超短パルスレーザ照射による金属および半導体の溶融・蒸発過程の研究

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09450274
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 大村 悦二 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (90144435)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大道 博行 大阪大学, レーザー核融合研究センター, 助教授 (70144532) ; 宮本 勇 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (90029273)
• Keywords: レーザーアブレーション / 超短パルスレーザ / 金属 / 半導体 / コンピュータシミュレーション / 理論解析 / 分子動力学 / 熱流体解析

Research Abstract

近年特に注目されているレーザ照射による精密・微細加工は,これまでは主に短波長化によってなされてきた,これに対して本研究では,ピコ秒以下の超短パルスレーザによって,新しい超精密・超微細加工を実現することを目的としている.
本年度は,昨年度新規導入したワークステーション2台を用いて,超短パルスレーザを金属およびシリコンに照射したときの溶融・蒸発現象を,熱流体解析と分子動力学シュミレーションによって明らかにすることを主に試みた.
熱流体解析では,蒸発潜熱と蒸発に伴う気液界面の移動,蒸発反跳圧力,温度勾配に起因する表面張力(マランゴニ力)を考慮し,自由表面の取扱いにはVOF法を導入することで,蒸発を伴う溶融池流れを解析した.その結果,レーザ照射によって生じる穴は,蒸発による気液界面の移動に最も起因し,蒸発反跳圧力の影響が次に大きいことがわかった.穴周囲の盛上りは,蒸発反跳圧力によって誘起される溶融池を外向きに押し出す流れがレーザ照射終了後も持続することで生成し,盛上りの周囲が凝固するときに,マランゴニ力が盛上りを助長する働きをすることを明らかにした.
分子動力学シミュレーションでは,金属について,自由電子による熱伝導を補正しながら分子動力学計算を行う改良型分子動力学法を提案しているが,熱拡散率を計算することで妥当性をより確かなものとした.これによって,蒸発粒子の速度分布や粒径分布などを調べた.レーザ衝撃現象についても,刃状転位の生成と移動に注目して検討した.シリコンについては,Stillinger-Weberポテンシャルを用い,初期原子配列を構築,原子のレーザ光吸収をモデル化して,溶融・蒸発過程の3次元シミュレーションを行った.特に,表面の結晶構造によって溶融・蒸発現象が異なることを明らかにした.

Research Products

• [Publications] 大村 悦二: "超短パルスレーザによるマイクロ加工の分子動力学シミュレーション" Proc.of the 5th Symp.on“Microjoining and Assembly Technology in Electronics". 213-218 (1999)
• [Publications] 大村 悦二: "レーザ誘起衝撃波による転位の生成と挙動に関する分子動力学シミュレーション" 高温学会誌. 25-1. 32-37 (1999)
• [Publications] Etsuji Ohmura: "Computer Simulation on Laser Ablation and Thermal Shock Phenomena with Molecular Dynamics" Proc.of ICALEO'98. (1998)
• [Publications] Yuri Ishizaka: "Three-Dimensional Molecular Dynamics Simulation on Laser Materials Processing of Silicon" Proc.of ICALEO'98. (1998)
• [Publications] Rina Murayama: "Thermohydrodynamic Analysis of Bump Formation in Laser Texturing" Proc.of ICALEO'98. (1998)
• [Publications] Etsuji Ohmura: "Computer Simulation of Laser Materials Processing" Int.J.of Japan Society for Precision Engineering. 32-4. 243-247 (1998)
• [Publications] Etsuji Ohmura: "Molecular Dynamics Simulation on Laser Ablation of Metal and Silicon" Int.J.of Japan Society for Precision Engineering. 32-4. 248-253 (1998)
• [Publications] 村山 里奈: "レーザテクスチャリングにおけるバンプ形成" 第45回レーザ熱加工研究会論文集. 53-62 (1998)
• [Publications] 大村 悦二: "レーザアブレーションー分子動力学法の基礎と応用ー" レーザ熱加工研究会誌. 5-1. 48-53 (1998)
• [Publications] 福本 一郎: "Molecular Dynamics Simulation of Laser Materials Processing with Animation Display" 第42回レーザ熱加工研究会論文集. 41-48 (1997)
• [Publications] Etsuji Ohmura: "Modified Molecular Dynamics Simulation on Laser Ablation of Metal" Int.J.of Japan Society for Precision Engineering. 31-3. 206-207 (1997)
• [Publications] 大村 悦二: "分子動力学と熱流体解析のレーザ加工への適用基礎" 第41回レーザ熱加工研究会論文集. 107-115 (1997)
• [Publications] 小國 由明: "レーザによる蒸発を伴う溶融現象の熱流体解析" 第40回レーザ熱加工研究会論文集. 147-156 (1997)
• [Publications] Etsuji Ohmura: "Molecular Dynamics Simulation on Fusion and Vaporization of Metals and Silicon Due to Laser Irradiation" Int.Center for Heat and Mass Transfer Symposium on Molecular and Microscale Heat Transfer in Materials Processing and Other Applications. 255-2265 (1996)
• [Publications] 福本 一郎: "レーザアブレーションプロセスの分子動力学シミュレーション" 第39回レーザ熱加工研究会論文集. 37-45 (1996)
• [Publications] 大村 悦二: "レーザ加工とMDシミュレーション" 日本設計学会誌. 31-9. 314-319 (1996)
• [Publications] 大村 悦二: "レーザーアブレーション現象の分子動力学シミュレーション" レーザー研究. 26-11. 800-805 (1998)
• [Publications] Etsuji Ohmura: "Thermohydrodynamics Analysis of Fusion Phenomena Accompanied by Evaporation Due to Laser Irradiation" Int.J.of Japan Society for Precision Engineering. 32-3. 196-197 (1998)
• [Publications] 大村 悦二: "溶融池の流れー流体力学の基礎と応用ー" レーザ熱加工研究会誌. 5-2. 140-146 (1998)
• [Publications] 大村 悦二: "金属およびシリコンのレーザアブレーションの分子動力学シミュレーション" 精密工学会誌. 64-6. 886-891 (1998)
• [Publications] 大村 悦二: "レーザアブレーション-分子動力学法の基礎と応用-" レーザ熱加工研究会誌. 5-1. 50-55 (1998)
• [Publications] Etsuji Ohmura: "Thermohydrodynamics Analysis of Fusion Phenomena Accompanied with Evaporation Due to Laser Irradiation" Proc.of ICALEO'97,Sec.G. 9-15 (1997)
• [Publications] Yoshiaki Oguni: "Thermohydrodynamics Analysis of Molten Pool in Laser Texturing and Laser Welding" Proc.of ICALEO'97,Sec.C. 198-205 (1997)
• [Publications] Ichirou Fukumoto: "Simulation on Laser Ablation of fcc Metal with Modified Molecular Dynamics" Proc.of ICALEO'97,Sec.C. 150-158 (1997)
• [Publications] Etsuji Ohmura: "Molecular Dynamics Simulation on Laser Ablation of fcc Metal" Int.J.of Japan Society for Precision Engineering. 30-2. 128-133 (1996)
• [Publications] Etsuji Ohmura: "Study on Fusing-and Evaporating-Process of fcc Metal due to Laser Irradiation Using Molecular Dynamics" Int.J.of Japan Society for Precision Engineering. 30-1. 47-48 (1996)
• [Publications] 大村 悦二: "レーザ照射によるfcc金属の溶融・蒸発過程の研究-分子動力学シミュレーション-" 精密工学会誌. 61-10. 1433-1437 (1995)
• [Publications] 大村 悦二: "レーザ熱加工と溶融・蒸発シミュレーション" レーザ熱加工研究会誌. 2-2. 73-82 (1995)
• [Publications] Etsuji Ohmura: "Study on Thermal Shock Phenomena due to Laser Irradiation Using Molecular Dynamics" Int.J.of Japan Society for Precision Engineering. 29-2. 148-149 (1995)
• [Publications] 大村 悦二: "レーザ熱加工の分子動力学シミュレーション" レーザ協会誌. 20-1. 8-11 (1995)
• [Publications] 大村 悦二: "分子動力学によるレーザ加工シミュレーション" レーザ技術研究会報. No.97. 3-7 (1994)
• [Publications] 大村 悦二: "レーザ照射による金属の溶融蒸発シミュレーション" 高温学会誌. 20-6. 228-235 (1994)
• [Publications] 中沢 弘: "生産加工の原理" 日刊工業新聞社, 369 (1998)
• [Publications] 荒井 栄司: "生産を科学する" 大阪大学大学院工学研究科生産科学専攻, 232 (1998)
• [Publications] 井上 勝敬: "各種接合加工における予測理論の構築" 大阪大学接合科学研究所, 357 (1997)
• [Publications] 棚沢 一郎: "重点領域研究「新素材ミクロ伝熱」最終成果報告書" 棚沢一郎, 428 (1997)
• [Publications] 棚沢 一郎: "重点領域研究「新素材ミクロ伝熱」平成7年度研究成果報告書" 棚沢一郎, 216 (1996)
• [Publications] Marc Bonis: "International Progress in Precision Engineering" Elsevier, 564 (1996)
• [Publications] 棚沢 一郎: "重点領域研究「新素材ミクロ伝熱」平成6年度研究成果報告書" 棚沢一郎, 214 (1995)