特許 7062005 半導体材料で作られたサンプルの光学的機能化を図る方法及びシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-04-21

(45)【発行日】2022-05-02

(54)【発明の名称】半導体材料で作られたサンプルの光学的機能化を図る方法及びシステム

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/13 20060101AFI20220422BHJP

   G01N 21/45 20060101ALI20220422BHJP

   G02B 6/122 20060101ALI20220422BHJP

   G02B 21/00 20060101ALI20220422BHJP

   B23K 26/55 20140101ALI20220422BHJP

【ＦＩ】

G02B6/13

G01N21/45 A

G02B6/122

G02B21/00

B23K26/55

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2019520493

(86)(22)【出願日】2017-06-27

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2019-09-26

(86)【国際出願番号】 EP2017065871

(87)【国際公開番号】W WO2018002061

(87)【国際公開日】2018-01-04

【審査請求日】2020-04-09

(31)【優先権主張番号】1655979

(32)【優先日】2016-06-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】512302876

【氏名又は名称】ユニヴェルシテ デクス－マルセイユ

(73)【特許権者】

【識別番号】506316557

【氏名又は名称】サントル ナショナル ドゥ ラ ルシェルシュ シアンティフィック

(74)【代理人】

【識別番号】110000176

【氏名又は名称】一色国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】グロジョ，ダヴィド

(72)【発明者】

【氏名】シャンボンヌ，マクシム

【審査官】野口 晃一

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２６８９３９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００１－３１１８４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０７０３９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】Verburg et al.，Two-photon-induced internal modification of silicon by erbium-doped fiber laser，Optics Express，米国，OSA Publishing，2014年09月08日，Vol.22, No.18，pp.21958-21971

【文献】Chambonneau et al.，Writing waveguides inside monolithic crystalline silicon with nanosecond laser pulses，Optics Letters，米国，Optical Society of America，2016年11月01日，Vol. 41, No. 21，pp.4875-4878

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ６／１２－６／１４

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体材料で作られたサンプル（１０）の内部の光学的機能化を図る方法であって、
前記材料のスペクトル透過帯域の波長を有し、各パルスが１ｐｓ～１００ｎｓの有効持続時間を有する、複数の前記パルスで構成されるレーザービームを照射する工程と、
前記レーザービームの焦点部分における１パルス当たりの光量を多光子吸収に適応させ、所定のパターンに従って、前記レーザービームをサンプル内部に収束させる工程と、
前記パターンの各点において、前記サンプルの屈折率の実部を測定する工程と、
前記パターンの各点において、前記屈折率の実部の相対的変化が絶対値で１０ ^－３ より大きくなるまで、前記材料の屈折率の実部を次第に変化させるよう、前記パターンの各点へのパルス数を前記屈折率の実部の測定結果に応じて制御する工程と、
を具備することを特徴とする方法。

【請求項2】

１００ｋＨｚ未満の所定の繰り返し率で前記パルスを出力することを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記レーザービームと前記サンプルを所定の走査速度で前記パターンに沿って相対的に移動させる工程、
をさらに具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記パターンの各点へのパルス数を制御する工程には、パルス繰り返し率を制御する工程、前記サンプルにおける前記レーザービームの走査速度を制御する工程、及び前記焦点部分の大きさを制御する工程の少なくともいずれかが含まれることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記焦点部分における１パルス当たりの光量を制御して、前記材料の屈折率の実部を次第に変化させる工程、
をさらに具備することを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記パルス数を制御する工程には、
前記パターンの各点へのパルス数を調整して、前記屈折率の実部の第１の相対的変化を得る第１のステップと、
前記パターンの各点へのパルス数を調整して、前記屈折率の実部の第２の相対的変化を得る少なくとも第２のステップと、
所定の値以上の屈折率の実部の相対的変化が得られるまで、前記第２のステップを繰り返す工程と、
が含まれることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

前記屈折率の実部の第１及び第２の相対的変化は、該屈折率の実部の検出可能な最小の変化に相当することを特徴とする請求項６に記載の方法。

【請求項8】

前記第１のステップ及び前記第２のステップにおいて、前記焦点部分における１パルス当たりの光量を所定の最小値から漸増させる工程を具備することを特徴とする請求項６又は７に記載の方法。

【請求項9】

あるステップから次のステップへの移行時に、前記焦点部分における１パルス当たりの光量を所定の最小値から増加させる工程を具備することを特徴とする請求項６又は７に記載の方法。

【請求項10】

事前のキャリブレーション段階をさらに具備することを特徴とする請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項11】

前記各パルスは、持続時間が１ｐｓ未満の超短パルス列によって形成されることを特徴とする請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法。

【請求項12】

前記パターンは、導波路、マイクロレンズ、回折格子、スプリッター、光学フィルター、波長板を含む光学素子のうちの少なくとも一つを形成するために定められることを特徴とする請求項１～１１のいずれか一項に記載の方法。

【請求項13】

半導体材料のサンプル（１０）の内部の光学的機能化を図るシステム（１００）であって、
前記材料のスペクトル透過帯域の波長を有し、各パルスが１ｐｓ～１００ｎｓの有効持続時間を有する、複数の前記パルスで構成されるレーザービームを照射する光源（２０）と、
前記レーザービームの焦点部分における１パルス当たりの光量を前記半導体材料における多光子吸収に適応させ、所定のパターンに従って、前記レーザービームをサンプル内部に収束させる顕微鏡対物レンズ（４０）と、
前記パターンの各点において、前記サンプルの屈折率の実部を測定する装置（３０）と、
前記パターンの各点において、前記屈折率の実部の相対的変化が絶対値で１０ ^－３ より大きくなるまで、前記材料の屈折率の実部を次第に変化させるよう、前記パターンの各点へのパルス数を前記屈折率の実部の測定結果に応じて制御する制御部（６０）と、
を具備することを特徴とするシステム。

【請求項14】

前記焦点部分と前記サンプルを移動させて、前記レーザービームを前記所定のパターンに収束させる相対変位手段（５０）をさらに具備することを特徴とする請求項１３に記載のシステム。

【請求項15】

前記測定する装置（３０）は、位相差顕微鏡であることを特徴とする請求項１３又は１４に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体材料のサンプルの内部に３次元で光導波路を刻設することを含む、そのサンプルの内部の光学的機能化を図る方法及びシステムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

フェムト秒レーザー光源の出現により、適切に制御された３Ｄレーザーをガラスなどの透明な誘電材料の内部に直接書込む技術の開発が可能となっており、例えば、光導波路への書き込みによる材料の「光学的機能化」等に応用されている。光学的機能化は、誘電材料の屈折率の実部の変化を制御することにより実現される（例えば、Ｋ．Ｍ．Ｄａｖｉｓ他による非特許文献１参照）。

【0003】

しかしながら、シリコン等のモノリシック半導体材料に関しては、誘電材料に関して知られているものと同様の光学的機能化の技術はこれまで示されていない。

【0004】

これは主に、光学的パラメトリック増幅器（又はＯＰＡ）であるかファイバーレーザーであるかを問わず、赤外領域の超短光源が出現し一般化したのが、ごく最近だからである。またさらに、半導体材料内での光の伝搬や吸収による効果は線形でないことも重要であり、本質的にフェムト秒レーザーのエネルギーは、材料を変質させるには不十分なレベルに制限される。（例えば、Ａ．Ｍｏｕｓｋｅｆｔａｒａｓ他による非特許文献２参照）。このようなシリコンの自己防衛効果については、最近になって、相互作用時に形成されるプラズマによる赤外線ビームの誘発デフォーカスによるものであると説明された（Ｅ．Ｖ．Ｚａｖｅｄｅｅｖ他による非特許文献３）。

【0005】

半導体の光学的機能化に関する技術としては、表面構造化された結晶シリコン層を埋め込み絶縁材料の層と低指数の上層（又は空気）との間に挟持する、いわゆる「シリコン・オン・インシュレーター」もしくは「ＳＯＩ」技術など、いくつかの技術が開発されている。これにより、内部の全反射メカニズムを介して導波路における電磁波の伝播が生じる（例えば、Ｍ．Ｌｉｐｓｏｎ他による非特許文献４参照）。このようなＳＯＩ技術によれば、優れた光学性能が得られるが、その一方で、リソグラフィー特有の重大なデメリットもある。一つ目のデメリットとしては、製造された導波路は面内に含まれ（すなわち、２Ｄ）、それによって材料の光学的機能化のための３次元構造デザインが妨げられてしまうことである。二つ目のデメリットは、この技術では、不要な外部汚染に関係する問題を回避するために、清潔かつ制御された環境で幾つかの工程を行う必要があることである。直接レーザー書込み技術が利用可能となることで、これらの制限が克服されることが見込まれる。

【0006】

半導体材料に対する光導波路の直接刻設に関しては、いくつかの文献が公開されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、半導体材料の内部深くに光導波路の刻設を直接行えるようにした目に見える結果を示している技術はないように思われる。それは、半導体材料、具体的には、シリコンにおける直接３Ｄレーザー書込みによる光学的機能化の実現の可能性を広げるであろう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２６８９３９号明細書

【非特許文献】

【0008】

【文献】Ｗｒｉｔｉｎｇ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｉｎ ｇｌａｓｓ ｗｉｔｈ ａ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｌａｓｅｒ、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．２１、Ｎｒ２１（１９９６）

【文献】Ｓｅｌｆ－ｌｉｍｉｔｅｄ ｕｎｄｅｒｄｅｎｓｅ ｍｉｃｒｏｐｌａｓｍａｓ ｉｎ ｂｕｌｋ ｓｉｌｉｃｏｎ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ ｌａｓｅｒ ｐｕｓｅｓ、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１０５、１９１１０３（２０１４）

【文献】Ｄｅｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｌａｓｅｒ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｄ－ＩＲ ｒａｎｇｅ、Ｌａｓｅｒ Ｐｈｙｓ．２６，０１６１０１（２０１５）

【文献】Ｇｕｉｄｉｎｇ，ｍｏｄｕｌａｔｉｎｇ ａｎｄ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ － ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ａｎｄ ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｌ．２３、Ｎｒ１２（２０１５）

【文献】Ｄｉｇｉｔａｌ Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｕｒｆａｃｅｓ ａｎｄ Ｌｅｎｓｅｓ，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．１３，Ｎｒ １１，ｐｐ２６３３－２７０３

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

第１の態様によれば、本明細書は、半導体材料で作られたサンプルの内部の光学的機能化を図る方法であって、
前記材料のスペクトル透過帯域の波長を有し、各パルスが１ｐｓ～１００ｎｓの有効持続時間を有する、複数の前記パルスで構成されるレーザービームを照射する工程と、
前記レーザービームの焦点部分における１パルス当たりの光量を多光子吸収に適応させ、所定のパターンに従って、前記レーザービームをサンプル内部に収束させる工程と、
前記パターンの各点において、前記サンプルの屈折率の実部を測定する工程と、
前記パターンの各点において、前記屈折率の実部の相対的変化が絶対値で１０ ^－３ より大きくなるまで、前記材料の屈折率の実部を次第に変化させるよう、前記パターンの各点へのパルス数を前記屈折率の実部の測定結果に応じて制御する工程と、
を具備することを特徴とする方法に関する。

【課題を解決するための手段】

【0010】

第１の態様によれば、本明細書は、半導体材料で作られたサンプルの内部の光学的機能化を図る方法であって、
前記材料のスペクトル透過帯域の波長を有し、１ｐｓ～１００ｎｓの有効持続時間を有するパルスで構成されるレーザービームを照射する工程と、
前記レーザービームの焦点部分における１パルス当たりの光量を多光子吸収に適応させ、所定のパターンに従って、前記レーザービームをサンプル内部に収束させる工程と、
前記パターンの各点において、前記サンプルの屈折率の実部を測定する工程と、
前記パターンの各点において、前記屈折率の実部の相対的変化が絶対値で１０^-３より大きくなるまで、前記材料の屈折率の実部を次第に変化させるよう、前記パターンの各点へのパルス数を前記屈折率の実部の測定結果に応じて制御する工程と、
を具備することを特徴とする方法に関する。

【0011】

本明細書における光学的機能化とは、虚部をほとんどあるいは全く変化させずに（１０^-３未満の相対変化）、屈折率の実部を局所的に変化させることによる光学機能の材料内における刻設を指す。書き込まれた光学機能は、一般的に、材料内での光の空間特性、時間特性、又はスペクトル特性を変化させるのに適しており、光波の誘導、光波の偏光の変更、（具体的には、一つ又は複数のマイクロレンズの書込みによる）光波の前部の変更、（具体的には、回折格子、例えば、ブラッグ格子の書込みによる）分光フィルタリングが含まれるが、これらに限定されるものではない。

【0012】

このように、一又は複数の実施例によれば、パターンは、導波路、マイクロレンズ、回折格子、スプリッター、光学フィルター、波長板、より一般的には、材料の内部において制御された屈折率分布に基づく任意の光学マイクロデバイスを含む光学素子のうちの少なくとも一つを形成するために定められる。

【0013】

本出願人は、上記方法によれば、屈折率の実部（ｎ）の変化を制御することにより、具体的には、マイクロキャビティの形成により材料にダメージを与え、光学機能の刻設が行われなくなると考えられる屈折率の実部の相対的変化（Δｎ／ｎ）を超えないようにすることができることを示した。屈折率の実部の相対的Δｎ／ｎ変化は、通常、絶対値で０．１未満の値に限定される。

【0014】

一又は複数の実施例によれば、ショット数を制御することにより、屈折率の実部の正の相対的変化を得ることができる。屈折率の実部の正の相対的変化は、材料の構造的変化（高密度化、アモルファス化など）によって生じるものであり、導波路、回折格子、マイクロレンズ、屈折率の正の変化により画定されるその他の任意の光学素子の形成を可能にする。

【0015】

一又は複数の実施例によれば、ショット数を制御することにより、屈折率の実部の負の相対的変化を得ることができ、この変化は絶対値で０．１、好ましくは０．０１を超えない値である。屈折率の実部の負の相対的変化は、結晶状態の変化や、光学的欠点の導入を回避する波長の１０分の１未満の大きさのナノキャビティもしくは「ナノクラック」によって生じる場合もあり、具体的には、レンズ、波長板、中央部よりも小さい屈折率のリングにより画定される導波路、屈折率の負の変化により画定されるその他の任意の光学素子の形成が可能となる。

【0016】

本出願人は、上記方法によれば、パターンに沿って屈折率の実部の変化を制御することにより、屈折率の実部又は虚部の空間的不均一性によって生じ得る光学的欠点を制限し、優れた光学性能の光学的機能化を達成することが可能であることも示した。屈折率の実部又は虚部の空間的不均一性は、光散乱現象を発生することもある不均一性として定義することができる。このような不均一性は、通常、その少なくとも一つの寸法が波長の１／１０（機能性材料が用いられる波長）である、絶対値で１０^-３以上の屈折率（実部又は虚部）の局所的変化により生じるものである。

【0017】

半導体材料のスペクトル透過帯域は、バンドギャップエネルギーにより定められる。具体的には、本明細書では、波長λが、λ＞０．８ｈｃ／Δである場合に、スペクトル透過帯域に属するものと考える。ここで、ｈはプランク定数、ｃは真空での光の速度、Δは材料のエネルギーバンドギャップであり、係数０．８は、いかなる場合においても、表面下で動作するのに必要な光透過を可能にする。

【0018】

上記方法は、パルスの波長をあらかじめ定められた関係性を満たすよう調整することにより、あらゆる直接又は間接、アモルファス又は結晶禁制バンド（又は「ギャップ」）半導体に適用する。

【0019】

一又は複数の実施例によれば、各パルスは、１ｐｓ～１００ｎｓの持続時間を有するパルスから形成される。他の実施例によれば、各パルスは、超短パルス列（すなわち、厳密には１ｐｓ未満）で構成され、そのパルス列の持続時間は、パルス列内のすべての超短パルスの持続時間の合計に対応し、１ｐｓ～１００ｎｓの範囲である。本明細書の他の箇所では、「パルス」については、単に、単一のパルスで形成されているか、超短パルスの列で形成されているかとして述べる。

【0020】

【0021】

パルスが超短パルスの列で形成される場合、時間幅は、そのパルス列を形成する超短パルスの半値幅の合計時間に等しく、エネルギーは、パルス列を形成する超短パルスの合計エネルギーに等しい。

【0022】

以下の説明では、パルスのエネルギーと光度とを、パルス持続時間及びビームの形状が固定された場合と区別せずに述べることができる。

【0023】

一又は複数の実施例によれば、１００ｋＨｚ未満、好ましくは、１０ｋＨｚ未満の所定の繰り返し率でパルスを出力する。パルスの繰り返し率が十分に低い場合、パターンのある点における蓄熱が制限され、マイクロキャビティを引き起こす材料ダメージのリスクが制限される。

【0024】

一又は複数の実施例によれば、上記方法は、パルスの空間的成形をさらに含む。

【0025】

一又は複数の実施例によれば、上記方法は、レーザービームとサンプルを所定の走査速度で上記パターンに沿って相対的に移動させることを含む。

【0026】

一又は複数の実施例によれば、共通の変位手段によって得られる相対的なビームとサンプルの変位速度に対応して、さらに低い繰り返し率、例えば、１００Ｈｚから５ｋＨｚでパルスを出力する。

【0027】

【0028】

一又は複数の実施例によれば、上記方法は、焦点部分における１パルス当たりの光量を制御して、材料の屈折率の実部を次第に変化させる工程をさらに含む。
をさらに具備する

【0029】

所定の繰り返し率で出力されるパルスを所定の速度で移動させることは、パターン上の点でショット数を直接制御する場合と比較して、材料の屈折率の実部の変化の均一性がより優れている。

【0030】

一又は複数の実施例によれば、上記パルス数を制御する工程には、
パターンの各点へのパルス数を調整して、屈折率の実部の第１の相対的変化を得る第１のステップと、
パターンの各点へのパルス数を調整して、屈折率の実部の第２の相対的変化を得る少なくとも第２のステップと、
絶対値で１０^-３より大きい所定の値以上の屈折率の実部の相対的変化が得られるまで、第２のステップを繰り返す工程と、
が含まれる。

【0031】

本出願人は、繰り返し工程により、屈折率の実部の変化を非常に細かく制御することが可能であり、屈折率変化の非常に良好な均一性、ひいては実現される光学機能の優れた性能が保証されることを示した。

【0032】

一又は複数の実施例によれば、上記屈折率の実部の第１及び第２の相対的変化は、該屈折率の実部の検出可能な最小の変化に相当する。屈折率の実部の第１及び第２の相対的変化の値として、屈折率の実部の変化の検出能閾値を選択することにより、材料を事前に調査する必要性が回避される。

【0033】

一又は複数の実施例によれば、上記方法は、上記各ステップで、焦点部分における１パルス当たりの光量を所定の最小値から漸増させる工程をさらに含む。

【0034】

一又は複数の実施例によれば、上記方法は、あるステップから次のステップへの移行時に、焦点部分における１パルス当たりの光量を所定の最小値から増加させる工程をさらに含む。

【0035】

上記いずれの例においても、１パルス当たりの光度を徐々に変化させることにより、屈折率の実部の変化の細かさを向上させ、ダメージのリスクを制限することができる。

【0036】

一又は複数の実施例によれば、上記方法は、事前のキャリブレーション段階をさらに含む。

【0037】

この事前のキャリブレーション段階により、所定の半導体材料について、上記方法を動作条件に応じて実施可能なパラメータ範囲を決定することができる。例えば、所定の繰り返し率で送信される所定の有効持続時間を有するパルスに対して、かつ、所定のビーム形状に対して、走査速度又は１パルス当たりのエネルギーの値の範囲、あるいはこれらの両方を決定することができる。

【0038】

一又は複数の実施例によれば、上記事前のキャリブレーション段階には、求められた一つ又は複数の光学機能に従って、レーザービームと照射の偏光を決定する工程がさらに含まれる。

【0039】

このように、特にシリコンの光学的機能化について、本出願人は、互いに区別なく組み合わせ可能な、導波路などの光学機能の書込みについて、最適なパラメータ範囲を特定した。
－ １から１０ｎｓのパルス持続時間
－ １．１μｍ、例えば、約１．５５μｍ以上のパルス波長
－ １０μｍ未満のビーム直径
－ １００Ｈｚから５ｋＨｚ、例えば、約１ｋＨｚの繰り返し率
－ ０．０１から０．５ｍｍ／ｓ、例えば、約０．１ｍｍ／ｓのレーザービームの相対変位の走査速度
－ ４ＧＷ／ｃｍ^２以上の焦点部分におけるレーザーパルスの光度であり、２．３μｍのビーム直径及び５ｎｓのパルス持続時間について、１パルス当たり０．５μＪ以上のエネルギーに相当する。

【0040】

一又は複数の実施例によれば、上記方法は、屈折率の虚部を測定する工程をさらに含み、屈折率の虚部の相対的変化の値が、絶対値で１０^-３未満のままであることが確かめられる。

【0041】

一又は複数の実施例によれば、本明細書は、半導体材料のサンプルの内部に光学的機能化を図るシステムであって、
材料のスペクトル透過帯域の波長を有し、各パルスが１ｐｓ～１００ｎｓの有効持続時間を有する、複数の前記パルスで構成されるレーザービームを照射する光源と、
レーザービームの焦点部分における１パルス当たりの光量を多光子吸収に適応させ、所定のパターンに従って、レーザービームをサンプル内部に収束させる顕微鏡対物レンズと、
パターンの各点において、サンプルの屈折率の実部を測定する装置と、
パターンの各点において、屈折率の実部の相対的変化が絶対値で１０ ^－３ より大きくなるまで、材料の屈折率の実部を次第に変化させるよう、パターンの各点へのパルス数を屈折率の実部の測定結果に応じて制御する制御部と、
を具備することを特徴とするシステムに関する。

【0042】

一又は複数の実施例によれば、本明細書は、半導体材料のサンプルの内部に光学的機能化を図るシステムであって、
材料のスペクトル透過帯域の波長を有し、１ｐｓ～１００ｎｓの有効持続時間を有するパルスで構成されるレーザービームを照射する光源と、
レーザービームの焦点部分における１パルス当たりの光量を多光子吸収に適応させ、所定のパターンに従って、レーザービームをサンプル内部に収束させる顕微鏡対物レンズと、
パターンの各点において、サンプルの屈折率の実部を測定する装置と、
パターンの各点において、屈折率の実部の相対的変化が絶対値で１０^-３より大きくなるまで、材料の屈折率の実部を次第に変化させるよう、パターンの各点へのパルス数を屈折率の実部の測定結果に応じて制御する制御部と、
を具備することを特徴とするシステムに関する。

【0043】

一又は複数の実施例によれば、上記システムは、焦点部分とサンプルを移動させて、レーザービームを所定のパターンに収束させる相対変位手段をさらに備えている。

【0044】

一又は複数の実施例によれば、上記測定装置は、位相差顕微鏡である。

【0045】

一又は複数の実施例によれば、上記測定装置は、暗視野顕微鏡を含む。

【0046】

一又は複数の実施例によれば、上記測定装置は、屈折率の虚部の測定も行うことができる。

【0047】

本発明のその他の利点及び特徴は、以下の図面に示す説明を読むことにより明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0048】

【図1A】図１Ａは、本明細書で説明するように、半導体材料の内部において光学的機能化を図るためのレーザー刻設システムの例を示す図である。

【図1B】図１Ｂは、パルスの空間的成形を行うよう構成されたモジュールの例を示す図である。

【図1C】図１Ｃは、成形なしの場合（ａ）、空気中で成形を行なった場合（ｂ，ｃ）、サンプル中で成形を行なった場合（ｄ，ｅ）の空間的なパルスのプロファイルをそれぞれ示す画像を示す図である。

【図2】図２は、半導体材料の屈折率の実部を変更するための、本明細書に係るレーザー刻設システムの第１のサブシステムの一実施例を示す図である。

【図3】図３は、半導体材料における屈折率の実部を測定するための、本明細書に係るレーザー刻設システムの第２のサブシステムの他の実施例を示す図である。

【図4A】図４Ａは、異なるレーザービームの走査速度におけるパルスエネルギーの影響を示す実験結果を示す図である。

【図4B】図４Ｂは、異なるレーザービームの走査速度におけるパルスエネルギーの影響を示す実験結果を示す図である。

【図4C】図４Ｃは、異なるレーザービームの走査速度におけるパルスエネルギーの影響を示す実験結果を示す図である。

【図4D】図４Ｄは、パルス毎のエネルギーに応じて得られた導波路の幅を示す実験曲線を示す図である。

【図5A】図５Ａは、レーザービームの走査速度の影響を示す実験結果を示す図である。

【図5B】図５Ｂは、レーザービームの走査速度の影響を示す実験結果を示す図である。

【図5C】図５Ｃは、レーザービームの走査速度の影響を示す実験結果を示す図である。

【図5D】図５Ｄは、レーザービームの走査速度の影響を示す実験結果を示す図である。

【図5E】図５Ｅは、レーザービームの走査速度の影響を示す実験結果を示す図である。

【図5F】図５Ｆは、レーザービームの走査速度の影響を示す実験結果を示す図である。

【図5G】図５Ｇは、レーザービームの走査速度の影響を示す実験結果を示す図である。

【図5H】図５Ｈは、レーザービームの走査速度の影響を示す実験結果を示す図である。

【図5I】図５Ｉは、レーザービームの走査速度の影響を示す実験結果を示す図である。

【図5J】図５Ｊは、レーザービームの走査速度の影響を示す実験結果を示す図である。

【図6】図６は、異なるレーザービームの走査速度において生じる相変化を示す実験結果を示す図である。

【図7A】図７Ａは、必要かつ十分な光誘導路の変化が得られるまで材料への照射を行う装置へのフィードバックを含む実験手順の例を示す図である。

【図7B】図７Ｂは、一定の走査速度で、パルスエネルギー増加サイクルが異なる場合に生じる屈折率変化を示す実験結果を示す図である。

【図8A】図８Ａは、シリコンにおいて、光を導波路の方向に投入した場合に、本明細書に係る方法によって得られた基本的な導波路における光伝搬を示す実験結果を示す図である。

【図8B】図８Ｂは、シリコンにおいて、光を導波路の方向に投入した場合に、本明細書に係る方法によって得られた基本的な導波路における光伝搬を示す実験結果を示す図である。

【図9A】図９Ａは、シリコンにおいて、光を導波路の方向に対して非ゼロ角度で投入した場合に、本明細書に係る方法によって得られた基本的な導波路における光伝搬を示す実験結果を示す図である。

【図9B】図９Ｂは、シリコンにおいて、光を導波路の方向に対して非ゼロ角度で投入した場合に、本明細書に係る方法によって得られた基本的な導波路における光伝搬を示す実験結果を示す図である。

【図10A】図１０Ａは、シリコンにおいて、異なるカプラーの角度で、上記方法によって得られたＹカプラーにおける光伝搬を示す実験結果を示す図である。

【図10B】図１０Ｂは、シリコンにおいて、異なるカプラーの角度で、上記方法によって得られたＹカプラーにおける光伝搬を示す実験結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0049】

図１Ａ～図１Ｃは、本明細書で説明するように、半導体材料のサンプル１０の内部において光学的機能化を図るためのレーザーマーキングシステム１００の第１の例を示す図である。

【0050】

このレーザーマーキングシステム１００には、具体的には、パルスで構成されるレーザービーム２０３の発生源２０と、サンプルにレーザービームを収束させるフォーカスシステム４０（例えば、顕微鏡対物レンズ、収束レンズ、放物面鏡など）とが含まれる。その結果として生じる焦点の部分は、レーザービーム及びサンプルの相対的な移動手段５０によって、サンプルの内部のパターン１０１まで移動することができる。図１Ａの例では、相対的な移動手段５０には、Ｘ，Ｙ，Ｚの３つの軸に沿ってサンプルを移動させるプレートが含まれる。しかしながら、この各移動は、ビームの移動に適応した光学素子、例えば、“ｆシータレンズ”と呼ばれるレンズで置き換え可能である。また、このシステム１００には、サンプルにおける屈折率の実部を測定する装置３０と、その屈折率の実部の測定結果に応じて、パターンの各点ごとに受信するパルス数、又は、“ショット数”を制御する制御部６０も含まれる。

【0051】

すなわち、図１Ａの例では、発生源２０は、上記材料のスペクトル透過帯域内の波長で第１のパルス２０１を放出するよう構成されたパルスレーザー光源２１と、そのパルスレーザー光源２１から放たれたパルスに対して時間的あるいは空間的あるいは時間的及び空間的の両方に成形を行うモジュール２２（任意）と、エネルギー制御モジュール２３とで構成されている。

【0052】

パルス成形モジュール２２には、例えば、パルス時間成形手段が含まれる。このモジュール２２は、例えば、機械的デバイス（例えば、シャッター）や、電気光学デバイス（例えば、ポッケルスセル及び偏光子）や、音響光学デバイスを備え、一連の超短パルスのパルス列への“分割”を行う。一方、この成形モジュールは、１フェムト秒パルスを、１ｐｓ以上の有効持続時間を有する超短パルス列に変換する光学デバイスを備えていてもよい。

【0053】

また、このパルス成形モジュール２２は、空間的パルス成形を行う手段を備えていてもよい。モジュール２２は、例えば、補償光学デバイスや受動素子（例えば、スリット、円柱レンズ、位相マスク）を備え、例えば、「横方向書込み」処理に適した焦点の成形を行う。

【0054】

このように、パルスレーザー光源２１は、任意のタイプの長パルスレーザー（＞ｐｓ）（例えば、ＯＰＯ、ファイバーレーザーなど）や、１ｐｓ超の持続時間のパルス列を形成するために、成形モジュール２３によって、出射パルスを“分割”して形成した１ＭＨｚ超のレートの任意タイプの短パルスレーザー（＜１ｐｓ）、あるいは、短パルスを１ＭＨｚ超のレートを有する短パルス列（各パルス列は１ｐｓ超の持続時間を有する長パルスの役割を担う）に光学的に“分離”する、１ＭＨｚ未満のレートの任意のタイプの短パルスレーザー（＜１ｐｓ）の光源になり得る。

【0055】

こうして、発生源２０の出力では、１ｐｓ～１００ｎｓの有効持続時間を有するパルスによってレーザービーム２０３が形成される。パルス列の持続時間は、単一パルスか超短パルス列かにかかわらず、１ｐｓ～１００ｎｓの範囲である。

【0056】

エネルギー制御モジュール２２は、例えば、半波長板と偏光子を組み合わせたもの、もしくは、減衰フィルター群を備えている。

【0057】

ビーム２０３の焦点部分が横断するパターン１０１は、サンプル内に実現される光学的機能によって定められる。

【0058】

一又は複数の実施例によれば、レーザービームの焦点部分は、一つ又は複数の単純な直線及び分岐の少なくとも一方に沿って進むことにより、正の屈折率変化を有する“チャネル”を形成することができる。このように実現した光学素子は、シンプルな導波路やカプラタイプのデバイスであり、サンプル内への書き込みにより３Ｄ光学回路が実現される。正の屈折率変化は、材料の構造的変化（高密度化、アモルファス化など）によって生じるものであり、例えば、アモルファスシリコンは、その結晶相より低い密度を有する。従って、その結晶度を変えることにより高密度化が可能である。

【0059】

一又は複数の実施例によれば、ある１点への照射を繰り返すことが可能である。そして屈折率変化は自然と両面凸形状（焦点の形状）になり、マイクロレンズ型素子を形成する。この場合、レーザービームとサンプルの相対位置の変更は、焦点体積よりも大きなマイクロレンズを形成することが目的である場合にのみ行われる。

【0060】

一又は複数の実施例によれば、制御された照射を材料に対して行うことにより、波長の１０分の１未満の大きさの「ナノクラック」を材料に形成することができる。また材料中に「真空」部分を含めることにより、損失なく、約１０^-２までの負の屈折率変化が可能となる。また、上記「ナノクラック」は、偏光に対して垂直であり、複屈折性を生じさせることにより波長板の形成が可能となる。

【0061】

一又は複数の実施例によれば、所定の間隔を隔てて互いに平行に配置された導波路を刻設することによって、回折格子を刻設することができる。

【0062】

一般に、材料内の屈折率分布が制御された任意の光学マイクロデバイスが得られるよう、レーザービームが横断するパターンは、任意の形状を与えることができる。

【0063】

以下にさらに詳しく説明するように、サンプルの屈折率の実部ｎの測定装置３０は、制御部６０に接続されている。この制御部６０によりパターンの各点へのパルス数は、屈折率の実部の測定結果に応じて制御され、パターンの各点の屈折率の実部は、１０^-３以上の屈折率の値における屈折率のΔｎ／ｎの相対的変動まで次第に変化させることができる。

【0064】

このように、図１Ａの例では、発生源２０を形成するモジュール２１～２３の少なくとも何れかに制御部が接続されて、レーザーパラメータ（繰り返し率、パルス持続時間、波長、ビーム形状、パルスエネルギー、偏光、ビームの空間的形状）、及び、レーザービームとサンプルの相対変位手段５０（例えば、走査速度、パターンの所定の点でのパス数）の少なくともいずれか一方の制御が行われる。

【0065】

具体的には、偏光の種類（円形、直線又はその他）の制御は、所要の光学機能に応じて変更可能である。

【0066】

同様に、ビーム形状の種類（ガウス型、ベッセル型、渦型、シルクハット型など）も、所要の光学機能に応じて変更可能である。

【0067】

図１Ｂは、例えば、シリコンのサンプル１０への横方向書込みに対してビームを空間的に実装するよう構成されたモジュール２２の例を示す図である。このモジュール２２は、第１の円柱レンズ２２１を備え、そこに入射するレーザービームは、直径φのガウスビームである。この第１の円柱レンズ２２１は、ビームを一方向（図示のＺ）に収束させ、垂直方向（図示のＸ）には変化させない特性を有する。また、モジュール２２は、第１のレンズよりも焦点距離が短く、物体焦点が第１の円柱レンズ２２１の画像焦点に対応する第２の円柱レンズ２２２を備えている。このように、これらの２つのレンズ（ここでは、収束レンズ）群によって、「円筒型望遠鏡」と呼ばれるアフォーカル系が形成される。第２の円柱レンズを通過したビームはコリメートされ、楕円形に成形されて、その短い軸と長い軸との比がＲ＝ｆ_２／ｆ_１となり、ｆ_１とｆ_２がそれぞれ第１及び第２のレンズの焦点距離に対応する。

【0068】

この比Ｒを低下させるために、モジュール２２は、光軸（図示のＹ）に位置する、小さいビーム軸よりも小さく、大きなビーム軸の方向と平行な調整可能な開口スロット２２３ｓを備えている。このスロットの出口では、ビームが長さφの大きな軸と、幅ｓの小さな軸を有する。このｓの値をフォーカスシステム４０（ここでは、顕微鏡対物レンズ）の開口数に対して調整することにより、このシステムの入射瞳のサイズ、材料における書込みの深さ、光軸Ｙを含む面におけるビームが楕円形、又は円形の形状を有する。

【0069】

図１Ｃは、成形なしの場合（ａ）、空気中で成形を行なった場合（ｂ，ｃ）、サンプル中で成形を行なった場合（ｄ，ｅ）の空間的なパルスのプロファイルをそれぞれ示す実験画像を示す図である。

【0070】

具体的には、画像ａ）は、光軸（ここでは、水平）を含む面における書込み深さｄに応じてガウスビーム伝搬の変遷（すなわち、空間的成形なし）を示す。各実験画像のプレフォーカルパターンは、球面収差の影響によって生じたものである。この理論によれば、ビームが材料に深く収束されればされるほどますます顕著になる。また、ｄの重要性が大きいほど、レイリー距離が一層長くなる。このように、光軸Ｙを含む面において同じビーム形状を得るには、ｄよりももっと狭くスリットを閉じる必要がある。

【0071】

画像ｂ）及びｃ）は、空気中でのビーム伝搬の変遷を示し、画像ｄ）及びｅ）は、それぞれ光軸Ｙを含む垂直面（Ｘ，Ｙ）（左）と（Ｚ，Ｙ）（右）において、Ｚに沿って配向した開口スリットをｓ＝２８０μｍとした場合の、サンプル（シリコン）におけるｄ＝１００μｍでのビーム伝搬の変遷を示す。各媒体では、面（Ｘ，Ｙ）における伝搬が、ガウスのフォーカス理論によって予測されるものに従っている。一方、面（Ｚ，Ｙ）では、伝搬が楕円形である。これは、スリットに対して垂直な方向におけるフォーカスシステムの開口数の損失によるものである。最後に、いずれの観測面であっても、空気と同様の伝搬がシリコンでも見られるが、結晶シリコンの屈折率の実部に対応する３．５倍に拡大している。図２は、本明細書に係るレーザー刻設システムの第１のサブシステムの一実施例を示す図である。これにより、半導体材料において屈折率の実部を変更することが可能となる。図２では、屈折率の実部を測定する装置は示されていない。

【0072】

この第１のサブシステムは、パルスで構成されたレーザービーム２０３の発生源２０を備えている。本実施例では、発生源２０には、シリコンの光学的機能化を図るために、所定の波長、例えば、１５５０ｎｍの波長でパルスを発生させるパルスレーザー光源２１が含まれる。このパルスは、例えば、１００Ｈｚから５ｋＨｚの繰り返し率で発生し、パルス持続時間が１ｐｓ～１００ｎｓ、好ましくは１ｎｓ以上の単純なパルスである。図２の例では、発生源２０には、例えば、半波長板と偏光子から構成されるパルスエネルギー制御モジュール２３が含まれ、例えば、この半波長板を回転させることによりエネルギーの制御を行う。そして、ビームは、パルス源２１の発光波長で９５％以上の反射を可能にするミラー２４、２５、例えば、金のミラーによって運ばれる。このレーザービームは、その開口数によって焦点部分の大きさが決まるフォーカスシステム４０、例えば、顕微鏡レンズによって、サンプル１０に収束される。図２の例では、電動式のステージにより、サンプルの位置決めや、光軸Ｙと垂直な面（Ｘ，Ｙ）における移動が可能となっている。

【0073】

図２の例では、ビーム形状、パルス持続時間、繰り返し率を固定して動作することにより処理を行うことができる。屈折率を徐々に変化させるよう制御可能なパラメータは、パルス毎のエネルギー、走査速度、ショット数を制御するパス数である。もちろん、これ以外のパラメータでもよい。具体的には、複数の対物レンズを用いてビーム形状を変更することも考えられるし、他の例では、パルス持続時間及び繰り返し率の一方又は両方を変更することも可能である。

【0074】

また、図２の例では、サンプルの位置決めや照射領域の視覚化を行うために、反射型赤外線顕微鏡７０が装置に実装されている。この反射型赤外線顕微鏡は、材料のスペクトル透過帯域内の波長であって、パルス光源２１、例えば、１２００ｎｍの光源の発光波長とは異なる波長で連続光７０１を発生させる発生源７１、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えている。この入射光７０１は、まず、半反射板７３、例えば、５０／５０ビームスプリッターを通過する。そして、この光は、光源２１の発光波長は透過するが、光源７１の発光波長は反射するダイクロイックミラー２６によって顕微鏡対物レンズ４０へと送り込まれる。こうして、光はサンプル１０に収束された後反射される。この光は、反射後、逆の経路をたどって、再び半反射板７３を通過する。最終的に、透過光は、フォーカス領域の視覚化を可能にするカメラ７２によって集光される。

【0075】

図３は、半導体材料における屈折率の実部を測定する位相差顕微鏡３００の例を示す図である。

【0076】

この位相差顕微鏡３００は、光源３０１、例えば、波長が材料のスペクトル透過帯域内である超短パルス（＜１ｐｓ）の放出に適したパルスレーザーを備えている。光は、分離素子３０２によって、干渉計、この例では、マッハツェンダー干渉計を形成する２つのアームへと分離される。この分離素子は、例えば、直線偏光子である。一つ目のいわゆる「基準アーム」（分離素子３０２によって反射される要素）には、圧電モータ３０５に装着されたミラー３０４、例えば、金のミラーが含まれ、ナノメートル単位での変位が行われるようになっている。この図３の例では、基準アームには、１／４波長板３０３がさらに含まれ、ビームは、ミラー３０４での反射後、その偏光を回転させて再び１／４波長板を通過し、その後偏光子３０２を透過する。レンズ３１１、３１２で構成されたアフォーカルシステムは、ビームサイズの調整を可能にする。基準ビームは、最終的に、第２の分離素子３１０、例えば、他の偏光子を通過し、カメラ３１３へと送られる。「測定アーム」と呼ばれる二つ目のアーム（分離素子３０２によって送られる要素）には、まず、ミラー３０６、例えば、金のミラーが含まれる。その後、ビームは、サンプル１０の観察領域の方に向けられる。そして、例えば、顕微鏡レンズ３０７によりイメージングが行われる。ビームのコリメーションには、チューブレンズ３０８が用いられる。その後、測定ビームは、ミラー３０９により分離素子３１０、さらにはカメラ３１３へと反射される。続いて、このカメラによって、基準アームと測定アーム間の干渉が記録される。圧電モータ３０４により基準アームの光路を調整することにより、それぞれ所定の位相シフトを有するこれらの干渉の複数の画像、例えば、それぞれπ／２の位相シフトを有する４つの画像を取得することができる。これらの４つの画像の強度と、サンプル１０の変化によって生じる位相シフトとを単純にリンクさせることが可能である。この位相シフト自体は単に相対的な屈折率変化に関連するものであるので、この変化を測定することが可能である。位相差顕微鏡については、Ｊ．Ｈ．の論文、例えば、Ｂｒｕｎｉｎｇ他による（非特許文献５）に記載されている。図３の例では、Ｊ．Ｈ．Ｂｒｕｎｉｎｇ他に記載されているような位相差顕微鏡は、反射ではなく透過時かつ赤外線波長で動作するよう構成されている。

【0077】

半導体材料における屈折率の実部を測定する装置としては、いずれも赤外領域で動作するよう構成された干渉計システム、ホログラフィックシステム、波面アナライザ（シャックハルトマン式又はその変形バージョン）などのその他の装置も考え得る。

【0078】

これらの装置は、暗視野顕微鏡検査や拡散測定など、屈折率の実部の非定量診断で補足することができる。具体的には、サンプルの観察領域に対して、観察する方向とは異なる方向から照射を行う。屈折率の実部に変化があった場合、その屈折率の実部に変化があった領域が入射光を散乱させ、観察可能となる。

【0079】

半導体材料の屈折率の実部を測定することにより、レーザービームのパラメータ（例えば、ショット数、エネルギー）を変更して、屈折率の変化を徐々に増大させ、ダメージを与えずに材料の所望の光学機能を得ることが可能である。実際には、過度に強いレーザー光束を吸収することによって、材料の温度が局所的に上昇しやすくなり、流体力学的現象（例えば、圧力や衝撃波）を引き起こしてしまう。この場合、材料の高密度化が局所的に行われるのではなく、マイクロキャビティが形成されやすくなる。これらのキャビティは、制御されない不良を生じさせ、拡散損失を引き起こし、製造された光学部品の光学性能を低下（又は排除さえ）してしまう。

【0080】

一又は複数の実施例によれば、所定の半導体材料について、屈折率の実部を変更するために制御する各パラメータに対して、「作業ウィンドウ」が定められる。この事前のキャリブレーション作業によって、本明細書に係る３Ｄレーザーマーキング処理実施時の効率性をさらに向上させることが可能となる。

【0081】

図４Ａ～図４Ｄ、図５Ａ～図５Ｊ、及び図６は、本発明者らによって得られた実験結果を示し、シリコンサンプルにおける屈折率の実部の変化に対する制御パラメータの影響を示す。

【0082】

図４Ａ～図４Ｄ、図５Ａ～図５Ｊ、及び図６に示す結果は、図２に示す第１のサブシステムによって、材料の構造的変化の発生について得られたものであり、図６に示す相画像は、図３に示す第２のサブシステムによって得られたものである。

【0083】

具体的には、使用した第１のサブシステムは、波長１５５０ｎｍ、パルス持続時間５ｎｓ、繰り返し率１ｋＨｚでパルスを発生させるレーザー光源２１（ＭＷＴｅｃｈ、ＰＦＬ－１５５０）を備えている。対象に対するエネルギーは、半波長板と偏光子のアセンブリ２３によって制御される。そして、ビームは、金のミラー（２４及び２５）によって運ばれる。レーザービームは、開口数０．４２の顕微鏡対象レンズ４０によってサンプル１０に収束され、そのビームの焦点部分における直径が２．３μｍ（１／ｅ^２で測定）、レイリー距離が空気中で２．８μｍ、シリコン中で９．８μｍである。電動式のステージにより、サンプルの位置決めや、光軸Ｙと垂直な面（Ｘ、Ｚ）における移動が可能となっている。サンプルの位置決めや照射領域の視覚化を行うために、反射型赤外線顕微鏡７０が装置に実装されている。この反射型赤外線顕微鏡は、１２００ｎｍの連続光を発生させる発光ダイオード（ＬＥＤ）７１を備えている。この入射光（７０１）は、まず、５０／５０半反射ブレード（７３）を通過する。そして、この光は、１５５０ｎｍで透過し、１２００ｎｍで反射するダイクロイックミラー２６によって顕微鏡対物レンズ４０へと送り込まれる。この光は、反射後、逆の経路７０２をたどって、再び半反射ブレード７３を通過する。最終的に、透過光は、１２００ｎｍで線形応答を有し、フォーカス領域の視覚化を可能にするＩｎＧａＡｓカメラ７２に集光される。

【0084】

また、図６の画像の形成に用いられる位相差顕微鏡は、図３に示すタイプのものであり、具体的には、１３００ｎｍのパルス（１００ｆｓ）レーザー３０１（スペクトラフィジックスマイタイ（登録商標）、スペクトラフィジックスハリケーン（登録商標）、スペクトラフィジックスＯＰＡ ８００ＣＦ（登録商標））と、ＩｎＧａＡｓ型カメラ３１３とを備えている。

【0085】

本出願人は、上記のような構成のシステムにより、パルス毎の光度が約４ＧＷ／ｃｍ^２以上のものに対応する、０．５μＪ以上のパルスエネルギーについて、屈折率の実部の相対的な変化を測定可能であることを示した。

【0086】

図４Ａ乃至図４Ｃは、異なるレーザービームの走査速度におけるパルスエネルギーの影響を示す実験結果を示す図である。これらの図では、図示のエネルギー、１ｍｍ／ｓ、０．１ｍｍ／ｓ、０．０１ｍｍ／ｓの顕微鏡対物レンズの変位速度で、線４０１、４０２、４０３が書き込まれた。図からも分かるように、書き込まれた線の形態は、書込み速度に直接左右される。線４０１及び４０３は、キャビティと判断された黒い点を有する。一方、線４０２は、均質に変質したチャネルである（ひいては導波路の可能性がある）。線４０２の幅は、レーザーエネルギーに依存する。図４Ｄは、パルス毎のエネルギーに応じて得られた導波路の幅を示す実験曲線を示す。この幅は、レーザーエネルギーに応じて直線的に変化する。

【0087】

図５Ａ乃至図５Ｊは、レーザービームの走査速度の影響を示す実験結果を示す図である。これらの結果は、図４Ａ乃至図４Ｃに示すものと一致し、かつそれらを補完するものであって、２μＪのエネルギーについて得られたものである。図からも明らかなように、０．５ｍｍ／ｓ以上の書込み速度では、構造にダメージが見られる（図５Ａ及び図５Ｂ）。このダメージは、０．０１ｍｍ／ｓ以下の速度についても見られる（図５Ｅ乃至図５Ｊ）。この場合、速度が低ければ低いほど、構造にはより多くのダメージが見られることになる。また、書き込まれた構造は、速度が低い場合に比べて一層広い。このような蓄積は、各点ごとに印加されるショット数が大きい場合にダメージが増加することを示す。書込み速度が０．０１ｍｍ／ｓから０．５ｍｍ／ｓの範囲の場合、ダメージは見られず、書き込まれた導波路も一様である。

【0088】

図６は、異なるレーザービームの走査速度において生じる位相変化を示す実験結果を示す図である。位相に関する情報を見ることによって、２μＪのパルス毎のエネルギーで生じる変化の物理的性質に関する情報が得られる。１ｍｍ／ｓの書込み速度では、生じる変化は、正の位相領域（すなわち、光学高密度化）と負の位相領域（すなわち、キャビティやダメージ）で構成される。これは、０．００５ｍｍ／ｓや０．０００１ｍｍ／ｓの場合も同様である。書込み速度が低いほど、負の位相領域の重要性が高いことが分かる。０．１ｍｍ／ｓの速度で生じる変化は一様かつポジティブであり、ダメージがない。対応する相対的な屈折率変化は、１０^-３より大きく、光をガイドするには十分である。

【0089】

図７Ａ及び図７Ｂは、屈折率の変化をより一層細かく制御するために、本明細書に係る方法をどのように使用できるかの例を示す図である。これらの例では、徐々に変化していく屈折率の実部に関して、ショット数又はエネルギーあるいはこれらの両方についてのフィードバックが提案されている。すなわち、この方法には、パターンの各点で受信するパルス数を制御する反復工程が含まれ、各工程は、屈折率の実部の相対的な変化の所定値、例えば、検出可能な最小値を得ることにより定められる。これらの工程は、求められた屈折率の実部の相対的な変化Δｎ／ｎが得られるまで継続的に行われる。

【0090】

図７Ａは、ここで説明した多段階プロセスの第１の例を示す図である。第１ステップ（７１１）では、ショット数Ｎとエネルギーを、所定の値、例えば、Ｎ＝１とＥ＝Ｅｍｉｎ、例えば、Ｅ＝０．１μＪに固定する。そして、屈折率の相対的な変化を測定する（ステップ７１２）。この相対的な屈折率の変化が検出可能となるたびに、Δｎ／ｎ基準を満たすこと、すなわち、相対的な屈折率変化の所望の値に達していることを確認する（７１３）。そうである場合、このプロセスを終了する（７１４）。屈折率変化が検出可能ではない、又は、Δｎ／ｎ基準を満たしていない場合、最大ショット数Ｎｍａｘ（７１６）に達するまでショット数を増加（７１５）させた後、ステップ７１１を繰り返す。この最大ショット数に達した場合、エネルギーを増加させて、ショット数の初期値Ｎ＝１から始めることにより、第１ステップを繰り返す。

【0091】

図７Ａの例では、ショット数が各段階で増加する一方、エネルギーは一定に保たれて、次の段階が過ぎると増加する。

【0092】

図７Ｂは、（位相差顕微鏡の感度により）屈折率変化が検出される閾値を超えるまで、レーザービームがパターンの点を通り過ぎるたびにエネルギーが増加する変形例を示す図である。新しいエネルギー「ランプ」（第２ステップ）を行うことにより、低エネルギーへの変化が検出される。この処理は、屈折率の所望の値が、相対的に、例えば、＋１０^-３に変化するまで繰り返し行われる。

【0093】

上記方法によれば、閾値に可能な限り近づくたびに、一様な変化に必要な非常に漸進的な効果を奏するように材料を変質させることが可能となる。これは、他の制御パラメータに一般化することが可能な方法の例である。

【0094】

一又は複数の実施例によれば、屈折率の実部の定量的な測定と、観察方向とは異なる方向から観察領域への照射を行うことによって生じる拡散信号を測定することによる非定量的測定とを組み合わせることにより、漸新性を向上させることができる。屈折率の実部に変化があった場合、その屈折率の実部に変化があった領域が入射光を散乱させ、観察可能となる。図７Ａ及び図７Ｂの例では、屈折率の値Δｎが位相差顕微鏡法やその他の手法で測定可能となるまで、拡散信号に関連する基準に基づいて反復を行うことができる。終了の条件（７１４）は、Δｎの値に到達することである。例えば、屈折率の変化（たとえその変化が定量的に測定されなくても）を示す拡散信号が検出可能となるまで、増加条件（例えば、エネルギー、ショット数）の下で材料の照射が行われる。この処理を定量的測定で利用可能な屈折率変化を得るのに必要なだけ何回も繰り返し行うことにより、拡散信号を徐々に増大させることができる。この拡散信号（非定量的）及び屈折率の変化を反映するその他の光学的測定によれば、屈折率の変化に対する感度が高い場合にもより一層大きな漸進性を達成することができる。

【0095】

本出願人は、上記３Ｄレーザー刻設処理を実施することで、シリコンサンプルに直接深くレーザー刻設を行うことによる光学的機能化を示すことができた。図８乃至図１０では、得られた実験結果を示す。

【0096】

これらの実験では、図２に示すシステムが用いられた（図４乃至図６に示す上記各種要素についての説明を参照）。

【0097】

すなわち、図８Ａ及び図８Ｂは、本明細書に係る方法によって得られた基本的な導波路における光伝搬の第１の例を示す画像を示す図である。図８Ａに示す画像は、白色光で照射されたＩｎＧａＡｓカメラによって取得されたものである。導波路８０１及び８０２が視覚化されている。焦点は、レーザー８１１の伝搬方向とは反対の方向８１２に移動した。同じ部位に対応する図８Ｂに示す画像は、導波路に散乱した光を検出する同じカメラによって取得されたものである。レーザーダイオードによって１５５０ｎｍの連続光８２１が生成され、それと平行な導波路８０２の入力に収束されている。この光は、導波路の内部を伝搬する。

【0098】

図９Ａ及び図９Ｂは、本明細書に係る方法によって得られた基本的な導波路における光伝搬の第２の例を示す図である。図９Ａでは、矢印９１１及び９１２が、書込みレーザーの伝搬方向と、焦点の移動方向にそれぞれ対応している。３つの導波路９０１、９０２、９０３が書き込まれている。図９Ｂに示す画像は、連続光９２１と導波路９０３との間に３５°の入射角を導入したことを除いて、図８Ｂに示すものと同じように取得されたものである。光は、入射角の導入にもかかわらず、導波路の方向をたどることが好ましいことが分かる。しかしながら、結合は、導波路と平行に投入する場合ほど良好ではない。

【0099】

図１０Ａ及び図１０Ｂは、本明細書に係る方法によって得られたＹカプラーにおける光伝搬の第３及び第４の例を示す図である。この「Ｙ」の２つのアームは、シリコンの内側から表面へと刻設され、ある点で合流する。そして、この点からサンプルの表面に向かって基本的な導波路の書込みが行われる。図８Ｂ及び図９Ｂと同様、Ｙカプラーの入力には、１５５０ｎｍの光が投入される。この光は、その後、カプラーの始まりからガイドされ、直線に伝搬するのではなく、上記２つのアームのそれぞれに分配される。このようなＹカプラーの例は、光を同時に異なる場所へと導くため、特に興味深い材料の機能化である。

【0100】

最後に、上記実証例から、上記方法によれば、シリコンやその他の半導体内において３Ｄマイクロメートル分解能で制御された屈折率変化＞１０^－３に基づき、すべてのデバイスに対して書込みを行うことが可能であることが分かる。

【0101】

数多くの詳細な例示的実施形態を説明してきたが、半導体材料のサンプルの内部の光学的機能化を図るシステム及び方法には、当業者には明らかなさまざまな他の実施形態、変形例、改良例が含まれ、これらのさまざまな他の実施形態、変形例、改良例が以下の特許請求の範囲に記載の本発明の範囲内にあることが理解されるであろう。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A-5J】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図9A-9B】

【図10A】

【図10B】