ISSN 0914-9805

レーザー・クロス

2001,Oct.

163

No.

CONTENTS
超微細加工を可能にするフェムト秒レーザー
第５回フェムトケミストリー国際会議（FCV 2001）に参加して『光と蔭』ブラックホール【写真】
人の毛髪（100μm）
をターゲットとして、集光スポット100μmよりも十分小さな20μmの加工を達成

超微細加工を可能にするフェムト秒レーザー
レーザー環境応用計測研究チーム

研究員

橋田昌樹

■フェムト秒レーザーによるアブレーションしきい値加工
超短パルスレーザーアブレーションは、熱的な影響を軽減で■微細加工に必要なデータを短時間に収得
レーザー加工をナノメートルで制御するためには、アブレーき、レーザーとプラズマとの相互作用がないことから、さまざまな応用（精密加工、元素分析、新機能性材料創成、レーザーションしきい値を正確に知ることが鍵となる。アブレーションしきい値は、一般に、アブレーション率のレーザーフルーエン除染等）の高性能化にむけての研究がすすめられている。なかでも、フェムト秒レーザーのアブレーションしきい値加工は、ス依存性から求められる。アブレーション率は１レーザーパルス照射当たりのクレーターの深さを意味する。アブレーション光学系の最適化により、集光スポット径よりも小さな径（数μｍ以下）の加工が可能となることから注目を集めている。

率Ｌは、次式で表記される。

この最適化のために、フェムト秒レーザーアブレーションに関する理論が重要となる。これまで理論計算に関して、多くの研究論文が出版されてきた。しかしながら、特定のパラメータ（レーザー波長、パルス幅、レーザーフルーエンス、標的物（㎝）、Ｆは入射レーザーフルーエン
ここに、α-1は光侵入長2ス（Ｊ／㎝ ）を示す。上式から、アブレーションしきい値Ｆth質、標的の表面状態）の時にのみ有効なもので、パラメータの１つが変われば適用できないものが少なくない。現状では、微はＬ＝０となるレーザーのフルーエンスから評価される。図１に銅の実験結果を示す。これまでの実験では、アブレーション細加工に必要とされるアブレーションしきい値やアブレーション率は、実験的に調べられている。当研究所では、実験データ率のレーザーフルーエンス依存性を得るため、その分析に数ヶ月程度の時間を必要としていた（図中の●、○で示した実験結の構築を進めつつ統合コードの開発も行っている。統合コードが完成すれば、物理データのみから、微細加工のための最適条果）。当研究所で新たに開発した分析手法では、数時間でアブレーション率のレーザーフルーエンス依存性を得ることができ件を計算することができる。ここでは、これまで蓄積してきた微細加工のための実験結果を紹介する。

る（図中の実線）。同時にアブレーションしきい値を高精度で評価できる。本手法により、実験条件（レーザー波長、パルス
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財団法人レーザー技術総合研究所ニュース

5超微細加工を可能にするフェムト秒レーザー（前ページよりつづく）
幅、レーザーフルーエンス、標的物質、標的の表面状態、雰囲
気ガス種）が異なる場合でも、アブレーションしきい値、アブレーション率を短時間に高精度測定を可能にした。結果から、ある銅のアブレーションしきい値は３つ（Ｆ1,th、Ｆ2,th、Ｆ3,th）ことがわかった。

アブレーション率 (nm/shot)

10 30.0µm

F2,th10Target: Cu
τp = 70 fsec

F1,th0.10.0

Experimental data
M. Hashida et al.
S. Notle et al.

10 -30.1

110(a)
F＝400 mJ/cm2
パルス幅 ：70fsec

Experimental data
calculation

0.2

レーションが起こっており、予測した加工形状と非常に良い一致を示している。金属元素（Cu、Al、Fe、Ni、Mo、Zn、Pb）について実験結果を得ており、加工形状は予測どおりであった。

0.10-1■フェムト秒レーザーを使ったナノメートル加工への展開
図３には、アブレーションしきい値加工によりにできた銅の(b)02ス関数を仮定（図２（a）の破線）。図２（b）の破線は、銅表面の加工形状の予測結果を示す。その正しさを確かめるための実験結果を図２（b）の実線で示す。実験結果は、アブレーションしきい値フルーエンス（0.25Ｊ／㎝ 2）を超える位置で明白なアブ0.51【図３】
アブレーションしきい値加工は、集光スポット50μmよりも遥かに小さな２μmの加工を可能にした（レーザー波長800nm ）ブレーション率）を使って予測することができる。ここで、集光スポットでのレーザーの空間プロファイルは径が50μｍガウ【図１】アブレーション率のレーザーフルーエンス依存性（レーザー波長800nm ）0.30.0■われわれの成果により加工形状が容易に予測可能
レーザー加工形状は実験結果（アブレーションしきい値、ア入射レーザーフルーエンス(J/cm )0.4

209.1µm155.1µm2

レーザープロファイル(J/cm2)

2 µm

F3,th

10 -50.01

アブレーション深さ(mm)-3.44 µm

1200 shots
Target : Cu

Experimental data
calculation

34-100-50050100position (mm)

【図２】銅表面の加工痕形状の予測結果と実験結果（レーザー波長800nm）表面の微細加工形状を示す。加工痕の直径は約２μｍ、深さは3.4μｍであった。加工痕の直径はレーザーのスポット径50μｍよりも遥かに小さい。今後、パラメータ（レーザー波長、パルス幅、集光光学径等）の最適化を行えば、容易にナノオーダーの加工を可能にする。アブレーションしきい値加工は、熱的な影響を軽減できるフェムト秒レーザー特有の現象を利用したものである。

NEWS

第５回フェムトケミストリー国際会議（FCV 2001）に参加してレーザーバイオ科学研究チーム研究員

ハイク・コスロービアン■はじめに去る９月２日から６日にトレド（スペイン）のCastilla-Laリー国際会議（Femtochemistry-V Conference ：FCV2001）に参加した。トレドは首都であるマドリードから70㎞程度離れたとMancha 大学（UCLM）で開催された第５回フェムトケミストころに位置する。古くは王国の首都として栄えた町であり、世2

界遺産として世界で初めて認定されたことでも知られている。

レモニーと記念講演が行われた。以下に、発表の中から筆者がこの国際会議は、フェムト秒領域での分子科学の基礎的な側面や、それらに関連した新たな研究手法にスポットを当て、興味をひかれたトピックについて述べる。

1993年からスタートし以後２年に一度開催されている。今回の会議においても20ヶ国以上の国々から多くの研究グループ■超短Ｘ線パルス発生
シンクロトロンによるＸ線分光は、原子レベルでの物質のが集まり、気相やクラスター、溶相、ナノストラクチャー、固相、ポリマー、表面や界面、生体システムなどのフェムト秒領静的 な構造を観測する有効な手段であることが示されているが、時間分解測定に関しては、その分解能は30ピコ秒以上に域での研究や、新しい技術や制御などに関する興味深いトピックが多数報告された。参加者は225名に上り、47件の口頭発表限られていた。このタイムスケールは原子の動きの時間領域（〜100フェムト秒）に比べ100倍以上長い。このため、原子あと130件のポスター発表があった。発表はEUの国々あるいは米国の研究グループによるものが主であったが、驚いた事に日本

るいは分子の超高速の構造ダイナミクスを観測するためには、より時間幅の短いＸ線パルスを用いる必要がある。これに関連からの発表は我々のグループを含めて４件しかなかった。日本
においてもこの分野での研究は盛んに行われているのだが、今して、Lawrence Berkeley National Laboratory（LBL、米国）のR.
W. Shoenleinらから、超短Ｘ線パルス（100フェムト秒以下）発回に限っては開催場所と日程が日本にとっては良くなかったのかもしれない。また今回の会議はこの研究分野からノーベル化生の新しい手法についての報告がなされた。現在彼らのグループによりLBLのAdvanced Laser Systems Division において学賞（1999年）受賞者が出て以来最初の開催であり、受賞者であるAhmed H. Zewail 教授（California Institute of Technology ）の超高速Ｘ線分光のためのシステムが構築されつつあり、化学、物理、生物など各分野への幅広い応用が考えられる。ま功績（フェムト秒分光による化学反応の遷移状態）をたたえるセた、Technical University Vienna（オーストリア）の研究グルー
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『光と蔭』

……64

産業の空洞化が叫ばれて、早くも10年を経過しようとしている。生産大国日本の行方が心配される昨今である。大企業から中小企業まで、生産拠点の工場を海外に移転する動きは止まりそうにない。高賃金のわが国において、ものづくりは成り立たなくなりつつある。もちろん高品質で他の追随を許さぬ製品に関しては、なお国内生産が続けられているが、それも見方によっては時間の問題とも言えるのではなかろうか。
まず考えられる原因はＩＴ技術の発達である。地球上のいかなる所からでも、意欲さえあれば先端技術の情報がたやすく入手できるのだ。したがって新技術により開発された高価値の製品はその高い技術ポテンシャルの魅力が人々を引き寄せ、すぐに平準化が起こるのである。言いかえれば、絶えず新技術の開発を推し進め、あらゆる手段を講じてトップを走りつづけて初めて先進国たり得るのだ。新技術のソースを生みつづける努力が研究開発サイドに強く求められる。そのために必要なインセンティブをどう保つかが、大切な政策課題であろう。
もう一つは、国民の勤労意欲と給与の問題である。戦後ジャーナリズムが無邪気に宣伝した日本人ワーカホリック説は、知ったかぶりもいいところ。無残にも邦人の気質を変えてしまった。勤勉と質実が欠点であるかのような受け取り方をする若者が増えている。３Ｋなどという文言も馬鹿なジャーナリストのたわごとだ。世の中には仕事はいろいろあり、分担してこなしていかねばならないのは当たり前のことで、きれいごとだけを手掛け、他は放置して済むものか。
ところで中国は人口12億人、共産党一党支配の資本主義国である。まことに妙な組み合わせであるが、個人主義と資本主義の融合具合は米国にひけをとらない。しかも一般大衆の賃金はわが国に比べ、沿岸地域で10分の１、内陸部で30分の１という。この人たちは、かつての文化革命時代とは様変わりし、極めて強い利益追求心と勤労意欲を持っている。このため日本企業は生き残りをかけて、労働力の豊富な中国にまるでブラックホールに吸い寄せられるように、国内から流出しているのである。
わが国は長所とする組織力と高い教育水準を礎に、かつては存在した強靱な精神力を回復しなければ経済産業大国日本の21世紀はない。考えてみればこの50年、次代を担う後継者育成に大いなる誤りがあったのではなかろうか。これは歴史認識にもとづくテーマでもある。

【（財）
レーザー技術総合研究所 研究所長】
3

（前ページよりつづく）
プからは、７フェムト秒、1.6eVのドライバーパルスの高次高調波を利用した軟Ｘ線シングルパルス（1.8フェムト秒、90eV）の発生手法についての報告がなされた。これまでにも高繰り返しのアト秒パルスについては報告例があるが、パルストレイン間隔が非常に短い（１〜２フェムト秒）ため、実際の研究への適用範囲は限られたものであった。これに対し、ここで報告された軟Ｘ線シングルパルス発生とそれを用いた測定技術は、励起光電場よりも速い原子過程の直接的な追跡を可能とし、サブフェムト秒分光や本格的なアト秒科学への新たな道を開くものとして期待される。
■化学反応のコヒーレントコントロール
Wuerzburg University（ドイツ）のG. Gerberらから、化学反応のコヒーレントコントロールに関する画期的な 【写真２】トレド市の眺め。キリスト教、イスラム教、ユダヤ教の３つの宗教報告がなされた。科学者にとって分子（分子システム）の反応を自由に制御することは長年の課題であるが、近年フェムト秒レーザー技術を用いて分子システムをコヒーレントに制御する事により、分子反応経路の選択が可能であることが示された。しかしながら、各分子に最適な励起パルスの位相条件の設定など実験的には困難な点は多い。これに対し、彼らはコンピュータによって位相制御が可能なフェムト秒パルスレーザーを用い、複数存在する光分解反応経路のうち、必要とする経路の反応効率を自動的に最適化するシステムを開発した。この手法は、必要とする反応生成物の生成量をモニタリングし、その情報をEvolutionary Algorithm と呼ばれるアルゴリズムを通してコンピュータにフィードバックする事により、生成量が最大となるように励起パルスの位相を徐々に最適化していくというものである。これは反応制御の条件を実験的に求める手法であり、理論的予測が困難な多原子分子系にも広く応用できる可能性があることを示している。彼らは、C5H5Fe（CO）
2Clにおける２種類の光解離反応のうち一方のみを選択的に引き起が共存している都市であり、 ３つの文化の都市 、 小エルサレムなどと呼ばれる。市内には古い教会、ユダヤ教会、モスクが近接して建ち並んでいる。

こし、その結果、実験条件により２つの異なった反応生成物を別個に生成させる事に成功している。また、F e（ C O ）5 、CH2BrCl などの複雑な分子においても、分子に関する情報や実験条件などの初期条件を設定せず、アルゴリズムのみにより反応制御の条件を最適化することにも成功している。この報告
は化学反応制御という研究領域で一つのブレイクスルーとなり得、反応副生成物の生成を抑え、最大効率で化学合成を行うための最初のステップとなるものと思われる。
■フェムトバイオロジー
今回の会議では光生物学に関する多くの報告があり、光集光性バクテリアの機能や光合成における光エネルギー集積過程のメカニズム、ポルフィリン誘導体の電子移動過程、ミオグロビンのダイナミクスなどについての報告が興味深かった。生物系のレーザー分光による研究は最近特に増えている。次の会議名
は Femtochemistry から Femtochemistry and Femtobiology に変更されるかもしれない。
なお、この会議で報告された研究は、 Femtochemistry andFemtobiology というタイトルで書籍にまとめられ、翌年４月に出版（World Scientific Publishing House ）される予定である。
興味のある方は参照されたい。

10月26日は原子力の日です。

掲載記事の内容に関するお問い合わせは、編集者代表
藤田雅之（TEL&FAX:(06)6879-8732,E-mail:mfujita＠【写真１】筆者（写真左）と他国からの会議参加者。Castilla-La
Mancha 大学構内にて。

ile.osaka-u.ac.jp）
までお願いいたします。

Laser Cross No.163 2001,Oct.
発行／財団法人レーザー技術総合研究所 編集者代表／藤田雅之 〒 550-0004 大阪市西区靱本町1-8-4 大阪科学技術センタービル 3F TEL(06)6443-6311 FAX(06)6443-6313
この機関誌は、競輪の補助金を受けて製作しました。

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