リソグラフィ(CryLaS社レーザーアプリケーションノート)

CryLaS

CryLaS社小型&低ノイズレーザーシステムによるリソグラフィの例をご紹介します。

フォトリソグラフィは、紫外線リソグラフィ(UVL)とも呼ばれ、微細加工において薄膜の一部や基板の大部分をパターン化するためのプロセスです。フォトマスクから基板上の感光性樹脂フォトレジストに幾何学的パターンを転写します。例えば、複雑な集積回路やCMOSウェハは、フォトリソグラフィのサイクルを何度も繰り返します。レーザー干渉リソグラフィ(LIL)、ナノインプリントリソグラフィ(NIL)、ステレオリソグラフィ(SLA)などの技術は、複雑なフォトマスクを使用せずに、微細な特徴の規則的な配列をパターニングします。医療やバイオテクノロジーのアプリケーションのための3Dプロトタイピングを行います。

走査型ビームレーザー干渉リソグラフィにおける光の位相差と基板の動きによる同時エラーをリアルタイムで補正

近年の液晶ディスプレイやマイクロ・ナノフォトニクスの発展に伴い,大面積の基板上に高精度の周期的パターンを形成する新しいナノ加工技術の開発が進められています。走査型ビームレーザー干渉リソグラフィ(SBLIL)は、このような高精度ナノグレーティング構造の高速製造プロセスです。しかし、SBLILによって製造されたナノパターンの精度は、機械的および光学的な位相ジッターを含むいくつかの要因によって悪影響を受けています。これまでの研究では、パターン製造に焦点が当てられていましたが、エラー訂正に関する研究はほとんど行われていませんでした。本論文では,SBLILプロセスにおける基板の動きと光路差を包括的かつリアルタイムに制御するための設計手法を提案しました。SBLILの誤差源と制御入力を関連付ける方程式を導き出し、音響光学変調とピエゾ電気作動によって制御を実現しました。開発した方式をSBLILプロセスに適用し、ナノパターンの均一性を向上させることで検証しました。
 
Real-Time Compensation of Simultaneous […] Substrate Motion in Scanning Beam Laser Interference Lithography System, 2018

ステレオリソグラフィ:培養皮膚のための最適化された血管網

本論文では、生理学的条件に基づいて、組織工学構造物のための最適な血管網を設計・製造するための本質的で効率的な方法を示しています。複雑な血管の最適化設計を行うために、ミクロスケールとマクロスケールの両方の包括的な生理学的要件を考慮しています。生体適合性、弾性を持ち、表面にバイオコーティングが可能な材料を用いて、ステレオリソグラフィプロセスによって製造されました。 この材料は、BPA-エトキシル化ジアクリレート、ラウリルアクリレート、イソボルニルアクリレートからなる光硬化性樹脂と、光重合開始剤であるIrgacure®184を用いて、独自に開発したものです。 最適化された血管には多くの利点があります。
1)栄養分を最大限に供給
2)再循環領域を最小限に抑える
3)血管にかかる壁のせん断応力を健全な範囲に抑える
ステレオリソグラフィで製造した血管を、細胞を播種したハイドロゲルに埋め込みました。In vitro試験の結果、最適化された血管網は、純粋なハイドロゲルの足場や、単一のチューブ内に埋め込まれたハイドロゲルの足場と比較して、7日目の細胞死率が最も低いことがわかりました。 結果的に、これらの設計・製造は、複雑で特殊な人工血管網の開発に有効であることが示されました。
 
Optimized vascular network by stereolithography for tissue engineered skin, 2018

利得媒体の形態に依存しないシングルモード分布帰還型レーザーの動作

分布帰還型(DFB)レーザーは、広い波長範囲でコヒーレントなシングルモード発振を得ることができるため、有機材料の役割が重要な生物学的用途に有用です。しかし、有機レーザーの定型的な構造や、利得媒体を共振器として利用する方法は、色素で染色された細胞や組織のような不定形の利得媒体からレーザー発振を誘起するのには適していません。本研究では、様々な状態の利得媒体からシングルモードのDFB発振を誘起するために,1次元石英格子上に極めて薄い二酸化チタン(TiO2)層を形成した再利用可能なテンプレートを報告します。また、同じテンプレートを用いて、光学的に厚い・薄いキャストフィルム、液体、自立した厚膜などの外部利得媒体から信頼性の高いシングルモードの発振が得られました。数値シミュレーションによると、厚さ25nmのTiO2切断型回折格子線は、基板との間にインデックス差がない場合でも垂直方向に空間的に閉じ込められたDFBモードをサポートすることが示されました。さらに、一般的な導波管のゲイン層を使用しないことで、屈折率計測における高感度と検出限界が期待できます。これらの結果は、このフォトニック結晶が、バイオアプリケーションのための汎用的なセンシングプラットフォームとして機能することを示唆しています。
 
Single‐mode distributed feedback laser operation with no dependence on the morphology of the gain medium, 2017

環境に優しい分布帰還型レーザーによる酸性蒸気の検出

DFB型レーザーは、共振器において光と物質の相互作用が増幅されるため、高感度・高検出率を実現する化学センサーに最適なレーザーです。しかし、有機レーザーは、複数回の光励起により蛍光色素の量子収率が低下するため、寿命が短いという問題があります。本研究では、フルオレセインナトリウム(蛍光色素)を含む天然シルクタンパク質を石英グレーティング上にすることで、コスト効率が高く、環境に優しい化学探知用DFBレーザーを実現しました。絹/色素DFBレーザーの光励起による減衰力調整は,塩酸(HCl)蒸気に対して蛍光の30倍以上の感度を示します。塩酸の濃度と絹/染料層の厚さに依存して、発光が停止するまでの時間が変わることを示しました。洗い流して再コーティングした後、消光したシルク/染料層を新しいものに簡単に交換することができます。さらに、シルクプロテインを使用することで、環境や生物に優しい化学検知を実現することができます。今回のアプローチは、適切な色素を選択することで、他の重要な分析物の検出にも応用できると考えられます。
 

 
A physically transient and eco-friendly distributed feedback laser chemosensor for detecting acid vapor, 2017

フッ化リチウム/Ag層により変調された低閾値同時多波長自然放射増幅

本論文では,積層型活性平面導波路を用いた多波長自然放射増幅(amplified spontaneous emission: ASE)について述べます。活性層と変調層の間にフッ化リチウム層を挿入することで蛍光消光を避け、ポンプエネルギーを1つの導波路に閉じ込めることができました。光励起では、それぞれの活性層に対応した503nmと662nmのASEが同時に観測され、閾値は~37.2KW/cm2と~39.7KW/cm2と極めて低い値を示しました。
 
Low threshold simultaneous multi-wavelength amplified spontaneous emission modulated by the lithium fluoride/Ag layers, 2015

モルフォ蝶にヒントを得たレーザー干渉リソグラフィによる階層的な光学活性ナノ構造の作製

モルフォ蝶の有名な非虹色の青色は、「クリスマスツリー」のようなナノ構造に起因しており、一般的な製造技術では困難とされています。ここでは、デュアルビーム干渉リソグラフィを用いて、この複雑な形態を作製する方法を紹介しています。フォトレジストの下に反射膜を追加し、基板からの後方反射を利用して垂直方向に2つ目の干渉パターンを形成します。この垂直方向のパターンは、ラメラ構造を感光性樹脂に露出させ、水平方向の干渉パターンはリッジの距離を決定します。感光性樹脂は、クリスマスツリーのような先細りの形状になるように適宜選択されます。完成したモルフォの人工レプリカは、入射角40度までは鮮やかな非虹色を呈しています。樹脂の屈折率がキチンに近いため、その光学特性はオリジナルのモルフォ構造に近いです。さらに、このバイオミメティックな表面は、接触角110度の撥水性を有しています。
 
Utilizing laser interference lithography to fabricate hierarchical optical active nanostructures inspired by the blue Morpho butterfly, 2014

アウトカップリングを向上し、超効率的な光の抽出とランバーシアン配光を実現した白色発光有機発光ダイオード

白色発光有機発光ダイオード(WOLED)は、アウトカップリング効率が悪いという問題を抱えています。ブラッググレーティングを用いてアウトカップリング効率を向上させることは、有機ELの光取り出しにおいて非常に有望ですが、このような周期的な構造は、デバイスの角度依存性やスペクトル依存性を引き起こす可能性があります。ここでは、104%の効率向上につながるTiO2-ブラッググレーティングによる高効率アウトカップリングと、基板/空気界面に追加の高品質マイクロレンズディフューザーを組み合わせた方法を紹介します。この拡散板を追加することで、均一な白色発光が得られただけでなく、すでに改善されていた装置の効率をさらに94%向上させ、全体の向上係数を約4とすることができました。
 
White organic light emitting diodes with enhanced internal and external outcoupling for ultra-efficient light extraction and Lambertian emission, 2012
 

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