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1 1. はじめに マイクロエレクトロニクスからバイオメデ ィカルデバイスに至るまで, 最終製品の小型 化や機能の向上を目的として, レーザを用い た微細加工のニーズが高まっている. レーザ 加工は, シリコン, メタル, プラスチックに 数十ミクロンオーダーで微細な孔あけ, 切断, スクライブを行うためのキーテクノロジーで あることが証明されている. これまで, 精密 マイクロマシニング応用は, パルス発振の D PSS(LD 励起固体レーザ ) やエキシマレ ーザに代表されるナノ秒オーダーのパルス幅 のレーザによって牽引されてきた. これらナ ノ秒の短波長発振レーザを利用し, 加工周辺 部の熱影響を最小限に抑えた加工が検討され てきたが, 最近では, 生産性, ランニングコ ストの観点から, 全固体で短パルスのレーザ の適応が検討されて始めている. コヒレント ジャパン株式会社山崎達三特集輸入レーザ これまで熱吸収の少ない高バンドギャップ ( 例 : ガラスやポリマー ) 材料は加工が難しい とされ, フェムト秒レーザを用いた加工が検 討されてきた. しかしながら, フェムト秒レ ーザはより複雑で, 発振を維持させることが 難しく, 出力当たりのコストが高くなってし まうため, 産業組込み用途に適応するレーザ の誕生が求められていた. 一方, ピコ秒レー ザの優れたビーム品質やエネルギーレベルが, コヒレント社製 産業用全固体ピコ秒レーザと その応用例 材料のアブレーションを起こすことが確認さ せてきた. 本稿では, このニーズに応えるべく誕生し たコヒレント社独自に設計開発したファイバ ーレーザをシード光に用いフリースペースア ンプ型の Talisker シリーズ, 写真 1) と固体 レーザをシード光に用いてマルチパスアンプ により更なる高平均出力 ( 最大 75W) を実現 した RAPID シリーズ (2012 年 12 月に Lumera 社を傘下に納め, 製品ラインアップ に加えた.) の 2 種類の産業用ピコ秒レーザ の特徴とその応用に関して紹介する. 尚, 当社の産業用レーザの詳細については, ホームページ を参 照願いたい. 写真 1 当社の産業用ピコ秒レーザの外観 ( 小型設計 全固体化による完全メンテナンス フリー動作を実現している 型名 :Talisker Ultra) レーザ協会誌 Vol. 38, No. 1 (2013) 15 特特集輸入レーザ

2 輸入レーザ セスの効率は LASER POWER のN 乗として 計られる.(Nは関係するフォトンの数) 吸収 のプロファイルは, 通常のガウシアン特性に おいてNが大きくなるに従い狭くなる. 結果としてピコ秒の赤外発振レーザでも時 にナノ秒のUVレーザの加工に匹敵する空間 分解能を得ることができる. また, ピコ秒レ 図 1 マルチフォトン吸収プロセスの概念図 ーザを用いた加工では, 材料を蒸気として除 去でき, 更には, 垂直方向の熱拡散が小さい ため, 深さ方向の制御が可能であり, 更には, 2. ピコ秒レーザの優位点マイクロマシン応用で重要な点は, 加工周 薄膜フィルム材料において底層に使用する材料の選択性を拡げるといった利点を生かせる. 辺部に熱的なダメージを与えずに (HAZを 3. 再 生 増 幅 (Regenerative 最小限に抑えた ) ミクロンスケールの加工を施す空間分解能を得ることである. ピコ秒レ Amplifier) を用いたピコ秒レーザ : Talisker の特長 ーザパルスはナノ秒パルスレーザと比較し, 空間分解能に優れている. 一般にパルス幅を短くするとピークパワーが増大する. 例えば, 100µJ で 10ps のレーザでは,10MW ものピーク出力が得られる. これまでのナノ秒パルスレーザでは, 材料に局地的な熱を与えて加工していたため, 熱影響の問題が生じていた. ピコ秒レーザでは, ピーク出力から得られる, より大きなフォトンの強度により, 材料の電子を励起するないし直接的にその結合を切断するマルチフォトンと呼ばれるプロセスを生じさせることができる. 熱影響を最小限に抑えるコールド除去プロセスは, これまでエキシマレーザに代表される DUV(Deep UV) レーザにより実現されていた. 加えてマルチフォトン吸収では, 現在市販されているレーザで加工することが困難だった線形性や吸収率の小さな材料 ( ガラスやポリマー ) に対する加工が可能となる. 多くの材料に対してピコ秒レーザを用いた場合, 線形及び非線形 ( マルチフォトン ) 吸収の組み合わせによって加工が施される. 図 1 に示すようにマルチフォトン吸収プロ 短パルスレーザの微細加工への導入が検討されている. しかしながらフェムト秒レーザを高出力で生産用に製品化することは, 複数の共振器を組み合わせる必要があるため, 複雑な光学構成となるため, 難しいと考えられていた. 当社は, この問題を独自の設計コンセプトと製造技術により, ピコ秒発振で解決した. ピコ秒レーザパルスは連続発振の共振器を母体としモードロック ( 同期 ) の手法を用い, 出力は増幅器を用いて必要なレベルまで引き上げられる. この増幅にはこれまでフリースペースレーザないしファイバーレーザという異なるアプローチがとられていた. これまでのフリースペースレーザでは, 多数の独立した大きなオプティクスが採用されていたため, 安定動作を得るためには, 精密なポジショニングを必要とし定期的なアライメント作業が強いられてきた. このようなタイプの製品は研究開発用には有用であるが産業生産用途においては適応が難しい. 一方, ファイバーレーザを用いた場合, ファイバー共振部の段階

3 表 1 TaliskerUltra 200 khz Talisker Ultra nm Talisker Ultra nm 1064 nm Talisker Ultra nm 532 nm 1064 nm 図 2 Talisker の共振器構造概念図では非常に安定した出力を得ることができるが, 増幅器で出力を大きくすることが難しいと考えられている. 理由は, 強いパルスエネルギーはファイバー内で非線形効果を生み, 結果として内部ロスや致命的な光学ダメージを引き起すという問題を抱えている. 当社は, この制限を回避するため, 独自のハイブリット手法を採用した製品 Talisker を 2008 年 4 月 LASER EXPO 2008 にて発表した. 本レーザは, 性能 ( パルスエネルギー, モード質 ) と生産性を同時に達成するレーザとして注目され多くの反響を得た. その後, ユーザからの更なる要求に応え, より信頼性と性能を向上させた次世代モデル Talisker Ultra を,2010 年 3 月に新バージョンとしてリリースした. 本レーザは, 非常に安定したモードロック発振のファイバーレーザをシード光に採用し, シンプルかつ頑丈なフリースペースの増幅器を用いてパルスエネルギーが信頼性を維持し 輸入レーザ 写真 2 TaliskerUltra は波長ごとに異なる 出力窓があるため 波長を切り替えて使 用できる 表 2 Talisker 1 波長発振モデルの出力仕様 モデル名 エネルギー 繰返周 / 発振波長 波 数 ( 最大 ) Talikser HE 180uJ /1064nm 50kHz 100uJ /532nm 30uJ /355nm Talisker uJ /1064nm 500kHz 30uJ /532nm 20uJ /355nm Talisker 25uJ /1064nm 1MHz uJ /532nm 10uJ /355nm た状態で引き上げられている. そのためコン パクト設計でありながら, 高繰り返し周波数 (200kHz) まで数十 μjの出力が得られる製 品となった. 更には, 基本波の発振が高いピ ーク出力であるため非線形光学結晶を組み合 わせた高調波 (532nm ないし 355nm) モデ ルでも高い変換効率を達成した. 図 2に概念 図, 表 1に主な仕様を示す. 尚, 高調波モデルは, 発振波長をソフトウ ェアで切り替えて発振させることができる. このことは 1 台で複数の波長を使用して材料 加工を行なうことができることを意味し, 装 置搭載における設計の自由度を拡げた.( 写真 2)

4 特集 輸入レーザ 写真 3 Talisker Ultra の優れたモード特性 写真 4 RAPID シリーズのレーザヘッド外観 表 3 Rapid シリーズの出力仕様 モデル名 平 均 出 力 発 数 ( 最大 ) 振波長 Hyper Rapid 75 75W/1064nm 1MHz 50W/532nm Hyper Rapid 50 50W /1064nm 23W /532nm 1MHz Hyper Rapid 25 16W/355nm 25W /1064nm 1MHz 図 3 パルスをスプリットすることにより 20ns 間隔のパルス群を形成した例 Hyper Rapid 10 13W /532nm 9W /355nm 8.5W /1064nm 3.2W /532nm 1.4W /355nm 1MHz GmbH(2000 年に設立 ) を傘下に納め Talisker では達成できない高出力のラインアップを強化した. RAPID シリーズにおいては, 複数のアンプ段を連結することにより Talisker が到達し 更には,Talisker の増幅器のデザインは非常に優れたモード質を同時に実現した. いずれの波長発振においても M 2 <1.3 を実現しており, 優れた集光特性と空間分解能を得ることができる.( 写真 3) Talisker シリーズは, 更なるニーズに応えるため,1 波長の発振専用モデルでは, 高繰返周波数ないし高いエネルギーが得られるモデルをリリースし, 量産化のニーズにも対応している. 得ない高い平均出力の発振器を実現している. 写真 4にレーザヘッドの外観, 表 3 に主な出力仕様を示す. 過渡増幅手法は, 再生増幅手法に比較し, 周波数を柔軟に調整できる特徴を持つ. 更には, 数ナノ秒スケールのバーストモード発振 ( 典型値最大 10 パルス ) が得られる利点がある.RAPID をバーストモード動作で発振させた際の発振波形を図 3に示す. ピコ秒加工においては, 高エネルギーでの加工が必ずし も生産効率を向上するとは限らない. パルス 4. 過渡増幅 (Transient Amplifier) 間に適当な連続するパルスが照射されると, を用いた高平均出力ピコ秒レープラズマのクラウドによる熱影響の問題を回 ザ :RAPID シリーズ [7] 当社は,2012 年 12 月,Lumera Laser 避できるため, 材料によっては,10-50uJ の低エネルギーであってもより多く材料を除去

5 図 4 バーストパルススプリットモード動作による除去レートの飛躍的な向上写真 5バーストパルスにより 除去レートが向上し かつ加工表面が綺麗に加工された例できることが証明されている. 図 4にシリコンを例にした場合のパルス数の増大とアブレーションレートの関係を示すグラフを写真 5にその加工結果を示す. 5. ピコ秒レーザの応用例と適合性 短パルスレーザは, 熱影響を最小限に抑えて微細加工を行う必要がある用途で注目されている. 図 5に異なるパルス幅と加工結果の一例を示す. ピコ秒レーザでの加工結果は, ナノ秒以上のパルス幅のレーザに見られるようなデブリの形成や熱的なダメージが, 圧倒的に少ないことが実証されている. 更には, 高ピークエネルギーと微小スポットへの集光を組み合わせることにより,1TW/cm2 もの高い照射を実現することが可能になるため, マルチフォトンの吸収現象が期待でき, 特特集輸入レーザ図 5 レーザ照射による加工結果の違いに関するイメージ図加工対象となる材料の吸収を促進させることができる. このことにより, 長波長のレーザを選択した場合でも, 従来の短波長ナノ秒レーザの加工結果より, 低熱影響でかつ高速のプロセススピードを実現できる可能性を秘めている. 下記に応用ごとの主な加工適応例について紹介する. a) 集積回路基板の微細加工への適応例集積回路技術においては, 高性能, 高機能がサイズや消費電力の削減のもとに実現されることが絶え間なく求められている. この要求は薄く削られたシリコンを積層し, 垂直に回路を形成する方向に導いている. これまでシステムインパッケージでは異なるメモリーをワイヤーで接続していた. 更なる小型化や省電力を目的として, シリコン層にスルーホールを形成しその後メタルで導通させる手法が検討されている. この技術はSTV (Silicon Through Via) と呼ばれている. レーザで加工する際は, ビアホールの側壁での融解を最小限に抑え, かつ半導体そのものに残余ストレスを与えないように加工する必要がある.Talisker は, シリコン材料の吸収率の高いUV 発振が可能で, 更にはピコ秒オーダーの短パルスでの低熱影響の加工を同時に実現するため, 本応用に理想的な光源である. 写真 6に加工例を示す. レーザ協会誌 Vol. 38, No. 1 (2013) 19

6 特特集輸入レーザ写真 6 ピコ秒レーザでSiをトレパニング加工した例写真 8 ピコ秒レーザでシリコンウェハにダイシング加工を行った例グルービング加工にも有効である. 更には, 薄板のシリコンウェハの完全切断においても, 切り幅を最小限に抑え, かつチッピングのない低熱影響の加工が実現できている. 写真 8 写真 7 ガラス上の Al 膜 (20um 厚 ) の除去例に, 波長 355nm,25µJ@ 200kHz, スポット一方, フロント表面に形成される回路 ( フサイズ 8µm 以下で,100µm の厚さのシリコラットパネルディスプレイや薄膜タイプのソンウェハを加工した結果を示す. 加工スピーーラーモジュールなどに採用 ) においては, ドは約 7mm/s である. 透明伝導酸化膜が利用され,RFID(Radio Frequency Identification) カードや使い捨て c) 高輝度 LEDへの適応例のメディカルセンサーなどには, プラスチッ高輝度 LED の応用においては,GaN を製クやガラス上に数十 nmの薄膜金属フィルム膜する基板としてサファイアガラスが採用さが採用されており高密度でパターニング加工れ, 低熱影響での高速スクライブ加工が求めが行なわれている. ナノ秒レーザで加工したられているが, この応用においてもピコ秒レ場合, フィルム上のエッジ部が加工により剥ーザで良好な結果を得ており, 適応の検討が離, 或いは母材 ( 下の層に使用されている材進んでいる. 通常, これまでの低輝度のLE 料 ) にダメージを与えるケースがしばしば見 Dでは, ナノ秒のUVないしDUVレーザがられる. 写真 7 は,Talisker(1064 nm) を適応されていたが, ピコ秒レーザを用いた場用いて,20µm の集光径,1µJ のエネルギー合, 高ピークパワーによる非線形現象により, でガラス上の 20nm 厚のアルミニウムに対し, 532nm の波長でも熱影響の少ない高速スクガルバノスキャナーを用いて 3 m/ 秒にて除ライブ加工が実現できていることがわかる. 去した例である.( 写真 7) ( 写真 9) b) 半導体ウェハ加工への適応 d) その他の応用 UV 波長は, 樹脂及び金属双方に高い吸収上記の業界以外でのピコ秒レーザの新たながあるため, シリコンウェハ上の Low-K 膜応用が拡がりを見せている. 例えば, スマー ( 回路パターンが形成されたフィルム ) のトフォンに採用されているガラスの切断加工 20

7 写真 9 サファイア基板に 300µm/s で高速に熱影響の少ないスクライブ加工を行った例などである. 薄いガラスや強化ガラスの加工ないし曲線への加工は, これまで採用されていた炭酸ガス (CO2) レーザでは困難となっているが, ピコ秒レーザの導入が検討されている. 最近ではフィラメント加工と呼ばれる切断手法も生み出されており, 注目されている. また, 小径孔化が進んでいるプリント基板 (PCB) のマイクロビアホール加工装置への搭載も始まっている. 更には, 自動車や航空機業界においても燃料インジェクターノズルの孔明け, 摩擦抵抗を低減させるための金属表面へのマイクロストラクチャ ( テクスチャリング等 ) の形成, 太陽電池業界においては薄膜やコンタクトホールの高速加工, 印刷業界におけるシリンダ表面へのエンボスマイクロ微細加工, マテリアルプロセス業界においては,3 次元微細彫刻, コールドマーキングなどの加工等, 様々な業界において, 導入が進んでいる. 6. まとめ ピコ秒レーザは, 様々な業界において注目されはじめている. 特に,50um 以下の加工を行う際には, 機械ドリルやフライス盤や放電加工機などに比べ, ピコ秒レーザによる加工技術が, 生産コスト的に有利であることが, すでに実証され始めている. 短パルスレーザ 特特集輸入レーザによるドライコールドプロセスは, 多くの応用で後処理を省略させ, 生産コストの低減に貢献する可能性を秘めている. 当社は生産用途を念頭におき, 短パルスレーザであっても, 信頼性の高い, 低コストオーナーシップの産業用レーザ発振器の市場導入を実現した. 産業用ピコ秒レーザの誕生により, レーザを用いた微細加工が, 従来の機械加工技術に置き換えられる範囲が確実に広がっている. 今後も, ピコ秒レーザに留まらず, 現状に妥協することなく, 引き続きお客様の真のニーズに対応できる新しい製品の開発に力を入れていき, 更なる新しいレーザ加工市場の拡大に貢献していきたいと考えている. 7. 参考文献 1. Precision Material Processing with Talisker Laser (White Paper for Fiber Based laser May 2008) 2. Micromachining of Glass Using a Fiber-Based, High Average Power Pico second Laser (White paper on Talisker glass scribing, December 2008) 3. Picosecond laser for High-Quality Industrial Micromachining (Photonics Spectra, November, 2009) レーザ協会誌 Vol. 38, No. 1 (2013) 21

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