レーザ照射と超精密切削のサイマルプロセッシングによる高品位微細構造体の創成
東北大学 大学院工学研究科 機械機能創成専攻准教授 水谷 正義（平成 28 年度 一般研究開発助成 AF-2016221）
キーワード：レーザプロセッシング，超精密切削，デバリング，微細構造体，機能性表面１．研究の背景と目的
製品の設計において材料の選択や形状は重要であるが，２．超精密切削による微細構造体創成
2・1

実験条件

それと同等に表面機能が製品の性能に寄与する割合も大

本章ではまず基礎実験ときい．最近では，表面加工技術の進歩が著しく，それらにして，図 1 に示す形状を有す

よって表面を高機能化し，製品としての性能・機能を向上る矩形バイトを用いて超精させることを目的にした研究が盛んに行われている 1)．

密切削を行い，微細構造体創100o

とくに光学製品や光学素子の開発では，表面に微細な構成時に発生する欠陥（主にバ造体を創成することにより，光学機能を向上させる，あるリ）の発生状況を確認した．

いは別の特殊な機能を発現させることが可能になる．例え実験装置にはナガセイン

ばサブミクロンオーダの微細構造体を表面に創成した場

テグレックス社製の超精密合には，その構造体の存在によって，強い光学異方性や波微細形状加工機 MIC-300 を長依存性，あるいは共鳴現象による電磁場の増強や狭い領使用した．本加工機は X，Y，Z 軸の最小位置決め分解能域への光閉じ込め等，様々な光学現象が発現する 2)．そのが 0.1 nm，B，C 軸分解能が 0.00001°の性能を有しており，ため，それらの現象を理解し，それらを効率的かつ効果的同時 5 軸制御加工を行うことが可能である．この仕様によに発現させる構造体を創成することが重要になる．

り，本加工機は本研究で対象とするサブマイクロ～マイク

先端幅5 μm

図1 矩形バイト

微細構造体による高機能化を応用した光学素子に関しロメートルオーダの微細構造体創成に十分な性能を有して，一部ではすでに実用化が進められている．その中で，ている．また，被削材には P 濃度 10 wt%の Ni-P めっきを超精密切削によって微細構造体を創成する方法は，形状自使用した．表 1 に切削実験における基本的な条件，表 2

由度や材料選択性などの様々な利点から適用範囲は広範に同実験の切込み条件を示す．

である 3),4)．ただしその一方で，この方法で微細構造体を創成した場合には，欠けやバリといった欠陥の発生が大き2・2な課題となる．とくに今後さらに構造体の微小化，高精度

図 2 に矩形平行溝構造体に発生した欠陥の観察結果を矩形平行溝構造体における欠陥発生状況化が期待される中で，この欠陥をいかに除去するかは大き示す．同図より，総切込み深さ d = 5 μm の構造体では主なポイントになる．に欠けが発生し，バリに関しては稜線部に微小なバリが確

本研究は，著者らが提案するレーザ援用サイマルプロセ認される程度である．それに対して，d = 10，15，20 μmッシング（LAS）を適用し，この課題の解決を狙ったものの矩形平行溝ではいずれも構造体上面の稜線部に明確なである．ここで LAS とは，局所加熱切削の一種であるレバリが発生していることが確認できる．

ーザ援用切削を，レーザパラメータおよび切削条件を制御
表 1 実験条件することにより微細構造体創成時の欠陥抑制に適用させたものである．著者らはこれまでに，通常の超精密切削と比較して LAS により微細構造体上に生成する欠陥のうち，欠けを抑制可能であることを明らかにし，本手法の有効性を示している 5),6)．ただし現段階では，（Ⅰ）バリ及び欠けのそれぞれの生成メカニズムの違いから，欠けの抑制は可能となっているが，バリに対してはそれを抑制する適切な条件の選定には至っていない．また，（Ⅱ）レーザ照射を行うことでもたらされる悪影響についても検討の余地が残されている．そこで本研究では，（Ⅰ），（Ⅱ）のそれぞれの現象を解明するとともに，それらを解決可能な加工プロセスを確立することを目的とした．

切削速度
雰囲気
切削環境
被削材
工具材料
工具すくい角2000 mm/min
23°C
オイルミスト
Ni-P (P10 wt%)
単結晶ダイヤモンド0°

表 2 切込み深さ条件
総切込み深さ d μm
d=5d = 10d = 15d = 20

d1 + d2 + d3 + d4 μm
5.0
5.0 + 5.0
5.0 + 5.0 + 5.0
5.0 + 5.0 + 5.0 + 5.0

３．レーザ援用サイマルプロセッシング（LAS）のデバリング効果
3・1

熱伝導解析による構造体への熱侵入長の検討

本研究では LAS 時の局所加熱を利用して微細構造体の欠陥（バリ）を除去（デバリング）し，高品位微細構造体を創成することを狙っている．これを実現するために鍵に(a) d = 5 μm(b) d = 10 μmなるのは，構造体自体への熱の流入（本研究では熱侵入長と表現する）を抑え，バリに対してのみ瞬間的に高エネルギを与えることである．そこで，熱伝導解析を行うことによりデバリング時の熱侵入長（深さ方向の温度勾配）について検討を行った．具体的にはまず，熱侵入長に対するレーザ波長 λ およびパルス幅 τ の影響について，平板に対するレーザ照射を模擬した熱伝導解析により評価を行った．

(c) d = 15 μm(d) d = 20 μm

図 2 矩形平行溝構造体に発生した欠陥の様子

解析モデルの模式図を図 4 に示す．同図に示すように本
解析では 2 次元平板モデルを用い，表 3 に示す条件でのレーザ照射を模擬した解析を行うことで λ および τ の影響を評価した．レーザ照射対象は膜厚 100 μm の Ni-P（P10 wt%）めっきを施した基板とした．表 4 に Ni-P の熱的・機械的物性値を示す．
各条件でのレーザ照射による表面からの温度勾配を比較するため，表面での温度上昇量を 1 とした時の深さ方向の温度上昇量をまとめた結果を図 5 に示す．また，熱侵入長を表面での温度上昇量の 1/e となる距離と定義し，各条件によるレーザ照射での熱侵入長を表 5 に示す．図 5 に示
すように，各条件でのレーザ照射による熱伝導現象を比較(a) 構造体のバリ高さの平均値 hBした場合，波長およびパルス幅が短い条件ほど表面近傍での温度勾配が大きくなることが確認できる．また，表 5 に示すように，パルス幅 3 ns のレーザによる熱侵入長は 70 ~80 nm であるのに対して，パルス幅 20 ps のレーザによる熱の侵入長は 22 nm と極めて小さくなることが確認できる．このことより，LAS 時のデバリングにおいても，熱侵入長の違いにより材料表面近傍での加工現象および欠陥除去性に大きな影響を及ぼすことが予想される．そこで
次節では，第 2 章で最も顕著にバリが発生した d = 15 μmの矩形平行溝構造体に対してレーザ照射を行い，レーザに(b) hB と構造体高さ h の比 hB / hよるバリ除去性（デバリング）に対する λ および τ の影響について検討する．

図 3 微細構造体に発生したバリの評価
次に，図 2 に示したそれぞれの構造体のバリ高さの平均値 hB についてレーザ顕微鏡を用いて測定した結果を図 3（a）に示し，hB と構造体高さ h の比を算出した結果を同図（b）に示す．これらの図より，各構造体上に発生するバリ高さは，総切込み深さが大きくなる，すなわち高アスペクト比の構造体ほど大きくなることがわかる．とくに複数回切削により創成される d = 10 μm 以上の構造体では構造体高さに対して一定のアスペクト（hB / h = 0.1 程度）のバリが発生することが確認できる．

図 4 熱伝導解析モデルの模式図

図 6 にレーザ未照射面および各波長のレーザによる

表 3 解析条件
波長 λ
パルス幅 τ
エネルギ密度 Q
照射回数 N
初期温度 T0355，532，1064 nm
3 ns，0.5 ns，20 ps
0.1 J/cm21 shot20°C

Q = 0.5 J/cm2，N = 200 shots の条件でのレーザ照射面（デバリング面）の SEM 像を示す．同図より，レーザ未照射面では第 2 章での結果と同様，矩形形状平行溝構造体の稜線部にバリが発生していることが確認できる．これに対してデバリング面では，構造体稜線部のバリがレーザ照射に

表 4 Ni-P (P10 wt%) の熱的・機械的物性値（室温）
熱伝導率 k W/(m・K)3

密度 ρ g/cm
比熱 Cp J/(g・K)

よる熱エネルギの集中で溶融していることが確認できる．

5.02

ただし，Q = 0.5 J/cm2 の条件では，λ = 355 , 532 , 1064 nm

7.90.480のいずれの波長によるデバリングでもバリは完全に溶融せず，構造体稜線部に残存していることがわかる．
次に，Q = 1.0 J/cm2 の条件によるデバリング面を図 7 に示す．同図より，エネルギ密度が十分である場合には，各波長のレーザによる N = 200 shots の条件では矩形形状溝の底部が溶融し，構造体自体の形状が劣化することがわかる．また N = 5 shots の条件では，λ = 355，532 nm の場合には，レーザ照射領域内でバリが完全に除去できていることが確認できる．一方，λ = 1064 nm のレーザにおいては，
N = 5，200 shots のいずれの条件においても，バリ部を完全に除去できていないと同時に，矩形形状溝の底部が溶融していることが確認できる．このように，レーザの波長に

図 5 各条件でのレーザ照射による深さ方向の温度勾配よりバリの除去性に差異が生じたのは，前節で明らかにしたように各波長のレーザを照射した際の熱の侵入長が異表 5 各条件でのレーザ照射による熱の侵入長
パルス幅 τ3 ns
0.5 ns20 ps3・2

波長 λ熱侵入長 l1064 nm

80.3 nm

532 nm77.8 nm

355 nm72.8 nm

532 nm532 nm43.6 nm22.0 nmなることにより，構造体の表面近傍における溶融・蒸発などの熱伝導現象に差異が生じたためであると考えられる．
表 6 実験条件
波長 λ355，532，1064 nm

エネルギ密度 Q
照射回数 N
パルス幅 τ
周波数 f
照射面積 S0.5，1.0 J/cm2
1 ~ 200 shots
3 ns50 Hz
60 × 60 μm2

LAS におけるデバリング効果の実験的検証

3・2・1

デバリングに及ぼす波長の影響

LAS 時のデバリングにおける波長 λ の影響を検討する
ため，パルス幅を τ = 3 ns と固定した条件でデバリング実験を行い，バリの除去性および構造体の形状変化について評価した．レーザ発振器には New Wave Research 社製のQuikLaze-50 を用いた．本装置のレーザ強度は，最大レーザ強度を 100%として 1 ~ 100%の間で 1 %刻みで調整可能となっている．照射範囲は長方形であり，1 辺を 1 ~ 60 μm(a) レーザ未照射面(b) λ = 355 nm(c) λ = 532 nm(d) λ = 1064 nmの間で任意に変更可能である．なお，照射範囲の調整は光軸の絞りにより行うため，照射範囲を変化させてもエネルギ密度は一定となる．
実験条件を表 6 に示す．本実験では，デバリングにおける波長 λ の影響を検討するため，Nd: YAG レーザの基本波（λ = 1064 nm），第 2 高調波（λ = 532 nm）および第 3 高調波（λ = 355 nm）を使用して実験を行った．照射範囲は 60

図 6 レーザ未照射面およびレーザ照射面の様子

μm × 60 μm とし，レーザの照射回数は 1 ~ 200 shots までの（0.5 J/cm2，200 shots）

範囲で実験を行った．

表 7 実験条件(a) N = 5 shots(b) N = 200 shots

波長 λ266 nm

エネルギ密度 Q
照射回数 N
パルス幅 τ
周波数 f
スポット径 d0.01 ~ 0.06 J/cm2
1 ~ 200 shots
20 ps
50 Hz
2.5 mm(i) λ = 355 nm，Q = 1.0 J/cm2(a) N = 5 shots(b) N = 200 shots(i) 1 shot(ii) λ = 532 nm，Q = 1.0 J/cm2(a) N = 5 shots(iv) 100 shots(b) N = 200 shots(iii) λ = 1064 nm，Q = 1.0 J/cm2
図73・2・2(ii) 5 shots(iii) 10 shots(v) 200 shots

図 8 レーザ照射面の様子（τ = 20 ps，λ = 266 nm，Q = 0.06 J/cm2）

レーザ照射面の様子（1.0 J/cm2）

デバリングに及ぼすパルス幅の影響ーザによる実験結果（図 7（i）（a））を比較すると，図 8

レーザデバリングにおけるパルス幅の影響を検討する（ii），（iii）では構造体上面の溶融がなく，溝底部の溶融ために，τ = 20 ps のレーザによるレーザデバリング実験をも非常に少ないことがわかる．これは，前節で述べたよう行った．また，前節で最も好適な条件であった τ = 3 ns，に熱侵入長が短いことにより，バリ部のみを優先的に溶

λ = 355 nm のレーザによる実験結果と比較を行い，バリ除融・除去がされたためだと考えられる．ただし照射回数が去性に対するパルス幅の影響を検討した．レーザ発振器はN = 100，200 shots の場合には，同図（iv），（v）に示すよ

EKSPLA 社製の PL2250 を用いた．本レーザ発振器のレーうに，構造体ごと大きく破壊されることになる．とくに，ザ媒体は前節で用いたレーザ発振器と同じく Nd: YAG で同図（v）に示す，溝底部に形成された連なった穴形状やあり，基本波（λ = 1064 nm），第 2 高調波（λ = 532 nm），溶融層の広がりなどは，レーザ照射の熱エネルギによる溶第 3 高調波（λ = 355 nm）に加えて第 4 高調波（λ = 266 nm）

融・蒸発などの熱伝導現象だけでは説明することができず，の発振が可能である．

レーザが微細構造体に入射した際に形成する電界場の影

本節の実験条件を表 7 に示す．本節では上述のレーザ照響や，非熱的な除去現象（アブレーション）などが関わる射装置による τ = 20 ps のレーザにより照射実験を行い，前と考えられる．この点に関しては今後詳しく検討する必要

節での実験結果と比較を行う．波長 λ は前節での結果を踏があると考えている．

まえ，最も好適な条件であると予想される Nd: YAG レーザの第 4 高調波（λ = 266 nm）とした．また，前節での実験と同様に照射回数は 1 ~ 200 shots とした．

４．まとめ
本研究では，超精密切削によるマイクロオーダの微細構

図 8 に実験結果の代表として Q = 0.06 J/cm2 の条件によ造体上に発生したバリを除去する手法としてレーザ援用るレーザ照射面の SEM 像を示す．同図（i）に示すように，サイマルプロセッシング（LAS）によるデバリング法を提N = 1 shot のレーザ照射面においてバリ部のみが溶融して案し，その有効性について検討を行った．その結果得られいることが確認できる．また，N = 5 , 10 shots の条件におた知見を以下に示す．

いては，同図（ii），（iii）に示すように，レーザ照射面の(1)先端幅 5 μm の矩形バイトにより平行溝構造体創成中央部においてバリが完全に除去されていることが確認実験を行った結果，構造が高アスペクト比であるほできる．ここで，同図（ii），（iii）とパルス幅 τ = 3 ns のレどバリの発生が顕著になることを明らかにした．

(2)

平板に対する熱伝導解析を行い，レーザ波長の影響参考文献を検討した結果，波長が短いレーザほど熱侵入長が1)太田稔：表面機能向上のための表面改質・仕上げ技術の小さくなることを明らかにした．
(3)

熱伝導解析において，レーザのパルス幅の影響を検討した結果，パルス幅が短いレーザであるほど熱侵入長が小さくなることを明らかにした．

(4)

第 2 章で作製した微細構造体のうち，バリの発生が顕著であった d = 15 μm の矩形形状平行溝に対してレーザデバリング実験を行った結果，τ = 20 ps，
λ = 266 nm のレーザにおいて形状誤差の増大を伴わない高品位なバリ除去が可能であることを明らかにした．

(5)

LAS におけるバリ除去性には，レーザ照射による熱展望, 精密工学会誌, 81-12 (2015), 1049.
2)菊田久雄：表面微細構造による光学機能の発現と応用技術, 精密工学会誌, 74-8 (2008), 781.
3)蛯原建三・山本明・河合知彦・羽村 雅之：超精密多軸加工機によるマイクロ・ナノ切削加工, 日本機械学会誌,111-1073 (2008), 4.
4)洪榮杓：超精密加工機の現状と加工事例, 精密工学会誌,
78-9 (2012), 744.
5)益子直人・小林龍一・寺岡祥平・高柳俊・嶋田慶太・水谷正義, 厨川常元：微細構造金型加工に対するレーザ援の侵入長が関わることを確認し，短波長，短パルス用マイクロ切削法に関する研究, 砥粒加工学会誌, 59-10,のレーザであるほど良好なバリ除去が可能であるこ(2015), 588.とを明らかにした．

謝 辞
本研究は，公益財団法人天田財団 平成 28 年度一般研究開発助成（AF-2016221）により実施した研究に基づいていることを付記するとともに，同財団に感謝致します．

6)Xu S., Osawa S., Kobayashi R., Shimada K., Mizutani M.
and Kuriyagawa T. ： Minimizing berrs and defects on
microstructures

withlaser

assisted

micromachining

Technology, International Journal of Automation Technology,
10-6, (2016), 891.