超短パルスレーザ照射による金属及び半導体の溶融・蒸発過程の研究

1999 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

本研究の目的は,超短パルスレーザによって,新しい精密微細加工を実現するとともに,加工現象を明らかにすることである.本年度は,超短パルスレーザによる金属とシリコンの溶融・蒸発現象を,熱流体解析と分子動力学シミュレーションによって明らかにした.
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,マランゴニ力を考慮し,VOF法を導入して,蒸発を伴う溶融池流れを解析した.加工穴は,主に蒸発反眺圧力によって溶融池表面が押し下げられるために生じる.このとき誘起される溶融池内の流れが溶融金属を周囲に押しやることで穴周囲に盛上りが生じる.この流れはレーザ照射終了後も持続し盛上りが成長する.盛上りの周囲が凝固するときに,マランゴニカが盛上りを助長する.
分子動力学シミュレーションでは,すでに提案している改良型分子動力学法を用いて,超短パルスレーザによる金属の蒸発形態に2種類あることを示した.一つは,パルス幅が非常に短い場合に生じる爆発的な蒸発であり,もう一つは,パルス幅が長いときに生じる比較的穏やかな蒸発である.前者では,蒸発粒子がクラスタとなって飛散しやすいのに対して,後者では,ばらばらに飛散しやすい.これらの相違は,パルス幅10psがミ目安となる.シリコンについては,Stillnger-Weberポテンシャルを用いた三次元シミュレーションを行った.Si(111)面の方がSi(100)面よりも内部への衝撃波の伝播速度が速く,パルス幅が5psといった比較的長いときは,si(111)面の方が溶融深さも深くなる.Si[111]方向には原子配列が層状であり,格子振動が伝播しやすいためである.これに対して,パルス幅が0.2psといった極めて短いときは,溶融深さは表面の結晶構造にほとんど依存しない.極超短パルスでは,レーザの内部吸収の影響が大きく,熱伝導の効果が非常に小さいためである.

Research Products

• [Publications] 大村悦二: "超短パルスレーザによる衝撃現象の分子動力学シミュレーション"精密工学会誌. 66-. (2000)
• [Publications] 渡辺幸司: "超短パルスレーザ照射による半導体材料の溶融・蒸発現象の分子動力学シミュレーション"第48回レーザ熱加工研究会論文集. 25-33 (1999)
• [Publications] Etsuji Ohmura: "Computer Simulation on Laser Ablation and Thermal Shock Phenomena with Molecular Dynamics"Proc. of ICALEO'99. (1999)
• [Publications] Jay F. Tu: "Characterization of Keyhole Plasma in 20 kW-Class CO_2 Laser Welding"Proc. of ICALEO'99. (1999)
• [Publications] Takuo lkeda: "In-Process Monitoring of Weld Qualities Using Multi Photo-Sensor System in Pulsed Nd :YAG Laser Welding"Proc. of ICALEO'99. (1999)
• [Publications] 大村悦二: "分子動力学によるレーザ加工プロセスの可視化"精密工学会誌. 65-11. 1543-1546 (1999)
• [Publications] 大村悦二: "レーザ加工のモデリング・シミュレーション"レーザ熱加工研究会誌. 6-3. 296-301 (1999)
• [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"精密工学会誌. 65-10. 1486-1491 (1999)
• [Publications] Etsuji Ohmura: "Simulation on Laser Ablation Process of Silicon with Three Dimensional Molecular Dynamics"Proc. of the 9th Int. Conf. on Production Engineering. 971-976 (1999)
• [Publications] Etsuji Ohmura: "Modified Molecular Dynamics Simulation of Ablation Phenomena with Ultrafast Laser"Proc. of the 9th Int. Conf. on Production Engineering. 977-982 (1999)
• [Publications] 大村悦二: "金属を対象とした改良型分子動力学法の開発-超短パルスレーザによる材料加工現象(第l報)-"溶接学会論文誌. 17-3. 382-386 (1999)
• [Publications] 大村悦二: "レーザ加工現象の解析-原子の動きを追って一"The News of Engineering Osaka University. 6. 7-7 (1999)
• [Publications] 大村悦二: "レーザアブレーションとレーザ衝撃現象の分子動力学シミュレーション"レーザ熱加工研究会誌. 6-1. 102-103 (1999)
• [Publications] Etsuji Ohmura: "Computer Simulation on Laser Ablation and Thermal Shock Phenomena with Mo-lecular dynanrics"Proc. of ICALEO'98, Ser. A. 45-54 (1998)
• [Publications] Yuri lshizaka: "Three-Dimensional Molecular Dynamics Simulation on Laser Materials Processing of Silicon"Proc. of ICALEO'98, Ser. A. 55-63 (1998)
• [Publications] Rina Murayama: "Thermohydrodynamic Analysis of Bump Formation in Laser Texturing"Proc. of ICALEO'98. Ser. C. 113-121 (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. 29-11. 800-805 (1998)
• [Publications] Etsuji Ohmura: "Thermohydrodynamics Analysis of Fusion Phenomena Accompanied by Evaporation Due to Laser lrradiation"Int. J. of Japan Society for Precision Engineering. 32-3. 196-197 (1998)
• [Publications] 大村悦二: "溶融池の流れ-流体力学の基礎と応用-"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: "レーザアプレーション-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 lrradiation"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] lchirou Fukumoto: "Simulation on Laser Ablation of fcc Metal with Modified Molecular Dynamics"Proc. of ICALEO'97, Sec. C. 150-158 (1997)
• [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. 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] 小国由明: "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.
• [Publications] Etsuji Ohmura: "Molecular Dynamics Simulation on Fusion and Vaporization of Metals and Silicol Due to Laser lrradiation"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] 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 lrradiation 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・蒸発過程の研究一分子動力学シミュレーションー"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 lrradiation 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ユレーション"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ユレーション"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] 宮本勇: "レーザ加工の自動化と信頼性の向上"レーザ熱加工研究会. 358 (1999)
• [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] 柳沢一郎: "重点領域研究「新素材ミクロ伝熱」最終成果報告書"柳沢一郎. 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: "Intemational 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)