Influence of inner shell electron on material processing by soft X-ray free electron laser

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20K12494
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 坂上 和之 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (80546333)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 軟X線レーザー / レーザー加工 / 光・物質相互作用

Outline of Annual Research Achievements

レーザーによる加工はそのパラメータを変えることによって穴あけ、切断、溶接、研磨など様々な用途に用いられることから、市場規模が年々拡大している。中でも微細な加工を行う、マイクロ加工の需要の伸びが著しく、半導体の微細化・複雑化にけん引され、さらなる微細化が将来的に求められると予想される。本研究課題では、従来より微細なレーザー直接加工を可能とする軟Ｘ線レーザーによる加工に取り組んだ。特に、従来のレーザー光と比べて10倍以上高い光子エネルギーの光を用いることから、その加工の物理過程の調査実施した。軟X線レーザーによる加工は主として軟X線自由電子レーザーSACLAを用いて行い、これまでにシリコンやガラス、SiCなどSiを中心とした材料や金属アルミニウム、サファイアなどのAlを中心とした材料、及びダイヤモンドなどの難加工材料に対して、レーザー直接微細加工を実現した。その加工メカニズムに関して、100eV近傍に吸収端を持つSiを用いることによって、光の侵入長、つまり内殻電子による吸収が、レーザー照射時に物質に与える構造変化を決定していることを見出した。また、光イオン化エネルギーや物質の結合エネルギーとの関係などにより、物質表面で起こる加工の過程が異なることが確認され始めており新たな知見として調査を進めている。本研究課題におけるこれらの成果は、軟X線レーザーによる加工の原理をすべて理解するにはもちろん至らないものの、その一部を明らかにし、そのユニークな特徴を示すとともに、従来のレーザーでは困難な微細加工を実証した。これらの成果より次世代のレーザー直接微細加工の基盤を確立することができたといえる。今後もこの基盤を活用し、軟X線レーザーによる加工のメカニズムに関する研究や特徴的な加工の抽出に取り組んでいく。