JP4376649B2 - 異波長レーザー光を用いた多光束微小構造物光造形方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、異波長レーザー光を用いた多光束微小構造物光造形方法及び装置に関するものである。

近年、光硬化性樹脂中でレーザー光の集光スポットを走査し、前記樹脂を所望の形状に硬化させ、従来の半導体プロセス等に比べて短時間で複雑な３次元構造物を形成できる光造形法が実用化され、ラピッドプロトタイピング等の分野で活用されている。
現在市販されている光造形機の加工精度は５０〜１００μｍ程度であり、より微細な３次元構造物の作製を目指しマイクロ光造形技術の開発が進められている。

光造形技術においては、レーザー光の集光スポット径で光硬化性樹脂の硬化部のサイズが決定される。
したがって、集光能の高い（つまりＮＡの大きい）対物レンズ等でより小さな領域に光を絞ることで、微細構造物の作製が可能となる（下記非特許文献１、２参照）。しかし実際には、対物レンズで光を絞っても集光スポットのみで光硬化が起こるわけではなく、集光スポット周囲でも硬化反応は起こるので、この余剰成長のために造形精度が悪くなる。

そこで、より微細な光造形のためフェムト秒レーザーパルス照射により誘起される二光子重合を利用した造形精度向上法が報告されている（非特許文献３、４参照）。
上記した従来のマイクロ光造形技術については、下記の特許文献１−４に開示されている。
特開２００３−０２５２９５号公報 特開２００１−１５８０５０号公報 特開平７−３２９１８８号公報 特開２００３−００１５９９号公報 Ｍａｋｏｔｏ Ｈｏｒｉｙａｍａ，Ｈｏｎｇ−Ｂｏ Ｓｕｎ，Ｍａｓａｆｕｍｉ Ｍｉｗａ，Ｓｈｉｇｅｋｉ Ｍａｔｓｕｏ，ａｎｄ Ｈｉｒｏａｋｉ Ｍｉｓａｗａ，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ３８，ｐｐ．Ｌ２１２−Ｌ２１５（１９９９）． Ｓｈｏｊｉ Ｍａｒｕｏ ａｎｄ Ｋｏｊｉ Ｉｋｕｔａ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ７６，ｐ．２６５６（２０００）． Ｓｈｏｊｉ Ｍａｒｕｏ，Ｏｓａｍｕ Ｎａｋａｍｕｒａ，ａｎｄ Ｓａｔｏｓｈｉ Ｋａｗａｔａ，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ２２，ｐ．１３２（１９９７）． Ｈｏｎｇ−Ｂｏ Ｓｕｎ，Ｔａｋｅｓｈｉ Ｋａｗａｋａｍｉ，Ｙｉｎｇ Ｘｕ，Ｊｉａ−Ｙｕ Ｙｅ，Ｓｈｉｇｅｋｉ Ｍａｔｓｕｏ，Ｈｉｒｏａｋｉ Ｍｉｓａｗａ，Ｍａｓａｆｕｍｉ Ｍｉｗａ，ａｎｄ Ｒｅｉｚｏ Ｋａｎｅｋｏ，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２５，ｐ．１１１０（２０００）．

上記したように、一光子過程で造形精度を高めることが困難な理由は、レーザー光の集光スポット以外の領域、すなわち、集光スポットの走査軌跡外の領域でも光吸収が起こり光硬化反応が起こるためである。一般に光硬化反応は閾値反応であり、光照射量がある閾値を越えた段階で硬化が起こる。二光子重合が高い空間選択性を持ち得るのは、二光子吸収確率が光強度の自乗に比例するので、従って集光スポット近傍のみで光吸収が起こるためである。

したがって、光重合に空間選択性を付与するためには、硬化用レーザー光の集光スポットにおける光重合効率を周囲に比べて高めてやればよい。
本発明は、硬化反応誘起用レーザー光（実施例では紫外レーザー光）に加えて、前記硬化反応誘起用レーザー光とは異なる波長の反応促進用レーザー光（実施例では近赤外レーザー光）を用いることにより、ナノレベルの３次元空間選択性を持たせることができる。

すなわち、本発明は、上記状況に鑑みて、光硬化反応誘起用のレーザー光に加えて、前記硬化反応誘起用レーザー光とは異なる波長の反応促進用レーザー光を用いることにより、ナノレベルの３次元空間選択性を持たせることができる異波長レーザー光を用いた多光束微小構造物光造形方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕異波長レーザー光を用いた多光束微小構造物光造形方法において、硬化反応誘起用レーザー光を光硬化性樹脂中に照射するとともに、別の波長の反応促進用レーザー光を前記硬化反応誘起用レーザー光と光軸を一致させるように重ねて前記光硬化性樹脂中に照射することにより、前記硬化反応誘起用レーザー光と前記反応促進用レーザー光の重なった集光スポット近傍でのみ光硬化反応を誘起することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の異波長レーザー光を用いた多光束微小構造物光造形方法において、前記硬化反応誘起用レーザー光は前記光硬化性樹脂に吸収のあるレーザー光であって、かつほぼ０．０３８〜０．０７６μＷの光強度を有するものであり、前記反応促進用レーザー光は前記光硬化性樹脂が吸収しない別の波長のレーザー光であることを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕記載の異波長レーザー光を用いた多光束微小構造物光造形方法において、前記反応促進用レーザー光の波長がほぼ１０６４ｎｍであることを特徴とする。
〔４〕異波長レーザー光を用いた多光束微小構造物光造形装置において、光硬化反応が誘起されない程度の極めて低い光強度の硬化反応誘起用レーザー光を光硬化性樹脂中に照射する手段と、前記硬化反応誘起用レーザー光と光軸を一致させるように重ねて、反応促進用レーザー光を前記光硬化性樹脂中に照射する手段とを備え、前記硬化反応誘起用レーザー光と前記反応促進用レーザー光の重なった集光スポット近傍でのみ光硬化反応を誘起することを特徴とする。

本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
（１）水平方向、光軸方向への余剰成長が抑制され、微小構造物の造形精度を格段に向上させることができる。
（２）ナノレベルの３次元空間選択性を持たせることができる。

本発明によれば、光硬化反応が誘起されない程度の極めて低い光強度で硬化反応誘起用レーザー光を樹脂中に照射した状態で、同一スポットに反応促進用レーザー光を重ねて照射することで硬化反応誘起用レーザー光の集光スポット近傍でのみ光硬化反応を起こすことができ、ナノレベルの３次元空間選択性を持たせることができる。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の第１実施例を示す二光束マイクロ光造形法を用いた多光束微小（ｍｉｃｒｏ：マイクロ）構造物光造形装置の要部構成図、図２はその二光束マイクロ光造形法により形成した樹脂のラインパターンを示す図である。
図１において、１はガラス基板、２はステージ、３は対物レンズ（４０倍、ＮＡ：０．９）、４は硬化反応誘起用紫外レーザー光（点線）、５は反応促進用近赤外レーザー光（実線）、６は光硬化性樹脂である。

そこで、ガラス基板１と光硬化性樹脂６との界面に対物レンズ（４０倍、ＮＡ：０．９）３で硬化反応誘起用紫外レーザー光（点線）４を集光し、ステージ２をスキャンさせつつ、硬化反応誘起用紫外レーザー光（点線）４と同一点に集光した反応促進用近赤外レーザー光（実線）５をＯＮ／ＯＦＦさせる。ここで、光硬化性樹脂６は、例えば、アクリル系光硬化性樹脂（ＪＳＲ株式会社製ＫＣ１１５６Ａ）である。そして、硬化反応誘起用レーザー光４は光硬化性樹脂６に吸収のあるレーザー光であって、かつ極めて弱い光強度を有するものであり、反応促進用レーザー光５は光硬化性樹脂６が吸収しない別の波長のレーザー光である。

そこで、反応促進用近赤外レーザー光（実線）５と硬化反応誘起用紫外レーザー光（点線）４がともに照射された場合にのみ、図２に示すように、光硬化反応（樹脂のラインパターン７）が起こっていることが確認できる。ここでは、硬化反応誘起用紫外レーザー光（点線）４のみを照射した場合に光硬化反応が起こらないことを示しているが、反応促進用近赤外レーザー光（実線）５のみの照射でも光硬化反応は起こらない。

このことは、二本の異波長のレーザー光を用いることで空間選択的な光重合反応誘起が可能であることを示している。

図３は本発明の第２実施例を示す二光束マイクロ光造形法を用いた多光束微小構造物光造形装置のシステム構成図、図４は本発明の第２実施例を示すガラス基板上でスポット硬化させた光硬化性樹脂の走査型電子顕微鏡像を示す図である。
図３において、１１は硬化反応誘起用紫外レーザー光源、１２，１３，１６，１８，１９は反射鏡、１４，１５，２０，２１，２５はレンズ、１７は反応促進用近赤外レーザー光源、２２，２３はダイクロイックミラー（Ｄｉｃｈｒｏｉｃ ｍｉｒｒｏｒ）、２４は対物レンズ（１００倍、ＮＡ：１．３５）、２６はＣＣＤカメラ、２７はモニター装置、３１はカバーガラス、３２は光硬化性樹脂、３３はステージである。

この実施例によれば、カバーガラス３１上に滴下した光硬化性樹脂３２に対物レンズ（×１００，ＮＡ１．３５）２４により集光した紫外レーザーパルス（波長３５５ｎｍ，パルス幅０．５ｎｓ）（硬化反応誘起用レーザー光）（点線）を照射すると、図４（ａ）に示すように、光硬化反応の閾値に達する光強度から、硬化反応誘起用紫外レーザー光の集光位置で光硬化が起こる。次に、硬化反応誘起用紫外レーザー光（点線）と共に連続発振近赤外レーザー光（波長１０６４ｎｍ）（反応促進用レーザー光）（実線）を同じく集光照射すると、図４（ｂ）の左３列に示されるように、硬化反応誘起用紫外レーザー光（点線）のみの照射では光硬化反応が起こらないほど微弱な硬化反応誘起用紫外レーザー光強度においても、光硬化反応を誘起できた。このような閾値以下の強度による光硬化反応は硬化反応誘起用紫外レーザー光単独、または反応促進用近赤外レーザー光単独の照射では誘起されないことが分かった。

上記したように、図２および図４から本発明により光重合反応に空間選択性を付与するできることが示された。
また、図５は本発明で作製した柱状のマイクロ構造物を示す図であり、この図から明らかなように、硬化反応誘起用紫外レーザー光と反応促進用近赤外レーザー光で作製した柱状のマイクロ構造物４１は、硬化反応誘起用紫外レーザー光のみで作製した柱状のマイクロ構造物４２に比べて水平方向、光軸方向への余剰成長が抑制され、造形精度が格段に向上していることが確認できる。

上記したように、本発明によれば、光硬化反応が誘起されない程度の極めて低い光強度で紫外レーザー光（硬化反応誘起用レーザー光）を光硬化性樹脂中に照射した状態で、同一スポットに近赤外レーザー光（反応促進用レーザー光）を重ねて照射すると紫外レーザー光の集光スポット近傍でのみ光硬化反応を起こすことができる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の異波長レーザー光を用いた多光束微小構造物光造形方法及び装置は、様々なマイクロデバイス（ケミカルチップ、バイオチップ、マイクロマシン等）の作製への利用が期待できる。

本発明の第１実施例を示す二光束マイクロ光造形法を用いた多光束微小構造物光造形装置の要部構成図である。 本発明の第１実施例を示す二光束マイクロ光造形法により形成した樹脂のラインパターンを示す図である。 本発明の第２実施例を示す二光束マイクロ光造形法を用いた多光束微小構造物光造形装置のシステム構成図である。 本発明の第２実施例を示すガラス基板上でスポット硬化させた光硬化性樹脂の走査型電子顕微鏡像を示す図である。 本発明で作製した柱状のマイクロ構造物を示す図である。

１ ガラス基板
２ ステージ
３ 対物レンズ（４０倍、ＮＡ：０．９）
４ 硬化反応誘起用紫外レーザー光（点線）
５ 反応促進用近赤外レーザー光（実線）
６，３２ 光硬化性樹脂
７ 光硬化反応（樹脂のラインパターン）
１１ 硬化反応誘起用紫外レーザー光源
１２，１３，１６，１８，１９ 反射鏡
１４，１５，２０，２１，２５ レンズ
１７ 反応促進用近赤外レーザー光源
２２，２３ ダイクロイックミラー
２４ 対物レンズ（１００倍、ＮＡ：１．３５）
２６ ＣＣＤカメラ
２７ モニター装置
３１ カバーガラス
３３ ステージ
４１ 硬化反応誘起用紫外レーザー光と反応促進用近赤外レーザー光で作製した柱状のマイクロ構造物
４２ 硬化反応誘起用紫外レーザー光のみで作製した柱状のマイクロ構造物

Claims (4)

1. 硬化反応誘起用レーザー光を光硬化性樹脂中に照射するとともに、別の波長の反応促進用レーザー光を前記硬化反応誘起用レーザー光と光軸を一致させるように重ねて前記光硬化性樹脂中に照射することにより、前記硬化反応誘起用レーザー光と前記反応促進用レーザー光の重なった集光スポット近傍でのみ光硬化反応を誘起することを特徴とする異波長レーザー光を用いた多光束微小構造物光造形方法。
2. 請求項１記載の異波長レーザー光を用いた多光束微小構造物光造形方法において、前記硬化反応誘起用レーザー光は前記光硬化性樹脂に吸収のあるレーザー光であって、かつほぼ０．０３８〜０．０７６μＷの光強度を有するものであり、前記反応促進用レーザー光は前記光硬化性樹脂が吸収しない別の波長のレーザー光であることを特徴とする異波長レーザー光を用いた多光束微小構造物光造形方法。
3. 請求項１記載の異波長レーザー光を用いた多光束微小構造物光造形方法において、前記反応促進用レーザー光の波長がほぼ１０６４ｎｍであることを特徴とする異波長レーザー光を用いた多光束微小構造物光造形方法。
4. （ａ）光硬化反応が誘起されない程度の極めて低い光強度の硬化反応誘起用レーザー光を光硬化性樹脂中に照射する手段と、
   （ｂ）前記硬化反応誘起用レーザー光と光軸を一致させるように重ねて、反応促進用レーザー光を前記光硬化性樹脂中に照射する手段とを備え、
   （ｃ）前記硬化反応誘起用レーザー光と前記反応促進用レーザー光の重なった集光スポット近傍でのみ光硬化反応を誘起することを特徴とする異波長レーザー光を用いた多光束微小構造物光造形装置。