超短パルスレーザ微細加工の最適加工条件探索に関する研究
地方独立行政法人岩手県工業技術センター
主任専門研究員

機能表面技術部

目黒和幸(平成 23 年度一般研究開発助成 AF-2011216)
キーワード : 超短パルスレーザ、微細加工、金属加工

1. 研究の背景と目的最適加工条件の探索を行った。

従来の Nd:YAG レーザや CO2 レーザを用いた加工と比べて、超短パルスレーザによる加工では熱影響が少なく[1]2. 実験

微細加工が可能であることや透明体の表面あるいは内部超短パルスレーザによる微細加工実験には、(株)ラステックへの加工が可能など産業応用上非常に魅力的な加工手法

社製の LPF-2 を使用した。搭載されているレーザ発振器は、である。これまでの超短パルスレーザ光源としては主に研最大出力 4 W、中心波長 1,030 nm の Yb:KGW レーザ究用として使われている Ti:Sapphire レーザ(波長 800 nm(Light Conversion 社, PHAROS-4W)である(図.1)。このレ付近)を用いた報告例が中心であった。近年、産業用に開ーザは、fs 発振したレーザ光をチャープパルス増幅する際、発された高安定・高出力・高効率な Yb 系超短パルスレー

再生増幅部で繰返し周波数を 1～200 kHz、パルス圧縮器でザ(波長 1,030 nm)が普及し始めているものの、これらのパルス幅を 259 fs～10 ps の範囲に可変できる。レーザ光はレーザを用いた際の各種素材に対する最適加工条件はま可変アッテネータでパワーを調整した後、空間フィルターによだ十分に調査されていない。

るビーム整形とビーム・エキスパンダーによるビーム径調整をレーザ加工においては、照射フルーエンス(J/cm2)に対経て、レンズで集光されて試料表面へ照射される。集光レンズ

する除去体積を計測することで加工除去能や加工閾値のは対物レンズ(ミツトヨ M Plan Apo NIR 10×, f = 20)と f-θ レ

評価を、ビームスポットの重なり量(移動速度・繰返し周ンズ(ジオマテック FT-100, f = 101.3)を、ビーム走査はガル波数)を変化させて加工精度および熱影響範囲(HAZ :バノスキャナ(最大 4,000 mm/s)と XY ステージ(最大 200

Heat Affected Zone)の評価を行うのが一般的である。超mm/s)を使い分けることが可能であるが、本研究ではすべて短パルスレーザ加工の場合には、これらに加えて HAZ のの実験において対物レンズによる集光と XY ステージによる走形成に対するパルス幅の影響についての調査が重要であ査を選択した。

る。これは、パルス幅が電子－格子間衝突緩和時間(τe-p)

加工対象は、MEMS や電子デバイスで多用されるシリコンよりも短い場合に格子系に効率良くエネルギーが投入さと、耐食性・耐熱性等に優れるニッケル基合金材料を準備しれる[2]ため、数 ps を境にして HAZ の様相が変化することが考えられるためである。また、超短パルスレーザ加工では、低フルーエンス領域で高精度の加工が可能であるもののアブレーションレートが低く、高フルーエンス領域では熱影響が大きくなることから、パルス幅・繰返し周波数・照射パワー・走査速度など多くのレーザ加工パラメータの最適値を見出すことが必要である。
そこで本研究では、シリコン、金属、合金に対して、各レーザ加工パラメータを変化させた際に加工レートおよび精度、加工部周辺の HAZ について系統的に調査を行い、－ 177 －

図.1 : 超短パルスレーザ発振器の写真た。シリコンは、厚さ 0.75mm の n 型 Si(100)ウェハを SPM

繰返し周波数 200 kHz、スキャン速度 10 mm/s に固定洗浄した後、バッファードフッ酸(BHF)で酸化膜を除去しし、照射フルーエンスに対する加工溝幅と HAZ の幅をパたものを用いた。金属試料は、厚さ 0.1 mm の板材を機械

ルス幅 260 fs および 10 ps で比較を行った結果を図.3 に的に切断し、中性洗剤および有機溶媒による脱脂洗浄した示す。ここで照射フルーエンスは、ビームの強度プロファものをガラス板上へワックス固定したものを用いた。

イルを理想的なガウス型と仮定し、溝加工痕の幅と照射パワーからクレーター法[7]を用いて算出した。パルス幅 260

3. 結果と考察

fs の時は、パルス幅 10 ps と比べてアブレーション閾値が3.1 シリコンの加工結果低フルーエンス側に移動し、溝幅も 10～20 %広く加工さ図.2 に高フルーエンス領域(< 10 J/cm2)において溝加れていることがわかる。これは、照射フルーエンス F工を行った際の典型的な加工痕の SEM 像を示す。この電(J/cm2)がパルス幅 τ(s)とピークパワー密度 I0 (W/cm2)の子顕微鏡像はレーザ加工後に試料を純水および有機溶媒積であることから、同一の照射フルーエンスを比較したと中で超音波洗浄してから観察を行ったものであり、加工溝

きに 260 fs の方が約 40 倍のピークパワー密度、即ち約内部および周辺部に強固に付着したデブリの存在が確認1,600 倍もの高強度光電場にさらされているため、より低できる。Si 表面にアブレーション閾値を超えたレーザ光

いフルーエンスでアブレーションが始まりパワー密度のを照射すると、多光子吸収イオン化を引き金に逆制動放射低いレーザの裾野領域でも加工されるためである。また、による電子加速と衝突イオン化でアバランシェイオン化

熱影響に関しては低フルーエンス領域ではパルス幅の違を生じる[3]ことで Si が激しく蒸発除去される。レーザビ

いでの大きな差は見られないが、10 J/cm2 を超えたあたームの強度プロファイルはほぼガウス分布形状(M2<1.2)

りから 10 ps の時に熱影響の大幅な増大が見られた。これをしているため、V 字状の溝が形成されている。加工溝のは、アブレーション加工に使われる以上の余剰な光エネル周辺にはコントラストが違って見える部分が見られるが、ギーが蓄熱される効果はパルス幅が長いときに顕著に表表面形状は未加工部と同じ高さで平坦性を保っている。これることを示している。蓄熱の影響はレーザスポットの重の領域はレーザパルス継続中の急激な温度上昇とレーザパルス終了後の急冷によって Si がアモルファス化[4,5]した
ため、電子顕微鏡像でコントラストの変化として観察されたものであると考えられる。超低フルーエンスでのレーザ照射においてレーザ照射部のみアモルファス化する場合もあることが報告されている[6]が、今の場合は加工部からの熱伝導の影響で HAZ が広がったものであると考えられる。

図.3 : シリコンにおける照射フルーエンスに対する
図.2 : シリコンへの溝加工時の典型例

加工溝幅と HAZ 幅の関係

－ 178 －

なり率(オーバーラップ・レート)の方がより大きな影響を示すと考えられる。オーバーラップ・レートは走査速度と繰返し周波数の比で決定されるので、スキャン速度を 10～100 mm/s に増大させて同様の実験を行ったところ、加工閾値の変化が見られた他、パルス幅が短くなるにつれてHAZ の幅が減少する傾向が見られることが確かめられた。
これにより超短パルスレーザ加工において非熱加工を実現するにはパルス幅が短いことは重要であるが、必要以上にオーバーラップ・レートを上げるとプラズマが発生してアブレーション除去が生じないばかりか蓄熱が促進されることがわかった。

図.5 : ニッケル材の加工溝形状と照射パワーの関係
図.4 : ニッケル材の加工溝形状の様子
がりまで含めた最大開口幅、W3 は加工部近傍の盛り上がり
3.2 ニッケル基合金の加工結果が生じる最大幅、D は本来の試料表面位置からの溝深さ、H予備実験としてニッケル板材に対する溝加工時の典型的なは盛り上がりの最大高さである。10 mW 付近でアブレーション加工痕のレーザ顕微鏡観察結果を図.4 に示す。図中の観察

加工が始まり、照射パワーの増加に伴って溝深さ D と溝幅像は右に行くに従って照射フルーエンスが増大した時の表面W1 が増加していく。その後 200 mW で D が最大となって加形状を示しており、低フルーエンス領域ではきれいな V 溝が工効率が最も良くなるが、それ以上のパワーを投入しても蓄形成されているがフルーエンスの増大に伴って溝のエッジ部熱と酸化の促進に使われて溝ではなく山が形成されていく様に盛り上がりが発生し、ついには元の面より高い山状に膨れ子が分かる。また、HAZ の幅 W3 については照射パワーの増上がってしまう。この原因は、過剰なエネルギーにより高温とな加に伴って片対数プロットで直線的な関係性が確認できる。

った箇所が溶融するよりも早く大気中の酸素と反応して酸化

即ち、HAZ の幅は照射パワーに対して指数関数的に増大すが促進されたものであると考えられる。これをより詳細にまとめることを表している。試料表面へのレーザパルス照射は 10 psたものを図.5 に示す。加工条件は繰返し周波数 200 kHz、パ以下の極短時間であるが、HAZ の評価は十分に熱的平衡にルス幅 260 fs、スキャン速度 10 mm/s に固定し、照射パワー達してから観察することを考えれば、熱拡散方程式はラプラスを変化させて溝形状の評価を行ったものである。前節と同様方程式に帰着できるため、空間的な最大到達温度の分布はにクレーター法で照射フルーエンスへの換算を試みたが、表レーザ照射位置から指数関数的に減少することが影響してい面酸化の影響でビームスポット径算出が困難であったため、るものと定性的に説明することができる。300 mW 以上で横軸は照射パワーのままで表示してある。加工部の断面プロ

HAZ の幅が一定値に収束することを説明するためには、試料ファイル評価のために、幅や高さを次のように定義した。W1の熱伝導の他に対流や放射を考慮する必要がある。

は本来の試料表面位置での溝幅、W2 は試料表面から盛り上－ 179 －次に、ニッケル基合金の加工結果について述べる。ニッケ

るはずであるが、本実験で繰返し周波数の違いによって加工ル基合金として、Inconel–600, Hastelloy C–276, Super–形状に差異が認められなかったため、これからの議論では便Invar, Invar–42 を準備した。レーザの加工条件として、繰返宜的にこの表示法を採用することとした。加工形状の評価は、

し周波数を 10, 100 kHz の 2 水準、パルス幅を 260 fs, 10 ps

先の図.4 に示したようにきれいな溝形状になる場合を良条件の 2 水準、照射パワーを 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000(○印)、溝のエッジ部に盛り上がりがあるなど溝と山が同時にmW の 7 水準、走査速度を 1, 2, 5, 10 mW の 4 水準を取り、生じる場合を境界条件(△印)、レーザ照射部が山になる場合各条件で溝加工した際の加工形状をレーザ顕微鏡により評を不良条件(×印)と判断し、それぞれの加工条件の位置に印価を行った。Inconel–600 における加工形状評価の結果を図.6 に示す。繰返し周波数 f (Hz)、走査速度 V (mm/s)、ビームスポット径 a (mm)の場合、オーバーラップ・レートは 1 –V/(f×a)と表されることから、加工点 1 点に当たるパルス数は(f×a)/V となる。この量を縦軸に取り、横軸に照射フルーエンスとして繰返し周波数、照射パワー、走査速度の加工条件を縮約して一つの図に表したものである。厳密には、繰返し周波数 10 kHz と 100 kHz の時でプラズマの発生状況などが異な

図.7 : Inconel–600 材の加工条件①の加工形状

図.6 : Inconel–600 材の加工形状評価結果図.8 : Inconel–600 材の加工条件②の加工形状－ 180 －を表示した。また、加工溝の深さを等高線として表示し、境界加工条件であることが分かった。一方、加工条件②において領域において谷と山の高さの差がゼロとなる条件のときを境には、深さ約 11.9μm とかなり深い溝形状加工が実現されていして、谷が形成されている場合を実線、山が形成されている場るが、溝幅が広く、熱影響による山部の形成と走査方向に不合を破線として表示した。照射フルーエンスが大きいほど、ま均一な溝になっていることから良い加工条件とは言えないことた加工点へのパルス数が多いほど試料表面へ与えられる熱が分かった。パルス幅 10 ps の場合でもほぼ同様の結果であ量が多くなるため、パルス幅に関わらず図の右上に行くほど

り 、 最 適 加 工 条 件 は パ ル ス 数 100, フ ル ー エ ン ス 0.64

熱影響が大きく加工不可条件(×印)になっていくことがわかる。

J/cm2 であった。

さらに、パルス幅 10 ps のときは×印の領域が広く、等高線も同様にHastelloy C–276材での結果を図.9に、Super–破線と実線の境界が左下に移動していることから、パルス幅がInvar材の結果を図.10に、Invar–42材の結果を図.11に示

長いと同じ加工条件でも熱影響が大きくなることが明瞭に示さす。これら他のニッケル基合金においても大まかな傾向は類れている。パルス幅 260 fs のときに溝深さが深くなる加工条件似しており、図の右上に行くほど熱影響が大きく、パルス幅がが、①良条件(パルス数 50,フルーエンス 1.3 J/cm2)と②境界長い方が熱影響は大きいことがわかる。これらの合金における条件(パルス数 10,フルーエンス 32 J/cm2)に存在する。図.7

最適加工条件は、260 fsのときはパルス数 50, フルーエンスに加工条件①における加工形状、図.8 に加工条件②におけ

1.3 J/cm2、10 psのときはパルス数 100, フルーエンス 0.64

る加工形状評価結果を示す。加工条件①においては、深さ約～1.3 J/cm2 であった。この結果で興味深い点は、合金の種4.8μm の均一な溝形状を有し、熱影響部が最も少ない最適類に関わらずほぼ同じような加工条件で最適な加工が実現で図.9 : Hastelloy C–276 材の加工形状評価結果

図.10 : Super–Invar 材の加工形状評価結果－ 181 －

きたことである。一口にニッケル基合金と言っても、耐食性・耐4. まとめ

熱性等に優れるInconel–600やHastelloy C–276と、低熱膨シリコンおよびニッケル基合金に対して超短パルスレ張性のSuper–InvarやInvar–42では、Ni以外の金属(Crやーザによる微細加工の最適化条件の探索を行った。シリコMo等)の含有量が大きく異なり、その結果として硬さや弾性係ン、ニッケル基合金共にパルス幅 10 ps での加工に比べて数などの機械的物性や化学的物性も大きな違いがある。しか260 fs の加工で熱影響が少ないことがわかった。各種ニッしながらこれらの合金は、融点(1350～1450℃)、比熱(430～ケル基合金の加工の結果、材料の熱的性質が近ければ同程460 J/(kg・℃))、熱伝導率(11.1～14.8 W/(m・K))など熱膨度のレーザ加工性が得られることが分かった。

張率以外の熱的物性が似通っていることから、レーザ加工性

超短パルスレーザ加工において非熱加工を実現するにには熱的物性だけでほぼ決定することが考えられる。一方、はパルス幅が短いことは重要であるが、オーバーラップ・パルス幅に関しては260 fsの方がパルス重なり数が少ない条レートを必要以上に上げないことがアブレーション加工件で最適となることから、10 psと比べて2～3倍のスピードで加には有効である。パルス幅 260 fs での加工では、フルー工できることが明らかとなった。これはフェムト秒レーザを使用

エンス 2 J/cm2 以下、パルス数 100 以下で精細な加工が可するとピコ秒レーザよりも加工精度が高く加工スピードも向上能である。これらの結果から、フェムト秒レーザはピコ秒レーザできることを示しており、産業応用上有利であると言える結果よりも加工精度が高く加工スピードも向上できると言える。

である。

謝辞
本研究は公益財団法人天田財団平成 23 年度一般研究開発助成(AF-2011216)を受けて行われたものです。ここに感謝の意を表します。

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図.11 : Invar–42 材の加工形状評価結果－ 182 －