光放射圧を利用した微粒子操作によるマイクロ加工に関する研究

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09450060
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 三好 隆志 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (00002048)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高橋 哲 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助手 (30283724) ; 高谷 裕浩 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (70243178) ; 島田 尚一 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (20029317)
• Keywords: 光放射圧 / マイクロ加工 / レーザトラッピング / 超精密加工 / 微細加工 / 微粒子

Research Abstract

Maxwellの電磁波散乱理論に基づく微小球の光放射圧シミュレーションによって以下のような解析結果が得られた。
(1) 光放射圧は1mW当たりピコニュートン(pN)程度の微小な力ではあるが、微小球を捕捉するに十分な力であり、またトラップ力は入射光のパワー、対物レンズの開口数および微小球の屈折率に比例することが分かった。
(2) 集束レーザビームの焦点位置が微小球の中心より下の場合、押し付け力となり、上の場合は引き上げ力となる。またダイヤモンドのように屈折率が高い媒体ほど押し付け力は大きくなることが分かった。
上記シミュレーション解析結果に基づいて、Arイオンレーザを用いたダイヤモンド砥粒によるシリコンウエハ表面の光放射圧マイクロ加工基礎実験から次のようなことが明らかになった。
(1) 0.1nN程度の光放射圧で、平均粒径4μmのダイヤモンド砥粒を安定して保持することができ、さらに一部の砥粒は約150rpmで回転し、光放射圧は回転中の砥粒を自由に移動制御することが可能である。
(2) AFMやSEMによる加工痕の観測から、KOH溶液中で光放射圧によるダイヤモンド砥粒への押し付け力と回転力そして光照射による光反応効果やKOH溶液の化学的効果の相互作用によって深さ数ナノメートルのマイクロ加工の可能性が示唆された。
(3) シリカ微小球(直径5μm)をマイクロ工具として用いた場合、約2μm程度の細い溝形状が観測されたことから、シリカ微小球のマイクロレンズ効果によってレーザ光は微小スポット径に絞られ、細い溝のマイクロ加工の可能性が示唆された。

Research Products

• [Publications] T.Miyoshi,H.Shimizu,Y.Takaya: "Optical Radiation Pressure Micro-machining Using Diamond Grain" Proceedings of The 4th International Micromachine Symposium. Tokyo. 99-104 (1998)
• [Publications] 三好隆志,清水浩貴: "光放射圧を利用した微粒子操作によるマイクロ加工に関する研究" 第45回レーザ熱加工研究会論文集. 東京. 63-71 (1998)