2013 Fiscal Year Annual Research Report
その場計測制御による超高アスペクト比微細形状のフォトニック・ナノジェット加工
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24246028
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
高谷 裕浩 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70243178)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
林 照剛 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00334011)
道畑 正岐 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70588855)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | フォトニック・ナノジェット / 超高アスペクト比微細加工 / 微粒子レンズ / 光放射圧 / フェムト秒パルスレーザー / 非熱的アブレーション加工 / 定在場スケール / 加工量計測 |
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| Research Abstract |
本研究は,先駆的な光放射圧制御微粒子レンズによるフォトニック・ナノジェット（PNJ）制御,フェムト秒パルスレーザーによる非熱的アブレーション加工および定在場スケール変位計測を,格段に発展・融合することにより, 独創的な超高アスペクト比微細形状加工・計測原理の確立を目的としている. 回折限界をはるかに超えるビーム径と数μmのビーム長をもつ,フェムト秒パルスPNJの加工特性を明らかにすることにより,幅100nm以下,深さ数μm以上の加工を可能にする.さらに，このような超高アスペクト比加工では,材料特性に依存する加工レートのばらつきを補償することによる,加工深さ制御が不可欠であるため，定在場スケールを利用した加工量のその場計測を導入し,加工の高精度化をめざす.
本年度は,フェムト秒パルスPNJの制御特性と加工分解能との関係を詳細に検討し，超高アスペクト比微細形状加工の実現性および精度限界などを検証した．まず，前年度に設計・試作した，チューナブル・フェムト秒チタンサファイアレーザー光源を用いた独自のフェムト秒パルスPNJ生成基本光学系を用いて，表面精度や結晶性などの点で加工現象解析に適している半導体用単結晶Siウェハを試料とした基礎加工実験を遂行した．その結果，従来の集光ビームとPNJを用いた加工現象を比較し，PNJを用いたほうがアスペクト比の高い加工が可能であることを確認した．さらに，最適なビーム状態を高い再現性で実現するため，フェムト秒パルスPNJ制御，加工ビーム位置およびショット数制御手法を開発し，アブレーションクレーター形状（加工痕）の詳細なAFM計測から，加工基板から離れた位置で発生したPNJを用いて穴径822nmの加工が可能であることを実証し，本研究で提案するマイクロ球のレーザートラップとフォトニックナノジェットを組み合わせた加工法が有用であることを示した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成25年度は, フェムト秒パルスPNJによる加工原理および加工制御技術を確立することを目的として，[1]フェムト秒パルスPNJによる加工現象について，a)フェムト秒パルスPNJの非熱的過程による加工現象とビーム特性の関係，b)多光子吸収過程による加工分解能とアブレーション閾値の関係，c)解析的なアブレ－ションレート予測に基づいた加工効率評価方法，d)フェムト秒パルスPNJの制御精度と加工横分解能及び縦分解能の関係を明らかにするとともに，[2] 様々な加工条件における超高アスペクト加工の実証実験，の遂行を計画した．まず，[1]の研究課題を進め，改良した実験装置を利用して基礎加工実験を集中的に実施し，徹底した現象解明を行った．その結果，a)，c)およびd)に関する新たな知見を獲得することができた．しかし，a)における非熱的過程の加工現象解析，b)多光子吸収過程およびc)の加工効率評価方法に関しては，未解明な点が残されており，十分達成されていない．さらに，[2] の研究課題の遂行によって，フェムト秒パルスPNJが従来手法より低パワーで，かつ高アスペクト加工が実現できることを実証し，実施計画では予測していなかった新たな加工現象も見いだされた点で，当初計画よりも高度なレベルで研究を進展させることができた．以上の研究経過から，本年度の研究計画の一部に達成度が十分でない点として，主としてフォトンと加工材料物性との相互作用に基づいた加工現象に関する解明が残されたが，フェムト秒パルスPNJによる加工原理の解明とその制御に関しては大きな支障はなく，また新たな加工現象に関する知見によってより高精度な加工制御技術への展開が拡がったことから，研究計画全体においては，おおむね順調な進展と自己評価した．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成25年度において見いだされたフェムト秒パルスPNJによる単結晶Siの加工現象として，特に従来の集光ビームによる加工よりも，高いエネルギー効率，ナノメートルオーダの横分解能，高アスペクト比が実現できること，が実証されている．今後の推進方策として，その知見に基づいたより高精度な加工制御方法への研究展開を図ることに注力する．本年度の研究成果において，高分解能な加工量制御を行うためには，微粒子レンズと加工基板の変位量を高精度に制御する必要があることを明らかにしており，光放射圧による高精度な制御方法の開発に加え，必要であればより安定な微粒子レンズ位置決め手法を取り入れて，従来の集光ビームによる加工方法では実現が不可能な，フェムト秒パルスPNJによる微細３次元形状加工技術への発展性を考慮した，新たな研究計画も追加する．また，それとともに，未解明な点が残された，非熱的過程の加工現象解析，多光子吸収過程および加工効率評価方法に関しても，加工材料の再検討を視野に入れた追加の基礎加工実験を遂行する．平成26年度の研究計画の一部である，PNJ定在場スケールによるナノ変位計測技術に関連する基礎研究を目倒しで遂行したことにより，当初次年度前半に計画していた，定在場スケールを利用した変位計測原理の検討を部分的に変更して，上記の新たな研究計画を加えることができるため，研究計画の軽微な変更で新たな研究成果が期待できる．従って，研究計画全体には，上述の変更による大きな影響は無いと予想している．なお，今後の課題として，当初の基本構想であった実験装置構成に加え，新たな微粒子レンズ位置決め装置を導入する場合，加工現象に与える問題点を十分検討し，実験の再現性に支障が出ないよう配慮する必要があると考えている．
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