DE102019121106A1 - Method and device for generating a three-dimensional structure with at least one flat partial area - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Erzeugen einer dreidimensionalen Struktur mit wenigstens einem flächigen, unebenen Teilbereich (30) in einem durch Einstrahlung eines Lasers (18) in einem Fokus (18a) des Lasers ortsaufgelöst polymerisierbaren Lithografiematerial (16). Die Position des Fokus (18a) innerhalb des Lithografiematerials (16) ist durch einen ersten Mechanismus (20) zum Verstellen des Fokus (18a) entlang einer parallel zu einer Strahlachse des Lasers (18) verlaufenden Z-Richtung und durch einen zweiten Mechanismus (22) zum Verstellen des Fokus' (18a) in einer transversal zur Strahlachse des Lasers (18) verlaufenden XY-Ebene verstellbar. Das Verfahren umfasst das Bestimmen einer Reihe von aneinander angrenzenden Bahnkurven (24) für eine Bewegung des Fokus (18a) abhängig von Daten zu der dreidimensionalen Struktur (28) und das Erzeugen der dreidimensionalen Struktur (28) durch Bewegen des Fokus' (18a) des Lasers entlang der Bahnkurven (24).Es wird vorgeschlagen, dass wenigstens diejenigen Teilstücke der Bahnkurven (24), die zur Erzeugung des flächigen, unebenen Teilbereichs (30) bestimmt werden, in einer Projektion auf die XY-Ebene zumindest im Wesentlichen parallel verlaufen.The invention is based on a method for generating a three-dimensional structure with at least one flat, uneven partial area (30) in a lithography material (16) that can be polymerized in a spatially resolved manner by irradiating a laser (18) in a focus (18a) of the laser. The position of the focus (18a) within the lithography material (16) is determined by a first mechanism (20) for adjusting the focus (18a) along a Z direction running parallel to a beam axis of the laser (18) and by a second mechanism (22 ) adjustable for adjusting the focus (18a) in an XY plane running transversely to the beam axis of the laser (18). The method comprises determining a series of adjacent trajectories (24) for moving the focus (18a) depending on data on the three-dimensional structure (28) and generating the three-dimensional structure (28) by moving the focus (18a) Laser along the trajectories (24). It is proposed that at least those sections of the trajectories (24) which are intended to generate the flat, uneven partial area (30) run at least essentially parallel in a projection onto the XY plane.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer dreidimensionalen Struktur durch Einstrahlung eines Lasers in ein ortsaufgelöst polymerisierbares Lithografiematerial nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine entsprechende Vorrichtung.The invention relates to a method for generating a three-dimensional structure by irradiating a laser into a spatially resolved polymerizable lithography material according to the preamble of claim 1 and a corresponding device.
Es ist bekannt, durch ortsaufgelöstes Polymerisieren von Lithografiematerialien im Fokus eines Laserstrahls durch dessen sich wiederholende lateraler Bewegung auf Ebenen senkrecht zur optischen Achse dreidimensionale Strukturen zu erzeugen. Dabei wird häufig zunächst eine polymerisierte Struktur innerhalb eines Lithografiematerials erzeugt, das die Struktur umgebende, beispielsweise flüssige oder als Dünnschicht vorliegende Lithografiematerial in einem Entwicklungsvorgang entfernt und die Struktur ggf. thermisch und/oder durch Belichtung mittels Lichtquelle geeigneter Wellenlänge, wie UV-Licht, sichtbares Licht und NIR-Licht, nachverhärtet.It is known to generate three-dimensional structures by spatially resolved polymerizing of lithography materials in the focus of a laser beam through its repetitive lateral movement on planes perpendicular to the optical axis. In this case, a polymerized structure is often first created within a lithography material, the lithography material surrounding the structure, for example liquid or thin-film, is removed in a development process and the structure is possibly visible thermally and / or by exposure to a light source of a suitable wavelength, such as UV light Light and NIR light, post-hardened.
Die Erfindung betrifft insbesondere, aber nicht ausschließlich, Verfahren auf der Grundlage von Zwei- oder Mehrphotonenpolymerisation. Dabei werden Laser mit Wellenlängen verwendet, die Polymerisationsprozesse im Lithografiematerial nicht durch ein einziges Photon auslösen können, sondern durch Mehrphotonenprozesse. Durch die im Vergleich zu Einphotonenprozessen quadratische Intensitätsabhängigkeit der Induzierung von Mehrphotonenprozessen kann die Ortsauflösung verbessert werden und die Wahrscheinlichkeit für ungewollte bzw. unkontrollierte Polymerisationsprozesse außerhalb des Fokalvolumens des Laserstrahls reduziert werden, wodurch insbesondere auch eine Fokussieroptik in das Lithografiematerial eingetaucht werden kann („Dip-In“), ohne dass das Lithografiematerial sich an der Lichtaustrittsfläche der Fokussieroptik verfestigt und dort anhaftet.The invention relates particularly, but not exclusively, to processes based on two- or multi-photon polymerization. Lasers are used with wavelengths that cannot trigger polymerization processes in the lithographic material with a single photon, but with multiphoton processes. Due to the quadratic intensity dependency of the induction of multi-photon processes compared to single-photon processes, the spatial resolution can be improved and the probability of undesired or uncontrolled polymerisation processes outside the focal volume of the laser beam can be reduced, whereby in particular focusing optics can also be immersed in the lithography material ("Dip-In “) Without the lithography material solidifying and adhering to the light exit surface of the focusing optics.
In dem Dokument
Aus dem
Aus dem
Zum Bewegen des Fokus innerhalb des Lithografiematerials wird das Lithografiematerial auf einem Träger oder Substrat oder in einem Badbehälter bereitgestellt. Zum Verstellen des Fokus entlang einer parallel zu einer Strahlachse des Lasers verlaufenden Z-Richtung wird z.B. die Fokussieroptik bewegt oder verstellt. To move the focus within the lithography material, the lithography material is provided on a carrier or substrate or in a bath container. To adjust the focus along a Z direction running parallel to a beam axis of the laser, e.g. the focusing optics are moved or adjusted.
Ein Verstellen des Fokus' in einer transversal zur Strahlachse des Lasers verlaufenden XY-Ebene wird in der Regel ein zweiter Mechanismus verwendet, der insbesondere unabhängig von dem ersten Mechanismus operiert. Dieser umfasst insbesondere einen mit mechanischen, magnetischen oder elektrischen Aktuatoren in der XY-Ebene verstellbaren Probentisch oder Chuck, so dass zum Erzeugen der einzig relevanten Relativbewegung zwischen dem Körper/Volumen des Lithografiematerials und dem Laserfokus letzterer im umgebenden Raum unbewegt bleibt und das Lithografiematerial durch den Laserfokus hindurch bewegt wird oder durch eine laterale/transversale Verstellung des Laserfokus, durch z. B. Galvo-Scanner, das Lithografiematerial unbewegt bleibt und der Laserfokus durch das Material hindurch bewegt wird. Die Bewegung insbesondere des Lithografiematerials, aber auch der gesamten Optik in der XY-Ebene ist wegen der Trägheit der mechanischen Aktuatoren oder des Kriechverhaltens piezoelektrischer allerdings sehr viel langsamer und schwieriger zu steuern als die Bewegung des Fokus in der Z-Richtung. Die laterale Bewegung des Lithografiematerials ist im Vergleich zur lateralen Bewegung des Laserfokus aufgrund der Trägheit der eingesetzten Achsen jedoch nicht so effizient.Adjustment of the focus in an XY plane running transversely to the beam axis of the laser is generally used using a second mechanism which, in particular, operates independently of the first mechanism. This includes, in particular, a sample table or chuck that can be adjusted in the XY plane with mechanical, magnetic or electrical actuators, so that in order to generate the only relevant relative movement between the body / volume of the lithography material and the laser focus, the latter remains immobile in the surrounding space and the lithography material through the Laser focus is moved through or by a lateral / transverse adjustment of the laser focus, by z. B. Galvo scanner, the lithography material remains stationary and the laser focus is moved through the material. The movement of the lithography material in particular, but also of the entire optics in the XY plane, is much slower and more difficult to control than the movement of the focus in the Z direction due to the inertia of the mechanical actuators or the piezoelectric creep behavior. However, the lateral movement of the lithography material is not as efficient as the lateral movement of the laser focus due to the inertia of the axes used.
Beispielsweise ist es aus der
Beim Schreiben bzw. Erzeugen von Hüllen oder anderen zweidimensionalen Mannigfaltigkeiten im dreidimensionalen Raum wird der Laserfokus entlang vorgegebener Bahnkurven bewegt, die abhängig von Daten, die die zu erzeugende Struktur beschreiben, berechnet werden, wobei auch ein Schrumpfen der Struktur beim Entwickeln, Trocknen und/oder Nachverhärten berücksichtigt und vorkompensiert werden kann.When writing or generating envelopes or other two-dimensional manifolds in three-dimensional space, the laser focus is moved along predetermined trajectories that are calculated depending on data that describe the structure to be generated, with shrinkage of the structure during development, drying and / or Post-hardening can be taken into account and pre-compensated.
Algorithmen zum Berechnen dieser Bahnkurven sind vor allem aus dem klassischen, additiven 3D-Druck bekannt, in dem die Struktur schichtweise aufgebaut wird, d.h. für Schnitte parallel zur XY-Ebene in verschiedenen Z-Lagen werden nacheinander Schichten bzw. Konturen der Struktur erzeugt und die Struktur wird in Z-Richtung fortschreitend aufgebaut. Es wird demnach mit zweidimensionalen mathematischen Funktionen die dreidimensionale Topographie eines Körpers abgebildet und anschließend im Fabrikationsprozess umgesetzt. Im klassischen, additiven 3D-Druck ist dieser schichtweise Aufbau aus statischen Gründen sinnvoll. Diese statischen Gründe existieren aber in laserlithografischen Verfahren nicht.Algorithms for calculating these trajectories are mainly known from classic, additive 3D printing, in which the structure is built up in layers, i.e. For cuts parallel to the XY plane in different Z positions, layers or contours of the structure are created one after the other and the structure is built up progressively in the Z direction. The three-dimensional topography of a body is mapped using two-dimensional mathematical functions and then implemented in the manufacturing process. In classic, additive 3D printing, this layer-by-layer structure makes sense for static reasons. However, these static reasons do not exist in laser lithographic processes.
Algorithmen zum Berechnen der Bahnkurven, die die speziellen Anforderungen der Laserlithografie berücksichtigen, ist bisher wenig Aufmerksamkeit geschenkt worden.Little attention has been paid to algorithms for calculating the trajectories that take into account the special requirements of laser lithography.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, laserlithografische Verfahren der oben beschriebenen Art zu beschleunigen.The invention is based on the task of accelerating laser lithographic processes of the type described above.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen einer dreidimensionalen Struktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt und eine Vorrichtung zur Ausführung eines solchen Verfahrens. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object is achieved by a method for generating a three-dimensional structure having the features of claim 1, by a corresponding computer program product and a device for carrying out such a method. Advantageous embodiments of the invention emerge from the subclaims.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer dreidimensionalen Struktur mit wenigstens einem flächigen, unebenen Teilbereich in einem durch Einstrahlung eines Lasers in einem Fokus des Lasers ortsaufgelöst polymerisierbaren Lithografiematerial beliebiger Art. Als „flächig“ soll in diesem Zusammenhang ein Teilbereich beschrieben werden, der im Rahmen der durch den endlichen Fokaldurchmesser gegebenen Genauigkeit eine zweidimensionale Mannigfaltigkeit ist, dessen Dicke also im Wesentlichen konstant ist und von der Größenordnung eines Fokaldurchmessers ist, wobei auch mehrlagige Flächen als flächiger Teilbereich beschrieben werden sollen, sofern die Dicke zumindest im Wesentlichen konstant ist. Dabei bedeutet „Wesentlichen konstant“, dass die Dicke in einem weit überwiegenden Teil, der z.B. wenigstens 80%, insbesondere wenigstens 90 % der Fläche ausmachen kann, konstant und gleichbleibend ist und in den verbleibenden Teilen z.B. Stützstrukturen zum Abstützen der Fläche vorgesehen sein können, um z.B. ein ungewolltes Zusammensacken einer Hülle vor einem Nachverfestigen zu vermeiden.The invention relates to a method for generating a three-dimensional structure with at least one flat, uneven sub-area in a lithography material of any type which can be polymerized in a spatially resolved manner by irradiating a laser in a focus of the laser. In this context, a sub-area is to be described as "flat", which in the frame The accuracy given by the finite focal diameter is a two-dimensional manifold, the thickness of which is therefore essentially constant and of the order of magnitude of a focal diameter, whereby multi-layer surfaces should also be described as a flat sub-area, provided the thickness is at least essentially constant. "Essentially constant" means that the thickness is in a predominant part, e.g. can make up at least 80%, in particular at least 90% of the area, is constant and constant and in the remaining parts e.g. Support structures can be provided to support the surface, e.g. to avoid an unwanted collapse of a shell prior to resolidification.
Als „uneben“ wird ein flächiger Bereich bezeichnet, der sich wesentlich von einer Ebene im dreidimensionalen Raum unterscheidet, insbesondere wenn der Krümmungstensor überall außer in isolierten Punkten oder Linien von null verschieden ist, insbesondere zwei von null verschiedene Eigenwerte hat, beispielsweise in zwei linear unabhängige Richtungen konvex oder konkav ist.“Uneven” is a flat area that differs significantly from a plane in three-dimensional space, especially if the curvature tensor differs from zero everywhere except in isolated points or lines, in particular has two eigenvalues different from zero, for example two linearly independent ones Directions is convex or concave.
Nach der Erfindung ist die Position des Fokus' innerhalb des Lithografiematerials durch einen ersten Mechanismus zum Verstellen des Fokus' entlang einer parallel zu einer Strahlachse des Lasers verlaufenden Z-Richtung und einen zweiten Mechanismus zum Verstellen des Fokus' in einer transversal zur Strahlachse des Lasers verlaufenden XY-Ebene verstellbar.According to the invention, the position of the focus within the lithography material is defined by a first mechanism for adjusting the focus along a Z direction running parallel to a beam axis of the laser and a second mechanism for adjusting the focus in a direction transverse to the beam axis of the laser XY plane adjustable.
Das Verfahren umfasst das Bestimmen einer Reihe von aneinander angrenzenden Bahnkurven für eine Bewegung des Fokus' abhängig von Daten der dreidimensionalen Struktur. In diesem Zusammenhang bedeutet „aneinander angrenzend“, dass die Abstände der Bahnkurven der Bahnkurvenschar zu jeweils den nächsten Bahnkurven in der Größenordnung des Fokaldurchmessers oder etwas kleiner ist, so dass durch Bewegen des Laserfokus' entlang der Bahnkurven der Bahnkurvenschar eine stetige oder quasi-stetige Fläche entsteht. Die einzelnen Bahnkurven müssen nicht in Abschnitten voneinander getrennt sein, sondern können zu einer einzigen Gesamtbahnkurve zusammengefasst werden, die dann z.B. mäanderartig durchlaufen wird, wobei in diesem Fall jeweils in konstantem Abstand zueinander verlaufende, benachbarte Abschnitt der Gesamtbahnkurve als Bahnkurven im Sinne der Erfindung bezeichnet werden. Für Objektive mit hoher numerischer Apertur (NA) sind Abstände im Bereich 0,1 µm bis 5 µm bevorzugt. Wenn Strukturen mit optischer Funktion geschrieben werden, werden vorzugsweise Bahnkurven in Abständen von 0,1 µm bis 1 µm erzeugt.The method comprises the determination of a series of adjacent trajectories for a movement of the focus as a function of data from the three-dimensional structure. In this context, "adjacent to each other" means that the distances between the trajectories of the family of trajectories and the next trajectories are in the order of magnitude of the focal diameter or slightly smaller, so that by moving the laser focus along the trajectories of the family of trajectories, a steady or quasi-continuous surface arises. The individual trajectories do not have to be in sections from one another be separated, but can be combined into a single overall trajectory, which is then traversed, for example, in a meandering manner, in which case adjacent sections of the overall trajectory running at a constant distance from one another are referred to as trajectories in the sense of the invention. For objectives with a high numerical aperture (NA), distances in the range from 0.1 µm to 5 µm are preferred. If structures with an optical function are written, trajectories are preferably generated at intervals of 0.1 µm to 1 µm.
Das Bewegen des Fokus bewirkt das Erzeugen der dreidimensionalen Struktur durch das Bewegen des Fokus des Lasers entlang der Bahnkurven. Die „Bewegung des Fokus'” umfasst entweder das kontinuierliche Einstrahlen und Arbeiten des Lasers oder das Erzeugen regelmäßiger Pulse, wobei im letztgenannten Fall der Fokus nicht kontinuierlich, sondern in kleinen Schritten bewegt wird, deren Länge von der Größenordnung des Fokaldurchmessers ist, so dass die durch die einzelnen Pulse erzeugten polymerisierten Bereiche ganz oder teilweise überlappen und so eine quasi-kontinuierliche, linienförmige polymerisierte Struktur im Lithografiematerial bilden.Moving the focus creates the three-dimensional structure by moving the focus of the laser along the trajectories. The “movement of the focus” includes either the continuous irradiation and operation of the laser or the generation of regular pulses, whereby in the latter case the focus is not moved continuously but in small steps, the length of which is of the order of magnitude of the focal diameter, so that the completely or partially overlap polymerized areas generated by the individual pulses and thus form a quasi-continuous, linear polymerized structure in the lithography material.
Nach der Erfindung wird vorgeschlagen, dass wenigstens diejenigen Teilstücke der Bahnkurven, die zur Erzeugung des flächigen, unebenen Teilbereichs bestimmt werden, in einer Projektion auf die XY-Ebene zumindest im Wesentlichen parallel verlaufen. Dadurch kann erreicht werden, dass beim Durchlaufen der Bahnkurven der trägere zweite Mechanismus zum Verstellen des Fokus in der transversal zur Strahlachse des Lasers verlaufenden XY-Ebene nur mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt werden muss und keine Beschleunigungen gesteuert werden müssen, aufgrund derer die Bahngeschwindigkeit zur Vermeidung von Präzisionsverlusten reduziert werden müsste. Die Bearbeitungszeiten können im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen, in denen die Bahnkurven so berechnet werden, dass ihre Z-Komponente im Wesentlichen konstant bleibt, während sich die Richtung der Bahngeschwindigkeit in der XY-Ebene schnell ändert, verringert werden.According to the invention, it is proposed that at least those sections of the trajectories which are determined to generate the flat, uneven section run at least essentially parallel in a projection onto the XY plane. As a result, it can be achieved that when traversing the trajectories, the slower second mechanism for adjusting the focus in the XY plane running transversely to the beam axis of the laser only has to be moved at a constant speed and no accelerations need to be controlled due to which the trajectory speed to avoid of precision losses would have to be reduced. The processing times can be reduced compared to conventional solutions in which the trajectories are calculated in such a way that their Z component remains essentially constant, while the direction of the path speed changes rapidly in the XY plane.
Insbesondere wird vorgeschlagen, dass eine Bahngeschwindigkeit der Teilstücke der Bahnkurven zur Erzeugung des flächigen, unebenen Teilbereichs in einer Projektion auf die XY-Ebene zumindest im Wesentlichen konstant ist.In particular, it is proposed that a path speed of the sections of the path curves for generating the flat, uneven section is at least essentially constant in a projection onto the XY plane.
In diesem Zusammenhang ist das Merkmal „im Wesentlichen parallel“ der Bahnkurven bzw. „im Wesentlichen konstant“ bezogen auf die Bahngeschwindigkeit so zu verstehen, dass die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung auch bei geringfügigen Abweichungen erreicht werden, deren Stärke von dem Verhältnis der Trägheit der Achsen abhängt, d.h. die langsameren XY-Achsen nicht zu einem begrenzenden Faktor für die Schreibgeschwindigkeit werden. Dies kann beispielsweise erreicht werden, wenn die Bahnkurven so bestimmt sind, dass ein maximaler Betrag einer XY-Komponente der transversalen Bahnbeschleunigung um wenigstens einen Faktor
Alternativ zur Steuerung mit konstanter Bahngeschwindigkeit kann in der Projektion auf die XY-Ebene kann auch eine Steuerung mit konstantem Betrag Bahngeschwindigkeit im Raum oder eine Steuerung mit konstantem Vernetzungsgrad gewählt werden, wobei in letzteren neben der Bahngeschwindigkeit auch die Laser-Intensität und ggf. eine Eintauchtiefe einfließen kann.As an alternative to the control with constant path speed, a control with a constant amount of path speed in space or a control with a constant degree of networking can also be selected in the projection onto the XY plane, whereby in the latter, in addition to the path speed, the laser intensity and, if necessary, an immersion depth can flow in.
Die Erfindung ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, für solche Verfahren vorteilhaft anwendbar, in denen der flächige, unebene Teilbereich ein Teilbereich einer äußeren Hülle der dreidimensionalen Struktur ist, wobei das Verfahren dann insbesondere das Erzeugen der äußeren Hülle der dreidimensionalen Struktur durch Bewegen des Fokus des Lasers entlang der Bahnkurven, das Entfernen des nicht polymerisierten Lithografiematerials in einem Raum außerhalb der äußeren Hülle und optional das Nachverhärten des nicht polymerisierten Lithografiematerials innerhalb der äußeren Hülle durch Belichten und/oder Erwärmen umfasst. Es ist jedoch nicht zwingend notwendig, dass das im Innern befindliche Material nachverhärtet werden muss, sondern es kann auch im flüssigen Zustand vorliegen. Ferner eignet sich das Verfahren auch zum Erzeugen freitragender Flächen, z.B. Kuppelartiger Strukturen, die im Endzustand nicht mit Lithografiematerial gefüllt sind.The invention is particularly, but not exclusively, advantageously applicable to those methods in which the flat, uneven sub-area is a sub-area of an outer shell of the three-dimensional structure, the method then in particular the creation of the outer shell of the three-dimensional structure by moving the focus of the Laser along the trajectories, the removal of the unpolymerized lithography material in a space outside the outer shell and optionally the post-curing of the unpolymerized lithography material inside the outer shell by exposure and / or heating. However, it is not absolutely necessary that the material located inside has to be post-hardened, but it can also be in the liquid state. The method is also suitable for producing self-supporting surfaces, e.g. Dome-like structures that are not filled with lithography material in the final state.
Der erste Mechanismus zum Verstellen des Fokus kann insbesondere ein verstellbares Objektiv umfassen, das vorzugsweise, aber nicht zwingend, zum Eintauchen in das Lithografiematerial ausgelegt ist.The first mechanism for adjusting the focus can in particular comprise an adjustable lens which is preferably, but not necessarily, designed to be immersed in the lithography material.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der erste Mechanismus eine besonders kurze Einschwingzeit (step-and-settle-time oder setting time) von weniger als 50 ms hat, insbesondere weniger als 10 ms.It is also proposed that the first mechanism have a particularly short settling time (step-and-settle time or setting time) of less than 50 ms, in particular less than 10 ms.
Ferner wird vorgeschlagen, dass eine Einschwingzeit des ersten Mechanismus um wenigstens einen Faktor
Die kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass der erste Mechanismus als ein kombinierter Mechanismus, bestehend aus einer luftgelagerten Achse und einer Piezo-Achse, ausgestaltet ist, wobei die Piezo-Achse die schnellen Komponenten der Gesamtbewegung ausführt und die trägere luftgelagerte Achse langsamere Komponenten der Gesamtbewegung erzeugt.This can be achieved in particular in that the first mechanism is designed as a combined mechanism, consisting of an air-bearing axis and a piezo-axis, the piezo-axis executing the fast components of the overall movement and the more sluggish air-bearing axis performing the slower components of the overall movement generated.
Der zweite Mechanismus, der insbesondere eine XY-Bühne sein kann, ist in verschieden Ausgestaltungen der Erfindung dazu ausgelegt, einen Träger mit oder ohne Rand oder einen Badbehälter zum Halten des Lithografiematerials bei fester XY-Position der Strahlachse in der XY-Ebene zu bewegen. In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung kann das Lithografiematerial durch Kapillarkräfte gehalten werden, so dass selbst bei sehr flüssigem Material keinerlei Begrenzung durch Behälter notwendig wird.The second mechanism, which can in particular be an XY stage, is designed in various configurations of the invention to move a carrier with or without a rim or a bath container for holding the lithography material with a fixed XY position of the beam axis in the XY plane. In further refinements of the invention, the lithography material can be held by capillary forces, so that even with very liquid material there is no need for any limitation by containers.
Eine weitere Möglichkeit das Lithografiematerial zu halten ist die Kombination eines z.B. hydrophoben Materials mit Hydrophilen Flächen (und umgekehrt). Das Lithografiematerial bleibt selbst in der Position. Werden die Materialien gegeneinander verschoben, bewegt das zu strukturierende Lithografiematerial sich mit.Another possibility to hold the lithographic material is the combination of e.g. hydrophobic material with hydrophilic surfaces (and vice versa). The lithographic material remains in position. If the materials are shifted against each other, the lithography material to be structured moves with them.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Bahnkurven so bestimmt werden, dass sich ein Abstand der Bahnkurve von einer Oberfläche der dreidimensionalen Struktur entlang einer Bahnkurve lokal verändert und ein Längsdurchmesser des Fokus abhängig von dem Abstand verändert wird. Insbesondere kann der Längsdurchmesser des Fokus durch eine Änderung einer Intensität des Lasers geändert werden. Die Z-Komponente der nachzuzeichnenden Oberfläche der dreidimensionalen Struktur kann dann in einen der Z-Komponente der Bahnkurve entsprechenden Anteil und einen durch den Abstand bzw. halben Längsdurchmesser des Laserfokus realisierten Anteil erzeugt werden. Dabei können bei der Aufteilung die dynamischen Eigenschaften der Leistungssteuerung des Lasers einerseits und des ersten Mechanismus andererseits berücksichtigt werden.It is further proposed that the trajectories are determined in such a way that a distance between the trajectory and a surface of the three-dimensional structure changes locally along a trajectory and a longitudinal diameter of the focus is changed as a function of the distance. In particular, the longitudinal diameter of the focus can be changed by changing an intensity of the laser. The Z component of the surface of the three-dimensional structure to be traced can then be generated in a portion corresponding to the Z component of the trajectory and a portion realized by the distance or half the longitudinal diameter of the laser focus. The dynamic properties of the power control of the laser on the one hand and the first mechanism on the other hand can be taken into account in the division.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt zum Bestimmen von Bahnkurven zur Verwendung in einem Verfahren der vorgenannten Art.Another aspect of the invention relates to a computer program product for determining trajectories for use in a method of the aforementioned type.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem darauf installierten Computerprogrammprodukt der vorgenannten Art, einem Träger mit oder ohne Rand oder Badbehälter für ein Lithografiematerial, einem Laser zum ortsaufgelösten Polymerisieren des Lithografiematerials, einem ersten Mechanismus zum Verstellen des Fokus entlang einer parallel zu einer Strahlachse des Lasers verlaufenden Z-Richtung, einem zweiten Mechanismus in einer transversal zur Strahlachse des Lasers verlaufenden XY-Ebene, und einer Steuereinheit, die dazu ausgelegt ist, die Bahnkurven zum Erzeugen einer dreidimensionalen Struktur mit Hilfe des Computerprogrammprodukts zu bestimmen und den Fokus des Lasers mit dem ersten Mechanismus und dem zweiten Mechanismus in dem Lithografiematerial entlang der Bahnkurven zu bewegen.Another aspect of the invention relates to a device with a computer program product of the aforementioned type installed thereon, a carrier with or without a rim or bath container for a lithography material, a laser for spatially resolved polymerisation of the lithography material, a first mechanism for adjusting the focus along a beam axis parallel to a beam axis of the laser running Z-direction, a second mechanism in an XY plane running transversely to the beam axis of the laser, and a control unit which is designed to determine the trajectories for generating a three-dimensional structure with the aid of the computer program product and the focus of the laser with moving the first mechanism and the second mechanism in the lithographic material along the trajectories.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. Die gesamte Beschreibung, die Ansprüche und die Figuren offenbaren Merkmale der Erfindung in speziellen Ausführungsbeispielen und Kombinationen. Der Fachmann wird die Merkmale auch einzeln betrachten und zu weiteren Kombinationen oder Unterkombinationen zusammenfassen, um die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, an seine Bedürfnisse oder an spezielle Anwendungsbereiche anzupassen.Further features and advantages emerge from the following description of the figures. The entire description, the claims and the figures disclose features of the invention in specific exemplary embodiments and combinations. The person skilled in the art will also consider the features individually and combine them into further combinations or sub-combinations in order to adapt the invention as defined in the claims to his needs or to special areas of application.
Dabei zeigen:
-
1 eine Vorrichtung zum Erzeugen einer dreidimensionalen Struktur nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
2 eine Schematische Darstellung von nach dem Stand der Technik berechneten Bahnkurven; -
3 eine Schematische Darstellung von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren berechneten Bahnkurven; -
4 eine Vorrichtung zum Erzeugen einer dreidimensionalen Struktur nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
5 eine Vorrichtung zum Erzeugen einer dreidimensionalen Struktur nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
6 eine Vorrichtung zum Erzeugen einer dreidimensionalen Struktur nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
7a -7c verschiedene Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens; -
8a -8c ein weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines diffraktiven optischen Elements (DOE); -
9 ein weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung einer frei tragenden Fläche; -
10 ein weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung der frei tragenden Fläche aus9 ; und -
11 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer entlang einer Bahnkurve variierenden Strahlungsintensität.
-
1 a device for generating a three-dimensional structure according to a first embodiment of the invention; -
2 a schematic representation of trajectories calculated according to the prior art; -
3 a schematic representation of trajectories calculated according to the method according to the invention; -
4th a device for generating a three-dimensional structure according to a second embodiment of the invention; -
5 a device for generating a three-dimensional structure according to a third embodiment of the invention; -
6th a device for generating a three-dimensional structure according to a fourth embodiment of the invention; -
7a -7c various steps of a method according to the invention; -
8a -8c a further application example of the method according to the invention for producing a diffractive optical element (DOE); -
9 a further application example of the method according to the invention for producing a self-supporting surface; -
10 Another application example of the method according to the invention for producing the self-supporting surface9 ; and -
11 a further embodiment of the method according to the invention with a radiation intensity that varies along a trajectory.
Das Objektiv
Der Badbehälter
Die Steuereinheit
Die Vorteile der Erfindung kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn beim Erzeugen dreidimensionalen Struktur wenigstens ein flächiger, unebener Teilbereich erzeugt werden muss, weil die Struktur oder eine Vorläuferstruktur (wie z.B. eine Hülle) einen solchen Teilbereich umfasst oder insgesamt eine flächige, unebene Struktur ist. Dies kommt insbesondere beim „Hüllenschreiben“ vor, könnte aber auch in anderen Zusammenhängen auftreten.The advantages of the invention come into play in particular when at least one flat, uneven sub-area has to be generated when generating a three-dimensional structure, because the structure or a precursor structure (such as a shell) comprises such a sub-area or is a flat, uneven structure overall. This occurs in particular with "envelope writing", but could also occur in other contexts.
In diesem Fall wird der flächige, unebene Teilbereich aus einer Sequenz von aneinander angrenzenden Bahnkurven
In dem in
Nach dem in
Nach der Erfindung wird, wie in
Die Bahngeschwindigkeit der Teilstücke der Bahnkurven
Durch Bewegen des Laserfokus
Anschließend wird, wie in
Schließlich wird, wie in
Um dennoch eine der Soll-Oberfläche
Die zum Nachzeichnen der Soll-Oberfläche
Die Variation der Intensität kann neben der Variation der Laserleistung auch durch eine Blende, eine Variation der Bahngeschwindigkeit oder ein mehrfaches Belichten bestimmter Voxel erreicht werden.In addition to varying the laser power, the variation of the intensity can also be achieved by means of a diaphragm, a variation of the path speed or multiple exposure of certain voxels.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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- Paper Serbin et al „Three-dimensional nanostructuring of hybrid materials by two-photon polymerization“ (Proceedings of SPIE Vol. 5222 Nanocrystals, and Organic and Hybrid Nanomaterials, edited by David L. Andrews, Zeno Gaburro, Alexander N. Cartwright, Charles Y. C. Lee, (SPIE, Bellingham, WA, 2003) 0277-786X/03/$15.00) [0005]Paper Serbin et al "Three-dimensional nanostructuring of hybrid materials by two-photon polymerization" (Proceedings of SPIE Vol. 5222 Nanocrystals, and Organic and Hybrid Nanomaterials, edited by David L. Andrews, Zeno Gaburro, Alexander N. Cartwright, Charles YC Lee, (SPIE, Bellingham, WA, 2003) 0277-786X / 03 / $ 15.00) [0005]
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