極端紫外線レーザーにより熱影響が極めて少ない合成石英の加工に成功――産総研、東大、早大など

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加工後の走査型イオン顕微鏡による断面観察(左)と加工端断面熱影響の概念図(右)

産業技術総合研究所(産総研)、東京大学、早稲田大学などの研究グループは2018年10月23日、極端紫外線フェムト秒レーザーによる、合成石英への極めて熱影響の少ないレーザー加工に成功したと発表した。

近年、そのデジタル制御の容易さなどから、将来の人材不足などを補う重要な技術として、次世代のレーザー加工技術の開発が期待されている。レーザー波長の短波長化はその1つで、波長120nm以下の極端紫外線領域のレーザー光について、産業利用に向けた有用性の検証が進行中だ。

また、熱影響の少ない加工には、熱影響メカニズムの解明や熱影響の変化の観測が重要だが、極端紫外線レーザーによる材料加工の特性は、最も基礎的な事項である材料の損傷閾値に関する評価が近年開始されたばかりだ。

研究グループは、NEDOのプロジェクト「高輝度・高効率次世代レーザー技術開発」の一環で、ガラス材料の加工メカニズムを理解するために極端紫外線レーザーを用いた合成石英の加工に取り組んだ。ガラスは小型電子デバイス用の次世代電子回路基板として注目されており、ガラスへの高密度な微細穴開け加工はニーズが高い。しかし、これまでのレーザー加工技術では、熱溶解によりレーザー照射部と非照射部との境界にリムと呼ばれる隆起構造が生成するなど、加工品質上の課題があった。

特に、基本的なガラス材料の1つである合成石英の加工では、フェムト秒レーザー加工における亀裂の影響が加工品質に大きな影響を与える。今回、研究グループは極端紫外線フェムト秒レーザーを用いて加工を行えば、熱損傷の少ないレーザー加工ができるのではないかとの着想を得て、合成石英をターゲットとした加工実験及び加工特性の評価を実施した。

研究グループは、従来の近赤外線フェムト秒レーザー(波長800nm、パルス幅約70フェムト秒)と極端紫外線フェムト秒レーザー(波長13.5nm、パルス幅約70フェムト秒)を用いて合成石英を加工。走査型イオン顕微鏡やレーザー顕微鏡などの観測により、その損傷閾値や加工モルフォロジーなどの加工特性を評価した。

極端紫外線フェムト秒レーザー(●印)と近赤外線フェムト秒レーザー(△印)の損傷閾値の測定

その結果、近赤外線フェムト秒レーザーによる損傷閾値は3.8×103mJ/cm2だったのに対し、極端紫外線フェムト秒レーザーの損傷閾値は0.17×103mJ/cm2だった。今回の近赤外線での結果は、これまで報告されている可視光~近赤外線領域のフェムト秒レーザーによる損傷閾値と大きく変わらない。一方、極端紫外線フェムト秒レーザー加工では、今回の近赤外線での結果やこれまでの極端紫外線ナノ秒レーザー加工に比べて、損傷閾値がおよそ20分の1だった。

フェムト秒レーザー波長と損傷閾値の関係

加えて、加工効率に大きく影響する有効吸収長は58nmと算出され、これまでの極端紫外線ナノ秒レーザーと比較すると約2.5倍に向上した。このように、極端紫外線でのフェムト秒レーザーが、これまでのレーザー照射に比べて極めて高い加工性能を有することが明らかになった。

光源による加工特性値の比較

続いて、研究グループは加工モルフォロジーの評価のため、極端紫外線フェムト秒レーザーのマルチパルス照射で深掘り加工を実施した。形成されたクレーター表面を観察したところ、加工によるクラックは観測されなかった。極端紫外線フェムト秒レーザー加工後の加工断面顕微鏡像においても、レーザー照射によって熱溶解した際に一般的に生じるリム構造は見つからなかった。

加工後の走査型イオン顕微鏡による断面観察(左)と加工端断面熱影響の概念図(右)

また、極端紫外線フェムト秒レーザーと近赤外線フェムト秒レーザーの照射痕の一部を材料の上面からレーザー顕微鏡で観察したところ、極端紫外線ではクラックの無い加工に成功していた。このように、極端紫外線フェムト秒レーザーを用いることで極めて熱影響の少ないレーザー加工が可能で、これまで報告されている合成石英の加工の中でも、最高品質のクレーター加工であることが分かった。

極端紫外線フェムト秒レーザー(左)と近赤外線フェムト秒レーザー(右)の照射痕(一部)をレーザー顕微鏡で材料上面から観察したときの顕微鏡像

今後、研究グループは極端紫外線領域に近い波長で損傷閾値などの照射レーザー波長依存性の精査を進めるとともに、今回の成果の加工・評価データを、NEDOプロジェクトの協調領域として構築しているTACMIデータベースへ蓄積する。さらに、合成石英を含むガラス材料などのフェムト秒レーザー加工のメカニズム解明と産業ニーズに応じた最適加工を目指すという。

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