CN115379941A

CN115379941A - 用于对三维部件进行基于光刻的生成式制造的方法和设备

Info

Publication number: CN115379941A
Application number: CN202180026390.8A
Authority: CN
Inventors: P·格鲁贝尔
Original assignee: Apnano Co ltd
Current assignee: Apnano Co ltd
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2021-03-18
Publication date: 2022-11-22
Also published as: CA3173332A1; JP7420967B2; WO2021198835A1; EP3888887A1; LT3888887T; ES2934510T3; IL296748A; JP2023521002A; EP3888887B1; US20230150190A1; KR20220160681A

Abstract

在用于对三维部件进行基于光刻的生成式制造的方法中，其中至少一个由电磁辐射源（2）发出的射束借助于照射装置（3）依次被聚焦到材料内的聚焦点上，由此所述材料的位于聚焦点处的体积元素（13）分别借助于多光子吸收被固化，所述聚焦点在z方向上被转移，其中所述z方向对应于所述至少一个射束到所述材料中的射入方向，其中借助于至少一个布置在光路中的声光转向器（6）进行所述聚焦点在z方向上的转移，在所述声光转向器中产生声波，所述声波的频率周期性地被调制。

Description

用于对三维部件进行基于光刻的生成式制造的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于对三维部件进行基于光刻的生成式制造的方法，其中至少一个由电磁辐射源发出的射束借助于照射装置依次被聚焦到材料内的聚焦点上，由此分别借助于多光子吸收固化材料的位于聚焦点处的体积元素。

本发明此外涉及一种用于对三维部件进行基于光刻的生成式制造的设备。

背景技术

例如已经从DE 10111422 A1中已知一种用于构造模制品的方法，其中借助于多光子吸收对光敏材料进行固化。为此，以聚焦的激光束射入光敏材料的池中，其中仅在焦点的邻近环境中满足用于触发固化的多光子吸收过程的照射条件，使得将射束的焦点根据要生产的模制品的几何数据在池容积内引导到要固化的点。

在此情况下，材料的体积元素在相应的聚焦点处被固化，其中相邻的体积元素彼此粘附，并且模制品通过相邻体积元素的依次进行的固化被构建。在构建模制品时，逐层地采取行动，即在下一层的体积元素被固化之前，首先固化第一层的体积元素。

用于多光子吸收方法的照射装置包括用于聚焦激光束的光学系统以及用于偏转激光束的偏转装置。在此情况下，偏转装置被构造用于将射束依次聚焦到材料内的聚焦点上，所述聚焦点位于垂直于射束到材料中的射入方向伸展的同一平面中。在x,y,z坐标系中，该平面也被称为x,y平面。通过在x,y平面中的射束偏转出现的固化的体积元素形成模制品的层。

为了构建下一层，在z方向上改变照射装置相对于部件的相对位置，所述z方向对应于至少一个射束到材料中的射入方向并且垂直于x,y平面伸展。由于照射装置相对于部件的在大多情况下以电动方式进行的调整，照射装置的聚焦点被转移到新的x,y平面中，该新的x,y平面在z方向上与先前的x,y平面间隔开期望的层厚。

所描述的操作模式导致固化的体积元素仅能在三维网格内的预先给定的位置处被产生。然而，这在部件的弯曲表面处导致阶梯式构造，类似于在屏幕上弯曲线的像素状表示。部件的表面处的结构化分辨率在此情况下取决于固化的体积元素的尺寸以及取决于层厚。为了提高结构化分辨率，可以减小层厚；然而，因为必须增加层的数量，所以这导致构造过程的持续时间的明显增加。

已经给出不同的建议来在部件的边缘区域中使固化的体积元素的尺寸适配于期望的表面形状，使得实际的表面与期望的表面的偏差被最小化。例如，DE 1020171140241A1公开一种方法，其中用于生产与表面邻接的体积元素的曝光剂量根据所定义的图案被改变。这导致，写入边缘区段中的体积元素具有不同的范围（Ausdehnungen），并且因此有助于期望的表面结构化。然而，在这样的方法的情况下不利的是，在提高曝光剂量时射入到材料中的能量可能导致材料的热破坏并且可能导致起泡。此外，在这种方法的情况下调节范围是非常有限的。体积元素的尺寸的最大变化小于初始尺寸的20%。

文件US 2003/013047 A1和US 2014/029081 A1构成关于本发明主题的一般性现有技术。

发明内容

因此，本发明的目的在于如下进一步发展用于对三维部件进行基于光刻的生成式制造的方法和设备，即以高的形状精度构造部件的弯曲的和倾斜的表面并且可以避免上面提到的缺点。

为了解决该任务，本发明在开头提到的类型的方法的情况下规定，在z方向上转移聚焦点，其中z方向对应于至少一个射束到材料中的射入方向，其中借助于至少一个布置在光路中的声光转向器在z方向上转移聚焦点，在所述声光转向器中产生声波，所述声波的频率周期性地被调制。

通过在由辐射源发出的射束的光路中布置至少一个声光转向器，可以在z方向上连续地并且以高的速度转移聚焦点。这允许在z方向上自由地选择体积元素的位置，并且因此也将体积元素布置在由上面提及的网格定义的位置之外，以便以这种方式实现与分别要实现的表面形状的最佳适配。在此情况下，聚焦点在z方向上的转移不需要相对于部件以机械的方式调整照射装置，并且因此与从第一层到下一层的变换无关。尤其是，聚焦点在z方向上的转移在无移动的部分的情况下、而是仅仅由于所提及的声光转向器的作用来实现。

声光转向器是在频率和传播方向或强度方面影响入射光的光学器件。为此，在透明固体中利用声波产生光学网格，在所述光学网格处光束被衍射，并且同时在其频率上被移位。这产生射束偏转，其中偏转角取决于光波和超声波在透明固体中的相对波长。

由于在透明固体中产生的声波的频率的周期性变化而形成所谓的“柱面透镜效应”，所述柱面透镜效应以与柱面透镜相同的方式使入射光束聚束。对周期性频率调制的有针对性控制允许改变柱面透镜的焦距并且因此改变从声光转向器出射的射束的发散度。具有如此设定的发散度的射束被传导通过照射装置的成像单元，射束在所述成像单元中以借助于物镜聚焦的方式被射入到材料中。在此情况下，引入到材料中的射束的聚焦点在z方向上根据发散度而改变。

在此情况下，一种优选的构造方案规定，声波的频率调制具有恒定的声波频率梯度。这有助于出现所谓“柱面透镜效应”。而如果声波频率非线性地改变，则形成波前误差。

优选地此外规定，通过改变频率调制的（恒定的）声波频率梯度来转移聚焦点。可以例如通过在周期性调制的周期持续时间保持不变的情况下改变频率调制的带宽来实现声波频率梯度的变化。可替代地，带宽可以被保持恒定，并且声波频率梯度的变化可以通过改变周期持续时间来引起。

声波的基频在由例如TeO₂制成的透明固体的情况下优选地为50 MHz或更高，尤其是>100 MHz，尤其是100-150 MHz。例如，基频被调制至少±10％、优选地±20-30％。在基频例如为110 MHz的情况下，所述基频例如周期性地被调制±25 MHz，即频率调制的带宽为50MHz，并且因此声波的频率在85 MHz和135 MHz之间周期性被调制。如已经提及的，声波频率梯度的变化确定柱面透镜的焦距，其中调制频率优选地为至少100 kHz，尤其是0.1-10MHz。

优选地，在光路中相继地使用至少两个声光转向器，其中至少两个声光转向器优选地具有基本上彼此垂直地伸展的射束偏转方向或相同的射束偏转取向。两个优选地直接垂直地相继布置的声光转向器的组合消除在单个转向器情况下否则出现的散光。当在一个平面中布置两个声光转向器时，焦点在z方向上的可能移置路径（Verstellweg）被加倍。根据另一优选实施方案，可以设置四个相继地布置的声光转向器，其中前两个转向器构成第一对并且后续的两个转向器构成第二对。在此情况下，一对内的转向器分别以相同的射束偏转取向构造，并且第一对的转向器具有相对于第二对的转向器垂直地伸展的射束偏转方向。

如本身已知的，聚焦点优选地也在横向于z方向伸展的x-y平面中被转移，其中在x-y平面中的转移借助于不同于至少一个声光转向器的偏转单元进行。在此情况下，偏转单元有利地布置在至少一个声光转向器和成像单元之间的光路中。例如，偏转单元可以被构造为检流计扫描仪。对于二维射束偏转，要么可以将镜在两个方向上偏转，要么将两个正交可旋转的镜彼此靠近地安置，射束通过所述镜被反射。两个镜可以分别由检流计驱动装置或电动机驱动。

部件优选地逐层地利用在x-y平面中延伸的层来构建，其中从一层到下一层的变换包括在z方向上改变照射装置相对于部件的相对位置。通过以机械方式调整照射装置相对于部件的相对位置，在z方向上对聚焦点进行粗调，即从一个层变换到下一层。而为了在z方向上设定中间级，即为了在z方向上对聚焦点进行精细定位，借助于声光转向器对聚焦点进行位置改变。

在此情况下优选地可以采取行动，使得借助于声光转向器在层的层厚内在z方向上转移聚焦点。在此，也可以在层内生产体积元素的在z方向上相叠布置的多个层，而不必对照射装置相对于部件的相对位置进行机械调整。

根据本发明的一种优选应用，借助于声光转向器在z方向上转移聚焦点，以便构造部件的弯曲的外轮廓。可替代地或补充地，也可以采取行动，使得借助于声光转向器在z方向上转移聚焦点，以便构造部件的相对于x,y平面倾斜地伸展的外轮廓。在此情况下，聚焦点在z方向上的转移可以遵循表面形状，其方式是分别以距要生产的部件的表面的这样的距离在部件的边缘区域中对焦点进行定位，所述距离对应于要固化的体积元素的设想的中点距体积元素的外表面的距离。

如果材料存在于材料载体上、诸如在槽中并且从下方穿过对于辐射至少局部透过的材料载体照射材料时，得出优选的处理方式。在此情况下，可以以距材料载体一定距离地定位构建平台，并且可以通过固化位于构建平台和材料载体之间的材料来在构建平台上构建部件。但是，可替代地也可能的是，从上方对材料进行照射。

借助于多光子吸收对合适的材料进行结构化提供极高的结构分辨率的优点，其中可以实现具有高达50nm×50nm×50nm的最小结构尺寸的体积元素。然而，由小的聚焦点体积决定地，这种方法的吞吐量非常低，因为例如对于1mm³的体积总计必须曝光多于10⁹个点。这导致非常长的构建时间，这是多光子吸收方法的低工业使用的主要原因。

为了在不失去高结构分辨率的可能性的情况下提高部件吞吐量，本发明的一种优选的进一步发展规定，在部件的构建期间聚焦点的体积至少被改变一次，使得由不同体积的固化的体积元素构建部件。

由于聚焦点的可变体积，（在小聚焦点体积的情况下）高分辨率是可能的。同时（在大聚焦点体积的情况下）可以实现高写入速度（以mm³/h为单位测量的）。通过改变聚焦点体积，因此可以将高分辨率与大吞吐量（Durchsatz）组合。在此，可以例如使用聚焦点体积的变化，使得在要构建的部件的内部中使用大的聚焦点体积，以便提高吞吐量，而在部件的表面处应用较小的聚焦点体积，以便构造具有高分辨率的部件表面。因为在曝光过程中固化的材料体积被增大，所以增大聚焦点体积能够实现更高的结构化吞吐量。为了在高吞吐量下保持高分辨率，对于较精细的结构和表面可以使用小的聚焦点体积，而对于粗糙结构和/或为了填充内部空间使用较大的聚焦点体积。在WO 2018/006108 A1中描述了用于改变聚焦点体积的方法和设备。

在本发明的范围中，如果以高层厚并且因此以大体积的体积元素构建位于部件内部中的层并且由小体积的体积元素创建边缘区域并且在边缘区域中附加地沿着z方向单独地适配体积元素的位置，以便在表面处获得高结构分辨率，则可以显著缩短构建时间。

在一种优选的方法中，改变焦点体积，使得在制造部件期间的最大聚焦点体积与最小聚焦点体积之间的体积比至少为2，优选地至少为5。

在本发明的范围中使用多光子吸收的原理，以便在光敏材料池中发起光化学过程。多光子吸收方法例如还包括2光子吸收的方法。由于光化学反应，发生材料改变成至少一种其他状态，其中典型地发生光聚合。多光子吸收的原理基于所提到的光化学过程仅发生在光路的存在对于多光子吸收足够的光子密度的那些区域中。最高的光子密度出现在光学成像系统的焦点中，使得多光子吸收以足够的概率仅出现在聚焦点中。在焦点之外，光子密度较低，使得在焦点之外的多光子吸收的概率太小，以致于不通过光化学反应引起材料的不可逆改变。电磁辐射在所使用的波长中可以最大限度地不受阻碍地通过材料，并且仅在聚焦点中发生光敏材料与电磁辐射之间的交互作用。多光子吸收的原理例如在Zipfel等人的“Nonlinear magic: multiphoton microscopy in the biosciences”，NATUREBIOTECHNOLOGY VOLUME 21 NUMBER 11 NOVEMBER 2003中予以描述。

作为用于电磁辐射的源优选地可以是经准直的激光束。不仅激光器（Laser）可以发射一种或多种固定的或可变的波长。尤其是所述激光器是具有处于纳秒、皮秒或飞秒范围内的脉冲长度的连续或脉冲式激光器。脉冲式飞秒激光器在此提供优点：对于多光子吸收需要较低的平均功率。

光敏材料被理解为在构建条件下能流动的或固态的每种材料，所述材料通过聚焦点体积中的多光子吸收（例如通过聚合）转入第二状态。在此，材料改变必须限制于聚焦点体积以及其直接环境。物质特性的改变可以是持久性的，并且可以例如存在于从液态到固态的改变中，然而也可以是仅是暂时的。此外，持久的改变也可以是可逆的或非可逆的。材料特性的变化不一定必须完全从一种状态转入另一状态，而是也可以作为两种状态的混合形式存在。

电磁辐射的功率和曝光持续时间影响所产生的部件的质量。通过适配辐射功率和/或曝光持续时间，可以在窄的范围内改变聚焦点的体积。在太高的辐射功率的情况下，出现附加的工艺，所述附加的工艺可能导致部件损坏。如果辐射功率太低，则不能出现持久的材料特性变化。因此，对于每种光敏材料，存在与良好的部件特性相关联的典型构建工艺参数。

优选地规定，聚焦点体积的变化在至少一个、优选两个、尤其是三个彼此垂直的空间方向上进行。

根据本发明的第二方面，提供一种用于对三维部件进行基于光刻的生成式制造的设备，尤其是用于执行根据本发明的第一方面的方法，所述设备包括用于可固化的材料的材料载体和照射装置，所述照射装置可以被操控用于用至少一个射束对可固化的材料进行方位选择性照射，其中照射装置包括光学偏转单元，以便将至少一个射束依次聚焦到材料内的聚焦点上，由此材料的位于聚焦点处的体积元素分别可以借助于多光子吸收被固化，其特征在于，所述照射装置包括至少一个布置在射束的光路中的声光转向器，所述声光转向器被构造用于在z方向上转移聚焦点，其中z方向对应于至少一个射束到材料中的射入方向。

至少一个声光转向器的控制装置优选地包括频率发生器，所述频率发生器被构造用于对超声频率进行周期性调制。

在此情况下优选地规定，频率发生器被构造用于改变声波频率梯度。

如已经结合根据本发明的方法提及的，如果至少两个声光转向器相继地布置在光路中，则是有利的，其中至少两个声光转向器优选地具有基本上彼此垂直地伸展的射束偏转方向或相同的射束偏转取向。

此外，偏转单元优选地被构造用于在横向于z方向伸展的x-y平面中转移聚焦点。

尤其是，照射装置可以被构造用于利用在x-y平面中延伸的层逐层地构建部件，其中从一层变换到下一层包括在z方向上改变照射装置相对于部件的相对位置。

照射装置优选地被构造为使得聚焦点在z方向上的转移借助于声光转向器在层的层厚内进行。

此外，可以规定，材料存在于材料载体上，诸如存在于槽中，并且从下方通过对于辐射至少局部地透过的材料载体照射材料。

在此情况下，构建平台优选地以距材料载体一定距离地被定位，并且通过固化位于构建平台与材料载体之间的体积元素在构建平台上构建部件。

在此，如果聚焦点的体积在部件的构建期间至少被改变一次，使得部件由不同体积的固化的体积元素来构建，则是有利的。

附图说明

下面根据在附图中示意性示出的实施例更详细地阐述本发明。在所述附图中，图1示出根据本发明的设备的示意图，图2示出根据图1的设备的经改变的实施方式，并且图3示出在部件的边缘区域中体积元素的布置的示意图。

具体实施方式

在图1中，基板或载体用1标出，在所述基板或载体上应该构建部件。基板布置在未示出的材料槽中，所述材料槽填充有可光聚合的材料。由辐射源2发出的激光束借助于照射装置3依次在可光聚合的材料内的聚焦点上被聚焦到材料中，由此材料的位于聚焦点处的体积元素分别借助于多光子吸收被固化。为此目的，照射装置包括成像单元，所述成像单元包括物镜4，所述物镜将激光束在写入区域内引入到材料中。

激光束首先从辐射源2进入脉冲压缩器5中，并且之后被传导通过至少一个声光转向器模块6，所述声光转向器模块的两个声光转向器将射束划分成零阶射束和一阶射束。零阶射束在射束阱7中被收集。在此情况下，声光转向器模块6包括两个相继地布置的声光转向器，所述声光转向器的射束偏转方向彼此垂直地伸展。鉴于经偏转的一阶射束，声光转向器模块6分别作为具有可调节的焦距的柱面透镜起作用，使得一阶射束具有可调节的发散度。一阶射束现在通过中继透镜8和偏转镜15被引导到偏转单元9中，其中射束依次在两个镜10处被反射。镜10以围绕彼此正交地伸展的旋转轴可转动的方式被驱动，使得射束不仅可以在x轴中并且可以在y轴中被偏转。两个镜10可以分别由检流计驱动装置或电动机驱动。从偏转单元9出射的射束优选地通过未示出的中继透镜系统进入物镜中，所述物镜如已经提及的那样将射束聚焦到可光聚合的材料中。

为了逐层地构建部件，一层接一层的体积元素在材料中被固化。为了构建第一层，激光束相继地被聚焦到材料内的聚焦点上，所述聚焦点布置在物镜4的焦平面中。在此情况下，借助于偏转单元9在x,y平面中偏转射束，其中写入区域由物镜4限制。为了变换到下一平面中，紧固在载体11处的物镜4在z方向上相对于基板1被移置层层距离（Schichtlagenabstand），所述层层距离对应于层厚。可替代地，基板1也可以相对于固定的物镜4被移置（verstellt）。

如果要生产的部件在x和/或y方向上大于物镜4的写入区域，则部件的部分结构并排地（nebeneinander）被构建（所谓的拼接）。为此，基板1布置在载物台（Kreuztisch）12上，所述载物台可以在x和/或y方向上相对于照射装置3移位。

此外，设置控制装置12，所述控制装置操控至少一个声光转向器6、偏转装置9、载体11和载物台12。

声光转向器6形成柱面透镜效应，所述柱面透镜效应取决于频率调制的声波频率梯度。在此情况下，柱面透镜

的等效焦距可以如下被计算：

其中

是晶体中的声传播速度，

是激光束的波长并且

是晶体中的声波频率梯度。在激光的波长为780 nm并且在0.2 μs内通过带宽±25 MHz（例如从110 MHz的基本激发频率开始）的情况下在具有传播速度为4200 m/s的TeO₂中，得出声光柱面透镜的焦距90 mm。在具有焦距为9 mm和20×扩张（20x Aufweitung）的物镜4的情况下，由此得出总系统的新的焦距为

，

这在上面提及的参数的情况下对应于根据梯度的符号为±90 μm的在z方向上的位移。通过改变声波频率梯度，可以线性并且连续地调节体积元素的z位置。

根据本发明，可以充分利用所描述的用于在z方向上连续地移置聚焦点的可能性来最佳地近似倾斜或弯曲的表面，如这在图3中示意性示出的。在图3中，各个体积元素用13标出，并且部件的弯曲的表面用14标出。可以看出，使体积元素13的z位置跟踪（nachgeführt）表面形状，其中各个体积元素13的尺寸能够保持相同。

在图2中示出根据图1的设备的经改变的实施方式，其中声光转向器模块6与图1不同地具有其间布置有中继透镜的两个声光转向器，以便确保在声光转向器模块6的输入端处和输出端处的聚焦点布置在相同的线上。

Claims

1.一种用于对三维部件进行基于光刻的生成式制造的方法，其中至少一个由电磁辐射源（2）发出的射束借助于照射装置（3）依次被聚焦到材料内的聚焦点上，由此所述材料的位于所述聚焦点处的体积元素（13）分别借助于多光子吸收被固化，其特征在于，所述聚焦点在z方向上被转移，其中所述z方向对应于所述至少一个射束到所述材料中的射入方向，其中借助于至少一个布置在光路中的声光转向器（6）进行所述聚焦点在z方向上的转移，在所述声光转向器中产生声波，所述声波的频率周期性地被调制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过改变频率调制的声波频率梯度来转移所述聚焦点。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少两个声光转向器（6）在光路中依次地被使用，其中所述至少两个声光转向器（6）优选地具有基本上彼此垂直地伸展的射束偏转方向或相同的射束偏转取向。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述聚焦点在横向于所述z方向伸展的x-y平面中被转移，其中在所述x-y平面中的转移借助于与所述至少一个声光转向器（6）不同的偏转单元（9）进行。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述部件逐层地利用在所述x-y平面中延伸的层来构建，其中从一个层到下一层的变换包括在所述z方向上改变所述照射装置（3）相对于所述部件的相对位置。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，借助于所述声光转向器（6）在层的层厚内进行所述聚焦点在z方向上的转移。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述聚焦点借助于所述声光转向器（6）在z方向上被转移，以便构造所述部件的弯曲的外轮廓或相对于x，y平面倾斜地伸展的外轮廓，其中构造所述外轮廓的体积元素（13）的尺寸优选地被选择为相同的。

8.一种用于对三维部件进行基于光刻的生成式制造的设备，尤其是用于执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法，所述设备包括用于可固化的材料的材料载体（1）和照射装置（3），所述照射装置能够被操控用于用至少一个射束对可固化的材料进行方位选择性照射，其中所述照射装置（3）包括光学偏转单元（9），以便将至少一个射束依次聚焦到所述材料内的聚焦点上，由此所述材料的位于所述聚焦点处的体积元素（13）分别能够借助于多光子吸收被固化，其特征在于，所述照射装置（3）包括至少一个布置在所述射束的光路中的声光转向器（6），所述声光转向器被构造用于在z方向上转移所述聚焦点，其中所述z方向对应于所述至少一个射束到所述材料中的射入方向。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述至少一个声光转向器（6）包括频率发生器，所述频率发生器被构造用于周期性地调制超声频率。

10.根据权利要求8或9所述的设备，其特征在于，所述频率发生器被构造用于改变声波频率梯度。

11.根据权利要求8、9或10所述的设备，其特征在于，至少两个声光转向器（6）相继地布置在所述光路中，其中所述至少两个声光转向器（6）优选地具有基本上彼此垂直地伸展的射束偏转方向或相同的射束偏转取向。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的设备，其特征在于，所述偏转单元（9）被构造用于在横向于所述z方向伸展的x-y平面中转移所述聚焦点。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的设备，其特征在于，所述照射装置（3）被构造用于逐层地利用在x-y平面中延伸的层构建所述部件，其中从一个层到下一层的变换包括在所述z方向上改变所述照射装置（3）相对于所述部件的相对位置。

14.根据权利要求8至13中任一项所述的设备，其特征在于，所述照射装置（3）被构造为使得借助于所述声光转向器（6）在层的层厚内进行所述聚焦点在z方向上的转移。