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課題

レーザ波長よりも小さなピッチの複数の穴をあけることのできるレーザ加工方法を提供する。

解決手段

材料上にあけるべき複数の穴を、2つのグループに分ける。第1グループは、その穴間隔をレーザ加工に伴う硬化領域を越えて設定する。第2グループは、第1グループの穴から硬化領域を超えない範囲に設定する。第1グループの穴を所定のエネルギーレベル或いはパルス数に設定したレーザを用いてあけ、次に硬化された材料のアブレーション闘値より高いエネルギーレベルにまでレーザービーム強度を増大し、これにより第2グループの穴をあける。

概要

背景

概要

レーザ波長よりも小さなピッチの複数の穴をあけることのできるレーザ加工方法を提供する。

材料上にあけるべき複数の穴を、2つのグループに分ける。第1グループは、その穴間隔をレーザ加工に伴う硬化領域を越えて設定する。第2グループは、第1グループの穴から硬化領域を超えない範囲に設定する。第1グループの穴を所定のエネルギーレベル或いはパルス数に設定したレーザを用いてあけ、次に硬化された材料のアブレーション闘値より高いエネルギーレベルにまでレーザービーム強度を増大し、これにより第2グループの穴をあける。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
4件

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請求項1

超高速パルスレーザビームを用いて、材料に複数の穴を開ける方法であって、a)該レーザビームパルスエネルギーを第1の所定レベルに設定する工程であって、該第1の所定レベルが、該レーザビームの穿孔部分内に該材料のアブレーション閾値よりも高い強度を提供するように選択される、工程と、b)該材料の表面の複数の第1の位置のうちの1つに該レーザビームを集束させるように、該材料を配置する工程と、c)該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの1つを形成する工程と、d)該表面の該複数の第1の位置の全てが該複数の穴のうちの1つを有するまで該工程b)およびc)を繰り返す工程と、e)該レーザビームの該パルスエネルギーを第2の所定レベルに設定する工程であって、該第2の所定レベルが、該レーザビームの該穿孔部分内に該材料のレーザ硬化アブレーション閾値よりも高い強度を提供するように選択される、工程と、f)該表面の少なくとも1つの第2の位置のうちの1つに該レーザビームを集束させるように、該材料を配置する工程であって、該1つの第2の位置が、該複数の第1の位置のうちの隣接する2つの間にある、工程と、g)該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの1つを形成する工程と、を包含する方法。

請求項2

前記少なくとも1つの第2の位置が複数の第2の位置を含み、該複数の第2の位置のそれぞれが、前記複数の第1の位置のうちの隣接する2つの間にあり、前記方法は、h)前記表面の該複数の第2の位置の全てが前記複数の穴のうちの1つを有するまで工程f)およびg)を繰り返す工程と、i)前記レーザビームの前記パルスエネルギーを、前記第2の所定レベルよりも高い第3の所定レベルに設定する工程と、j)該表面の少なくとも1つの第3の位置のうちの1つに該レーザビームを集束させるように、前記材料を配置する工程であって、該1つの第3の位置が、該複数の第1の位置のうちの1つと、該複数の第2の位置のうちの隣接する1つとの間にある、工程と、k)該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの1つを形成する工程と、をさらに包含する、請求項1に記載の方法。

請求項3

前記レーザビームがTEM0,0モードで発振するようにレーザを作動させる工程をさらに包含する、請求項1に記載の方法。

請求項4

前記レーザビームがある波長を有し、該レーザビームの前記パルスエネルギーを前記第1の所定レベルに設定する前記工程は、該レーザビームの前記穿孔部分が該レーザビームの該波長よりも小さな直径を有するように規定するために、該レーザビームの該パルスエネルギーを設定する工程を含む、請求項1に記載の方法。

請求項5

前記レーザビームが775ナノメートルの波長を有し、該レーザビームの前記パルスエネルギーを設定する前記工程は、該レーザビームの前記穿孔部分を約500nmの直径を有するように規定する、請求項4に記載の方法。

請求項6

前記レーザビームの前記パルスエネルギーを前記第2の所定レベルに設定する前記工程が、該パルスエネルギーの該第2の所定レベルを、該パルスエネルギーの前記第1の所定レベルよりも高いレベルに設定する工程を含む、請求項1に記載の方法。

請求項7

前記レーザビームの前記パルスエネルギーを前記第1の所定レベルに設定する前記工程が、該パルスエネルギーを1ナノジュールと1マイクロジュールとの間に設定する工程を含む、請求項1に記載の方法。

請求項8

材料に複数の穴を開ける装置であって、レーザビームを提供する超高速パルスレーザと、該超高速パルスレーザに結合された、該レーザビームのパルスエネルギーを第1の所定レベルに設定する手段であって、該第1の所定レベルが、該レーザビームの穿孔部分内に該材料のアブレーション閾値よりも高い強度を提供するように選択される、手段と、該材料の表面の複数の第1の位置のそれぞれに該レーザビームを集束させるように、該材料を該複数の第1の位置に配置する、平行移動テーブルと、該レーザビームの多数のパルスを当てて、該第1の複数の位置のそれぞれの該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴の第1の部分を形成する手段と、該レーザビームの該パルスエネルギーを第2の所定レベルに設定する手段であって、該第2の所定レベルが、該レーザビームの該穿孔部分内に該材料のレーザ硬化アブレーション閾値よりも高い強度を提供するように選択される、手段と、該表面の少なくとも1つの第2の位置のうちの1つに該レーザビームを集束させるように該材料を配置する、該平行移動テーブルに結合された手段であって、該1つの第2の位置が、該複数の第1の位置のうちの隣接する2つの間にある、手段と、該レーザビームの多数のパルスを該第2の所定レベルのビームエネルギーで当てて、該1つの第2の位置の該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの1つを形成する手段と、を含む装置。

請求項9

前記少なくとも1つの第2の位置が複数の第2の位置を含み、該複数の第2の位置のそれぞれが、前記複数の第1の位置のうちの隣接する2つの間にあり、前記装置は、前記レーザビームの前記パルスエネルギーを前記第2の所定レベルよりも高い第3の所定レベルに設定する手段と、前記表面の少なくとも1つの第3の位置のうちの1つに該レーザビームを集束させるように、前記材料を配置する手段であって、該1つの第3の位置が、該複数の第1の位置のうちの1つと、該複数の第2の位置のうちの隣接する1つとの間にある、手段と、該レーザビームの多数のパルスを当てて該1つの第3の位置の該材料の該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの1つを形成する手段と、をさらに含む、請求項8に記載の装置。

請求項10

前記レーザビームがTEM0,0モードで発振する、請求項8に記載の装置。

請求項11

前記レーザビームがある波長を有し、該レーザビームの前記エネルギーレベルが、該レーザビームの前記穿孔部分を該レーザビームの該波長よりも小さい直径に規定するために設定される、請求項8に記載の装置。

請求項12

前記レーザビームが775ナノメートルの波長を有し、該レーザビームの前記穿孔部分が約500nmの直径を有する、請求項11に記載の装置。

請求項13

前記パルスエネルギーの前記第2の所定レベルが、該パルスエネルギーの前記第1の所定レベルよりも高い、請求項8に記載の装置。

請求項14

前記レーザビームの前記パルスエネルギーが、1ナノジュールと1マイクロジュールとの間である、請求項8に記載の装置。

請求項15

請求項1に記載の方法によって形成された複数の穴を有する基板を含むフォトニック結晶

請求項16

前記基板が誘電材料を含む、請求項15に記載のフォトニック結晶。

請求項17

前記基板が多層誘電材料を含む、請求項15に記載のフォトニック結晶。

請求項18

前記多層誘電材料がシリコン層および二酸化シリコン層を含む、請求項17に記載のフォトニック結晶。

請求項19

前記複数の穴が線形アレイの穴であり、前記フォトニック結晶が一次元のフォトニック結晶である、請求項15に記載のフォトニック結晶。

請求項20

前記複数の穴が線形の穴のマトリックスであり、前記フォトニック結晶が二次元フォトニック結晶である、請求項15に記載のフォトニック結晶。

請求項21

超高速パルスレーザ、およびレーザビームが通過する出力カプラを含むレーザ加工装置を用いて、材料に複数の穴を開ける方法であって、a.該レーザビームのパルスエネルギーを第1の所定レベルに設定する工程と、b.該材料の表面の複数の第1の位置のうちの1つに該レーザビームを集束させるように、該出力カプラを配置する工程と、c.該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの1つを形成する工程と、d.該第1の位置のうちのそれぞれ異なる1つに該出力カプラを配置して、該複数の穴の一部が該複数の第1の位置に形成されるまで該工程bおよびcを繰り返す工程と、e.該レーザビームの該パルスエネルギーを第2の所定レベルに設定する工程と、f.該表面の少なくとも1つの第2の位置のうちの1つに該レーザビームを集束させるように、該出力カプラを配置する工程であって、該少なくとも1つの第2の位置のうちの該1つが該複数の第1の位置のうちの隣接する2つの間にある、工程と、g.該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの1つを形成する工程と、を含む方法。

請求項22

超高速パルスレーザビームを用いて材料に複数の穴を開ける方法であって、a)該レーザビームのパルスエネルギーを所定レベルに設定する工程であって、該所定レベルが、該レーザビームの穿孔部分内に該材料のアブレーション閾値よりも高い強度を提供するように選択される、工程と、b)該材料の表面の複数の第1の位置のうちの1つに該レーザビームを集束させるように、該材料を配置する工程と、c)該レーザビームの第1の所定数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴をのうちの1つを形成する工程と、d)該表面の該複数の第1の位置の全てが該複数の穴のうちの1つを有するまで該工程b)およびc)を繰り返す工程と、e)該表面の少なくとも1つの第2の位置のうちの1つに該レーザビームを集束させるように、該材料を配置する工程であって、該1つの第2の位置が、該複数の第1の位置のうちの隣接する2つの間にある、工程と、f)該第1の所定数よりも大きい第2の所定数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの1つを形成する工程と、を含む方法。

請求項23

前記少なくとも1つの第2の位置が複数の第2の位置を含み、該複数の第2の位置のそれぞれが、前記複数の第1の位置のうちの隣接する2つの間にあり、前記方法は、g)前記表面の該複数の第2の位置の全てが前記複数の穴のうちの1つを有するまで前記工程e)およびf)を繰り返す工程と、h)該表面の少なくとも1つの第3の位置のうちの1つに前記レーザビームを集束させるように、前記材料を配置する工程であって、該1つの第3の位置が、該複数の第1の位置のうちの1つと、該複数の第2の位置のうちの隣接する1つとの間にある、工程と、i)該レーザビームの第3の所定数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの1つを形成する工程であって、該第3の所定数が前記第2の所定数よりも大きい、工程と、をさらに含む、請求項22に記載の方法。

請求項24

前記レーザビームがTEM0,0モードで発振するように前記レーザを作動させる工程をさらに含む、請求項22に記載の方法。

請求項25

前記レーザビームがある波長を有し、該レーザビームの前記パルスエネルギーを前記所定レベルに設定する前記工程が、該レーザビームの前記穿孔部分が該レーザビームの該波長よりも小さい直径を有するように規定するために、該レーザビームの該パルスエネルギーを設定する工程を含む、請求項22に記載の方法。

請求項26

前記レーザビームが775ナノメートルの波長を有し、前記レーザビームの前記パルスエネルギーを設定する前記工程が、該ビームの前記穿孔部分を約500nmの直径を有するように規定する、請求項25に記載の方法。

請求項27

前記レーザビームの前記パルスエネルギーを前記所定レベルに設定する前記工程が、該パルスエネルギーを1ナノジュールと1マイクロジュールとの間に設定する工程を含む、請求項22に記載の方法。

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0001

(発明の背景半導体および通信の分野での多くの新たな材料加工用途がサブミクロン加工能力を必要としている。この能力、つまり、電子ビームエッチングプラズマエッチングX線リソグラフィー、および超高速パルスレーザでの加工(レーザ加工)等を有するか、またはすぐに有するようになる多くの競合技術が存在する。これらの技術のうち、レーザ加工のみが標準的な環境、およびインサイチュでのモニタリングにおいて動作するという利点を提供する。

0002

超高速パルスレーザの重要な特徴は、レーザの最小回折限界である、スポットサイズよりも小さな表面領域をアブレートする能力である。この能力は、パルスの間の熱の伝播を実質的に許容しないパルスの短さ、およびガウス空間ビームプロフィールによって生み出される。パルスのエネルギー慎重に制御することにより、ビームの中心の小さな領域においてのみ強度を、加工されている材料のアブレーション閾値よりも高くすることが可能である。パルスが継続している間の熱伝導がないために、その小さな領域のみがアブレートされる。このようにして、穴はレーザの波長よりも小さな直径にまでレーザ加工され得、例えば、約500nmの直径を有する穴が、775nmフェムト秒パルスレーザを用いて開けられ得る。幾何学的に言うと、これらの穴を500nm程度の狭い間隔で形成することが可能である。しかしながら、穴が同じレーザで一方の端から他方の端まで1つづつ開けられる場合、連続する穴をレーザ加工する従来方法では、穴の中心間の間隔(ピッチ)は、この限界に近づき得ない。

0003

以下の実施例はこの問題を例証する。最初の穴が所与レーザ強度および所与のレーザパルス数で開けられるものと仮定する。レーザ強度は、レーザが誘発するアブレーションが表面に形成されるビームスポットの中心部のみで起こり、破壊閾値に達するように選択される。このアブレーションにより穴が開く。しかしながら、たとえ、照射される周辺部がアブレーション閾値に達しなくても、その次のレーザ照射におけるアブレーション閾値を増加する材料特性の変化を受ける。この、レーザ照射が誘発する材料の硬化現象(以下、レーザ硬化)は、硬化された部分に同じレーザ強度およびパルス数を用いた際、レーザで硬化された領域には、新たな穴を開け得ないことを意味する。それゆえ、穿孔確実性および再現性が悪化する。この問題は、正確なサブミクロンのピッチで配置される多数の実質的に同一の穴が望まれる、フォトニック結晶等のデバイスで特に重要である。

0004

(発明の要旨)
1.超高速パルスレーザビームを用いて、材料に複数の穴を開ける方法であって、a)該レーザビームパルスエネルギーを第1の所定レベルに設定する工程であって、該第1の所定レベルが、該レーザビームの穿孔部分内に該材料のアブレーション閾値よりも高い強度を提供するように選択される、工程と、b)該材料の表面の複数の第1の位置のうちの1つに該レーザビームを集束させるように、該材料を配置する工程と、c)該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの1つを形成する工程と、d)該表面の該複数の第1の位置の全てが該複数の穴のうちの1つを有するまで該工程b)およびc)を繰り返す工程と、e)該レーザビームの該パルスエネルギーを第2の所定レベルに設定する工程であって、該第2の所定レベルが、該レーザビームの該穿孔部分内に該材料のレーザ硬化アブレーション閾値よりも高い強度を提供するように選択される、工程と、f)該表面の少なくとも1つの第2の位置のうちの1つに該レーザビームを集束させるように、該材料を配置する工程であって、該1つの第2の位置が、該複数の第1の位置のうちの隣接する2つの間にある、工程と、g)該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの1つを形成する工程と、を包含する方法。

0005

2.前記少なくとも1つの第2の位置が複数の第2の位置を含み、該複数の第2の位置のそれぞれが、前記複数の第1の位置のうちの隣接する2つの間にあり、前記方法は、h)前記表面の該複数の第2の位置の全てが前記複数の穴のうちの1つを有するまで工程f)およびg)を繰り返す工程と、i)前記レーザビームの前記パルスエネルギーを、前記第2の所定レベルよりも高い第3の所定レベルに設定する工程と、j)該表面の少なくとも1つの第3の位置のうちの1つに該レーザビームを集束させるように、前記材料を配置する工程であって、該1つの第3の位置が、該複数の第1の位置のうちの1つと、該複数の第2の位置のうちの隣接する1つとの間にある、工程と、k)該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの1つを形成する工程とをさらに包含する、項目1に記載の方法。

0006

3.前記レーザビームがTEM0,0モードで発振するようにレーザを作動させる工程をさらに包含する、項目1に記載の方法。

0007

4.前記レーザビームがある波長を有し、該レーザビームの前記パルスエネルギーを前記第1の所定レベルに設定する前記工程は、該レーザビームの前記穿孔部分が該レーザビームの該波長よりも小さな直径を有するように規定するために、該レーザビームの該パルスエネルギーを設定する工程を含む、項目1に記載の方法。

0008

5.前記レーザビームが775ナノメートルの波長を有し、該レーザビームの前記パルスエネルギーを設定する前記工程は、該レーザビームの前記穿孔部分を約500nmの直径を有するように規定する、項目4に記載の方法。

0009

6.前記レーザビームの前記パルスエネルギーを前記第2の所定レベルに設定する前記工程が、該パルスエネルギーの該第2の所定レベルを、該パルスエネルギーの前記第1の所定レベルよりも高いレベルに設定する工程を含む、項目1に記載の方法。

0010

7.前記レーザビームの前記パルスエネルギーを前記第1の所定レベルに設定する前記工程が、該パルスエネルギーを1ナノジュールと1マイクロジュールとの間に設定する工程を含む、項目1に記載の方法。

0011

8.材料に複数の穴を開ける装置であって、レーザビームを提供する超高速パルスレーザと、該超高速パルスレーザに結合された、該レーザビームのパルスエネルギーを第1の所定レベルに設定する手段であって、該第1の所定レベルが、該レーザビームの穿孔部分内に該材料のアブレーション閾値よりも高い強度を提供するように選択される、手段と、該材料の表面の複数の第1の位置のそれぞれに該レーザビームを集束させるように、該材料を該複数の第1の位置に配置する、平行移動テーブルと、該レーザビームの多数のパルスを当てて、該第1の複数の位置のそれぞれの該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴の第1の部分を形成する手段と、該レーザビームの該パルスエネルギーを第2の所定レベルに設定する手段であって、該第2の所定レベルが、該レーザビームの該穿孔部分内に該材料のレーザ硬化アブレーション閾値よりも高い強度を提供するように選択される、手段と、該表面の少なくとも1つの第2の位置のうちの1つに該レーザビームを集束させるように該材料を配置する、該平行移動テーブルに結合された手段であって、該1つの第2の位置が、該複数の第1の位置のうちの隣接する2つの間にある、手段と、該レーザビームの多数のパルスを該第2の所定レベルのビームエネルギーで当てて、該1つの第2の位置の該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの1つを形成する手段とを含む装置。

0012

9.前記少なくとも1つの第2の位置が複数の第2の位置を含み、該複数の第2の位置のそれぞれが、前記複数の第1の位置のうちの隣接する2つの間にあり、前記装置は、前記レーザビームの前記パルスエネルギーを前記第2の所定レベルよりも高い第3の所定レベルに設定する手段と、前記表面の少なくとも1つの第3の位置のうちの1つに該レーザビームを集束させるように、前記材料を配置する手段であって、該1つの第3の位置が、該複数の第1の位置のうちの1つと、該複数の第2の位置のうちの隣接する1つとの間にある、手段と、該レーザビームの多数のパルスを当てて該1つの第3の位置の該材料の該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの1つを形成する手段とをさらに含む、項目8に記載の装置。

0013

10.前記レーザビームがTEM0,0モードで発振する、項目8に記載の装置。

0014

11.前記レーザビームがある波長を有し、該レーザビームの前記エネルギーレベルが、該レーザビームの前記穿孔部分を該レーザビームの該波長よりも小さい直径に規定するために設定される、項目8に記載の装置。

0015

12.前記レーザビームが775ナノメートルの波長を有し、該レーザビームの前記穿孔部分が約500nmの直径を有する、項目11に記載の装置。

0016

13.前記パルスエネルギーの前記第2の所定レベルが、該パルスエネルギーの前記第1の所定レベルよりも高い、項目8に記載の装置。

0017

14.前記レーザビームの前記パルスエネルギーが、1ナノジュールと1マイクロジュールとの間である、項目8に記載の装置。

0018

15.項目1に記載の方法によって形成された複数の穴を有する基板を含むフォトニック結晶。

0019

16.前記基板が誘電材料を含む、項目15に記載のフォトニック結晶。

0020

17.前記基板が多層誘電材料を含む、項目15に記載のフォトニック結晶。

0021

18.前記多層誘電材料がシリコン層および二酸化シリコン層を含む、項目17に記載のフォトニック結晶。

0022

19.前記複数の穴が線形アレイの穴であり、前記フォトニック結晶が一次元のフォトニック結晶である、項目15に記載のフォトニック結晶。

0023

20.前記複数の穴が線形の穴のマトリックスであり、前記フォトニック結晶が二次元フォトニック結晶である、項目15に記載のフォトニック結晶。

0024

21.超高速パルスレーザ、およびレーザビームが通過する出力カプラを含むレーザ加工装置を用いて、材料に複数の穴を開ける方法であって、a.該レーザビームのパルスエネルギーを第1の所定レベルに設定する工程と、b.該材料の表面の複数の第1の位置のうちの1つに該レーザビームを集束させるように、該出力カプラを配置する工程と、c.該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの1つを形成する工程と、d.該第1の位置のうちのそれぞれ異なる1つに該出力カプラを配置して、該複数の穴の一部が該複数の第1の位置に形成されるまで該工程bおよびcを繰り返す工程と、e.該レーザビームの該パルスエネルギーを第2の所定レベルに設定する工程と、f.該表面の少なくとも1つの第2の位置のうちの1つに該レーザビームを集束させるように、該出力カプラを配置する工程であって、該少なくとも1つの第2の位置のうちの該1つが該複数の第1の位置のうちの隣接する2つの間にある、工程と、g.該レーザビームの多数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの1つを形成する工程とを含む方法。

0025

22.超高速パルスレーザビームを用いて材料に複数の穴を開ける方法であって、a)該レーザビームのパルスエネルギーを所定レベルに設定する工程であって、該所定レベルが、該レーザビームの穿孔部分内に該材料のアブレーション閾値よりも高い強度を提供するように選択される、工程と、b)該材料の表面の複数の第1の位置のうちの1つに該レーザビームを集束させるように、該材料を配置する工程と、c)該レーザビームの第1の所定数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴をのうちの1つを形成する工程と、d)該表面の該複数の第1の位置の全てが該複数の穴のうちの1つを有するまで該工程b)およびc)を繰り返す工程と、e)該表面の少なくとも1つの第2の位置のうちの1つに該レーザビームを集束させるように、該材料を配置する工程であって、該1つの第2の位置が、該複数の第1の位置のうちの隣接する2つの間にある、工程と、f)該第1の所定数よりも大きい第2の所定数のパルスを当てて該表面をアブレートすることにより、該表面に該複数の穴のうちの1つを形成する工程とを含む方法。

0026

23.前記少なくとも1つの第2の位置が複数の第2の位置を含み、該複数の第2の位置のそれぞれが、この問題に対する解決手段は、本発明の例示的なレーザ加工処理であり、穴どうしをより近くに形成することにより、波長以下の穴の中心間の間隔(ピッチ)に達することが可能となる。

0027

この例示的なプロセスの第1の工程は、材料サンプルの表面の穴の位置を、いずれのグループにおける2つの穴が、レーザビームのスポットサイズよりも小さいピッチで形成することがないように選択された2つのグループに分けることである。次に、レーザビームのパルスエネルギーを、表面に所望の直径の穴を開けるように選択された、所定レベルに設定する。そして、レーザビームを表面の第1グループの穴の位置に集束するようにサンプルを配置し、多数のレーザパルスが表面をアブレートすることにより、表面に穴を形成する。このプロセスは、第1グループの各穴の位置に対して繰り返される。

0028

この時点で、レーザビームのパルスエネルギーを、レーザ硬化された表面に所望の直径の穴を開けるように選択された、第2の所定レベルに設定する。次いで、レーザビームを表面の第2グループの穴の位置に集束するようにサンプルを配置し、多数のレーザパルスが表面をアブレートすることにより、表面に穴を形成する。あるいは、ビームのパルスエネルギーを同じレベルに維持し、より多くの数のパルスをレーザ硬化された表面に当ててもよい。このプロセスは、第2グループの各穴の位置に対して繰り返される。

0029

あるいは、サンプルではなく、レーザビームを移動してもよい。

0030

本発明の別の局面は、上記の方法により、材料サンプルに形成された複数の穴を含む例示的なフォトニック結晶である。

0031

(発明の詳細な説明)本発明は、実質的に均一なサイズおよび形状を有し、レーザビームの波長よりも小さな直径を有する小さな穴を開けるためのレーザ材料加工用途で用いられる方法を記載する。現在、フェムト秒のレーザパルスを用いるフォトニックバンドギャップ結晶の加工等の多くのレーザ材料加工用途が、サブミクロンの加工能力を必要としている。図1Aは、材料サンプル100にレーザ加工された、間隔が広い穴の列102を示す。これらの穴は、穴を開けるために用いられる超高速レーザの波長よりも小さな直径dを有するように形成され得る。例えば、使用されるレーザが775nmフェムト秒レーザである場合、図1の穴は、2μmのピッチpで、500nmの直径を有し得る。幾何学的に言うと、これらの穴を500nm程度の狭い間隔で形成することが可能である。しかしながら、穴がレーザ加工されるときに、レーザ硬化領域104も、サンプルの表面に沿って、ビーム幅wと等しい直径で形成される。本実施例において、wは1.5μmである。レーザ硬化領域の材料特性は表面の硬化されていない部分とは著しく異なり得るので、少なくともその一部が表面のレーザ硬化領域内に開けられた穴は、硬化されていない部分に開けられた穴とは大きく異なる特質を有し得る。

0032

図1Bは例示的な材料サンプルを示す。サンプルにレーザ加工された穴は、その穴が一直線上に連続して開けられる場合、最初の穴に続く各穴の領域の交差部106近傍の部分が、表面のレーザ硬化領域に含まれるように狭い間隔で形成される。図1Aを参照して示した、上記と同じ例示的なレーザビームパラメータを用いると、図1Bのピッチpは750nmである。

0033

このようにして形成された穴は不完全であるか、または形が損なわれているかもしれない。特に、正確な許容差が望まれるフォトニック結晶等の用途では望ましくない。レーザ硬化領域の最小直径がレーザの回折限界であるビームスポットサイズにより決定されるので、波長よりも小さなピッチの実質的に同一の穴を、連続した穿孔パターンを用いてレーザ加工することは、多くの材料において不可能であり得る。

0034

図2は、本発明で用いられるレーザ加工装置の例示的な実施形態を示す。超短波パルスレーザ204、例えば、775nmフェムト秒のレーザが、望ましくはTEM0,0モードで発振するレーザビーム200を生成する。このレーザビームは、レーザ加工装置の構成要素間の、介在する空気中を通るか、または光ファイバー(図示せず)に沿って伝播され得る。レーザから出射された後、ビームは、可変強度減衰器およびシャッターアセンブリー206を通過し、シャッター(図示せず)および可変強度減衰器(図示せず)を含む。シャッターがパルス数を制御し、可変強度減衰器はビームのパルスエネルギーを制御する。半波長板および交差偏光子が、例示的な可変強度減衰器を形成し得る。この組み合わせによって、所望のレーザ強度および当てるべきパルス数を選択することが可能である。本発明の例示的な実施形態は、775nmの波長を有する超短波パルスレーザを用いる。この可変強度減衰器によって、レーザのパルスエネルギーが1ナノジュール〜1マイクロジュールに設定され得る。

0035

レーザビームは、次いで、加工するサンプル100の表面に集束される。ビーム200をワークピース100に集束させるために、作動距離が長く開口率が高い、顕微鏡対物レンズ等の出力カプラ202が用いられ得る。サンプル100は、ナノメーター解像度を有する精密なXYZ平行移動ステージ210に取りつけられ得る。光カプラ202に対してXYZステージ210を移動させることによって、図2の集束されたレーザビーム208で示すように、サンプル上の任意のスポットにレーザビームを正確に集束し得る。

0036

図5チャートで示す本発明の例示的な方法は、図2に示す種類のレーザ加工装置を用いて、波長よりも小さな間隔を有する穴を開けるための手順である。これは、新たな穿孔パターンを用いて達成される。

0037

第1の工程500は材料サンプル100上の位置を隔てることであり、穴は2つのグループに分けて開けられる。これらのグループは、所与のグループの2つの穴が、一方の穴の加工中に形成されたレーザ硬化領域が他方の穴の一部と重なるほど互いに近くならないように選択される必要がある。厳密には、これは、同じグループの任意の2つの穴の間隔が、レーザ硬化領域の幅と少なくとも等しいことを意味する。一列の穴に対して、これらのグループは、穴に連続した番号をつけることによって、通常は選択され得、偶数の番号を付けられた穴が一方のグループとなり、奇数の番号をつけられた穴が他方のグループとなる。一列の穴が2つのグループに分けられた後も、一方のグループの穴がなお互いに近接している場合、3つのグループが形成され得ることが企図されている。

0038

次の工程502で、レーザビームのパルスエネルギーが、レーザビームの集束された空間プロフィール中心領域内に、硬化されていない材料のアブレーション閾値よりも高いレーザビーム強度を提供するレベルに設定される。この強度がアブレーション閾値を越えるレーザビームプロフィール面積は、望ましくは、加工される穴1個分の面積と同じである。

0039

次に、図5に示す例示的な実施形態において、サンプルは、レーザビームがサンプルの表面の第1のグループの穴の位置のうちの1つに集束されるように配置される(工程504)。サンプルは、表面に穴を適切に配置するためにXおよびY方向に正確に配置され、そして、表面にレーザビームを集束させるようにZ方向に正確に配置される。サンプルを動かす代わりに、作動距離が長い顕微鏡の対物レンズ202を操作して、レーザビームを集束および/または配置し得ることが企図されている。レーザビームを配置するために、顕微鏡の対物レンズを移動する場合、レーザビームが、レーザ加工装置の構成要素間を光ファイバー内で伝播され得ることが望ましい。

0040

所定数のパルスが、表面506をアブレートするために当てられる。この数は、硬化されていない部分に所望の穴のサイズを導入するために計算され得る。あるいは、穿孔プロセスが、適切な数のパルスが通った時を確認するために、インサイチュでモニターされ得る。このようにして、非常に精度が高い穴の深さが達成され得る。

0041

工程508での判定により、前の2つの工程504および506が、第1のグループ全ての穴が開けられるまで繰り返される。

0042

表面の第1の位置の全てが穴を有すると、プロセスは工程510に進む。レーザビームのパルスエネルギーが、レーザ硬化された材料のアブレーション閾値よりも高いレーザビーム強度を提供する第2のレベルに設定される。この強度がアブレーション閾値を越えるレーザビームプロフィールの面積は、望ましくは、加工される穴の1個分の面積と同じである。

0043

次に、サンプルは、レーザビームがサンプルの表面の第2グループの穴の位置のうちの1つに集束されるように配置される(工程512)。サンプルは工程504と同様に配置される。

0044

レーザビームの多数のパルスが、次いで、表面514をアブレートするために当てられる。この数は、レーザ硬化部分に望ましい穴のサイズを導入するために計算され得るか、または工程506に関して既述したようにモニターされ得る。

0045

これらの最後の2つの工程512および514は、第2グループの全ての穴が開けられるまで繰り返され得る。第3グループの穴の位置がある場合には、パルスエネルギーは、レーザビームに2度当てられた材料に対して、第3グループの穴を、最初の2つのグループと同様の方法で開けるために再度増加され得る。

0046

この方法は、レーザ硬化された周辺部が存在し得、且つ従来の穿孔方式を連続して用いたときに確実な穿孔結果を妨げ得る、レーザ加工プロセスのいずれにも適用できる。図3に示す本発明の例示的な実施形態は、フォトニック結晶を生成するために、基板300にフェムト秒のパルスで穴102を開ける工程を伴う。この基板は、望ましくは、誘電材料または二酸化シリコン上のシリコン構造等の多層構造で形成され得る。図3に示す例示的なフォトニック結晶は、正方形パターンに配列された穴を有する二次元のフォトニック結晶構造として形成されている。この正方形のパターンは、単に二次元のフォトニック結晶の1つの可能なパターンにすぎない。六角形のパターン等の他のパターンもまた、本発明のレーザ加工法を用いて形成され得る。1次元のフォトニック結晶構造も同様に、本発明のレーザ加工プロセスを用いて形成され得ることが企図されている。

0047

図4は、図5を参照して上述した例示的なレーザ加工プロセスの別の用途を示す。図4の材料サンプル100は、表面にレーザ加工された溝402を有する。この溝は、本発明に従って、穴の直径の一部をピッチとして、波長よりも小さい直径の穴を連続して形成することによって刻まれ得るので、穴が重なり合い、実質的に滑らかな溝を形成する。このような溝を形成するために、穴の位置を少なくとも3つのグループに分けることが望ましい。

0048

本発明を例示的な実施形態に関して述べたが、本発明は、添付の特許請求の範囲内で上述のとおりに実行され得ることが企図されている。また、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲から逸脱しない、多くの他の改変例が存在することを、当業者は理解する。

0049

結論として、本発明は、超高速パルスレーザを用いるレーザ加工の方法を提供する。本発明に従って、レーザの波長よりも小さなピッチの複数の穴が材料サンプルに開けられる。確実且つ再現可能な穿孔が、第1の集合の穴に隣接する穴について表面のレーザ硬化を避けるために間隔を置いた表面に、第1のパルスエネルギーで多数のパルスを当てる例示的な穿孔のシーケンスを通して達成される。次に、パルス数を増加するか、またはレーザビームのエネルギーを増加させて、第1の集合の穴の間に穴を開ける。例示的なレーザ加工プロセスは、他の用途の中でも特に、1次元および二次元双方のフォトニック結晶を製造するために用いられ得る。

図面の簡単な説明

0050

図1図1Aは、レーザ加工されたサンプルの一部分における、間隔を広く置いた穴、および関連するレーザ硬化領域を示す上面図である。
図1図1Bは、レーザ加工されたサンプルの一部分における、間隔を狭く置いた穴、および関連するレーザ硬化領域を示す上面図である。
図2図2は、本発明の例示的なレーザ加工装置を示すブロック図である。
図3図3は、本発明の例示的なレーザ加工法によって形成された例示的なフォトニック結晶を示す上面図である。
図4図4は、本発明の例示的なレーザ加工法を用いて、材料の一部に刻まれたレーザ加工された溝を示す上面図である。
図5図5は、本発明の例示的なレーザ加工法を示すフローチャートである。

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