フェムト秒レーザ加工技術紹介appl.surf.sci152(1999)138-148 メインタイトル...
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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