概要

EV市場はバッテリー最大の量産市場であり、バッテリー技術および製造効率の進歩を推進しています。バッテリー技術の発展によりもたらされるエネルギー密度、充電サイクル、信頼性の向上などは、民生用自動車のみならず、配送トラックや公共交通機関などの商用車市場にも大きな影響を与えます。バッテリー溶接技術の進歩により、EVとICE車（内燃機関車）の価格は、数年のうちに同等になるとも予想されています。

レーザ溶接の課題

レーザ溶接には、他の製造プロセスとも同様に、バッテリー溶接にもメーカーを悩ませる複数の課題が存在します。
その一つに部品間の大きなばらつきがあります。これは、製品設計の進化とサプライチェーンにおける変化が、溶接部品の品質と再現可能性に影響を与えるためです。

銅とアルミニウムはバッテリー溶接においてよく用いられる金属です。これらの金属は、鋼鉄やステンレス鋼、ニッケルよりも溶接の難易度は上がりますが、どちらも熱伝導率が高く、液粘度が低く、溶融溶接池においてガスと結合する親和性を有します。

銅とアルミニウムの溶接の際は、隣接部品の過熱を防ぐために、非常に高速で熱入力の低い溶接プロセスが要求されます。この溶接プロセスについて、構造接続の場合は、溶接部の強度を可能な限り高くする必要があります。しかし、重量が増加するとエネルギー密度が低下してしまうため、溶接プロセスの対象となる接合領域を大きくすることは避ける必要があります。

電気接続については、電流が流れるように溶接領域を十分に広くしつつ、大きな溶融堆積によって生じるひずみを抑える必要があります。このような課題に加え、サイクル速度や品質に対する要件が加わります。
このように、レーザ溶接エンジニアに求められる技術は非常に高いものとなります。

シングルモードのビーム成形

シングルモードのファイバレーザは、厳しい溶接条件に対する有効な解決策であるとされています。

シングルモードビームは、その小さなスポット径に高い出力密度によって、深い溶け込み溶接を極めて高速に実行することが可能で、さらに熱入力がほとんどなく、ひずみも小さいことが特徴です。また、シングルモードのファイバレーザは、銅とアルミニウムのキーホール溶接時の反射率にも耐えうる強度を有するため、非常に小さな構造の溶接から厚みのある電極溶接まで、多用途で有効なバッテリー加工手段として評価されています。

ビーム成形とシングルモードのビーム品質を単一のレーザ源に組み合わせる方式も考案されています。シングルモードのファイバからのレーザ出力分布を、最大40μmのリングファイバまで動的に変更する技術も開発されています。
銅の溶接時は、最高強度のシングルモードビーム形状により、キーホール溶接モードにて、最も深い溶け込みと高速な溶接速度を得ることができます。
アルミニウム接合部の溶接に関しては、より大きなリングビーム形状が加工時の安定した溶接池とキーホールの維持に有効となります。シングルモードビームの3倍の直径を有する、この40μmのリングビームは、その大きな直径にも関わらず、強度が1kWと高く、アルミニウムの中にガス空洞を形成することができます。

参考文献

ティム・モリス、ブライアン・ヴィクター, バッテリー溶接のためのレー ザビーム成形, Laser Focus World Japan, pp18-21

概要

音響光学素子（Acousto Optic Device）は、レーザ装置内などで使われるデバイスで、強度変調あるいはビーム位置の電気的制御を行います。音響光学素子は、結晶を圧電素子で振動させ、結晶の中に疎密の定常波を作り、これを回折格子として利用する素子です。このときできる格子幅は結晶にかける振動周波数で制御できるため、できた回折格子で曲げられる光の角度も制御できます。回折格子を作るために結晶にかける振動の周波数は数十MHzから数百MHzで、それを数十kHz変調することで、ビームの高速のスキャンも可能です。

原理

ある媒体内にレーザ光線と音響波が存在するとき、すべての光学媒体において音響光学効果が起こります。音響波が光学 媒体中に入ると、正弦格子（グレーティング）のように作用するある屈折率を持った波が生じます。
入射レーザ光がこのグレーティングを通過するとき、いくつかの次元（オーダー）に回折されます。回折現象とは２本以上の接近したスリットにレーザー光線などを当てると、隣のスリット同士から出る光が干渉し合い、一定の方向の光が強くなる現象です。適切に素子を設計すれば、１次回折光線に最大効率を持たせることができます。この光線は高い周波数ほど偏向角は大きくなります。

構造

様々な音響光学媒体の選択は、波長（光学透過範囲）、偏光、パワー密度などのレーザのパラメータにより決定されます。
音響光学媒体として、可視および近赤外領域では、主にガリウムリン、二酸化テルル、インジウムリン、カルコゲナイトガラスや溶融石英が使用されます。一方の、赤外領域では、ゲルマニウムが使われます。
AOMで使用される結晶は、光学研磨され金属圧縮接着により接合されます。デバイスとして、１GHz レベルの共振周波数まで入力できるようになっています。

応用

開発当時、音響光学素子は、おなじく開発が進む光ファイバー通信で主にスイッチとして脚光を浴びていました。２つのファイバー間にAOMを入れ、AOMをオン／オフすることで光の方向が変わるため、スイッチとして利用できました。
また、別の応用として、AODを使ったレーザー顕微鏡もありました。この顕微鏡は、機械的なミラーのスキャン方式が発表されるまで、世界で唯一の動画観察ができる共焦点レーザー顕微鏡でした。スイッチとして使う場合は、問題となりませんでしたが、レーザー顕微鏡の光源として使用するには、スキャンの均質性やデバイスの物理的な大きさが課題となりました。また、ミラーと違い、点光源から出た光を点光源に戻すこと（デスキャン）ができません。ミラーなら点光源から出た入射光を走査させても、反射光は同じ経路を戻ります。AOMの場合も光学部品を追加して、点光源に戻すことができますが、反射光の経路が通る光学部品の数が多くなれば、それだけ歪みが増えて、部品点数が増えるという欠点もありました。

さいごに

AODは、高速性を有する光路制御デバイスです。

開発当初は、主にレーザーのスイッチングとして注目を浴びたり、動画観察ができるレーザー顕微鏡つぃて利用されました。今後は、ハイスピードカメラや高速なパルス信号を送るデバイスとしての活躍もあるかもしれません。

参考

• 音響光学素子（Acousto-Optics）について
• 音響光学素子 | 顕微鏡のことならKenbikyo.org

概要

EUV（Extreme Ultraviolet）とは、極端紫外線を利用した光学技術の一つで、その波長が 13.5nm と非常に短い光のことを指します。EUV 技術は、半導体製造、リソグラフィ（微細加工技術）、顕微鏡技術、プラズマ研究など、さまざまな科学技術分野で重要な役割を果たしています。しかしながら、その技術的難易度は非常に高く、EUV 露光に必要な装置・部材を供給できる企業は非常に少ないのが現状です。

EUV技術の重要性

EUV技術は、半導体製造の微細加工プロセスにおいて特に重要です。半導体製造における露光工程では、シリコンウェハー上の狭い範囲に複雑な回路を書き込む必要があります。加えて、近年の技術革新に伴い、半導体に書き込む回路が複雑さは増し、同時にチップサイズの小型化のニーズも高まっており、従来よりもさらに短い波長の光源が求められています。EUV リソグラフィを用いることで、このような極めて微細なパターンを半導体ウェハーに書き込むことが可能になります。

歴史

これまで半導体業界では、露光装置の光源を波長の短いものへと変更し続けてきました。過去には、g（水銀）線（波長436nm）、ArF（アルゴン・フッ素）線(波長193nm)など、様々な物質を光源とした露光技術が導入されてきました。その最終形が EUV です。EUV を用いた露光は、7nm 以降の微細回路パターンをシリコンウェーハ上に転写するための技術として、2019年に台湾のTSMCによって初めて量産投入されました。

EUV露光の難しさ

波長が 13.5nm と極端に短い EUV 光を、従来のレンズ方式の露光装置で転写しようとすると、レンズや空気中の成分で吸収されてしまい、ウェーハ上のフォトレジストまで届かなくなってしまいます。このため、EUV 露光では光が通る経路を真空にして、なおかつ照明光学系にミラーを導入し、レンズはパターン縮小に用いる投影光学系に限定して、吸収を最小化する必要があります。

EUVの光源

EUV リソグラフィには、極端紫外線を生成する光源が必要です。これには、プラズマ放電などを使用して EUV 光を生成する装置が使用されます。

さいごに

EUV 技術は、半導体製造だけでなく、X線リソグラフィ、顕微鏡技術、プラズマ研究、リソグラフィの基礎研究など、さまざまな分野で利用されています。しかし、EUV 技術は、微細加工と高性能デバイスの製造において非常に重要であり、半導体業界などの先端技術分野で広く使用されています。新しい製品の開発や性能向上に期待が高まります。

# 参考
– 需要が増えている半導体製造へのEUVの利用と日本の現状
– 半導体の微細化に不可欠なEUV露光技術の現状とこれから