EP3983199A1

EP3983199A1 - Vorrichtung zur behandlung oder inspektion eines materials, verwendung der vorrichtung

Info

Publication number: EP3983199A1
Application number: EP20743582.7A
Authority: EP
Inventors: Andreas Richter; Robert Kirchner; Georgi Paschew
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Heteromerge GmbH
Priority date: 2019-06-11
Filing date: 2020-06-11
Publication date: 2022-04-20
Also published as: WO2020249171A1; DE102019115780A1; DE102019115780B4; US12103226B2; US20220219388A1; CN113993690A

Abstract

Eine Vorrichtung und deren Verwendung zum Mehrphotonendruck zur additiven Herstellung dreidimensionaler Strukturen oder zur Inspektion solcher und anderer Strukturen mit vergleichbaren Größenverhältnissen unter Anwesenheit eines Inspektionsmediums. Zur Herstellung dreidimensionalen Strukturen mit variierenden Eigenschaften und/oder Materialzusammensetzungen und deren Inspektion wird eine Vorrichtung mit ortsselektiver Materialzufuhr (9), eine ortsselektive Materialableitung (11) und ortsselektive, fokussierte Aussendung oder Empfang elektromagnetischer Strahlung vorgeschlagen.

Description

Vorrichtung zur Behandlung oder Inspektion eines Materials,

Verwendung der Vorrichtung

Die Erfindung betrifft allgemein Vorrichtungen sowie mit den Vorrichtungen ausführbare Verfahren zur Behandlung oder Inspektion eines Materials. Sie betrifft insbesondere

Vorrichtungen und deren Verwendung zum Mehrphotonendruck zur additiven Herstellung dreidimensionaler Strukturen oder zur Inspektion solcher und anderer Strukturen mit vergleichbaren Größenverhältnissen unter Anwesenheit eines

Inspektionsmediums .

Die Vorrichtungen weisen eine Materialzufuhr, eine

Materialableitung und eine optische Einheit auf. Die

optische Einheit umfasst Mittel zur Emission oder zum

Empfang elektromagnetischer Strahlung. Die optische Einheit weist weiterhin Mittel zur Ausrichtung der gesendeten oder empfangenen Strahlung auf.

Mittels 3D-Druck ist die Herstellung einstückiger komplexer 3D-Strukturen bekannt, beispielsweise das Lasersintern von partikelförmigem Ausgangsmaterial oder der

Mehrphotonendruck. Letzterer gestattet eine Auflösung der Substrukturen im Millimeter- bis Mikrometer und

Submikrometerbereich. Ein solches Druckverfahren verwendet photovernetzbare Druckmaterialien, die flüssige bis pastöse Konsistenz haben und in einer Arbeitsebene platziert werden, um dort mittels elektromagnetischer Strahlung behandelt und einer damit initiierten Mehrphotonenpolymerisation

verfestigt zu werden. Die Verfestigung wird punktweise im Fokuspunkt der elektromagnetischen Strahlung einer Strahlungsquelle initiiert, so dass im Fokuspunkt, jetzt auch als Arbeitspunkt zu bezeichnen, ein Strukturelement, die kleinste Einheit der dreidimensionalen Struktur, entsteht. Zur Herstellung der gesamten Struktur wechselt der Fokuspunkt Schritt für Schritt, indem dieser, regelmäßig jedoch nicht zwangsläufig schichtweise, einer Bewegungsbahn folgt und so die Struktur punktweise aufgebaut wird.

Zur Auslösung der Polymerisation wird langwellige

Laserstrahlung erzeugt, so dass die am Auftreffort erzielte Strahlungsintensität ausreicht, um infolge einer Absorption von zwei oder mehr Photonen die Polymerisation im jeweiligen Druckmaterial zu erzeugen.

Die Zufuhr der Druckmaterialien, die räumliche und zeitliche Steuerung der Strahlungsemissionen und weitere für die

Ausführung des Verfahrens benötigte Verfahrensschritte und Parameter werden mittels einer dafür konzipierten

Steuereinheit realisiert bzw. bereitgestellt. Die

Bewegungsbahnen des Fokuspunktes, die für den Aufbau der gesamten Struktur benötigt werden, werden regelmäßig mittels eines in der Steuereinheit hinterlegten, die Struktur abbildenden CAD-Datensatzes oder durch Steuerbefehle

abgefahren .

Um 3D-Strukturen aus verschiedenen Materialien mit

Multiphotonendruck herzustellen, mussten bisher aufwendige und sequentielle Prozessschritte durchgeführt werden.

Zunächst wurde das Material A gedruckt. Danach wurde das überschüssige Material entfernt und die bereits gedruckte Struktur mit Material B bedeckt. Nachdem die aktuell

geduckte Struktur in Material A visuell lokalisiert wurde und der Druckvorgang für Material B ausgerichtet wurde, konnte Material B gedruckt werden. Der Wechsel des Materials erforderte den Ausbau des Druckobjektes aus dem Drucker, die Spülung mit speziellen Chemikalien, den Rückbau in den

Drucker sowie die genaue Positionierung des zweiten

Druckbereiches in Material B zu dem bereits gedruckten

Teilen in Material A mit einer sehr hohen Genauigkeit. Der Zeitaufwand, welcher für solch einen Materialwechsel

notwendig ist, verhindert eine effektive Herstellung von Strukturen aus mehreren, auch schichtweise variierenden Materialien. Weiter ist zu beachten, dass die bereits aufgebauten Strukturen die Reinigung unbeschadet überstehen. Dafür müssen die Strukturen in sich stabil sein. Oftmals ist die Struktur erst nach der Fertigstellung stabil genug.

Eine für das Verfahren verwendbare Druckvorrichtung weist neben der für das Verfahren geeigneten Strahlungsquelle für eine beispielsweise flächige Beleuchtung (Bestrahlung) eine Materialzufuhr auf, welche die benötigten flüssigen und pastösen Druckmaterialien in Abhängigkeit vom Umfang der Beleuchtung in der erforderlichen Menge und am

erforderlichen Ort bereitstellt . Weiter ist eine

Haltevorrichtung ausgebildet, welche die herzustellende 3D- Struktur einschließlich eventuell benötigter

Stützmaterialien hält. Regelmäßig ist das eine Plattform, auf welcher die 3D-Struktur aufgebaut wird. Durch

Positionierung der Strahlungsquelle relativ zur Plattform und Energieeintrag mittels Beleuchtung können die

Unterstrukturen der 3D-Struktur nacheinander erzeugt werden.

Hinsichtlich dieses Verfahrens wird beispielsweise auf die DE 10 2011 012 412 Al verwiesen. Bei dem dort beschriebenen Verfahren werden 3D-Strukturen mit makroskopischen und mikroskopischen Unterstrukturen unter Verwendung von zwei Materialien mit unterschiedlichen Photoempfindlichkeiten hergestellt. Dabei werden die verschiedenen Materialien schichtweise verwendet. Um einen Materialwechsel innerhalb der Struktur vorzunehmen, wird die Struktur einem

Reinigungsprozess in einem 5minütigem Ethanol-Bad

unterzogen, um Reste des zuvor verwendeten Druckmaterials zu entfernen .

Aufgrund der mit dieser Technologie herstellbaren sehr kleinen Strukturgrößen, die im Bereich von kleiner als einem Mikrometer liegen können, stellt der verfügbare geringe Platz für den Aufbau der Struktur besondere

Herausforderungen dar. Diese Herausforderungen bestehen sowohl für die Vorrichtung mit ihren Komponenten als auch für die Inspektion der Strukturen. Um die erforderliche Auflösung zu erzielen, werden Objektive mit hoher

Vergrößerung und mit hoher numerischer Apertur verwendet. Diese Objektive haben einen Arbeitsabstand von weniger als 400 bis 500 pm.

Ausgehend von dem vorbeschriebenen Stand der Technik beschäftigt sich die Erfindung mit der Aufgabe, ein

Mehrphotonendruckverfahren und eine dazu verwendbare

Vorrichtung anzugeben, mit welchen 3D-Strukturen mit wechselnden Eigenschaften und/oder aus mehreren

verschiedenen Druckmaterialien herstellbar sind. Solche Variationen in der Struktur sollen sowohl zwischen den

Schichten als auch innerhalb einer Schicht möglich sein.

Weiter ist es wünschenswert, dass die Variabilität sowohl einen Wechsel der Druckmaterialien als auch eine Änderung der Eigenschaften desselben Materials einschließt. Weiter ist es wünschenswert, dass die bekannten Stützmaterialien durch Stützstrukturen ersetzbar sind, welche besser in den Druckprozess integrierbar sind und dass die Stabilität und Formgenauigkeit während des Verfahrens verbessert wird.

Die 3D-Strukturen sollen auch im Mikrometer- und

Submikrometerbereich herstellbar sein.

Zur Durchführung der Beobachtung der mit dem Druckverfahren herstellbaren Strukturelemente ist es weiter wünschenswert, ein Inspektionsverfahren und eine dafür verwendbare

Inspektionsvorrichtung zur Verfügung zu haben, welche das Druckverfahren mit seinen erzielbaren Strukturgrößen

unterstützt und dabei variabel auf die verwendeten

Materialien abstimmbar ist. Diese Aufgabe ist durch eine Vorrichtung des Anspruchs 1, die Verwendung der Vorrichtung in einem Mehrphotonen- Druckverfahren gemäß Anspruch 8 und in einem

Inspektionsverfahren nach Anspruch 14. gelöst. Die sich jeweils auf die genannten Ansprüche beziehenden abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der

Gegenstände .

Das wesentliche Konzept der Erfindung der Vorrichtung und der damit ausführbaren Verfahren ist dahingehend zu

beschreiben, dass eine ortsselektive und separate

Materialzufuhr des Druckmaterials oder des

Inspektionsmediums in Form von Portionen zusammenwirkt mit einer ortsselektiven Materialableitung und - im Fall des Drucks - einer ortsselektiven Beleuchtung. Beim Druckverfahren sind die zu- und abgeführten Materialien Druckmaterialen, von denen zumindest eines photovernetzbar ist und ortsselektiv mittels punktueller Polymerisation ausgehärtet wird.

Weiterhin können durch den in-situ Materialwechsel nicht kompatible aber ausreichend reaktive Materialien miteinander verbunden werden.

Die Materialzufuhr erfolgt bevorzugt portionsweise und lässt verschiedenste Variationen der für die Verfahren am

Arbeitspunkt, zur Verfügung stehenden Materialportionen zu. Das betrifft insbesondere eine Änderung deren

Zusammensetzung. Auch ein vollständiger Austausch des

Materials während eines Verfahrens sowie die Bereitstellung von Additiven zur Einstellung der Materialeigenschaften oder Hilfsstoffen, die das Verfahren unterstützen, sind möglich. Je nach Art und Umfang der am jeweiligen Portionierungspunkt benötigten Materialien kann eine Materialableitung an allen Portionierungspunkten einer dreidimensionalen Struktur oder einer Schicht davon erfolgen oder nur mehreren, gezielt ausgewählten Portionierungspunkten .

Dies ist punktweise separat möglich, da ebenfalls altes Material, insbesondere welches vom vorangegangenen Druck- bzw. Polymerisationsschritt und ebenso vom vorangegangenen Inspektionsschritt, in die Umgebung des aktuellen

Portionierungspunktes gelangt ist, weggeführt und neues Material herangeführt werden kann. Aufgrund der ortsselektiv benötigten geringen Mengen ist das Druckmaterial nach kurzer Zeit modifizierbar und nach einer nur kurzen Wartezeit sogar vollständig austauschbar. Das trifft insbesondere für zu druckende Unterstrukturen im Mikrometer- und Submikrometerbereich zu, die entsprechend kleine Portionen für ein Strukturelement benötigen.

In analoger Weise kann für das punktweise, d. h. auf die Strukturelemente bezogene, Inspektionsverfahren

Inspektionsmedium gezielt zu- und abgeführt sowie variiert werden. So ist eine bestmögliche Auflösung zu erzielen und gleichzeitig die Optik und das Objekt vor schädlichen oder unerwünschten Einflüssen zu schützen. Die Zuführung des Inspektionsmediums kann zu verschiedenen Zeiten,

beispielsweise nach der Herstellung einer Substruktur, erfolgen und so die Inspektion direkt in den Druckprozess eingebunden werden. In Abhängigkeit von den verwendeten Materialien, können in einem solchen kombinierten Druck- und Inspektionsverfahren für die Materialzu- und

Materialableitung für Druck und Inspektion die gleichen oder separate Zuführungen und Ableitungen verwendet werden.

Weiter kann ein Inspektionsmedium mit einem zweiten

Inspektionsmedium gemischt werden, auch mit einer zeitlichen Änderung des Mischungsverhältnisses. Weiter kann ein

Hilfsstoff temporär, beispielsweise zur Spülung oder

anderem, oder zusammen mit dem Inspektionsmedium zur

Anwendung kommen .

Der Austausch oder die Modifikation des Inspektionsmediums kann an nur einem Punkt erfolgen, beispielsweise wenn sich an diesem die Geometrie, die Größe und/oder die Struktur mit der Zeit ändern. In diesem Fall kann das Inspektionsmedium schrittweise modifiziert werden, so dass die Auflösung an die Änderung der Struktur angepasst wird. Es bietet sich auch die Möglichkeit, die Modifizierung automatisiert vorzunehmen, wenn die Änderung der Struktur automatisiert, beispielsweise bei Überschreitung einer vordefinierten

Unschärfe oder mittels Mustererkennung, erfasst und auf dieser Basis eine Steuerung der Zufuhr und gegebenenfalls auch der Ableitung von Inspektionsmedium erfolgt. Weiterhin bietet sich die Möglichkeit, 3D-Druck und

Inspektion der mikroskopischen Strukturen derart zu

verknüpfen, dass das Druckmaterial, gegebenenfalls unter Zugabe geeigneter Hilfsmittel, gleichzeitig als

Inspektionsmedium genutzt werden kann. In diesem Fall weist die optische Einheit sowohl Mittel zur Erzeugung als auch Mittel zum Empfang elektromagnetischer Strahlung auf, die gleichzeitig oder nacheinander zum Einsatz kommen können.

Unter Nutzung des Prinzips der variierbaren

Materialbereitstellung und/oder Materialzusammensetzung können die Inspektionsvorrichtung und das

Inspektionsverfahren auch unabhängig von einem

Druckverfahren zur Inspektion von mikroskopischen Strukturen und das Druckverfahren mit einem alternativen

Inspektionsverfahren eingesetzt werden. Nachfolgend werden zur Realisierung des Konzepts verwendete Merkmale beschrieben. Diese wird der Fachmann in

verschiedenen Ausführungsformen verschieden miteinander kombinieren, soweit ihm das für einen Anwendungsfall sinnvoll und geeignet erscheint. Der zur Erfindung verwendete Begriff „Druckmaterial" bezeichnet sowohl die vernetzbaren Materialien, welche aushärtbar sind und damit die Strukturelemente bilden, als auch andere Materialien, die zur Herstellung des jeweiligen Strukturelements am Portionierungspunkt zur Verfügung stehen sollen .

Der Begriff „ortsselektiv" bezeichnet hinsichtlich

Materialauftrag und Beleuchtung ein Ausbringen des

Druckmaterials und eine Beleuchtung zur Verfestigung des Druckmaterials, welche in Bezug auf die Lage gezielt

variierbar ist und deren Ausdehnung auf ein Maß beschränkbar ist, welches mit den herzustellenden Strukturelementen als den kleinsten Einheiten der 3D-Struktur korreliert. Die Variabilität der Lage schließt ein, dass eine

Relativbewegung zwischen dem betreffenden Materialausgang bzw. dem Strahlungsausgang der Emissionseinheit und der 3D- Struktur bzw. der Haltevorrichtung der 3D-Struktur

realisierbar ist. Die ortsselektive Ausbringung eines

Druckmateriales schließt auch ein, dass die damit gebildete Materialportion aufgrund einer Mischung beider

Druckmaterialien eine größere Ausdehnung hat. als der

Fokuspunkt .

Der Begriff „pastös" wird in Bezug auf die Erfindung

dahingehend verstanden, dass ein Material dickflüssig, breiig bis pastenartig ist, so dass das Material fließfähig ist und unter Druckbeaufschlagung mittels Leitungen und Düsen des Materialzufuhr und Materialableitung

transportierbar und als Portion ausbringbar sowie ableitbar ist. Die Viskosität der verwendeten pastösen Materialien kann in Abhängigkeit von der Größe der Strukturelemente und der verwendbaren Drücke und Flussgeschwindigkeiten für die Zu- und Ableitung im Bereich von 1 bis 500 mPa s, bevorzugt im Bereich von 1 bis 250 mPa s, weiter bevorzugt im Bereich von 1 bis 150 mPa s, weiter bevorzugt im Bereich von 1 bis 100 mPa s liegen. Damit können Flussgeschwindigkeiten des Materials von kleiner 1 ml/min erzielt werden.

Die Ausbildung einer Materialportion erfolgt auf der

Oberfläche eines Substrats, wobei das Substrat ein

hinsichtlich Material und Gestalt auf das jeweilige

Verfahren abgestimmtes Trägersubstrat sein kann oder ein zuvor mit dem Druckverfahren oder einem anderen

vorangegangenen Verfahren erzeugte Struktur sein kann.

Letztere kann Substruktur einer mittels des Druckverfahrens herzustellenden Struktur sein. Der durch die ortsselektive und dosierbare Materialzufuhr und die optische Ausrichtung und Fokussierung auf die

Materialportion bzw. die Inspektion definierte Punkt auf dem Substrat soll in Bezug auf die Vorrichtung als Arbeitspunkt bezeichnet sein. Mit Bezug auf die Verfahren, in denen dort eine Portion des Druck- und/oder Inspektionsmaterials erzeugt wird, ist dieser hier auch als Portionierungspunkt bezeichnet. Mit Bezug auf die Herstellung der Druckportion eines einzelnen Strukturelements einer dreidimensionalen Struktur stellt der „Portionierungspunkt" jenen räumlich ausgedehnten Bereich oder „Druckpunkt" dar, in welchem ein Strukturelement gedruckt wird. Es ist augenscheinlich, dass die Größe des tatsächlichen Fokuspunkts der Strahlung nicht mit der Größe des Portionierungspunktes übereinstimmen muss.

In Analogie dazu ist der „Inspektionspunkt" jener Punkt, auf welchen die Beobachtung gerichtet und fokussiert ist und welcher innerhalb der Portion des Inspektionsmediums liegt.

Eine Vorrichtung zur Behandlung oder Beobachtung eines

Materials nach einem solchen Konzept umfasst eine

Materialzufuhr mit zumindest einem Materialausgang, regelmäßig einen für jedes verwendete Material. Ein

verwendetes Material kann auch eine Materialzusammensetzung sein, bestehend aus einer Mischung mehrerer Materialien, die bereits vor der Zuführung zum Arbeitspunkt als Mischung vorliegt. Diese kann im Verlauf des Verfahrens unverändert bleiben oder am Arbeitspunkt anderen Materialien zugemischt werden .

Bevorzugt sind zwei, drei oder mehr Materialausgänge

angeordnet, Die Materialausgänge sind entsprechend der

Konsistenz der Materialien derart ausgebildet, dass sie eine ortsselektive, dosierbare Zufuhr der Materialien zum

Arbeitspunkt gestatten. Die ortsselektive Ausbringung schließt ein, dass der jeweilige Materialausgang in der Nähe des Arbeitspunktes positionierbar ist und dass der

Fokuspunkt einer optischen Einheit der Vorrichtung innerhalb der ausgebrachten Druckportion liegt.

Die Vorrichtung umfasst weiter eine Materialableitung mit zumindest einem Materialeingang. Der zumindest eine

Materialeingang ist entsprechend der erwarteten Konsistenz des Materials am Arbeitspunkt derart ausgebildet, dass eine ortsselektive Materialableitung des flüssigem bis pastösem Material vom Arbeitspunkt erfolgen kann. Auch hier schließt die ortsselektive Ableitung wiederum ein, dass der

Materialausgang in der Nähe des Arbeitspunkts positionierbar ist. Die Position muss so nah am Arbeitspunkt liegen, dass das nicht mehr benötigte Material abgeleitet werden kann. Beim Druckverfahren ist das jenes nicht verfestigte

Material, welches das Strukturelement umgibt, beim

Inspektionsverfahren das aktuell nicht mehr benötigte

Inspektionsmedium. Zumindest ein Materialausgang der Materialzufuhr und/oder zumindest ein Materialeingang der Materialableitung können am Strahlungsausgang bzw. am Objektiv montiert sein. Auf diese Weise ist die Materialportion, d. h. die Portion der Druckmaterialien bzw. die Portion des Inspektionsmediums, präzise zu portionieren und/oder die Materialableitung besonders effektiv zu gestalten, da der Materialeingang ebenfalls in der betreffenden Portion oder zumindest in dessen unmittelbarer Nähe angeordnet ist. Auch diese

Maßnahme verbessert und beschleunigt die Materialableitung. Alternativ können zumindest ein Materialausgang und/oder ein Materialeingang, auch ohne den Effekt der Immersion, am Strahlungsausgang der Strahlungsquelle montiert sein, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen.

Der jeweils gewünschte Effekt kann für verschiedene Größen der Materialportion erzielt werden, wenn der zumindest eine Materialeingang und/oder ein Materialausgang lösbar oder variabel positionierbar oder auf beide Arten am Objektiv montiert sind. Damit ist die Vorrichtung mit verschiedenen und mehreren Materialausgängen und Materialeingängen zu bestücken und kann beispielsweise als Druckkopf ausgebildet sein, welcher die für den Druck eines Typs eines

Strukturelements oder der gesamten dreidimensionalen

Struktur erforderlichen Strahlungs- und Materialkomponenten aufweist .

Um die beschriebenen Materialvariationen ausführen zu können, steht die Materialzufuhr mit zumindest einem ersten Reservoir eines ersten Materials in Verbindung,

Gegebenenfalls kann die Materialzufuhr mit einem zweiten Reservoir des zweiten Materials und weiteren Reservoirs in Verbindung stehen. Im Fall des Druckverfahrens ist das erste Material ein photovernetzbares Druckmaterials, im Fall des Inspektionsverfahrens ist das ein Inspektionsmedium. Mittels geeigneter fluidischer Bauelemente können die Materialien vom Reservoir zum Arbeitspunkt befördert werden.

Die Vorrichtung umfasst weiter eine optische Einheit. Bei einer Druckvorrichtung ist das eine Emissionseinheit und bei einer Inspektionsvorrichtung eine Inspektionseinheit, beispielsweise ein Mikroskop oder, eine Kamera. Beide

Einheiten können auch in einer optischen Einheit miteinander kombiniert werden.

Eine Emissionseinheit weist zumindest eine Strahlungsquelle auf, die ausgebildet ist für die Erzeugung

elektromagnetischer Strahlung, welche die erforderliche Strahlungsintensität im Fokuspunkt liefert. Derzeit sind insbesondere Laserquellen geeignet. Mit der fortschreitenden Entwicklung von Strahlungsquellen können jedoch auch andere Strahlungsquellen zur Verfügung stehen.

Die optische Einheit umfasst Mittel zur Ausrichtung und Fokussierung der erzeugten Strahlung auf einen

Portionierungspunkt bzw. der vom Inspektionspunkt

einfallenden (empfangenen) Strahlung auf die

Inspektionseinheit. Solche zur Weiterleitung, Umlenkung, Filterung und Fokussierung der Strahlung geeignete Mittel sind optische Bauelemente, wie beispielsweise Spiegel,

Linsen, Kollimatoren, Lichtleiter und andere. Diese sollen hier zusammenfassend für beide Vorrichtungsvarianten als Objekt bezeichnet sein.

Entsprechend einer Ausgestaltung der Vorrichtung ist das Objektiv der optischen Einheit mit solch einem Abstand zum Portionierungspunkt positionierbar, dass der

Strahlungsausgang bzw. Strahlungseingang innerhalb der

Materialportion liegt, welche mittels der Materialzufuhr am Arbeitspunkt erzeugbar ist. Eine solche Ausgestaltung stellt Anforderungen hinsichtlich der Größe des Strahlungsausganges und bewirkt, dass die dem Arbeitspunkt zugewandte Oberfläche des Objektivs zum Zeitpunkt der Emission in physischem

Kontakt mit einer Materialportion steht. Auf diese Weise werden die Strahlung reduzierende Grenzflächen vermieden. Zudem werden die Materialzufuhr und die Materialableitung sehr nah an den Fokuspunkt der Strahlungsquelle

herangebracht. Dadurch sind sehr kurze Totzeiten und

schnelle Materialwechsel möglich.

Infolge dieser Ausführung der Vorrichtung als

Immersionsvorrichtung kann der Bauraum zwischen

Strahlungsausgang bzw. Strahlungseingang und Arbeitspunkt soweit vergrößert werden, wie es eine begrenzt herstellbare Portion eines Druckmaterials gegebenenfalls mit ergänztem Inspektionsmedium zulässt. Weiterhin ist die Freiheit der verwendbaren Materialien und Geometrien wesentlich

verbessert. Es kann auf solchen Materialien und/oder

Geometrien von Substraten, Trägersubstraten oder bereits hergestellten Strukturen, gedruckt werden, die eine

Benetzung mit dem Druckmaterial zulassen. Ist die

Vorrichtung mittels einer geeigneten

Positionierungsvorrichtung dreidimensional zuzüglich

Winkelausrichtung beweglich, kann der Druck auch auf

Freiformoberflächen, beispielsweise auf optischen

Faserwellenleitern, erfolgen. Entsprechend einer Ausgestaltung der Vorrichtung kann jene Oberfläche des Objektivs, welche mit einem der zugeführten flüssigen oder pastösen Materialien während oder infolge der Zufuhr in physischen Kontakt kommt, Hilfsmittel zur

Positionierung des Materials zwischen dem Objektiv und dem Substrat aufweisen. Die vom Druck- und/oder

Inspektionsmaterial benetzte Oberfläche ist regelmäßig die Unterseite des Objektivs. Die Positionierungsmittel dienen der gezielten Zuführung der Materialien in den Zwischenraum, der in Abhängigkeit von der herzustellenden oder zu

inspizierenden Struktur sehr klein sein kann. Solche

Positionierungshilfen können Kanäle sein, offene oder teileweise geschlossene, oder andere Vertiefungen oder

Hohlräume, deren Lage bzw. Richtung sowie deren Größe an die jeweils herzustellende Materialportion und deren Position angepasst sind.

Solche Kanäle, Vertiefungen, Hohlräume oder ähnliches können beispielsweise in einem an das Objektiv anbringbaren, beispielsweise plattenförmigen, Adapter ausgebildet sein, der selbst Teil der Positionierungsmittel ist.

Die Gestaltung eines solchen Adapters kann entsprechend verschiedener Anforderungen, wie beispielsweise der

Eigenschaften des zugeführten Materials, der Gestalt und der Abmessungen der benötigten Volumina, der Anforderungen durch das Objektiv, der gewünschten Portionsgröße und anderen, variieren. Sofern ein Kanal oder anders geformtes

Positionierungsmittel geschlossen ist, trifft das nur auf Bereiche abseits des Arbeitspunktes zu. Im Bereich des

Arbeitspunktes selbst ist dessen fluidisches System offen.

Augenscheinlich sind die Positionierungsmittel derart ausgebildet und angeordnet, dass deren Kontakt mit dem

Trägersubstrat zumindest im Bereich des Arbeitspunktes während der Verwendung der Vorrichtung vermieden wird, um Schädigungen des Substrats bzw. des Objekts zu vermeiden.

Ein Positionierungsmittel unterstützt lediglich den

Materialfluss .

Auch Oberflächenbehandlungen oder Oberflächenbeschichtungen sind geeignet, beispielsweise indem diese die Benetzung verbessern. Im Umkehrschluss können diese

Positionierungshilfen ebenso die Materialableitung

unterstützen oder eine unerwünschte Ausdehnung der

Materialportion verhindern. Sofern Materialportionen im Mikro- und Nanometerbereich herzustellen sind, sind Art,

Lage und Dimensionierung solcher mikrofluidischen Mittel entsprechen angepasst. Die Positionierungshilfen für die Zu- und Ableitung des Materials sind zudem geeignet den

Materialeinsatz zu reduzieren, indem das Material gezielt zum Einsatzort geleitet wird.

Aufgrund der mit der Vorrichtung auch herstellbaren Mikro- und Submikrostrukturen können, entsprechend einer

Ausgestaltung der Vorrichtung, die Materialzufuhr und die Materialableitung mikrofluidische Bauelemente aufweisen, wie beispielsweise Düsen, Kanäle, Ventile, Wandungsstrukturen, Pumpen und andere. Die Mikrofluidik ist ein spezielles Fachgebiet der Fluidik und befasst sich mit dem Verhalten, der präzisen Steuerung und Manipulation von Flüssigkeiten auf engstem Raum und kleinster Volumina, typischerweise im Submillimeterbereich. In diesem Größenbereich spielen andere physikalische Gesetze eine Rolle als in der Makrofluidik . Je kleiner die Abmessungen, desto größer ist das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Kapillarkräfte und

Oberflächenladungen dominieren über die Gravitation und ermöglichen andere Flüssigkeitsantriebe. Außerdem

ermöglichen kleine Kanäle wirbelfreie Strömungen. Aufgrund dieser Vorteile unterstützen die mikrofluidischen

Bauelemente die dosierte Materialzufuhr und den Abtransport von Materialresten. Diese Effekte können in gleicher Weise für die Zu- und Ableitung sowohl von Druckmaterialien als auch von Immersionsmedien genutzt werden.

Die beschriebenen Ausgestaltungen der Vorrichtung, sind als komplexe Komponenten an eine bestehende Vorrichtung,

insbesondere als Druckkopf an eine Druckvorrichtung oder als Inspektionskopf an eine Inspektionsvorrichtung, adaptierbar, mit welchen vergleichbare Materialmengen verarbeitet werden, es aber keine Einschränkungen gegenüber dem bekannten Druck oder Inspektionsprozess gibt.

Eine solche Vorrichtung, welche die jeweils beschriebene Kopfeinheit aufweist, umfasst ergänzend eine

Haltevorrichtung, die ausgebildet ist zur Halterung der dreidimensionalen Struktur im Verlauf seiner Herstellung und/oder seiner Inspektion. Eine solche Haltevorrichtung ist regelmäßig eine Arbeitsplattform, die gegebenenfalls eine seitliche Begrenzung aufweisen kann.

Eine Positionierungsvorrichtung der Vorrichtung ist

ausgebildet zur Positionierung der optischen Einheit, der Materialausgänge, der Materialeingänge und der

Haltevorrichtung relativ zueinander. Dabei hängt es von verschiedenen Bedingungen ab, wie der herzustellenden bzw. zu inspizierenden Struktur, der Gestaltung der

Materialzufuhr und Materialableitung, der verwendeten Materialien und anderen, welche der Komponenten bewegt wird. Im Ergebnis ist es erforderlich, sowohl den Arbeitspunkt als auch die Orte der Materialzufuhr und Materialableitung

Schritt für Schritt mit der gewünschte Präzision und

Schrittlänge relativ zur Struktur neu zu positionieren. Die Positionierungsvorrichtung greift dazu auf die jeweils zu bewegenden Komponenten zu, welche die dafür möglichen

Bewegungsfreiheiten aufweisen. Sind Materialausgang bzw. Materialausgänge und Materialeingang bzw. Materialeingänge mit der Strahlungsquelle bzw. dem Objektiv derart verbunden, dass sie Teil einer Kopfeinheit sind, werden die Kopfeinheit und die Haltevorrichtung relativ zueinander positioniert.

Die zeitlich und räumliche exakte Positionierung, die

Steuerung der Emissionseinheit, einschließlich deren

Strahlungsquelle, bzw. der Inspektionseinheit sowie die Steuerung der Materialzufuhr und der Materialableitung werden mittels einer Steuereinheit ausgeführt. Zu diesem Zweck ist die Steuereinheit mit den betreffenden Komponenten der Vorrichtung kommunikativ verbunden.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Vorrichtungen so konzipiert sind, dass auch sehr kleine Materialvolumina verarbeitet werden können. Dadurch können die

Austauschzeiten für die Materialen extrem kurzgehalten werden. Der gleiche konstruktive Aufbau erlaubt es,

dynamisch die Konzentration von Materialien während deren Verarbeitung bzw. Verwendung zu variieren, Dabei kann die Vorrichtung auch ohne weiteres an verschiedenste Systeme adaptiert werden.

Die zuvor beschriebene Vorrichtung kann mit der

entsprechenden Ausführungsform für verschiedene Verfahren verwendet werden. Entsprechend einer ersten Verwendung einer zum Mehrphotonendruck ausgeführten Vorrichtung werden dreidimensionale Strukturen hergestellt, indem eine

Materialportion auf einem geeigneten Substrat erzeugt und deren Polymerisation mittels elektromagnetischer Strahlung initiiert wird. Durch vielmalige Wiederholung der Erzeugung eines solchen Strukturelements in der gewünschten

Relativposition zueinander entsteht die dreidimensionale Struktur .

Zur Ausführung des Druckverfahrens wird Druckmaterial, von dem zumindest das erste photovernetzbar ist, bereitgestellt, und jeweils eine Portion davon dem gewünschten Ort, d. h. ortsselektiv, zugeführt. Auf die so gebildete Druckportion wird die elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle fokussiert .

Erfindungsgemäß werden zumindest ein Druckmaterial,

bevorzugt zwei oder mehr Druckmaterialien zur Bildung einer Druckportion verwendet. Aufgrund der Photovernetzbarkeit des zumindest einen, d. h. des ersten Druckmaterials wird nach Fertigstellung der jeweiligen Druckportion diese mittels der Emissionseinheit ortsselektiv während eines

Strahlungsintervalls beleuchtet und infolgedessen in einem solchen Umfang verfestigt, dass ein Strukturelement

ausgebildet wird.

Eine solche Materialzufuhr schließt auch die Verwendung von zwei oder mehr photovernetzbaren Materialien in einer

Druckportion ein. Alternativ oder ergänzend kann ein

Druckmaterial ein weiteres photovernetzbares Druckmaterial sein, welches eine vom ersten Druckmaterial abweichende Photosensibilität aufweist. Alternativ kann das zweite Druckmaterial ein Stoff sein, welcher die physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise die optischen, elektrischen, magnetischen oder mechanischen Eigenschaften, oder die chemischen Eigenschaften, wie beispielsweise die Kompatibilität gegenüber anderen

Stoffen, beeinflusst. Solche Stoffe sind beispielsweise Füllstoffe oder Dotierungsmittel oder andere geeignete

Additive. Die Verwendung von photoaktivierbaren

Druckmaterialien, welche unter Beleuchtung ihre

Bindungseigenschaften ändern oder durch Photozersetzung als neue Druckmaterialien zur Verfügung stehen, bietet weitere Variationsmöglichkeiten in der Druckportion.

Auch die Zufuhr von Hilfsmitteln, wie Spülmittel,

Lösemittel, Haftvermittler oder anderen sind möglich und soll in den Begriff des Druckmaterials einbezogen sein.

Beispielsweise kann ein Lösemittel zugeführt werden, welches nicht vernetztes Material auswäscht, bevor neues oder anderes Material eingebracht wird. So können auch nicht mischbare Materialien miteinander kombiniert werden. Die Spülung mit einem die Haftung des aufbauenden Druckmaterials verbessernden Hilfsmaterials in einem Zwischenschritt ist ebenso möglich.

Nach Beendigung der Beleuchtung am jeweiligen

Portionierungspunkt wird dort verbliebenes,

nichtverfestigtes Material der Druckportion auf geeignete Weise abgeleitet, beispielsweise mittels Absaugen. Auf diese Weise kann am benachbarten nächsten Portionierungspunkt ein gewünschtes abweichendes Druckmaterial oder eine gewünschte abweichende Materialzusammensetzung der Druckportion

zugeführt werden. Indem entsprechend einer Ausgestaltung des Verfahrens gleichzeitig das verbliebene, alte, Material abgeleitet und neues Material dem benachbarten nächsten Portionierungspunkt zugeführt wird, kann die Wartezeit zwischen den

Strahlungsintervallen weiter verkürzt werden. Zudem

gestattet die gleichzeitige Materialzu- und Materialabfuhr, dass mittels des Verhältnisses zwischen Materialzufuhr und Materialableitung die Materialmenge des jeweiligen

Druckmaterials fließend variiert werden kann. Auch eine kontinuierliche Materialzufuhr ist möglich.

Die Verfahrensschritte von Materialzufuhr, Beleuchtung der Druckportion und Materialableitung werden an weiteren

Portionierungspunkten vielfach wiederholt, und so sukzessive die dreidimensionale Struktur aufgebaut. Die Abfolge der räumlichen Lage der Portionierungspunkte wird dabei durch eine geeignete Steuereinheit vorgegeben, beispielsweise durch einen CAD-Datensatz , und der beschriebene

Verfahrensschritt an jedem Portionierungspunkt mit der jeweils gewünschten Materialzusammensetzung ausgeführt. Die jeweils benötigte Materialzusammensetzung kann durch eine oder mehrere der folgenden Änderungen zur jeweils vorherigen Zusammensetzung erzielt werden:

- Verwendung eines ersten Druckmateriales, welches sich vom vorherigen unterscheidet;

- Verwendung eines oder mehrerer weiterer

Druckmaterialien, welche photovernetzbar sind;

- Verwendung eines oder mehrerer weiterer

Druckmaterialien, welche nicht photovernetzbar sind;

- Änderung der Anteile (Volumen- oder Gewichtsprozent) von einem oder mehr in das Strukturelement eingehenden Druckmaterialien in der Mischung der Druckportion, wobei die Gesamtmenge der Mischung der Druckportion erhalten oder geändert werden kann;

- Ergänzung eines weiteren photovernetzbaren

Druckmaterials unter Änderung oder Erhaltung des

Anteils (Volumen- oder Gewichtsprozent) des zweiten Druckmaterials zur Gesamtmenge der Mischung der

Druckportion . Weitere Varianten zur Zusammensetzung der Druckportionen sind möglich. Von Vorteil ist beispielsweise, dass ohne Materialaustausch sondern allein durch dynamische Variation der Konzentration von Füllstoffen innerhalb der

Materialzusammensetzung Eigenschaften wie optischer

Brechungsindex, Magnetisierungsstärke, Farbgebung,

Fluoreszenz, Schrumpf- und Quellverhalten etc. variiert werden können. Auch Gradienten, d. h. eine gleichmäßige oder nahezu gleichmäßige, auch schrittweise Änderung einer

Eigenschaft, sind in der Struktur herstellbar. Sofern die Änderung der Materialzusammensetzung auch eine Änderung der Strahlungsparameter erfordert, wird diese augenscheinlich am betreffenden Portionierungspunkt

adaptiert .

Entsprechend der oben dargelegten verschiedenen

Verwendbarkeit der am jeweiligen Portionierungspunkt

zugeführten Druckmaterialien ist es augenscheinlich, dass insbesondere die Verfahrensschritte der Materialzufuhr, Materialableitung und Beleuchtung in verschiedener

Reihenfolge erfolgen kann. Auch Zwischenschritte, in welcher beispielsweise keine Beleuchtung erfolgt, wie bei einer ortsselektiven Spülung oder anderem, sind möglich.

Von Vorteil erweist es sich bei dem punktweisen Aufbau der dreidimensionalen Struktur unter Verwendung der

beschriebenen Druckmaterialien und mittels ortsselektiver Materialzufuhr, ortsselektiver Materialableitung und

ortsselektiver Beleuchtung, dass das Druckobjekt während seiner Herstellung nicht vorzeitig austrocknet und somit ein Strukturkollaps durch Kapillarkräfte vermieden werden kann. Die hohe Strukturintegrität in jedem Zwischenschritt

gestattet es zudem, dass Elemente aus einem neuen Material in die bestehende Matrix aus einem ersten Material eingebaut werden können, wenn diese offenporig genug ist, um die einzubringenden Druckmaterialien aufzunehmen. Besteht die Matrix aus einem photosensiblen Material, kann das neue Material eine abweichende Photosensibilität aufweisen. Die bestehende Matrix ist in einem solchen Fall transparent für die Strahlung zur Vernetzung des neuen Materials, so dass dessen Vernetzung auch innerhalb der bestehenden Matrix erfolgen kann.

Die beschriebene Materialzufuhr, Materialableitung und

Beleuchtung gestattet eine Ausgestaltung des Verfahrens als Immersionsverfahren, bei welchem der Strahlungsausgang der Emissionseinheit während der Beleuchtung mit der

Druckportion in physischem Kontakt steht. Ein

Immersionsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest jene Oberfläche des Objektivs, durch welche

Strahlung ein- oder austritt in ein flüssiges oder pastöses Immersionsmedium soweit eintaucht, dass dieses den Raum zwischen Objektiv und Fokuspunkt ausfüllt. Durch den relativ zu Luft höheren Wert des Brechungsindexes des

Immersionsmediums, kann eine höhere numerisch Apertur und eine höhere Auflösung des Objektivs der Emissionseinheit erzielt werden. Zu diesem Zweck taucht der Strahlungsausgang der Emissionseinheit soweit in die flüssige oder pastöse Druckportion, die damit als Immersionsmedium dient, ein, dass die der Druckportion zugewandte Oberfläche der Optik mit der Materialportion in physischem Kontakt gebracht wird, d.h. vom Material der Druckportion bedeckt ist.

Entsprechend einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die dreidimensionale Struktur schichtenweise aufgebaut, wobei eine Schicht aus einer Vielzahl von Strukturelementen aufgebaut wird. Aufgrund des zuvor beschriebenen

Zusammenwirkens von ortsselektiver Materialzufuhr und ortsselektiver Materialableitung, kann eine Änderung der Zusammensetzung von Druckportionen sowohl innerhalb einer Schicht als auch von Schicht zu Schicht erfolgen. Somit können dreidimensionale Strukturen mit lokal frei wählbarer Materialzusammensetzung erzielt werden.

Verfahrensseitig ist es ebenfalls möglich, dass zumindest eine Gruppe von Strukturelementen, d. h. ein

zusammenhängender Bereich innerhalb der dreidimensionalen Struktur, gebildet wird, indem als erstes Druckmaterial zumindest ein Monomer und als zweiter Druckmaterial ein Vernetzer verwendet und gedruckt werden, optional mit einer Variation der Konzentration des Vernetzers. Ein solcher Bereich kann als Opferschicht fungieren, beispielsweise als Stütz- oder Füllbereich, der später wieder aufgelöst werden kann .

Die mit dem beschriebenen Verfahren in den genannten Ausgestaltungen herstellbare dreidimensionale Struktur weist eine Variation in der Materialzusammensetzung und/oder in den Materialeigenschaft innerhalb der Struktur auf, die sich in einer horizontalen, entsprechend dem im dreidimensionalen Raum üblicherweise verwendeten Koordinatensystem der X-Y- Ebene, und/oder in der senkrecht dazu stehenden Richtung, der Z-Richtung, d. h. innerhalb der Struktur - theoretisch betrachtet - beliebig erstrecken kann. Auch eine Variation einer oder mehrerer Materialeigenschaften innerhalb der dreidimensionalen Struktur in Form von Gradienten ist möglich .

Die minimalen Wartezeiten während der Materialableitung erlauben es, das Material zu wechseln und gleichzeitig, insbesondere in der Variante des Immersionsverfahrens periodische Unterstrukturen mit höchster Ortsauflösung unterhalb von 500 nm, bevorzugt kleiner als 300 nm, weiter bevorzugt kleiner als 200 nm, selbst von kleiner als 100 nm zu realisieren. Es können Unterstrukturen im

Submikrometerbereich gedruckt werden, die aus verschiedenen Materialien bestehen. Der repetitive Charakter dieser

Unterstrukturen wird durch einen ständigen Wechsel des Druckmaterials unterstützt. Zusätzlich können Gradienten strukturen ausgebildet werden. In denen kann beispielsweise ein bestimmter Füllstoff möglichst dynamisch und

kontinuierlich variiert werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind aufgrund der

Variabilität hinsichtlich des Drucks als auch der

kombinierbaren Materialien verschiedene Bauelemente

herstellbar. So sind beispielsweise Linsenstapel druckbar, die aus mehreren, optisch verschiedenen Materialien bestehen, oder Linsen, deren Brechungsindex innerhalb der Linse variiert. Das Verfahren ist auch zum Druck mechanisch aktiver Strukturen, wie beispielsweise mikromechanischer Bauelemente einsetzbar, deren Komponenten auch aus

unterschiedlichen Materialien bestehen können.

Das beschriebene Prinzip des Druckverfahrens mittels ortsselektiver Materialzufuhr und Materialabfuhr bei fokussierter Beleuchtung lässt sich auch auf das

Inspektionsverfahren anwenden. Bei diesem wird ein

geeignetes Inspektionsmedium mittels einer Materialzufuhr am Arbeitspunkt, der in diesem Fall der Inspektionspunkt ist, portioniert. Die Portionierung erfolgt in dem Umfang, dass die dem Objekt zugewandte Oberfläche des Objektivs mit dem Inspektionsmedium, welches in dieser Ausführung als

Immersionsmedium bezeichnet wird, in physischem Kontakt steht, d. h. aufgrund der Fokussierung des Objektivs auf den gewünschten Inspektionspunkt und der damit verbundenen

Einstellung des Abstandes zwischen Objektiv und

Inspektionspunkt in das Immersionsmedium eintaucht, wie oben zum Immersionsdruckverfahren beschrieben. Zum Austausch des Immersionsmediums oder nach Beendigung der Inspektion kann das Immersionsmedium mittels einer ortsselektiven

Materialableitung entfernt werden.

Auch hier ist eine gute Anpassung der Eigenschaften des Immersionsmediums an die Anforderungen der Inspektion aufgrund der Variation der verwendeten Materialien, wie oben zum Druckverfahren beschrieben, möglich. Auch eine

Kombination beider Verfahren kann erfolgen, wenn die

Emissionseinheit temporär durch eine Inspektionseinheit ersetzt wird und anstelle oder ergänzend zur Druckportion eine Portion eines auf das Objektiv der Inspektionseinheit abgestimmten Immersionsmediums zugeführt wird. Es ist auch möglich, dass die Druckmaterialien an sich mit dem

Immersionsobjektiv kompatibel sind. Auch die Verwendung eines bekannten Immersionsmediums, wie beispielsweise einem Immersionsöl, ist möglich. Die

Fokussierung kann durch ein transparentes Substrat hindurch in das, gegebenenfalls wechselbare, Immersionsmedium

erfolgen . Die oben beschriebene zeitliche Varianz des

Inspektionsmediums ist auch für das Immersionsverfahren anwendbar, so dass die optimale Darstellung einer sich mit der Zeit ändernden Struktur erfolgen kann. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausgestaltungen der Vorrichtung näher erläutert. Zu diesem Zweck zeigt

Fig. 1 eine Druckvorrichtung mit einem Druckkopf,

Fig. 2 eine Inspektionsvorrichtung mit einem

Inspektionskopf, und

Fig. 3 ein Objektiv, welches eine Aus führungs form von

Positionierungshilfen für das Material aufweist.

Die Figuren zeigen die Vorrichtungen nur schematisch in dem Umfang, wie es zur Erläuterung der Erfindung erforderlich ist. Sie erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder Maßstäblichkeit . Die Druckvorrichtung gemäß Fig. 1 umfasst eine

Emissionseinheit 1 mit einer Strahlungsquelle 2 und einem Strahlungsausgang 3. Als Strahlungsquelle wird ein Laser verwendet. Der Strahlungsausgang 3 liegt einer

Arbeitsplattform 4 gegenüber, auf welcher ein Trägersubstrat 5 zur Aufnahme der dreidimensionalen Struktur (nicht

dargestellt) angeordnet ist. Der Fokuspunkt der

Emissionseinheit 6, der gleichzeitig auch Arbeits- und

Portionierungspunkt ist, liegt zwischen dem

Strahlungsausgang 3 und dem Trägersubstrat 5 oder der dreidimensionalen Struktur mit deren fortschreitendem

Aufbau .

Am Strahlungsausgang 3 der Strahlungsquelle 2 sind mittels geeigneter Haltemittel 7 zwei Materialausgänge 8 einer

Materialzufuhr 9 und ein Materialeingang 10 einer

Materialableitung 11 montiert. Materialausgänge 8 und

Materialeingang 10 sind als mikrofluidische Düsen

ausgebildet. Sie realisieren die Zufuhr des ersten

Druckmateriales 12.1 und des zweiten Druckmateriales 12.2 Die Haltemittel 7 gestatten eine Montage und Demontage der Düsen sowie die Montage weiterer Düsen für weitere

Druckmaterialien und/oder einen weiteren Materialeingang 10. Die beiden Druckmaterialien 12.1, 12.2 sind in jeweils einem Reservoir 13.1, 13.2 vorgehalten und mit den Düsen mittels mikrofluidischer Kanäle 14 verbunden.

Die Gestaltung der Emissionseinheit 1 mit Strahlungsquelle 2 und der Montage der Materialausgänge 8 und des

Materialeingangs 10 am Strahlungsausgang 3 bewirkt, dass diese Komponenten gemeinsam einen Druckkopf 18 bilden, welcher an bestehenden Drucksystemen zum Einsatz kommen kann .

Die Abgabe der beiden Druckmaterialien 12.1, 12.2 auf das Trägersubstrat 5 bewirkt die Mischung und die Ausbildung einer Druckportion 15. Die Druckportion 15 ist so groß und so positioniert, dass der Strahlungsausgang 3 der

Strahlungsquelle 2 mit der Druckportion 15 in physischem Kontakt steht, im Ausführungsbeispiel innerhalb der

Druckportion 15 liegt.

Eine Steuereinheit 16 der Druckvorrichtung steuert die

Emissionseinheit 1, die Materialzufuhr 9 und die

Materialableitung 11 sowie eine Positionierungsvorrichtung 17. Letztere führt die Bewegungen der Strahlungsquelle 2 relativ zur Arbeitsplattform 4 aus, indem die

Emissionseinheit 1 bewegt wird.

Zur Ausführung des Verfahrens wird der Druckkopf 18 dem Trägersubstrat 4 gegenüber liegend positioniert und in dieser Position eine Druckportion 15 auf das Trägersubstrat 5 abgegeben. In der Druckportion 15 wird mittels eines fokussierten Laserstrahls 19 eine Polymerisation initiiert und infolge dessen ein Strukturelement (nicht dargestellt) gebildet. Anschließend wird der Druckkopf 18 in eine

benachbarte Position gefahren und ein zweites

Strukturelement gebildet, welches mit dem ersten verbunden sein kann oder in nachfolgenden Schritten verbunden wird. Dieser Vorgang wird zunächst zur Ausbildung einer ersten Schicht der dreidimensionalen Struktur wiederholt ausgeführt und nachfolgend wird auf die gleiche Weise jede weitere Schicht der dreidimensionalen Struktur hergestellt.

Die Inspektionsvorrichtung gemäß Fig. 2 weist einen

vergleichbaren Aufbau auf. Dabei ist die Emissionseinheit durch eine Beobachtungseinheit 1, der Strahlungsausgang durch ein Objektiv 3 der Beobachtungseinheit 1, zumindest ein Druckmaterial durch ein Immersionsmedium 12, welches in einem Reservoir 13 vorgehalten wird, die Druckportion durch eine Portion 15 des Immersionsmediums und die

Druckkopfeinheit durch eine Immersionskopfeinheit 18

ersetzt. Der Inspektionspunkt 6 einer Inspektionsvorrichtung liegt im Unterschied zum Fokuspunkt der Druckvorrichtung auf der Oberfläche der dreidimensionalen Struktur 5. Anstelle der Druckportion wird für das Inspektionsverfahren eine Portion des Immersionsmediums 12 auf dem Trägersubstrat erzeugt, so dass das Immersionsmedium 12 den Zwischenraum zwischen dem Objektiv 3 und Trägersubstrat 5 ausfüllt. Im Übrigen wird auf die Darlegungen zu Fig. 1 verwiesen.

Fig. 3 zeigt ein Objektiv 3 mit Blick auf dessen Unterseite 19, die in Anwendung dem Trägersubstrat (nicht dargestellt) zugewandt ist. Auf der Unterseite 19 ist eine Adapterplatte 20 angeordnet, die ein zentrales optisches Fenster 25 in Form eines runden Durchgangs aufweist. Das optische Fenster 25 liegt in der Mitte eines, mikrofluidischen,

beispielsweise vollständig offenen Kanals 21, welcher zentral über die Adapterplatte 20 verläuft und als

Positionierungshilfe fungiert. Die Breite des Kanals 21 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel größer als der

Durchmesser des optischen Fensters 25. Alternativ ist es möglich, dass das optische Fenster größer ist, als der Kanal breit, wobei ein vollständiges Füllen des optischen Fensters nicht erforderlich ist.

Die Zuleitung des Materials zum optischen Fenster erfolgt an einem Ende des Kanals 21, zur Unterscheidung als Zustrom 23 bezeichnet, mittels der Materialzufuhr (nicht dargestellt) , indem das Material in den Kanal 21 eingebracht wird. Eine Portion eines flüssigen oder pastösen Materials (nicht dargestellt) fließt in Flussrichtung 22 in den Kanal 21 und füllt aufgrund vordefinierter, ausreichender Portionsgröße das optische Fenster 25 zumindest in solchem Umfang, dass das Material in physischem Kontakt zum Trägersubstrat steht. Nach Abschluss des jeweiligen Verfahrensschritts wird das Material mittels einer Materialableitung (nicht dargestellt) am anderen Ende des Kanals 21, als Abfluss 24 bezeichnet, aus dem Kanal 21 abgesaugt und kann nachfolgend durch ein anderes Material ersetzt werden. Eine solche Adapterplatte 20 ist sowohl für eine

Druckvorrichtung (nicht dargestellt) als auch für eine

Inspektionsvorrichtung (nicht dargestellt) verwendbar.

Dementsprechend kann das Material ein Druckmaterial oder ein Immersionsmaterial sein. In der Anwendung liegt die

Adapterplatte 20 dem Trägersubstrat 5 (nicht dargestellt) gegenüber und die Materialportion weist eine solche Größe auf und ist mittels des Kanals 21 in eine solche Position geleitet, dass der Zwischenraum zwischen dem Trägersubstrat 5 und dem Objektiv 3 im Bereich des optischen Fensters 25 vollständig ausgefüllt ist.

Vorrichtung zur Behandlung oder Inspektion eines Materials,

Verwendung der Vorrichtung

Bezugszeichenliste

1 Emissionseinheit ; Beobachtungseinheit

2 Strahlungsquelle

3 Strahlungsausgang, Objektiv

4 Arbeitsplatt form

5 dreidimensionale Struktur

6 Fokuspunkt, Portionierungspunkt ,

Inspektionspunkt

7 Haltemittel

8 Materialausgang

9 Material zufuhr

10 Materialeingang

11 Materialableitung

12 , 12.1, 12.2 Druckmaterialien, Inspektionsmedium

13 , 13.1, 13.2 Reservoir

14 Kanäle

15 Druckportion, Portion des Inspektionsmediums

16 Steuereinheit

17 Pos itionierungsVorrichtung

18 Druckkopfeinheit, Immersionskopfeinheit

19 Unterseite

20 Adapterplatte

21 Kanal

22 Flussrichtung

23 Zustrom

24 Abfluss

25 optisches Fenster

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Behandlung eines an einem Arbeitspunkt der Vorrichtung platzierten Materials mittels

elektromagnetischer Strahlung oder zur Beobachtung eines solchen Materials, folgende Komponenten umfassend:

- eine Materialzufuhr (9) mit zumindest einem

Materialausgang (8), ausgebildet zur ortsselektiven, dosierbaren Zufuhr eines flüssigen oder pastösen

Materials (12) zum Arbeitspunkt (6) zur Ausbildung einer Materialportion auf einem Substrat;

- eine Materialableitung (11) mit zumindest einem

Materialeingang (10), ausgebildet zur ortsselektiven Ableitung von flüssigem und/oder pastösem Material (12) vom Arbeitspunkt (6),

- wobei die Materialzufuhr (9) mit einem ersten Reservoir (13.1) des ersten Material (12.1) in Verbindung steht,

- eine optische Einheit, welche Mittel zur Erzeugung und Aussendung elektromagnetischer Strahlung zum

Arbeitspunkt sowie Mittel zu deren Ausrichtung und Fokussierung auf den Arbeitspunkt (6) aufweist und/oder Mittel zum Empfang elektromagnetischer Strahlung vom Arbeitspunkt (6) sowie Mittel zu deren Ausrichtung und Fokussierung, wobei die Mittel zur Ausrichtung und

Fokussierung der gesendeten und ebenso der empfangenen Strahlung hier jeweils als Objektiv bezeichnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Objektiv (3) ausgebildet ist, um mit solch einem Abstand zum Arbeitspunkt (6) positionierbar zu sein, dass der dem Arbeitspunkt (6) zugewandte Strahlungsausgang oder Strahlungseingang des Objektivs (3) in physischem Kontakt mit der Materialportion (12) steht.

3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Materialzufuhr einen zweiten Materialausgang aufweist zur ortsselektiven, dosierbaren Zufuhr eines zweiten flüssigen oder pastösen Materials (12) zum

Arbeitspunkt (6) zur Ausbildung einer Materialportion und wobei die Materialzufuhr (9) mit einem zweiten Reservoir (13.2) des zweiten Materials in Verbindung steht,

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die dem Arbeitspunkt (6) zugewandten Unterseite des

Objektivs (3) eine Positionierungshilfe zur Positionierung des flüssigen oder pastösen Materials zwischen dem Objektiv und dem Substrat aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Materialzufuhr (9) und die Materialableitung (11) mikrofluidische Bauelemente aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, folgende weitere Komponenten umfassend:

- eine Haltevorrichtung, ausgebildet zur Halterung des Substrats (5) und des Objekts (3) relativ zueinander;

- eine Positionierungsvorrichtung, ausgebildet zur

Positionierung des Objektivs (3), zumindest eines der Materialausgänge (8), des Materialeingangs (10) und der Haltervorrichtung relativ zueinander;

- eine Steuereinheit (18), welche ausgebildet ist zur

Steuerung der optischen Einheit (1), der Materialzufuhr (9), der Materialableitung (11) und der

Positionierungsvorrichtung und welche mit diesen

Komponenten kommunikativ verbunden ist.

7. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der

vorstehenden Ansprüche zur additiven Herstellung

dreidimensionaler Strukturen (5), wobei die Emissionseinheit (1) ausgebildet ist für die ortsselektive, fokussierte

Beleuchtung von photovernetzbarem Druckmaterial (12) im Verlauf einer Aufeinanderfolge von Strahlungsintervallen, das Verfahren umfasst folgende Schritte: - Bereitstellung zumindest eines ersten Druckmaterials

(12), welches photovernetzbar ist;

- ortsselektive Zufuhr zumindest einer Portion des ersten Druckmaterials (12) zum Arbeitspunkt, welcher durch den Fokuspunkt (6) der Strahlungsquelle (2) bestimmt und nachfolgend auch als Portionierungspunkt (6) bezeichnet ist, mittels der Materialzufuhr (9), unter Erzeugung einer Druckportion (15) am Portionierungspunkt (6), welche zumindest das erste Druckmaterial (12) umfasst;

- ortsselektive Beleuchtung der am Portionierungspunkt (6) erzeugten Druckportion (15) während eines

Strahlungsintervalls derart, dass in der Druckportion (15) Mehrphotonenprozesse bewirkt werden und

infolgedessen ein Strukturelement gebildet wird, welches zumindest das erste Druckmaterial (12) umfasst; - ortsselektive Ableitung von Anteilen des Druckmaterials (12) vom Portionierungspunkt (6);

- vielmalige Wiederholung der Erzeugung einer

Druckportion (15) und deren Beleuchtung in einer

Aufeinanderfolge von weiteren Portionierungspunkten (6) unter Erzeugung einer aus einer Vielzahl von

Strukturelementen bestehenden dreidimensionalen

Struktur ( 5 ) ,

- wobei die Ableitung von Druckmaterial (12) nacheinander an jedem einzelnen Portionierungspunkt und/oder

gleichzeitig an mehreren Portionierungspunkten (6) der dreidimensionalen Struktur (5) erfolgt.

8. Mehrphotonendruckverfahren nach Anspruch 7, wobei an zumindest einem Portionierungspunkt (6) zumindest eine

Portion eines weiteren Druckmaterials (12) zum

Portionierungspunkt (6) ortsselektiv zugeführt und/oder zumindest eines der am vorangegangenen Portionierungspunkt (6) verwendeten Druckmaterialien (12) durch ein anderes Druckmaterial (12) ersetzt wird.

9. Mehrphotonendruckverfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei der dem Arbeitspunkt (6) zugewandte

Strahlungsausgang oder Strahlungseingang des Objektivs (3) während der Bestrahlung oder einer Inspektion des

Arbeitspunktes mit der Materialportion (12) in physischem Kontakt gebracht wird.

10. Mehrphotonendruckverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei Druckportionen (15) innerhalb einer bestehenden Matrix ausgebildet werden, welche aus einem offenporigen und einem für die zur Beleuchtung verwendeten Wellenlängen transparenten Material besteht.

11. Mehrphotonendruckverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Materialableitung (11) und die Zufuhr von neuem Druckmaterial (12) gleichzeitig erfolgen.

12. Mehrphotonendruckverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die dreidimensionale Struktur (5) aus

Unterstrukturen, insbesondere mit einer periodischen

Wiederholung von Unterstrukturen, aufgebaut wird, und die Größe einer Unterstruktur kleiner ist als 500 nm, bevorzugt kleiner als 300 nm, weiter bevorzugt kleiner als 200 nm, weiter bevorzugt kleiner als lOOnm.

13. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Inspektion eines mikroskopischen Objekts, das Verfahren umfasst folgende Schritte:

- Bereitstellung zumindest eines Immersionsmediums (12),

- ortsselektive Zufuhr einer Portion des

Immersionsmediums (12) zu einem Inspektionspunkt (6) am Objekt mittels zumindest eines Materialausgangs (8) der Materialzufuhr (9);

- Einstellung eines Abstands zwischen Objektiv (3) und Inspektionspunkt (6) derart, dass die dem Objekt zugewandte Oberfläche des Objektivs (3) mit dem

Immersionsmedium (12) in physischem Kontakt steht; - Fokussierung der Beobachtungseinheit (1) auf den

Inspektionspunkt (6) und

- ortsselektive Ableitung zumindest von Anteilen des

Immersionsmediums (12) .

14. Verfahren zur Inspektion eines Objekts nach Anspruch

13, wobei an diesem oder an zumindest einem weiteren

Inspektionspunkt (6) das Immersionsmedium (12) modifiziert wird, indem es zumindest teilweise durch ein anderes Immersionsmedium (12) ersetzt wird.

15. Verfahren zur Inspektion eines Objekts nach Anspruch

14, wobei die Modifizierung des Immersionsmediums anhand einer Änderung des Objekts erfolgt, welche im Verlauf der Inspektion ermittelt wird.