フェムト秒レーザーによるナノ薄膜加工と高品質な電子位相ホログラムの実現
東北大学 多元物質科学研究所
助教 上杉 祐貴
（2019 年度 一般研究開発助成 AF-2019203-B2）
キーワード：フェムト秒レーザー，レーザー干渉加工，薄膜，電子位相ホログラム

１．研究の目的と背景度であった．つまり，２の特徴は非透明材料に対してはほ1)1980 年代にチャープパルス増幅法 が開発されて以降，とんど期待されないのが普通である．しかい，もし材料の高いピークパワーを有するピコ秒～フェムト秒の超短パ厚さが集光したレーザーの焦点深度よりも十分に小さいルスレーザーが実用化され，それに伴い様々な材料加工・場合には，どのような加工結果が得られるだろうか？

改質技術が実現された．近年では，それらの先端技術が産

筆者らは初め，電子顕微鏡法の分野で用いられる透過型業的にも普及し始め，レーザーアブレーションによる高品電子位相ホログラムを作製することを目的に，レーザーア質な機械加工や，材料表面にナノ周期構造を形成して撥ブレーションによる薄膜加工技術の開発に取り組んだ 4)．

水・親水性を付与する表面改質技術などが登場している．

このホログラムは，電子ビームの透過損失を最小に抑えつ

超短パルスレーザーによる加工は，従来用いられてきた

つ，空間位相変調作用を与えて電子ビームの波面を操作す

大出力の連続レーザーやナノ秒レーザーによる材料加工

るために，厚さがわずか数 10 nm 材料で作製する必要があ

技術とは異なる，いくつかの優れた特性を有している．レった．具体的には，電子の加速電圧が 200 kV の場合，電ーザーパルスの持続時間が材料の熱伝導や格子振動の時子ビームに位相差πを与えるのに必要なシリコン（Si）お間スケールと同じ程度か，それより短時間であるため，材よび窒化シリコン（SiN）の厚さは，それぞれ 36 nm と 26

料を構成する原子を瞬時にプラズマ化して除去する，レーnm である．さらに，このホログラムは支持基板なしに真ザーアブレーションを引き起こす．これにより，材料加工空中で自立した形状をとる必要があった．

における熱影響部やリキャスト層およびクラックの発生

電子顕微鏡用のホログラムや回折格子などの電子光学を最小化することができ，優れた加工品質を実現できる．

素子は，ナノスケール分解能の精度が要求されるため，一超短パルスレーザーのもう一つの特徴は，その非常に高般に集束イオンビーム（FIB）を用いて作製されることがいピークパワーに起因して，材料とレーザー光の間に非線多い．しかし，高エネルギー（1-50 keV）のイオンビーム形な相互作用が生じる点である．通常であれば，材料物質照射は，材料に無視できない程の機械的ストレスを与える．

が吸収しない低エネルギーの光子（長波長の光）であってそのため，厚さが 100 nm に迫るような薄膜材料の加工にも，多光子励起過程による各種反応が生じ，材料を加工すおいては，試料にダメージを与えずに目標の構造を作製することが可能である．例えば，波長 800-1100 nm 程度の超るのは，非常に大きな技術的困難を伴うことになる．

短パルスレーザーを，高い開口数（NA）をもつ対物レンズ

ここで，筆者らが開発し採用したレーザーアブレーショでガラスの内部に集光すると，光の密度が高い焦点付近のン加工法と従来の FIB 法による薄膜加工とを比較すると，小領域でのみ，選択的に加工を行うことができる．多光子

以下のような利点があることが分かる．まず，光パルス自励起過程が生じる領域とそれよりも光密度が低い領域と体が試料に与える圧力（光圧）は無視できるほど小さいたの境界は，光強度に応じてしきい値的に現れ，結果としてめ，ナノメートルの厚さの薄膜材料であってもダメージをレーザー波長よりもずいぶん小さな 100 nm 以下の加工分与えることなく加工することができる．次に，2 本のレー解能を達成することができる

2,3)． 以上に述べたレーザー

ザービームを試料表面上で干渉することで，レーザー干渉

アブレーション加工の特徴を要約すると次のようになる．

縞によるホログラフィックパターンを，試料面上に焼き付

１）材料に対する負荷が小さい高品質な加工が得られる．

けるようにアブレーション加工することができる．つまり，２）非線形性を利用してナノスケール分解能が得られる．

入射レーザーのビームサイズに対応した面積を，シングルレーザー光に対して不透明な金属や半導体などの材料ショットで加工することが可能であり，FIB の描画加工にに対する加工現象の研究は，超短パルスレーザーが普及す比べて圧倒的に高速の加工が実現される．また最後に，レる 1990 年代から多くの研究者によって実施されてきた．

ーザー加工は大気中で施すことができるため，試料準備やその多くは実用性の観点から，ある程度の厚さのあるバル加工を手軽に実施することができるのも特徴である．

ク材に深穴や切断加工を施するような用途が主であり，材

レーザーアブレーションを駆使した本薄膜加工法は，料内部にレーザーの集光スポットを形成することが出来

FIB 法などの従来の微細加工技術では取り扱えない薄いないこれらの材料では，達成される加工分解能は 10µm 程材料―「ナノ薄膜」―を加工可能な唯一の手法であるといえる．そのため，本技術の高度化を図り，微細加工技術とれた．中央のプロファイルは，入射電子ビームがそのままして確立することができれば，基礎科学はもとより将来の透過したもの（0 次回折）を示しており，その両側に 1お産業応用にも幅広い貢献が期待できる．これを達成するた

よび 2次の回折ビームが現れ，これが電子渦である． 2

めに本研究では，「レーザー干渉加工の高分解・高解像化」，

次の回折ビームは発生効率が低いうえに，プロアイル形状「薄膜に対するアブレーション加工条件の系統的な調査」，が歪んでおり，電子渦を発生するにあたってホログラムの「高 NA 対物レンズを使った微細穴あけ加工試験」に取り性能が十分ではないことがわかる．

組んだ．その成果について，本論文において順に結果を示

ホログラムの性能を改善するためには，回折格子の間隔す．また，論文の最後において本研究のまとめと将来展望をより密にし，かつ中央部分まで分解能良くフォーク構造について述べる．

を形成する必要がある．そのために，加工に利用するレーザー干渉縞を明瞭かつ高解像化するための光学系の改良

２．電子ホログラムの高解像化に取り組んだ．図 2 に構築した光学系の概念図を示す．ま電子顕微鏡法の分野では，2010 年代から電子渦と呼ばず，レーザー波長を第二高調波発生（SGH）によって，レれる螺旋状の等位相面を有する電子ビームの研究が着目

ーザー光源出力の 1040 nm から 520 nm に変換した．これ

5,6)．電子渦は軌道角運動量を有するにより，形成される干渉縞の間隔を半分にすることができユニークな電子ビームであり，軌道-スピン角運動量間のる．次に，入射レーザーにホログラム波面を付与するのに相互作用を通じて，材料のもつキラル性や表面上のトポロ使用する空間光変調器（SLM）面上において，レーザーのジカルな構造を計測するプローブとして利用が期待されビーム直径を 2 mm から 10 mm に拡大した．これに合わせている．電子渦を発生するには，ビーム軸中央に位相特異て，SLM から試料表面までの 1 枚の凸レンズと対物レンズ点構造をもった，フォーク状の電子ホログラムを用いるのとからなる縮小投影系の倍率を，1/75 から 1/250 に変更が一般的である．筆者らはこれまでに，厚さ 35 nm の Siした．これにより，試料表面上に形成される干渉縞パターされるようになった薄膜を用いて，軌道角運動量𝑚1の電子渦を高効率で4)発生可能な電子位相ホログラムの開発に成功した ．そのンの解像度を向上することができる．
改良した光学系を用いて作成した𝑚2のホログラム

2の高次電子渦を発生するホログラムの作製にを，以前に作製したものと同じ縮尺で並べた様子を図 3 に取り組んだが，位相特異点を再現するためのホログラム中示す．フォーク構造の中央部分の未加工領域が狙い通り減央のフォーク状構造を，解像度よく作製することができず少していることが確認できる．また回折格子の間隔がおよに，電子渦の発生効率が著しく低下してしまった．

そ半分になっている様子もわかる．このように，光学系の後，𝑚2のホログラムの様子と，結像倍率やレーザー波長などのパラメータを最適化する

これらのホログラムを使って電子顕微鏡内で発生した電ことで，より高品質な電子位相ホログラムを作製できるこ

子渦のビームプロファイルを，それぞれ図 1 に示す．透過とが確認できた．

作製した𝑚1および𝑚電子顕微鏡（TEM)の明視野像において，ホログラム中央の直径 8 µm の領域が照明されている．𝑚2のホログラム

３．薄膜アブレーション加工条件の系統調査

では，照明された領域の大部分で加工が施されていないの

前節の結果で達成されたホログラムの格子間隔は 740がわかる．これは，加工に用いたレーザー干渉縞が中央部nm であった．これは入射レーザーの波長と 2 ビームの交分で不明瞭であったことが原因である．得られた電子回折差角度で決定する干渉縞間隔そのものであり，光学設計で像では，それぞれ主に 3 つのビームプロファイルが観測さ決まる制約である．一方で，図 3 の結果を見ると格子間隔

図 1．作製した𝒎𝟏および𝒎𝟐のフォーク状電子位相ホログラム．左から光学顕微鏡および走査電子顕微鏡による，ホログラムの表面観察の結果を示す．ホログラムの直径はともに約 30 µm であった．TEM 像とあるのは，ホログラムを電子渦発生用の透過電子顕微鏡にインストールし取得した明視野像．電子ビームはホログラムの中央の直径約 8 µm の領域を照明している．電子回折像は同じ電子ビームの照射条件で取得した．この図中の赤破線上の電子強度分布を，ラインプロファイルとして一番右に示した．

図 2．本研究において開発した波長 520 nm のレーザー干
渉加工光学系．詳細については本文および文献 7 を参照されたい．

図 3．過去に作製した𝒎𝟐の電子位相ホログラムと本研究で新たに作製したホログラムの比較．左図は図 1 に示した画像を比較のために再掲したもの．
740 nm のうちスリット幅と格子幅が均等に分配されているわけではなく，かなり細い格子構造が実現していることがわかる．レーザー加工の条件を変えることで格子幅を100 nm 以下に制御したり，逆にスリット幅を狭く制御することは可能であろうか？この疑問に答え本技法の加工分解能の限界を調査するために，様々な加工パラメータで系統的な薄膜加工を実施した．
図 4 に，様々な入射レーザーパルスエネルギで加工を施した厚さ 10 nm の SiN 薄膜の SEM 像を示す．2 本の入射レーザービームは共に平面波状であり，実現した加工構造はストライプ状の複スリットになった．この結果から，照射パルスエネルギーが大きくなるにつれて，形成されるスリット幅が系統的に大きくなる様子が確認できる．図中最大

図 4．異なる入射パルスエネルギーで干渉加工した厚さ 10nm の SiN 薄膜の SEM 像．左上に示した値はそれぞれの加工における入射パルスエネルギー．スケールバーは左列が3 µm であり，右列が 500 nm である．の 6.4 µJ のパルスエネルギーを照射した際には格子がい象であることを示している．これに従うと，入射レーザーくつか歪み割れてしまっている．これは，試料に用いたのパルスエネルギーを調整することで，原理的には無限小SiN 膜が加工前にすでに歪み，波打った形状をしていたこさなスリット幅から格子間隔である 740 nm いっぱいのスとが原因であったと考えられる．

リット幅まで制御できることになる．実際の実験結果では得られた実験結果を現象論的に説明するために，照射レもちろん有限のスリット幅および格子幅が観測され，そのーザーの試料面上のフルーエンス𝑭（J/cm2）と SiN 膜のア最小値はスリット幅において 113 nm，格子幅において 43ブレーションしきい値の情報を用いて，図 5 に示す加工モnm という結果を得た．

デルを提案した．材料には固有のレーザーアブレーション

この実験によって，薄膜のレーザーアブレーション加工が生じるしきい値フルーエンス𝑭𝒕𝒉 が存在する．試料表面において加工形状を決定する主要なパラメータは，材料固上に形成されたレーザーの強度分布のうち，そのしきい値有のしきい値フルーエンスと，入射レーザーの試料面上でを超える領域では物質が取り除かれ，それ以外の場所ではの強度分布の２つのみであることが分かった．そして，し一切の加工・損傷を受けない，という簡単な仮定を導入しきい値近傍に調整した入射レーザーパルスを用いることた．これは本加工が入射レーザー強度に対して非線形な現で、100 nm に迫る加工分解能が得られることを示された。

図 6．高 NA の対物レンズで集光した近赤外レーザーによ図 5．入射パルスエネルギーに応じて格子幅およびスリッる微細穴あけ加工．各パルスエネルギーの条件ごとに 3 回ト幅が変化する原理．(a)本光学系におけるレーザー入射加工を施している．

条件を単純化したモデル．(b)試料表面上のレーザーフルーエンス𝑭と材料のしきい値フルーエンス𝑭𝒕𝒉 の関係．横軸は干渉縞に垂直な面上の 1 方向を示す．

超分解能の光スポット形成を達成する手法が複数提案されている．そのような高度に構造化されたレーザービームを利用することで，波長を変えなくとも加工分解能の向上を図ることができる可能性もあり，今後も調査を続ける必４．微細穴あけ加工試験

要があるだろう．

2 本のフェムト秒レーザーによる干渉加工実験では，レーザー波長 520 nm に対して 1/5 の大きさの微細構造を作５．まとめ製することができた．これは，超短パルスレーザーを使用超短パルスレーザーを使ったレーザーアブレーションしたレーザー加工特有の非線形性によるものである．透明加工は，FIB 法などの従来の微細加工手法では加工するこ材料に超短パルスレーザーを強く集光して照射すると，とが困難であった，厚さ 100 nm 以下のナノ薄膜を容易に100 nm 以下の高い空間分解能の加工が実現できるように，加工できる唯一の手法である．本研究において，薄膜レー非透明材料についても，それがナノ薄膜であれば非常に高ザー加工法の進展に取り組み，以下の成果を得た．

い加工分解能を達成できることが示唆される．

まず，2 本のフェムト秒レーザーを試料表面上で干渉さ薄膜レーザー加工で達成可能な空間分解能を調査する

せるレーザー干渉加工の手法において，使用するレーザーために，波長 1040 nm のフェムト秒レーザー1 本を NA=0.95

波長を 1040 nm から 520 nm へ短波長化しつつ，結像光学の光学顕微鏡用対物レンズで集光する加工系を用意して，系の縮小倍率を最適化することで，光の集光限界を大幅に微小穴あけ加工の試験を行った．レーザー光は対物レンズ超える高分解能・高解像度の微細加工を達成した．次に，瞳の大きさに等しいフラットトップな強度分布で対物レレーザーの入射パルスエネルギーを調整して試料表面上ンズに入射する．焦点におけるレーザーのスポット径は回のフルーエンスを制御することで，得られる薄膜の加工形折限界に近い～500 nm であった．このような高 NA 下の集状を任意に制御できることを見出した．また，近赤外域波

光では，スポット形状が偏光の向きに依存することが知ら長のレーザー光を 1 本のみ，高 NA の対物レンズで強く集れているため，入射レーザーは円偏光にして使用した．

光することによって，波長の 1/10 の直径（100 nm）の微レーザーの入射パルスエネルギーを変えながら厚さ 10細穴あけ加工を達成した．扱う薄膜試料の厚さも 10 nm にnm の SiN 膜に加工を行った結果を図 6 に示す．入射レーまで達した．加工パラメータを適切に調整することで，比ザーのピークフルーエンスが加工のしきい値に最も近い

較的広い入射パルスエネルギーの範囲で，ダメージのない条件で，直径約 100 nm の微細穴あけ加工を達成した．こ薄膜加工を実現することが出来た．の直径はレーザー波長の実に 1/10 の大きさであり，回折本研究により，非透明材料のナノ薄膜加工においては，限界のスポット径よりもさらに小さな加工穴を実現する

透明材料の超短パルスレーザー加工と同様に，非線形性をことが出来た．照射レーザーのスポット径は波長に比例す利用したナノスケールに高い空間分解能が得られることるため，本結果を単純に外挿すると，倍波の波長 520 nmが示された．本レーザー加工技術は，FIB 等の既存のナノのフェムト秒レーザーを使用すれば 52 nm の穴あけ加工加工技術が不得意とした材料の取り扱いを補完することが，さらに倍波をとって 260 nm のフェムト秒レーザーとができる，唯一無二の材料エンジニアリングの手法である

すれば，26 nm という FIB に迫る微細穴あけ加工が実現すと言える．先端の電子顕微鏡法研究で要求される電子ホロると期待できる．

グラムなどの素子に加えて，微細化の進む先端半導体産業

もちろん，実際にはレーザー波長が短くなると多光子励やグラフェンなどの二次元結晶材料を用いる量子科学研

起過程が生じなくなるから，上記のような単純な外挿は適究においても，将来的な応用展開が期待される新しい要素用できないだろう．一方で，先端の光学研究では，対物レ技術であるといえる．

ンズに入射するレーザーの強度分布や位相分布および偏光分布を制御することで，単純な開口回折の限界を超えた謝 辞4） Y. Uesugi, R. Fukushima, K. Saitoh and S. Sato,

電子渦発生実験において名古屋大学の齋藤晃先生に多大なご支援をいただきました．レーザー加工光学系の設計および構築にあたり東北大学の小澤祐市先生と佐藤俊一

Opt. Express 27, 20958 (2019).
5） M. Uchida and A. Tonomura, Nature 464, 737(2010).
6） J. Verbeeck, H. Tian, and P. Schattschneider,先生に多くのアドバイスをいただきました．

Nature 467, 301 (2010).

参考文献
1） TheNobel

PrizeinPhysics7） Y. Uesugi, R. Fukushima, Y. Kozawa and S. Sato,
2018,Nobel

Foundation. Retrieved, 2 October 2018.
2） M. K. Bhuyan et al., Appl. Phys. Lett. 97,081102 (2010).
3） A. Rodenas et al., Nat. Photonics 13, 105 (2019).

Opt. Express 28, 26200 (2020).