355nm 偏光 UV レーザによる単結晶 SiC 面のナノレベル加工
国立東京工業高等専門学校 機械情報システム工学専攻 機械工学科准教授
角田 陽（平成２０年度 一般研究開発助成 ＡＦ－２００８２１７）
キーワード：355nm 偏光 UV レーザ，単結晶 SiC，微細加工

１．はじめに

355nm

UV

ミラー

レーザ光源

単結晶 SiC（炭化ケイ素，シリコンカーバイド）は，Si よりも優れた半導体特性を有しているため，次世代半導体材料として期待され，実用化もはじまっている．さ偏光フ ィルタ・ プリズム
ミラー

らに，その高い融点や硬度に起因する耐熱性や耐摩耗性レンズ
試料などの機械的特性に優れていることにも着目されている．
従来より，通常サイズの機械要素部品としての利用がなされているものの，高硬度ゆえに除去加工に代表されるレンズ
レンズ
ピンホール (50μm)

ミラー
シャッタ

３軸ステージ

一般的な機械的加工法による SiC の高精度微細表面形状創成は十分ではない現況にある．しかし，高精度微細加UV工が実現できれば，単結晶 SiC はＸ線ミラーなどの機械偏光フ ィルタ・ プリズム
レーザ光源

構造部材としての利用にとどまらず，半導体特性と機械的特性の両者の同時有効活用など，広範な応用が期待で

試料

ピンホール

レンズ

きる．例えば，マイクロコンポーネント材料として単結晶 SiC が 適 用 で き れ ば ， MEMS （ Micro Electro-Mechanical System ）/ NEMS （

図１

レーザ加工装置の構成概略図

Nano Electro-Mechanical System）の機能面材料として多様な活用ができる．

を示す．UV レーザの仕様は，波長 355 nm，繰り返し周波そうしたなかで，我々は，基板上における分子の自律数 80 MHz，パルス幅 15 ps，出射ビーム径 1 mm である．

的整列現象（エピタキシャル成長）を原理とする付着堆

光学系においては，偏光フィルタ，プリズム，レンズ積成長（成膜）技術であるＭＢＥ（分子線エピタキシ）系などにより，試料部で焦点があうように調整している．

法を，機械構造体用超精密微細表面創成技術として応用

また，試料が設置される３軸移動ステージは，X 軸およし，さまざまな基板上に単結晶 SiC 薄膜を作製すること

び Y 軸の水平２軸方向が，分解能 2 µm，ストローク 50 mmを試みてきた．その結果，適切な条件下においては，ナで，Z 軸垂直方向が，分解能 200 nm，ストローク 20 mmノメートル・オーダ（ナノレベル）の精度に達する高純の仕様のものを用いた．

度無欠陥単結晶 SiC 超平滑薄膜面が単結晶 Si 基板に作製できることを明らかにしている．

被加工材としては，Si 基板上に成長させた単結晶 SiC薄膜面の他に，比較のために，Si 基板，SiC 基板，Si 基そして，355nm 偏光 UV レーザによる，それらの単結晶SiC 面に対する，数 nm 以下の溝および穴形状といったナ板上に堆積させた Si3N4 薄膜および SiO2 薄膜なども対象とした．

ノ構造創成を検討している．
本研究では，単結晶 SiC 薄膜面上に，355 nm 偏光 UV

３．UV レーザによるマイクロ構造の形成実験結果

レーザによってナノ構造の創成を試み，加工条件とナノ３・１

表面性状との関係について実験的に評価し，さらにマイ

図２は，レーザ照射時間を 1 秒とし，レーザフルエンクロ構造の試作を通じて，ナノレベル創成メカニズムをスを変化させたときの，単結晶 SiC 薄膜面への穴加工結解明し，ナノレベル加工の実用化の基礎とすることを目果を示す．調整の結果，試料への照射位置でのレーザス的とする．

ポット径はおよそ約 2 µm であった．レーザフルエンスがマイクロ穴形成実験結果

0.023 J/cm2 以上の場合，穴の直径は約 5 µm で，穴の周２．実験装置・実験方法

辺に熱の影響を受けていると考えられる痕跡が観察でき

図１に本研究で用いた UV レーザ加工装置の概略構成

る．

－ 236 －

スを材料物性にあわせて適切に設定することで，レーザの熱影響を抑えた所望の加工が行えると推察される．したがって，本研究で使用したような UV レーザを用い，ハードマスクなどを使用しないで，直接的に，数μm～数百nm の加工が行える可能性があるといえる．
３・２ マイクロ溝形成実験結果
レーザフルエンスを 0.023 J/cm2 で一定として，ステ0.037

ージ走査（移動）速度を変化させて，単結晶 SiC 薄膜に0.028対して溝加工をした結果を図３に示す．ステージ走査速度が遅い場合，穴加工と同様に加工部の周囲に熱影響に熱の影響を受けていると考えられる痕跡が観察できる．
一方，ステージ走査速度を速くし，例えば 2400 µm/sで加工した場合，レーザのスポット径以下の溝幅 1 µm以内の溝の加工ができた．これは，単位面積，単位時間あたりに照射されるレーザ光強度がステージ走査速度によって変化するためと考えられる．

0.023

0.017

比較のため，SiC 基板で同様に加工を行った結果を図４に示す．レーザフルエンス：0.045 J/cm2 を一定でステージ移動速度：400 µm/s と 2400 µm/s で溝加工を行ったところ，移動速度：400 µm/s では，熱の影響を大きく受けたためか，連続した溝加工が行えなかったが，速度2400 µm/s では，溝幅が 1 µm 以内の溝の加工が単結晶 SiC

0.016

0.011

206000.008（数値は，レーザフルエンス（J/cm2））（被加工材；SiC 薄膜）
図２

マイクロ穴加工結果の走査型電子顕微鏡観察像

一方，レーザフルエンスが 0.017 J/cm2 以下の場合，2400

レーザのスポット径以下の穴が加工できていると見受けられる．これは，レーザ光強度がレーザ光のスポット内（数値は，ステージ移動速度（µm/s））

で分布をもち，ある強度分布以上の部分だけで加工がな（レーザフルエンス；0.023 J/cm2）されているといえる．さらに，レーザフルエンスが 0.008（被加工材；SiC 薄膜）

J/cm2 の時では，熱の影響をほとんど受けずに，穴の直径約 0.5 µm の加工ができた．これらから，レーザフルエン

図３－ 237 －マイクロ溝加工結果の走査型電子顕微鏡観察像

カニズムは解析中である．

4．マイクロ構造加工部の物性評価
超微小押込み硬さ試験機（ナノインデンテーション試
験機，エリオニクス ENT-1100a）を用いて，溝加工をし400た SiC 薄膜や Si 基板に対して溝と溝の間に超微小圧子を2400押し込むことで硬度やヤング率を求めた．
図６に単結晶 SiC 薄膜，Si 基板および SiC 基板にマイ（数値は，ステージ移動速度（µm/s））
2（レーザフルエンス；0.045 J/cm ）クロ溝加工を施したものおよび加工をしていない Si 基

被加工材；SiC 基板板に対して，押し込み深さを変えて硬さ試験をした結果を示す．単結晶 SiC 薄膜の場合，押し込み深さが 500 nm

図４

マイクロ溝加工結果の走査型電子顕微鏡観察像以上になると，硬さの値が一定になるのは，薄膜の厚さが 500 nm 程度で，基板に圧子が到達しているためと考えられる．また，薄膜のついていない基板で押し込み深さが小さい場合に硬さの値が安定していないのは，自然酸化膜などの影響のためと考えられる．
図６から，マイクロ溝加工をした SiC 薄膜（■）は，溝加工した Si 基板（▲）よりもレーザによる硬度の低下が見られず，無加工の Si 基板（△）とほぼ同様の硬度を5μm維持した．SiC 薄膜にレーザ加工によって溝加工を施すことにより，硬度の低下が抑えられたといえる．溝加工が加工部およびその周囲の機械的特性になんらかの影響1μmを及ぼしている可能性がある．
そこで，レーザフルエンスを変えて溝加工を行った場
30合について，それぞれの加工部における硬さやヤング率μmの違いを超微小押込み硬さ試験により調べた結果を図７に示す．
レーザフルエンス 0.028 J/cm2 のレーザを照射して加工した場合，加工をしていない SiC 薄膜と比較して，硬1μm6.2μm

590nm

度やヤング率が低下していた．一方，レーザフルエンス
0.023 J/cm2 のレーザを照射して加工した場合は，硬度やヤング率の低下は見られなかった．また，レーザフルエ

30μm

0ンス 0.011 J/cm2 のレーザを照射した場合も，硬度やヤング率の低下は見受けられない．これらから，レーザフ

2（レーザフルエンス；0.023 J/cm ）（被加工材；SiC 薄膜）
図５

Siウエハ
SiC薄膜+溝加工
Siウエハ＋溝加工
SiCウエハ＋溝加工

マイクロ溝加工結果の原子間力顕微鏡観察像薄膜の場合と同様に行えた．
次に溝と溝の間を 6 µm 間隔でステージ走査速度 2400µm/s を一定にして連続的に溝加工を行った結果の一例
を図５に示す．溝幅は 760 nm となっており，単独の溝加押し込み深さ nm工の場合に比べて，低いレーザフルエンスで溝が形成された．これは連続的に溝加工を行うと，熱影響などで溝の周辺部分の化学結合状態が変化して，低いレーザフル

図６エンスで加工が可能になることが考えられるが，詳細メ－ 238 －マイクロ溝加工結果の原子間力顕微鏡観察像

加熱

硬さ Gpa

Ni
Si C

Ni

L

Si CW

ヤング率 Gpa

W μm
L μm
図８1010~502020~100

試作マイクロアクチュエータの概略

Ni/SiC

押し込み深さ nm
SiC薄膜加工無SiC薄膜+溝加工(0.023J/cm2)
SiC薄膜+溝加工(0.028J/cm2)
SiC薄膜+溝加工(0.011J/cm2)
図７

Si

図９

マイクロ溝加工結果の原子間力顕微鏡観察像

ルエンスが高くなると，加工部周辺の材料特性や機械的試作マイクロアクチュエータの一例

ータの一例の観察結果を図９に示す．

特性になんらかの影響を与えていると考えられる．化学結合状態になんらかの変化をもたらしている可能性があるため，XPS（X 線光電子分光）分析などの解析を考慮中である．

６．まとめ
355nmUV レーザを用い，単結晶 SiC 面にナノレベルの加工をするに際しての加工条件とナノレベルの表面性状との関係について実験的に評価し，適切な加工条件を選択すれば，ナノレベルの穴や溝の加工ができることを示

５．マイクロ構造体の試作した．

単結晶 SiC 薄膜を材料として，数十µm オーダの微細片持ちはり構造のバイモルフ形式熱型マイクロアクチュエ

謝辞ータの作製を試みた．高ヤング率の SiC 材料を用いるこ

本研究は，天田金属加工機械技術振興財団の一般研究とで，一般に発生力が小さい熱型アクチュエータの問題開発助成により実施した．援助下さった財団および関係を改善し，さらに高温環境下での使用も可能となり，ま各位に深甚なる謝意を表します．

た微細化により応答性の改善も期待できる．
バイモルフ構造を構成する一方の薄膜には，SiC 薄膜

参考文献と同様に高ヤング率，高融点で同膜との熱膨張率の差が1) Y. FURUKAWA, H. SASAHARA, et al.; Principal

大きい材料として Ni（ニッケル）を選択した．Ni 薄膜のFactors Affecting the Sub-Micrometer Grooving

膜厚は，SiC 薄膜（膜厚 180 nm）と組み合わせた場合にMechanism of SiC Thin Layers by a 355 nm UV

理論上最大変位が得られる膜厚を選択した（膜厚 200 nm）．

Laser, Annals of the CIRP, Vol. 55, No. 1, 2006, pp.

作製したマイクロアクチュエータの概略仕様を図８に示

573-576

す．また，作製したはり幅 20 µm のマイクロアクチュエ－ 239 －