Construction of non-thermal ultra-fine processing using double-pulse UV lasers
| Project/Area Number |
22K04766
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 26050:Material processing and microstructure control-related
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| Research Institution | Osaka Sangyo University |
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Principal Investigator |
草場 光博 大阪産業大学, 工学部, 教授 (70268283)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
坂上 仁志 核融合科学研究所, 研究部, 教授 (30254452)
橋田 昌樹 東海大学, 総合科学技術研究所, 特任教授 (50291034)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
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| Keywords | ナノ秒紫外レーザー / 非熱的加工 / ナノ周期構造 / ナノドット構造 / ダブルパルス |
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| Outline of Research at the Start |
超スマート社会の実現に向け高性能かつ精密な電子デバイス開発が行われており、同時にレーザー加工技術もより精密な超微細加工が要求されている。半導体材料への加工は、機械的衝撃や熱による物理化学的性質を損なわず、容易に微小領域の加工ができる方法が必要不可欠である。そこで今までに解明してきたナノ秒紫外レーザーによる半導体材料表面への非熱的微細構造形成の結果を基に、超解像顕微鏡で利用されているコヒーレント相互作用技術を利用し、2台のナノ秒紫外レーザー（エキシマレーザー）を組み合わせた超微細加工システムを構築し、従来のレーザー加工では達成できていない回折限界を超えた10nm程度の超微細加工を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
超スマート社会の実現に向け高性能かつ精密な電子デバイス開発が行われており、同時にレーザー加工技術もより精密な超微細加工が要求されている。半導体材料への加工は、機械的衝撃や熱による物理化学的性質を損なわず、容易に微小領域の加工ができる方法が必要不可欠である。そこで今までに解明してきたナノ秒紫外レーザーによる半導体材料表面への非熱的微細構造形成の結果を基に、超解像顕微鏡で利用されているコヒーレント相互作用技術を利用し、2台のナノ秒紫外レーザー（エキシマレーザー）を組み合わせた超微細加工システムを構築し、従来のレーザー加工では達成できていない回折限界を超えた10nm程度の超微細加工を目指す。
令和５年度は、単結晶Si太陽電池表面にXeClエキシマレーザー（発振波長308nm）を融解閾値近傍（0.5J/cm^2）以下のレーザーフルエンスで照射したところ、Si太陽電池表面のレーザーの偏光方向に対してP偏光で入射する面（P偏光面）にはナノ周期構造が、S偏光で入射する面（S偏光素面）にはナノドット構造が形成されていることが分かった。入射角が変わると入射光の偏光方向によって反射率が変化することから、融解閾値はレーザー入射角に依存する。S偏光面よりもP偏光面の方が融解閾値が低くなることから、ナノドット構造が形成するレーザーフルエンスは融解閾値よりもかなり低いと考えられる。令和４年度に構築したKrFエキシマレーザー（発振波長248nm）加工システムを用い、同様の実験を行ったところ、融解閾値以下のレーザーフルエンスでS偏光面のみにナノドット構造の形成が見られた。
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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
XeClとKrFエキシマレーザーを用いたそれぞれの加工システムを構築し、それぞれの成果が出てきている。当初予期していなかった融解閾値以下のレーザー照射でナノドット構造が形成されることを発見したことは、従来のレーザー誘起微細構造形成のメカニズムでは考えられないことであり、大きな進展と考えている。しかしながらエキシマレーザーガスの高騰により、実験の推進に影響が出てきており、レーザーガスを使用しない別の紫外レーザー（例えばNd:YAGレーザー）の使用を考える必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、エキシマレーザーを用いた非熱的超微細加工システムの設計を行うための実験を進めていく過程で、融解閾値以下のレーザーフルエンスで照射することでナノドット構造が形成されることを発見した。形成されたナノドットのサイズは予備的結果であるがレーザーの回折限界以下のサイズ（100nm以下）であった。ナノドット構造のサイズ分布、結晶性および形成メカニズムについては今後調べていく計画である。当初計画していた波長の異なる2台の紫外レーザー（エキシマレーザー）を組み合わせたダブルパルス紫外レーザー加工システムの構築については、エキシマレーザーの発振波長に比較的近いNd:YAGレーザーの４倍波（266nm）を利用した加工システムに変更して進める予定である。
１）非熱的加工メカニズムの解明：ナノ微細構造形成のためのメカニズムを調べるために電磁粒子シミュレーションを行い、実験による結果との比較・検討を行うことで、より詳細なアブレーション過程の解明を行い、非熱的レーザー加工の物理モデルを構築する。
２）ダブルパルス紫外レーザーを用いた超微細加工用光学系の設計・製作：Nd:YAGレーザーの４倍波を使用したダブルパルス紫外レーザーによる超微細加工システムを構築する。
３）ダブルパルス紫外レーザーを用いた加工システムの性能評価：製作したシステムの性能評価として2台のレーザーのレーザーフルエンス、遅延時間、空間オーバーラップなどをパラメータにした加工実験を行う。
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Report
(2 results)
Research Products
(11 results)
