三菱電機、大阪大学、スペクトロニクスは、次世代のレーザー加工装置として、高速に微細加工できる「高出力深紫外ピコ秒(※1)レーザー加工装置」の試作機を開発した。
材料を分解する能力が高い波長266ナノメートル（nm）(※2)の深紫外でパルス幅がピコ秒の短パルスレーザーを、世界最高(※3)の平均出力50Wで照射することにより、加工時間の短縮の他、これまで近赤外レーザーでは加工が難しかった透明なガラスなどの高速微細加工を実現する。今後は、本試作機の早期実用化を目指す。
※1 ピコ秒 1兆分の1秒
※2 ナノメートル 10億分の1メート
※3 2021年6月22日現在、三菱電機調べ
開発の特長
・レーザー結晶の配置を工夫し、高出力化で発生するレーザービームの歪みを抑制した300Wの基本波レーザー光源を開発
・結晶育成技術の高度化により、高出力での発熱密度を低減する大型波長変換素子に必要となる世界最大級（重量1.5kg）の高品質深紫外レーザー発生用結晶を開発
・基本波レーザー光源と深紫外レーザー発生用結晶を組み合わせることで、これまでの 10倍(※4)となる平均出力50Wの深紫外レーザー光源を実現し、加工時間を10分の1に短縮
※4 商用化されている5Wの深紫外レーザー加工装置との比較において。三菱電機調べ
・加工光学系のレンズをミラーに置き換えた「低歪み反射型加工光学系」を開発
・高出力化に伴って発生するレーザービームの歪みをこれまでの15分の1に抑制(※5)
・レーザービームの集光性の低下を抑制し、直径最小4ミクロン(※6)の精密加工が可能
※5 透過型光学系との比較において
※6 1ミクロンは100万分の1メートル
・半導体レーザーのゲインスイッチパルス(※7)を種光源(※8)とし、ファイバー増幅器とバルク増幅器を組み合わせた複数段の増幅器により出力を増大するハイブリッドMOPA(※9)方式ピコ秒パルスレーザー光源を開発
・電気信号によって直接パルスを発生できる半導体レーザーを種光源とすることでパルス発生タイミングなどの制御性能を向上、加工に応じた自在なパルス発生が可能
※7 急峻な電流注入によって利得がオーバーシュートすることで発生する短いパルス
※8 増幅の種となる光
※9 MOPA：Master Oscillator Power Amplifier（主発振器出力増幅器構成）
開発体制
【開発担当：開発内容】
三菱電機：高出力増幅器、加工光学系の設計
大阪大学 レーザー科学研究所：深紫外レーザー発生用結晶の開発
スペクトロニクス：レーザー光源の開発
本開発の一部は、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の委託事業「高輝度・高効率次世代レーザー技術開発」において実施している。 本開発の一部をOPIE’21（2021年6月30日～7月2日、於パシフィコ横浜）に出展する。
開発の背景
あらゆるモノがインターネットでつながるIoTやAIを活用した超スマート社会に向けて、従来の「機械加工」よりも加工条件をデジタル制御しやすい「レーザー加工」に注目が集まっている。なかでも、電子機器の小型化・高性能化・軽量化に伴い、電子部品などの微細加工の需要は急増しており、高速に微細加工ができる「レーザー加工装置」へのニーズが高まっている。一方、高出力を得やすい近赤外レーザーは透明なガラスや樹脂に対して吸収されずに通過してしまうために加工が難しく、新たなレーザー加工装置の開発が求められている。
今回、三菱電機、大阪大学、スペクトロニクスは、次世代のレーザー加工装置として、高速に微細加工ができる「高出力深紫外ピコ秒レーザー加工装置」の試作機を開発した。材料を分解する能力が高い266nmの深紫外レーザーを、世界最高の平均出力50Wで照射することにより、これまで近赤外レーザーでは加工が難しかったガラスなどの高速微細加工を実現する。本試作機の早期実用化を通じて、電子機器の小型化・高性能化・軽量化に貢献する。
特長の詳細
波長300nm以下の深紫外レーザーは、従来のレーザー加工装置に用いられる近赤外レーザーなどと比べ、材料を分解する能力が高いため、光を通すガラスなどの透明材料や溶融温度が異なる樹脂とガラス材で構成される複合材料などの難加工材料にも適用できる。
本開発による深紫外レーザーは、半導体レーザーから出た光（波長1064nm帯の近赤外線）を増幅器に通して高出力の「基本波レーザー」を発生させ、さらにCLBO(※10)などのレーザーの波長を変換する結晶に通すことで、266nm帯の深紫外線を発生させる。一方、高出力のレーザーを発生させようとすると、波長変換する結晶やレーザー結晶、各種光学素子で発生する熱によってレーザービームが歪むという問題があり、これまで、深紫外レーザー光源の出力は5Wにとどまっていた。
そこで、三菱電機、大阪大学、スペクトロニクスは、熱的な歪みを回避するための開発を行い、300Wの高出力ビームを発生する基本波レーザー光源を開発した。スペクトロニクスが開発した半導体レーザーを種光源とする100W級の短パルスレーザーを基にし、レーザー結晶内の熱による歪みの分布を考慮してレーザー結晶の配置を工夫することでレーザービームの歪みを抑制し、三菱電機が開発に成功した200W以上の増幅器を使って出力を増幅させた。
また、高出力の深紫外レーザーを長期間安定に発生させるためには、深紫外レーザー発生用結晶から切り出す大型波長変換素子が必要となる。そこで、大阪大学レーザー科学研究所が中心となり、内部欠陥の少ない世界最大級（重量1.5kg）の超大型結晶を製造する育成技術を開発した。基本波レーザー光源と深紫外レーザー発生用結晶を組み合わせることで、従来出力の10倍となる平均出力50Wの深紫外レーザー光源を実現でき（図1）、現在商用化されている5Wの深紫外レーザー加工装置と比べた場合、加工時間を10分の1に短縮できるようになった。
※10 CLBO：CsLiB6O10（セシウムリチウムボレート結晶）
レーザー加工装置で想定通りのレーザー加工を行うためには、レーザービームのサイズを調整する必要がある。
従来、レーザービームのサイズを調整するには、加工対象までレーザーを伝送する装置（加工光学系）の中にあるレンズなどの透過型光学系を用いていた。しかし、高出力の深紫外レーザーでは、透過型の光学素子であるレンズがレーザービームを吸収することで熱が発生してレーザービームが歪み、加工開始からの短時間で急激にビームサイズが想定からずれてしまうなどの課題があった。
そこで、三菱電機、大阪大学、スペクトロニクスは、ビームサイズを調整するため、加工光学系のレンズをミラーに置き換えた反射型光学系を開発した。発熱が表面だけに限定されるミラーを用いることで熱による歪みを低減するとともに、非軸対称な2つのミラーを組み合わせることで、レーザービームの歪みを透過型光学系の15分の1に低減させた。集光性の低下を抑制することで、高出力化してもビームサイズの調整ができるようになった（図2）。加工点でのビーム形状を真円で小さくすることができ、直径が最小4ミクロンの微細穴をガラス基板に形成するなど、精密加工が可能になった。
レーザーパルスをピコ秒レベルに短パルス化して加工すると、材料が瞬間的に加工されるため、熱の影響が小さく、材料の特性を損なわない高品質な加工ができる。そこで、短パルスレーザーを微細加工に適用する開発が進められてきた。
従来の短パルスレーザー発生方式（モードロック方式）では、任意のタイミングでレーザーパルスを発生させることが困難なため、複雑な加工を自在に行う上で障害となっていた。また、より微細で高品質な加工の実現には、レンズで小さく集光し、深さ方向にも精緻な加工ができる短波長レーザーが適しているが、モードロック方式では、効率的に短波長レーザーを発生させることが難しく、高出力化すると信頼性が極端に悪化する問題を抱えていた。
そこで、スペクトロニクスは、電気信号によって直接半導体レーザーからピコ秒レーザーパルスを任意のタイミングで発生させるゲインスイッチパルスを利用する方法を採用した。ただし、微弱な半導体レーザーのゲインスイッチパルスには、光増幅する際に発生する光ノイズに埋もれてしまう問題がある。これを解決するため、ノイズが少なく、増幅率の高いファイバー増幅器とバルク増幅器とを組み合わせたハイブリッドMOPA方式によるピコ秒パルスの基本波レーザー光源を開発した（図3）。
さらに、超高速電流パルス発生回路を独自開発したことで半導体レーザーを直接駆動し、任意のタイミングでピコ秒レーザーパルスを発生させ、自在にパターニング加工などができるようになった。
また、光増幅の際に波長変換で波長を短くする条件（狭スペクトル幅）の維持は難しいが、この問題もハイブリッドMOPA方式によって解決した。ハイブリッドMOPA方式の基本波レーザー光源により、大阪大学レーザー科学研究所が開発した大型波長変換素子を高い効率で利用することが可能となり、従来技術では困難であった深紫外ピコ秒レーザーの高出力かつ長期間安定動作を実現した。
今後の展開
レーザー加工データベースや人工知能（AI）などのデータ利活用によるスマートレーザー加工の実現を目指し、東京大学を中心に設立したTACMI(※11)コンソーシアムが千葉県柏市に構築したレーザー加工プラットフォーム（柏IIプラットフォーム）に、今回開発したレーザー加工装置を2021年7月に設置する予定。今後、レーザー加工装置を使用する電子部品や半導体関連企業と連携し、ガラスなどへの精密で高速な加工技術の開発、新規用途の開拓を進める。
※11 Technological Approaches toward Cool laser Manufacturing with Intelligence
