微細加工の制御に向けたフェムト秒レーザーアブレーション過程の軟Ｘ線プローブ計測

2016 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 16K04989
• 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: 長谷川 登 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, 主幹研究員(定常) (50360409)
• 研究分担者: 錦野 将元 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, グループリーダー(定常) (70370450) ; 石野 雅彦 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, 主幹研究員(定常) (80360410) ; 難波 愼一 広島大学, 工学研究院, 教授 (00343294)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: フェムト秒レーザーアブレーション / 超高速現象の時間分解計測 / 軟Ｘ線プローブ計測 / 軟Ｘ線干渉計測 / 軟Ｘ線顕微鏡

研究実績の概要

平成28年度は、軟Ｘ線レーザーを光源とした干渉計（水平方向空間分解能0.6 μm、深さ方向分解能2 nm）を用いてフェムト秒レーザーアブレーション過程の時間分解計測を行い、アブレーションの閾値近傍でのみ形成される薄膜構造体の形成過程を詳細に捉えることに成功した。
軟Ｘ線レーザーは、物質の表面を選択的に観測する為に最適な波長（14 nm）、物質の運動を捉えるのに十分なパルス幅（10 ps以下）、1ショットで観測可能な十分な強度等の優れた特性を有しており、従来観測の困難であったフェムト秒レーザーアブレーション過程の観測に適している。我々は今までにフェムト秒レーザーポンプ・軟Ｘ線レーザープローブ装置を用いることで、閾値近傍の照射強度における金のフェムト秒レーザーアブレーション過程において、軟Ｘ線の光学素子（ビームスプリッター）として機能するほどに高精度・高密度な薄膜が過渡的に形成されることを発見している。しかしながら、「薄膜から反射する光」と「薄膜を透過し、その下に存在する固体面から反射する光」の干渉現象（ニュートンリング）として間接的に薄膜を観測していたため、大部分の質量を有する固体面の状態は未だ観測されていなかった。
今回、軟Ｘ線プローブ装置に深さ方向を分解することが可能な軟Ｘ線干渉計を加えることで、膨張する固体面とその上方の薄膜を同時に直接観測することに世界で初めて成功した。更に別の材質（タングステン）においても同様の現象が観測されており、本現象がフェムト秒レーザーアブレーション過程の本質に関わる結果であることが示された。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

平成28年度は、軟Ｘ線干渉計を用いた過渡的な薄膜形成の観測に成功しており、当初予定した計画通りに進行している。

今後の研究の推進方策

来年度は、軟Ｘ線干渉計測を様々な照射条件下において行う。特にアブレーション閾値を僅かに下回る条件（完全には吹き飛ばない）下における表面のナノメートルスケールの凹凸の成長過程の観測と終状態の精密な比較を行うことで微細加工に関する知見を得る予定である。更に国内外の理論シミュレーションチームとの議論を開始し、我々が得たデータとの詳細な比較を行う予定である。

次年度使用額が生じた理由

平成28年度は、軟Ｘ線干渉計による観測を行った結果、今までに無い成果を得る事に成功したため、新しいデータの取得にリソースを集中した。そのため、新しい軟Ｘ線光学系の構築については来年度に行う事とした。

次年度使用額の使用計画

平成29年度は、平成28年度に予定していた新しい軟Ｘ線光学系の構築を行うと共に、平成28年度の干渉計測で形成した照射痕のAFM、SEM等の計測（外部委託）に予算を使用する予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Formation of x-ray Newton’s rings from nano-scale spallation shells of metals in laser ablation (2017)
  • 著者名/発表者名: Masaharu Nishikino, Noboru Hasegawa, Takuro Tomita, Yasuo Minami, Takashi Eyama, Naoya Kakimoto, Rui Izutsu, Motoyoshi Baba, Tetsuya Kawachi, and Tohru Suemoto
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 7 ページ: 015311-1-5
  • DOI: 10.1063/1.4975218
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Study of optical emission during spallative ablation induced by soft x-ray laser pulses (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Ishino, M. Nishikino, N. Hasegawa, T. Pikuz, I. Skobelev, A. Faenov, M. Yamagiwa, and T. Kawachi
  • 雑誌名: Springer Proceedings in Physics 巻: 169 ページ: 405-409
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Progress and prospects of coherent x-ray research using high power lasers in Japan Atomic Energy Agency (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kawachi, M. Nishikino, A. Sasaki, M. Ishino, N. Hasegawa, T. Imazono, T. A. Pikuz, A. Y. Faenov, M. Magnitskiy, M. Maruyama, T. Tomita, T. Suemoto, A. S. Pirozhkov, S. V. Bulanov, H. Kiriyama, M. Kando, M. Yamagiwa, K. Kondo, P. Bolton, and Y. Kato
  • 雑誌名: Springer Proceedings in Physics 巻: 169 ページ: 3-10
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] X-ray coherent mirage: Generation of phase matched coherent poins source in plasma media by propagated X^ray laser seeded beam (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Ya. Faenov, T. A. Pikuz, S. A. Magnitskiy, N. Nagorskiy, M. Tanaka, M. Ishino, M. Nishikino, M. Kando, R. Kodama, Y. Kato and T. Kawachi
  • 雑誌名: Laser and Particle Beams 巻: 34 ページ: 402-411
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Evaluation of a flat-field grazing incidence spectrometer for highly charged ion plasma emission in soft x-ray spectral region from 1 to 10 nm (2016)
  • 著者名/発表者名: T. H. Dinh, Y. Kondo, T. Tamura, Y. Ono, H. Hara, H. Oikawa, Y. Yamamoto, M. Ishino, M. Nishikino, T. Makimura, P. Dunne, G. O’Sullivan, S. Ohta, K. Kitano, T. Ejima, T. Hatano, and T. Higashiguchi
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 87 ページ: 123106
  • DOI: 10.1063/1.4971421
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 高密度プラズマによるＸ線レーザーの屈折 -Ｘ線による蜃気楼現象の観測- (2016)
  • 著者名/発表者名: FAENOV Anatoly, 石野雅彦, 河内哲哉
  • 雑誌名: プラズマ・核融合学会誌 巻: 92 ページ: 523-529
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Observation of the Dependence on the Fluence and Materials in Femto-second Laser Ablation Process by Using the Soft x-ray Laser Probe (2016)
  • 著者名/発表者名: N. HASEGAWA, T. TOMITA, M. NISHIKINO, T. EYAMA, N. KAKIMOTO, Y. MINAMI, M. BABA, N. OHNISHI, A. M. ITO, T. KAWACHI, M. YAMAGIWA and T. SUEMOTO
  • 雑誌名: JAEA-Conf 2015 巻: 2015-001 ページ: 17-20
  • 査読あり
• [雑誌論文] 超短パルス軟Ｘ線レーザープローブによるフェムト秒レーザーアブレーション初期過程の解明 (2016)
  • 著者名/発表者名: 長谷川 登, 錦野 将元, 南康夫, 馬場基芳, 大西直史, 伊藤篤史, 河内 哲哉, 末元徹
  • 雑誌名: 第85回レーザ加工学会講演論文集 巻: 85 ページ: 179-182
  • 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Reinjection of transmitted laser light into laser-produced plasma for efficient laser ignition (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Endo, Y. Takenaka, Y. Sako, T. Honda, T. Johzaki and S. Namba
  • 雑誌名: Applied Optics 巻: 55 ページ: 1132-1137
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Avalanche of stimulated forward scattering in high harmonic generation (2016)
  • 著者名/発表者名: C. Serrat,, D.Roca, J. M. Budesca, J. Seres, E. Seres, B. Aurand, A. Hoffmann, S. Namba, T. Kuehl, and C. Spielmann
  • 雑誌名: Optics express 巻: 24 ページ: 8028-8044
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Development of a cascade arc discharge source for an atmosphere-vacuum interface device (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Namba, T. Endo, S. Fujino, C. Suzuki, and N. Tamura
  • 雑誌名: Rev. Sci. Instrum. 巻: 87 ページ: 83503
  • 査読あり
• [雑誌論文] Core-level attosecond transient absorption spectroscopy of laser-dressed solid films of Si and Zr (2016)
  • 著者名/発表者名: E. Seres, J. Seres, C. Serrat and S. Namba
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 94 ページ: 165125
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Numerical Study of Spectral Line Shapes in High-Density He Plasmas (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Kawazome and Shinichi Namba
  • 雑誌名: Plasma Fusion. Res. 巻: 11 ページ: 2401124-1-5
  • 査読あり
• [雑誌論文] An experimental study on the ignition ability of a laser-induced gaseous breakdown (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Endo, Y. Takenaka, Y. Sako, T. Johzaki, S. Namba
  • 雑誌名: Combustion and Flame 巻: 178 ページ: 1-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Measurement of ion Mach number of arcjet plasmas by a directional Langmuir probe under high-gas pressure (2016)
  • 著者名/発表者名: W. Sasano, T. Shikama, K. Kozue, L. Matsuoka, N. Tamura and S. Namba
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Plasma Science 巻: 3 ページ: 285-288
  • 査読あり
• [学会発表] Observation of fs-laser spallative ablation by soft x-ray laser probe (2017)
  • 著者名/発表者名: Masaharu Nishikino, Noboru Hasegawa, Takuro Tomita, Yasuo Minami, Takashi Eyama, Naoya Kakimoto, Rui Izutsu, Motoyoshi Baba, Tetsuya Kawachi, and Tohru Suemoto
  • 学会等名: SPIE Photonics west: Laser Applications in Microelectronic and Optoelectronic Manufacturing (LAMOM) XXII
  • 発表場所: San-fransisco(USA)
  • 年月日: 2017-01-30 – 2017-02-02
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] EUVレーザーによる多層膜反射鏡の照射損傷評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 石野雅彦, 錦野将元, 市丸智, 畑山雅俊, 奥哲
  • 学会等名: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム（Opto2016）
  • 発表場所: 千里ライフサイエンスセンター（大阪府豊中市）
  • 年月日: 2016-11-24 – 2016-11-25
• [学会発表] 軟X線レーザープローブによるフェムト秒レーザーアブレーション初期過程の観測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 長谷川 登, 錦野 将元, 河内 哲哉, 末元 徹, 大西 直史, 伊藤 篤史, 南 康夫, 馬場 基芳, A. Y. Faenov, N. Inogamov
  • 学会等名: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム（Opto2016）
  • 発表場所: 千里ライフサイエンスセンター（大阪府豊中市）
  • 年月日: 2016-11-24 – 2016-11-25
• [学会発表] 超短パルス軟Ｘ線レーザープローブによるフェムト秒レーザーアブレーション初期過程の解明 (2016)
  • 著者名/発表者名: 長谷川 登, 錦野 将元, 南康夫, 馬場基芳, 大西直史, 伊藤篤史, 河内 哲哉, 末元徹
  • 学会等名: 第85回レーザ加工学会
  • 発表場所: 銀杏会館（大阪府吹田市）
  • 年月日: 2016-06-10
  • 招待講演
• [学会発表] Study on Initial Process of fs Laser Ablation Dynamics by using Soft x-ray Laser Prob (2016)
  • 著者名/発表者名: M.Nishikino, N. Hasegawa, T.Kawachi
  • 学会等名: CLEO:2016
  • 発表場所: California(USA)
  • 年月日: 2016-06-07 – 2016-06-09
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Progress and Prospects of X-ray Laser Research in QST (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Nishikino, N. Hasegawa, M. Ishino, T. Imazono, A. Sasaki, K. Mikami, D. Thanh-Hung, T. Suemoto, S. Namba, A. Ya. Faenov, T. Pikuz, S. Ichimaru, M. Hatayama, and T. Kawachi
  • 学会等名: International Conference on X-ray Lasers 2016
  • 発表場所: 奈良春日野国際フォーラム（奈良県奈良市）
  • 年月日: 2016-05-26
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Analysis of Reflection Signal from EUV Multilayer Mirror for Irradiation Induced Damage Study (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Ishino, S. Ichimaru, M. Hatayama, N. Hasegawa, S. Oku, and M. Nishikino
  • 学会等名: International Conference on X-ray Lasers 2016
  • 発表場所: 奈良春日野国際フォーラム（奈良県奈良市）
  • 年月日: 2016-05-22 – 2016-05-27
  • 国際学会
• [学会発表] The observation of transient thin film structures during the femto-second laser ablation process by using the soft x-ray laser probe (2016)
  • 著者名/発表者名: Noboru Hasegawa, Masaharu Nishikino, Masahiko Ishino, Naofumi Ohnishi, Atsushi M. Ito, Yasuo Minami, Motoyoshi Baba, Anatoly.Y. Faenov, N. Inogamov, Tetsuya Kawachi, Tohru Suemoto
  • 学会等名: International Conference on X-ray Lasers 2016
  • 発表場所: 奈良春日野国際フォーラム（奈良県奈良市）
  • 年月日: 2016-05-22 – 2016-05-27
  • 国際学会
• [学会発表] Damage on EUV multilayer optics caused by irradiation of focused pico-second soft x-ray laser pulses (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Ishino, S. Ichimaru, M. Nishikino, N. Hasegawa, M. Hatayama, T. Kawachi, and S. Oku
  • 学会等名: International Conference on X-ray Optics, Detectors, Sources and their Applications 2016 (XOPT2016)
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2016-05-18 – 2016-05-20
  • 国際学会