KR20220160681A - 3차원 구성요소의 리소그래피-기반 적층 제조를 위한 방법 및 디바이스 - Google Patents

3차원 구성요소의 리소그래피-기반 적층 제조를 위한 방법 및 디바이스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3차원 구성요소의 리소그래피-기반 적층 가공을 위한 방법에 관한 것이며, 이 방법에서, 전자기 방사 소스(2)에 의해 방출되는 적어도 하나의 빔은 조사 디바이스(3)에 의해 초점들 상에 연속적으로 포커싱되며, 이의 결과로서, 초점에 위치되는 재료의 체적 요소(13)는 각각의 경우에 다광자 흡수에 의해 고형화된다. 본 발명에 따르면, 초점은 z 방향으로 이동되며, z 방향은 재료 내로의 적어도 하나의 빔의 조사 방향에 대응하며, 초점은, 빔 경로에 배열되는 적어도 하나의 음향-광학 편향기(6)에 의해 z 방향으로 이동되며, 그리고 음향-광학 편향기에서, 음파가 생성되며, 음파의 주파수는 주기적으로 변조된다.

Description

3차원 구성요소의 리소그래피-기반 적층 제조를 위한 방법 및 디바이스
본 발명은 3차원 구성요소의 리소그래피-기반 생성 제조를 위한 방법에 관한 것이며, 이 방법에서, 전자기 방사 소스에 의해 방출되는 적어도 하나의 빔은 조사 디바이스(irradiation device)에 의해 재료 내의 초점들 상에 연속적으로 포커싱되며, 이에 의해, 각각의 경우에, 초점에 위치되는 재료의 체적 요소는 다광자 흡수에 의해 고형화된다.
본 발명은 추가적으로, 3차원 구성요소의 리소그래피-기반 생성 제조를 위한 장치에 관한 것이다.
감광성 재료의 고형화가 다광자 흡수에 의해 실행되는 구성요소를 형성하기 위한 프로세스는, 예를 들어, DE 10111422 A1로부터 공지되어 있다. 이러한 목적을 위해, 포커싱된 레이저 빔은 감광성 재료의 배스(bath) 내로 조사되며, 이에 의해 고형화를 개시하는 다광자 흡수 프로세스을 위한 조사 조건들은 초점의 바로 근처에서 단지 충족되어서, 빔의 초점은, 제조될 구성요소의 기하학적 데이터에 따라 배스 체적부 내에서 고형화될 지점들로 안내된다.
개개의 초점에서, 재료의 체적 요소는 고형화되며, 이에 의해 인접한 체적 요소들은 서로 부착되며, 그리고 구성요소는 인접한 체적 요소들의 연속적인 고형화에 의해 구축된다. 구성요소는 층들로 구축되며, 즉, 제1 층의 체적 요소들은, 다음 층의 체적 요소들이 고형화되기 전에 우선적으로 고형화된다.
다광자 흡수 방법들을 위한 조사 디바이스들은 레이저 빔을 포커싱하기 위한 광학 시스템 및 레이저 빔을 편향시키기 위한 편향 디바이스를 포함한다. 편향 디바이스는, 빔이 재료에 진입하는 방향에 대해 수직인 하나의 그리고 동일한 평면에 놓이는 재료 내의 초점들 상에 빔을 연속적으로 포커싱하도록 설계된다. x,y,z 좌표계에서, 이러한 평면은 또한 x,y 평면으로 불린다. x, y 평면에서 빔 편향에 의해 생성되는 고형화된 체적 요소들은 구성요소의 층을 형성한다.
다음 층을 구축하기 위해, 구성요소에 대한 조사 디바이스의 상대적인 포지션은 z-방향으로 변경되며, 이는 재료 내로의 적어도 하나의 빔의 조사의 방향에 대응하고, 그리고 x,y-평면에 수직이다. 구성요소에 대한 조사 디바이스의 대부분 모터-구동식 조절로 인해, 조사 디바이스의 초점은, 이전의 x,y 평면으로부터 z-방향으로 요망되는 층 두께만큼 이격되는 새로운 x,y 평면으로 변위된다.
설명된 절차는, 고형화된 체적 요소들이 3차원 그리드 내의 미리 규정된 포지션들에서 단지 생성될 수 있는 것을 초래한다. 그러나, 구성요소의 만곡된 표면들 상에서, 이는 스크린 상의 곡선의 픽셀형 표현과 유사한 단차형 구성을 초래한다. 구성요소의 표면 상의 구조화 분해능은 고형화된 체적 요소들의 크기 및 층 두께에 따른다. 구조화 분해능을 증가시키기 위해, 층 두께가 감소될 수 있으며; 그러나, 이는 층들의 수가 증가되어야 하기 때문에 구축 프로세스의 지속 기간에서의 상당한 증가로 이어진다.
요망되는 표면으로부터의 실제 표면의 편차가 최소화되는 방식으로 구성요소의 에지 영역들에서의 고형화된 체적 요소들의 크기를 요망되는 표면 형상으로 조절하기 위한 다양한 제안들이 이미 존재하였다. 예를 들어, DE 1020171140241 A1은, 표면에 인접한 체적 요소들의 제조를 위한 조사 선량이 규정된 패턴에 따라 변화되는 프로세스를 개시한다. 이는, 에지 영역들에서 기록된 체적 요소들이 상이한 범위들을 가지는 것을 초래하여, 요망되는 표면 구조화에 기여하는 것을 초래한다. 그러나, 이러한 프로세스의 단점은, 조사 선량이 증가될 때 재료 내로 방출되는 에너지가 재료의 열적 파괴 및 기포들의 형성으로 이어질 수 있다는 점이다. 더욱이, 조절 범위는 이러한 방법으로 매우 제한된다. 체적 요소의 크기의 최대 변경은 초기 크기의 20%보다 더 작다.
문헌들 US 2003/013047 A1 및 US 2014/029081 A1은 본 발명의 청구 대상에 관한 일반적인 종래 기술을 구성한다.
따라서, 본 발명은, 구성요소의 만곡된 그리고 비스듬한 표면들이 높은 형상 정확도로 형성될 수 있으며 그리고 위에서 언급된 단점들이 회피될 수 있는 방식으로 3차원 구성요소의 리소그래피-기반 생성 제조를 위한 방법 및 장치를 추가적으로 개발하는 것을 목적으로 한다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 처음에 언급된 유형의 방법에서, 초점이 z-방향으로 변위되는 것을 제공하며, z 방향은 재료 내로의 적어도 하나의 빔의 조사의 방향에 대응하며, z 방향으로의 초점의 변위는, 빔 경로에 배열되는 적어도 하나의 음향-광학 편향기에 의해 실시되고, 음향-광학 편향기에서, 음파가 생성되며, 음파의 주파수는 주기적으로 변조된다.
방사 소스에 의해 방출되는 빔의 빔 경로에 적어도 하나의 음향-광학 편향기를 배열함으로써, 초점은 연속적으로 그리고 z-방향으로 고속으로 변위될 수 있다. 이는, 체적 요소의 포지션이 z-방향으로 자유롭게 선택되는 것을 허용하며, 그리고 따라서, 체적 요소들은 또한 각각의 경우에서 달성될 표면 형상에 대한 최적의 적응을 달성하기 위해 위에서 언급된 그리드에 의해 규정된 포지션들 외부에 배열될 수 있다. z 방향으로의 초점의 변위는 구성요소에 대한 조사 디바이스의 어떠한 기계적인 조절을 요구하지 않고, 그리고 따라서, 제1 층으로부터 다음 층으로의 변경에 독립적이다. 특히, z-방향으로의 초점의 변위는 이동 부품들 없이, 단지 이전에 언급된 음향-광학 편향기의 효과로 인해 성취된다.
음향-광학 편향기는 주파수 및 전파 방향 또는 강도에 대해 입사 광을 제어하는 광학 구성요소이다. 이러한 목적을 위해, 광학 격자(optical grating)는 음파들을 갖는 투명한 고체에서 생성되며, 이 음파들에서, 광 빔은 그의 주파수에서 회절되고 그리고 동시에 시프팅된다. 이는 빔 편향을 유발시키며, 편향 각도는 투명한 고체에서 광 및 초음파들의 상대적인 파장들에 따른다.
투명한 고체에서 생성된 음파의 주파수의 주기적 변동은 원통형 렌즈와 동일한 방식으로 입사 광 빔을 포커싱하는 소위 "원통형 렌즈 효과"를 형성한다. 주기적 주파수 변조의 특정 제어는 원통형 렌즈의 초점 길이 및 이에 따라 음향-광학 편향기로부터 나타나는 빔의 발산이 변경되는 것을 허용한다. 이러한 방식으로 설정된 발산을 갖는 빔은 조사 디바이스의 이미징 유닛을 통해 안내되며, 이 조사 디바이스의 이미징 유닛에서, 빔은 렌즈에 의해 포커싱된 방식으로 재료 내로 조사된다. 재료 내로 도입되는 빔의 초점은 여기서 발산에 따라 z 방향으로 변한다.
여기서, 바람직한 설계는 음파의 주파수 변조가 일정한 음파 주파수 구배를 가지는 것을 제공한다. 이는 소위 "원통형 렌즈 효과"의 생성에 유리하다. 다른 한편으로, 음파 주파수가 선형적으로 변경되지 않는다면, 파면 오차들이 발생한다.
바람직하게는, 초점이 주파수 변조의 (일정한) 음파 주파수 구배의 변화에 의해 변위되는 것이 추가적으로 제공된다. 음파 주파수 구배의 변경은, 예를 들어, 주기적 변조의 기간 지속기간을 일정하게 유지하면서 주파수 변조의 대역폭을 변경함으로써 달성될 수 있다. 대안적으로, 대역폭은 일정하게 유지될 수 있으며, 그리고 음파 주파수 구배의 변경은 기간 지속기간의 변경에 의해 유발될 수 있다.
음파의 기본 주파수는 바람직하게는, 예컨대 TeO2로 제조된 투명한 고체에 대해 50MHz 이상, 특히 > 100MHz, 특별히 100MHz 내지 150MHz이다. 예를 들어, 기본 주파수는 적어도 ± 10%, 바람직하게는 ± 20% 내지 30%만큼 변조된다. 예를 들어, 110㎒의 기본 주파수의 경우에, 이는 ±25㎒만큼 주기적으로 변조되며, 즉, 주파수 변조의 대역폭은 50㎒이며, 그리고 따라서, 음파의 주파수는 85㎒ 내지 135㎒에서 주기적으로 변조된다. 이미 언급된 바와 같이, 음파 주파수 구배의 변경은 원통형 렌즈의 초점 길이를 결정하며, 이에 의해 변조 주파수는 바람직하게는 적어도 100kHz, 특히 0.1 내지 10MHz이다.
바람직하게는, 적어도 2개의 음향-광학 편향기들이 빔 경로에서 서로 연달아 사용되며, 적어도 2개의 음향-광학 편향기들은 바람직하게는, 서로에 대해 실질적으로 수직한 빔 편향의 방향을 가지거나 빔 편향의 동일한 배향을 갖는다. 바람직하게는 서로 바로 뒤에 수직으로 배열되는 2개의 음향 광학 편향기들의 조합은, 그렇지 않으면 단일 편향기에서 발생하는 난시(astigmatism)를 제거한다. 2개의 음향-광학 편향기들이 하나의 평면에 배열될 때, z-방향으로 초점의 가능한 변위 경로는 배가된다. 다른 바람직한 실시예에 따르면, 4개의 음향-광학 편향기들은 직렬로 제공될 수 있으며, 이들 중 처음의 2개의 편향기들은 제1 쌍을 형성하며, 그리고 후속하는 2개의 편향기들은 제2 쌍을 형성한다. 한 쌍 내의 편향기들은 각각 동일한 빔 편향의 배향으로 구성되며, 그리고 제1 쌍의 편향기들은 제2 쌍의 편향기들에 대해 수직인 빔 편향의 방향을 갖는다.
자체 공지된 바와 같이, 초점은 또한 바람직하게는 z-방향에 대해 횡방향으로 연장하는 x-y 평면에서 변위되며, x-y 평면에서의 변위는 적어도 하나의 음향-광학 편향기와 상이한 편향 유닛에 의해 실시된다. 편향 유닛은 유리하게는 적어도 하나의 음향-광학 편향기와 이미징 유닛 사이의 빔 경로에 배열된다. 편향 유닛은, 예를 들어, 갈바노미터 스캐너(galvanometer scanner)로서 설계될 수 있다. 2차원 빔 편향을 위해, 거울은 2개의 방향들로 편향될 수 있거나, 2개의 직교식으로 선회가능한 거울들은 서로 가깝게 설정될 수 있으며, 이에 의해 빔이 반사된다. 2개의 거울들은 각각 갈바노미터 구동부 또는 전기 모터에 의해 구동될 수 있다.
바람직하게는, 구성요소는 x-y 평면에서 연장하는 층들로 구축되며, 하나의 층으로부터 다음 층으로의 변경은, z-방향으로의 구성요소에 대한 조사 디바이스의 상대적인 포지션의 변경을 포함한다. 구성요소에 대한 조사 디바이스의 상대적인 포지션을 기계적으로 조절함으로써, z-방향으로의 초점의 대략적인 조절, 즉 하나의 층으로부터 다음 층으로의 변경이 이루어진다. z-방향으로의 중간 단차들의 조절을 위해, 즉 z-방향으로의 초점 지점의 미세 위치결정을 위해, 그러나, 초점 지점은 음향-광학 편향기에 의해 위치적으로 변경된다.
바람직하게는, 초점은 층의 두께 내에서 음향-광학 편향기에 의해 z-방향으로 변위될 수 있다. z-방향으로 상하로 배열되는 체적 요소들의 수개의 층들은 또한, 구성요소에 대한 조사 디바이스의 상대적인 포지션을 기계적으로 조절할 필요 없이 층 내에서 제조될 수 있다.
본 발명의 바람직한 적용에 따르면, 초점은, 구성요소의 만곡된 외부 윤곽부를 형성하기 위해 음향-광학 편향기에 의해 z-방향으로 변위된다. 대안적으로 또는 부가적으로, 초점은 x,y-평면에 대해 경사진 구성요소의 외부 윤곽을 형성하기 위해 음향-광학 편향기에 의해 z-방향으로 변위될 수 있다. z-방향으로의 초점의 변위는, 체적 요소의 외부 표면에 대한 고형화될 체적 요소의 가상 중심의 거리에 대응하는 제조될 구성요소의 표면으로부터의 거리로 구성요소의 에지 영역으로 초점을 위치결정함으로써 표면 형상을 따를 수 있다.
바람직한 방법에 따르면, 재료는 트로프(trough)와 같이 재료 지지부 상에 존재하며, 그리고 재료의 조사는 적어도 일부 영역들에서 방사에 대해 투과성인 재료 지지부를 통해 아래로부터 실행된다. 이러한 경우에, 빌드 플랫폼은 재료 캐리어로부터 소정의 거리에 위치결정될 수 있으며, 그리고 구성요소는 빌드 플랫폼과 재료 캐리어 사이에 위치되는 재료를 고형화함으로써 빌드 플랫폼 상에 구축될 수 있다. 대안적으로, 위로부터 재료를 조사하는 것이 또한 가능하다.
다광자 흡수를 사용하여 적합한 재료를 구조화하는 것은 매우 높은 구조 분해능의 이점을 제공하며, 체적 요소들은 달성가능한 50nm x 50nm x 50nm까지의 최소 구조 크기들을 갖는다. 그러나, 작은 초점 체적으로 인해, 이러한 방법의 처리량은 매우 낮은데, 왜냐하면, 예를 들어, 1mm3의 부피에 대해, 총 109 초과의 지점들이 조사되어야 하기 때문이다. 이는, 매우 긴 구성 시간들로 이어지며, 이는 다광자 흡수 프로세스들의 낮은 산업적 사용에 대한 주요 이유이다.
높은 구조 분해능의 가능성을 손실하지 않고 구성요소 처리량을 증가시키기 위해, 본 발명의 바람직한 추가의 개량예는, 초점의 체적이 구성요소의 구축 동안 적어도 1회 변화되어서, 구성요소는 상이한 체적들의 고형화된 체적 요소들로 구축된다.
초점의 가변 체적으로 인해, 높은 분해능들이 (작은 초점 체적으로) 가능하다. 동시에, 높은 기록 속도(mm3/h로 측정됨)가 (큰 초점 체적으로) 달성가능하다. 따라서, 초점 체적을 변경시킴으로써, 높은 분해능은 높은 처리량과 조합될 수 있다. 초점 체적의 변경은, 예를 들어, 큰 초점 체적이 처리량을 증가시키기 위해 구축될 구성요소 내부에 사용되며 그리고 보다 작은 초점 체적이 높은 분해능으로 구성요소를 형성하기 위해 구성요소의 표면 상에 사용되는 방식으로 사용될 수 있다. 초점 체적을 증가시키는 것은, 보다 높은 구조화 처리량을 허용하는데, 왜냐하면 하나의 조사 예에서 고형화된 재료의 체적이 증가되기 때문이다. 높은 처리량으로 높은 분해능을 유지하기 위해, 작은 초점 체적들은 보다 미세한 구조들 및 표면들을 위해 사용될 수 있으며, 그리고 보다 큰 초점 체적들은 조대한 구조물들을 위해 그리고/또는 내부 공간들을 충전하는 데 사용될 수 있다. 초점 체적을 변경하기 위한 방법들 및 디바이스들은 WO 2018/006108 A1에 설명된다.
본 발명의 맥락에서, 구성요소의 내부에 위치되는 층들이 높은 층 두께로 그리고 이에 따라 큰 체적을 갖는 체적 요소들로 구축되며 그리고 에지 영역들이 보다 작은 체적을 가지는 체적 요소들로 구축된다면, 구성 시간은 상당히 감소될 수 있으며, 그리고 에지 영역들에서, 체적 요소들의 포지션은 또한 표면에서 높은 구조적 분해능을 획득하기 위해 z-방향을 따라 개별적으로 조절된다.
바람직한 방법에서, 초점 체적의 변동은, 구성요소의 제조 동안의 가장 큰 초점 체적과 가장 작은 초점 체적 사이의 체적 비율이 적어도 2, 바람직하게는 적어도 5가 되도록 한다.
다광자 흡수의 원리는, 본 발명의 내용에서 감광성 재료 배스에서 광화학 프로세스를 개시하기 위해 사용된다. 다광자 흡수 방법들은, 예를 들어, 2-광자 흡수 방법들을 포함한다. 광화학적 반응의 결과로서, 적어도 하나의 다른 상태로의 재료의 변경이 존재하여, 통상적으로 광중합을 초래한다. 다광자 흡수의 원리는, 이전에 언급된 광화학적 프로세스가 다광자 흡수를 위한 충분한 광자 밀도가 존재하는 빔 경로의 이들의 영역들에서 단지 발생한다는 사실에 기초한다. 가장 높은 광자 밀도는 광학 이미징 시스템의 초점에서 발생해서, 다광자 흡수는 초점에서 단지 발생할 가능성이 충분히 있다. 초점 외부에서, 광자 밀도가 낮아서, 초점 외부에서의 다광자 흡수의 확률은 광화학 반응에 의해 재료에서 비가역적인 변경을 유발시키기에 너무 낮다. 전자기 복사는 사용되는 파장에서 대체로 방해되지 않은 상태로 재료를 통과할 수 있고, 그리고 단지 초점에서, 감광성 재료와 전자기 방사 사이에서 상호작용이 발생한다. 다광자 흡수의 원리는 예를 들어, Zipfel 등의 "Nonlinear magic: multiphoton microscopy in the biosciences”(NATURE BIOTECHNOLOGY VOLUME 21 NUMBER 11, 2003년 11월)에 설명된다.
전자기 방사의 소스는 바람직하게는 시준된 레이저 빔일 수 있다. 레이저는 하나 이상의 고정식 또는 가변식 파장들을 방출할 수 있다. 특히, 나노초(nanosecond), 피코초(picosecond) 또는 펨토초(femtosecond) 범위의 펄스 길이들을 갖는 연속 또는 펄스형(pulsed) 레이저이다. 펄스형 펨토초 레이저는, 보다 낮은 평균 전력이 다광자 흡수를 위해 요구되는 이점을 제공한다.
감광성 재료는, 구축 조건들 하에서 유동가능한 그리고 초점 체적부에서의 다광자 흡수에 의해 - 예를 들어, 중합에 의해 - 제2 상태로 변하는 임의의 재료로서 규정된다. 재료 변경은 초점 체적 및 그의 즉각적인 주변들로 제한되어야 한다. 물질 특성들에서의 변경은 영구적일 수 있고 그리고, 예를 들어, 액체로부터 고체 상태로의 변경으로 구성되지만, 이는 또한 일시적일 수 있다. 부수적으로, 영구적인 변경은 또한 가역적이거나 비가역적일 수 있다. 재료 특성들의 변경은 반드시 하나의 상태로부터 다른 상태로의 완전한 전이일 필요는 없지만, 또한 둘 모두의 상태들의 혼합된 형태로서 존재할 수 있다.
전자기 방사의 전력 및 노출 시간은 제조된 구성요소의 품질에 영향을 준다. 복사 전력 및/또는 노출 시간을 조절함으로써, 초점의 부피는 좁은 범위 내에서 변경될 수 있다. 방사 전력이 너무 높다면, 구성요소의 손상으로 이어질 수 있는 부가적인 프로세스들이 발생한다. 방사 전력이 너무 낮다면, 영구적인 재료 특성 변경이 발생할 수 없다. 각각의 감광성 재료에 대해, 따라서, 우수한 구성요소 특성들과 연관되는 전형적인 구성 프로세스 매개변수들이 존재한다.
바람직하게는, 초점 체적의 변경은 적어도 하나, 바람직하게는 2개, 특히 서로 수직인 3개의 공간 방향들로 발생하는 것이 제공된다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 3차원 구성요소의 리소그래피 기반 생성 제조를 위한, 특히 본 발명의 제1 양태에 따른 방법을 실행하기 위한 장치가 제공되며, 이 장치는 고형화가능한 재료를 위한 재료 지지부 및 조사 디바이스를 포함하며, 이 조사 디바이스는 적어도 하나의 빔으로 고형화가능한 재료의 위치-선택적 조사를 위해 제어될 수 있고, 이 조사 디바이스는, 재료 내의 초점들 상에 적어도 하나의 빔을 연속적으로 포커싱하기 위해 광학 편향 유닛을 포함하며, 이에 의해 각각의 경우에, 초점에 위치되는 재료의 체적 요소는 다광자 흡수에 의해 고형화될 수 있고, 조사 디바이스는, 빔의 빔 경로에 배열되고 그리고 초점을 z-방향으로 변위시키도록 설계되는 적어도 하나의 음향-광학 편향기를 포함하며, 이 z-방향은 재료 내로의 적어도 하나의 빔의 조사 방향을 대응한다.
바람직하게는, 적어도 하나의 음향-광학 편향기의 제어 유닛은 초음파 주파수를 주기적으로 변조하도록 구성되는 주파수 생성기를 포함한다.
바람직하게는, 주파수 생성기가 음파 주파수 구배를 변경시키도록 설계되는 것이 여기서 제공된다.
본 발명에 따른 방법과 관련하여 이미 언급된 바와 같이, 적어도 2개의 음향-광학 편향기들이 빔 경로에서 서로 연달아 배열되며, 적어도 2개의 음향-광학 편향기들은 바람직하게는, 서로에 대해 실질적으로 수직하게 연장하는 빔 편향의 방향을 가지거나 빔 편향의 동일한 배향을 가진다면, 유리하다.
더욱이, 편향 유닛은 바람직하게는 z-방향에 대해 횡방향으로 연장하는 x-y 평면에서 초점을 변위시키도록 설계된다.
특히, 조사 디바이스는 x-y 평면에서 연장하는 층들로 층마다 구성요소를 구축하도록 구성될 수 있으며, 하나의 층으로부터 다음 층으로의 변경은 z-방향으로의 구성요소에 대한 조사 디바이스의 상대적인 포지션을 변경시키는 것을 포함한다.
조사 디바이스는 바람직하게는, 음향-광학 편향기에 의한 z-방향으로의 초점의 변위가 층의 두께 내에서 발생하는 방식으로 설계된다.
더욱이, 재료가 트로프(trough)와 같이 재료 캐리어 상에 존재하며, 그리고 재료의 조사가 재료 캐리어를 통해 아래로부터 실행되며, 이는 적어도 특정 영역들에서 복사에 대해 투과성인 것이 제공될 수 있다.
빌드 플랫폼은 바람직하게는 재료 지지부로부터 소정의 거리를 두고 위치결정되며, 그리고 구성요소는 빌드 플랫폼과 재료 지지부 사이에 위치되는 고체 요소들을 고형화함으로써 빌드 플랫폼 상에 구축된다.
초점의 체적이 구성요소의 구성 동안 적어도 1회 변경되어서, 구성요소가 상이한 체적들의 고형화된 체적 요소들로 구성된다면, 유리하다.
본 발명은 도면에 도시되는 실시예들의 개략적인 예들을 참조하여 아래에서 더 상세히 설명된다. 여기서, 도 1은 본 발명에 따른 디바이스의 개략도를 도시하며, 도 2는 도 1에 따른 디바이스의 수정된 실시예를, 그리고 도 3은 구성요소의 에지 구역에서의 체적 요소들의 배열의 개략도를 도시한다.
도 1에서, 기판 또는 캐리어는 1로 표시되며, 기판 또는 캐리어 상에, 구성요소가 구축될 수 있다. 기판은 광중합성 재료로 충전된, 재료 통(미도시됨)에 배열된다. 방사 소스(2)로부터 방출되는 레이저 빔은 광중합성 재료 내의 초점들에서 조사 디바이스(3)에 의해 재료 내로 연속적으로 포커싱되며, 이에 의해 다광자 흡수에 의해 각각의 초점에 위치되는 재료의 체적 요소를 고형화시킨다. 이러한 목적을 위해, 조사 디바이스는 기록 영역 내의 재료 내로 레이저 빔을 도입하는 렌즈(4)를 포함하는 이미징 유닛을 포함한다.
레이저 빔은 우선적으로 방사 소스(2)로부터 펄스 압축기(5)에 진입하고, 그리고 그 후 적어도 하나의 음향-광학 편향기 모듈(6)을 통과하며, 이의 2개의 음향-광학 편향기들은 빔을 0차 빔 및 1차 빔으로 분할한다. 0차 빔은 빔 트랩(beam trap)(7)에서 수집된다. 음향-광학 편향기 모듈(6)은 연달아 배열되는 2개의 음향-광학 편향기들을 포함하며, 음향-광학 편향기들의 빔 편향의 방향은 서로 수직이다. 편향된 1차 빔에 관하여, 음향-광학 편향기 모듈(6)은 각각의 경우에 조절가능한 초점 길이를 갖는 원통형 렌즈로서 작용해서, 1차 빔은 조절가능한 발산(divergence)을 갖는다. 1차 빔은 이제, 릴레이 렌즈들(relay lenses)(8) 및 편향 거울(15)을 통해 편향 유닛(9) 내로 안내되며, 이 편향 유닛에서, 빔은 2개의 거울들(10)에 의해 연속적으로 반사된다. 거울들(10)은 서로 직교하는 회전 축들을 중심으로 선회하도록 구동되어서, 빔은 x축 및 y축 양자 모두로 편향될 수 있다. 2개의 거울들(10) 각각은 갈바노미터 구동부(galvanometer drive) 또는 전기 모터에 의해 구동될 수 있다. 편향 유닛(9)을 빠져나가는 빔은 바람직하게는, 빔을 전술된 바와 같이 광중합성 재료 내로 포커싱하는 릴레이 렌즈 시스템(미도시됨)을 통해 대물렌즈(objective)에 진입한다.
구성요소를 층마다 구축하기 위해, 하나의 층이 다른 층 후에 있는 체적 요소들이 재료에서 고형화된다. 제1 층을 구축하기 위해, 레이저 빔은 재료 내에 대물렌즈(4)의 초점 평면에 위치되는 초점들 상에 연속적으로 포커싱된다. x, y평면에서의 빔의 편향은 편향 유닛(9)의 도움으로 여기서 수행되며, 이에 의해 기록 영역은 대물렌즈(4)에 의해 제한된다. 다음 평면에 대한 변경을 위해, 캐리어(11)에 부착되는 대물렌즈(4)는, 층 두께에 대응하는, 층 거리만큼 기판(1)에 대해 z-방향으로 변위된다. 대안적으로, 기판(1)은 고정된 대물렌즈(4)에 대해 변위될 수 있다.
제조될 구성요소가 x 및/또는 y 방향으로 대물렌즈(4)의 기록 영역보다 더 크다면, 구성요소의 부분적인 구조물들은 서로 나란히 구축된다(소위 스티칭(stitching)). 이러한 목적을 위해, 기판(1)은 x-y-스테이지(12) 상에 배열되며, 이 x-y-스테이지는 조사 디바이스(3)에 대해 x 및/또는 y 방향으로 이동될 수 있다.
더욱이, 적어도 하나의 음향-광학 편향기(6), 편향 디바이스(9), 캐리어(11), 및 x-y-스테이지(12)를 제어하는 제어 유닛(13)이 제공된다.
음향 광학 편향기(6)는 주파수 변조의 음파 주파수 구배에 의존하는 원통형 렌즈 효과를 형성한다. 원통형 렌즈의 등가 초점 길이(
Figure pct00001
)는 다음과 같이 계산될 수 있다:
Figure pct00002
여기서,
Figure pct00003
는 수정에서의 음향 전파 속도이고,
Figure pct00004
는 레이저 빔의 파장이며, 그리고
Figure pct00005
는 수정에서의 음파 주파수 구배이다. 780nm의 레이저 파장에서 4200m/s의 전파 속도를 갖는 그리고 0.2μs 내에 (예컨대, 110MHz의 기본 여기 주파수로부터 시작하여) ±25 MHz의 대역폭을 횡단하는 TeO2에서, 음향-광학 원통형 렌즈의 초점 길이는 90mm이다. 9mm의 초점 길이 및 20x 확대를 갖는 대물렌즈(4)에 대해, 이는, 다음의 전체 시스템의 새로운 초점 길이를 초래한다:
Figure pct00006
이는, 구배의 부호에 따라, 위에서 언급된 매개변수들에 대한 ±90μm의 z 방향으로의 변위에 대응한다. 음파 주파수 구배를 변경함으로써, 체적 요소의 z-포지션은 선형으로 그리고 연속적으로 조절될 수 있다.
본 발명에 따르면, z-방향으로 초점의 연속적인 변위에 대한 설명된 가능성은, 도 3에서 개략적으로 도시되는 바와 같이, 경사지거나 만곡된 표면을 최적으로 근사하도록 활용될 수 있다. 도 3에서, 개별적인 체적 요소들은 15로 라벨링되며, 그리고 구성요소의 만곡 표면은 14로 라벨링된다. 비록 개별적인 체적 요소들(15)의 크기가 동일하게 유지될 수 있지만, 체적 요소들(15)의 z-포지션이 표면 형상을 따르는 것이 보일 수 있다.
도 2는 도 1에 따른 디바이스의 수정된 실시예를 도시하며, 여기서 음향-광학 편향기 모듈(6)은, 도 1과 대조적으로, 2개의 음향-광학 편향기들을 가지며, 이 음향-광학 편향기들 사이에서, 릴레이 렌즈들은, 음향-광학 편향기 모듈(6)의 입력 및 출력에서의 초점이 동일한 라인 상에 배열되는 것을 보장하도록 배열된다.

Claims (14)

  1. 3차원 구성요소의 리소그래피-기반 생성 제조(lithography-based generative manufacturing)를 위한 방법으로서,
    상기 방법에서, 전자기 방사 소스(electromagnetic radiation source)(2)에 의해 방출되는 적어도 하나의 빔(beam)은 조사 디바이스(irradiation device)(3)에 의해 재료 내의 초점들 상에 연속적으로 포커싱되며(focused), 이의 결과로서, 각각의 경우에, 상기 초점에 위치되는 상기 재료의 체적 요소(15)는 다광자 흡수에 의해 고형화되며, 상기 초점은 z-방향으로 변위되고, 상기 z-방향은 상기 재료 내로의 적어도 하나의 빔의 조사 방향에 대응하며, 상기 z-방향으로의 초점의 변위는 상기 빔 경로에 배열되는 적어도 하나의 음향-광학 편향기(acousto-optical deflector)(6)에 의해 실시되고, 상기 음향-광학 편향기에서, 음파가 생성되며, 상기 음파의 주파수는 주기적으로 변조되는,
    3차원 구성요소의 리소그래피-기반 생성 제조를 위한 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 초점은 상기 주파수 변조의 음파 주파수 구배를 변경시킴으로써 변위되는,
    3차원 구성요소의 리소그래피-기반 생성 제조를 위한 방법.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    적어도 2개의 음향-광학 편향기들(6)이 상기 빔 경로에서 서로 연달아 사용되며, 상기 적어도 2개의 음향-광학 편향기들(6)은 바람직하게는, 서로에 대해 실질적으로 수직한 빔 편향의 방향을 가지거나 빔 편향의 동일한 배향을 가지는,
    3차원 구성요소의 리소그래피-기반 생성 제조를 위한 방법.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초점은 상기 z-방향에 대해 횡방향으로 연장하는 x-y 평면에서 변위되며, 상기 x-y 평면에서의 변위는 상기 적어도 하나의 음향-광학 편향기(6)와 상이한 편향 유닛(9)에 의해 실시되는,
    3차원 구성요소의 리소그래피-기반 생성 제조를 위한 방법.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구성요소는 상기 x-y 평면에서 연장하는 층들로 층마다 구축되며, 상기 하나의 층으로부터 다음 층으로의 변경은, 상기 z-방향으로의 상기 구성요소에 대한 상기 조사 디바이스(3)의 상대적인 포지션의 변경을 포함하는,
    3차원 구성요소의 리소그래피-기반 생성 제조를 위한 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 음향-광학 편향기(6)에 의한 상기 z-방향으로의 상기 초점의 변위는, 층의 층 두께 내에서 일어나는,
    3차원 구성요소의 리소그래피-기반 생성 제조를 위한 방법.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초점은, 만곡된 외부 윤곽부 또는 x,y-평면에 대해 비스듬한 구성요소의 외부 윤곽부를 형성하기 위해 상기 음향-광학 편향기(6)에 의해 상기 z-방향으로 변위되며, 상기 체적 요소들(15)의 크기는 바람직하게는 동일하도록 선택되는,
    3차원 구성요소의 리소그래피-기반 생성 제조를 위한 방법.
  8. 3차원 구성요소의 리소그래피 기반 생성 제조를 위한, 특히 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한, 장치로서, 상기 장치는,
    고형화가능한 재료를 위한 재료 캐리어(material carrier)(1) 및 조사 디바이스(3)를 포함하며, 상기 조사 디바이스는 적어도 하나의 빔에 의한 고형화가능한 재료의 포지션-선택적 조사를 위해 제어될 수 있고, 상기 조사 디바이스(3)는, 재료 내의 초점들 상에 적어도 하나의 빔을 연속적으로 포커싱하기 위해 광학 편향 유닛(9)을 포함하며, 이에 의해 각각의 경우에, 상기 초점에 위치되는 상기 재료의 체적 요소(15)는 다광자 흡수에 의해 고형화될 수 있고, 상기 조사 디바이스(3)는, 상기 빔의 빔 경로에 배열되고 그리고 상기 초점을 z-방향으로 변위시키도록 설계되는 적어도 하나의 음향-광학 편향기(6)를 포함하며, 상기 z-방향은 상기 재료 내로의 상기 적어도 하나의 빔의 조사 방향을 대응하는,
    장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 음향-광학 편향기(6)는 상기 음파 주파수를 주기적으로 변조하도록 구성되는 주파수 생성기를 포함하는,
    장치.
  10. 제8 항 또는 제9 항에 있어서,
    상기 주파수 생성기는 상기 음파 주파수 구배를 변경시키도록 구성되는,
    장치.
  11. 제8 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 2개의 음향-광학 편향기들(6)이 상기 빔 경로에서 서로 연달아 배열되며, 상기 적어도 2개의 음향-광학 편향기들(6)은 바람직하게는, 서로에 대해 실질적으로 수직하게 연장하는 빔 편향의 방향을 가지거나 빔 편향의 동일한 배향을 가지는,
    장치.
  12. 제8 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 편향 유닛(9)은 상기 z-방향에 대해 횡방향으로 연장하는 x-y 평면에서 상기 초점을 변위시키도록 설계되는,
    장치.
  13. 제8 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조사 디바이스(3)는, 상기 구성요소를 상기 x-y 평면에서 연장하는 층들로 층마다 구축하도록 구성되며, 하나의 층으로부터 다음 층으로의 변경은, 상기 z-방향으로 상기 구성요소에 대해 상기 조사 디바이스(3)의 상대적인 포지션을 변경시키는 것을 포함하는,
    장치.
  14. 제8 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조사 디바이스(3)는, 상기 음향-광학 편향기(6)에 의한 상기 z-방향으로의 초점의 변위가 층의 층 두께 내에서 발생하는 방식으로 설계되는,
    장치.
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