High-Repetition-Rate Projection Multiphoton Lithography for Large-Area Sub-Micron 3D Printing

技術要約：大面積サブミクロン3Dプリンティングのための高繰り返し率投影マルチフォトンプリトグラフィ

問題提起
高解像度アディティブ・マニュファクチャリング、特に直接レーザー描画（DLW）によるマルチフォトンプリマーゼーション（MPL）は、マイクロ光学素子やメタマテリアルを含むサブミクロン構造体を製作するための最良の技術である。しかし、標準的なポイント・バイ・ポイント方式のMPLは、体積スループットが本質的に低いという制限があり、大面積または工業規模の製造には適していない。デジタルマイクロミラーデバイス（DMD）を用いた投影リソグラフィは、造形を並列化する経路を提供するが、このシステムをサブミクロン領域へとスケールアップするには、重大な光学および熱的課題が存在する。具体的には、標準的なホログラフィックビームでは焦点体積が長大化するため、スキャンを行わずに軸方向の閉じ込めを維持することが困難である。さらに、スループットを高めるためにレーザーの繰り返し率を上げると、熱的不安定性が誘発され、「ホットスポット」の発生、制御不能なバルク重合、およびDMDマイクロミラーへの損傷を引き起こすことが多い。加えて、フェムト秒レーザーに典型的なガウス型強度プロファイルは、エネルギー分布の不均一性を招き、一貫した寸法精度を持つ大規模なアレイの製作を妨げる。

手法
著者らは、時空間ビームシェイピングと高繰り返し率レーザー光源を統合した、高スループットの投影3Dプリンティングプラットフォームを提示している。システム構成は、主に3つのゾーンで構成される。

1. 光源およびパルス圧縮： セットアップには、最大20 MHzまで可変可能な繰り返し率を持つ、コンパクトで高出力なフェムト秒ファイバーレーザー（Aeropulse FS10）を使用している。本研究では、レーザーは500 kHzで作動する。カスタムパルスコンプレッサー（MIKS1S）は、空間的なチャープを導入してパルスを空間的に引き伸ばし、その後、時間的に圧縮する。第二高調波発生（SHG）による515 nmへの変換後、パルス幅は初期の180 fsから100 fs未満へと短縮される。この時間的圧縮は、数百万のパルスに平均パワーを分散させつつ、二光子励起効率を最大化し、DMDへの損傷を回避するために極めて重要である。
2. ビームシェイピングおよび投影： 投影フィールド全体で均一な強度を確保するため、$\pi$-シェイパーがガウスビームをトップハットプロファイルに変換し、これをDMDのアクティブ領域をわずかにオーバーフィルするように15 mmまで拡大する。DMD（DLP6500）は、プログラム可能な回折光学素子として機能する。システムは、DMDのマイクロミラーの傾斜軸が入射面の垂直方向に位置するように配置されており、回折効率を基本次数へと最大化するためのブレイズ回折格子条件を満たしている。
3. 同時時空間集束（SSTF）： システムは、DMDによって導入される角度分散を利用する。4f光学リレーシステムが、高開口数（NA 1.4）の対物レンズを用いて、スペクトル分散された成分を焦点面で再結合する。これにより、焦点においてのみ等時的なスペクトル成分の重ね合わせが生じ、パルスは最小の持続時間（< 60 fs）とピーク強度に達する。焦点体積の外側では、パルスは時間的に引き延ばされた状態に保たれ、焦点外での重合を抑制し、軸方向の閉じ込めを確実にする。
4. 材料の最適化： 著者らは、500 kHzにおける光開始剤が熱的安定性に与える影響を調査した。SZ2080ハイブリッド樹脂を用いた4,4'-ビス(ジエチルアミノ)ベンゾフェノン（BIS）とIrgacure 369を比較した。BISは、515 nmにおける残留線形吸収による熱的ブルーミングおよび溶媒蒸発を引き起こすことが判明した。対照的に、緑色波長域での吸収が無視できるIrgacure 369は、非線形二光子吸収のみに依存した熱的に安定なプロセスを可能にした。

主な結果

• 解像度とスループット： システムは、2.3 $\times$ 10$^6$ ボクセル/s の安定した体積スループットを達成しながら、< 400 nm の横方向解像度（最小特徴サイズ352 nm）を維持した。
• マイクロピラーアレイ： 高アスペクト比のマイクロピラーアレイを、均一な断面と高い垂直性をもって製作した。これは、標準的な投影ビームに見られる軸方向の伸長を抑制するシステムの能力を裏付けている。
• 大面積製作： 高精度リニアステージを用いたステッチングプロセスを用いることで、シームレスなウッドパイル格子や均一なマイクロピラーアレイを広大な領域（例：1.2 cm $\times$ 1.2 cmの領域を2分間でパターン形成）にわたって製作した。
• グレースケールリソグラフィ： 本プラットフォームは、アナログ光学素子、特に半球型マイクロレンズ（直径10–33 $\mu$m）の製作に成功した。露光時間の変調により、著者らは曲率とサグ高さを制御し、ポイントスキャニングシステムに共通する「ハッチングアーティファクト」のない、光学グレードの滑らかさを実現した。
• 熱的安定性： Irgacure 369の使用と500 kHzの繰り返し率により、熱的なクロストークと近接効果を排除することに成功し、制御不能なバルク重合を伴わない高密度構造の製作が可能となった。

意義および主張
本論文は、標準的なポイントスキャニング方式の二光子重合（TPP）と、複雑でハイエンドな投影システムの間の溝を埋めるものである。高価で嵩張る再生増幅器の代わりに、コンパクトでコスト効率の高いファイバーレーザーを利用することで、本システムは大量生産へのスケーラブルな経路を提供する。時空間パルスシェイピングの統合により、サブミクロン解像度と熱的安定性を維持しながら、数百万のボクセルの同時印刷が可能となる。著者らは、このワークフローが、高出力増幅レーザー光源を必要とせずに、機能的な微細構造（マイクロ光学素子やメタ表面を含む）の量産に向けた強固な基盤を確立すると主張している。本研究は、時空間パルスプロファイルと光開始剤の化学を最適化することで、高速な体積造形が可能であることを実証した。