干渉フェムト秒レーザー加工による周期的金属三次元ナノ構造の形成
大阪大学 レーザーエネルギー学研究センター
准教授 中田芳樹（平成 20 年度一般研究開発助成 AF-2008214）
キーワード：レーザープロセシング，干渉，ナノ構造，金属，薄膜，メタマテリアル

１．研究の目的と背景

２．実験装置ナノテクノロジーとはナノサイズの機能性材料を応用

実験装置について説明する．図 1 の様に透過型回折格子する研究分野である．ナノ構造を作製する方法は大きく分と２枚の凸レンズからなる，縮小光学系を応用したレー

けてボトムアップテクノロジーとトップダウンテクノロ

ザービーム干渉装置を構成した．透過型回折格子(DOE)ジーがあり，後者は大きな構造を加工して小さな構造を作によって元のビームが 0 次光と複数の 1 次光に分割され，製する．そのサイズは加工解像度で制限され，一般的な機2 枚のアクロマティック凸レンズによって物質表面に投械加工では数十ミクロンが限界である．一方ボトムアップ

影され干渉する．今回の実験では 0 次光をダンプした．こテクノロジーは原子・分子等の自律的な集積によるため，の構成の特徴として，(i)0 次光を中心にオプティクスを配1nm 程度の単位構造を持つナノマテリアルが多数作製さ置することで，オプティカルディレイの調整が不要になる，れており，その手法もさまざまである．

(ii)装置構成がシンプル，(iii)光束数の増減が簡単，(iv)大トップダウンテクノロジーの一つにレーザー加工があ面積での干渉が可能，などが挙げられる．特に，(iii)及びる．これはレーザーアブレーション（蒸散）によって物質(iv)は装置の加工能力に直接関係するため重要である．本を加工する手法であり，形状の変化の他に結晶性など物性装置は縮小光学系を構成しており，M=f2/f1 の倍率に応じの変化を伴うことも多い．加工解像度はレーザーの波長でてフルエンスと干渉角度を変化させる事が出来る．各一次制限され，一般的には波長の数倍，多光子吸収を用いてプ光にオプティカルディレイ及びフィルターを挿入できるロセスと加工対象を最適化した場合に波長以下の解像度ようになっている．
今回の実験結果は 4 本の一次光が同じでの加工が可能となる．また，レーザー照射部位の周辺は角度で干渉する構成を用いた．図 2 は実験装置の写真であ

熱伝導によって温度が上昇し，熱変性領域が現れ，パルスる．
光源は一般的な Ti:sapphire ベースの超短パルスレーザ

幅によって範囲や変性の内容が変化する．
パ ル ス 幅 が 比 較 的 短 い フ ェ ム ト 秒 レー ザ ー ( Δ t ～ーであり，中心波長は約 785nm，パルス幅は約 150fs で100fs)を用いたレーザー加工は熱変性の悪影響が少ないある．被加工材料はシリカガラスまたは結晶サファイア

1,2)．レーザー照射部位周辺の(0001)基板上に蒸着した polycrystalline 金属薄膜である．

熱変成領域が狭いため，物質表面・内部において優れた微加工は全て室温の大気中で，シングルショットで行った．

細加工能力を持つ．そのなかで筆者は，フェムト秒レーザ

被加工形状を電子顕微鏡(SEM)で観察した．

加工法として知られているーを干渉させて物質を加工する研究を行っている．レーザf1ーを数度～数十度で干渉させた場合の干渉縞の周期は波f2f2長の数倍程度である．パルス幅が比較的長いナノ秒レーザーを用いた干渉加工では，干渉縞で物質に注入されたエネ

0th

ルギーが熱伝導で平均化され，加工面に干渉構造が明確に現れにくい．一方フェムト秒レーザー加工では熱伝導の前

f1-1stDOE

1sttargetにエネルギー注入プロセスが終了するため，干渉縞の周期

filter shutter

Filt. &
L2 +D (phase) L1

紋様に応じて加工ができる 3-13）．これまでに回折光学素子

1 stやフォトニック結晶等などが作製されており 14-16)，将来性のある研究分野となっている．
本論文では，まず干渉理論を用いた干渉縞のバラエティ

1 stについて紹介する．次に，干渉したフェムト秒レーザーで金属薄膜を加工した際に形成される非常に鋭利なナノ構

Target

1 st
0 th
1 st造を始めとして，様々なナノ構造を紹介する．
図１ 実験装置と 4 光束干渉模式図－ 221 －fslaser

TargetAchro. lensDiff. optics
Achro. lensFs laser(a)(b)

Ea ,b ,c ,d = 1

Ea ,b ,c ,d = 1

j a ,b ,c ,d = 0

j d = 5 / 6p
j a ,b ,c = 0(c)(d)

図２ 実験装置の写真

Ea = 1

Ea ,b ,c ,d = 1

３．干渉理論Eb ,c,d = 1 / 2

jd = pj a,b ,c = 0

レーザー光（平面波）の電界は以下の式であらわされる．

Ei = E0 cos(k cosq・z ± k sin q・x - wt + ji ) (1)低

ここで，E 0 は電界の振幅，k は進行方向をあらわすベク

トル， j i は位相差， w は角周波数である．簡単のため、光強度

jd = pj a ,b ,c = 0
高図４ 干渉縞の光強度分布シミュレーション結果

CW 波を想定している．図 3 は a から d の 4 光束の干渉を表す説明図であり，それぞれ 0 次光と角度 q で交わる．

図３のように 4 光束が干渉する場合の干渉縞（エネルギー分布）は次の式で表される．
4４．実験成果
4・1 強度変調のみを与えた場合の干渉形状
図 4(a)の干渉条件で様々なターゲットを加工した結果

2

I ( x, y,q ,j ) µ ò å E ( x, y, z ,q ,j , t ) dt

(2)

I =1 iについて示す．図 5 は膜厚 10nm の金薄膜をシリカガラ
ス基板にスパッタリングで蒸着したターゲットを用いている．干渉縞の周期は 1.7mm になるように調整してあり，フルエンス(平均値)をパラメーターとした．ナノからミクロンサイズの開口がマトリクス状に並んだ構造が作製され，これをナノメッシュと名付けた．開口サイズはフルエンスで変わり，最小で 680nm でフルエンスと共に大きくなり，最終的には開口同士が結合し薄膜がアイランド状に残る．

図３ 4 光束干渉の模式図とビーム名称
図 4 は実際に式(1),(2)を用いて干渉縞を計算した結果である．ビーム間の位相及び振幅を変調した場合の干渉縞の970nm

680nm変化を表している．光強度をスケールで表しており，白い部分が光強度が強い部分である．図４(a)は同じ振幅の 4光束が同位相で干渉する場合であり，円形のビームスポッ1.7mm

トがマトリクス上に周期配列する．スポット同士の間隔は(a) 19 mJ/cm2

D = 2l / sin q である．図４(b)は同じ振幅の 4 光束の1.7mm

2mm2mm(b) 27 mJ/cm21.2mm

1.4mm

うち 1 光束の位相が 5/6p進んでいる場合で，図 4(a)のスポット間に別のスポットが現れ，全体としては倍密度構造に成っている．スポット同士の間隔は D = l / sin q である．図４(c) は同じ振幅の 4 光束のうち 1 光束の位相がp1.7mm進んでいる場合であり，図４(b)のスポットが全て同じ強(c) 38 mJ/cm2度になっている．図４(d)は 1 光束の振幅が他の 2 倍で，残りのうち 1 光束の位相がp進んでいる場合であり，従来い部分の形は瓢箪型である．
以上のように，4 光束同士の位相と強度を変調することにより様々な干渉縞をデザインすることが可能であり，加工形状を様々にコントロールできることが可能である．

2mm(d) 54 mJ/cm2

図５ 同じ振幅の 4 光束が同位相で干渉する場合の干渉縞の概念とは大きく異なる模様が現れる．光強度が強い部分が互い違いの網目状に配列しており，光強度が弱1.7mm
2mm

同じ 4 光束干渉加工でも，パラメーターを変えることで全く異なる形状が作製される．図 6 は厚さ 50nm の銀薄膜をサファイア(0001)基板にスパッタリングで堆積させたターゲットを周期 2.45mm の干渉縞で加工した場合に形成されたナノウィスカーである．フルエンスは106mJ/cm2 である．一般的に膜厚が厚い場合に金属の流－ 222 －体的プロセスが誘起され，図 5 とは異なる立体的な形状が小さな鋭利構造が作製された．また，図 7(d)のようなウォ作製される場合が多かった．加工プロセスは，スポット的ータードロップ形状も形成されており，これらが混在してなエネルギーの注入による薄膜の融解，蒸気圧による基板いる．これらの微細構造のサイズも，ボトムアップテクノ垂直方向への駆動力，表面張力や蒸気圧低下による萎縮，ロジーで形成されるナノマテリアルのサイズに匹敵する．

最終的には熱放射や熱伝導による温度低下と固化により上記のナノウィスカー及びナノクラウンはいずれも金形状が固定される 5,8)．図 6(a)では，平たいバンプの上に属の流体的なプロセスが形成メカニズムであり，このようウィスカーが直立しており，英語名を”nano-thumbtack”な手法でナノマテリアルを形成したのは，本研究が初めて(ナノ押しピン)と名付けた．図 6(b)はウィスカー頂点の拡である．

大図であり，頂点曲率半径が 6nm より小さいことが分かった．これは従来のトップダウンテクノロジーの解像度を4・2 ビーム間に位相変調を加えた場合の加工形状遙かに超えており，またフェムト秒レーザーの多光子吸収

前節で示したように，ターゲットやフルエンス，干渉周による光重合樹脂の固化を利用した数十 nm のナノ構造期を変えることで単位ナノ構造の形状を変えることが出さえも超えている．そのサイズは MWCN(Multi-Walled来る．本節では，ビーム間の位相を変調した場合に，異なCarbon Nanotube)の半径に匹敵する．

る単位ナノ構造が重複して配列した構造が作製できることを示す．ターゲットは 10nm 厚の金薄膜をサファイア(0001)基板に堆積した構造である．図 4(b),(c)に有るとおり，1 光束の位相を変調することで多重周期構造が出来る．
図 8 は一例であり，ナノウォータードロップとナノビットが重複した構造が作製された．これは，フルエンスの高低が交互に並んでいることを表している．周期は約 0.93mm

1mm

(a)

10 nm

(b)

図６ 同じ振幅の 4 光束が同位相で干渉して作製されたナノウィスカーで，位相変調が無い場合の 1.3mm と比較して短周期化されている．簡単に倍密度構造が作製可能であり，しかも異なる単位構造が混在した構造が作製できる．例えば，ターゲットに図 5 のナノメッシュ形成の場合と同じ物を用いれば，異なるサイズの開口が交互に並ぶ構造が作製されると思われる．

3.9mm
1mm
(a)

curvature radius< 7 nm5mm(b)bead r ~ 26 nm
neck r ~ 11 nm
図８100nm(c)

100 nm多重周期構造

100nm(d)

4・3 ビーム間の位相・強度変調を与えた場合の加工形

図 7 同じ振幅の 4 光束が同位相で干渉して作製されたナ状ビーム間の位相と強度を同時に変調することで，さらにノクラウン異なる構造を作製することが出来る．図 9 が一例であり，
図 7 はナノクラウンと名付けた形状であり 7)，(a)が鳥瞰図，(b)が真上から見た図である．厚さ 50nm の金薄膜をシリコン結晶基板に蒸着し，ターゲットに用いた．干渉

図 4(d)に類似する構造が作製できた．ただ，現在は位相と強度を同時に正確に変調するのが難しく，干渉加工装置の改良を試みている．

縞の周期は 3.9mm, フルエンスは 350 mJ/cm2 である．直径 2.6mm ほどの加工痕の周囲に流体的形状が直立して並んでいる．図 7(c)拡大図では，頂点曲率半径が 7nm より－ 223 －

トロールについて，波長や角度以外にビーム間の強度比や位相差で干渉縞をコントロール出来ることを示した．次に，フェムト秒レーザー干渉加工においてこれらのパラメーターを変えることで，単一の加工装置から様々な周期・パターン構造が作製出来ることを示した．特にナノウィスカ
ーは頂点曲率半径が 6nm に成っており，これは MWCNに匹敵するサイズである．トップダウンテクノロジーでこ1mmのサイズの構造物を作製したのは初めてである．素材が金属であることと周期構造であることから，プラズモニッ

図 9 周期紋様構造

ク・メタマテリアル分野での応用が期待される．さらに，干渉するビーム間の位相と振幅を変調することにより，4・4 異なる薄膜材質を用いた場合の代表的な形状様々なパターンを創出することに成功した．これらのパタ

シリカガラス基板に異なる金属薄膜材料を異なる厚さで堆積し，干渉加工を行った場合の代表的な形状を図１０ーン，素材，サイズ等を生かし，ナノテクノロジー研究の新展開として，本研究を発展させていきたい．に示す．また，表１に金属材料の特性を示す．融点・沸点が近い Au,Ag は比較的厚い膜厚でウィスカー構造が出来ており，薄くなるとメッシュ構造となる．一方 Ti では全ての条件でメッシュになり，Pt では厚膜でバンプ，薄い薄膜でメッシュとなった．いずれの場合も、フルエンスが謝 辞（財）天田金属加工機
本研究を遂行するにあたり，械技術振興財団助成を頂いた(一般研究開発助成
AF-2008214）。関係各位に厚く感謝の意を表する。

一定以上になるとメッシュが形成される。
以上より，薄膜材料を変えることで単位構造を大きく変参考文献えることが出来た．形状を決定するキーパラメーターにつ1) 「最新レーザプロセシングの基礎と産業応用」：次世代

いては，温度によって変化する粘性など unknown なパラメ

レーザプロセシングとその産業応用調査専門委員会編,ーターが複数存在し，さらなる実験と検討が必要である．

電気学会，(2007), 121.
2) 「フェムト秒テクノロジー」: 平尾一之・邱建栄 編,
化学同人，(2006), 163.
3) “Generation of superfine structure smaller than 10
nm by interfering femtosecond laser processing”, Y.
Nakata, K. Momoo, T. Hiromoto, N. Miyanaga, SPIE
Proc., 7920, 79200B (2011).
4) “Generation of complicated or duplicated structure
by interfering femtosecond laser processing ofmetallic thin film”, T. Hiromoto, K. Momoo, Y. Nakata,N. Miyanaga, SPIE Proc., 7920, 792013 (2011).
5) “Effectoffemtosecond

図１０ 薄膜材料・膜厚と加工形状の関係

targetlaser

structure

oninterferingprocessing”,

Y.

Nakata,N.

Miyanaga, SPIE Proc., 7854, 0H1-0H6 (2010).
6) “Effect of interference pattern on femtosecond
表１ 薄膜・基板材料と特性材質

AuAgTiPtlaser-induced石英

特性サファイア

ripplestructure”,Y.

Nakata,N.

Miyanaga, Appl. Phys. A, 98, 401-405 (2010).
7) “Generationofnanostructured

surfacesby

融点(℃)

1063

961

1668

1768

1470

2030

interfering and no-interfering ultra-short pulse

沸点(℃)

2970

2210

3260

3825

2230

-

laser processing”, Y. Nakata, K. Tsuchida, N.

熱伝導率

0.743

0.999

0.050

0.166

0.00280.055

硬さ(HV)

Miyanaga, SPIE Proc., 7201, 72011F (2009).
8) 「フェムト秒レーザ加工を用いた表面ナノ構造作製の(cal/(sec・cm・℃)

2244～11041--新展開」、中田芳樹、廣本拓也、宮永憲明、土田邦夫、
レーザ加工学会誌、9, 189-193, (2009).
9) 「超短パルスレーザー干渉加工を用いた新しい表面ナ

５．結論
本研究ではまず，4 光束干渉加工における干渉縞のコンノ構造形成技術」,中田芳樹、廣本拓也、宮永憲明、土田邦夫、レーザー研究、37,494-499, (2009).

－ 224 －10) “Liquidly process in femtosecond laser processing”,

15) “Femtosecond-laser-emcoded

distributed-feedback

Y. Nakata, K. Tsuchida, N. Miyanaga, H. Furusho, Appl.

color center laser in lithium fluoride single

Surf. Sci., 255, 9761-9763 (2009).

crystal”, K. Kawamura, M. Hirano, T. Kamiya and H.

11) “Nano-structured surfaces on Ni-Ti generated bymultiple shots of interfering femtosecond laser”, Y.

Hosono, J. NonCryst. Sol. 352 (2006) 2347.
16) “Nano-texturedmetallic surfaces

foropticalNakata, K. Tsuchida, N. Miyanaga, Opt. Las. Eng., 47,

sensing and detection applications”, Y. Yokota, K.

847-849, (2009).

Ueno, S. Juodkazis, V. Mizeikis, N. Murazawa, H.

12) “Nano-Sized and Periodic Structures Generated byInterfering Femtosecond Laser”, Y. Nakata, K.
Tsuchida,N.

Miyanaga,T.

Okada,J.

Misawa, H. Kasa, K. Kintaka and J. Nishii: J.
Photochem. Photobio. A: Chem., 207 (2009) 126.

Laser

受賞

Micro/Nanoengineering, 3, 63-66 (2008).
13) Y. Nakata, T. Okada, M. Maeda: Jpn. J. Appl. Phys.,42, (2003), L1452.

1) SPIE, Best Student Poster in the Photonics West 2011
LASE 7920 conference, Takuya Hiromoto "Generation of14) “Sub-micron patterning of solid materials withcomplicated or duplicated structure by interfering

ultraviolet femtosecond pulses”, J. H. Klein-wiele,

femtosecond laser processing of metallic thin film"

J. Bekesi, and P. Simon, Appl. Phys A 79 (2004) 775.

(指導学生)－ 225 －