第2章 プロセス技術の基礎

4. レーザーアブレーション

著者:西尾 悟

1. 諸言

 レーザー光をレンズで集光するなどして金属、無機化合物、高分子など様々な物質にある一定の強度(しきい値)以上で照射すると、それら物質の表面から中性原子、分子、イオン、ラジカル、クラスター、電子など様々な粒子が飛び出し、物質表面がエッチングされる。この現象をアブレーションと呼ぶ。図1にその模式図を示す1,2)。和名では「爆蝕」と呼ばれることもある3)。アブレーシヨンとはもともと「除去」、「切除」、「切断」、「削摩」、「消耗」、「剥離」などを意味する言葉である1,4)
 アブレーション現象を利用したレーザープロセスは図2に示すように、金属、半導体、高分子といった様々な物質の微細加工、薄膜創製、ナノ微粒子創製、元素分析、さらには真空紫外光からx線領域にわたる短波長光発生、あるいはアブレーションにより生じる爆縮反応に着目したレーザー核融合、さらには生体物質におけるアブレーションによる医療応用などがあり、様々な分野への応用がなされ、また新しい光源の開発とともに更なる展開が期待されている。
 本節の前半では、まずアブレーション研究のこれまでの歴史について展望する。その後、主に無機材料を例にレーザーアブレーションの一般原理について概説したのち、薄膜材料創製をはじめとする応用例について概観する。また、その化学反応への応用についても述べる。後半では高分子のアブレーションについて解説する。高分子のアブレーションについては、本便覧では他に記述が無いので、少々ページを割いた。まずその原理を紹介したのち、表面改質、薄膜作製などについて述べるとともに、生体材料への応用あるいは医療応用にも簡単に触れる。最後に、トピックスとしてフェムト秒レーザーを用いたアブレーション、および放射光や自由電子レーザーを用いたアブレーションについても紹介する。


2. アブレーション研究の歴史

 ここでアブレーションに関する研究の歴史について簡単に振り返ってみよう1)。アブレーション現象に関する研究は、1960年の歴史的なルビーレーザー発振りの直後からすでに行われおり、BreechとCrossは1962年にルビーレーザーを用いたアブレーションによる固体表面の分析を行っている6)。日本でも1966年難波らにより真空中でNdガラスレーザーあるいはルビーレーザーからのジャイアントパルスを金属基板に照射し飛び出したイオンの運動エネルギーを測定するなど、アブレーションの基礎的な研究がなされている匕1970年代に入ってアブレーション現象に関するより深い考察がなされると同時に、QスイッチNd:YAGレーザーの普及に伴い、レーザーアブレーション研究が盛んに行われるようになった。その後、1980年代にはエキシマレーザーが普及し、高分子やセラミックなどの微細加工8〜10)をはじめとする産業応用が盛んになる。1980年代後半にエキシマレーザーを用いて高温超電導体の薄膜形成が可能であることが示され、それ以来11)、誘電体薄膜12)、高分子薄膜13)など様々な物質の薄膜が作製され、新しい機能性薄膜作製法Pulsed Laser Deposition(PLD)法として認知されるに至っている。さらにフェムト秒レーザーが開発され14)、レーザーアブレーション法を用いた微細加工、材料創製が更なる展開をみせた。その後、レーザーMBEなど原子層の積み上げ、ナノ微粒子の創製、石英など透明材料の3次元加工、高分子材料の表面改質、さらには生体材料あるいは医療応用などへと展開し現在に至っている2)。これらアブレーション研究の黎明期の歴史については、参考文献1に詳細に記されているのでそちらを参照されたい。

4. アブレーション概論

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