機能性光学表面作製のためのナノ加工技術
大学院工学研究院
先端物理工学部門

准教授

宮地 悟代

今日ご紹介する技術
大きな面積 に

1 μm

ナノサイズの構造体 を簡単に 作りたいと思ったことありませんか？

そのようなご要望に応えられる技術のご紹介です

1 μm

Tokyo University of Agriculture and Technology2機能性光学表面とは無反射表面

偏光子

モスアイ構造構造色

大型パネルディスプレイ

ワイヤーグリッド
偏光子

負の屈折率

メタマテリアルメタサーフェス

インクを用いない発色表面

透明マント（！？）©R.SaitoTokyo University of Agriculture and Technology

3機能性光学表面のしくみ
光の波長よりも小さい構造体

散乱・干渉・回折屈折率変化
可視光なら400~700nm

散乱光・反射・吸収・透過が変化
・波長・偏光・位相光
物体・波長・偏光
・位相構造体の大きさ、配置によって光を操ることができる
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4従来技術とその問題点
半導体デバイス製造プロセス
フォトリソグラフィー＋電子ビームリソグラフィー

エッチング①レジスト塗布（②マスク作成）＋③露光⑤エッチング⑥レジスト除去④レジスト除去形状の精度は高い
けど大きな面積に作りにくいよね…

Tokyo University of Agriculture and Technology

5従来技術とその問題点
ナノインプリント（＋リソグラフィー）
ナノサイズのはんこ②テンプレート作成＋③加圧（＋④紫外線露光）①樹脂（ガラス）塗布⑤テンプレート剥離（⑥エッチング）

形状の精度は高い
けど大きな面積に作りにくいよね…

Tokyo University of Agriculture and Technology

6従来技術とその問題点
レーザー加工レーザー光が持つ「微小領域にエネルギーを注入できる」特徴を利用
レーザー集光レンズ
デブリ

加工材料

物理的変化
• 加熱
• 溶融
• 蒸発

加工領域>μmサイズ

さらに、レーザーの良い特徴を利用できる• 加工雰囲気に左右されにくい 大気中、液中でも可• 媒質内部への加工が可能 レーザー光のみ可• 多種材料へ適応が可能 固くても可, 刃が摩耗しない• 大面積の加工が可能 高速掃引も可【課題】
加工最小サイズに制約>μmTokyo University of Agriculture and Technology

7新技術の特徴･従来技術との比較
フェムト秒レーザー照射による微細周期構造形成現象
生成条件

フェムト秒レーザー
光学顕微鏡

GaN

• フェムト秒レーザーパルス• 複数パルス（単一パルスでは生成しない）• 低エネルギー密度

特徴

加工材料

• 自己組織化的に形成• 波長 λ の1/10~1/4のサイズ（最小30nm）

SEM

レーザーによる新しいナノ加工技術？
ただし、不均一...

E

パルス幅
波長100 pulses, 周期 150 – 300 nm

1 μm

材料

フルーエンス
偏光

パルス数

繰り返し周期

照射環境

集光サイズ

... etc.?

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8新技術の特徴
レーザー光を工夫して照射するだけで均一なナノ構造体が作れます
溝幅20~100nm！

GaN

高アスペクト比！

1 μm
1 μm
ドット状にもTokyo University of Agriculture and Technology

9新技術の特徴
26 μm16 μm

GaN 中心波長λ ~ 800 nm
Line & Space 120 nm
深さ ~700 nm

GaN irradiated at λ ~ 800 nm
10SEI 20kV WD10mm x5,0005μm

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10新技術の特徴
2ステップ法[特許出願済]
手順①レーザー

加工材料

98nm

方法は簡単！
手順②652nm

レーザー光を当てるだけでナノ構造体が作れますTokyo University of Agriculture and Technology

11新技術の特徴
Q. なぜ回折限界以下の構造が形成されるの？
A. 高強度レーザー で励起した 電子の集団振動を利用するから<レーザー波長電場

加工材料

偏在した電子∴ 光の回折限界の影響を受けない

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12新技術の特徴
DLC, Si, GaN

E

宮地・宮崎モデル
E

F < F1照射パルス数, N

Fsレーザーターゲット(a) 表面改質

アブレーションしきい値の減少ランダムアブレーション(b) 近接場によるアブレーション
表面凹凸周辺に近接場が発生→アブレーションを誘起

これらの相互作用過程は熱的効果が抑制されていなといけない(c) 表面プラズモン・ポラリトン
（SPP）
kspp

kspp

fsレーザーと励起された自由電子がコヒーレントに結合(d) 周期的なアブレーション

SPPの定在波が有する近接場によって周期 d ~ spp/2 の構造が生成Tokyo University of Agriculture and Technology

13新技術の特徴
Q. 面内で乱雑なナノ構造を揃えるにはどうすればよい？
A. SPPに境界条件を与えればよい

SPP
不規則な凹凸

規則的な表面凹凸
レーザー

JAP 114, 153108 (2013), OPEX 24, 4648 (2016), 特許出願済

SPPの定在波
周期的な溝を持ったターゲット

溝幅の決定指針

溝幅 または 溝周期 =はじめに付けた溝幅 または 溝周期整数 (2~6程度)

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14新技術の特徴JAP 114, 153108 (2013)

照射するレーザーパルスの数で溝幅と周期を調節

GaN

937 nm(a)

N=0(b)

N = 10(c)N = 20(d)N = 40(a)SPECTRAL DENSITY (arb. units)L
312

187 156(b)187(c)

234

234

156(d)

187 nm

L/50246

FREQUENCY ( m-1)

810E
1 mm

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15新技術の特徴

JAP 114, 153108 (2013)

照射するレーザーパルスの数で深さを調節

GaN

N = 40

アブレーション
フロント
1 μm
1パルスで掘れる深さは分かるので、深さはパルス数で調節可能

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16新技術の特徴･従来技術との比較★最大の特徴工程数 が少ない

マスク製作
レジスト塗布・剥離Tokyo University of Agriculture and Technology17

新技術の特徴
レーザー加工の良いところ を持っています
取り回しやすさ、侵襲性、焦点深度が深い（低Fナンバー）

大面積でもOK

液中でもOK曲面でもOK

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18新技術の特徴
様々な物質 を加工できます
半導体誘電体
TiN

Si
GaAs

Cu
Al

DLC
GaN

金属ガラス

Ti
ステンレス鋼Tokyo University of Agriculture and Technology

19従来技術とその問題点
本技術

類似技術

ナノインプリント

リソグラフィ＋エッチング

基本構成

フェムト秒レーザー(+干渉光学系)

フェムト秒レーザー型作製時にリソグラフィ+エッチング

紫外光露光またはEB露光+深堀RIE

形状

周期構造

周期構造

任意

任意

サイズ (周期)> 50nm> 400nm> 50nm> 数nm

アスペクト比<7<2< 10<10

形状の均一性○×○◎

制御性※1○×○◎

加工領域サイズ数mでも可数mでも可数10cm角?
（型の形状に依存）

数10cm角?

工程数少ない(材料への直接加工)

少ない(材料への直接加工)

多い

多い

加工対象の形状

湾曲しててもよい

湾曲しててもよい

平面のみ

平面のみ

その他

ナノインプリント用の型作
製に使える(=溝深さ/溝幅)型を作る必要がある※1：周期や深さが制御できるという意味

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20新技術のポイント
1 工程数が少ない
2 大気中・液中でも3 大面積に4 曲面でもTokyo University of Agriculture and Technology

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実用化に向けた課題• 所望の材料に適したレーザー照射条件の決定– 材料によって照射条件が異なるので条件出しが必要• ナノ構造体の直線性を改善する必要がある– レーザーを掃引照射する光学系の設置

現在開発中
レーザー

パルスの重なり↓構造の形状が異なる

商用のレーザーシステムに取り付けるだけで実現可能(予定)Tokyo University of Agriculture and Technology

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産学連携の経歴• 2016年-2017年• 2017年

企業と共同研究実施
企業へ研究開発成果物の提供

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企業への期待JSTなどのプロジェクトで共同開発(例) 企業：想定している応用に利用したいけど自社だけでは試せない…
宮地：実用化に向けた課題を克服するためには、新たな光学系を設置する必要があるが自分だけでは設置できない…

応用例•

ディスプレイ、光学センサ
光学機器、半導体デバイスメーカ•

光学用途だけでなく、微細構造が必要な用途
表面積を増加させれば◎ など

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：超短パルスレーザを用いた微細加工方法、導出装置、加工装置および加工物• 公開番号：特開2018-051626• 出願人：国立大学法人東京農工大学• 発明者：宮地悟代、宮崎健創

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お問い合わせ先

東京農工大学先端産学連携研究推進センター
ＴＥＬＦＡＸe-mail042－388－7550
042－388－7553
suishin@ml.tuat.ac.jp

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