CN114981726A - 体积式微光刻技术 - Google Patents

Abstract

描述了用于体积式微光刻的系统和方法，其中该方法可以包括接收三维目标结构的数据表示，并确定光敏介质体积或构建体积中的多个平面，该多个平面中的每个平面与构建体积中多个深度中的相应深度相关，该多个深度是沿曝光系统的光轴定义。每个平面可以对应于曝光系统的焦平面的可能位置。优选的是，多个深度中的深度是相互不同的。光敏介质可包括用于在光敏介质中引发化学反应的激活化合物，该激活化合物能够被第一波长的光激活。在一个实施方案中，光敏介质可进一步包括用于抑制光敏介质中化学反应的抑制化合物，该抑制化合物能够被不同于第一波长的第二波长的光激活。该方法还可以包括根据三维目标结构的形状和(优选地是)光敏介质的特性，计算曝光图像序列，其中曝光图像序列的每个曝光图像与构建体积中多个平面中的平面有关。每个曝光图像可以与第一波长的光和/或第二波长的光有关。在一个实施方案中，该光可以是强度调制的光。该方法可进一步包括，对于多个平面中的每个焦平面，控制曝光系统将曝光系统的焦平面定位在构建体积中与对应平面相关的深度处，并用与对应平面相关的曝光图像照亮构建体积。

Description

体积式微光刻技术

技术领域

本发明涉及体积式微光刻技术，特别是，尽管不是唯一的，涉及用于体积式微光刻技术的方法和系统以及使用这种方法的计算机程序产品。

背景技术

在传统的光刻技术中，使用光学掩膜将平面形状的光敏层的部分曝光在一定波长的辐射下，以在该层中形成光聚合的二维结构。这些技术允许高速实现二维结构，其中分辨率受到衍射极限的限制。高分辨率技术，如通过光诱导失活提高分辨率(RAPID)和光抑制超分辨率(PlnSR)，可用于将分辨率推至亚衍射极限。这些高分辨率的无掩模技术包括用两束不同波长的激光对包括光抑制剂的光敏层进行局部曝光。一束激光激活了光聚合，而另一束激光激活了抑制光聚合的抑制剂。这样一来，曝光区以外的不希望发生的聚合就可以得到抑制。虽然可以实现高分辨率的二维结构，但使用激光束直接曝光本身就很慢。此外，浅的三维结构可以用这些二维光刻技术通过在彼此的顶部依次形成层来实现。这样的过程很麻烦，需要仔细对齐各层，这可能会影响分辨率。

目前，无掩模三维光刻技术，如立体光刻(SLA)和多光子光刻技术已经开发出来，可以在光敏介质中直接实现三维结构。这些技术使用聚焦的激光束在介质的体积内引发局部聚合过程，通常被称为构建体积。这些三维光刻技术在微机电系统(如微流体装置)、微光学和其他三维微尺度系统和集成电路技术等领域有许多潜在的应用，然而目前的技术在分辨率和速度方面仍有缺点。特别是，由于吸收的辐射和由于链式增长的扩散和传播，分辨率受到所需区域外的聚合的影响。

US4575330A描述了一种SLA光刻系统，该系统包括平面平台，该平面平台位于包含液态可聚合介质的容器中，该介质在某一波长(通常是紫外线)具有高吸收性。该平台被放置在刚好低于介质表面的高度，以便在平台上形成薄的可光聚合介质的表面层。紫外线激光束被控制局部地曝光薄表面层的一部分，从而在平台上形成结构化的聚合层。形成该层后，平台的高度被降低，以便在聚合层上再次形成可光聚合介质的薄表面层。这样一来，就可以逐层地制造出三维结构。然而，逐层制造大大限制了三维结构的制造速度。该技术还受到其他不必要的影响，如表面粗糙度和机械各向异性。需要机械可控和高度稳定的平台来形成薄膜表面层，这使该过程更加复杂。

同样，US20050254035A描述了一种多光子光刻系统(也称为直接激光光刻系统)，该系统在特殊设计的光敏介质中使用多光子吸收过程，该介质在光谱的近红外(NIR)区域具有高吸收性。只有在短时间内与光引发剂分子吸收的多个光子相互作用时，才会引发光聚合反应。这种技术允许在光敏介质的构建体积内的任何位置进行光聚合。这样一来，就可以制造出三维纳米结构和微结构。这种技术需要精确控制产生高强度聚焦脉冲的激光源，以便对介质中的某个位置进行曝光。虽然可以实现具有小细节的结构，但这种技术很慢，而且只限于非常小的三维微结构和纳米结构。

因此，从上述情况来看，已知的无掩膜三维光刻技术要么缺乏速度，要么缺乏分辨率，并且/或者不能扩展到大批量生产。因此，本领域需要改进方法和系统，以便快速实现高分辨率的三维结构，优选是在平面形状的光敏介质中。特别是，本领域需要高分辨率，优选是微米或亚微米分辨率的光刻技术，该技术允许在可选的平面形状的光敏介质中以可调比例的形式快速实现三维结构。

发明内容

本发明的一个目标是减少或消除现有技术中已知的至少一个缺点。特别是，本公开的实施例的目标是提供一种快速三维制造微尺寸装置的方法。与光刻技术中可实现的复杂性相比，本公开的实施例允许增加可打印结构的复杂性，并且与多光子光刻技术相比，极大地提高了制造速度。特别是，本申请中描述的实施例的方法和系统通过(数字)投影系统，优选地是无罩投影系统，允许快速形成高分辨率的任意形状的三维结构，该系统被配置为将光敏介质曝光于曝光图像的序列，所述曝光图像的序列包括聚焦在光敏介质中的深度范围处的一个或多个波长的光。因此，该曝光系统定义了与深度范围相对应的焦平面的范围。为了到达深度范围内的每个焦平面，光可以通过光敏介质的至少一部分传播。优选地是，该系统包括具有动态可调焦距的光学元件，允许在光敏介质中快速移动焦平面。事实上，为共焦显微镜开发的成像系统可以在进行一些改变后使用，以促进这种制造方法。此外，允许主动终止或抑制聚合反应的技术提供了一种适合提高新型微制造技术的定义的方法。该系统可包括用于执行此类方法的计算机。

在一个方面，本发明可涉及一种用于在光敏介质中形成三维目标结构，如聚合物三维目标结构的体积式微光刻方法。所述方法可以包括接收三维目标结构的数据表示，并确定光敏介质体积或构建体积中的多个平面，该多个平面中的每个平面与构建体积中多个深度中的相应深度相关，该多个深度沿曝光系统的光轴定义。平面可以对应于曝光系统的焦平面的可能位置。优选的是，多个深度中的深度是相互不同的。光敏介质可以包括用于在光敏介质中引发化学反应的激活化合物，该激活化合物可被第一波长的光激活。在一个实施例中，光敏介质可进一步包括用于抑制光敏介质中化学反应的抑制化合物，该抑制化合物可被不同于第一波长的第二波长的光激活。该方法还可以包括根据三维目标结构的形状和优选地是光敏介质的特性和/或曝光系统的规格，计算曝光图像的序列，其中曝光图像的序列的每个曝光图像与构建体积中多个平面中的平面相关。每个曝光图像可与第一波长的光和/或第二波长的光相关。在一个实施例中，该光可以是强度调制的光。该方法可进一步包括，基于多个平面的至少一部分，控制曝光系统将曝光系统的焦平面定位在构建体积中与相应平面相关的深度，并以与相应平面相关的曝光图像照射构建体积。

光敏介质的特性可包括光学特性和化学特性。光学特性可包括以下一项或多项：光的吸收、折射或散射，以及可选的，介质对光的反应性。化学特性可包括与光强度相关的化学反应速率。计算也可以基于曝光系统的光学规格，通常表示为点扩散函数、光学传递函数或脉冲响应，确定光在构建体积内传播的几何形状。曝光系统的光学规格可以包括以下一项或多项：聚焦深度、空间分辨率和(源)光强度。

由于用于体积式微光刻的技术和设备可能与用于共焦显微镜的技术和设备相似，体积式微光刻也可以被称为共焦光刻技术。

在一个实施例中，构建体积中的多个平面中的每个平面可以垂直于或基本垂直于曝光系统的光轴。

在一个实施例中，三维目标结构可以与基本上是平面形状的三维结构相关，即，物体在一个维度上，通常是在曝光系统的光轴方向上的维度(如Z轴)，比在其他两个维度上，通常是横向维度(即，在垂直于光轴的平面上的维度，如X-Y平面)要小很多。这种三维结构可用于许多应用，包括例如微机电系统(MEMS)、微流控系统、电池和光伏。三维目标结构可以是最终物体的正像或负像。例如，最终物体可以是结构本身，也可以通过用不同的材料填补三维目标结构产生的空隙而形成，三维目标结构基本上可以作为模具。将结构从三维目标结构转换成最终物体可以通过各种已知的技术实现，如物理或化学气相沉积、溅射、模塑或电镀。

曝光系统可以定义焦点深度。优选的是，聚焦深度与构建体积的厚度相比是小的。构建体积可以在平行于曝光系统的光轴方向上有厚度，在垂直于光轴的方向上有横向范围。

曝光图像的序列中的曝光图像可能取决于三维目标结构和曝光图像的序列中的其他曝光图像，通常是整个曝光图像的序列。

第一波长的曝光图像可以是激活曝光图像，第二波长的曝光图像可以是抑制曝光图像。因此，用一连串的曝光图像照射构建体积可以包括用激活曝光图像和/或与相应平面相关的抑制曝光图像照射构建体积。与深度相关的第一波长的曝光图像的照明和与同一深度相关的第二波长的曝光图像的照明可以使用曝光系统中合适的光学器件和/或合适的图像形成模块同时进行，或者可以单独进行。

在一个实施例中，光敏介质对于第一和第二波长的光来说是基本透明的。在实践中，这可能意味着第一和第二波长的光可以以足够的强度到达离光学元件最远的构建体积的层，从而引发或抑制化学反应。因此，整个构建体积几乎可以瞬间被照射，或至少以高度平行的方式被照射。因此，该方法比传统3D打印或立体光刻中逐层产生三维结构的方法要快得多。

该方法的另一个优点是可以获得超分辨率效果，从而创造出分辨率高于曝光系统的分辨率的物体。曝光系统的分辨率可能受到系统的衍射极限或其他限制。这样的超分辨率效果是已知的，例如，在光抑制超分辨率光刻或超分辨率(共焦)显微镜方法领域。这些效果可以通过第一波长的光和第二波长的光的相互作用获得。如果(光学)曝光系统的有限分辨率，例如其脉冲响应或点扩散函数，在计算曝光图像的序列的基础数学模型中得到考虑，这些超分辨率效果可以不费吹灰之力获得。

因此，通过光学改变曝光系统的特性，或者通过移动整个构建体积相对于光学系统进行移动，曝光系统的焦点平面可以移动通过构建体积中的光敏介质。这样，整个三维结构就可以被产生，而不必像传统的立体光刻系统那样，在产生下一层之前等待每一层被固化。虽然被聚焦在焦平面上，但曝光图像的光线照射了整个建造体积。因此，确定构建体积中某一平面的曝光图像不仅取决于相应深度的待构建的物体的形状，而且还取决于光学系统的脉冲响应、其他平面的物体形状以及为(至少)相邻平面计算的曝光图像。

在本申请中，光刻技术可指任何通过用一个或多个曝光图像或光图案照射光敏介质(如光聚合物或光刻胶)来产生二维或三维结构的方法。可选择的是，该过程可包括图案或结构转移步骤，如结构的显影、物理气相沉积、模塑或蚀刻。

在本申请中，“光”可以指任何波长的电磁辐射，特别是可见光谱的电磁辐射；近、中、远红外光谱；以及近、中、远紫外光谱。

在一个实施例中，光敏介质包括光刻胶，优选是高对比度的光刻胶。该光刻胶可以是光聚合物光刻胶、光分解光刻胶、光交联光刻胶或任何其他类型的合适光刻胶。光敏介质可以是固体介质，凝胶状介质，或液体介质。例如，光刻胶可以是由两个波长控制的光交联光刻胶，其中第一个波长可以刺激键的产生，第二个波长可以减缓键的产生，甚至破坏以前产生的键。该光刻胶也可以是一种光分解光刻胶，其中第一波长可以去除化学键，第二波长可以减缓键的去除，甚至刺激键的重新生成。

在一个实施例中，光敏介质是一种可光聚合的介质。可光聚合的介质可以包括在第一波长下可激活的光引发剂。可光聚合的介质可包括在第二波长下可激活的光抑制剂。可光聚合的介质可以包括对不同波长的光照有反应的物种。可以包括在被两个或多个不同波长的辐射照射时同时引发和抑制或终止化学反应的物种。可光聚合的介质可包括各种类型的化学体系，这些体系可基于例如自由基聚合、阳离子聚合、阴离子聚合或酸催化聚合或任何其他合适的反应类型。可光聚合的介质可能包含光引发剂成分，所述光引发剂成分当曝光在一定强度的辐射下一段时间后，可能会产生参与聚合反应的化学物种。反应速度可能取决于光引发剂的浓度、其量子产率和它所吸收的照明能量的多少，以及其他参数。为了提高光引发剂对特定波长照明的敏感性，可以使用光敏剂。

在一个实施例中，相对于构建体积移动焦平面可以包括动态地适应焦距。为此，曝光系统可以包括具有动态可调焦距的物镜。这允许在位于构建体积内不同深度的焦平面范围内快速聚焦由例如空间光调制器产生的曝光图像或照明图像。在一个实施例中，这可以通过例如快速压电聚焦系统(PIFOC)或液体动态聚焦透镜来实现。这些可能是用于共焦显微镜的元件。

在一个实施例中，相对于构建体积移动焦平面可以包括相对于曝光系统移动容纳构建体积的支架，优选是在与曝光系统的光轴平行的方向上。这样的系统可以有相对简单的光学器件。该系统可以包括电动平台，优选具有亚微米级的定位精度，例如使用步进电机。

在一个实施例中，共焦或体积式微光刻方法也可用于系统中，其中光聚合反应的抑制不是通过第二波长的光照来控制的，而是与在体积的每个部分以近似恒定的速率抑制光聚合的试剂相关。这种“单波长”方法还可以与所谓的高对比度光刻胶有利地结合起来。高对比度的光刻胶对累积的光强度的反应更加突兀，可以实现更清晰的边界，例如固体到液体的界面，或者聚合到非聚合的界面。

在一个实施例中，曝光系统可包括图像形成模块，该模块可包括光源和空间光调制器，或可包括可控显示器。在一个实施例中，控制曝光系统以用与相应平面相关的曝光图像照射构建体积，可包括控制第一和/或第二光源以产生第一和/或第二波长的光，以及控制空间光调制器以根据曝光图像调制该光。控制曝光系统以用与相应平面相关的曝光图像照射构建体积，还可包括控制可控显示器以根据曝光图像产生第一和/或第二波长的光的图案。图案可以包括(二维)空间信息和强度信息。

在一个实施例中，该方法可进一步包括转移结构，优选是使用化学或物理气相沉积或溅射。可选的是，该方法可进一步包括对结构进行显影。这样，不同材料的结构，如金属或半导体，可以形成。

在一个实施例中，该方法可进一步包括将构建体积划分为多个区块，多个区块中的每个区块具有不大于曝光系统视场的横向范围，并根据区块的尺寸沿横向范围的一个或多个方向相对于曝光系统移动构建体积。在这样的实施例中，计算曝光图像的序列可以包括为多个区块的每个区块计算曝光图像的序列。

通过基于曝光系统的视场将构建体积划分为块，可以产生具有大于视场的横向范围的物镜。然后可以通过逐块照射光敏介质来形成三维目标结构。在一个实施例中，区块的曝光图像的序列的计算可能取决于相邻区块的曝光图像的序列。

在一个实施例中，三维目标结构可以包括多个相同的点状、线状或片状结构。在这种情况下，计算曝光图像的序列可以包括根据点状、线状或片状结构确定用于引发化学反应的核，该核优选包括编码第一波长的光的一个或多个像素和编码第二波长的光的像素的图案。该计算可进一步包括在一个或多个曝光图像内重复该核。在一个实施例中，编码第一波长的光的像素可以被编码第二波长的光的像素所包围，以便将化学反应，如聚合，定位到点状、线状或片状结构。

因此，相对简单的结构可以在不明确解决整个构建体积或构建体积的很大一部分的计算模型的情况下产生。核可以根据曝光系统的脉冲响应或点扩散函数等进行预先计算。核通常比曝光图像小得多，即包括更少的像素。核可基于二维或三维，其中曝光图像的序列定义了第三维，核可基于与曝光图像相关联的多个深度，并且曝光图像将被聚焦在所述多个深度上。基于核的计算对于产生稀疏的三维目标结构可能特别有效，在构建体积的各个部分之间几乎没有相互影响。

在一个实施例中，曝光图像的序列，优选是最佳序列的计算可以基于目标化学反应速率的确定，例如，在构建体积的每个点的聚合速率P₀(x，y，z)。计算可进一步包括根据聚合速率的数学模型

和辐射传播的模型

确定曝光图像的序列S₀(x，y，z)的随深度变化的强度。曝光图像的序列S₀(x，y，z)可以描述由例如空间光调制器或可控显示器的图像形成模块所生成的图像序列，其中每个曝光图像是在深度为z的焦平面处的xy平面上定义的。虽然曝光图像被聚焦在焦平面上，但曝光图像可能照射整个深度或构建体积的厚度。因此，为了计算建筑体积各部分的累积光强，必须考虑整个曝光图像的序列。

由于与每个(焦点)平面相关的曝光图像可能会影响其他平面中的(累积)光强度，因此在一个程序中计算完整的曝光图像的序列是有利的，而不是一个域一个域地计算。特别是，总的或累积的强度可以被认为是曝光图像的序列中所有曝光图像的效果的叠加。由于聚焦锥的空间效应，以及光敏介质的光学特性，这种效应对于多个平面中的每个平面都可能是不同的。

聚合速率模型

可以预测在给定的累积照明强度L(x，y，z)的情况下，在构建体积内的每一点上实现的聚合速率P(x，y，z)。给定由图像形成模块生成的曝光图像的序列S(x，y，z)，照明强度L(x，y，z)可以通过辐射传播模型

在构建体积内的每一点上被预测。在这种情况下，照明强度是曝光图像的序列中所有曝光图像的累积强度。

在一个实施例中，计算曝光图像的序列S₀可以包括根据模型

来计算曝光图像的序列，所述模型

用于预测由于投射到光敏介质中，优选的是衰减光敏介质，的曝光图像的序列的化学反应速率。优选地，该计算包括求解

其中

是

的逆，并且其中P₀(x，y，z)是在具有空间坐标{x，y，z}的构建体积中的某个位置的目标化学反应速率。

在一个实施例中，

是线性传播模型

和线性聚合模型

的组合，并且求解

包括计算

的显式逆。显式逆可能具有高精度，但可能有很高的计算要求，而且不一定在数学上或计算上可行。

在一个实施例中，求解

可以包括迭代计算近似解S₀该计算包括最小化目标化学反应速率P₀和由于用曝光图像的序列S₀照射构建体积而实现的化学反应速率P(S₀)之间的差。迭代求解方案可以是灵活的，并且相对容易实现，但可能需要平衡计算时间和精度。

在一个实施例中，求解

可以包括确定

的近似值，优选是基于卷积。这样的近似逆可能是相对快速的，并且具有可接受的精度。

在曝光时间上积分聚合速率得到单体转换率，它被定义为体积元素中所形成的共价键的数量与这种键的最大可能数量之间的比率。单体转换率可以直接转化为凝胶分数，如下面提到的Torres-Knoop的文章和Kryven的第二篇文章中所述。这个凝胶分数表征了每个体积元素中固化的树脂的所谓硬度。当单体转化率达到一定的临界值时，被照射的体积元素就会固化。

在一个实施例中，聚合速率模型

可以用反应性分子动力学来实现。例如，这样的模型在Torres-Knoop,A,et al.Soft matter 14.17(2018)：3404-3414.https://doi.orq/ 10.1039/c8sm00451i的文章中描述，该文章在此通过参考纳入本申请。在另一个实施例中，聚合速率模型

可以是基于动态随机图的技术，它是反应性分子动力学的分析性近似。该技术在Kryven，I.Phys.Rev.E 94.1(2016):012315和Kryven,I.J Math Chem(2018)56:140的两篇文章中描述。这两篇文章在此通过参考纳入本申请。

在一个实施例中，聚合速率模型

可以通过以下类型的简单线性近似

(例如，照明强度的单色分量的L_λi与一些比例系数α_i的加和)来实现。当介质中包含某种形式的光抑制剂时，通常可以实施双波长聚合模型：

其中L_λ1和L_λ2是负责增加或减少聚合速率的照明强度。可以引入被光抑制剂吸收的第二波长，以补偿被焦平面外被吸收的由辐射所引起的光聚合。在这种情况下，“正”曝光和“正”图像涉及与引发可光聚合介质中的光聚合反应或光刻胶中的类似过程相关的曝光，而“负”曝光和“负”图像涉及与抑制光聚合或类似过程相关的曝光。

在一个实施例中，预测构建体积中的累积照明强度L(x，y，z)的辐射传播模型

对应于曝光图像S(x，y，z)的序列，可以基于几何光学近似(即射线追踪)或波光学(例如，辐射传输方程)。

和

这两个模型都可以结合起来，以找到曝光图像的序列和聚合速率：

其中

是组合模型，之间的关系。为了预先计算达到目标聚合速率P₀(x，y，z)所需的最佳曝光图像的序列S₀(x，y，z)，可以求解组合模型的逆问题。该解决方案可以使用显式的线性代数方法(例如，作为矩阵逆)或使用优化算法(例如，梯度下降法)通过迭代来计算。

在一个实施例中，传播模型

可以包括光学像差、散射效应和衍射效应，例如，艾瑞盘效应。当使用这样的模型计算逆时，可以达到超分辨率的效果。

在一个实施例中，该方法可进一步包括探测曝光图像的光，该光已与光敏介质相互作用，优选是该光透射通过光敏介质，或该光被介质反射或散射，或该光被光敏介质再发射；并使用探测到的光来确定光敏介质的光学特性。光学特性可指示本地物理或化学特性。

光学特性可能与光敏试剂中的光敏剂浓度或其中的变化相关，或者与构建体积中的外部物体的存在相关。确定的光学特性可用于例如质量控制、进度控制等，或用于在三维目标结构相对于预先存在的结构形成时对准曝光图像的序列。这在多方向照明的情况下可能特别重要。例如，这可应用于半导体封装，或产生多层或多材料物体，其中各层或材料是在不同的步骤中产生的。

在一个实施例中，该方法可进一步包括基于确定的光学特性和预测的光学特性之间的差更新计算的曝光图像的序列。这可以进一步提高产生结构的质量。

在一个实施例中，可以在曝光系统中实施监测系统，其中在照明期间可以测量通过构建体积的光(如在透射显微镜中)，并用于计算更新的介质吸收率。或者，在照明过程中诱发的荧光可以类似于共焦显微镜中使用的方法进行测量，以计算出介质中光敏化合物的更新的浓度。一般来说，这种测量可以在制造过程的初始化过程中使用，也可以在制造过程中实时使用，以优化曝光图像的顺序，或者在最后用于质量控制。

在一个实施例中，曝光图像可包括像素或可由像素描述，像素具有编码第一波长的光强度和/或第二波长的光的光强度的像素值。曝光图像可与曝光图像将要被聚焦到的平面相关联。

在一个实施例中，构建体积和/或多个平面可以由包括体素(与三维空间中的点相关联的体积元素)的体素表示来描述，体素具有体素值，体素值基于三维目标结构的形状编码光敏介质的目标状态。体素可以与多个平面中的平面相关联。在一个实施例中，每个平面可以包括多个体素，优选是体素的高度等于多个平面中的平面之间的距离。可选地，平面中的体素可以对应于或与曝光图像中与相应平面相关的一个或多个像素相关联。

在一个不同的实施例中，体素表示可以在与多个平面不同的坐标系中确定。例如，第一数据表示可以用于描述接收到的三维目标结构，第二数据表示(可能具有不同的分辨率)可以用于描述构建体积中的目标化学反应速率，第三数据表示(可能具有另一种分辨率)可以用于模拟光通过构建体积的传播。

在一个实施例中，计算曝光图像的序列可以进一步包括提供第一模型，所述第一模型用于计算聚焦在构建体积的体素和/或源自曝光图像的像素的光传播轨迹。

在一个实施例中，计算曝光图像的序列可以进一步包括提供第二模型，所述第二模型用于预测由体素对曝光图像的序列的累积曝光所引起的构建体积的体素中的状态和/或化学反应速率的变化。

在一个实施例中，计算曝光图像的序列可以进一步包括，对于曝光图像的序列的至少一个曝光图像中的一个或多个像素，基于第一模型和/或第二模型的逆问题的精确或近似解，计算第一波长的光和/或第二波长的光的光强度。

在一个实施例中，计算曝光图像的序列可以进一步包括，对于第一体素，基于第一体素的体素值和为与第一体素相邻的一个或多个第二体素计算的光强度，计算和与第一体素相关的平面相关的曝光图像的第一波长的光和/或第二波长的光的光强度，优选地，该计算包括确定逆问题的解。

逆问题的解可以是精确的或近似的解。该逆问题可以基于用于计算构建体积中每个体素的累积光强度的第一模型。第一模型可以包括计算光传播的轨迹(光路)，以用于由曝光图像进行照明，所述曝光图像在预定深度处的平面处聚焦。可以为每个曝光图像的每个像素计算轨迹，计算时考虑到焦平面的深度。

此外或替代地，逆模型可以基于第二模型，所述第一模型用于预测构建体积的每个像素在光的累积曝光下所引起的状态变化，例如预测化学反应的速率或激活和/或抑制化学反应的阈值。

计算曝光图像的序列的步骤可以包括，对于曝光图像的序列中的至少一个曝光图像中的像素，基于第一和第二模型的逆问题的精确或近似解，计算第一波长的光和/或第二波长的光的光强度。

在一个实施例中，计算曝光图像的序列可以进一步包括，对于聚焦于第一像素处的第一像素，基于第一像素的像素值和以下中的至少一个计算像素值：不同于第一像素的一个或多个第二像素的像素值，或不同于第一像素的一个或多个第二像素的像素值；优选地，该计算包括确定模型的逆，所述模型确定构建体积中的化学反应速率或累积光强度。

在一个实施例中，计算曝光图像的序列可进一步包括计算多个平面的每个平面的多个曝光图像，每个曝光图像与多个物镜中的不同物镜或与配置为在相对于构建体积的多个位置之间移动的物镜的不同位置相关联，一个或多个物镜被配置为照射构建体积，优选地，多个物镜，相应的多个位置，被配置为获得大于一个或多个物镜的每个物镜的数值孔径的有效数值孔径。使用多个物镜和/或配置为相对于构建体积移动的物镜，可以获得更高的有效数值孔径，增加至少一个维度的分辨率。

在一个方面，本发明涉及一种用于体积式微光刻系统的计算模块，包括计算机可读存储介质，其上至少体现了程序的一部分，以及处理器，优选与计算机可读存储介质耦合的微处理器，其中响应于执行计算机可读存储代码，处理器被配置为执行可执行操作，包括接收三维结构的数据表示。该可执行操作可进一步包括确定构建体积中的光敏介质体积中的多个平面，其中该多个平面中的每一个平面都与构建体积中沿曝光系统的光轴的深度相关。优选的是，多个深度中的深度是相互不同的。每个平面可以对应于曝光系统的焦平面的可能位置。光敏介质可以包括用于在光敏介质中引发化学反应的激活化合物，其中激活化合物可被第一波长的光激活。优选地，光敏介质还包括用于抑制光敏介质中的化学反应的抑制化合物。优选的是，该抑制化合物可由不同于第一波长的第二波长的光激活。可执行的操作可进一步包括根据结构的形状以及优选是光敏介质的特性和/或曝光系统的规格，计算曝光图像的序列，其中曝光图像的序列的每个曝光图像与多个平面中的平面相关，并且每个曝光图像包括第一波长的光和/或第二波长的光。可执行的操作可以进一步包括存储或输出定义计算的曝光图像的序列的信息，以便由曝光系统使用。

该计算系统可进一步被配置为执行上述任何计算步骤。

在一个方面，本发明涉及一种用于体积式微光刻的曝光系统。该曝光系统可以包括用于容纳构建体积的支架。构建体积可以包括光敏介质，所述光敏介质包括用于在光敏介质中引发化学反应的激活化合物，其中激活化合物由第一波长的光激活。优选是，光敏介质还包括用于抑制光敏介质中化学反应的抑制化合物，其中抑制化合物由不同于第一波长的第二波长的光激活。曝光系统可以进一步包括光学器件，该光学器件被配置为产生焦平面，该焦平面在与光学器件的光轴平行的方向上与构建体积的厚度相比较薄。曝光系统可以进一步包括第一图像形成模块，所述第一图像形成模块用于根据焦平面相对于构建体积的位置生成第一波长的曝光图像。优选地，曝光系统还包括第二图像形成模块，所述第二图像形成模块用于根据焦平面相对于构建体积的位置生成第二波长的照明。曝光系统可以进一步包括处理器，被配置为接收定义第一和/或第二波长的曝光图像的序列的信息，其中曝光图像的序列的每个曝光图像与构建体积中沿光学元件的光轴的深度相关。对于每个曝光图像，处理器可以控制光学系统和/或支架，将光学系统的焦平面定位在与构建体积中与各曝光图像相关的深度处。处理器可以进一步控制第一和/或第二图像形成模块，用相应的曝光图像照射构建体积。

在一个实施例中，第一图像形成模块可以包括用于产生第一波长的光的光源，以及空间光调制器，例如数字微镜设备。在一个不同的实施例中，第一图像形成模块可以是单一的设备，例如，包括OLED屏幕。在一个实施例中，第二图像形成模块可以包括用于产生第二波长的光的光源，以及空间光调制器，例如数字微镜设备。在一个不同的实施例中，第二图像形成模块可以是单一的设备，例如，包括OLED屏幕。在一个实施例中，第一图像形成模块和第二图像形成模块可以是同一个设备，被配置为产生第一和第二波长的光。

在一个实施例中，曝光系统可以包括在单一波长或多个波长下工作的光源。光源可以与空间光调制器(SLM)相连接，以产生快速连续的预计算曝光图像。或者，这些光源可以包括激光扫描系统。其他实现相同效果的方法也同样可以使用。

在一个实施例中，光学器件是可调节的光学器件，被配置为产生具有动态可调焦距的焦平面。在一个实施例中，支架被配置为可以在与光轴平行的方向上移动。

在一个实施例中，曝光系统可以包括额外的图像形成模块，用于从与第一和/或第二图像形成模块的方向不同的方向照射构建体积。

在一个方面，本发明涉及用于曝光系统的模块，包括处理器，被配置为接收定义第一和/或第二波长的曝光图像的序列的信息，该曝光图像的序列的每个曝光图像与构建体积中沿光学轴的深度相关，并且对于每个曝光图像，控制光学系统和/或支架将光学系统的焦平面定位在构建体积中与各曝光图像相关的深度处；并控制第一和/或第二图像形成模块用各曝光图像照射构建体积。

该模块可以与现有的显微镜，优选地与为共焦显微镜配置的显微镜相结合，以获得根据本发明的实施例的曝光系统。该模块可以进一步包括致动器，以操作显微镜的动态可调光学器件。该模块可以进一步包括一个或多个图像形成模块，例如，光源和空间光调制器和/或动态可控的显示器。

本发明还可以涉及一种计算机程序或计算机程序套件，包括至少一个软件代码部分或存储至少一个软件代码部分的计算机程序产品，该软件代码部分在计算机系统上运行时，被配置为执行上述一个或多个方法步骤。

本发明还可以涉及存储有至少一个软件代码部分的非暂时性计算机可读存储介质，该软件代码部分在由计算机执行或处理时被配置为执行上述的一个或多个方法步骤。

正如本领域技术人员所理解的那样，本发明的各个方面可以体现为设备、方法或计算机程序产品。因此，本发明的各个方面可以采取完全的硬件实施例、完全的软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)或结合软件和硬件方面的实施例的形式，这些方面在这里都可以一般称为“电路”、“模块”或“系统”。本公开内容中描述的功能可以作为计算机的处理器/微处理器执行的算法来实现。此外，本发明的各个方面可以采取体现在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该介质上体现有计算机可读程序代码，例如，存储在那里。

可以利用一种或多种计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是，例如，但不限于，电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置或设备，或上述的任何适当组合。计算机可读存储介质的更具体示例可以包括但不限于以下内容：具有一条或多条导线的电连接、便携式计算机软盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、光学存储设备、磁存储设备或上述的任何适当组合。在本发明的背景下，计算机可读存储介质可以是任何可以包含或存储程序的有形介质，供指令执行系统、装置或设备使用或与之相关。

计算机可读信号介质可以包括传播的数据信号，其中体现了计算机可读程序代码，例如，以基带或作为载波的一部分。这种传播的信号可以采取各种形式中的任何一种，包括但不限于电磁、光学或其任何适当的组合。计算机可读信号介质可以是任何计算机可读介质，它不是计算机可读存储介质，可以通信、传播或传输程序，供指令执行系统、装置或设备使用或与之相关。

体现在计算机可读介质上的程序代码可以使用任何适当的介质进行传输，包括但不限于无线、有线、光纤、电缆、射频等，或上述的任何适当组合。用于执行本发明各方面操作的计算机程序代码可以用一种或多种编程语言的任何组合编写，包括面向对象的编程语言，如Java(TM)、Python、Smalltalk、C++或类似语言以及传统的程序性编程语言，如“C”编程语言或类似编程语言。程序代码可以完全在用户的计算机上执行，部分在用户的计算机上执行，作为一个独立的软件包，部分在用户的计算机上，部分在远程计算机上执行，或者完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情况下，远程计算机可以通过任何类型的网络与用户的计算机连接，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，或者连接到外部计算机(例如，通过互联网使用互联网服务提供商)。

下面参照根据本发明的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图说明和/或方框图来描述本发明的各个方面。可以理解的是，流程图说明和/或方框图中的每个块，以及流程图说明和/或方框图中的块的组合，都可以通过计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，特别是微处理器或中央处理单元(CPU)，以产生机器，这样的指令，通过计算机的处理器、其他可编程数据处理装置或其他设备执行，创造出实现流程图和/或方框图中一个或多个块所规定的功能/行为的手段。

这些计算机程序指令也可以存储在计算机可读介质中，该介质可以指导计算机、其他可编程数据处理装置或其他装置以特定方式运行，从而使存储在计算机可读介质中的指令产生一个制造品，包括实现流程图和/或方框图中指定的功能/行为的指令。

计算机程序指令也可以加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他装置上，以使一系列操作步骤在计算机、其他可编程装置或其他装置上执行，从而产生一个计算机实现的过程，这样，在计算机或其他可编程装置上执行的指令提供了实现流程图和/或框图块中指定的功能/行为的过程。

图中的流程图和方框图说明了根据本发明的各种实施例的设备、方法和计算机程序产品的可能实施例的结构、功能和操作。在这方面，流程图或方框图中的每个块可以代表一个模块、段或代码的一部分，它包括一个或多个用于实现指定逻辑功能的可执行指令。还应注意的是，在一些替代性的实施例中，块中指出的功能可以不按图中的顺序出现。例如，连续显示的两个区块实际上可以基本上同时执行，或者根据所涉及的功能，这些区块有时可以以相反的顺序执行。还将注意到，方框图和/或流程图说明中的每个块，以及方框图和/或流程图说明中的块的组合，可以由执行指定功能或行为的基于硬件的特殊用途系统，或特殊用途硬件和计算机指令的组合来实现。

将参照附图进一步说明本发明，附图将示意性地显示根据本发明的实施例。可以理解的是，本发明在任何情况下都不限于这些具体的实施例。

附图说明

图1A和1B描绘了根据本发明的一个实施例的体积式微光刻系统的示意图。

图2A-2B描绘了根据本发明的各种实施例的体积式微光刻系统的曝光系统的图。

图3A-3C示意性地描绘了根据本发明的一个实施例的曝光系统的横截面。

图4A-4C描绘了基于射线光学的模拟照度强度。

图5描述了通过求解光的传播、吸收和随后的聚合的线性逆问题而得到的最佳曝光图像的序列的示例。

图6描述了使用矩阵逆和迭代最小化算法为复杂结构计算的最佳曝光图像的序列的示例。

图7描述了根据本发明的一个实施例的曝光系统的示意图。

图8描述了根据本发明的一个实施例的体积式微光刻法的流程图。

图9描述了根据本发明的一个实施例的确定曝光图像的序列的方法的流程图。

图10描述了根据本发明的一个实施例的体积式微光刻的流程图。

图11描述了根据本发明的一个实施例的对构建体积进行照明的方法的流程图。

图12A-C描述了可以用于本发明一个实施例的一个或多个曝光系统的物镜的设置；以及

图13是说明可以用于执行本公开内容所述方法和软件产品的示例性数据计算系统的框图。

具体实施方式

图1A和1B描述了根据本发明的一个实施例的“共焦”或体积式微光刻系统的示意图。体积式微光刻系统100可以包括曝光系统102和用于控制曝光系统的计算机系统112。曝光系统可以实现类似于共焦成像系统或结构光照明系统，用于对通常为平面形状的光敏介质109的体积进行光学曝光。被曝光的光敏介质的体积在下文中可以被称为构建体积。此外，该系统可以包括监测系统111，例如视频摄像机，用于监测光敏介质的曝光。

曝光系统102可以包括图像形成模块103和光学系统108，用于将来自图像形成模块的光聚焦在光敏介质中。图像形成模块可以包括光源104和计算机控制的空间光调制器106。图1B描述了曝光系统的示例性实施例，包括光源，例如激光，产生预定波长的光束105。包括一个或多个反射镜122和透镜124_1-2的第一光学系统120₁可以被配置为将光束中继到空间光调制器上。空间光模块可以包括计算机控制的像素元件，这些像素元件可以用来调制落在这种像素元件上的光。例如，在图1B中，SLM可以实现为数字微镜设备(DMD)，其中每个像素元件被配置为可控的微镜。在其他实施例中，SLM可以实现为液晶SLM，其中每个像素元件被配置为控制光强度的光学元件。

源自SLM的调制光可通过进一步的第二光学系统120₂被引导到聚焦元件108，例如物镜，该物镜被配置为将调制光投射到位于平面形状的光敏介质中的焦平面，所述第二光学系统120₂包括一个或多个反射镜128和透镜126_1-2。聚焦元件可以具有可调节的焦距，以便焦平面在平面形状的光敏介质中的位置。平面形状的光敏介质109可以被定向，使得曝光系统的光轴垂直于平面形状的光敏介质的横向平面。平面形状的光敏介质可以作为基底上的光阻层来实现，例如透明基底。或者，平面形状的光敏介质109可以是平面形状的容器中的液体光敏聚合介质。

曝光系统可以包括可垂直于光轴(即在平面形状的光敏介质的平面内，如x-y方向)和/或在光轴方向(如z方向)移动的平台110。可动平台可以与步进电机连接，以高精度控制平台的位置。可调节的聚焦元件和/或可动平台可以被控制，以将焦平面定位在构建体积中的预定深度范围内。

计算机系统可以包括软件和/或硬件模块，用于控制聚焦元件(物镜)的焦距，以便在平面形状的光敏介质中的构建体积中产生的焦平面的序列，并控制空间光调制器，使得在每个焦平面上，介质被曝光于预定的调制光模式。将构建体充分曝光于作为不同焦平面的不同曝光图像，将导致光聚合构建体积按照所需的预定目标三维结构进行结构化。

为此，计算机系统可以包括用于执行一个或多个软件程序的处理器114和用于保存三维目标结构表示的存储器116，即通过根据在曝光系统的不同焦平面处的调制光图案的序列曝光构建体积而形成的三维结构。由SLM产生并由曝光系统投射到构建系统中的焦平面上的调制光图案，以下可称为曝光图像。例如，在一个实施例中，处理器可以将输入的三维目标结构的三维模型转换为目标聚合速率P₀(x，y，z)的体素表示(体积元素的三维阵列)，即在三维目标结构的需要形成期望的三维目标结构的体素位置处的聚合速度。目标聚合速率可以用例如笛卡尔坐标x，y，z或圆柱坐标r，φ，z来定义，描述构建体积109的三维空间。目标聚合速率P₀(x，y，z)可以等于或超过构建体积内每个需要固化的位置的一些临界值P_crit。此外，对于每一个应该保持不固化的位置，它可能是零。临界值P_crit可能取决于光敏介质的反应性和总曝光时间。

在一个实施例中，计算机的处理器可以被配置为确定给定目标聚合速率P₀(x，y，z)的曝光图像的序列118 S₀(x，y，z)。用于确定这些曝光图像的软件可以实现为计算模块，该计算模块可以被配置为接收三维结构的表示，并根据三维结构的表示和光敏介质及曝光系统102的特性确定曝光图像的序列。

优化算法可以用于确定曝光图像的序列。优化可以基于求解传播模型

的逆问题，该模型提供了辐射在构建体积中的传播和衰减的数学描述，以及基于求解描述由吸收的辐射引发的聚合速率的聚合模型

传播模型

可以基于几何光学近似(即射线追踪)和/或波光学(例如，由一组辐射传输方程描述的波光学)，这取决于所需的精度。在一些实施例中，这两个模型可以结合起来，并且可以得到一个组合问题的解决方案。如果两个模型都是线性的，可以计算出一个精确的解决方案，例如，通过使用某种形式的矩阵逆。另外，可以使用迭代优化方法获得近似的解决方案，例如，当使用非线性聚合模型时。近似的解决方案也可以通过使用近似的方法来获得。例如，在一个实施例中，可以使用传播模型和/或聚合模型的卷积近似。下面参照图8和图9对计算构建体积的曝光图像的更详细的示例进行描述。

计算机可以进一步包括控制模块，该模块被配置为基于曝光图像的序列控制曝光系统102。控制曝光系统的过程可以包括控制图像形成模块103、控制光学元件108以调整焦距、以及控制平台或支架110以使构建体积在与光学元件的光轴平行和/或正交的方向上位移。

控制模块可以接收由计算模块计算的针对不同焦距的曝光图像的序列118 S₀(x，y，z)或从外部来源接收的曝光图像的序列。控制模块随后执行曝光过程，其中光敏介质的构建体积被曝光给不同焦距处的强度调制的图像的序列。为此，控制模块控制聚焦元件108快速改变焦距，使构建体积在构建体积的不同焦平面处曝光于不同的曝光图像。不同的焦距可以被选择，以便整个构建体积被曝光。这个过程将参照图2更详细地描述。

图2A和2B描述了根据本发明的各种实施例的曝光系统的示意图。特别是，图2A描述了曝光系统，所述曝光系统包括具有空间光调制器(SLM)和光源的图像形成模块202，还包括光学系统，用于生成强度调制的辐射模式，其中每个照射点(像素)导致光锥204。该图像可以被产生为二维平面图像，或通过例如快速的二维扫描点强度。光锥由光学聚焦元件206聚焦。在一个实施例中，光学聚焦元件可以作为具有高角度孔径或高数值孔径(NA)的物镜来实现。高角度孔径允许实现高锥角，因此，更短的聚焦深度，这是更好的深度分辨率所需要的。例如，NA＝0.87的标准物镜对应的角度孔径为60°。当使用最先进的油浸透镜系统时，可以实现数值孔径NA在1.0和1.4之间的范围。下面将参照图12讨论实现高有效数值孔径的替代配置。光学元件定义了焦平面210，在距物镜的焦距216处有焦点深度212。由于SLM的每个像素元件将产生光锥，如图2A所描述的，曝光图像214可以投射在构建体积208的焦平面中。通常情况下，平面状的光敏的、z方向是定义在曝光系统的光轴方向，其垂直于焦平面。

曝光图像可以通过控制SLM 202和物镜206形成。物镜可以是光学元件系统，所述光学元件系统被配置为在构建体积208内的轴向位置z处聚焦曝光图像214。物镜可以被配置为使用致动器动态地改变轴向位置的焦点。最先进的压电式致动器的典型扫描速度可能是每秒100微米，精度接近1纳米。这个速度可以用液体动态聚焦透镜来提高。例如，市售的PIFOC ND72Z2LAQ系统可以在20微秒内以3微米的步长进行轴向扫描，允许在150微米的范围内每秒投影50幅图像。

根据光源的发散特性，图像的每个像素的辐射能量在光锥204中扩散，并被浓缩回到物镜206的焦平面210的小区域。这本身就可以将聚合反应限制在构建体积208内的狭窄的焦点深度212内。这种限制将允许通过在不同深度处聚焦二维曝光图像的序列来产生三维目标结构的层。然而，如果大面积的区域必须同时固化，发散效应将发挥较小的作用，分辨率将恶化。

图4A-4C描述了使用参考图2A描述的曝光系统进行曝光的构建体积的垂直(x-z)平面中的基于射线光学的光传播模拟。图4A描述了相对的光强度图，该图是对目标结构的单一(优化)曝光图像的计算结果，该目标结构对应于建造体积中间的点402。这个曝光图像集中在目标结构的深度上。系统的光轴与图像的中央垂直轴(即Z方向)相吻合。构建体积从顶面被照射。

在这个示例中，使用单个曝光图像，第一波长的光被聚焦在单个点上。曝光图像通过该点聚焦在水平焦平面上。当沿z坐标(在通往或离开光学聚焦元件的方向)远离目标结构时，相对强度迅速下降。梯度的陡峭程度与焦点深度相关，焦点深度越小，梯度越陡峭。焦点深度可以被认为是衡量Z方向上的分辨率。

通常情况下，较小的焦距与较宽的光锥相关。因此，在焦平面外，相同的光能被分散在更大的表面上，导致强度降低。如果光强度低于一个临界水平，化学反应可能不会被激活。这个临界水平取决于化学反应和光敏介质的特性。在一个不吸收任何辐射的完全透明的介质中，光强度模式将是围绕焦平面对称的。在一个吸收确实发生的更现实的介质中，那么靠近物镜的强度会更高。在沿Z轴的方向上，图像在焦平面处的深度是尖锐的，而在远离焦平面的深度处变得分散。该轮廓将类似于例如图3A中所示的光锥。

图4B显示了为三维目标结构计算的单次曝光图像的相对光强度，由沿Z轴的构建体积的中间的水平线404组成。该图像是用单次曝光图像进行照明的结果，聚焦在位于三维目标结构的深度处的焦平面上。为了产生水平线，可以为每个体素叠加与图4A所示相似的强度。因此，在三维目标结构包括水平线的情况下，在远离焦点平面的方向上，也就是目标结构，强度的下降要慢得多。从概念上讲，这可以理解为照射相邻体素而产生的光锥的叠加。

图4C显示了由垂直线406组成的目标结构的累积强度，沿着Z轴聚焦在构建体积的中间。在这种情况下，曝光图像的序列包括沿z轴的每个焦平面的曝光图像。每个曝光图像包括类似于图4A所示图像的单像素图像，具有不同的深度。由此产生的累积相对强度图显示了大量的“杂散”辐射，这是由于光锥在更大的深度照射体素。在这个示例中，根据比尔-朗伯吸收定律，辐射的强度呈指数下降。在这个示例中，介质的吸收率是这样的：90％的辐射在全部深度处被吸收。

为了减少或消除这种“杂散”辐射的影响，可以使用第二波长的光来抑制化学反应，提高目标结构的分辨率。聚合速率取决于第一波长的“激活”光的光强和第二波长的“抑制”光的光强，以及光敏介质的物理和化学特性。因此，为了提高沿光轴(Z方向)的分辨率，可以使用光抑制效应。例如，曝光系统可以提供第二辐射源，其波长可以被光抑制剂吸收，但不被光引发剂吸收。

图2B描述了一种用于照射由光引发剂和光抑制剂组成的平面形状的光敏介质的曝光系统。这种曝光系统可以包括第一图像形成模块220，利用被选择以激活光敏介质中的光引发剂的波长来产生“正”曝光图像。“负”图像可由第二图像形成模块222形成。来自第一和第二图像形成模块的光可以通过例如二色镜224来结合。这样，在一个实施例中，在单个步骤中，“负”曝光图像可以聚焦在与“正”曝光图像相同的层上，或聚焦在与“正”曝光图像相邻的层上。另外，在一个实施例中，“负”曝光图像可以被聚焦在与“正”曝光图像相邻的层上，并有小的延迟。例如，当物镜进行下一个步骤时，同时改变焦距。

在一个实施例中，相同或类似的图像形成模块，以及相同或类似的光学聚焦元件可以在构建体积的另一侧实施。如果可以从多个侧面进入构建体积，它甚至可以从曝光系统可以进入的任何方向进行照射。

此外，可以增加监测系统226，例如照相机，以测量透射辐射，类似于透射显微镜的设置。替代地或额外地，也可以探测散射辐射或荧光辐射，类似于共焦显微镜的设置。这样的系统可以用来监测曝光前、曝光中或曝光后构建体积中每一点的吸收率、折射率或光敏化合物的浓度变化。

因此，基于图3B的曝光系统，一个“负”图案可以聚焦在相邻的层上，以补偿当前焦平面外的光引发剂的激活。M.de Beer等人在《Science Advances》5(1):eaau8723(2019)DOI:10.1126/sciadv.aau8723的文章中描述了适合这种方法的化学成分。这种组合物包括一种光引发剂，樟脑醌，它对400和500纳米之间的波长敏感，以及一种光抑制剂，双[2-(邻氯苯基)-4,5-二苯基咪唑]，它对400纳米以下的波长敏感。H.L.van der Laan等人的文章ACS Macro Lett.8(8):899-904(2019)DOI:10.1021/acsmacrolett.9b00412中描述了适合双波长方法的化学成分的另一个示例。这些成分包括基于三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)的丙烯酸酯可光聚合树脂配方，其中有亚硝酸丁酯(NN)作为紫外线活性光抑制剂。

各种单体与这种光引发剂和光抑制剂的组合被测试。鉴于光引发剂、光抑制剂和单体的某种组合，介质的吸收率将取决于辐射波长、包含在介质中的化合物的吸收率光谱以及它们相应的浓度。因此，可以选择最佳的照明波长以及光引发剂和光抑制剂的浓度组合，以确保整个构建体积能够被辐射所进入。可以使用吸收率接近零的透明单体，以最大限度地提高辐射穿透深度，并最大限度地提高用于激活光敏化合物的能量的总量。

图3A-3C描绘了图2A和2B的部分曝光系统的横截面示意图。图3A描绘了图像形成模块302，该模块具有辐射第一波长的光的像素304。该像素发出发散的光锥306，所述光锥306由物镜308聚焦。该物镜可以包括多个光学元件，以创造所需的光学特性。光传播通过构建体积310，并在焦平面316形成图像形成模块的图像312。像素304的图像被显示为体素314。

图3B描述了相同的设置，但现在构建体积310被第二波长的光照射。图像形成模块322可以是与图像形成模块302相同的设备，可以配置为发射两种波长的光。图像形成模块322也可以是不同的设备。在这种情况下，图像形成模块和物镜308之间可以有进一步的光学器件(未显示)，例如，如图2B所示的二色镜。像素324发出发散的光锥326，所述光锥326再次被物镜聚焦。物镜在不同的波长下可以有不同的焦距。因此，针对第二波长的光，焦平面328在构建体积中的深度可能与第一波长的光不同。在用第一波长的曝光图像和第二波长的曝光图像进行照明时，焦距也可能被主动调整。

图3C描述了变体装置，包括相对于构建体积310处于不同位置的第二物镜338。第二物镜可以设置在第一物镜308的对面，或设置在不同的相对位置。在一个实施例中，第二物镜可用于从多个方向照射构建体积。这可以提高打印物体的分辨率或增加构建体积的最大厚度，特别是在不完全透明的介质中。在一个实施例中，产生“正”图像的第一图像形成模块可以使用第一物镜，而产生“负”图像的第二图像形成模块可以使用第二物镜。

在一些实施例中，构建体积可以同时被第一和第二波长的光照射，而在其他实施例中，第一和第二波长可以交替使用。同时照明可以用能够发射至少两种波长的光的单一图像形成模块来获得，或者使用多个图像形成模块来获得。

参照图2和图3描述的曝光过程需要根据给定的目标聚合速率计算曝光图像的序列，这又可能取决于目标结构。虽然描述的是聚合，但计算可以类似于其他化学反应，如在光分解介质中化学键的去除和(重新)形成。

聚合动力学的精确建模不是一项简单的任务，可以使用，例如，反应力场或随机图论来进行。为了简化计算，在一个实施例中，以下类型的经验性的线性关系可以被假定为近似值：

其中L_λ1和L_λ2分别是第一波长和第二波长的光的累积强度。选择用于激活或引发化学反应的第一波长的曝光图像的照明可以被认为是“正”照明，而选择用于抑制化学反应的第二波长的曝光图像的照明可以被认为是“负”照明。参数α，β和γ是常数，可以根据经验确定。

第一和第二波长的光的累积强度场L(x，y，z)，即“正”和“负”照明，可以通过对给定的曝光图像的序列S(x，y，z)应用光传播模型

计算出来。

这两个模型可以结合起来，因此聚合速率P可以由

给出，并且考虑到它们的假定线性，聚合速率P可以用以下方式写出。

这里αS_λ1-βS_λ2是第一和第二波长的曝光图像的序列之间的加权差，对应于“正”和“负”曝光。这个差值可以用S₀代替，它将包含对应于S_λ1的“正”值和对应于S_λ2的“负”值。

在一个实施例中，该模型可以通过忽略时间成分来简化。这可以通过假设与聚合速率相比，以聚焦在不同深度处的曝光图像进行照明之间的延迟是可以忽略的来证明。在一个更普遍的实施例中，时间因素可以被纳入聚合速率模型

和/或传播模型

中。

最后，聚合的线性模型可以表示如下。

更一般地说，聚合速率可以写成：

其中

是组合传播模型、聚合模型和可能的其他模型的组合模型。对于线性模型，可以很容易地得到逆问题的解。例如，如果在离散情况下，

是通过矩阵(或张量)表示的，可以应用某种类型的矩阵你来获得逆

在这种情况下，最佳的曝光图像的序列可以简单地计算为：

另外，可以使用某种迭代优化算法，例如，如果计算

是不可能的或不可行的，例如，如果矩阵

表示太大。一个常见的方法是使用梯度下降算法来最小化目标聚合速率P₀(x，y，z)和预测速率之间的差。

图6描述了比较基于显式逆的计算和基于迭代解的计算的示例。

作为进一步的选择，

或

的(线性)伪逆可用于计算近似解。这样的伪逆可以是基于卷积的。这可能导致一个可接受的精确和合理的快速方法。卷积可能是合适的，因为每个层或平面的目标照度主要受有限数量的相邻平面的照射的影响。

图5描述了针对三维目标结构类似于图4A-4C中所描述的那些，在中央x-z平面内计算出的曝光图像的序列所产生的聚合速率的几个模拟示例。标记为“+”的第一列，显示的是从用于引发聚合的第一波长的曝光图像的序列，或“正”曝光，产生的计算出的累积强度。标记为“-”的第二列，显示的是从用于抑制聚合的第二波长的曝光图像的序列，或“负”曝光，产生的计算出的累积强度。标记为“P”的第三列，显示了由此产生的预期的聚合速率。例如，(A1)和(A2)显示了针对被限制在单个点上的目标聚合而计算的“正”和“负”曝光图像的序列；而(A3)显示了所产生的聚合。(B)行和(C)行分别显示了对水平线和垂直线形状的目标结构进行类似计算的结果。可以看出，在“负”曝光中最强的贡献对应于被“正”曝光所照射的点的最近的地方。震荡行为在(B)行特别明显，并且可以通过使用正则化求解器来抑制。

彼此相邻的“正”和“负”曝光图像是强烈相关的，这一事实表明，计算曝光图像的序列S₀(x，y，z)的过程可以通过用具有限大小的核的目标结构的卷积来大大简化。根据实施情况，这种方法基本上相当于使用

或

的(线性)伪逆。这种核的形状可以为曝光系统的每个配置预先计算，例如，基于曝光系统的点散布函数。然而，在这种情况下，可能更难考虑到构建体积内可能的光学不均匀性。

在某些情况下，曝光图像的计算可以被简化，并且曝光图像可以根据预先计算的核来计算，而不是通过计算数学模型如

或

的逆的精确或近似解。核可以包括编码或代表第一和/或第二波长的光的光强度的多个像素的图案。

如图5所示，通过在整个构建体积的至少一部分重复投射相同的核或图案，可以生成简单的点状、线状或片状结构。线状结构的核通常对应于用于引发聚合的第一波长的明亮的中心点，周围有抑制核中心以外的聚合的第二波长的点。这种方法可用于印刷点、线框、格子、细丝和其他类似的结构。核可以基于曝光系统的点扩散函数。

例如，可以通过用一系列相同的曝光图像照射构建体积来产生平行于曝光系统光轴的一条或多条线，针对对于每一条或多条线每张曝光图像包括核，所述核包括一个或多个对应于第一波长的光的像素，所述一个或多个对应于第一波长的光的像素在曝光图像平面的每个方向上，由对应于第二波长的光的像素包围。与第一波长的光相对应的像素的数量可能取决于线状结构的直径。在一些实施例中，核可以包括第一曝光图像之前和之后的曝光图像中的像素，聚焦在沿光轴的相邻或邻接平面。

图6描述了用于计算曝光图像的序列的两种模拟方法的聚合速率的模拟示例。特别是，图6显示了通过迭代优化(A1-A3)和通过显式矩阵逆(B1-B3)对复杂的目标结构—Aum标识，进行优化的序列的结果。与图5类似，(A1)和(A2)分别显示了“正”和“负”的照明强度，即，第一和第二波长的光的累积强度，分别是由于用曝光图像的序列进行照明。(A3)显示了所产生的聚合速率。在(A1)和(A2)中，曝光图像的序列是用恒定步长梯度下降法(200次迭代)计算的。在这个示例中，结果是在构建体积的底部不是很清晰。然而，通过增加迭代次数一般可以得到更好的结果。

在所描述的示例中，使用传播矩阵的显式逆运算而不是迭代解，可以获得更清晰的图像，如第二行所示(B1-B3)。(B1)和(B2)再次显示了第一和第二波长的光的累积强度，分别是由于用曝光图像的序列进行照明，而(B3)显示了所产生的聚合速率。其他方法可以使用例如卷积或其他对组合模型和/或其逆的近似值，以足够快和合理准确的方式确定曝光图像的序列。

图7描述了根据本发明的一个实施例的曝光系统的示意图。特别是，图7描述了包括两个照明系统702、704的曝光系统，旨在解决大的构建体积706。构建体积可以被安装在平台或支架上。在所描述的示例中，照明系统被定位为从两个相对的侧面照射构建体积。这样的设置可以用来提高Z轴扫描的速度或增加构建体积的可寻址深度，这可能受到高吸收率或Z轴扫描系统的机械特性的限制。平台可以进一步在横向(x，y)方向上移动，以改变构建体积在横向上相对于曝光系统的相对位置，以增加横向构建体积的大小。

在一个实施例中，一个照明系统可用于用第一波长的“激活”光照射构建体积，而另一个照明系统可用于用第二波长的“抑制”光照射构建体积。在一个不同的实施例中，两个照明系统都可以用第一和第二波长的光来照射构建体积。

图8描述了根据本发明的各种实施例，确定曝光图像的序列的方法和基于这种曝光图像控制曝光系统的方法的流程图。确定曝光图像的序列的方法可包括根据目标区，优选是三维目标区的目标聚合速率来确定曝光图像的序列。

该方法可以在计算机上以存储在计算机存储器中的程序代码的形式实现。该程序代码可由计算机的处理器执行，从而使计算机能够确定曝光图像的序列和构建体积中焦平面的相应深度，这可用于控制曝光系统，例如，如参考图2所述的系统。计算出的曝光图像的序列可用于控制和生成多个与深度相关的曝光图像，以实现目标区的光敏介质的所需化学过程(例如光聚合)，从而使光聚合的构建体积根据三维目标结构成形。

在第一步骤802中，输入数据可由计算机的处理器接收。输入数据可以包括物体的三维扫描、计算机生成的三维模型，如CAD模型。输入数据集可以包括点云数据、网格数据、表面数据、体积数据，或用于表示物体的三维模型的任何其他合适的数据类型。在步骤804，根据输入数据，产生三维目标结构的模型。在下一个步骤806中，三维目标结构可以转换为体积目标聚合速率P₀(x，y，z)。体积目标聚合速率可以包括构建体积中希望发生聚合的部分(位置)中的第一值，以及构建体积中不应该发生聚合的部分中不同于第一值的第二值。根据光敏介质的类型和构建的目的，目标体积可能必须被辐照或保持不变(例如，可以产生“正”曝光图像和/或“负”曝光图像)。

然后，处理器可以在步骤810中，根据模型和体积目标聚合计算出曝光图像。例如，在一个实施例中，曝光图像S可以通过解决逆问题

来确定。一般来说，(组合)模型

可以包括例如光传播模型

和聚合模型

在一个实施例中，组合模型

可以是线性模型或近似于线性模型，可以通过使用已知的线性代数方法求解线性方程组来获得解。在其他实施例中，解析解可能不可能或不可取，可以使用其他方法来求解问题，例如，迭代方法，例如梯度下降法或基于

的(线性)伪逆的方法。

在下一步骤812中，从解S中获得曝光图像的序列S₀(x，y，z)。在一个典型的实施例中，该序列包括对应于焦平面深度范围(相对于构建体积)的轴向值范围的2D“正”和“负”曝光图像。在不同的实施例中，“正”和“负”曝光图像可以合并，也可以是单独的图像。“正”和“负”图像的轴向值可以是相同的，也可以是不同的，例如，在曝光系统的一半焦距深度上移动。在一个具有多个照明系统的实施例中，如图7所示，可以为曝光系统中的每个照明系统确定曝光图像的序列。

曝光系统在下一个步骤814中使用曝光图像的序列S₀(x，y，z)来照射构建体积。在一个典型的实施例中，对于构建体积中的每个焦平面位置z，“正”和“负”曝光图像可以投射到构建体积中的焦平面中。其他实施例可以通过逐行或逐像素地“扫描”二维曝光图像来辐照构建体积。

在最后一个步骤816，获得输出对象。这可能包括等待引发的聚合反应完成固化。这一步骤还可以包括从介质中取出固化的或以其他方式处理过的对象。在一些实施例中，该步骤还可以包括显影步骤和/或化学或物理气相沉积步骤或蚀刻步骤。这样，就可以得到不同材料的对象。

图9描述了根据本发明的一个实施例确定曝光图像的序列的方法的流程图。特别是，该方法使用迭代计算方法确定曝光图像的序列。该方法可以在计算机上以存储在计算机存储器中的程序代码的形式实现。该程序代码可由计算机的处理器执行，从而使计算机能够确定曝光图像的序列和构建体积中焦平面的相应深度。该方法可以完全或部分地在步骤810中执行，如参照图8讨论的那样。

在第一步骤中，可以获得体积目标聚合速率P₀(x，y，z)902并提供给计算机的处理器。在下一步骤904中，处理器可以通过假设初始聚合速率开始。这可以是一个默认的估计聚合速率，它可以根据目标聚合速率P₀(x，y，z)的一些特性来估计。这导致了对曝光图像的序列S(x，y，z)906的初始估计。基于这一初步估计，在下一个步骤908中，处理器可以计算出结果的体积聚合速率P(x，y，z)。这可能包括使用光传播模型

和/或聚合模型

或例如组合模型

基于计算的聚合速率和目标聚合速率之间的差，处理器可以确定曝光图像的序列的更新估计。当

或模型

的所谓邻接点已知时，可使用例如梯度下降法找到更新的估计值。更新的聚合速率可以被计算出来，并与目标聚合速率912进行比较。该过程可以继续更新其估计值，直到满足停止标准。在这种情况下，最终的曝光图像的序列可以作为输出914提供。

图10描述了根据本发明的一个实施例的“公焦”或体积式微光刻的方法的流程图。该方法可包括根据三维目标结构和光敏介质的模拟特性，如光传播、光吸收和化学反应速率，例如聚合速率，确定曝光图像的序列。该方法可以在计算机上以存储在计算机内存中的程序代码的形式实现。该程序代码可由计算机的处理器执行，从而使计算机能够确定曝光图像的序列，该序列可用于控制曝光系统，例如参考图2描述的系统。计算出的曝光图像的序列可用于控制和产生多个与深度相关的曝光，从而在与三维目标结构相关的目标区产生所需的化学反应，例如光聚合。曝光图像的序列可以包括引发或激活化学反应的第一波长的光，以及抑制化学反应的第二波长的光。

在第一步骤1002中，代表三维结构的数据表示可以提供给计算机，该计算机与用于照射构建体积的曝光系统相连，例如参照图2描述的曝光系统。

在第二步骤1004中，计算机可以确定构建体积中的多个平面，该多个平面中的每一个都与构建体积中沿曝光系统的光轴的深度相关。这些平面通常垂直于曝光系统的光轴。这些平面通常是等距离的平面。平面之间的距离可能取决于曝光系统的特性，例如其聚焦深度，或曝光系统可以相对于构建体积调整焦平面的垂直位置的步长。

构建体积可以包括光敏介质，包括用于在光敏介质中引发化学反应的激活化合物，以及优选包括用于抑制化学反应的抑制化合物。激活化合物可由第一波长的光激活，抑制化合物可由不同于第一波长的第二波长的光激活。虽然激活化合物可能足以在光敏介质中产生结构，但添加抑制化合物可能会增加垂直维度上的分辨率或结构的最大尺寸。

在下一步骤1006中，计算机可以使用结构的数据表示来确定光敏介质中的目标区域。计算机可以根据结构的形状，计算可用于照射构建体积的曝光图像的序列。曝光图像的序列中的每个曝光图像都与多个平面中的平面相关联，因此与构建体积中的相应深度相关。每个曝光图像包括引发或激活化学反应的第一波长的光和/或抑制化学反应的第二波长的光。如上所述，最终的反应速率可能取决于所有曝光图像的叠加。

曝光图像的序列可以使用反应速率模型，例如聚合模型，和传播模型来计算。这些模型可以组合成单个的模型。有利的是，可以使用线性模型。计算可以包括例如明确地对组合模型求逆，或对模型进行迭代求解。任何合适的坐标系都可以被使用。在一个实施例中，对于每个平面，计算出激活曝光图像和抑制曝光图像。在一个不同的实施例中，激活平面和抑制平面可以例如交替出现，或者相互之间稍微移动，例如由于光学系统的特性。

在下一个步骤1008中，计算机可以控制曝光系统，用曝光图像的序列来照射构建体积。特别是，对于多个平面中的每一个，计算机可以控制曝光系统将曝光系统的焦平面定位在构建体积中与相应平面相关的深度处，并用与相应平面相关的曝光图像照射构建体积。用第一波长和优选是第二波长的光的累积照明可以导致在光敏介质的目标区域中的受控化学反应，例如在与第一步中提供给计算机的结构相对应的区域中的光聚合。参照图11，将更详细地描述这一步骤的一个实施例。

图11描绘了根据本发明的一个实施例对构建体积进行照明的方法的流程图。该方法可由曝光系统执行。曝光系统可以包括控制曝光系统的部分的计算机。该方法可以以存储在计算机存储器中的程序代码的形式实现。该程序代码可由计算机的处理器执行，从而使计算机能够控制曝光系统的部分，以便用曝光图像的序列照射构建体积。曝光图像的序列可以由计算机计算，例如，基于三维结构的数据表示，或者可以从计算单元接收。

在第一步骤1102中，计算机可以配置曝光系统，使包括光敏介质的构建体积位于第一位置，从而使光学系统的焦平面位于构建体积内的第一深度。在一个典型的实施例中，该系统可以从构建体积的顶层或底层开始。构建体积可以被放置在一个支架中，例如容器，并可以被放置在平台上，可选的是可移动的平台。

构建体积可包括光敏介质，包括用于在光敏介质中引发化学反应的激活化合物，以及优选地包括用于抑制化学反应的抑制化合物。激活化合物可由第一波长的光激活，抑制化合物可由不同于第一波长的第二波长的光激活。虽然激活化合物可以足以在光敏介质中产生结构，但添加抑制化合物可能会增加垂直维度上的分辨率或结构的最大尺寸。

在下一步骤1104中，计算机系统可以控制曝光系统的图像形成模块，例如光源和空间光调制器，以用激活的曝光图像照射构建体积。应该注意的是，曝光系统照射构建体积的整个深度或厚度，但曝光图像的影像是聚焦在焦平面上。

在一个可选的步骤1106中，计算机系统可以控制曝光系统的图像形成模块，以用第二波长的光的抑制性曝光图像照射构建体积。在一个实施例中，步骤1104和1106可合并为单个步骤。在一个不同的实施例中，步骤1104和1106的顺序可以颠倒。

在下一个步骤1108中，计算机可以配置曝光系统，以使焦平面相对于构建体积重新定位，从而使光学系统的焦平面位于构建体积内的新深度处。在一个优选的实施例中，曝光系统包括可调整的光学器件。在这种情况下，焦平面可以相对于可调光学系统的物镜沿系统的光轴移动，而构建体积可以相对于物镜保持固定。在一个不同的实施例中，系统的焦距可以保持静止，但构建体积相对于光学器件在平行于光轴的方向上移动。在一个实施例中，步骤1108可在步骤1104和1106之间重复。

步骤1104-1108可以重复进行，直到整个曝光图像的序列被用来照射构建体积。在一个典型的实施例中，曝光系统将扫描构建体积，将焦平面移动到构建体积中的邻近层。在一个实施例中，在用激活场照射和用抑制场照射之间可以有额外的重新定位步骤。

图12A-C描述了在本发明的一个实施例中可使用的一个或多个物镜的安排。一般来说，光学系统的分辨率取决于物镜的数值孔径(NA)。数值孔径被定义为折射率与由透镜创造的光锥孔径角一半的正弦的乘积。所谓的干式物镜，使用其折射率为1.0的空气作为介质，其NA可以达到1.0。这相当于180°的孔径角，这在实践中是不可行的。浸泡在具有更高折射率的介质中的物镜，例如使用折射率约为1.5的油的油浸物镜，可以达到更高的NA值，因此，分辨率更高。正如上文参照图2详细解释的那样，聚焦深度与物镜的数值孔径成反比。因此，高数值孔径的系统可以在所有三个维度上实现高分辨率。

图12A描述了典型的物镜1202，所述物镜1202用具有半孔径角1204的光锥1203来照射构建体积1200。该光锥进一步定义了光轴1206和焦平面1208。

为了增加曝光系统的有效数值孔径，可以使用多个物镜和/或一个或多个可移动物镜。

图12B描述了其中两个物镜1212_1,2以不同角度定向到构建体积1200的一个实施例。合并物镜的有效半孔径角1214，因而有效数值孔径，大于每个单独物镜的数值孔径。

在这样的实施例中，可以为每个物镜、为构建体积中的每个聚焦面或深度计算出曝光图像。构建体积可以同时或随后被多个曝光图像所照射。类似的光学系统可以在立体显微镜或光片显微镜(LSM)领域找到，其中第一物镜用于投射激发光，第二物镜捕捉由标本发出的荧光。在其他实施例中，可以使用两个以上，例如三个、四个、六个或六个以上的物镜。

图12C描述了其中的可移动物镜1222被配置为在多个位置(用虚线表示)之间移动的一个实施例。物镜相对于构建体积1200的方向可以改变，以便在每个深度以不同角度投射。移动物镜的有效半孔径角1224，因而有效数值孔径，大于(静止的)物镜本身的数值孔径。

在这样的实施例中，不是预先计算并在每个深度投射单个曝光图像，而是在物镜的方向相对于构建体积改变时，在每个深度处，即对于每个聚焦平面，投射多个图像。根据实施情况，可以为多个预定位置中的每一个计算曝光图像，或者在物镜移动时连续调整曝光图像。在一个实施例中，物镜可以围绕平行于构建体积表面的轴旋转。在另一个实施例中，物镜可以围绕垂直于构建体积的轴旋转，或者构建体积可以安装在可旋转的平台上。

具有多个物镜或具有一个或多个可相对于构建体积移动的物镜的实施例可以提供一种方法来提高系统的分辨率，使其超过单一物镜参数所规定的限度，从而导致更高的分辨率和/或所产生对象中更小的细节。

图13是说明可用于如本公开内容所述的示例性数据处理系统的框图。数据处理系统1300可以包括至少一个处理器1302，通过系统总线1306耦合到存储器元件1304。因此，数据处理系统可以在存储器元件1304内存储程序代码。此外，处理器1302可以执行通过系统总线1306从存储器元件1304访问的程序代码。在一个方面，数据处理系统可以被实现为适合于存储和/或执行程序代码的计算机。然而，应该理解的是，数据处理系统1300可以以包括能够执行本说明书内描述的功能的处理器和存储器的任何系统的形式实现。

存储器元件1304可以包括一个或多个物理存储器装置，例如，本地存储器1308和一个或多个体存储装置1310。本地存储器可以指随机存取存储器或其他非持久性存储器设备，一般在程序代码的实际执行期间使用。体存储装置可以实现为硬盘或其他持久性数据存储设备。处理系统1300还可以包括一个或多个缓存存储器(未示出)，其提供至少一些程序代码的临时存储，以减少程序代码在执行期间必须从体存储装置1310中检索的次数。

被描述为输入设备1312和输出设备1314的输入/输出(I/O)设备可选择地与数据处理系统耦合。输入设备的示例可以包括，但不限于，例如，键盘、诸如鼠标的指向性设备，或类似的。输出设备的示例可以包括，但不限于，例如，显示器或显示屏、扬声器、或类似的。输入设备和/或输出设备可以直接或通过介入的I/O控制器连接到数据处理系统。网络适配器1316也可以被耦合到数据处理系统，以使其能够通过介入的私有或公共网络与其他系统、计算机系统、远程网络设备和/或远程存储设备相耦合。网络适配器可以包括用于接收由所述系统、设备和/或网络所传输的数据的数据接收器和用于将数据传输到所述系统、设备和/或网络的数据发送器。调制解调器、电缆调制解调器和以太网卡是可用于数据处理系统1350的不同类型的网络适配器的示例。

如图13所示，存储器元件1304可以存储应用程序1318。应该理解的是，数据处理系统1300可以进一步执行操作系统(未示出)，该操作系统可以促进应用程序的执行。被以可执行程序代码的形式实现的应用程序可以由数据处理系统1300，例如，由处理器1302执行。响应于执行应用程序，数据处理系统可以被配置为执行一个或多个将在此进一步详细描述的操作。

在一个方面，例如，数据处理系统1300可以代表客户端数据处理系统。在这种情况下，应用程序1318可以代表客户端应用程序，该应用程序在执行时将数据处理系统1300配置为执行本文提及的“客户端”的各种功能。客户端的示例可以包括但不限于个人计算机、便携式计算机、移动电话或类似物。在另一个方面，数据处理系统可以代表服务器。例如，数据处理系统可以代表(HTTP)服务器，在这种情况下，应用程序1318在执行时可以配置数据处理系统以执行(HTTP)服务器操作。在另一个方面，数据处理系统可以代表本说明书中提到的模块、单元或功能。

本文使用的术语仅用于描述特定的实施例，并不打算对本发明进行限制。正如本文所使用的，单数形式的“一”、“一个”和“所述”也包括复数形式，除非上下文明确指出。可以进一步理解的是，本说明书中使用的术语“包括”和/或“包含”是指存在所述的特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、组件和/或其组。

以下权利要求中所有手段或步骤加功能要素的相应结构、材料、行为和等价物，旨在包括与其他具体权利要求的要素结合起来执行功能的任何结构、材料或行为。对本发明的描述是为了说明和描述的目的而提出的，但并不打算详尽无遗或局限于所披露形式的发明。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对于本领域的普通技术人员来说，许多修改和变化都是显而易见的。选择和描述该实施例是为了优选地解释本发明的原理和实际应用，并使本领域普通技术人员能够理解本发明的各种实施例，并进行适合于所考虑的特定用途的各种修改。

Claims (26)

1.一种体积式微光刻技术的方法，包括

接收三维目标结构的数据表示；

确定构建体积中的光敏介质体积中的多个平面，所述多个平面中的每个平面与构建体积中多个深度中的相应深度相关，所述多个深度沿曝光系统的光轴定义，每个平面与曝光系统的焦平面的可能位置相对应，所述多个深度中的深度相互不同，光敏介质包括用于在光敏介质中引发化学反应的激活化合物，以及用于抑制化学反应的抑制化合物，所述激活化合物能够由第一波长的光激活，所述抑制化合物优选地能够由不同于第一波长的第二波长的光激活；

基于三维目标结构的形状，并且优选地是光敏介质的特性和/或曝光系统的规格，计算曝光图像的序列，所述曝光图像的序列中的每个曝光图像与多个平面中的平面相关，并且每个曝光图像包括第一波长的光和/或第二波长的光，优选地是强度调制的光；以及

基于多个平面中的至少一部分，控制曝光系统以将曝光系统的焦平面定位在构建体积中与相应平面相关的深度处，并用与相应平面相关的曝光图像照射所述构建体积。

2.如权利要求1所述的方法，其中光敏介质包括光刻胶，优选地是光聚合物光刻胶、光交联光刻胶或光分解光刻胶。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中控制曝光系统以定位曝光系统的焦平面包括曝光系统调整曝光系统的焦距和/或相对于曝光系统移动构建体积。

4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中控制曝光系统以用与相应平面相关的曝光图像照射构建体积包括：

控制第一和/或第二光源以生成第一和/或第二波长的光并控制空间光调制器以根据曝光图像调制所述光；或

控制可控显示器以根据曝光图像的图案生成第一和/或第二波长的光。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，进一步包括：

将所述结构转移到最终对象上，优选地使用化学或物理气相沉积或溅射。

6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，进一步包括：

将所述构建体积划分为多个块，多个块中的每个块具有不大于曝光系统的视场的横向范围；以及

根据块的尺寸沿横向范围的一个或多个方向相对于曝光系统移动构建体积；

以及其中计算曝光图像的序列进一步包括计算多个块中每个块的曝光图像的序列。

7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中三维目标结构包括多个相同的点状、线状或片状结构；以及

其中计算曝光图像的序列包括根据点状、线状或片状结构确定用于引发化学反应的核，所述核优选包括一个或多个编码第一波长的光的像素和一个或多个编码第二波长的光的像素的图案，以及在一个或多个曝光图像中重复所述核。

8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中计算曝光图像的序列S₀包括基于用于预测由投射到光敏介质中的曝光图像的序列引起的化学反应速率的模型

计算曝光图像的序列，优选地是衰减光敏介质，所述计算优选地包括求解

其中

是

的逆，并且其中P₀(x，y，z)是在具有空间坐标{x，y，z}的构建体积中的位置处的目标化学反应速率。

9.如权利要求8所述的方法，其中

是线性传播模型和线性聚合模型的组合，并且其中求解

包括计算

的显式逆。

10.如权利要求8所述的方法，其中求解

包括迭代计算近似解S₀，所述计算包括最小化目标化学反应速率P₀与由用曝光图像的序列S₀照射构建体积而实现的化学反应速率P(S₀)之间的差，或者其中求解

包括确定

或

的近似值，优选地基于卷积。

11.如权利要求1-10中任一项所述的方法，进一步包括：

探测曝光图像的光，所述光已与光敏介质相互作用，优选地所述光透射通过光敏介质，或所述光被介质反射或散射，或所述光被光敏介质重新发射；以及

使用所探测的光来确定光敏介质的光学特性。

12.如权利要求11所述的方法，进一步包括

基于确定的光学特性和预测的光学特性之间的差更新计算的曝光图像的序列。

13.如权利要求1-12中任一项所述的方法，其中计算曝光图像的序列包括为多个平面中的每个平面计算多个曝光图像，每个曝光图像与多个物镜中的不同物镜或与配置为在相对于构建体积的多个位置之间移动的物镜的不同位置相关，一个或多个物镜被配置为照射构建体积，优选地，多个物镜，相应地多个位置，被配置为获得大于一个或多个物镜中的每个物镜的数值孔径的有效数值孔径。

14.一种用于体积式微光刻系统的计算模块，包括计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质具有在其上体现的一部分程序，以及处理器，优选地是与计算机可读存储介质耦合的微处理器，其中响应于执行计算机可读存储代码，所述处理器被配置为执行可执行操作，所述可执行操作包括：

接收三维目标结构的数据表示；

确定构建体积中的光敏介质体积中的多个平面，所述多个平面中的每个平面与构建体积中多个深度中的相应深度相关，所述多个深度沿曝光系统的光轴定义，每个平面与曝光系统的焦平面的可能位置相对应，所述多个深度中的深度相互不同，光敏介质包括用于在光敏介质中引发化学反应的激活化合物，以及用于抑制化学反应的抑制化合物，所述激活化合物能够由第一波长的光激活，所述抑制化合物优选地能够由不同于第一波长的第二波长的光激活；

基于三维目标结构的形状，并且优选地是光敏介质的特性和/或曝光系统的规格，计算曝光图像的序列，所述曝光图像的序列中的每个曝光图像与多个平面中的平面相关，并且每个曝光图像包括第一波长的光和/或第二波长的光，优选地是强度调制的光。

15.如权利要求14所述的计算模块，其中三维目标结构包括多个相同的点状、线状或片状结构；以及

其中计算曝光图像的序列包括确定点状、线状或片状结构的核，所述核优选地为包括一个或多个编码第一波长的光的像素和一个或多个编码第二波长的光的像素的图案，以及在每个曝光图像和/或多个曝光图像中重复所述核。

16.如权利要求14所述的计算模块，其中计算曝光图像的序列S₀包括基于用于预测由在衰减光敏介质中的曝光图像的序列引起的化学反应速率的模型

计算曝光图像的序列，优选地求解

其中

是

的逆，并且其中P₀(x，y，z)是在具有空间坐标{x，y，z}的构建体积中的位置处的目标化学反应速率。

17.如权利要求16所述的计算模块，其中

是线性传播模型和线性聚合模型的组合，并且其中求解

包括计算

的显式逆。

18.如权利要求16所述的计算模块，其中求解

包括迭代地计算近似解S₀，所述计算包括最小化目标化学反应速率P₀和由用曝光图像的序列S₀照射构建体积而实现的化学反应速率P(S₀)之间的差，或者其中求解

包括确定

或

的近似值，优选地基于卷积。

19.一种用于体积式微光刻技术的曝光系统，包括：

用于容纳构建体积的支架，所述构建体积包括光敏介质，所述光敏介质包括用于在光敏介质中引发化学反应的激活化合物，以及用于抑制化学反应的抑制化合物，所述激活化合物能够由第一波长的光激活，优选地所述抑制化合物能够由不同于第一波长的第二波长的光激活；

光学器件，被配置为产生焦平面，所述焦平面的聚焦深度在平行于光学器件的光轴的方向上与所述构建体积的厚度相比是薄的；

第一图像形成模块，用于根据所述焦平面相对于构建体积的位置生成第一波长的曝光图像；

第二图像形成模块，用于根据所述焦平面相对于构建体积的位置生成第二波长的照明；以及

处理器，被配置为接收定义第一和/或第二波长的曝光图像的序列的信息，所述曝光图像的序列的每个曝光图像与构建体积中沿光学器件的光轴的深度相关，并且对于每个曝光图像：

-控制光学器件和/或支架，以将光学系统的焦平面定位在构建体积中与相应的曝光图像相关的深度处；以及

-控制第一和/或第二图像形成模块，以用相应的曝光图像照射构建体积。

20.如权利要求19所述的曝光系统，其中光学器件是可调整的光学器件，所述可调整的光学器件被配置为产生具有动态可调焦距的焦平面，和/或其中支架被配置为能够相对于光学器件在平行于光轴的方向上移动。

21.如权利要求19或20所述的曝光系统，进一步包括:

用于生成第一波长的曝光图像的附加图像形成模块，配置为从与第一图像形成模块照射构建体积的方向不同的方向照射构建体积。

22.如权利要求19-21中任一项所述的曝光系统，其中光学器件包括多个物镜，所述多个物镜被配置为产生大于每个物镜单独的数值孔径的有效数值孔径；以及

其中曝光图像的序列包括与相同深度相关的多个物镜中的每个物镜的曝光图像，并且处理器被配置为向相应物镜提供相应的曝光图像。

23.如权利要求19-21中任一项所述的曝光系统，其中光学器件包括物镜，所述物镜被配置为在相对于构建体积的多个位置之间移动，以产生大于物镜的数值孔径的有效数值孔径；并且

其中曝光图像的序列包括与相同深度相关的物镜的多个位置的曝光图像，并且处理器被配置为当物镜被定位在相应位置时提供相应的曝光图像。

24.一种用于曝光系统的控制模块，包括：

处理器，被配置为接收定义第一和/或第二波长的曝光图像的序列的信息，所述曝光图像的序列的每个曝光图像与构建体积中沿光学器件的光轴的深度相关，并且对于每个曝光图像：

-控制光学器件和/或支架，以将光学系统的焦平面定位在构建体积中与相应曝光图像相关的深度处；以及

-控制第一和/或第二图像形成模块，以用相应的曝光图像照射构建体积。

25.一种包括至少一个软件代码部分的计算机程序或计算机程序套件，或存储至少一个软件代码部分的计算机程序产品，所述软件代码部分在计算机系统上运行时，被配置为执行权利要求1-13中任何一项所述的方法。

26.一种存储有至少一个软件代码部分的非暂时性计算机可读存储介质，所述软件代码部分当由计算机执行或处理时，被配置为执行如权利要求1-13中至少一项所述的方法。

Images