マルチの開発

Scientific Reports volume 13、記事番号: 4781 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

2 光子ステレオリソグラフィー (TPS) は、単一の製造プロセスでサブミクロンの製造解像度でさまざまな 3 次元 (3D) 構造を製造するために広く使用されています。ただし、TPS は微細な穴パターンを持つ微細構造には適していません。レーザーアブレーションプロセスでは、さまざまな材料に簡単に穴あけや穴を開けることができます。ただし、レーザーアブレーションの場合、レーザーの焦点面は固定されており、加工面に限定されます。本研究では、TPSプロセスで作製した3次元微細構造体の様々な加工面にレーザーアブレーションを適用する多方向アブレーションプロセスを研究しています。 TPS とレーザーアブレーションの両方の利点を備えた 3D ハイブリッド製造プロセスにより、製造効率の向上が期待されます。 3D ハイブリッドプロセスは、単一のレーザー光源に基づいて提案されています。微細構造は TPS を使用して製造され、多方向アブレーションプロセスにより 3D 微細構造の側面に穴が作成されます。多方向アブレーションプロセスを開発するには、レーザー焦点面を適応的に回転させ、ターゲットプロセス面のレーザー経路をガイドするように反射ミラーシステムを設計する必要があります。さまざまな例を通じて、多方向アブレーションプロセスの能力を実証します。

最近、3D ナノ/マイクロデバイスや高度に集積されたシステムの開発において、ナノテクノロジー (NT)、バイオテクノロジー (BT)、情報技術 (IT) に関連した効率的な製造プロセスのニーズが大幅に高まっています。マイクロ・ナノ加工技術には、ソフトリソグラフィー 1,2、フォトリソグラフィー 3,4、およびこれらを組み合わせたエッチング 5,6 があり、さまざまなナノ・マイクロシステムが作製されています。より複雑な構造設計のための高度な技術、ホログラフィックリソグラフィ 7、8、自己組織化 9、10、およびレーザー直接書き込み 11、12、13 が採用されています。特に、レーザー直接書き込みは、レーザーの走査経路が 3 次元のコンピューター支援設計 (CAD) データに従って制御されるため、3 次元構造の製造に大きな利点をもたらします。レーザー直接描画には、加算方式と減算方式の 2 つの方式が含まれます。

フェムト秒レーザー (DWFL) を使用した直接書き込みは、効果的な 3D ナノ/マイクロプロセスです。 DWFL は、2D および 3D のナノ/マイクロ構造を製造するためのマスクレスでシンプルかつコスト効率の高い方法です。 DWFL のアディティブプロセス (つまり、2 光子ステレオリソグラフィプロセス; TPS) は、サブミクロンの解像度で 2D および 3D 微細構造を直接作製するのに大きなメリットがあります 14、15、16、17。ただし、TPS にはいくつかの制限があります。たとえば、アディティブプロセスの解像度と製造速度は、ナノスケールのアプリケーションには不十分です18、19。これらの制限の一部は、DWFL の減算プロセスを使用して改善できます。典型的なサブトラクティブプロセスは、集束高出力レーザーを使用したアブレーションです。アブレーションされた微細パターンは、設計されたパスに従ってレーザースキャンを使用して書き込むことができます。

アディティブプロセスとサブトラクティブプロセスの両方の利点を備えたハイブリッド製造方法について、いくつかの研究が行われています。たとえば、アディティブプロセスの限られた製造解像度は、サブトラクティブプロセスを使用して改善できます20。 TPSプロセスでは、穴や小さな隙間のある微細構造を作製するのが困難です。小さな穴や隙間は、レーザー出力の重ね合わせにより固まって閉塞する傾向があります21、22。さらに、三次元構造に対する非効率的なレーザー走査経路により、製造時間が長くなる23、24。ただし、レーザーアブレーションプロセスは、構造に穴を作成するのに適しています。したがって、TPSとレーザーアブレーションのハイブリッド製造プロセスを採用することにより、三次元ナノ/マイクロ構造をより高精度かつより短い製造時間で効果的に製造することができる。

この研究では、3D ハイブリッドプロセスの概念は単一のレーザー光源に基づいています。 3D ハイブリッドプロセスは、DWFL 技術のアディティブプロセスとサブトラクティブプロセスの両方の長所を利用しています。３Ｄハイブリッドプロセスの１つとして、多方向アブレーションプロセスが提案されている。レーザーアブレーションは通常、基板に応じて垂直に露光されたレーザーを使用して実行されます。しかし、3D微細構造の側面に穴やスリットを含め、マイクロピンホールやマイクロスリットなどの微細構造を作製する場合、各種加工時に照射するレーザーの進行方向を変えて加工する必要があります。表面。この論文は、後工程としてレーザーアブレーションプロセスを使用してナノサイズの穴を製造できることを示しました。一般に、TPS プロセスの製造解像度は約 200 nm です。ただし、単線構造やオープンセル構造ではないホール構造については、TPSプロセスに基づいて約1μm以上のサイズのホールを作製することが可能である。 TPSプロセスは付加重合プロセスであるため、弱い重合領域が重なり合い、重合の重ね合わせにより完全な架橋が起こります。弱重合度は材質により異なります。ただし、一般的な光硬化性樹脂の場合、距離が1μm以上離れていないと重なり効果なく穴が加工されます。 TPS プロセスはフォトリソグラフィーに基づいており、TPP プロセスにはさまざまな光硬化性ポリマーを使用できます。ハイブリッドプロセスとは、光硬化性ポリマーをTPPで硬化させた後、後処理としてレーザーアブレーションプロセスを行うプロセスです。さまざまな光硬化性ポリマーの中で、この研究では TPP プロセスに Su-8 材料が使用されました。 Su-8 材料は優れた機械的特性を備えており、高アスペクト比の構造に有利であるため、TPP プロセスに基づくさまざまな用途に広く使用されています。フェムト秒レーザー書き込みシステムの主な仕様を考慮して、反射鏡はレーザーの進行方向をガイドするように設計され、作動距離（反射鏡と構造体との間の距離）の関数としてのアブレーション特性が研究されました。反射鏡は、UVリソグラフィー、ウェットエッチング、CVDなどのMEMSプロセスにより作製した。提案されたプロセスの有効性は、マイクロピンホールやさまざまな方向のマイクロホールを備えたマイクロチューブなど、いくつかのアプリケーションで実証されています。

この研究で使用したすべての化学物質は、特に記載がない限り、Sigma-Aldrich から調達しました。２光子光重合性レジスト、Ｓｕ－８２０３５（ＭｉｃｒｏｃｈｅｍＣｏ．）をすべての製造に使用した。 1 g の SU-8 2035 を、2 mg の高効率フェニレンビニレン架橋 TPA 色素を添加することによって増感しました。 Su-8 は、TPS プロセスの前に 95 °C で 10 分間プリベークされました。製造後、Su-8 を 95 °C で 10 分間ポストベークしました。作製された 3D 微細構造は、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート (PGMEA) によって開発されました。

ほとんどの光硬化性樹脂がTPSプロセスに適用可能です。光硬化性樹脂はモノマーと架橋反応を開始する開始剤から構成されます。効果的な架橋反応を実現するには、露光光の波長に合わせて開始剤を設計する必要があります。 TPSプロセスのレーザー光源はフェムト秒レーザーです。単一光子吸収プロセスとは異なり、フェムト秒レーザーが光硬化性樹脂にさらされると、光硬化性樹脂は 2 つの光子を同時に吸収して励起状態になります。その後、吸収されたエネルギーは放出され、基底状態に戻ります。 2 光子吸収により、レーザーの焦点にある小さな体積は光硬化性樹脂を重合させることができ、ボクセル (ピクセルの体積) と呼ばれます。 2 光子吸収に基づく TPS プロセスを使用して、サブミクロンの製造解像度で 3D 微細構造を製造しました 14、15、16、17。ただし、製造解像度や処理速度を向上させることができる TPS プロセスを評価する必要があります。 TPS とレーザーアブレーションを組み合わせたハイブリッド製造プロセスにより、TPS プロセスの製造効率を向上させることができます。

二光子リソグラフィーシステムは、以前の研究に基づいて開発されました。波長780 nm、パルス周波数80 MHz、パルス幅100 fsのフェムト秒レーザーを使用しました。油浸対物レンズ (開口数、NA = 1.4、× 100、液浸油使用、オリンパス) を使用してレーザービームの焦点を合わせました。すべての微細加工にはエポキシフォトレジスト Su-8 2035 が使用されました。ガラス基板の寸法は 30 × 40 × 0.7 mm3 でした。 x、y、z 方向は、圧電ステージ (Z ステージでは P-622、xy ステージでは P-628 Physik Instrumente (PI)) を使用して 10 nm の解像度でスキャンされました。作製後、3D 微細構造をプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート (PGMEA) 中で 10 分間開発しました。次に、3D 微細構造をイソプロピルアルコール (IPA) 浴で 1 分間洗浄しました。すべてのプロセスは室温で実行されました。

フェムト秒レーザーなどのパルスレーザーがサンプル表面に照射されると、レーザーのエネルギーによってサンプル材料内の自由電子の振動が引き起こされます25、26。

この振動が材料の格子に伝わり、温度が急激に上昇し、蓄熱が発生します。レーザーアブレーションプロセスの解像度は熱の蓄積によって影響を受けます。高温高圧下で表面の粒子を蒸気やプラズマの形に変えて除去します。この現象はレーザーアブレーションとして知られています。レーザーによって発生した熱が基板内に広がる時間は、最大で数ナノ秒であることが知られています。ナノ秒レーザーによるレーザーアブレーションプロセスでは、通常、典型的な幅 10 μm ～ 1 mm の熱影響ゾーン (HAZ) が観察されます。フェムト秒レーザーの場合、パルス幅が蓄熱速度に比べて短いため、物質中の熱拡散の侵入長には限界があります。したがって、フェムト秒レーザーを使用したレーザーアブレーションプロセスでは、HAZ が非常に小さいか、ほとんど存在しないため、超精密プロセスが可能です 27,28。したがって、フェムト秒レーザーは、薄膜パターニング 29、ウェーハダイシング 30、マイクロ流体チャネル 31 などの精密な材料加工のための強力なツールです。

この研究では、2 光子リソグラフィーに使用されるものと同じレーザーシステムを使用してレーザーアブレーションが実行されました。 TPS プロセスの場合、レーザー出力は 10 ～ 100 mW の範囲でしたが、レーザーアブレーションプロセスの場合、レーザー出力は 100 mW を超えました。アブレーションプロセスでは、ガルバノスキャナー (LightningTM II、Novanta Photonics) を使用してレーザーをスキャンしました。

レーザーアブレーション部に使用される光学系は F シータレンズではないため、焦点面は平面ではなく、最小ビームスポットを集光できる照射領域が大きく制限されます。この論文で使用されるレーザーアブレーションシステムの加工領域は 400 µm に制限されています。アブレーションの解像度は、このプロセス領域内ではほぼ同様です。 TPSプロセスでは、圧電ステージの移動範囲に応じて500μmサイズ以内の微細構造体の作製が可能です。ただし、この論文では、2 光子リソグラフィーによって作製される微細構造のサイズは 50 μm 未満です。この論文で提案されているハイブリッドプロセスでは、TPS を使用して微細構造が製造され、次にアブレーションプロセスによって 3D 微細構造に穴が作成されます。したがって、Fθレンズを用いたアブレーションシステムを使用しなくても、微細構造のサイズは加工範囲内にあり、TPSプロセスで作製された微細構造に対してアブレーション加工を適用すれば十分である。

マイクロ 3D 構造はプラチナ (Pt) でスパッタリングされ、SEM (FE-SEM; NNS-450、FEI 香港会社) で画像化されました。二次電子検出器は、真空中で加速電圧 1.0 ～ 1.5 kV ですべての SEM 画像を可視化しました。 SEM と X 線のエネルギー分散分析 (EDAX) を組み合わせたもの。

TPSとレーザーアブレーションの両方の利点を備えたハイブリッドシステムは、既存の微細加工プロセスの効率を向上させることが期待されています。特に、TPSハイブリッドや他の既存のサブトラクティブプロセスを用いて、製造解像度や処理速度を向上させることができるTPSプロセスの研究が必要である。また、単純な穴パターンの場合は、TPS よりもレーザーアブレーションの方が適しています。光硬化性樹脂の重合メカニズムを考えると、周囲のエネルギーによって架橋が広がりやすい傾向にあります。したがって、TPSプロセスを使用して微細なホールパターンを表現することは困難です。

しかし、従来のレーザーアブレーション加工では、レーザーの焦点面が固定されており、加工面に限定されます。レーザー焦点内のアブレーション単位体積は縦方向に長く横方向に短いため、側面パターニングには不向きです。たとえば、従来のアブレーションプロセスによってマルチビーム構造を単一ビーム構造に穴あけする必要がある場合、ビーム構造全体を切断するか、長楕円形のパターンでビームをアブレーションします（図1a）。レーザーの焦点面を変えることで加工面を柔軟に回転させることができれば、加工面の方向に制約を受けることなく、様々な方向にレーザーアブレーション加工を施すことが可能となる。

(a) (a) 垂直方向の従来のレーザーアブレーションプロセスと、(b) レーザー光路の方向を制御する多方向アブレーションプロセスの概略図。 (c) TPS システムと多方向アブレーションシステムを採用した 3D ハイブリッドプロセスを示す図。レーザーアブレーションは、2 光子ステレオリソグラフィープロセスで製造された 3D 構造を改善できます。

本研究では、アディティブプロセスとサブトラクティブプロセスの両方の利点を備えた3Dハイブリッド微細加工システムを提案します。提案されたハイブリッドシステムは、3D 微細構造を効果的に製造するために使用できます。従来のレーザーアブレーションプロセスのプロセス方向の問題を克服するために、フェムト秒レーザーの焦点面を制御することによる多方向アブレーションプロセスが提案されました。マルチビーム構造での穴あけの場合、回転レーザーのアブレーション解像度により、シングルビーム構造で正確な穴パターンを生成できます (図 1b)。図 1c は、多方向アブレーションシステムの概略図を示しています。多方向アブレーションシステムは既存の TPS システムに基づいています。 Ti:サファイアフェムト秒レーザーをレーザー源として使用しました。レーザーはガルバノスキャナーを使用してスキャンされました。すべてのプロセスは CCD カメラを使用して監視されました。レーザーは鏡で反射され、微細構造の側面に到達しました。

図2aは、レーザーの焦点方向をガイドするための反射ミラーシステムの概念設計を示しています。レーザーの経路をガイドする反射ミラーは、多方向アブレーションプロセスにおける重要な要素です。反射ミラーの位置はリニアステージと回転ステージにより手動で制御されます。リニアステージにより反射鏡を微細構造に接近させ、回転ステージにより反射鏡の角度を制御します。反射ミラーは回転ステージに固定されている。反射鏡を用いて入射レーザーの方向を変えた。アブレーション加工面も反射鏡により変更・制御した。レーザーはミラーで反射され、側面から加工できるようになっています。したがって、レーザーの焦点面とレーザーアブレーションの加工面はミラーによって制御できます。

(a) 金コーティングされたミラーと NA 0.3 の対物レンズで構成されるミラーシステムの概略図。ミラーはフェムト秒レーザーを反射してビームを変更します。 (b) 対物レンズの構造の概略図。 (c) 反射ミラーの設計条件。 (d) 集束ビームの概略図。

多方向アブレーションプロセス用のレーザーシステムは、レーザー焦点面を制御するための適切な対物レンズと反射ミラーを使用して開発されました。レーザービームの焦点を合わせるために対物レンズが使用されました。図 2b は、対物レンズのさまざまなパラメータを示しています。瞳孔径とは、レーザーが対物レンズから出たときのレーザーの断面の直径を指します。レーザーを損失することなくレーザーを反射できるように、ミラー表面は瞳孔の直径よりも大きくなるように設計する必要があります。作動距離とは、対物レンズとレーザー焦点の間の距離を指します。作動距離が短すぎると、対物レンズと試料構造の間にミラーを設置することが困難になります。スポット直径は、レーザー焦点におけるレーザー断面の直径を指します。スポット直径は、集束レーザーのアブレーション解像度に関連していました。開口数 (NA) 値は、オブジェクトに入る光の量を表します。 λ はフェムト秒レーザーの波長であり、この研究では 780 nm でした。作動距離は、対物レンズとレーザー焦点の間にミラー面が設置される十分なスペースを確保するのに十分な長さである必要があります。

表 1 に、さまざまな NA 値に応じた対物レンズの瞳径、スポット径、作動距離を示します。 NA1.4、0.75、0.5の場合、ワーキングディスタンスが数mm以下と短く、反射ミラーの設置スペースが必要となるため、ミラーシステムの設置には不向きです。 NA 値の残りの選択肢は 0.3 と 0.13 でした。 NA0.3の方がスポット径が小さく、より高精度なアブレーション加工が期待できます。したがって、この研究では、NA 値 0.3 の対物レンズを使用して多方向アブレーションプロセスを設定することを選択しました。

多方向アブレーションプロセスは、反射ミラーが多方向アブレーションプロセスのためにレーザーの焦点面を変更するために必要です。

ミラー先端の形状はアブレーションのプロセス範囲に関係します。図2cに反射鏡の設計条件を示します。反射鏡には、反射鏡の先端形状を改良することにより、広い製作範囲を得ることが求められている。ミラーの角度(θ)が45°を超えると、ミラー先端が基板から外れてしまいます。ミラー先端が基板からδだけ離れていたため、レーザーアブレーション加工範囲の高さは基板からδだけ低くなった。また、目的とする微細組織には加工限界高さが存在した。ミラー先端の角度が 45° 未満の場合、レーザーが基板に密着して照射され、微細構造の底部がアブレーションされる可能性があります。したがって、ミラー先端が基板に接触できるように、ミラー先端の角度は 45° 未満になるように設計されました。これにより、レーザーアブレーション加工範囲を安定して保護することができた。

入射レーザー光線の反射率が高いコーティング材料を決定することが重要です。図 2d は、集束ビームの入射角を示しています。集束されたレーザービームはさまざまな入射角で反射されました。アブレーションプロセス中に、ガルバノミラーを回転させて、加工面の x 方向と y 方向にパターンを作成しました。続いて、アブレーションプロセス中にレーザーの入射角を変更しました。したがって、コーティング材料は、レーザーのさまざまな入射角に応じて高い反射率を備えている必要があります。一般に、高反射 (HR) コーティングと金コーティングは、780 nm レーザーの反射率が高いことでよく知られています。ただし、HR コーティングは入射角 45° での反射率が高くなるように厳密に設計されています。対照的に、金コーティングはさまざまな入射角でわずかな変化を示しました。そこで本研究では、多方向アブレーション用の反射鏡をPVD法により金でコーティングした。

前述したように、反射鏡には金メッキを施し、反射鏡の先端は45°以下に設計する必要があります。反射鏡の製造プロセスを図3aに示します。金でコーティングされたミラーは、水酸化カリウム (KOH) ウェットエッチングプロセスを使用して製造されました。 SiO2 層をハードマスクとして使用しました。エッチング液（KOH）を使用し、85℃、6時間のウェットエッチング処理を行いました。ウェットエッチングプロセス後、ウェーハ結晶面（100）のエッチング速度はウェーハ結晶面（111）方向よりもはるかに速いため、図3bに示すように、ウェーハ先端の角度は54.75°になります。 PVD プロセスを通じて、金コーティングは 1500 Å の厚さに製造されました。さらに反射鏡の先端を研磨しました。図3cに示すように、作製したミラー先端の角度は22°であり、設計条件を満たしています。ミラー先端の角度は４５°以下であった。

(a) 反射鏡の作製工程。反射鏡はSiウェハからいくつかの工程を経て作製されます。 (b) 金コーティングされたミラーの SEM 画像。研磨前のミラー先端角度は54.74°です。 (c) 金コーティングされたミラーの SEM 画像。ミラー先端を研磨すると角度は22°になります。この結果は設計角度を満足している。 (d) さまざまなミラー角度に応じた HR および金メッキ反射鏡の反射率。

HR コーティングと金コーティングの反射率をさまざまな入射角で測定しました。図3dでは、金コーティングされたミラーは、入射角45°でHRコーティングと比較して反射率が低くなりますが、金コーティングされたミラーの反射率は、HRコーティングされたミラーと比較してさまざまな入射角での偏差が小さいことがわかります。。金コーティングされたミラーの反射率は、45°の入射角に従って 93.7% と測定されました。

さまざまな設計パラメータに基づいて、多方向アブレーションプロセスの加工性を評価する必要があります。図 4a は、反射ミラーシステムの設計パラメータを示しています。「ミラー回転角度（Φ）」は、多方向アブレーションプロセスの加工面を決定します。この研究では、ミラーの回転角度は 45°に固定され、反射されたレーザーは垂直構造の側面に露出されます。「加工距離（D）」は反射鏡面から構造物までの距離を表します。図 4b は、多方向アブレーションシステムを示しています。フェムト秒レーザーによる金のパターニングやダメージに関する参考文献がいくつかあります 33,34。金コーティングされた反射鏡が損傷しないように、適切なレーザー出力範囲内の特定のレーザー出力でレーザーアブレーションプロセスを実行することが重要です。図4cに示すように、加工距離が短すぎると、反射鏡面におけるレーザー照射領域が狭くなり、レーザー強度が強すぎて反射鏡面にダメージを与えてしまいます。ただし、加工距離が長すぎると構造体の底部までレーザー光を照射することが困難になります。したがって、微細構造の底部からレーザーが照射されない、プロセスが制限された領域が存在します。

(a) 多方向アブレーションシステムで反射するレーザーの概略図。 (b) 多方向アブレーションシステムの写真。 (c) レーザー照射面積に応じたレーザー強度の概略グラフ。レーザー強度（I）が増加すると、加工距離（D）は短くなります。 (c) 加工距離 5 μm および 10 μm における 800 mW のさまざまな照射レーザー出力による反射鏡表面損傷試験の実験結果を示す SEM 画像。赤と黄色のシンボルは EDAX 分析のポイントを示します。 (d) 損傷を考慮した反射鏡と構造物との製作距離。 (e) レーザー出力と加工距離に応じた多方向アブレーション加工の加工可能領域。

最小限の加工限界面積で反射鏡面にレーザーによるダメージを与えない加工距離の範囲を検討する必要があります。レーザーパワーを800mWまで200mW刻み、加工距離を5μm、10μm、15μmと変化させ、レーザーによる反射鏡面の損傷の有無をEDAXで解析した。その後、レーザーを10秒間照射しました。図 4d は、さまざまな照射レーザー出力に対する鏡面損傷試験の実験結果の SEM 画像を示しています。レーザーによって損傷を受けた領域と損傷を受けていない領域の 2 つの点がありました。損傷領域内の赤色の三角形のシンボルは、加工距離 5 μm でレーザーが 800 mW にさらされた EDAX 分析ポイントを示します。損傷のない領域にある黄色の円形の記号は、レーザーが 800 mW、加工距離 10 μm にさらされた EDAX 分析ポイントを示します。非加工領域（①）では、EDAX データによれば、鏡面上で Si 成分が支配的であることが観察できます。この結果は、金でコーティングされた表面層がレーザー照射によって損傷を受けたことを示しています。加工可能領域（②）では金成分が支配的でした。これは、金でコーティングされた表面層がレーザーによって損傷されていないことを示しています。図4eは、レーザー出力と加工距離に応じた加工可能領域を示しています。黄色の点は加工点を示しており、反射鏡はレーザーによって損傷されていません。しかし、赤点は非加工点を示しており、反射鏡が破損していた。

反射鏡が微細構造に近づくにつれて、アブレーションプロセスで制限される領域が減少しました。図 5a と b は、レーザーが微細構造の側面に照射され、ガルバノスキャナーを使用して走査されたとき、アブレーションプロセスによって微細構造の高さが制限されたことを示しています。図５ａに示すように、加工距離が３０μｍの場合、加工の高さは５μｍである。しかし、加工距離がターゲット微細構造から100μmの場合、加工限界高さは22μmまで増加した。加工距離が微細構造から遠いため、レーザー焦点が微細構造の底部に到達できず、加工限界の高さが増加します。加工距離を短くすると、加工限界高さを最小限に抑えて加工を行うことができます。これらの実験結果を使用して、プロセス限界の高さを予測できます（図5c）。

(a) 30 μm および (b) 100 μm のプロセス距離での多方向アブレーションプロセスの概略図と SEM 画像。 SEM 画像は 52° に傾斜した SEM ステージで測定されました。高さは 52°の傾斜に従って補正されました。 (c) SEM 画像の結果に基づいて、加工距離に応じて高さを制限したプロセス。

多方向アブレーションには、NA 0.3 の対物レンズを使用しました。これまでの研究によれば、集光されたレーザーの光学的形状は長楕円形である35。 NAが小さいほど、焦点の形状が細長くなります。さらに、進行方向に沿ったレーザー強度は、横方向に沿ったレーザー強度よりも大きくなります36。従来のレーザーアブレーションプロセスは側面のパターニングには適していません。側面に正確なパターンを形成するには、多方向アブレーションシステムを使用して焦点面を回転する必要があります。図6aに示すように、マルチビーム構造をシングルビーム構造に穴あけする必要がある場合、レーザーはミラーで反射され、加工平面が回転します。この回転された焦点により、単一ビーム構造で正確なホールパターンが得られます。 3 ビーム構造は TPS プロセスを使用して製造されました。各ビームの高さと幅はそれぞれ 5 μm と 1 μm でした。上部ビーム構造に穴を作成するために、反射ミラーを使用して焦点面の方向を正確に制御しました。正確な穴パターンを作成するために、レーザー出力は 100 mW でしたが、これはアブレーションプロセスの最小レーザー出力です。図6bに示すように、500 nmの単一穴パターンが上部ビーム構造に形成されました。図 6c は、多方向アブレーションプロセスによる 3D 微細構造の多点穴あけ能力を示しています。 6 壁構造は TPS プロセスによって製造され、反射および回転したレーザー焦点が Z 軸ピエゾステージとガルバノスキャナーを使用して各壁に露光されました。その結果、各六壁構造上に５μｍサイズの穴が選択的にパターン化された。したがって、多方向アブレーションプロセスにより、さまざまな用途に合わせて微細構造のさまざまな表面にパターンを作成できます。

(a) 多方向アブレーションプロセスの概略図。プロセスによる作製例のSEM画像。 (b) マイクロビームへの一点穴あけ。 (c) さまざまな加工面での多点穴あけ。 (d) 光学フィルターや回折パターンなどの光学用途のためのマイクロピンホール構造。 SEM 画像は 52° に傾斜した SEM ステージで測定されました。高さは 52°の傾斜に従って補正されました。

多方向アブレーションプロセスは、マイクロピンホール構造に適しています。平らな薄壁はTPSによって作製され、多方向アブレーションプロセスによって構造の側面に微細穴が開けられました（図6d）。平らな薄壁の作製時間は約 10 分で、微細穴をあけるアブレーション時間は 1 ms 以内でした。微細孔を有する平坦な薄壁をTPSプロセスで作製する場合、積層造形により作製時間は数分間増加します。したがって、多方向アブレーションプロセスは、製造時間の観点から非常に効果的なプロセスです。これらのマイクロピンホール構造は、光学フィルターや回折格子などのさまざまな光学用途に使用できます。このマイクロピンホール構造を使用して、マイクロスケールでのトワイマン・グリーン干渉法を実証しました。トワイマン・グリーン干渉法は、サンプルの移動距離を測定するセンサーとして適用できます。マイクロレンズ、マイクロミラー、マイクロプリズムは、TPS プロセスを使用して製造されました。マイクロピンホールは、TPS と多方向レーザーアブレーションプロセスを使用したハイブリッド製造プロセスを使用して製造できます。したがって、TPSと多方向アブレーションプロセスのハイブリッドは、将来的にはマイクロスケールでのさまざまな光学実験のための光学素子に適用されることが期待されます。

この研究では、微細構造の側面にパターンを作成するための多方向アブレーションプロセスが提案されました。レーザーアブレーションの焦点面を制御できる反射ミラーシステムが必要でした。この多方向アブレーションシステムでは、作動距離、スポット径、瞳径などの対物レンズ仕様を考慮し、NA0.3の対物レンズを採用しました。レーザー光路ガイドの反射鏡はMEMSを用いて製作しました。高い反射率を得るために反射鏡に金コーティングを施し、反射鏡先端の角度を22°にして反射鏡と基板との干渉を軽減しました。さらに、多方向アブレーション処理の範囲は、レーザー出力と処理距離を考慮して導出されました。そこで、反射鏡面にダメージを与えない加工範囲を導き出しました。

TPS プロセスを使用してさまざまな 3D 微細構造が製造され、多方向アブレーションプロセスを使用して 3D 微細構造の側面がアブレーションされました。これは、多方向レーザーアブレーションプロセスが将来、さまざまな微細構造の微細加工プロセスの加工可能性を拡大できる可能性があることを示しました。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、韓国政府 (MSIT) の資金提供を受けた韓国国立研究財団 (NRF) 助成金 (番号 2020K1A3A1A19087858) によって支援されました。この研究は、韓国産業技術研究院の内部プロジェクト (No. JH230014) によっても支援されました。

韓国積層造形イノベーションセンター (KAMIC)、韓国産業技術研究院 (KITECH)、韓国始興市

チョル・ウハ＆ヨンソン

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CWH はマイクロ 3D 構造を設計、製作し、本文と図を作成しました。ヨンソン氏は原稿を書き、査読した。著者全員が原稿を読み、レビューしました。

チョル・ウハさんへの手紙。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Ha、CW、Son、Y。フェムト秒レーザーを使用して 3D 微細構造の側面にパターンを作成する多方向アブレーションプロセスの開発。 Sci Rep 13、4781 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-32030-8

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受信日: 2022 年 12 月 29 日

受理日: 2023 年 3 月 21 日

公開日: 2023 年 3 月 23 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32030-8

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