CN111316166B - 用于可缩放亚微米增材制造的深度分辨的并行双光子聚合的系统和方法 - Google Patents

用于可缩放亚微米增材制造的深度分辨的并行双光子聚合的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本公开内容涉及一种用于执行增材制造操作以形成部件的方法，其中，该部件由光敏聚合物抗蚀剂材料制成。该方法可以涉及生成激光光束并将激光光束指向数字掩模处。可以控制数字掩模以选择性地产生具有如下细光束子集的光束：所述细光束子集形成图像并且所述细光束子集均具有足以引起当照射光敏聚合物抗蚀剂材料时所述材料的一部分的聚合的强度。可以对光束进行准直并且然后将细光束子集指向光敏聚合物抗蚀剂材料，以同时聚合光敏聚合物抗蚀剂材料的选定部分。

Description

用于可缩放亚微米增材制造的深度分辨的并行双光子聚合的 系统和方法
技术领域
本公开内容总体上涉及通常被称为3D打印的增材制造系统和方法，并且更具体地涉及使用多光子、非线性光吸收工艺的具有亚微米特征的结构的增材制造的方法和设备，其中所述系统和方法使得能够制造小于衍射极限聚焦照射点的特征。
背景技术
该部分中的陈述仅提供与本公开内容有关的背景信息，并且可能不构成现有技术。
双光子聚合，有时也被称为双光子光刻，是一种用于增材制造具有亚微米构建块的复杂3D结构的当今流行的技术。该技术使用非线性光吸收工艺来聚合光敏聚合物抗蚀剂材料内部的亚微米特征。在对光致抗蚀剂体积内部的所需结构进行照射并随后显影(洗掉未被照射的区域)之后，聚合的材料保持规定的三维形式。在2016年7月14日公开的美国专利公开第2016/0199935A1号中描述了用于双光子聚合的系统的一个示例，该美国专利公开的全部内容在此通过引用并入本公开内容中。
因此，双光子聚合是一种使得能够制造具有亚微米特征的大型复杂3D结构的直接写入技术。更具体地，通过串行写入技术来实现复杂结构的写入，其中，在3D空间中顺序地扫描高光强度点以生成整个结构。由于串行写入方案，写入速率从根本上受限于无法对大量功能部件进行双光子光刻的这种程度。尽管过去已经尝试经由并行化来增加速率，但是这种尝试未能实现与点扫描串行技术可以实现的图案复杂性相同程度的图案复杂性。具体而言，过去的并行化工作或者已经生成了具有相同特征的阵列，或者已经被用于打印没有深度可分辨性的2D部件。
尽管双光子光刻使得能够以其他增材制造技术无法实现的长度尺度来制造特征，但是双光子光刻使用的串行写入方案使得该方法受到约0.1mm3/小时的低处理速率的限制。这妨碍了充分利用双光子光刻的亚微米几何控制来制造功能部件。由于现有系统的缓慢逐点串行照射技术，出现了解决这种低处理速率限制方面的技术挑战和科学挑战。
过去，尚未解决在没有不利地影响能够制造任意复杂的3D部件的能力的情况下执行并行双光子光刻(“TPL”)的问题。现有技术中存在部分地解决了TPL的并行化问题的以下两种通用方法：(i)“分裂”光束并同时聚焦于多个点处以在多个点处制造相同的特征，(ii)将任意复杂的2D图像投影至抗蚀剂中以生成2D结构[4]。
第一种方法不适用于TPL放大，因为在这种方法中，放大是通过以周期性阵列的形式在多个点上同时打印结构来实现的。由于将同一光束分成多个相同的光束，因此每个光束都会生成相同的特征。因此，在使用该技术打印任意复杂的非周期性结构期间，无法实现放大。
第二种方法不适用于复杂的3D结构的打印，因为在这些投影技术中失去了深度可分辨性。在该方案中，当通过抗蚀剂材料投影2D图像时，不能唯一地配准垂直于2D投影图像的单个焦平面。而是，将相同的2D图像“聚焦”在多个平面上使得以2D图像挤出的形式生成较厚的3D固化体积。因此，该方案不能用于打印具有深度分辨特征例如存在于桁架结构中的那些特征的3D结构。
宽带飞秒激光源的时间聚焦先前已经被用于生物材料的荧光成像。该技术也已经用于演示基于材料去除的制造过程。已经提出，这种时间聚焦系统也可以用于多光子光刻。然而，这些教导无法在没有过度实验的情况下实现高质量的3D打印结构。这种失败的根本原因是多光子光刻(“MPL”)的物理机制与成像或材料去除的物理机制之间的关键区别。具体而言，在MPL期间使用的抗蚀剂的剂量阈值行为不同于材料去除过程或成像过程的剂量阈值行为。在成像和材料去除中，曝光剂量是指集成的光子能量；这是因为基本的物理过程是由总能量(剂量～强度×时间)驱动的。与之相对，由于链增长型聚合过程，MPL期间的曝光剂量将光强度和曝光时间非线性地结合(剂量～强度(a)×时间(b))。因此，通过对光强度进行时间平均来实现剂量控制的现有技术不适用于MPL中的剂量控制。如果在MPL中使用这种技术，则或者生成曝光过度结构的斑点，或者获得具有曝光不足区域的结构。本文中，提出了用于并行化MPL中适当剂量控制的工具和技术。
因此，仍然需要能够在没有不利地影响能够制造任意复杂的3D结构的能力的情况下显著提高双光子光刻的速率的系统和方法。
发明内容
该部分提供了本公开内容的总体概述，而不是其全部范围或其所有特征的全面公开内容。
在一方面，本公开内容涉及一种用于执行增材制造操作以形成部件的方法，其中，该部件包括光敏聚合物抗蚀剂材料。该方法可以包括：生成激光光束；将激光光束指向数字掩模处；以及控制数字掩模，以从激光光束中选择性地产生具有如下细光束子集的光束：所述细光束子集形成图像并且所述细光束子集具有足以引起被细光束子集照射的光敏聚合物抗蚀剂材料的一部分的聚合的强度。该方法还可以涉及：对光束进行准直；以及将具有细光束子集的准直光束指向光敏聚合物抗蚀剂材料处，以引起光敏聚合物抗蚀剂材料的选定部分的同时聚合。
在另一方面，本公开内容涉及一种用于执行增材制造操作以形成部件的方法，其中，该部件包括光敏聚合物抗蚀剂材料。该方法可以包括：生成脉冲激光光束；将脉冲激光光束指向数字掩模处，该数字掩模包括可以被导通或关断的多个独立地可控的像素。该方法还可以包括：控制数字掩模以将脉冲激光光束分成多个细光束、第一细光束子集和第二细光束子集，每个细光束与数字掩模的相关联的单个像素对应，所述第一细光束子集由数字掩模的被关断的像素产生并且所述第一细光束子集具有不足以诱导光敏聚合物抗蚀剂材料的聚合的光能，所述第二细光束子集由被导通的像素产生并且所述第二细光束子集具有足以诱导聚合的光能。该方法还可以包括：对光束进行准直，以产生具有第一细光束子集和第二细光束子集的准直光束；以及仅使用第二细光束子集以并行的方式诱导在光敏聚合物抗蚀剂材料内的给定X-Y平面中的光敏聚合物抗蚀剂材料的选定区域的聚合。该方法还可以包括：使用数字掩模来控制附加第二细光束子集至所述部件的附加层的随后施加来以逐层方式形成部件的每个层。
在又一方面，本公开内容涉及一种用于执行增材制造操作以形成部件的设备，其中，该部件包括光敏聚合物抗蚀剂材料。该设备可以包括：激光器，其用于生成激光光束；以及数字掩模，其用于接收激光光束。数字掩模可以被配置成将激光光束分成多个细光束、第一细光束子集和第二细光束子集，所述第一细光束子集具有不足以诱导光敏聚合物抗蚀剂材料的聚合的光能，所述第二细光束子集具有足以诱导聚合的光能，并且第一细光束子集形成图像。该系统还可以包括用于对第一细光束子集进行准直的准直仪，并且其中，第一细光束子集同时写出光敏聚合物抗蚀剂材料层。
根据本文所提供的描述，另外的应用领域将变得明显。该发明内容中的描述和特定示例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开内容的范围。
附图说明
本文所描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开内容的范围。
图1是根据本公开内容的一个实施方式的用于执行增材制造操作以产生具有亚微米特征的样品部件的设备的高级框图；
图2是本公开内容的另一实施方式的高级框图，其与图1的设备有些类似，但是其还利用功率计和光束功率控制单元实时地控制加工光束的功率；
图3是示出对于具有不同间距的加工特征的光束平均功率与阈值曝光时间的关系的曲线图，从而控制由光束施加的剂量；
图4是示出可以使用本公开内容的方法执行的基本操作的高级流程图；以及
图5a和图5b示出了用于灰度控制的示例性DMD图案，其中图5a示出了具有竖直条和水平条两者的图案，图5b示出了具有仅水平条的图案。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开内容、应用或用途。应当理解，在所有附图中，相应的附图标记指示相同或相应的部件和特征。
本公开内容利用实现并行照射技术的系统和方法克服了上面所描述的利用双光子光刻的制造速率限制。并行照射技术同时投影具有约一百万个点的整个平面，而不是现有商业系统的单点照射技术，以使速率增加至少50倍。
本公开内容还通过使用高峰值功率脉冲激光源及其能够在被处理材料(“抗蚀剂材料”)的内部生成特征的能力而与其他流行的3D打印技术区分开。在该技术中使用高峰值功率脉冲源，以确保观察到除单光子线性光吸收外非线性光吸收。可以将抗蚀剂材料选择成使得它们表现出“阈值”行为，即，仅当曝光剂量超过最小阈值时，它们才经历相变(通常从液体到固体)。由于非线性光吸收中的剂量与曝光材料中的光强度呈非线性比例关系，因此与线性吸收相比，在非线性吸收过程中，在材料中会生成较陡的剂量梯度。该较陡的剂量梯度产生小于照射点的加工特征；通过将激光点聚焦在内部点处，较陡的梯度还使得在抗蚀剂材料内部能够生成单个的点状体素特征(或体积像素)。因此，本设备和方法在形式和功能两个方面都与常规微立体光刻不同。形式的不同之处在于脉冲激光源的使用(在多光子光刻期间利用该设备和该方法)与非准直源的使用(在常规微立体光刻中)；然而，功能的不同之处在于在抗蚀剂内部中制造亚微米特征的能力(即，本设备和本方法)与在抗蚀剂表面上制造衍射受限特征的能力(如利用常规微立体光刻)。
在多光子光刻(MPL)的领域内，本公开内容的设备和方法与现有实现方式的区别在于，其能够使抗蚀剂材料内部的一组点同时聚焦(即，使“投影图像”聚焦)的能力。因此，该技术通过对亚微米特征的生成进行并行化显著提高了处理速率。重要的是要注意，利用本文所描述的设备和方法，可以独立地调节每个单独聚焦点的剂量以生成任意复杂的图案。因此，本公开内容的设备和方法不同于先前现有MPL实现方式，并且显著改进了所述先前现有MPL实现方式，所述先前现有MPL实现方式将相同光束分成具有相同强度分布的多个聚焦点。另外，通过并入非线性剂量梯度的特征，本公开内容的设备和方法不同于那些先前现有多点MPL实现方式，并且显著改进了所述那些先前现有多点MPL实现方式，所述那些先前现有多点MPL实现方式未能保持在单点聚焦期间经历的陡的剂量梯度。利用本设备和方法，通过利用由脉冲激光源生成的光束中的强度的时间依赖性，实现了剂量的陡的空间梯度。具体而言，通过宽带飞秒脉冲激光器的时间聚焦实现了陡的剂量梯度。
本公开内容的设备和方法利用被称为“时间聚焦”的技术。时间聚焦是指其中飞秒脉冲的持续时间(标称值为100fs或更短)随光束的空间聚焦而在空间上变化的现象。由于脉冲期间的峰值强度取决于光束的大小和脉冲的持续时间两者，因此可以通过改变光束的大小和脉冲的持续时间这两者中的任意一者来独立地调节强度。本公开内容的设备和方法实现了光学投影方案，其中，脉冲持续时间与光束的大小成比例地逐渐减小，使得空间聚焦点和时间聚焦点的位置交叠。这确保即使当投影图像较大时(由于多个聚焦点)，也可以在投影图像平面处实现陡的剂量梯度。重要的是要注意，由于依赖于宽带飞秒脉冲激光源的时间特性来实现本文所描述的聚焦，因此该投影方案在形式和功能方面与常规投影微立体光刻实现方式不同。
宽带飞秒激光源的时间聚焦先前已经被用于生物材料的荧光成像。此技术也已经用于演示基于材料去除的制造过程。已经提出，这种时间聚焦系统也可以用于多光子光刻。然而，这些教导无法在没有过度实验的情况下实现高质量的3D打印结构。这种失败的根本原因是多光子光刻(MPL)的物理机制与成像或材料去除的物理机制之间的关键区别。具体而言，在MPL期间使用的抗蚀剂的剂量阈值行为不同于材料去除过程或成像过程的剂量阈值行为。在成像和材料去除中，曝光剂量是指集成的光子能量；这是因为基本的物理过程是由总能量(剂量～强度×时间)驱动的。与之相对，由于链增长型聚合过程，MPL期间的曝光剂量将光强度和曝光时间非线性地结合(剂量～强度(a)×时间(b))。因此，通过对光强度进行时间平均来实现剂量控制的现有技术不适用于MPL中的剂量控制。如果在MPL中使用这种技术，则或者生成曝光过度结构的斑点，或者获得具有曝光不足区域的结构。本文中，提出了用于并行化MPL中适当剂量控制的工具和技术。
图1示出了根据本公开内容的一个实施方式的设备10。设备10可以包括激光放大器形式的脉冲激光源12、光学参量放大器(“OPA”)14、扩束器16、第一高反射(“HR”)镜18、光束均化器20、第二HR镜22、第二扩束器24、数字掩模26、电子数字掩模控制系统27(其包括处理器、存储器和I/O)、凹面镜30、中性密度(“ND”)滤光器32、二向色镜36、电荷耦合显示器(“CCD”)4、电可调透镜(“ETL”)42、物镜44、样品(也被称为“光敏聚合物抗蚀剂材料”)48、可移动载物台50和朝向样品48发射光束52的灯50。
在操作中，激光源12可以是提供驱动写入过程的激光的脉冲激光源。该激光源12的关键特征是它生成具有宽波长光谱而不是单个波长的脉冲。合适的激光源的一个示例是具有800nm的中心波长和40nm的带宽的飞秒钛蓝宝石再生激光放大器。如图1所示，来自激光源12的光具有如下波长：其波长在由第一扩束器14、光束均化器20和第二扩束器22进一步修改之前由OPA14修改，在一个示例中从800nm修改为200nm或400nm。扩束器16和24实质上控制照射数字掩模26的光束25的直径。
在一个示例中，数字掩模26可以是数字微镜装置(“DMD”)。该部件可从各种制造商例如德克萨斯州达拉斯的德州仪器公司(Texas Instruments Inc.of Dallas,TX)商购获得。替选地，数字掩模26可以由空间光调制器形成。为了以下讨论，将假设数字掩模26由DMD形成。
在将DMD用作数字掩模26的情况下，关键特征在于DMD的每个微镜都可以看作形成一个像素点，并且每个像素点都可以单独地导通或关断。这是通过将反射镜在两个预定位置之间旋转小角度来实现的。在一个预定位置中，像素(即微镜)形成“导通”状态，其中从该点射出的从微镜反射(和衍射)的光的强度足够高以实现聚合，并且形成发散的细光束。在其他预定位置中，像素形成“关断”状态，并且从微镜反射(和衍射)的细光束的强度太低而无法实现聚合。低阈值和高阈值由写入过程的参数确定。由数字掩模26中的微镜中的每一个产生的细光束形成由附图标记28表示的发散光束并且共同形成使用数字掩模26产生的图像。然而，仅从数字掩模26内的“导通”像素产生的细光束被用于实现样品48内材料的聚合。来自光束28的其余细光束(即具有不足以引起聚合的功率的所有低照度光束)或者可以用于诊断或者可以重定向至一个或更多个光阱中。准直光学器件(即，凹面镜30)将发散光束28转换为准直光束34。虽然在该示例中将准直光学器件示为凹面镜30，但是也可以使用合适的透镜来提供所需的发散光束的准直。
然后，准直光束34穿过ND滤光器32、物镜44、二向色镜36、ETL 42，并且聚焦至样品48内部的如聚焦光束46所指示的XY平面上。如上所述，样品48可以包括光敏聚合物抗蚀剂材料。该聚焦平面是数字掩模26的共轭平面。适合用作物镜44的物镜的一个示例是高数值孔径但低中等放大率的油浸无限远物镜(诸如40×1.4NA透镜)。
在样品48上或样品48内的聚焦图像平面中，在与数字掩模26中的“导通”像素对应的每个点处的每个细光束的强度高于包含样品48的材料的阈值写入强度；然而，光束34的从“关断”像素发出的每个细光束的强度低于阈值写入强度。因此，在样品46内的XY平面中形成了数字掩模26的像素化图像。这使得样品48内的整个层能够在一次操作中被写出，因为光束34的来自“导通”像素的细光束能够在一个操作中并行地同时写入大量的点(即约1×106或更多)。因此，能够利用并行地写入的多个细光束形成样品48的每一层的能力使得由样品48的光敏聚合物抗蚀剂材料制成成品部件所需的时间能够显著减少。
可以通过使用可移动载物台50相对于样品48移动聚焦图像平面来制造三维结构。在实际中，可移动载物台50在XY平面上的移动可以由电子控制系统54控制。替选地，当物镜44根据需要在XY平面内移动时，可移动载物台50可以是固定支撑的载物台(即，不可移动)。另外，可能可移动载物台50和物镜44两者都可以被移动。然而，可以预见的是，对于大多数应用而言，将优选仅移动可移动镜载物台50或物镜44中的一个或另一个。
对于上面所描述的设备10，重要的特征因此是以下的条件：来自激光源12的激光、数字掩模26、凹面镜30(即准直光学器件)的轴线以及准直光学器件的相对尺寸。三个元件(激光、掩模、准直光学器件)被布置成使得获得闪耀光栅条件以用于数字掩模26。闪耀光栅条件要求光以由数字掩模上的像素间距、激光光束的中心波长和光栅的闪耀角确定的特定角度入射至数字掩模26上。另外，凹面镜30(即准直光学器件)被布置成使得仅收集对应于闪耀条件的衍射级。通常，这需要将凹面镜30(即准直光学器件)相对于数字掩模26的面以预定角度放置，并且通过引入孔径来阻挡其他级。这为最大角孔径设置了条件。另外地，人们必须确保凹面镜30(即准直透镜)收集所有波长(在激光源12的带宽内)。由于不同的波长以(稍微)不同的角度出射，因此该条件设置了最小角孔径。因此，必须使通过其光束28的细光束一定被收集到凹面镜30(即准直光学器件)上的角孔径位于小频带内。在该频带之外，设备10的性能可能显著下降到丧失对于3D打印的深度可分辨性的这种程度。
设备10还促进了灰度打印方法的实现方式，该灰度打印方法确保可以制造高质量的部件。灰度打印方法是由本申请的受让人开发的并且包括操作顺序和这些操作中的致使打印期间的不均匀“剂量”的写入条件的选择。术语“剂量”是指光强度和曝光持续时间的组合效应(形式为剂量～[强度]m×曝光持续时间)。对于给定的光敏聚合物抗蚀剂材料，当剂量高于阈值时，就会发生写入。任意像素被“导通”的最大数量由制造所需的最大曝光持续时间确定。像素可以被“导通”的最短持续时间由激光源12的脉冲重复率确定。灰度控制使得能够以脉冲重复率的倒数为步长在零与最大持续时间之间调节每个像素的总曝光时间。例如，如果投影场需要以1kHz的脉冲重复率进行20个脉冲，则可以以1ms为步长在0ms至20ms之间离散地调节曝光时间。这是通过每1ms将一个新的单一位图像加载至DMD 26上来实现的。重要的是要注意，用于曝光控制的这种方案不同于商用DMD掩模(即投影仪)的强度控制。在商用DMD投影仪中，可以通过改变在反射镜在打开状态与关闭状态之间连续地循环时反射镜在打开状态与关闭状态之间切换的速率的比率来在若干级别上控制像素的时间平均强度。
还在实验上观察到，阈值剂量取决于样品48内特征的接近度。在包含紧密间隔特征和稀疏间隔特征的样品部分中，提供均匀剂量会致使基于过度曝光或不足曝光的缺陷。上述灰度打印方法的灰度剂量控制使得在同一聚焦平面中能够对剂量进行不均匀的控制。这是通过利用来自激光源12的激光的脉冲特性和构成样品48的材料的多脉冲曝光阈值行为来实现的。传统上，人们将在样品48内的每个聚焦平面上保持投影一个图像，直到在样品内的特定平面上获得期望的均匀剂量。但是对于本方法，一个重要的区别在于，可以在同一图像平面上顺序地投影多个图像，而不是投影相同图像。改变正在创建的数字图像，使得在随后的图像中关断局部剂量超过不均匀剂量阈值的数字掩模26的像素。样品48中同一图像平面上的顺序图像的这种调节可以或者通过剂量定律的先前实验校准来执行，或者通过光学感测固化过程来实时地执行。
因此，通过在同一图像平面上产生多个连续图像但对于图像的每个像素具有不同的剂量来实现的如本文所描述的灰度剂量控制技术使得能够打印不均匀的部分而不会产生由于过度曝光或曝光不足引起的缺陷。特别地，现在可以打印具有紧密但不同特征的不均匀部件。代表性的灰度数字掩模在图5a和图5b中示出。
还应当注意，时间平均强度通常不是多光子光刻期间曝光剂量的可靠度量。因此，依赖于对强度进行时间平均的商业强度控制技术不能用于可靠的剂量控制。另外，提出的灰度技术虽然用于调节总曝光时间，但是无法调节瞬时强度或峰值强度。尽管可以通过控制入射光束的净功率来调节强度，但是通常无法实时地获得用于这种调节的反馈。由于DMD26的衍射效率易于随图像的空间频率而变化，因此对所有图像的发射功率的一次性校准并不准确。这个问题已经利用在图2中被示出为设备100的本公开内容的另一实施方式得到解决。设备100在某种程度上类似于设备10，因为设备100包括脉冲激光源102、半波片104、偏振光束分光器106、反射镜108、数字掩模110、用于控制数字掩模110的电子控制系统112、每个均用于使其接收的光束准直的一对准直透镜114和115、光束监测功率计116、光束功率控制单元117、摄像装置118(在该示例中电子控制系统112也控制摄像装置118)、透镜120、分束器122、灯124、二向色镜126、物镜128、定位成在高度上邻近物镜(例如在物镜128下方)用于支撑在其上的样品132(即光敏聚合物抗蚀剂)的可移动载物台130、以及用于控制可移动载物台130或物镜128的移动中至少之一(或可能两者)的电子控制系统134。可选地，单个电子子系统(例如系统112或系统134)可以用于执行设备100的所有控制操作。
设备100与设备10的主要区别在于，设备100能够连续地监测来自数字掩模110的非加工衍射细光束之一(即，图A2中的“m阶”细光束111')并使用光束监测功率计116监测衍射效率的变化。进行加工的光束由附图标记111表示，其可以被称为从数字掩模110发射的“加工光束”。光束功率控制单元117耦接至功率计116以用于加工光束111的实时光束强度控制，所述光束功率控制单元117例如可以通过旋转半波片然后是偏振光束分光器形成。
图3示出了对于不同特征间隔的平均功率(以毫瓦为单位)与阈值曝光时间(以毫秒为单位)的关系。因此，图3示出了本文所描述的设备10和100当结合本文所描述的灰度控制方法使用时如何能够紧密地控制剂量。
简要地参照图4，示出了在执行本公开内容的方法时可以由设备10或100执行的各种操作的高级流程图200。在操作202处，生成脉冲激光光束。在操作204处，可以使用数字掩模(26或110)以对光束进行数字化并且选择性地仅导通掩模内的特定像素中之一以产生“加工光束”(即光束28'或111)。可选地，如操作206所指示的，可以选择未用于加工的“关断”细光束之一(即“第m光束”)并监测其功率。此外可选地，如果执行了操作206，则在操作208处可以基于测得的第m细光束的功率实时地调节加工光束的功率。
在操作210处，可以对加工光束进行准直。在操作212处，可以在一个操作中使用准直的加工光束来开始/继续加工样品(即光敏聚合物抗蚀剂)内的整个第n层。在操作214处，可以在加工过程期间根据需要控制可移动载物台(50或130)和/或物镜(44或128)。在操作216处，对加工是否已经完成进行检查，如果没有完成，则可以重复操作210至216。如果完成了对样品部件的第n层的加工，则如操作218所指示的，可以获得用于写入部件的第n+1层的数字信息，并且可以重复操作204至216以写出下一层。如果在操作216处的检查指示部件的所有层均已经被加工，则过程结束。
本文所描述的本公开内容的各种实施方式和方法提出了一种新的并行双光子光刻技术，该新的并行双光子光刻技术确保深度可分辨性为单个微米的量级，并且平面内特征尺寸小于约350nm。因此，可以通过投影通过数字掩模(26或110)动态地调节的一系列图案化的“光片”来生成任意复杂的结构。尽管本文所描述的方法在功能方面看起来类似于当今投影微立体光刻系统中使用的基于常规DMD的并行化，但是本公开内容的设备和方法实现了一种根本不同的光学系统，该根本不同的光学系统确保了光片(即光束34)在空间和时间两者上都被聚焦。通过克服飞秒投影光学器件中对深度可分辨性的这一障碍，本公开内容成功地将速率按比例扩大了50倍，同时仍保持了高质量串行技术的<350nm特征尺寸分辨率。因此，本公开内容的设备和方法消除了扩大亚微米增材制造的根本障碍并将双光子光刻转变为用于对具有纳米级特征的功能部件进行大批量增材制造的可行系统。
期望本公开内容的各种实施方式和方法具有广泛的适用性，例如适用于微电子工业中的3D打印应用中、高能量激光靶的制造中；在3D打印应用中用于打印光子晶体(即传感器)，在机械超材料(例如低密度、高强度工程超材料)中和微流体(例如用于生物医学诊断条)中，仅列举潜在应用的一些示例。
尽管已经描述了各种实施方式，但是本领域技术人员将认识到可以在不脱离本公开内容的情况下做出修改或变型。这些示例示出了各种实施方式，并不旨在限制本公开内容。因此，鉴于相关的现有技术，说明书和权利要求书应仅以必要的限制而自由地解释。
提供示例实施方式，使得本公开内容将是透彻的，并且将本公开内容的范围完全传达至本领域技术人员。阐述了许多特定细节例如特定部件、装置和方法的示例，以提供对本公开内容的实施方式的透彻理解。对于本领域技术人员将明显的是，不需要采用具体细节，示例实施方式可以以许多不同的形式来实施，并且都不应当被解释为限制本公开内容的范围。在一些示例实施方式中，未详细描述公知的过程、公知的装置结构和公知的技术。
本文所使用的术语仅是出于描述特定示例实施方式的目的，而不是旨在限制性的。如本文所使用的，除非上下文另外明确指示，否则单数形式“一种”、“一个”和“该”同样也可以旨在包括复数形式。术语“包括”、“包含”和“具有”是包括性的，并且因此指定存在所述特征、部分、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、部分、步骤、操作、元件、部件和/或其构成的组。除非被具体指定为执行次序，否则本文所描述的方法步骤、过程和操作不应被解释为必须要求它们以所讨论或示出的特定次序执行。还应当理解，可以采用附加步骤或替代性步骤。
当元件或层被称为“在另一元件或层上”、“接合至”、“连接至”或“耦接至”另一元件或层时，该元件或层可以直接在另一元件或层上、接合至另一元件或层、连接至另一元件或层或者耦接至另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。与之相对，当元件被称为“直接在另一元件或层上”、“直接接合至”、“直接连接至”或“直接耦接至”另一元件或层时，可以不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其他词语应当以同样的方式解释(例如，“在……之间”与“直接在……之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。如本文中所使用的，术语“和/或”包括关联的列出项目中的一个或更多个的任意组合及所有组合。
尽管术语第一、第二、第三等可以在本文中用于描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受到这些术语的限制。这些术语可以仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一区域、层或部分区分开。除非由上下文明确指示，否则诸如“第一”、“第二”的术语和其他数字术语在本文中使用时不暗含顺序或次序。因此，在不脱离示例实施方式的教导的情况下，下面所讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分。
为了便于描述，本文中可以使用诸如“内部”、“外部”、“之下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等的空间相对术语来描述一个元件或特征与另一元件或特征的关系，如附图中所示出的。空间相对术语可以旨在涵盖除了在附图中描绘的取向之外的装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为其他元件或特征的“之下”或“下方”的元件将被取向为在所述其他元件或特征的“上方”。因此，示例术语“下方”可以涵盖上方和下方两个取向。该装置可以以其他方式取向(旋转90度或其他取向)，并且据此解释本文所使用的空间相对描述符。

Claims (19)

1.一种用于执行增材制造操作以形成部件的方法，其中，所述部件包括光敏聚合物抗蚀剂材料，所述方法包括：
生成激光光束；
将所述激光光束指向具有多个可独立控制的镜元件的数字掩模处；
控制所述数字掩模，以从所述激光光束中选择性地产生具有如下的不同或相同强度的细光束子集的光束：所述细光束子集在位于所述光敏聚合物抗蚀剂材料内的图像平面内形成多个顺序地投影的不同图像，并且其中具有足以引起被所述细光束子集照射的所述光敏聚合物抗蚀剂材料的一部分的聚合的强度的细光束提供跨越所述图像平面的非线性曝光剂量；
对所述光束进行准直；
将具有所述细光束子集的所述准直光束指向所述光敏聚合物抗蚀剂材料处，以引起所述顺序地投影的不同图像在所述光敏聚合物抗蚀剂材料内产生累积非线性曝光剂量，从而引起所述光敏聚合物抗蚀剂材料的选定部分的同时聚合；以及
使用功率监测单元监测至少一个细光束的功率，以监测衍射效率，以提供对到达所述光敏聚合物抗蚀剂材料的所述细光束的强度的控制，所述至少一个细光束由所述数字掩模产生以用于引起所述光敏聚合物抗蚀剂材料的聚合并帮助产生所述部件但所述至少一个细光束被所述数字掩模衍射并从通向所述光敏聚合物抗蚀剂材料的光路偏移并且因此不用于引起所述光敏聚合物抗蚀剂材料的聚合。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，使用所述数字掩模来产生所述细光束子集包括在空间和时间两者上使所述细光束子集聚焦。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，生成激光光束包括生成脉冲激光光束。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括基于所监测的所述至少一个细光束的功率来调节所述激光光束的功率。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述细光束子集照射所述光敏聚合物抗蚀剂材料之前使用物镜使所述细光束子集聚焦。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括：将所述光敏聚合物抗蚀剂材料支撑在载物台上，并且移动所述物镜以使所述细光束子集写出所述光敏聚合物抗蚀剂材料层。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：将所述光敏聚合物抗蚀剂材料支撑在可移动载物台上，并且在所述细光束子集照射所述光敏聚合物抗蚀剂材料的同时可控地移动所述可移动载物台。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括在所述细光束子集照射所述光敏聚合物抗蚀剂材料之前使用物镜使所述细光束子集聚焦。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括在使用所述细光束子集写出所述光敏聚合物抗蚀剂材料层的同时移动所述可移动载物台和所述物镜两者。
10.一种用于执行增材制造操作以形成部件的方法，其中，所述部件包括光敏聚合物抗蚀剂材料，所述方法包括：
生成脉冲激光光束；
将所述脉冲激光光束指向数字掩模处，所述数字掩模包括能够被导通或关断的多个独立地可控的像素；
控制所述数字掩模以将所述脉冲激光光束分成多个细光束、第一细光束子集和第二细光束子集，每个细光束与所述数字掩模的相关联的单个像素对应，所述第一细光束子集由所述数字掩模的被关断的像素产生并且所述第一细光束子集具有不足以诱导所述光敏聚合物抗蚀剂材料的聚合的光能，所述第二细光束子集由被导通的像素产生并且所述第二细光束子集具有足以诱导聚合的光能，所述多个细光束、所述第一细光束子集和所述第二细光束子集在位于所述光敏聚合物抗蚀剂材料内的给定X-Y平面内形成多个顺序地投影的不同图像，其中，所述图像在所述光敏聚合物抗蚀剂材料内产生累积非线性曝光剂量，从而引起所述光敏聚合物抗蚀剂材料的选定部分的同时聚合；
对所述光束进行准直，以产生具有所述第一细光束子集和所述第二细光束子集的准直光束；
仅使用所述第二细光束子集以并行的方式诱导在所述光敏聚合物抗蚀剂材料内的给定X-Y平面中的所述光敏聚合物抗蚀剂材料的选定区域的聚合；
使用所述数字掩模来控制附加第二细光束子集至所述部件的附加层的随后施加来以逐层方式形成所述部件的每个所述层；以及
使用功率监测单元监测至少一个细光束的功率，以监测衍射效率，以提供对到达所述光敏聚合物抗蚀剂材料的所述细光束的强度的控制，所述至少一个细光束由所述数字掩模产生以用于引起所述光敏聚合物抗蚀剂材料的聚合并帮助产生所述部件但所述至少一个细光束被所述数字掩模衍射并从通向所述光敏聚合物抗蚀剂材料的光路偏移并且因此不用于引起所述光敏聚合物抗蚀剂材料的聚合。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，控制所述数字掩模包括在空间和时间两者上使所述光束的所述细光束聚焦。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括：将所述光敏聚合物抗蚀剂材料支撑在可移动载物台上，并且在照射所述光敏聚合物抗蚀剂材料的同时移动所述可移动载物台以进一步控制X-Y平面内选定区域的聚合。
13.根据权利要求10所述的方法，还包括：将所述光敏聚合物抗蚀剂材料支撑在在高度上邻近物镜的可移动载物台上，所述第二细光束子集在进入所述光敏聚合物抗蚀剂材料之前均被所述物镜聚焦。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括以下中至少之一：
在所述第二细光束子集照射所述光敏聚合物抗蚀剂材料内的X-Y平面的同时，仅移动所述可移动载物台；
在所述第二细光束子集照射所述光敏聚合物抗蚀剂材料内的X-Y平面的同时，仅移动所述物镜；或者
在所述第二细光束子集照射所述光敏聚合物抗蚀剂材料内的X-Y平面的同时，移动所述可移动载物台和所述物镜两者。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，使用数字掩模包括使用数字微镜装置(DMD)来产生所述第一细光束子集和所述第二细光束子集。
16.根据权利要求10所述的方法，还包括使用功率监测部件来监测所述第一细光束子集的细光束中的选定细光束的光功率水平。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：使用光束功率控制单元从所述功率监测部件接收信号，以帮助控制第一光束部件子集的被用于实现所述光敏聚合物抗蚀剂材料的选定部分的聚合的光束部件的功率水平。
18.根据权利要求10所述的方法，还包括使用电子控制系统来控制所述数字掩模的操作。
19.一种用于执行增材制造操作以形成部件的设备，其中，所述部件包括光敏聚合物抗蚀剂材料，所述设备包括：
激光器，其用于生成激光光束；
具有多个可独立控制的镜元件的数字掩模，其用于接收所述激光光束；
所述数字掩模被配置成将所述激光光束分成多个细光束、第一细光束子集和第二细光束子集，所述第一细光束子集具有不足以诱导所述光敏聚合物抗蚀剂材料的聚合的光能，所述第二细光束子集具有足以诱导聚合的光能，并且所述第一细光束子集形成图像，所述多个细光束、所述第一细光束子集和所述第二细光束子集在位于所述光敏聚合物抗蚀剂材料内的给定X-Y平面内形成多个顺序地投影的不同图像，其中，所述图像在所述光敏聚合物抗蚀剂材料内产生累积非线性曝光剂量，从而引起所述光敏聚合物抗蚀剂材料的选定部分的同时聚合；
准直仪，其用于对所述第一细光束子集进行准直；并且
其中，所述第一细光束子集同时写出所述光敏聚合物抗蚀剂材料层；
所述设备还包括功率监测单元，其用于监测至少一个细光束的功率，以监测衍射效率，以提供对到达所述光敏聚合物抗蚀剂材料的所述细光束的强度的控制，所述至少一个细光束由所述数字掩模产生以用于引起所述光敏聚合物抗蚀剂材料的聚合并帮助产生所述部件但所述至少一个细光束被所述数字掩模衍射并从通向所述光敏聚合物抗蚀剂材料的光路偏移并且因此不用于引起所述光敏聚合物抗蚀剂材料的聚合。
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