波長変換特性に優れた、全固体紫外レーザー光源を世界で初めて実用化

半導体プロセスで求められる紫外レーザー光

高密度化・高集積化が進む半導体分野では、半導体露光プロセス、ウエハ検査、フォトマスク検査やプリント基板孔開（穴開け）などに高出力の紫外線レーザーが必要とされています。

紫外線は10～400nm（ナノメートル）と波長が短く、加工性・集光性に優れ、熱を発生させずに切断、加工、計測することが可能です。また、緑、青、紫と、光の波長が短くなるにつれてエネルギーが高くなることもあり、一度に大量の検査・加工を行う製造現場では、より高出力な紫外光が求められてきました。

現状、半導体分野で使われている紫外線レーザーは、ガスを放電させることで、その放電エネルギーで電子を励起させ（エネルギーの高い状態に遷移させ）、そこから元の状態に戻る際に放出されるエネルギー（発光）を使う「エキシマレーザー方式」が主流です。ガスとしては、KrFやArFが用いられており、それぞれ248nm、193nmという紫外光を直接発生させることができます。
（参照：「F2レーザリソ技術の開発」プロジェクト　より微細な半導体デバイスを作るために、表面加工に欠かせないレーザー光源を開発　ギガフォトン株式会社）

しかし、放電による発光では連続的な繰り返し発光が難しくなり、レーザーとしての品質が低く、集光性も不安定になりがちです。また、エネルギーの変換効率も高くありません。

さらに、放電に使用するArやFなどの気体は有毒で、環境に放出されると非常に危険です。しかも、そうしたガスが金属部品を腐食させるため、装置のメンテナンスコストがかかるという問題もあります。

他方で、媒体としてガスではなく固体を用いるレーザーもあります。固体レーザーは、有毒ガスを放出せず、メンテナンスコストがかからない上に安全です。さらには、ガスを発生させない分、機器をコンパクトに設計できるというメリットもあります。

そして、なによりも重要なことは、エネルギーの変換効率が高く、高精度なレーザーを発生させられることです。光を絞ったり、広げたりすることが容易であり、加工や検査に使いやすいというのも大きなメリットです。

ところが、現存するNd:YAGレーザーなどの固体レーザーは、波長の長い赤外光のみしか放出できないことから、紫外線レーザーを使うためには、赤外光から紫外光への波長変換が必要です。

LBOとCBOを混ぜ合わせたCLBO結晶は、LBOとCBOでは実現不可能な、266nm、213nmを発生することが可能だとわかりました。

ただし、セシウムには水と反応して溶けてしまう性質（潮解性）があるほか、結晶の歪みや割れが発生しやすいといった問題がありました。波長変換特性にすぐれた結晶ができたとしても、結晶内に歪みや欠陥があると紫外レーザー光が吸収され、熱が発生したり、結晶そのものが壊れたりしてしまいます。

CLBO結晶では、結晶欠陥の存在が一番の問題になります。そこで、森教授らは、NEDO「フォトン計測・加工技術の研究開発」に参画し、溶液攪拌法という新しい結晶育成方法を開発することで、欠陥を低減し、結晶の品質を向上させていきました。

結晶の品質向上に伴って、発生出力も大きくなっていきます。CLBO結晶を発見した当初は266nmでのレーザー出力は数W程度でしたが、2000年には23W、2003年には世界最高記録を大幅に上回る42Wを達成しました。また、レーザー損傷耐性が3倍以上向上するなど、産業応用への道筋も見えてきました。

研磨・加工のスペシャリストの手により実用化

CLBO結晶の実利用に向けた次のステップは、波長変換素子を作製するための「研磨・加工技術」の確立でした。CLBO結晶の表面加工は、いままで挙げてきたような特性から、その正確な加工が極めて難しく、高度な熟練技術が求められました。

その困難なチャレンジに名乗りを上げたのが、結晶加工技術を磨き上げることで半導体産業の急流を乗り越えてきた光学技研でした。

CLBOの発見から4年後の1997年、大阪大学と光学技研、さらにフォトマスク検査装置を開発する三菱電機株式会社が参加して、NEDOプロジェクト「フォトン計測・加工技術の研究開発」が始まり、結晶の産業応用への研究が加速していくこととなりました。

NEDOプロジェクト以降、大阪大学では、結晶のさらなる品質向上を追求する一方で、光学技研ではCLBO結晶の加工技術や加工方法の研究開発に取り組みました。

ふとした思いつきで新結晶を発見

森教授がCLBO結晶を発見したのは、ふとした思いつきがきっかけでした。1993年に助手として着任した佐々木研究室では、紫外光用の波長変換結晶を探索していたのですが、適度な複屈折を持つ材料が見つかりません。森教授は学生時代に半導体の研究をしたいたのですが、半導体の材料開発では混晶といって複数の材料を混ぜ合わせて禁制帯幅を制御します。森教授は、酸化物でも同じパターンで複屈折を制御できないのかなと思っていましたが、中々実行には移せませんでした。

「すでに就職は決まった学部の4年生がいて、卒業のためには何でもすると言ったので、ならば出来るかどうか全く分からない新しい結晶探索を卒業研究のテーマにしてみてはと提案したところ、駄目元でやってみようとなったのです。そこで、とりあえず、彼と研究室にあったLiB3O5とCsB3O5を1対1の比率で混ぜ合わせてみたところ、元素記号の上では混晶ですが全く新しい構造を持つCsLiB6O10が得られたのです」と、森教授は当時を振り返ります。

研磨加工技術の確立により実用化へ向けて加速

その後NEDOプロジェクトへの参画をきっかけとして、光学技研でのCLBO結晶による波長変換素子作製が開始されました。

ところが、大阪大学から光学技研に宅配便で送られてきた最初のCLBO結晶は、加工する以前に、クラックが入った真っ白く濁った状態だったのです。大阪大学で結晶を切断したときの応力により脆くなり、クラックが入ってしまったようでした。

光学技研の研究開発スタッフは、CLBO結晶は研磨・加工どころか、その前の段階である、「切断」ですら難しいのだと思い知らされました。そこで、設備の整っていない大学研究室でなく、「切断もこちらでやるので、結晶のまま送ってほしい」と森教授に申し出ました。

また、当時の大阪大学では、応用に向けて少しでも結晶を大きく育てようと研究開発を進めていましたが、光学技研はそれに対しても、「結晶が大きくなったからといって、質が良くなるとは限りません。たとえ小さくても、高品質な結晶を、時間をかけて作りましょう」と提案しました。

加工がきわめて難しいCLBO結晶の研磨法を開発するには、なによりまず、結晶の品質評価がしっかりとできなければ、その入り口にも立つことはできません。

さらに評価には、クラックなどがない状態で加工し、結晶軸（結晶における座標）を明確にすることが重要でした。そのためにも、クラックはもちろん、歪みもない、高品質な結晶が必要なのでした。