超短パルスX線レーザーを用いた次世代超微細加工技術の開発

• 研究課題/領域番号: 19K15402
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分28030:ナノ材料科学関連
• 研究機関: 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
• 研究代表者: ヂン タンフン 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 光量子科学研究部, 主任研究員(定常) (20744808)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2020年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2019年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
• キーワード: 超微細加工 / 超短パルスX線レーザー

研究開始時の研究の概要

超短パルス高強度X線を固体物質に照射すると，従来の可視域レーザーやX線光源等と異なる，原子の内殻にある電子も含めて，極短な時間(femtosecond領域)かつ微小な空間(nanometer領域)に電子が励起される非平衡状態 (Strong Electronic Excitation State, SEES) が生じることが予測されている．本研究の目的は，超短パルス軟X線を用いて，表面の不可逆的過程であるアブレーションの閾値付近の照射によるSEESの緩和過程を解明し，エッチング等のプロセスを用いない直接ナノ微細形成・加工技術の開発に挑戦することである．

研究成果の概要

極短パルスの高エネルギー光子を放出するX線レーザーを物質に集光すると，ナノメートル（10億分の１メートル）・フェムト秒（1000兆分の１秒）領域という極微小な空間・時間に高温な電子が高密度に存在する非平衡状態が生じる．この特異な状態は，従来の露光技術と異なり，現像・エッチング等の複雑な工程を大幅に簡略化できる直接ナノ造形法を可能とする．本研究では，日本の自由電子レーザー施設（SACLA)のフェムト秒パルス軟X線を用いて固体材料の加工試験を行った．さらに，分子動力学計算を用いて造形に関わる物理機構を明らかにし，熱の影響が非常に少ない非熱加工と呼ばれる綺麗な除去加工を実現できる可能性を示した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では，次世代ナノ加工・造形技術につながる超短パルス軟X線と物質の相互作用を中心とした学術的体系の構築を進めてきた．産業へと展開するために，ナノメートル領域に電子の強励起状態の発生とそれに伴う相転移現象の理解が最も重要なカギを握る．本研究は，実験・理論の両サイドからアプローチし，ナノ構造体の形成に寄与する物理機構を調査し，熱の影響が非常に少ない非熱加工と呼ばれる綺麗な除去加工を実現できる可能性を示した．得られる成果は原子物理学の深化から産業基盤技術のイノベーションに寄与するものである．

研究成果

• [雑誌論文] Dependence of dose rate on the sensitivity of the resist under ultra-high flux extreme ultraviolet (EUV) pulse irradiation (2021)
  • 著者名/発表者名: Okamoto Kazumasa, Kawai Shunpei, Ikari Yuta, Hori Shigeo, Konda Akihiro, Ueno Koki, Arai Yohei, Ishino Masahiko, Thanhhung Dinh, Nishikino Masaharu, Kon Akira, Owada Shigeki, Inubushi Yuichi, Kinoshita Hiroo, Kozawa Takahiro
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 14 号: 6 ページ: 066502-066502
  • DOI: 10.35848/1882-0786/abfca3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Calibration of a CCD-Based Energy Monitor for High Power Soft x-ray Lasers (2020)
  • 著者名/発表者名: Thanh-Hung Dinh, Masahiko Ishino, Masaharu Nishikino, Takeshi Higashiguchi, Tadashi Hatano
  • 雑誌名: Photon Factory Activity Report 2019 巻: 37
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Ablation threshold and crater morphology of amorphous and crystalline SiO2 glass for extreme ultraviolet femtosecond pulses (2020)
  • 著者名/発表者名: Shibuya T.、Sakaue K.、Ogawa H.、Dinh T.-H.、Satoh D.、Terasawa E.、Washio M.、Tanaka M.、Higashiguchi T.、Ishino M.、Kubota Y.、Inubushi Y.、Owada S.、Nishikino M.、Kobayashi Y.、Kuroda R.
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 号: 12 ページ: 122004-122004
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abc85a
  • 査読あり
• [雑誌論文] Parametric attosecond pulse amplification far from the ionization threshold from high order harmonic generation in He+ (2020)
  • 著者名/発表者名: Serrat C.、Seres J.、Seres E.、Dinh T. H.、Hasegawa N.、Nishikino M.、Namba S.
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 28 号: 16 ページ: 24243-24243
  • DOI: 10.1364/oe.398595
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Surface processing of PMMA and metal nano-particle resist by sub-micrometer focusing of coherent extreme ultraviolet high-order harmonics pulses (2020)
  • 著者名/発表者名: Sakaue Kazuyuki、Motoyama Hiroto、Hayashi Ryosuke、Iwasaki Atsushi、Mimura Hidekazu、Yamanouchi Kaoru、Shibuya Tatsunori、Ishino Masahiko、Dinh Thanh-Hung、Ogawa Hiroshi、Higashiguchi Takeshi、Nishikino Masaharu、Kuroda Ryunosuke
  • 雑誌名: Optics Letters 巻: 45 号: 10 ページ: 2926-2926
  • DOI: 10.1364/ol.392695
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Soft x-ray laser beamline for surface processing and damage studies (2020)
  • 著者名/発表者名: Ishino Masahiko、Dinh Thanh-Hung、Hosaka Yuji、Hasegawa Noboru、Yoshimura Kimio、Yamamoto Hiroki、Hatano Tadashi、Higashiguchi Takeshi、Sakaue Kazuyuki、Ichimaru Satoshi、Hatayama Masatoshi、Sasaki Akira、Washio Masakazu、Nishikino Masaharu、Maekawa Yasunari
  • 雑誌名: Applied Optics 巻: 59 号: 12 ページ: 3692-3692
  • DOI: 10.1364/ao.387792
  • 査読あり
• [雑誌論文] Laser-induced damage thresholds and mechanism of silica glass induced by ultra-short soft x-ray laser pulse irradiation (2020)
  • 著者名/発表者名: Mikami Katsuhiro、Ishino Masahiko、Dinh Thanh-Hung、Motokoshi Shinji、Hasegawa Noboru、Kon Akira、Inubushi Yuichi、Owada Shigeki、Kinoshita Hiroo、Nishikino Masaharu
  • 雑誌名: Optics Letters 巻: 45 号: 8 ページ: 2435-2435
  • DOI: 10.1364/ol.389288
  • 査読あり
• [雑誌論文] Controlled strong excitation of silicon as a step towards processing materials at sub-nanometer precision (2019)
  • 著者名/発表者名: Dinh Thanh-Hung、Medvedev Nikita、Ishino Masahiko、Kitamura Toshiyuki、Hasegawa Noboru、Otobe Tomohito、Higashiguchi Takeshi、Sakaue Kazuyuki、Washio Masakazu、Hatano Tadashi、Kon Akira、Kubota Yuya、Inubushi Yuichi、Owada Shigeki、Shibuya Tatsunori、Ziaja Beata、Nishikino Masaharu
  • 雑誌名: Communications Physics 巻: 2 号: 1 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1038/s42005-019-0253-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Sensitivity enhancement of poly(methyl methacrylate) upon exposure to picosecond-pulsed extreme ultraviolet (2019)
  • 著者名/発表者名: Hosaka Yuji、Oyama Tomoko Gowa、Yamamoto Hiroki、Ishino Masahiko、Dinh Thanh-Hung、Nishikino Masaharu、Maekawa Yasunari
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 115 号: 7 ページ: 073109-073109
  • DOI: 10.1063/1.5116284
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] フェムト秒極端紫外線レーザーによる自己組織微細構造体の形成に関する研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: Thanh-Hung Dinh, Masahiko Ishino, Toshiki Kitamura, Yoshiteru Yonetani, Noboru Hasegawa, Masaharu Nishikino
  • 学会等名: 一般社団法人レーザー学会学術講演会第41回年次大会
• [学会発表] Self-organization of nano-structures induced by an intense pulse of femtosecond EUV laser (2021)
  • 著者名/発表者名: Thanh-Hung Dinh, Masahiko Ishino, Yoshiteru Yonetani, Toshiki Kitamura, Noboru Hasegawa, Masaharu Nishikino
  • 学会等名: 研究会「光の軌道角運動量の発生機構と物質相互作用の理解」
• [学会発表] Formation of self-organized periodic nano-structures by an intense pulse of femtosecond EUV laser (2020)
  • 著者名/発表者名: Thanh-Hung Dinh, Masahiko Ishino, Yoshiteru Yonetani, Toshiki Kitamura, Noboru Hasegawa, Masaharu Nishikino
  • 学会等名: International Conference on X-Ray Lasers 2020 (ICXRL 2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Yuji Hosaka, Hiroki Yamamoto, Masahiko Ishino, Thanh-Hung Dinh, Masaharu Nishikino, Yasunari Maekawa (2020)
  • 著者名/発表者名: Study on irradiation effects by femtosecond-pulsed extreme ultraviolet in main-chain scission resist
  • 学会等名: 33rd International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Highly precise material processing by ultrashort pulse soft x-ray laser (2019)
  • 著者名/発表者名: Dinh Thanh-Hung
  • 学会等名: The 15th Symposium of Japanese Research Community on X-ray Imaging Optics，Sendai
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Recent activities of ultra-high intensity laser-driven x-ray generation at KPSI Japan (2019)
  • 著者名/発表者名: Thanhhung Dinh, Michiaki Mori, Noboru Hasegawa, Masaharu Nishikino, Kiminori Kondo, Tetsuya Kawachi
  • 学会等名: SPIE, Pragure
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Plasma-based X-ray Laser: Recent progress at the QST-KPSI (2019)
  • 著者名/発表者名: Dinh Thanh-Hung, Noboru Hasegawa, Isino Masahiko, Namba Shinichi, Masaharu Nishikino
  • 学会等名: Eleventh International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications, Osaka
  • 国際学会
• [備考] 超短パルス軟Ｘ線レーザー特有の表面加工メカニズムを解明－ナノスケールの超精密・直接加工が可能に！－
  • URL: https://www.qst.go.jp/
• [産業財産権] 「表面造形方法」 (2019)
  • 発明者名: 石野雅彦, タンフンヂン, 錦野将元 et al.
  • 権利者名: 石野雅彦, タンフンヂン, 錦野将元 et al.
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2019