レーザーとプラズマについてメモ

半導体・ストレージ・NAS

半導体プロセスの勉強をしていると、露光、エッチング、アッシング等いろいろな場面でレーザーが登場する。

レーザーとレーザによって生成されるプラズマについてまとめたメモ。

レーザー

LASERは Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(輻射の誘導放出による光増幅)の頭語であり、レーザーによって作られる光がレーザー光線である。

(以下、『量子もつれとは何か』の第4章が元ネタ)

(レーザー)光は電磁波であるので、光を作るには、電磁誘導が必要である。電磁誘導を起こすためには、電気を帯びたものが加速度運動をしなくてはならない。この候補としては、原子を構成する原子核と電子があるが、光の周波数に追随して動けるくらい軽いのは、電子だけである。よって、電磁誘導の担い手は電子になる。

電子の状態として、高エネルギーの励起した状態と、低エネルギーの安定した状態があり、原子核の周りの帯電した電子は、高エネルギー状態と低エネルギー状態が周期的に切替わる。原子核の上下で振動するといってもよい。この振動数と同じ電磁波が電磁誘導により生成される。

レーザー発振=光子の大量生成

『量子もつれとは何か』(古澤 明, BLUBACKS)より

レーザー発振では、まず、高エネルギー状態の電子を大量に用意する(高エネルギー状態の電子数 >> 低エネルギー状態の電子数)。これは、普通でない状態なので、確率的に、どれか1つの電子が高エネルギー状態から低エネルギー状態へ移り、このときに光子を1つ放出する。

電磁波である光子は、周期的に振動する電場によって電子を揺さぶるから、他の高エネルギー状態の電子も低エネルギー状態になりやすくなる。この揺さぶりが、大量に雪崩のように起きるのが誘導放出であり、レーザー発振そのものである。

  • 誘導放出の特徴

最初に確率的に放出された光子と全く同じもの(同じ位相を持つもの)が大量に生成されること

プラズマ

(以下、主に(株)ニッシンのウェブサイトより)

プラズマとは

プラズマは、気体を構成する分子が部分的に、または完全に電離し、陽イオンと電子に別れて自由に運動している状態です。プラズマ中の電荷は、異符号の電荷を引き付けるため、全体として電気的に中性な状態に保たれます。

また、構成粒子が電荷をもつため、粒子は電磁場を通して遠隔的な相互作用をすることができ、離れた領域にある粒子の運動に依存したふるまいをします。このように、分子からなる気体とは大きく異なった性質をもつため、プラズマは物質の三態、すなわち固体、液体、気体とは異なった、物質の第四態といわれます。

プラズマでできること

使用するガスの種類よって、機能がまったく変わるのが面白い。フッ素系を使うと撥水性が向上するというのは、フッ素コートのフライパンと似たものだろうか。また、焼結は、3DプリンタのSLS方式でも出てくるキーワードだ。

参考)レーザー焼結(SLS)の特許切れで低価格3Dプリンターが続々と登場

  1. 密着性の向上
  2. 親水性の向上(濡れ性の改善):酸素
  3. アッシング:酸素
  4. 還元処理:水素
  5. 撥水性の向上:フッ素系
  6. 焼結