日本量子科學技術研究開發機構的主任研究員DINH THANH HUNG、主幹研究員石野雅彥和小組長錦野將元，與日本的宇都宮大學、東京大學、早稻田大學、東北大學、理化學研究所及高輝度光科學研究中心（JASRI）等組成聯合研究團隊，利用X射線自由電子雷射「SACLA」，查清了超短脈衝軟X射線雷射特有的表面加工機制。
目前，奈米級半導體造型技術是透過由複雜工序構成的光刻工藝實施的。要想在將來實施量產及降低價格，關鍵就在於開發出工藝更加簡單的直接精密加工技術，以此提高量產性和品質。目前的光刻工藝採用紅外範圍（波長：800～1000nm左右）光源，採用波長更短的極端遠紫外（EUV）～軟X線範圍（波長：10～200nm左右）光源的超短脈衝雷射有望實施與其波長同等級別的超精密加工。而且，透過採用脈寬爲數十～數百飛秒的超短脈衝雷射，還能實施非熱加工，可防止產生的熱量對加工區域以外產生影響。
今後，透過積累採用各種材料的超短脈衝軟X射線雷射的加工資料並反復進行驗證，有望明確雷射加工原理，量產擁有高積體電路和奈米結構的功能性材料。
介紹研究詳情的論文已於2019年11月28日發表在自然出版集團（Nature Research）提供的開放期刊《Communications Physics》的網路版上。
一般來說，向材料照射光束或粒子束等進行加工時，如圖1所示，會出現與照射束直接相輔作用的「第一次相輔作用區域」，以及能量作爲熱影響從該區域擴散的「第二次相輔作用區域」。周邊的第二次相輔作用區域受熱量的影響會產生意外的結構，比如加工部的周邊變質、開口外緣部分凸起以及出現裂紋等，從而導致加工精度降低。
圖1：X射線能量被吸收並相輔作用的區域
本研究利用SACLA，實施了硅吸收特性大不相同的兩種波長（光量子能量）——10.3nm（120eV）和13.5nm（92eV）的超短脈衝軟X射線雷射照射試驗，並利用原子力顯微鏡（AFM）詳細解析了軟X射線的吸收差異形成的表面加工形狀差異。結果發現，利用軟X射線吸收較小的波長（13.5nm）時，熱影響引起的熔融程序變得明顯，如圖2（a）所示，表面形狀出現了中央部分膨脹和凸起的結構。而利用吸收較大的波長（10.3nm）時，透過合理選擇雷射照射條件，如圖2（b）所示，可實施具備數nm的深度且抑制了熱影響的加工。
圖2：超短脈衝軟X射線雷射照射後的硅表面（利用AFM測量）
（a）利用波長爲13.5nm（92eV）的軟X射線雷射照射的加工痕跡。（b）利用波長爲10.3nm（120eV）的軟X射線雷射進行最佳照射的奈米級加工痕跡。
研究團隊比較了包含基於軟X射線吸收的原子和電子動作在内的理論模式計算（XTANT碼）與實際實驗，發現硅表面出現加工痕跡的最小雷射照射強度（加工閾值），與圖3實線和虛線的理論模式所示的從非熱加工閾值到熱加工閾值的計算結果高度吻合。這些結果表明，根據加工材料和加工尺寸合理選擇超短脈衝軟X射線雷射的波長和照射強度，有望對各種材料實施非熱超精密加工。
圖3：加工閾值的理論模式（實線）與實驗結果（紫色）的比較
文：JST客觀日本編輯部翻譯整理
