軟X線レーザーによる表面ナノ加工技術
量子科学技術研究開発機構 量子技術基盤研究部門
関西光量子科学研究所 量子応用光学研究部
Ｘ線超微細加工技術研究プロジェクト
上席研究員
石野 雅彦
2023年6月20日（火）1本技術の概要• 従来のレーザー光よりも発振波長の短い
軟X線レーザーによる表面加工技術です。
• 酸化アルミニウム（サファイア）および酸化チタンの各表面においては、サブナノメートルの深さを持つ加工が可能です。
軟X線：概ね波長が 0.1~30 nmの電磁波を指す。
サブナノメートル： 0.1 nm以上1 nm未満の長さを指す。
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表面加工
材料表面に目的とするパターンを描画（2D）または形成（3D）すること。
機械加工

レーザー加工オークマ株式会社

三菱電機株式会社

https://www.okuma.co.jp/product/5avmc/index.html

https://www.mitsubishielectric.co.jp/fa/
products/mecha/laser/pmerit/2d/gx-f/index.html

ドリル等の工具を使った機械加工やレーザー照射による溶融・気化を利用するレーザー加工が代表です。

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加工操作に求められる技術
自動化が進む加工装置
手法
機械加工
レーザー加工

操作スキル
パラメータ設定ができる技術者が必要（NC装置以外ではある程度の熟練が必要）
パラメータ設定ができる技術者が必要

装置の高い制御性、パラメータの自動設定により、誰が操作・作業しても同じ製品ができます。
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加工技術の問題点
加工サイズには限界がある。
手法
機械加工
レーザー加工加工サイズ> 数十マイクロメートル> 1マイクロメートル

主な要因
工具サイズ
集光サイズ

株式会社光響https://www.symphotony.com/process/

毛髪（直径） 50~80 μm

集光サイズ d ∝ F λ
F = f/D エフナンバー

5表面微細加工技術
最先端はリソグラフィ技術
手法
レーザー加工リソグラフィ加工

照射（露光）波長赤外線~紫外線例）YAGレーザー： 1064 nm
ArFレーザー： 193 nm
極端紫外線（EUV）光: 13.5 nm

半導体集積回路の製造においては、EUVリソグラフィ技術が最先端の製造技術として実用化されています。
2030年までには、最小線幅の実効値が10ナノメートルよりも細くなることが予想されています。

レーザー加工の発展には加工サイズの微細化が必要です。

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レーザー加工の利点• 材料表面の直接加工手段である。

– リソグラフィ加工の複雑な工程を省略できる。
– レジストなどの薬剤を必要としない。
リソグラフィ加工
基板洗浄

レジスト塗布
現像

プレベーキング

ポストベーキング

洗浄

露光
エッチング

回路

レーザー加工
基板

洗浄

照射
洗浄

回路

簡便かつ環境負荷の少ない加工手段となり得ます。
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解決手段：3つの新技術
加工サイズの微細化はレーザー波長の短波長化と集光径の縮小、照射強度の調整が必須となる。
（１）短波長化d∝Fλ株式会社光響https://www.symphotony.com/process/（２）微小集光光学系の採用（３）照射強度の調整
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（１）短波長化
短波長レーザー ＝ 軟X線レーザー
赤外線（波長 ～1 μm） = 1/100 => 軟Ｘ線（波長 ～ 10 nm）

軟X線領域に発振波長をもつ軟X線レーザーを照射光源に適用します。
紫外線とX線をつなぐ光軟X線とは波長が0.1~30 nmの電磁波です。
軟X線は空気を含む物質に強く吸収されるため、真空中を伝播させる必要があります。

Wikiペディア：電磁スペクトル

https://ja.wikipedia.org/wiki/電磁スペクトル9レーザー条件
レーザー加工において、熱的影響（バリやクラック）のない構造形成には超短パルスレーザーが有効です。
ナノ秒パルス

ピコ秒パルス

フェムト秒パルス

株式会社光機械製作所
https://tyotannpulselaser.com/tyotannpulselaser/

ピコ秒およびフェムト秒の超短パルスレーザー
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パルス幅

株式会社光機械製作所
https://tyotannpulselaser.com/tyotannpulselaser/

ナノ秒（ns）=> 1/1000 => ピコ秒（ps） => 1/1000 => フェムト秒（fs）
YAGレーザー

超短パルスレーザー

超短パルスレーザーのパルス幅は、指先に光路が入る時間スケールです。

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超短パルス軟X線レーザー
プラズマ軟X線レーザー（量研）
発振用プラズマ

軟X線自由電子レーザー（理研）

軟X線レーザープラズマ

増幅用プラズマ

理研 ”SACLA BL1”
http://xfel.riken.jp/index.html

発振波長： 18.9 または 13.9 ナノメートル
パルス幅： 7 ピコ秒

発振波長： 8 ~ 40 ナノメートル（可変）パルス幅： 28 フェムト秒

いずれの光源もレーザー加工に利用可能です。

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（２）微小集光光学系の採用
2段集光光学系によるナノ集光の実現
0.64 μm

軟X線レーザー
発生源

集光鏡

0.61 μm

第１集光点
第２集光点

理研（SPring-8, SACLA）プレスリリース

http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/press_release/2019/191002/

J. Synchrotron Rad. 26, 1406 (2019).
転載許諾済

ナノメートルスケールのスポット径を実現します。
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（３）照射強度の調整
減衰器による強度調整機構の導入

強度調整が適切でないと 加工 損傷になります。
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照射手順
波長選択範囲： 1 ~ 30 ナノメートル
照射強度調整パルス幅選択範囲： 10 フェムト秒 ~ 10 ピコ秒
試料位置調整加工
注意深く準備を行えば順序が変わっても大丈夫

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加工試料
• サファイア（酸化アルミニウム）：Al2O3• 酸化チタン：TiO2
機械的（硬い、耐摩耗性）、光学的（透過性、触媒）、熱的（耐熱性、熱伝導性）、電気的（絶縁性、誘電率）、化学的（耐食性）な特性に優れており、工業的にも広く用いられています。

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実施例：サファイア

１パルス照射（シングルショット）でサブナノメートル（1 nm未満）の深さをもつ構造を形成できます。
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実施例：酸化チタン

1000パルス照射でサブナノメートル（1ナノメートル未満）の深さをもつ構造を形成できます。

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実施例：サファイア

１パルス照射（シングルショット）でそれぞれ100ナノメートル幅とサブナノメートルの深さをもつ構造を形成できます。
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実施例：サファイア
照射波長 10.3 ナノメートル

照射波長 13.5 ナノメートル

10.00 µm

試料を走査することで、10マイクロメートルを超えるライン状パターン構造を形成できます。
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想定される用途• ナノメートルスケールのパターン描画が見込める
ため、従来のレーザー加工では未到達の超精密微細加工の実現が期待できます。
• サファイアおよび酸化チタンに対する加工では、誘電体材料の加工と考えると電気素子への展開、基板材料の加工と考えると光学素子への展開が考えられます。
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実用化に向けた課題• 現在は、実証実験に留まっています。
• 今後、実用化に向けて実験データを蓄積し、加工条件の設定に努めます。
• 実用化においては、加工速度（スループット）の向上技術を確立する必要があります。
• 本技術の導入には軟X線レーザー光源の導入が必須となります。
量研のもつプラズマ軟X線レーザー光源の開発技術を活用し、軟X線レーザー光源の導入を支援します。
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プラズマ軟X線レーザーの導入
光源開発概算と想定ロードマップ
・プラズマ励起用レーザーシステム
・軟X線レーザー光源およびビームライン
・軟X線光学部品
・その他（建屋, 加工ライン, 人件費など）： 1億5千万円： 5千万円： 2千万円： 適宜

2億円～

軟X線レーザー光源および加工装置の導入
1年目
ロードマップ

2年目

3年目

4年目

5年目以降

プラズマ励起用レーザー 軟X線レーザーシステムの構築
光源の開発
マシンスタディビームラインの構築 加工ラインの構築（参考）
理研（播磨）X線自由電子レーザー施設：
ASML社（蘭）EUVリソグラフィ装置：

軟Ｘ線レーザー加工機による製品生産388億円（2011年完成）> 1億ユーロ（140億円）/台
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企業への期待• レーザー加工技術や超微細パターン描画に興味を持つ企業との共同研究を希望します。
– 表面ナノ加工の技術向上を目指します。

• レーザー加工装置の開発企業、表面加工分野への技術展開を考えている企業との共同研究を希望します。
– プラズマ軟X線レーザー光源の導入を支援します。

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：表面造形方法及び表面造形装置• 出願番号：特願2023-41379• 出願人：量子科学技術研究開発機構
近畿大学• 発明者：石野雅彦、ヂンタンフン
錦野将元、三上勝大
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産学連携の経歴• 2018年-2027年
文部科学省、光・量子飛躍フラッグシッププログラム（Q-LEAP）事業に採択• 2021年-2023年 近畿大学と共同研究実施

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お問い合わせ先
量子科学技術研究開発機構
イノベーションセンターまでお願いします
ＴＥＬ ： 043－206－3027
ＦＡＸ ：043－206－4061
e-mail：chizai＠qst.go.jp
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ご清聴ありがとうございました

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終わり29