Surface Nanofabrication with Femtosecond-Laser-Induced Plasmonic Near-Field Ablation

Abstract

解 説 1. はじめに 高強度のフェムト秒(fs)レーザパルスを固体表面に照 射すると、熱影響領域が少なく、加工端面が非常にシャー プな除去加工が実現できる。レーザ加工は、例えば工具の 摩耗による取り換えのような定期的なメンテナンスが少な く、加工材料の自由度も高く、μm サイズの空間分解能を 実現できるメリットがある。そのため、近年のレーザ装置 の価格下落にともなって、fs レーザを搭載する加工機が市 場に数多く投入され、今や fs レーザ加工は一般的な微細加 工ツールとなっている。 一方、レーザ加工も他の光技術同様、光の回折限界とい う原理的な制約を受けるために、加工できる最小サイズは 光の波長程度(実際には μm オーダー)に制限されてしまっ ていた。本稿では、この制約から逃れられるレーザナノ加 工技術 1) , 2) と、それにかかわる物理現象 3) , 4) について、最 新の研究成果を交えて解説する。本技術に興味を持たれた 場合、JST 主催の新技術説明会で行った説明 5) を YouTube で見ることができるため、そちらも是非ご覧いただきたい。 2. フェムト秒レーザ誘起表面周期構造 2.1 概要 固体表面に fs レーザパルスを同じ場所に重ねて照射する と、パルスごとに固体表面の状態が変化し、最終的にナノ メートルサイズの周期を有する構造体が生成されることが 報告されてきた。宮崎健創博士(京都大学名誉教授)と筆者 は、一連の実験と理論計算により、支配的な 4 つの物理過 程が関わったときにこの周期構造体が生成されることを見 出した。Fig. 1 は、fs レーザを複数パルス集光照射した後 の DLC 薄膜表面の走査電子顕微鏡(SEM)画像と、それぞ れの照射パルス数での相互作用過程の概要図である 6) 。本 稿では DLC を用いてナノ構造の生成メカニズムについて概 説するが、これまでに Si 7) 、GaN 1) 、ステンレス鋼 8) 、Ti 8) 、 TiN 9) についても同様の物理プロセスであることを示して いる。ここで、実験には直線偏光の fs レーザパルス(中心 波長 800 nm