KR20170141669A - 개선된 광학 유닛을 구비한 입체 리소그래피 기계 - Google Patents

개선된 광학 유닛을 구비한 입체 리소그래피 기계 Download PDF

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KR20170141669A
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에토레 마우리지오 코스타베베르
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에토레 마우리지오 코스타베베르
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Abstract

본 발명은 입체 리소그래피 기계(1)에 관한 것이고, 입체 리소그래피 기계는
Figure pct00017
미리 정의된 방사선(3a)에 대한 노광을 통해 고화되는 데 적합한 유체 물질(15)을 위한 용기(2);
Figure pct00018
상기 미리 정의된 방사선(3a)의 빔을 방출하는데 데 적절한 레이저 공급원(3);
Figure pct00019
상기 미리 정의된 방사선에 의해 원하는 벡터 데이터 이미지에 따라 상기 용기(2) 내부에 배열된 기준 표면(5)의 벡터 스캐닝을 수행하도록 구성된 벡터 스캐닝 광학 유닛(4);
Figure pct00020
상기 기준 표면 상에서 스캐닝되는 이미지를 나타내는 상기 벡터 데이터 이미지를 저장하기 위한 메모리;
Figure pct00021
상기 벡터 데이터 이미지에 따라 상기 기준 표면(5)의 미리 정의된 부분을 상기 방사선(3a)에 노광시키는 방식으로 상기 벡터 스캐닝 광학 유닛(4) 및/또는 상기 레이저 공급원(3)을 제어하도록 구성된 로직 제어 유닛(6)을 포함하고, 상기 벡터 스캐닝 광학 유닛(4)은 상기 미리 정의된 방사선의 이동 경로에 대해 차례로 직렬로 배열된 제1 및 제2 마이크로-광학-전기-기계 시스템(MOEMS)(7, 8)을 포함하고, 각각의 MOEMS 시스템은
Figure pct00022
거울(9)로서, 상기 거울(9)에 대해 회전 축(X1, X2)을 정의하도록 구성된 관절 수단(11)을 통해 지지 구조물(10)과 관련된 약 2mm와 약 8mm 사이에 포함되는 직경을 갖는, 거울;
Figure pct00023
상기 레이저 공급원(3)이 상기 벡터 스캐닝 중에 상기 미리 결정된 방사선(3a)을 방출할 때, 상기 기준 표면(5) 상의 상기 레이저 빔의 대응하는 표지 속력이 약 0.5m/s와 약 3m/s 사이에 포함되도록, 상기 거울(9)을 준정적 방식으로 소정의 각속력으로 상기 회전 축(X1, X2) 둘레에서 이동시키는 데 적합한 액추에이터(12)를 포함하고;
Figure pct00024
제1 MOEMS 시스템(7)의 거울(9)의 회전 축(X1)은 제2 MOEMS 시스템(8)의 거울(9)의 회전 축(X2)으로 입사한다.

Description

개선된 광학 유닛을 구비한 입체 리소그래피 기계
본 발명은 복수의 중첩된 층들에 의해 3차원 대상을 만드는 데 적합한 유형의 입체 리소그래피 기계에 관한 것이고, 각각의 층은 제작되는 대상의 체적에 대응하는 영역 내에서의 유체 물질의 선택적 고화를 통해 얻어진다.
공지된 유형의 입체 리소그래피 기계는 유체 물질, 대체로 액체 또는 페이스트 상태의 감광 수지가 있는 용기를 포함한다.
기계는 또한 발광 타입이며 유체 물질을 고화시키기에 적합한 방사선을 방출하는 광원을 포함한다. 광학 유닛은 고화되는 대상의 층의 위치에 대응하는, 용기 내부에 배열된 기준 표면을 향해 상기 방사선을 이송하는 것을 제공한다.
형성되는 3차원 대상은 대상의 최종 고화 층이 상기 기준 표면에 인접한 위치 내에 배열되도록 허용하는 방식으로, 용기에 대해 직교하여 이동될 수 있는 모델링 플레이트에 의해 지지된다.
이러한 방식으로, 각각의 층이 고화되면, 모델링 플레이트는 고화된 층을 그가 기준 표면에 다시 인접하도록 배열하는 방식으로 이동되고, 그 후에 공정은 연속되는 층에 대해 반복될 수 있다.
상기 언급된 유형의 입체 리소그래피 기계는, 예를 들어, 본 출원과 동일한 출원인 명의의 이탈리아 특허 출원 VI2010A000004호에 설명되어 있는 2개의 주요 실시예로 나누어진다.
상기 실시예들 중 제1 실시예에 따르면, 기준 표면은 방사선에 대해 투명한 용기의 바닥에 인접하도록 배열된다. 이러한 경우에, 유체 물질은 아래로부터 조사되고, 3차원 대상은 모델링 플레이트 아래에서 형성된다. 발명의 제2 실시예에 따르면, 기준 표면은 유체 물질의 자유 표면의 수준에 배열된다. 이러한 제2 경우에, 유체 물질은 위로부터 조사되고, 3차원 대상은 모델링 플레이트 위에서 형성된다. 실시예들 모두에서, 방사선은 공지된 유형의 상이한 광학 유닛들에 의해 기준 표면의 상이한 지점들을 향해 이송된다.
광학 유닛의 일 실시예에서, 고정된 공급원 및 차례로 직렬로 배열된 한 쌍의 갈바노메트릭 거울이 광선을 지향시키기 위해 사용된다.
각각의 갈바노메트릭 거울은 그가 다른 갈바노메트릭 거울의 축에 대해 직교하는 각각의 회전 축 둘레에서 회전할 수 있도록 동력을 받고, 이들의 회전의 조합은 빔을 기준 표면의 임의의 지점을 향해 지향시키는 것을 가능케 한다.
위에서 설명된 광학 유닛은 갈바노메트릭 거울의 낮은 관성으로 인해 빔이 매우 신속하게 이동되도록 허용하는 장점 및 사용되는 기계적 구성요소들의 더 적은 개수로 인해 더 신뢰할 수 있는 장점을 제공한다.
상기 장점에도 불구하고, 갈바노메트릭 거울의 비용은 매우 높고, 이는 입체 리소그래피 기계의 비용에 상당히 영향을 미친다.
갈바노메트릭 거울에 기초한 광학 유닛은 상대적으로 대형인 추가적인 결점을 제기한다.
높은 비용 및 상당한 전체적인 치수는 갈바노메트릭 거울을 포함하는 입체 리소그래피 기계를, 즉 소규모 회사에 의해 요구될 수 있는 종류의 임의의 소형 시리즈 제작에 대해 부적합하게 만든다.
또한, 갈바노메트릭 거울은 마모를 받는 몇몇 기계적 구성요소들을 포함하고, 그러므로 특히 이들의 높은 교체 비용으로 인해, 장점을 제한한다.
또한, 갈바노메트릭 거울의 관성은 무시할 만 하지 않고, 광선의 편향의 속력과 전체적인 처리 시간에 영향을 미친다.
본 출원인은, 즉, 갈바노메트릭 거울의 사용에 기초한 공지된 유형의 입체 리소그래피 기계에 의해 제공되는 장점들 중 일부를 제공하며, 또한 갈바노메트릭 거울보다 제작 및 사용하기에 더 간단한 광학 유닛을 찾기 위한 이러한 문제점에 대한 제1 해결책을 제안하였다. 이러한 해결책은 본 출원인 명의의 WO 2013/093612호에 개시되어 있고, 여기서 유체 물질을 위한 용기; 유체 물질을 고화시키는 데 적합한 미리 정의된 방사선의 공급원; 유체 물질 내의 기준 표면을 향해 방사선을 지향시키는 데 적합한 광학 유닛; 및 기준 표면의 미리 정의된 부분을 노광시키기 위해 광학 유닛 및/또는 공급원을 제어하도록 구성된 로직 제어 유닛을 포함하는 입체 리소그래피 기계가 설명되어 있다. 광학 유닛은 방사선을 2개의 축들 둘레에서의 회전의 대응하는 조합을 통해 기준 표면의 각각의 지점을 향해 지향시킬 수 있도록 배열된, 서로에 대해 입사하며 서로 독립적인 적어도 2개의 회전 축 둘레에서의 회전을 위한 액추에이터 수단과 관련된, 거울을 구비한 마이크로-광학-전기-기계 시스템을 포함한다.
그러나, 본 출원인은 2개의 축을 따라 배향되거나 회전될 수 있는 단일 MOEMS로 갈바노메트릭 거울을 교체하는 것이 종래 기술을 참조하여 개시된 모든 문제점을 해결하는 것은 아니고, 또한 추가의 문제점을 제시함을 발견하였다.
레이저 스캐닝의 기술 분야에서, 일반적으로 수행될 수 있는 2가지 유형의 레이저 스캐닝: 래스터 스캐닝 및 벡터 스캐닝이 있다. 래스터 스캐닝에서, 레이저 빔은 서로에 대해 이격되며 평행하고, 상대적으로 긴 (전형적으로, 스캐닝 방향으로 스캐닝되는 부품의 외부 치수만큼 긴) 일련의 직선을 따라 순차적으로 스캐닝되고; 따라서, 레이저 빔은 각각의 스캐닝 라인을 따라 하나의 방향으로만 이동되어야 하고, 스캐닝 시스템은 전형적으로 각각의 스캔 라인을 따른 이동이 단일 거울의 이동에 의해 영향을 받도록 배열된다. 벡터 스캐닝에서, 레이저 빔은 길이가 매우 짧은 것(예컨대, 1mm 미만)으로부터 상대적으로 긴 것까지 변할 수 있으며, 서로에 대한 배향이 변할 수 있는 일련의 직선 또는 벡터를 따라 순차적으로 스캐닝되어, 대체로 이는 벡터를 스캔하기 위해 2개의 거울의 조화된 이동을 요구한다. 하나의 벡터의 종료 지점은 흔히 다음 벡터의 시작 지점과 일치한다.
본 발명은 특히 래스터 스캐닝에서 대체로 작동하지 않는 어려움을 갖는 벡터 스캐닝과 관련된다. 본 출원인은 입체 리소그래피 기계에 의해 제조되는 3차원 대상의 더 양호한 제어를 획득하기 위해, 벡터 스캐닝이 더 정밀하고 정확한 결과를 획득하기 위해 사용되어야 함을 발견하였다. 또한, 벡터 스캐닝은 제조되는 3차원 대상의 "콘투어링(contouring)"을 허용한다. 제조되는 3차원 대상은 각각의 층 내에서, 외부 경계 또는 패턴이 형성되고, 그 안에서 레이저가 수지를 스캐닝하여 중합시켜야 하는 층별 공정으로 분할된다. 그러나, 더 양호한 표면 특징을 획득하기 위해, 경계의 "내부"가 스캐닝될 뿐만 아니라, 이의 콘투어링(즉, 레이저 빔 스폿은 각각의 층에 대한 패턴의 경계의 윤곽을 따름)이 또한 바람직하게는 수행된다. 이러한 콘투어링은 입체 리소그래피 기계 내에서 벡터 스캐닝을 사용함으로써만 가능하다.
벡터 스캐닝이 선택되는 이러한 유형의 입체 리소그래피 기계에서, 2개의 상이한 축들을 따라 이동 또는 회전 가능한 단일 MOEMS 시스템은 바람직하지 않다. 그러한 거울은 상대적으로 높은 속도에서 이동되기에 너무 큰 관성 모멘트를 갖는다. 이는 제작 시간을 저하시킨다. 아울러, 이중 축 MOEMS 거울은 그가 2개의 입사 축들 둘레에서 이동되어야 하는 사실로 인해, 거울 자체의 크기에 있어서 고유한 한계를 갖는다. 그러므로, 또한 레이저 스폿의 크기가 구속을 겪어서, 입체 리소그래피 기계의 비용을 증가시킨다.
제1 양태에 따르면, 본 발명은 입체 리소그래피 기계에 관한 것이고, 입체 리소그래피 기계는,
Figure pct00001
미리 정의된 방사선에 대한 노광을 통해 고화되는 데 적합한 유체 물질을 위한 용기;
Figure pct00002
상기 미리 정의된 방사선의 빔을 방출하는데 데 적절한 레이저 공급원;
Figure pct00003
상기 미리 정의된 방사선에 의해 원하는 벡터 데이터 이미지에 따라 상기 용기 내부에 배열된 기준 표면의 벡터 스캐닝을 수행하도록 구성된 벡터 스캐닝 광학 유닛;
Figure pct00004
상기 기준 표면 상에서 스캐닝되는 이미지를 나타내는 상기 벡터 데이터 이미지를 저장하기 위한 메모리;
Figure pct00005
상기 벡터 데이터 이미지에 따라 상기 기준 표면의 미리 정의된 부분을 상기 방사선에 노광시키는 방식으로 상기 벡터 스캐닝 광학 유닛 및/또는 상기 레이저 공급원을 제어하도록 구성된 로직 제어 유닛
을 포함하고,
상기 벡터 스캐닝 광학 유닛은 상기 미리 정의된 방사선의 이동 경로에 대해 차례로 직렬로 배열된 제1 및 제2 마이크로-광학-전기-기계 시스템(MOEMS: Micro-Opto-Electro-Mechanical System)을 포함하고, 각각의 MOEMS 시스템은,
Figure pct00006
거울에 대해 회전 축(X1, X2)을 정의하도록 구성된 관절(articulation) 수단을 통해 지지 구조물과 관련된 약 2mm와 약 8mm 사이에 포함되는 직경을 갖는 거울;
Figure pct00007
상기 레이저 공급원이 상기 벡터 스캐닝 중에 상기 미리 결정된 방사선을 방출할 때, 상기 기준 표면 상의 상기 레이저 빔의 대응하는 표지 속력이 약 0.5m/s와 약 3m/s 사이에 포함되도록, 상기 거울을 준정적(quasi-static) 방식으로 그리고 소정의 각속력으로 상기 회전 축(X1, X2) 둘레에서 이동시키는 데 적합한 액추에이터
를 포함하고,
Figure pct00008
제1 MOEMS 시스템의 거울의 회전 축은 제2 MOEMS 시스템의 거울의 회전 축으로 입사한다.
즉, 제1 및 제2 마이크로-광학-전기-기계 시스템(MOEMS)들은 순차적으로 제1 및 제2 거울 상으로 입사하는 미리 정의된 방사선의 레이저 빔이 상기 벡터 데이터 이미지에 따른 벡터 스캐닝을 수행하기 위해 상기 2개의 입사 축들 둘레에서의 상기 거울들의 회전의 대응하는 조합을 통해 기준 표면의 지점들로 지향될 수 있는 방식으로, 레이저 공급원 및 용기에 대해 배열된다.
본 발명의 입체 리소그래피 기계 내의 벡터 스캐닝 광학 유닛은 축 둘레에서 액추에이터에 의해 각각 이동되는 2개의 MOEMS 거울을 포함한다. 각각의 MOEMS 거울은 단일 축 둘레에서만 회전 가능하다. 바람직하게는, 각각의 거울의 액추에이터는 정전기 작동 유형 또는 전자기 작동 유형이다. 이러한 작동은 모두 본 기술 분야에 공지되어 있고, 다음에서 추가로 상술되지 않는다. 각각의 MOEMS 거울은 단일 회전 축을 갖지만, 제1 MOEMS 거울의 회전 축은 제2 MOEMS 거울의 회전 축으로 입사하고, 즉 2개의 축들은 서로에 대해 평행하지 않다. 레이저 공급원에 의해 방출되는 레이저 빔은 차례로 연속하여 MOEMS 거울들에 의해, 그 다음 입체 리소그래피 기계 내의 재료의 작업 표면(기준 표면) 상으로 반사되어, 빔 궤적을 "그린다". 이러한 궤적 중에, 레이저 빔의 방사선은 기준 표면이 속하는 액체의 부분을 조사하여, 그러한 부분은 "더 단단해"진다 (중합 또는 경화). 따라서, 기준 표면은 주어진 패턴 또는 이미지에 따라 고화되는 "작업 층"이다. 복수의 작업 표면 또는 층이 3차원 대상을 형성하기 위해 패턴화될 필요가 있다. 예를 들어, 2개의 MOEMS 거울은 기준 표면 위에 위치되고, 포커싱된 레이저 빔은 작업 표면 상으로 수직 하방으로 진행한다. 유리하게는, 2개의 MOEMS 거울들은 이들이 2개의 직교하는 방향에서, 기준 표면 상으로 "스폿"을 형성하는 레이저 빔을 이동시키도록 배열된다. 이러한 벡터 스캐닝은 3차원 대상을 형성하기 위해, 바람직하게는 MOEMS 거울들의 회전 축들 둘 다에 대해 직교하는 수직 축(Z)과 같은 제3 축을 따라 일정 거리만큼 서로로부터 분리된 모든 표면들 또는 층들 상으로 수행된다. 각각의 표면 또는 층은 3차원(3D) 대상을 구현하기 위해 3차원 인쇄의 기술 분야에 공지된 기술에 따라, 상이한 벡터 데이터 이미지에 따라 벡터 스캐닝된다.
레이저 빔에 의해 스캐닝되는 패턴을 형성하는 벡터 데이터 이미지는 작업 표면 내에서 스캐닝되는 이미지에 관한 정보가 포함되어 있는, CAD 파일과 같은 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 처리되는 파일이다 (예를 들어, CAD 프로그램은 .stl 파일을 구현함). 벡터 이미지는 이미지의 외측 또는 외부 경계인 윤곽 또는 경계, 및 3D 물체가 구현되는 액체를 고화시키기 위해 레이저 빔이 통과("스캔")해야 하는 경계의 "내부"를 형성한다.
본 발명에 따르면, 언급된 바와 같이, 레이저 빔은 2개의 MOEMS 시스템을 포함하는 벡터 스캐닝 광학 유닛에 의해 스캐닝된다. MOEMS 또는 마이크로-광학-전기-기계 시스템은 통합된 기계, 광학, 및 전기 시스템을 사용하여 매우 작은 크기의 스케일 상에서 광학 신호를 감지 또는 조작하는 것을 포함하는 마이크로 광학 장치와 병합된 MEMS를 포함한다. 이러한 장치들은 보통 규소, 이산화규소, 질화규소, 및 비소화갈륨 등과 같은 재료를 사용하여 마이크로 광학 장치 및 표준 미세 기계 가공 기술을 사용하여 제조된다. MOEMS는 2가지 주요 기술, MEMS 및 마이크로 광학 장치를 포함한다.
MEMS - 마이크로 전기 기계 시스템은 매우 작은 장치의 기술이다. 바람직하게는, MOEMS는, 예를 들어, 재료 층들의 적층, 광 리소그래피에 의한 패턴화, 및 요구되는 형상을 제작하기 위한 에칭과 같은, 반도체 장치 제조 시의 공정 기술을 사용하여 제조된다.
바람직하게는, 본 발명의 MOEMS 거울은 더 바람직하게는 규소로 구현되는 반사 거울이다. 바람직하게는, 본 발명의 스캐닝 유닛 내의 MOEMS 거울은 CMOS 기술을 사용하여 구현된다.
언급된 바와 같이, 본 출원인은 위에서 언급된 장점에 대해, 벡터 스캐닝 광학 유닛에만 관심이 있다.
2개의 축을 따라 이동 또는 회전 가능한 단일 MOEMS 거울 대신에 단일 축을 따라 각각 이동 가능한 2개의 MOEMS 거울의 선택은 2개의 단일 축 MOEMS 거울의 효율이 2개의 축 둘레에서 회전 가능한 단일 MOEMS 거울의 효율보다 더 높다는 사실에 있다. 2축 MOEMS 거울에서, 거울을 형성하는 "물체"의 영역의 일부는 축방향 이동 전용이다. 그러므로, 점유되는 동일한 영역에 대해, 2축 MOEMS 거울 내에서, 레이저 빔이 충돌할 수 있는 거울의 유효 크기는 단일 축 MOEMS 거울의 경우에서보다 더 작다. 또한, 2축 MOEMS 거울은 단일 축 MOEMS 거울보다 더 무겁고, 따라서 더 높은 각도 관성을 갖는다. 아울러, 단일 축 MOEMS 거울의 치수는 더 양호하게 제어 가능하고, 그의 회전은 더 안정적이며, 이들은 아래에서 상술되는 바와 같은 본 발명에 대한 관련 파라미터들이다.
본 출원인은 또한 2개의 단일 축 MOEMS 거울을 사용하는 벡터 스캐닝 광학 유닛을 획득하기 위해, MOEMS 거울들 각각의 "준정적" 운동이 도입되어야 함을 인식하였다.
MOEMS 거울은 2개의 부류로 나누어질 수 있다: 공진 MOEMS 거울 및 준정적(때때로, 문헌에서 정적 거울 또는 조향식 거울로 불림) MOEMS 거울. 보통, MOEMS 거울은 준정적 모드 또는 공진 모드로 작동하도록 기계적으로 설계된다. 공진 MOEMS 거울은 공진 주파수에서 작동되는 거울이다. 공진 주파수는 물체가 낮은 여기 수준에 대해 매우 큰 반응(진폭 운동 또는 오실레이션)을 보이는 주파수이다. MOEMS 거울에 대해, 이는 스캐닝 진폭이 주어진 작동 수준에 대해 최대인 주파수이다.
준정적 MOEMS 거울은 거울이 그의 기계적 공진 주파수로부터 멀리에서 작동됨을 의미하고, 그러므로 스캐닝 각도와 작동 신호 사이의 관계는 실질적으로 선형이다. 준정적 MOEMS 거울은, 준정적 MOEMS 거울이 회전 가능한 단일 축 둘레에서 작동 신호(예컨대, 전압 신호)와 각도 변위 사이에 선형 관계가 있는 선형 영역 내에서 작동되는 거울이다. 따라서, MOEMS 거울이 놓여서 유지되어야 하는 각도 위치가 공지되면, 거울은 소정의 연속적인 작동 신호를 인가함으로써 그러한 특정 위치를 유지하도록 구동될 수 있다. 전형적으로, 준정적 모드 작동은 정지(거울을 기울이고 위치를 유지함)로부터 수백 Hz까지 이어진다. 이러한 주파수 범위 내에서, 거울은 작동 신호 형상을 따를 것이다. 공진 작동 모드는 MOEMS 거울이 거울의 공진 주파수와 동일한 신호 주파수에 의해 작동되는 모드이다. 거울 스캐닝 진폭이 기계적 공진 주파수에서 증폭되기 때문에, 거울 움직임은 기계식 오실레이터로서 작용할 것이며, 그 다음 사인파 움직임을 따를 것이다(선형 움직임은 따르지 않을 것이다).
본 출원인은 이미지 벡터 데이터 파일 내에 포함된 이미지를 벡터 스캐닝하기 위해 필요한 정밀한 제어를 획득하기 위해, 제어 유닛이 사용되는 MOEMS 거울의 선형 특징에 의존하여, 2개의 MOEMS 거울들이 각각 X1 축 및 X2 축 둘레에서 기울어지는 정밀한 각도가 대응하는 미리 결정된 전압 신호를 보낼 수 있도록, 2개의 준정적 MOEMS 거울이 사용되어야 함을 인식하였다.
이러한 방식으로, 액추에이터에 의해 제1 및 제2 MOEMS 거울로 보내지는 신호 또는 신호들의 쌍(제어 유닛에 의해 방출되는 대응하는 신호에 의해 도출되는 신호)에 대한 정밀한 제어가 가능하고, 2개의 MOEMS 거울들이 위치되는 제1 각도와 제2 각도가 관련되고 (각각의 MOEMS 거울은 그의 축(X1 또는 X2) 둘레에서, 액추에이터/제어 유닛에 의해 보내진 신호에 의해 값이 결정되는 특정 각도로 기울어짐), 따라서 스캐닝되는 기준 표면 내의 정밀한 공간적 지점은 또한 그러한 신호 또는 신호들의 쌍에 관련된다.
벡터 스캐닝이 수행되는 사실로 인해, 복합 경로 또는 궤적이 이미지 데이터 내에 존재하는 이미지에 대응하는 스캐닝 광학 장치에 의해 기준 표면 상으로 레이저 빔을 안내하여 획득될 수 있다. 레이저 빔에 의해 제1 지점으로부터 제2 지점으로 기준 표면 상으로 주어진 경로를 스캐닝하기 위한 시간은 MOEMS 거울의 각속도, 즉, 빔이 제1 지점으로부터 주어진 속도로 제2 지점을 향해 이동되도록, 제1 지점이 관련되는 거울들의 위치(즉, 각도)를 기준 표면 내의 새로운 지점이 관련되는 새로운 위치(즉, 새로운 각도)로 변화시키기 위한 거울의 속도에 의존한다. 이하의 내용으로 인해, 모든 속도가 사용될 수 있는 것은 아니다.
래스터 스캐닝에서, 거울의 "높은 속력"과 표면 상으로의 빔의 "높은 속력"으로 인해, 레이저 빔은 보통 그가 높은 속력으로 서로에 대해 실질적으로 평행한 "선"들로 표면의 부분을 스캐닝하기 때문에, 한번을 초과하여 표면의 동일한 부분(들)을 스캐닝한다. 이러한 유형의 스캐닝을 위해, 레이저 공급원은 극도로 강력하거나 (이는 대체로 회피됨), 용기 내의 액체를 적절하게 고화시키기 위해, 1회를 초과하는 레이저 통과가 필요하다.
본 출원인은 입체 리소그래피 기계에 적용되는 벡터 스캐닝에서, 한편으로 스캐닝의 신속한 실행을 위한 요건들을 균형잡고, 다른 한편으로 이미지의 동일한 부분의 1회 (또는 매우 드물게만 1회 초과의) "고화"(즉, 레이저는 1회만 동일한 패턴을 "그림")로 가능한 한 제한하기 위한 최적의 해결책으로서, 단일 축 MOEMS 거울의 이동에 대한 특정 각속도 범위가 선택되는 것을 인식하였다. 실제로, 더 강력한 레이저 공급원이 또한 더 높은 속도로 이동되는 거울과 함께 작동하지만, 본 발명의 입체 리소그래피 기계는 고출력 고가의 레이저가 바람직하게는 사용되지 않는 상대적으로 "저가인" 시장을 겨냥한다. 따라서, MOEMS 거울의 각속도는 작동 또는 기준 표면 상으로의 레이저 빔의 "스위핑(sweeping)" 속력이 중합 또는 고화가 주어진 패턴을 따른 레이저 빔의 단일 "스위프" 내에서 가능한 간격 내에 포함되는 방식으로 선택된다.
거울의 본 발명에 따른 이러한 특정 각속도를 사용하여, 기준 표면 내에서의 레이저 빔의 대응하는 레이저 속도는 상기 레이저 공급원이 벡터 스캐닝을 수행할 때 약 0.5m/s와 약 3m/s 사이에 포함되고, 이에 대해 레이저 빔에 의한 실질적인 1회 "그리기"에서의 정밀 고화와 제조 속도 사이의 원하는 절충이 획득된다. 즉, 거울은 대응하는 레이저 빔 속도가 0.5m/s - 3m/s의 간격 내에 있는 각속도에서 이동하는 방식으로 작동된다. 기준 표면 상으로의 이러한 레이저 속도는 스캐닝 광학 장치와 표면 자체 사이의 거리 및 MOEMS 거울의 각속도에 의존한다. 기준 표면 상으로의 원하는 레이저 속도, 즉 기준 표면 상으로 이동하는 레이저 빔의 속도가 주어지면, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 입체 리소그래피 기계의 구성 특징에 의존하여, MOEMS 거울이 기울어져야 하는 각속도를 도출할 수 있다. 이러한 "스위핑" 속도는 레이저 빔이 관심 기준 표면을 스캐닝하고 용기 내에 포함된 액체의 경화를 수행하는 속도를 표시하는 "표지 속도(marking velocity)"로 불린다.
여전히 본 발명의 입체 리소그래피 기계의 가격을 상대적으로 낮게 유지하기 위해, 또한 제1 및 제2 MOEMS 시스템의 각각의 단일 축 MOEMS 거울들의 치수가 관련된다. 너무 넓은 거울은 대형 기계의 구현 및 거울 자체의 불안정성을 일으킨다. 몇몇 경우에, 거울은 상대적으로 클 수 있고, 따라서 상당한 기계적 관성을 가질 수 있다. 결과적으로, 스캐닝 거울을 그의 최고의 원하는 속력으로 가속하는 것은 상당한 기간이 걸릴 수 있다. 거울의 유한 가속 기간을 무시하는 것은, 몇몇 경우에, 레이저 스폿의 허용 불가능하게 큰 이후의 오차로 이어질 수 있음이 발견되었다.
너무 작은 거울의 치수는 레이저 공급원에 의해 방출되는 사용되어야 하는 방사선 빔에 대해 엄격한 제한을 부여한다. 따라서, 본 출원인은 이러한 경우에, 적합한 절충은 약 2mm와 약 8mm 사이에 포함되는 MOEMS 거울 직경임을 발견하였다. 본 문맥에서, "직경"이라는 용어는 원형 거울뿐만 아니라, 다른 거울의 기하학적 형상을 지칭한다. 이러한 후자의 경우에, 직경은 MOEMS 거울의 회전 축에 대해 직교하는 방향에서의 최대 치수이다.
MOEMS 거울의 이러한 치수는 기준 표면 상으로의 레이저 빔 속도가 어렵지 않게 약 0.5m/s와 약 3m/s 사이에 포함되도록 이러한 MOEMS 거울이 이동해야 함을 고려하여 선택된, 즉 선택되는 속도에 맞춰진다.
본 발명은 위에서 언급된 양태에 따르면, 다음의 특징들 중 하나 이상을 대안으로서 또는 조합하여 포함할 수 있다.
유리하게는, 상기 액추에이터는 상기 이미지의 스캐닝을 위해 상기 기준 표면 내에서의 위치를 변화시키기 위해, 상기 레이저 공급원이 상기 미리 결정된 방사선을 방출하지 않을 때, 상기 기준 표면 상에서의 상기 레이저 빔의 대응하는 위치 설정 속력이 약 8m/s와 약 10m/s 사이에 포함되도록 상기 회전 축(X1, X2) 둘레에서 상기 제1 및/또는 상기 제2 MOEMS 시스템의 상기 거울을 소정의 각속력으로 이동시키도록 구성된다.
스캐닝되어 파일 내에 저장되는 이미지는 연속적인 형상, 즉 단일 폐쇄 경계 내에 구속된 단일 형태, 또는 분리된 폐쇄 경계들에 의해 한정된 복수의 분리된 형상을 형성할 수 있다. 레이저 빔이 상이한 분리된 형상들을 스캐닝하기 위해, 빔은 스캐닝을 다시 시작하기 위해, 하나의 위치로부터 다른, 흔히 상대적으로 먼 위치로 이동해야 한다. 다양한 형상들 사이의 거리는 MOEMS 거울들의 재위치를 요구하기에 충분히 길 수 있다. 그러므로, 스캐닝되는 형상(들)의 제1 부분으로부터, 제1 부분으로부터 먼 스캐닝되는 형상의 다른 제2 부분으로의 재위치 및 이동의 과정에서, 레이저는 꺼지고, MOEMS 거울들은 이동된다. 재위치의 이러한 이동은 바람직하게는 레이저의 "스위핑"이 수행되는 레이저 속력 - 표지 속력에 대응하는 각속력보다 더 높은 속력에서 수행되고, 더 바람직하게는, 이러한 각속력은 레이저 빔이 레이저가 꺼지는 기준 표면 상의 최종 지점과 레이저가 다시 켜지는 표면 상의 새로운 지점 사이에서 이동하는 대응하는 속도가 약 8m/s와 약 10m/s 사이에 포함되도록 되어 있다. 바꾸어 말하면, 재위치 속력은 레이저 빔이 꺼지지 않은 것과 같이 계산된다. 기준 표면 상에서의 레이저 빔의 이러한 속력은 "위치 설정 속력"으로 불리고, 이는 레이저가 연속적으로 켜져 있는 것과 "같은" 이러한 2개의 지점들 사이에서의 레이저 빔의 속력이다. 그러나, 레이저 빔은 레이저 방사선을 받지 않아야 하는 표면의 부분들의 중합을 회피하기 위해 꺼진다.
표지 속력에 관하여, 레이저의 위치 설정 속력은 거울 상에서의 각속력 및 스캐닝 광학 장치와 기준 표면 사이의 거리에 의존한다.
유리하게는, 상기 제1 및 제2 마이크로-광학-전기-기계 시스템의 상기 2개의 회전 축(X1, X2)들은 상호 직교한다.
즉, 바람직하게는, 제1 MOEMS 시스템의 거울은 X 축 둘레에서 회전하고, 제2 MOEMS 시스템의 거울은 Y 축 둘레에서 회전하여, 2개의 거울들의 회전의 조합은 레이저 빔이 액체 재료의 (X, Y) 표면 내의 임의의 위치에 도달하도록 허용한다.
바람직한 실시예에서, 상기 레이저 공급원은 약 405nm±10nm 사이에 포함되는 파장에서 상기 미리 정의된 방사선을 방출하도록 구성된다.
상이한 레이저 공급원들이 3D 인쇄 기계 내에서 사용될 수 있다. 본 발명에서, 레이저 공급원의 상당히 "특이한" 파장, 즉, 보라색 영역 내에서 방출할 수 있는 레이저 공급원이 사용된다. 이러한 레이저는 "청색" 레이저로서 분류된다. 이러한 파장에서의 레이저는 여전히 UV 범위 내에 있는 상이한 파장에서의 방사선 빔을 방출하는 데 적합한 레이저보다 대체로 더 저렴하다. 아울러, 광학 장치를 위한 거울의 코팅 또한 이러한 요구되는 파장에서의 충돌 방사선과 함께 작동해야 할 때 더 저렴하다.
바람직하게는, 상기 레이저 공급원은 약 10mJ/cm2과 약 200mJ/cm2 사이에 포함되는 기준 표면에서의 방사 조도를 갖는 상기 미리 정의된 방사선을 방출하도록 구성된다.
언급된 바와 같이, 그러한 미리 정의된 방사선에서의 레이저 빔의 출력은 액체 재료가 그가 스캐닝될 때, 즉 레이저 빔 방사선을 받을 때, 고형화되도록 액체 재료를 중합하기에 충분히 높지만, 레이저 공급원의 비용이 그러한 고가의 레이저를 포함하는 3D 프린터의 상용화를 저해할 정도로 너무 높아지지 않도록 높지 않아야 한다. 본 출원인은 요구되는 출력의 범위가 2개의 상반되는 필요를 고려할 때 양호한 절충이라는 것을 발견하였다. 그러나, 바람직하게는, 출력이 아닌 방사 조도가 조절되고 고정된다. 용기 내의 기준 표면에서의 광량은 강도 단위 또는 에너지 단위로 정의된다. 방사 조도라는 용어에 의해 설명되는, 기준 표면에서의 광 강도는 레이저의 출력의 이러한 값이 용기 내에 포함된 액체를 중합할 수 있는 지를 결정하기 위한 관련 값인, 순간 노광의 척도이다.
바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 입체 리소그래피 기계는 상기 레이저 공급원 및 직렬로 배열된 상기 제1 및 제2 마이크로-광학-전기-기계 시스템(MOEMS)을 수용하는 밀봉된 용기를 포함하고, 상기 밀봉된 용기는 상기 방사선이 상기 용기를 빠져나갈 수 있도록 상기 미리 결정된 방사선에 대해 투명한 재료로 구현되는 창을 포함한다.
본 출원인은 레이저 방사선, 특히 약 405nm±10nm의 요구되는 파장에서의 레이저 방사선이 MOEMS 거울 상으로 적층될 수 있는 "찌꺼기" 또는 임의의 이물질로 인한 잠재적인 문제점을 일으킬 수 있음을 발견하였다. 관심 파장에서의, 단순히 먼지일 수 있는 이러한 외래 입자 또는 물질은 MOEMS 거울(들)의 손상이 발생할 때까지, MOEMS 거울 자체의 온도를 증가시킬 수 있는 정전기 전하의 축적을 일으킨다. 이러한 손상은 거울(들)의 세척에 의해 회피될 수 있지만, MOEMS 거울의 치수 및 기술적 특징은 그의 단순하고 용이한 세척을 허용하지 않는다. 그러므로, 본 출원인은 바람직하게는 외래 입자들이 용기의 밀봉 벽에 의해 차단되어, 거울 상으로 우발적으로 적층될 수 없도록 레이저 공급원 및 MOEMS 거울 둘레의 밀봉된 용기를 구현하였다.
유리하게는, 각각의 상기 마이크로-광학-전기-기계 시스템(MOEMS)의 상기 액추에이터는 전자기 유형 또는 정전기 유형이고, 상기 로직 제어 유닛에 의해 방출되는 제어 신호를 수신하고 상기 각도 위치를 나타내는 값을 갖는 것에 응답하여 거울을 각도 위치에 배열하는 방식으로 상기 거울을 상기 축(X1, X2) 둘레에서 회전시키도록 구성된다.
액추에이터는 거울에 지시하고, 거울이 회전되어야 하는 각도를 고정한다. 언급된 바와 같이, 액추에이터는 바람직하게는 전자기 유형 또는 정전기 유형일 수 있다.
바람직하게는, 상기 로직 제어 유닛은 상기 기준 표면 상에서의 상기 방사선의 입사 지점이 상기 이미지 데이터에 따라 상기 미리 정의된 부분을 완전히 덮는 연속적인 궤적을 형성하도록, 상기 제1 및 제2 마이크로-광학-전기-기계 시스템 둘 다의 상기 거울을 이동시키도록 구성된다.
3D 대상의 각각의 층에 대한 벡터 데이터 이미지는 폐쇄 경계에 의해 한정된 단일 부분에 의해 또는 복수의 분리된 부분들에 의해 형성될 수 있음을 이해하여야 한다. 이러한 후자의 경우에, 레이저는 하나의 부분으로부터 분리된 부분으로 이동할 때, 꺼진다. 레이저는 수지가 중합되어야 하는 곳에서만 패턴을 그리고; 그 다음 이는 중합되는 벡터 이미지의 2개의 분리된 부분들로부터, 꺼진 채로 위치 설정 속력으로 "점프"할 수 있다. 이러한 공정은 이미지의 중합되지 않아야 하는 부분들을 "스위핑"할 필요가 없기 때문에, 래스터 스캐닝보다 더 빠르다.
바람직하게는, 상기 광학 유닛은 상기 기준 표면 상에서 상기 방사선을 포커싱하도록 구성된 적어도 하나의 렌즈를 포함한다.
더 바람직하게는, 상기 적어도 하나의 렌즈는 플랫 필드 스캐닝 렌즈를 포함한다.
플랫 필드 스캐닝 렌즈는 편향된 레이저 빔의 초점 평면이 편평 표면인 특수화된 렌즈 시스템이다.
유리하게는, 상기 유체 물질은 경화성 수지를 포함한다. 더 바람직하게는, 이러한 수지는 (메트)아크릴레이티드 단량체 및/또는 소중합체를 포함한다. 훨씬 더 바람직하게는, 그러한 수지는 광개시제 및/또는 착색제 및/또는 충진제를 추가로 포함한다.
이러한 특징을 갖는 이러한 경화성 수지는 위에서 요구된 파장 범위(예컨대, 약 405nm±10nm) 내의 방출을 갖는 레이저를 사용하여 경화될 때 특히 잘 작용한다.
유리하게는, 상기 레이저 공급원은 상기 레이저 공급원에 의해 방출되는 상기 미리 정의된 방사선의 출력을 변경하기 위한 전력 제어부를 포함하고, 상기 전력 제어부는 상기 로직 제어 유닛에 연결되고, 상기 로직 제어 유닛은 상기 기준 표면 상에서의 상기 방사선 빔의 위치에 의존하여 상기 방출되는 출력을 변화시키는 데 적절하다.
기준 표면 상에서 미리 결정된 노광(즉, 단위 면적당 에너지) 패턴을 전달하는 것이 대체로 필요하다. 가장 단순한 경우에, 바람직한 노광 패턴은 스캐닝되는 이미지를 한정하는 경계 내부에서의 일정한 노광 및 이러한 경계 외부에서의 0의 노광이다. 그러나, 많은 실질적인 경우에, 바람직한 노광 패턴은 균일한 패턴은 아니다. 예를 들어, 노광 영역의 경계에서의 더 높은 노광이 흔히 유익할 것이다. 이러한 목적으로, 최적의 노광을 가능한 한 근접하게 달성하기 위해 레이저 출력 제어부에 의해 레이저 출력을 조절하는 것이 필요하다.
레이저 출력 제어부는 기준 표면에서의 레이저 빔의 방사 조도를 약 10mJ/cm2과 약 200mJ/cm2 사이에 포함되어 유지되도록 제어한다. 또한, 스캐닝되는 패턴의 "중심"에서, 레이저 빔의 방사 조도는 바람직하게는 그의 경계에서와 상이하다.
바람직한 실시예에서, 상기 출력 제어부는 상기 레이저 공급원에 의해 방출되는 상기 미리 정의된 방사선의 빔의 크기를 변경하기 위한 크기 제어부를 포함하고, 상기 크기는 상기 방사선의 이동 방향에 대해 직교하는 평면을 따른 단면 내에서 측정된다.
빔 크기는 바람직하게는 스캐닝되는 이미지의 크기, 또는 이미지의 일부의 크기(예를 들어, 이미지는 하나의 방향에서 매우 작은 치수를 갖는 부분들을 포함할 수 있음)에 의존하여 변화된다. 레이저 빔의 출력 및 크기는 함께 제어되고, 출력이 높을수록, 빔의 크기는 더 크다. 매우 작은 크기의 레이저 빔으로 전체 이미지를 스캐닝하는 것은 긴 처리 시간을 요구한다. 그러므로, 빔 크기 제어기에 의해 빔의 치수를 변화시키는 것이 바람직하다.
상기 목적 및 장점은 아래에서 강조되는 다른 것들과 함께, 첨부된 도면을 참조하여 비제한적인 예에 의해 제공되는 본 발명의 몇몇 바람직한 실시예의 다음의 설명으로부터 명백할 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 구현된 입체 리소그래피 기계를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 입체 리소그래피 기계의 세부를 도시한다.
도 3은 도 1의 입체 리소그래피 기계의 다른 도면을 도시한다.
도 4는 본 발명에서 사용되는 MOEMS 거울의 인가되는 전압에 대한 응답(기울임 각도)의 선형 부분의 그래프를 도시한다.
도 1 및 도 3에서 1에 의해 전체적으로 표시된, 본 발명의 보호 대상인 입체 리소그래피 기계는 (도 3에서 보이는) 복수의 층들이 서로 중첩되는 공정을 통해 3차원 대상(16)을 제작하는 것을 가능케 하고, 상기 층들은 유체 물질(15)의 그를 고화시키는 데 적합한 미리 정의된 방사선(3a)에 대한 선택적인 노광을 통해 얻어진다.
바람직하게는, 상기 유체 물질(15)은 감광 액체 수지이다. 바람직하게는, 이러한 수지는 UV 범위 내의 방사선을 사용하여 경화 가능한 중합체 수지이다. 바람직하게는, 수지는 추가의 광개시제(들), 및/또는 착색제(들), 및 몇몇 경우에, 충진제(들)을 또한 포함하는 (메트)아크릴레이티드 단량체 및/또는 소중합체를 포함한다.
유체 물질을 노광시키기 위한 방사선은, 바람직하게는 보라색 파장(예컨대, 405nm±10nm)의 파장 범위 내의 방사선을 방출하는 레이저 공급원(3)에 의해 방출된다. 위에서 언급된 수지는 주어진 방사 조도의 레이저 빔이 그 위에 충돌할 때 고화된다. 바람직하게는, 물질 또는 수지(15)의 경화는 약 10mJ/cm2과 약 200mJ/cm2 사이에 포함되는 방사 조도에 대해 발생한다.
입체 리소그래피 기계(1)는 상기 유체 물질(15)을 위한 용기(2), 및 대상이 수직 이동 축(Z)에 따라 이동하도록 형성되고 이동되는, 대상(16)을 지지하는 데 적합한 모델링 플레이트(17)를 포함한다.
기계(1)는 유체 물질(15)에 의해 점유되는 체적의 수준에서, 용기(2) 내부에 배열된 기준 표면(5)의 임의의 지점을 향해, 레이저 공급원(3)에 의해 방출되는 방사선(3a)을 지향시키는 데, 즉 레이저 빔을 지향시키는 데 적합한 벡터 스캐닝 광학 유닛(4)을 또한 포함한다.
바람직하게는, 상기 기준 표면(5)은 평면을 형성하고, 그가 용기(2)의 바닥(2a)에 인접하도록 배열된다.
이러한 경우에, 벡터 스캐닝 광학 유닛(4)은 미리 정의된 방사선(3a)을 그가 바닥(2a) 상으로 입사하도록 바닥으로부터 상부로 지향시키는 방식으로 구성된다. 또한, 바닥(2a)은 바람직하게는 방사선이 상기 유체 물질(15)을 고화시키기 위해 바닥 자체에 근접하여 위치된 유체 물질(15)과 부딪힐 수 있도록 방사선(3a)에 대해 투명하다.
본 발명의 이러한 실시예에 따르면, 3차원 대상(16)은 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 모델링 플레이트(17) 아래에서 만들어진다.
본 발명의 변경 실시예(도 3 참조)에 따르면, 광학 유닛(4)은 용기(2) 내에 존재하는 유체 물질(15)의 자유 표면 상에서 방사선(3a)을 상부로부터 바닥으로 지향시키는 방식으로 구성된다. 이러한 경우에, 대상은 모델링 플레이트(17) 위에서 만들어진다.
작동 시에, 기계(1)는 수지(층)의 코팅의 형성, 및 대상, 특히 3D 대상을 형성하기 위한 이러한 층들의 특정 부분들에서의 고화를 포함한다. 공정은 플랫폼(17)이 수지의 상부 표면 아래에 하나의 층 두께로 침지된 채로 시작되는 것으로 관찰될 수 있다. 수지의 코팅은 그 다음 공급원(3)에 의해 방출되는 레이저 빔에 의해 미리 결정된 패턴에 따라 중합된다. 이러한 초기 층은 형성되는 3D 대상의 초기 단면에 대응한다. 이러한 제1 층 내에서의 원하는 패턴의 초기 형성 후에, 플랫폼(17)은 Z 축을 따라 이동되고, 새로운 양의 수지의 층 두께가 형성된다. 이러한 새로운 층의 형성 후에, 새로운 노광이 상이한 패턴에 따라 발생한다.
레이저 공급원에 의해 방출되는 레이저 빔(3a)의 위치는, 예를 들어, 레이저 빔이 목표 또는 기준 표면(5)에 충돌할 때 레이저 빔(3a)의 방향을 제어하기 위해 포함된 벡터 스캐닝 광학 유닛(4)을 제어하는 컴퓨터일 수 있는 제어 회로(6)에 의해 결정된다. 본 발명의 이러한 바람직한 실시예에서, 제어 유닛(6)은 스캐닝 광학 장치(4)를 위한 제어 마이크로 프로세서를 포함하고, 제작되고 있는 3D 대상의 치수를 한정하기 위한, 슬라이스-바이-슬라이스(slice-by-slice) 형태의 데이터 베이스를 저장하기 위한 시스템을 추가로 포함한다. 이러한 데이터 베이스는 상이한 단면 또는 층들 내에서 생성되는 패턴 또는 이미지가 저장되는 CAD 프로그램에 의해 형성된 파일과 같은 이미지 파일을 포함한다. 개인용 컴퓨터와 같은 종래의 개인용 컴퓨터 워크스테이션이 본 발명의 바람직한 실시예에서 제어 유닛(6)으로서 사용하기에 적합하다. 제어 유닛(6)은 현재의 층 내에서 제작되는 3D 대상의 단면에 따라 광학 유닛(4)에 의해 목표 표면(5)을 가로질러 레이저 빔(3a)을 지향시키기 위한 신호를 발생시킨다.
제어 유닛(6)은 바람직하게는 제어 유닛(6) 자체 상에서 작동하며, 예를 들어, 또한 Z 방향 상에서의 플랫폼(17)의 이동을 제어할 수 있는 소프트웨어에 의해 작동된다.
또한, 제어 유닛(6)은 내부에 담긴 수지를 경화시키기 위해, 켜져 있을 때 레이저 공급원(3a)에 의해 전달되는 출력의 원하는 수준, 특히 표면(5) 상에서의 원하는 방사 조도를 표시하기 위한 레이저 출력 제어 시스템(150)으로의 신호를 발생시킨다. 아울러, 이는 바람직하게는 또한 수지의 현재의 층에 대한 3D 대상의 슬라이스의 데이터 베이스 표현에 따라 레이저 공급원(3)이 켜지거나 꺼지는 시간을 표시하는 신호를 발생시킨다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제어 유닛(6)은 전달되는 순간 출력에 대응하는 레이저(3)로의 시변 신호를 생성하도록 레이저 출력 제어 시스템(150)을 제어한다. 제어는 아날로그 제어이거나 또는 펄스-폭-변조 제어에 의할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스캐닝 광학 장치(4) 및 레이저 출력 제어 시스템(150)은 레이저 에너지에 대한 수지의 원하는 노광을 달성하기 위해 레이저 빔의 벡터 스캐닝 및 레이저 공급원(3)의 출력을 제어한다.
아울러, 레이저 출력 제어 시스템(150)은 레이저 공급원(3)에 의해 방출되는 레이저 빔(3a)의 크기를 제어한다. 바람직하게는, 레이저 출력 및 레이저 빔 크기가 독립적이지 않게 제어되고, 즉, 레이저 빔의 출력은 또한, 바람직하게는 비례식으로 레이저 빔의 크기에 영향을 미친다.
본 발명에 따르면, 벡터 스캐닝 광학 유닛(4)은 집적 회로 기술의 분야에서 "MOEMS"라는 약어로 공지되어 있는 제1 및 제2 마이크로-광학-전기-기계 시스템(7, 8)을 포함한다. 공지된 바와 같이, MOEMS 장치는 집적 회로의 제작을 위해 마이크로일렉트로닉스에서 사용되는 동일한 기술을 사용하여, 예를 들어, 고체 적층, 광리소그래피, 각인 등을 통해 만들어진다.
가능한 실시예가 제한이 없이 예시적으로 도 2에 개략적으로 표현되어 있는 상기 제1 및 제2 마이크로-광학-전기-기계 시스템(7, 8) 각각은 각각의 마이크로-광학-전기-기계 시스템(7, 8)에 대해, 구조물(10)에 대한 거울(9)의 (직교 축(X, Y)과 같은) 회전 축(X1, X2)을 정의하도록 구성된 관절 수단(11)을 통해 지지 구조물(10)과 관련된 미세 거울(9), 바람직하게는 반사 거울을 포함한다.
도 1에서 관찰될 수 있는 바와 같이, 상기 2개의 마이크로-광학-전기-기계 시스템(7, 8)은 레이저 공급원(3)으로부터 유래한 방사선(3a)이 제1 마이크로-광학-전기-기계 시스템(7)의 거울(9) 및 제2 마이크로-광학-전기-기계 시스템(8)의 거울(9) 상으로 순차적으로 입사하도록, 차례로 직렬로 배열된다.
본 발명에 따르면, 2개의 마이크로-광학-전기-기계 시스템(7, 8)은 상기 제2 마이크로-광학-전기-기계 시스템(8)으로부터 유래한 방사선(3a)이 각각의 축(X1, X2) 둘레에서의 양 거울(9)의 회전의 대응하는 조합을 통해 상기 기준 표면(5)의 각각의 지점을 향해 지향될 수 있는 방식으로, 레이저 공급원(3) 및 용기(2)에 대해 배열된다.
특히, 2개의 마이크로-광학-전기-기계 시스템(7, 8)은 2개의 회전 축(X1, X2)들이 바람직하게는 서로에 대해 직교하는 방식으로, 공급원(3)과 기준 표면(5) 사이에 배열된다.
각각의 상기 2개의 마이크로-광학-전기-기계 시스템(7 또는 8)은 거울(9)을 다른 마이크로-광학-전기-기계 시스템(7 또는 8)의 거울(9)에 대해 독립적인 방식으로 그 자신의 축(X1 또는 X2) 둘레에서 이동시키는 데 적합한, 자체가 공지되어 있는 유형의 액추에이터(12)를 또한 포함한다.
상기 액추에이터(12)는 바람직하게는 전자기 유형 또는 정전기 유형이다.
액추에이터(12)는 특히 거울(9)이 준정적 방식으로 기울어져야 하는 위치, 즉 각도를 설정하기 위해 제어 유닛(6)에 의해 제어된다. 아울러, 액추에이터(12)는 그가 거울(9) 상으로 거울의 각각의 회전 축(X1, X2) 둘레에서 부여하는 이동 또는 각속도가 레이저 빔에 의해 구현되며 벡터 데이터 파일과 같은 데이터 베이스 내에 저장되는 패턴의 데이터에 따라 결정되도록, 제어 유닛(6)에 의해 제어된다. 거울(9)이 이동하도록 명령을 받는 이러한 각속도는 벡터 스캐닝 중의 표면(5) 상으로의 레이저 빔의 속도가 약 0.5m/s와 약 3m/s 사이, 바람직하게는 약 1.5m/s와 약 2.5m/s 사이에 포함되도록 되어 있다. 아울러, 액추에이터(12)는 거울(9)의 각각의 이동이 거울 자체의 작동 공간의 선형 영역 내에서 수행되는 방식으로 거울(9)을 제어하도록 되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 거울(9)은 전압 신호를 받을 때, 그러한 전압 신호의 값(크기)에 의존하여 그의 회전 축(X1 또는 X2)에 대해 기울어진다. 즉, 기울임 크기는 명령 신호의 전압 진폭에 선형으로 의존한다. 준정적 계획으로 작동하기 위해, 액추에이터는 전압 진폭과 거울이 기울어지는 각도 사이에 선형 대응이 있는 작동 공간 내에서 거울이 작동하도록 거울에 신호를 보낸다.
이동하는 각각의 상기 마이크로-광학-전기-기계 시스템(7, 8)의 거울(9)을 설정하는 액추에이터(12)에 관하여, 이는 그가 로직 제어 유닛(6)에 의해 보내지고 거울(9)이 취해야 하는 각도 위치를 나타내는 제어 신호의 값에 기초하여 상기 거울(9)을 축(X1 또는 X2) 둘레에서 회전시키도록 구성된다.
제1 및 제2 MOEMS 시스템(7, 8)의 각각의 거울(9)은 약 2mm와 약 8mm 사이에 포함되고 바람직하게는 약 2.5 - 4.5mm인 그들 각각의 회전 축(X1, X2)에 대해 직교하는 축을 따른 치수를 갖는다.
바람직하게는, 각각의 마이크로-광학-전기-기계 시스템(7, 8)의 거울(9) 및 지지 구조물(10)은 단일편으로 획득되고, 관절 수단(11)에 속하는 대응하는 연결 영역(13)을 통해 서로 연결되고, 지지 구조물(10)에 대한 거울(9)의 회전을 허용하는 방식으로, 회전 축(X1 또는 X2)에 따라 탄성적으로 항복하기에 충분히 얇다.
특히, 각각의 상기 연결 영역(13)은 장치의 파일럿 전압에 의존하는 정도로 변형될 수 있는 비틀림 스프링으로서 작동한다.
명백하게, 본 발명의 변경 실시예에서, 마이크로-광학-전기-기계 시스템(7, 8)들은 이들 각각에 대해, 대응하는 거울(9)이 지지 구조물(10)에 대해 하나의 축 둘레에서 회전할 수 있으면, 임의의 형상으로 만들어질 수 있다.
특히, 로직 제어 유닛(6)은 레이저 방사선(3a)이 하나 이상의 연속적인 궤적을 따라서, 데이터 베이스 내의 벡터 데이터에 따라, 만들어지는 대상(16)의 층에 대응하는 미리 정의된 부분 내부에 들어가는 방식으로, 2개의 마이크로-광학-전기-기계 시스템(7, 8)의 양 거울(9)을 이동시키는 방식으로 구성된다.
제어 유닛(6)은 액추에이터(12)에 거울(9)을 준정적 방식으로 이동시키도록 명령하고, 즉, 벡터 스캐닝 유닛은 레이저 빔이 표면(5) 내에서 "벡터" 경로를 수행하고, 보내지는 신호와 거울이 위치되는 각도 사이의 관계가 실질적으로 선형이 되도록, 거울을 이동시킨다.
바람직하게는 그러나 필수적이지는 않게, 상기 이동은 표면(5)의 미리 정의된 부분을 전체적으로 덮는 하나의 연속적인 궤적에 따라 발생한다.
레이저 공급원(3)이 켜지고, 벡터 데이터 이미지 파일에 따라 중합되는 패턴 또는 이미지(들)의 경계 내부에서만 표면(5)을 조사한다. 레이저 빔(3a)은 표면(5) 상으로 "벡터", 즉 궤적에 따라 이동한다. 레이저 공급원(3)은 그러한 궤적이 중합되는 수지의 부분, 즉, 고화되는 표면(5)의 부분의 경계 내에 포함된 수지와 만날 때에만 켜진다. 중합되는 이러한 영역 또는 부분 외부에서, 레이저는 꺼지고, 즉, 레이저가 재위치되어야 하고, 레이저 빔이 중합되지 않는 표면(5)의 영역 내에서의 재위치 중에 스위핑되면, 레이저가 꺼지는 것이 바람직하다.
레이저 공급원(3)의 출력은 벡터 데이터 이미지에 따라 중합되는 부품 또는 부분의 경계 내부에서 증가된다. 출력의 그러한 증가는 대체로 레이저 빔 자체의 치수, 즉, 레이저 빔의 이동 방향에 대해 직교하는 평면을 따른 단면의 치수의 증가를 의미한다.
레이저 빔 크기의 그러한 증가는 레이저 빔의 더 적은 개수의 "스위핑" 경로 또는 궤적이 관심 층 내에서 중합되는 부분의 경계 내부의 모든 영역을 미리 정의된 레이저 방사선(3a)으로 덮기 위해 필요함을 의미한다. 아울러, 바람직하게는, 레이저 빔이 중합되는 이미지 데이터에 의해 한정된 부분의 외부 경계에 가까워질 때, 표면(5) 상으로의 레이저 빔의 속도 또는 속력은 원하는 스캐닝 속력(= 표지 속력)인 약 0.5m/s와 약 3m/s 사이의 선택된 속력으로 유지되지만, 레이저 공급원(3)의 출력은 감소된다. 이러한 방식으로, 또한 레이저 빔 크기는 감소되고, 더 정확한 중합이 중합되는 이미지의 경계에서 수행될 수 있다.
레이저 빔의 속도는 레이저가 재위치될 때에만, 즉, 표면(5)의 상이한 영역이 중합될 필요가 있을 때 표지 속력으로부터 변화되고, 예를 들어 이는 표면(5) 내의 중합되는 이미지가 표면(5) 상으로의 레이저 빔(3a)의 연속적인 선 또는 궤적에 의해 접합될 수 없는 분리된 부품들 또는 부분들을 포함하기 때문이다.
레이저를 재위치시키는 속력은 약 8m/s와 약 10m/s 사이에 포함되는 속력과 동일하고, 즉 이러한 속력은 레이저 빔이 여전히 켜져 있는 바와 같이 계산되고, 기준 표면(5) 상으로의 빔의 스폿의 속력이 계산된다. 그러나, 레이저 재위치 시에, 레이저 공급원은 꺼진다.
바람직하게는, 표면(5) 상으로의 레이저 빔의 크기는 15㎛와 300㎛ 사이에 포함된다.
위에서 설명된 마이크로-광학-전기-기계 시스템(7, 8)들 각각은 바람직하게는 핀을 수용하는 방식으로 구성된 대응하는 커넥터 또는 소켓을 구비하고, 또한 집적 회로가 기계(1)에 기계식으로 고정되도록 허용하는 데 적합한, 기계(1)로의 전기적 연결을 위한 핀을 구비한 집적 회로에 속한다.
바람직하게는, 상기 커넥터 또는 소켓은 낮은 삽입력을 갖는 유형이다.
본 발명의 변경 실시예에서, 마이크로-광학-전기-기계 시스템(7, 8)은 커넥터 또는 소켓의 사용을 회피하여, 지지 전자 회로 상으로 직접 용접될 수 있다.
도면에서 표현되지 않은 변경 실시예에서, 마이크로-광학-전기-기계 시스템(7, 8)들은 마이크로-광학-전기-기계 시스템(7, 8)에 의해 반사된 미리 정의된 방사선(3a)이 용기 외부로 빠져나가도록 허용하는 방식으로 배열된 투명 창을 포함하는 단일 기밀 밀봉된 용기 내부에 배열된다.
유리하게는, 상기 기밀 밀봉된 용기는 광학 유닛(4)의 수명을 상당히 증가시킨다.
사실, 본 발명의 출원인은 미리 정의된 레이저 방사선(3a)이 방사선이 입사하는 표면 상에서 주위 먼지가 적층되게 하는 것을 관찰하였다. 이러한 효과는 미리 정의된 방사선(3a)이 약 405nm±10nm의 본 발명의 입체 리소그래피에서 사용되는 보라색 범위 내의 주파수를 갖는 레이저 빔일 때 특히 현저하다.
상기 효과는 먼지에 의해 빠르게 덮여서, 그의 반사 효과의 악화를 일으키는, 마이크로-광학-전기-기계 시스템(7, 8)의 매우 작은 표면에 대해 특히 해롭다. 마이크로-광학-전기-기계 시스템(7, 8)의 극도의 취약성으로 인해, 이를 세척하는 것이 가능하지 않으므로, 상기 효과는 미리 정의된 방사선(3a)의 출력을 증가시키는 것을 통해 보상되어야 하지만, 이는 그럼에도 마이크로-광학-전기-기계 시스템(7, 8)의 증가된 가열을 일으켜서 그의 열화를 가속한다.
기밀 밀봉된 용기는 상기 효과를 방지한다. 특히, 투명 창은 더 쉽게 세척될 수 있어서, 상기 결점을 방지한다.
또한, 유리하게는, 기밀 밀봉된 용기는 2개의 마이크로-광학-전기-기계 시스템(7, 8)을, 바람직하게는 공통 지지 구조물(10)을 갖는 하나의 집적 회로 내에 통합시키는 것을 허용한다.
광학 유닛(4)에 관련하여, 이는 바람직하게는 기준 표면(5) 상에 방사선(3a)을 포커싱하도록 구성된 하나 이상의 렌즈(14)를 포함한다.
바람직하게는, 상기 렌즈(14)는 소위 "플랫 필드" 타입이고, 이는 평면 기준 표면(5) 상에 방사선(3a)을 포커싱하기 위한 것이다. 그러한 렌즈(14)는 F-theta 렌즈 또는 유사 광학 장치를 포함할 수 있다.
실제로, 마이크로-광학-전기-기계 시스템(7, 8)은 거울(9)들이 서로 그리고 레이저 공급원(3)에 의해 생성된 방사선(3a)과 정렬되는 방식으로 입체 리소그래피 기계(1) 내에 배열된다.
바람직하게는, 공급원(3) 및 2개의 마이크로-광학-전기-기계 시스템(7, 8)의 위치는 거울(9)들이 회전이 없는 조건에 있을 때, 즉 양 마이크로-광학-전기-기계 시스템(7, 8)의 연결 영역(13)이 비틀림을 받지 않을 때, 방사선(3a)이 기준 표면(5)의 중심 지점을 향해 반사되도록 되어 있다.

Claims (13)

  1. 입체 리소그래피 기계(1)이며,
    Figure pct00009
    미리 정의된 방사선(3a)에 대한 노광을 통해 고화되는 데 적합한 유체 물질(15)을 위한 용기(2);
    Figure pct00010
    상기 미리 정의된 방사선(3a)의 빔을 방출하는데 데 적절한 레이저 공급원(3);
    Figure pct00011
    상기 미리 정의된 방사선에 의해 원하는 벡터 데이터 이미지에 따라 상기 용기(2) 내부에 배열된 기준 표면(5)의 벡터 스캐닝을 수행하도록 구성된 벡터 스캐닝 광학 유닛(4);
    Figure pct00012
    상기 기준 표면 상에서 스캐닝되는 이미지를 나타내는 상기 벡터 데이터 이미지를 저장하기 위한 메모리;
    Figure pct00013
    상기 벡터 데이터 이미지에 따라 상기 기준 표면(5)의 미리 정의된 부분을 상기 방사선(3a)에 노광시키는 방식으로 상기 벡터 스캐닝 광학 유닛(4) 및/또는 상기 레이저 공급원(3)을 제어하도록 구성된 로직 제어 유닛(6)
    을 포함하고,
    상기 벡터 스캐닝 광학 유닛(4)은 상기 미리 정의된 방사선의 이동 경로에 대해 차례로 직렬로 배열된 제1 및 제2 마이크로-광학-전기-기계 시스템(MOEMS)(7, 8)을 포함하고, 각각의 MOEMS 시스템은,
    Figure pct00014
    거울(9)로서, 상기 거울(9)에 대해 회전 축(X1, X2)을 정의하도록 구성된 관절 수단(11)을 통해 지지 구조물(10)과 관련된 약 2mm와 약 8mm 사이에 포함되는 직경을 갖는, 거울;
    Figure pct00015
    상기 레이저 공급원(3)이 상기 벡터 스캐닝 중에 상기 미리 결정된 방사선(3a)을 방출할 때, 상기 기준 표면(5) 상의 상기 레이저 빔의 대응하는 표지 속력이 약 0.5m/s와 약 3m/s 사이에 포함되도록, 상기 거울(9)을 준정적 방식으로 소정의 각속력으로 상기 회전 축(X1, X2) 둘레에서 이동시키는 데 적합한 액추에이터(12)
    를 포함하고,
    Figure pct00016
    제1 MOEMS 시스템(7)의 거울(9)의 회전 축(X1)은 제2 MOEMS 시스템(8)의 거울(9)의 회전 축(X2)으로 입사하는,
    입체 리소그래피 기계(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 액추에이터(12)는 상기 이미지의 스캐닝을 위해 위치를 변화시키기 위해, 상기 레이저 공급원(3)이 상기 미리 결정된 방사선(3a)을 방출하지 않을 때, 상기 기준 표면(5) 상에서의 상기 레이저 빔의 대응하는 위치 설정 속력이 약 8m/s와 약 10m/s 사이에 포함되도록 상기 회전 축(X1, X2) 둘레에서 상기 제1 및/또는 제2 MOEMS 시스템(7, 8)의 상기 거울(9)을 소정의 각속력으로 이동시키도록 구성되는, 입체 리소그래피 기계(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 마이크로-광학-전기-기계 시스템(MOEMS)(7, 8)의 상기 2개의 회전 축(X1, X2)들은 상호 직교하는, 입체 리소그래피 기계(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 공급원(3)은 약 405nm±10nm 사이에 포함되는 파장에서 상기 미리 정의된 방사선(3a)을 방출하도록 구성되는, 입체 리소그래피 기계(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 공급원(3)은 약 10mJ/cm2과 약 200mJ/cm2 사이에 포함되는 기준 표면(5)에서의 방사 조도를 갖는 상기 미리 정의된 방사선(3a)을 방출하도록 구성되는, 입체 리소그래피 기계(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 공급원(3) 및 직렬로 배열된 상기 제1 및 제2 마이크로-광학-전기-기계 시스템(MOEMS)(7, 8)을 수용하는 밀봉된 용기를 포함하고, 상기 밀봉된 용기는 상기 방사선이 상기 용기를 빠져나갈 수 있도록 상기 미리 결정된 방사선(3a)에 대해 투명한 재료로 구현되는 창을 포함하는, 입체 리소그래피 기계(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 상기 제1 및 제2 마이크로-광학-전기-기계 시스템(MOEMS)(7, 8)의 상기 액추에이터(12)는 전자기 유형 또는 정전기 유형이고, 상기 로직 제어 유닛(6)에 의해 방출되는 제어 신호를 수신하고 상기 각도 위치를 나타내는 값을 갖는 것에 응답하여 거울을 각도 위치에 배열하는 방식으로 상기 거울(9)을 상기 축(X1, X2) 둘레에서 회전시키도록 구성되는, 입체 리소그래피 기계(1).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 로직 제어 유닛(6)은 상기 기준 표면(5) 상에서의 상기 방사선(3a)의 입사 지점이 상기 이미지 데이터에 따라 상기 미리 정의된 부분을 완전히 덮는 연속적인 궤적을 형성하도록, 상기 마이크로-광학-전기-기계 시스템(MOEMS)(7, 8) 둘 다의 상기 거울(9)을 이동시키도록 구성되는, 입체 리소그래피 기계(1).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 벡터 스캐닝 광학 유닛(4)은 상기 기준 표면(5) 상에 상기 미리 정의된 방사선(3a)을 포커싱하도록 구성된 적어도 하나의 렌즈(14)를 포함하는, 입체 리소그래피 기계(1).
  10. 제9항에 있어서, 상기 적어도 하나의 렌즈(14)는 플랫 필드 스캐닝 렌즈를 포함하는, 입체 리소그래피 기계(1).
    상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체 물질(15)은 경화성 수지를 포함하는, 입체 리소그래피 기계(1).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 마이크로-광학-전기-기계 시스템(MOEMS)(7, 8)들은 공통 집적 회로에 속하는, 입체 리소그래피 기계(1).
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 공급원(3)은 상기 레이저 공급원(3)에 의해 방출되는 상기 미리 정의된 방사선(3a)의 출력을 변경하기 위한 출력 제어부(150)를 포함하고, 상기 출력 제어부(150)는 상기 로직 제어 유닛(6)에 연결되고, 상기 로직 제어 유닛은 상기 기준 표면(5) 상에서의 상기 방사선 빔의 위치에 의존하여 상기 미리 결정된 방사선(3a)의 상기 방출되는 출력을 변화시키는 데 적절한, 입체 리소그래피 기계(1).
  13. 제12항에 있어서, 상기 레이저 공급원 출력 제어부(150)는 상기 레이저 공급원(3)에 의해 방출되는 상기 미리 정의된 방사선(3a)의 상기 레이저 빔의 크기를 변경하기 위한 크기 제어부를 포함하고, 상기 크기는 상기 방사선의 이동 방향에 대해 직교하는 평면을 따른 단면 내에서 측정되는, 입체 리소그래피 기계(1).
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