JP2003001599A - 三次元微小構造物の製造方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加工時間の短縮化を図り、精度の向上を図る
ことができる三次元微小構造物の製造方法及びその装置
を提供する。 【解決手段】 光硬化樹脂に、この光硬化樹脂に吸収さ
れない波長を有するフェムト秒パルスレーザー光９を集
光照射し、二光子吸収により光硬化樹脂を光重合させて
硬化させ、微小立体構造物を製造するのに、前記二光子
吸収により、前記光硬化樹脂１の作製すべき微小立体構
造物の外殻部分２を先に硬化させ、外殻の外の未硬化不
要樹脂１を洗い流し、次いで外殻内部の未硬化樹脂４を
光重合させ、この際、光ビームの走査は多項式で制御
し、前記外殻をトレースする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、外形の大きさが数
μｍからｎｍオーダーの三次元微小構造物の製造方法及
びその装置に係り、特に、多光子吸収による光重合を用
いて製造する方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、マイクロマシーンの応用分野は、
情報機器、計測機器、医療機器等広範囲に及び、更に今
後、ナノサイズの解析や物質創成の研究開発に必須にな
ってくる。この技術を適用したものとしては、数μｍの
ギア、コイル、バルブやフォトニック結晶等がある。

【０００３】更に、応用として、導波路や光学格子等に
も適用できる。しかしながら、半導体プロセスに基づく
マイクロマシニングは、設備が大がかりになり高コスト
になる。ところが、光造形法は大気中での加工であり、
低コストが期待できる。中でも二光子吸収による光重合
を利用した微細加工技術は、樹脂硬化の光波長と入射光
の波長を別々に設定できること、又原理的に光の回折限
界以下の微細加工が可能であることから超微細加工に向
いている。

【０００４】参考文献としては、以下のようなものが挙
げられる。

【０００５】（１）ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ Ｖ
ｏｌ．２２，Ｎｏ．２，ｐｐ１３２−１３４（１９９
７） （２）計測と制御 第３６巻 第５号 ｐｐ３７６−３
７７（１９９７） （３）Ｊ．ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａ
ｎｉｃａｌ Ｖｏｌ．７．Ｎｏ．４，ｐｐ４１１−４１
５（１９９８） （４）Ｏ ｐｌｕｓ Ｅ Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．９，ｐ
ｐ１０４４−１０４９（１９９８） （５）レーザ熱加工研究会誌 第７巻 第２号 ｐｐ１
２０−１２４（１９９７） 上記した従来技術によれば、光硬化性樹脂を使ったマイ
クロマシニングの中で、二光子吸収を利用した手法は、
微細で高い分解能を有する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たような光造形法は、ある平面内で光スポットを順次走
査させ、加工面を上下に積層する方法であるため、加工
時間が長くなってしまう。精度向上を目的としてスポッ
トサイズを小さくすると更に時間がかかり、コストも嵩
む。また、硬化樹脂が液体であるため、加工途中に型く
ずれを起こすという欠点がある。この点、短時間加工
は、型くずれを起こしにくく、コスト面からも有利だ
が、精度が劣るという問題がある。

【０００７】本発明は上記状況に鑑み、加工時間の短縮
化を図り、精度の向上を図ることができる三次元微小構
造物の製造方法及びその装置を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔１〕光硬化樹脂に、この光硬化樹脂に吸収されない波
長を有するフェムト秒パルスレーザー光を集光照射し、
二光子吸収により前記光硬化樹脂を光重合させて硬化さ
せ、微小立体構造物を製造する方法において、前記二光
子吸収により、前記光硬化樹脂の作製すべき微小立体構
造物の外殻部分を先に硬化させ、この外殻の外の未硬化
不要樹脂を洗い流し、次いで前記外殻内部の未硬化樹脂
を光重合させ、前記外殻をトレースすることを特徴とす
る。

【０００９】〔２〕上記〔１〕記載の三次元微小構造物
の製造方法において、前記光ビームの走査は多項式で制
御することを特徴とする。

【００１０】〔３〕上記〔２〕記載の三次元微小構造物
の製造方法において、前記レーザー光強度には加工可能
な上限と下限が存在し、この下限近くにレーザー光強度
を制御することで高分解能を得ることを特徴とする。

【００１１】〔４〕上記〔１〕記載の三次元微小構造物
の製造方法において、光源をマイクロレンズアレイやピ
ンホールアレイにより複数の光束とし、複数個の同一の
微小立体構造物を同時に製造することを特徴とする。

【００１２】〔５〕上記〔１〕記載の三次元微小構造物
の製造方法において、前記光硬化樹脂に蛍光色素をあら
かじめ混入しておくことによって、蛍光を発する三次元
微小構造物を得ることを特徴とする。

【００１３】〔６〕光硬化樹脂に、この光硬化樹脂に吸
収されない波長を有するフェムト秒パルスレーザー光を
集光照射し、二光子吸収により光硬化樹脂を光重合させ
て硬化させ、微小立体構造物を製造する装置において、
レーザー光源と、シャッターを有するガルバノスキャナ
ーと、リレーレンズと、ビームスプリッターと、対物レ
ンズと、カバーガラス上にセットされる光硬化性樹脂と
を備え、前記二光子吸収により、前記光硬化樹脂の作製
すべき微小立体構造物の外殻部分を先に硬化させ、この
外殻の外の未硬化不要樹脂を洗い流し、次いで前記外殻
内部の未硬化樹脂を光重合させる手段とを有することを
特徴とする。

【００１４】〔７〕上記〔６〕記載の三次元微小構造物
の製造装置において、前記レーザー光源は、波長７８０
〜８００ｎｍ、パルス幅５０〜１５０ｆｓのチタンサフ
ァイアレーザーであることを特徴とする。

【００１５】〔８〕上記〔６〕記載の三次元微小構造物
の製造装置において、前記対物レンズは、Ｎ．Ａ．０．
９〜１．４の油浸対物レンズであることを特徴とする。

【００１６】

〔９〕上記〔６〕記載の三次元微小構造物
の製造装置において、光学調整を容易にするため、試料
の透過像の観察光学系を具備することを特徴とする。

【００１７】上記したように、本発明は、光硬化樹脂
に、この樹脂に吸収されない波長を有するフェムト秒パ
ルスレーザー光を集光照射し、二光子吸収により樹脂を
光重合させて硬化させ、微小立体構造物を製造する方法
において、作製すべき微小立体構造物の外殻部分を先に
硬化させ、外殻の外の未硬化不要樹脂を洗い流し、次い
で外殻内部の未硬化樹脂を光重合させる工程を持つ。こ
の際、光ビームの走査は多項式で制御され、上記外殻を
トレースする。レーザー光強度には加工可能な上限と下
限が存在するが、その下限近くに強度を制御することで
分解能が向上する。

【００１８】例えば、約１０μｍの複雑な形状の牡牛像
を、従来法では１８０分で製造していたが、本発明によ
れば、１５分で精緻に造り上げている。更にマイクロレ
ンズアレイにより、複数個同時に製作可能になる。ま
た、樹脂に蛍光材料を混入し光デバイスへの展開も期待
することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面を用いて詳細
に説明する。

【００２０】まず、ここでは、二光子誘起樹脂硬化を利
用した光造形法の原理について説明する。

【００２１】光硬化性樹脂は、通常紫外光を吸収し液体
から固体へと変化する。そこで、近赤外パルスレーザー
光をこの樹脂に集光させ、二光子吸収によって焦点位置
で重合反応を誘起する。これによって、焦点位置近傍の
小さな領域でのみ樹脂を硬化させることができ、焦点位
置を変化させながらこの露光を繰り返すことにより、立
体構造を造形することができる。

【００２２】図１は本発明の実施例を示す二光子吸収を
利用した高速に三次元微小構造物の造形を行うためのプ
ロセスの概略図である。

【００２３】本来、細かな構造を作製するために精細な
走査が必要なのは構造体の表面の部分のみである。そこ
で、カバーガラス７上にセットされた未硬化の光硬化性
樹脂１の構造体の表面のみに対物レンズ８を介してパル
スレーザ光９を照射して、構造体の表面の外殻樹脂２を
硬化させた〔図１（ａ）参照〕。その後、エタノール３
で洗浄することによって、構造体の外部の未硬化樹脂１
を取り除いた〔図１（ｂ）参照〕。このとき、構造体の
内部の未硬化樹脂４は硬化した外殻樹脂２によって囲ま
れているため流出しない。その後、ＵＶランプ５を用い
て、全体を露光することによって、構造体内部の樹脂４
を硬化させた〔図１（ｃ）参照〕。次いで、洗浄した結
果、完全に樹脂を閉じ込めた（硬化させた）三次元微小
構造物６を得た〔図１（ｄ）参照〕。

【００２４】このような三次元微小構造物６を得るた
め、造形時に構造体表面から任意の距離の範囲内だけ露
光を行えるソフトウェアを開発した。

【００２５】本ソフトウエアでは構造体内部の各点の表
面からの距離を構造データより、空間ベクトル計算によ
って算出している。まず、露光時には任意の走査厚さを
指定でき、条件を最適化できるようにしている。

【００２６】図２は本発明により作製した微細構造物と
しての牛の像の電子顕微鏡写真を示す図、図３は本発明
により作製した微細構造物としてのマイクロギアを示す
図である。

【００２７】図２及び図３から明らかなように、本発明
を用いることにより非常に自由度の高い立体構造を高い
空間分解能で作製することができる。

【００２８】本発明は、マイクロマシンの作製等にも応
用可能である。従来、マイクロマシンの作製には、シリ
コンリソグラフィー技術による微細造形が盛んに用いら
れている。このシリコンリソグラフィーを用いたマイク
ロマシーニングでは、各パーツを別々に作製して部品を
組み合わせて可動部品を作製する。

【００２９】しかし、本発明を用いれば、可動部品を持
つ構造体を一度のプロセスで作製することができる。こ
れは、図３に示すように、基板１１に接触していない部
品（浮遊部品）１２を造形する際、浮遊部品１２が樹脂
の粘性によって液体樹脂１３中に固定されているためで
ある。ミクロンオーダーの構造物では、見た目上の粘性
が重力等に比べ、比較的大きくなる。

【００３０】これは、粘性による摩擦などの表面力はサ
イズの二乗で働くが、重力などはサイズの三乗で働くた
めである。さらに、硬化前後の樹脂の比重変化もあまり
大きくないため、露光時間内での部品の流動を無視でき
る程度に小さくすることが可能である。

【００３１】次に、光硬化性樹脂について説明する。

【００３２】光硬化性樹脂とは、紫外光を照射すること
により重合反応を起こし、液体から固体へと変化すると
いう特性を持った樹脂である。主成分はオリゴマーと反
応性希釈剤からなる樹脂成分と光重合開始剤である。オ
リゴマーは重合度が２〜２０程度の重合体であり、末端
に多数の反応基を持つ。さらに、粘度、硬化性等を調整
するため、反応性希釈剤が加えられている。

【００３３】紫外線を照射すると、重合開始剤がこれを
吸収することにより反応種が発生し、オリゴマー、反応
性希釈剤の反応基に反応し、重合を開始させる。これら
の間で連鎖的重合反応を起こし三次元架橋が形成され
る。これによって、短時間のうちに三次元網目構造を持
つ固体樹脂へと変化する。

【００３４】光硬化性樹脂は光硬化インキ、光接着剤、
積層式立体造形などの分野で使用されており、様々な特
性を持つ樹脂が開発されている。特に、積層式立体造形
においては（１）反応性が良好であること、（２）硬化
時の堆積収縮が小さいこと、（３）硬化後の機械特性が
優れていること、等が重要である。これらの特性は本手
法においても非常に重要である。そのため、ここでは、
積層式立体造形用の樹脂を用いた。

【００３５】積層式立体造形においては硬化前後の特性
が重要であり、アクリレート系およびエポキシ系の樹脂
が良く用いられる。本発明では、ウレタンアクリレート
系の光硬化性樹脂ＳＣＲ５００（日本合成ゴム株式会
社）を用いた。

【００３６】その組成を図４に示す。また、その物性を
図５に、吸収スペクトルを図６に示した。

【００３７】本発明では、光源として、波長７８０ｎｍ
のパルスレーザーを用いた。図６より明らかなように、
この樹脂は波長７８０ｎｍには吸収を持たないため、一
光子吸収は発生しない。また、波長の半分の３９０ｎｍ
周辺には吸収を持つことが分かる。二光子吸収スペクト
ルは、選択則が異なるため、単に一光子吸収の波長を半
分にしたものとはならないが、おおよそ７８０ｎｍ周辺
で二光子吸収が発生することは推測できる。

【００３８】次に、二光子吸収について説明する。

【００３９】二光子吸収とは三次の非線形光学効果の一
種であり、２個の光子を同時に吸収し、分子が励起され
る過程である。通常の一光子吸収と二光子吸収のエネル
ギー遷移図を図７に示した。

【００４０】図７（ｂ）に示すように、二光子吸収にお
いては光子２個で励起を行うため、一光子あたりのエネ
ルギーが通常の吸収と比べ、半分となる。すなわち、振
動数が半分となり、波長は倍になる。

【００４１】通常の一光子吸収〔図７（ａ）〕の発生確
率は入射光強度に比例するが、二光子吸収においては、
入射光強度の２乗に比例する。そのため、より空間的に
小さな領域の分子を励起することができる。さらに、波
長が倍になることにより、より長い波長で励起を行うた
め、（１）物質に対する透過率が良くなり、より深い位
置の分子を励起できる、（２）試料中の散乱、屈折の影
響を受け難くなるという利点がある。ただし、通常の吸
収と異なり、二光子吸収の吸収断面積は非常に小さく非
常に起こり難い現象である。二光子吸収が顕著に現れる
のは光強度が非常に大きいときに限られる。そのため、
本発明では瞬間的な光強度が非常に大きいフェムト秒
（ｆｓ）パルスレーザーを用いている。

【００４２】次に、一光子および二光子重合による樹脂
硬化を行った場合の樹脂硬化の様子を計算し、比較す
る。屈折率は今回実験に用いた樹脂（ＳＣＲ５００）の
値を、波長はそれぞれ７８０ｎｍ、４８８ｎｍを用い、
Ｎ．Ａ．１．４の対物レンズを用いた時と考えた。

【００４３】焦点近傍での光強度の分布は次のように表
されることが分かっている。

【００４４】

【数１】

【００４５】ただし、ｚ，ｒを動径方向、光軸方向の座
標として、

【００４６】

【数２】

【００４７】であり、ａはレンズの開口径、ｆは焦点距
離、Ｉ_O は焦点位置での光強度、ｌは波長を示す。
Ｕ_n 、Ｖ_n はＬｏｍｍｅｌ関数と呼ばれ、Ｂｅｓｓｅｌ
関数を用いて次のように表される。

【００４８】

【数３】

【００４９】一光子吸収の確率は光強度に比例し、二光
子吸収の確率は光強度の二乗に比例する。よって、この
光強度分布から吸収の空間分布が求まる。これを図８に
示した。図９は焦点近傍の光強度分布および二乗分布の
面内積分値の光軸距離依存性を示す図である。

【００５０】この図より明らかなように、一点に光を照
射した場合、図８（ａ）に示す一光子の場合の方が、波
長が短いために分解能が高いように見える。しかし、図
９より分かるように、光軸に対して垂直な面内で光強度
を積分すると、一光子吸収では各断面での吸収の総和は
等しいが、二光子吸収の場合では焦点近傍のみに吸収が
限定されている。

【００５１】これは一光子吸収を用いた場合、焦点の前
方、後方の樹脂での吸収が大きいことを表している。こ
の差異は一点に露光を行った際でなく、多くの位置に露
光を行ったとき、顕著に現れる。このような場合の樹脂
重合度合いを算出する。

【００５２】本発明において用いた光硬化性樹脂はアク
リル樹脂であるので、ラジカル重合によって硬化する。
実際の樹脂内で起こる重合反応は、非常に複雑なラジカ
ル共重合反応となるが、単純化のため単一のモノマーの
重合モデルを用いてその反応速度について考察する。図
１０に単一のモノマーがラジカル重合する際の反応式を
示した。

【００５３】ここで、Ｉは反応開始剤、Ｒ・は開始剤に
よって生成されるラジカル（開始ラジカル）、Ｍはモノ
マー、Ｐは生成したポリマー、Ｐ・はラジカル（成長ラ
ジカル）を示す。ラジカル重合は、一般に図１０に示し
たような開始、成長、停止の三つの素反応によって、連
鎖的に進行する。

【００５４】成長反応の速度常数（ｋ_p ）は成長ラジカ
ルの大きさ（鎖長）に無関係に一定であることが知られ
ている。そのため、重合速度（Ｒ_p ）、すなわちモノマ
ーの消失速度は、 Ｒ_p ≡−ｄ〔Ｍ〕／ｄｔ＝ｋ_p 〔Ｐ・〕〔Ｍ〕 …（４） と、表せる。

【００５５】一方、ラジカルの失活速度Ｒ_t は、 Ｒ_t ＝２ｋ_t 〔Ｐ・〕² …（５） ここで反応が定常状態にあるとすると、ラジカルの生成
速度Ｒ_i は、 Ｒ_t ＝Ｒ_i …（６） よって、 Ｒ_i ＝２ｋ_t 〔Ｐ・〕² …（７） と表される。すなわち、 〔Ｐ・〕＝（Ｒ_i ／２ｋ_t ）^1/2 …（８） 上記式（４）にこれを代入し、 Ｒ_p ＝ｋ_p 〔Ｍ〕（Ｒ_i ／２ｋ_t ）^1/2 …（９） この結果は、重合速度は開始速度の平方根に比例するこ
とを表している。これは、平方根の法則と呼ばれ、ラジ
カル重合の特徴である。

【００５６】ここで、開始ラジカル生成速度Ｒ_i は、開
始剤効率をｆとして、 Ｒ_i ＝２ｋ_d ｆ〔Ｉ〕 …（１０） と表せるため、 Ｒ_p ＝ｋ_p 〔Ｍ〕（ｋ_d ｆ／ｋ_t ）^1/2 〔Ｉ〕^1/2 …（１１） となる。ここで、ラジカル重合の初期のように〔Ｉ〕、
〔Ｍ〕の変化が少ないと仮定すると、Ｒ_p はｋ_d の平方
根に比例すると言える。光によって重合を開始した場
合、光強度をＩ_exとして、 一光子吸収の場合：ｋ_d ∝Ｉ_ex 二光子吸収の場合：ｋ_d ∝Ｉ² _ex …（１２） すなわち、 一光子吸収の場合：Ｒ_p ∝√Ｉ_ex 二光子吸収の場合：Ｒ_p ∝Ｉ …（１３） となる。

【００５７】式（４）、（１３）を用いて算出した焦点
近傍での重合速度分布を図１１に示した。

【００５８】焦点を焦点面内方向に２００ｎｍ刻みで移
動させ、等しい露光時間で１０回露光を行った場合を考
える。この場合、重合反応の進行度合いは、図１１に示
した重合速度分布の積分値を求めればよい。こうして求
めた重合量分布（重合に消費されたモノマー量の分布）
を図１２に示した。

【００５９】これより、一光子吸収〔図１１（ａ），図
１２（ａ）〕によって、多点露光を行った場合、焦点の
前後で樹脂の硬化が誘起されてしまう可能性が高いこと
が分かる。これより、複雑な構造を造形するには二光子
吸収〔図１１（ｂ），図１２（ｂ）〕を用いる必要があ
ることが分かる。

【００６０】次に、本発明の実施例の三次元微小構造物
の製造（造形）装置について説明する。

【００６１】ここでは、二光子吸収誘起樹脂硬化を利用
して、自在な三次元形状微細構造を作製可能な装置を作
製し、様々な形状の微細構造を作製、観察した。

【００６２】（１）光学系 本発明の装置の光学系の概略図を図１３に示した。

【００６３】この図に示すように、光硬化性樹脂３９は
カバーガラス３８（Ｍａｔｓｕｎａｍｉ，２４×４０×
０．１２〜０．１７ｍｍ）上に滴下し、ピエゾ作動ステ
ージ（ｎａｎｏｂｌｏｃｋ，Ｍｅｌｌｅｓ Ｇｒｉｏ
ｔ）４０に固定した。

【００６４】光源としてモードロックされた波長７８０
ｎｍ、パルス幅１５０ｆｓ、リピート比７６ＭＨｚのチ
タンサファイアレーザー（Ｍｉｒａ Ｂａｓｉｃ，Ｃｏ
ｈｅｒｅｎｔおよびＭａｉ ｔａｉ，Ｓｐｅｃｔｒａ−
Ｐｈｙｓｉｃｓ）２１を用いた。

【００６５】レーザー光はシャッター２２を有するアッ
テネーターを通過したのち光学系に入り、ビームエキス
パンダー２３，２５によって広げられる。より良い解像
度を得るため、ビームエキスパンダー２３には集光位置
に空間周波数フィルターとして直径５０μｍのピンホー
ル２４を入れている。レーザー光は、リレーレンズ２
６、シャッター２８，２９、ガルバノスキャナー２７を
通過し、リレーレンズ３０，３１、ビームエキスパンダ
ー３２（ｆ＝２５０），３３（ｆ＝２００）、ＰＢＳ３
５、リレーレンズ３６を経て対物レンズ３７（Ｎ．Ａ．
１．４，油浸対物レンズ：Ｏｉｌ Ｉｍｍｅｒｓｉｏ
ｎ，Ｏｌｙｍｐｕｓ）に入射する。

【００６６】対物レンズ３７によって集光された光は、
光硬化性樹脂３９に下方よりカバーガラス３８を介して
入射され、樹脂を硬化させる。ＰＢＳ３５の前方にはλ
／２板３４を用いている。これは、露光用のビームをロ
スなくＰＢＳ３５に通過させるためのもので、これとＰ
ＢＳ３５の組み合わせでアッテネーターとして用いた。

【００６７】また、光学調整を容易にするため、試料の
透過像の観察光学系を作製した。試料は上方よりファイ
バー光源４１を用いて照明され、ＰＢＳ３５、イメージ
ングレンズ４３を介してＣＣＤ４４に結像している。照
明光によって樹脂が硬化するのを防ぐため、波長５６０
ｎｍ以下をカットするカラーフィルター４２を用いてい
る。露光ビームの焦点位置はガルバノスキャナー２７を
用いて焦平面内で走査され、ピエゾ作動ステージ４０に
よって光軸方向に走査される。

【００６８】シャッター２８，２９を高速に作動させる
ため、ガルバノスキャナー２７を用いて作製した。ガル
バノスキャナー２７のミラーでビームパスを遮ることに
よって、ビームをＯＮ／ＯＦＦする。

【００６９】図１４はシャッターの高速動作時の光強度
変化を示す図である。

【００７０】シャッターの開閉による光強度の立ち上が
り、立ち下がり時間は約１００ｎｓ程度であり、最小開
閉時間は、１ｍｓである。

【００７１】次に、その制御系について説明する。

【００７２】本発明の三次元微小構造物の製造（造形）
装置は、図１５に示すように、ＧＰ−ＩＢ、ＤＡボード
を介して、ＰＣから自動的にコントロールされる。形状
データは市販のＣＡＤソフトで作製した。制御ソフトは
このＣＡＤデータ（ＤＸＦ形式、３ＤＳＵＲＦＡＣＥに
限る）を読み込み、この形状データに沿って造形を行う
ように作製した。なお、図１５（ａ）に示すような、Ｃ
ＡＤで元となる形状データを作製し、造形システム制御
ソフトウェアが図１５（ｂ）に示されている。

【００７３】本ソフトウェアではベクトル形成のＤＸＦ
データを読み込み、これをデコードして三次元のマトリ
ックスに変換を行い、このデータに従って構造の内部の
点にのみ露光を行う。ガルバノスキャナーの加減速の影
響を無くすため、露光はベクトルスキャンではなく、点
露光の繰り返し、ラスタースキャンで行われる。

【００７４】また、構造体は下方（カバーガラスに近い
側）から順に作製される。これは、作製中の構造体をカ
バーガラスに付着させることで、作製中の構造体が樹脂
中でゆらぐのを軽減するというねらいがある。各露光ス
ポット間の間隔、各露光の露光時間等はソフトウェアで
指定できるようにした。これによりこれらのパラメータ
を変化させて良好な条件を探して造形を行うことが可能
となった。

【００７５】なお、樹脂を載せる基板にはカバーガラス
を利用した。カバーガラスの表面には通常、油脂が付着
しているが、これが残っているとレーザー照射時に油脂
が気化し、気泡ができてしまう。これを取り除くため、
カバーガラスをチオ硫酸ナトリウム水溶液中で約１時間
煮沸し、蒸留水で約１時間超音波洗浄した。

【００７６】本装置を用いて構造体を作製し、走査型電
子顕微鏡（ＪＯＥＬ，ＪＳＭ−６３３０Ｆ）を用いてそ
の形状を観察した。電子顕微鏡の加速電圧は５ｋＶであ
った。

【００７７】図１６に本装置で作製したマイクロ文字の
ＳＥＭ写真を示した。基板であるカバーガラスに対して
鉛直方向に文字を作製しており、本装置が光軸方向に高
い分解能を持つことが見て取れる。

【００７８】図１７に本装置で作製したマイクロギアの
ＳＥＭ写真を示した。ギア部分はシャフト部分とは接続
していないため、ギア部分がシャフト部分に対し傾いて
いるのが分かる。これより、可動部を持つ構造体が作製
できていることが分かる。

【００７９】上記からして、５ｍＷ前後の樹脂硬化の誘
起される最小の露光強度で露光を行うことが分解能の向
上に効果があることが分かった。よって、約５秒間、光
照射を行い、樹脂の硬化がＣＣＤ上で確認された最小の
光強度で造形を行った。

【００８０】また、表面の１回の光照射による硬化スポ
ットの大きさが小さくなることにより、より細かい刻み
幅で多くの点を露光する必要が生じた。そのため、ソフ
トウェアを改良し、露光点数を最大２５６×２５６×２
５６点に分割し、露光を行った。走査の刻み幅は５０ｎ
ｍとした。

【００８１】改良後の装置で造形した構造のＳＥＭ像を
図１８、図１９に示した。解像度が非常に高くなってい
ることが分かる。

【００８２】次に、本発明の実施例を示す三次元微小構
造物の高速造形のプロセスについて説明する。

【００８３】本手法により作製した構造をマイクロマシ
ンや微小光デバイスに応用するにあたり、樹脂の物理的
特性を変化させることは重要である。ここでは、樹脂に
蛍光色素を混入し、蛍光を発する構造体を作製できるこ
とを確認した。すなわち、光硬化性樹脂ＳＣＲ５００に
ＬＤ４９０（Ｅｘｃｉｔｏｎ Ｉｎｃ．）を飽和状態ま
で溶かし、染色した。

【００８４】このように、蛍光色素をあらかじめ樹脂に
混入しておくことによって、蛍光を発する微細構造の作
製に成功した。その蛍光像を二光子共焦点蛍光顕微鏡を
用いて観察したところ、蛍光色素を混入した樹脂を用い
て数ミクロンの大きさの中空構造などを作製した場合に
おいても、洗浄工程で完全に未硬化樹脂を取り除けてい
ることを確認した。

【００８５】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。

【００８６】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。

【００８７】（Ａ）光硬化樹脂に、この樹脂に吸収され
ない波長のフェムト秒パルスレーザー光を集光照射し、
二光子吸収により樹脂を光重合させて硬化し、微小立体
構造物を製造する方法において、作製すべき微小立体構
造物の外殻部分を二光子吸収を用いて硬化し、外殻の外
の未硬化不要樹脂を洗い流し、次いで外殻内部の未硬化
樹脂を光重合させ、短時間で精度の高い三次元微小構造
物を得ることができる。

【００８８】（Ｂ）二光子吸収を用いた加工にはレーザ
ー光強度に範囲がある。下限以下では光重合が起こらな
い。上限以上ではアブレーションが起こり、樹脂が破壊
する。そこで、下限ぎりぎり（動作可能範囲の下半分）
にレーザーパワーを設定し、精度を高めることができ
る。例えば、８００ｎｍの光で回折限界以下の１２０ｎ
ｍができる。

【００８９】（Ｃ）光源をマイクロレンズアレイ、ピン
ホールアレイにより複数の光束とし、複数個の同一の三
次元微小立体構造物を同時に製造することができる。

【００９０】（Ｄ）蛍光色素を混入した樹脂を用いて造
形を行い、望む蛍光を発する微細構造物を作製し、その
観察を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す二光子吸収を利用した高
速に三次元微小構造物の造形を行うためのプロセスの概
略図である。

【図２】本発明の実施例を示す三次元微小構造物のとし
ての牛の像の電子顕微鏡写真を示す図である。

【図３】本発明の実施例を示す三次元微小構造物のとし
てのマイクロギアを示す図である。

【図４】本発明の実施例を示す光硬化性樹脂ＳＣＲ５０
０の組成を示す図である。

【図５】本発明の実施例を示す光硬化性樹脂ＳＣＲ５０
０の物性を示す図である。

【図６】本発明の実施例を示す光硬化性樹脂の吸収スペ
クトルを示す図である。

【図７】一光子と二光子吸収のエネルギー遷移図であ
る。

【図８】一光子と二光子の場合の焦点近傍での吸収分布
を示す図である。

【図９】焦点近傍の光強度分布および二乗分布の面内積
分値の光軸距離依存性を示す図である。

【図１０】ラジカル付加重合の化学反応式を示す図であ
る。

【図１１】一光子と二光子の場合の焦点近傍での重合速
度分布を示す図である。

【図１２】一光子と二光子の場合の焦点近傍での重合量
分布を示す図である。

【図１３】本発明の装置の光学系の概略図である。

【図１４】ガルバノスキャナーを利用したシャッター動
作時の光強度変化を示す図である。

【図１５】本発明の造形データ作製装置及び造形システ
ム制御ソフトウェアを示す図である。

【図１６】本発明の実施例を示す三次元微小構造物とし
ての文字を示す図である。

【図１７】本発明の実施例を示す三次元微小構造物とし
てのマイクロギアを示す図である。

【図１８】改良後の装置で造形した構造のＳＥＭ像（そ
の１）を示す図である。

【図１９】改良後の装置で造形した構造のＳＥＭ像（そ
の２）を示す図である。

【符号の説明】

１ 未硬化の光硬化性樹脂 ２ 構造体の表面の外殻樹脂 ３ エタノール ４ 構造体の内部の未硬化樹脂 ５ ＵＶランプ ６ 三次元微小構造物 ７，３８ カバーガラス ８，３７ 対物レンズ ９ パルスレーザー光 １１ 基板 １２ 基板に接触していない部品（浮遊部品） １３ 液体樹脂 ２１ チタンサファイアレーザー ２２，２８，２９ シャッター ２３，２５，３２，３３ ビームエキスパンダー ２４ ピンホール ２６，３０，３１，３６ リレーレンズ ２７ ガルバノスキャナー ３４ λ／２板 ３５ ＰＢＳ ３９ 光硬化性樹脂 ４０ ピエゾ作動ステージ ４１ ファイバー光源 ４２ カラーフィルター ４３ イメージングレンズ ４４ ＣＣＤ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 孫 洪波 大阪府箕面市小野原東５−18−22−102 Ｆターム(参考） 4F213 AA44 WA25 WA97 WL13 WL43 WL76 WL92 WL95

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光硬化樹脂に、該光硬化樹脂に吸収され
   ない波長を有するフェムト秒パルスレーザー光を集光照
   射し、二光子吸収により前記光硬化樹脂を光重合させて
   硬化させ、微小立体構造物を製造する方法において、 前記二光子吸収により、前記光硬化樹脂の作製すべき微
   小立体構造物の外殻部分を先に硬化させ、該外殻の外の
   未硬化不要樹脂を洗い流し、次いで前記外殻内部の未硬
   化樹脂を光重合させ、前記外殻をトレースすることを特
   徴とする三次元微小構造物の製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の三次元微小構造物の製造
   方法において、前記光ビームの走査は多項式で制御する
   ことを特徴とする三次元微小構造物の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項２記載の三次元微小構造物の製造
   方法において、前記レーザー光強度には加工可能な上限
   と下限が存在し、該下限近くにレーザー光強度を制御す
   ることで高分解能を得ることを特徴とする三次元微小構
   造物の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項１記載の三次元微小構造物の製造
   方法において、光源をマイクロレンズアレイやピンホー
   ルアレイにより複数の光束とし、複数個の同一の微小立
   体構造物を同時に製造することを特徴とする三次元微小
   構造物の製造方法。
5. 【請求項５】 請求項１記載の三次元微小構造物の製造
   方法において、前記光硬化樹脂に蛍光色素をあらかじめ
   混入しておくことによって、蛍光を発する三次元微小構
   造物を得ることを特徴とする三次元微小構造物の製造方
   法。
6. 【請求項６】 光硬化樹脂に、該光硬化樹脂に吸収され
   ない波長を有するフェムト秒パルスレーザー光を集光照
   射し、二光子吸収により光硬化樹脂を光重合させて硬化
   させ、微小立体構造物を製造する装置において、 （ａ）レーザー光源と、 （ｂ）シャッターを有するガルバノスキャナーと、 （ｃ）リレーレンズと、 （ｄ）ビームスプリッターと、 （ｅ）対物レンズと、 （ｆ）カバーガラス上にセットされる光硬化性樹脂とを
   備え、 （ｇ）前記二光子吸収により、前記光硬化樹脂の作製す
   べき微小立体構造物の外殻部分を先に硬化させ、該外殻
   の外の未硬化不要樹脂を洗い流し、次いで前記外殻内部
   の未硬化樹脂を光重合させる手段とを有することを特徴
   とする三次元微小構造物の製造装置。
7. 【請求項７】 請求項６記載の三次元微小構造物の製造
   装置において、前記レーザー光源は、波長７８０〜８０
   ０ｎｍ、パルス幅５０〜１５０ｆｓのチタンサファイア
   レーザーであることを特徴とする三次元微小構造物の製
   造装置。
8. 【請求項８】 請求項６記載の三次元微小構造物の製造
   装置において、前記対物レンズは、Ｎ．Ａ．０．９〜
   １．４の油浸対物レンズであることを特徴とする三次元
   微小構造物の製造装置。
9. 【請求項９】 請求項６記載の三次元微小構造物の製造
   装置において、光学調整を容易にするため、試料の透過
   像の観察光学系を具備することを特徴とする三次元微小
   構造物の製造装置。