3Dマイクロファブリケーション

3次元（3D）微細加工とは、材料を重ね合わせて顕微鏡的スケールで3次元構造を作り出す製造技術を指します。^{[1]これらの構造は通常マイクロメートルスケールであり、}マイクロエレクトロニクスやマイクロエレクトロメカニカルシステムでよく使用されます。

マクロ的な類似物と同様に、微細構造はラピッドプロトタイピング法を使用して製造できます。これらの技術では、通常、樹脂を層状に重ねますが、各層は従来のプロセスで使用されるものよりもはるかに薄く、高解像度の微細部品を製造します。電気化学製造などのプロセスでは、層は5〜10μmほど薄くなります。^[2]微細構造の作成は、コンピュータ支援設計モデルを適切な数の2次元層にスライスしてツールパスを作成するという点で、従来の積層製造技術に似ています。このツールパスに続いて、機械システムが目的の形状を生成します。

一般的な用途はステレオリソグラフィー（SLA）で、表面に紫外線またはレーザー光線を使用して層を作成し、その層をタンクに降ろしてその上に新しい層を形成します。もう 1 つの一般的な方法は、溶融堆積モデリング（FDM）で、移動するヘッドがモデル材料（通常はポリマー）を溶かして層を作成し、溶けた材料を表面に押し出します。選択的レーザー焼結（SLS）などの他の方法も、3D 微細構造の積層製造に使用されます。^[1]

レーザーベースの技術は、微細構造を生成するための最も一般的なアプローチです。典型的な技術では、レーザーを使用してバルクサンプルから材料を追加または削除します。最近のレーザーの用途では、小さな領域に焦点を合わせたレーザーの超短パルスを使用して、構造を作成するために層状に重ねられたパターンを作成します。このような方法でのレーザーの使用は、直接レーザー書き込み (DLW) または多光子リソグラフィーとして知られています。マイクロモーター、マイクロポンプ、その他のマイクロ流体デバイスなどの微細機械要素は、直接書き込みコンセプトを使用して生成できます。加法および減法プロセスに加えて、DLW では材料の特性を変更できます。これらの変更を可能にするメカニズムには、焼結、マイクロステレオリソグラフィー、および多光子プロセスが含まれます。これらは、パルスフェムト秒レーザーを使用して正確な量を照射し、エネルギーの吸収を誘発して励起状態をもたらし、材料のアニーリングと表面構造化をもたらします。^[3]照射によって引き起こされる具体的な変化は、パルスエネルギー、パルス持続時間、パルス繰り返し率などのパラメータによって異なります。

マイクロステレオリソグラフィーは、ステレオリソグラフィーの原理に基づく一般的な技術です。3D コンポーネントは、光重合性樹脂を繰り返し重ねて紫外線レーザーで硬化させることで製造されます。この技術を採用した以前のシステムでは、スキャン原理が採用されており、焦点を絞った光線を 1 か所に固定し、移動ステージを移動させて各層をベクトルごとに製造します。より高速な代替手段では、投影原理が採用されており、樹脂の表面に画像を投影して、層の照射を 1 ステップで行います。高解像度の結果により、このような小さなスケールでは製造が難しい複雑な形状の製造が可能になります。^[1]

多光子リソグラフィー、例えば2光子重合（2PP）は、サブマイクロメートルの解像度で構造を3Dプリントするために使用できます。このプロセスでは、レーザーの焦点を使用して、特定のポイントで樹脂またはガラスを光重合します。10 ³¹ photons ^-1 cm ^-2の範囲の高い光子電流を実現するために、パルス幅100 fsのフェムト秒レーザーが使用されます。^[4] 2PPでは、2つの光子が焦点で出会い、レーザーの励起エネルギーが2倍になり、ボクセル/焦点の周りの材料への影響は最小限に抑えながら、2PP樹脂のボクセルを硬化します。焦点を3次元空間内で移動させ、異なるポイントで媒体を固化させることにより、2023年時点で100～160 nmの特徴サイズで、目的の3D形状を積層製造することができます。^[5] 2PP製造の限界は、使用する機器（サーボ、ミラー、レーザー解像度）と選択したレンズ（レーザーフォーカス）、および材料（UV吸収プロファイルと反応性）によって異なります。^[3]最近、2PP印刷材料のリストは積極的に拡大しており、硬質および柔軟なポリマー、ガラス、柔らかいエラストマーが含まれており、さまざまなMEMSおよびソフトマイクロロボットの微細加工が可能です。^[6]

付加的プロセスでは、特定のパターンで材料を積層します。これには、有機前駆体を使用して構造またはバルク材料にパターンを書き込むレーザー化学蒸着 (LCVD) が含まれます。このアプリケーションは、エレクトロニクスの分野で、特にディスプレイ用トランジスタアレイの修復で使用されています。別の付加的プロセスは、コーティングされた基板に向けられたパルスレーザーを使用して、レーザーの流れの方向に材料を転写するレーザー誘起前方転写 (LIFT) です。^{[1] LIFT は、転写熱電材料、ポリマー[7]}の製造に使用されており、銅線の印刷にも使用されています。^[8]

現在、3Dマイクロ構造に焦点が当てられており、電子、機械、マイクロ光学、分析システムなど、多くのマイクロシステムで注目されています。そして、この技術が発展するにつれて、表面マイクロマシニング、バルクマイクロマシニング、GIGAプロセスなどの従来のマイクロマシニング技術では、斜めや曲面の3Dマイクロ構造を製造または生産するには不十分であることがわかりました。^[9]

傾斜 UV 露光の基本的なセットアップは、従来の UV 光源、接触ステージ、および傾斜ステージで構成されます。さらに、フォトマスクとフォトレジストが塗布された基板を接触ステージの上部プレートと下部プレートの間に置き、下部プレートをネジで押し上げて固定します。次に、傾斜 UV にフォトレジストを露光します。

製造プロセスの例: SU-8はネガ型の厚いフォトレジストで、傾斜/回転 UV リソグラフィーを使用した新しい 3D マイクロ製造方法に使用されます。プロセス中、約 100 µm の厚さのシリコン ウェーハに SU-8 50 をコーティングします。次に、レジストを 65 °C のホット プレート上で 10 分間、95 °C のプレート上で 30 分間ソフト ベークします。コンタクト ステージを使用して、レジストをフォトマスクに接触させます。このステージを傾斜ステージに立てかけ、レジストを UV にさらします。365 nm UV の線量は 500 mJ/cm ²です。露光後、レジストは 65 °C のホット プレート上で 3 分間、95 °C のプレート上で 10 分間露光後ベークされます。最後に、レジストは SU-8 で室温で軽く撹拌しながら約 10 ～ 15 分間現像され、その後イソプロピルアルコールでリンスされます。そのほかにも、傾斜 UV リソグラフィー、傾斜回転 UV リソグラフィー、反射 UV を使用したリソグラフィーなど、さまざまな手順があります。

直角に入射した紫外線の軌跡が直線上にある場合、フォトマスクのパターンがレジストに転写されます。斜めの紫外線露光プロセスでは、紫外線が屈折して反射されるため、さまざまな3D構造を作製できます。3Dマイクロ製造技術によって製造された微細構造は、多くのマイクロシステムに直接関連付けることができます。また、電気メッキの金型として使用することもできます。その結果、これらの技術は、フィルター、ミキサー、ジェット、マイクロチャネル、LCDモニターの導光板など、さまざまな分野に適用できます。

複雑な 3D 微細構造の設計は、光学、バイオテクノロジー、マイクロ/ナノエレクトロニクス向けの新素材の開発にとって非常に困難な作業です。3D 素材は、2 光子フォトリソグラフィー、干渉リソグラフィー、成形など、さまざまな方法で製造できます。ただし、これらの技術を使用した 3D 構造化は、実験的には非常に複雑です。このため、スケールアップや幅広い適用性が制限される可能性があります。

自然は、優れた特性を持つ新しい材料を設計するためのアイデアを数多く提供しています。自然界における構造形成の主原理である自己集合と自己組織化は、インテリジェント材料の設計のための有望な概念として大きな関心を集めています。

刺激応答性ハイドロゲルは、植物細胞の膨張/収縮挙動を模倣し、環境条件の小さな変化に反応してマクロな作動を生み出します。ほとんどの場合、すべての方向への均一な膨張または収縮は、条件の変化をもたらします。また、不均一な膨張と収縮は、曲げ、ねじれ、折り畳みなどのより複雑な動作をもたらす可能性があり、異なる方向で異なる大きさで発生する可能性があります。構造化材料の設計にこれらの現象を利用することは、非常に複雑な反復的な 2D および 3D パターンをテンプレートなしで簡単に製造できるため、非常に魅力的です。ただし、前述のように、2 光子および干渉フォトリソグラフィーなどの高度な製造方法を使用して準備することはできません。自己折り畳みアプローチの利点は、外部と内部の両方で制御された化学的性質と形態を持つ 3D 中空物体を迅速かつ可逆的に再現可能に製造できることです。

自己折り畳み材料の実験的な応用例の一つは、平らな状態で出荷されるが、沸騰したお湯に触れると希望の形状に折り畳まれるパスタである。^[10]

自己折り畳みポリマーフィルムの幅広い応用を制限する要因の 1 つは、製造コストです。実際には、ポリマーは常温でスピンコーティングとディッピングコーティングによって堆積できるため、ポリマー自己折り畳みフィルムの製造は、真空蒸着によって製造される無機フィルムの製造よりも大幅に安価です。言い換えれば、自己折り畳みポリマーフィルムを安価かつ大規模に製造する方法がないため、その用途は大幅に制限されています。

これらの問題を解決するには、将来の研究では、2D形状のみを使用して複雑な3D構造を設計できるように、折り畳みのより深い研究に焦点を当てる必要があります。一方、大量の自己折り畳みフィルムを安価かつ迅速に製造する方法を見つけることは非常に役立ちます。^[11]