日本量子科学技术研究开发机构的主任研究员DINH THANH HUNG、主干研究员石野雅彦和小组长锦野将元，与日本的宇都宫大学、东京大学、早稻田大学、东北大学、理化学研究所及高亮度光科学研究中心（JASRI）等组成联合研究团队，利用X射线自由电子激光“SACLA”，查清了超短脉冲软X射线激光特有的表面加工机理。
目前，纳米级半导体造型技术是通过由复杂工序构成的光刻工艺实现的。要想在将来实现量产及降低价格，关键就在于开发出工艺更加简单的直接精密加工技术，以此提高量产性和品质。目前的光刻工艺采用红外范围（波长：800～1000nm左右）光源，采用波长更短的极端远紫外（EUV）～软X线范围（波长：10～200nm左右）光源的超短脉冲激光有望实现与其波长同等级别的超精密加工。而且，通过采用脉冲宽度为数十～数百飞秒的超短脉冲激光，还能实现非热加工，可防止产生的热量对加工区域以外产生影响。
今后，通过积累采用各种材料的超短脉冲软X射线激光的加工数据并反复进行验证，有望明确激光加工原理，量产拥有高集成电路和纳米结构的功能性材料。
介绍研究详情的论文已于2019年11月28日发表在自然出版集团（Nature Research）提供的开放期刊《Communications Physics》的网络版上。
一般来说，向材料照射光束或粒子束等进行加工时，如图1所示，会出现与照射束直接相互作用的“第一次相互作用区域”，以及能量作为热影响从该区域扩散的“第二次相互作用区域”。周边的第二次相互作用区域受热量的影响会产生意外的结构，比如加工部的周边变质、开口外缘部分凸起以及出现裂纹等，从而导致加工精度降低。
图1：X射线能量被吸收并相互作用的区域
本研究利用SACLA，实施了硅吸收特性大不相同的两种波长（光子能量）——10.3nm（120eV）和13.5nm（92eV）的超短脉冲软X射线激光照射试验，并利用原子力显微镜（AFM）详细解析了软X射线的吸收差异形成的表面加工形状差异。结果发现，利用软X射线吸收较小的波长（13.5nm）时，热影响引起的熔融过程变得明显，如图2（a）所示，表面形状出现了中央部分膨胀和凸起的结构。而利用吸收较大的波长（10.3nm）时，通过合理选择激光照射条件，如图2（b）所示，可实现具备数nm的深度且抑制了热影响的加工。
图2：超短脉冲软X射线激光照射后的硅表面（利用AFM测量）
（a）利用波长为13.5nm（92eV）的软X射线激光照射的加工痕迹。（b）利用波长为10.3nm（120eV）的软X射线激光进行最佳照射的纳米级加工痕迹。
研究团队比较了包含基于软X射线吸收的原子和电子动作在内的理论模型计算（XTANT代码）与实际实验，发现硅表面出现加工痕迹的最小激光照射强度（加工阈值），与图3实线和虚线的理论模型所示的从非热加工阈值到热加工阈值的计算结果高度吻合。这些结果表明，根据加工材料和加工尺寸合理选择超短脉冲软X射线激光的波长和照射强度，有望对各种材料实现非热超精密加工。
图3：加工阈值的理论模型（实线）与实验结果（紫色）的比较
文：JST客观日本编辑部翻译整理
