フェムトパルストレインビームによるコヒーレントフォノン励起加工に関する研究
九州大学大学院工学研究院機械工学部門
准教授 林 照剛
（2014年度 一般研究開発助成AF-2014220 ）キーワード：フェムト秒レーザー，表面励起加工，アブレーション，ダブルパルス
1.研究の目的と背景
ピコ秒〜フェムト秒のパルス幅を持つ超短パルスレーザーを用いたレーザーアブレーション加工は，その熱影響層が小さく微細加工に適する[1]．また，フェムト秒レーザーでの加工が期待される材料には，透明体材料，ワイドバンドギャップ半導体，超硬材料，セラミックスなどの焼結系材料があげられ，その応用分野は，例えば，透明材料については，アブレーション加工，光導波路，回折格子の形成，また，バルク材料内部の選択的エッチング，レーザー溶接などがあり[2,3,4]，また，半導体製造分野では，ワイドバンドギャップ半導体材料のステルスダイシング[5,6]などに応用されている．
筆者らは，これらの難加工性材料の表面，また，透明な材料についてはその表面および内部を局所的に光励起し，その光励起領域を低照度フェムト秒レーザーで選択的に加工する技術を提案し，研究を進めている．
提案技術の特徴として，局所的な領域を低照度ビームで加工するため，加工精度の向上や加工領域周辺の加工変質層や損傷領域の抑制が見込まれる点が挙げられる．また，産業応用の観点からは，低照度レーザーによる加工の実現が見込まれることから，加工装置の光源部分の小型化とそれに伴う低コスト化，省エネルギー化が期待できる．
フェムト秒レーザーを照射した場合に生じる光励起現象には，光照射面で励起される電子によって生成されるキャリアの励起現象[7]や量子化された格子振動（フォノン）の励起現象[8]などが挙げられる．さらに，キャリアおよびフォノンの励起は，キャリアおよびフォノンの振動位相が全体的に揃ったコヒーレント励起と，位相の揃っていないインコヒーレント励起に分類される．
コヒーレントフォノンは，位相の揃った原子の集団行動によって現れるフォノンモードであり，試料表面にフェムト秒レーザー光が照射され，格子振動の固有振動数よりも短い時間幅で高強度電界が形成される場合に現れることが知られている[9, 10]．
従って，コヒーレントフォノン励起面では，格子の振動の位相，周波数が一様な状態が形成されると考えられ，その励起面にレーザーを照射すれば，レーザー加工条件が安定化し，従来加工技術より制度の良い加工が実現することが期待される[10, 11]．
また，フェムト秒レーザーの高強度電場に対する加工材料の応答を利用した加工技術が確立すれば，物質本来の材料特性を光照射によってコントロールし，より加工に適した条件で加工が行えることが期待され，その工業的価値は高いと考えられる．
助成申請時の研究計画では，格子イオンのコヒーレントな励起現象に分類されるコヒーレントフォノン励起面を加工した場合の影響を調査するための研究計画を立案している．
しかし，超短パルス光を物質に照射し，その高強度電界によって，加工対象表面が光励起される場合，その励起効果は，インコヒーレントな励起とコヒーレントな励起が重畳したものになると考えられる．
そこで，本報告では，インコヒーレント光励起とコヒーレント励起の影響を峻別し，コヒーレントフォノン面の加工現象を解明するため，まず，インコヒーレント励起の影響，特に，その影響が一番大きいと考えられる導電帯に励起される電子密度の変化によって生じる過渡的な変化とその加工に及ぼす影響について調査した結果についてまとめる．

2.実験方法フェムトパルスによって瞬間的に励起された領域の光励起と減衰の影響および，光励起領域の空間的な存在範囲について調査するため，パルストレインビームを最も単純な形で実現したダブルパルスビームを用いた実験を遂行する．
具体的には，加工対象半導体基板の損傷閾値以下の照度の励起用の第一パルスと加工用の第 2 パルスからなる，パルストレインビーム（ダブルパルスビーム）を構成し，２つのパルス間隔を変化させて，基板表面の光励起加工実験を遂行した．
その実験の遂行のために，構築したダブルパルス表面励起加工システムの基本構成を図１に示す．
フェムト秒レーザー光源を偏光ビームスプリッター(PBS)で第 1 パルス(Initial pulse)と第 2 パルス(Second pulse)２つに分割し，光遅延光路（Delay line）を利用して，第 2 パルスに時間遅延を与え，パルスの照射タイミングをコントロールする．
分割されたビームは，偏光ビームスプリッターを介して再び同じ光路に重ねられ，２つの時間的に近接したパルスがレンズ(L1)によって集光され，サンプルを加工する．それぞれのパルスの強度はパワーメーター(Photo Detector)によって，計測され，また，２つのパルスの時間間隔は，分光器(Spectrometer)上のスペクトル干渉縞を計測することで計測している．使用した光源の波長は 794nm，パルス幅は 70fs，Delay line

Original pulse
Initial pulse
Second pulse
Initial pulse+ Second pulse
M2-M3

M4-M5
FemtoPulse laser
1/4λ
Half wave plate

1/4λ

PBS
M1

M5
BS1

1/4λ
Spectrometer
BS2

Photo Detector

Polarizer Mirror (M)Quater wave plate (1/4λ)

Lens (L1)

Beam Splitter(BS)
SamplePolarizing Beam Splitter (PBS)

図１ ダブルパルス表面励起加工システムの構成

偏光は，直線偏光，加工用のサンプルは，4H-SiC 研磨面（Si 面 (0001) ），オフ角は 4°である．
上の加工システムを用いて，試料表面の光励起加工実験を行うためには，照射パルスの時間間隔を 10fs のオーダーで制御する必要がある．そこで，構築したシステムには，第１パルス(IP)と第 2 パルス(SP)の照射タイミング（パルス間隔）を IP と SP のスペクトル干渉波形から計測する機構を
まず，パルス遅延時間の測定方法について述べる．フェム
ト秒レーザーの周波数-電界振幅スペクトルに対応する数列
Ak を用いて，IP の電界を式（1）に，SP の電界を式(2)に示す．
ただし，光源となるフェムト秒レーザーのスペクトル幅を Δλ とした時，Δλ を 2n で分割し，そのスペクトルの中心から波長が長くなる方向に変化幅 Δλ/2n で増加する数列を λk，短くなる方向に減少する数列を λ-k と定め，フェムト秒レーザーの波長が λk となる時の，光波のその周波数における振幅を表す数列を Ak と定める．また，ｔは時間，φ は初期位相，δ は，IPと SP の光路長差とする．
nn⎛ 2π⎞E IP = ∑ Ek = ∑ Ak exp j ⎜t + φ⎟λ⎝⎠k=− nk=− nk(1)nn⎛ 2π2πδ ⎞ESP = ∑ Ek′ = ∑ Ak exp j ⎜t +φ +λλ k ⎟⎠⎝ kk=− nk=− n(2)おいて，その残差が最も小さくなる点を時間原点と定める．
さらに，式(3)から，IP と SP の光路長差が 0 となる時，そのスペクトル波形から，IP と SP の間の遅延時間を測定するには，まず，図 2 で求めた時間原点を図 1 の稼動ミラーM4-M5の基準点とし，その点からの稼動ミラーM2 の移動量を d とし，一連の d に対するスペクトル波形の変化を計測する．
次に，図 3 に示すように IP と SP の光路長差 δ が変化した場合のスペクトル干渉波形を計測する．この波形を，式(6)で求めるスペクトル干渉パターンと比較し，スペクトル干渉波形（図 3）と同じ特徴を持つスペクトル波形（ピーク数，ピークの高さの比，ピーク位置とピーク間隔）を選択し，ミラーの移動量 d と IP と SP の光路長差 δ の校正を行う．その後，ミラーの移動量 d に基づいて定まる δ の値から，IP と SP のパルス間隔 τ を定めることができる．

(a)τ=0s(時間原点)(b)τ=110fs

フェムト秒レーザーの周波数強度プロファイルがガウス分布となる時，数列 Ak は，k=0 を中心として対称，かつ，その振幅の A0 に対する比を示す関数 B(k)（B(n)=Ak/A0）は k を変数とする標準正規分布で表現できる．この時，そのスペクトル干渉の時間平均値 I は式(3)で表される．

(I = ( E IP + ESP ) E IP* + ESP*

⎡ n⎞⎤⎛) = Re ⎢⎢ ∑ A ⎜⎝ 1+ exp j 2λπ δ ⎟⎠ ⎥⎥⎣ k=− n2kk⎦

(3)

ただし，式中の*は複素共役，＜＞は，時間平均を意味する．
理想的な干渉スペクトル波形では，光路長差 δ=0 の時にスペクトル干渉のパターンは，光源のスペクトル波形に従って，ガウス分布となり，δ の値に伴って，スペクトル干渉波形が変化することから，スペクトル波形と δ の関係を用いて，IPと SP の周波数干渉スペクトルから IP と SP の遅延時間 τ を求めることができると考えられる．
以下に，IP と SP の遅延時間 τ が 0 となる時間原点の求め方，および，遅延時間 τ の算出方法についてまとめる．
IP と SP の波長分解スペクトルは，ガウス分布と完全に一致しない場合，時間原点の同定には，IP と SP の電界強度の周波数スペクトルを計測し，その合計となるスペクトル和を求める．
次に，分光器上で IP と SP を重ねて計測する周波数スペクトル干渉波形と IP と SP のスペクトル和の残差を周波数ごとに求めて合計し，図 2 に示すように，スペクトル干渉波形に

1!
0.8!
0.6!
0.4!
0.2!

fs

0!
-800!

-400!

0!

400!	
図 2 時間原点と残差の関係

800!

(c)τ=220fs(d) τ=880fs
図 3 スペクトル干渉波形の変化
上述の方法によって，第１パルスと第 2 パルスの時間間隔を精密に制御し，第一のパルスにより励起された光励起領域の励起効果の減衰について調査し，アブレーション加工領域の損傷閾値を計測した．この実験では，第 2 パルスによって，基板表面が加工される場合の損傷閾値がパルスの時間間隔によって変化する量を計測し，第 1 パルスの励起効果の減衰量を SiC ターゲットの損傷閾値の変化として，定量的に計測している．
また，光励起領域の空間的な範囲とその領域の時間的な変化を確認するため，ダブルパルスによって加工された基板表面の加工形状を原子間力顕微鏡（AFM）を用いて計測した．

3.研究の成果
図 4 に，パルス間隔が 1ps のダブルパルスビームによって，SiC ターゲットを加工した結果（AFM 像とその断面プロファイ
ル）を示す．
第 1 パルス，第 2 パルスともに SiC の損傷閾値である
990mJ/cm2 を下回る Max 800mJ/cm2 の照度のレーザーで加工を行っており，第 1 パルス，第 2 パルスを時間間隔を100ms 以上にして複数回照射してもターゲット表面に，加工痕は確認されないが，時間間隔を 400ps 以下にした場合は，試料表面を加工することができることが確認された．
このことは，第 1 のパルスが照射後，400ps までの間には，時間的に減衰する表面励起効果が現れていることを意味している．また，レーザー加工の加工領域の断面プロファイルの計測結果から，その領域は空間的には，800mJ/cm2 の照射強度のビームにおいては，深さ 30nm の範囲に空間的に局在していることが確認できる．
次に，図 5 にシングルパルスビームのピーク照度を変化させて SiC ターゲットを加工した場合の損傷閾値を示す．

SiC Minimum Ablation Fluence 0.4	
100ps
120060[nm]

01530[nm]1000

Ablatedarea

Fluence mJ/cm210µm

800
600
400
Ablation threshold for single pulse

200

Annealing threshold for single pulse
Ablation threshold for second pulse

00.1


1

AFM image

10Pulse interval ps100

図 6 パルス間隔と損傷閾値の関係

ターゲット表面の照射位置で，ガウス分布のエネルギープロファイル（空間的な分布）を持つレーザーに対して，その照度のピーク値を 1000mJ/cm2 から 1600mJ/cm2 の照度範囲で変化させた場合，ダメージの損傷閾値は平均で 990mＪ/cm2 である．このことから，ターゲットの損傷閾値から一定の照度範囲のパルスを照射する場合は，パルスのピーク強度にかかわらず，その損傷閾値は変化しないことが確認できる．
フェムト秒レーザーを半導体材料の表面に照射すると，その高強度電界によって，電子が励起され，キャリアを形成し，その後，電子の脱励起プロセスを経て，その励起効果は減衰すると考えられる．
ここで，電子と格子イオンの相互作用が始まるまでの時間のオーダーでは，電子励起のエネルギーは，光照射領域に閉じ込められ，また，その時間のオーダーでは，励起電子の拡散領域が小さな領域に限定される．従って，強い電界強度のレーザーを照射すると，時間的に短い時間，空間的に小さな表面領域に高いエネルギーを持つ電子が閉じ込められた光励起場が形成されると考えられる．
そこで，上述の励起領域を加工する場合に，パルス間隔の増加による励起効果の減衰が，加工結果に及ぼす影響を調査した．図 6 に，ダブルパルスのパルス間隔を変化させて（400fs から 100ps），SiC ターゲットの損傷閾値を計測した結果を示す．
図 6 のグラフにはあわせて，SiC ターゲットをシングルパルス照射し，同じ条件で損傷閾値を計測した結果を青の実線（アニーリング）と赤の実線（アブレーション）で示している．
ダブルパルスビームによる SiC ターゲット加工において，第2 パルスによる加工における損傷閾値の計測結果は，全てシングルパルスの加工による損傷閾値を下回り，その差分が第 1 パルスの励起効果によるものだと考えられる．
図 6 のグラフにおいて，ターゲットの損傷閾値が低いことは，第 1 パルスの励起効果がより高いことを意味している．
従って，第一パルス照射後，その励起効果は，1ps 以降，パルス間隔の増加とともに失われていくこと，1ps までの時間範
囲では，その励起効果はほとんど失われないことが確認できる．
図 7，および図 8 に光励起表面の加工結果と，シングルパルスビームによるレーザー加工結果を，パルス間隔を変化させて比較した結果を示す．
図 7(a)ならびに図 8 の黄線が，シングルパルスビームを用いて SiC ターゲットを加工した結果を示す．ビームの強度は，エネルギーの釣り合いをとるため，後述のダブルパルスビームによる加工を行う場合の，第 1 パルスと第 2 パルスの合計
値としており，今回，励起用の第 1 パルスと加工用の第 2 パルスの照度は等しいことから，加工用の第 2 パルスの２倍のパワーでの加工結果となる．
次に図７(b), (c), (d)は，励起用の第 1 パルスと同じ照度のレーザーで，光励起面を加工した結果であり，第 1 パルスと第 2 パルスの時間間隔はそれぞれ，1ps，10ps，100ps に設定している．また，図 8 には，図 7 に示した加工痕の断面プロファイルを重ねて記載している．
図 7 の加工痕について，シングルパルスビームとダブルパルスビームで等量の合計エネルギーとなるようにビームを照射した場合，加工痕の大きさ，深さは，シングルパルスビー

Damage thrshold [mJ/cm2]

図 4 SiC ターゲットの加工結果

1100
1000
90010µm

(a) Single pulse

10µm

10µm

10µm

10µm

(b) Double pulse 1ps10µm

8007006009001100
13001500
Peak fluence [mJ/cm2]

1700

図 5 SiC ターゲットの損傷閾値（シングルパルス照射）(c) Double pulse 10ps(d) Double pulse 100ps
図 7 パルス間隔の変化による励起加工領域の変化

10µm

謝Depth [nm]

t=100 ps

100-10-20-30-40

t=10 ps
t=1 ps

Single pulse

-20-100X-axis [µm]

1020

図 8 表面励起加工領域の断面プロファイルの比較
ムのほうが，ダブルパルスビームを照射する場合に比べて大きくなることが確認される．
これは，例えば，シングルパルス照射で合計２のエネルギーをダブルパルスでは，それぞれが１のエネルギーを持つパルスに分割して照射することが原因で，照射パルスの電界強度の強さに依存する非線形光励起効果が，より強いエネルギーを照射するシングルパルス照射時に大きくなるためであると考えられる．
次に，ダブルパルスビームの照射結果において，パルス間隔が 1ps の場合と 10ps の場合を比較するとその差異がほとんどないが，これは，第 1 パルス照射後に価電子帯から導電帯に励起した電子が，10ｐｓ程度の時間までは，励起電子の再結合などによりそのエネルギーを失わず励起された状態を保っていることを意味しており，この結果は，Sundaram
らの報告[11]にある電子の励起とキャリア散乱，キャリアーフ
ォノン散乱の過程を経た電子の励起状態から脱励起の過程の時間オーダーと良く一致する．
第 1 パルスの照射後，10ps 以降の時間オーダーでは，オージェ発光による再結合，放射再結合などが発生し，励起電子は，正孔と再結合し，脱励起が加速される．その結果は
図 7(d)ならびに，図 8 の結果からも確認でき，フェムト秒レーザーによる表面励起効果は，10ｐｓまでの時間までは，ほぼ初期の励起状態を維持し，その後 100ps までの間にその励起効果が大きく失われることが確認できる．
しかしながら，図６，図７および図 8 の結果から，ダブルパルスビームによる光励起過程を利用すると，シングルパルスビームのターゲット損傷閾値を下回る照度のレーザー光で，ターゲットの加工が可能であることがわかり，また，パルス間隔の調整によって，その励起領域を減衰させるなどして調整することによって，空間的に，また時間的に限られた領域に存在する光励起領域を低照度レーザー光で加工できることが確認できる．
以上の実験結果から，パルストレインビームによる加工を行うことによって，時間的にまた空間的に局在する光エネルギーによる励起場を，半導体基板表面に形成し，その領域を精密に加工できる可能性を示唆した．
今後は得られた知見を基に，詳細な励起メカニズム，加工メカニズムについて検証を行い，コヒーレント励起現象であるコヒーレントフォノン励起[9]，表面プラズモン励起について，その加工影響を検討し，光表面励起技術を利用した精密加工技術の確立[10,11]に向けた研究を継続する予定である．

辞本研究の遂行に際して，研究に関するご助言，実験装置の構築等にご助言，ご協力をいただきました量子科学技術
研究開発機構関西光科学研究所長谷川 登様，錦野将元様に謝意を示します．本研究は，科研費（課題番号25289017，26630028）ならびに，公益財団法人 天田財団
2014 年度 一般研究開発助成（課題番号 AF-2014220）の助成を受けて実施されたことをここに記し謝意を示します．

参考文

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