KR100252458B1 - 입체리소그래피장치및그사용방법 - Google Patents

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윌리암이.넬슨
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윌리엄 비. 켐플러
텍사스 인스트루먼츠 인코포레이티드
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Abstract

본 발명에는 용기(2), 용기 내의 작업 표면(16), 작업 표면에 대하여 용기 내의 용액(14)의 준위를 제어하기 위한 승강 장치(18), 복사선을 발산하는 광원 및 영역 어레이 가변 미러 장치를 포함하는 입체 리소그래피 장치(10)가 개시되었다. 광원은 입체 리소그래피 용액(14)을 경화시키는 복사선을 발산하는 한편, 가변 미러 장치는 입사되는 복사선을 용액(14)의 표면으로 반사한다. 가변 미러 장치는 한번의 짧은 노출시간으로 해상도를 저하시키지 않고 용액 층 전체를 경화시킬 수 있다.

Description

입체 리소그래피 장치 및 그 사용 방법
제1a도 내지 제1e도는 입체 리소그래피 공정을 사용하여 모델을 제조하는 일련의 단계를 도시한 도면.
제2도는 제1a도 내지 제1e도에서 도시된 공정에서 사용하기 위한 본 발명의 한 실시예를 포함하는 노출 헤드의 부분적, 개략적 사시도.
제3도는 제2의 노출 헤드에서 사용되는 영역 어레이 가변 미러 장치의 사시도.
제4도는 제조 가능한 모델 크기를 증대시키기 위하여 제2도의 노출 헤드를 유사한 노출 헤드와 결합하는 방법을 도시하는 개략도.
제5도는 제2도의 노출 헤드가 큰 막을 경화시키기 위하여 사용되는 방법을 도시하는 사시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 입체 리소그래피 장치 12 : 용기
14 : 입체 리소그래피 용액 16 : 작업 표면
18 : 승강 장치 20 : 노출 헤드
30 : 광원 32 : 가변 미러 장치
34,36 : 렌즈 38 : 제어 회로
본 발명은 일반적으로 전자 광학 장치에 관한 것으로서, 특히 입체 리소그래피(stereolithography) 장치 및 그 사용 방법에 관한 것이다.
입체 리소그래피는 경화된 액상 중합체의 박층으로 3차원 물체를 제조하는 공정이다. 액상 중합체 또는 수지는 적절한 파장의 강한 광원으로 선택적으로 경화된다. 액상 중합체를 경화시키기 위하여 전형적으로 자외선, 아르곤 이온 또는 기타 형태의 레이저가 사용된다. 특정한 레이저는 전형적으로 컴퓨터 보조 설계(CAD) 데이타를 해석하는 x-y 스캐너에 의하여 중합체 박막으로 유도된다. CAD 데이타는 제조될 물체의 형상을 수학적으로 약 1/100 인치 두께의 일련의 박층으로 나타낸다. 그리하여 물체의 제1층에 대응하는 수지막의 부분을 경화하고, 경화된 층을 균일한 얇은 액상 막으로 코팅하고, 물체의 다음 박층에 대응하는 제2수지막의 부분을 경화하는 방법을 사용하여 물체를 제조할 수 있다. 이 공정은 모델의 각각의 박층이 경화된 중합체의 층으로 복제될 때까지 반복된다. 입체 리소그래피로 제조된 모델은 공학 설계의 검사 및 평가, 물체의 가공 및 소형 물체 제작의 목적으로 사용될 수 있다.
공지된 입체 리소그래피 공정 장치 및 방법은 최소한 2가지의 특정에 의하여 제한을 받는다. 첫째, x-y 스캐너를 사용하면 레이저 비임이 액상 수지막에 스캔되는 속도가 초당 약 55 인치로 제한된다. 이 속도는 이 공정의 높은 수직 해상도(vertical resolution)와 결부하여 생산 시간을 지연시키고 생산량을 저하시킨다. 둘째, 조사 광원으로서 특정 레이저를 사용하면 본 시스템에서 사용될 수 있는 액상 수지의 종류가 제한된다. 각각의 수지는 그 종류마다 전자기파의 다양한 파장에 대하여 상이한 반응을 보인다. 통상적으로, 각 수지는 한가지 형태의 레이저에 의해서만 경화된다. 그 결과 고가의 하드웨어를 교환하지 않고서는 수지의 조성을 거의 또는 전혀 변경할 수 없다. 또한 모든 파장의 광이 레이저 광으로서 발생될 수 있는 것은 아니다. 따라서 어떤 종류의 수지는 이를 경화할 수 있는 파장을 가진 레이저가 없음으로 인하여 사용될 수 없다.
상기 이유로 인하여 높은 생산량을 가지며, 다양한 종류의 입체 리소그래피 수지에 사용될 수 있는 입체 리소그래피 장치가 필요하게 되었다.
본 발명에 따르면, 기존의 입체 리소그래피 시스템이 가진 단점 및 문제점을 거의 제거하거나 감소시킬 수 있는 입체 리소그래피 장치가 제공된다.
개시된 입체 리소그래피 장치는 입체 리소그래피 용액을 수용하는 용기, 용기 내의 작업 표면(working surface), 용기 내의 용액의 준위를 제어하는 승강 장치, 복사선(radiation)을 발산하는 광원 및 가변 미러 장치(deformable mirror device)를 포함한다. 광원은 용액을 경화시키는 복사선을 발산하며, 가변 미러는 입사되는 복사선을 용액의 표면으로 반사한다.
본 발명에 따른 첫번째 기술적 장점은 그 속도에 있다. 가변 미러 장치를 구성하는 다수의 미러를 사용하여 한번의 노출 시간 내에 수지층 전체를 경화시킬 수 있다. 이 기술을 사용하면 훨씬 더 많은 처리가 가능해진다.
이 장치의 두번째 기술적 장점은 그 사용 적응성(flexibility)에 있다. 가변 미러 장치에는 거의 모든 종류의 광원이 사용될 수 있다. 따라서 광원은 사용되는 특정 수지에 맞춰질 수 있고, 사실상 저가의 백열 전구가 사용될 수 있다.
본 발명의 세번째 기술적 장점은 그 비용에 있다. 가변 미러 장치는 현재 x-y 레이저 스캐너에 비하여 훨씬 저가로 대량 생산되고 있다.
본 발명의 또 다른 장점은 대형 모델 제조에 적합하다는 것이다. 대형 모델 제조시 다수의 노출 헤드가 결합되어 사용되어 큰 용액 층을 경화하거나, 동일한 넓은 영역을 하나의 노출 헤드로 수 차례의 노출 시간 내에 경화시킬 수 있다. 이때 해상도는 높게 유지된다.
본 발명의 양호한 실시예 및 그 장점은 제1도 내지 제5도의 첨부한 도면을 참조하여 잘 이해될 수 있다. 각 도면에 상응하는 부분들에는 동일한 참조 번호가 사용되었다.
제1a도 내지 제1e도는 입체 리소그래피 공정을 사용하여 모델을 제조하는 일련의 단계를 도시한다.
(a) 입체 리소그래피 장치(10)는 입체 리소그래피 용액(14)을 수용하는 용기(14), 작업 표면(16), 작업 표면(16)에 대하여 용액의 준위를 제어하는 승강 장치(18) 및 이하에서 설명하는 바와 같이 수지의 선택된 부분을 경화시키기 위한 노출 헤드(20)를 포함한다. 입체 리소그래피 용액은 공지 기술에서 사용하는 바와 같은 수지 또는 중합체가 사용된다. 입체 리소그래피 장치(10)는 또한 각각의 모델링 단계에서 균일한 두께로 용액이 입혀지도록 하는 용액 도포기(22)를 포함할 수 있다.
공정 중에 용기(12) 내에서 예를 들어 승강 장치(18)는 상승시키는 방법 등으로 용액의 박막이 작업 표면(16)에 입혀진다. 승강 장치(18)는 용액(14)이 구멍(24)을 통하여 상승하여 작업 표면(16)에 박막을 형성하게끔 한다. 그러면 노출 헤드(20)는 용액막의 선택된 부분에 전자기파를 복사하여 그 부분을 경화시킨다. 노출 헤드(20)는 모델링될 물체의 데이타를 해석하는 회로망(제2도에 도시됨)에 의하여 제어된다. 상기 데이타는 물체를 일련의 박층 또는 박판으로 나타내는데, 이들은 서로 적층되어 완전한 물체를 형성한다. 컴퓨터 보조 설계(CAD) 데이타는 생산될 모델의 일련의 박층 또는 박판으로 용이하게 변환될 수 있다.
(b) 승강 장치(18)는 또 다시 상승하여 용액(14)이 작업 표면(26) 상의 이미 경화된 층("작업 단편" ; 26)을 제2의 용액 막으로 덮는다. 이 제2용액층은 제1층의 경화된 부분 및 경화되지 않은 부분 모두를 덮는다. 또한, 작업 단편(26) 상에 균일한 막이 덮이도록 도포기(22)가 소량의 용액을 분사할 수도 있다. 각각의 막은 약 1/100 인치의 두께를 갖는다.
(c) 노출 헤드(26)가 제1a도와 관련하여 설명한 제1b도의 도포된 제2용액층을 경화시킨다.
(d) 전체 부품(28)이 완성될 때까지 제1a도 내지 제1c도의 단계가 반복된다.
(e) 완성된 부품(28)이 입체 리소그래피 장치(10)로부터 분리된다. 경우에 따라 특정 용액을 사용하여 부품을 리소그래피 장치에서 분리시키는데, 이 경우에는 본 제품을 사용하기 이전에 부품(28)을 오븐(도시되지 않음)에서 경화시킬 필요가 있을 수 있다.
제1a도 내지 제1e도에서 도시된 바와 유사한 입체 리소그래피 장치는 캘리포니아주 발렌시아에 위치한 3D 시스템사 또는 로드아일랜드주 포츠머스에 위치한 쿼드랙스 레이저 테크놀로지사로부터 구입할 수 있다. 3D 시스템사의 입체 리소그래피 장치는 325nm 파장의 헬륨-카드뮴 레이저를 사용한다. 3D 시스템사 제품은 상술한 바와는 상이한 공정을 사용한다. 이는 용액을 작업 표면에 대하여 높이는 대신 연속적으로 작업 표면을 용액의 표면 아래로 낮춘다. 이때 형성된 물체는 용액의 표면에서 제조된 상태로 서서히 가라 앉는다. 쿼드랙스 레이저 테크놀로지사의 입체 리소그래피 장치는 제1a도 내지 제1c도에 관련하여 설명한 공정을 따르며 아르곤 이온 가시광선 레이저를 사용한다. 기타 입체 리소그래피 장치의 설계자들은 입체 리소그래피 용액을 경화시키기 위하여 자외선 레이저를 사용한다.
제2도는 제1a도 내지 제1e도에서 도시된 공정에서 사용하기 위한, 본 발명의 한 실시예를 포함하는 노출 헤드(20)의 부분적, 개략적 사시도이다. 노출 헤드(20)는 광원(30), 영역 어레이 가변 미러 장치(이하에서 DMD, 32), 2개의 렌즈(34 및 36) 및 제어 회로(38)를 포함한다. 광원(30)은 특정 입체 리소그래피 용액을 경화시키는 복사선을 발산한다. 렌즈(34)는 렌즈가 없을 경우보다 더욱 균일하게 복사선을 DMD(32)에 조사한다. 렌즈(36)는 DMD(32)에서 반사된 복사선을 작업 표면(16)(제1a도 내지 제1e도에 도시됨)으로 집속하여 증폭시킨다. DMD(32)는 텍사스주 달라스에 위치한 텍사스 인스트루먼츠사에 의하여 제조된 통상의 n×m 어레이의 미러를 포함하는 전자 광학 장치이다. 각각의 미러는 입사광을 다수의 광경로 중의 하나를 따라 반사하도록 전자적으로 제어될 수 있다. 본 실시예에서 DMD(32)는 쌍안정(bistable) 미러 행렬을 포함하는데, 즉, 각 미러마다 2개의 광경로가 존재한다. 광원(30), DMD (32) 및 렌즈(34 및 36)는 광원(30)으로부터 나와 DMD(32)에 입사되는 복사선이 2개의 광 경로 중 하나가 선택되었을 경우에만 입체 리소그래피 수지의 박막 상에 집속되도록 위치한다. 광원(30)으로부터 발산되는 복사선의 경로는 수렴 및 발산하는 점선으로 표시되었다. DMD(32) 상의 각각의 쌍안정 미러는 프로세서(도시되지 않음)로부터의 데이타를 해석하는 회로(38)에 의하여 제어된다. 회로(38)는 독립형의 프로세서와 완전히 일체로 되거나 기타 장소에 위치할 수 있다. 광원(30)은 입체 리소그래피 공정에서 사용되는 개개의 입체 리소그래피 용액에 맞춰지거나, 통상의 텅스텐-할로겐 백열 전구 또는 임의 수의 가시 광선 또는 비가시광선 레이저가 사용될 수 있다.
제3도는 제2도의 노출 헤드(20)에 도시된 영역 어레이 가변 미러 장치(32)의 사시도이다. DMD(32)는 평면형 작동 표면(42)을 가진 본체(40)와 다수의 전기 핀(44)을 포함한다. DMDZ(32)의 작동 표면(42)은 개개마다 어드레스할 수 있는 쌍안정 미러의 n×m 행렬을 포함할 수 있다. 각각의 미러는 일반적으로 한 변이 12 내지 20 미크론인 정사각형 또는 다이아몬드형이다. 미러의 크기가 작기 때문에, 약 2 평방 인치의 면적을 가지는 하나의 DMD는 예를 들어 1920×1080 행렬의 미러, 즉 200 만개 이상의 개개로 어드레스할 수 있는 미러를 가진다. 미러의 작은 크기로 인하여 제2도에 도시된 노출 헤드(20)는 한번의 노출 시간으로 4×8 평방인치의 면적을 종래의 x-y 스캐너 및 레이저 노출 헤드를 결합하여 사용했을 때와 동일한 해상도로 경화시킬 수 있다. 통상적으로, 이러한 종래 기술에 따른 노출 헤드의 해상도는 ±0.005 인치이다. 이 경우에 제2도의 렌즈(36)는 또한 DMD(32)의 영상을 4배 내지 6배로 확대시킬 수 있다.
제4도는 예를 들어 8×16 평방 인치의 넓은 면적을 처리하기 위하여 다수의 노출 헤드(20)가 결합 또는 "타일"되는 방법을 도시한다. 이 방법은 사용자가 제3도에 관련하여 설명된 고도의 해상도와 동일한 해상도를 유지할 수 있게 한다. 타일된 형태에서 각각의 노출 헤드(20)는 수지 막의 하나의 4분면(quadrant)을 경화시킨다. 각각의 4분면은 4×8 평방 인치의 면적을 가진다. 최대 모델 크기를 증대시키기 위하여 임의의 수의 노출 헤드(20)가 결합될 수 있다.
제5도는 하나의 노출 헤드(20)를 2차원 내에서 자유로이 이동할 수 있는 위치 설정 장치(46)에 장착하는 방법을 도시한다. 이와 같은 방법으로 하나의 노출 헤드(20)는 제2도 및 제3도의 DMD(32)의 투영된 영상보다 더 큰 크기의 수지층을 경화시킬 수 있다. 이 방법은 사용자가 제3도와 관련하여 설명된 고도의 해상도와 동일한 해상도를 유지할 수 있게 한다. 리소그래피 공정에서 사용되는 공지된 위치 설정 장치는 입체 리소그래피 공정에 필적할 정도의 해상도를 가진다. 이러한 위치 설정 장치들은 집적 회로 등의 장치를 제조하는 공정에 있어서 광 마스크를 실리콘 웨이퍼에 대하여 정렬시키는데 사용된다.
본 명세서에서 설명된 발명은 첨부된 특허 청구의 범위에 기술된 발명의 원리 및 범위를 벗어나지 아니하고 다양하게 변경, 치환 및 조작이 가능함을 이해하여야 한다.

Claims (16)

  1. 입체 리소그래피 장치에 있어서,
    입체 리소그래피 용액을 수용하는 용기;
    상기 용기 내의 작업 표면;
    상기 작업 표면에 대하여 상기 용액 내의 용액의 준위를 제어하는 승강 장치; 및
    상기 리소그래피 용액을 경화시킬 수 있는 복사선을 발산하는 광원 및 인가되는 신호에 응답하여 상기 용액의 표면에 영상을 형성하도록 복사선을 선택적으로 반사시키는 영역 어레이 가변 미러 장치(area array deformable mirror device)를 각각 포함하는 적어도 하나의 노출 헤드
    를 포함하는 입체 리소그래피 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 영역 어레이 가변 미러 장치의 영상을 확대하기 위한 렌즈를 더 포함하는 입체 리소그래피 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 노출 헤드를 2차원으로 이동시키기 위한 위치 설정기(positioner)를 더 포함하는 입체 리소그래피 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 영역 어레이 가변 미러 장치의 영상을 확대하기 위한 렌즈를 더 포함하는 입체 리소그래피 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 승강 장치는 상기 작업 표면에 대하여 용액의 준위를 상승시키는 입체 리소그래피 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 승강 장치는 상기 작업 표면을 용액의 준위로 낮추는 입체 리소그래피 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 용액은 광 반응제를 포함하는 수지인 입체 리소그래피 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 용액은 광 반응제를 포함하는 중합체인 입체 리소그래피 장치.
  9. 입체 리소그래피 장치용 입체 리소그래피 노출 헤드에 있어서,
    개개가 입력 신호에 응답하고, 입사되는 복사선을 다수의 광 경로를 따라 반사시키고 n×m 행렬을 형성하는 다수의 미러;
    상기 미러에 입사되고, 입체 리소그래피 용액을 경화시키는 복사선을 발산하는 광원; 및
    영상을 형성하기 위하여 각각의 미러가 입사된 복사선을 반사시키는 다수의 경로 중 하나를 선택하도록 하는 입력 데이타에 응답하는 제어 회로
    를 포함하는 입체 리소그래피 노출 헤드.
  10. 제9항에 있어서, 상기 다수의 경로가 2개의 경로를 포함하는 입체 리소그래피 노출 헤드.
  11. 제9항에 있어서, 상기 다수의 미러의 영상을 확대하기 위한 렌즈를 더 포함하는 입체 리소그래피 노출 헤드.
  12. 제9항에 있어서, 상기 헤드를 2차원으로 이동시키기 위한 위치 설정기(positioner)를 더 포함하는 입체 리소그래피 노출 헤드.
  13. 경화된 수지의 모델을 형성하는 방법에 있어서,
    표면에 입체 리소그래피 용액의 박층을 도포하는 단계;
    용액 수지를 경화시킬 수 있는 복사선을 다수의 가변 미러에 조사하는 단계; 및
    복사선의 일부가 용액 막을 향하도록 특정 미러들을 편향시키는 단계를 포함하되,
    상기 용액막에 입사한 복사선이 상기 수지의 일부를 경화시키고, 상기 수지의 경화된 부분이 모델을 구성하는 박층중 적어도 일부를 형성하는, 경화된 수지의 모델을 형성하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 일련의 박층이 상기 모델을 형성할 때까지 상기 도포, 조사 및 편향 단계를 순차적으로 반복하는 단계를 더 포함하는, 경화된 수지의 모델을 형성하는 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 박층에 대하여 상기 다수의 가변 미러를 이동시키는 단계; 및
    상기 모델 박층의 비경화된 부분을 경화시키는 단계를 더 포함하는, 경화된 수지의 모델을 형성하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 일련의 박층이 상기 모델을 형성할 때까지 상기 도포, 조사, 편향, 이동 및 경화 단계를 순차적으로 반복하는 단계를 더 포함하는 경화된 수지 모델을 형성하는 방법.
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