用于可缩放亚微米增材制造的深度分辨的并行双光子聚合的系统和方法技术方案

本公开内容涉及一种用于执行增材制造操作以形成部件的方法，其中，该部件由光敏聚合物抗蚀剂材料制成。该方法可以涉及生成激光光束并将激光光束指向数字掩模处。可以控制数字掩模以选择性地产生具有如下细光束子集的光束：所述细光束子集形成图像并且所述细光束子集均具有足以引起当照射光敏聚合物抗蚀剂材料时所述材料的一部分的聚合的强度。可以对光束进行准直并且然后将细光束子集指向光敏聚合物抗蚀剂材料，以同时聚合光敏聚合物抗蚀剂材料的选定部分。

System and method of deep resolution parallel two-photon polymerization for scalable submicron additive manufacturing

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于可缩放亚微米增材制造的深度分辨的并行双光子聚合的系统和方法政府权利声明美国政府根据美国能源部与劳伦斯·利弗莫尔国家安全有限责任公司之间的关于劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的运营的合同号DE-AC52-07NA27344，享有本专利技术的权利。
本公开内容总体上涉及通常被称为3D打印的增材制造系统和方法，并且更具体地涉及使用多光子、非线性光吸收工艺的具有亚微米特征的结构的增材制造的方法和设备，其中所述系统和方法使得能够制造小于衍射极限聚焦照射点的特征。
技术介绍
该部分中的陈述仅提供与本公开内容有关的背景信息，并且可能不构成现有技术。双光子聚合，有时也被称为双光子光刻，是一种用于增材制造具有亚微米构建块的复杂3D结构的当今流行的技术。该技术使用非线性光吸收工艺来聚合光敏聚合物抗蚀剂材料内部的亚微米特征。在对光致抗蚀剂体积内部的所需结构进行照射并随后显影(洗掉未被照射的区域)之后，聚合的材料保持规定的三维形式。在2016年7月14日公开的美国专利公开第2016/0199935A1号中描述了用于双光子聚合的系统的一个示例，该美国专利公开的全部内容在此通过引用并入本公开内容中。因此，双光子聚合是一种使得能够制造具有亚微米特征的大型复杂3D结构的直接写入技术。更具体地，通过串行写入技术来实现复杂结构的写入，其中，在3D空间中顺序地扫描高光强度点以生成整个结构。由于串行写入方案，写入速率从根本上受限于无法对大量功能部件进行双光子光刻的这种程度。尽管过去已经尝试经由并行化来增加速率，但是这种尝试未能实现与点扫描串行技术可以实现的图案复杂性相同程度的图案复杂性。具体而言，过去的并行化工作或者已经生成了具有相同特征的阵列，或者已经被用于打印没有深度可分辨性的2D部件。尽管双光子光刻使得能够以其他增材制造技术无法实现的长度尺度来制造特征，但是双光子光刻使用的串行写入方案使得该方法受到约0.1mm3/小时的低处理速率的限制。这妨碍了充分利用双光子光刻的亚微米几何控制来制造功能部件。由于现有系统的缓慢逐点串行照射技术，出现了解决这种低处理速率限制方面的技术挑战和科学挑战。过去，尚未解决在没有不利地影响能够制造任意复杂的3D部件的能力的情况下执行并行双光子光刻(“TPL”)的问题。现有技术中存在部分地解决了TPL的并行化问题的以下两种通用方法：(i)“分裂”光束并同时聚焦于多个点处以在多个点处制造相同的特征，(ii)将任意复杂的2D图像投影至抗蚀剂中以生成2D结构[4]。第一种方法不适用于TPL放大，因为在这种方法中，放大是通过以周期性阵列的形式在多个点上同时打印结构来实现的。由于将同一光束分成多个相同的光束，因此每个光束都会生成相同的特征。因此，在使用该技术打印任意复杂的非周期性结构期间，无法实现放大。第二种方法不适用于复杂的3D结构的打印，因为在这些投影技术中失去了深度可分辨性。在该方案中，当通过抗蚀剂材料投影2D图像时，不能唯一地配准垂直于2D投影图像的单个焦平面。而是，将相同的2D图像“聚焦”在多个平面上使得以2D图像挤出的形式生成较厚的3D固化体积。因此，该方案不能用于打印具有深度分辨特征例如存在于桁架结构中的那些特征的3D结构。宽带飞秒激光源的时间聚焦先前已经被用于生物材料的荧光成像。该技术也已经用于演示基于材料去除的制造过程。已经提出，这种时间聚焦系统也可以用于多光子光刻。然而，这些教导无法在没有过度实验的情况下实现高质量的3D打印结构。这种失败的根本原因是多光子光刻(“MPL”)的物理机制与成像或材料去除的物理机制之间的关键区别。具体而言，在MPL期间使用的抗蚀剂的剂量阈值行为不同于材料去除过程或成像过程的剂量阈值行为。在成像和材料去除中，曝光剂量是指集成的光子能量；这是因为基本的物理过程是由总能量(剂量～强度×时间)驱动的。与之相对，由于链增长型聚合过程，MPL期间的曝光剂量将光强度和曝光时间非线性地结合(剂量～强度(a)×时间(b))。因此，通过对光强度进行时间平均来实现剂量控制的现有技术不适用于MPL中的剂量控制。如果在MPL中使用这种技术，则或者生成曝光过度结构的斑点，或者获得具有曝光不足区域的结构。本文中，提出了用于并行化MPL中适当剂量控制的工具和技术。因此，仍然需要能够在没有不利地影响能够制造任意复杂的3D结构的能力的情况下显著提高双光子光刻的速率的系统和方法。
技术实现思路
该部分提供了本公开内容的总体概述，而不是其全部范围或其所有特征的全面公开内容。在一方面，本公开内容涉及一种用于执行增材制造操作以形成部件的方法，其中，该部件包括光敏聚合物抗蚀剂材料。该方法可以包括：生成激光光束；将激光光束指向数字掩模处；以及控制数字掩模，以从激光光束中选择性地产生具有如下细光束子集的光束：所述细光束子集形成图像并且所述细光束子集具有足以引起被细光束子集照射的光敏聚合物抗蚀剂材料的一部分的聚合的强度。该方法还可以涉及：对光束进行准直；以及将具有细光束子集的准直光束指向光敏聚合物抗蚀剂材料处，以引起光敏聚合物抗蚀剂材料的选定部分的同时聚合。在另一方面，本公开内容涉及一种用于执行增材制造操作以形成部件的方法，其中，该部件包括光敏聚合物抗蚀剂材料。该方法可以包括：生成脉冲激光光束；将脉冲激光光束指向数字掩模处，该数字掩模包括可以被导通或关断的多个独立地可控的像素。该方法还可以包括：控制数字掩模以将脉冲激光光束分成多个细光束、第一细光束子集和第二细光束子集，每个细光束与数字掩模的相关联的单个像素对应，所述第一细光束子集由数字掩模的被关断的像素产生并且所述第一细光束子集具有不足以诱导光敏聚合物抗蚀剂材料的聚合的光能，所述第二细光束子集由被导通的像素产生并且所述第二细光束子集具有足以诱导聚合的光能。该方法还可以包括：对光束进行准直，以产生具有第一细光束子集和第二细光束子集的准直光束；以及仅使用第二细光束子集以并行的方式诱导在光敏聚合物抗蚀剂材料内的给定X-Y平面中的光敏聚合物抗蚀剂材料的选定区域的聚合。该方法还可以包括：使用数字掩模来控制附加第二细光束子集至所述部件的附加层的随后施加来以逐层方式形成部件的每个层。在又一方面，本公开内容涉及一种用于执行增材制造操作以形成部件的设备，其中，该部件包括光敏聚合物抗蚀剂材料。该设备可以包括：激光器，其用于生成激光光束；以及数字掩模，其用于接收激光光束。数字掩模可以被配置成将激光光束分成多个细光束、第一细光束子集和第二细光束子集，所述第一细光束子集具有不足以诱导光敏聚合物抗蚀剂材料的聚合的光能，所述第二细光束子集具有足以诱导聚合的光能，并且第一细光束子集形成图像。该系统还可以包括用于对第一细光束子集进行准直的准直仪，并且其中，第一细光束子集同时写出光敏聚合物抗蚀剂材料层。根据本文所提供的描述，另外的应用领域将变得明显。该
技术实现思路
中的描述和特定示例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开内容的范围。附图说明本文所描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开内容的范本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于执行增材制造操作以形成部件的方法，其中，所述部件包括光敏聚合物抗蚀剂材料，所述方法包括：/n生成激光光束；/n将所述激光光束指向数字掩模处；/n控制所述数字掩模，以从所述激光光束中选择性地产生具有如下细光束子集的光束：所述细光束子集形成图像并且所述细光束子集具有足以引起被所述细光束子集照射的所述光敏聚合物抗蚀剂材料的一部分的聚合的强度；/n对所述光束进行准直；以及/n将具有所述细光束子集的所述准直光束指向所述光敏聚合物抗蚀剂材料处，以引起所述光敏聚合物抗蚀剂材料的选定部分的同时聚合。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于执行增材制造操作以形成部件的方法，其中，所述部件包括光敏聚合物抗蚀剂材料，所述方法包括：
生成激光光束；
将所述激光光束指向数字掩模处；
控制所述数字掩模，以从所述激光光束中选择性地产生具有如下细光束子集的光束：所述细光束子集形成图像并且所述细光束子集具有足以引起被所述细光束子集照射的所述光敏聚合物抗蚀剂材料的一部分的聚合的强度；
对所述光束进行准直；以及
将具有所述细光束子集的所述准直光束指向所述光敏聚合物抗蚀剂材料处，以引起所述光敏聚合物抗蚀剂材料的选定部分的同时聚合。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，使用所述数字掩模来产生所述细光束子集包括在空间和时间两者上使所述细光束子集聚焦。


3.根据权利要求1所述的方法，其中，生成激光光束包括生成脉冲激光光束。


4.根据权利要求1所述的方法，还包括监测由所述数字掩模产生但不用于引起所述光敏聚合物抗蚀剂材料的聚合的至少一个细光束的功率。


5.根据权利要求4所述的方法，还包括基于所监测的所述至少一个细光束的功率来调节所述激光光束的功率。


6.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述细光束子集照射所述光敏聚合物抗蚀剂材料之前使用物镜使所述细光束子集聚焦。


7.根据权利要求1所述的方法，还包括：将所述光敏聚合物抗蚀剂材料支撑在载物台上，并且移动所述物镜以使所述细光束子集写出所述光敏聚合物抗蚀剂材料层。


8.根据权利要求1所述的方法，还包括：将所述光敏聚合物抗蚀剂材料支撑在可移动载物台上，并且在所述细光束子集照射所述光敏聚合物抗蚀剂材料的同时可控地移动所述可移动载物台。


9.根据权利要求8所述的方法，还包括在所述细光束子集照射所述光敏聚合物抗蚀剂材料之前使用物镜使所述细光束子集聚焦。


10.根据权利要求9所述的方法，还包括在使用所述细光束子集写出所述光敏聚合物抗蚀剂材料层的同时移动所述可移动载物台和所述物镜两者。


11.一种用于执行增材制造操作以形成部件的方法，其中，所述部件包括光敏聚合物抗蚀剂材料，所述方法包括：
生成脉冲激光光束；
将所述脉冲激光光束指向数字掩模处，所述数字掩模包括能够被导通或关断的多个独立地可控的像素；
控制所述数字掩模以将所述脉冲激光光束分成多个细光束、第一细光束子集和第二细光束子集，每个细光束与所述数字掩模的相关联的单个像素对应，所述第一细光束子集由所述数字掩模的被关断的像素产生并且所述第一细光束子集具有不足以诱导所述光敏聚合物抗蚀剂材料的聚合的光能，所述第二细光束子集由被导通的像素产生并且所述第二细光束子集具有足以诱导聚合的光能；
对所述光束进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏拉布·萨哈，罗伯特·帕纳西，陈世祈，
申请(专利权)人：劳伦斯·利弗莫尔国家安全有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US