JP2019524487A - リソグラフィに基づいて三次元構成要素を生成的に製造するための方法 - Google Patents

Abstract

リソグラフィに基づいて三次元構成要素を生成的に製造するための方法において、電磁放射の効果の下で固化されることができる材料（２）がタンクに配置され、構築プラットフォーム（４）がタンクの底部（１）から距離を置いて位置決めされ、構築プラットフォーム（４）とタンクの底部（１）との間に位置付けられた材料（２）が、照射ユニットを用いて選択された位置において照射され、電磁放射が、少なくとも特定の領域において放射に対して透過性であるタンクの底部（１）を通って下から材料（２）に導入され、続いて材料（２）内の焦点（５）に集束され、それによって、焦点（５）にそれぞれ位置付けられた材料（２）の体積要素が固化される。固化は多光子吸収によって起こり、焦点（５）の体積は方法の間に少なくとも１回変動して、構成要素（３）は異なる体積の固化された体積要素から構築される。

Description

本発明は、リソグラフィに基づいて三次元構成要素を生成的に製造するための方法であって、電磁放射の露光によって固化可能な材料がタンクに存在し、構造プラットフォームがタンクの底部から距離を置いて位置決めされ、構造プラットフォームとタンクの底部との間に存在する材料が、放射ユニットによって位置選択的に放射され、電磁放射が、少なくとも特定の領域において放射に対して透過性であるタンクの底部を通って下から材料に導入され、続いて材料内の焦点に集束され、それによって、焦点にそれぞれ存在する材料の体積要素が固化され、固化は多光子吸収によってもたらされる、方法に関する。

本発明は更に、特にこのような方法を実行することに適する、リソグラフィに基づいて三次元構成要素を生成的に製造するための装置に関する。

従来では、リソグラフィに基づく生成的な製造（Ｌ−ＧＦ、例えば、ステレオリソグラフィ）は、主にプロトタイプ及び機能的パターンを製造するために使用されてきた。技術的進歩は、実際の製造用途（例えば、透明な歯列矯正具、補聴器用カップ）にますます焦点を合わせている。このような開発の過程において、可能な限り大きい部品の製造を可能にすることがますます重要になってきている。達成可能な処理量がまた非常に興味深い。他の生成的な方法とは異なり、リソグラフィに基づく技術（例えば、ステレオリソグラフィ）は、何よりも、解像度、精度、及び表面品質に関して利点を提供する。

現在利用可能なＬ−ＧＦ法においては、露光が、特許文献１で説明されるように感光性材料で充填されたタンクに上から、又は特許文献２を参照して感光性材料の薄層を含有する透明タンクを通って下から起こる。上記による露光は２つの困難を伴う。（１）構成要素全体が感光性材料に完全に浸漬されなければならないので、大きい構成要素には大量の材料が要求される。（２）良好な表面を得るために、感光性材料の非常に薄い層が塗布されなければならず、それは５０μｍ未満の層厚では非常に困難である。

下からの露光はまた困難を伴う。この場合、液体感光性材料が透明タンクと構造プラットフォームとの間に存在し、それは層ごとに上方に移動する。タンクの付着防止被膜にもかかわらず、構成要素は、構築手順中にタンクに付着し、それは望ましくない。この結果、構造プラットフォームを持ち上げる場合に、高い抜去力が生じ得、それは、特に大きい構成部品を製造する場合に問題を引き起こす。しかし、このような付着を減少させるために、酸素の導入によってタンクと構成要素との間に阻止層が生成される２つの新しい取り組み（例えば、特許文献３）がある。しかし、これは、連続的に流れる材料が非常に薄い間隙に流れ込まなければならないという問題を伴い、それは、より厚い壁の構成要素又は非常に粘性のある材料に関しては問題である。

上記の方法の全ては、解像度の増加と共に構築時間が非常に急速に増加するという問題を加えて伴う。

特許文献４は、液体感光性材料の固化が多光子吸収によってもたらされる方法を提案する。この目的のために、集束レーザビームが感光性材料浴に向けられ、固化を引き起こす多光子吸収プロセスのための放射条件は、浴容積内で、ビームの焦点が製造される成形物の幾何学的データの関数として固化される点に向けられるように、焦点の直近の環境においてのみ満たされる。特許文献４による方法における材料浴の放射は上から行われ、浴材料の直接重合を浴体積内、すなわち浴表面のはるか下でさえも位置選択的に可能にするために、使用される放射のための液体が焦点の上で実質的に透明であるように、放射強度は選択される。

しかし、使用される光学結像系の光軸に沿った焦点の位置の変化は、最適に適合されていない屈折率の場合には、光路において材料の部分が増加すると結像誤差の増加をもたらす。これは、非常に微細な構造が製造され、それ故に高解像度の結像系が要求されるプロセスにおいて特に不利である。光学結像系のこのような高解像度を保証するためには、感光性材料の屈折率が光学結像系に適合されなければならず、又はその逆でなければならない。そうでない場合、又は例えば含水量の変化にために、材料が構築プロセス中にその性質を変化させる場合、構築された構造の達成可能な解像度は減少する。

従って、ナノメートル範囲の高解像度での多光子吸収構造化のために、光学結像系のレンズが感光性材料に浸漬される方法が、特許文献５に提案される。これは、より高い構成要素の高さを高解像度で実現することを可能にするが、光学結像ユニットは感光性樹脂と常に接触し、それは、例えば迷光又は周囲光によって、望ましくない材料変換にために、光学素子の損傷を引き起こし得る。

特許文献６においては、感光性材料の固化がまた多光子吸収によって起こり、浴の露光が材料タンクの透明な底部を介して下からもたらされる方法が説明される。集束が、タンクの底部から固定距離に位置付けられた焦点において行われ、構造プラットフォームが、高さの高い構成要素の製造を可能にするように、進行している作業経過中に浴から垂直方向に抜き出される。

特許文献７は、多光子吸収構造化のために焦点体積を変化させるためのユニットを説明し、それは、焦点体積を適合させるための結像系の上流の種々の回折光学素子の使用に基づく。光学結像系の直ぐ上流の回折光学素子の配置は、簡単な方法で既存の系の性能を高める選択肢を提供するが、追加の素子によって拡大することは、結局は困難である。特に、偏向系の静止位置からの偏移の場合にはビームが最適な角度で回折光学素子に衝突しないたので、この配置は偏向ユニット又は同等の要素と組み合わせることができず、この結果、回折効率を減少させる。

特許文献８のような多光子吸収構造化の分野における以前の方法の大部分は、非常に高解像度で構造を書き込むことを目的とする。主に顕微鏡使用による高解像度光学結像系によって、５０ｎｍまでの最小構造サイズが達成される。高解像度は小さい焦点体積を必要とし、それは、高倍率及び高アパーチャ数を有する光学結像系を使用することによって達成される。高アパーチャ数はまた、ほぼ球形の焦点体積（典型的には１×１×１μｍ^３より小さい）の達成を可能にする。しかし、小さい焦点体積のために、例えば１ｍｍ^３の体積に対して合計１０^９を超える点が露光されなければならないので、このような設備の処理量は非常に小さい。これは非常に長い構築時間をもたらし、これが多光子吸収法の産業上の利用の縮小の主な理由である。

国際公開第９３／０８５０６号 国際公開第０１／４０８６６号 米国特許出願公開第２０１４／３６１４６３号明細書 独国特許出願公開第１０１１１４２２号明細書 独国特許出願公開第１０２０１１０１２４８４号明細書 欧州特許出願公開第２９０５１２１号明細書 国際公開第２０１５／１９７７９４号 欧州特許出願公開第２９０５１２１号明細書

Zipfel et al, "Nonlinear magic: multiphoton microscopy in the biosciences", NATURE BIOTECHNOLOGY VOLUME 21 NUMBER 11, NOVEMBER 2003.

従って、本発明は、高構造分解能の選択肢を失うことなく構成要素の処理量が増加するという効果のために、最初に画定された種類の方法及び装置を改善することを目的とする。

この目的を解決するために、最初に画定された種類の方法における本発明は、構成要素が種々の体積の固化体積要素から構築されるように、焦点の体積が方法の間に少なくとも１回変動することからなる。可変の焦点の体積のために、（小さい焦点体積において）高解像度が可能である。同時に、（大きい焦点体積において）高書き込み速度（ｍｍ^３／ｈで測定される）が達成可能である。この結果、本発明は、高分解能及び高処理量を兼ね備える。焦点体積の変動は、例えば、構築される構成要素の内部においては、処理量を増加させるために大きい焦点体積が使用され、構成要素の表面においては、高解像度で構成要素の表面を形成するためにより小さい焦点体積が適用されるという点で利用されることができる。焦点の拡大は、露光プロセス中に固化される材料の体積が増加するので、より高い構造化処理量を可能にする。高処理量で高解像度を維持するために、より微細の構造体及び表面のために小さい焦点体積が使用されることができ、より粗い構造体及び／又は充填内部空間のためにより大きい焦点体積が使用されることができる。

好ましい動作モードにおいては、構成要素の製造中の最大焦点体積が１μｍ^３より大きく、好ましくは１００μｍ^３より大きく、特に１０，０００μｍ^３より大きくなるように焦点体積の変動がもたらされる。

本発明との関係において、多光子吸収の原理は、感光性材料浴において光化学プロセスを開始するために利用される。光化学反応の結果として、少なくとも１つの他の状態への材料の変化が生じ、典型的には光重合が起こる。この場合の露光は、電磁放射に対して透明なタンクの底部を通って下から行われる。多光子吸収の原理は、該光化学プロセスが該多光子吸収に充分な光子密度が利用可能である光路のそれらの領域においてのみ起きるという事実に基づく。最も高い光子密度は光学結像系の焦点に生じて、多光子吸収は、ほぼ確実に焦点に生じる。焦点を超えると光子密度はより小さくなって、焦点を超える多光子吸収の確率は、光化学反応による材料の不可逆的変化を生じるには低すぎる。使用される波長においては、電磁放射はほとんど妨げられずに材料を通過することができ、感光性材料と電磁放射との間の相互作用は焦点においてのみ生じる。多光子吸収の原理は、例えば、非特許文献１において説明される。

コリメートレーザビームが好ましくは電磁放射源として使用されてもよい。レーザは１つ又は幾つかの固定又は可変波長を発することができる。それは、特に、連続レーザ、又はナノ秒、ピコ秒、若しくはフェムト秒の範囲のパルス長を有するパルスレーザである。パルスフェムト秒レーザには、多光子吸収に対して要求する平均パワーが小さいという利点がある。

感光性材料による、構築条件下での任意の材料流体が理解され、それは焦点体積における多光子吸収によって（例えば重合によって）第２の状態に変換される。材料の変化は、焦点体積及びその直接の環境に限定されなければならない。物質特性の変化は永続的であることができ、例えば、液体から固体状態への変化からなることができるが、一時的だけであってもよい。因みに、永続的な変更でさえ可逆的又は不可逆的であってもよい。材料特性の変化は、必ずしも一方の状態から他方の状態へ完全に生じる必要はなく、また両方の状態の混合形態として存在してもよい。

電磁放射のパワー及び露光時間は製造される構成要素の品質に影響を与える。放射パワー及び／又は露光時間を適合させることによって、焦点の体積は狭い範囲内で変動することができる。放射パワーが高すぎる場合には、追加のプロセスが生じ、それは構成要素への損傷の原因となり得る。放射パワーが小さすぎる場合には、材料特性に永続的な変化が生じない。従って、各感光性材料に対して良好な成分特性に関連した典型的な構築プロセスパラメータがある。

しかし、本発明による焦点体積の変動は、使用される電磁放射の強度の変化には基づかない。動作は、むしろ構築プロセスのために選択された（最適な）放射強度で起こり、それは構成要素の構築中に変化しない。従って、本発明による方法は、焦点体積の変化が一定の放射強度で行われるように好ましくは実行され、使用される電磁放射の平均パワーは応じて適合される。

従って、焦点体積によって、典型的な構築プロセスパラメータにおける準備ステップ後の露光点の体積が理解される。本発明による焦点体積の変化は、焦点における空間強度分布の変化を意味する。この点において、焦点の空間強度分布は一方向又は幾つかの方向において変化することができる。この結果、強度分布は、例えば、光学結像系の有効アパーチャ数の減少によって３つの空間方向全てにおいて増加することができる。回折光学素子を使用する場合には、焦点は線若しくは面に変化することができ、又は焦点の数は増加することができる。

本発明の好ましい動作モードは、焦点体積の変化が、電磁放射源と焦点に集束させる光学結像系との間の光路に配置された少なくとも１つの光学素子を備えるユニットによって行われることを提供する。光学素子は、好ましくは、電磁放射のビームが直角にフォーマ（ｆｏｒｍｅｒ）に衝突するように、すなわち放射が光学素子の光軸の方向において光学素子に衝突するように配置される。

少なくとも１つの光学素子による焦点体積の変化は、様々な方法で行われることができ、以下に示される選択肢がまた組み合わせることができる。

好ましい方法においては、焦点体積の変化が、光学結像系の有効アパーチャ数の変動によって行われることが提供される。光学結像系のアパーチャ数による、その最小可能焦点サイズにおける最適条件下での名目上の特性が理解される。光学パラメータにおける変化にために、より大きい焦点体積が光学結像系の上流に生じる場合には、これは結像系の有効アパーチャ数として参照される。

焦点体積の変化が、光路に沿ったビーム直径の変動によって行われることがまた、好ましくは提供されてもよい。

方法はまた、好ましくは、ビーム直径の変動が特に可変拡大光学素子又は調節可能なアパーチャによって行われるように行われてもよい。拡大光学素子は、ビーム直径を増加又は減少させる光学素子を意味する。ビーム直径は、光学結像系の焦点長さと共に、焦点体積を決定する。従って、一定の焦点長さにおいては、ビーム直径の変化は有効アパーチャ数の変化、それ故に焦点体積の変化をもたらす。拡大光学素子は、一定又は可変拡大で設計されることができる。可変拡大では、拡大光学素子は焦点体積を変化させるように使用されることができる。

ビーム直径の変化はまた、調整可能なアパーチャを用いて行われることができ、ビーム直径の減少は、例えば、有効アパーチャ数の減少をもたらし、この結果、焦点体積の直径及び長さは増加する。アパーチャは、１次元スリットアパーチャ、二次元アイリス、又は他の任意の形態のアパーチャとして設計されることができる。

少なくとも１つの光学素子は、好ましくは、回折光学素子及び／又は光学レンズからなる。回折光学素子の可能な用途は、射出角に関して衝突ビームとは異なる幾つかのビームの形成にある。個々のビームは、光学結像系によって焦点面において結像され、個々のビームの個々の焦点は、焦点面における異なる点を構成する。使用される回折光学素子に依存して、１つ又は幾つかの焦点が結像されることができる。焦点は更に、個々の点が互いに融合するように互いに対して近接して位置付けられてもよい。この場合、線又は面が形成される。回折光学素子を、静的又は動的にすることができる。動的回折光学素子はまた、「空間光変調器」として参照される。

焦点体積を変化させるためのユニットはまた、ビーム形成のための光学系を含んでもよい。このような光学素子は、光学結像系における非点収差の標的制御のために可変距離を有する２つの円柱レンズを備えてもよい。焦点体積の寸法は、レンズ距離を変動させることによって選択的に影響されることができる。

更に、焦点体積を変化させるためのユニットはまた、他の偏向系に対して既知の角度でビームを案内する１つ又は幾つかの高速移動ビーム偏向系を備えてもよい。好ましい方法においては、２つの偏向系が互いに直角に設けられる。一方の偏向系が感光性材料を通るビームを案内する一方で、他方の偏向系はビームをビーム案内方向に対して直交して急速に移動させることによって変更された材料体積を拡大する。

焦点体積を変化させるための上記処置は、互いに対して垂直な１つ、好ましくは３つの空間方向において少なくとも焦点体積の変化を行うことに役立つ。

焦点体積を変化させるための説明された処置に関連して、光学結像系のアパーチャ数は小さくなるように選択されることができ、アパーチャ数は、好ましくは、０．８より小さく、好ましくは０．２より小さくなるように選択される。

既に上で指摘されたように、本発明による構成要素は、電磁放射が少なくとも特定の領域において放射に対して透過性であるタンクの底部を通って下から材料の中に導入され、続いて材料内で複数の焦点に集束されるように構築される。この点において、好ましくは、電磁放射が、タンクの底部と実質的に平行な平面（Ｘ及びＹ方向）において焦点を調整するために、好ましくは光学結像系の上流に配置された偏向ユニットによって偏向されるように進行される。このような調整は、材料体積要素の固化後に毎回行われる。ビームを偏向するために、先行技術から既知の任意のビーム偏向ユニットが使用されることができる。この結果、例えば、Ｘ方向におけるビーム偏向のための別個のビーム偏向装置とＹ方向におけるビーム偏向のためのビーム偏向装置とを設けることが可能である。加えて、ビーム偏向ユニットは、位置決め系と組み合わせられ、又はそれに部分的に置き換えられることができ、それは、Ｘ方向及びＹ方向においてより大きい広がりを有する構成要素の製造を可能にするために、結像系の鏡像力場を移動させる。この点において、光学結像系又は構成要素が移動するか否かは無関係である。

ビーム偏向装置は、好ましくは、特に回折光学素子の場合に焦点体積を変化させるためのユニットと光学結像系との間の光路に配置される。これは、偏向ユニットによって生じるビーム偏向が光学素子の作用に影響しないことを保証する。

動作の好ましいモードは、更に、進行している構築経過中に構造プラットフォームが段階的に持ち上げられることを提供する。構成要素の構築は、例えば、層状に行われることができる。最初に、全ての体積要素が１つの平面又は層において製造され、それに際し、構造プラットフォームが次の層を形成するために持ち上げられる。この目的のために、垂直方向（Ｚ方向）において調節可能な構造プラットフォームが感光性材料に設けられる。多光子誘起材料変換によって製造される将来の構成要素の第１の層が、構造プラットフォームに付着する。第２の層は第１の層に付着し、全ての更なる層はそれぞれ先行する層に付着し、この結果、構成要素は層状の構築によってタンクから成長する。

特に好ましい方法においては、焦点はタンクの底部から距離を置いて配置される。典型的には、タンクの底部からの焦点の距離は２０μｍ〜２ｍｍの範囲である。重合ゾーンとタンクの底部との間の距離のために、変換された材料のタンクへの望ましくない付着は生じない。加えて、後続の層のための出発材料として利用可能であるように、未使用の材料が構成要素とタンクとの間を連続的に流れることはより容易である。タンクの底部への構成要素の付着は生じないので、構造プラットフォームを持ち上げる場合に抜去力が予期されない。この効果は、既に上記で指摘されたように、多光子吸収における光化学プロセスが明確に画定された焦点体積においてのみ生じることができるという事実に基づく。タンクの底部と構築層との間の距離が比較的大きくなるように選択される場合には、材料は、構築プロセス中にタンクの底部と構成要素との間の間隙に連続的に流れ込むことができ、この結果、概ね連続プロセスを可能にする。

構成要素の説明された層状構造においては、構成要素の垂直方向における移動が可動構造プラットフォームによって実現されるので、タンクの底部からの焦点の法線距離は一定に保持されることができる。その結果として、光学的境界条件は、構築プロセス全体を通じて一定のままである。この結果、焦点が垂直方向に移動する従来技術とは対照的に、電磁放射が感光性材料の中に深く異なって集束する必要がないという利点が達成され、それは焦点品質の深さ依存変動を引き起こす。常に維持される法線距離は、好ましくは、タンクの底部と焦点体積の中心との間で測定される。或いは、常に維持される距離は、タンクの底部と焦点体積の下側境界との間で測定されることができる。

本発明による焦点体積の変化はまた、１つの層が異なる体積の体積要素から構成されるように同一の層内で行われることができる。しかしまた、１つの層が等しい大きさの体積要素のみから構成され、変化した焦点体積が次の層のために使用されるように進行されてもよい。

先行技術から既知であって、集束のための任意の数の光学素子を備える任意の光学系が、電磁放射をそれぞれの焦点に集束させる該光学結像系として採用されることができる。光学結像ユニットは、ビーム偏向ユニットの上流又は下流で使用されることができる。Ｆシータ光学素子が、例えば、０．２未満の中程度のアパーチャ数を有する、ビーム偏向系の下流で使用されることができる。

ビーム偏向ユニットと光学結像系の集束光学素子との間に、追加の光ビーム拡大又は縮小手段が挿入されることができる。この追加の光学系は、光学結像ユニットの焦点長さを維持する一方でビーム直径を変化させることによって有効アパーチャ数を増減させることができる。しかし、ビーム偏向ユニットの下流での任意の適合が、ビーム偏向速度に影響する。

本発明の別の態様が、特に本発明の第１の態様による方法を実行するために、リソグラフィに基づいて三次元構成要素を生成的に製造するための装置に関する。装置は、電磁放射源と、少なくとも特定の領域において放射に対して透過性である底部を有するタンクであって、固化される材料が充填されることができるタンクと、タンクの底部の上に調整可能なレベルに保持された構造プラットフォームと、構造プラットフォームとタンクの底部との間に存在する材料の位置選択的な放射のために、タンクの底部を通って下から作動可能な放射ユニットとを備え、放射ユニットは、材料内の焦点に放射を連続的に集束させるための光学結像系を備え、それによって、焦点にそれぞれ存在する材料の体積要素は、多光子吸収によって固化可能である。装置は、放射ユニットが、電磁放射源と光学結像系との間の光路に配置された少なくとも１つの光学素子を備え、光学素子が、焦点の体積を変化させるように設計されることを特徴とする。

少なくとも１つの光学素子は、好ましくは、結像系の有効アパーチャ数を変化させるために使用される。

好ましくは、少なくとも１つの光学素子が、光路に沿ってビーム直径を変動させるために設けられることが提供される。

好ましくは、少なくとも１つの光学素子が、可変拡大光学素子又は調節可能なアパーチャから構成されることが提供される。

好ましい方法においては、少なくとも１つの光学素子が、回折光学素子及び／又は光学レンズから構成されることがまた提供されてもよい。

少なくとも１つの光学素子は、特に、例えば、互いに対して可変距離に保持された２つの円柱レンズを含むビーム形成系を備えてもよい。

好ましくは、ビーム直径の変動が、少なくとも１つの高速移動偏向系によって行われることが提供される（例えば、ビームの揺れ、それ故の時間平均での焦点体積の増加）。

好ましい方法においては、焦点体積の変化は、異なる結像系の迅速な交換によって実現されることができる。

放射ユニットは、好ましくは、タンクの底部と実質的に平行な平面において焦点を調整するための、好ましくは光学結像系の上流に配置された偏向ユニットを備える。

焦点体積を変化させるためのユニットは、好ましくは、偏向ユニットの軸線に対して好ましくは直角にビームを拡大する高速偏向系を備えてもよい（例えば、ビームの揺れ、それ故の時間平均での焦点体積の増加）。

放射ユニットと協働する制御ユニットは、有利には、連続放射ステップにおいて、放射ユニットの制御によって所与の幾何学的形状の層を形成するように、構造プラットフォームにおける層に位置付けられた体積要素を固化し、且つ放射ステップ後に、層に対して、構成要素を所望の形状に連続的に構築するように、タンクの底部に構造プラットフォームの相対位置を適合するために設けられる。

以下において、図面に概略的に示される例示的な実施形態として、本発明がより詳細に説明される。

本発明による方法を実行するためのユニットを示す。 焦点体積適合のためのユニットを示す。 焦点体積適合のためのユニットの変更された構成を示す。 焦点体積適合のためのユニットの更に変更された構成を示す。 焦点体積適合のためのユニットの更に変更された構成を示す。 焦点体積適合のためのユニットの更に変更された構成を示す。 大体積要素及び小体積要素を使用する種々の構築方法を示す。 大体積要素及び小体積要素を使用する種々の構築方法を示す。 大体積要素及び小体積要素を使用する種々の構築方法を示す。 大体積要素及び小体積要素を使用する種々の構築方法を示す。

図１から、レーザ７によって発せられた電磁波が、焦点体積を変化させるためのユニット８を通って、ビーム偏向ユニット９を介して導かれ、光学結像系（システム）１０によって透明な底部プレート１を通って感光性材料２に集束されることが明らかである。光学結像系１０の焦点５において、感光性材料２の状態が変化し、この結果、構成要素３が構築される。構成要素３は、垂直方向に移動することができる構造プラットフォーム４から吊り下げられる。現在の層の露光が完了した後、構造プラットフォーム４は持ち上げられ、次の層が露光される。高いピークパワーを有するレーザ７の使用は、材料の状態の変化が焦点５でのみ生じるが、タンクの底部１と構造プラットフォームとの間の光学的「デッド」ゾーン６、又は既に形成された構成要素では生じないように、多光子吸収の適用を可能にする。この結果、透明な底部プレート１への構成要素の付着は生じ得ない。

図１における全ての要素は単に象徴的に示され、当業者の知識に従って、例えば、追加のレンズ系、アパーチャ、ミラー、フィルタ、又はビームスプリッタを使用することによって、任意に拡大されることができる。

図２は、焦点体積を変化させるためのユニット８を概略的に示す。該ユニットは、出現するビームを、２つのレンズ１２及び１３から構成された系を通過する２つのビームに分割する回折光学素子１１を備える。ビームの分割は、焦点面において隣接する２点を生成することを目的とする。２つの点が互いに重なり合う場合には、これはまた線として参照されてもよい。

図３は、焦点体積適合のためのユニット８の変更された構成を示す。ユニット８は、ビームが通過する２つの互いに離間した同軸の円柱レンズ１４及び１５を備える。ユニット８に入る前の、すなわち破線で示された平面におけるビームプロファイルは円形である。ユニット８からの出口においては、ｙ軸方向における圧縮が観察される。これは、図に示されるｘｚ平面及びｙｚ平面における焦点５の焦点体積の拡大をもたらす。

円柱レンズ１４と１５との間の距離を調整することによって、全焦点５の体積が変化する。

図５による構成において示されるように、スリットアパーチャ１７を使用する場合に同様の効果が達成されるが、これは、ビームのけられ（ｔｒｕｎｃａｔｉｏｎ）による強度損失を引き起こす。

図４による構成においては、アイリス１６は、結像系の有効アパーチャ数の減少の原因となり、この結果、焦点体積をより長く且つより広くする。

図６による構成に示されるレンズ１８及び１９から構成されたエキスパンダは、アイリス１６と同じ効果を有するが、ビームを切り捨てることなくビーム直径を減少させることによって強度損失を回避する。

図２〜図６に示される焦点体積を変化させるための選択肢は、特に、４００から１６００ｎｍの範囲の波長、１ｆｓと１ｎｓとの間の範囲のパルス長のパルスレーザ光を使用することによって実現される。

図７は、専ら小さい焦点体積２２が体積の適合なしに固化される方法によって構築された構成要素を示す。高解像度は、多くの書き込まれる点の数、それ故の長い各層の処理時間をもたらす。この構築方法は、焦点体積の適合が何ら利点をもたらさない、又は処理量が決定的ではない、小さい高解像度構造にとって有利である。

図８に示される構築プロセスのために、唯一の大きい焦点体積３２が、体積の適合なしに使用される。構築方法は高処理量を有するが、低解像度である。焦点体積は光学ユニット８によって制御され、それによって焦点体積の表面が増加し、有効アパーチャ数が所望の層厚に適合される。この構築方法は、高解像度を必要としないが高処理量を要求する構成要素に有利である。

２つの異なる焦点体積を有する構築プロセスの可能な順序は図９に示される。光学ユニット８による構築プロセス中の焦点体積の適合によって、１層当たりのプロセス時間が短縮される。構築される構造４１は、層ごとに、微細充填体積４２と粗充填体積４３とで交互に構築される。微細充填体積４２で、粗充填体積４３によって到達することができない構造の部分が露光される。既に構築された構造は焦点の歪みの原因となり得るので、最初に小さい焦点体積４２で高解像度部分を書き込み、続いて内部体積を充填することが有利である。適合焦点体積は、高解像度と高処理量との両方を有する構成要素の製造を可能にする。この構築方法は、僅かな表面粗さを有する高解像度の構成要素に適する。

図１０における構築方法の順序は、ここでは構成要素の表面が追加の小さい焦点体積５４及び薄い層厚で構築されることを除いて、図９に示される構築方法と同様である。３つの焦点体積が、微細充填体積５２、粗充填体積５３、及び表面体積５４として参照される。表面体積は、最小体積を有し、それ故に縁と角の良好な形状再現のための最高の解像度を有する。微細充填体積５２は、表面体積５４と等しい又はそれより大きく、粗充填体積５３によって到達されることができない間隙を充填する。この構築方法は、優れた形状再現、表面品質、及び高処理量を要求する構成要素に適する。

Claims (26)

1. リソグラフィに基づいて三次元構成要素（３）を生成的に製造するための方法であって、電磁放射の露光によって固化可能な材料（２）がタンクに存在し、構造プラットフォーム（４）が前記タンクの底部（１）から距離を置いて位置決めされ、前記構造プラットフォーム（４）と前記タンクの底部（１）との間に存在する材料（２）が、放射ユニットによって位置選択的に放射され、
   前記電磁放射が、少なくとも特定の領域において前記放射に対して透過性であるタンクの底部（１）を通って下から前記材料（２）に導入され、続いて前記材料（２）内の焦点（５）に集束され、それによって、焦点（５）にそれぞれ存在する前記材料（２）の体積要素が固化され、前記固化は多光子吸収によってもたらされ、
   前記焦点（５）の体積は、前記構成要素（３）が異なる体積の固化された体積要素から構築されるように、前記方法の間に少なくとも１回変動することを特徴とする、方法。
2. 前記焦点体積の変化は、電磁放射源と前記焦点（５）に集束させる光学結像系（１０）との間の光路に配置された少なくとも１つの光学素子（８）によって行われることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記焦点体積の変化は、前記光学結像系（１０）の有効アパーチャ数の変動によって行われることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記焦点体積の変化は、光路に沿ったビーム直径の変動によって行われることを特徴とする、請求項１、２、又は３に記載の方法。
5. 前記ビーム直径の変動は、可変拡大光学素子又は調節可能なアパーチャによって行われることを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
6. 前記少なくとも１つの光学素子は、回折光学素子及び／又は光学レンズから構成されていることを特徴とする、請求項２〜５の何れか一項に記載の方法。
7. 前記少なくとも１つの光学素子（８）は、例えば、互いに対して可変距離に保持された２つの円柱レンズ（１４、１５）を備えるビーム形成系を備えることを特徴とする、請求項２〜６の何れか一項に記載の方法。
8. 前記ビーム直径の変動は、少なくとも１つの高速移動ビーム偏向系によって行われることを特徴とする、請求項１〜７の何れか一項に記載の方法。
9. 前記光学結像系のアパーチャ数は、０．８より小さく、好ましくは０．２より小さくなるように選択されていることを特徴とする、請求項１〜８の何れか一項に記載の方法。
10. 前記焦点体積の変化は、互いに対して垂直な１つ、好ましくは３つの空間方向において少なくとも行われることを特徴とする、請求項１〜９の何れか一項に記載の方法。
11. 前記電磁放射は、前記タンクの底部（１）と実質的に平行な平面において前記焦点（５）を調整するために、好ましくは前記光学結像系（１０）の上流に配置された偏向ユニット（９）によって偏向されることを特徴とする、請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法。
12. 前記構造プラットフォーム（４）は、進行している構築経過中に段階的に持ち上げられていることを特徴とする、請求項１〜１１の何れか一項に記載の方法。
13. 前記焦点（５）は、前記タンクの底部（１）から距離を置いて位置付けられていることを特徴とする、請求項１〜１２の何れか一項に記載の方法。
14. 前記タンクの底部（１）からの前記焦点（５）の法線距離は、変動する焦点体積において一定に保持されていることを特徴とする、請求項１〜１３の何れか一項に記載の方法。
15. 製造される前記構成要素（３）の表面において、体積要素は、前記構成要素（３）の内部における固化体積要素より小さい体積を有する固化体積要素から構築されていることを特徴とする、請求項１〜１４の何れか一項に記載の方法。
16. 最大焦点体積は、１μｍ^３より大きく、好ましくは１００μｍ^３より大きく、特に１０，０００μｍ^３より大きいことを特徴とする、請求項１〜１５の何れか一項に記載の方法。
17. 特に請求項１〜１６の何れか一項に記載の方法を実行するための、リソグラフィに基づいて三次元構成要素（３）を生成的に製造するための装置であって、
    電磁放射源と、少なくとも特定の領域において前記放射に対して透過性である底部（１）を有するタンクであって、固化される材料（２）が充填されることができるタンクと、前記タンクの底部（１）の上に調整可能なレベルに保持された構造プラットフォーム（４）と、前記構造プラットフォーム（４）と前記タンクの底部（１）との間に存在する材料（２）の前記位置選択的な放射のために、前記タンクの底部（１）を通って下から作動可能な放射ユニットとを備え、
    前記放射ユニットは、前記材料（２）内の焦点（５）に前記放射を連続的に集束させるための光学結像系（１０）を備え、それによって、焦点（５）にそれぞれ存在する前記材料（２）の体積要素は、多光子吸収によって固化可能であって、
    前記放射ユニットは、前記電磁放射源と前記光学結像系（１０）との間の光路に配置された少なくとも１つの光学素子（８）を備え、前記光学素子は、前記焦点（５）の体積を変化させるように設計されていることを特徴とする、装置。
18. 前記少なくとも１つの光学素子（８）は、前記結像系の有効アパーチャ数を変化させるように設計されていることを特徴とする、請求項１７に記載の装置。
19. 前記少なくとも１つの光学素子（８）は、光路に沿ってビーム直径を変動させるために配置されていることを特徴とする、請求項１８に記載の装置。
20. 前記少なくとも１つの光学素子（８）は、可変拡大光学素子又は調節可能なアパーチャから構成されていることを特徴とする、請求項１８又は１９に記載の装置。
21. 前記少なくとも１つの光学素子（８）は、回折光学素子及び／又は光学レンズから構成されていることを特徴とする、請求項１８、１９、又は２０に記載の装置。
22. 前記少なくとも１つの光学素子（８）は、例えば、互いに対して可変距離に保持された２つの円柱レンズ（１４、１５）を含むビーム形成系を備えることを特徴とする、請求項１８〜２１の何れか一項に記載の装置。
23. 前記光学結像系のアパーチャ数は、０．８より小さくなるように選択されることを特徴とする、請求項１７〜２２の何れか一項に記載の装置。
24. 前記照射ユニットは、前記タンクの底部（１）と実質的に平行な平面において前記焦点（５）を調整するための、好ましくは前記光学結像系（１０）の上流に配置された偏向ユニット（９）を備えることを特徴とする、請求項１７〜２３の何れか一項に記載の装置。
25. 前記放射ユニットと協働する制御ユニットが、連続放射ステップにおいて、前記放射ユニットの制御によって所与の幾何学的形状の層を形成するように、前記構造プラットフォーム（４）における層に位置付けられた体積要素を固化し、且つ前記放射ステップ後に、前記層に対して、前記構成要素（３）を所望の形状に連続的に構築するように、前記タンクの底部（１）に前記構造プラットフォーム（４）の相対位置を適合するために設けられていることを特徴とする、請求項１７〜２４の何れか一項に記載の装置。
26. 前記放射ユニットは、１μｍ^３より大きい、好ましくは１００μｍ^３より大きい、特に１０，０００μｍ^３より大きい焦点体積を調整するように配置されていることを特徴とする、請求項１７〜２５の何れか一項に記載の装置。

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