フェムト秒レーザー マイクロ-モリブデンの穴あけ: 精密ガイド

モリブデン (Mo) はユニークな金属材料です。一般に、目立たない銀白色の金属のように見えますが、その安定した物理的および化学的特性により、高温-および高応力のシナリオで広く使用できます。-航空宇宙、原子力、半導体、精密医療などの産業に欠かせない原料です。したがって、モリブデンの機械加工は非常に困難です。特に、モリブデンに高精度の微細穴加工を行う場合、ほとんどの従来のプロセスでは要件を満たすのが困難です。{6}

最先端のミクロンレベルの精密加工プロセスであるフェムト秒レーザー技術は、冷間加工（冷間アブレーション）、ストレスフリーな操作、材料独立性、高精度などの利点を提供し、さまざまな分野のマイクロ-ナノ製造において重要な役割を果たしています。-具体的には、フェムト秒レーザーの材料に依存しない特性により、モリブデンの精密な微細穴を加工する際に従来のプロセスが直面する課題を効果的に解決できます。{6}

フェムト秒レーザーとは、フェムト秒レベルのパルス幅を持つレーザーのことを指します。フェムト秒は時間の単位で、1 フェムト秒=10⁻¹⁵ 秒です。私たちが光の速さで動いているとすると、1フェムト秒の変位は0.3μmとなり、1フェムト秒は非常に短い時間であることが分かります。

言い換えれば、フェムト秒レーザーの単一パルス持続時間が短いため、非常に高いピーク出力が可能になります。{0}したがって、ターゲット材料を瞬時に除去することができ、その結果、熱影響部 (HAZ) が最小限に抑えられ、再鋳造層が形成されず、微小亀裂が発生しないなどの加工効果が得られます。-

モリブデンは安定した物理的および化学的特性を備えているため、高温および高応力のシナリオに広く適用できます。{0}しかし、それに応じてモリブデンの加工は非常に困難です。具体的には：

1.高強度と高硬度：

モリブデンは非常に強い原子間結合力を持つ遷移金属であり、室温と高温の両方で高い強度と硬度を維持できます。したがって、航空宇宙や半導体などの極度の高温高圧の分野では、モリブデンがノズルの原材料として選択されることがよくあります。従来の機械加工をモリブデンに適用すると、切削工具やドリルビットが急速に摩耗する傾向があります。さらに、このプロセスでは接触応力や局所的な高温が容易に発生し、微細な穴のエッジの欠けや微細な亀裂の誘発につながります-。

2.高融点:

モリブデンの融点は 2623 度と高く、高温アブレーションに対して耐性があります。-したがって、それを処理するには非常に高いエネルギー密度が必要です。通常のレーザーでは、モリブデンを加工する際に大きな熱影響部 (HAZ) が発生する傾向が非常に高く、その結果、切断マージンに沿ってクレーターや鋸歯状のエッジなどの欠陥が生じます。-

つまり、モリブデンは硬くて耐火性があるという特性により、材料の精密加工、特に高精度の微細穴加工が非常に困難になります。{0}{1}従来の穴あけプロセスや通常のレーザーでは、ほとんどの場合、要件を満たすことができません。

マイクロ・ナノ精密レーザー加工装置

フェムト秒レーザー技術は、従来のレーザーを単純にアップグレードしたものではありません。むしろ、それはミクロンスケールの継続的な探求と開発に根ざした処理原理の画期的な進歩を表しています。これは、ミクロン-レベルの微細穴、切断、エッチングを含む製品要件に特に適しています。-その結果、モリブデンのような加工が難しい材料に直面した場合でも、フェムト秒レーザーは簡単かつ正確に作業を処理できます。--

これは、フェムト秒レーザーが、エネルギー密度、相互作用時間、空間スケール、および材料によるエネルギー吸収の制御可能なスケールの点で極端に動作するためです。その結果、製造プロセス中に利用される物理的効果と相互作用メカニズムは、従来のレーザー-材料相互作用プロセスとは根本的に異なります。したがって、モリブデンの微細孔の究極の精密加工が可能になります。-具体的には：

1.穴のサイズ:

薄いモリブデン材料のフェムト秒レーザー加工は、通常、厚さが 2mm 以内に制限されます。現在、フェムト秒レーザーは、適切な厚さの範囲内で、テーパー穴の場合は最小直径 3μm、垂直穴の場合は最小直径 20μm を加工できます。これは従来の精密機械加工プロセスよりも大幅に小さいため、モリブデン微細孔の適用範囲が拡大します。-

2. サイドウォールの垂直性:

フェムト秒レーザーは、テーパー穴と垂直穴の両方を加工できます。特に特定の要件の場合、フェムト秒レーザーが提供する制御可能なテーパーの柔軟性は明確な利点をもたらし、イオン、気体、液体などの媒体の通過をより適切に制御できるようになります。

3. 寸法精度:

フェムト秒レーザーは、従来のレーザーや従来の機械加工プロセスでは満たすことができない基準である、±1μm以内の穴径または切断精度を達成できます。 FIB（集束イオンビーム）やフォトリソグラフィーなどのナノメートル-レベルの精密技術に比較的近い加工方法であり、マイクロメートルとナノメートルのスケールをつなぐ架け橋の役割を果たします。

4. 処理品質:

フェムト秒レーザー加工は「コールド アブレーション」（冷間加工）方法であり、バリ-や亀裂-がなく、側壁が滑らかなミクロン-レベルの微細-穴加工を実現できます。これらの微細孔の内壁粗さは、Ra 0.4μm以内、さらには0.2μmまで保証できます。この特性により、フェムト秒レーザーで加工されたモリブデンのマイクロホールは光学分野で優れた性能を発揮し、ハイエンドの画像機器や半導体の開口部の加工要件を満たします。{10}