自由電子レーザーを用いた軟X線領域における物質改変の内殻電子の影響に関する研究

• 研究課題/領域番号: 20K12494
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分80040:量子ビーム科学関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 坂上 和之 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (80546333)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2021年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2020年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
• キーワード: 軟X線レーザー / レーザー加工 / 光・物質相互作用 / 極端紫外レーザー / 自由電子レーザー / 内殻電子

研究開始時の研究の概要

半導体産業にけん引され、レーザーによる物質の加工は微細化の一途をたどっている。本研究では、従来より微細な直接レーザー加工を可能とする、軟X線(波長30nm以下)レーザーによる加工に取り組む。そのでも特徴的な物質中の内殻電子の加工における寄与・物理を明らかにすることで、将来のレーザー微細加工に向けた土壌を形成する。

研究成果の概要

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。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を調べた。シリコン、サファイヤ、ダイヤモンドなど様々な対象に対してサブマイクロメートルスケールのレーザー直接微細加工を実現した。加工メカニズムとしても、内殻電子による吸収の影響が加工後の物質の構造を決めることや、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でき、新たな加工としての軟X線加工を拓いた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究課題における上記の成果は、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た。従来のレーザーでは到達困難なサブマイクロメートルスケールの直接微細加工を実現し、見出した軟X線レーザー加工のユニークな特徴は、今後より微細化が進むレーザー加工技術開発において、重要な知見となる。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。

研究成果

• [雑誌論文] Independent contribution of optical attenuation length in ultrafast laser-induced structural change (2021)
  • 著者名/発表者名: Tatsunori Shibuya, Kazuyuki Sakaue, Hiroshi Ogawa, Daisuke Satoh, Thanh-Hung Dinh, Masahiko Ishino, Masahito Tanaka, Masakazu Washio, Takeshi Higashiguchi, Masaharu Nishikino, Akira Kon, Yuya Kubota, Yuichi Inubushi, Shigeki Owada, Yohei Kobayashi, and Ryunosuke Kuroda
  • 雑誌名: Optics Express, pp. 33121-33133 (2021.9). 巻: Vol. 29(21) 号: 21 ページ: 33121-33133
  • DOI: 10.1364/oe.432130
  • 査読あり / 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] 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