专利名称：微细构造的形成方法以及具有微细构造的基体的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及利用激光以及蚀刻形成微细构造的形成方法以及具有微细构造的基体。本申请主张于2010年2月5日在日本申请的特愿2010 — 024775号的优先权，并在此援引其内容。
背景技术：
作为在基板(加工材料)上形成微细构造的方法，已知下述的方法。作为第一种方法，已知使用光刻技术的微细构造的形成方法。在该方法中，首先， 在材料的表面形成掩膜，之后，利用湿式蚀刻或干式蚀刻，形成微细构造(例如，参照下述专利文献I)。作为第二种方法，已知聚光照射具有皮秒级以下的脉冲时间宽度的激光，在聚光部形成构造变质部，之后，通过利用氟酸等的湿式蚀刻，形成高深宽比(High aspect)的槽、微细孔或者在横向等分支或分支弯曲的构造的方法(例如，参照下述专利文献2)。作为第三种方法，已知下述的方法。首先，将具有皮秒级以下的脉冲时间宽度的激 光脉冲聚光照射到加工材料的表面以及离表面近的部分、或内部，在聚光部利用通过激光脉冲所产生的电子等离子体波和入射光，与激光偏振垂直地形成变质部和数百纳米级的周期构造。或者，通过将圆偏振聚光照射到加工材料的内部，形成向偏振旋转方向打旋的特别的构造(例如，参照下述专利文献3)。接下来，进行研磨，使激光变质部露出，通过利用氟酸的湿式蚀刻，而选择性地对周期构造进行蚀刻从而形成周期性地凹凸。(例如，参照下述非专利文献I)。作为第四种方法，提出了用水或乙醇覆盖基板的表面，聚光照射具有皮秒级以下的脉冲时间宽度的激光，使聚光部产生消融而形成微细孔的方法(例如，参照下述非专利文献2)。然而，在上述的第一种光刻法中，例如在石英玻璃等的加工材料上形成宽度数百纳米级、深度5微米以上的高深宽比构造，一般来说是困难的。另外，由于加工形状限定在一维方向，所以在加工材料内部进行横向的蚀刻是困难的。而且，在第二种所记载的组合脉冲激光和湿式蚀刻的方法中，能够进行横向以及垂直方向的蚀刻，但主要加工孔径为至少数微米以上的微米级的孔，所以实现纳米级的加工宽度是困难的。并且，在第三种所记载的方法中，能够以数百纳米级形成周期构造，但自行形成周期构造，所以在任意的地方单独形成孔是困难的，而且也没有记载横向的蚀刻方法。 而且，在利用第四种方法实施加工的情况下，能够进行横向以及垂直方向的微细孔加工，但由于(I)是孔径为至少数微米以上的微米级的加工，(2)是利用消融的加工，所以加工面粗糙，(3)加工速度慢，(4)若深宽比变大，则因消融飞散的微粒子堵塞等原因，有蚀刻停止等缺点。
专利文献I :日本国特开2006 - 111525号公报专利文献2 :日本国特开2005 - 219105号公报专利文献3 :日本国特表2004 - 035255号公报非专利文献I 0PTICS LETTERS/JuLy 15，2005/voL. 30，NO. 14/1867-非专利文献2 :AppLied Physics A /August, 2005/voL. 79, NO. 3/605-
发明内容
本发明是鉴于这样的以往的实际情况而做出的，其第一目的在于，提供能够控制加工形状的同时，能够形成具有纳米级的开口宽度且具有高深宽比的微细构造的微细构造的形成方法。另外，本发明的第二目的在于，提供具备微细构造的基体，该微细构造具有纳米级的开口宽度且具有高深宽比。本发明的微细构造的形成方法，准备具有加工适合值的基板；对于上述基板的内部，以接近于上述基板的上述加工适合值的照射强度，将具有皮秒级以下的脉冲时间宽度的激光在由上述激光的传播方向和与上述激光的偏振方向(电场方向)垂直的方向构成的平面内进行照射；在上述激光聚光的焦点以及离该焦点近的区域形成构造改性部(第一工序);对上述构造改性部选择性地进行蚀刻处理，形成由微细孔构成的微细构造(第二工序)。上述微细构造可以为槽。上述微细构造也可以为通孔。上述微细构造的至少一部分也可以形成，在上述基板内部弯曲或分支的构造，或者相对于上述基板表面在横向或者倾斜方向配置的三维构造。在上述基板的表面也可以以自行形成的方式形成相对于上述激光的偏振方向垂直配置的周期构造。本发明的基体，在基板的内部具备通过上述微细构造的形成方法形成的微细构造。本发明的微细构造的形成方法，在第一工序，向基板的内部照射激光，在上述激光聚光的焦点以及离该焦点近的区域形成构造改性部，之后在第二工序，对上述构造改性部选择性地进行蚀刻处理，形成由微细孔构成的微细构造。此时，在上述第一工序中，将上述激光的照射强度设为接近于上述基板的加工适合值的照射强度，并且将上述激光的照射区域设为由上述激光的传播方向和与上述激光的偏振方向垂直的方向构成的平面内，所以没有形成周期性的构造，通过激光照射形成一个构造改性部。之后，通过进行蚀刻，形成具有纳米级的开口宽度且具有高深宽比的微细孔。其结果，根据本发明，能够提供可控制加工形状，并且能够形成至少相对于激光的偏振方向具有纳米级的开口宽度的高深宽比的微细构造的微细构造的形成方法。而且，本发明的基体在基板的内部具有由微细孔构成的微细构造。该微细孔通过上述的本实施方式的方法形成，所以具有高深宽比。其结果，根据本发明，能够提供具有纳米级的开口宽度，并且具备高深宽比的微细构造的基体。
图I是示意性地表示本发明的一实施方式的微细构造的形成方法的立体图。图2是示意性地表示本发明的一实施方式的微细构造的形成方法的立体图。图3A是示意性地表示激光照射能量和所形成的构造改性部(氧气缺乏部)的关系的图。图3B是示意性地表示激光照射能量和所形成的构造改性部(氧气缺乏部)的关系的图。图4是表示由微细孔构成的微细构造的形成例的照片。图5是表示由微细孔构成的微细构造的其他的形成例的照片。
图6是示意性地表示本发明的基体的一构成例的立体图。图7是利用以往技术形成的微细孔的剖面图。图8是利用本发明形成的微细孔的剖面图。
具体实施例方式以下，对本发明的一实施方式的微细构造的形成方法以及基体的优选的实施方式进行说明。图I以及图2是示意性地表示本实施方式的微细构造的形成方法的立体图。本实施方式的微细构造的形成方法具有向基板10的内部照射激光L，在上述激光L聚光的焦点以及离该焦点近的区域形成构造改性部11的第一工序(参照图I);对上述构造改性部11选择性地进行蚀刻处理，形成由微细孔12构成的微细构造13的第二工序(参照图2)，在上述第一工序中，上述激光L的照射强度被设为接近于上述基板10的加工适合值的照射强度，并且上述激光L的照射区域被设为由上述激光L的传播方向(图I中，箭头A)和与上述激光L的偏振(也称为电场或者电场矢量)方向(图I中，箭头B)垂直的方向构成的平面IOa内。本实施方式的微细构造的形成方法中，在第一工序，向基板10的内部照射激光L，在上述激光L聚光的焦点以及离该焦点近的区域形成构造改性部11，之后在第二工序，对上述构造改性部11选择性地进行蚀刻处理，形成由微细孔12构成的微细构造13。此时，在上述第一工序中，将上述激光L的照射强度设为接近于上述基板10的加工适合值的照射强度，并且将上述激光L的照射区域设为由上述激光L的传播方向(箭头A)和与上述激光L的偏振方向(箭头B)垂直的方向构成的平面IOa内，所以没有形成周期性的构造，通过激光照射形成一个构造改性部11。之后，通过进行蚀刻，形成具有纳米级的开口宽度且具有高深宽比的微细孔12。其结果，在本实施方式的微细构造的形成方法中，能够控制加工形状，并且能够形成至少相对于激光的偏振方向具有纳米级的开口宽度的高深宽比的微细构造13。以下，按照工序顺序进行说明。(I)如图I所示，向基板10的内部照射激光L，在上述激光L聚光的焦点以及离该焦点近的区域形成构造改性部11 (第一工序)。首先，向基板10的内部，通过透镜20聚光照射激光L或者对聚光部进行扫描而照射，形成构造改性部11。此时，使上述激光L的照射强度接近于上述基板10的加工适合值的照射强度，并且使激光的偏振方向与扫描方向垂直。在此，加工适合值定义为用于形成周期构造的激光脉冲能量的下限值。
作为构成基板10的材料，优选相对于激光的波长为透过率的较高的材质。合成石英最适合加工，但除此之外还可使用例如，硼硅玻璃等的玻璃材料、石英、宝石、金刚石、单晶娃等的晶体性材料。另外，作为激光L，优选使用具有皮秒级以下的脉冲时间宽度的激光。例如，能够使用钛宝石激光，光纤激光等。其中，需要使用相对于基板10透明的波长。对激光L聚光的透镜20能够使用例如折射式的物镜或折射式的透镜。除此之外也可以采用例如，菲涅耳(FResneL)、反射式、油浸、水浸式进行照射。另外，例如，若使用柱面透镜，则能够一次性向基板10的广范围照射激光。另外，例如，若使用锥形透镜，则能够一次性向基板10的垂直方向的大范围照射激光L。但是，在使用柱面透镜的情况下，需要激光L的偏振相对于透镜20具有曲率的方向平行。另外，在本实施方式中，将激光L的照射区域设为由上述激光L的传播方向(箭头A)和相对于上述激光L的偏振方向(箭头B)垂直的方向构成的平面IOa内。
此外，作为上述偏振详细说明了直线偏振，但采用具有一些椭圆偏振成分的激光脉冲也能够形成相同的构造。另外，针对激光L的照射区域，以上述激光L的传播方向(箭头A)和上述激光L的偏振方向(箭头B)之间的关系进行了叙述，但是从垂直偏离一些角度变化也能够得到相同的构造。即，优选平面IOa和激光L的偏振方向(箭头B)所呈的角度大于88°，90°以下，更优选88. 5°以上90°以下，更优选89°以上90°以下，特别优选90。。激光L的照射方法不作特别限定，但作为能够通过一次性连续照射而形成的构造，限定为相对于偏振方向垂直的一维方向和激光L的传播方向的二维方向。S卩，通过一次性连续照射而形成的构造形成于由激光L的传播方向(箭头A)和与激光L的偏振方向(箭头B)垂直的方向构成的平面IOa内。只要是该二维方向内，则能够在基板10的内部形任意地成构造。例如，能够按照照射部在与激光L的传播方向平行方向重叠的方式照射，在与激光L的传播方向垂直的方向或者倾斜方向加工，或者在基板10的内部的平面IOa内形成分支构造、曲线等。此时，激光L的照射，先在激光L的传播方向照射最远的位置，接着照射近的位置即可。若先照射近的位置，接着照射远的位置，则有因形成于近的位置的构造改性部会妨碍激光L的传播，不易在远的位置形成构造改性部的情况。为了形成沿三维方向延伸的构造，在每次形成时，需要改变偏振光方向。能够通过一次性描绘加工的面，是由激光L的传播方向和与偏振方向垂直的方向构成的面。对不同角度的平面进行加工时，通过改变偏振方向能够形成三维的复杂的构造。在对多个平面进行加工时，可以通过改变几次激光L的聚光位置、偏振方向，进行加工。并且，在通过一次性描绘加工的面上形成的、多个构造改性部相接的情况或者交叉的情况下，通过进行蚀刻处理，能够连接各个微细孔。具体而言，例如，使用钛宝石激光(作为激光介质使用在宝石掺杂钛的结晶的激光)。作为照射条件，例如，以波长800nm、重复频率200kHz、激光扫描速度Imm /秒，将激光L聚光照射。这些波长、重复频率、扫描速度的值为一例，本发明并不局限于此，可任意改变。在上述的将钛宝石激光照射到石英基板的情况下，作为用于聚光的透镜20，优选使用N. A <不足O. 7的物镜。在对离石英基板的表面近的部分照射激光时，优选脉冲能量为接近于加工适合值的能量(例如80nJ / PuLse左右以下)。若为其以上的能量，则不易加工纳米级的加工宽度，成为微米级的加工宽度。或者，成为形成多个周期构造的构造，不能形成本发明的构造。并且，即使N.A.彡O. 7，也能够形成构造改性部，但光斑尺寸更小，聚光部中的每个I脉冲的激光能量密度变大，成为形成了多个周期构造的构造。因此，使用N. A. ^ O. 7的物镜的情况下，要求聚光部中的激光的脉冲能量变得更小。另外，本发明中，也能够自行形成相对于激光L的偏振方向垂直配置的周期构造。若以相同的激光照射条件、蚀刻条件，对离基板10的表面近的部分进行加工，则能够在基板10的表面形成配置于与激光L的偏振方向垂直的方向的、数百纳米级的周期性的凹凸构造。因此，若在离基板10的表面近的部分以及内部，以相同的条件进行加工，则能够在离基板10的表面近的部分形成周期构造，并且能够在内部形成至少偏振方向的开口宽度为纳米级的微细构造13。此外，记载了偏振为直线偏振的情况，但即使是具有一些椭圆偏振成分的激光脉冲也能够形成相同的周期构造。 (2)接下来，如图2所示，对上述构造改性部11选择性地进行蚀刻处理，形成由微细孔12构成的微细构造13 (第二工序)。之后，通过进行蚀刻，对构造改性部11选择性地进行蚀刻，形成由微细孔12构成的微细构造13。由此，能够形成至少电场矢量方向的开口宽度为纳米级的微细构造13。该微细孔12 (微细构造13)也能够实现在内部的横向具有分支、弯曲等复杂的构造的加工形状，即使是高深宽比的构造也不会发生蚀刻停止。已知通过以加工适合值以上的照射强度，聚光照射具有皮秒级以下的脉冲时间宽度的脉冲激光，在聚光部发生电子等离子体波和入射光的干扰，自行形成相对于激光的偏振垂直的周期构造。该周期构造视为耐蚀刻性弱的区域。例如，在为石英的情况下，周期性地排列氧气缺乏的区域和氧气增加的区域，氧气缺乏部(上述周期构造)的耐蚀刻性变弱，若进行蚀刻，形成周期性的凹部以及凸部。如图3A所示，若对基板10的内部，以接近于加工适合值的照射强度、其中不足加工适合值、且能够对基板10改性而降低耐蚀刻性的激光照射能量的下限值(阈值)以上进行激光照射(图3A的部分A)，则不能形成周期性的构造，通过激光照射形成一个氧气缺乏部(图3A的部分B)。图3A的部分C的照片是形成于石英基板的一个氧气缺乏部的剖面照片。另一方面，如图3B所示，若赋予加工适合值以上的激光照射能量，则在内部自行形成多个氧气缺乏部。通过激光照射仅形成一个氧气缺乏部(构造改性部11)时，该氧气缺乏部极容易被蚀刻。另一方面，若存在多个氧气缺乏部，则多个氧气缺乏部的蚀刻性比一个氧气缺乏部还差。本发明者首次发现了该现象。在此，对由以往技术的多个氧气缺乏部形成的微细孔和本发明中的微细孔之间的差异进行说明。图7示出以往技术中的微细孔的剖面形状。以往，通过赋予加工适合值以上的激光照射能量，在激光聚光的焦点的内部自行形成多个氧气缺乏部。接下来，若进行蚀刻处理，则多个氧气缺乏部被选择性地蚀刻，从而形成多个微细孔。并且若继续进行蚀刻处理，则存在于相邻的微细孔之间的氧气充足的区域也被蚀刻，相邻的微细孔彼此之间结合。这样，形成图7所示的一个微细孔。利用以往技术形成的微细孔呈外缘不平滑的凹凸形状。或者，即使在设为相邻的微细孔不结合的蚀刻条件的情况下，由于多个微细孔彼此的剖面形状、尺寸不同，所以不易形成形状一致的多个微细孔。图8示出本发明中的微细孔的剖面形状。由于以接近于加工适合值的照射强度、即使中间小于加工适合值也以能够对基板10改性而降低耐蚀刻性的激光照射能量的下限值(阈值)以上的强度进行激光照射，所以在焦点不形成周期性的构造，而形成一个氧气缺乏区域。接下来，若进行蚀刻处理，则形成一个微细孔，呈图8所示的剖面形状。与以往技术中形成的微细孔不同，呈外缘平滑的形状。作为蚀刻，可以采用湿式蚀刻或干式蚀刻。湿式蚀刻中，优选使用例如，I %以下的氟酸，但也可以使用其他的具有酸或碱性的材料。作为能够在干式蚀刻中使用的蚀刻的方式，各向同性蚀刻法能够利用例如，圆筒型等离子体蚀刻、平行平板型等离子体蚀刻、下降流(down fLow)型化学干式蚀刻等各种干式蚀刻方式。作为各向异性干式蚀刻法，例如作为利用反应离子刻蚀(以下，RIE)的方法，能够使用平行平板型RIE、磁控管型RIE、ICP型RIE、NLD型RIE等。除了 RIE以外，例如能够利用采用中性粒子束的蚀刻。在利用各向异性干式蚀刻法的情况下，通过提高工艺压力等的手法，缩短离子的平均自由行程，能够进行接近于各向同性蚀刻的加工。使用的气体主要为例如，氟碳(fLuoRocaRbon)系、SF系气体、CHF3、氟气、氯气等，能够对材料进行化学蚀刻的气体，可在这些气体中适当地混合其他的氧气、氩、氦等而使用，也可以进行采用其他的干式蚀刻方式的加工。如上所述，能够形成由配置在基板10的内部的微细孔12构成的微细构造13。此外，被加工的微细构造13呈平坦的构造，所以成为纳米级的构造的，至少只有偏振方向一维方向。偏振方向的开口宽度几乎由蚀刻速度决定，因此理论上可以以数纳米左右的宽度进行加工。由这样形成的微细孔12构成的微细构造13，例如作为槽或通孔发挥功能。通过具有高深宽比的槽构造，从而表面积增大，所以若进行导电体或电介质的成膜，则能够形成静电容量大的电容器。另外，对于通孔而言，通过在通孔内填充导电体，能够形成布线。另夕卜，至少一部分能够具备在上述基板10的内部弯曲或者分支的构造，或者相对于上述基板10的表面横向或者倾斜地配置的三维构造，所以能够提供具备各种三维构造的基板。图4示出通过上述的本实施方式的方法形成的微细构造13的一个例子。图4所示的微细构造13是微细孔12形成槽的情况。蚀刻时使用I %以下的氟酸实施了加工。在离表面近的部分，电子等离子体波的分布不同，所以成为背景技术中的第二种方法所示的加工宽度变宽的周期构造，但内部形成了纳米级的槽构造。槽的宽度为200nm左右。槽的深度为5 μ m左右。其中，槽的深度为5μπι左右是因为激光的照射只实施到该深度。因此，如果向更深的区域照射激光，则能够使槽的深度更深。另外，槽的加工宽度为200nm左右是因为对使用氟酸的蚀刻的依赖性强。因此，通过降低蚀刻浓度，或者减少蚀刻时间等，能够形成更细的宽度的槽。另外，相反地，通过增加蚀刻量，能够实现微米级以上的加工宽度。另外，若在蚀刻前通过研磨基板10的表面而去除，则能够形成不包含图4所示的、加工宽度变宽的构造的槽。并且，若使激光不直接在表面聚光，而将激光照射到表面正下面等，则能够形成如图5所示，在基板10的表面不包含周期构造的槽构造。因此，即使不进行表面的研磨，也能够形成在基板表面不包含周期构造的槽。图6是示意性表示本实施方式的基体I的一构成例的剖面图。本实施方式的基体I在基板10的内部具有由微细孔12构成的微细构造13。由于该微细孔12通过上述的本实施方式的方法形成，所以具有高深宽比。其结果，本实施方式的基体I具有纳米级的开口宽度，具备高深宽比的微细构造13。
具备这样的由具有高深宽比的微细孔12构成的微细构造13的基体I能够使用于各种装置。此外，在上述的本实施方式的微细构造的形成方法中，详细说明了在第一工序中，将激光的照射强度设为接近于基板的加工适合值的值的情况，但想得到本发明的效果，也可以将激光的照射强度设为该范围外。例如，也可以将激光的照射强度设为基板的加工适合值以上且消融阈值以下。另外，为了通过上述的本实施方式的形成方法所得到的微细构造，还包含例如使用激光的照射强度不接近于基板的加工适合值的激光条件等，而相对于通过该激光照射自行形成的周期构造，部分包含实施蚀刻加工而得到的凹凸构造的构造(例如，部分包含多个微细凹凸的构造)。以上，说明了本实施方式的微细构造的形成方法以及具有微细构造的基体，但本发明不限于此，能够在不脱离本发明的宗旨的范围内进行适当的变更。产业上应用的可能性本发明的微细构造的形成方法以及具有该微细构造的基体，广泛适用于例如，微通道、微孔板、光学部件、1C、电子部件等技术领域。图中符号说明I…基体；10…基板；10 a …平面；11…构造改性部；12…微细孔；13…微细构造；L···激光。
权利要求
1.一种微细构造的形成方法，其特征在于， 准备具有加工适合值的基板； 对上述基板的内部，以接近于上述基板的上述加工适合值的照射强度，将具有皮秒级以下的脉冲时间宽度的激光在由上述激光的传播方向和相对于上述激光的偏振方向(电场方向)垂直的方向构成的平面内进行照射； 在上述激光聚光的焦点以及离该焦点近的区域形成构造改性部； 对上述构造改性部选择性地进行蚀刻处理，形成由微细孔构成的微细构造。
2.根据权利要求I所述的微细构造的形成方法，其特征在于， 上述微细构造为槽。
3.根据权利要求I所述的微细构造的形成方法，其特征在于， 上述微细构造为通孔。
4.根据权利要求I所述的微细构造的形成方法，其特征在于， 上述微细构造的至少一部分形成为在上述基板内部弯曲或分支的构造，或者形成为相对于上述基板表面在横向或者倾斜方向配置的三维构造。
5.根据权利要求广4中任意一项所述的微细构造的形成方法，其特征在于， 在上述基板的表面以自行形成的方式形成相对于上述激光的偏振方向垂直地配置的周期构造。
6.一种基体，其特征在于，在基板的内部具备根据上述权利要求广5中任意一项所述的方法形成的微细构造。
全文摘要
在本发明的微细构造的形成方法中，准备具有加工适合值的基板；对上述基板的内部，以接近于上述基板的上述加工适合值的照射强度，将具有皮秒级以下的脉冲时间宽度的激光在由上述激光的传播方向和与上述激光的偏振方向(电场方向)垂直的方向构成的平面内进行照射；在上述激光聚光的焦点以及离该焦点近的区域形成构造改性部；对上述构造改性部选择性地进行蚀刻处理，形成由微细孔构成的微细构造。
文档编号B23K26/38GK102741012SQ20118000834
公开日2012年10月17日 申请日期2011年1月31日 优先权日2010年2月5日
发明者寒川诚二, 杉山正和, 额贺理 申请人:国立大学法人东京大学, 技术研究组合Beans研究所, 株式会社藤仓