ベクトルビームを用いた超微細レーザー加工技術の開発
東北大学 多元物質科学研究所
准教授 小澤 祐市（2018 年度 一般研究開発助成 AF-2018208-B2）
キーワード：レーザー穴あけ，フェムト秒レーザー，ベクトルビームのと期待される．しかしながら，図 1（b）に示すような

１．研究の目的と背景
ピコからサブピコ秒，あるいはフェムト秒のパルス幅を軸方向電場（|Ez|2）から構成される微小な集光スポット持つ超短パルスレーザー光によるレーザー加工は，連続特性が，レーザー微細加工に対してどのように寄与するか波・ナノ秒パルスレーザー光を用いた加工に比べて，熱影についてはほとんど明らかになっていない．以上を背景に響を低減した高品質な微細加工が得られる利点を持つ．こ

本研究では，金属材料に対するレーザー微細加工をターゲのため近年は，電子デバイス分野や自動車関連分野を始めットとして，高 NA 条件においてベクトルビームを強く集とした多くの分野に対してレーザー微細加工プロセスの光した場合の加工特性について実験的に明らかにするこ導入が進んでいる．本研究では，レーザー微細加工技術のとを目指した 3)．

さらなる進展へ向けて，レーザー光の振幅や偏光および位相の空間分布制御に立脚した新たなレーザー加工技術の開発を目的とした．具体的には，このような光の基本的なパラメータの空間分布制御によって得られる光ビーム（ベクトルビーム）の特異な集光特性がレーザー加工プロセスにどのように寄与するかについて実験的に検証する．これらの実験を通じて，既存の限界を超える加工分解能や加工精度を実現する新しいレーザー加工技術の開発につなげることを本研究の大きなねらいとする．以降では，その背図 1 (a)円偏光ガウスビームおよび(b)高次径偏光 LG ビー

景となる基本原理とベクトルビームの集光特性についてム(LG5,1) を NA = 0.85 の対物レンズで集光した場合の焦述べ，本研究の実験結果の詳細について報告する．

点断面における強度プロファイルの計算結果．

光ビームの断面において，偏光方向が空間的に分布を持
つビームはベクトルビームと呼ばれる．ベクトルビームの中でも，光軸に対して半径方向に沿って偏光した径偏光

２．高次径偏光ビームの金属表面への集光
2・1

数値計算

（ラジアル偏光）や方位角方向に偏光した方位偏光（アジ

図 1 で示した数値計算例は，ベクトルビームを高 NA

マス偏光）は，その偏光の軸対称性に起因して，通常の直レンズによって空気中に強く集光した場合の焦点での強線偏光や円偏光ビームでは得られない集光特性を持つこ度分布を計算したものである．一方で，レーザー加工におとが知られている 1)．特に，径偏光ビームは，開口数（NA）

いてはレーザー光の焦点位置に加工試料が配置されるたの大きな対物レンズで強く集光すると，光軸方向に振動すめ，実際の焦点近傍での光の強度分布は，加工試料表面でる軸方向電場が焦点に強く発生する．さらに，集光する径の反射および試料への入射（吸収）を考慮する必要がある．

偏光ビームが多重リング状の強度分布を持つ高次横モーこの点を明らかにするため，空気中から金属試料に対してドビーム（径偏光 Laguerre-Gauss, LGp,1 ビーム）である

径偏光ビームを強く集光した場合の焦点近傍での強度分場合に，焦点における集光スポットサイズが，横モード次

布をベクトル回折理論に基づいて計算を行った．図 2 に，数 p が大きくなるほど従来のガウスビームの集光よりも径偏光ビームを NA=0.85 の対物レンズで銅表面に集光し小さくなる極めて特異な性質を有している

2)．例として，た場合の半径方向電場（図 2 左）および軸方向電場（図２波長=1 m の円偏光ガウスビームおよび径偏光 LG5,1 ビ右）の強度分布をそれぞれ表示している．ただし，本計算

ームを NA = 0.85 の対物レンズで集光した場合の焦点ででは集光する径偏光ビームの波長は 1040 nm として，対の強度および各偏光成分の 1 次元プロファイルを計算し物レンズ瞳面での振幅分布を平面波状とした．また，焦点た結果を図 1（a）および（b）にそれぞれ示している．本位置を銅表面（z = 0）とし，真空中から銅（複素誘電率集光条件では，円偏光ガウスビームによる集光スポットサˆ  51.56  5.29i ）に集光すると仮定した．銅を始めイズは約 700 nm と計算されるのに対して，径偏光 LG5,1として高い反射率を持つ金属材料への光照射では，金属表ビームでの中心スポットサイズは 590 nm となる．このよ面での強い反射光と入射光の干渉により，入射側（真空側）うな微小集光スポット特性をレーザー微細加工に適用ででは半径方向電場および軸方向電場の何れに対しても明きれば，加工分解能や加工精度のさらなる向上が図れるも瞭な定在波が形成する（図 2 の z<0 の領域）．一方で，金

属側（銅内部）では，金属による光吸収によって 20 nm

3・1

実験方法程度の範囲で急激に光強度が減衰する様子（表皮効果）が本実験では，図 3 に示すような独自のレーザー加工実験見られる（図 2 における z>0 の領域）．ただし，金属内部系を構築した．波長 1040 nm のパルスレーザー光(パルスにおける半径方向電場と軸方向電場の強度分布を比較す

幅 300 fs，最大パルスエネルギー40 μJ)を，加工用光源

ると，入射側では光軸上に強く存在している軸方向電場として採用した．本加工光学系では，液晶型空間光変調器（ピーク強度比では半径方向電場の 2.2 倍）は，金属内部(LCOS-SLM) および 12 分割波長板をレーザー光路中にでは半径方向電場と比べて著しく減衰することがわかる．

挿入し，任意のリング数を持つ高次横モードベクトルビー

本条件では，金属内部における軸方向電場のピーク強度はムを生成できる．なお，分割波長板は，透過型液晶素子に半径方向電場のピーク強度に対して 2.5%程度となる．こより構成されており，駆動電圧を制御することでベクトル

れらは，異種材料界面における電場の境界条件を反映したビームへの変換の有無を電気的に切り替えることが可能結果であり，界面における電場の法線成分に対応する軸方である 6,7)．また，分割波長板の手前に設置した 1/2 波長向電場については，媒質間の誘電率の比に応じて振幅が変板を用いて，分割波長板に入射する直線偏光ビームの偏光化するためである 4,5)．

方向を回転させることで径偏光と方位偏光の切り替えを行った．
本実験では，焦点に軸方向電場を発生する径偏光ビームと，これに直交した偏光分布を持つ高次方位偏光ビーム，および比較のために円偏光ビームでの照射実験を行った．
方位偏光ビームは，高 NA 条件での集光に対しても軸方向電場が発生せず，常に横方向電場からなるドーナツ状の強図 2 径偏光ビームを銅表面に強く集光した場合の強度分
布（NA = 0.85,  = 1040 nm）．左：半径方向電場，右：軸方向電場．
図 2 の計算結果から，径偏光ビームを真空中あるいは大気中から集光する場合には，焦点での軸方向電場は金属内部では半径方向電場に比べて無視できるほど減衰することがわかった．金属試料に対するレーザー加工では，照射度分布を形成する．そこで，これらのビームを用いた場合の加工痕の形状を観察することで，径偏光ビーム照射時の軸方向電場による寄与について考察することとした．また，
円偏光照射を行う場合は，分割波長板の動作をオフにした上で，光路中に 1/4 波長板を挿入した．
レーザー光は NA=0.85 の対物レンズを用いて試料表面上に集光し，シングルショットでの加工を行った．得られた加工痕は走査型電子顕微鏡により観察した．

レーザー光が金属内部に侵入し，その光エネルギーの吸収を起点として加工プロセスが進むことに基づけば，焦点での軸方向電場はレーザー加工プロセスに直接寄与する可能性は極めて小さいことを示唆している．
一方で，界面入射側での軸方向電場は，試料表面上では定在波の腹となるため，強い電界強度が表面上に形成される点に注目したい．本特性は，反射率の高い金属ほど顕著に生ずる．例えば，本条件において，300 fs のパルス幅で100 nJ のエネルギーを持つパルスを集光した場合には，
図 2 に示す銅表面での定在波の瞬間的な振幅の大きさは
図 3 レーザー加工光学系

30 GV/m 程度に達する．このような強い軸方向電場による定在波の存在は，金属表面でのアブレーション過程において，その初期過程で生じ得る高エネルギーの荷電粒子と3・2実験結果の相互作用をもたらし，通常の加工プロセスとは異なるア

図 4 に空間光変調器を用いて 6 重リング状の 0-位相シブレーションプロセスが生ずることが予想される．本検討

フトを持つ位相分布を印加した円偏光，方位偏光および径結果を踏まえ，径偏光ビームを強く集光した場合の加工プ

偏光ビームを用いて，鏡面研磨された各種金属薄板（100ロセスを実験的に明らかにするために，ベクトルビームを

m 厚）および比較のためにシリコン基板をシングルショ用いた独自のレーザー加工実験系を構築し，レーザー加工

ットで加工した結果を示す．照射パルスエネルギーは，各試験を試みた．

レーザー照射条件・材料において加工しきい値の 2 倍となるように設定した．なお，各条件での加工しきい値は照射３．高次径偏光ビームによるシングルショットレー
ザー加工実験

偏光および材料に依存し，焦点位置で数 10 から数 100 nJの範囲であった．

図 4 各種金属試料に対する円偏光（上段），方位偏光（中断）および径偏光（下段）ビームを用いた NA =0.85 でのシングルショットレーザー加工により得られた加工痕の電子顕微鏡写真．(a) 照射レーザー光の偏光状態および位相分布，(b) 焦点での集光スポットの計算結果，(c) – (g) 鏡面研磨された銅，アルミニウム，チタン，鉄（ステンレス鋼）の各種薄板およびシリコン基板に対するレーザー加工結果．
なお，図 4(a)で示している位相パターンは，図 1(b)で検で観察されたドーナツ状の加工痕は妥当な結果であると討した径偏光 LG5,1 ビームに相当する．図 4(b)に示すよう考えられる．シリコン基板に対しても本結果と一致する同に，このような位相分布を持つ径偏光ビームの集光では，様の議論が既に報告されている 8)．一方で，アルミニウム中央に強度を持つスポット状となり，その周囲に複数のサおよび銅に対して得られたスポット状の加工痕は，前述のイドローブを伴った強度分布となる．一方で，方位偏光の考察内容とは反するものであり，アブレーションプロセス場合は，焦点中央での強度分布はゼロとなるドーナツ状強に対する軸方向電場の寄与の可能性を示する結果といえ度分布を示す．また，円偏光の場合にもサイドローブを伴る．これに加えて，軸方向電場の発生が無視できる開口数うスポット状の強度分布となる．円偏光ビームと径偏光ビの低い集光条件（NA = 0.3）によって同様のシングルショームの集光を比べると，何れも中心部はスポット状の強度ット加工を銅表面に対して行ったところ，径偏光と方位偏分布となる．しかしながら，両者の違いは，その中心のス光で明瞭な差異は観察されず，何れもドーナツ状の加工痕ポットが円偏光ビームでは面内方向電場（横電場）によっとなることもわかった．て形成されているのに対して，径偏光ビームでは軸方向電場（縦電場）によって形成されている点にある．

銅表面に対して径偏光ビームを強く集光した場合の加工特性についてより詳細に検討するため，加工痕形状につ円偏光ビームの照射（図 4 上段）では何れの材料に対しいての照射エネルギー依存性を調査した．図 5 に，6 重リても，中央部のみがアブレーションされたスポット状の加ング状の方位偏光および径偏光ビームを用いた銅表面に工痕が得られた．前述したように，円偏光照射での理論的な集光スポットは，多重リング位相分布の付与のためにサイドローブを伴うが，横電場による鋭いスポット状の強度分布が中央に形成され，その集光スポット形状に従った加工痕が形成されている．
次に，方位偏光ビームの場合には（図 4 中段），全ての材料において，集光スポットのサイドローブの位置に対応したリング状加工痕が観察されることに加え，中央部にはピラー構造を伴うドーナツ状の加工痕が形成された．このことから，横方向電場のみ有する方位偏光ビームに対しては，材料に依存せず焦点での強度分布を反映した加工が得られることがわかった．
これに対して，径偏光ビームを照射した場合（図 4 下段），チタンおよび鉄（ステンレス鋼）の薄板，シリコン基板については方位偏光と同様にドーナツ状の加工痕が照射部中央に形成された．一方で，銅およびアルミニウムについては，スポット状の加工痕が確認された．前項での検討結果から，径偏光ビームを金属表面に強く集光した場合の金属内部では，軸方向電場は強く減衰し，ドーナツ状の強度

図 5 銅表面に対するシングルショットレーザー加工で分布を持つ半径方向電場（横電場）が支配的となる．このの照射エネルギー依存性と加工痕断面における深さプ

ような径偏光ビームの集光特性を踏まえると，チタン，鉄ロファイルの計測結果．

対するシングルショット加工について，照射エネルギーを４．まとめと今後の展望

それぞれの偏光状態におけるアブレーションしきい値 Eth

本研究では，次世代のレーザー加工において要求されるに対して 1.25 倍，1.5 倍，1.75 倍，および 2 倍とした場

サブミクロンから究極的にはナノメートルオーダーでの合の加工痕形状を，電子顕微鏡法（SEM）および原子間超微細加工技術を達成するための基盤技術として，レーザ力顕微鏡法（AFM）で観察し，加工痕の深さプロファイー光の偏光や位相の空間分布を高度に制御したベクトル

ルを計測した結果を示す．本観察結果から，方位偏光ビービームによる新しいレーザー微細加工技術の開発を目的

ムを用いた場合の加工痕は，ドーナツ状のアブレーションとした．実際に，独自のレーザー加工光学系を構築し，ベ痕が明瞭に確認され，また照射エネルギーの増大に従ってクトルビームに変換した超短パルスレーザー光を高 NA中央部分に形成されるピラー構造が明瞭化することがわ

レンズを用いて金属表面に強く集光した場合の加工特性かる．一方で，径偏光ビームの照射では，アブレーションを詳細に検討した．本実験から，径偏光ビームの強い集光

しきい値近傍から 2 倍の照射エネルギーの範囲において，によって焦点に生ずる軸方向電場が，材料依存的にアブレ何れも中央部分は消失しており，窪んだ形状であることがーション加工に寄与する可能性を初めて示すことに成功確認された．この観察結果から，径偏光ビームを照射したした．加工メカニズムの詳細については今後のさらなる検場合のスポット状加工痕は，約 1 m の直径に対して 100討が必要であるものの，本結果は，高 NA 集光条件下におnm 程度の深さを持つことがわかった．

いて形成される光の 3 次元的なベクトル場が，レーザー加このように，径偏光ビームを用いた場合のシングルショットレーザー加工で得られるスポット状の加工痕は，開口工に対して重要な役割を果たす潜在性を強く示唆している．

数が極めて大きな集光条件の下で，特に反射率の高い銅や本研究で着目したベクトルビームの集光特性は，対物レアルミニウムなどにおいて特異的に生ずる現象であるこンズの NA が大きい場合に効果的に得られる 10)．レーザとがわかった．前項で検討した通り，径偏光ビームを反射ー加工のさらなる微細化を目指す上で，対物レンズの高率の高い銅表面に集光した場合，表面は軸方向電場によるNA 化は避けては通れない方向性といえる．本研究で用い強い定在波が形成される．本実験では，高次径偏光ビームるベクトルビームは，このような高 NA 加工条件においてを用いた場合の銅やアルミニウムに対する加工しきい値こそ効果を発揮するビームであり，本研究結果は，次世代は 340 nJ および 200 nJ であり，他の材料よりも数倍かのレーザー加工技術の開発に対して重要な知見になるとら 1 桁程度大きい値であった．このことから，他の金属材考えられる．

料と比較して，アブレーション加工が生ずる条件においては，試料表面には非常に強い軸方向電による定在波が発生していたと予想される．

謝辞

本研究は，公益財団法人天田財団の一般研究開発助成

現段階では，金属表面に発生する強い軸方向電場による（AF-2018208-B2）を受け実施されたものであり，ここに定在波が，具体的にどのようなプロセスに基づいてアブレ謝意を表します．また，本研究の遂行において，東北大学ーション加工に寄与するかを詳細に説明するまでには至っ

多元物質科学研究所 佐藤俊一教授および佐藤柾氏（同研ていない．しかしながら，本実験結果から予想される機構究室修士学生・当時）ならびに研究室の皆様には多大なごの一つとして，高強度の光パルス照射によって金属表面か協力とご助言をいただきました．

ら外部へ放出される高エネルギー電子が加工プロセスに関与した可能性が考えられる．つまり，パルス照射で表面か参考文献

ら放出された高エネルギー電子が，ごく近傍に存在する強1) K.S. Youngworth, T.G. Brown: Focusing of highい軸方向電場によって光軸方向に加速され，一部が試料へnumerical aperture cylindrical-vector beams, Opt.

再衝突することでアブレーションプロセスが促進する可能

Express, 7, (2000), 77

性が考えられる．実際に，異種媒質の界面上に軸方向電場

2) Y. Kozawa and S. Sato: Sharper focal spot formed byによる定在波を形成し，この定在波を用いた荷電粒子の加higher-order radially polarized laser beams, J. Opt.

速（あるいは減速）が可能であることが実験的に報告されSoc. Am. A, 24, (2007), 17939)．本実験では，これと類似した状況が金属界面上

3) Y. Kozawa and S. Sato: Laser microprocessing ofで生じたと考えられる．ただし，このような加工メカニズ

metal surfaces using a tightly focused radiallyている

ムを詳細に解明するためには，加工雰囲気の制御や，ポンpolarized beam, Opt. Lett., 45, (2020), 6234

ププローブ法によるアブレーション過程の時間分解計測な

4) D.P. Biss and T.G. Brown: Cylindrical vector beam

どによる精密測定が今後必要になると思われる．これらのfocusing through a dielectric interface, Opt.

実験を通じて軸方向電場が焦点に強く発生する条件での加Express 9, (2001), 490

工特性や機構を明らかにできれば，微小集光スポット特性

5) M. Hashimoto et al.: Enhancement of second-harmonicを持つ高次径偏光ビームの特性を駆使した新たなレーザー

generation from self-assembled monolayers on gold

微細加工プロセスの開拓につながると期待される．

by excitation with a radially polarized beam, Opt.

8) R. Drevinskas et al.: Laser material processing

Lett. 34, (2009), 1426) Y. Kozawa et al.: Lateral resolution enhancement oflaser

scanning

microscopybyahigher-orderradially polarized mode beam, Opt. Express 19,(2011), 15947
7) S. Matsusaka, Y. Kozawa, and S. Sato: Micro-hole
drilling by tightly focused vector beams, Opt. Lett.
43, (2018), 1542

with tightly focused cylindrical vector beams, Appl.
Phys. Lett., 108, (2016), 22107
9) T. Plettner et al.: Visible-Laser Acceleration ofRelativistic Electrons in a Semi-Infinite Vacuum,
Phys. Rev. Lett., 95, (2005), 134801
10) Y. Kozawa and S. Sato: Small focal spot formation
by vector beams, Prog. Opt. 66, (2021), 35