RU2491594C2 - Method of obtaining three-dimensional objects - Google Patents

Method of obtaining three-dimensional objects Download PDF

Info

Publication number
RU2491594C2
RU2491594C2 RU2011149328/28A RU2011149328A RU2491594C2 RU 2491594 C2 RU2491594 C2 RU 2491594C2 RU 2011149328/28 A RU2011149328/28 A RU 2011149328/28A RU 2011149328 A RU2011149328 A RU 2011149328A RU 2491594 C2 RU2491594 C2 RU 2491594C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
photosensitive material
waves
interfering waves
interfering
illuminating
Prior art date
Application number
RU2011149328/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011149328A (en
Inventor
Юрий Владимирович Микляев
Константин Александрович Зайцев
Мария Андреевна Адаменко
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (национальный исследовательский университет) (ФГБОУ ВПО "ЮУрГУ" (НИУ))
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (национальный исследовательский университет) (ФГБОУ ВПО "ЮУрГУ" (НИУ)) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (национальный исследовательский университет) (ФГБОУ ВПО "ЮУрГУ" (НИУ))
Priority to RU2011149328/28A priority Critical patent/RU2491594C2/en
Publication of RU2011149328A publication Critical patent/RU2011149328A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2491594C2 publication Critical patent/RU2491594C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: method of obtaining three-dimensional objects of an arbitrary shape by interference lithography involves preliminary calculation of amplitude and phase of the interfering coherent waves on a given shape of the object, illuminating a photosensitive material with a series of groups of interfering coherent waves to obtain three-dimensional distribution of density of absorbed light energy, developing the obtained photomaterial and obtaining solid three-dimensional objects.
EFFECT: synthesis of three-dimensional objects of an arbitrary shape with subwave resolution.
22 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к процессам формирования (синтеза) трехмерных объектов произвольной формы с использованием технологии интерференционной литографии.The invention relates to processes for the formation (synthesis) of three-dimensional objects of arbitrary shape using interference lithography technology.

Из уровня техники известен способ синтеза трехмерных объектов с субмикронной точностью, характеризующийся сканированием объема фоточувствительного материала фокальной перетяжкой пучка лазера и основанный на двухфотонном поглощении света вблизи этой перетяжки пучка света (SU-8 for real three-dimensional subdiffraction-limit two-photon microfabrication. W.H. Teh, U. Durig, G. Salis, R. Harbers, U. Drechsler, R.F. Mahrt, C.G. Smith, H.-J. Guntherodt, Applied Physics Letters; Vol.84 Issue 20, p.4095, 2004).The prior art method for the synthesis of three-dimensional objects with submicron accuracy, characterized by scanning the volume of photosensitive material with a focal waist of the laser beam and based on two-photon absorption of light near this waist of the light beam (SU-8 for real three-dimensional subdiffraction-limit two-photon microfabrication. WH Teh, U. Durig, G. Salis, R. Harbers, U. Drechsler, RF Mahrt, CG Smith, H.-J. Guntherodt, Applied Physics Letters; Vol. 84 Issue 20, p. 4095, 2004).

К недостаткам указанного способа следует отнести:The disadvantages of this method include:

- медленный процесс синтеза, так как требуется поточечное сканирование фотоматериала;- a slow synthesis process, since point-by-point scanning of photographic material is required;

- невозможность серийного производства объектов, так как изделия производятся поштучно, и как результат - высокая стоимость получаемых изделий;- the impossibility of mass production of objects, since the products are manufactured individually, and as a result - the high cost of the products obtained;

- трудности синтеза больших по размеру объектов из-за необходимости использования малой фокальной перетяжки.- difficulties in synthesizing large objects due to the need to use a small focal constriction.

Прототипом заявляемого изобретения является способ синтеза микрочастиц различной формы, характеризующийся освещением фоточувствительного материала интерферирующими волнами, проявлением фотоматериала и получением объектов (заявка WO 2008/097495, опубл. 14.08.08, МПК G03F 7/004).The prototype of the claimed invention is a method for the synthesis of microparticles of various shapes, characterized by illuminating the photosensitive material with interfering waves, the manifestation of the photographic material and obtaining objects (application WO 2008/097495, publ. 14.08.08, IPC G03F 7/004).

Недостатком данного способа является невозможность получения объектов с наперед заданной формой.The disadvantage of this method is the inability to obtain objects with a predetermined shape.

Технической задачей заявляемого изобретения является синтез трехмерных объектов произвольной формы с субволновым разрешением.The technical task of the invention is the synthesis of three-dimensional objects of arbitrary shape with sub-wave resolution.

Поставленная задача достигается тем, что в заявляемом способе синтеза трехмерных объектов произвольной формы методом интерференционной литографии осуществляют предварительный расчет амплитуд и фаз интерферируюцих когерентных волн по заданной форме объекта, освещают фоточувствительный материал последовательностью групп интерферирующих когерентных волн с получением трехмерного распределения плотности поглощенной световой энергии, проявляют полученный фотоматериал и получают твердые трехмерные объекты.The problem is achieved in that in the claimed method for the synthesis of three-dimensional objects of arbitrary shape by the method of interference lithography, a preliminary calculation of the amplitudes and phases of the interfering coherent waves according to the given shape of the object is performed, the photosensitive material is illuminated with a sequence of groups of interfering coherent waves to obtain a three-dimensional distribution of the density of absorbed light energy, and the obtained photographic material and get solid three-dimensional objects.

Кроме того, изобретение предоставляет возможность одновременного синтеза множества идентичных объектов произвольной формы, упорядоченных в двухмерную сетку, причем другой особенностью изобретения является то, что направление интерферирующих волн задают таким образом, чтобы проекции волновых векторов на некоторую плоскость располагались в периодической двухмерной сетке.In addition, the invention provides the possibility of simultaneous synthesis of many identical objects of arbitrary shape, arranged in a two-dimensional grid, and another feature of the invention is that the direction of the interfering waves is set so that the projections of the wave vectors onto a certain plane are located in a periodic two-dimensional grid.

Изобретение позволяет осуществить синтез объектов при освещении слоя фоточувствительного материала с двух и более сторон или освещением слоя фоточувствительного материала с одной стороны.The invention allows the synthesis of objects when illuminating a layer of photosensitive material from two or more sides or by lighting a layer of photosensitive material on one side.

С целью получения соответствующей синтезируемому объекту плотности поглощенной световой энергии расчет амплитуд волн корректируют с учетом конечного поглощения интерферирующих волн в слое фоточувствительного материала.In order to obtain the absorbed light energy density corresponding to the synthesized object, the calculation of the wave amplitudes is adjusted taking into account the final absorption of the interfering waves in the layer of the photosensitive material.

С целью оптимизации контраста и разрешающей способности способа расчет амплитуд и фаз интерферирующих волн осуществляют при помощи генетического алгоритма оптимизации.In order to optimize the contrast and resolution of the method, the calculation of the amplitudes and phases of the interfering waves is carried out using a genetic optimization algorithm.

С целью трехмерного уплотнения расположения идентичных объектов расположение одновременно синтезируемых объектов осуществляют в плоскости, перпендикулярной слою фоточувствительного материала и/или направлению освещения, причем трехмерное расположение (размещение) идентичных объектов осуществляют при перемещении слоя фоточувствительного материала параллельно его плоскости.For the purpose of three-dimensional compaction of the location of identical objects, the location of simultaneously synthesized objects is carried out in a plane perpendicular to the layer of photosensitive material and / or the direction of lighting, and three-dimensional arrangement (placement) of identical objects is carried out by moving the layer of photosensitive material parallel to its plane.

Для задания рассчитанных амплитуд и фаз волн при освещении фоточувствительного материала используют пространственно-временной модулятор света на основе жидкокристаллического модулятора или пространственно-временной модулятор света на основе микроэлектромеханического модулятора.To specify the calculated amplitudes and phases of the waves when illuminating a photosensitive material, a spatio-temporal light modulator based on a liquid crystal modulator or a spatio-temporal light modulator based on a microelectromechanical modulator are used.

Как один из возможных вариантов реализации способа с целью синтеза трехмерного объекта, предлагается осуществлять расчет амплитуд и фаз интерферирующих волн при расчете дифракции волн, падающих и дифрагирующих в направлениях, соответствующих интерферирующим волнам, в том числе с использованием быстрого преобразования Фурье.As one of the possible options for implementing the method for the synthesis of a three-dimensional object, it is proposed to calculate the amplitudes and phases of interfering waves when calculating the diffraction of waves incident and diffracting in the directions corresponding to interfering waves, including using the fast Fourier transform.

Для синтеза трехмерных объектов в качестве фоточувствительного материала используют сухие пленки негативных и позитивных фоторезистов или жидкие фотополимерные среды.For the synthesis of three-dimensional objects, dry films of negative and positive photoresists or liquid photopolymer media are used as a photosensitive material.

С целью повышения разрешающей способности метода при освещении фоточувствительного материала интерферирующими волнами используют нелинейные эффекты, в частности двухфотонное поглощение.In order to increase the resolution of the method when illuminating a photosensitive material with interfering waves, nonlinear effects are used, in particular two-photon absorption.

В качестве инструментального оборудования для освещения фоточувствительного материала интерферирующими волнами используют фурье-объектив или микрообъектив, в передней фокальной плоскости которых помещают пространственно-временной модулятор света.As a tool equipment for illuminating a photosensitive material with interfering waves, a Fourier lens or a micro lens are used, in which the spatio-temporal light modulator is placed in the front focal plane.

С целью повышения разрешения и увеличения угла освещения при освещении фоточувствительного материала интерферирующими волнами используют различные виды иммерсии.In order to increase resolution and increase the angle of illumination when illuminating a photosensitive material with interfering waves, various types of immersion are used.

При освещении фоточувствительного материала интерферирующими волнами используют циркулярную поляризацию интерферирующих волн или линейную поляризацию интерферирующих волн, или эллиптическую поляризацию интерферирующих волн.When illuminating a photosensitive material with interfering waves, circular polarization of interfering waves or linear polarization of interfering waves or elliptical polarization of interfering waves are used.

Для повышения качества получаемых изделий, для повышения контраста освещения оптимизируют и задают отдельно поляризацию каждой из интерферирующих волн.To improve the quality of the products obtained, to increase the contrast of lighting, the polarization of each of the interfering waves is optimized and set separately.

Заявитель считает необходимым отметить, что данный способ можно применить для синтеза объектов 2,5 размерности (двухмерных, с толщиной сопоставимой или большей размера детали в плоскости фоторезиста).The applicant considers it necessary to note that this method can be used to synthesize objects of 2.5 dimensions (two-dimensional, with a thickness of a comparable or larger part in the plane of the photoresist).

Для того чтобы получить трехмерный объект методом интерференционной литографии, необходимо создать в фоточувствительном материале соответствующее трехмерное распределение плотности поглощенной дозы излучения. Например, для негативного типа фотополимера внутри границ объекта плотность поглощенной дозы излучения должна превышать свое пороговое значение для достижения полимеризации материала, а вне границ быть ниже этого значения. Чем больше разница между значением плотности поглощенной энергии вне и внутри объекта, то есть чем больше контраст полученной картины, тем выше качество передачи границ объекта, разрешение, ниже требования к нелинейности отклика фотоматериала, больше окно допустимых параметров процесса синтеза.In order to obtain a three-dimensional object by the method of interference lithography, it is necessary to create a corresponding three-dimensional distribution of the density of the absorbed radiation dose in the photosensitive material. For example, for a negative type of photopolymer inside the boundaries of the object, the density of the absorbed radiation dose must exceed its threshold value to achieve the polymerization of the material, and outside the boundaries be below this value. The greater the difference between the density of absorbed energy outside and inside the object, that is, the greater the contrast of the resulting picture, the higher the quality of the transmission of the boundaries of the object, the resolution, the lower the requirements for non-linear response of the photographic material, the larger the window of permissible synthesis process parameters.

Как отмечалось выше, объекту произвольной формы ставится в соответствие трехмерное распределение плотности поглощенной энергии. Это распределение может быть представлено как сумма пространственных гармоник, вычисляемых посредством трехмерного Фурье-преобразования данного распределения.As noted above, an object of arbitrary shape is associated with a three-dimensional distribution of the density of absorbed energy. This distribution can be represented as the sum of spatial harmonics calculated by the three-dimensional Fourier transform of this distribution.

Наиболее прямым способом получения такого распределения является последовательное экспонирование фотоматериала интерференционными картинами различного периода и ориентации, получаемыми от двух волн. При каждом экспонировании получают одну пространственную гармонику в распределении поглощенной энергии излучения. Обычно отклик фотоматериала в каждой точке пропорционален суммарной плотности поглощенной энергии, получаемой от всех экспозиций в их последовательности. Однако такой прямолинейный подход имеет принципиальные недостатки. Один из них - это то, что процесс экспонирования будет состоять из огромного числа экспозиций, примерно равного количеству векселей синтезируемого объекта. То есть, теряется преимущество интерференционной литографии, состоящее в ускорении процесса за счет параллельности экспонирования всего объема.The most direct way to obtain such a distribution is to sequentially expose the photographic material with interference patterns of different periods and orientations obtained from two waves. At each exposure, one spatial harmonic is obtained in the distribution of the absorbed radiation energy. Typically, the response of the photographic material at each point is proportional to the total density of absorbed energy received from all exposures in their sequence. However, such a straightforward approach has fundamental shortcomings. One of them is that the exposure process will consist of a huge number of exposures, approximately equal to the number of bills of the synthesized object. That is, the advantage of interference lithography is lost, consisting in accelerating the process due to the parallel exposure of the entire volume.

Проблему большого времени освещения (экспонирования) можно решать, освещая материал одновременно сразу многими взаимно некогерентными парами волн. Однако кроме того, что это трудно реализуемо технически, это не решит другой проблемы. Если освещение разными гармониками разнесено во времени или осуществляется некогерентными волнами, суммирование гармоник происходит по интенсивности, а не по напряженности поля. Поскольку интенсивность не может принимать отрицательных значений, в данном случае при каждом освещении добавляется фурье-гармоника только вместе с постоянной составляющей. Контраст получаемого таким образом распределения плотности поглощенной энергии будет слишком низок для обеспечения процесса синтеза.The problem of a long illumination (exposure) time can be solved by illuminating the material simultaneously with many mutually incoherent pairs of waves. However, in addition to being technically difficult to implement, this will not solve another problem. If the illumination by different harmonics is spread out in time or is carried out by incoherent waves, the summation of harmonics occurs in intensity, and not in field strength. Since the intensity cannot take negative values, in this case, with each illumination, the Fourier harmonic is added only together with the constant component. The contrast of the density distribution of the absorbed energy obtained in this way will be too low to support the synthesis process.

Способ состоит из предварительного расчета амплитуд и фаз волн, экспонирования фотоматериала и обработки фотоматериала (запекание, проявление и пр.). Обработка фотоматериала производится как и при других способах литографии методом, соответствующим данному типу фотоматериала. Предпочтительны фоторезисты, разработанные для синтеза трехмерных объектов (толстослойные фоторезисты). Также предпочтительны фоторезисты с химическим механизмом усиления, с катионным механизмом полимеризации, позволяющим накапливать дозу поглощенного излучения от нескольких экспонирований.The method consists of a preliminary calculation of the amplitudes and phases of the waves, exposure of the photographic material and processing of the photographic material (baking, development, etc.). Processing of photographic material is carried out, as with other lithography methods, by a method corresponding to this type of photographic material. Photoresists designed for the synthesis of three-dimensional objects (thick layer photoresists) are preferred. Also preferred are photoresists with a chemical amplification mechanism, with a cationic polymerization mechanism, which makes it possible to accumulate a dose of absorbed radiation from several exposures.

Особую важность представляет способ экспонирования фоторезиста группами волн, направления которых охватывают весь телесный угол (4я стерадиан) или его половину (2я стерадиан).Of particular importance is the method of exposure of a photoresist to groups of waves whose directions cover the entire solid angle (4th steradian) or half of it (2nd steradian).

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема экспонирования фоторезиста с одной полуплоскости; на фиг.2 - схема экспонирования фоторезиста с двух сторон (полуплоскостей); фиг.3 - синтезируемая деталь; фиг.4 - результат компьютерного моделирования шести балок; фиг.5 - результат компьютерного моделирования - турбина; фиг.6 - распределение плотности поглощенной энергии в плоскости XY при компьютерном моделировании турбины; фиг.7 - пример ориентации волновых векторов в двухмерном случае; фиг.8 -ориентация волновых векторов и их проекций, обеспечивающая одновременный синтез многих трехмерных объектов, распложенных в узлах квадратной сетки.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a diagram of the exposure of a photoresist from one half-plane; figure 2 - scheme of exposure of the photoresist from two sides (half-planes); figure 3 - synthesized part; figure 4 - the result of computer simulation of six beams; figure 5 - the result of computer simulation - turbine; 6 is a distribution of the density of absorbed energy in the XY plane during computer simulation of the turbine; 7 is an example of the orientation of wave vectors in the two-dimensional case; Fig. 8 — orientation of wave vectors and their projections, providing simultaneous synthesis of many three-dimensional objects located in the nodes of a square grid.

Рассмотрим один из вариантов экспонирования, соответствующий освещению слоя фотоматериала с одной полуплоскости (фиг.1). Предлагается следующая система, содержащая пространственно-временной модулятор света 1, фурье-объектив 2, подложка с фоторезистом 3. Используется фурье-объектив (желательно с большой числовой апертурой). В фокальной плоскости этого объектива помещается выходная плоскость пространственно-временного модулятора света, состоящего из двумерного массива пикселей. При прохождении пучком пространственного когерентного света (при освещении пространственно когерентным пучком света) такого модулятора можно управлять фазой и интенсивностью света на выходе каждого пикселя (каждого пикселя, независимо от других). Аналогично можно использовать модулятор, работающий на отражение. Таким образом, в передней фокальной плоскости фурье-объектива (на его входе) имеем набор источников света, подобных точечным источникам, причем интенсивность и фаза каждого источника задается отдельно. Тогда на выходе такого объектива (в его задней фокальной плоскости) получим набор коллимированных пучков света с задаваемой фазой и интенсивностью. Причем направления распространения (волновые векторы данных пучков света) будут соответствовать направлениям, которые могут обеспечить одновременный синтез множества идентичных объектов.Consider one of the exposure options corresponding to the illumination of a layer of photographic material from one half-plane (Fig. 1). The following system is proposed, containing a spatio-temporal light modulator 1, a Fourier lens 2, a substrate with a photoresist 3. A Fourier lens (preferably with a large numerical aperture) is used. The output plane of the space-time light modulator, consisting of a two-dimensional array of pixels, is placed in the focal plane of this lens. When a beam passes spatial coherent light (when illuminated by a spatially coherent light beam) of such a modulator, it is possible to control the phase and light intensity at the output of each pixel (each pixel, independently of the others). Similarly, you can use a modulator that works on reflection. Thus, in the front focal plane of the Fourier lens (at its input) we have a set of light sources similar to point sources, with the intensity and phase of each source being set separately. Then, at the output of such a lens (in its rear focal plane), we obtain a set of collimated light beams with a given phase and intensity. Moreover, the propagation directions (wave vectors of these light beams) will correspond to directions that can provide simultaneous synthesis of many identical objects.

Вместо фурье-объектива может использоваться другой объектив или микроскоп-объектив.Instead of a Fourier lens, another lens or a microscope lens can be used.

В качестве пространственно-временного модулятора может использоваться жидко-кристаллический модулятор света или микроэлектромеханический модулятор света (например, цифровой световой процессор DLP фирмы Техас Инструменте).As a space-time modulator, a liquid crystal light modulator or a microelectromechanical light modulator (for example, a Texas Instrument Instrument DLP digital light processor) can be used.

Для снижения потерь света и обеспечения коллимированности интерферирующих волн на выходе пространственно-временного модулятора может помещаться линзовый растр - одна микролинза на один пиксель. С помощью таких линз мы можем сформировать нужные параметры пучка. То есть, выбором фокусного расстояния микролинз можно задать диаметр интерферирующих пучков в фотоматериале, собрать весь свет на выходе каждого пикселя и обеспечить коллимированность интерферирующих пучков.To reduce light loss and ensure collimation of interfering waves, a lens raster can be placed at the output of the space-time modulator - one microlens per pixel. With the help of such lenses we can form the necessary beam parameters. That is, by choosing the focal length of the microlenses, you can set the diameter of the interfering beams in the photographic material, collect all the light at the output of each pixel, and ensure that the interfering beams are collimated.

Может использоваться как двумерный растр микролинз, так и два одномерных растра (два растра цилиндрических линз), скрещенных под углом 90 градусов.Both a two-dimensional raster of microlenses and two one-dimensional rasters (two rasters of cylindrical lenses) crossed at an angle of 90 degrees can be used.

Как вариант реализации освещения с полного телесного угла может использоваться подобная система, но, соответственно, с использованием двух пространственно-временных модуляторов и двух фурье-объективов, как показано на фиг.2, где пространственно-временной модулятор света 1, фурье-объектив 2, подложка с фоторезистом 3, зеркало 4, полупрозрачное зеркало 5. При этом необходимо обеспечить когерентность волн, падающих на слой фотоматериала с двух сторон.As an embodiment of lighting from a full solid angle, a similar system can be used, but, accordingly, using two space-time modulators and two Fourier lenses, as shown in FIG. 2, where the space-time light modulator 1, the Fourier lens 2, substrate with photoresist 3, mirror 4, translucent mirror 5. In this case, it is necessary to ensure the coherence of the waves incident on the layer of photographic material from two sides.

Как один из возможных вариантов, предложен следующий способ вычисления амплитуд волн в группах. Зададим N направлений (волновых векторов) интерферирующих волн, покрывающих равномерно весь доступный телесный угол (например, полный телесный угол 4 л;). Количество экспозиций примем также равным N. Амплитуды волн в каждой группе (соответствующей одной из экспозиций) определим как амплитуды волн, возникающих в результате дифракции на объекте одной из волн в эти N выбранных направлений. Таким образом, для j-й группы амплитуда i-й волны равнаAs one of the possible options, the following method for calculating the amplitudes of waves in groups is proposed. We set N directions (wave vectors) of the interfering waves that uniformly cover the entire available solid angle (for example, the full solid angle of 4 l;). The number of exposures is also assumed to be N. The wave amplitudes in each group (corresponding to one of the exposures) are defined as the amplitudes of the waves resulting from the diffraction of one of the waves in the object in these N selected directions. Thus, for the jth group, the amplitude of the i-th wave is

A i , j = ε ( r ) exp ( i k i r ) exp ( i k j r ) d r , ( 1 )

Figure 00000001
A i , j = ε ( r ) exp ( i k i r ) exp ( i k j r ) d r , ( one )
Figure 00000001

где ε(r)=1 внутри объекта,where ε (r) = 1 inside the object,

ε(r)=0 вне объекта,ε (r) = 0 outside the object,

ki - волновой вектор i-й волны в группе,k i - wave vector of the i-th wave in the group,

r - радиус-вектор.r is the radius vector.

В результате N экспонирований получим следующее распределение плотности поглощенной энергииAs a result of N exposures, we obtain the following distribution of the absorbed energy density

E ( r ) = j = 0 N | i = 0 N A i , j exp ( i k i r ) | 2 ( 2 )

Figure 00000002
E ( r ) = j = 0 N | i = 0 N A i , j exp ( i k i r ) | 2 ( 2 )
Figure 00000002

Ожидается, что таким образом в трехмерном случае мы можем получить около N N

Figure 00000003
векселей объекта с разрешением порядка длины волны (двухмерному случаю соответствует N·N пикселей).It is expected that in this way in the three-dimensional case we can get about N N
Figure 00000003
object bills with a resolution of the order of the wavelength (two-dimensional case corresponds to N · N pixels).

В качестве примера конкретной реализации способа взята деталь, имеющая форму шести балок - фиг.3. Количество волн, использованных для синтеза этого объекта, было взято равным 506. На фиг.4 представлен результат сложения 506 экспозиций для шести балок. Показаны поверхности уровня, соответствующие различным значениям плотности поглощенной энергии. Как видим, границы объекта просматриваются при интенсивностях, отношение которых превышает Imax/Imin=300. Таким образом, контраст, который может быть обеспечен данным способом, составляет не менее m=0,95, что вполне достаточно при использовании существующих типов фоторезистов.As an example of a specific implementation of the method, a part having the shape of six beams is taken - FIG. 3. The number of waves used to synthesize this object was taken equal to 506. Figure 4 shows the result of adding 506 exposures for six beams. Level surfaces corresponding to various values of the absorbed energy density are shown. As you can see, the boundaries of the object are visible at intensities whose ratio exceeds Imax / Imin = 300. Thus, the contrast that can be achieved by this method is not less than m = 0.95, which is quite sufficient when using existing types of photoresists.

В качестве другого примера реализации метода является синтез трехмерного объекта - турбины. На фиг.5 представлен результат реализации метода для турбины. Для иллюстрации контраста трехмерного распределения на фиг.6 показано распределение плотности энергии в сечении XY для турбины.As another example of the implementation of the method is the synthesis of a three-dimensional object - a turbine. Figure 5 presents the result of the implementation of the method for the turbine. To illustrate the contrast of the three-dimensional distribution, FIG. 6 shows the energy density distribution in the XY section for a turbine.

Одновременный синтез нескольких идентичных объектов возможен для случая, когда проекции волновых векторов интерферирующих волн на некоторые направления относятся друг к другу как целые числа. В этом случае для периодической последовательности точек пространства, расположенных вдоль этих направлений, разность фаз для всех групп волн будет кратна 2π. На фиг.7 показан пример ориентации волновых векторов в двухмерном случае. Проекции волновых векторов на ось Х расположены эквидистантно (относятся как целые числа). Это приводит к тому, что вдоль этой оси точки, удаленные друг от друга на расстояние 2π/(Δkx), будут освещаться при любом экспонировании одинаковой интенсивностью (аналогично тому, как обратное преобразование ряда Фурье дает периодическую последовательность).The simultaneous synthesis of several identical objects is possible for the case when the projections of the wave vectors of the interfering waves in some directions relate to each other as integers. In this case, for a periodic sequence of space points along these directions, the phase difference for all wave groups will be a multiple of 2π. 7 shows an example of the orientation of the wave vectors in the two-dimensional case. The projections of the wave vectors onto the X axis are located equidistantly (refer as integers). This leads to the fact that along this axis, points remote from each other by a distance of 2π / (Δk x ) will be illuminated at any exposure with the same intensity (similar to how the inverse Fourier series transformation gives a periodic sequence).

Для трехмерной картины распределения выполнения условия эквидистантности проекций волновых векторов возможно одновременно для двух направлений. В этом случае возможен синтез двухмерного массива индентичных объектов, расположенных в узлах двухмерной сетки (квадратной, гексагональной и пр.). При этом волновой вектор всех интерферирующих волн может быть записан в видеFor a three-dimensional picture of the distribution, the fulfillment of the equidistance condition for the projections of wave vectors is possible simultaneously for two directions. In this case, a synthesis of a two-dimensional array of identical objects located at the nodes of a two-dimensional grid (square, hexagonal, etc.) is possible. In this case, the wave vector of all interfering waves can be written as

k m , n = a m + b n + e z k 0 2 | a m | 2 | b n | 2 , ( 3 )

Figure 00000004
k m , n = a m + b n + e z k 0 2 - | a m | 2 - | b n | 2 , ( 3 )
Figure 00000004

где m, n - целые числа, e

Figure 00000005
- единичный вектор, a
Figure 00000006
, b
Figure 00000007
- вектора, перпендикулярные вектору e
Figure 00000008
и образующие базис двухмерной решетки в обратном пространстве, k0 - волновой вектор света в вакууме.where m, n are integers, e
Figure 00000005
is the unit vector a
Figure 00000006
, b
Figure 00000007
- vectors perpendicular to the vector e
Figure 00000008
and forming the basis of a two-dimensional lattice in reciprocal space, k 0 is the wave vector of light in vacuum.

На фиг.8 представлен пример распределения волновых векторов на сфере направлений, соответствующий мультиплексированию объектов, расположенных в узлах квадратной сетки, лежащей в плоскости XY.On Fig presents an example of the distribution of wave vectors on the sphere of directions, corresponding to the multiplexing of objects located in the nodes of a square grid lying in the XY plane.

Разрешение предлагаемого метода ограничивается максимальной пространственной частотой, соответствующей интерференции встречных волн. Минимальный период в этом случае равен половине длины волны используемого излучения. Для обеспечения этого условия необходимо освещение фотоматериала со всех направлений, охватывающих полный телесный угол 4π стерадиан. На практике фотоматериал обычно представляет собой сухую пленку фоторезиста, расположенную на стеклянной подложке. С практической точки зрения достаточно сложно выполнить учет сдвигов фаз волн, падающих на фоторезист с нижней и верхней полусфер. Кроме того, требуется обеспечить симметричность направлений волн в нижней и верхней полусфере. Это будет особенно критичным при мультиплексировании объектов. Оценим, что измениться при использовании половины полного телесного угла, т.е. освещении фотоматериала только с одной полусферы направлений. Как можно видеть из фиг.9, в таком случае максимальная длина вектора решетки вдоль одного из направлений будет вдвое меньше, в то время, как вдоль двух других направлений в нашем распоряжении останется такой же набор решеток. Это привет к тому, что вдоль направления освещения (перпендикулярно плоскости фоторезиста) разрешающая способность будет вдвое ниже по сравнению с освещением с полного телесного угла, в то время как латеральное разрешение (в плоскости фоторезиста) останется прежним, примерно равным половине длины волны излучения.The resolution of the proposed method is limited by the maximum spatial frequency corresponding to the interference of counterpropagating waves. The minimum period in this case is equal to half the wavelength of the radiation used. To ensure this condition, it is necessary to illuminate the photographic material from all directions, covering the full solid angle of 4π steradian. In practice, the photographic material is usually a dry photoresist film located on a glass substrate. From a practical point of view, it is rather difficult to take into account the phase shifts of the waves incident on the photoresist from the lower and upper hemispheres. In addition, it is required to ensure the symmetry of the directions of the waves in the lower and upper hemisphere. This will be especially critical when multiplexing objects. Let us estimate what changes when using half the full solid angle, i.e. lighting photographic material from only one hemisphere of directions. As can be seen from Fig. 9, in this case, the maximum length of the lattice vector along one of the directions will be half as much, while along the other two directions we will still have the same set of lattices. This is a hi to the fact that along the direction of illumination (perpendicular to the plane of the photoresist) the resolution will be half as high as that of illumination from a full solid angle, while the lateral resolution (in the plane of the photoresist) will remain the same, approximately equal to half the radiation wavelength.

Преимущества предлагаемого способа:The advantages of the proposed method:

1. Высокая скорость экспонирования (одновременное освещение всего объема фоторезиста).1. High speed exposure (simultaneous illumination of the entire volume of the photoresist).

2. Возможность одновременного синтеза многих идентичных объектов (деталей).2. The ability to simultaneously synthesize many identical objects (parts).

3. Использование однофотонного поглощения, не требующего высокой пиковой мощности, возможность использования непрерывных лазеров с большой длиной когерентности, и соответственно, возможность получения большого количества разрешаемых векселей синтезируемых объектов.3. The use of single-photon absorption, which does not require high peak power, the possibility of using cw lasers with a long coherence length, and, accordingly, the possibility of obtaining a large number of resolved bills of synthesized objects.

4. Отсутствие движущихся деталей схемы (не нужно прецизионных перемещений фокальной перетяжки или нанесения многих слоев фоторезиста).4. The absence of moving parts of the circuit (no precise movements of the focal constriction or the application of many layers of photoresist are necessary).

Claims (22)

1. Способ получения трехмерных объектов произвольной формы методом интерференционной литографии, характеризующийся тем, что осуществляют предварительный расчет амплитуд и фаз интерферируемых когерентных волн по заданной форме объекта, освещают фоточувствительный материал последовательностью групп интерферирующих когерентных волн с получением трехмерного распределения плотности поглощенной световой энергии, проявляют полученный фотоматериал и получают твердые трехмерные объекты.1. A method for producing three-dimensional objects of arbitrary shape by the method of interference lithography, characterized in that they carry out a preliminary calculation of the amplitudes and phases of the interfering coherent waves according to the given shape of the object, illuminate the photosensitive material with a sequence of groups of interfering coherent waves to obtain a three-dimensional distribution of the density of absorbed light energy, show the resulting photographic material and get solid three-dimensional objects. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что синтезируют одновременно множество идентичных объектов произвольной формы, упорядоченных в двухмерную сетку.2. The method according to claim 1, characterized in that at the same time synthesize many identical objects of arbitrary shape, ordered in a two-dimensional grid. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что направление интерферирующих волн задают таким образом, чтобы проекции волновых векторов на некоторую плоскость располагались в периодической двухмерной сетке.3. The method according to claim 2, characterized in that the direction of the interfering waves is set so that the projections of the wave vectors onto a certain plane are located in a periodic two-dimensional grid. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что освещают слой фоточувствительного материала с двух сторон.4. The method according to claim 1, characterized in that the layer of photosensitive material is illuminated from two sides. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что освещают слой фоточувствительного материала с одной стороны.5. The method according to claim 1, characterized in that they illuminate the layer of photosensitive material on one side. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что расчет амплитуд волн корректируют с учетом конечного поглощения интерферирующих волн в слое фоточувствительного материала.6. The method according to claim 1, characterized in that the calculation of the wave amplitudes is adjusted taking into account the final absorption of interfering waves in the layer of photosensitive material. 7. Способ по п.2, отличающийся тем, что расположение одновременно синтезируемых объектов осуществляют в плоскости, перпендикулярной слою фоточувствительного материала и/или направлению освещения.7. The method according to claim 2, characterized in that the location of simultaneously synthesized objects is carried out in a plane perpendicular to the layer of photosensitive material and / or the direction of illumination. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что трехмерное расположение идентичных объектов осуществляют при перемещении слоя фоточувствительного материала параллельно его плоскости.8. The method according to claim 7, characterized in that the three-dimensional arrangement of identical objects is carried out by moving the layer of photosensitive material parallel to its plane. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что при освещении фоточувствительного материала используют пространственно-временной модулятор света на основе жидкокристаллического модулятора.9. The method according to claim 1, characterized in that when illuminating the photosensitive material, a spatio-temporal light modulator based on a liquid crystal modulator is used. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что при освещении фоточувствительного материала используют пространственно-временной модулятор света на основе микроэлектромеханического модулятора.10. The method according to claim 1, characterized in that when illuminating the photosensitive material, a spatio-temporal light modulator based on a microelectromechanical modulator is used. 11. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительный расчет амплитуд и фаз интерферирующих волн осуществляют при помощи генетического алгоритма оптимизации.11. The method according to claim 1, characterized in that the preliminary calculation of the amplitudes and phases of the interfering waves is carried out using a genetic optimization algorithm. 12. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительный расчет амплитуд и фаз интерферирующих волн осуществляют при расчете дифракции волн, падающих и дифрагирующих в направлениях, соответствующих интерферирующим волнам.12. The method according to claim 1, characterized in that the preliminary calculation of the amplitudes and phases of the interfering waves is carried out when calculating the diffraction of waves incident and diffracting in the directions corresponding to the interfering waves. 13. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительный расчет амплитуд и фаз интерферирующих волн осуществляют с использованием быстрого преобразования Фурье.13. The method according to claim 1, characterized in that the preliminary calculation of the amplitudes and phases of the interfering waves is carried out using a fast Fourier transform. 14. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве фоточувствительного материала используют сухие пленки негативных и позитивных фоторезистов.14. The method according to claim 1, characterized in that as a photosensitive material using dry films of negative and positive photoresists. 15. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве фоточувствительного материала используют жидкие фотополимерные среды.15. The method according to claim 1, characterized in that as the photosensitive material using liquid photopolymer media. 16. Способ по п.1, отличающийся тем, что при освещении фоточувствительного материала интерферирующими волнами используют нелинейные эффекты, в частности двухфотонное поглощение.16. The method according to claim 1, characterized in that when illuminating the photosensitive material with interfering waves, nonlinear effects are used, in particular two-photon absorption. 17. Способ по п.1, отличающийся тем, что при освещении фоточувствительного материала интерферирующими волнами используют фурье-объектив или микрообъектив, в передней фокальной плоскости которых помещают пространственно-временной модулятор света.17. The method according to claim 1, characterized in that when illuminating the photosensitive material with interfering waves, a Fourier lens or a micro lens is used, in which the spatio-temporal light modulator is placed in the front focal plane. 18. Способ по п.1, отличающийся тем, что при освещении фоточувствительного материала интерферирующими волнами используют различные виды иммерсии.18. The method according to claim 1, characterized in that when illuminating the photosensitive material with interfering waves, various types of immersion are used. 19. Способ по п.1, отличающийся тем, что при освещении фоточувствительного материала интерферирующими волнами используют циркулярную поляризацию интерферирующих волн.19. The method according to claim 1, characterized in that when illuminating the photosensitive material with interfering waves, circular polarization of the interfering waves is used. 20. Способ по п.1, отличающийся тем, что при освещении фоточувствительного материала интерферирующими волнами используют линейную поляризацию интерферирующих волн.20. The method according to claim 1, characterized in that when illuminating the photosensitive material with interfering waves, linear polarization of the interfering waves is used. 21. Способ по п.1, отличающийся тем, что при освещении фоточувствительного материала интерферирующими волнами используют эллиптическую поляризацию интерферирующих волн.21. The method according to claim 1, characterized in that when illuminating the photosensitive material with interfering waves, elliptical polarization of the interfering waves is used. 22. Способ по п.1, отличающийся тем, что при освещении фоточувствительного материала интерферирующими волнами оптимизируют и задают отдельно поляризацию каждой из интерферирующих волн. 22. The method according to claim 1, characterized in that when illuminating the photosensitive material with interfering waves, the polarization of each of the interfering waves is optimized and set separately.
RU2011149328/28A 2011-12-02 2011-12-02 Method of obtaining three-dimensional objects RU2491594C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011149328/28A RU2491594C2 (en) 2011-12-02 2011-12-02 Method of obtaining three-dimensional objects

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011149328/28A RU2491594C2 (en) 2011-12-02 2011-12-02 Method of obtaining three-dimensional objects

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011149328A RU2011149328A (en) 2013-06-10
RU2491594C2 true RU2491594C2 (en) 2013-08-27

Family

ID=48784534

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011149328/28A RU2491594C2 (en) 2011-12-02 2011-12-02 Method of obtaining three-dimensional objects

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2491594C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2629542C2 (en) * 2015-11-10 2017-08-29 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Device for producing periodic structures by laser interference lithography using laser with tunable wavelength
RU2646086C1 (en) * 2016-07-01 2018-03-01 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) Method of obtaining three-dimensional objects
RU2654318C1 (en) * 2016-12-30 2018-05-17 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Device for creation of multi-modal structure by method of laser interference lithography

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6416952B1 (en) * 1989-06-07 2002-07-09 Affymetrix, Inc. Photolithographic and other means for manufacturing arrays
WO2008097495A1 (en) * 2007-02-02 2008-08-14 Massachusetts Institute Of Technology Three-dimensional particles and related methods including interference lithography
US7943290B2 (en) * 2006-05-11 2011-05-17 Samsung Led Co., Ltd. Method of forming fine pattern using azobenzene-functionalized polymer and method of manufacturing nitride-based semiconductor light emitting device using the method of forming fine pattern

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6416952B1 (en) * 1989-06-07 2002-07-09 Affymetrix, Inc. Photolithographic and other means for manufacturing arrays
US7943290B2 (en) * 2006-05-11 2011-05-17 Samsung Led Co., Ltd. Method of forming fine pattern using azobenzene-functionalized polymer and method of manufacturing nitride-based semiconductor light emitting device using the method of forming fine pattern
WO2008097495A1 (en) * 2007-02-02 2008-08-14 Massachusetts Institute Of Technology Three-dimensional particles and related methods including interference lithography

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2629542C2 (en) * 2015-11-10 2017-08-29 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Device for producing periodic structures by laser interference lithography using laser with tunable wavelength
RU2646086C1 (en) * 2016-07-01 2018-03-01 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) Method of obtaining three-dimensional objects
RU2654318C1 (en) * 2016-12-30 2018-05-17 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Device for creation of multi-modal structure by method of laser interference lithography

Also Published As

Publication number Publication date
RU2011149328A (en) 2013-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hyde IV et al. Generation of vector partially coherent optical sources using phase-only spatial light modulators
JP2023123490A (en) Metasurface-assisted 3d beam shaping
Bruce et al. A smooth, holographically generated ring trap for the investigation of superfluidity in ultracold atoms
Pinnell et al. Probing the limits of orbital angular momentum generation and detection with spatial light modulators
CN104122666B (en) Generation device and generation method for self-split light beams
RU2491594C2 (en) Method of obtaining three-dimensional objects
Stuart et al. Fast algorithms for generating binary holograms
Gao et al. Complex periodic non-diffracting beams generated by superposition of two identical periodic wave fields
Goncharsky et al. High-resolution full-parallax computer-generated holographic stereogram created by e-beam technology
Li et al. Comprehensive holographic parallel beam modulation inside material based on automatic differentiation
Ikonnikov et al. Controlling multiple diffraction with quasiperiodic gratings
Huang et al. Multi-value phase grating fabrication using direct laser writing for generating a two-dimensional focal spot array
Ding et al. Gradient-based source mask and polarization optimization with the hybrid Hopkins–Abbe model
JP7412166B2 (en) Imaging device and imaging method
JP6788622B2 (en) Diffractive element design method
Stuerwald Digital Holographic Methods
US20240319670A1 (en) Systems and methods for light sheets
Jiang et al. Omnidirectional investigation of two-dimensional periodic nanostructure arrays by a two-axis Lloyd’s mirror interferometer
Guo et al. High-speed fringe projection for robot 3D vision system
Liang et al. Suppression of imaging crack caused by the gap between micromirrors in maskless lithography
Covarrubias et al. Proximity effect in parallelized microfabrication using two-photon polymerization
Chayanun et al. Optical demonstration of crystallography and reciprocal space using laser diffraction from Au microdisc arrays
Mihailescu et al. Fractal-like diffractive arrangement with multiple focal points
Prabakaran et al. Tight focusing of phase modulated radially polarized hollow Gaussian beam using complex phase filter
Stoyanov et al. Multi-spot focal pattern formation and beam reshaping by mixing square-shaped and hexagonal vortex lattices

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20131203