高次高調波の精密加工への応用に期待、極端紫外光によるレーザー加工の実現へ

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東京大学大学院は2020年5月15日、量子科学技術研究開発機構、宇都宮大学、産業技術総合研究所と共同で、近赤外域のフェムト秒レーザー光の高次高調波として極端紫外光を発生させ、その極端紫外光を回折限界にまで集光して試料に照射することによって、サブマイクロメートルスケールでの微細加工を達成したと発表した。

極端紫外光は可視光より波長が短く、回折限界のサイズが小さくなるため、レーザーによる精密な材料加工に適している。しかし、極端紫外域光の集光には透過型レンズを使えないため、反射光学素子を用いる必要があるが、反射型の光学素子(集光ミラー)を十分に高い面精度で製作することは困難だった。そのため、極端紫外域の高次高調波による微細加工は難しいと考えられてきた。

極端紫外光のサブマイクロメートル領域への集光照射によって形成した加工痕の原子間力顕微鏡画像

そこで研究者らは、高精度な集光ミラーを独自に開発し、近赤外域のフェムト秒レーザー光の高次高調波を回折限界にまで集光することで、極端紫外領域のレーザー加工の実現を目指した。

実験では、近赤外フェムト秒レーザーパルスをアルゴンガスに集光し、極端紫外波長域の高次高調波光(27.2~ 34.3nm)を発生させた。その高次高調波光を、高い開口数を持つ高精度な回転楕円ミラーを用い、回折限界近くの1.488μm×0.79μm(半値全幅)にまで集光し、アクリル樹脂(PMMA)薄膜および金属ナノ粒子レジスト薄膜に照射することで、サブマイクロメートルサイズの微細加工を実現した。

また、照射強度の関数としてPMMA薄膜および金属ナノ粒子レジスト薄膜の加工穴の深さをプロットし、高次高調波の照射強度がアブレーションを引き起こすのに十分に高いことを明らかにした。

さらに、200ショット照射時に加工が実現されるための照射強度の閾値を、PMMA薄膜について0.42mJ/cm2、金属ナノ粒子レジスト薄膜につい0.17 mJ/cm2と計算し、実験値と比較。PMMA薄膜については、1ショットの照射によって加工が実現されるための照射強度の閾値が14.0mJ/cm2であることが、ショット数を変えて行った実験結果の解析から判明したという。

加えて、高次高調波光をPMMA薄膜に照射してできた加工痕を顕微ラマン分光法で観察し、加工に伴ってPMMA薄膜内のポリマー主鎖が切断されるという結晶構造の微視的変化が起こることも確認した。

本研究成果は、高次高調波光源の精密加工への利用を切り開く第一歩と位置付けられる。この成果を踏まえ、今後、微細加工プロセスに高次高調波光源が活用されることが期待される。

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