、前記マイクロ構造ワークピースの前記表面のうち前記要素領域を含む部分上において、前記プローブチップをスキャンさせるステップと、
ｇ２）前記プローブチップが、前記マイクロ構造ワークピースの前記表面の前記要素領域上をスキャンされたときに前記シャッタを開くことにより、前記要素のレーザ加工を許可するステップと、
ｇ３）前記プローブチップが、前記マイクロ構造ワークピースの前記表面の他のスキャンされた領域上をスキャンされたときに前記シャッタを閉じることにより、前記マイクロ構造ワークピースの前記表面の前記他のスキャンされた領域がレーザ加工されることを防ぐステップと、
を包含する、請求項１９に記載に方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公表番号】特表２００７−５３３９７８（Ｐ２００７−５３３９７８Ａ）
【公表日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５０６４６５（Ｐ２００７−５０６４６５）
【出願日】平成１７年３月２９日（２００５．３．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０１０４９３
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０９７３９７
【国際公開日】平成１７年１０月２０日（２００５．１０．２０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１５年度新エネルギー・産業技術総合開発機構「フェムト秒テクノロジーの研究開発（超高速光デバイス技術）」に関する委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月２９日（２００５．３．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０１０４９３
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０９７３９７
【国際公開日】平成１７年１０月２０日（２００５．１０．２０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１５年度新エネルギー・産業技術総合開発機構「フェムト秒テクノロジーの研究開発（超高速光デバイス技術）」に関する委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]