フェムト秒レーザー加工
 

 100フェムト秒という短い時間にエネルギーを集中できるフェムト秒レーザーパルスは、 熱変成を伴わない微細加工のツールとして注目されています。フェムト秒レーザーパルスはエネルギーが小さくてもピーク強度が高いために、 照射フルーエンスに応じて様々な加工現象が発現することが分かってきました。近年では加工対象となる試料も金属、半導体、 誘電体、 生体と多岐にわたるようになっています。当研究所では、主に金属、半導体を対象にした表面加工現象について研究を進めています。


 
高~中フルーエンスでの加工

 図1にパルス幅を100fs、200ps、10nsと変えたときの加工痕の違いを示します。パルス幅が短くなるほどきれいな加工ができることが分かります。 フェムト秒パルスは試料表面でプラズマが発生する前にレーザー照射が終わるために、固体表面でのみエネルギーが吸収されます。 (ただし、パルスの繰り返し周波数が高すぎると、ひとつ前のパルスがつくったプラズマにレーザーが吸収され、 フェムト秒レーザー加工の特徴が失われます。)パルス照射後、数ピコ秒でプラズマが発生するため、 パルス幅が長いほどプラズマへのレーザーエネルギー吸収が増えて熱変成が顕著となってきます。


図1 パルス幅が100 fs・200 ps・10 nsの場合の加工痕SEM像の比較 (ターゲットはSi)
(a):パルス幅100 fs・波長800 nm (b):パルス幅200 ps・波長800 nm (c):パルス幅10 ns・波長1064 nm

 
 しかし、フェムト秒レーザー加工と言えども、照射フルーエンスが高くなると熱影響がでてきます。 図2に図1に対応したパルス幅でのアブレーションレートのデータを示します。100 fsのデータは二つの関数でフィッティングしています。 低フルーエンス側のデータを表す関数[19ln(F/0.34)、lnは自然対数、Fは照射フルーエンス] の19 nmは光侵入長、0.34 J/cm2は加工しきい値に相当します。 アブレーションレートが光侵入長程度までは、照射部周辺への熱影響が無視できる加工が可能です。 一方、高フルーエンス側のデータを表す関数[43ln(F/1.1)] の43 nmは熱拡散長、1.1 J/cm2は熱加工のしきい値に相当します。 即ち、1.1 J/cm2以上のフルーエンスで照射すると、照射領域からの熱拡散が徐々に大きくなり熱変性が無視できなくなります。 フェムト秒レーザー加工の特徴であるシャープな加工を実現するには、1ショットあたり約20nm(光侵入長相当)の加工レートが上限となります。 これ以上の加工深さを1ショットあたり実現しようとすると、熱拡散を利用しなければなりません。

 1ショットあたりの加工深さ20 nmを考えた場合、必要な照射フルーエンスは10 nsの場合に比べて100 fsの場合は1/10であることがグラフから読み取れます。 同じ深さを蒸発させるのに必要なエネルギーが1/10で済むことを意味します。これは、10 nsパルスによる加工においては、 レーザーエネルギーの90%以上がプラズマの加熱に費やされているからです。アブレーションレートが大きな(例えば、80 nm)ところで比較すると、 必要な照射フルーエンスの差があまりありません。吸収されたレーザーエネルギーが熱に変換され熱伝導が支配的になってくるとパルス幅の依存性が緩くなってきます。

 

図2 パルス幅100fs、200ps、10nsに対するアブレーションレートの照射フルーエンス依存性 (ターゲットはSi)

 
関連レーザークロス

  • No.163 2001年10月(超微細加工を可能にするフェムト秒レーザー)               
     
  • No.171 2002年6月(レーザーを用いたドライプロセス化技術 その2)               
     
  • No.201 2004年12月(思い通りの微細加工を可能にするフェムト秒パルス
     
上に戻る / 前に戻る

 
低フルーエンスでの加工

 加工しきい値近傍の低フルーエンスでフェムト秒レーザーパルスを物質表面に照射すると、 周期が波長程度の微細な溝構造が自発的に形成されます。 ナノ周期構造とかレーザー誘起表面周期構造(Laser Induced Periodic Surface Structure : LIPPS)と呼ばれています。 図3や図4に示すように金属表面や半導体(Si)表面にはレーザーの偏光と垂直方向に溝が形成されます。レーザー光を掃引させて照射すると、 溝が自然につながって大面積の表面処理が可能です。図5のようにナノ周期構造が形成された60cm×60cmの超硬合金表面に白色光を照射すると虹色に輝きます。 このような微細構造を摺動面にほどこすと、摩擦係数が低下することが実験的に確認されており、省エネ技術として注目されています。


 

図3 銅表面に形成されたナノ周期構造
 

 
 

図4 半導体(Si)表面に形成されたナノ周期構造
白っぽい部分がアモルファス化して数 nm盛り上がっている。
 

 

図5 ナノ周期構造が形成された60 cm×60 cmの超硬合金表面に白色光を照射すると虹色に輝きます
 

 また、誘電体(石英)表面にも周期構造を形成できることが確認されています。 石英はフェムト秒レーザーの波長800 nmに対して透明なので多光子吸収を利用することになります。図6 (a) に約7 J/cm2の照射強度で石英表面に形成した微細構造を示します。 金属や半導体とは異なり溝構造がはっきしておらず、加工に要するエネルギー密度も高くなります。そこで、石英表面に薄く金属をコートして、 金属膜に形成されたナノ周期構造が石英にインプリントできないか試しました。 図6 (b) に約2 J/cm2の照射強度でCuを100 nmコーとした石英表面に形成した微細構造を示します。 Cu薄膜表面には周期間隔600 nm程度のナノ周期構造が形成されますが、コーとしたCuがアブレーションされた後の石英表面には周期間隔200 nm程度のナノ周期構造が形成されました。 この理由はよくわかっていません。このような可視光の波長よりも小さな微細構造を透明材料表面に形成すると、 可視光に対する無反射構造として機能することが確認されています。


図6 石英表面に形成されたナノ周期構造:(a) 石英を直接加工、(b) 石英表面にCuを100 nmコートして加工
 

 
関連レーザークロス

  • No.181 2003年4月(フェムト秒加工によるナノ構造物形成)
     
  • No.207 2005年6月(フェムト秒加工の新領域~アブレーションだけが加工じゃない~)
     
上に戻る / 前に戻る

 
加工しきい値以下のフルーエンスでの加工

 加工しきい値以下のフルーエンスで単結晶Siの表面を照射すると、アモルファス層が形成されます。波長800 nmのフェムト秒パルスを用いた場合、 厚さ50~60 nmの均一なアモルファス層が形成されます。図7にアモルファス層を形成した試料の断面TEM像(透過型電子顕微鏡像)を示します。 拡大して観察すると、単結晶(c-Si)層とアモルファス層(a-Si)の境界は数 nmしかありません。このアモルファス層の厚みは照射レーザーの波長(光侵入長) に依存することが確認されています。また、“この”アモルファス化はパルス幅 8ps以下で発現することも確認されています。

 

図7 加工しきい値以下のフルーエンスで照射したSiウェハの断面TEM像

 
 アモルファス化に要する照射強度よりもさらに低い照射強度でアモルファスSiにフェムト秒パルスを照射すると再結晶化が起きることが確認されています。 図8に実験に用いたターゲットの構造を、図9にフェムト秒パルス照射後の試料の断面TEM像を示します。 照射領域中央の照射強度が高い部分ではアモルファス化が進行し、照射領域周辺部の照射強度が低い部分ではアモルファス層が再結晶化することが確認されました。 再結晶は単結晶ウェハ側から上に向かって進行しており、エピタキシャル成長が起こっていると考えられます。 照射パルス数を増やすと再結晶化が表面に向かって進んでいくことも実験的に確認されています。

 

図8 アモルファスSi再結晶化の実験に用いたターゲット構造
単結晶Siウェハの表面にスパッタリングで8 nmの厚みのアモルファスSiを形成
 


図9 図8の試料にアモルファス化のしきい値以下のフルーエンスで
フェムト秒パルスを照射した後の断面TEM像

 
関連レーザークロス

  • No.228 2007年3月(フェムト秒加工の第三の波~加工しきい値以下の加工~)
     
  • No.252 2009年3月(フェムト秒パルスによるSiの相転位~レーザー波長依存性~)