第7章 最先端加工

4. 透明材料の3次元微細加工

著者:細野 秀雄、河村 賢一

1. はじめに

 本節では、フェムト秒レーザーを用いた透明材料の3次元微細加工について述べる。特に我々がおこなっているフェムト秒レーザーの干渉光を利用した3次元加工に焦点を置く。
 フェムト秒レーザーから発せられるパルス光は、時間幅が数十から数百fsと極端に短く、かつCWやナノ秒パルスレーザーと比べて桁違いに強い尖塔エネルギー持つている。そのフェムト秒レーザーパルスを数十μmの点に集光すると、その集光点での尖塔値は、〜100TW/cm2をゆうに超えた、高密度フォトンパルスまたは超高電界パルス光となって、加工対象の材料との間に様々な相互作用を誘起する。その相互作用によって、今まで光で直接加工することが不可能であった材料を加工することが可能となる。さらに一般的な加工法による切削加工や、CWレーザー、ナノ秒パルスレーザー、電子ビーム、イオンビームを使った従来のビーム加工技術では決してまねできない加工によって、新しいディバイスを創成できる可能性を秘めている。
 フェムト秒レーザー加工で見られる特徴の一っとして、加工精度の良さがある。フェムト秒レーザー加工精度は、従来の切削加工法やナノ秒レーザーを用いた光加工に匹敵、もしくはそれを超えた事ができる。とくに加工のために必要なエネルギー闕値を上手く利用すると、光の回折限界を超えた精度、つまりナノサイズ領域での加工が可能である1〜3)
 もう一つの特徴として、バンドギャップの大きい材料、いわゆる透明材料を光で加工することが可能であることが挙げられる。通常、レーザー光の波長を吸収しない透明材料を光で加工することは、かなり困難である。ところがフェムト秒レーザーの場合、そのような透明材料も非常に簡単に加工することができる。フェムト秒パルスが作り出す高エネルギーパルス光は・多光子吸収やトンネルイオン化といった非線形効果を材料中に誘起する。それら非線形効果を介することで、レーザーのエネルギーが材料に付与され、透明、不透明に関係なく、ほとんど全ての材料を加工することができる。例えばSiO2(結晶、ガラス)、Al2O3、MgF2、CaF2、LiFなど、その透明領域が真空紫外域にまで広がる材料であっても、波長800nmの近赤外のフェムトパルスで容易に加工することができるのである4、5)
 フェムト秒レーザーを使った透明材料加工における最も大きな特徴は、単なる表面加工だけでなく、透明材料の内部を加工できる点にある。レーザーを照射したときに試料中に誘起される非線形光学過程は、十分に強い光電場があるときのみ誘起される。つまり、透明試料内部にフェムト秒レーザー光を集光して、3次元的な加工をおこなうことが可能である。大きな開口数(NA)の対物レンズで急峻に集光した場合、集光点から少しでもズレた位置での光電場強度は極端に小さく、非線形効果は殆ど誘起されない。従って集光部分は加工できるが、入射表面やその他の部分は影響を全く受けないので、高精度な3次元微細加工を試料内部に施すことができる(図1)。実際にフェムト秒レーザーを使った透明試料内部の加工例がこれまでに数多く報告されている。
 近赤外波長(〜800nm)のフェムト秒レーザーによる、透明試料の内部加工に関係した主な報告を表1にまとめた。加工方法は大きく2つに分けることができる。①試料内部に誘起される屈折率の変化、または格子欠陥の生成を利用した加工、②試料内部に空洞を形成する加工、の2つである。

 ①屈折率の変化を利用した加工は、これまでに非常に数多く報告されている。その多くはガラスや単結晶内部に近赤外フェムト秒レーザーを集光して作成した光導波路関係である。透明材料にフェムト秒レーザーを集光すると、多くの材料で屈折率の増減が観測される。SiO2ガラスやGeドープSiO2ガラスにおける屈折率変化量⊿nは、10-2以上と導波路を形成させるのに十分な変化が得られる6、7)。帯状にレーザーを照射して、透明材料の内部に連続的に屈折率変化部分を誘起させると、直線光導波路を作ることができる(図1)。直線導波路だけでなく分岐構造9)がなども容易に作成することができる。また、ガラスだけでなくTi3+:Sapphire14)やLiF15)などの光学結晶の内部にも導波路を作り込むことができる。実際に、ガラス内部に作成した光導波路を利用し、光だけで動作可能な振動センサー16)の作成例など、実用的なディバイスも報告されている。光だけで動作し、丈夫なガラスで構成されるため、電気的なノイズに影響されることもなく、さらに過酷な環境下での使用が可能である。
 また、この屈折率の変化を利用すると、導波路だけでなく屈折率変調型の回折格子をも、試料内部に作ることができる。SiO2ガラスやLiF結晶内部でフェムト秒パルスを干渉させて、ホログラフィック回折格子を書き込んだ例が報告されている17、18)回折格子の書き込みについては、後の章で詳しく述べる。
 レーザー照射による屈折率変化以外に、材料内部に発生した格子欠陥を利用した加工もおこなわれている。材料によっては、フェムト秒パルスで誘起された格子欠陥が、特定の蛍光を発する場合がある。Si2ガラス内部にフェムト秒パルスを照射すると、その部分は波長490nmに蛍光ピークを持つ欠陥が誘起される。直径〜600nm程度の蛍光を発する微小なスポットを三次元的に配列し、高集積光メモリーを作ることができる19、20)。データーを記録したガラスは、〜400°Cでアニールすると、データーは完全に消去されて、再利用することができる。また、ガラスに融解させた希土類イオンの価数を集光フエムト秒レーザーで変化させ、直径〜200nmの微小蛍光スポットの作成も報告られている21)

 ②試料内部に空洞形成を形成する方法は、単純に高強度のフェムト秒パルスを試料内部に集光させて空洞を作る方法と、レーザー照射部分が示す化学的な性質の変化を利用した方法の2種類ある。前者は、高強度のフェムト秒レーザーを試料内部に集光せ、その集光点に数百μmの空孔を作ることができる。それらを三次元的に配列させて、高集積の光メモリーとして機能することが報告されている1)。また、このフェムト秒レーザーで作成したSiO2ガラス中の微小な空孔については、大変ユニークな現象が発見されている。予めフェムト秒レーザーで作製しておいた空孔に、さらにフェムト秒レーザー(130fs、800nm、1kHz)を照射し、その照射位置をゆっくり移動させると、空孔の位置を連続的に動かすことができる。さらに、他の空孔と融合させることもできる26)
 化学的なプロセスを用いる方法は、より大きな3次元的な構造を試料内部に作成することができる。SiO2ガラスの場合、フェムト秒パルスを照射した部分のガラスの骨格構造が大きく変化する。それに伴って、照射部分の酸に対する溶解度が大きく向上する27)。光導波路を作るときと同じ要領で帯状にレーザーを照射し、その試料をHF溶液に入れてエッチング処理をおこなう。レーザー照射部分は非常に溶けやすくなっているため、照射部分の端面から徐々に溶解して3次元的な細長いチャネル(直径〜10μmの管)を試料内部に作ることができる28)。透明で化学的耐久性が良いSiO2ガラス内に溶液を流すことができるチャネルを自由な形状に構築できるため、μ-TAS’s(micrototal-analysis systems)などへの応用が期待される。また、SiO2スよりも光に敏感で、エッチング速度が速い感光性ガラスを用いると、さらに複雑なディバイスを作成できる。市販される光加工用のガラスFoturanを使い、約2mm四方の内部に色素レーザーを作成した例が報告されている29、30)。色素を流す為の流路と、レーザー共振器のミラー全てが組み込まれており、外部から励起光を入射させるだけで発振させることができ、〜10μWの出力が得られている。

2. フェムト秒干渉露光法によるSiO2ガラス内部の加工

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