通常のリソグラフィでは、デザイン各層ごとにマスクを使い、露光・現像してパターンを作製する。米ジョージア工科大学の研究者らは、マスクを必要としない多光子リソグラフィの技術を使って、65nmという微細な三次元ポリマーライン構造を作製した。

　この技術を用いると、各層ごとに異なるパターンをスキャンするコンピュータプログラムを使用することによって、三次元ナノ構造が簡単に作製することが可能になる。マスクが必要なくなるだけでなく、塗布、露光、現像プロセスが1度ずつで済むことになる。同大学化学・生化学学部の教授でCenter for Organic Photonics and ElectronicsのJoseph Perry氏によると、30層の20×20μm構造をたった10分で作製することができるという。

　「これまで報告されていた100nmを大幅に下回る65nmの線幅を得られたことで、多光子リソグラフィの応用範囲が広がる」とPerry氏は述べる。具体的なものとして、同氏はこの技術を使って電気通信やセンサー向けに、チップ上に小型顕微分光計を製作することを構想している。また、光ファイバーケーブルを通る多波長の光を分離するといったことなども考えられる。

　3月19日付けのOptics Express^1）に掲載された最新の研究成果のカギとなったのは、短波長でレーザー光に感度を持つ新たな2光子吸収分子である。これにより、電子ビームやEUVリソグラフィ装置といった高度な製造技術を用いることなく、微細な線幅を作り出すことが可能になる。三次元多光子リソグラフィを用いることで、プロセスの簡素化やコスト削減が可能となる。同技術は、ナノスケールの電子デバイス、光デバイス、マイクロ流体デバイスなどを製作する既存のプロセスに匹敵するものになるかもしれない。

　同技術では、望ましい硬化ポリマー構造を作るため、特別な染料を含有したポリマー樹脂を塗布した基板全面に、レーザー光をスキャンする。レーザー書き込みのプロセスは、分子が光の2光子を吸収した場所でのみ化学架橋反応が起こることを利用している。2光子吸収率はレーザーの焦点からの距離によって急激に低下するので、焦点の分子だけが2光子を吸収するのに十分な光を受光する。

　同じく化学・生化学学部のSeth Marder氏とStephen Barlow氏は、レーザー露光時のポリマー硬化につながる化学反応を起こすため、4,4-ビス（ジ-n-ブチルアミノ）ビフェニル（DABP）分子を合成した。「520nm波長で優れた2光子吸収率を有する染料が必要だったのでDABPを試した」とPerry氏は説明する。「DABPはこの種のリソグラフィには大変効果的であることが証明された」。

　同分子は2光子吸収によって、市販されているUV感光剤と比べて約10倍の光吸収効果がある。これにより、Perry氏をはじめとする、大学院生のWojciech Haske氏とVincent Chen氏、調査研究員のJoel Hales氏、博士研究員のWenting Dong氏らは、ポリマーにダメージを与えないほどの低光度で、ナノスケールの線幅を持つ三次元パターンを製作することに成功した。

　今回の実験のため、DABPを含むポリマー樹脂の膜を形成。それを集光レーザーで露光すると、DABPが励起され架橋結合が促された。そして、現像液にさらされると、基板表面上に不溶性のスキャン後の構造が残った。

　Tiサファイア・パルスレーザーがスキャンする場所をコンピュータプログラムで制御するため、ポリマーを接合されて頑丈な直線の3次元積層といった、あらゆるパターンで架橋結合させることが可能。レーザー光は、ポリマー線を露光するときにはオンになり、線を引く必要がないときはオフになる。　「基本的にはあらゆるパターンを作成できる」という。

1. H. Wojciech et al., “65 nm Feature Sizes Using Visible Wavelength 3-D Multiphoton Lithography ,” Optics Express, 2007, Vol. 15, No. 6, p. 3426.