レーザアブレーション

レーザアブレーションの方法

レーザアブレーションは、多くの用途で同様のメリットをもたらしますが、この技術はさまざまな方法で機能します。 これらは、レーザの種類、材料自体、および作業の要件によって異なります。 しかし、大まかに言えば、すべてのアブレーション加工方法は、光熱的または光切除的な相互作用によって行われます。 単一の加工方法内で、この2つの組み合わせが発生することも珍しくありません。

光熱的加工方法では、空間的に限定された強い加熱によって材料を除去します。 基本的には、物質は沸騰するか、昇華する（間に液体相を介さないで固体からガスまたはプラズマに直接変換される）まで急速に加熱されます。  

光熱加工方法は、一般に被加工物にかなりの熱を加えます。 そのため、熱に弱い部品（熱伝導率の高い材料）や、小型の加工対象物（熱が他の部分に伝わりやすい材料）にはあまり使われません。 光熱加工方法は、一般的に比較的速い材料除去速度で加工できるため、ハイスループット生産や広い面積を対象とする用途で役に立ちます。

2番目の方法である光アブレーションは、物質を加熱するのではなく、物質を結びつけている分子や原子の結合を直接壊す方法です。 そのため、「冷間」加工方法となります。 この結合破壊を実現するには、一般に2つの方法があります。 

• 最初の方法は、化学結合エネルギーよりも大きなエネルギーを持つ光子の物質中での線形吸収に依存しています。 ほとんどの固体で結合を切断するのに十分なエネルギーを供給できるのはUV（紫外線）光子だけであるため、この方法は、実質的に、常にUVレーザに依存します。 それは、光子エネルギーは波長が短くなるほど大きくなり、紫外線は可視光や赤外線よりも波長が短いためです。
• 光アブレーションを発生させる2番目の方法は、非線形吸収を起こすのに十分な高いピークパルス出力を持つレーザを使用することです。 このような「多光子」加工方法では、その波長を通常は透過する物質であっても、レーザエネルギーを吸収します。 非線形吸収の推進に必要なピークパワーは、通常、超短パルス（USP）レーザを使うことでのみ達成できます。 

光アブレーションは、最高精度の用途や最小のHAZ（数十ミクロン程度）を必要とする用途に使用されます。 ただし、一般に材料除去率は光熱アブレーションよりはるかに低いです。 また、USPの光源は、一般的に光熱加工方法に使われるレーザよりも大型でコストが高いです。 

無数の用途に対応する多くのレーザ

実質的に、すべてのレーザ切断およびドリリング加工方法はアブレーションと見なすことができます。 しかし、この議論は、選択的材料除去や表面の表面構造形成を伴う用途に限定するのが便利であり、貫通切断は対象外です。 アブレーションの幅広い用途を分類する1つの方法として、材料による分類があります。 

金属： 金属アブレーションは、さまざまな産業の用途に活用されています。 中には、金属部品の表面から異物を除去するやり方もあります。 たとえば、錆や腐食、塗料などのコーティングを剥がすことに用いられます。 また、塗装、コーティング、接着やその他の加工前に、部品表面の油分や接着剤などの不要な汚れをクリーニングすることも含まれます。  

理想的には、この種類のアブレーションに使用するレーザ光源は、異物に吸収され、その下にある金属には吸収されません。 そのため、部品に傷をつけるリスクなしに、比較的容易に表面をクリーニングすることができます。 材料そのものにもよりますが、一般的には、ファイバーレーザ、CO₂レーザ、ナノ秒パルス幅LD励起固体（DPSS）レーザなどが用いられます。

工業用マーキングや装飾のために行われることもある、金属のレーザエッチングやレーザ彫刻の場合、部品自体から材料を取り除くことを目的としています。 これは通常、緑色やUVを出力するファイバーレーザやナノ秒LD励起固体レーザで行われます。 後者は、特により薄い、繊細な部品や熱に敏感な部品で採用されています。 熱に最も敏感な金属アブレーション用途では、USPレーザが使用されることもあります。 

半導体： 半導体材料のレーザアブレーションの主な用途は、マイクロエレクトロニクス回路製造の過程でウエハにエッチングや彫刻のマークを付けることです。 これは、ほとんどの半導体が赤外線の基本波長を少なくともある程度透過するため、緑色やUVを出力するナノ秒LD励起固体レーザを用いて主に実現されます。

USPは、さまざまな半導体の精密微細加工に使われることがあり、主に研究分野で使用されています。 また、集積回路製造（被膜剥離）の故障解析において、精密な材料除去に使用することができます。 

ガラス： ガラスは非常に幅広い用途で使用されており、ガラスアブレーションに使用されるレーザも多岐にわたっています。 飲用グラスやワインゴブレット、マグカップ、ボトルなどの装飾エッチングは、CO₂レーザで行うことが一般的です。 半導体、ディスプレイ、製薬業界で使用される製品や容器へのマーキングなど、より高い精度のガラスエッチング作業には、通常CO₂レーザやUV LD励起固体レーザが使用されています。 

レーザによるガラスアブレーションのもう一つの重要な用途は、「マイクロ流体」デバイスの製造です。 これらは、流体の流れを精密に制御できる細いチャネル（サブミリメートル単位の断面）を持つガラス基板です。 マイクロ流体工学は、PCR増幅やDNA分析などの技術に用いる、いわゆる「ラボオンチップ」デバイスの基礎を形成しています。 UV LD励起固体レーザやUSPレーザは、これらのチャネルを高精度でアブレーションすることができます。 

通常、レーザを用いてガラス基板表面のチャネルをアブレーションします。 これを別のガラスに接着し、内部のチャネルを形成します。 しかし、USPレーザを使えば、固体ガラス基板に直接内部チャネルを形成することもできます。 これはUSPレーザのユニークな機能です。 

ポリマー： また、ポリマーも多くの異なる産業で、レーザアブレーションにより加工されています。 たとえば、メディカルインプラントの表面のテクスチャリングや、医療機器のポリマーコーティングを選択的に除去するために、高精度のレーザアブレーションが使用されています。 マイクロエレクトロニクスのパッケージングでは、ポリマー樹脂で封止されたSiP（System in Package）デバイスの周囲にレーザアブレーションによりトレンチ加工を施すことが行われています。 これは、ダイシング（個々のデバイスに分離すること）の前に行われます。 これらの用途では、さまざまなポリマーが使用され、加工方法の速度の要件や他の要因も多様であるため、ポリマーの精密アブレーションには、ほぼすべての種類のレーザが採用されています。

もう一つの重要なポリマーアブレーション加工方法は、バスバーの絶縁層の除去です。 ここでは、CO₂レーザを用いて、銅導体からプラスチック絶縁層が高速で除去されます。 

ポリマーのエッチングや彫刻、特にアクリルは、屋内外の看板の製作にも広く活用されています。 この場合も、ほとんどがCO₂レーザを使ったシステムで行われています。 また、石だけでなく、木や皮革などの有機物にエッチングや彫刻を施すこともできます。 

組織： 多くの外科手術やメディカル処置が、レーザアブレーションに依存しています。 LASIKやPRKは、エキシマレーザを使って角膜を切除し、再形成する治療法です。 この2つの手術は、世界中で年間100万件以上行われています。 

レーザは、他の多くの外科および歯科用途において、軟組織と硬組織の両方を除去するために使用されています。 これには、腫瘍摘出、前立腺肥大症（BPH）の治療、腎臓結石除去、顎顔面外科、脳神経外科など、さまざまな分野が含まれます。 

Er:YAG、Nd;YAG、Ho;YAG、ツリウムファイバーレーザ（TFL）など、さまざまな種類のLD励起固体レーザが、ほとんどの外科的応用に使用されています。 これらのレーザはいずれも高出力の中赤外線（水の吸収ピークに近い）を出力し、その光はファイバーで伝送することもできます。 これにより、低侵襲な手術器具で効率的かつ選択性の高い組織除去が行えます。 

CO₂レーザは、ファイバー伝送が容易でないため、口腔外科や耳鼻咽喉科の用途に広く採用されています。 CO₂レーザの大きな特長は、組織のアブレーションと凝固の両方ができることです。 これにより、手術中の出血を抑え、患者の回復を早めることができます。

Coherentはアブレーションを容易にします

Coherentは、レーザアブレーションの応用を開発から製造までサポートしています。Coherent Labsは、さまざまな材料のアブレーションに豊富な経験があり、加工方法レシピのテストと開発に使用できる、ほぼすべてのタイプのレーザを備えています。 

Coherentは、工業用および理科学用エッチングの用途向けに幅広い製品を供給しています。 これには、ほぼすべてのタイプのレーザ光源、OEMレーザエンジン（レーザ、ビーム伝送システム、コントローラーを統合したもの）、完全なターンキーレーザマシンが含まれます。 メディカルレーザアブレーション用途では、当社は、メディカルレーザや完全な手術システムのメーカーに、レーザ利得結晶や非線形結晶、ビーム伝送ファイバー、完全な光ファイバーアセンブリを供給しています。