JP2004503832A - Multiphoton absorption method using patterned light - Google Patents

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Abstract

光反応性組成物において少なくとも部分的に反応した物質の領域を作り出す方法及び装置。この方法は、光反応性組成物を提供するステップと、前記光反応性組成物が少なくとも2つの光子を同時に吸収するために十分な光の供給源を提供するステップと、画像状の多光子吸収を誘起することができる露光システムを提供するステップと、露光システムによって非ランダム3次元光パターンを発生させるステップと、露光システムによって発生された前記3次元光パターンに前記光反応性組成物を露光させて少なくとも部分的にその物質の一部分をそこに入射される非ランダム3次元光パターンに対応して反応させるステップとを含む。Methods and apparatus for creating regions of at least partially reacted material in a photoreactive composition. The method includes providing a photoreactive composition; providing a source of light sufficient for the photoreactive composition to absorb at least two photons simultaneously; Providing an exposure system capable of inducing the following: generating a non-random three-dimensional light pattern by the exposure system; and exposing the photoreactive composition to the three-dimensional light pattern generated by the exposure system. Reacting at least partially a portion of the material in response to the non-random three-dimensional light pattern incident thereon.

Description

【0001】
優先権の主張
本願は2000年6月15日出願米国仮出願第60/211,675号の優先権を主張するものであり、その内容は本明細書に組み入れられるものとする。
【0002】
発明の分野
本発明は多光子吸収法及びそれからポリマー性三次元構造をつくるためのパターンに関するものである。
【0003】
発明の背景
分子による二光子吸収は1931年にGoppert−Mayerによって予言されたものである。1960年にパルス化ルビー・レーザが発明されると、二光子吸収の実験的観察が現実のものとなった。それ以後、二光子励起は生物学、光データ記憶、その他の分野で実際に応用されている。
【0004】
二光子誘発光プロセスと単一光子誘発プロセスとの間には2つの重要な違いがある。単一光子吸収は入射強度と直線的に相関するが、二次関数的に相関する。より高次の吸収は入射強度のそれに相関したより高い次数で変化する。その結果、3次元空間解像度で多光子プロセスを実行することができる。また、多光子プロセスは2つ、あるいはそれ以上の光子の同時吸収を伴っており、吸収発色団は、個々の光子がその発色団を励起するのには不十分なエネルギーを持っているとしても、その総エネルギーが励起状態の多光子光線感作物質のエネルギーと等しい多数の光子によって励起される。励起光は硬化基質あるいは材料内での単一光子吸収によって減衰されないから、物質内のその深度に焦点を合わせたビームを使用することで、単一光子励起で行われる以上に物質内の大きな深度で分子を選択的に励起させることが可能である。これらの2つの光子は、例えば、組織あるいは他の生体物質内に励起を加える。しかしながら、そうした作業はゆっくりした書き込み速度と高レーザー出力の場合に限定されている。従って、多光子吸収システムの処理量及び効率を改善するための方法が求められている。多光子リソグラフィあるいはステレオリソグラフィにおいては、強度と吸収の非線形縮小拡大がその光の回折限度以下のサイズを図形を書き込んだり、3次元で図形を書き込んだりすることを可能にし、これかホログラフィにとっても興味深いことである。
【0005】
発明の要約
本発明は光反応性組成物において少なくとも部分的に反応された物質の領域を作り出すための種々の方法及び装置を提供する。1つの実施の形態において、その方法は光反応性組成物を提供するステップと、前記光反応性組成物が少なくとも2つの光子を同時に吸収するために十分な光の供給源を提供するステップと、少なくとも1つの回折性光学素子(好ましくは、前記回折性光学素子がビーム分割、波面トランスフォーメーション、あるいはその両方を行うことができる)を含み、画像状の多光子吸収を誘起することができる露光システムを提供するステップと、前記露光システムによって非ランダム3次元光パターンを発生させるステップと、そして前記露光システムによって発生された前記3次元光パターンに前記光反応性組成物を露光させて少なくとも部分的にその物質の一部分をそこに入射される前記非ランダム3次元光パターンに対応して反応させるステップを含んでいる。「対応している」ということは前記反応された物質が前記3次元の光パターンの正確なコピーを形成する必要はないということを意味しているが、正確なコピーも可能である。
【0006】
別の実施の形態で、光反応性組成物内で少なくとも部分的に反応した物質の領域を作り出す方法は、光反応性組成物を提供するステップと、前記光反応性組成物が少なくとも2つの光子を同時に吸収するために十分な光の供給源を提供するステップと、回折性光学素子の少なくとも1つのアレイを含み、画像状の多光子吸収を誘起することができる露光システムを提供するステップと、前記露光システムによって非ランダム3次元光パターンを発生させるステップと、前記露光システムによって発生された前記3次元光パターンに前記光反応性組成物を露光させて少なくとも部分的にその物質の一部分をそこに入射される前記非ランダム3次元光パターンに対応して反応させるステップとを含む。
【0007】
さらに別の実施の形態で、この方法は光反応性組成物を提供するステップと、前記光反応性組成物が少なくとも2つの光子を同時に吸収するために十分な光の供給源を提供するステップと、画像状の多光子吸収を誘起することができ、第1の波面形状を有する第1のビームと、第2の波面形状を有する第2のビームを含み、前記第1の波面形状が前記第2の波面形状と実質的に異なっている露光システムを提供するステップによって構成されている。この方法はさらに前記第1の光ビームと前記第2の光ビームの間の光学干渉を利用する前記露光システムによって非ランダム3次元光パターンを発生させるステップと、前記露光システムによって発生された前記3次元光パターンに前記光反応性組成物を露光させて少なくとも部分的にその物質の一部分をそこに入射される前記非ランダム3次元光パターンに対応して反応させるステップとを含む。
【0008】
さらに別の実施の形態で、この方法は光反応性組成物を提供するステップと、前記光反応性組成物が少なくとも2つの光子を同時に吸収するために十分な光の供給源を提供するステップと、画像状の多光子吸収を誘起することができ、3つ以上の光ビームを含んでおり、それら3つ以上の光ビームのそれぞれが1つの形状を有する波面を含んでおり、さらにそれら3つ以上の光ビームのそれぞれが他の光ビームの波形と同じ、あるいはそれと実質的に違った非ランダム3次元光パターンを有している露光システムを提供するステップを含む。この方法はさらに、さらに前記第1の光ビームと前記第2の光ビームの間の光学干渉を利用する前記露光システムによって非ランダム3次元光パターンを発生させるステップと、前記露光システムによって発生された前記3次元光パターンに前記光反応性組成物を露光させて少なくとも部分的にその物質の一部分をそこに入射される前記非ランダム3次元光パターンに対応して反応させるステップを含んでいる。
【0009】
本発明による種々の方法を実行するために種々のシステムが提供される。1つの実施の形態で光反応性組成物を反応させるための装置が提供され、この装置は光反応性組成物と、前記光反応性組成物が少なくとも2つの光子を同時に吸収するのに十分な光の供給源と、少なくとも1つの回折性光学素子(好ましくは、ビーム分割、波面トランスフォーメーション、あるいはその両方を行うことができる回折性光学素子)を含み、画像状の多光子吸収を誘起することができ、非ランダム3次元光パターンを発生させることができ、さらの非ランダム3次元光パターンを発生させることができ、さらに前記露光システムが前記非ランダム3次元光パターンに対応して物質の一部を少なくとも部分的に反応させることができる露光システムを含む。
【0010】
さらに別の実施の形態で、光反応性組成物を反応させるための装置が提供され、この装置は光反応性組成物と、前記光反応性組成物が少なくとも2つの光子を同時に吸収するのに十分な光の供給源と、屈折性光学素子の少なくとも1つのアレイを含み、画像状の多光子吸収を誘起することができ、非ランダム3次元光パターンを発生させることができ、さらに非ランダム3次元光パターンを発生させることができ、さらに前記非ランダム3次元光パターンに対応して物質の一部を少なくとも部分的に反応させることができる露光システムを含む。
【0011】
さらに別の実施の形態で、本発明は光反応性組成物を反応させるための装置を提供し、その装置は光反応性組成物と、前記光反応性組成物が少なくとも2つの光子を同時に吸収するのに十分な光の供給源と、第1の波面形状を含む第1の光ビームと第2の波面形状を含む第2の光ビームを含み、前記第1の波面形状が前記第2の波面形状と実質的に異なっており、さらに、画像状の多光子吸収を誘起することができ、非ランダム3次元光パターンを発生させることができ、さらの非ランダム3次元光パターンを発生させることができ、さらに前記露光システムが前記非ランダム3次元光パターンに対応して物質の一部を少なくとも部分的に反応させることができる露光システムを含む。
【0012】
さらに別の実施の形態で、本発明は光反応性組成物を反応させる装置を提供し、その装置は光反応性組成物と、前記光反応性組成物が少なくとも2つの光子を同時に吸収するために十分な光の供給源と、3つ以上の光ビームを含んでおり、前記3つ以上の光ビームのそれぞれが1つの形状を有する波面を含んでおり、さらにそれら3つ以上の光ビームのそれぞれが他の光ビームの波形と同じ、あるいはそれと実質的に違った波面形状を有しており、さらに、画像状の多光子吸収を誘起することができ、非ランダム3次元光パターンを発生させることができ、さらの非ランダム3次元光パターンを発生させることができ、さらに前記露光システムが前記非ランダム3次元光パターンに対応して物質の一部を少なくとも部分的に反応させることができる露光システムを含む。
【0013】
好ましくは、前記光源はパルスレーザーであり、露光はパルス照射のステップを含み、これは好ましくは約10ナノ秒未満のパルス長を有する近赤外線パルスレーザーを用いて行われる。
【0014】
好ましくは、前記光反応性組成物は1つ以上の反応種、1つ以上の多光子感作性物質、1つ以上の電子供与体化合物、そして1つ以上の光反応開始剤を含んでいる。より好ましくは、この光化学組成物は、固形物の総重量に対して、約5〜約99.79重量%の少なくとも1つの反応種と、約0.01〜約10重量%の少なくとも1つの多光子光増感剤と、最大約10重量%の少なくとも1つの電子供与体化合物と、そして約0.1〜約10重量%の少なくとも1つの光開始剤を含んでいる。
【0015】
定義
本明細書においては、
『多光子吸収(multiphoton absorption)』とは2つ以上の光子を同時に吸収して同じエネルギーを有する光子を1つだけ吸収することでは到達できない反応性のある電子的に励起された状態に入ることを意味している。
【0016】
『同時』とは、2つの事象が10−14秒以下の時間内に起きることを意味している。
【0017】
『電子的に励起された状態』とは、電磁波の吸収によって到達でき、寿命が10−13秒より長い、エネルギーがその分子の電子的基底状態より高い分子の電子状態を意味している。
【0018】
『反応』とは硬化(重合化及び/又は架橋)を起こしたり、あるいは脱重合化あるいはその他の反応を起こさせることを意味している。
【0019】
『光学システム』とは、光を制御するシステムのことで、そのシステムはレンズ、鏡などの反応性光学素子、及び格子などの回折性光学素子、そしてコンピュータで発生させるホログラムから選択される少なくとも1つの要素を意味しており、光学素子は拡散器、導波管、及び光学分野で知られているその他の要素を含んでいなければならない。
【0020】
『露光システム』とは光学システムと光源が組み合わさったものを意味する。
【0021】
『十分な光』とは、多光子吸収を誘起するのに十分な強度と適切な波長を有する光を意味する。
【0022】
『光増感剤』とは、光反応開始剤が活性化のために必要とするエネルギーが低い光を給することによって光反応開始剤を活性化するのに必要なエネルギーを低下させ、その光反応開始剤と相互作用してそれから光反応開始種を生成する分子を意味している。
【0023】
(光反応開始剤系の成分の)『光化学的に有効な量』とは、その反応種が(密度、粘度、色、pH、屈折率、あるいはその他の物理的あるいは化学的性質などで示されるような)選択された露光条件で少なくとも部分的反応を起こすようにさせるのに十分な量を意味している。
【0024】
『通過(transit)』とは、一定の量の光反応開始剤組成物を通じて光を完全に通過させることを意味する。
【0025】
『フォーカス』あるいは『フォーカシング』とは平行化された光を1つの点に集中させるか、あるいは1つの物体の画像を形成することを意味する。
【0026】
『波面(wavefront)』とは、伝播している電磁場の定常相の面を意味し、例えば、点光源から放出された光は球状の波面を有している。
【0027】
『実質的に異なっている』とは2つ以上の波面に関して用いられた場合、コヒーレントな電磁ビームが組み合わされた場合にどの程度相互作用するかを示している。干渉パターンを発生させるために用いられた光学システムがそれらのビームが共線性(重なり合い、平行な伝播方向を持つこと)になるように再構成されると、それらのビームの組み合わせで形成される干渉パターンは望ましい画像平面の対象となる領域で少なくとも1つの明るい干渉縞と1つの暗い干渉縞を作り出す。このことは、この領域でのビーム間に波面で半波長の違いがあることを示唆している。
【0028】
好ましい実施の形態の詳細な説明
単一格子光限定可能な(例えば、光硬化可能な)物質を露光するための一般的な技術は通常、大きな面積に光を浴びせる光源を露光される領域を選択するために反射性あるいは不透明なマスクと組み合わせて使用する。さらに、ミクロン・サイズの図を描き出す投射リソグラフィを実行するために、光学素子を組み込むことができる。通常、こうした投射システムにおいては、マスクの画像はサイズが縮小され、画像面では光が平行化されて、光フルエンスが露光された領域全体で均一になる。第2の一般的技術は例えばレーザー光源と適切な光学装置を用いて画像を直接『書き込む』方法である。この場合、実際のパターンはコンピュータ・ファイルにあり、画像がコンピュータ制御ステージ及びレーザー・システムによって直接書き込まれる。レーザー・スポット・サイズはそのパターンの最も小さな特徴でも描き出すことができるように光学素子で縮小される。
【0029】
多光子プロセスは通常、反応開始領域に実質的な数の格子を提供するためにナノ秒レベルの波長の比較的高い光フルエンスを必要とする。この高い光フルエンスは比較的高い数値アパチャー(NA)レンズ、例えば顕微鏡の対物レンズを用いて高エネルギー・レーザー光をフォーカスすることによって達成される。高いNAは焦点深度が浅く、多光子吸収プロセスにおいてはz軸制御を容易にする。3次元物体はx−y−z軸の方向にレーザー源を正確に移動させて、望ましい形状で反応物質を作り出すことで加工することができる。しかしながら、この技術は速度が遅く、機械的な要素の移動の正確さによってその技術の正確さも制約される。
【0030】
多光子吸収(例えば硬化可能な)物質の大きな面積を露光すると大きな対象をより早く加工することができる。投射光学装置を用いる光重合化マスクは3次元で複雑な形状を形成するために必要なz軸フォーカシング能力を有していない。本発明は光放射領域が、例えば、十分なz軸方向範囲決定を可能にするように光をフォーカシングすることができる屈折性要素を含んでいるマスク構成の使用を開示するものである。1つの例として、フォーカシング特性を有するマスクは光リソグラフィ的に範囲決定され、その後溶解して所定の複雑な屈折構造を有する1つ以上の凸型形状を形成するフォトレジストからつくることができる。
【0031】
(ガラスの光分解性体積膨張、ポリマー液滴ディスペンシング、質量移送、フォーカスされたイオン・ビーム加工、そしてこの技術分野で周知のその他の微小光加工方法など)他の加工方法も適切なz軸範囲決定を行うために必要な屈折面をつくるために用いることができる。
【0032】
この屈折性構成の1例を本発明の微小光学素子露光システム10が示されている図1aに示す。この図で、微小光学素子とは少なくとも1つの方向でのアパチャーが5mm以下である光学素子を指している。微小光学装置は通常直径が約6mm以下の光学装置を意味している。ファイバーはこのカテゴリーに含まれることが多い。例えば、Newport Corp.,Irvine CAのカタログ参照。
【0033】
図1aに示されているように、微小光学素子露光システム10は光反応性組成物20と微小光学素子アレイ30を含んでいる。この微小光学素子アレイ30は入射光12を焦点40a〜40e(焦点40)にフォーカスして前記光反応性組成物20内で多光子吸収を誘起するために用いられる。この微小光学素子アレイ30は屈折性微小レンズ32a〜32e(微小レンズ32)と不透明部分34a〜34f(不透明部分34)を含んでいる。この不透明部分34は入射光12がその微小光学素子アレイ30を通じて光反応性組成物20に達するのを妨げる。これらの微小レンズ32は入射光12と反応してそれを焦点40にフォーカスする。光反応性組成物20を光照射の方向に対して平行に、あるいはそれと垂直の方向に正確に移動させることによりいくつかの同一構造体を同時に反応させることができる。微小レンズ32で照射された光化学組成物20内につくられる個々の体積要素の幅、深さ、及び向きは前記微小光学素子アレイ30を(例えばオフ・アクシス、非球面、及び歪鏡面などを組み込むことで)適切にデザインすることで制御することができる。
【0034】
同様に、前記微小光学素子アレイ30内の個々の微小レンズ32の焦点距離を変えることで、図1aの平面露光構成を3次元構成に変えることが可能である。さらに、微小光学素子は正確なアレイに配列したり、機能補充要素を持っている必要はない。
【0035】
異なった焦点距離の微小レンズ32を有する微小光学素子露出システム10の例を図1bに別の実施の形態として示す。図1bで、微小光学素子アレイ130の微小レンズ132は入射光112を光反応性組成物120内の種々の深さにある焦点140にフォーカスするために種々の焦点距離を持っている。例えば、微小レンズ132aは微小レンズ132bより短い焦点距離を有しており、従って、入射光112を微小レンズ132bの焦点である焦点140bより光反応性組成物120の表面により近い焦点距離140aにフォーカスする。
【0036】
複雑な3次元構造体の同時的反応(例えば硬化)は微小レンズ・アレイにビーム方向制御機構を組み込むことによっても可能である。3次元構造体は各微小レンズからフォーカスされた光を用いて物理的接触をしているが重なってはいない個々の領域を反応させることによって形成される。図1cはこうしたコンセプトを本発明の別の実施の形態として示している。図1cで、非球面、オフ・アクシス微小レンズ232のアレイ230を示している。微小レンズ232のそれぞれは異なった焦点距離を有しており、そのアレイは複数の非重複領域を焦点240a〜240eで同時に反応させる(硬化する)ために用いられる。
【0037】
本発明による好ましい方法は、高エネルギー光を、あたかも高開口数値アパチャー対物レンズから来るように、ただし3次元的に大きな面積上に来るように、フォーカスする。DOEの機能はさらに2つのカテゴリー:照射された領域の個別アレイを作り出すこと(ビーム分割)及び特定の形状の継続照射領域を作り出すこと(波面トランスフォーメーション)に分かれる。1つのDOEが両方の機能を実行することができる。ビーム分割要素(図2参照)の光学的要素は屈折性微小レンズの場合と似ており、一連の集光スポットがつくりだされる。
【0038】
図2で、屈折性光学素子露光システム310は光反応性組成物320と屈折性光学素子330を含んでいる。DOE330は入射光312のビームを光反応性組成物320内の焦点340に回折させる。屈折性微小レンズ(例えば、図1a〜1c参照)の場合と同様、DOE330は個別焦点340を作り出す。
【0039】
屈折性要素と回折性要素で光が使われる方法には重要な違いがある。屈折性要素の場合、各微小レンズへの入射光だけがその光反応性組成物内の焦点に集め荒れる(つまり、微小レンズ間の光はフォーカスされたり、反射されたりせず、反応(例えば、硬化)には寄与しない。これは図1aに示されており、不透明領域34a〜34eに入射される光12は光反応性組成物20内の焦点には屈折されない。回折性の場合、DOEに対する入射光のすべてが(その要素が高効率で機能していれば)望ましいアレイ・パターンに向けられる(例えば、図2参照)。さらに、DOEの有効なNAは個別微小レンズのNAより高くてもよい。NAの値が大きいと、焦点の深さが浅くなり、z軸方向の解像度が高まる。
【0040】
加えて、微小レンズの焦点は範囲決定アパチャーによって決められる特定の形状を有している(例えば、丸いレンズは円形のAiry回折パターンを作り出す)。一方、ビーム分割回折性要素はより一般的な形状、つまり正方形や長方形などのより一般的な形状の『集光スポット』を作り出すように設計することができる。波面トランスフォーメーション回折性光学素子は入射光フィールドをより一般的な、望ましい場所で半継続的パターンに変える。
【0041】
図3は波面トランスフォーメーションDOEが用いられる本発明の別の実施の形態を示している。図に示されているように、回折性光学素子露光システム350は波面トランスフォーメーションDOE370と光化学組成物360を含んでいる。入射光352はDOE370によって半断続的な非ランダム3次元光パターン380に回折される。
【0042】
両方のタイプ(ビーム分割と波面トランスフォーメーション)のDOEとも大面積入射ビームからの光を光化学組成物のより小さな空間領域に集中させて反応を起こさせるために用いられる。回折性要素が1つあるいは複数の屈折性レンズと同様に機能している場合(つまり、1つ又は複数の小さなサイズの集光スポットがつくられる場合)、得られる集光パターンは屈折性レンズで(DOE設計法に応じて)達成されるものと同様の焦点特性深度を有している。波面トランスフォーメーションを通じて複雑な光パターンがつくられる場合は、光面から離れた場所での光場の挙動はより複雑なものとなる。(長く、狭いパターンなど)特殊なケースでは、DOEで得られる焦点深度は光軸に垂直な2つの方向で異なっている場合もある。この特性は一定の構造の形成においては有利に使用することができる。
【0043】
(軸に近い場合の)DOEを設計するために用いることができる1つの可能な方法は回折性要素と画像面との間の光場伝播をシミュレートする反復的フーリエ変換アルゴリズムを用いる。画像平面での望ましい光場強度分布とその回折性要素の加工上の制約はその回折性要素の設計を収束させる限界として機能する。(この技術分野ではDOEの設計に有効な他の近軸及び非近軸法も知られている)。一般的に、回折性要素によって形成される特殊な画像の複雑さと解像度は(その回折性要素の効率と同様)回折性要素を加工するために用いられる方法によって制御される。上のプロセスで計算される光学位相関数は、通常、表面レリーフ・プロファイルとしてDOEでコード化される(他の方法も使用可能)。
【0044】
DOEの正確な構造は利用できる(望ましい領域あるいは方向に向けられる光の割合で定義される)光学的効率に大きな影響を及ぼす。DOEは一般的には設計プロセスで生じる連続プロファイルを近似する多段階プロファイルを有する透明あるいは反射性物質における表面レリーフ・パターンとして構成される。DOEの効率は近似プロセスで用いられるレベルの数に伴って高くなり、連続プロファイルの場合が効率が最も高くなる。全体的な効率はDOEを形成するために用いられる計算された光学位相関数が平面内座標系内で分離可能に限定されているかどうかに依存しており、分離不可位相関数の画愛の回折効率は実質的に高くなる。DOE加工プロセスにおいてつくることができる水平方向の最も小さな特徴がDOEの画像平面で解像可能な最小の特徴を制御する有効数値アパチャーを限定する。
【0045】
回折性要素はコヒーレントな(例えばレーザー)光をつくりその干渉パターンを記録するなどの周知の方法、あるいは周知のアルゴリズム、あるいは表面レリーフの構成などによって加工することができる。望ましい位相プロファイルは例えば選択的な化学的又は物理的エッチング、(電子ビームあるいはレーザーを利用しての)現像可能な感光性樹脂の直接書き込み、あるいはレーザー・アブレーションのいずれかによって物質の表面に形成することができる。すべての場合に、その回折性要素に記録された位相関数が入射光波の位相情報を変更して、その波を所定の方向に誘導する。
【0046】
ホログラフィを利用した加工方法としての多光子吸収のいくつかの事例は公開されている(例えば、T.J.Bunning,et.al.,Chem.Mater.,12,2842 and C.Diamond,et.al.,Opt.Express,6(3),64参照)。光反応性組成物と反応する(例えば硬化など)(そして周期的な反応線をもたらす)干渉パターンを作り出すためにこれらの実例の両方においてほぼ同じ波面形状を有するビーム間の干渉が使われている。最初の事例では、2つの平行化されたビーム(平行でも逆平行方向でもない)が本発明組成物に入射されている。第2の例では、これら2つのビームが組み合わされて、同じレンズの別の部分を用いて同じ表面上にフォーカスされている。両方の事例で、2つのビームはほぼ同じ波形を有しており、違っているのは伝播方向だけであった。
【0047】
本発明は指定された領域で多光子吸収を誘起するために実質的に違った波面を有する2つのビームの組み合わせを開示している。ここのビームのエネルギーは多光子吸収を起こさせるのに不十分であるが、干渉極大値でのエネルギーは光反応性組成物による多光子吸収を誘起するのに十分である。2つの実質的に違ったビームを使用することで規則的なアレイを構成しない干渉パターンを作り出すことができる。
【0048】
こうした構造の1つの実施の形態が図4に示されている。この図では露光システム410が平行化平面波420と拡散球面波430を組み合わせて光反応性組成物450ないに干渉パターン440をつくりだしている。1つの連続波光源からのこれら2つのビーム420と430の組み合わせによって形成される干渉パターン440は一連の同心円442である。多光子吸収において短いパルスが用いられた場合、2つのビームの経路長を正確に一致させることでパルスの重なりが可能となり、指定された領域の干渉パターンが形成される。1つのビームの経路長を他方に注意深く調節することで、連続的なレーザー・パルスで干渉パターンの異なった部分を反応させることができる。この実施の形態は平面波と球面波を一緒にした1つの場合だけを含んでいるが、どのビームにでも種々の光学素子を配置して各波面の形状を正確に調節し、曲線及び/又は変動周期性を有する線を有する干渉パターンに対応して反応領域を作り出すことは可能である。
【0049】
本発明は、指定した領域で多光子吸収を行わせるための同じ、あるいは実質的に違った波面を有する3つ以上のビームの組み合わせも開示している。図5はこうした構造の1つの実施の形態を示している。図5で、露光システム460は光ビーム472a、472b、そして472c(光ビーム472)を含む入射光470、及び光化学組成物480を含んでいる。光ビーム472のそれぞれは平行化平面波474(つまり、辺面波474a、474b、及び474c)を含んでいる。平面波474は非平行伝播方向を有している。平面波474は組み合わされて、光反応性組成物480内に干渉パターン490を形成する。これら3つの光ビーム472の組み合わせによって形成された干渉パターン490はグリッド構成492内の強度極大値のアレイである。図5は特定の平面上の強度極大値492を示している。しかしながら、干渉縞は3次元全体で起きている。多光子吸収に短いパルスが使われた場合、これら3つのビーム472の経路長を正確に合わせることでパルスを重なり合わせて3次元干渉パターン490の指定された領域を形成することができる。ビーム経路長のそれぞれを他のものと慎重に合わせることで、連続レーザー・パルスを用いて干渉パターン490の異なった領域を反応させることができる。
【0050】
この実施の形態は干渉パターン490を作り出すために3つの同様の平面波474が用いられる単純な場合について示しているが、各波面の形状を正確に調整して3次元光パターンに対応して複雑な3次元パターンで反応領域を作り出すためにこれら3つのビーム472ないに種々の光学素子を配置しても差し支えない。
【0051】
上に述べた多光子吸収の実施の形態は静止した屈折性要素及び回折性要素を使用している。本発明は光反応性組成物を反応させるために用いられる光パターンを動的に制御できるようにするために光学システムに作動可能な光学素子を組み込むことで拡張することも可能である。
【0052】
そうした実施の形態の1つが図6に示されており、この例では、微小レンズ530の列から光反応性組成物520へのビーム550の方向を制御するために調節可能な平面鏡540のアレイが用いられている。各鏡540の角度を調節することで、ビーム550を光反応性組成物の非重複体積内(例えば、焦点522a〜522c)に方向制御することができる。
【0053】
本発明は上に述べた可動微小ミラーを組み込んだ光学システムだけに限定されるものではなく、電子的に構成可能なポリマー分散液晶レンズ、適用性光学システムで一般的に用いられる変形可能なミラーなど反射性、屈折性、及び回折性光学素子を含むことができる。そうした調節可能な光学素子と前記光反応性組成物を保持する精密平行移動ステージを制御する信号を合成することで、光反応性組成物内の複雑な3次元構造の総露光時間を大幅に減らすことができる。
【0054】
なお、完全な光学システムはフェムト秒からナノ秒の範囲のパルス幅に対応できるように最適化されている。フェムト秒の光パルスはマイクロメートルのレベルの長さを有しており、非常に小さくて複雑な3次元構造を提供する上で光学的設計(微小光学、回折性、あるいは干渉性のいずれを問わず)の重要性を示唆している。
【0055】
多光子吸収のためのシステムは光源と適切な光学素子、少なくとも1つの光反応性組成物、少なくとも1つの多光子光増感剤、任意に少なくとも1つの電子ドナー、任意に前記光反応性組成物のための少なくとも1つの光反応開始剤を含む露光システムを含むことができる。光反応開始剤は、その反応種が陽イオン性樹脂である場合を除いて通常用いても、用いなくてもいい。
【0056】
本発明で有益な露光システムは光源、通常はレーザー、そして適切な光学素子を含んでいる。本発明で有用なレーザー光源は、例えば、0.75NA対物レンズ(Zeiss 20X Fluar)を備えたレーザー走査共焦顕微鏡(BioRad MRC600)に組み入れられたアルゴン・イオン・レーザー(Coherent Innova 310)でポンプされるフェムト秒近赤外線チタン・サファイア発振器(Coherent 900−Fなど)などである。76MHzで作動するこのレーザーはパルス幅が100フェムト秒で、700nmから1000nmの範囲で調節可能であり、帯域幅は10nm(fwhm)である。実際には光反応システム(以下参照)で用いられる光増感剤に対して適切な波長で十分な光エネルギーを提供できるいずれの適切な光源でも用いてよい。
【0057】
本発明で有用な光学素子は屈折性光学素子、反射性光学素子、回折性光学素子、拡散器、導波管などである。屈折性光学素子にはレンズ、ミラー、プリズムなどがある。回折性光学素子には格子、位相マスク、ホログラムなどがある。反射性光学素子には再帰反射器、集光ミラーなどが含まれる。当業者に周知の多くの他の光学素子も使用可能である。例えば、拡散器、ポケット・セル、導波管、位相プレート、複屈折液体結晶などである。
【0058】
反応種
光反応性組成物で使用するのにてきした反応種には硬化可能種と硬化不能種とがある。一般的には硬化性種が好まれ、例えば、付加重合可能モノマーと付加架橋可能ポリマー(アクリレート、メタクリレート、そしてスチレンなどのある種のビニル化合物などの自由ラジカル重合可能あるいは架橋可能エチレン不飽和種など)と、(例えば、エポキシ、ビニル・エーテル、シアネートなどの)陽イオン重合可能モノマー及びオリゴマーと陽イオン架橋可能なポリマー、あるいはそれらの混合物である。
【0059】
適切なエチレン不飽和種は、例えば、Palazzottoらに対する米国特許第5,545,676号の欄1、65行目から欄2、26行までに述べられており、モノ−、ジ−、及びポリ−アクリレートとメタクリレート(例えば、メチル・アクリレート、メチル・メタクリレート、エチル・アクリレート、イソプロピル・メタアクリレート、n−ヘキシル・アクリレート、スチアリル・アクリレート、アリル・アクリレート、グリセル・ジアクリレート、グリセロル・トリアクリレート、エチレングリコル・ジアクリレート、ジエチレングリコル・ジアクリレート、トリエチレングリコル・ジメタクリレート、1,3−プロパンジオール・ジアクリレート、1,3−プロパンジオール・ジメタクリレート、トリエチロルプロパン・トリアクリレート、1,2,4−ブタントリオール・トリメタクリレート、1,4−シクロヘキサンジオール・ジアクリレート、ペンタエリスリトル・トリアクリレート、ペンタエリスリトル・テトラアクリレート、ペンタエリスリトル・テトラメタクリレート、ソルビトール・ヘキサクリレート、bis[1−(2−アクリロキシ)]−p−エトキシフェニルジメチルエタン、bis[1−(3−アクリロキシ−2−ヒドロキシ)]−p−プロポキシフェニルジメチルメタン、トリシドロキシエチル−イソシアニュレート・トリメタクリレート、分子量は約200〜500のポリエチレン・グリコールのbis−アクリレート及びbis−メタクリレート、米国特許第4,652,274号に開示されているようなアクリレート化モノマーの共重合可能な混合物、及び米国特許第4,642,126号に開示されているようなアクリレート化オリゴマー;不飽和アミド類(例えば、メチレンbis−アクリルアミド、メチレンbis−アクリルアミド、メチレンbis−メタクリルアミド、1,6−ヘキサメチレンbis−アクリルアミド、ジエチレン・トリアミンtris−アクリルアミド及びベータ−メタクリアミノエチル・メタクリレート);ビニル化合物(例えば、スチレン、ジアリル・フタレート、ジビニル・サクシネート、ジビニル・アジペート、及びジビニル・フタレートなど、及びそれらの混合物が含まれる。適切な反応性ポリマーとしては1つのポリマー鎖あたり1〜約50程度の(メタ)アクリレート基を有するペンダント(メタ)アクリレートなどがある。そうしたポリマーの実例にはSartomer社から市販されているSarboxTM樹脂などの芳香酸(メタ)アクリレート半エステル樹脂(例えば、SarboxTM400、401、402、404、及び405)などがある。その他の遊離ラジカルによって硬化可能な有益な反応性ポリマーとしては炭化水素骨格と付随ペプチド基を有しており遊離ラジカルでポリマー化可能な機能がそれに取り付けられているポリマーなどがあり、例えば米国特許第5,235,015号(Ali等)に述べられているものなどがそれに該当する。望ましい場合、2つ以上のモノマー、オリゴマー及び/又は反応性ポリマーの混合物も用いることができる。エチレン不飽和種のうちで好ましいものにはアクリレート、芳香酸アクリレート(メタ)クリレート半エステル樹脂、そして、炭化水素骨格と付随ペプチド基を有しており遊離ラジカルでポリマー化可能な機能がそれに取り付けられているポリマーなどがある。
【0060】
適切な陽イオン反応種は、例えば、米国特許第5,998,495号及び同第6,025,406号でOxmanらによって開示されており、エポキシ樹脂を含んでいる。エポキシドとも呼ばれるこうした物質にはモノマー性エポキシ化合物とポリマー性タイプのエポキシドなどがあり、脂肪性、脂環性、芳香性、そして複素環性のものである場合もある。これらの物質は通常は、平均して、少なくとも1つの分子あたり1つ(好ましくは約1.5個、そしてより好ましくは少なくとも2つ程度)の重合化可能なエポキシ基を有している。これらの重合化エポキシドには末端エポキシ基を有する直鎖ポリマー(例えば、ポリオキシアルキレン・グリコールのジグリシジル・エーテル)、骨格オキシタン単位を有するポリマー(例えば、ポリブタジエン・ポリエポキシド)、そして付随エポキシ基を有するポリマー(例えば、グリシジル・メタクリレート・ポリマーあるいはコポリマーなど)がある。エポキシドは純粋な化合物であってもよいし、1分子あたり1つ、2つ、あるいはそれ以上のエポキシ基を含んでいる化合物の混合物であってもよい。例えば、この骨格はいずれのタイプのものであってもよく、そしてその上の置換基も室温での陽イオン硬化に実質的に影響を及ぼさないようなものであれば、どんなタイプのものであってもよい。使用可能な置換基の例としてはハロゲン、エステル基、スルホン酸基、シロキシ基、ニトロ基、リン酸基などがある。これらエポキシ含有物質の分子量は約58から約100,000あるいはそれ以上の範囲である。
【0061】
有益なエポキシ含有物質にはエポキシシクロヘキサンカルボキシレートなどの酸化シクロヘキセン基を含むものがあり、代表的な例としては、3,4−エポキシシクロヘキシルメチル−3,4−エポキシシクロヘキサンカルボキシレート、3,4−エポキシ−2−メチルシクロヘキシルメチル−3,4−エポキシ−2−メチルシクロヘキサン・カルボキシレ−ト及びbis(3,4−エポキシ−6−メチルシクロヘキシルメチル)アジペートなどがある。こうした性質を有する有益なエポキシドのより詳細なリストは米国特許第3,117,099号に参照することができる。
【0062】
その他の有益なエポキシ含有物質には
【化1】

Figure 2004503832
の式で示されるグリシジル・エーテル・モノマーがあり、この式で、R’はアルキル又はアリルであり、nは1〜6の範囲の整数である。例としては多水酸基を過剰な量のエピクロロヒドリンなどのクロロヒドリンと反応させて得られる多水酸基フェノールのグリシジル・エーテル(例えば、2,2−bis−(2,3−エポキシプロポキシフェノール)−プロパン)などがある。このタイプのエポキシドのさらに別の例は米国特許第3,018,262号に述べられており、さらに、Handbook of Epoxy Resins,Lee and Neville,McGraw−Hill Book Co.,New York(1967)でも参照できる。
【0063】
多数の市販エポキシ樹脂も用いることができる。特に、入手し易いエポキシドには酸化アクタデシレン、エピクロロヒドリン、酸化スチレン、酸化ビニル・シクロヘキセン、グリシドル、グリシジルメタクリレン、ビスフェノールAのジグリシル・エーテル(例えば、Resolution Performance Products社、前Shell Chemicals Co.から発売されているEponTM828、EponTM825、EponTM1004、及びEponTM1010など、及びDow Chemical Co.から発売されているDERTM−331、DERTM−332及びDERTM−334など)、二酸化ビニルシクロヘキセン(例えばUnion Carbide Corp.から発売されているERL−4206など)、3,4−エポキシシツキヘキシルメチル−3,4−エポキシシクロヘキセン・カルボキシレート(例えば、Union Carbide Corpから市販されているERL−4221又はCyracureTMUVR 6110あるいはUVR 6105など)、3,4−エポキシ−6−メチルシクロヘキシルメチル−3,4−エポキシ−6−メチル−シクロヘキセン・カルボキシレート(例えばUnion Carbide CorpのERL−4201)、bis(3,4−エポキシ−6−メチルシクロヘキシルメチル)アジペート(例えば、Union Carbide CorpのERL−4289)、bis(2,3−エポキシシクロペンチル)エーテル(例えば、Union Carbide CorpのERL−0400)、ポリプロピレン・グリコールから修正された脂肪性エポキシ(例えばUnion Carbide CorpのERL−4050及びERL−4052)、二酸化ジペンテン(例えば、Union Carbide CorpのERL−4269)、エポキシ化ポリブタジエン(例えばFMC CorpのOxironTM2001)、エポキシ機能性を有するシリコン樹脂、難燃性エポキシ樹脂(例えば、Dow Chemical Coから市販されているシュウ酸化ビビスフェノール・タイプのエポキシ樹脂であるDERTM−580)、フェノールアルデヒド・ノバラクの1,4−ブタンジオール・ジグリシル・エーテル(例えば、Dow Chemical CoからのDENTM−431及びDENTM−438)、レソルチノル・ジグリシジル・エーテル(例えば、Koppers Company,Inc.からのKoporiteTM)、bis(3,4−エポキシシクロヘキシル)アジペート(例えば、Union Carbide CorpのERL−4299あるいはUVR−6128)、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル−5,5−スピロ−3,4−エポキシ)シクロヘキサン−メタ−ジオキサン(例えば、Union Carbide CorpのERL−4234)、一酸化ビニルシクロヘキセン1,2−エポキシヘキサデカン(例えば、Union Carbide CorpのUVR−6216)、アルキルC−C10グリシル・エーテル(例えば、Resolution Performance ProductsからのHeloxyTM Modifier7)、アルキルC12−C14グリシル・エーテル(例えば、Resolution Performance ProductsからのHeloxyTM Modifier8)、ブチル・グリシジル・エーテル(例えば、Resolution Performance ProductsからのHeloxyTM Modifier61)、クレシル・グリシジル・エーテル(例えば、Resolution Performance ProductsからのHeloxyTM Modifier62)、p−tert−ブチルフェニル・グリシジル・エーテル(例えば、Resolution Performance ProductsからのHeloxyTM Modifier65)、1,4−ブタンジオールのグリシジル・エーテルなど多機能性グリシジル・エーテル(例えば、Resolution Performance ProductsからのHeloxyTM Modifier67)、ネオペンチル・グリコールのグリシジル・エーテル(例えば、Resolution Performance ProductsからのHeloxyTM Modifier68)、シクロヘキサンジメタノールのジグリシル・エーテル(例えば、Resolution Performance ProductsからのHeloxyTM Modifier107)、トリメチロル・エタン・エーテル(例えば、Resolution Performance ProductsからのHeloxyTM Modifier44)、トリメチロール・プロパン・トリグリシル・エーテル(例えば、Resolution Performance ProductsからのHeloxyTM Modifier48)、脂肪性ポリオールのポリグリシル・エーテル(例えば、Resolution Performance ProductsからのHeloxyTM Modifier84)、ポリグリコール・ジエポキシド(例えば、Resolution Performance ProductsからのHeloxyTM Modifier32)、ビスフェノールFエポキシド(例えば、Ciba−Geigy Corp.から発売されているEponTM−1138あるいはGY−281)、そして9,9−bis[4−(2,3−エポキシプロポキシ)−フェニル]フルオレノン(例えば、Resolution Performance Products社のEponTM1079)などである。
【0064】
他の有益なエポキシ樹脂には(グリシジルアクリレート及びグリシジルメタクリレートなどの)グリシドルのアクリル酸エステルの1つ、あるいは複数の共重合可能なビニル化合物などがある。そうしたコポリマーの例としては1:1スチレン−グリシジルメタクリレート、1:1メチルメタクリレート−グリシジルアクリレート、及び62.5:24:13.5メチルメタクリレート−エチルアクリレート−グリシジルメタクリレートなどがある。他の有益なエポキシ樹脂も良く知られており、エピクロロヒドリン、アルキレン酸化物(例えば、酸化プロピレン)、酸化スチレン、アルケニル酸化物(例えば、酸化ブタジエン)、そしてグリシジル・エステル(例えば、エチル・グリシデート)などが含まれる。
【0065】
有益なエポキシ機能性ポリマーには米国特許第4,279,717号(Eckberg)に述べられており、General Electric Companyから市販されているようなものなどエポキシ機能性シリコンがある。これらはポリメチルシロキサンで、1〜20モル%のケイ素原子がエポキシアルキル基(好ましくは、米国特許第5,753,346号(Kessel)に述べられているようなエポキシ・シクロヘキシルエチル)で置換されたものである。
【0066】
種々のエポキシ含有物質の混合物も用いることができる。こうした混合物はエポキシ含有化合物の2つ以上の重量平均分子量分布(例えば、低分子量(200未満)、中間分子量(約200〜10,000)、そして高分子量(約10,000超))を有している。あるいは、又はそれに加えて、エポキシ樹脂は異なった化学的性質(脂肪性及び芳香性など)あるいは機能性(極性及び非極性)を有するエポキシ含有物質の混合物を含んでいてもよい。その他の陽イオン反応性ポリマー(例えばビニル・エーテルなど)も必要であれば加えることができる。
【0067】
好ましいエポキシには芳香性グリシジル・エポキシド(例えばResolution Performance Products社から市販されているEponTMなど)及び環式脂肪性エポキシ(Union Carbide社発売のERL−4221及びERL−4299など)がある。
【0068】
適切な陽イオン反応種も、ビニル・エーテル・モノマー、オリゴマー、そして反応性ポリマー(例えば、メチル・ビニル・エーテル、エチル・ビニル・エーテルtert−ブチル・ビニル・エーテル、イソブチル・ビニル・エーテル、トリエチレングリコール・ジビニル・エーテル(Internationl Speciality Products,Wayne,NJから市販されているRapi−CureTM DVE−3)、トリメチロルプロパン・トリビニル・エーテル(Base Corp.,Mount Olive,NJから市販されているTMPTVE)、そしてAllied Signal社発売のVectomerTMジビニル・エーテル樹脂(例えば、VectomerTM2010、VectomerTM2020、VectomerTM4010、そしてVectomerTM4020と他の製造業者から初版されているその同等品))と、それらの混合物を含んでいる。1つ、あるいは複数のビニル・エーテル樹脂及び/又は1つ以上のエポキシ樹脂を(いずれの割合ででも)混合したものも利用することができる。多水酸機能性物質(例えば、米国特許第5,856,373号(Kaisaki等))もエポキシ及び/又はビニル・エーテル機能性物質と組み合わせて用いることができる。
【0069】
非硬化種としては、例えば、その可溶性が酸又はラジカル誘発反応によって増大される反応性ポリマーなどがある。こうした反応性ポリマーには、例えば、光発生酸によて水溶性酸基に転換することができるエステル基を含んだ水不溶性ポリマー(例えば、ポリ(tert−ブトキシカルボニルオキシスチレン)がある。非硬化樹脂にはR.D.Allen,G.M,Walraff,W.D,Hinsberg,and L.L.Simptonによって‘‘High Performances Acrylic Polymers for Chemically Amplified Photoresist Applications’’J.Vac.Sci.Technol.B,9,3357(1991)に述べられているような化学的に増幅されるフォトレジストがある。これら化学的に増幅されるフォトレジストというコンセプトは現在ではマイクロチップ製造業界ではひろく行き渡っており、特に0.5ミクロン(あるいはさらに0.2ミクロン)以下の特性が知られている。こうしたフォトレジストでは、触媒性の種(通常水素イオン)を光照射によって発生させることができ、これには一連の化学反応が関与している。こうした一連の化学反応は水素がより多数の水素イオンや他の酸性種を発生させて、それによって反応速度を増大させるような反応を開始した場合に起きる。典型的な酸触媒化学増幅フォトレジスト・システムの例にはデプロテクション(例えば、米国特許第4,491,628号に述べられているようなt−ブトキシカルボニロキシスチレン・レジスト、米国特許第3,779,778号に述べられているようなトトラハイドロピラン(THP)メタクリレート系物質、THP−フェノール性物質、そしてP.D.Allen等によってProc.SPIE,2438,474(1995)に述べられているようなt−ブチル・メタクリレート系物質など);脱重合化(例えば、ポリフタルアルデヒド系物質);そして再構成(例えば、ピナコール再構成に基づく物質)などがある。
【0070】
有益な非硬化性種としては、ロイコ染料などもあり、これは多光子光増感剤系によって発生される酸によって酸化されるまでは無色のままであり、酸化されると目に見えるような色を示す傾向がある。(酸化された染料は電磁スペクトルの可視部分(約400〜700nm)の光が吸収されるので発色する)。本発明において有益なロイコ染料は通常の酸化条件下で反応性を示し、酸化可能であるが、通常の環境条件の下ではそれほど反応性を示さず、酸化しないようなものである。そうした化学的タイプのロイコ染料は画像形成関係の化学者に多数知られている。
【0071】
本発明で有用なロイコ染料にはアクリレート化ロイコ・アジン、フェノキサジン、フェノチアジンなどがあり、これらは、部分的に
【化2】
Figure 2004503832
の式で示すことができ、この式で、Xは、O、S、及び−N−R11からなる群から選択され、Sが好ましく、RとRはそれぞれHと炭素原子が1−約4個程度のアルキル基から選択され、R,R,R及びRはそれぞれ独立してHおよび炭素原子が1〜約4のアルキル基、好ましくはメチルであり;Rは炭素原子が1−約16のアルキル基、炭素原子が1−約16個のアルコキシ基、そして炭素原子が最大16個までのアリル基であり;Rは−N(R)(R)、H、炭素原子が1〜約4のアルキル基(RとRは上に述べたように選択、定義されるものとする);RとR10はHと炭素原子数が1〜約4のアルキル基からそれぞれ選択され;そして、R11は炭素原子数が1〜約4のアルキル基と炭素原子数が最大11個までのアリル基から選択される(好ましくはフェニル基)。以下の化合物はこのタイプのロイコ染料の例である。
【化3】
Figure 2004503832
【0072】
他の有用なロイコ染料には、Leuco Crystal Violet(4,4’,4’’−メチリジネトリス−(N,N−ジメシルアニリン)、Leuco Malachite Green(p,p’−ベンジルイデネビス−(N,N−ジメチルジアミン))、以下の構造を有するLeuco Atacryl Orange−LGM(色インデックスBasic Orange 21,Comp.No.48035(フィッシャー塩基タイプ化合物))、
【化4】
Figure 2004503832
以下の構造を有するLeuco Atacryl Brillant Red−4G(Color Index Basic Red 14)
【化5】
Figure 2004503832
以下の構造を有するLeuco Atacryl Yellow−R(Color Index Basic Yellow 11,Comp.No.48055)
【化6】
Figure 2004503832
Leuc Ethyl Violet(4,4’,4’’−メチルイジネトリス−(N,N−ジエチルアニリン)、Leuco Victoria Blue−BGO(Color Index Basic Blue728a,Comp. No.44040;4,4’−メチルイジネビス−(N,N−ジエチルアニリン)−4−(N−エチル−1−ナフタルアミン)、及びLeuco Atlantic Fuchsime Crude(4,4’,4’’−メチルイジネトリス−アニリン)がある。
【0073】
ロイコ染料は通常は光感作層の総重量に対して重量で少なくとも約0.01重量%(好ましくは、少なくとも約0,3重量%、より好ましくは少なくとも約1重量%、そして最も好ましくは、少なくとも約2〜10重量%)のレベルで存在していてよい。結合剤、安定剤、表面活性剤、静電気防止剤、コーティング剤、潤滑剤、充填剤なども前記光感作層に存在していてもよい。当業者であれば添加剤の望ましい量は容易に分かるであろう。例えば、充填剤の量は書き込み波長に望ましくない散乱が起きないように選択される。
【0074】
望ましいのであれば、異なったタイプの反応種の混合物を光反応性組成物で用いることもできる。例えば、遊離ラジカル−反応種と陽イオン反応種の混合物、硬化可能種と非硬化種の混合物なども有益である。
【0075】
光反応開始剤系
(1)多光子光増感剤
光反応性組成物の多光子光反応開始剤系での使用に適した多光子光増感剤は十分な光に露光された場合に少なくとも2つの光子を同時に吸収することができるものである。好ましくは、それらはフルオレセインのものより大きな2光子吸収断面(つまり、3’,6’−ジヒドロキシスピロ[イソベンゼンフラン−1(3H),9’−[9H]キサンテン]3−oneのそれより大きな吸収断面)を有している。一般的に、この断面はC.Xu及びW.W.Webb in J.Opt.Soc.Am.B,13,481(1996)(これは国際公報第WO98/21521号の85頁、18〜22行によってMarder and Perry等によっても引用されている)に述べられている方法で測定した場合、約50×10−50cm秒/光子以上であってもよい。
【0076】
この方法はその光増感剤の2光子フルオレセイン強度の基準化合物の強度との(同じ励起強度及び光反応開始剤濃度条件下での)比較ステップを含んでいる。基準化合物は光反応開始剤吸収及び蛍光によってカバーされるスペクトル範囲にできるだけ適合するように選択することができる。1つの可能な実験的設定において、励起ビームを励起強度の50%が光増感剤に入り、残りの50%が基準物質に入るように2つのアームに分割することができる。そして前記光増感剤の基準化合物に対する相対蛍光強度は、2つの光倍増管チューブあるいはその他の較正済み検出装置で測定することができる。最後に、両方の化合物の蛍光量子効率を1光子励起状況で測定することができる。
【0077】
蛍光及び燐光量子イールドを判定するための方法はこの技術分野ではよく知られている。一般的には問題の化合物の蛍光(あるいは燐光)スペクトル下の領域を周知の蛍光(あるいは燐光)量子イールドを有する標準的発光化合物の蛍光(または燐光)スペクトル下で比較し、そして、(例えば、励起波長でのその組成物の最適密度、蛍光検出装置の形状、放射波長の差、そして前記検出装置の異なった波長への応答を考慮に入れた)適切な訂正が行われる。標準的な方法は、例えば、Handbook of Fluorescence Spectra of Aromatic Molecules, Second Edition,page24〜27,Academic Press,New York(1971)の中でI.B.Berlmanによって、J.Phys.Chem.,75,991〜1024(1971)でJ.N.Demas and G.A.Crosbyによって;そしてJ.Phys.Chem.,80,969〜974(1976)おいてJ.V.Morris,M.A,Mahoneyによって、述べられている。
【0078】
放射状態が1又は2光子励起の下で同じであると仮定して(共通の仮定)、光増感剤の2光子断面(δsam)はδrefK(Isam/Iref)(φsam/φref)と等しく、ここでδrefは基準化合物の2光子吸収断面であり、Isamは光増感剤の蛍光強度であり、Irefは基準化合物の蛍光強度であり、φsamは光増感剤の蛍光量子効率であり、φrefは基準物質の蛍光量子効率であり、そしてKは光経路と2つの検出装置の応答のわずかな違いに対応するための補正係数である。Kはサンプル及び基準アームの両方で同じ光増感剤に対する応答を測定することで判定できる。有効な測定を行うためには、励起力に対する2光子蛍光強度の明らかな二次関数的依存を確認することができ、光増感剤と基準化合物の両方の比較的低い濃度を(蛍光再吸収し光増感剤凝集効果を避けるために)用いることができる。
【0079】
その光増感剤が蛍光性にものでなければ、電子的励起状態のイールドを測定して周知の標準と比較することができる。蛍光イールドを判定する上に述べた方法に加えて、励起状態イールドを測定する種々の方法が知られている(例えば、一過性吸収、燐光イールド、光化学反応物生成あるいは光増感剤の(光反応からの)消失など)。
【0080】
好ましくは、光増感剤の2光子吸収断面はフルオレシンの約1.5倍以上(言い換えると、前記の方法で測定して約75×10−50cm秒/光子以上)、そしてより好ましくはフルオレシンの約2倍以上(言い換えると、前記の方法で測定して約100×10−50cm秒/光子以上)、最も好ましくはフルオレシンの約3倍以上(言い換えると、前記の方法で測定して約150×10−50cm秒/光子以上)、任意には、フルオレシンの約4倍以上(言い換えると、前記の方法で測定して約200×10−50cm秒/光子以上)である。
【0081】
好ましくは、前記光増感剤は反応種に(その反応種が液体であれば)可溶性であり、反応種およびその組成物に含まれているいずれの(以下に述べるような)結合剤とも共存可能である。最も好ましくは、この光増感剤は米国特許第3,729,313号で述べられているテスト手順を用いて、その非ハブの単一光子吸収スペクトルに重なり合う波長範囲(単一光子吸収条件)で連続的に照射することで2−メチル−4,6−bis(トリクロロメチル)−s−トリアジンを感光性にすることができる。現在利用できる素材を用いて、このテストは以下のように実行することができる。
【0082】
以下の組成:つまり、(単位体積あたり)5(重量)%溶液を45,000〜55,000分子重量のメタノールに溶かしたもの5.0部、9.0〜13.0%ヒドロキシル含有ポリビニル・ブチラル(ButvarTMB76、Monsanto)、0.3部のトリメチロルプロパン;及び0.03部の2−メチル−4,6−bis(トリクロロメチル)−s−トリアジン(Bull.Chem.Soc.Japan,42,2924〜2930(1969)参照)の組成を有する標準テスト溶液を調製する。この溶液に、0.01部のテストされる化合物を光増感剤として加える。得られた溶液を0.05mmのナイフ・オリフィスを用いて0.05mmの清潔なポリエステル・フィルム上にナイフ・コーティングし、その被膜を30分間程度空気乾燥する。0.05mmの透明なポリエステル・カバー・フィルムを乾燥しているが柔からで粘着性の被覆上にできるだけ空気を閉じ込めないように注意しながら被せる。得られたサンドイッチ構造を可視光線と紫外線の両方の領域で光を提供するタングステン光源(FCHTM 650ワット・クオーツ・ヨード・ランプ、General Electric)からの光に161,000Luxの入射光に3分間露光させる。露光はステンシルを介して行い、前記構造に露光された領域と露光されない領域を作り出すことができる。露光語、フィルムを取り外し、そして被覆を通常静電写真法で使われるようなカラー・トナー粉末などの細かに分割された色付き粉末で処理する。テストされる物質が光増感剤であれば、トリメチロルプロパン・トリメタクリレート・モノマーが2−メチル−4,6−bis(トリクロロメチル)−s−トリアジンからの光発生遊離ラジカルによって露光領域内でポリマー化される。ポリマー化された領域は基本的にはねばつきがなく、色付き粉末は選択的に、基本的にはその被覆のねばついた非露光領域だけに接着して、その型板に対応した目で見える画像を形成する。
【0083】
好ましくは、光増感剤は一部には保存安定性を考慮に入れて選択することもできる。従って、特定の光増感剤の選択はある程度用いられる特定の反応種(及び電子供与体化合物及び/又は光反応開始剤の選択)にかかっている。
【0084】
特に好ましい多光子光増感剤には、Rhodamine B(つまり、N−[9−(2−カルボキシフェニル)−6−(ジチルアミノ)−3H−キサンタン−3−イリデン]−N−エチルエタンアミニウム・クロライド、及びRhordamineBのヘキサフルオロアツモネート塩)及び、例えば、国際特許公報WO98/21521及びWO99/53242でMarderとPerry等によって開示されているような4つの種類の光増感剤など、大きな多光子吸収断面を示すものなどである。これら4つの種類は以下の通りである。(a)2つのドナーが接合π(pi)電子ブリッジに接続されている分子、(b)2つのドナーが1つ以上の電子受容基によって置換されている接合π(pi)電子ブリッジに接続されている分子、(c)2つの受容体が接合π(pi)電子ブリッジに接続されている分子、そして(d)2つの受容体が1つ以上の電子受容基によって置換されている接合π(pi)電子ブリッジに接続されている分子。(ここで、『ブリッジ』とは2つ以上の化学基を接続する分子フラグメント、『ドナー』は接合π(pi)電子ブリッジn結合することができる低イオン化ポテンシャルを有する原始あるいは基を、そして『受容体』とは接合π(pi)電子ブリッジに結合することができる高電子親和性を有する原子または基をそれぞれ意味している)。
【0085】
かかる光増感剤の代表的な例として下記式が挙げられる。
【化7】
Figure 2004503832
【化8】
Figure 2004503832
【化9】
Figure 2004503832
【化10】
Figure 2004503832
【化11】
Figure 2004503832
【0086】
上に述べた4つのタイプの光増感剤は標準的なWittig条件下でアルデヒドをイリドに反応させるか、あるいは国際特許No.WO98/21521に詳述されているようにMcMurray反応を用いて調製することができる。
【0087】
他の化合物はReinhardt等によって(例えば、国際特許第6,100,405、5,859,251及び5,770,737で)大きな多光子吸収断面を有するものと述べられているが、これらの断面は上に述べたのとは別の方法で測定されたものである。相した化合物の代表的な例は以下の通りである。
【化12】
Figure 2004503832
【化13】
Figure 2004503832
【0088】
本発明において光増感剤として利用できる可能性がある他の化合物は、フルオレシン、p−bis(o−メチルスチリル)ベンゼン、エオシン、ローズ・ベンガル、エリスロシン、クマリン307(Eastman Kodak)、Cascade Blue ヒドラジン塩、Luccifer Yellow CHアンモニウム塩、4,4−ジフルオロ−1,3,5,7,8−ペンタメチル−4−ボラ−3α、4α−ジアザインデセン−2,6−ジスルホン酸塩、1,1−ジオクタルデシル−3,3,3’,3’−テトラメチルインドカルボシアニン、インド−1ペンタカリウム塩(Molecular Probes)、5−ジエチルアミノナフタレン−1−スルホニル・ヒドラジン、4’,6−ジアミジノ−2−フェニルインドル・ジヒドロクロライド、5,7−ジヨード−3−ブトキシ−6−フルオロン、9−フルオロン−2−カルボン酸、そして以下の構造を有する化合物である。
【化14】
Figure 2004503832
【化15】
Figure 2004503832
【0089】
(2)電子供与体化合物
光反応性組成物の多光子光反応開始剤系内で有用な電子供与体化合物は(その光増感剤自体を除いて)前記光増感剤の電子励起状態に電子を提供できる化合物である。これらの電子供与体化合物は好ましくはゼロよりか大きく、標準飽和カロメル電極に対するp−ジメトキシベンゼンのそれ以下である酸化ポテンシャルを有している。好ましくは、酸化ポテンシャルは標準飽和カロメル電極(S.C.E)を基準として約0.3〜1ボルトの間である。
【0090】
電子供与体化合物はさらに反応種内に可溶性であることが好ましく、一部には(上に述べたような)保存安定性を考慮に入れて選択される。適切なドナーは通常望ましい波長の光に露光されると、(硬化などの)反応速度あるいは画像密度を増大させることができる。
【0091】
陽イオン反応種を用いて作業する場合、当業者は、電子供与体化合物は、実質的に塩基性を有している場合は陽イオン性反応に対して悪影響を及ぼす場合があることを認識するであろう。(例えば、米国特許第6,025,406号(Oxman等)、欄7、行62から欄8、行49参照)。
【0092】
一般的に、特定の光増感剤及び光反応開始剤と共に使用するのに適した電子供与体化合物は(例えば、米国特許第4,859,572号(Farid等)に述べられているように)それら3つの構成部分の酸化還元ポテンシャルを比較することで選択される。こうしたポテンシャルは(例えば、R.J.Cox,Photographic Sensitivity,Chapter15,Academic Press(1973)に述べられている方法で)実験的に測定することができ、あるいはN.L.Weinburg,Ed.,Technique of Electroorganic Synthesis part II Techniques of Chemistry,Vol.V(1975)、及びC.K,Mann and K.K.Barnes,Electronchemical reactions in Noaqueous Systems(1970)などの参考文献にも示されている。このポテンシャルは相対的エネルギー関係を反映しており、そして以下の方法で電子供与体化合物選択に適用することができる。
【0093】
光増感剤が電子的励起状態にある場合、その光増感剤の最高占有分子軌道(HOMO)はより高いエネルギー・レベル(つまり、その光増感剤の最低非占有分子軌道(LUMO))に上昇しており、それが最初に占有していた分子軌道内に空隙が残されている。光反応開始剤はより高いエネルギー軌道から電子を受け取り、そして、特定の相対的エネルギー関係が満たされると、その電子供与体化合物は電子を提供して最初の占有軌道の空隙を満たす。
【0094】
その光反応開始剤の還元ポテンシャルが光増感剤と比較してよりネガティブ(あるいはよりポジティブ)である場合、これは発熱プロセスであるから、その光増感剤のより高いエネルギー軌道内の電子はその光増感剤からその光反応開始剤の最低非占有分子軌道(LUMO)に移る。そのプロセスが多少球熱性であれば(つまり、その光増感剤の還元ポテンシャルが光反応開始剤のそれと比較して最大0.1ボルトよりネガティブであっても)、周辺の熱活性がそうした小さなバリアを易々と乗り越えてしまう。
【0095】
同様の方法で、電子供与体化合物の酸化ポテンシャルが光反応開始剤のそれと比較してポジティブではない場合(あるいはよりネガティブであれば)、土でかのHOMOから光増感剤の軌道空隙に移動する電子はより高い電位からより低い電位に移動しているのであって、これも発熱性プロセスを示している。このプロセスが多少吸熱性であっても(つまり、その光増感剤の酸化ポテンシャルが電子供与体化合物のそれより最大0.1ボルトよりポジティブであっても)、周辺熱活性化がそうした小さなバリアを容易に克服してしまう。
【0096】
光増感剤の還元ポテンシャルが光反応開始剤のそれと比較して最大0.1ボルトよりネガティブであれば、あるいは光増感剤の酸化ポテンシャルがその電子供与体化合物のそれと比較して最大0.1ボルトよりポジティブである軽度の吸熱性反応は、光反応開始剤と電子供与体化合物のどちらが最初にその励起状態にある光増感剤と反応するかには関係なく、どの瞬間にでも起きる。光反応開始剤あるいは電子供与体化合物がその励起状態にある光増感剤と反応している場合、その反応は発熱性であるか、多少の吸熱性であることが好ましい。光反応開始剤か電子供与体化合物が光増感剤イオン・ラジカルと反応している場合も発熱性反応が望ましいが、それでもより吸熱性の反応が多くの瞬間に起きることが予想される。従って、光反応開始剤の還元ポテンシャルは二番目に反応する光反応開始剤のそれと比較して最大0.2ボルト(あるいはそれ以上)よりネガティブであってよいし、あるいは光増感剤の酸化ポテンシャルが二番目に反応する電子供与体化合物のそれと比較して最大0.2ボルト(あるいはそれ以上)ポジティブであってもよい。
【0097】
適切な電子供与体化合物には、例えば、D.F.FatonがAdvances in Photochemistory,edited by B.Voman et al.,Volume13,pp.427〜488,John Wiley and Sons,New York(1986)で、あるいはOxmann等が米国特許第6,025,406号の欄7、行42〜61で、そしてPalazzotto等が米国特許第5,545,676号の欄4、行14から欄5、行18に述べているようなものがある。そうした電子供与体化合物は(トリエタノールアミン、ヒドラジン、1,4−ジアザビシクロ[2,2,2]オクタン、トリフェノールアミン(及びそのトリフェニルホスフィン及びトリフェニルアルシン類似物など、アミノアルデヒド、そしてアミノシランなどを含む)アミン類、(ホスホルアミドを含む)アミド類、(チオエーテルを含む)エーテル類、硫酸及びその塩、フェノシアニドの塩、アスコルピン酸とその塩、キサンタンの塩、エチレン・ジアミン・四酢酸、(アルキル)n(アリル)nホウ酸塩(n+m=4)(好ましくはテトラアルキスアンモニウム塩)、SnR4化合物(各Rはアルキル、アラルキル(特にベンジル)、アリル、そしてアルカリル基からなる群からそれぞれ選択される)種々の有機金属化合物(例えば、n−CSn(CH、(アリル)Sn(CH、及び(ベンジル)Sn(n−Cなどの化合物)、フェロシンなど、及びそれらの混合物である。電子供与体化合物は未置換でもよいし、1つ以上の非干渉性置換基で置換されていてもよい。特に好ましい電子供与体化合物は(窒素、酸素、リン、及び硫黄原子などの)電子ドナー原子とその電子ドナー原子に加えて炭素又はケイ素原子に結合した抽出可能な水素原子を含んでいる。
【0098】
好ましいアミン系電子供与体化合物にはアルキル−、アリル−、アルカリル−、及びアラルキル−アミン(例えば、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、トリエタノールアミン、アミルアミン、2,4−ジメチルアニリン、2,3−ジメチルアニリン、o−、m−、及びp−トルイジン、ベンジルアミン、アミノピリジン、N,N’−ジメチルエチレンジアミン、N,N’−ジエチルエチルジアミン、N,N’−ジベンジルエチレンジアミン、N,N’−ジエチル−1,3−プロパンジアミン、N,N’−ジエチル−2−ブテン−1,4−ジアミン、N,N’−ジメチル−1,6−ヘキサンジアミン、ピペラジン、4,4’−トリメチレンジピペラジン、4,4’−エチレンジピペラジン、p−N,N−ジメチル−アミノフェンタノル、及びp−N,N−ジメチルアミノベンゾニトリル);アミノアルデヒド(例えば、p−N,N−ジメチルアミノベンズアルデヒド、p−N,N−ジエチルアミノベンズアルデヒド、9−ジュロリジン、及び4−モルフォインベンズアルデヒド);そしてアミノシラン(例えば、トリエチルシリルモルフォリン、トリメチルシリルピペリジン、bis(ジメチルアミノ)ジフェニルシラン、tris(ジメチルアミノ)メチルシラン、N,N−ジエチルアミノトリメチルシラン、tris(ジメチルアミノ)フェニルシラン、tris(メチルシリル)アミン、bis(ジメチルシリル)アミン、N,N−bis(ジメチルシリル)アニリン、N−フェニル−N−ジメチルシリルアニリン、及びN,N−ジメチル−N−ジメチルシリルアミン);及びそれらの混合物である。三級芳香性アルキルアミン、特に少なくとも1つの電子引き出し基を芳香管上に有しているものが特に優れた保存安定性を有していることが分かっている。優れた保存安定性は室温で個体であるアミンを用いても得ることができる。優れた写真速度は1つ以上のジュロジニル構成部分を含むアミンを用いて得られた。
【0099】
好ましいアミン系電子供与体化合物にはN,N−ジメチルアセトアミン、N,N−ジエチルアセトアミン、N−メチル−N−フェニルアセトアミン、ヘキサメチルホスホルアミン、ヘキサエチルホスホルアミン、ヘキサプロピルホスホルアミン、酸化トリモルホリンホスフィン、酸化トリピペラジノホスフィン、及びそれらの混合物である。
【0100】
好ましいアルキルアリルボレート塩には以下のものがある。
Ar(n−C)N(C
Ar(n−C)N(CH
Ar(n−C)N(n−C
Ar(n−C)Li
Ar(n−C)N(C13
Ar(C)N(CH(CHCO(CH)CHAr(C)N(CH(CHOCO(CHCH
Ar(sec−C)N(CH(CHCO(CH)CH
Ar(sec−C)N(C13
Ar(C)N(C17
Ar(C)N(CH
(p−CHO−C(n−C)N(n−C
Ar(C)N(CH(CHOH
ArB(n−C(CH
ArB(C(CH
Ar(n−C(CH
Ar(C)N(C
Ar(C
ArB(CH(CH
(n−C(CH
Ar(C)P(C
(ここで、Arはフェニル、ナフチル、置換(好ましくはフルオロ置換)フェニル、置換ナフチル、及びより多くの融合芳香環を有する同様の基)、及びテトラメチルアンモニウムn−ブチルトリフェニルボレート及びテトラブチルアンモニウムn−ヘキシル−tris(3−フルオロフェニル)ボレート(Ciba Specialty Chemicals CorporationからCGI 437及びCGI 746として市販)、及びそれらの混合物である。
【0101】
適切なエーテル電子供与体化合物は4,4’−ジメトキシビフェニル、1,2,4−トリエトキシベンゼン、1,2,4,5−テトラメトキシベンゼンなど、及びそれらの混合物である。適切な尿素電子供与体化合物はN,N’−ジメチルウレア、N,N−ジメチルウレア、N,N’−ジフェニルウレア、テトラメチルチオウレア、テトラエチルチオウレア、テトラ−n−ブチルチオウレア、N,N−ジ−n−ブチルチオウレア、N,N’−ジ−n−ブチルチオウレア、N,N−ジフェニルチオウレア、N,N’−ジフェニル−N,N’−ジエチルチオウレアなど、及びそれらの混合物である。
【0102】
遊離ラジカル誘発反応のための好ましい電子供与体化合物は1つ以上のジュロリジニル構成部分、アルキルボレート塩、及び芳香性硫酸塩を含むアミンなどである。しかしながら、そうした反応のためには、望ましければ(例えば、光反応性組成物の保存安定性を改善したり、あるいは解像度、コントラスト、そしてレシプロシティを修正するなど)、こうした電子供与体化合物を使用しなくてもよい場合もある。酸誘発反応のための好ましい電子供与体化合物には4−ジメチルアミノ安息香酸、エチル−4−ジメチルアミノベンゾエート、3−ジメチルアミノ安息香酸、4−ジメチルアミノベンゾイン、4−ジメチルアミノベンズアルデヒド、4−ジメチルアミノベンゾニトリル、4−ジメチルアミノフェネチル・アルコール、及び1,2,4−トリメトキシベンゼンなどである。
【0103】
(3)光反応開始剤
光反応性組成物の反応種の適切な光反応開始剤は電子励起状態にある他行し光増感剤からの電子を受け入れることで感光性にすることができ、少なくとも遊離ラジカル及び/又は酸の形成をもたらす。こうした光反応開始剤には、ヨードニウム塩(例えば、ジアリルヨードニウム塩)、クロロメチレート化トリアジン(例えば、2−メチル−4,6−bis(トリクロロメチル)−s−トリアジン、2,4,6−tris(トリクロロメチル)−s−トリアジン、及び2−アリル−4,6−bis(トリクロロメチル)−s−トリアジン)、ジアゾニウム塩(例えば、任意にアルキル、アルコキシ、ハロ、又はニトロなどの基によって置換されたフェニルジアゾニウム塩)、スルホニウム塩(例えば、任意にアルキル又はアルコキシ基、そして任意に隣接アリル構成部分に架橋している2,2’−オキシ基トリアリルスルホニウム塩で置換されたトリアリルスルホニウム)、アジニウム塩(例えば、N−アルコキシピリジニウム)、そしてトリアリルイミダゾリル・ダイマー(好ましくは、任意にアルキル、アルコキシ、又はハロによって置換された2,2’,4,4’,5,5’−テトラフェニル−1’1’−ビイミダゾルなどの2,4,5−トリフェニルイミダゾイル・ダイマー)など、及びそれらの混合物である。
【0104】
光反応開始剤は好ましくは反応種に対して可溶性であり、好ましくは保存時の安定性も優れている(つまり、光増感剤と電子供与体化合物の存在下で溶解された場合に反応種の反応を自発的に促進しない)。従って、特定の光反応開始剤の選択はある程度その特定の反応種、光増感剤、及び上に述べたような電子供与体化合物に依存している。好ましい光反応開始剤はPCT特許出願WO98/21521及びWO995/3242においてMarder,Perry等によって、さらにPCT特許出願WO99/54784においてGoodman等によって述べられているような大きな多光子吸収断面を有しているものである。
【0105】
適切なヨードニウム塩には米国特許第5,545,676号の欄2、行28〜46でPalazzoto等によって述べられているようなものがある。適切なヨードニウム塩は米国特許第3,729,313号、同第3,741,769号、同第3,808,006号、同第4,250,053号及び同第4,394,403号に述べられている。ヨードニウム塩は単純な塩(例えば、Cl、Br、I、又はCSO )あるいは金属複合体塩(例えば、SbF 、PF 、BF 、テトラキス(ペルフルオロフェニル)ボレート、SbFOHあるいはAsF )である。ヨードニウム塩の混合物も必要があれば用いることができる。
【0106】
有益な芳香性ヨードニウム錯体塩光反応開始剤の例としては、ジフェニルヨードニウム・テトラフルオロボレート;ジ(4−メチルフェニル)ヨードニウム・テトラフルオロボレート;フェニル−4−メチルフェニルヨードニウム・トトラフルオロボレート;ジ(4−ヘプチルフェニル)ヨードニウム・テトラフルオロボレート;ジ(3−ニトロフェニル)ヨードニウム・ヘキサフルオロホスフェート;ジ(4−クロロフェニル)ヨードニウム・ヘキサフルオロホスフェート;ジ(ナフチル)ヨードニウム・テトラフルオロボレート、ジ(4−トリフルオロメチルフェニル)ヨードニウム・テトラフルオロボレート;ジフェニルヨードニウム・ヘキサフルオロホスフェート;ジ(4−メチルフェニル)ヨードニウム・ヘキサフルオロホスフェート;ジフェニルヨードニウム・ヘキサフルオロアルセネート;ジ(4−フェノキシフェニル)ヨードニウム・テトラフルオロボレート;フェニル−2−チオニルヨードニウム・ヘキサフルオロホスフェート;3,5−ジメチルピラゾリル−4−フェニルヨードニウム・ヘキサフルオロホスフェート;ジフェニルヨードニウム・ヘキサフルオロアンチモネート;2,2’−ジフェニルヨードニウム・テトラフルオロボレート;ジ(2,4−ジクロロフェニル)ヨニ・ヘキサフルオロホスフェート;ジ(4−ブロモフェニル)ヨードニウム・ヘキサフルオロホスフェート;ジ(4−メトキシフェニル)ヨニ・ヘキサフルオロホスフェート;ジ(3−カルボキシフェニル)ヨードニウム・ヘキサフルオロホスフェート;ジ(3−オキシカルボニルフェニル)ヨードニウム・ヘキサフルオロホスフェート;ジ(3−メトキシスルホニルフェニル)ヨードニウム・ヘキサフルオロホスフェート;ジ(4−アセトアミドフェニル)ヨードニウム・ヘキサフルオロホスフェート;ジ(2−ベンゾチエニル)ヨードニウム・ヘキサフルオロホスフェート;及びジフェニルヨードニウム・ヘキサフルオロアンチモネートなど、及びそれらの混合物である。芳香性ヨードニウム錯体塩はBeringeret.al.,J.Am.Chem.Soc.,81,342(1959)に従って(例えば、ジフェニルヨードニウム・ビスルフェート)の転換によって調製することができる。
【0107】
好ましいヨードニウム塩はジフェニルヨードニウム(塩化ジフェニルヨードニウム、ジフェニルヨードニウム・ヘキサフルオロホスフェート、及びジフェニルヨードニウム・テトラフルオロボレート)、ジアリルヨードニウム・ヘキサフルオロホアンチモネート(例えば、Sartometer Companyから市販されているSarCatTMSR 1012)、及びそれらの混合物である。
【0108】
有益なジクロロメチル化トリアジンには米国特許第3,779,778号(Smith等)、欄8、行45〜50に述べられているものがあり、それには2,4−bis(トリクロロメチル)−6−メチル−s−トリアジン、2,4,6−tris(トリクロロエチル)−s−トリアジン、そして米国特許第3,987,037号及び同第3,954,475号(Bonham等)に開示されているより好ましいクロモルホア置換ビニルハロメチル−s−トラジンなどである。
【0109】
有益なジアゾニウム塩には米国特許第4,394,433号(gatzkeら)に述べられているものなどがあり、それには外部ジアゾニウム基(−N=N)及び陰イオンを有する感光芳香性構成部分を含んでいるもの(例えば、塩素、トリ−イソプロピル・ナフタレン・スルホネート、テトラフルオロボレート、及びbis(ペルフルオロアルキルスルホニル)メチドなど)などである。有益なジアゾニウムの例には1−ジアゾ−4−アニリロベンゼン、N−(4−ジアゾ−2,4−ジメトキシフェニル)ピロリンジン、1−ジアゾ−2,4−ジエトキシ−4−モルホリノ・ベンゼン、1−ジアゾ−4−ベンゾイル・アミノ−2,5−ジエトキシ・ベンゼン、4−ジアゾ−2,5−ジブトキシ・フェニル・モルホリノ、4−ジアゾ−1−ジメチルアニリン、1−ジアゾ−N,N−ジメチルアニリン、1−ジアゾ−4−N−メチル−N−ヒドロキシエチル・アニリンなどである。
【0110】
有効なスルホニウム塩は米国特許第4,250,053号(Smith)、欄1、行66から欄4、行2に述べられており、以下の式:
【化16】
Figure 2004503832
で示されるもの、R、R、及びRはそれぞれ炭素原子数が約4〜約20炭素原子の芳香基(例えば、置換あるいは未置換フェニル、ナフチル、チエニル、及びフラニルなどで、置換基はアルコキシ、アルキルチオ、アリルチオ、ハロゲンなどである)及び炭素原子数が1から約20のアルキル基からなる群から選択されるものである。ここで述べられている『アルキル』とは置換アルキル(例えば、ハロゲン、アルコキシ、又はアリルで置換されたもの)などである。R、R、及びRの少なくとも1つは芳香性であり、そして、好ましくはそれぞれが独立して芳香性である。Zは共有結合、酸素、硫黄、−S(=O)−、−C(=O)−、−(O=)S(=O)−、及び−N(R)−であり、Rは(フェニルなど炭素数が約6〜20の)アリル、(アセチル、ベンゾイルなど炭素数が約2〜約20の)アリル、炭素−炭素結合、あるいは−(R4−)C(−R)−であり、RとRは水素、炭素数が1〜約4のアルキル基、炭素数が約2〜約4のアルケニル基からなる群からそれぞれ選択され、Xは以下に述べると通りである。
【0111】
スルホニウム(及びその他のタイプの光反応開始剤)のための適切な陰イオン、Xには、例えば、イミド、メチド、ボロン、燐、アンチモン、砒素、及びアルミニウムを中心とする陽イオンなど種々の陰イオンが含まれる。
【0112】
適切なイミド及びメチド陰イオンは(CSO、(CSO、(C17SO、(CFSO、(CFSO、(CSO、(CFSO(CSO)C、(CFSO)(CSO、((CFNCSO、(CFNCSO(SOCF、(3,5−bis(CF)C)SOSOCF、CSO(SOCF,CSOSOCFなどである。このタイプの陰には(RSOC−で示されるものがあり、ここでRは炭素原子数が1〜約4のペルフルオロアルキル・ラジカルである。
【0113】
適切なボロン中心陰イオンとしては、FB−、(3,5−bis(CF)C、(C、(p−CF、(m−CF、(p−FC、(C(CH)B、(C(n−C)B、(p−CH(C)B、(CFB、(C(C)B、(CH(p−CF、(C(n−C1837O)Bなどである。好ましいボロン中心陰イオンは通常3つ以上のハロゲン置換芳香性炭化水素ラジカルがボロンに取り付けられており、最も好ましいハロゲンはフッ素である。好ましい陰イオンは、(3,5−bis(CF)C、(C、(C(n−C)B、(CFB及び(C(CH)Bなどである。
【0114】
他の金属を含有する適切な陰イオンは、例えば、(3,5−bis(CF)CAl、(CAl、(C、(C)F、F、(C)FSb、FSb、(HO)FSb、及びF6As。上に述べたリストはすべてを挙げつくしたものではなく、他の有益なホウ素中心非求核塩類、及びその他の金属や非金属を含んだ有益な陰イオンも(上に示した一般式から)当業者には明らかであろう。
【0115】
好ましくは、陰イオンXはテトラフルオロボレート、ヘキサフルオロホスフェート、ヘキサフルオロアルセネート、ヘキサフルオロアンチモネート、及びヒドロキシペンタフルオロアンチモネートからなる群から(例えば、エポキシ樹脂などの陽イオン反応種と共に使用するために)選ばれる。
【0116】
適切なスルホニウム塩光反応開始剤としては:
トリフェニルスルホニウム、
メチルジフェニルスルホニウム・テトラフルオロボレート
ジメチルフェニルスルホニウム・ヘキサフルオロホスフェート
トリフェニルスルホニウム・ヘキサフルオロホスフェート
トリフェニルスルホニウム・ヘキサフルオロアンチモネート
ジフェニルナフチルスルホニウム・ヘキサフルオロアルセネート
トリトルスルホニウム・ヘキサフルオロホスフェート
アニシルジフェニルスルホニウム・ヘキサフルオロアンチモネート
4−ブトキシフェニルジフェニルスルホニウム・テトラフルオロボレート
4−クロロフェニルジフェニルスルホニウム・ヘキサフルオロホスフェート
トリ(4−フェノキシフェニル)スルホニウム・ヘキサフルオロホスフェート
ジ(4−エトキシフェニル)メチルスルホニウム・ヘキサフルオロアルセネート
4−アセトニルフェニルジフェニルスルホニウム・テトラフルオロボレート
4−チオメトキシフェニルジフェニルスルホニウム・ヘキサフルオロホスフェート
ジ(メトキシスルホニルフェニル)メチルスルホニウム・ヘキサフルオロアンチモネート、
ジ(ニトロフェニル)フェニルスルホニウム・ヘキサフルオロアンチモネート
ジ(カルボメトキシフェニル)メチルスルホニウム・ヘキサフルオロホスフェート、
4−アセタミドフェニルジフェニルスルホニウム・テトラフルオロボレート、
ジメチルナフチルスルホニウム・ヘキサフルオロホスフェート、
トリフルオロメチルジフェニルスルホニウム・テトラフルオロボレート、
p−(フェニルチオフェニル)ジフェニルニルスルホニウム・ヘキサフルオロアンチモネート
10−メチルフェノキサアシイニウム・ヘキサフルオロホスフェート
5−メチルチアントレニウム・ヘキサフルオロホスフェート
10−フェニル−9,9−ジメチルチオキサン・ヘキサフルオロホスフェート
10−フェニル−9−オキソチオキサンテニウム・テトラフルオロボレート
5−メチル−10−オキソチアントレニウム・テトラフルオロボレート
5−メチル−10,10−ジオキソチアントレニウム・ヘキサフルオロホスフェート
などである。
【0117】
好ましいスルホニウム塩はトリアリルスルホニウム・ヘキサフルオロアンチモネート(例えば、Sartomer Companyから市販されているSarCatTMSR1010)、トリアリルスルホニウム・ヘキサフルオロホスフェート(例えば、Sartomer Companyから市販されているSarCatTM SR1011)、そしてトリアリルスルホニウム・ヘキサフルオロアンチモニウム(例えば、Sartomer Companyから市販されているSarCatTMK185)などのトリアリル置換基である。
【0118】
有用なアジニウム塩には、米国特許第4,859,572号(Fraid等)、欄8、行51〜欄9、行46に開示されているものなどがあり、それにはピリジニウム、ジアジニウム、あるいはトリアジニウム構成部分などである。アジニウム構成部分は1つ以上の芳香環、通常は炭素環式芳香環(例えば、キノリニウム、イソキノリリウム、ベンソジアジニウム、及びナフトジアゾニウム構成部分)を含んでおり、アジニウム環と融合されている。アジニウム環内の窒素原子の四元化置換基が電子的に励起された状態の光増感剤のアジニウム光反応開始剤への電子移送が起きると遊離ラジカルとして放出される。1つの好ましい形態で、前記四元化置換基はオキシ置換基である。アジニウムの環窒素原子を四元化するオキシ置換基、−O、−Tは種々の合成オキシ置換基から選択することができる。構成部分Tは、例えば、メチル、エチル、ブチルなどのアリキル・ラジカルである。アルキル・ラジカルは置換されたものでもよい。例えば、アラルキル(例えば、ベンジル及びフェネチルなど)及びスルフォアルキル(例えば、スルオホメチル)ラジカルなどが役に立つ可能性がある。別の形態で、Tは例えば−OC(O)−Tラジカルであり、この場合Tは上に述べた種々のアルキル及びアラルキル・ラジカルのいずれであってもよい。さらに、Tはフェニルやナフチルなどいずれのラジカルであってもよい。アリル・ラジカルは置換されてもよい。例えば、Tはトリル又はキシリル・ラジカルであってもよい。Tは通常、1〜約18の炭素原子を含んでいる。各例のアルキル構成部分は好ましくは低級アルキル構成部分であり、各例のアリル構成部分は好ましくは約6〜約10個の炭素原子を含んでいる。オキシ置換基−O、−Tが1個または2個の炭素原子を含んでいる場合に最高の活性レベルが実現される。アジニウム核は四元化置換基以外の置換基を含んでいてはならない。しかしながら、他の置換基の存在はこれら光反応開始剤の活性にとって絶対に必要なものでもない。
【0119】
有益なトリアリルイミダゾイル・ダイマーは米国特許第4,963,471号(Trout等)の、欄8、行18〜28に述べられているものなのである。これらのダイマーは、例えば、2−(o−クロロフェニル)−4,5−bis(m−メトキシフェニル)−1,1’−ビミダゾール;2,2’−bis(0−クロロフェニル)−4,4’5,5’−テトラフェニル−1,1’−ビミダゾール;そして、2,2’−bis(o−クロロフェニル)−4,4’、5,5’−テトラフェニル−1,1’−ビミダゾル;そして、2,5−bis(o−クロロフェニル)−4−[3,4−ジメトキシフェニル]−1,1’−ビミダゾルなどである。
【0120】
好ましい光反応開始剤はヨードニウム塩(より好ましくは2,4,5−トリフェニルイミダゾリル・ダイマー)、スルホニウム塩、そしてジアゾニウム塩などである。より好ましくは、アリルヨードニウム塩、クロロメチル化トリアジン、そして2,4,5−トリフェニルイミダゾリル・ダイマーなどである(アリルヨードニウム及びトリアジンが最も好ましい)。
【0121】
光反応性組成物の調製
反応種、多光子光増感剤、電子供与体化合物、そして光反応開始剤は上に述べた方法、あるいは先行技術のその他の方法ででも調製することができ、その多くは市販されている。これら4つの成分はどんな組み合わせ順番及び方法ででも(任意には攪拌しながら)『安全な光』条件下で組み合わせることができるが、光反応開始剤を最後に(そして、他の成分の溶解を促進するために任意に用いられる加熱ステップの後に)加えることが(保存寿命及び熱的安定性の観点から)好ましい。必要であれば溶媒を用いることもできるが、その場合、その溶媒はその組成物の成分とはあまり反応しないように選択されねばならない。適切な溶媒としては、例えば、ジクロロメタン、及びアセトニトリルなどがある。反応種自体が他の成分のための溶媒として機能する場合もある。
【0122】
光反応開始剤系の成分は(上に述べたような)光化学的に有効な量で存在している。一般的に、この組成物は重量基準で少なくとも約5%、好ましくは少なくとも約10%、そしてより好ましくは少なくとも約20%の1つ以上の反応種を含んでいる。通常、その組成物は重量基準で最大99.79%、好ましくは約95%、そしてより好ましくは最大約80%の1つ以上の反応種を含んでいる。一般的に、前記組成物は1つ以上の反応種に対する重量を基準として少なくとも約0.01%、好ましくは約0.1%、より好ましくは少なくとも約0.2%の1つ以上の光増感剤を含んでいる。通常、前記組成物は重量で約10%、好ましくは最大約5%、そしてより好ましくは最大約2%の1つ以上の光増感剤を含んでいる。好ましくは、前記組成物は少なくとも重量で約0.1%の電子ドナーを含んでいる。好ましくは、前記組成物は重量で約10%、そして好ましくは約5%の1つ以上の電子ドナーを含んでいる。好ましくは、前記組成物は重量で約0.1%の1つ以上の光反応開始剤を含んでいる。好ましくは、前記組成物は重量で最大約10%、そして好ましくは最大約5%の1つ以上の光反応開始剤を含んでいる。前記反応種がロイコ染料である場合、前記組成物は通常重量で少なくとも約0.01%、好ましくは少なくとも約0.3%、より好ましくは少なくとも約1%、そして最も好ましくは少なくとも約2%の1つ以上のロイコ染料を有している。前記反応種がロイコ染料である場合、前記組成物は通常重量で最大約10%の1つ以上にロイコ染料を含んでいる。これらの割合は溶液ではなく、固体ベース、つまり成分の総重量に基づくものである。
【0123】
望ましい最終的使用形態に基づいて、非常に多数の補助剤を含めることができる。適切な補助剤は溶剤、希釈剤、樹脂、結合剤、可塑剤、含量、染料、無機あるいは有機強化あるいな延伸用充填材(好ましい重量は前記組成物総重量の約10〜90重量%)、揺変性剤、指示薬、反応抑止剤、安定剤、紫外線吸収剤、薬剤(例えば、浸出可能なフッ化物)などなどである。そうした補助剤の量及びタイプ、そして組成物に添加する方法は当業者には周知である。
【0124】
例えば、粘着性を制御し、そして膜形成特性を提供するために前記組成物に非反応性ポリマー性結合剤を含めることはこの発明の範囲内である。そうしたポリマー性結合剤は通常は、前記反応種との共存性を基準として選択される。例えば、反応種に対して用いられるのと同じ溶媒に可溶性で、反応種の反応の過程に悪影響を及ぼす機能基を含んでいないポリマー性結合剤を用いることもできる。結合剤は望ましい膜形成特性と溶液レオロジーを達成するのに適した分子量(例えば、約5,000〜1,000,000ドルトンの範囲、好ましくは約10,000〜500,000ドルトン、より好ましくは約15,000〜250,000ドルトンの範囲)を有している。適切なポリマー性結合剤には、例えば、ポリスチレン、ポリ(メチル・メタクリレート)、ポリ(スチレン)−co−(アクリロニトリル)、セルロース・アセテート・ブチレートなどがある。
【0125】
露光を行う前に、得られた光反応性組成物を、必要であれば、当業者に知られている(例えば、ナイフ・コーティング及びスピン・コーティングなどを含めて)種々の被覆方法で基板上に被覆することができる。この基質は特定の使用目的や用いられる露光方法に基づいてフィルム、シート、及びその他の面など種々のものから選択することができる。好ましい基板は通常は均一の厚みをもった光反応性組成物の層をつくるのに十分な平坦性を有している。被覆がそれほど必要でない使用例の場合は、その光反応性組成物はバルク形態で露光させることもできる。
【0126】
露光システム及びその使用
有用な露光システムは少なくとも1つの光源(通常はパルスレーザー)と少なくとも1つの光学素子を有している。適切な光源は、例えば、アルゴン・イオン・レーザー(例えばCoherent Innova)でポンピングされるフェムト秒近赤外線チタン・サファイア発振器(例えば、Coherent Mira Optima 900−F)である。76MHzで作動するこのレーザーはパルス幅が200フェムト秒で、700〜980nmの範囲でチューニングが可能であり、そして平均出力は最大1.4ワットである。しかしながら、実際には、(光反応性組成物で用いられる)光増感剤に適した波長で(多光子吸収を誘起するのに)十分な強度を提供するどんな光源でも用いることができる。そうした波長は通常は約300nm〜約1500nmの範囲であり、好ましくは約600nm〜約1100nm、より好ましくは約750nm〜約850nmの範囲である。ピーク強度は通常は少なくとも約10W/cm程度である。パルス・フルーエンス(単位面積あたりのパルスあたりのエネルギー)の上限は通常はその光反応性消耗閾値によって示される。例えば、Q−スイッチNd:YAGレーザー(例えば、Spectra−Physics Quanta−Ray PRO)、可視光線染料レーザー(例えば、Spectra−Physics Quanta−Ray PROでポンピングされるSpectra−Physic Sirah)、そしてQスイッチ・ダイオード・ポンプ・レーザー(例えば、Spectra−Physics FCcarTM)も用いることができる。好ましい光源はパルス長が約10ナノ秒未満(より好ましくは約1ナノ秒未満、最も好ましくは約10ピコ秒未満)の近赤外線レーザーである。上に述べたピーク強度とフルーエンスが満たされる限り、その他のパルス長を用いてもよい。
【0127】
本発明の方法を実行する上で有益な光学素子は屈折性光学素子(例えば、レンズ及びプリズム)、反射性光学素子(例えば、再帰反射装置、あるは集光ミラー)、回折性光学素子(例えば格子、位相マスク、及びホログラム)、分散装置、Pockelセル、導波管、波プレート、複屈折性液晶などである。こうした光学素子は集光、ビーム伝送、ビーム/モード整形、パルス整形、及びパルス・タイミングなどの目的のために有益である。通常、光学素子の組み合わせが用いられ、当業者であれば他の組み合わせも容易に想起するであろう。集光度の高い光を提供するために大きな開口数を有する光学装置を用いるのが望ましい場合がしばしばある。しかしながら、望ましい強度特性(及びその空間的配置)を提供する光学素子のどんな組み合わせでも用いることができる。例えば、露光システムは0.75NA対物レンズ(Zeiss 20X Fluar)を備えた走査共焦点顕微鏡(BioRad MRC600)を用いることもできる。
【0128】
通常、光反応性組成物の露光は(上に述べたような)光源をその組成物内での光強度の三次元空間分布を制御するための手段としての光学素子と共に用いることによって行われる。例えば、パルス化データからの光を、その焦点が組成物の体積内に来るように集光レンズを通過させる。この焦点を望ましい形状に対応する三次元パターンに従って走査、あるいは移動させてそれによって望ましい形状をつくることができる。この組成物の露光あるいは光を当てられる体積は、その組成物自体を移動させてでも、あるいは光源を移動させることによっても(例えば、ガルボ・ミラーを用いてレーザー・ビームを移動させることによってでも)走査させることができる。
【0129】
光が、例えば、その反応種のものとは異なった可溶性特性を有する物質を作り出す反応を誘発する場合、得られる画像は任意に例えば適切な溶媒を用いて、あるいはその他の周知の方法を用いて露光された、あるいは露光されない領域を除去することで現像される。こうした方法で、複雑な、三次元物体をつくることができる。
【0130】
露出時間は通常、画像形成に用いられる露光システムのタイプ(及び開口数、光強度空間分布、レーザー・パルス中のピーク光強度(より高い強度及びより短いパルス継続時間は大雑把に言ってピーク光強度に対応する)などそれに伴う変数)及び露光される組成物の性質(及び光増感剤、光反応開始剤、そして電子供与体化合物の濃度)に依存する。一般的に、焦点領域のピーク光強度をより高くすれば、他のパラメータが同じでも露光時間はより短くなる。直線的な画像形成、あるいは『書き込み』速度は通常、10−8−10−15秒(好ましくは約10−11−10−14秒)のレーザー・パルス継続時間、そして1秒あたり10−10パルス(好ましくは約10−10パルス)を用いた場合約5〜100,000ミクロン/秒である。
【0131】
実施例
本発明の目的と利点をさらに以下の実施例を参照して説明するが、これらの実施例で述べられている具体的な物質と量、及びその他の条件や詳細事項は本発明の範囲を限定するものではない。これらの事例は光反応性組成物内の三次元形状を作り出すための光学素子の使用について述べるものである。
【0132】
実施例1
この実施例は多光子吸収プロセスにより光重合化領域を形成するための位相あるいは回折性マスクについて検討する。
【0133】
回折マスクの位相プロフィールの計算には均一のエネルギー分布を有する入力ビームを用いる。この実施例においては、計算のために要する時間を減らすために、すべて1つの面上に配置された線の単純な正方形グリッドがテスト・パターンとして機能する。マスクの製造は通常のエッチング技術を通じて行われ、このマスクは回折効率を提供するための4つの位相レベルを有している。
【0134】
位相マスクのデザインは1つの平面に一連の焦点あるいは線をつくりだし、焦点長さは10ミリメートル(mm)で有効開口数は0.50である。マスクで発生される一連の焦点ラインはxあるいはy方向の長さが0.5センチメートル(cm)の線間隔で正方形のグリッドを形成する。書き込みレーザーは800ナノメートル(nm)で1キロヘルツ(kHz)でパルス幅120フェムト秒(fs)で750ミリワット(mW)を提供する強化Ti:サファイア・レーザーである。レーザーからのTEM00出力は入力ガウス・ビームを0.1cm×10.1cmの長方形断面を有する均一エネルギー分布に変換する光学システムに入る。位相マスクの面でのパルスあたりのフルーエンスは1平方センチメートルあたり0.74ミリジュール(mJ/cm)である。この位相マスクはマスクの底部をサンプル表面から約9.5mmだけ垂直方向に引き離す保持止め具に取り付けられる。マスク取り付けの微少調整によって最終的な焦点位置がサンプルの上部表面に合致させられる。マスク取り付け台とサンプル・ステージは相互に位置合わせ精度で移動する。レーザーからの矩形ビームはそのマスク面に対して垂直に当たり、そのビームの長軸はマスクの短軸と平行である。レーザー・ビームはステージとマスク移動に対しては静止的である。
【0135】
厚さ8mm、直径が12.7cm、平均的表面粗度が0.1ミクロメートル(μm)を有する磨かれたガラス・ウエハからなるテスト・サンプルはポリマー・コーティングの土台を提供する。多光子反応開始剤である4,4’−bis(ジフェニルアミノ)−トランス−スチルベンを1%負荷されたメチル・ネタクリレート・モノマーの薄層でそのガラス・ウエハの磨かれた側面を被覆した。この重合可能コーティングの組成は40%tris−(2−ヒドロキシエチレン)イソシアネート・トリアクリレート・エステル、59%メチル・メタクリレート、そして1%の多光子吸着剤の固体成分からなり、ジオキサンに40重量%で溶解された。この重合化可能物質の層は厚みがほぼ100μmである。被覆されたガラス・ウエア上での重合化可能コーティングの露光は位相マスク及びサンプル構造物を前記光学システムから出てくる矩形ビームの短軸に平行な方向に沿って連続的に移動させることで行われる。サンプル・ステージは100μm/秒の均一速度で移動する。光源が位相マスクを走査すると、線のグリッドが重合化可能な層内で光重合化される。
【0136】
PMMAコーティングをジオキサン内で現像すると、ガラス・ウエハから未反応領域が除去されて、反応した(例えば、光硬化した)ラインが正方形グリッドの形状で出現する。このグリッドを形成する個々のラインは約20μmの厚さと約15μmの幅を有している。このポリマー性ラインはガラス・ウエハに対して優れた接着性を有している。
【0137】
実施例2〜6
これらの実施例で、単一露光経路で、多光子光重合化によって少なくとも部分的に反応された物質の複数の領域を作り出すために光学素子アレイの種々の異なった配列が用いられる。特に注記がない限り、Aldrich Chemical Co.,Milwaukee,WIから発売されている化学製品が用いられた。
【0138】
2光子感光性染料、Bis−[4−(ジフェニルアミノ)スチリル]−1,4−(ジメトキシ)ベンゼンが以下の手順でつくられた。(1)1,4−bis−ブロモメチル−2,5−ジメトキシベンゼンとトリエチル・ホスフェート(Horner Eamons試薬)との反応;1,4−bis−ブロモメチル−2,5−ジメトキシベンゼンは文献(Syper et al.,Tetrahedron,1983;39,781〜792)に示されている手順でつくられた。1,4−bis−ブロモメチル−2,5−ジメトキシベンゼン(253g、0.78モル)を1000mL丸底フラスコに入れた。トリエチル・ホスフェート(300g、2.10モル)を加えた。これらの反応物を窒素雰囲気下で攪拌しながら48時間加熱した。反応混合物を冷却して、過剰なP(OEt)をKugelrohr装置を用いて真空内で除去した。望ましい生成物は実際には蒸留されなかったが、Kugelrohr装置を用いて過剰なP(OEt)を生成物からの蒸留によって除去した。0.1mmHgで100℃に加熱すると、透明の油分が得られた。冷却して、望ましい生成物が固体として得られた。この生成物は次のステップに直接用いるのに適しており、HNMRは提案された構造との一致を示していた。トルエンから再結晶化させたところ、無色の針状の結晶が得られ、より純粋な生成物になったが、これはほとんどの場合次のステップのために必要ではなかった。
【0139】
(2)Bis−[4−(ジフェニルアミノ)スチリル]−1,4−(ジメトキシ)ベンゼンの合成:1000mLの丸底フラスコに較正済み滴下じょうごと磁性攪拌器を取り付けた。このフラスコに上の合成から得られた生成物を加え(Hormer Eamons試薬)(19.8g、45.2モル)、そして、N,N−ジメチルアミノ−p−ベンズアルデヒド(Fluka,25g、91.5ミリモル)も加えた。このフラスコを窒素でフラッシュして、セプタで密封した。無水テトラヒドロフラン(750mL)をそのフラスコ内に注入して、すべての固形成分を溶かした。滴下用じょうごにKOtBu(カリウムt−ブロキシド)(125mL、1.0MをTHFに溶かしたもの)を加えた。フラスコ内の溶液を攪拌し、フラスコ内の内容物に30分かけてKOtBu溶液を加えた。この溶液を周辺温度下で一昼夜攪拌し続けた。この反応を次にHO(500mL)を加えて急冷した。この反応物を攪拌し続けたところ、約30分後に高度に蛍光性の高い黄色の個体がフラスコ内に形成された。この固体をろ過で分離して、空気で乾燥させた。そしてそれをトルエン(450mL)で再結晶化させた。望ましい生成物は蛍光性のある針状結晶(24.7g、81%イールド)として得られた。HRMは提案された構造と一致していた。
【0140】
実施例2〜5の光源はダイオードでポンピングされたTi:サファイア・レーザー(Spectra−Physics)で、800nmの波長で、パルス幅は約100fs、パルス反復速度は80MHz、ビーム直径は約2mm、そして平均出力パワーは860mWであった。光学システムは低分散回転ミラーと、光出力を変えるための光減衰器で構成されていた。最終的な集光要素については各実施例で詳細に述べた。サンプル、あるいはサンプルと最終集光要素の動きはNew England Affilicated Technologies,Inc.(Lawrence,MA)のモーター駆動コンピュータ制御ステージを用いて行われた。
【0141】
【表1】
Figure 2004503832
【0142】
実施例2
実施例2で、融合シリカ・マイクロレンズ(MEMS Optical of Huntsville,ALから市販されているもの)のアレイを用いて、平行化ビームをサンプル体積内の複数の集光スポットに分割した。このマイクロレンズを六角形アレイに構成し、充填比を70%とした。各マイクロレンズは直径が76ミクロンで、開口数は0.5であった。これらのテスト基板で、反応(例えば、光硬化)を前記レンズ・アレイを70μmシム上、その基板の上部に位置させて、各マイクロレンズの焦点位置が基板/ポリマー界面上にほぼ一致するようにさせた(図1aを参照)。
【0143】
テスト・サンプルはトリメトキシシリルプロピルメタクリレートを接着性促進剤としての水性エタノールの2%溶液で事前に処理され、その後、光反応性組成物I(表1)をジオキサン(Mallinckordt Baker Inc.,Phillipsburg,NJ)に溶かした固体成分46%溶液で回転コーティングさせたものガラス製顕微鏡スライドを用いた。被覆されたスライドを80℃の温度で炉内で10分間加熱処理して、溶媒を除去した。最終的なフィルム厚みは約30μmであった。レンズ・アレイ(30、図1a)とテスト・サンプル(20、図1a)を平行化されたビーム(平均出力:650mW)を用いて125μm/秒で走査して、0.1cmのエリアを40秒間露光させた。露光されたサンプルをN,N−ジメチルフォルムアミドで現像して、イロプロピル・アルコール内で洗浄してから、空気中で乾燥させた。図7は実施例2のテスト条件で得られた構造体の走査顕微鏡写真を示している。
【0144】
実施例3〜5で、回折性レンズの正方形アレイを用いて、平行化ビームを複数の集光スポットに分割した。レンズ・ピッチは水平及び垂直の両方向で1.0mmで、充填比は100%であった。各レンズは2波設計、多重レベル回折性要素で、設計上の焦点距離は633nmで10.0mmであった。
【0145】
実施例3
実施例3で用いられた装置を図8に示す。この図に示されているように、露光システム610は基板630上でシム612と614に保持された回折性レンズ620のアレイを含んでいた。アレイ620は回折性レンズ622を含んでおり、入射光640を焦点614(つまり、614a〜614c)に集光させた。基板630は顕微鏡スライド632と界面636でスライド632上に被覆された保護用組成物層634を含んでいた。アレイ630の位置は回折性レンズ622のピント614が基板/ポリマー界面636とほぼ一致するように調整された。レーザー・ビームを少なくとも4つの回折性レンズ622を完全に満たすように設定されたガリレオ型望遠鏡を用いて約5倍に拡大した。回折性レンズ・アレイ620とテスト・サンプル630を平行化、拡大レーザー・ビーム(平均出力:230mW)を用いて125μm/秒で共に走査された。例2で述べたのと同じテスト・サンプルを用意し、露光させて、N,N−ジメチルフォルムアムド内で現像し、イソプロピルで洗浄して、空気乾燥させた。
【0146】
図9と10は実施例3の画像形成条件で得られた構造の走査顕微鏡写真を示している。回折性レンズ・アレイの間隔及び左右対称性に対応した反応ポリマーのパターンが示されている。ここのポストの形状は例2の場合より不規則であり、アレイ620の集光特性がより複雑であることを示している。
【0147】
実施例4
実施例4で、回折性レンズの正方形アレイがレーザー・ビームに対して固定され、基板を下側から走査した。この光学構成によって、複数の画像形成スポットで任意のパターンを作り出すことができた。レーザー・ビームのサイズは少なくとも4つの回折性レンズを完全に満たすように設定されたガリレオ型望遠鏡を用いて約5倍に拡大され、ゾーン・プレートの位置は集光ポイントが基板/ポリマー界面とほぼ一致するように調整された(図8参照)。こうした光学構成を用いていずれの任意のテスト・パターンでも書き込むことができた、この例では、ステージが2つの組み合わさった正方形のテスト・パターンを作り出すようにプログラムされた。実施例2の場合と同じテスト・サンプルを調製し、125μm(230mW平均レーザー出力)で下側から走査することで露光させた。サンプルをN,N−ジメチルフォルムアムド内で現像し、イソプロピルで洗浄して、空気乾燥させた。図11は、実施例4の画像形成条件で得られた構造の光学顕微鏡写真を示している。テスト・パターンは4つの異なった画像形成スポットのそれぞれで再現された。ポリマーは基板に対して良好な接着性を示した。
【0148】
実施例5
実施例5は、ハイブリッド・ポリマー系のパターン化された光を用いた画像形成について示している。このハイブリッド・ポリマーは熱可塑性基質に反応性モノマーを加えたもので構成されていた。この光反応性組成物の屈折率と密度はポリマー化とそれに続く照射エリアへのモノマー拡散の結果として照射エリアで増大された。望ましい構造体が得られたあと、フィルム全体をその画像を永続的に固定するために1光子光源を用いてブランケット露光させることができる。
【0149】
表2に示す光反応性組成物は1,2−ジクロロエタン内に溶解した約40%溶液として調製され、顕微鏡スライド上に回転コーティングされた。この被覆されたスライドをその後80℃オーブンで10分間加熱して、溶媒を取り除いた(最終的なフィルムの厚みは約30μmであった)。実施例4の場合と同じ光学構成及びパターンを用いた。基板を125μm(平均出力:230mW)で走査した。画像形成に続いて、テスト・サンプルを3つのPhilipps TLD 3W光を45分間用いて露光させて画像を固定した。
【0150】
図12は屈折率対象画像の光学顕微鏡写真を示している。テスト・パターンは異なった画像形成スポットのそれぞれで再現された。
【0151】
【表2】
Figure 2004503832
【0152】
実施例6
図13は実施例6内で用いられた露光システム710を示している。Cornng SMF−28単一モード光ファイバーを画像形成用円筒型レンズ720の直線アレイとして用いた。実施例2の場合と同じテスト基板730を作成した。光ファイバーの外皮をファイバー・ストリッパーを用いて除去し、その後、図13に示されている未反応テスト・サンプル730の表面に軽く押し付けた。そして、基板730を平行化レーザー・ビーム740(平均出力:640mW)を用いて250μmでラスター走査した。Yステージは各走査毎にビーム直径のほぼ半分程度動かした。画像形成に続いて、テスト・サンプルをN,N−ジメチルホルムアミド内で現像して、イソプロピル・アルコールで洗浄して、空気乾燥した。図14と15はつくられた高アスペクト比ポリマー・ラインの走査結果を示している。
【0153】
実施例7
図16に示すように、干渉パターン820を有するチャープ化格子812(例えば、ライン間の間隔が連続フリンジ毎に小さくなるような格子)を平面波860と円筒型波850の組み合わせによってつくられた干渉フリンジ・パターンを用いて光反応性組成物834内に形成した。平行でも逆平行でもない伝播方向を有しており、画像平面に対して入射される)2つの平面波の組み合わせを用いて直線的干渉フリンジが形成された。1つのビームの経路内に円筒型レンズ840(レンズ840の均一軸は最初の構成からの干渉フリンジ826に対して平行)を配置することでチャープ期間を有する平行干渉フリンジ826が形成された。この手法は光ブラッグ格子製造に関連した技術分野ではよく知られている(例えば、R.Kashyap,Fiber Bragg Gratings,Academic Press,1999参照)。図16に示されているように、格子820の左端822でのフリンジ期間は円筒型レンズがない場合と比較して(入射角度が増大した結果として)より小さくなっている。格子の右端824での期間は影響を受けなかった。干渉パターン820のチャープ・レートは前記円筒型レンズ840の焦点距離を変更するか及び/又はレンズ840と干渉面との間の距離を変更するか、あるいは第2のビーム860内に(同じ向きの)円筒型レンズを配置することで制御することができる。
【0154】
多格子吸収露光システムで用いられる短いパルスは各レーザー・パルス中に干渉パターンの小さな部分を反応させた。従って、ビーム850と860両方の波長を正確に合致させることで、パルスを重ね合わせて3次元干渉パターン820の選択された領域を形成することができた。この波長を合致させる操作はビーム850と860を個別光遅延ライン(Kirkparrick,et.al.,APpli.Phis.A,69,461参照)を通過させることで行われた。ビーム波長を相互に対して慎重に調製することで、連続的なレーザー・パルスを用いてチャープされた干渉パターン820の部分を反応させることができる。
【0155】
実施例8
この実施例では多光子吸収プロセスを用いて複数の光重合価領域を形成するための3−ビーム干渉の使用について検討する。時空における2つのコヒーレントなビーム間の干渉が高及び低強度フリンジを有するパターンをつくりだし、その周期性が入力ビーム間の角度に依存していることは良く知られている。この例で、3つのコヒーレントなパルスレーザー・ビームを用いて明暗領域の2次元アレイを形成して、それを用いて単一の画像形成面に光重合化された領域の対応する2次元アレイを形成した。
【0156】
書き込みレーザーは800nmで800mW、1kHz、パルス幅120fsを作り出す強化Ti:サファイア・レーザーであった。レーザーからのTEM00出力を2つのビーム・スプリッタを通過させて、3つの独立したほぼ同じ強度のビームを発生させた。これらのビームの2つの光学アレイには独立の光遅延ラインとガラス・ウエッジが含まれていた。取り付け台を回転させることで、光経路長を細かく調整することができる。これらのビームを各ビーム間の角度がほぼ120度となるように図5に示すようにサンプルで再結合された。光の位置調整のためn、最初の2つのビームだけ(一方は遅延ラインを有しており、他方はそれを有していない)だけが干渉しあうようにした。この光遅延ラインの長さはこれら最初の2つのレーザー・ビームからのパルスが、2光子蛍光及びフリンジ干渉パターンの強度の急激な増大の観察で確認されるまで調節された。三番目のビームを次に導入して、再度、その光遅延の長さを、2光子蛍光の強度と干渉パターンの急激な増大が観察されるまで調整された。
【0157】
40重量%酢酸セルロース・ブチレートを含有する溶液(1,2−ジクロロエタンに40%固形分)(nは約1.46、Eastman Chemicals,Kingport,TN)、23重量%フェノキシメタクリレート(Sartmer Company,West Chester,PA)、34重量%ビスフェノールAグリセロレート・ジアクリレート(Ebecryl 3700、UCS Chemicals,Symra,GA)、2重量%ダイアリーリオドニウム塩(Sartmer Company,West Chester,PA)、そして1重量%bis−[4−(ジフェニルアミノ)スチリル]−1,4−(ジメトキシ)ベンゼンを調製した。この溶液を約100ミクロン厚のシリコン・ウエハ上にコーティングして、オーブン内で80℃で乾燥した。テスト・サンプルをそれら3つのビームがコーティング内で干渉露光して、単一の画像平面上に2次元6角形ハニカム・パターンが得られるように配置した。反応された領域の屈折率モジュレーションが後で反応された基質に対して少なくとも0.005であった。この被覆を3つのPhilips TLD 3W−05バルブを用いて、主要出力を450nm、30分間に設定して、画像全体ではない方法でブランケット露光した。この膜はパターン化された領域に対して少なくとも0.005の屈折率モジュレーションを維持した。
【0158】
ここで引用された特許、特許資料、及び刊行物の開示全体が、それぞれ個々に組み込まれるのと同様に、全体としても本明細書に組み込まれる。本明細書の範囲と精神を逸脱しない範囲で、種々の修正や変更が当業者には容易に想起されるであろう。本発明はここに示されている実施の形態や実例によって限定されるものではなく、それらの例と実施の形態は例として示すだけであり、本発明の範囲は以下に示す請求項によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1a】本発明による微視光学的要素露光システムを示す図。
【図1b】本発明による種々の焦点距離を有する微小レンズを有する微視光学的元素露光システムの別の実施の形態を示す図。
【図1c】非球面軸ずれ微小レンズのアレイを含む別の実施の形態を示す図。
【図2】内部でビーム分割回折性光学素子(DOE)が用いられている本発明の回折性光学素子露光システムを示す図。
【図3】内部で波面トランスフォーメーションDOEが用いられている回折性光学素子露光システムを示す図。
【図4】平行平面波と発散球面波を組み合わせて光反応性組成物に干渉パターンを作り出す露光システムを示す図。
【図5】光反応性組成物内の選択した領域で多光子吸収を誘起するための同じ、あるいは実質的に違った波面を有する3つ以上のビームの組み合わせを含む露光システムの1つの実施の形態を示す図。
【図6】微小レンズのアレイから光反応性組成物へのビームを方向操作するために用いられる一連の調節可能な平面鏡を含んでいるシステムを示す図。
【図7】実施例2のテスト条件下で得られる構造の走査電子顕微鏡写真を示す図。
【図8】回折レンズのアレイを含む実施例3で用いられる露光システムを示す図。
【図9】実施例3の画像形成条件で得られた構造の走査電子顕微鏡写真。
【図10】実施例3の画像形成条件で得られた構造の走査電子顕微鏡写真。
【図11】実施例4の画像形成条件で得られた構造の光学顕微鏡写真。
【図12】屈折率対照画像の光学顕微鏡写真。[0001]
Priority claim
This application claims the benefit of US Provisional Application No. 60 / 211,675, filed June 15, 2000, the contents of which are incorporated herein.
[0002]
Field of the invention
The present invention relates to a multiphoton absorption method and a pattern for creating a polymeric three-dimensional structure therefrom.
[0003]
Background of the Invention
Two-photon absorption by molecules was predicted by Goppert-Mayer in 1931. When the pulsed ruby laser was invented in 1960, experimental observations of two-photon absorption became a reality. Since then, two-photon excitation has been applied in biology, optical data storage, and other fields.
[0004]
There are two important differences between a two-photon induced light process and a single photon induced process. Single-photon absorption correlates linearly with incident intensity, but quadratically. Higher order absorptions change at higher orders correlated to that of the incident intensity. As a result, a multiphoton process can be performed with three-dimensional spatial resolution. Also, multi-photon processes involve the simultaneous absorption of two or more photons, and the absorbing chromophore has insufficient energy, even if each photon has enough energy to excite that chromophore. , Are excited by a number of photons whose total energy is equal to the energy of the excited multiphoton photosensitizer. Because the excitation light is not attenuated by single-photon absorption in the cured substrate or material, using a beam focused at that depth in the material allows a greater depth in the material than would be achieved with single-photon excitation. Can selectively excite molecules. These two photons excite, for example, tissue or other biological material. However, such work is limited to slow writing speeds and high laser powers. Therefore, there is a need for a method for improving the throughput and efficiency of a multiphoton absorption system. In multiphoton or stereolithography, the non-linear scaling of intensity and absorption makes it possible to write figures below the diffraction limit of the light, or to draw figures in three dimensions, which is also interesting for holography. That is.
[0005]
Summary of the Invention
The present invention provides various methods and devices for creating regions of at least partially reacted material in a photoreactive composition. In one embodiment, the method comprises providing a photoreactive composition; providing a source of light sufficient for the photoreactive composition to absorb at least two photons simultaneously; Exposure system including at least one diffractive optical element (preferably said diffractive optical element is capable of performing beam splitting, wavefront transformation, or both) and capable of inducing image-like multiphoton absorption Providing a non-random three-dimensional light pattern by the exposure system; and exposing the photoreactive composition to the three-dimensional light pattern generated by the exposure system, at least in part. Reacting a portion of the material in response to the non-random three-dimensional light pattern incident thereon; Tsu contains a flop. "Corresponding" means that the reacted substance need not form an exact copy of the three-dimensional light pattern, although an exact copy is possible.
[0006]
In another embodiment, a method of creating a region of at least partially reacted material in a photoreactive composition comprises providing a photoreactive composition, wherein the photoreactive composition comprises at least two photons. Providing a source of sufficient light to simultaneously absorb light; and providing an exposure system that includes at least one array of diffractive optical elements and is capable of inducing image-like multiphoton absorption; Generating a non-random three-dimensional light pattern by the exposure system; and exposing the photoreactive composition to the three-dimensional light pattern generated by the exposure system to at least partially expose a portion of the material thereto. Reacting in response to the incident non-random three-dimensional light pattern.
[0007]
In yet another embodiment, the method includes providing a photoreactive composition; and providing a source of sufficient light for the photoreactive composition to simultaneously absorb at least two photons. Including a first beam having a first wavefront shape and a second beam having a second wavefront shape, wherein the first wavefront shape is capable of inducing image-like multiphoton absorption. 2 to provide an exposure system that is substantially different from the wavefront shape of FIG. The method further comprises generating a non-random three-dimensional light pattern by the exposure system utilizing optical interference between the first light beam and the second light beam; and generating the three-dimensional light pattern generated by the exposure system. Exposing the photoreactive composition to a three-dimensional light pattern to react at least partially a portion of the material in response to the non-random three-dimensional light pattern incident thereon.
[0008]
In yet another embodiment, the method includes providing a photoreactive composition; and providing a source of sufficient light for the photoreactive composition to simultaneously absorb at least two photons. Can induce image-like multiphoton absorption, includes three or more light beams, each of the three or more light beams includes a wavefront having one shape, and three more. Providing an exposure system wherein each of the above light beams has a non-random three-dimensional light pattern that is the same as or substantially different from the waveforms of the other light beams. The method further includes generating a non-random three-dimensional light pattern by the exposure system utilizing optical interference between the first light beam and the second light beam; and generating the non-random three-dimensional light pattern by the exposure system. Exposing the photoreactive composition to the three-dimensional light pattern to react at least partially a portion of the material in response to the non-random three-dimensional light pattern incident thereon.
[0009]
Various systems are provided for performing various methods according to the present invention. In one embodiment, there is provided an apparatus for reacting a photoreactive composition, the apparatus comprising: a photoreactive composition; and sufficient for the photoreactive composition to simultaneously absorb at least two photons. Including an optical source and at least one diffractive optical element (preferably a diffractive optical element capable of performing beam splitting, wavefront transformation, or both) to induce image-like multiphoton absorption And a non-random three-dimensional light pattern can be generated, a further non-random three-dimensional light pattern can be generated, and the exposure system can generate a non-random three-dimensional light pattern. An exposure system capable of at least partially reacting the unit.
[0010]
In yet another embodiment, there is provided an apparatus for reacting a photoreactive composition, the apparatus comprising a photoreactive composition and a photoreactive composition wherein the photoreactive composition simultaneously absorbs at least two photons. A source of sufficient light and at least one array of refractive optical elements, capable of inducing image-like multiphoton absorption, generating a non-random three-dimensional light pattern, An exposure system that can generate a three-dimensional light pattern and that can at least partially react a portion of a substance in response to the non-random three-dimensional light pattern.
[0011]
In yet another embodiment, the invention provides an apparatus for reacting a photoreactive composition, the apparatus comprising a photoreactive composition and the photoreactive composition simultaneously absorbing at least two photons. A first light beam including a first wavefront shape and a second light beam including a second wavefront shape, wherein the first wavefront shape is the second wavefront shape. It is substantially different from the wavefront shape, can induce image-like multiphoton absorption, can generate a nonrandom three-dimensional light pattern, and can generate a nonrandom three-dimensional light pattern. And an exposure system, wherein the exposure system is capable of at least partially reacting a portion of the substance in response to the non-random three-dimensional light pattern.
[0012]
In yet another embodiment, the present invention provides an apparatus for reacting a photoreactive composition, the apparatus comprising a photoreactive composition and the photoreactive composition absorbing at least two photons simultaneously. Sufficient light source and three or more light beams, each of said three or more light beams including a wavefront having one shape, and further comprising three or more light beams. Each has a wavefront shape that is the same as or substantially different from the waveform of the other light beam, and can also induce image-like multiphoton absorption, generating a non-random three-dimensional light pattern And a further non-random three-dimensional light pattern can be generated, and the exposure system at least partially reacts a portion of the substance in response to the non-random three-dimensional light pattern. Including Kill exposure system.
[0013]
Preferably, the light source is a pulsed laser and the exposing comprises a pulsed irradiation step, which is preferably performed using a near infrared pulsed laser having a pulse length of less than about 10 nanoseconds.
[0014]
Preferably, the photoreactive composition comprises one or more reactive species, one or more multiphoton sensitizers, one or more electron donor compounds, and one or more photoinitiators. . More preferably, the photochemical composition comprises from about 5 to about 99.79% by weight of at least one reactive species and from about 0.01 to about 10% by weight of at least one multi-component based on the total weight of the solids. It contains a photon photosensitizer, up to about 10% by weight of at least one electron donor compound, and about 0.1 to about 10% by weight of at least one photoinitiator.
[0015]
Definition
In this specification,
“Multiphoton absorption” refers to entering a reactive electronically excited state that cannot be reached by simultaneously absorbing two or more photons and absorbing only one photon having the same energy. Means
[0016]
“Simultaneous” means that two events are 10-14It means that it happens in less than a second.
[0017]
"Electronically excited state" means that it can be reached by absorption of electromagnetic waves and has a lifetime of 10-13It means the electronic state of a molecule whose energy is higher than the electronic ground state of the molecule, longer than a second.
[0018]
The term "reaction" means curing (polymerization and / or cross-linking) or depolymerization or other reaction.
[0019]
"Optical system" refers to a system that controls light, the system comprising at least one selected from lenses, reactive optics such as mirrors, and diffractive optics such as gratings, and computer generated holograms. The optical element must include a diffuser, a waveguide, and other elements known in the optical arts.
[0020]
“Exposure system” means a combination of an optical system and a light source.
[0021]
"Sufficient light" means light having sufficient intensity and appropriate wavelength to induce multiphoton absorption.
[0022]
"Photosensitizer" refers to a photoinitiator that reduces the energy required to activate a photoreaction initiator by supplying light with low energy required for activation, By a molecule that interacts with the initiator to form a photoinitiating species therefrom.
[0023]
A "photochemically effective amount" (of a component of a photoinitiator system) is defined as the reaction species (density, viscosity, color, pH, refractive index, or other physical or chemical properties, etc.) (Such as) an amount sufficient to cause at least a partial reaction under the selected exposure conditions.
[0024]
"Transit" means that light is completely transmitted through a certain amount of the photoinitiator composition.
[0025]
“Focus” or “focusing” means that the collimated light is concentrated on one point or an image of one object is formed.
[0026]
"Wavefront" means the surface of the stationary phase of a propagating electromagnetic field, for example, light emitted from a point light source has a spherical wavefront.
[0027]
"Substantially different", when used with respect to two or more wavefronts, indicates how well the coherent electromagnetic beams interact when combined. If the optical system used to generate the interference pattern is reconfigured such that the beams are collinear (overlapping, having parallel propagation directions), the interference formed by the combination of the beams The pattern creates at least one bright fringe and one dark fringe in the area of interest in the desired image plane. This suggests that there is a half wavelength difference in the wavefront between the beams in this region.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
A common technique for exposing a single grating light confinable (eg, photocurable) material is to expose a large area light source to a reflective or opaque material to select the area to be exposed. Use in combination with a mask. In addition, optics can be incorporated to perform projection lithography to render micron-sized figures. Typically, in such projection systems, the image of the mask is reduced in size and the light is collimated at the image plane so that the light fluence is uniform over the exposed area. A second general technique is to "write" the image directly using, for example, a laser light source and appropriate optics. In this case, the actual pattern is in a computer file and the image is written directly by a computer controlled stage and laser system. The laser spot size is reduced by optics so that even the smallest features of the pattern can be drawn.
[0029]
Multiphoton processes typically require relatively high light fluence at nanosecond-level wavelengths to provide a substantial number of gratings in the initiation region. This high light fluence is achieved by focusing the high energy laser light using a relatively high numerical aperture (NA) lens, for example, a microscope objective. A high NA has a shallow depth of focus and facilitates z-axis control in a multiphoton absorption process. Three-dimensional objects can be processed by precisely moving the laser source in the x, y, and z axes to create the reactants in the desired shape. However, this technique is slow and the accuracy of the movement of the mechanical elements limits the accuracy of the technique.
[0030]
Exposure of large areas of multiphoton-absorbing (eg, curable) materials allows faster processing of large objects. Photopolymerized masks using projection optics do not have the necessary z-axis focusing capability to form complex shapes in three dimensions. The present invention discloses the use of a mask configuration in which the light emitting region includes a refractive element capable of focusing light, for example, to allow sufficient z-axis range determination. As one example, a mask having focusing properties can be made from a photoresist that is photolithographically delimited and then melted to form one or more convex features having a predetermined complex refractive structure.
[0031]
Other processing methods are also suitable (eg, photolytic volume expansion of glass, polymer droplet dispensing, mass transfer, focused ion beam processing, and other micro-light processing methods known in the art). It can be used to create the refraction surface needed to make a range determination.
[0032]
One example of this refractive configuration is shown in FIG. 1a, which shows a micro-optical element exposure system 10 of the present invention. In this figure, a micro-optical element refers to an optical element whose aperture in at least one direction is 5 mm or less. A micro-optical device usually refers to an optical device having a diameter of about 6 mm or less. Fiber is often included in this category. For example, Newport @ Corp. , Irvine @ CA catalog.
[0033]
As shown in FIG. 1 a, a micro-optical element exposure system 10 includes a photo-reactive composition 20 and a micro-optical element array 30. The micro-optical element array 30 is used to focus the incident light 12 to focal points 40 a to 40 e (focal point 40) to induce multiphoton absorption in the photoreactive composition 20. The micro optical element array 30 includes refractive micro lenses 32a to 32e (micro lenses 32) and opaque portions 34a to 34f (opaque portions 34). This opaque portion 34 prevents the incident light 12 from reaching the photoreactive composition 20 through the micro-optical element array 30. These microlenses 32 react with the incident light 12 and focus it on the focal point 40. By moving the photoreactive composition 20 precisely in a direction parallel to or perpendicular to the direction of light irradiation, several identical structures can react at the same time. The width, depth, and orientation of the individual volume elements created within the photochemical composition 20 illuminated by the microlenses 32 may be based on the microoptic array 30 (e.g., incorporating off-axis, aspheric, and distorted mirror surfaces, etc.). Can be controlled by proper design.
[0034]
Similarly, by changing the focal length of each of the micro lenses 32 in the micro optical element array 30, it is possible to change the planar exposure configuration of FIG. 1A to a three-dimensional configuration. Further, the micro-optics need not be arranged in a precise array or have additional elements.
[0035]
An example of a micro-optics exposure system 10 having micro-lenses 32 of different focal lengths is shown in FIG. 1b as another embodiment. In FIG. 1 b, the microlenses 132 of the microoptical element array 130 have different focal lengths to focus the incident light 112 to the focal points 140 at different depths within the photoreactive composition 120. For example, the microlenses 132a have a shorter focal length than the microlenses 132b, and thus focus the incident light 112 to a focal length 140a closer to the surface of the photoreactive composition 120 than the focal point 140b, which is the focus of the microlenses 132b. I do.
[0036]
Simultaneous reaction (eg, curing) of complex three-dimensional structures is also possible by incorporating a beam steering mechanism into the microlens array. The three-dimensional structure is formed by reacting individual areas that are in physical contact but do not overlap using light focused from each microlens. FIG. 1c illustrates such a concept as another embodiment of the present invention. FIG. 1 c shows an array 230 of aspheric, off-axis microlenses 232. Each of the microlenses 232 has a different focal length, and the array is used to simultaneously react (harden) multiple non-overlapping regions at focal points 240a-240e.
[0037]
The preferred method according to the invention focuses the high energy light as if coming from a high numerical aperture numerical aperture objective, but over a large area in three dimensions. The function of the DOE is further divided into two categories: creating an individual array of illuminated areas (beam splitting) and creating a continuous illumination area of a particular shape (wavefront transformation). One DOE can perform both functions. The optical elements of the beam splitting element (see FIG. 2) are similar to those of a refractive microlens, producing a series of focused spots.
[0038]
In FIG. 2, the refractive optical element exposure system 310 includes a photoreactive composition 320 and a refractive optical element 330. DOE 330 diffracts the beam of incident light 312 to a focal point 340 in photoreactive composition 320. As in the case of refractive microlenses (see, for example, FIGS. 1a-1c), the DOE 330 creates an individual focus 340.
[0039]
There are important differences in the way light is used in refractive and diffractive elements. In the case of a refractive element, only the light incident on each microlens is focused and roughened in the photoreactive composition (ie, the light between the microlenses is not focused or reflected and reacts (eg, 1a, and the light 12 incident on the opaque regions 34a-34e is not refracted to the focal point in the photoreactive composition 20. In the case of diffractive, All of the incident light is directed to the desired array pattern (if that element is functioning with high efficiency) (see, for example, FIG. 2), and even though the effective NA of the DOE is higher than that of the individual microlenses. If the value of NA is large, the depth of focus becomes shallow, and the resolution in the z-axis direction increases.
[0040]
In addition, the focus of the microlenses has a particular shape determined by the range defining aperture (eg, a round lens creates a circular Airy diffraction pattern). On the other hand, beam splitting diffractive elements can be designed to create more general shapes, such as squares and rectangles, of “focus spots”. Wavefront transformation diffractive optics transform the incident light field into a semi-continuous pattern at a more general, desired location.
[0041]
FIG. 3 shows another embodiment of the present invention in which a wavefront transformation DOE is used. As shown, the diffractive optical element exposure system 350 includes a wavefront transformation DOE 370 and a photochemical composition 360. The incident light 352 is diffracted by the DOE 370 into a semi-intermittent non-random three-dimensional light pattern 380.
[0042]
Both types (beam splitting and wavefront transformation) DOEs are used to concentrate light from a large area incident beam into a smaller spatial region of the photochemical composition to cause a reaction. If the diffractive element is functioning like one or more refractive lenses (ie, if one or more small size focusing spots are created), the resulting light collection pattern will be It has a similar depth of focus characteristic to that achieved (depending on the DOE design method). When complex light patterns are created through wavefront transformation, the behavior of the light field away from the light surface becomes more complex. In special cases (long, narrow patterns, etc.), the DOE obtained in DOE may be different in two directions perpendicular to the optical axis. This property can be used to advantage in forming certain structures.
[0043]
One possible method that can be used to design the DOE (when close to the axis) uses an iterative Fourier transform algorithm that simulates light field propagation between the diffractive element and the image plane. The desired light field intensity distribution at the image plane and the processing constraints of the diffractive element serve as limits to converge the design of the diffractive element. (Other paraxial and non-paraxial methods useful in the design of DOEs are also known in the art). Generally, the complexity and resolution of the particular image formed by the diffractive element is controlled by the method used to fabricate the diffractive element (as well as the efficiency of the diffractive element). The optical phase function calculated in the above process is usually coded in the DOE as a surface relief profile (other methods can be used).
[0044]
The exact structure of the DOE has a significant effect on the optical efficiency available (defined by the percentage of light directed to the desired area or direction). The DOE is typically configured as a surface relief pattern in a transparent or reflective material having a multi-step profile approximating a continuous profile that occurs in the design process. The DOE efficiency increases with the number of levels used in the approximation process, with the continuous profile having the highest efficiency. The overall efficiency depends on whether the calculated optical phase function used to form the DOE is constrained to be separable in the in-plane coordinate system, and the diffraction efficiency of the nonseparable phase function Is substantially higher. The smallest horizontal feature that can be created in the DOE processing process limits the effective numerical aperture that controls the smallest feature that can be resolved in the DOE image plane.
[0045]
The diffractive element can be processed by a well-known method such as creating a coherent (for example, laser) light and recording an interference pattern thereof, a well-known algorithm, or a configuration of a surface relief. The desired phase profile is formed on the surface of the material by, for example, either selective chemical or physical etching, direct writing of a developable photosensitive resin (using an electron beam or laser), or laser ablation. be able to. In all cases, the phase function recorded on the diffractive element changes the phase information of the incident light wave, directing the wave in a predetermined direction.
[0046]
Some examples of multiphoton absorption as a processing method using holography have been published (for example, TJ Bunning, et. Al., Chem. Mater., 12, 2842 {and} C. Diamond, et. al., Opt.Express, 6 (3), 64). In both of these instances, interference between beams having approximately the same wavefront shape is used to create an interference pattern that reacts with the photoreactive composition (eg, cures, etc.) (and results in a periodic reaction line). . In the first case, two collimated beams (not parallel or anti-parallel) are incident on the composition of the present invention. In a second example, the two beams are combined and focused on the same surface using another part of the same lens. In both cases, the two beams had approximately the same waveform, differing only in the direction of propagation.
[0047]
The present invention discloses a combination of two beams having substantially different wavefronts to induce multiphoton absorption in designated regions. The energy of the beam here is insufficient to cause multiphoton absorption, but the energy at the interference maximum is sufficient to induce multiphoton absorption by the photoreactive composition. The use of two substantially different beams can create interference patterns that do not form a regular array.
[0048]
One embodiment of such a structure is shown in FIG. In this figure, an exposure system 410 combines a collimated plane wave 420 and a diffuse spherical wave 430 to create an interference pattern 440 without a photoreactive composition 450. The interference pattern 440 formed by the combination of these two beams 420 and 430 from one continuous wave light source is a series of concentric circles 442. When a short pulse is used in multiphoton absorption, pulses can be overlapped by precisely matching the path lengths of the two beams, and an interference pattern in a specified area is formed. By carefully adjusting the path length of one beam to the other, successive laser pulses can react different parts of the interference pattern. Although this embodiment includes only one case of combining a plane wave and a spherical wave, various optical elements can be arranged on any beam to precisely adjust the shape of each wavefront, and to adjust the curve and / or variation. It is possible to create a reaction area corresponding to an interference pattern having periodic lines.
[0049]
The present invention also discloses a combination of three or more beams having the same or substantially different wavefronts to cause multiphoton absorption in designated areas. FIG. 5 shows one embodiment of such a structure. In FIG. 5, exposure system 460 includes incident light 470 including light beams 472a, 472b, and 472c (light beam 472), and photochemical composition 480. Each of the light beams 472 includes a collimated plane wave 474 (i.e., edge waves 474a, 474b, and 474c). Plane wave 474 has a non-parallel propagation direction. The plane waves 474 combine to form an interference pattern 490 in the photoreactive composition 480. The interference pattern 490 formed by the combination of these three light beams 472 is an array of intensity maxima in a grid configuration 492. FIG. 5 shows intensity maxima 492 on a particular plane. However, interference fringes occur throughout three dimensions. If short pulses are used for multiphoton absorption, the pulses can overlap to form a designated area of the three-dimensional interference pattern 490 by accurately matching the path lengths of these three beams 472. By carefully aligning each of the beam path lengths with the other, successive laser pulses can be used to react different regions of the interference pattern 490.
[0050]
Although this embodiment shows a simple case where three similar plane waves 474 are used to create an interference pattern 490, the shape of each wavefront is precisely adjusted to accommodate complex three-dimensional light patterns. Various optical elements may be arranged without these three beams 472 to create a reaction region in a three-dimensional pattern.
[0051]
The multi-photon absorption embodiments described above use stationary refractive and diffractive elements. The present invention can be extended by incorporating operable optical elements into the optical system to allow dynamic control of the light pattern used to react the photoreactive composition.
[0052]
One such embodiment is shown in FIG. 6, where an array of plane mirrors 540 that can be adjusted to control the direction of a beam 550 from a row of microlenses 530 to a photoreactive composition 520 is provided. Used. By adjusting the angle of each mirror 540, the beam 550 can be steered into a non-overlapping volume of the photoreactive composition (eg, focal points 522a-522c).
[0053]
The present invention is not limited to optical systems incorporating the movable micromirrors described above, but includes electronically configurable polymer dispersed liquid crystal lenses, deformable mirrors commonly used in applicable optical systems, and the like. Reflective, refractive, and diffractive optical elements can be included. By combining such tunable optics and a signal that controls a precision translation stage holding the photoreactive composition, the total exposure time of complex three-dimensional structures in the photoreactive composition is significantly reduced. be able to.
[0054]
Note that the complete optical system has been optimized to handle pulse widths in the femtosecond to nanosecond range. Femtosecond light pulses have a length on the order of micrometers and can be used in optical designs (micro-optic, diffractive, or coherent) to provide very small and complex three-dimensional structures. Zu).
[0055]
The system for multiphoton absorption comprises a light source and suitable optics, at least one photoreactive composition, at least one multiphoton photosensitizer, optionally at least one electron donor, optionally the photoreactive composition An exposure system comprising at least one photoinitiator for The photoreaction initiator may or may not be used usually except when the reactive species is a cationic resin.
[0056]
Exposure systems useful in the present invention include a light source, typically a laser, and appropriate optics. A laser light source useful in the present invention is pumped, for example, with an argon ion laser (Coherent Innova 310) incorporated in a laser scanning confocal microscope (BioRad MRC600) with a 0.75 NA objective (Zeiss 20X Fluar). Femtosecond near-infrared titanium-sapphire oscillator (such as Coherent # 900-F). Operating at 76 MHz, the laser has a pulse width of 100 femtoseconds, is tunable from 700 nm to 1000 nm, and has a bandwidth of 10 nm (fwhm). In fact, any suitable light source that can provide sufficient light energy at the appropriate wavelength for the photosensitizer used in the photoreaction system (see below) may be used.
[0057]
Optical elements useful in the present invention are refractive, reflective, diffractive, diffusive, diffuser, waveguide, and the like. Refractive optical elements include lenses, mirrors, prisms, and the like. Diffractive optical elements include gratings, phase masks, holograms, and the like. The reflective optical element includes a retroreflector, a collecting mirror, and the like. Many other optical elements known to those skilled in the art can also be used. For example, diffusers, pocket cells, waveguides, phase plates, birefringent liquid crystals, and the like.
[0058]
Reactive species
Reactive species that have been introduced for use in photoreactive compositions include curable and non-curable species. Curable species are generally preferred, for example, addition-polymerizable monomers and addition-crosslinkable polymers (free-radically polymerizable or crosslinkable ethylenically unsaturated species such as certain vinyl compounds such as acrylates, methacrylates, and styrene). ) And cationically polymerizable monomers and oligomers (eg, epoxies, vinyl ethers, cyanates, etc.) and polymers that are cationically crosslinkable, or mixtures thereof.
[0059]
Suitable ethylenically unsaturated species are described, for example, in U.S. Patent No. 5,545,676 to Palazzotto et al., Column 1, line 65 to column 2, line 26 and include mono-, di-, and poly- -Acrylates and methacrylates (e.g. methyl acrylate, methyl methacrylate, ethyl acrylate, isopropyl methacrylate, n-hexyl acrylate, stiaryl acrylate, allyl acrylate, glyceryl diacrylate, glycerol triacrylate, ethylene glycol Diacrylate, diethylene glycol diacrylate, triethylene glycol dimethacrylate, 1,3-propanediol diacrylate, 1,3-propanediol dimethacrylate, triethylolpropane tria Acrylate, 1,2,4-butanetriol trimethacrylate, 1,4-cyclohexanediol diacrylate, pentaerythritol triacrylate, pentaerythritol tetraacrylate, pentaerythritol tetramethacrylate, sorbitol hexaacrylate Bis [1- (2-acryloxy)]-p-ethoxyphenyldimethylethane, bis [1- (3-acryloxy-2-hydroxy)]-p-propoxyphenyldimethylmethane, trisidoxyethyl-isocyanurate. Trimethacrylate, bis-acrylate and bis-methacrylate of polyethylene glycol having a molecular weight of about 200-500, copolymer of acrylated monomers as disclosed in U.S. Pat. No. 4,652,274. Possible mixtures, and acrylated oligomers as disclosed in U.S. Pat. No. 4,642,126; unsaturated amides (e.g., methylene bis-acrylamide, methylene bis-acrylamide, methylene bis-methacrylamide, 6-hexamethylene bis-acrylamide, diethylene triamine tris-acrylamide and beta-methacrylaminoethyl methacrylate); vinyl compounds (such as styrene, diallyl phthalate, divinyl succinate, divinyl adipate, and divinyl phthalate, and the like); Suitable reactive polymers include pendant (meth) acrylates having from about 1 to about 50 (meth) acrylate groups per polymer chain. Examples of such polymers include aromatic (meth) acrylate half-ester resins such as Sarbox ™ resin commercially available from Sartomer (eg, Sarbox ™ 400, 401, 402, 404, and 405). Other useful reactive polymers that can be cured by free radicals include polymers having a hydrocarbon backbone and associated peptide groups and having a free radical polymerizable function attached thereto, such as U.S. Pat. No. 5,235,015 (Ali et al.) Correspond thereto. If desired, mixtures of two or more monomers, oligomers and / or reactive polymers can also be used. Preferred among the ethylenically unsaturated species are acrylates, aromatic acrylate (meth) acrylate half-ester resins, and a free radical polymerizable function having a hydrocarbon backbone and associated peptide groups attached thereto. Polymer.
[0060]
Suitable cationic reactive species are disclosed by Oxman et al. In, for example, U.S. Patent Nos. 5,998,495 and 6,025,406, and include epoxy resins. These materials, also called epoxides, include monomeric epoxy compounds and epoxides of the polymeric type, and may be fatty, cycloaliphatic, aromatic, and heterocyclic. These materials typically have on average one (preferably about 1.5, and more preferably at least about two) polymerizable epoxy groups per at least one molecule. These polymerized epoxides include linear polymers having terminal epoxy groups (eg, diglycidyl ether of polyoxyalkylene glycol), polymers having backbone oxytan units (eg, polybutadiene polyepoxide), and polymers having accompanying epoxy groups. (Eg, glycidyl methacrylate polymer or copolymer). The epoxide may be a pure compound or a mixture of compounds containing one, two, or more epoxy groups per molecule. For example, the backbone can be of any type, and the substituents thereon can be of any type so long as they do not substantially affect cationic cure at room temperature. You may. Examples of substituents that can be used include halogen, ester, sulfonic, siloxy, nitro, and phosphate groups. The molecular weights of these epoxy-containing materials range from about 58 to about 100,000 or more.
[0061]
Useful epoxy-containing materials include those containing cyclohexene oxide groups, such as epoxycyclohexanecarboxylate; representative examples are 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexanecarboxylate, 3,4-epoxycyclohexanecarboxylate. Epoxy-2-methylcyclohexylmethyl-3,4-epoxy-2-methylcyclohexanecarboxylate and bis (3,4-epoxy-6-methylcyclohexylmethyl) adipate. A more detailed list of useful epoxides having such properties can be found in U.S. Pat. No. 3,117,099.
[0062]
Other useful epoxy-containing materials include
Embedded image
Figure 2004503832
Wherein R 'is alkyl or allyl, and n is an integer in the range of 1-6. Examples are glycidyl ethers of polyhydric phenols obtained by reacting polyhydric groups with an excess of chlorohydrin such as epichlorohydrin (eg 2,2-bis- (2,3-epoxypropoxyphenol) -propane). )and so on. Yet another example of this type of epoxide is described in U.S. Pat. No. 3,018,262 and further described in Handbook of Epoxy Resins, Lee and Neville, McGraw-Hill Book Co. , New @ York (1967).
[0063]
Numerous commercially available epoxy resins can also be used. In particular, readily available epoxides include actadecylene oxide, epichlorohydrin, styrene oxide, vinyl oxide cyclohexene, glycidol, glycidyl methacrylene, diglycyl ether of bisphenol A (eg, Resolution @ Performance Products Inc., formerly from Shell Chemicals Co.). Epon on saleTM828, EponTM825, EponTM1004 and EponTM1010, and Dow Chemical Co. DER released byTM-331, DERTM-332 and DERTM-334, etc.), vinylcyclohexene (eg, ERL-4206, available from Union Carbide Corp.), 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexene carboxylate (eg, from Union Carbide Corp.). Commercially available ERL-4221 or CyracureTMUVR @ 6110 or UVR @ 6105), 3,4-epoxy-6-methylcyclohexylmethyl-3,4-epoxy-6-methyl-cyclohexene carboxylate (e.g., ERL-4201 from Union Carbide Corp), bis (3,4 -Epoxy-6-methylcyclohexylmethyl) adipate (e.g. ERL-4289 from Union Carbide Corp), bis (2,3-epoxycyclopentyl) ether (e.g. ERL-0400 from Union Carbide Corp), modified from polypropylene glycol. Fatty epoxies (e.g., ERL-4050 and ERL-4052 from Union Carbide Corp), dipentene dioxide (e.g., Union Carbide). Of e Corp ERL-4269), epoxidized polybutadiene (e.g., FMC Corp OxironTM2001), a silicone resin having an epoxy function, a flame-retardant epoxy resin (for example, DER which is an epoxy resin of the oxalated bibisphenol type commercially available from Dow Chemical Co.)TM-580), 1,4-butanediol diglycyl ether of phenolaldehyde novarak (eg, DEN from Dow Chemical Co)TM-431 and DENTM-438), resortinol diglycidyl ether (e.g., Koporite from Koppers @ Company, Inc.)TM), Bis (3,4-epoxycyclohexyl) adipate (e.g., ERL-4299 or UVR-6128 from Union Carbide Corp), 2- (3,4-epoxycyclohexyl-5,5-spiro-3,4-epoxy) Cyclohexane-meta-dioxane (e.g., ERL-4234 from Union Carbide Corp), vinylcyclohexene 1,2-epoxyhexadecane (e.g., UVR-6216 from Union Carbide Corp), alkyl C8-C10Glycyl ether (e.g., Heloxy from Resolution Performance Products)TM{Modifier 7), alkyl C12-C14Glycyl ether (e.g., Heloxy from Resolution Performance Products)TMModifier 8), butyl glycidyl ether (eg, Heloxy from Resolution PerformancesProducts)TMModifier 61), cresyl glycidyl ether (eg, Heloxy from ResolutionRPerformancesProducts)TM{Modifier 62), p-tert-butylphenyl glycidyl ether (e.g., Heloxy from Resolution Performance Products).TMMultifunctional glycidyl ethers such as Modifier 65), glycidyl ether of 1,4-butanediol (eg, Heloxy from Resolution Performance Products)TM67Modifier 67), glycidyl ether of neopentyl glycol (eg, Heloxy from Resolution Products Products)TMModifier 68), diglycyl ether of cyclohexanedimethanol (eg, Heloxy from Resolution Products Products)TMModifier 107), trimethylol ethane ether (eg, Heloxy from Resolution Performance Products)TMModifier 44), trimethylol propane triglycyl ether (eg, Heloxy from Resolution Performance Products)TMModifier48), a polyglycyl ether of a fatty polyol (eg, Heloxy from Resolution Products Products)TMModifier 84), polyglycol diepoxide (eg, Heloxy from Resolution Products Products)TM@Modifier 32), bisphenol F epoxide (e.g., Epon sold by Ciba-Geigy Corp.)TM-1138 or GY-281), and 9,9-bis [4- (2,3-epoxypropoxy) -phenyl] fluorenone (e.g., Epon from Resolution {Performance} Products).TM1079).
[0064]
Other useful epoxy resins include one or more copolymerizable vinyl compounds of glycidyl acrylates (such as glycidyl acrylate and glycidyl methacrylate). Examples of such copolymers include 1: 1 styrene-glycidyl methacrylate, 1: 1 methyl methacrylate-glycidyl acrylate, and 62.5: 24: 13.5 methyl methacrylate-ethyl acrylate-glycidyl methacrylate. Other useful epoxy resins are well known and include epichlorohydrin, alkylene oxides (eg, propylene oxide), styrene oxide, alkenyl oxides (eg, butadiene oxide), and glycidyl esters (eg, ethyl Glycidate).
[0065]
Useful epoxy-functional polymers are described in U.S. Pat. No. 4,279,717 (Eckberg) and include epoxy-functional silicones such as those commercially available from General Electric Company. These are polymethylsiloxanes in which 1 to 20 mol% of the silicon atoms have been replaced by epoxyalkyl groups (preferably epoxy cyclohexylethyl as described in U.S. Pat. No. 5,753,346 (Kessel)). It is a thing.
[0066]
Mixtures of various epoxy-containing materials can also be used. Such mixtures have a weight average molecular weight distribution of two or more of the epoxy-containing compounds (eg, low molecular weight (less than 200), intermediate molecular weight (about 200-10,000), and high molecular weight (greater than about 10,000)). ing. Alternatively or additionally, the epoxy resin may comprise a mixture of epoxy-containing materials having different chemical properties (such as fatty and aromatic) or functionalities (polar and non-polar). Other cationically reactive polymers (eg, vinyl ether, etc.) can be added if desired.
[0067]
Preferred epoxies include aromatic glycidyl epoxides (e.g., Epon, available from Resolution Performance Products).TMAnd cycloaliphatic epoxies (such as ERL-4221 and ERL-4299 sold by Union Carbide).
[0068]
Suitable cationic reactive species are also vinyl ether monomers, oligomers, and reactive polymers (eg, methyl vinyl ether, ethyl vinyl ether tert-butyl vinyl ether, isobutyl vinyl ether, triethylene Glycol divinyl ether (Rapi-Cure, commercially available from International \ Specialty \ Products, Wayne, NJ)TM@ DVE-3), trimethylolpropane trivinyl ether (TMPTVE, commercially available from Base Corp., Mount Olive, NJ), and Vectomer from Allied Signal.TMDivinyl ether resin (for example, VectomerTM2010, VectorerTM2020, VectorTM4010, and VectorTM4020 and its equivalents first published by other manufacturers)) and mixtures thereof. Mixtures (in any proportion) of one or more vinyl ether resins and / or one or more epoxy resins can also be used. Polyhydroxy functional materials (eg, US Pat. No. 5,856,373 (Kaisaki et al.)) Can also be used in combination with epoxy and / or vinyl ether functional materials.
[0069]
Uncured species include, for example, reactive polymers whose solubility is increased by acid or radical induced reactions. Such reactive polymers include, for example, water-insoluble polymers that contain ester groups that can be converted to water-soluble acid groups by a photogenerated acid, such as poly (tert-butoxycarbonyloxystyrene). Resins include RD Allen, GM, Wallaff, WD, Hinsberg, and L. L. Simpton, "High Performances, Acrylic, Polymers, for Chemicals, A.P.A., J.P.A., Ltd. , 9, 3357 (1991), there are chemically amplified photoresists, the concept of which is now known. Are widely prevalent in the microchip manufacturing industry, in particular, they are known to have properties below 0.5 micron (or even 0.2 micron), and such photoresists are exposed to catalytic species (usually hydrogen ions). , Which involves a series of chemical reactions, where hydrogen generates more hydrogen ions and other acidic species, thereby increasing the rate of the reaction. Examples of typical acid catalyzed chemically amplified photoresist systems include deprotection (e.g., t-butoxycarbo as described in U.S. Pat. No. 4,491,628). Niloxystyrene resist, a totrahydropyran (THP) film as described in U.S. Pat. No. 3,779,778. Acrylates, THP-phenolics, and t-butyl methacrylates as described by PD Allen et al. In Proc. SPIE, 2438, 474 (1995)); , Polyphthalaldehyde-based substances); and reconstitution (eg, a substance based on pinacol reconstitution).
[0070]
Beneficial non-curable species also include leuco dyes, which remain colorless until oxidized by the acids generated by the multiphoton photosensitizer system and become visible when oxidized Tends to show color. (Oxidized dyes develop color by absorbing light in the visible portion of the electromagnetic spectrum (about 400-700 nm)). Leuco dyes useful in the present invention are those that are reactive and oxidizable under normal oxidizing conditions, but are less reactive and do not oxidize under normal environmental conditions. Many of these chemical types of leuco dyes are known to chemists in the imaging arts.
[0071]
Leuco dyes useful in the present invention include acrylated leuco azines, phenoxazines, phenothiazines and the like, which are partially
Embedded image
Figure 2004503832
Where X is O, S, and -NR.11R is selected from the group consisting of1And R2Is selected from H and an alkyl group having 1 to about 4 carbon atoms,3, R4, R6And R7Is independently H and an alkyl group of 1 to about 4 carbon atoms, preferably methyl;5Is an alkyl group having 1 to about 16 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to about 16 carbon atoms, and an allyl group having up to 16 carbon atoms;8Is -N (R1) (R2), H, an alkyl group having 1 to about 4 carbon atoms (R1And R2Is selected and defined as above); R9And R10Is selected from H and an alkyl group having 1 to about 4 carbon atoms, respectively;11Is selected from an alkyl group having 1 to about 4 carbon atoms and an allyl group having up to 11 carbon atoms (preferably a phenyl group). The following compounds are examples of this type of leuco dye.
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Figure 2004503832
[0072]
Other useful leuco dyes include Leuco Crystal Violet (4,4 ', 4 "-methylidenetris- (N, N-dimesylaniline), Leuco Malachite Green (p, p'-benzylidenebis- (N, N-dimethyldiamine)), Leuco @ Atacryl \ Orange-LGM (color index Basic \ Orange \ 21, Comp. No. 48035 (Fisher base type compound)) having the following structure:
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Figure 2004503832
Leuco Atacryl Brillant Red-4G having the following structure (Color Index Basic Red 14)
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Figure 2004503832
Leuco Atacryl Yellow-R having the following structure (Color Index Basic Yellow 11, Comp. No. 48055)
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Figure 2004503832
Leuc Ethyl Violet (4,4 ', 4' '-methylidenetris- (N, N-diethylaniline), Leuco Victoria Blue-BGO (Color Index Basic Blue 728a, Comp. No. 44040; 4,4'-methylidene) -(N, N-diethylaniline) -4- (N-ethyl-1-naphthalamine), and Leuco Atlantic Fuchsime Crude (4,4 ', 4 "-methylizinetris-aniline).
[0073]
The leuco dye is usually at least about 0.01% by weight (preferably at least about 0.3% by weight, more preferably at least about 1% by weight, and most preferably, based on the total weight of the photosensitizing layer, (At least about 2-10% by weight). Binders, stabilizers, surfactants, antistatic agents, coatings, lubricants, fillers, etc. may also be present in the photosensitizing layer. One skilled in the art will readily know the desired amount of additive. For example, the amount of filler is selected so that undesired scattering at the writing wavelength does not occur.
[0074]
If desired, mixtures of different types of reactive species can be used in the photoreactive composition. For example, mixtures of free radical-reactive species and cationic reactive species, mixtures of curable and non-curable species, and the like are also useful.
[0075]
Photoinitiator system
(1) Multiphoton photosensitizer
Multiphoton photosensitizers suitable for use in photoreactive compositions in a multiphoton photoinitiator system are those that can simultaneously absorb at least two photons when exposed to sufficient light. Preferably, they have a larger two-photon absorption cross section than that of fluorescein (i.e., larger than that of 3 ', 6'-dihydroxyspiro [isobenzenefuran-1 (3H), 9'-[9H] xanthen] 3-one. Absorption section). Generally, this cross section is C.I. Xu and W.C. W. Webb @ in @ J. Opt. Soc. Am. B, 13, 481 (1996), which is also quoted by the method described in International Publication No. WO 98/21521, p. 85, lines 18-22 by Marder @ and @ Perry et al. 50 × 10-50cm4Seconds / photon or more.
[0076]
The method includes a step of comparing the two-photon fluorescein intensity of the photosensitizer with that of a reference compound (under the same excitation intensity and photoinitiator concentration conditions). The reference compound can be selected to fit as closely as possible the spectral range covered by the photoinitiator absorption and fluorescence. In one possible experimental setting, the excitation beam can be split into two arms such that 50% of the excitation intensity enters the photosensitizer and the remaining 50% enters the reference. The relative fluorescence intensity of the photosensitizer with respect to the reference compound can be measured with two photomultiplier tubes or other calibrated detection devices. Finally, the fluorescence quantum efficiency of both compounds can be measured in a one-photon excitation situation.
[0077]
Methods for determining fluorescence and phosphorescence quantum yield are well known in the art. Generally, the area under the fluorescence (or phosphorescence) spectrum of the compound in question is compared under the fluorescence (or phosphorescence) spectrum of a standard luminescent compound having a known fluorescence (or phosphorescence) quantum yield, and Appropriate corrections are made (taking into account the optimal density of the composition at the excitation wavelength, the shape of the fluorescence detector, the difference in emission wavelength, and the response of the detector to different wavelengths). Standard methods are described, for example, in Handbook of Fluorescence, Spectra, of Aromatic, Moleculars, Second Edition, pages 24-27, Academic Press, New York (1971). B. By Berlinman, J. et al. Phys. Chem. , 75, 991-1024 (1971). N. Demas @ and @ G. A. By Crosby; Phys. Chem. , 80, 969-974 (1976). V. Morris, M .; A, Mahoney.
[0078]
Assuming that the emission states are the same under one or two photon excitation (a common assumption), the two-photon cross section (δsam) Is δrefK (Isam/ Iref) (Φsam/ Φref), Where δrefIs the two-photon absorption cross section of the reference compound,samIs the fluorescence intensity of the photosensitizer, IrefIs the fluorescence intensity of the reference compound, φsamIs the fluorescence quantum efficiency of the photosensitizer, φrefIs the fluorescence quantum efficiency of the reference material, and K is a correction factor to account for slight differences in light path and response of the two detectors. K can be determined by measuring the response to the same photosensitizer in both the sample and the reference arm. In order to make an effective measurement, a clear quadratic dependence of the two-photon fluorescence intensity on the excitation power can be ascertained, and relatively low concentrations of both the photosensitizer and the reference compound (fluorescence reabsorption). (To avoid photosensitizer aggregation effects).
[0079]
If the photosensitizer is not fluorescent, the yield of the electronically excited state can be measured and compared to known standards. In addition to the methods described above for determining the fluorescence yield, various methods for measuring the excited state yield are known (eg, transient absorption, phosphorescence yield, photochemical reaction product or photosensitizer ( Disappearance from photoreactions).
[0080]
Preferably, the two-photon absorption cross section of the photosensitizer is about 1.5 times or more that of fluorescin (in other words, about 75 × 10 5 as measured by the above method).-50cm4Sec / photon or more, and more preferably about twice or more of fluorescin (in other words, about 100 × 10-50cm4Seconds / photon or more, most preferably about 3 times or more of fluorescin (in other words, about 150 × 10-50cm4Seconds / photon or more, optionally about 4 times or more of fluorescin (in other words, about 200 × 10-50cm4Second / photon or more).
[0081]
Preferably, the photosensitizer is soluble in the reactive species (if the reactive species is a liquid) and is compatible with the reactive species and any binder (as described below) contained in the composition. It is possible. Most preferably, the photosensitizer uses the test procedure described in U.S. Pat. No. 3,729,313 to cover a wavelength range that overlaps its non-hub single photon absorption spectrum (single photon absorption conditions). , The 2-methyl-4,6-bis (trichloromethyl) -s-triazine can be made photosensitive. Using currently available materials, this test can be performed as follows.
[0082]
The following composition: That is, 5 parts (by weight) of a 5% by weight solution dissolved in 45,000 to 55,000 molecular weight of methanol, 5.0 parts, 9.0 to 13.0% hydroxyl-containing polyvinyl Butiral (Butvar)TMB76, Monsanto), 0.3 parts of trimethylolpropane; and 0.03 parts of 2-methyl-4,6-bis (trichloromethyl) -s-triazine (Bull. Chem. Soc. Japan, 42, 2924-). 2930 (1969)) is prepared. To this solution is added 0.01 part of the compound to be tested as a photosensitizer. The resulting solution is knife coated onto a 0.05 mm clean polyester film using a 0.05 mm knife orifice and the coating is air dried for about 30 minutes. A 0.05 mm clear polyester cover film is placed on the dry, but soft, tacky coating, taking care not to trap air as much as possible. The resulting sandwich structure is exposed to 161,000 Lux incident light for 3 minutes with light from a tungsten light source (FCHTM @ 650 Watt Quartz Iodine Lamp, General @ Electric) that provides light in both the visible and ultraviolet regions. . Exposure can be through a stencil to create exposed and unexposed areas of the structure. The exposure word, the film is removed, and the coating is treated with a finely divided colored powder, such as a color toner powder as commonly used in electrostatography. If the substance to be tested is a photosensitizer, the trimethylolpropane trimethacrylate monomer is exposed in the exposed area by photogenerated free radicals from 2-methyl-4,6-bis (trichloromethyl) -s-triazine. Polymerized. The polymerized areas are essentially non-sticky and the colored powder selectively adheres only to the sticky, non-exposed areas of the coating, essentially visible to the template Form an image.
[0083]
Preferably, the photosensitizer can also be selected in part with consideration of storage stability. Thus, the choice of a particular photosensitizer depends to some extent on the particular reactive species used (and the choice of electron donor compound and / or photoinitiator).
[0084]
Particularly preferred multiphoton photosensitizers include Rhodamine @ B (that is, N- [9- (2-carboxyphenyl) -6- (ditylamino) -3H-xanthan-3-ylidene] -N-ethylethanaminium. Large multiphotons, such as chloride, and the hexafluoroatsumonate salts of Rhordamine B) and four types of photosensitizers, such as those disclosed by Marder and Perry in International Patent Publications WO 98/21521 and WO 99/53242. And those showing an absorption cross section. These four types are as follows. (A) a molecule in which two donors are connected to a junction π (pi) electron bridge; and (b) a molecule in which two donors are replaced by one or more electron accepting groups. (C) a molecule in which two receptors are connected to a junction π (pi) electron bridge, and (d) a junction π (in which two receptors are replaced by one or more electron accepting groups. pi) molecules connected to an electronic bridge. (Here, “bridge” is a molecular fragment connecting two or more chemical groups, “donor” is a primitive or group having a low ionization potential capable of bonding to a junction π (pi) electron bridge, and “ "Acceptor" means an atom or group with high electron affinity, each capable of binding a junction π (pi) electron bridge).
[0085]
The following formula is given as a typical example of such a photosensitizer.
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[0086]
The four types of photosensitizers mentioned above react aldehydes with ylides under standard Wittig conditions or are described in International Patent No. It can be prepared using the McMurray reaction as detailed in WO 98/21521.
[0087]
Other compounds are described by Reinhardt et al. (Eg, in International Patent Nos. 6,100,405, 5,859,251 and 5,770,737) as having large multiphoton absorption cross-sections. Is measured in a different way than described above. Representative examples of compatible compounds are as follows.
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[0088]
Other compounds that may be used as photosensitizers in the present invention include fluorescin, p-bis (o-methylstyryl) benzene, eosin, rose bengal, erythrosine, coumarin 307 (Eastman @ Kodak), Cascade @ Blue @ hydrazine. Salt, Lucifer Yellow CH ammonium salt, 4,4-difluoro-1,3,5,7,8-pentamethyl-4-bora-3α, 4α-diazaindene-2,6-disulfonate, 1,1-dioctaldecyl- 3,3,3 ′, 3′-Tetramethylindocarbocyanine, Indo-1 pentapotassium salt (Molecular @ Probes), 5-diethylaminonaphthalene-1-sulfonylhydrazine, 4 ′, 6-diamidino-2-phenylindole・ Jihi Drochloride, 5,7-diiodo-3-butoxy-6-fluorone, 9-fluorone-2-carboxylic acid, and a compound having the following structure.
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[0089]
(2) Electron donor compound
Electron donor compounds useful within the multiphoton photoinitiator system of the photoreactive composition are those (except for the photosensitizer itself) that can provide electrons to the electronically excited state of the photosensitizer. . These electron donor compounds preferably have an oxidation potential greater than zero and less than that of p-dimethoxybenzene relative to a standard saturated calomel electrode. Preferably, the oxidation potential is between about 0.3 and 1 volt with respect to a standard saturated calomel electrode (SCE).
[0090]
Preferably, the electron donor compound is further soluble in the reactive species and is selected in part in view of storage stability (as described above). Suitable donors can generally increase the reaction rate (such as curing) or image density when exposed to light of the desired wavelength.
[0091]
When working with cationic reactive species, those skilled in the art will recognize that electron donor compounds can have a deleterious effect on cationic reactions if they are substantially basic. Will. (See, for example, US Pat. No. 6,025,406 (Oxman et al.), Column 7, line 62 to column 8, line 49).
[0092]
In general, electron donor compounds suitable for use with certain photosensitizers and photoinitiators (eg, as described in US Pat. No. 4,859,572 (Farid et al.)). ) Selection by comparing the oxidation-reduction potentials of the three components. Such potentials can be measured experimentally (eg, in the manner described in RJ Cox, Photographic Sensitivity, Chapter 15, Academic Press) (1973), or can be determined by the method described in N.W. L. Weinburg, Ed. , Technique \ of \ Electroorganic \ Synthesis \ part \ II \ Techniques \ of \ Chemistry, Vol. V (1975), and C.I. K, Mann @ and @ K. K. It is also shown in references such as Barnes, Electrochemical \ reactions \ in \ Noaqueous \ Systems (1970). This potential reflects the relative energy relationship and can be applied to electron donor compound selection in the following manner.
[0093]
When a photosensitizer is in an electronically excited state, the highest occupied molecular orbital (HOMO) of the photosensitizer is at a higher energy level (ie, the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) of the photosensitizer). , Leaving a void in the molecular orbital it originally occupied. The photoinitiator receives electrons from the higher energy orbitals, and when certain relative energy relationships are satisfied, the electron donor compound provides electrons to fill the gap in the first occupied orbital.
[0094]
If the reduction potential of the photoinitiator is more negative (or more positive) compared to the photosensitizer, electrons in the higher energy orbit of the photosensitizer will be It moves from the photosensitizer to the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) of the photoinitiator. If the process is somewhat bulbous (i.e., even though the photosensitizer's reduction potential is up to 0.1 volts more negative than that of the photoinitiator), the surrounding thermal activity will be less They easily get over the barrier.
[0095]
In a similar manner, if the oxidation potential of the electron donor compound is not positive (or more negative) compared to that of the photoinitiator, it moves from the soil HOMO to the orbital space of the photosensitizer. The moving electrons are moving from a higher potential to a lower potential, also indicating an exothermic process. Even if this process is somewhat endothermic (ie, the oxidation potential of the photosensitizer is more than 0.1 volts more positive than that of the electron donor compound), the peripheral thermal activation may be such a small barrier Is easily overcome.
[0096]
If the reduction potential of the photosensitizer is more than 0.1 volt negative compared to that of the photoinitiator, or the oxidation potential of the photosensitizer is not more than 0.1 volt compared to that of the electron donor compound. Mild endothermic reactions that are more positive than 1 volt occur at any instant, regardless of whether the photoinitiator or the electron donor compound first reacts with the photosensitizer in its excited state. When the photoreaction initiator or electron donor compound is reacting with the photosensitizer in its excited state, the reaction is preferably exothermic or somewhat endothermic. An exothermic reaction is also desirable when the photoinitiator or electron donor compound is reacting with the photosensitizer ion / radical, but it is still expected that more endothermic reactions will occur at many instants. Thus, the reduction potential of the photoinitiator may be up to 0.2 volts (or more) negative compared to that of the second reacting photoinitiator, or the oxidation potential of the photosensitizer. May be up to 0.2 volts (or more) positive compared to that of the second reacting electron donor compound.
[0097]
Suitable electron donor compounds include, for example, F. Faton is an Advances in Photochemistry, edited by B.B. Voman @ et @ al. , Volume 13, pp. 427-488, John Wiley and Sons, New York (1986), or Oxmann et al. At column 7, lines 42-61 of US Pat. No. 6,025,406, and Palazzottoto et al. At US Pat. No. 676, column 4, line 14 to column 5, line 18. Such electron donor compounds include (triethanolamine, hydrazine, 1,4-diazabicyclo [2,2,2] octane, triphenolamine (and its triphenylphosphine and triphenylarsine analogs, aminoaldehydes, and aminosilanes). Amines (including phosphoramides), amides (including phosphoramides), ethers (including thioethers), sulfuric acid and its salts, phenocyanide salts, ascorbic acid and its salts, xanthan salts, ethylenediaminetetraacetic acid, (alkyl ) N (allyl) n borate (n + m = 4) (preferably tetraalkylammonium salt), SnR4 compound (each R is selected from the group consisting of alkyl, aralkyl (particularly benzyl), allyl, and alkaryl groups) Various organometallic compounds (eg, n-C3H7Sn (CH3)3, (Allyl) Sn (CH3)3, And (benzyl) Sn (n-C3H7)3Etc.), ferrosin and the like, and mixtures thereof. The electron donor compound may be unsubstituted or substituted with one or more non-interfering substituents. Particularly preferred electron donor compounds contain an electron donor atom (such as a nitrogen, oxygen, phosphorus, and sulfur atom) and an extractable hydrogen atom bonded to a carbon or silicon atom in addition to the electron donor atom.
[0098]
Preferred amine electron donor compounds include alkyl-, allyl-, alkaryl-, and aralkyl-amines (e.g., methylamine, ethylamine, propylamine, butylamine, triethanolamine, amylamine, 2,4-dimethylaniline, 3-dimethylaniline, o-, m-, and p-toluidine, benzylamine, aminopyridine, N, N'-dimethylethylenediamine, N, N'-diethylethyldiamine, N, N'-dibenzylethylenediamine, N, N′-diethyl-1,3-propanediamine, N, N′-diethyl-2-butene-1,4-diamine, N, N′-dimethyl-1,6-hexanediamine, piperazine, 4,4′- Trimethylene dipiperazine, 4,4'-ethylene dipiperazine, p-N, N-dimethyl- Aminofentanol, and pN, N-dimethylaminobenzonitrile); aminoaldehydes (e.g., pN, N-dimethylaminobenzaldehyde, pN, N-diethylaminobenzaldehyde, 9-julolidine, and 4-morphoinbenzaldehyde) And aminosilanes (eg, triethylsilylmorpholine, trimethylsilylpiperidine, bis (dimethylamino) diphenylsilane, tris (dimethylamino) methylsilane, N, N-diethylaminotrimethylsilane, tris (dimethylamino) phenylsilane, tris (methylsilyl) amine , Bis (dimethylsilyl) amine, N, N-bis (dimethylsilyl) aniline, N-phenyl-N-dimethylsilylaniline, and N, N-dimethyl-N-di Chill silyl amine); and mixtures thereof. Tertiary aromatic alkylamines, especially those having at least one electron withdrawing group on the aromatic tube, have been found to have particularly good storage stability. Excellent storage stability can also be obtained using amines that are solid at room temperature. Excellent photographic speed has been obtained with amines containing one or more judurinyl moieties.
[0099]
Preferred amine electron donor compounds include N, N-dimethylacetamine, N, N-diethylacetamine, N-methyl-N-phenylacetamine, hexamethylphosphoramine, hexaethylphosphoramine, hexapropylphosphoramine, Trimorpholine phosphine oxide, tripiperazino phosphine oxide, and mixtures thereof.
[0100]
Preferred alkylallyl borate salts include:
Ar3B(N-C4H9) N+(C2H5)4
Ar3B(N-C4H9) N+(CH3)4
Ar3B(N-C4H9) N+(N-C4H9)4
Ar3B(N-C4H9) Li+
Ar3B(N-C4H9) N+(C6HThirteen)4
Ar3B(C4H9) N+(CH3)3(CH2)2CO2(CH2) CH3Ar3B(C4H9) N+(CH3)3(CH2)2OCO (CH2)2CH3
Ar3B(Sec-C4H9) N+(CH3)3(CH2)2CO2(CH2) CH3
Ar3B(Sec-C4H9) N+(C6HThirteen)4
Ar3B(C4H9) N+(C8H17)4
Ar3B(C4H9) N+(CH3)4
(P-CH3OC6H4)3B(N-C4H9) N+(N-C4H9)4
Ar3B(C4H9) N+(CH3)3(CH2)2OH
ArB(N-C4H9)3N+(CH3)4
ArB(C2H5)3N+(CH3)4
Ar2B(N-C4H9)2N+(CH3)4
Ar3B(C4H9) N+(C4H9)4
Ar4BN+(C4H9)4
ArB(CH3)3N+(CH3)4
(N-C4H9)4BN+(CH3)4
Ar3B(C4H9) P+(C4H9)4
(Where Ar is phenyl, naphthyl, substituted (preferably fluoro substituted) phenyl, substituted naphthyl, and similar groups with more fused aromatic rings), and tetramethylammonium n-butyltriphenylborate and tetrabutylammonium n-Hexyl-tris (3-fluorophenyl) borate (commercially available from Ciba Specialty Chemicals Corporation as CGI 437 and CGI 746), and mixtures thereof.
[0101]
Suitable ether electron donor compounds are 4,4'-dimethoxybiphenyl, 1,2,4-triethoxybenzene, 1,2,4,5-tetramethoxybenzene, and the like, and mixtures thereof. Suitable urea electron donor compounds are N, N'-dimethylurea, N, N-dimethylurea, N, N'-diphenylurea, tetramethylthiourea, tetraethylthiourea, tetra-n-butylthiourea, N, N-diurea -N-butylthiourea, N, N'-di-n-butylthiourea, N, N-diphenylthiourea, N, N'-diphenyl-N, N'-diethylthiourea and the like, and mixtures thereof.
[0102]
Preferred electron donor compounds for free radical inducing reactions include amines, including one or more julolidinyl moieties, alkyl borate salts, and aromatic sulfates. However, if desired (eg, to improve the storage stability of the photoreactive composition or to modify resolution, contrast, and reciprocity), such an electron donor compound may be used for such a reaction. In some cases, there is no need to do so. Preferred electron donor compounds for the acid-induced reaction include 4-dimethylaminobenzoic acid, ethyl-4-dimethylaminobenzoate, 3-dimethylaminobenzoic acid, 4-dimethylaminobenzoin, 4-dimethylaminobenzaldehyde, 4-dimethyl Aminobenzonitrile, 4-dimethylaminophenethyl alcohol, and 1,2,4-trimethoxybenzene.
[0103]
(3) Photoreaction initiator
Suitable photoinitiators of the reactive species of the photoreactive composition can be photosensitized by accepting electrons from a remote photosensitizer in an electronically excited state, at least free radicals and / or acids Leads to the formation of Such photoinitiators include iodonium salts (eg, diallyliodonium salts), chloromethylated triazines (eg, 2-methyl-4,6-bis (trichloromethyl) -s-triazine, 2,4,6- tris (trichloromethyl) -s-triazine, and 2-allyl-4,6-bis (trichloromethyl) -s-triazine), diazonium salts (eg, optionally substituted with groups such as alkyl, alkoxy, halo, or nitro) Phenyldiazonium salts), sulfonium salts (e.g., triallylsulfonium optionally substituted with an alkyl or alkoxy group and optionally a 2,2'-oxy group triallylsulfonium salt bridging an adjacent allylic moiety) , Azinium salts (eg, N-alkoxypyridinium), and Allyl imidazolyl dimers (preferably 2,4, such as 2,2 ′, 4,4 ′, 5,5′-tetraphenyl-1′1′-biimidazole optionally substituted by alkyl, alkoxy, or halo) 5-triphenylimidazoyl dimer), and the like, and mixtures thereof.
[0104]
The photoinitiator is preferably soluble in the reactive species and preferably has excellent storage stability (ie, the reactive species when dissolved in the presence of the photosensitizer and the electron donor compound). Does not spontaneously promote the reaction). Thus, the choice of a particular photoinitiator will depend in part on the particular reactant, photosensitizer, and electron donor compound as described above. Preferred photoinitiators have large multiphoton absorption cross-sections as described by Marder, Perry et al. In PCT patent applications WO 98/21521 and WO 99/3324, and by Goodman et al. In PCT patent application WO 99/54784. Things.
[0105]
Suitable iodonium salts include those described by Palazzotto et al. In U.S. Pat. No. 5,545,676, column 2, lines 28-46. Suitable iodonium salts are described in U.S. Pat. Nos. 3,729,313, 3,741,769, 3,808,006, 4,250,053 and 4,394,403. It is stated in. Iodonium salts are simple salts (eg, Cl 2, Br, IOr C4H5SO3 ) Or metal complex salts (eg, SbF6 , PF6 , BF4 , Tetrakis (perfluorophenyl) borate, SbF5OHOr AsF6 ). Mixtures of iodonium salts can also be used if desired.
[0106]
Examples of useful aromatic iodonium complex salt photoinitiators include diphenyliodonium tetrafluoroborate; di (4-methylphenyl) iodonium tetrafluoroborate; phenyl-4-methylphenyliodonium totrafluoroborate; di ( 4- (heptylphenyl) iodonium tetrafluoroborate; di (3-nitrophenyl) iodonium hexafluorophosphate; di (4-chlorophenyl) iodonium hexafluorophosphate; di (naphthyl) iodonium tetrafluoroborate, di (4- Trifluoromethylphenyl) iodonium tetrafluoroborate; diphenyliodonium hexafluorophosphate; di (4-methylphenyl) iodonium hexafluorophosphate G; diphenyliodonium hexafluoroarsenate; di (4-phenoxyphenyl) iodonium tetrafluoroborate; phenyl-2-thionyliodonium hexafluorophosphate; 3,5-dimethylpyrazolyl-4-phenyliodonium hexafluorophosphate; Diphenyliodonium hexafluoroantimonate; 2,2'-diphenyliodonium tetrafluoroborate; di (2,4-dichlorophenyl) ioni hexafluorophosphate; di (4-bromophenyl) iodonium hexafluorophosphate; di (4 -Methoxyphenyl) ioni hexafluorophosphate; di (3-carboxyphenyl) iodonium hexafluorophosphate; di (3-oxycarbonyl Phenyl) iodonium hexafluorophosphate; di (3-methoxysulfonylphenyl) iodonium hexafluorophosphate; di (4-acetamidophenyl) iodonium hexafluorophosphate; di (2-benzothienyl) iodonium hexafluorophosphate; and diphenyl Iodonium hexafluoroantimonate and the like, and mixtures thereof. Aromatic iodonium complex salts are described in Beringeret. al. , J. et al. Am. Chem. Soc. , 81, 342 (1959) (eg, by conversion of diphenyliodonium bisulfate).
[0107]
Preferred iodonium salts are diphenyliodonium (diphenyliodonium chloride, diphenyliodonium hexafluorophosphate, and diphenyliodonium tetrafluoroborate), diallyliodonium hexafluorophoantimonate (e.g., SarCat available from Sartometer @ Company).TMSR # 1012), and mixtures thereof.
[0108]
Useful dichloromethylated triazines include those described in U.S. Pat. No. 3,779,778 (Smith et al.), Column 8, lines 45-50, which includes 2,4-bis (trichloromethyl)- 6-methyl-s-triazine, 2,4,6-tris (trichloroethyl) -s-triazine, and are disclosed in U.S. Patent Nos. 3,987,037 and 3,954,475 (Bonham et al.). And more preferred chromophore-substituted vinylhalomethyl-s-thrazine and the like.
[0109]
Useful diazonium salts include those described in U.S. Pat. No. 4,394,433 (gatzke et al.), Which includes an external diazonium group (-N+= N) and those containing a photosensitive aromatic moiety having an anion (eg, chlorine, tri-isopropyl naphthalene sulfonate, tetrafluoroborate, and bis (perfluoroalkylsulfonyl) methide, and the like). Examples of useful diazoniums include 1-diazo-4-anilylobenzene, N- (4-diazo-2,4-dimethoxyphenyl) pyrrolidine, 1-diazo-2,4-diethoxy-4-morpholinobenzene, 1 -Diazo-4-benzoylamino-2,5-diethoxybenzene, 4-diazo-2,5-dibutoxyphenyl morpholino, 4-diazo-1-dimethylaniline, 1-diazo-N, N-dimethylaniline , 1-diazo-4-N-methyl-N-hydroxyethylaniline and the like.
[0110]
Useful sulfonium salts are described in US Pat. No. 4,250,053 (Smith), column 1, line 66 to column 4, line 2, and have the following formula:
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Figure 2004503832
Represented by R1, R2, And R3Is an aromatic group having about 4 to about 20 carbon atoms (eg, substituted or unsubstituted phenyl, naphthyl, thienyl, furanyl, etc., and the substituents are alkoxy, alkylthio, allylthio, halogen, etc.) and carbon It is selected from the group consisting of alkyl groups having 1 to about 20 atoms. As used herein, “alkyl” includes substituted alkyl (eg, substituted with halogen, alkoxy, or allyl) and the like. R1, R2, And R3At least one is aromatic, and preferably each is independently aromatic. Z is a covalent bond, oxygen, sulfur, -S (= O)-, -C (= O)-,-(O =) S (= O)-, and -N (R)-, and R is ( Allyl having about 6 to 20 carbon atoms such as phenyl, allyl (having about 2 to about 20 carbon atoms such as acetyl and benzoyl), a carbon-carbon bond,4-) C (-R5)-And R4And R5Is selected from the group consisting of hydrogen, an alkyl group having 1 to about 4 carbon atoms, and an alkenyl group having about 2 to about 4 carbon atoms;Is as described below.
[0111]
Suitable anions for sulfonium (and other types of photoinitiators), XInclude various anions such as, for example, cations centered on imide, methide, boron, phosphorus, antimony, arsenic, and aluminum.
[0112]
Suitable imide and methide anions are (C2F5SO2)2N, (C4F9SO2)2N, (C8F17SO2)3C, (CF3SO2)3C, (CF3SO2)2N, (C4F9SO2)3C, (CF3SO2)2(C4F9SO2) C, (CF3SO2) (C4F9SO2)2N, ((CF3)2NC2F4SO2)2N, (CF3)2NC2F4SO2C(SO2CF3)2, (3,5-bis (CF3) C6H3) SO2NSO2CF3, C6H5SO2C(SO2CF3)2, C6H5SO2NSO2CF3And so on. In this type of shade (RfSO2)3C-, where RfIs a perfluoroalkyl radical having 1 to about 4 carbon atoms.
[0113]
Suitable boron center anions include F4B-, (3,5-bis (CF3) C6H3)4B, (C6F5)4B, (P-CF3C6H4)4B, (M-CF3C6H4)4B, (P-FC6H4)4B, (C6F5)3(CH3) B, (C6F5)3(N-C4H9) B, (P-CH3C6H4)3(C6F5) B, (C6F5)3FB, (C6H5)3(C6F5) B, (CH3)2(P-CF3C6H4)2B, (C6F5)3(N-C18H37O) BAnd so on. Preferred boron-centered anions usually have three or more halogen-substituted aromatic hydrocarbon radicals attached to boron, with the most preferred halogen being fluorine. A preferred anion is (3,5-bis (CF3) C6H3)4B, (C6F5)4B, (C6F5)3(N-C6H9) B, (C6F5)3FBAnd (C6F5)3(CH3) BAnd so on.
[0114]
Suitable anions containing other metals include, for example, (3,5-bis (CF3) C6H3)4Al, (C6F5)4Al, (C6F5)2F4P, (C6F5) F5P, F6P, (C6F5) F5Sb, F6Sb, (HO) F5Sb, And F6As. The above list is not exhaustive and other useful boron-centered non-nucleophilic salts and other useful anions containing metals and non-metals (from the general formula shown above) It will be apparent to those skilled in the art.
[0115]
Preferably, the anion XIs selected from the group consisting of tetrafluoroborate, hexafluorophosphate, hexafluoroarsenate, hexafluoroantimonate, and hydroxypentafluoroantimonate (eg, for use with a cationic reactive species such as an epoxy resin).
[0116]
Suitable sulfonium salt photoinitiators include:
Triphenylsulfonium,
Methyldiphenylsulfonium tetrafluoroborate
Dimethylphenylsulfonium hexafluorophosphate
Triphenylsulfonium hexafluorophosphate
Triphenylsulfonium hexafluoroantimonate
Diphenylnaphthylsulfonium hexafluoroarsenate
Tritolsulfonium hexafluorophosphate
Anisyldiphenylsulfonium hexafluoroantimonate
4-butoxyphenyldiphenylsulfonium tetrafluoroborate
4-chlorophenyldiphenylsulfonium hexafluorophosphate
Tri (4-phenoxyphenyl) sulfonium hexafluorophosphate
Di (4-ethoxyphenyl) methylsulfonium hexafluoroarsenate
4-acetonylphenyldiphenylsulfonium tetrafluoroborate
4-thiomethoxyphenyldiphenylsulfonium hexafluorophosphate
Di (methoxysulfonylphenyl) methylsulfonium hexafluoroantimonate,
Di (nitrophenyl) phenylsulfonium hexafluoroantimonate
Di (carbomethoxyphenyl) methylsulfonium hexafluorophosphate,
4-acetamidophenyldiphenylsulfonium tetrafluoroborate,
Dimethylnaphthylsulfonium hexafluorophosphate,
Trifluoromethyldiphenylsulfoniumtetrafluoroborate,
p- (Phenylthiophenyl) diphenylnylsulfonium hexafluoroantimonate
10-methylphenoxaasinium hexafluorophosphate
5-methylthianthenium hexafluorophosphate
10-phenyl-9,9-dimethylthioxane hexafluorophosphate
10-phenyl-9-oxothioxanthenium tetrafluoroborate
5-methyl-10-oxothiantrenium tetrafluoroborate
5-methyl-10,10-dioxothianthenium hexafluorophosphate
And so on.
[0117]
Preferred sulfonium salts are triallylsulfonium hexafluoroantimonate (eg, SarCat, commercially available from Sartomer Company).TMSR1010), triallylsulfonium hexafluorophosphate (for example, SarCat commercially available from Sartomer @ Company)TMSR1011), and triallylsulfonium hexafluoroantimonium (for example, SarCat commercially available from Sartomer Company)TMK185).
[0118]
Useful azinium salts include those disclosed in U.S. Pat. No. 4,859,572 (Fraid et al.), Column 8, line 51 to column 9, line 46, including pyridinium, diazinium, or triazinium. Components. The azinium moiety comprises one or more aromatic rings, usually carbocyclic aromatic rings (eg, quinolinium, isoquinolylium, benzodiazinium, and naphthodiazonium components), which are fused to the azinium ring. I have. When electron transfer to the azinium photoinitiator of the photosensitizer occurs when the quaternizing substituent of the nitrogen atom in the azinium ring is electronically excited, it is released as a free radical. In one preferred form, the quaternizing substituent is an oxy substituent. The oxy substituents that quaternize the ring nitrogen atom of azinium, -O and -T, can be selected from a variety of synthetic oxy substituents. The constituent part T is, for example, an alkyl radical such as methyl, ethyl, or butyl. The alkyl radical may be substituted. For example, aralkyl (eg, benzyl and phenethyl and the like) and sulfoalkyl (eg, sulfomethyl) radicals may be useful. In another aspect, T is, for example, -OC (O) -T1Is a radical, where T can be any of the various alkyl and aralkyl radicals described above. Furthermore, T1May be any radical such as phenyl or naphthyl. Allyl radicals may be substituted. For example, T1May be a tolyl or xylyl radical. T usually contains from 1 to about 18 carbon atoms. The alkyl moiety in each example is preferably a lower alkyl moiety, and the allyl moiety in each example preferably contains from about 6 to about 10 carbon atoms. The highest activity levels are achieved when the oxy substituents -O, -T contain one or two carbon atoms. The azinium nucleus must contain no substituents other than the quaternizing substituent. However, the presence of other substituents is not absolutely necessary for the activity of these photoinitiators.
[0119]
Useful triallylimidazoyl dimers are those described in U.S. Pat. No. 4,963,471 (Trout et al.), Column 8, lines 18-28. These dimers include, for example, 2- (o-chlorophenyl) -4,5-bis (m-methoxyphenyl) -1,1′-bimidazole; 2,2′-bis (0-chlorophenyl) -4,4 ′ 5,5′-tetraphenyl-1,1′-bimidazole; and 2,2′-bis (o-chlorophenyl) -4,4 ′, 5,5′-tetraphenyl-1,1′-bimidazole; and , 2,5-bis (o-chlorophenyl) -4- [3,4-dimethoxyphenyl] -1,1'-bimidazole and the like.
[0120]
Preferred photoinitiators include iodonium salts (more preferably, 2,4,5-triphenylimidazolyl dimer), sulfonium salts, and diazonium salts. More preferred are allyliodonium salts, chloromethylated triazines, and 2,4,5-triphenylimidazolyl dimers (allyliodonium and triazine are most preferred).
[0121]
Preparation of photoreactive composition
Reactive species, multiphoton photosensitizers, electron donor compounds, and photoinitiators can also be prepared by the methods described above, or by other methods of the prior art, many of which are commercially available. These four components can be combined in any combination order and manner (optionally with stirring) under "safe light" conditions, but the photoinitiator is added last (and dissolution of the other components It is preferred to add (after a heating step optionally used to accelerate) (in terms of shelf life and thermal stability). A solvent can be used if necessary, but the solvent must be chosen so that it does not significantly react with the components of the composition. Suitable solvents include, for example, dichloromethane, and acetonitrile. In some cases, the reactive species itself may function as a solvent for other components.
[0122]
The components of the photoinitiator system are present in a photochemically effective amount (as described above). Generally, the composition contains at least about 5%, preferably at least about 10%, and more preferably at least about 20%, by weight, of one or more reactive species. Generally, the composition will contain up to 99.79%, preferably about 95%, and more preferably up to about 80%, by weight, of one or more reactive species. Generally, the composition will comprise at least about 0.01%, preferably about 0.1%, more preferably at least about 0.2%, of one or more photosensitizers, based on the weight of one or more reactive species. Contains sensitizers. Generally, the compositions will contain about 10%, preferably up to about 5%, and more preferably up to about 2%, by weight, of one or more photosensitizers. Preferably, the composition contains at least about 0.1% by weight of the electron donor. Preferably, the composition contains about 10%, and preferably about 5%, by weight, of one or more electron donors. Preferably, the composition comprises about 0.1% by weight of one or more photoinitiators. Preferably, the composition contains up to about 10% by weight, and preferably up to about 5%, of one or more photoinitiators. When the reactive species is a leuco dye, the composition will usually comprise at least about 0.01%, preferably at least about 0.3%, more preferably at least about 1%, and most preferably at least about 2% by weight. It has one or more leuco dyes. When the reactive species is a leuco dye, the composition typically includes up to about 10% by weight of the leuco dye. These proportions are not solutions, but are on a solid basis, i.e., based on the total weight of the components.
[0123]
Numerous adjuvants can be included depending on the desired end use form. Suitable auxiliaries are solvents, diluents, resins, binders, plasticizers, contents, dyes, inorganic or organic reinforcements or stretching fillers (preferably about 10 to 90% by weight of the total weight of the composition), Thixotropic agents, indicators, reaction inhibitors, stabilizers, ultraviolet absorbers, drugs (eg, leachable fluoride), and the like. The amounts and types of such adjuvants and how to add them to the composition are well known to those skilled in the art.
[0124]
For example, it is within the scope of this invention to include a non-reactive polymeric binder in the composition to control tack and provide film forming properties. Such polymeric binders are usually selected on the basis of compatibility with the reactive species. For example, a polymeric binder that is soluble in the same solvent used for the reactive species and does not contain a functional group that adversely affects the course of the reaction of the reactive species can be used. The binder may be of a suitable molecular weight to achieve the desired film-forming properties and solution rheology (e.g., in the range of about 5,000 to 1,000,000 daltons, preferably about 10,000 to 500,000 daltons, more preferably (Ranging from about 15,000 to 250,000 daltons). Suitable polymeric binders include, for example, polystyrene, poly (methyl methacrylate), poly (styrene) -co- (acrylonitrile), cellulose acetate butyrate, and the like.
[0125]
Prior to exposure, the resulting photoreactive composition is, if necessary, applied to a substrate by various coating methods known to those skilled in the art (including, for example, knife coating and spin coating, etc.). Can be coated. The substrate can be selected from a variety of substrates, such as films, sheets, and other surfaces, based on the particular purpose of use and the exposure method used. Preferred substrates usually have sufficient planarity to create a layer of the photoreactive composition having a uniform thickness. For applications where less coating is required, the photoreactive composition can be exposed in bulk form.
[0126]
Exposure system and its use
Useful exposure systems have at least one light source (usually a pulsed laser) and at least one optical element. A suitable light source is, for example, a femtosecond near-infrared titanium sapphire oscillator (eg, Coherent Mira Optima 900-F) pumped with an argon ion laser (eg, Coherent \ Innova). Operating at 76 MHz, this laser has a pulse width of 200 femtoseconds, is tunable in the range of 700-980 nm, and has an average power of up to 1.4 watts. However, in practice, any light source that provides sufficient intensity (to induce multiphoton absorption) at a wavelength suitable for the photosensitizer (used in the photoreactive composition) can be used. Such wavelengths typically range from about 300 nm to about 1500 nm, preferably from about 600 nm to about 1100 nm, more preferably from about 750 nm to about 850 nm. Peak intensity is usually at least about 106W / cm2It is about. The upper limit of pulse fluence (energy per pulse per unit area) is usually dictated by its photoreactive depletion threshold. For example, a Q-switched Nd: YAG laser (e.g., Spectra-Physics @ Quanta-Ray @ PRO), a visible light dye laser (e.g., Spectra-Physics@Q.RTM. Pumped with Spectra-Physics @ Quanta-Ray @ PRO, and a Q-switch with a Sirah diode). Pump laser (for example, Spectra-Physics @ FCcar)TM) Can also be used. A preferred light source is a near infrared laser with a pulse length of less than about 10 nanoseconds (more preferably, less than about 1 nanosecond, and most preferably, less than about 10 picoseconds). Other pulse lengths may be used as long as the peak intensity and fluence described above are satisfied.
[0127]
Optical elements useful in performing the method of the present invention include refractive optics (eg, lenses and prisms), reflective optics (eg, retroreflectors, or collecting mirrors), diffractive optics (eg, Gratings, phase masks, and holograms), dispersing devices, Pocket cells, waveguides, wave plates, birefringent liquid crystals, and the like. Such optics are useful for purposes such as focusing, beam transmission, beam / mode shaping, pulse shaping, and pulse timing. Usually, combinations of optical elements are used, and those skilled in the art will readily recognize other combinations. It is often desirable to use an optical device having a large numerical aperture to provide highly concentrated light. However, any combination of optical elements that provide the desired intensity characteristics (and their spatial arrangement) can be used. For example, the exposure system can use a scanning confocal microscope (BioRad MRC600) with a 0.75 NA objective (Zeiss 20X Fluar).
[0128]
Typically, exposure of the photoreactive composition is performed by using a light source (as described above) with optical elements as a means for controlling the three-dimensional spatial distribution of light intensity within the composition. For example, light from the pulsed data is passed through a collection lens such that its focal point is within the volume of the composition. The focal point can be scanned or moved according to a three-dimensional pattern corresponding to the desired shape, thereby creating the desired shape. The volume of the composition that can be exposed or illuminated can be either by moving the composition itself or by moving a light source (eg, by moving a laser beam using a galvo mirror). Can be scanned.
[0129]
If the light triggers a reaction that produces, for example, a substance having a solubility property different from that of the reactive species, the resulting image is optionally rendered using, for example, a suitable solvent, or using other well-known methods. It is developed by removing exposed or unexposed areas. In this way, complex, three-dimensional objects can be created.
[0130]
Exposure time is typically determined by the type of exposure system used for imaging (and numerical aperture, light intensity spatial distribution, peak light intensity in the laser pulse (higher and shorter pulse durations are more or less And the nature of the composition to be exposed (and the concentration of photosensitizer, photoinitiator, and electron donor compound). In general, the higher the peak light intensity in the focal region, the shorter the exposure time, even if other parameters are the same. Linear imaging or "writing" speeds are typically 10-8-10-15Seconds (preferably about 10-11-10-14Seconds) laser pulse duration, and 10 per second2-109Pulse (preferably about 103-108About 5 to 100,000 microns / sec.
[0131]
Example
The objects and advantages of the present invention will be further described with reference to the following examples, but the specific substances and amounts described in these examples, and other conditions and details, limit the scope of the present invention. It does not do. These examples describe the use of optical elements to create a three-dimensional shape in a photoreactive composition.
[0132]
Example 1
This embodiment discusses a phase or diffractive mask for forming a photopolymerized region by a multiphoton absorption process.
[0133]
An input beam having a uniform energy distribution is used to calculate the phase profile of the diffraction mask. In this embodiment, a simple square grid of lines, all located on one plane, serves as the test pattern to reduce the time required for calculations. Fabrication of the mask is performed through conventional etching techniques, which have four phase levels to provide diffraction efficiency.
[0134]
The phase mask design creates a series of focal points or lines in one plane, with a focal length of 10 millimeters (mm) and an effective numerical aperture of 0.50. The series of focal lines generated by the mask form a square grid with a line spacing of 0.5 centimeters (cm) in the x or y direction. The writing laser is an enhanced Ti: Sapphire laser that provides 750 milliwatts (mW) at 800 nanometers (nm) at 1 kilohertz (kHz) and a pulse width of 120 femtoseconds (fs). TEM from laser00The output enters an optical system that converts the input Gaussian beam into a uniform energy distribution having a rectangular cross section of 0.1 cm x 10.1 cm. The fluence per pulse in the plane of the phase mask is 0.74 millijoules per square centimeter (mJ / cm2). The phase mask is attached to a holding stop that vertically separates the bottom of the mask from the sample surface by about 9.5 mm. A fine adjustment of the mask mounting matches the final focus position to the top surface of the sample. The mask mount and the sample stage move with respect to each other with an alignment accuracy. The rectangular beam from the laser strikes perpendicular to the mask plane and the long axis of the beam is parallel to the short axis of the mask. The laser beam is stationary with respect to the stage and mask movement.
[0135]
A test sample consisting of a polished glass wafer having a thickness of 8 mm, a diameter of 12.7 cm and an average surface roughness of 0.1 micrometer (μm) provides the basis for the polymer coating. The multi-photon initiator 4,4'-bis (diphenylamino) -trans-stilbene was coated on the polished side of the glass wafer with a thin layer of methyl nethacrylate monomer loaded at 1%. . The composition of this polymerizable coating consists of 40% tris- (2-hydroxyethylene) isocyanate triacrylate ester, 59% methyl methacrylate, and 1% of the solid component of a multiphoton adsorbent, and 40% by weight of dioxane in dioxane. Dissolved. This layer of polymerizable material is approximately 100 μm thick. Exposure of the polymerizable coating on the coated glassware is performed by moving the phase mask and sample structure continuously along a direction parallel to the short axis of the rectangular beam emerging from the optical system. Is The sample stage moves at a uniform speed of 100 μm / sec. As the light source scans the phase mask, the grid of lines is photopolymerized in the polymerizable layer.
[0136]
When the PMMA coating is developed in dioxane, unreacted areas are removed from the glass wafer and reacted (eg, photocured) lines appear in the form of a square grid. The individual lines forming the grid have a thickness of about 20 μm and a width of about 15 μm. This polymeric line has excellent adhesion to glass wafers.
[0137]
Examples 2 to 6
In these embodiments, various different arrays of optical element arrays are used to create multiple regions of material that have been at least partially reacted by multiphoton photopolymerization in a single exposure path. Unless otherwise noted, Aldrich Chemical Co. , Milwaukee, Wis., Was used.
[0138]
A two-photon photosensitive dye, Bis- [4- (diphenylamino) styryl] -1,4- (dimethoxy) benzene, was made by the following procedure. (1) Reaction of 1,4-bis-bromomethyl-2,5-dimethoxybenzene with triethyl phosphate (Horner Eamon's reagent); 1,4-bis-bromomethyl-2,5-dimethoxybenzene is described in the literature (Syper et al. , Tetrahedron, 1983; 39, 781-792). 1,4-bis-bromomethyl-2,5-dimethoxybenzene (253 g, 0.78 mol) was placed in a 1000 mL round bottom flask. Triethyl phosphate (300 g, 2.10 mol) was added. The reactants were heated with stirring under a nitrogen atmosphere for 48 hours. The reaction mixture is cooled and excess P (OEt)3Was removed in vacuo using a Kugelrohr apparatus. The desired product was not actually distilled but excess P (OEt) was detected using the Kugelrohr apparatus.3Was removed by distillation from the product. When heated to 100 ° C. at 0.1 mmHg, a clear oil was obtained. Upon cooling, the desired product was obtained as a solid. This product is suitable for direct use in the next step,11 H NMR showed agreement with the proposed structure. Recrystallization from toluene gave colorless needle-like crystals, which resulted in a purer product, which was not needed in most cases for the next step.
[0139]
(2) Synthesis of Bis- [4- (diphenylamino) styryl] -1,4- (dimethoxy) benzene: A calibrated dropping funnel and a magnetic stirrer were attached to a 1000 mL round bottom flask. To this flask was added the product from the above synthesis (Hormer @ Eamons reagent) (19.8 g, 45.2 mol) and N, N-dimethylamino-p-benzaldehyde (Fluka, 25 g, 91.5 mol). Mmol) were also added. The flask was flushed with nitrogen and sealed with a septum. Anhydrous tetrahydrofuran (750 mL) was injected into the flask to dissolve all solid components. KOtBu (potassium t-broxide) (125 mL, 1.0 M dissolved in THF) was added to the dropping funnel. The solution in the flask was stirred, and the KOtBu solution was added to the contents in the flask over 30 minutes. The solution was kept stirring overnight at ambient temperature. This reaction is then2O (500 mL) was added and the mixture was quenched. The reaction was kept stirring, and after about 30 minutes a highly fluorescent yellow solid formed in the flask. This solid was separated by filtration and dried with air. And it was recrystallized with toluene (450 mL). The desired product was obtained as fluorescent needles (24.7 g, 81% yield).1HRM was consistent with the proposed structure.
[0140]
The light source for Examples 2-5 was a diode-pumped Ti: Sapphire laser (Spectra-Physics) at a wavelength of 800 nm, a pulse width of about 100 fs, a pulse repetition rate of 80 MHz, a beam diameter of about 2 mm, and an average The output power was 860 mW. The optical system consisted of a low dispersion rotating mirror and an optical attenuator for changing the light output. The final light-collecting element has been described in detail in each embodiment. The movement of the sample, or the sample and the final light collection element, is described in New England, Affiliated, Technologies, Inc. (Lawrence, MA) using a motorized computer controlled stage.
[0141]
[Table 1]
Figure 2004503832
[0142]
Example 2
In Example 2, the collimated beam was split into multiple focused spots in the sample volume using an array of fused silica microlenses (commercially available from MEMS Optical of Huntsville, AL). The microlenses were configured in a hexagonal array, and the filling ratio was 70%. Each microlens was 76 microns in diameter and 0.5 numerical aperture. With these test substrates, the reaction (e.g., photocuring) is performed by placing the lens array over the 70 [mu] m shim on top of the substrate so that the focal position of each microlens is approximately coincident with the substrate / polymer interface. (See FIG. 1a).
[0143]
Test samples were pretreated with a 2% solution of trimethoxysilylpropyl methacrylate in aqueous ethanol as an adhesion promoter, after which photoreactive composition I (Table 1) was treated with dioxane (Mallinckordt Baker Co., Inc., Phillipsburg, A glass microscope slide which was spin-coated with a 46% solution of the solid component dissolved in NJ) was used. The coated slide was heat treated in a furnace at a temperature of 80 ° C. for 10 minutes to remove the solvent. The final film thickness was about 30 μm. The lens array (30, FIG. 1a) and the test sample (20, FIG. 1a) were scanned at 125 μm / sec with a collimated beam (average power: 650 mW) and 0.1 cm2Area was exposed for 40 seconds. The exposed samples were developed with N, N-dimethylformamide, washed in isopropyl alcohol and dried in air. FIG. 7 shows a scanning micrograph of the structure obtained under the test conditions of Example 2.
[0144]
In Examples 3-5, the collimated beam was split into a plurality of focused spots using a square array of diffractive lenses. The lens pitch was 1.0 mm in both the horizontal and vertical directions, and the filling ratio was 100%. Each lens was a two-wave design, multi-level diffractive element with a designed focal length of 10.0 mm at 633 nm.
[0145]
Example 3
FIG. 8 shows the apparatus used in the third embodiment. As shown in this figure, the exposure system 610 included an array of diffractive lenses 620 held by shims 612 and 614 on a substrate 630. The array 620 includes a diffractive lens 622 and focused the incident light 640 at a focal point 614 (ie, 614a-614c). Substrate 630 included a layer of protective composition 634 coated on slide 632 at interface 636 with microscope slide 632. The position of the array 630 was adjusted so that the focus 614 of the diffractive lens 622 substantially coincided with the substrate / polymer interface 636. The laser beam was magnified about 5 times using a Galileo telescope set to completely fill at least four diffractive lenses 622. The diffractive lens array 620 and test sample 630 were collimated and scanned together at 125 μm / sec using an expanded laser beam (230 mW average power). A test sample identical to that described in Example 2 was prepared, exposed, developed in N, N-dimethylformamd, washed with isopropyl, and air dried.
[0146]
9 and 10 show scanning micrographs of the structure obtained under the image forming conditions of Example 3. The pattern of the reactive polymer corresponding to the spacing and symmetry of the diffractive lens array is shown. The shape of the posts here is more irregular than in Example 2, indicating that the light collection characteristics of the array 620 are more complex.
[0147]
Example 4
In Example 4, a square array of diffractive lenses was fixed relative to the laser beam and the substrate was scanned from below. With this optical configuration, an arbitrary pattern could be created with a plurality of image forming spots. The size of the laser beam was magnified about 5 times using a Galileo telescope set to completely fill at least four diffractive lenses, and the position of the zone plate was such that the focal point was approximately the substrate / polymer interface. Adjusted to match (see FIG. 8). Any arbitrary test pattern could be written using such an optical configuration. In this example, the stage was programmed to create two combined square test patterns. The same test sample as in Example 2 was prepared and exposed by scanning from below at 125 μm (230 mW average laser power). Samples were developed in N, N-dimethylformamd, washed with isopropyl and air dried. FIG. 11 shows an optical micrograph of the structure obtained under the image forming conditions of Example 4. The test pattern was reproduced on each of four different imaging spots. The polymer showed good adhesion to the substrate.
[0148]
Example 5
Example 5 illustrates imaging using hybrid polymer based patterned light. The hybrid polymer consisted of a thermoplastic substrate with reactive monomers. The refractive index and density of the photoreactive composition were increased in the illuminated area as a result of polymerization and subsequent monomer diffusion into the illuminated area. After the desired structure is obtained, the entire film can be blanket exposed using a one-photon light source to permanently fix the image.
[0149]
The photoreactive compositions shown in Table 2 were prepared as about 40% solutions in 1,2-dichloroethane and spin-coated on microscope slides. The coated slide was then heated in an 80 ° C. oven for 10 minutes to remove solvent (final film thickness was about 30 μm). The same optical configuration and pattern as in Example 4 were used. The substrate was scanned at 125 μm (average output: 230 mW). Following imaging, the test samples were exposed using three Philips @ TLD @ 3W light for 45 minutes to fix the image.
[0150]
FIG. 12 shows an optical microscope photograph of a refractive index object image. The test pattern was reproduced at each of the different imaging spots.
[0151]
[Table 2]
Figure 2004503832
[0152]
Example 6
FIG. 13 shows an exposure system 710 used in the sixth embodiment. Cornng @ SMF-28 single mode optical fiber was used as a linear array of cylindrical lenses 720 for imaging. The same test board 730 as in the case of Example 2 was produced. The sheath of the optical fiber was removed using a fiber stripper and then lightly pressed against the surface of the unreacted test sample 730 shown in FIG. Then, the substrate 730 was raster-scanned at 250 μm using a collimated laser beam 740 (average output: 640 mW). The Y stage moved about half the beam diameter for each scan. Following imaging, test samples were developed in N, N-dimethylformamide, washed with isopropyl alcohol, and air dried. FIGS. 14 and 15 show the scan results of the high aspect ratio polymer lines created.
[0153]
Example 7
As shown in FIG. 16, a chirped grating 812 having an interference pattern 820 (eg, a grating in which the spacing between lines decreases for each continuous fringe) is formed by an interference fringe created by a combination of a plane wave 860 and a cylindrical wave 850. -Formed in the photoreactive composition 834 using a pattern. A linear interference fringe was formed using a combination of two plane waves (having a propagation direction that is neither parallel nor anti-parallel and incident on the image plane). Placing a cylindrical lens 840 (the uniform axis of the lens 840 is parallel to the interference fringe 826 from the original configuration) in one beam path created a parallel interference fringe 826 with a chirp period. This approach is well known in the art related to optical Bragg grating fabrication (see, for example, R. Kashapap, Fiber Bragg Gratings, Academic Press, 1999). As shown in FIG. 16, the fringe period at the left end 822 of the grating 820 is smaller (as a result of the increased angle of incidence) compared to the case without the cylindrical lens. The period at the right end 824 of the grid was not affected. The chirp rate of the interference pattern 820 changes the focal length of the cylindrical lens 840 and / or changes the distance between the lens 840 and the interference surface, or within the second beam 860 (with the same orientation). ) It can be controlled by arranging a cylindrical lens.
[0154]
The short pulses used in the multigrating absorption exposure system caused a small portion of the interference pattern to react during each laser pulse. Thus, by precisely matching the wavelengths of both beams 850 and 860, the pulses could be superimposed to form selected areas of the three-dimensional interference pattern 820. This wavelength matching operation was performed by passing the beams 850 and 860 through individual optical delay lines (see Kirkparrick, et. Al., APPli. His. A, 69, 461). By carefully adjusting the beam wavelengths relative to each other, successive laser pulses can be used to react portions of the chirped interference pattern 820.
[0155]
Example 8
This example discusses the use of three-beam interference to form multiple photovalency regions using a multiphoton absorption process. It is well known that the interference between two coherent beams in spacetime creates a pattern with high and low intensity fringes, the periodicity of which depends on the angle between the input beams. In this example, three coherent pulsed laser beams are used to form a two-dimensional array of light and dark regions, which are used to form a corresponding two-dimensional array of photopolymerized regions on a single imaging surface. Formed.
[0156]
The writing laser was an enhanced Ti: Sapphire laser producing 800 mW at 1800 nm, 1 kHz and a pulse width of 120 fs. TEM from laser00The output was passed through two beam splitters to generate three independent beams of approximately equal intensity. The two optical arrays of these beams included independent optical delay lines and glass wedges. By rotating the mount, the optical path length can be finely adjusted. These beams were recombined with the sample as shown in FIG. 5 so that the angle between each beam was approximately 120 degrees. For the alignment of the light n, only the first two beams (one with a delay line and the other without it) were allowed to interfere. The length of the optical delay line was adjusted until the pulses from these first two laser beams were confirmed by observation of a two-photon fluorescence and a sharp increase in the intensity of the fringe interference pattern. A third beam was then introduced and the length of the optical delay was again adjusted until a sharp increase in the intensity of the two-photon fluorescence and interference pattern was observed.
[0157]
Solution containing 40% by weight cellulose acetate butyrate (40% solids in 1,2-dichloroethane) (n is about 1.46, Eastman Chemicals, Kingport, TN), 23% by weight phenoxy methacrylate (Sartmer Company, West Chester) , PA), 34% by weight bisphenol A glycerolate diacrylate (Ebecryl 3700, UCS Chemicals, Symra, GA), 2% by weight diaryliodonium salt (Sartmer Company, West Chester, PA), and 1% by weight bis- [ 4- (Diphenylamino) styryl] -1,4- (dimethoxy) benzene was prepared. This solution was coated on an approximately 100 micron thick silicon wafer and dried in an oven at 80 ° C. The test sample was positioned such that the three beams were interference exposed in the coating to provide a two-dimensional hexagonal honeycomb pattern on a single image plane. The refractive index modulation of the reacted area was at least 0.005 relative to the subsequently reacted substrate. The coating was blanket exposed in a non-image-wide manner using three Philips TLD 3W-05 bulbs, setting the main power to 450 nm for 30 minutes. This film maintained a refractive index modulation of at least 0.005 for the patterned areas.
[0158]
The entire disclosures of the patents, patent documents, and publications cited herein are hereby incorporated by reference in their entirety, as well as each individually. Various modifications and alterations will readily occur to those skilled in the art without departing from the scope and spirit of this specification. The present invention is not limited by the embodiments and examples shown here, and the examples and embodiments are only shown as examples, and the scope of the present invention is limited only by the following claims. Is what is done.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1a shows a microscopic optical element exposure system according to the invention.
FIG. 1b illustrates another embodiment of a microscopic optical element exposure system having microlenses having various focal lengths according to the present invention.
FIG. 1c illustrates another embodiment that includes an array of aspherical off-axis microlenses.
FIG. 2 illustrates a diffractive optical element exposure system of the present invention in which a beam splitting diffractive optical element (DOE) is used.
FIG. 3 is a diagram showing a diffractive optical element exposure system in which a wavefront transformation DOE is used.
FIG. 4 illustrates an exposure system that creates an interference pattern in a photoreactive composition by combining parallel plane waves and divergent spherical waves.
FIG. 5 illustrates one implementation of an exposure system that includes a combination of three or more beams having the same or substantially different wavefronts to induce multiphoton absorption at selected regions within a photoreactive composition. FIG.
FIG. 6 illustrates a system including a series of adjustable plane mirrors used to steer a beam from an array of microlenses to a photoreactive composition.
FIG. 7 shows a scanning electron micrograph of a structure obtained under test conditions of Example 2.
FIG. 8 is a diagram illustrating an exposure system used in a third embodiment including an array of diffractive lenses.
FIG. 9 is a scanning electron micrograph of the structure obtained under the image forming conditions of Example 3.
FIG. 10 is a scanning electron micrograph of a structure obtained under image forming conditions of Example 3.
FIG. 11 is an optical micrograph of the structure obtained under the image forming conditions of Example 4.
FIG. 12 is an optical micrograph of a refractive index control image.

Claims (35)

光反応性組成物内で少なくとも部分的に反応した物質の領域を作り出す方法において、
光反応性組成物を提供するステップと、
前記光反応性組成物が少なくとも2つの光子を同時に吸収するために十分な光の供給源を提供するステップと、
少なくとも1つの回折性光学素子を含み、画像状の多光子吸収を誘起することができる露光システムを提供するステップと、
前記露光システムによって非ランダム3次元光パターンを発生させるステップと、
前記露光システムによって発生された前記3次元光パターンに前記光反応性組成物を露光させて少なくとも部分的に前記物質の一部分をそこに入射される前記非ランダム3次元光パターンに対応して反応させるステップ
とを含む方法。
In a method of creating a region of at least partially reacted material in a photoreactive composition,
Providing a photoreactive composition;
Providing a source of light sufficient for the photoreactive composition to absorb at least two photons simultaneously;
Providing an exposure system including at least one diffractive optical element and capable of inducing image-like multiphoton absorption;
Generating a non-random three-dimensional light pattern by the exposure system;
Exposing the photoreactive composition to the three-dimensional light pattern generated by the exposure system to at least partially react a portion of the material with the non-random three-dimensional light pattern incident thereon; And a method comprising:
露光がパルス照射のステップを含む、請求項1記載の方法。The method of claim 1 wherein the exposing comprises a pulsed irradiation step. 前記パルス照射のステップが約10ナノ秒未満のパルス長を有する近赤外線パルスレーザーを用いて行われる請求項2記載の方法。3. The method of claim 2, wherein said step of pulsing is performed using a near infrared pulsed laser having a pulse length of less than about 10 nanoseconds. 前記回折性光学素子が回折マスクである、請求項1記載の方法。The method of claim 1, wherein the diffractive optical element is a diffraction mask. 前記光反応性組成物が、固体の総重量に対して、約5〜約99.79重量%の少なくとも1つの反応種と、約0.01〜約10重量%の少なくとも1つの多光子光増感剤と、最大約10重量%までの少なくとも1つの電子供与体化合物と、約0.1%〜約10重量%の少なくとも1つの光開始剤を含む、請求項1記載の方法。The photoreactive composition comprises from about 5 to about 99.79% by weight, based on the total weight of the solid, of at least one reactive species and from about 0.01 to about 10% by weight of at least one multiphoton photomultiplier. The method of claim 1, comprising a sensitizer, up to about 10% by weight of at least one electron donor compound, and about 0.1% to about 10% by weight of at least one photoinitiator. 前記回折素子がビーム分割、波面トランスフォーメーション、あるいはその両方を行うことができる、請求項1記載の方法。The method of claim 1, wherein the diffractive element is capable of performing beam splitting, wavefront transformation, or both. 光反応性組成物内で少なくとも部分的に反応した物質の領域を作り出す方法において、
光反応性組成物を提供するステップと、
前記光反応性組成物が少なくとも2つの光子を同時に吸収するために十分な光の供給源を提供するステップと、
回折性マイクロ光学素子の少なくとも1つのアレイを含み、画像状の多光子吸収を誘起することができる露光システムを提供するステップと、
前記露光システムによって非ランダム3次元光パターンを発生させるステップと、
前記露光システムによって発生された前記3次元光パターンに前記光反応性組成物を露光させて少なくとも部分的に前記物質の一部分をそこに入射される前記非ランダム3次元光パターンに対応して反応させるステップと、を含む方法。
In a method of creating a region of at least partially reacted material in a photoreactive composition,
Providing a photoreactive composition;
Providing a source of light sufficient for the photoreactive composition to absorb at least two photons simultaneously;
Providing an exposure system comprising at least one array of diffractive micro-optical elements and capable of inducing image-like multiphoton absorption;
Generating a non-random three-dimensional light pattern by the exposure system;
Exposing the photoreactive composition to the three-dimensional light pattern generated by the exposure system to at least partially react a portion of the material with the non-random three-dimensional light pattern incident thereon; And a step.
露光がパルス照射のステップを含む、請求項7記載の方法。The method of claim 7, wherein the exposing comprises a pulsed irradiation step. 前記パルス照射のステップが約10ナノ秒未満のパルス長を有する近赤外線パルスレーザーを用いて行われる、請求項8記載の方法。9. The method of claim 8, wherein the step of pulsing is performed using a near infrared pulsed laser having a pulse length of less than about 10 nanoseconds. 屈折性マイクロ光学素子が光ファイバーのアレイを含む、請求項7記載の方法。The method of claim 7, wherein the refractive micro-optical element comprises an array of optical fibers. 前記光反応性組成物が、固形物の総重量に対して、約5〜約99.79%の少なくとも1つの反応種と、約0.01〜約10重量%の少なくとも1つの多光子光増感剤と、最大約10重量%の少なくとも1つの電子供与体化合物と、約0.1〜約10重量%の少なくとも1つの光開始剤を含む、請求項18記載の方法。The photoreactive composition comprises about 5 to about 99.79% of at least one reactive species and about 0.01 to about 10% by weight of at least one multiphoton photomultiplier, based on the total weight of the solid. 19. The method of claim 18, comprising a sensitizer, up to about 10% by weight of at least one electron donor compound, and about 0.1 to about 10% by weight of at least one photoinitiator. 光反応性組成物を提供するステップと、
前記光反応性組成物が少なくとも2つの光子を同時に吸収するために十分な光の供給源を提供するステップと、
画像状の多光子吸収を誘起することができる露光システムであって、第1の波面形状を有する第1のビームと、前記第2の波面形状と実質的に異なっている第2の波面形状を有する第2のビームとを含む露光システムを提供するステップと、
第1の光ビームと第2の光ビームとの間の光学干渉を用いる前記露光システムによって非ランダム3次元光パターンを発生させるステップと、
前記露光システムによって発生された前記3次元光パターンに前記光反応性組成物を露光させて、少なくとも部分的に前記物質の一部分をそこに入射される前記非ランダム3次元光パターンに対応して反応させるステップ
とを含む、光反応性組成物内で少なくとも部分的に反応した物質の領域を作り出す方法。
Providing a photoreactive composition;
Providing a source of light sufficient for the photoreactive composition to absorb at least two photons simultaneously;
An exposure system capable of inducing image-like multiphoton absorption, comprising: a first beam having a first wavefront shape; and a second wavefront shape substantially different from said second wavefront shape. Providing an exposure system comprising:
Generating a non-random three-dimensional light pattern by said exposure system using optical interference between a first light beam and a second light beam;
Exposing the photoreactive composition to the three-dimensional light pattern generated by the exposure system, and at least partially reacting a portion of the material in response to the non-random three-dimensional light pattern incident thereon; Creating a region of the at least partially reacted material in the photoreactive composition.
露光がパルス照射のステップを含む、請求項12記載の方法。13. The method of claim 12, wherein the exposing comprises a pulsed irradiation step. 前記パルス照射のステップが約10ナノ秒未満のパルス長を有する近赤外線パルスレーザーを用いて行われる、請求項13記載の方法。14. The method of claim 13, wherein the step of pulsing is performed using a near infrared pulsed laser having a pulse length of less than about 10 nanoseconds. 前記光源がパルスレーザーを含む、請求項12記載の方法。13. The method of claim 12, wherein said light source comprises a pulsed laser. 前記光反応性組成物が、固形物の総重量に対して、約5〜99.79重量%の前記少なくとも1つの反応種と、約0.01〜約10重量%の前記少なくとも1つの多光子光増感剤と、最大約10重量%の前記少なくとも1つの電子供与体化合物と、約0.1〜約10重量%の前記少なくとも1つの光開始剤とを含む、請求項12記載の方法。The photoreactive composition comprises about 5 to 99.79% by weight of the at least one reactive species and about 0.01 to about 10% by weight of the at least one multiphoton, based on the total weight of the solid. 13. The method of claim 12, comprising a photosensitizer, up to about 10% by weight of said at least one electron donor compound, and about 0.1 to about 10% by weight of said at least one photoinitiator. 光反応性組成物を提供するステップと、
前記光反応性組成物が少なくとも2つの光子を同時に吸収するために十分な光の供給源を提供するステップと、
画像状の多光子吸収を誘起することができる露光システムであって、前記3つ以上の光ビームを含み、前記3つ以上の光ビームのそれぞれが、1つの形状を有する波面を有しており、さらに、他の光ビームの波面形状と同じ、あるいは実質的に異なった波面形状を有する露光システムを提供するステップと、
3つ以上の光ビームからの光学干渉を用いる前記露出システムによって非ランダム3次元光パターンを発生させるステップと、
前記露光システムによって発生された前記3次元光パターンに前記光反応性組成物を露光させて、少なくとも部分的に前記物質の一部分をそこに入射される前記非ランダム3次元光パターンに対応して反応させるステップ
とを含む、光反応性組成物内で少なくとも部分的に反応した物質の領域を作り出す方法。
Providing a photoreactive composition;
Providing a source of light sufficient for the photoreactive composition to absorb at least two photons simultaneously;
An exposure system capable of inducing image-like multiphoton absorption, comprising: three or more light beams, each of said three or more light beams having a wavefront having one shape. Providing an exposure system having a wavefront shape that is the same as or substantially different from the wavefront shape of the other light beam;
Generating a non-random three-dimensional light pattern by said exposure system using optical interference from three or more light beams;
Exposing the photoreactive composition to the three-dimensional light pattern generated by the exposure system, and at least partially reacting a portion of the material in response to the non-random three-dimensional light pattern incident thereon; Creating a region of the at least partially reacted material in the photoreactive composition.
前記露光がパルス照射を行うステップを含む、請求項17記載の方法。18. The method of claim 17, wherein said exposing comprises performing pulsed irradiation. 前記パルス照射を行うステップが約10ナノ秒未満のパルス長を有する近赤外線パルスレーザーを用いて行われる、請求項18記載の方法。19. The method of claim 18, wherein the step of providing pulsed irradiation is performed using a near infrared pulsed laser having a pulse length of less than about 10 nanoseconds. 前記光源がパルスレーザーからなる、請求項17記載の方法。The method according to claim 17, wherein the light source comprises a pulsed laser. 前記光反応性組成物が、固形物の総重量に対して、約5〜99.79重量%の前記少なくとも1つの反応種と、約0.01〜約10重量%の前記少なくとも1つの多光子光増感剤と、最大約10重量%の前記少なくとも1つの電子供与体化合物と、そして約0.1〜約10重量%の前記少なくとも1つの光開始剤を含む、請求項12記載の方法。The photoreactive composition comprises about 5 to 99.79% by weight of the at least one reactive species and about 0.01 to about 10% by weight of the at least one multiphoton, based on the total weight of the solid. 13. The method of claim 12, comprising a photosensitizer, up to about 10% by weight of said at least one electron donor compound, and about 0.1 to about 10% by weight of said at least one photoinitiator. 光反応性組成物と、
前記光反応性組成物が少なくとも2つの光子を同時に吸収するのに十分な光の供給源と、
少なくとも1つの回折性光学素子を含む露光システムとを含み、
前記露光システムが画像状の多光子吸収を誘起することができ、前記露光システムが非ランダム3次元光パターンを発生させることができ、さらに前記露光システムが前記非ランダム3次元光パターンに対応して物質の一部を少なくとも部分的に反応させることができる、光反応性組成物を反応させるための装置。
A photoreactive composition;
A source of light sufficient for the photoreactive composition to absorb at least two photons simultaneously;
An exposure system that includes at least one diffractive optical element;
The exposure system can induce image-like multiphoton absorption, the exposure system can generate a non-random three-dimensional light pattern, and the exposure system can correspond to the non-random three-dimensional light pattern. A device for reacting a photoreactive composition, wherein at least a portion of the substance is allowed to react.
前記光源がパルスレーザーを含む、請求項22記載の装置。23. The device of claim 22, wherein said light source comprises a pulsed laser. 前記光反応性組成物が、固形物の総重量に対して、約5〜99.79重量%の前記少なくとも1つの反応種と、約0.01〜約10重量%の前記少なくとも1つの多光子光増感剤と、最大約10重量%の前記少なくとも1つの電子供与体化合物と、そして約0.1〜約10重量%の前記少なくとも1つの光開始剤を含む、請求項22記載の方法。The photoreactive composition comprises about 5 to 99.79% by weight of the at least one reactive species and about 0.01 to about 10% by weight of the at least one multiphoton, based on the total weight of the solid. 23. The method of claim 22, comprising a photosensitizer, up to about 10% by weight of said at least one electron donor compound, and about 0.1 to about 10% by weight of said at least one photoinitiator. 前記回折性光学素子がビーム分割、波面トランスフォーメーション、あるいはその両方を行うことができる、請求項22記載の装置。23. The apparatus of claim 22, wherein the diffractive optical element is capable of performing beam splitting, wavefront transformation, or both. 前記回折性光学素子が回折マスクである、請求項22記載の装置。23. The apparatus of claim 22, wherein said diffractive optical element is a diffraction mask. 光反応性組成物と、
前記光反応性組成物が少なくとも2つの光子を同時に吸収するのに十分な光の供給源と、
屈折性マイクロ光学素子の少なくとも1つのアレイを含む露光システムとを含み、
前記露光システムが画像状の多光子吸収を誘起することができ、前記露光システムが非ランダム3次元光パターンを発生させることができ、さらに前記露光システムが前記非ランダム3次元光パターンに対応して物質の一部を少なくとも部分的に反応させることができる、光反応性組成物を反応させるための装置。
A photoreactive composition;
A source of light sufficient for the photoreactive composition to absorb at least two photons simultaneously;
An exposure system including at least one array of refractive micro-optics;
The exposure system can induce image-like multiphoton absorption, the exposure system can generate a non-random three-dimensional light pattern, and the exposure system can correspond to the non-random three-dimensional light pattern. A device for reacting a photoreactive composition, wherein at least a portion of the substance is allowed to react.
前記光源がパルスレーザーを含む、請求項27記載の装置。28. The device of claim 27, wherein said light source comprises a pulsed laser. 前記光反応性組成物が、固形物の総重量に対して、約5〜99.79重量%の前記少なくとも1つの反応種と、約0.01〜約10重量%の前記少なくとも1つの多光子光増感剤と、最大約10重量%の前記少なくとも1つの電子供与体化合物と、約0.1〜約10重量%の前記少なくとも1つの光開始剤を含む、請求項27記載の方法。The photoreactive composition comprises about 5 to 99.79% by weight of the at least one reactive species and about 0.01 to about 10% by weight of the at least one multiphoton, based on the total weight of the solid. 28. The method of claim 27, comprising a photosensitizer, up to about 10% by weight of said at least one electron donor compound, and about 0.1 to about 10% by weight of said at least one photoinitiator. 前記屈折性マイクロ光学素子のアレイが光ファイバーの1つのアレイを含む、請求項27記載の装置。28. The apparatus of claim 27, wherein said array of refractive micro-optics comprises one array of optical fibers. 光反応性組成物と、
前記光反応性組成物が少なくとも2つの光子を同時に吸収するのに十分な光の供給源と、
第1の波面形状を有する第1の光ビームと前記第2の波面形状と実質的に違っている第2の波面形状を有する第2の光ビームを含む露光システムを含み、
前記露光システムが画像状の多光子吸収を誘起することができ、前記露光システムが非ランダム3次元光パターンを発生させることができ、さらに、前記露光システムが前記非ランダム3次元光パターンに対応して物質の一部を少なくとも部分的に反応させることができる、光反応性組成物を反応させるための装置。
A photoreactive composition;
A source of light sufficient for the photoreactive composition to absorb at least two photons simultaneously;
An exposure system comprising a first light beam having a first wavefront shape and a second light beam having a second wavefront shape substantially different from said second wavefront shape;
The exposure system can induce image-like multiphoton absorption, the exposure system can generate a non-random three-dimensional light pattern, and the exposure system can correspond to the non-random three-dimensional light pattern. An apparatus for reacting a photoreactive composition, wherein at least a portion of the substance can be at least partially reacted.
前記光源がパルスレーザーを含む、請求項31記載の装置。32. The device of claim 31, wherein said light source comprises a pulsed laser. 前記光反応性組成物が、固形物の総重量に対して、約5〜99.79重量%の前記少なくとも1つの反応種と、約0.01〜約10重量%の前記少なくとも1つの多光子光増感剤と、最大約10重量%の前記少なくとも1つの電子供与体化合物と、約0.1〜約10重量%の前記少なくとも1つの光開始剤を含む、請求項31記載の装置。The photoreactive composition comprises about 5 to 99.79% by weight of the at least one reactive species and about 0.01 to about 10% by weight of the at least one multiphoton, based on the total weight of the solid. 32. The apparatus of claim 31, comprising a photosensitizer, up to about 10% by weight of said at least one electron donor compound, and about 0.1 to about 10% by weight of said at least one photoinitiator. 光反応性組成物と、
前記光反応性組成物が少なくとも2つの光子を同時に吸収するのに十分な光の供給源と、
3つ以上の光ビームを含む露光システムとを含み、
前記3つ以上の光ビームのそれぞれが1つの形状を有する波面を有し、前記3つ以上の光ビームのそれぞれが他の光ビームの波面形状と同じか、あるいは実質的に違った波面形状を有し、前記露出システムが画像状の多光子吸収を誘起することができ、前記露光システムが非ランダム3次元光パターンを発生させることができ、さらに、前記露光システムが前記非ランダム3次元光パターンに対応して前記物質の一部を少なくとも部分的に反応させることができる、光反応性組成物を反応させるための装置。
A photoreactive composition;
A source of light sufficient for the photoreactive composition to absorb at least two photons simultaneously;
An exposure system that includes three or more light beams;
Each of the three or more light beams has a wavefront having one shape, and each of the three or more light beams has a wavefront shape that is the same as or substantially different from the wavefront shape of the other light beams. Wherein said exposure system is capable of inducing image-like multiphoton absorption, said exposure system is capable of generating a non-random three-dimensional light pattern, and wherein said exposure system is capable of generating said non-random three-dimensional light pattern. An apparatus for reacting a photoreactive composition, the apparatus being capable of at least partially reacting a portion of the substance in response to the above.
前記光反応性組成物が、固形物の総重量に対して、約5〜99.79重量%の前記少なくとも1つの反応種と、約0.01〜約10重量%の前記少なくとも1つの多光子光増感剤と、最大約10重量%の前記少なくとも1つの電子供与体化合物と、約0.1〜約10重量%の前記少なくとも1つの光開始剤を含む、請求項34記載の装置。The photoreactive composition comprises about 5 to 99.79% by weight of the at least one reactive species and about 0.01 to about 10% by weight of the at least one multiphoton, based on the total weight of the solid. 35. The apparatus of claim 34, comprising a photosensitizer, up to about 10% by weight of said at least one electron donor compound, and about 0.1 to about 10% by weight of said at least one photoinitiator.
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