WO2020233757A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen einer dreidimensionalen struktur mit wenigstens einem flächigen teilbereich - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum erzeugen einer dreidimensionalen struktur mit wenigstens einem flächigen teilbereich Download PDF

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WO2020233757A1
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laser
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Ruth Houbertz
Benedikt STENDER
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Multiphoton Optics Gmbh
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    • G03F7/70416—2.5D lithography

Definitions

  • the invention relates to a method for generating a three-dimensional structure by irradiating a laser into a spatially resolved polymerizable lithography material according to the preamble of claim 1 and a corresponding device.
  • lithography material that contains the lithographic material surrounding the structure, for example liquid or thin-film, is removed in a development process and the structure is post-hardened, if necessary thermally and / or by exposure to a light source of suitable wavelength, such as UV light, visible light and NIR light.
  • the invention relates particularly, but not exclusively, to methods based on two- or multi-photon polymerization.
  • Lasers with wavelengths are used that cannot trigger the polymerisation processes in the lithographic material with a single photon, but with multiphoton processes. Due to the quadratic intensity dependence of the induction of multi-photon processes compared to single-photon processes, the spatial resolution can be improved and the probability of unwanted or uncontrolled polymerisation processes outside the focal volume of the laser beam can be reduced, which in particular also includes focusing optics the lithography material can be immersed ("dip-in") without the lithography material solidifying and adhering to the light exit surface of the focusing optics.
  • the lithography material is provided on a carrier or substrate or in a bath container.
  • the focusing optics are moved or adjusted. Adjustment of the focus in an XY plane running transversely to the beam axis of the laser is usually carried out using a second mechanism that operates independently of the first mechanism.
  • B. Galvo scanner the lithography material remains unmoved and the laser focus is moved through the material.
  • the movement of the lithography material in particular, but also the entire optics in the XY plane is due to the inertia of the mechanical actuators or the creep behavior of piezoelectric, however, much slower and more difficult to control than the movement of the focus in the Z-direction.
  • the lateral movement of the lithography material is not as efficient as the lateral movement of the laser focus due to the inertia of the axes used.
  • EP-3287262 A1 it is also known from EP-3287262 A1 to introduce the non-focused beam from a laser source into the focusing optics via a galvo scanner system and to hold the material to be processed on the surface of a chuck or a hexapod . This is in turn displaceable on a second one that can be rotated in the XY plane and around the Z axis
  • the inertia of the galvo scanner system is less than that of actuators that have to move larger masses, but the writing area is limited to the field of view of the focusing optics and only allows relatively small movements of the focus, so that larger structures ching "must be put together from smaller structures.
  • This stitching usually leads to seams which are disadvantageous for their function, especially in the case of optical elements, since they generate aberrations and scattering and thus the functionality of the optical elements produced by means of the method can significantly deteriorate.
  • the laser focus is moved along predetermined trajectories that are calculated depending on data that describe the structure to be created, whereby the structure also shrinks during development, drying and / or post-hardening can be taken into account and pre-compensated.
  • Algorithms for calculating these trajectories are mainly known from classic, additive 3D printing, in which the structure is built up in layers, i.e. For cuts parallel to the XY plane in different Z positions, layers or contours of the structure are created one after the other and the structure is built up progressively in the Z direction. Accordingly, the three-dimensional topography of a body is mapped with two-dimensional mathematical functions and then implemented in the manufacturing process. In classic, additive 3D printing, this layer-by-layer structure makes sense for static reasons.
  • the invention is based on the task of accelerating laser lithographic processes of the type described above.
  • the object is achieved by a method for generating a three-dimensional structure with the features of claim 1, by a corresponding computer program product and a device for executing such a method.
  • Advantageous configurations of the invention emerge from the subclaims.
  • the invention relates to a method for producing a three-dimensional structure with at least one flat, uneven sub-area in a lithography material of any type that can be polymerized in a spatially resolved manner by irradiating a laser in a focus of the laser.
  • a sub-area is intended to be "flat" can be described which, within the accuracy given by the finite focal diameter, is a two-dimensional manifold, the thickness of which is therefore essentially constant and of the order of magnitude of a focal diameter, with multi-layer surfaces also being described as a flat sub-area should, provided the thickness is at least substantially constant.
  • substantially constant means that the thickness is constant and constant in a vast majority of the area, which can make up at least 80%, in particular at least 90% of the area, for example the remaining parts, for example support structures to support the F surface can be provided, for example, to avoid an unwanted collapse of a shell before re-solidification.
  • a flat area is referred to as “uneven” which differs substantially from a plane in three-dimensional space, especially if the curvature tensor differs from zero everywhere except in isolated points or lines, in particular two different from zero Has eigenvalues, for example is convex or concave in two linearly independent directions.
  • the position of the focus within the lithography material is defined by a first mechanism for adjusting the focus along a Z direction running parallel to a beam axis of the laser and a second mechanism for adjusting the focus 1 in a transverse direction Beam axis of the laser can be adjusted along the XY plane.
  • the method comprises the determination of a series of adjacent trajectories for a movement of the focus as a function of data eu of the three-dimensional structure.
  • adjacent to one another means that the distances between the trajectories of the family of trajectories and the next Trajectories in the order of magnitude of the focal diameter or slightly smaller, so that by moving the laser focus along the trajectories, the family of trajectories becomes a steady or quasi-continuous
  • the individual trajectories do not have to be separated from one another in sections, but can be combined into a single overall trajectory, which is then traversed, for example, in a meandering manner, in which case adjacent sections of the overall trajectory running at a constant distance from one another are used as trajectories in the sense of the invention are designated.
  • NA numerical aperture
  • trajectories are preferably generated at intervals of 0.1 pm to 1 pm.
  • Moving the focus creates the three-dimensional structure by moving the focus of the laser along the trajectories.
  • the “movement of the focus” comprises either the continuous irradiation and operation of the laser or the generation of regular pulses, whereby in the latter case the focus is not moved continuously but in small steps, the length of which is of the order of magnitude of the focal diameter so that the polymerized areas generated by the individual pulses completely or partially overlap and thus form a quasi-continuous, linear polymerized structure in the lithographic material.
  • the slower second mechanism for adjusting the focus in the XY plane running transversely to the beam axis of the laser only needs to be moved at a constant speed when running through the trajectories and no accelerations have to be controlled on the basis of which the trajectory speed would have to be reduced to avoid loss of precision.
  • the processing times can be in Compared to conventional solutions, in which the trajectories are calculated in such a way that their Z component remains essentially constant, while the direction of the trajectory speed changes rapidly in the XY plane.
  • a path speed of the sections of the path curves for generating the flat, uneven section in a projection onto the XY plane is at least essentially constant.
  • the feature "essentially parallel" of the trajectories or "essentially constant” in relation to the trajectory speed is to be understood in such a way that the advantageous effects of the invention are achieved even with slight deviations whose strength depends on the ratio depends on the inertia of the axes, ie the slower XY axes do not become a limiting factor for the writing speed.
  • This can be achieved, for example, if the trajectories are determined in such a way that a maximum amount of an XY component of the transverse path acceleration is at least a factor of 10 smaller than the maximum amount of a Z component of the transverse path acceleration.
  • the maximum values of the Z component of the acceleration values are preferably between 50-1,000,000 mm / s 2 .
  • a control with a constant amount of path speed in space or a control with constant degree of networking can be selected in the projection onto the XY plane, with the laser intensity and laser intensity in the latter in addition to the path speed if necessary, an immersion depth can flow into it.
  • the invention is particularly, but not exclusively, applicable advantageously for those methods in which the flat, uneven sub-area is a sub-area of an outer shell of the three-dimensional structure, the method then in particular the production of the outer shell of the three-dimensional structure by moving the Focus of the laser along the Orbital curves, the removal of the unpolymerized lithographic material in a space outside the outer shell and optionally the post-hardening of the unpolymerized lithographic material within the outer shell by exposure and / or heating.
  • the material located inside has to be post-hardened, but it can also be in the liquid state.
  • the method is also suitable for producing self-supporting surfaces, for example dome-like structures that are not filled with lithographic material in the final state.
  • the invention comprises in particular the use of vertical slices for producing a three-dimensional structure.
  • the written volume pixel (voxel.) Is generated by an axial movement (Z direction, along the optical axis) of the laser focus in combination with a lateral movement (XY direction) of the workpiece to be processed (substrate, assembly, etc.) ) or the material to be processed is moved in three dimensions.
  • the first advantage relates to surface accuracy or shape accuracy.
  • lateral and flat scan planes are used to implement a three-dimensional structure, whereby a three-dimensional structure is approximated by a sequence of two-dimensional planes and which thus lead to deviations from the real topography.
  • the topography of a structure is mapped realistically.
  • the elevation profile of a mountain is pointed out.
  • contour lines (equivalent: lateral two-dimensional scan planes) of the two-dimensional projection of a height course, whereby the actual course is represented incrementally, which is visible in the side view as "stairs".
  • stairs When driving over a mountain (equivalent: vertical three-dimensional scan plane) these " Stairs "but not.
  • the second benefit concerns the fabrication time of structures.
  • lateral or horizontal scan planes these must be repeated several times in order to generate a three-dimensional topography.
  • This repetitive scan sequence leads to long production times.
  • vertical sections slices
  • a single three-dimensional scan plane is traversed, so no repetitive sequence, whereby the manufacturing time can be reduced.
  • One possible design variant of a corresponding machine comprises an X-axis, a Y-axis and a Z-axis.
  • the XY axes move a workpiece / a material to be solidified in a lateral plane.
  • the locally generated voxel can be moved perpendicular to the XY plane by moving the Z axis. With these degrees of freedom of movement, three-dimensional vertical scan surfaces can be generated, which generate a three-dimensional envelope of a desired topography.
  • the first mechanism for adjusting the focus can in particular comprise an adjustable objective which is preferably, but not necessarily, designed to be immersed in the lithography material. It is also proposed that the first mechanism have a particularly short oscillation time (step-and-settle time or setting time) of less than 50 ms, in particular less than 10 ms.
  • a settling time of the first mechanism is at least a factor of 5 less than a settling time of the second mechanism.
  • the first mechanism is designed as a combined mechanism consisting of an air-bearing axis and a piezo-axis, the piezo-axis executing the fast components of the overall movement and the more inert air-bearing axis produces slower components of the overall movement.
  • the reduced dynamics due to the mechanical movements can be increased by using an adaptive lens.
  • the adaptive lens ensures a further axial degree of freedom for the movement of the focal volume and thus the generation of the voxel along the Z axis.
  • each XYZ coordinate is approached by the control unit of the respective axes according to commands along a scan section (dotted line).
  • the XYZ curve can be smoothed in sections by a Bezier function, with the accuracy of the Bezier function or its underlying support points being adjustable. Both of these methods are characterized by a trajectory that is defined within the spatial area, that is, by the fact that a scan plane is defined as a point line or a section-wise function in real space.
  • Another embodiment provides that the XY axes are moved directly from starting point A to end point B of a scan section (lateral trajectory between A and B is arbitrary), the vertical movement of the focal volume and thus of the generated Voxels in the Z direction takes place through a temporal variation of the adaptive lens, which is matched to the lateral movement of the XY trajectory.
  • the execution of the spatial movement of the voxel in XYZ is thus transformed from a pure three-dimensional spatial space into a three-dimensional spatial period.
  • movements or changes in direction in the Z direction can take place independently of the movement in XY and thus the full use of the dynamics of an adaptive lens is made possible.
  • a vector movement or speed must be defined, which is typically limited by the dynamics of the inert XY axes.
  • Possible configurations of an adaptive lens can be electrically or thermally tunable lenses, adjustable or rotating diffractive moiré lenses, displaceable refractive Alvarez lenses or piezoelectrically controllable lenses.
  • the adaptive lens For fast scanning of the vertical slices, it is necessary that the adaptive lens has a short response time. This should be less than 10 ms, preferably less than 2 ms.
  • the step size of such an adaptive lens should also be at least in this range; a much smaller step size is also possible. Since a combination of a microscope objective (with a fixed focal length) and an adaptive lens located above is possible as a possible embodiment, whereby the step size of the adaptive lens is optically reduced by enlarging the microscope objective on the image side. An absolute step size of the adaptive lens in the micrometer range is therefore not absolutely necessary.
  • the adaptive lens may have a certain Hysteresis, which leads to inaccuracies in the focal length setting.
  • any hysteresis that occurs and the associated change in focal length and the associated deviation of the focal volume and thus of the voxels generated from its target position in the Z direction can be corrected by a feedback control.
  • This can be designed in such a way that, after the adaptive lens, part of the converging laser beam is decoupled and directed to a detector.
  • the detector measures the diameter of the laser beam, which means that the focal length can be deduced from physical equations.
  • the Z axis to which the adaptive lens is attached can compensate for the target position of the voxel in the Z direction by means of a corresponding movement.
  • the input signal of the adaptive lens can be varied or adapted by means of a feedback loop in such a way that the target focal length and thus the target position of the voxel in the Z direction is established.
  • the second mechanism which can in particular be an XY stage, is designed in various configurations of the invention to include a carrier with or without a rim or a bath container for holding the lithography material with a fixed XY position of the beam axis in the XY plane move.
  • the lithography material can be held by capillary forces, so that even with very liquid material, no limitation by means of containers is necessary.
  • lithographic material Another possibility to hold the lithographic material is the combination of e.g. hydrophobic material with hydrophilic surfaces (and vice versa).
  • the lithographic material remains in position. If the materials are shifted against each other, the lithography material to be structured moves with them.
  • the trajectories are determined in such a way that a distance between the trajectory and a surface of the three-dimensional structure is locally along a trajectory changed and a longitudinal diameter of the focus is changed depending on the distance.
  • the longitudinal diameter of the focus can be changed by changing an intensity of the laser.
  • the Z component of the surface of the three-dimensional structure to be traced can then be generated in a portion corresponding to the Z component of the trajectory and a portion realized by the distance or half the longitudinal diameter of the laser focus.
  • the dynamic properties of the power control of the laser on the one hand and the first mechanism on the other hand can be taken into account in the division.
  • Another aspect of the invention relates to a computer program product for determining trajectories for use in a method of the aforementioned type.
  • Another aspect of the invention relates to a device with a computer program product of the aforementioned type installed thereon, a carrier with or without a rim or bath container for a lithography material, a laser for the spatially resolved polymerisation of the lithography material, a first mechanism for adjusting the focus along a parallel to a Z-direction running parallel to a beam axis of the laser, a second mechanism in an XY plane running transversely to the beam axis of the laser, and a control unit which is designed to generate the trajectories for generating a to determine the three-dimensional structure with the aid of the computer program product and to move the focus of the laser with the first mechanism and the second mechanism in the lithography material along the trajectories.
  • FIG. 1 shows a device for generating a three-dimensional structure according to a first exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a device for generating a three-dimensional structure according to a second exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 5 shows a device for generating a three-dimensional structure according to a third exemplary embodiment of the invention
  • Fig. 6 shows a device for generating a three-dimensional structure according to a fourth exemplary embodiment of the invention
  • DOE diffractive optical element
  • FIG. 10 shows a further application example of the method according to the invention for producing the self-supporting surface from FIG. 9;
  • FIG. 11 shows a further embodiment of the method according to the invention with a radiation intensity varying along a trajectory
  • FIG. 12 shows a further exemplary embodiment of a device according to the invention with an adaptive lens.
  • Figure 1 shows a first embodiment of the invention.
  • a device according to the invention comprises a control unit 10 with a computer program product according to the invention installed thereon, which when it is executed is an inventive
  • the device comprises a laser source (not shown), an objective 12 with adjustable focus and a bath container 14 for a lithography material 16, which is an organic, inorganic or organic-inorganic mixed material with polymerization initiators.
  • the laser wavelength and intensity of a laser 18 from the laser source is coordinated so that polymerization processes are initiated in the laser focus 18a by two- or multi-photon reactions which lead to crosslinking of the lithography material 16 and polymerize the lithography material 16 in a spatially resolved manner.
  • the lithographic material can also be held without a bath container, for example on flat supports, by capillary forces or by wetting effects.
  • the objective 12 or the laser focus 18a can be adjusted by the control unit 10 via a first mechanism 20 for adjusting the focus along a Z-direction running parallel to a beam axis of the laser, with a fixed XY position the beam axis in the XY plane.
  • the bath container 14 with the lithography material 16 stands on an XY stage 22, which can be moved in an XY plane running transversely to the beam axis of the laser 18, so that the lithography material 16 moves with it.
  • the laser focus 18a therefore moves within the lithography material 16 or relative to the lithography material 16.
  • the control unit 10 moves the laser focus 18a along predetermined trajectories 24 in the three-dimensional space within the lithography material 16 to generate a three-dimensional structure the focus 18a of the laser 18 with the first mechanism 20 and the second mechanism 22 along the calculated trajectories in the lithography material 16.
  • the advantages of the invention come into play in particular when at least one flat, uneven partial area has to be created when creating a three-dimensional structure because the structure or a precursor structure (such as a shell) comprises such a partial area or a flat, uneven structure as a whole is.
  • the flat, uneven sub-area is generated from a sequence of adjacent trajectories 24 with essentially the same spacing, which correspond to regular hatching
  • the parts of the trajectories 24, which are intended to generate the flat, uneven partial area run at least essentially parallel in a projection 24 '(FIG. 3) on the XY plane .
  • the outer shell 30 is to be produced with a convex lens structure, while the volume within the shell 30 is to remain untreated.
  • the shell 30 is a flat, uneven partial area in the sense of the invention.
  • the three-dimensional surface or the three-dimensional body is cut in cutting planes running parallel to the XY plane and the laser is guided in trajectories 24a, which also run in these cutting planes, so that a projection of the trajectories 24a on the XY plane of the curvilinear contour or height line of the three-dimensional body (circular in the case of FIG. 2).
  • the movement of the laser focus along this contour is controlled solely by the second mechanism 22.
  • the three-dimensional surface or the three-dimensional body is in parallel cutting planes running to the Z-axis and the laser focus 18 is guided or controlled along trajectories 24 which run in these cutting planes so that the projection 24 'on the XY plane of each trajectory is a straight line .
  • the component of the movement controlled by the second mechanism 22 corresponds to a straight movement at a constant speed that does not require fast reaction times.
  • Mechanism 22 comprises two independent actuators for controlling the two degrees of freedom XY, in a particularly advantageous embodiment the direction of the straight line along a degree of freedom can be selected so that only one of the actuators has to be actuated.
  • the path speed of the sections of the path curves 24 for generating the flat, uneven partial area 30 is at least essentially constant in one embodiment of the invention in a projection onto the XY plane.
  • the XY -Component of the web speed is variable, e.g. on the rate of change of the Z position or the Z component of the path speed, the immersion depth of the focal length of the lens depends.
  • the acceleration components in the XY plane are usually very much lower than those in the Z direction, so that the slower reaction times of the second mechanism 22 are hardly significant.
  • FIG. 4 shows a second exemplary embodiment of the invention with a bath container 14 which has a transparent bath bottom through which the laser 18 can be radiated.
  • a substrate 26 is immersed in the bath at a first mechanism 20 which can be moved in the Z direction.
  • Fig. 5 shows a device for generating a three-dimensional structure according to a third embodiment of the invention.
  • the objective 12 can be tilted by a polar angle 6.
  • the first mechanism 20 accordingly has two degrees of freedom.
  • 6 shows a device for generating a three-dimensional structure according to a fourth exemplary embodiment of the invention.
  • the lithography material 16 hangs as droplets under a substrate 26 and the objective 12 is immersed in the lithography material 16 from below.
  • small structures can also be created without separate, expensive containers.
  • FIG. 7a-7c schematically show different steps of a method according to the invention, here for producing a lens 28 on a substrate 26.
  • the convex outer shell of the lens is generated, each of the trajectories 24 beginning and ending on the substrate 26, so that the polymerized, thread-like regions corresponding to the trajectories are anchored on the substrate.
  • the convex outer shell is a flat, uneven sub-area made of polymerized material, which is composed of the thread-like areas.
  • the trajectories 24 are so close to one another that adjacent polymerized, thread-like areas merge and adhere to one another through the polymerization and form a structure that is sufficiently stable around the liquid core even after the development step (FIG. 7b) to keep dimensionally stable. If necessary, support
  • the unpolymerized lithography material outside the outer shell is removed by washing with suitable solvents.
  • the polymerized shell 30 with a liquid core 32 remains.
  • the liquid core 32 becomes the three-dimensional structure designed as a lens 28 post-hardened and / or dried by illumination with UV light or visible light 34.
  • a shrinkage of the material in this step is taken into account and pre-compensated when calculating the trajectories 24.
  • FIGS. 8a-8c show a further application example of the method according to the invention for generating a three-dimensional structure 28 designed as a diffractive optical element (DOE).
  • DOE diffractive optical element
  • the trajectories 24 are selected in such a way that their projection 24 'on the XY plane runs in a straight line.
  • the projections form a host of parallels.
  • FIG. 10 shows a further application example of the method according to the invention for generating the self-supporting surface from FIG. 9.
  • the trajectories 24 are selected so that their projection onto the XY plane in parallel, ie curves running at a constant distance from one another, but whose curvature is very much smaller than a Z component of a curvature vector or curvature tensor of the trajectories 24.
  • FIG. 11 shows a further exemplary embodiment of the method according to the invention with a radiation intensity varying along a trajectory.
  • the exemplary embodiment in FIG. 11 differs from the exemplary embodiment shown in FIGS. 7a-7c in particular in that the trajectories 24 of the target surface 38 do not follow the target structure at a constant distance, but rather the trajectories 24 are calculated in such a way that the distance between the trajectory 24 and the target surface 38 of the target structure along the trajectory 24 changes.
  • the difference is compensated for by a radiation power of the laser 18 set as a function of the distance between the trajectory 24 and the target surface 38 of the target structure.
  • the longitudinal diameter of the elliptical focal volume 18a, within which the intensity threshold for the polymerization is exceeded, depends on the intensity or radiation power of the laser 18.
  • the controller controls the radiation power in such a way that half the longitudinal diameter is the distance between corresponds to the trajectory 24 and the target surface 38.
  • a center point 18b of the focus 18a is then moved along the trajectory 24, and the intensity is varied so that the upper edges of the focal volumes 18a trace the target surface 38.
  • the Z-coordinate movement to be controlled for tracing the target surface 38 is therefore broken down into a first part, which moves the center point 18b of the focus along the trajectory 24 with the aid of the first mechanism 20, and a second part, the is realized by a time-dependent change in the laser power.
  • This division can take place in particular by a spatial frequency breakdown in Fourier space, the components with lower frequencies being assigned to the slower first mechanism 20.
  • the variation of the intensity can also be achieved by means of a diaphragm, a variation of the path speed or multiple exposure of certain voxels.
  • FIG. 12 shows a further exemplary embodiment of a device according to the invention with an adaptive lens 36 connected upstream of the microscope objective 12, which as part of the first mechanism 20 has a total focal length of the microscope objective 12 and the adaptive lens 36 comprehensive optical arrangement and thus the Z position of the focus.
  • the focal length of the adaptive. Lens 36 is controlled by the controller so that the Z position of the focus corresponds to a target position.
  • movements of the focus are broken down into faster and slower components in terms of control technology, the faster components being achieved by adjusting the adaptive lens 36 and the slower components by controlling or shifting the microscope objective 12 with the aid of an electromechanical actuator 42
  • the laser light pre-focused by the adaptive lens 36 is passed through a beam splitter 40 arranged between the adaptive lens 36 and the microscope objective 12 and a small part of the laser is branched off to control the focal length of the adaptive lens 36 and into a detector 38 steered. From the signal received by the detector 38, the controller 10 determines an actual focal length of the adaptive lens 36 and compares this with a controlled target focal length. If there are deviations between the actual focal length and the nominal focal length, the controller 10 readjusts its control signals. This enables feedback control of the focal length of the adaptive lens 36.

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Erzeugen einer dreidimensionalen Struktur mit wenigstens einem flächigen, unebenen Teilbereich (30) in einem durch Einstrahlung eines Lasers (18) in einem Fokus (18a) des Lasers ortsaufgelöst polymerisierbaren Lithografiematerial (16). Die Position des Fokus (18a) innerhalb des Lithografiematerials (16) ist durch einen ersten Me chanismus (20) zum Verstellen des Fokus (18a) entlang einer parallel zu einer Strahlachse des Lasers (18) verlaufenden Z-Richtung und durch einen zweiten Mechanismus (22) zum Verstellen des Fokus' (18a) in einer transversal zur Strahlachse des Lasers (18) verlaufenden XY-Ebene verstellbar. Das Verfahren umfasst das Bestimmen einer Reihe von aneinander angrenzenden Bahnkurven (24) für eine Bewegung des Fokus (18a) abhängig von Daten zu der dreidimensionalen Struktur (28) und das Erzeugen der dreidimensionalen Struktur (28) durch Bewegen des Fokus (18a) des La sers entlang der Bahnkurven (24). Es wird vorgeschlagen, dass wenigstens diejenigen Teilstücke der Bahnkurven (24), die zur Erzeugung des flächigen, unebenen Teilbereichs (30) bestimmt werden, in einer Projektion auf die XY- Ebene zumindest im Wesentlichen parallel verlaufen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugen einer dreidimensionalen Struktur mit wenigstens einem flächigen Teilbereich
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer dreidi- mensionalen Struktur durch Einstrahlung eines Lasers in ein ortsaufgelöst polymerisierbares Lithografiematerial nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine entsprechende Vorrichtung .
Es ist bekannt, durch ortsaufgelöstes Polymerisieren von Litho- grafiematerialien im Fokus eines Laserstrahls durch dessen sich wiederholende lateraler Bewegung auf Ebenen senkrecht zur opti- schen Achse dreidimensionale Strukturen zu erzeugen, Dabei wird häufig zunächst eine polymerisierte Struktur innerhalb eines Li- thografiematerials erzeugt, das die Struktur umgebende, bei- spielsweise flüssige oder als Dünnschicht vorliegende Lithogra- fiematerial in einem Entwicklungsvorgang entfernt und die Struk- tur ggf. thermisch und/oder durch Belichtung mittels Lichtquelle geeigneter Wellenlänge, wie UV-Licht, sichtbares Licht und NIR- Licht, nachverhärtet .
Die Erfindung betrifft insbesondere, aber nicht ausschließlich, Verfahren auf der Grundlage von Zwei- oder Mehrphotonenpolymeri- sation. Dabei werden Laser mit Wellenlängen verwendet, die Poly- merisationsprozesse im Lithografiematerial nicht durch ein ein- ziges Photon auslösen können, sondern durch Mehrphotonenpro- zesse. Durch die im Vergleich zu Einphotonenprozessen quadrati- sche Intensitätsabhängigkeit der Induzierung von Mehrphotonen- prozessen kann die Ortsauflösung verbessert werden und die Wahr- scheinlichkeit für ungewollte bzw. unkontrollierte Polymerisati- onsprozesse außerhalb des Fokalvolumens des Laserstrahls redu- ziert werden, wodurch insbesondere auch eine Fokussieroptik in das Lithografiematerial eingetaucht werden kann („Dip-In") , ohne dass das Lithografiematerial sich an der Lichtaustrittsfläche der Fokussieroptik verfestigt und dort anhaftet.
In dem Dokument Hong-Bo Sun and Satoshi Kawata, "Two-Photon La- ser Precision Mlcrofabrication and Its Applications to Micro- Nano Devices and Systems" J. Lightwave Technol. 21, 624- (2003) ist ein als "Hüllenschreiben" bekannt gewordenes Verfahren of- fenbart, in dem durch ortsaufgelöstes polymerisieren zunächst eine Hülle der Struktur geschrieben wird, diese durch Behandlung mit einem Lösungsmittel entwickelt wird und der flüssige Kern aus Lithografiematerial innerhalb der Hülle dann durch großflä- chige UV-Bestrahlung nachverhärtet wird, Im Vergleich zu Ver- fahren, in denen das gesamte Volumen der dreidimensionalen Struktur mit dem Laserfokus abgescannt wird, können durch das Hüllenschreiben die Prozesszeiten deutlich beschleunigt werden. Dabei wird die entsprechende Hülle durch eine laterale Bewegung des Laserfokus sukzessiv als Lage-für-Lage geformt.
Aus dem Paper Serbin et al „Three-dimensional nanostructuring of hybrid materials by two-photon polymerization" (Proceedings of SPIE Vol. 5222 Nanocrystals, and Organic and Hybrid Nanomateri- als, edited by David L. Andrews, Zeno Gaburro, Alexander N.
Cartwright, Charles Y. C. Lee, (SPIE, Bellingham, WA, 2003) 0277-786X/03/$15.00) ist es bekannt, durch Hüllenschreiben und anschließendes Nachvernetzen analog zu Kawata et al. beliebige Strukturen in einer Lage-für-Lage-Manier zu schreiben, um so die dreidimensionale Struktur als Hülle auszubilden und das nichtbe- lichtete äußere Material mit einem geeigneten Lösemittel wegge- waschen und der innere Kern mit einer UV-Lichtquelle vernetzt wird.
Aus dem Paper "Femtosecond laser polymerization of hybrid micro- optical elements and their Integration on the fiber tip",
Mangirdas Malinauskas et. al. Proceedings of SPIE, vol . 7716 ist es bekannt, durch Hüllenschreiben und anschließendes Nachverhär- ten Linsenstrukturen auf den Endflächen von Faseroptiken zu er- zeugen.
Zum Bewegen des Fokus innerhalb des Lithografiematerials wird das Lithografiematerial auf einem Träger oder Substrat oder in einem Badbehälter bereitgestellt. Zum Verstellen des Fokus ent- lang einer parallel zu einer Strahlachse des Lasers verlaufenden Z-Richtung wird z.B. die Fokussieroptik bewegt oder verstellt. Ein Verstellen des Fokus ' in einer transversal zur Strahlachse des Lasers verlaufenden XY-Ebene wird in der Regel ein zweiter Mechanismus verwendet, der insbesondere unabhängig von dem ers- ten Mechanismus operiert, Dieser umfasst insbesondere einen mit mechanischen, magnetischen oder elektrischen Aktuatoren in der XY-Ebene verstellbaren Probentisch oder Chuck, so dass zum Er- zeugen der einzig relevanten Relativbewegung zwischen dem Kör- per/Volumen des Lithografiematerials und dem Laserfokus letzte- rer im umgebenden Raum unbewegt bleibt und das Lithografiemate- rial durch den Laserfokus hindurch bewegt wird oder durch eine laterale/transversale Verstellung des Laserfokus, durch z. B. Galvo-Scanner, das Lithografiematerial unbewegt bleibt und der Laserfokus durch das Material hindurch bewegt wird, Die Bewe- gung insbesondere des Lithografiematerials, aber auch der gesam- ten Optik in der XY-Ebene ist wegen der Trägheit der mechani- schen Aktuatoren oder des Kriechverhaltens piezoelektrischer al- lerdings sehr viel langsamer und schwieriger zu steuern als die Bewegung des Fokus in der Z-Richtung. Die laterale Bewegung des Lithografiematerials ist im Vergleich zur lateralen Bewegung des Laserfokus aufgrund der Trägheit der eingesetzten Achsen jedoch nicht so effizient.
Beispielsweise ist es aus der EP-3287262 Al zudem bekannt, den nicht fokussierten Strahl einer Laserquelle über ein Galvo-Scan- ner-System in die Fokussieroptik einzuleiten und das zu bearbei- tende Material auf der Oberfläche eines Chucks oder eines Hexa- poden zu halten. Dieser ist wiederum auf einem zweiten, in einer in der XY-Ebene und um die Z-Achse drehbaren, verschiebbaren
Träger angeordnet. Die Trägheit des Galvo-Scanner-Systems ist zwar geringer als diejenige von Aktuatoren, die größere Massen bewegen müssen, der Schreibbereich ist aber auf das Blickfeld der Fokussieroptik beschränkt und ermöglicht nur relativ kleine Bewegungen des Fokus', so dass größere Strukturen durch „Stit- ching" aus kleineren Strukturen zusammengesetzt werden müssen. Dieses Stitching führt meist zu Nahtstellen, welche insbesondere bei optischen Elementen nachteilig für deren Funktion sind, da sie Aberrationen und Streuung erzeugen und so die Funktionsweise der mittels des Verfahrens hergestellten optischen Elemente sig- nifikant verschlechtern können.
Beim Schreiben bzw. Erzeugen von Hüllen oder anderen zweidimen- sionalen Mannigfaltigkeiten im dreidimensionalen Raum wird der Laserfokus entlang vorgegebener Bahnkurven bewegt, die abhängig von Daten, die die zu erzeugende Struktur beschreiben, berechnet werden, wobei auch ein Schrumpfen der Struktur beim Entwickeln, Trocknen und/oder Nachverhärten berücksichtigt und vorkompen- siert werden kann.
Algorithmen zum Berechnen dieser Bahnkurven sind vor allem aus dem klassischen, additiven 3D-Druck bekannt, in dem die Struktur schichtweise aufgebaut wird, d.h. für Schnitte parallel zur XY- Ebene in verschiedenen Z-Lagen werden nacheinander Schichten bzw. Konturen der Struktur erzeugt und die Struktur wird in Z- Richtung fortschreitend aufgebaut. Es wird demnach mit zweidi- mensionalen mathematischen Funktionen die dreidimensionale Topo- graphie eines Körpers abgebildet und anschließend im Fabrikati- onsprozess umgesetzt. Im klassischen, additiven 3D-Druck ist dieser schichtweise Aufbau aus statischen Gründen sinnvoll.
Diese statischen Gründe existieren aber in laserlithografischen Verfahren nicht.
Algorithmen zum Berechnen der Bahnkurven, die die speziellen An- forderungen der Laserlithografie berücksichtigen, ist bisher we- nig Aufmerksamkeit geschenkt worden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, laserlithografische Verfahren der oben beschriebenen Art zu beschleunigen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen einer dreidimensionalen Struktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt und eine Vor- richtung zur Ausführung eines solchen Verfahrens. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü- chen. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer dreidi- mensionalen Struktur mit wenigstens einem flächigen, unebenen Teilbereich in einem durch Einstrahlung eines Lasers in einem Fokus des Lasers ortsaufgelöst polymerisierbaren Lithografiema- terial beliebiger Art. Als „flächig" soll in diesem Zusammen- hang ein Teilbereich beschrieben werden, der im Rahmen der durch den endlichen Fokaldurchmesser gegebenen Genauigkeit eine zwei- dimensionale Mannigfaltigkeit ist, dessen Dicke also im Wesent- lichen konstant ist und von der Größenordnung eines Fokaldurch- messers ist, wobei auch mehrlagige Flächen als flächiger Teilbe- reich beschrieben werden sollen, sofern die Dicke zumindest im Wesentlichen konstant ist. Dabei bedeutet „Wesentlichen kon- stant", dass die Dicke in einem weit überwiegenden Teil, der z.B. wenigstens 80%, insbesondere wenigstens 90 % der Fläche ausmachen kann, konstant und gleichbleibend ist und in den ver- bleibenden Teilen z.B. Stützstrukturen zum Abstützen der Fläche vorgesehen sein können, um z.B. ein ungewolltes Zusammensacken einer Hülle vor einem Nachverfestigen zu vermeiden .
Als „uneben” wird ein flächiger Bereich bezeichnet, der sich we- sentlich von einer Ebene im dreidimensionalen Raum unterschei- det, insbesondere wenn der Krümmungstensor überall außer in iso- lierten Punkten oder Linien von null verschieden ist, insbeson- dere zwei von null verschiedene Eigenwerte hat, beispielsweise in zwei linear unabhängige Richtungen konvex oder konkav ist.
Nach der Erfindung ist die Position des Fokus ' innerhalb des Li- thografiematerials durch einen ersten Mechanismus zum Verstellen des Fokus ' entlang einer parallel zu einer Strahlachse des La- sers verlaufenden Z-Richtung und einen zweiten Mechanismus zum Verstellen des Fokus 1 in einer transversal zur Strahlachse des Lasers verlaufenden XY-Ebene verstellbar.
Das Verfahren umfasst das Bestimmen einer Reihe von aneinander angrenzenden Bahnkurven für eine Bewegung des Fokus ' abhängig von Daten eu der dreidimensionalen Struktur. In diesem Zusammen- hang bedeutet „aneinander angrenzend", dass die Abstände der Bahnkurven der Bahnkurvenschar zu jeweils den nächsten Bahnkurven in der Größenordnung des Fokaldurchmessers oder etwas kleiner ist, so dass durch Bewegen des Laserfokus ' entlang der Bahnkurven der Bahnkurvenschar eine stetige oder quasi-stetige
Fläche entsteht. Die einzelnen Bahnkurven müssen nicht in Ab- schnitten voneinander getrennt sein, sondern können zu einer einzigen Gesamtbahnkurve zusammengefasst werden, die dann z.B. mäanderartig durchlaufen wird, wobei in diesem Fall jeweils in konstantem Abstand zueinander verlaufende, benachbarte Abschnitt der Gesamtbahnkurve als Bahnkurven im Sinne der Erfindung be- zeichnet werden. Für Objektive mit hoher numerischer Apertur (NA) sind Abstände im Bereich 0,1 pm bis 5 mh> bevorzugt. Wenn Strukturen mit optischer Funktion geschrieben werden, werden vorzugsweise Bahnkurven in Abständen von 0,1 pm bis 1 pm er- zeugt .
Das Bewegen des Fokus bewirkt das Erzeugen der dreidimensionalen Struktur durch das Bewegen des Fokus des Lasers entlang der Bahnkurven. Die „Bewegung des Fokus'" umfasst entweder das kon- tinuierliche Einstrahlen und Arbeiten des Lasers oder das Erzeu- gen regelmäßiger Pulse, wobei im letztgenannten Fall der Fokus nicht kontinuierlich, sondern in kleinen Schritten bewegt wird, deren Länge von der Größenordnung des Fokaldurchmessers ist, so dass die durch die einzelnen Pulse erzeugten polymerisierten Be- reiche ganz oder teilweise überlappen und so eine quasi-kontinu- ierliche, linienförmige polymerisierte Struktur im Lithografie- material bilden.
Nach der Erfindung wird vorgeschlagen, dass wenigstens diejeni- gen Teilstücke der Bahnkurven, die zur Erzeugung des flächigen, unebenen Teilbereichs bestimmt werden, in einer Projektion auf die XY-Ebene zumindest im Wesentlichen parallel verlaufen.
Dadurch kann erreicht werden, dass beim Durchlaufen der Bahnkur- ven der trägere zweite Mechanismus zum Verstellen des Fokus in der transversal zur Strahlachse des Lasers verlaufenden XY-Ebene nur mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt werden muss und keine Beschleunigungen gesteuert werden müssen, aufgrund derer die Bahngeschwindigkeit zur Vermeidung von Präzisionsverlusten reduziert werden müsste. Die Bearbeitungszeiten können im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen, in denen die Bahnkurven so berechnet werden, dass ihre Z-Komponente im Wesentlichen kon- stant bleibt, während sich die Richtung der Bahngeschwindigkeit in der XY-Ebene schnell ändert, verringert werden.
Insbesondere wird vorgeschlagen, dass eine Bahngeschwindigkeit der Teilstücke der Bahnkurven zur Erzeugung des flächigen, un- ebenen Teilbereichs in einer Projektion auf die XY-Ebene zumin- dest im Wesentlichen konstant ist.
In diesem Zusammenhang ist das Merkmal „im Wesentlichen paral- lel" der Bahnkurven bzw. „im Wesentlichen konstant" bezogen auf die Bahngeschwindigkeit so zu verstehen, dass die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung auch bei geringfügigen Abweichungen er- reicht werden, deren Stärke von dem Verhältnis der Trägheit der Achsen abhängt, d.h. die langsameren XY-Achsen nicht zu einem begrenzenden Faktor für die Schreibgeschwindigkeit werden. Dies kann beispielsweise erreicht werden, wenn die Bahnkurven so be- stimmt sind, dass ein maximaler Betrag einer XY-Komponente der transversalen Bahnbeschleunigung um wenigstens einen Faktor 10 kleiner ist als der maximale Betrag einer Z-Komponente der transversalen Bahnbeschleunigung. Die maximalen Werte der Z-Kom- ponente der Beschleunigungswerte liegen vorzugsweise zwischen 50 - 1000000 mm/s2.
Alternativ zur Steuerung mit konstanter Bahngeschwindigkeit kann in der Projektion auf die XY-Ebene kann auch eine Steuerung mit konstantem Betrag Bahngeschwindigkeit im Raum oder eine Steue- rung mit konstantem Vernetzungsgrad gewählt werden, wobei in letzteren neben der Bahngeschwindigkeit auch die Laser-Intensi- tät und ggf. eine Eintauchtiefe einfließen kann.
Die Erfindung ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, für solche Verfahren vorteilhaft anwendbar, in denen der flächige, unebene Teilbereich ein Teilbereich einer äußeren Hülle der dreidimensionalen Struktur ist, wobei das Verfahren dann insbe- sondere das Erzeugen der äußeren Hülle der dreidimensionalen Struktur durch Bewegen des Fokus des Lasers entlang der Bahnkurven, das Entfernen des nicht polymerisierten Lithografie- materials in einem Raum außerhalb der äußeren Hülle und optional das Nachverhärten des nicht polymerisierten Lithografiematerials innerhalb der äußeren Hülle durch Belichten und/oder Erwärmen umfasst . Es ist jedoch nicht zwingend notwendig, dass das im Innern befindliche Material nachverhärtet werden muss, sondern es kann auch im flüssigen Zustand vorliegen. Ferner eignet sich das Verfahren auch zum Erzeugen freitragender Flächen, z.B. Kup- pelartiger Strukturen, die im Endzustand nicht mit Lithografie- material gefüllt sind.
Die Erfindung umfasst insbesondere die Nutzung von vertikalen Slices zur Herstellung einer dreidimensionalen Struktur beschrie- ben.
Dabei wird insbesondere das geschriebene Volumenpixel (Voxel.) durch eine axiale Bewegung (Z-Richtung, entlang der optischen Achse) des Laserfokus in Kombination mit einer lateralen Bewegung (XY-Richtung) des zu bearbeitenden Werkstücks (Substrat, As- sembly, etc.) oder des zu bearbeitenden Materials in drei Dimen- sionen bewegt. Dadurch wird es möglich, Hüllen zu strukturieren, die aus vertikalen dreidimensional gekrümmten Scan-Ebenen zusam- mengesetzt werden, während nach dem Stand der Technik in der Regel rein horizontale und damit zweidimensionale Scan-Ebenen genutzt werden.
Daraus ergeben sich zwei wesentliche Vorteile. Der erste Vorteil betrifft die Oberflächengenauigkeit bzw. Formtreue. Wie im Stand der Technik üblich, werden zur Realisierung einer dreidimensiona- len Struktur laterale und ebene Scan-Ebenen verwendet, wodurch eine dreidimensionale Struktur durch eine Abfolge der zweidimen- sionalen Ebenen genähert wird und die damit zu Abweichung zur realen Topographie führen. Im Fall der Verwendung vertikaler drei- dimensionaler Scan-Ebenen wird die Topographie einer Struktur hin- gegen realitätstreu abgebildet. Beispielhaft für den Vergleich der beiden unterschiedlichen Scan-Methoden (lateral vs. vertikal) wird der Höhenverlauf eines Gebirges hingewiesen. Wie auf Land- karten üblich, dienen Höhenlinien (Entsprechung: laterale zweidimensionale Scan-Ebenen) der zweidimensionalen Projektion eines Höhenverlaufs, wodurch der eigentliche Verlauf inkrementeil genähert dargestellt wird, was in Seitenansicht als „Treppenstu- fen" sichtbar ist. Beim überfahren (Entsprechung: vertikale drei- dimensionale Scan-Ebene) eines Gebirges existieren diese „Trep- penstufen" aber nicht.
Der zweite Vorteil betrifft die Fabrikationszeit von Strukturen. Bei der Verwendung von lateralen bzw. horizontalen Scan-Ebenen müssen diese mehrfach wiederholt werden, um eine dreidimensionale Topographie zu erzeugen. Diese sich wiederholende Scan-Abfolge führt zu hohen Fabrikationszeiten. Bei der Verwendung von verti- kalen Schnitten (Slices) und konformem Abfahren der dreidimensi- onalen Struktur in Z-Richtung mit dem Ziel, eine dreidimensionale Einhüllende der Topographie zu erzeugen, muss i. d. R. lediglich eine einzige dreidimensionale Scan-Ebene abgefahren werden, also keine sich wiederholende Abfolge, wodurch die Fabrikationszeit reduziert werden kann.
Eine mögliche Ausgestaltungsvariante einer entsprechenden Ma- schine umfasst eine X-Achse, eine Y-Achse und eine Z-Achse . Die XY-Achsen bewegen ein Werkstück / ein zu verfestigendes Material in lateraler Ebene . Durch die Bewegung eines Mikroskop-Objektivs, das die Laserstrahlen zu einem Fokuspunkt oder fokalen Volumen innerhalb des Werkstücks / des zu verfestigenden Materials bün- delt, kann durch Bewegung der Z-Achse das lokal erzeugte Voxel senkrecht zur XY-Ebene bewegt werden. Durch diese Freiheitsgrade der Bewegung können dreidimensionale vertikale Scan-Flächen er- zeugt werden, die eine dreidimensionale Einhüllende einer ge- wünschten Topographie erzeugen.
Der erste Mechanismus zum Verstellen des Fokus kann insbesondere ein verstellbares Objektiv umfassen, das vorzugsweise, aber nicht zwingend, zum Eintauchen in das Lithografiematerial ausge- legt ist. Ferner wird vorgeschlagen, dass der erste Mechanismus eine be- sonders kurze Binschwingzeit (step-and-settle-time oder setting time) von weniger als 50 ms hat, insbesondere weniger als 10 ms.
Ferner wird vorgeschlagen, dass eine Einschwingzeit des ersten Mechanismus um wenigstens einen Faktor 5 kleiner ist als eine Einschwingzeit des zweiten Mechanismus. Dadurch kann durch die erfindungsgemäße Bestimmung der Bahnkurven ein besonders spürba- rer Zeitgewinn erzielt werden.
Die kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass der erste Mechanismus als ein kombinierter Mechanismus, bestehend aus ei- ner luftgelagerten Achse und einer Piezo-Achse, ausgestaltet ist, wobei die Piezo-Achse die schnellen Komponenten der Gesamt- bewegung ausführt und die trägere luftgelagerte Achse langsamere Komponenten der Gesamtbewegung erzeugt.
Die aufgrund der mechanischen Bewegungen reduzierte Dynamik kann durch die Verwendung einer adaptiven Linse erhöht werden. Dabei sorgt die adaptive Linse für einen weiteren axialen Freiheitsgrad der Bewegung des fokalen Volumens und damit der Erzeugung des Voxels entlang der Z-Achse.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass entlang eines Scan-Schnitts jede XYZ-Koordinate von der Kontrolleinheit der jeweiligen Achsen befehlsmäßig angefahren wird (Punktlinie) . Alternativ kann der XYZ-Verlauf durch eine Bezier-Funktion abschnittsweise geglättet werden, wobei die Genauigkeit der Bezier-Funktion bzw. deren zu- grundeliegenden Stützpunkte einstellbar sind. Diese beiden Metho- den zeichnen sich durch einen Trajektorienverlauf aus, der inner- halb des Ortsraums definiert ist, also dadurch, dass eine Scan- Ebene als Punkt-Linie bzw. abschnittsweise Funktion im Realraum bestimmt ist.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die XY-Achsen direkt von Startpunkt A zu Endpunkt B eines Scan-Schnitts bewegt werden (laterale Trajektorie zwischen A und B ist beliebig), wobei die vertikale Bewegung des fokalen Volumens und damit des erzeugten Voxels in der Z-Richtung durch eine zeitliche Variation der adap- tiven Linse erfolgt, welche auf die laterale Bewegung der XY- Trajektorie abgestimmt ist. Damit wird die Ausführung der räumli- chen Bewegung des Voxels in XYZ aus einem reinen dreidimensionalen Ortsraum in einen dreidimensionalen Orts-Zeitraum transformiert . Dies hat zur Folge, dass Bewegungen bzw. Richtungsänderungen in der Z-Richtung unabhängig von der Bewegung in XY erfolgen können und somit die volle Ausnutzung der Dynamik einer adaptiven Linse ermöglicht wird. Im Gegensatz hierzu muss bei der reinen Ausfüh- rung der Bewegung im Ortsraum eine vektorielle Bewegung bzw. Ge- schwindigkeit definiert werden, die typischerweise durch die Dy- namik der trägen XY-Achsen limitiert ist.
Mögliche Ausgestaltungsformen einer adaptiven Linse können elektrisch oder thermisch abstimmbare Linsen, verstellbare bzw. rotierende diffraktive Moiré Linsen, verschiebbare refraktive Al- varez Linsen oder piezoelektrisch ansteuerbare Linsen sein.
Zum schnellen Abrastern der vertikalen Slices ist es notwendig, dass die adaptive Linse eine kurze Response Time aufweist. Diese sollte unter 10 ms liegen, vorzugsweise unter 2 ms.
Da für den Prozess der Zwei- und Mehrphotonenpolymerisation Ge- nauigkeiten im Mikrometer bis sub-Mikrometer-Bereich notwendig sind, sollte die Schrittweite einer solchen adaptiven Linse min- destens ebenfalls in diesem Bereich liegen; auch eine wesentlich geringere Schrittweite ist möglich. Da auch eine Kombination aus einem Mikroskop-Objektiv (mit fester Brennweite) und einer darüber befindlichen adaptiven Linse als mögliche Ausgestaltungsform mög- lich ist, wodurch die Schrittweite der adaptiven Linse durch die Vergrößerung des Mikroskop-Objektivs auf der Bildseite optisch verkleinert wird. Daher ist eine absolute Schrittweite der adap- tiven Linse im Mikrometer-Bereich nicht zwingend erforderlich.
Zur Verwendbarkeit einer adaptiven Linse für die vertikalen Slices ist eine reproduzierbare Einsteilbarkeit der Brennweiten notwen- dig. Verursacht durch unterschiedliche Effekte, wie z. B. Tempe- ratur-Einflüsse, weist die adaptive Linse u.U. eine gewisse Hysterese auf, welche zu üngenauigkeiten der Brennweiten-Einstel- lung führt.
Eine auftretende Hysterese und damit verbundene Brennweitenände- rung und damit einhergehende Abweichung des fokalen Volumens und damit der erzeugten Voxels von seiner Soll-Position in der Z- Richtung kann durch eine Feedback-Regelung korrigiert werden. Diese kann derart gestaltet sein, dass nach der adaptiven Linse ein Teil des konvergierenden Laserstrahls ausgekoppelt und auf einen Detektor geleitet wird. Der Detektor misst den Durchmesser des Laserstrahls, wodurch auf die Brennweite anhand von physika- lischen Gleichungen zurückgeschlossen werden kann. Im Fall einer Abweichung von der Soll-Brennweite kann die Z-Achse, an der die adaptive Linse angebracht ist, die Soll-Position des Voxels in Z- Richtung durch eine entsprechende Bewegung ausgleichen. Alterna- tiv kann durch eine Feedback-Schleife das Eingangssignal der adap- tiven Linse derart variiert bzw. angepasst werden, dass die Soll- Brennweite und damit die Soll-Position des Voxels in Z-Richtung hergestellt wird.
Der zweite Mechanismus, der insbesondere eine XY-Bühne sein kann, ist in verschieden Ausgestaltungen der Erfindung dazu aus- gelegt, einen Träger mit oder ohne Rand oder einen Badbehälter zum Halten des Lithografiematerials bei fester XY-Position der Strahlachse in der XY-Ebene zu bewegen. In weiteren Ausgestal- tungen der Erfindung kann das Lithografiematerial durch Kapil- larkräfte gehalten werden, so dass selbst bei sehr flüssigem Ma- terial keinerlei Begrenzung durch Behälter notwendig wird.
Eine weitere Möglichkeit das Lithografiematerial zu halten ist die Kombination eines z.B. hydrophoben Materials mit Hydrophilen Flächen (und umgekehrt) . Das Lithografiematerial bleibt selbst in der Position. Werden die Materialien gegeneinander verscho- ben, bewegt das zu strukturierende Lithografiematerial sich mit.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Bahnkurven so bestimmt wer- den, dass sich ein Abstand der Bahnkurve von einer Oberfläche der dreidimensionalen Struktur entlang einer Bahnkurve lokal verändert und ein Längsdurchmesser des Fokus abhängig von dem Abstand verändert wird. Insbesondere kann der Längsdurchmesser des Fokus durch eine Änderung einer Intensität des Lasers geän- dert werden. Die Z-Komponente der nachzuzeichnenden Oberfläche der dreidimensionalen Struktur kann dann in einen der Z-Kompo- nente der Bahnkurve entsprechenden Anteil und einen durch den Abstand bzw. halben Längsdurchmesser des Laserfokus realisierten Anteil erzeugt werden. Dabei können bei der Aufteilung die dyna- mischen Eigenschaften der Leistungssteuerung des Lasers einer- seits und des ersten Mechanismus andererseits berücksichtigt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogramm- produkt zum Bestimmen von Bahnkurven zur Verwendung in einem Verfahren der vorgenannten Art.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem darauf installierten Computerprogrammprodukt der vorge- nannten Art, einem Träger mit oder ohne Rand oder Badbehälter für ein Lithografiematerial, einem Laser zum ortsaufgelösten Po- lymerisieren des Lithografiematerials, einem ersten Mechanismus zum Verstellen des Fokus entlang einer parallel zu einer Strah.1- achse des Lasers verlaufenden Z-Ri.chtung, einem zweiten Mecha- nismus in einer transversal zur Strahlachse des Lasers verlau- fenden XY-Ebene, und einer Steuereinheit, die dazu ausgelegt ist, die Bahnkurven zum Erzeugen einer dreidimensionalen Struk- tur mit Hilfe des Computerprogrammprodukts zu bestimmen und den Fokus des Lasers mit dem ersten Mechanismus und dem zweiten Me- chanismus in dem Lithografiematerial entlang der Bahnkurven zu bewegen.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Fi- gurenbeschreibung. Die gesamte Beschreibung, die Ansprüche und die Figuren offenbaren Merkmale der Erfindung in speziellen Aus- führungsbeispielen und Kombinationen. Der Fachmann wird die Merkmale auch einzeln betrachten und zu weiteren Kombinationen oder Unterkombinationen zusammenfassen, um die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, an seine Bedürfnisse oder an spezielle Anwendungsbereiche anzupassen.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung zum Erzeugen einer dreidimensi- onalen Struktur nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine Schematische Darstellung von nach dem Stand der Technik berechneten Bahnkurven;
Fig. 3 eine Schematische Darstellung von nach dem er- findungsgemäßen Verfahren berechneten Bahnkurven;
Fig. 4 eine Vorrichtung zum Erzeugen einer dreidimensi- onalen Struktur nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 5 eine Vorrichtung zum Erzeugen einer dreidimensi- onalen Struktur nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig . 6 eine Vorrichtung zum Erzeugen einer dreidimensi- onalen Struktur nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 7a - 7c verschiedene Schritte eines erfindungsge- mäßen Verfahrens;
Fig. 8a - 8c ein weiteres Anwendungsbeispiel des erfin- dungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines diffraktiven optischen Elements (DOE) ;
Fig. 9 ein weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungs- gemäßen Verfahrens zur Erzeugung einer frei tragenden Flä- che;
Fig. 10 ein weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungs- gemäßen Verfahrens zur Erzeugung der frei tragenden Fläche aus Fig. 9;
Fig. 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungs- gemäßen Verfahrens mit einer entlang einer Bahnkurve vari- ierenden Strahlungsintensität; und
Fig. 12 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfin- dungsgemäßen Vorrichtung mit einer adaptiven Linse. Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Steuereinheit 10 mit einem darauf installierten erfindungsgemäßen Computerprogramm- produkt, welches bei seiner Ausführung ein erfindungsgemäßes
Verfahren ausführt. Die Vorrichtung umfasst eine Laserqueile (nicht dargestellt) , ein Objektiv 12 mit verstellbarem Fokus und einen Badbehälter 14 für ein Lithografiematerial 16, das ein or- ganisches, anorganisches oder organisch-anorganisches Mischmate- rial mit Polymerisationsinitiatoren ist. Die Laser-Wellenlänge und Intensität eines Lasers 18 aus der Laserquelle ist so abge- stimmt, dass im Laserfokus 18a durch Zwei- oder Mehrphotonenre- aktionen Polymerisationsprozesse initiiert werden, die zu einer Vernetzung des Lithografiematerials 16 führen und das Lithogra- fiematerial 16 ortsaufgelöst polymerisieren. Wie bereits er- wähnt kann in anderen Ausgestaltungen der Erfindung das Litho- grafiematerial auch ohne Badbehälter gehalten werden, beispiels- weise auf flachen Trägern, durch Kapillarkräfte oder durch Be- netzungseffekte .
Das Objektiv 12 bzw. der Laserfokus 18a kann von der Steuerein- heit 10 über einen ersten Mechanismus 20 zum Verstellen des Fo- kus entlang einer parallel zu einer Strahlachse des Lasers ver- laufenden Z-Richtung verstellt werden, und zwar bei fester XY- Position der Strahlachse in der XY-Ebene .
Der Badbehälter 14 mit dem Lithografiematerial 16 steht auf ei- ner XY-Bühne 22, die in einer transversal zur Strahlachse des Lasers 18 verlaufenden XY-Ebene bewegt werden kann, so dass sich das Lithografiematerial 16 mitbewegt . Durch Bewegen der XY-Bühne 22 bewegt sich daher der Laserfokus 18a innerhalb des Lithogra- fiematerials 16 bzw. relativ zum Lithografiematerial 16.
Die Steuereinheit 10 bewegt zum Erzeugen einer dreidimensionalen Struktur den Laserfokus 18a entlang vorgegebener Bahnkurven 24 im dreidimensionalen Raum innerhalb des Lithografiematerials 16. Vorab berechnet die Steuereinheit 10 mit Hilfe des Computerpro- grammprodukts diese Bahnkurven 24 aus 3D-Daten der dreidimensio- nalen Struktur und bewegt dann den Fokus 18a des Lasers 18 mit dem ersten Mechanismus 20 und dem zweiten Mechanismus 22 entlang der berechneten Bahnkurven in dem Lithografiematerial 16.
Die Vorteile der Erfindung kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn beim Erzeugen dreidimensionalen Struktur wenigstens ein flächiger, unebener Teilbereich erzeugt werden muss, weil die Struktur oder eine Vorläuferstruktur (wie z.B. eine Hülle) einen solchen Teilbereich umfasst oder insgesamt eine flächige, un- ebene Struktur ist. Dies kommt insbesondere beim „Hüllenschrei- ben" vor, könnte aber auch in anderen Zusammenhängen auftreten. ln diesem Fall wird der flächige, unebene Teilbereich aus einer Sequenz von aneinander angrenzenden Bahnkurven 24 mit im We- sentlichen Gleichen Abstand erzeugt, die einer regelmäßigen Schraffur im dreidimensionalen Raum entsprechen. Erfindungsge- mäß verlaufen die Teiisttlcke der Bahnkurven 24, die zur Erzeu- gung des flächigen, unebenen Teilbereichs bestimmt sind, in ei- ner Projektion 24' (Fig. 3) auf die XY-Ebene zumindest im We- sentlichen parallel.
In dem in Fig. 2 und 3 dargestellten Beispiel soll die äußere Hülle 30 einer konvexen Linsenstruktur erzeugt werden, während das Volumen innerhalb der Hülle 30 unbehandelt bleiben soll. Die Hülle 30 ist ein flächiger, unebener Teilbereich im Sinne der Erfindung.
Nach dem in Fig. 2 dargestellten Stand der Technik die dreidi- mensionale Fläche bzw. der dreidimensionale Körper in parallel zur XY-Ebene verlaufenden Schnittebenen geschnitten wird und der Laser in Bahnkurven 24a geführt wird, die ebenfalls in diesen Schnittebenen verlaufen, so dass eine Projektion der Bahnkurven 24a auf die XY-Ebene der krummlinigen Kontur bzw. Höhenlinie des dreidimensionalen Körpers (im Fall der Fig. 2 kreisförmig) folgt. Die Bewegung des Laserfokus' entlang dieser Kontur wird allein durch den zweiten Mechanismus 22 gesteuert.
Nach der Erfindung wird, wie in Fig. 3 dargestellt, die dreidi- mensionale Fläche bzw. der dreidimensionale Körper in parallel zur Z-Achse verlaufenden Schnittebenen geschnitten und der La- serfokus 18 wird entlang von Bahnkurven 24 geführt bzw. gesteu- ert, die in diesen Schnittebenen verlaufen, so dass die Projek- tion 24' auf die XY-Ebene jeder Bahnkurve jeweils eine Gerade ist. Durch die Geradlinigkeit dieser Projektion 24' entspricht die vom zweiten Mechanismus 22 gesteuerte Komponente der Bewe- gung einer geradlinigen Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit, die keine schnellen Reaktionszeiten erfordert. Wenn der zweite
Mechanismus 22 zwei unabhängige Aktuatoren zum Steuern der bei- den Freiheitsgrade XY umfasst, kann in einem besonders vorteil- haften Ausführungsbeispiel die Richtung der Geraden entlang ei- nes Freiheitsgrads gewählt werden, dass nur einer der Aktuatoren betätigt werden muss.
Die Bahngeschwindigkeit der Teilstücke der Bahnkurven 24 zur Er- zeugung des flächigen, unebenen Teilbereichs 30 ist in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Projektion auf die XY-Ebene zumindest im Wesentlichen konstant, Es sind aber Aus- gestaltungen der Erfindung denkbar, in denen die XY-Komponente der Bahngeschwindigkeit variabel ist, z.B. von der Änderungsrate der Z-Position bzw. der Z-Komponente der Bahngeschwindigkeit, der Eintauchtiefe der Brennweite des Objektivs abhängt . Auch dann sind in der Regel die Beschleunigungskomponenten in der XY- Ebene sehr viel geringer als diejenigen in der Z-Richtung, so dass die langsameren Reaktionszeiten des zweiten Mechanismus 22 kaum ins Gewicht fallen.
Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Badbehälter 14, der einen transparenten Badboden hat, durch welchen der Laser 18 hindurch gestrahlt werden kann. Ein Substrat 26 ist an einem in Z-Richtung verfahrbaren ersten Me- chanismus 20 in das Bad eingetaucht .
Fig. 5 zeigt eine Vorrichtung zum Erzeugen einer dreidimensionalen Struktur nach einem dritten Ausführungsbeispiei der Erfindung . Zusätzlich zu den Merkmalen des ersten Ausführungsbeispiels ist das Objektiv 12 um einen Polarwinkel 6 verkippbar. Der erste Me- chanismus 20 hat entsprechend zwei Freiheitsgrade. Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung zum Erzeugen einer dreidimensiona- len Struktur nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfin- düng. Das Lithografiematerial 16 hängt als Tröpfchen unter ei- nem Substrat 26 und das Objektiv 12 ist von unten in das Litho- grafiematerial 16 eingetaucht. Dadurch können kleine Strukturen auch ohne separate, aufwendige Behälter erzeugt werden.
Fig. 7a - 7c zeigen schematisch verschiedene Schritte eines er- findungsgemäßen Verfahrens, hier zum Erzeugen einer Linse 28 auf einem Substrat 26. Zunächst werden, wie in Fig. 7a dargestellt ausgehend von 3D-Daten der dreidimensionalen Struktur der ge- wünschten Linse 28 von der Steuereinheit 10 die Bahnkurven 24 berechnet, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind, und zwar derart, dass die Bahnkurven 24 in der Projektion 24’ der Bahnkurven auf die XY-Ebene parallel verlaufen, und zwar in der X-Richtung .
Durch Bewegen des Laserfokus 18a entlang dieser Bahnkurven wird die konvexe äußere Hülle der Linse erzeugt, wobei jede der Bahn- kurven 24 am Substrat 26 beginnt und endet, so dass die den Bahn- kurven entsprechenden polymerisierten, fadenartigen Bereiche am Substrat verankert sind. Die konvexe äußere Hülle ist ein flächi- ger, unebener Teilbereich aus polymerisiertem Material, der sich aus den fadenartigen Bereichen zusammensetzt. Die Bahnkurven 24 liegen so nahe aneinander, dass benachbarte polymerisierte, fa- denartige Bereiche ineinander übergehen und durch die Polymerisa- tion aneinanderhaften und eine Struktur bilden, die auch nach dem Entwicklungsschritt (Fig. 7b) ausreichend stabil ist, um den flüs- sigen Kern formstabil zu halten. Gegebenenfalls können Stütz-
Strukturen (Rippen oder dergleichen) eingearbeitet werden.
Anschließend wird, wie in Fig. 7b dargestellt, das nicht polyme- risierte Lithografiematerial außerhalb der äußeren Hülle durch Auswaschen mit geeigneten Lösungsmitteln entfernt. Es verbleibt die polymerisierte Hülle 30 mit einem flüssigen Kern 32.
Schließlich wird, wie in Fig. 7c dargestellt, der flüssige Kern 32 der als Linse 28 ausgestalteten dreidimensionalen Struktur durch Beleuchten mit UV-Licht oder sichtbarem Licht 34 nachver- härtet und/oder getrocknet. Ein Schrumpfen des Materials in die- sem Schritt wird bei der Berechnung der Bahnkurven 24 berücksich- tigt und vorkompensiert .
Fig. 8a - 8c zeigen ein weiteres Anwendungsbeispiel des erfin- dungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung einer als diffraktives op- tisches Element (DOE) ausgestalteten dreidimensionalen Struktur 28. Auch hier werden die Bahnkurven 24 so gewählt, dass jeweils ihre Projektion auf die XY-Ebene geradlinig verläuft.
Fig. 9 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungsgemä- ßen Verfahrens zur Erzeugung einer frei tragenden Fläche. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf praktisch beliebige Struktu- ren anwendbar. Auch hier werden die Bahnkurven 24 so gewählt, dass jeweils ihre Projektion 24' auf die XY-Ebene geradlinig verläuft. Die Projektionen bilden eine Schar von Parallelen.
Fig. 10 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungsge- mäßen Verfahrens zur Erzeugung der frei tragenden Fläche aus Fig. 9. In dem in Fig. 10 dargestellten Anwendungsbeispiel wer- den die Bahnkurven 24 so gewählt, dass jeweils ihre Projektion auf die XY-Ebene in parallelen, d.h. mit konstantem Abstand zu- einander verlaufenden Kurven verläuft, deren Krümmung aber sehr viel geringer ist als eine Z-Komponente eines Krümmungsvektors bzw. Krümmungstensors der Bahnkurven 24.
Fig. 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsge- mäßen Verfahrens mit einer entlang einer Bahnkurve variierenden Strahlungsintensität. Das Ausführungsbeispiel in Fig. 11 unter- scheidet sich von dem in den Fig. 7a - 7c dargestellten Ausfüh- rungsbeispiel insbesondere dadurch, dass die Bahnkurven 24 der Soll-Oberfläche 38 der Zielstruktur nicht mit konstantem Abstand folgen sondern die Bahnkurven 24 so berechnet werden, sich der Abstand zwischen der Bahnkurve 24 und der Soll-Oberfläche 38 der Zielstruktur entlang der Bahnkurve 24 ändert. Um dennoch eine der Soll-Oberfläche 38 entsprechende Zielstruk- tur zu erzeugen, wird die Differenz durch eine abhängig vom Ab- stand zwischen der Bahnkurve 24 und der Soll-Oberfläche 38 der Zielstruktur eingestellte Strahlungsleistung des Lasers 18 kom- pensiert. Der Längsdurchmesser des elliptischen Fokalvolumens 18a, innerhalb dessen die Intensitätsschwelle für die Polymeri- sation überschritten wird, hängt von der Intensität bzw. Strah- lungsleistung des Lasers 18. Die Steuerung steuert die Strah- lungsleistung derart, dass der halbe Längsdurchmesser dem Ab- stand zwischen der Bahnkurve 24 und der Soll-Oberfläche 38 ent- spricht. Ein Mittelpunkt 18b des Fokus 18a wird dann entlang der Bahnkurve 24 bewegt, und dabei wird die Intensität so variiert, dass die oberen Ränder der Fokalvolumina 18a die Soll-Oberfläche 38 nachzeichnen.
Die zum Nachzeichnen der Soll-Oberfläche 38 anzusteuernde Bewe- gung Z-Koordinate wird daher zerlegt in einen ersten Anteil, der mit Hilfe des einen ersten Mechanismus 20 den Mittelpunkt 18b des Fokus entlang der Bahnkurve 24 bewegt, und einen zweiten An- teil, der durch eine zeitabhängige Änderung der Laserleistung realisiert wird. Diese Aufteilung kann insbesondere durch eine räumliche Frequenzzerlegung im Fourierraum erfolgen, wobei die Anteile mit niedrigeren Frequenzen dem trägeren ersten Mechanis- mus 20 zugeordnet werden.
Die Variation der Intensität kann neben der Variation der Laser- leistung auch durch eine Blende, eine Variation der Bahnge- schwindigkeit oder ein mehrfaches Belichten bestimmter Voxel er- reicht werden.
Fig. 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungs- gemäßen Vorrichtung mit eine dem Mikroskop-Objektiv 12 vorge- schalteten adaptiven Linse 36, die als Teil des ersten Mechanis- mus 20 eine Gesamt-Brennweite einer das Mikroskop-Objektiv 12 und die adaptive Linse 36 umfassenden Optischen Anordnung und damit die Z-Position des Fokus bestimmt. Die Brennweite der adaptiver. Linse 36 wird durch die Steuerung so gesteuert, dass die Z-Position des Fokus einer Sollposition entspricht. Dabei werden Bewegungen des Fokus steuerungstech- nisch in schnellere und langsamere Komponenten zerlegt, wobei die schnelleren Komponenten durch eine Verstellung der adaptiven Linse 36 erreicht werden und die langsameren Komponenten durch eine Steuerung bzw. Verschiebung des Mikroskop-Objektivs 12 mit Hilfe eines elektromechanischen Aktuators 42
Das von der adaptiven Linse 36 vor-fokussierte Laserlicht wird durch einen zwischen der adaptiven Linse 36 und dem Mikroskop- Objektivs 12 angeordneten Beam-Splitter 40 geleitet und ein kleiner Teil des Laser wird zur Regelung der Brennweite der adaptiven Linse 36 abgezweigt und in einen Detektor 38 gelenkt. Aus dem von dem Detektor 38 empfangenen Signal ermittelt die Steuerung 10 eine Ist-Brennweite der adaptiven Linse 36 und ver- gleicht diese mit einer angesteuerten Soll-Brennweite. Bei Ab- weichungen zwischen Ist-Brennweite und Soll-Brennweite gegelt die Steuerung 10 ihre Steuersignale nach. Dadurch wird eine Feedback-Regelung der Brennweite der adaptiven Linse 36 ermög- licht .

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen einer dreidimensionalen Struktur (28) mit wenigstens einem flächigen, unebenen Teilbe- reich (30) in einem durch Einstrahlung eines Lasers (18) in einem Fokus (18a) des Lasers (18) ortsaufgelöst polymeri- sierbaren Lithografiematerial (16), wobei die Position des Fokus (18a) innerhalb des Lithografiematerials (16) durch:
• einen ersten Mechanismus (20) zum Verstellen des Fokus (18a) entlang einer parallel zu einer Strahlachse des Lasers verlaufenden Z-Richtung und
• einen zweiten Mechanismus (22) zum Verstellen des Fo- kus (18a) in einer transversal zur Strahlachse des Lasers verlaufenden XY-Ebene
verstellbar ist, wobei das Verfahren umfasst:
• das Bestimmen einer Reihe von aneinander angrenzenden Bahnkurven (24) für eine Bewegung des Fokus' (18a) ab- hängig von Daten zu der dreidimensionalen Struktur (32) ; und
• das Erzeugen der dreidimensionalen Struktur (32) durch Bewegen des Fokus (18a) des Lasers entlang der Bahnkur- ven (24),
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens die Teilstücke der Bahnkurven (24), die zur Er- zeugung des flächigen, unebenen Teilbereichs (30) bestimmt werden, in einer Projektion auf die XY-Ebene zumindest -im Wesentlichen parallel verlaufen.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Bahngeschwindigkeit der Teilstücke der Bahnkurven (24) zur Erzeugung des flächigen, unebenen Teilbereichs (30) in einer Projektion auf die XY-Ebene zumindest im Wesentlichen konstant ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnkurven (24) so bestimmt sind, dass ein maximaler Betrag einer XY-Komponente der transversalen Bahnbeschleu- nigung um wenigstens einen Faktor 10 kleiner ist als der maximale Betrag einer Z-Komponente der transversalen Bahn- beschleunigung ,
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, da«·
der flächige, unebene Teilbereich ein Teilbereich einer äu- ßeren Hülle (30) der dreidimensionalen Struktur (28) ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Erzeugen der dreidimensionalen Struktur (28) umfasst:
• das Erzeugen der äußeren Hülle (30) der dreidimensio- nalen Struktur (28) durch Bewegen des Fokus' (18a) des Lasers entlang der Bahnkurven (24) ;
• das Entfernen des nicht polymerisierten Lithografie- materials (16) in einem Raum außerhalb der äußeren Hülle (30); und
• das Nachverhärten des nicht polymerisierten Lithogra- fiematerials (32) innerhalb der äußeren Hülle (30) durch Belichten und/oder Erwärmen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der erste Mechanismus (20) zum Verstellen des Fokus (18a) ein verstellbares Objektiv (12) umfasst.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Mechanismus (20) eine adaptive Linse (36) um- fasst.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, da·»
der erste Mechanismus (20) ein Mikroskop-Objektiv (12) um- fasst, dem die adaptive Linse (36) vorgeschaltet ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, gekennzeichnet durch
eine Feedback-Regelung der Brennweite der adaptiven
Linse (36) .
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Einschwingzeit des ersten Mechanismus um wenigstens einen Faktor 5 kleiner ist als eine Einschwingzeit des zweiten Mechanismus.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der erste Mechanismus (20) als ein kombinierter Mechanismus, bestehend aus einer luftgela- gerten Achse und einer Piezo-Achse, ausgestaltet ist, wobei die Piezo-Achse die schnellen Komponenten der Gesamtbewe- gung ausführt und die trägere luftgelagerte Achse langsa- mere Komponenten der Gesamtbewegung erzeugt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet, dass der zweite Mechanismus (22) dazu ausgelegt ist, einen Träger mit oder ohne Rand (26) o- der einen Badbehälter (14) zum Halten des Lithografiemate- rials (16) bei bezogen auf den umgebenden Raum fester XY- Position der Strahlachse des Lasers (18) in der XY-Ebene zu bewegen .
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnkurven (24) so be- stimmt werden, dass sich ein Abstand der Bahnkurve (24) von einer Oberfläche (38) der dreidimensionalen Struktur (32) entlang einer Bahnkurve (24) lokal verändert und ein Längs- durchmesser des Fokus (18a) abhängig von dem Abstand verän- dert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Längsdurchmesser des Fokus (18a) durch eine Änderung einer Intensität des Lasers (18) geändert wird.
15. Computerprogrammprodukt zum Bestimmen von Bahnkurven (24) zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der vorherge- henden Ansprüche.
16. Vorrichtung mit einem darauf installierten Computerpro- grammprodukt nach Anspruch 15, einem Träger mit oder ohne Rand oder Badbehälter (14) für ein Lithografiematerial (16), einem Laser (18) zum ortsaufgelösten polymerisieren des Lithografiematerials (18), einem ersten Mechanismus (20) zum Verstellen des Fokus (18a) entlang einer parallel zu einer Strahlachse des Lasers (18) verlaufenden Z-Rich- tung, einem zweiten Mechanismus (22) in zum Bewegen des Fo- kus (18a) relativ zum Lithografiematerial (16) in einer transversal zur Strahlachse des Lasers verlaufenden XY- Ebene, und einer Steuereinheit (10), die dazu ausgelegt ist, die Bahnkurven (24) zum Erzeugen einer dreidimensiona- len Struktur (28) mit dem Computerprogrammprodukt zu be- stimmen und den Fokus (18a) des Lasers mit dem ersten Me- chanismus (20) und dem zweiten Mechanismus (22) entlang der Bahnkurven in dem Lithografiematerial (16) zu bewegen.
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