ダブルパルス照射フェムト秒レーザープロセッシングにおける素過程の考察
宮崎大学 産学・地域連携センター
准教授 甲藤 正人（平成 29 年度 一般研究開発助成 AF-2017212）
キーワード：超短パルスレーザー，レーザープロセッシング，エネルギー移譲，初期過程

１．研究の目的と背景要求される。高繰り返しレーザーによる加工において、同レーザー加工において、穿孔・ドリリング、溝掘り・ス一箇所に複数ショットを照射する、あるいは低速で走査しクライビングや切断・カッティングなどの材料加工へ様々て照射して線状に照射する場合においては、同一箇所に複なパラメーターのレーザーが活用されている。特にパルス数のレーザーパルスが短い時間間隔で照射されることにレーザーを用いた加工においては、微細な領域の加工が要なる。これにより、加工対象に熱エネルギーの蓄積が起こ求される場合が多い。レーザー光が加工対象に照射されたり、加工結果に影響を与えることが予測される。これらの際、材料内の電子の振動として光のエネルギーが吸収され、ことからも光・電子・格子振動のエネルギー移譲プロセス電子の振動のエネルギーが材料の熱エネルギーへと変化に関する知見を得ることは非常に重要である。

し、材料において溶融ならびにアブレーションが生じる。

これらのことから、本研究においては、パルス照射間隔

この場合、レーザー強度が最も高いビームの中心部分が主を熱エネルギーの緩和までを考慮した時間スケールに拡に加工されるが、その周辺部も熱的な影響を及び、材料が張し、レーザー照射から電子励起、熱エネルギーによる緩変成する箇所、いわゆる熱変成部が広がる。微細加工の場

和・拡散が収束する数 µs オーダーまでの長時間スケール

合は、この熱的変成部分が小さい加工、いわゆる非熱的加まで変化させ、照射するパルスの時間間隔が加工に与える工と呼ばれる加工が望ましく、材料の諸特性に合わせて、影響について、実験的に観察し、基礎的な知見を得ることパルスエネルギーやパルス幅等のレーザーパラメーターを目的とした。の最適化が必須である。
金属や半導体においては、非熱的な加工は、パルス幅がピコ秒以下の短パルスレーザー光により実現されており、

２．実験方法昨今の短パルスレーザー光源に要求される仕様・性能とし本研究においては、2 台の近赤外フェムト秒チタンサフて、パルス幅の圧縮と高エネルギー発振による高ピーク強ァイア（Ti:Sapphire, TiS）レーザーを用いて構築した同期度の実現ならびに高い加工スループットを実現するため発振システムを使用を計画した 1)。1 台は Spectra Physicsの高繰り返し発振が挙げられる。

Spitfire Pro （λ = 882 nm, パルスエネルギー ＜ 1 mJ , パ

短パルスレーザー加工プロセスにおいては、レーザーにルス幅 ＞ 170 fs ＠ 1 kHz）であり、もう 1 台は Spectra

よる電子励起と格子振動への緩和による二温度モデルにPhysics Spitfire Ace（λ = 800 nm, パルスエネルギー ＜ 5より説明されている。また、励起電子の誘導脱励起過程にmJ , パルス幅 ＞ 120 fs ＠ 1 kHz）である。この 2 台のよる加工制御も提案されており、興味深い技術となっていTiS レーザーにおいて、Spitfire Pro の発振器として使用しる。高繰り返しレーザーやバーストモードでの加工においている Tsunami を主発振器として、2 台の Tsunami の発振ても、レーザー照射から加工プロセス結果へ至るまでにお器周波数を同期させ、増幅器を含めた全システムのタイミ

いては、レーザーから材料へのエネルギー移譲過程を知るングを制御することで、同期発振を実現した。これにより、ことは重要である。短パルスレーザー加工におけるプロセ

2 台の TiS レーザー出力のパルス間に、最大 2 µs の間隔

スの基礎過程においては、ポンプ＆プローブ法によりレーを、ジッター 2 ps において与えることができる。

ザーを照射した表面の形状変化を捉えた研究例がある。ししかしながら、2017 年度途中から、波長 882 nm の TiSかし、レーザー照射から数 100 ps 後までの観測であり、レーザーの Tsunami の励起用レーザーの出力が低下した。

熱エネルギーによる緩和・拡散が収束する数 ms オーダ調整を実施したが、それぞれの TiS レーザー出力は単体でーまでの長時間スケールでの状態変化を観測した例はなは得られるものの、2 台を同期発振させることが困難とない。高繰り返しレーザーやバーストモードレーザーのパルった。これは、上述の通り、Tsunami の出力を全システムス間隔は、 µs オーダーまで近づいており、エネルギーがの同期信号としているためである。このため、2 台を同期材料に蓄積される効果により、加工現象が変化することが発振させての実験を一旦休止せざるを得なくなった。そこ十分に予想される。また、現在の実用技術としては、高繰で、先ずは波長 800 nm の TiS レーザーを用い、干渉光学り返し発振のレーザーを用いての高スループット加工が系により短い時間間隔のダブルパルスを発生させ、低パル図１ 干渉光学系を用いた TiS レーザーのダブルパルス照射系

ス数で低いフルーエンスにより、加工しきい値近傍付近でい変色箇所が観測され始めた。これは結晶質から非晶質の初期過程におけるエネルギー移譲を観察することに重（アモルファス）への変成が誘起された箇所である 2,3)。

点を置き、実験を行った。

つまりは、照射パルス数を増やすことで、表面にアモルフ

図１に実験装置の概略を示す。波長 800 nm の TiS レーァス変成が観測できるしきい値が低下していることがわ

ザー出力を λ/2 板とポラライザーを用いてパルスエネルかった。また、30 ショットまで到達すると、中心部から周ギーを調整し、干渉光学系を通すことで、ダブルパルスを期構造形成とアブレーションが観測された。

得た。用いた光学系での最大遅延時間は 550 ps であった。

図２に 0.12 J/cm2 で照射した際に観測された加工痕を得られたダブルパルスを同軸上に重ね、焦点距離 30 cm

ショット数毎に示す。2 ショット以下では加工痕を判別すのレンズで集光し、試料表面に照射した。レーザーのパルることができなかった。アモルファスに変化した後にビースエネルギーはレンズを透過した直後でパワーメーター

ム中心部からアブレーションへと加工が進展しているので実測した。また、焦点位置でのレーザーの集光径は減光
後に CCD カメラを用いて実測し、143 µm × 155 µm と求められた。また、レーザーと同期した信号により高速電磁シャッターを開閉することにより、照射するパルス数を切り出した。これにより、常に同じタイミングで設定したパルス数だけ試料に照射することを可能とした。
試料には半導体であるシリコン (Si) を用いた。本実験
では真性半導体（ノンドープ）の Si 基板を用い、表面の面方位が (100) と (111) の Si 基板を用いた。レーザーを照射した後にデジタルマイクロスコープで Si 基板の表面を観察し、加工の進展の様子を調べた。
図２ Si(100) - フルーエンス 0.12 J/cm2 照射３．結果・考察(1) 加工の初期過程
先ずは、ノンドープ Si(100) 基板を用い、シングルパルスのレーザーを照射し、加工の様子ならびに加工閾値を調べた。照射するショット数を固定し、エネルギーを変えることで照射フルーエンスならびに照射パルス数の変化による加工の進展を観察した。この結果、1 ショットでレーザーの照射位置が判別できるのは、パルスエネルギーが40 µJ 、フルーエンスにして 0.23 J/cm2 付近であった。２ショットでは 0.14 J/cm2 以上、ショット数を増やした場合
は 0.11 J/cm2 以上の照射フルーエンスでビーム中心部が白図３ Si(100) - フルーエンス 0.14 J/cm2 照射

図６に Si(100) 基板ならびに Si(111) 基板において、シングルパルス 1 ショットのみをフルーエンスを変えて照射した際の加工痕の変化を示す。Si(100) 基板において、アモルファス化の形跡が顕著には見られず、円形の薄い照射痕が 0.23 J/cm2 あたりから見られた。0.34 J/cm2 付近で照射中心でアブレーションが観測された。Si(111) 基板においては、0.14 J/cm2 からアモルファス化が見られ、同じく 0.34 J/cm2 で中心部にアブレーションが観測された。
Si(111) 基板のアモルファス部分は、フルーエンスの増加とともに直径が増大し、内部に複数の円環パターンが見ら
図４ Si(111) - フルーエンス 0.12 J/cm2 照射れる様になった。
Si 結晶について、
例えばエッチングや放電加工の際に面方位による異方性が原因で加工速度が変わることが知られており、これは熱伝導率の異方性によるものであることが示唆されている 4)。<111> 方向、つまりは Si(111) 基板における深さ方向への熱伝導率が最も低く、<100> 方向の 1/5 程度である 4)。これによって、Si(111) 基板の場合は、熱エネルギーが照射面に蓄積しやすく、アモルファス化が顕著に見られ、また熱伝搬の方向性からアモルファス化の環状パターンが形成されたではないかと推測している。

図５ Si(111) - フルーエンス 0.14 J/cm2 照射

P 型 Si(100) 基板を用いた場合は、ノンドープ Si(100)に比べて、加工痕の変化については有意の差が得らなかったものの、若干の加工しきい値の低下が観測された。これについては、キャリア密度の違いが初期過程に影響したこがわかる。
2

図３にフルーエンスを 0.14 J/cm とした場合における、とが考えられるが、実験結果の再現性の確認が必要である。

ショット数毎の加工痕の変化を示す。このフルーエンスでまた同一箇所にショット数を重ねて照射した場合、中心は、アモルファスがリング状に観測された。これは、強度部からアブレーションが生じる場合とアモルファス部かの高い中心部分は溶融状態まで達し、その後に急冷する際らアブレーションが生じる場合があった。シングルパルスに再度結晶化したと考えられている。15 ショットからア照射時の繰り返しは 1 kHz であり、照射パルス間隔は 1ブレーションが観測されているが、リング状の部分からアms である。この時間間隔においては、加工のしきい値はブレーションが始まっている。これは、アモルファス部分各パルスでのピーク強度で決まると考えられる。また、アがアブレーションのしきい値が低いことが要因であるとブレーションのしきい値はアモルファス部の方が結晶質考えている。ショット数を重ねると、円形状にアブレーシ部に比べて低いと予想される。図２の 0.12 J/cm2 照射ではョンが進行していることがわかる。

中心部はアモルファスの状態のまま、次のショットが照射

これらの結果から、複数パルスを照射した後の加工痕がされ、アブレーションに進行するが、0.14 J/cm2 において同様に円形であっても、その初期の状態は異なっており、は、中心部は一旦溶融した後に再度結晶化しており、アブ加工後の物性や結晶性などに違いがあることも想定されレーションしきい値が高く、このため周辺部のアモルファる。

ス部から先にアブレーションが生じると考えられる。何れ

図４に表面の面方位の異なる Si(111) 基板を用い、シングルパルスをフルーエンス 0.12 J/cm2 で照射した際のパルス数に対する加工痕の変化を示す。(111) 面においては、1 ショット照射においてもアモルファス化が観察された。
また、変成部の大きさも (100) 面の加工に比べて大きいことがわかる。リング状のパターンは観測されるが、リング内側も変成した状態が保たれていることがわかる。
図５に Si(111) 面、フルーエンス 0.14 J/cm2 の場合を示す。同様に、リング状のパターンが観測され、内部も変成した状態が保たれていることがわかる。
図６ シングルパルス・1 ショット照射時の加工痕

図７ Si(100) - フルーエンス 0.086 J/cm2 ダブルパルス・10 ショット照射の場合においても、1 ショットでの照射では変化がなくてスのパルス間隔を -0.1 ps から 550 ps まで変化させた際も、その表面には徐々に欠陥生成などの“種”が形成、蓄積の加工痕の変化の様子を示す。また、シングルパルス照射され、複数回照射することにより、加工痕として視認されでフルーエンス 0.17 J/cm2 で 10 ショットならびに 0.086る様になったと推測される。また、加工初期における周期J/cm2 で 20 ショット後の表面の様子も併せて示す。パル構造形成やアブレーションは結晶の欠陥等によるしきいス間隔が長くなることで、この２条件の加工結果間で変化値の低下に敏感であり、定量的な実験結果を報告することするはずである。2 つのパルスが重なる ±0.2 ps 付近までは困難であるが、しきい値付近の照射では、同じ条件にもは、ビームの干渉効果により、0 〜 4 倍のフルーエンス関わらず大きく加工痕が見られるケースがあり、周辺にはが照射されることになり、加工痕の変化が大きい結果とな周期構造が見られた。また、図６にも見られるが、１ショった。0.2 ps 以後、リング状のアモルファス部と中心部のットの照射でも、任意の点を起点とした周期構造形成が観アブレーション部が観測された。中心部のアブレーション察されることがある。これらより、アブレーションのしき部はシングルパルスに比べると若干小さくなっているの

い値は基板の状態に大きく左右され、また加工も欠陥等をがわかる。0.5 ps 以後は中心部のアブレーションが観測さ起点として、進展していることが示唆された。

れている。一般的には電子のエネルギーから格子振動への緩和は 1 ps オーダーと言われている。図７では照射間隔が 1 ps 後から、アブレーション部の変化が大きいことが(2) ダブルパルス照射による加工過程わかる。パルス間隔が 5ps を超えると、アモルファスのダブルパルス照射において、各パルスのフルーエンスの環状部がアブレーションを起こしている。 40 ps では、ほ設定は、シングルパルス照射においては加工痕が観測できぼ環状部のみがアブレーションを起こしている。これは、ないが、2 倍のフルーエンスでは加工痕が観測される条件

1st パルスで蓄積されたエネルギーがまだ残存している状とした。照射回数は 10 ショットと固定した。

態で、かつアブレーションしきい値が低下した箇所である

図７にノンドープ Si(100) 基板を試料として、1 パルスためだと考えている。200 ps 以降では、アモルファスリンのエネルギーを 15 µJ (0.086 J/cm ) に設定し、ダブルパルグも小さく薄くなった。550 ps 後とシングルパルス（1 ms2間隔）の 20 ショット照射を比較すると、550 ps において
st今後は、より短焦点のレンズを用いるなどし、レーザーも、アモルファス変成部が視認でき、まだ 1 パルスのエのフルーエンスを向上させ、1 ショットのみのダブルパルネルギーが残存していることがわかる。

ス照射において、時間遅延をつけての実験を行う予定であ

また、Si (111) 基板を用いた場合においても、加工痕形る。また、遅延時間を 1 ns 以上に設定し、熱変成相が観状は異なるものの、照射間隔を 550 ps とした際において測できるフルーエンス条件での実験を再始動を検討する。

stも、1 パルスのエネルギーが残存していることが示唆される結果が得られた。

謝 辞本研究において、レーザー装置は 2006〜2008 年度文部４．まとめと今後科学省特別研究推進事業（大学間連携）ならびに 2012 年

近赤外フェムト秒レーザーによる加工において、照射パ度文部科学省特別研究経費を基に設置された。また、2016

ルス数の少ない初期状態での加工過程に着目し、加工痕を年度一般財団法人一樹工業技術奨励会研究助成金により観察した。

支援を受けて整備を実施した。ここに謝意を表する。

先ずは結晶質シリコンを試料として、シングルパルス照射により低ショット数での加工痕の進展を観察した。この

また、研究の遂行に協力頂いた宮崎大学の加来昌典准教授と研究室学生諸氏に謝意を表する。

結果、アモルファスへの変成とアブレーションへの進展の様子が観察された。また、加工は 1 ショット毎での変成の蓄積とその状態でのしきい値が大きく影響していること

参考文献がわかった。複数ショットを重ねて照射した加工痕には、

1) 甲藤正人，加来昌典，宮永憲明，塚本雅裕，横谷篤至，その差異は大きくは見られない。また、今回試料に用いたレーザー学会第 509 回研究報告 RTM-17-19 〜 24, 29

シリコンにおいては、可能のしきい値が結晶面方位により(2017).

大きく異なる結果が得られた。これは、熱伝導率の異方性が関係していると考えている。
次に、ダブルパルス照射を行った結果から、シリコンにおいては、550 ps まで最初のパルスのエネルギーが残存していることが示唆された。

2) Y. Izawa, Y. Setuhara, M. Hashida, M. Fujita and Y. Izawa,
Jpn. J. of Appl. Phys. 45, 5791 (2006).
3) 井澤友策，藤田雅之，O plus E 30, 475 (2008).
4) 橋本敬史，川上太一，国枝正典，2007 年精密工学会春季大会学術講演会講演論文集 p.502．