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レーザ照射と超精密切削のサイマルプロセッシングによる高品位微細構造体の創成
レーザ照射と超精密切削の東北大学 大学院工学研究科 機械機能創成専攻
サイマルプロセッシングによる准教授 水谷 正義
高品位微細構造体の創成（平成  年度一般研究開発助成$)）

水谷

正義 *

M. Mizutani
キーワード：レーザプロセッシング，超精密切削，デバリング，微細構造体，機能性表面

キーワード：レーザプロセッシング，超精密切削，デバリング，微細構造体，機能性表面

１．緒言

れぞれの現象を解明するとともに，それらを解決可能な加工プロセスの提案を目的とした．

製品の設計において材料の選択や形状は重要であるが，それと同等に表面機能が製品の性能に寄与する割合も大きい．最近では表面加工技術の進歩が著しく，それらに２．超精密切削による微細構造体創成

よって表面を高機能化し，製品としての性能・機能を向上 ・ 実験条件させることを目的にした研究が盛んに行われている 1)．

 本章ではまず基礎実験ととくに光学製品や光学素子の開発では，表面に微細な構して，図 1 に示す形状を有す造体を創成することにより，光学機能を向上させる，あるる矩形バイトを用いて超精いは別の特殊な機能を発現させることが可能になる．例え

密切削を行い，微細構造体創ばサブミクロンオーダの微細構造体を表面に創成した場

成時に発生する欠陥（主にバ合には，その構造体の存在によって，強い光学異方性や波リ）の発生状況を確認した．

長依存性，あるいは共鳴現象による電磁場の増強や狭い領実験装置にはナガセイン域への光閉じ込め等，様々な光学現象が発現する 2)．そのテグレックス社製の超精密ため，それらの現象を理解し，それらを効率的かつ効果的微細形状加工機 MIC-300 をに発現させる構造体を創成することが重要になる．

使用した．本加工機は X，Y，Z 軸の最小位置決め分解能

100o

先端幅5 μm

図1 矩形バイト

微細構造体による高機能化を応用した光学素子に関しが 0.1 nm，B，C 軸分解能が 0.00001°の性能を有しており，て，一部ではすでに実用化が進められている．その中で，同時 5 軸制御加工を行うことが可能である．この仕様によ

超精密切削によって微細構造体を創成する方法は，形状自り，本加工機は本研究で対象とするサブマイクロ～マイク

由度や材料選択性などの様々な利点から適用範囲は広範

ロメートルオーダの微細構造体創成に十分な性能を有しである 3),4)．ただしその一方で，この方法で微細構造体をている．また，被削材には P 濃度 10 wt%の Ni-P めっきを創成した場合には，欠けやバリといった欠陥の発生が大き使用した．表 1 に切削実験における基本的な条件，表 2な課題となる．とくに今後さらに構造体の微小化，高精度に同実験の切込み条件を示す．

化が期待される中で，この欠陥をいかに除去するかは大き ・ 矩形平行溝構造体における欠陥発生状況

なポイントになる．

図 2 に矩形平行溝構造体に発生した欠陥の観察結果を本研究は，著者らが提案するレーザ援用サイマルプロセッシング（LAS）を適用し，この課題の解決を狙ったも示す．同図より，総切込み深さ d = 5 μm の構造体では主のである．ここで LAS とは，局所加熱切削の一種であるに欠けが発生し，バリに関しては稜線部に微小なバリが確レーザ援用切削を，レーザパラメータおよび切削条件を制認される程度である．それに対して，d = 10，15，20 μm御することにより微細構造体創成時の欠陥抑制に適用さの矩形平行溝ではいずれも構造体上面の稜線部に明確なせたものである．著者らはこれまでに，通常の超精密切削バリが発生していることが確認できる．と比較して LAS により微細構造体上に生成する欠陥のう

表 1 実験条件

ち，欠けを抑制可能であることを明らかにし，本手法の有効性を示している 5),6)．ただし現段階では，（Ⅰ）バリ及び欠けのそれぞれの生成メカニズムの違いから，欠けの抑制は可能となっているが，バリに対してはそれを抑制する適切な条件の選定には至っていない．また，（Ⅱ）レーザ照射を行うことでもたらされる悪影響についても検討の余地が残されている．そこで本研究では，（Ⅰ），（Ⅱ）のそ* 東北大学

大学院工学研究科

機械機能創成専攻

准教授- 81 -

切削速度
雰囲気
切削環境
被削材
工具材料
工具すくい角2000 mm/min
23°C
オイルミスト
Ni-P (P10 wt%)
単結晶ダイヤモンド0°図（b）に示す．これらの図より，各構造体上に発生する

表 2 切込み深さ条件
総切込み深さ d μm
d=5d = 10d = 15d = 20

d1 + d2 + d3 + d4 μm
5.0
5.0 + 5.0
5.0 + 5.0 + 5.0
5.0 + 5.0 + 5.0 + 5.0

バリ高さは，総切込み深さが大きくなる，すなわち高アスペクト比の構造体ほど大きくなることがわかる．とくに複数回切削により創成される d = 10 μm 以上の構造体では構造体高さに対して一定のアスペクト（hB / h = 0.1 程度）のバリが発生することが確認できる．

３．レーザ援用サイマルプロセッシング（/$6）のデバリング効果 ・ 熱伝導解析による構造体への熱侵入長の検討
本研究では LAS 時の局所加熱を利用して微細構造体の欠陥（バリ）を除去（デバリング）し，高品位微細構造体を創成することを狙っている．これを実現するために鍵に(a) d = 5 μm     (b) d = 10 μmなるのは，構造体自体への熱の流入（本研究では熱侵入長と表現する）を抑え，バリに対してのみ瞬間的に高エネルギを与えることである．そこで，熱伝導解析を行うことによりデバリング時の熱侵入長（深さ方向の温度勾配）について検討を行った．具体的にはまず，熱侵入長に対するレーザ波長 λ およびパルス幅 τ の影響について，平板に対(c) d = 15 μm     (d) d = 20 μmするレーザ照射を模擬した熱伝導解析により評価を行っ

図 2 矩形平行溝構造体に発生した欠陥の様子

解析モデルの模式図を図 4 に示す．同図に示すように本た．
解析では 2 次元平板モデルを用い，表 3 に示す条件でのレーザ照射を模擬した解析を行うことで λ および τ の影響を評価した．レーザ照射対象は膜厚 100 μm の Ni-P（P10wt%）めっきを施した基板とした．表 4 に Ni-P の熱的・機械的物性値を示す．
各条件でのレーザ照射による表面からの温度勾配を比較するため，表面での温度上昇量を 1 とした時の深さ方向の温度上昇量をまとめた結果を図 5 に示す．また，熱侵入長を表面での温度上昇量の 1/e となる距離と定義し，各条件によるレーザ照射での熱侵入長を表 5 に示す．図 5 に示(a) 構造体のバリ高さの平均値 hB

すように，各条件でのレーザ照射による熱伝導現象を比較した場合，波長およびパルス幅が短い条件ほど表面近傍での温度勾配が大きくなることが確認できる．また，表 5 に示すように，パルス幅 3 ns のレーザによる熱侵入長は 70 ~80 nm であるのに対して，パルス幅 20 ps のレーザによる熱の侵入長は 22 nm と極めて小さくなることが確認できる．このことより，LAS 時のデバリングにおいても，熱侵入長の違いにより材料表面近傍での加工現象および欠陥除去性に大きな影響を及ぼすことが予想される．そこで
次節では，第 2 章で最も顕著にバリが発生した d = 15 μm(b) hB と構造体高さ h の比 hB / hの矩形平行溝構造体に対してレーザ照射を行い，レーザによるバリ除去性（デバリング）に対する λ および τ の影響

図 3 微細構造体に発生したバリの評価について検討する．

次に，図 2 に示したそれぞれの構造体のバリ高さの平均値 hB についてレーザ顕微鏡を用いて測定した結果を図 3（a）に示し，hB と構造体高さ h の比を算出した結果を同- 82 -の間で任意に変更可能である．なお，照射範囲の調整は光軸の絞りにより行うため，照射範囲を変化させてもエネルギ密度は一定となる．
実験条件を表 6 に示す．本実験では，デバリングにおける波長 λ の影響を検討するため，Nd: YAG レーザの基本波（λ = 1064 nm），第 2 高調波（λ = 532 nm）および第 3 高調波（λ = 355 nm）を使用して実験を行った．照射範囲は 60μm × 60 μm とし，レーザの照射回数は 1 ~ 200 shots までの範囲で実験を行った．

図 4 熱伝導解析モデルの模式図

図 6 にレーザ未照射面および各波長のレーザによる
Q = 0.5 J/cm2，N = 200 shots の条件でのレーザ照射面（デ表 3 解析条件
波長 λパルス幅 τ
エネルギ密度 Q
照射回数 N
初期温度 T0バリング面）の SEM 像を示す．同図より，レーザ未照射355，532，1064 nm
3 ns，0.5 ns，20 ps
0.1 J/cm2
1 shot20°C

面では第 2 章での結果と同様，矩形形状平行溝構造体の稜線部にバリが発生していることが確認できる．これに対してデバリング面では，構造体稜線部のバリがレーザ照射による熱エネルギの集中で溶融していることが確認できる．
ただし，Q = 0.5 J/cm2 の条件では，λ = 355 , 532 , 1064 nm

表 4 Ni-P (P10 wt%) の熱的・機械的物性値（室温）
熱伝導率 k W/(m・K)
密度 ρ g/cm3
比熱 Cp J/(g・K)のいずれの波長によるデバリングでもバリは完全に溶融

5.02
7.90.480

せず，構造体稜線部に残存していることがわかる．
次に，Q = 1.0 J/cm2 の条件によるデバリング面を図 7 に示す．同図より，エネルギ密度が十分である場合には，各波長のレーザによる N = 200 shots の条件では矩形形状溝の底部が溶融し，構造体自体の形状が劣化することがわかる．また N = 5 shots の条件では，λ = 355，532 nm の場合には，レーザ照射領域内でバリが完全に除去できていることが確認できる．一方，λ = 1064 nm のレーザにおいては，N = 5，200 shots のいずれの条件においても，バリ部を完全に除去できていないと同時に，矩形形状溝の底部が溶融していることが確認できる．このように，レーザの波長によりバリの除去性に差異が生じたのは，前節で明らかにし

図 5 各条件でのレーザ照射による深さ方向の温度勾配

たように各波長のレーザを照射した際の熱の侵入長が異なることにより，構造体の表面近傍における溶融・蒸発な

表 5 各条件でのレーザ照射による熱の侵入長
パルス幅 τ3 ns0.5 ns20 ps

波長 λ熱侵入長 l1064 nm

80.3 nm

532 nm77.8 nm

355 nm72.8 nm

532 nm532 nm43.6 nm22.0 nmどの熱伝導現象に差異が生じたためであると考えられる．
表 6 実験条件
波長 λ355，532，1064 nm

エネルギ密度 Q
照射回数 N
パルス幅 τ
周波数 f
照射面積 S

0.5，1.0 J/cm2
1 ~ 200 shots
3 ns50 Hz
60 × 60 μm2

 ・ LAS におけるデバリング効果の実験的検証 ・・ デバリングに及ぼす波長の影響



LAS 時のデバリングにおける波長 λ の影響を検討する
ため，パルス幅を τ = 3 ns と固定した条件でデバリング実験を行い，バリの除去性および構造体の形状変化について評価した．レーザ発振器には New Wave Research 社製のQuikLaze-50 を用いた．本装置のレーザ強度は，最大レーザ強度を 100%として 1 ~ 100%の間で 1 %刻みで調整可能となっている．照射範囲は長方形であり，1 辺を 1 ~ 60 μm- 83 -表 7 実験条件

(b) λ = 355 nm(a) レーザ未照射面

266 nm0.01 ~ 0.06 J/cm2
1 ~ 200 shots
20 ps
50 Hz
2.5 mm

波長 λエネルギ密度 Q
照射回数 N
パルス幅 τ
周波数 f
スポット径 d(c) λ = 532 nm(d) λ = 1064 nm

図 6 レーザ未照射面およびレーザ照射面の様子

（0.5 J/cm2，200 shots）(i) 1 shot

(a) N = 5 shots

(ii) 5 shots(iv) 100 shots(b) N = 200 shots(i) λ = 355 nm，Q = 1.0 J/cm2(iii) 10 shots(v) 200 shots

図 8 レーザ照射面の様子（τ = 20 ps，λ = 266 nm，Q = 0.06 J/cm2）
ザ媒体は前節で用いたレーザ発振器と同じく Nd: YAG であり，基本波（λ = 1064 nm），第 2 高調波（λ = 532 nm），第 3 高調波（λ = 355 nm）に加えて第 4 高調波（λ = 266 nm）

(a) N = 5 shotsの発振が可能である．

(b) N = 200 shots

本節の実験条件を表 7 に示す．本節では上述のレーザ照(ii) λ = 532 nm，Q = 1.0 J/cm2

射装置による τ = 20 ps のレーザにより照射実験を行い，前節での実験結果と比較を行う．波長 λ は前節での結果を踏まえ，最も好適な条件であると予想される Nd: YAG レーザの第 4 高調波（λ = 266 nm）とした．また，前節での実験と同様に照射回数は 1 ~ 200 shots とした．
 図 8 に実験結果の代表として Q = 0.06 J/cm2 の条件によ(a) N = 5 shots

るレーザ照射面の SEM(b) N = 200 shots

像を示す．同図（i）に示(iii) λ = 1064 nm，Q = 1.0 J/cm2

すように，N = 1 shot の

図 7 レーザ照射面の様子（1.0 J/cm2）

レーザ照射面においてバリ部のみが溶融していることが確認できる．

 ・・ デバリングに及ぼすパルス幅の影響
レーザデバリングにおけるパルス幅の影響を検討する

また，N = 5 , 10 shots のために，τ = 20 ps のレーザによるレーザデバリング実験を条件においては，同図行った．また，前節で最も好適な条件であった τ = 3 ns，（ii），（iii）に示すよう

λ = 355 nm のレーザによる実験結果と比較を行い，バリ除に，レーザ照射面の中央去性に対するパルス幅の影響を検討した．レーザ発振器は部においてバリが完全EKSPLA 社製の PL2250 を用いた．本レーザ発振器のレーに除去されていること- 84 -

図9 フェムト秒ファイバ
レーザによるLASの可能性
検証

が確認できる．ここで，同図（ii），（iii）とパルス幅 τ = 3 ns(4)第 2 章で作製した微細構造体のうち，バリの発生がのレーザによる実験結果（図 7（i）（a））を比較すると，顕著であった d = 15 μm の矩形形状平行溝に対して

図 8（ii），（iii）では構造体上面の溶融がなく，溝底部のレーザデバリング実験を行った結果，τ = 20 ps，溶融も非常に少ないことがわかる．これは，前節で述べた

λ = 266 nm のレーザにおいて形状誤差の増大を伴わように熱侵入長が短いことにより，バリ部のみを優先的にない高品位なバリ除去が可能であることを明らかにした．

溶融・除去がされたためだと考えられる．ただし照射回数
が N = 100，200 shots の場合には，同図（iv），（v）に示す(5)

LAS におけるバリ除去性には，レーザ照射による熱ように，構造体ごと大きく破壊されることになる．とくに，の侵入長が関わることを確認し，短波長，短パルス同図（v）に示す，溝底部に形成された連なった穴形状やのレーザであるほど良好なバリ除去が可能であるこ

溶融層の広がりなどは，レーザ照射の熱エネルギによる溶とを明らかにした．

融・蒸発などの熱伝導現象だけでは説明することができず，レーザが微細構造体に入射した際に形成する電界場の影謝 辞

響や，非熱的な除去現象（アブレーション）などが関わる本研究は，公益財団法人天田財団 平成 28 年度一般研究と考えられる．
以上の結果を踏まえ，現在はパルス幅 τ をフェムト秒まで短くした超短パルスのファイバレーザを導入し，図 9開発助成（AF-2016221）および工作機械技術振興財団 研
究助成により実施した研究に基づいていることを付記す
るとともに，各財団に感謝致します．に示す通りレーザ照射口を縦型に配置することで超精密加工機上での LAS の実用可能性について検証を行っている．

参考文献
 太田稔：表面機能向上のための表面改質・仕上げ技術の展望, 精密工学会誌, 81-12 (2015), 1049.

４．結言

 菊田久雄：表面微細構造による光学機能の発現と応用技本研究では，超精密切削によるマイクロオーダの微細構術, 精密工学会誌, 74-8 (2008), 781.

造体上に発生したバリを除去する手法としてレーザ援用サイマルプロセッシング（LAS）によるデバリング法を提 蛯原建三・山本明・河合知彦・羽村 雅之：超精密多軸案し，その有効性について検討を行った．その結果得られ加工機によるマイクロ・ナノ切削加工, 日本機械学会誌,
111-1073 (2008), 4.

た知見を以下に示す．

 洪榮杓：超精密加工機の現状と加工事例, 精密工学会誌,
(1)

(2)

78-9 (2012), 744.

先端幅 5 μm の矩形バイトにより平行溝構造体創成実験を行った結果，構造が高アスペクト比であるほ 益子直人・小林龍一・寺岡祥平・高柳俊・嶋田慶太・水どバリの発生が顕著になることを明らかにした．

谷正義, 厨川常元：微細構造金型加工に対するレーザ援

平板に対する熱伝導解析を行い，レーザ波長の影響用マイクロ切削法に関する研究, 砥粒加工学会誌, 59-10,(2015), 588.

を検討した結果，波長が短いレーザほど熱侵入長が Xu S., Osawa S., Kobayashi R., Shimada K., Mizutani M.

小さくなることを明らかにした．
(3)

熱伝導解析において，レーザのパルス幅の影響を検and Kuriyagawa T. ： Minimizing berrs and defects on討した結果，パルス幅が短いレーザであるほど熱侵microstructures

入長が小さくなることを明らかにした．

Technology, International Journal of Automation Technology,
10-6, (2016), 891.

- 85 -withlaser

assisted

micromachining