Construction of non-thermal ultra-fine processing using double-pulse UV lasers

超スマート社会の実現に向け高性能かつ精密な電子デバイス開発が行われており、同時にレーザー加工技術もより精密な超微細加工が要求されている。半導体材料への加工は、機械的衝撃や熱による物理化学的性質を損なわず、容易に微小領域の加工ができる方法が必要不可欠である。そこで今までに解明してきたナノ秒紫外レーザーによる半導体材料表面への非熱的微細構造形成の結果を基に、超解像顕微鏡で利用されているコヒーレント相互作用技術を利用し、2台のナノ秒紫外レーザー（エキシマレーザー）を組み合わせた超微細加工システムを構築し、従来のレーザー加工では達成できていない回折限界を超えた10nm程度の超微細加工を目指す。令和4年度は、現有のXeClエキシマレーザー（発振波長308nm）加工システムに2台目のレーザーとしてKrFエキシマレーザー（発振波長248nm）を組み込むべく、KrFエキシマレーザーを用いたレーザー加工システムの光学系を設計・製作を行った。この加工システムを用いてAlのアブレーション閾値を測定したところ、アブレーション閾値（融解閾値）が約0.93[J/cm^2]であることが分かった。また、ナノ周期構造形成の機構の解明のため電磁粒子シミュレーションを行った。周期構造のレーザー強度依存性および構造形成の時間変化について解析した。レーザー波長800nmのフェムト秒レーザーについて、レーザー強度を1X10^15 から5X10^16 [W/cm^2・μm^2]まで変化させたときのナノ周期構造について解析したところ、レーザー強度が2X10^15 から5X10^16 [W/cm^2・μm^2]において周期間隔が約400nmのナノ構造が形成されることが分かった。また、ナノ構造形成の時間変化を解析したところ、レーザー照射開始から500fsまでは時間経過とともに周期間隔が長くなっていくことが分かった。

超スマート社会の実現に向け高性能かつ精密な電子デバイス開発が行われており、同時にレーザー加工技術もより精密な超微細加工が要求されている。半導体材料への加工は、機械的衝撃や熱による物理化学的性質を損なわず、容易に微小領域の加工ができる方法が必要不可欠である。そこで今までに解明してきたナノ秒紫外レーザーによる半導体材料表面への非熱的微細構造形成の結果を基に、超解像顕微鏡で利用されているコヒーレント相互作用技術を利用し、2台のナノ秒紫外レーザー（エキシマレーザー）を組み合わせた超微細加工システムを構築し、従来のレーザー加工では達成できていない回折限界を超えた10nm程度の超微細加工を目指す。令和4年度は、現有のXeClエキシマレーザー（発振波長308nm）加工システムに2台目のレーザーとしてKrFエキシマレーザー（発振波長248nm）を組み込むべく、KrFエキシマレーザーを用いたレーザー加工システムの光学系を設計・製作を行った。この加工システムを用いてAlのアブレーション閾値を測定したところ、アブレーション閾値（融解閾値）が約0.93[J/cm^2]であることが分かった。また、ナノ周期構造形成の機構の解明のため電磁粒子シミュレーションを行った。周期構造のレーザー強度依存性および構造形成の時間変化について解析した。レーザー波長800nmのフェムト秒レーザーについて、レーザー強度を1X10^15 から5X10^16 [W/cm^2・μm^2]まで変化させたときのナノ周期構造について解析したところ、レーザー強度が2X10^15 から5X10^16 [W/cm^2・μm^2]において周期間隔が約400nmのナノ構造が形成されることが分かった。また、ナノ構造形成の時間変化を解析したところ、レーザー照射開始から500fsまでは時間経過とともに周期間隔が長くなっていくことが分かった。