フェムト秒レーザ加工技術紹介

研究開発部

細胞の大きさ：10～20 μmイオンチャネル

細胞膜

アース

cell counter

はじめに

Patch clamp equipment

小径かつ高アスペクト比の貫通孔・流路を作成するには

小径(~10μm)

高アスペクト比

マイクロ流路・ノズル作成には微小径かつ高アスペクト比をもつ流路・貫通孔が必要となる

a

b 1b

a

■各種レーザの特徴

レーザ 波長領域 加工様式 穴径 アスペクト比

CO2 laser 赤外 熱加工 ~ 50 um 高アスペクト比加工可

Nd-YAG 赤外～紫外 熱加工/アブレーション 光源波長 ~1

Femto-second 赤外 アブレーション 光源波長 >1

レーザ加工

time

power

μs, ns

time

power fs

一般のパルスレーザ フェムト秒レーザ

・1パルスあたりのエネルギー量が小さい

・ピークパワーが非常に高い （～GW）

■照射パルスの特徴

1fs = 10-15 s

フェムト秒レーザ加工の特徴

・レーザ照射時に生成する熱がきわめて少なく、熱改質を低減できる

・ピークパワーが非常に高いため難加工材に対する加工が容易

・微細領域加工が容易（レーザ集光部のみ加工）

material material

Fsレーザ加工

微細加工難加工材料

（ガラス、金属等）

多光子吸収

FsレーザパルスConduction Band

Valence Band

生成熱の低減

Appl.Surf.Sci152(1999)138-148

メインタイトル

実験装置

Coherent社製モードロックTi:Shappireレーザ Mira900

Ti:Shappre再生増幅器 RegA9000

実験に使用した装置

京都大学大学院工学研究科平尾研究室様

実験装置

◆対象材料 ： SUS304,SUS316L,SUS430

エネルギー ： 1~2μJ

繰り返し周波数 ： 50 ~ 250 kHz

パルス幅 ： 80fs ~ 2.2ps

ショット数 ： 1~106 shots

フェムト秒レーザを用いて微細貫通孔の形成が可能か検討する

◆レーザ加工パラメータ

サンプル形状 ： 箔状 50 μm厚

集光レンズ：10倍NA0.3

ガウシアンビーム

Percussion Mode

FSレーザ

Ti:Sapphire 800nm

Attenuator

Lens

Sample

ショット数・繰り返し周波数サンプルステージ等制御

stage

1 20

20

40

60

80

Energy [uJ]

Dri

llin

g R

ate

[nm

]

加工条件 ： 繰り返し周波数 250 kHz

パルス幅 80fs

対象材料：SUS304

照射エネルギー依存性

1 10 102 103 104 105 106

0.5

1.0

1.5

2.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Number of Shots

Sh

ot E

ne

rgy (

uJ/s

ho

t)

パルスエネルギーが小さい方が微細径の孔を形成できる

パルスエネルギーが照射部周囲の付着物（酸化物）を低減できる

EPMA(O)

CCD

1000 2000 3000

50

100

0

Number of Shot

Penetr

ati

on R

ate

[%

]

■SUS316L

▲SUS304

1μJ, 250 kHz, 80fs 2μJ, 250 kHz, 80fs

SUSへの加工

SUS304, SUS316L, SUS430貫通孔加工比較

・加工しやすさ ： SUS316L>SUS304>SUS430 (SUS430は1μJでは貫通せず)

・上記SUSの貫通孔形状はほぼ同様である。

1000 2000

50

100

0

Number of ShotP

en

etr

ati

on

Rate

[%

]

■SUS316L

●SUS430

・加工レートは材料・組成により異なるため、それぞれ最適化された条件で加工する必要がある

1 10 100 1000 100000

10

20

30

40

50

■2.0 uJ●1.0 uJ

Number of Shots

Dia

met

er o

f S

pot

[um

] SUS304

1 10 100 1000 100000

10

20

30

40

50

Number of Shots

Dia

met

er o

f S

po

t [u

m]

■2.0 uJ●1.0 uJSUS316L

1 10 100 1000 100000

10

20

30

40

50

Number of Shots

Dia

met

er o

f S

po

t [u

m]

■2.0 uJ●1.0 uJSUS430

他SUSへの加工

測定径

・1uJ照射では加工径に大きな変化は見られないが2.0uJではいずれも1000ショット前後で径の増加が確認される

・SUS430は加工径増加を抑える工夫が必要である

・平均加工径（上径）~14μm （@1μJ）

フェムト秒レーザ加工

加工条件：繰り返し周波数250kHz, エネルギー1 μ J/shot, パルス幅80fs

下径

~3 μ m

上径

~14 μ m

50 μm

各孔 2500ショットで作成

孔間距離 ： 50 μ m

No Dross

貫通孔形成確認

OFF ON

LED照明ON/OFFによる光透過

貫通孔

LED Light

貫通孔を形成しているためLED光の透過が確認される

50 um

50μm30μm25μm

断面観察

100μm厚のフィルムも貫通孔形成可能

平均アスペクト比： ～５

80 fs 2.2 ps

Energy:1uJ

1000 2000 3000

50

100

0

Number of Shots

Rat

e [%

]

□ 50 kHz

● 250 kHz

1000 2000 3000

50

100

0

Number of Shots

Rat

e [%

]

□ 50 kHz

● 250 kHz

◆繰り返し周波数により、貫通孔形成率に大きな差異が表れた。

◆パルス幅の増加と共に、貫通孔形成に要するショット数が増加した。

パルス幅/繰り返し周波数依存性

パルス幅依存性

1000 2000

10

20

30

40

50

60

0

Pulse Duration [fs]

Dri

llin

g R

ate

[nm

/shot]

50 kHz

250 kHz

パルス幅の増加とともにDrilling Rateの低下がみられる

・短パルスの場合、加工レートが高く高速加工可能

Time

Time

短パルス

長パルス

繰り返し周波数依存性

高繰り返し周波数加工では加工レートが低下する

・高繰り返し周波数での加工はParticle Shieldingの効果が顕著となる

Oxidation

250 kHzAfter 4 μs

Low repetition rate

Oxidation

Particle shielding

Mechanism80 fs

100 200 300

1000

2000

0

10

20

30

0

Repetition Rate [kHz]

Mum

ber

of

Shots

to D

rill

thro

ugh

Pro

cess

ing T

ime

[ms]

・貫通孔は250kHzのとき9.2 msで形成可能

◆最少穴径(照射側15 μ m)、（射出側5 μ m）

◆低エネルギーパルス（1 μ J）による加工が可能

◆厚さ100 μ mまで貫通孔形成可能

◆パルス幅が短いほどDrilling Rateが大きい

まとめ

◆高速加工可能（9.2 ms @ 250 kHz）

◆微小貫通孔形成可能

今後の予定

・加工部周辺に生ずる生成物・熱に関する解析

・他の材料（銅・チタン・ガラス等）への加工

・湾曲部への微細孔形成加工

京都大学大学院工学研究科材料化学専攻教授平尾一之先生及び研究室の皆様に感謝致します

謝辞