第7章 最先端加工

7. LIPSS

著者:新納 弘之

1. はじめに

 パルスレーザーを固体試料に照射した場合、その照射部位に間隔が揃った周期的な微細構造が表面に形成されることがある。これは、Laser-Induced Periodic Surface Structure(略称:LIPSS)、または、Laser-Induced Periodic Structure(略称:LIPS)と呼ばれている。もしくは、Laser-Induced Ripple Structure、単にSurface Rippleと呼ばれることもある。LIPSSを作製するには大きく分けて2つの方法がある(表1)。

(ⅰ) 位相の揃った複数本(二本またはそれ以上)のレーザービーム(光束)を同一箇所に重ね合わせて照射し、周期構造を形成させる方法
(ⅱ) 入射光と固体表面との特異的な相互作用による、単一光束のレーザー照射で周期構造を形成する方法
前者は、ビーム間の光の干渉効果を利用しているので、形成する微細構造を高度にシミュレートすることができ、意図的な特定構造の微細構造形成が可能である。従来、固体表面に平面的な二次元構造物を形成する研究を主として進んできたが、最近、立体的な三次元ナノ構造物を作成する研究が進歩してきており、高品位なフォトニック結晶の作製手法として有力視されている。一方、後者は光の干渉効果だけでは説明できない機構を含んでおり、光と物質の特異的な相互作用を基礎として周期構造が形成されている。LIPSSが形成される現象は、レーザービームが固体表面層を加工するためのエネルギー源としてだけでなく、位相の揃った波動ビームとして作用しているところに、LIPSS研究の面白さや深みがある。総説として、いくつかの文献を列記する1〜5)

2. 多光束干渉型によるLIPSS形成

 複数の可干渉性レーザー光束を重畳して固体試料に照射することで、その表面または表面層に干渉波を形成させ、その干渉波強度の時・空間分布(干渉縞)によって、微細構造を形成する。具体的には、レーザー光源からの光を複数の光束に分割し、それらの光束を異なる方向から固体試料に重畳して照射することで光波干渉を起こさせ、その干渉波強度分布から表面に微細構造を形成する(図1)。干渉光束数では、二光束干渉法と多光束干渉法とがある。歴史的には干渉性の高いレーザー光束はCW(連続波)レーザーで容易に得ることができたので、二光束干渉露光法によってフォトレジストなどの感光性材料を露光し、回折格子などの精密光学部品が製造されてきた。近年、パルスレーザー装置でも全固体化が進み、高性能化したことから、パルスレーザー光束でも可干渉性が著しく向上している。そこで、可干渉性フェムト秒パルスレーザー光束によるレーザーアブレーション法を使い、直接描画のスタイルで周期的な微細構造を形成することができるようになった。さらに、光束分割方法も回折光学素子の利用によって、簡便に可干渉性多光束が得られることから、高度に複雑な周期形状を有する微細構造が形成できるようになり、本分野の研究が急速に進展している。表2に本手法による研究報告を示す。

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