【基礎】レーザ微細加工

概要

レーザ微細加⼯技術は、レーザ加工の中でも特にナノメートルからミクロン単位の⾼精度加⼯を実現する技術であり、主に微⼩部品の製造や材料の表⾯改質に使⽤されています。レーザのエネルギーを極限まで集束させ、⾮常に狭い領域に集中して材料の⼀部を除去、変質、あるいは改質します。特に、電⼦部品の製造、MEMS デバイス、医療機器、光学デバイスなどの産業で不可⽋な技術となってきています。従来の機械加⼯が困難な複雑形状の加⼯や、熱影響を極⼒抑えた超精密加⼯を可能にしています。

装置、技術

⼀般的に、レーザを発振方式で分類すると CW レーザと呼ばれる⼀定の出⼒を連続して発振するタイプ
と、パルス状（極めて短い時間だけの出⼒が繰り返される）の出⼒を⼀定の繰り返し周波数で発振するパルスレーザとに分けられます。レーザ微細加⼯では、パルスレーザの中でもとりわけパルス幅が短いピコ秒・フェムト秒レーザを使⽤されることが多いです。超短パルスレーザによる加⼯をする際、加⼯が起こる領域は照射した領域に限定され、熱損傷を低減し、パルス幅の広いレーザよりも遥かに高品質な加⼯を実施できます。

また、使用するレーザの波長にも特徴があり、NIRよりもGreenレーザ、UVレーザのように短波長レーザの方が微細加工には有利となっています。短波長にすると集光径がより小さくできるというメリットとともに、特にUVではフォトンエネルギーが大きくなるため、樹脂のような加工対象物を分解しやすくなるというメリットがあります。

さらに、通常のレーザ加⼯と⽐較してさらに⾼精度かつ⾼度な加工を実現するための、装置側の工夫もあります。光伝送路を窒素雰囲気で満たし安定したビーム伝送を実現したり、デジタルスキャナなどより高速・高分解能なデバイスが利用されています。

1. フェムト秒レーザ
   微細加⼯の分野で特に注⽬されるのは、フェムト秒レーザです。このレーザは、極短パルス（1000 兆分の 1 秒）で照射し、材料に対する熱影響を最⼩限に抑えることが可能となっています。熱による材料の膨張や変形を防ぐことができるため、ナノレベルの加⼯精度が要求される場合に最適とされています。
2. ピコ秒レーザ
   フェムト秒レーザと同様に、極めて短いパルス幅（1 兆分の 1 秒）を持つピコ秒レーザも、微細加⼯に使⽤されています。フェムト秒よりは若⼲⻑いパルスですが依然として⾮常に短く、正確な加⼯を実現します。フェムト秒レーザよりコストパフォーマンスが優れるため、生産用途での利用が増え始めています。
3. ⾼精度ガルバノスキャナ
   レーザ微細加⼯では、ビームの位置を正確に制御するために、⾼精度のガルバノスキャナが使⽤されます。これにより、ナノメートル単位でのビームの動きをコントロールでき、複雑なパターンや微細な形状を⾼い精度で実現できます。また、高速移動ができるという特長があり、スキャン速度10m/s以上の高速走査を実現できるデバイスもあります。
4. 超精密ステージ
   微細加⼯では、加⼯対象を動かすためのステージの精度も⾮常に重要です。ナノメートル単位での位置決めが可能なステージが必要となり、温度変化や振動などの外部要因を抑えた環境での動作が要求されます。多くの場合は、リニアモータを搭載したリニアステージが利用され、その位置はガラススケールを用いたリニアエンコーダで検出されます。高速、高安定な位置決めを実現するための薄型・高推力のリニアステージも開発されています。
5. 加⼯のマルチフォトンプロセス
   フェムト秒レーザを使⽤した場合、光の複数のフォトンを同時に吸収させる「マルチフォトンプロセス」が利⽤される。この多光子吸収の原理を用いると、材料内部で局所的に反応を起こすことができ、材料の内部改質という非常に面白い加工ができます。ガラス内部への三次元的なナノ加⼯が実現でき、次世代の永久メモリや微細導波路、μTAS配管としての研究開発が進んでいます。

メリット・デメリット

メリット

• 高い加工精度
  フェムト秒レーザやピコ秒レーザといった超短パルスレーザを⽤いた微細加⼯は、熱影響を最⼩限に抑え、微細な領域のみを加工するナノ加⼯を実現できます。
• 非接触加工
  機械加工に見られる⼯具の物理的な接触が不要となり、摩耗や材料変形のリスクがなくなります。そのため、超精密な形状加⼯に適しています。また、加工コストの点からも消耗品がないため、ランニングコストを抑えられるという特長があります。
• 材料選択性
  加工において、レーザの最大の特長は、どんな材料にでも加工が可能ということです。半導体、⾦属、セラミックス、ポリマーといった様々な材料を加工可能です。さらに、⽣体材料など液中での加工も可能となっています。

デメリット

• コスト
  フェムト秒レーザやピコ秒レーザなどの装置は⾮常に⾼価であり、導⼊や維持管理には⾼額なコストがかかる場合があります。
• 加⼯速度
  極めて精密な加⼯が求められる場合には、加工精度に反比例して加⼯速度が遅くなることがあります。大量⽣産には適していない場合もあります。
• 高度な専門知識
  装置を導入すればすぐにナノ加工を実現できるわけではなく、微細加⼯の精度を最⼤限に引き出すためには、⾼度な技術知識と専⾨的な操作スキルが要求されます。

研究開発/実⽤化

研究開発例

• ナノテクノロジーにおける応⽤
  レーザ微細加⼯技術は、ナノテクノロジー分野での研究に広く利⽤されています。例えば、フェムト秒レーザによる三次元ナノ構造の作製が進んでおり、光学デバイスやバイオセンサーの微細加⼯に応⽤されています。
• ⽣体組織の微細加⼯
  フェムト秒レーザを⽤いた⽣体材料の微細加⼯は、バイオメディカル分野での応⽤が進んでいます。例えば、細胞スケールでの加⼯や操作、組織⼯学における三次元構造体の作製が⾏われています。

実用化例

• MEMS デバイスの製造
  MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）の製造において、レーザ微細加⼯技術が広く使⽤されています。特に、センサーやアクチュエーターの微細な構造をレーザで形成する技術が実⽤化されています。
• 光学デバイスの製造
  光ファイバーコネクタの微細加⼯や、光学フィルター、波⻑選択フィルターの製造にレーザ微細加⼯が使⽤されている。これにより、⾮常に⾼精度な部品が⼤量⽣産されています。

歴史

レーザ微細加⼯技術は、1990 年代から 2000 年代にかけてフェムト秒レーザやピコ秒レーザが実⽤化されることで⾶躍的に発展しました。これらのレーザは、従来のレーザ加⼯技術では実現できなかったナノスケールの精密加⼯を可能にしました。特に、フェムト秒レーザは、材料表⾯に加熱や融解などの熱影響をほとんど与えずに加⼯を⾏うことができるため、電⼦デバイスや医療⽤デバイスの製造において不可⽋な技術となってきています。

その後、レーザ光源の低価格化と技術の更なる向上で実用性が高まり、既存加工技術の代替として検討されてきています。近年では、AI技術を活用して自動化が進む装置が発表されるなど、従来の属人的な作業を排除した加工の実現も見られるようになってきました。

参考文献

1. K. Sugioka and Y. Cheng : Ultrafast Lasers―Reliable Tools for Advanced
   Materials Processing, Light Sci. Appl., 3 (2014) e149.
2. Koji SUGIOKA：The State of the Art and Future Prospect of Ultrafast Laser
   Microprocessing, Journal of the Japan Society for Precision Engineering Vol.81,
   No.8, (2015)
3. 「ケイエルブイ株式会社 HP」
   URL：https://www.klv.co.jp/corner/pico-femto-sec-laser.html