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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024131243
(43)【公開日】2024-09-30
(54)【発明の名称】表面造形方法及び表面造形装置
(51)【国際特許分類】
B23K 26/361 20140101AFI20240920BHJP
【ＦＩ】
B23K26/361
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023041379
(22)【出願日】2023-03-15
【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）令和３年度、文部科学省、光・量子飛躍フラッグシッププログラム（Ｑ－ＬＥＡＰ）事業「光量子科学によるものづくりＣＰＳ化拠点」、「先端ビームによる微細構造物形成過程解明のためのオペランド計測」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】301032942
【氏名又は名称】国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
(71)【出願人】
【識別番号】000125347
【氏名又は名称】学校法人近畿大学
(74)【代理人】
【識別番号】110000338
【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ
(72)【発明者】
【氏名】石野 雅彦
(72)【発明者】
【氏名】ヂン タンフン
(72)【発明者】
【氏名】錦野 将元
(72)【発明者】
【氏名】三上 勝大
【テーマコード（参考）】
4E168
【Ｆターム（参考）】
4E168AD03
4E168DA04
4E168DA47
4E168JA15
(57)【要約】
【課題】深さがナノメートルオーダー又はサブナノメートルオーダーである凹みを表面に造形可能な表面造形技術を提供すること。
【解決手段】表面造形方法（Ｍ１０）は、酸化アルミニウム及び酸化チタンの少なくとも何れかにより表面が構成されたターゲットに対してパルス状の軟Ｘ線レーザを照射する表面造形方法（Ｍ１０）であって、パターンの細かさに応じて照射波長を１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲から選択する波長選択工程（Ｓ１１）と、前記波長選択工程で選択された照射波長を有する軟Ｘ線レーザを前記表面に照射する照射工程（Ｓ１５）と、を含む。
【選択図】図３
【解決手段】表面造形方法（Ｍ１０）は、酸化アルミニウム及び酸化チタンの少なくとも何れかにより表面が構成されたターゲットに対してパルス状の軟Ｘ線レーザを照射する表面造形方法（Ｍ１０）であって、パターンの細かさに応じて照射波長を１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲から選択する波長選択工程（Ｓ１１）と、前記波長選択工程で選択された照射波長を有する軟Ｘ線レーザを前記表面に照射する照射工程（Ｓ１５）と、を含む。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
酸化アルミニウム及び酸化チタンの少なくとも何れかにより表面が構成されたターゲットに対してパルス状の軟Ｘ線レーザを照射することによって、前記表面にパターンを造形する表面造形方法であって、
前記軟Ｘ線レーザの波長である照射波長を１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲から選択する波長選択工程と、
前記波長選択工程で選択された照射波長を有する軟Ｘ線レーザを前記表面に照射する照射工程と、を含む、
ことを特徴とする表面造形方法。
前記軟Ｘ線レーザの波長である照射波長を１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲から選択する波長選択工程と、
前記波長選択工程で選択された照射波長を有する軟Ｘ線レーザを前記表面に照射する照射工程と、を含む、
ことを特徴とする表面造形方法。
【請求項2】
前記波長選択工程では、前記パターンの細かさに応じて前記軟Ｘ線レーザの波長である照射波長を１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲から選択する、
ことを特徴とする請求項１に記載の表面造形方法。
ことを特徴とする請求項１に記載の表面造形方法。
【請求項3】
前記照射工程の前に実施される調整工程であって、前記軟Ｘ線レーザが前記表面において集光するように照射光学系を調整する調整工程を更に含む、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の表面造形方法。
【請求項4】
前記照射工程の前に実施されるパルス幅選択工程であって、前記軟Ｘ線レーザのパルス幅を１０×１０－１５秒以上１０×１０－１２秒以下の範囲内において選択するパルス幅選択工程を更に含む、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の表面造形方法。
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の表面造形方法。
【請求項5】
酸化アルミニウム及び酸化チタンの少なくとも何れかにより表面が構成されたターゲットに対してパルス状の軟Ｘ線レーザを照射することによって、前記表面にパターンを造形する表面造形装置であって、
前記軟Ｘ線レーザの波長である照射波長を１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲から選択する波長選択部と、
前記波長選択部によって選択された照射波長を有する軟Ｘ線レーザを前記表面に照射する照射光学系と、を備えている、
ことを特徴とする表面造形装置。
前記軟Ｘ線レーザの波長である照射波長を１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲から選択する波長選択部と、
前記波長選択部によって選択された照射波長を有する軟Ｘ線レーザを前記表面に照射する照射光学系と、を備えている、
ことを特徴とする表面造形装置。
【請求項6】
前記波長選択部は、前記パターンの細かさに応じて前記軟Ｘ線レーザの波長である照射波長を１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲から選択する、
ことを特徴とする請求項５に記載の表面造形装置。
ことを特徴とする請求項５に記載の表面造形装置。
【請求項7】
前記軟Ｘ線レーザが前記表面において集光するように前記照射光学系を調整する調整部を更に含む、
ことを特徴とする請求項５又は６に記載の表面造形装置。
ことを特徴とする請求項５又は６に記載の表面造形装置。
【請求項8】
前記軟Ｘ線レーザのパルス幅を１０×１０－１５秒以上１０×１０－１２秒以下の範囲内において選択するパルス幅選択部を更に備えている、
ことを特徴とする請求項５又は６に記載の表面造形装置。
ことを特徴とする請求項５又は６に記載の表面造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、軟Ｘ線レーザを用いてターゲットの表面にパターンを造形する表面造形方法及び表面造形装置に関する。
【背景技術】
【0002】
様々なレーザ光をターゲットの表面に照射することによって、当該表面にパターンを造形する表面造形技術が知られている。これらの表面造形技術は、レーザ加工とも呼ばれている。
【0003】
レーザ加工において用いられるレーザ光の波長は、さまざまである。レーザ加工に広く用いられているレーザ光は、例えば、赤外線、可視光線、及び紫外線である。レーザ光の波長は、ターゲットの表面を構成する材料や、パターンの細かさなどに応じて選択される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】T.-H. Dinh et al., Communication Physics 2, 150 (2019).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
造形されるパターンの細かさを左右する一要因として、照射するレーザ光のスポット径が挙げられる。光のスポット径は、可能な限り合焦した場合であっても、その光の波長程度までしか絞れないことが知られている。したがって、レーザ加工において細かいパターンを造形する場合には、より短い波長を有するレーザ光を用いることが好ましい。
【0006】
例えば、非特許文献１には、紫外線よりも波長が短い軟Ｘ線レーザを用いた表面造形技術が記載されている。
【0007】
この表面造形技術では、ターゲットとしてシリコンを用い、波長が１０．３ｎｍである軟Ｘ線レーザをターゲットの表面に照射することにより、深さがナノメートル（２ｎｍ／ショット）の凹みを表面に造形している。例えば、２ｎｍ／ショットの凹みを再現性よく造形することが可能であるということは、軟Ｘ線レーザのショット数を適宜定めることによって、２ｎｍの精度で造形する凹みの深さを制御可能であることを意味する。
【0008】
その一方で、深さが上述したナノメートルオーダーよりも浅いサブナノメートルオーダー（オングストロームオーダーとも呼ばれる）である凹みを、表面に造形する表面造形技術も求められている。この表面造形技術を実現することにより、サブナノメートルオーダーの精度で造形する凹みの深さを制御することができる。深さをサブナノメートルオーダーで制御された凹みを表面に造形できる表面造形技術は、例えば、微量流路、精密鋳型や電子回路などの形成に適用することができる。
【0009】
本発明の一態様は、１ショット当たりの深さがサブナノメートルオーダーである凹みを表面に造形可能な表面造形技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記の課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る表面造形方法は、酸化アルミニウム及び酸化チタンの少なくとも何れかにより表面が構成されたターゲットに対してパルス状の軟Ｘ線レーザを照射することによって、前記表面にパターンを造形する表面造形方法であって、前記軟Ｘ線レーザの波長である照射波長を１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲から選択する波長選択工程と、前記波長選択工程で選択された照射波長を有する軟Ｘ線レーザを前記表面に照射する照射工程と、を含む。
【0011】
上記の構成によれば、１ショット当たりの深さがサブナノメートルオーダーである凹みを、酸化アルミニウム及び酸化チタンの少なくとも何れかにより表面に造形することができる。
【0012】
なお、以下において、サブナノメートルオーダーとは、０．１ｎｍ以上１ｎｍ未満の範囲を意味する。
【0013】
また、本発明の第２の態様に係る表面造形方法においては、上述した第１の態様に係る表面造形方法の構成に加えて、前記波長選択工程では、前記パターンの細かさに応じて前記軟Ｘ線レーザの波長である照射波長を１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲から選択する、構成が採用されている。
【0014】
Ｘ線レーザに限らず、レーザのスポット径は、レーザの波長と正の相関を持っている。上記の構成によれば、照射波長を１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲から選択することにより、ターゲットの表面に造形するパターンの細かさを調整することができる。
【0015】
また、本発明の第３の態様に係る表面造形方法においては、上述した第１の態様又は第２の態様に係る表面造形方法の構成に加えて、前記照射工程の前に実施される調整工程であって、前記軟Ｘ線レーザが前記表面において集光するように照射光学系を調整する調整工程を更に含む、構成が採用されている。
【0016】
上記の構成によれば、前記表面に対して、目的に応じた波長、集光形状、及び照射強度をもつ軟Ｘ線レーザを確実に照射することができる。したがって、前記波長選択工程において選択された軟Ｘ線レーザの波長に応じて、照射する軟Ｘ線レーザのスポット径を確実に変化させることができる。したがって、得られるパターンを確実に変化させることができる。
【0017】
また、本発明の第４の態様に係る表面造形方法においては、上述した第１の態様～第３の態様の何れか一態様に係る表面造形方法の構成に加えて、前記照射工程の前に実施されるパルス幅選択工程であって、前記軟Ｘ線レーザのパルス幅を１０×１０－１５秒以上１０×１０－１２秒以下の範囲内において選択するパルス幅選択工程を更に含む、構成が採用されている。
【0018】
上記の構成によれば、加工部分の熱的影響を排除することができ、照射部周囲のひび割れ（クラック）や辺縁部の盛り上がり（リム）などの意図しない構造の出現を排除することができる。
【0019】
上記の課題を解決するために、本発明の第５の態様に係る表面造形装置は、酸化アルミニウム及び酸化チタンの少なくとも何れかにより表面が構成されたターゲットに対してパルス状の軟Ｘ線レーザを照射することによって、前記表面にパターンを造形する表面造形装置であって、応じて前記軟Ｘ線レーザの波長である照射波長を１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲から選択する波長選択部と、前記波長選択工程で選択された照射波長を有する軟Ｘ線レーザを前記表面に照射する照射光学系と、を備えている。
【0020】
また、本発明の第６の態様に係る表面造形装置においては、上述した第５の態様に係る表面造形装置の構成に加えて、前記波長選択部は、前記パターンの細かさに応じて前記軟Ｘ線レーザの波長である照射波長を１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲から選択する、構成が採用されている。
【0021】
また、本発明の第７の態様に係る表面造形装置においては、上述した第５の態様又は第６の態様に係る表面造形装置の構成に加えて、前記軟Ｘ線レーザが前記表面において集光するように前記照射光学系を調整する調整部を更に含む、構成が採用されている。
【0022】
また、本発明の第８の態様に係る表面造形装置においては、上述した第５の態様～第７の態様の何れか一態様に係る表面造形装置の構成に加えて、前記軟Ｘ線レーザのパルス幅を１０×１０－１５秒以上１０×１０－１２秒以下の範囲内において選択するパルス幅選択部を更に備えている、構成が採用されている。
【0023】
上述の第５の態様～第８の態様に係る発明の各々は、上述の第１の態様～第４の態様に係る発明の各々に対応する表面造形装置である。したがって、上述の第５の態様～第８の態様に係る発明の各々は、上述の第１の態様～第４の態様に係る発明の各々と同様の効果を奏する。
【発明の効果】
【0024】
本発明の一態様によれば、深さがサブナノメートルオーダーである凹みを表面に造形することができる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】本発明の第１の実施形態に係る表面造形装置の模式図である。
【図3】本発明の第２の実施形態に係る表面造形方法のフローチャートである。
【図4】本発明の第１の実施例～第４の実施例により得られた凹みのＡＦＭ像である。
【図5】本発明の第５の実施例及び第６の実施例により得られたパターンのＡＦＭ像と、第５の実施例において得られたＡＦＭ像であって、高倍率なＡＦＭ像を示す。
【発明を実施するための形態】
【0026】
〔表面造形装置〕
本発明の第１の実施形態に係る表面造形装置１０について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、表面造形装置１０の模式図である。図２は、表面造形装置１０が備えている制御部１６の機能ブロック図である。
本発明の第１の実施形態に係る表面造形装置１０について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、表面造形装置１０の模式図である。図２は、表面造形装置１０が備えている制御部１６の機能ブロック図である。
【0027】
図１に示すように、表面造形装置１０は、Ｘ線レーザ光源１１と、ガスエネルギーモニター１３と、Ｋ－Ｂミラー１４と、Ｘ線フィルタ１５と、パソコンＰＣと、を備えている。ガスエネルギーモニター１３、Ｋ－Ｂミラー１４、及びＸ線フィルタ１５は、照射機構１０Ａを構成する。照射機構１０Ａは、図２に示す波長選択部１６１が選択する照射波長、照射密度選択部１６２が選択する照射エネルギー密度、及びパルス幅選択部１６３が選択するパルス幅を有するＸ線レーザＬをターゲットＴの表面に照射する。波長選択部１６１、照射密度選択部１６２、及びパルス幅選択部１６３を含む制御部１６については、図２を参照して後述する。
【0028】
表面造形装置１０は、点状に合焦されたＸ線レーザＬをターゲットＴの表面に対して照射することにより、当該表面に微細な凹みを施すことができる。この凹みは、表面造形の一態様である。表面造形装置１０によりターゲットＴの表面に形成される凹みの深さは、１ショットのＸ線レーザＬに対してサブナノメートルオーダーである。なお、以下において、サブナノメートルオーダーとは、０．１ｎｍ以上１ｎｍ未満の範囲を意味する。
【0029】
表面造形装置１０の照射機構１０Ａは、ターゲットＴの表面に照射するＸ線レーザＬの位置を走査することによって任意のパターンの凹みを形成可能なように構成されている。ただし、表面造形装置１０の一態様において、照射機構１０Ａは、１ショットのＸ線レーザＬを用いて任意のパターンを有する凹みを形成可能なように構成されていてもよい。１ショットのＸ線レーザＬを任意のパターンに変換する場合、例えば、H. Motoyama et al., Proc. SPIE 10386, 1038609 (2017)、H. Motoyama et al., J. Synchrotron Rad. 26, 1406 (2019)、及び、H. Motoyama, S. Owada, G. Yamaguchi, T. Kume, S. Egawa, K. Tono, Y. Inubushi, T. Koyama, M. Yabashi, H. Ohashi, and H. Miura, “Intense sub-micrometer focusing of soft X-ray free-elecron laser beyond 1016 W cm-2 with an ellipsoidal mirror,” J. Synchrotron Rad. 26 1406-1411 (2019)に記載のマイクロ集光光学鏡を用いることができる。
【0030】
表面造形装置１０のターゲットＴは走査機構を有する保持装置に設置されており、ターゲットの保持装置を走査することによって任意のパターンの凹みを形成可能なように構成されている。ただし、表面造形装置１０の一態様において、照射機構１０Ａは、１ショットのＸ線レーザＬを用いて任意のパターンを有する凹みを形成可能なように構成されていてもよい。
【0031】
本実施形態においては、Ｘ線レーザＬを照射されるターゲットＴとして、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の単結晶基板を用いている。ただし、ターゲットＴは、これに限定されず、その表面が酸化アルミニウム及び酸化チタンの少なくとも何れかにより構成されたものであればよい。
【0032】
＜Ｘ線レーザ光源＞
Ｘ線レーザ光源１１は、波長が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲に含まれ、且つ、パルス幅が１０×１０－１５秒以上１０×１０－１２秒以下の範囲に含まれるＸ線レーザＬを生成する軟Ｘ線レーザ光源である。すなわち、Ｘ線レーザ光源１１は、パルス状の軟Ｘ線レーザを生成する。
Ｘ線レーザ光源１１は、波長が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲に含まれ、且つ、パルス幅が１０×１０－１５秒以上１０×１０－１２秒以下の範囲に含まれるＸ線レーザＬを生成する軟Ｘ線レーザ光源である。すなわち、Ｘ線レーザ光源１１は、パルス状の軟Ｘ線レーザを生成する。
【0033】
Ｘ線レーザ光源１１は、Ｘ線レーザＬの波長を少なくとも１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲において変化させることができる波長可変レーザ光源である。
【0034】
本実施形態においては、Ｘ線レーザ光源１１として、Ｘ線自由電子レーザ(X-ray Free Electron Laser :XFEL)の一例であるＳＡＣＬＡ(SPring-8 Angstrom Compact Free Electron Laser)を採用している。表面造形装置１０は、Ｘ線レーザ光源１１が生成したＸ線レーザＬを集光し、ターゲットＴの表面に照射する。本実施形態において、Ｘ線レーザＬのパルス幅として、２８×１０－１５秒（２８フェムト秒）を採用した（S. Owada, M. Fushitani, A. Matsuda, H. Fujise, Y. Sasaki, Y. Hikosaka, A. Hishikawa, and M. Yabashi, “Characterization of soft x-ray FEL pulse duration with two-color photoelectron spectroscopy,” Journal of Synchrotron Radiation 27, 1362-1365 (2020)参照）。なお、Ｘ線レーザＬのパルス幅は、パルスの半値幅を用いて定義している。また、本実施形態において、Ｘ線レーザ光源１１は、Ｘ線レーザＬの偏光方向が水平面と平行になるように構成されている。ただし、Ｘ線レーザＬの偏光方向は、水平面と平行な方向に限定されるものではない。
【0035】
また、本発明の一態様において、Ｘ線レーザ光源１１は、ＳＡＣＬＡに限定されるものではない。波長が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲に含まれ、且つ、パルス幅が１０×１０－１５秒以上１０×１０－１２秒以下の範囲に含まれるＸ線レーザＬを生成するレーザ光源のなかから適宜選択することができる。例えば、Ｘ線レーザ光源１１は、プラズマを用いたＸ線レーザ光源であってもよいし、高次高調波を用いて上述した波長のＸ線レーザを生成するＸ線レーザ光源であってもよい。
【0036】
＜ガスエネルギーモニター＞
ガスエネルギーモニター１３は、Ｘ線レーザＬの１ショットごとのエネルギーを検出する。ガスエネルギーモニター１３が検出したＸ線レーザＬのエネルギーは、パソコンＰＣに供給される。
ガスエネルギーモニター１３は、Ｘ線レーザＬの１ショットごとのエネルギーを検出する。ガスエネルギーモニター１３が検出したＸ線レーザＬのエネルギーは、パソコンＰＣに供給される。
【0037】
＜Ｋ－Ｂミラー＞
Ｋ－Ｂ(Kirkpatrick-Baez)ミラー１４は、Ｘ線レーザ光源１１が生成したＸ線レーザＬをターゲットＴの表面に集光する。Ｋ－Ｂミラー１４は、集光光学系の一例である。ただし、集光光学系は、図１に図示したようなＫ－Ｂミラー１４に限定されず、集光ミラー及び集光レンズの少なくとも何れかを用いて適宜構成することができる。
Ｋ－Ｂ(Kirkpatrick-Baez)ミラー１４は、Ｘ線レーザ光源１１が生成したＸ線レーザＬをターゲットＴの表面に集光する。Ｋ－Ｂミラー１４は、集光光学系の一例である。ただし、集光光学系は、図１に図示したようなＫ－Ｂミラー１４に限定されず、集光ミラー及び集光レンズの少なくとも何れかを用いて適宜構成することができる。
【0038】
＜Ｘ線フィルタ＞
Ｘ線フィルタ１５は、Ｘ線レーザＬの強度を低下させる。本実施形態では、ジルコニウム製の板状部材と、シリコン製の板状部材とを用いてＸ線フィルタ１５を構成している。Ｘ線フィルタ１５は、様々な膜厚をもつジルコニウム製の板状部材及びシリコン製の板状部材の各々の数を適宜調整することによって、Ｘ線レーザＬの透過率を変化させることができる。その結果、Ｘ線フィルタ１５は、Ｘ線レーザＬの強度を所望の強度に調整することができるので、ターゲットＴの表面における照射スポットにおけるエネルギー密度を所望のエネルギー密度に調整することができる。なお、Ｘ線フィルタ１５は、照射スポットにおけるエネルギー密度を少なくとも１０ｍＪ／ｃｍ２以上の範囲において変化させることができるように、上記板状部材の膜厚及び数の組み合わせが構成されていることが好ましい。ただし、Ｘ線レーザＬのエネルギー密度が既に適当な値にある場合、Ｘ線フィルタ１５は省略することができる。
Ｘ線フィルタ１５は、Ｘ線レーザＬの強度を低下させる。本実施形態では、ジルコニウム製の板状部材と、シリコン製の板状部材とを用いてＸ線フィルタ１５を構成している。Ｘ線フィルタ１５は、様々な膜厚をもつジルコニウム製の板状部材及びシリコン製の板状部材の各々の数を適宜調整することによって、Ｘ線レーザＬの透過率を変化させることができる。その結果、Ｘ線フィルタ１５は、Ｘ線レーザＬの強度を所望の強度に調整することができるので、ターゲットＴの表面における照射スポットにおけるエネルギー密度を所望のエネルギー密度に調整することができる。なお、Ｘ線フィルタ１５は、照射スポットにおけるエネルギー密度を少なくとも１０ｍＪ／ｃｍ２以上の範囲において変化させることができるように、上記板状部材の膜厚及び数の組み合わせが構成されていることが好ましい。ただし、Ｘ線レーザＬのエネルギー密度が既に適当な値にある場合、Ｘ線フィルタ１５は省略することができる。
【0039】
＜照射機構のまとめ＞
上述したように、本実施形態では、Ｘ線レーザＬを照射されるターゲットＴとして、酸化アルミニウムの単結晶を用いている。酸化アルミニウムの単結晶は、その表面がＸ線レーザＬの光軸と直交するように、該光軸上に配置されている。また、上述したＫ－Ｂミラー１４によって、Ｘ線レーザＬは、ターゲットＴの表面上に集光されている。
上述したように、本実施形態では、Ｘ線レーザＬを照射されるターゲットＴとして、酸化アルミニウムの単結晶を用いている。酸化アルミニウムの単結晶は、その表面がＸ線レーザＬの光軸と直交するように、該光軸上に配置されている。また、上述したＫ－Ｂミラー１４によって、Ｘ線レーザＬは、ターゲットＴの表面上に集光されている。
【0040】
＜パソコン＞
パソコンＰＣは、表面造形装置１０を制御する制御部１６を備えている。図１に示すように、制御部１６は、Ｘ線レーザ光源１１及びＫ－Ｂミラー１４の各々を制御する。また、制御部１６は、ガスエネルギーモニター１３が検出したＸ線レーザＬのエネルギーを取得し、表示部に表示させる。制御部１６が備えている具体的な各機能ブロックついては、図２を参照して次に説明する。
パソコンＰＣは、表面造形装置１０を制御する制御部１６を備えている。図１に示すように、制御部１６は、Ｘ線レーザ光源１１及びＫ－Ｂミラー１４の各々を制御する。また、制御部１６は、ガスエネルギーモニター１３が検出したＸ線レーザＬのエネルギーを取得し、表示部に表示させる。制御部１６が備えている具体的な各機能ブロックついては、図２を参照して次に説明する。
【0041】
図２に示すように、制御部１６は、波長選択部１６１と、照射密度選択部１６２と、パルス幅選択部１６３と、調整部１６４と、光源制御部１６５と、を備えている。
【0042】
（波長選択部）
波長選択部１６１は、Ｘ線レーザＬの波長である照射波長を１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲から選択する。本実施形態において、波長選択部１６１は、ユーザが造形したいと考えるパターンの細かさに応じて照射波長を１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲から選択する。波長選択部１６１は、ユーザからの入力に基づいて１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲から照射波長を選択するように構成されていてもよいし、ユーザが造形したいと考えるパターンであってユーザから指定されたパターンを参照し、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲から照射波長を自動的に選択するように構成されていてもよい。
波長選択部１６１は、Ｘ線レーザＬの波長である照射波長を１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲から選択する。本実施形態において、波長選択部１６１は、ユーザが造形したいと考えるパターンの細かさに応じて照射波長を１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲から選択する。波長選択部１６１は、ユーザからの入力に基づいて１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲から照射波長を選択するように構成されていてもよいし、ユーザが造形したいと考えるパターンであってユーザから指定されたパターンを参照し、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲から照射波長を自動的に選択するように構成されていてもよい。
【0043】
波長選択部１６１が選択する照射波長の例としては、１８．９ｎｍや、１３．９ｎｍや、１３．５ｎｍや、１０．３ｎｍなどが挙げられる。
【0044】
波長選択部１６１は、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲内において、パターンの細かさに応じて自由に照射波長を選択することができる。
【0045】
（照射密度選択部）
照射密度選択部１６２は、Ｘ線レーザＬのエネルギー密度である照射エネルギー密度を選択する。照射密度選択部１６２は、ユーザからの入力に基づいて照射エネルギー密度を選択するように構成されていてもよいし、ユーザが造形したいと考えるパターンであってユーザから指定されたパターンを参照し、そのパターンに適した照射エネルギー密度を選択するように構成されていてもよい。
照射密度選択部１６２は、Ｘ線レーザＬのエネルギー密度である照射エネルギー密度を選択する。照射密度選択部１６２は、ユーザからの入力に基づいて照射エネルギー密度を選択するように構成されていてもよいし、ユーザが造形したいと考えるパターンであってユーザから指定されたパターンを参照し、そのパターンに適した照射エネルギー密度を選択するように構成されていてもよい。
【0046】
（パルス幅選択部）
パルス幅選択部１６３は、Ｘ線レーザＬのパルス幅を１０×１０－１５秒以上１０×１０－１２秒以下の範囲内において選択する。
パルス幅選択部１６３は、Ｘ線レーザＬのパルス幅を１０×１０－１５秒以上１０×１０－１２秒以下の範囲内において選択する。
【0047】
パルス幅選択部１６３は、ユーザからの入力に基づいてパルス幅を選択するように構成されていてもよいし、ユーザが造形したいと考えるパターンであってユーザから指定されたパターンを参照し、そのパターンに適したパルス幅を選択するように構成されていてもよい。
【0048】
（調整部）
調整部１６４は、Ｘ線レーザＬがターゲットＴの表面に集光するように（より好ましくは、合焦するように）Ｋ－Ｂミラー１４（照射光学系の一例）を調整する。調整部１６４は、Ｋ－Ｂミラー１４を調整するための制御信号をＫ－Ｂミラー１４に出力する。
調整部１６４は、Ｘ線レーザＬがターゲットＴの表面に集光するように（より好ましくは、合焦するように）Ｋ－Ｂミラー１４（照射光学系の一例）を調整する。調整部１６４は、Ｋ－Ｂミラー１４を調整するための制御信号をＫ－Ｂミラー１４に出力する。
【0049】
調整部１６４は、ユーザからの入力に基づいてＫ－Ｂミラー１４を調整するように構成されていてもよいし、オートフォーカス機能を用いて自動的にＫ－Ｂミラー１４を調整するように構成されていてもよい。
【0050】
（光源制御部）
光源制御部１６５は、波長選択部１６１が選択する照射波長、照射密度選択部１６２が選択する照射エネルギー密度、及びパルス幅選択部１６３が選択するパルス幅を有するＸ線レーザＬを生成するように、Ｘ線レーザ光源１１を制御する。
光源制御部１６５は、波長選択部１６１が選択する照射波長、照射密度選択部１６２が選択する照射エネルギー密度、及びパルス幅選択部１６３が選択するパルス幅を有するＸ線レーザＬを生成するように、Ｘ線レーザ光源１１を制御する。
【0051】
＜Ｘ線レーザとターゲットとの相互作用＞
上述したように構成された表面造形装置１０は、ターゲットＴの表面に集光した状態のＸ線レーザＬを照射することができる。図４には、Ｘ線レーザＬを表面に照射されたターゲットＴを模式的に示している。
上述したように構成された表面造形装置１０は、ターゲットＴの表面に集光した状態のＸ線レーザＬを照射することができる。図４には、Ｘ線レーザＬを表面に照射されたターゲットＴを模式的に示している。
【0052】
【0053】
表面造形方法Ｍ１０は、図１に示した表面造形装置１０を方法として表現したものである。したがって、表面造形方法Ｍ１０は、表面造形装置１０と対応している。したがって、本変形例においては、表面造形方法Ｍ１０と表面造形装置１０との対応関係を主に示し、各工程の詳細な説明は、省略する。なお、表面造形装置１０の場合と同様に、ターゲットＴとして、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の単結晶基板を用いている。ただし、ターゲットＴは、これに限定されず、その表面が酸化アルミニウム及び酸化チタンの少なくとも何れかにより構成されたものであればよい。
【0054】
表面造形方法Ｍ１０は、図３に示すように、波長選択工程Ｓ１１と、照射密度選択工程Ｓ１２と、パルス幅選択工程Ｓ１３と、調整工程Ｓ１４と、照射工程Ｓ１５と、を含んでいる。
【0055】
＜波長選択工程＞
波長選択工程Ｓ１１は、制御部１６の波長選択部１６１に対応する。すなわち、波長選択工程Ｓ１１は、ユーザが造形したいと考えるパターンの細かさに応じて、Ｘ線レーザＬの波長である照射波長を１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲から選択する。
波長選択工程Ｓ１１は、制御部１６の波長選択部１６１に対応する。すなわち、波長選択工程Ｓ１１は、ユーザが造形したいと考えるパターンの細かさに応じて、Ｘ線レーザＬの波長である照射波長を１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲から選択する。
【0056】
＜照射密度選択工程＞
照射密度選択工程Ｓ１２は、制御部１６の照射密度選択部１６２に対応する。すなわち、照射密度選択工程Ｓ１２は、Ｘ線レーザＬのエネルギー密度である照射エネルギー密度を選択する。
照射密度選択工程Ｓ１２は、制御部１６の照射密度選択部１６２に対応する。すなわち、照射密度選択工程Ｓ１２は、Ｘ線レーザＬのエネルギー密度である照射エネルギー密度を選択する。
【0057】
＜パルス幅選択工程＞
パルス幅選択工程Ｓ１３は、制御部１６のパルス幅選択部１６３に対応する。すなわち、パルス幅選択工程Ｓ１３は、Ｘ線レーザＬのパルス幅を１０×１０－１５秒以上１０×１０－１２秒以下の範囲内において選択する。
パルス幅選択工程Ｓ１３は、制御部１６のパルス幅選択部１６３に対応する。すなわち、パルス幅選択工程Ｓ１３は、Ｘ線レーザＬのパルス幅を１０×１０－１５秒以上１０×１０－１２秒以下の範囲内において選択する。
【0058】
＜調整工程＞
調整工程Ｓ１４は、制御部１６の調整部１６４に対応する。すなわち、調整工程Ｓ１４は、Ｘ線レーザＬがターゲットＴの表面において合焦するようにＫ－Ｂミラー１４（照射光学系の一例）を調整する。
調整工程Ｓ１４は、制御部１６の調整部１６４に対応する。すなわち、調整工程Ｓ１４は、Ｘ線レーザＬがターゲットＴの表面において合焦するようにＫ－Ｂミラー１４（照射光学系の一例）を調整する。
【0059】
＜照射工程＞
照射工程Ｓ１５は、Ｘ線レーザ光源１１が生成したＸ線レーザＬであって、波長選択部１６１が選択する照射波長、照射密度選択部１６２が選択する照射エネルギー密度、及びパルス幅選択部１６３が選択するパルス幅を有するＸ線レーザＬを、照射機構１０Ａを用いてターゲットＴの表面に照射する。
照射工程Ｓ１５は、Ｘ線レーザ光源１１が生成したＸ線レーザＬであって、波長選択部１６１が選択する照射波長、照射密度選択部１６２が選択する照射エネルギー密度、及びパルス幅選択部１６３が選択するパルス幅を有するＸ線レーザＬを、照射機構１０Ａを用いてターゲットＴの表面に照射する。
【実施例0060】
【0061】
第１の実施例では、ターゲットＴとして酸化アルミニウムの単結晶基板を用い、ターゲットＴの表面において１ショットのＸ線レーザＬを、ターゲットＴの表面に照射した。
【0062】
第２の実施例では、ターゲットＴとして酸化チタンの単結晶基板を用い、ターゲットＴの表面において合焦した１０００ショットのＸ線レーザＬを、ターゲットＴの表面に照射した。
【0063】
第１の実施例及び第２の実施例では、Ｘ線レーザＬの照射波長として１０．３ｎｍ（光子エネルギー１２０ｅＶ）を用い、Ｘ線レーザＬのパルス幅として２８×１０－１５秒を用いた。また、第１の実施例及び第２の実施例の各々では、Ｘ線レーザＬの照射密度として、それぞれ、１ショット当たり６５ｍＪ／ｃｍ２及び１２１ｍＪ／ｃｍ２を用いた。但し、Ｘ線レーザの照射強度は、ショット毎に変動があるために、第２の実施例における照射密度は、１０００ショットの平均値である。
【0064】
図４の（ａ）及び（ｃ）には、第１の実施例及び第２の実施例において得られたＡＦＭ像を示す。図４の（ａ）及び（ｃ）に示すように、第１の実施例及び第２の実施例の各々では、照射したＸ線レーザＬのスポット形状とほぼ一致した凹みが得られた。図４の（ｂ）及び（ｄ）には、図４の（ａ）及び（ｃ）に図示している破線における断面プロファイルを示す。図４の（ｂ）及び（ｄ）に示すように、第１の実施例及び第２の実施例の各々により得られた凹みの深さは、それぞれ、０．７ｎｍ及び０．１ｎｍであった。第２の実施例において、平均照射強度を低く設定し、かつ、Ｘ線レーザの出力変動を利用した積算照射を行うことによって、サブナノメートルの精度で超精密な仕上げ加工が可能であることが分かった。
【0065】
第３の実施例では、ターゲットＴとして酸化アルミニウムの単結晶基板を用い、照射機構１０ＡとしてH. Motoyama et al., Proc. SPIE 10386, 1038609 (2017) 及びH. Motoyama et al., J. Synchrotron Rad. 26, 1406 (2019)に記載のマイクロ集光光学鏡の構成を用いた。第３の実施例では、Ｘ線レーザＬのパルス幅として２８×１０－１５秒を用い、Ｘ線レーザＬの照射密度として１７０ｍＪ／ｃｍ２を用いた。図５の（ａ）には、第３の実施例において得られたＡＦＭ像を示す。図５の（ａ）に示すように、集光光学鏡の集光形状が線上となる位置に試料表面を置いたときに、図５の（ａ）のＡＦＭ像に示す縞状のパターンを得た。図５の（ｂ）には、図５の（ａ）に図示している破線における断面プロファイルを示す。図５の（ｂ）に示すように、この時の溝部分（凹み）の幅は、１００ｎｍ～２００ｎｍであり、深さが０．５ｎｍであることがわかった。
【0066】
また、第４の実施例及び第５の実施例では、ターゲットＴとして酸化アルミニウムの単結晶基板を用い、照射機構１０ＡとしてH. Motoyama et al., Proc. SPIE 10386, 1038609 (2017) 及びH. Motoyama et al., J. Synchrotron Rad. 26, 1406 (2019)に記載のマイクロ集光光学鏡の構成を用いた。集光条件は第３の実施例と同一の線状集光である。なお、第４の実施例及び第５の実施例の各々では、それぞれ、照射波長として１０．３ｎｍ及び１３．５ｎｍを用いた。また、第４の実施例及び第５の実施例では、Ｘ線レーザＬのパルス幅として２８×１０－１５秒を用い、Ｘ線レーザＬの照射密度として５０～２００ｍＪ／ｃｍ２を用いた。図５の（ｃ）及び（ｄ）には、それぞれ、第４の実施例及び第５の実施例において得られたＡＦＭ像を示す。
Ｘ線レーザの照射に同期させて試料を走査することにより、図５の（ｃ）及び（ｄ）に示すように１０μｍを超えるライン状パターンを得ることができた。第３の実施例～第５の実施例により得られたＡＦＭ像によれば、照射条件を調整することにより、サブナノメートルの深さ精度を持つパターンを目的に合わせて調整できることが分かった。
Ｘ線レーザの照射に同期させて試料を走査することにより、図５の（ｃ）及び（ｄ）に示すように１０μｍを超えるライン状パターンを得ることができた。第３の実施例～第５の実施例により得られたＡＦＭ像によれば、照射条件を調整することにより、サブナノメートルの深さ精度を持つパターンを目的に合わせて調整できることが分かった。
【符号の説明】
【0067】
１０ 表面造形装置
１０Ａ 照射機構
１１ Ｘ線レーザ光源
１４ Ｋ－Ｂミラー
１６ 制御部
１６１ 波長選択部
１６２ 照射密度選択部
１６３ パルス幅選択部
１６４ 調整部
１６５ 光源制御部
Ｔ ターゲット
ＰＣ パソコン
Ｍ１０ 表面造形方法
Ｓ１１ 波長選択工程
Ｓ１２ 照射密度選択工程
Ｓ１３ パルス幅選択工程
Ｓ１４ 調整工程
Ｓ１５ 照射工程
１０Ａ 照射機構
１１ Ｘ線レーザ光源
１４ Ｋ－Ｂミラー
１６ 制御部
１６１ 波長選択部
１６２ 照射密度選択部
１６３ パルス幅選択部
１６４ 調整部
１６５ 光源制御部
Ｔ ターゲット
ＰＣ パソコン
Ｍ１０ 表面造形方法
Ｓ１１ 波長選択工程
Ｓ１２ 照射密度選択工程
Ｓ１３ パルス幅選択工程
Ｓ１４ 調整工程
Ｓ１５ 照射工程
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
