用于亚微米增材制造的系统和方法技术方案

公开了一种用于通过加工光敏聚合物抗蚀剂材料来执行增材制造操作以形成结构的设备。该设备可以包括：激光器，用于生成激光光束；以及可调掩模，用于接收该激光光束，该可调掩模具有光学色散元件。掩模将该激光光束分成多个出射光束，每个出射光束具有不同强度或相同强度的子集细光束，每个细光束从该掩模的照射区域的唯一子部分出射。准直仪对出射光束中的至少一个进行准直以形成准直光束。一个或更多个聚焦元件将准直光束聚焦为聚焦光束，该聚焦光束在抗蚀剂材料上或抗蚀剂材料内被投影为聚焦成像平面。所述聚焦光束同时照射抗蚀剂材料的层来以并行方式加工整个层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于亚微米增材制造的系统和方法相关申请的交叉引用本申请是于2017年12月29日提交的美国专利申请第15/857,917号的国际申请，该美国专利申请第15/857,917号是于2017年10月31日提交的国际申请第PCT/US2017/059326号的部分延续。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。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(三维打印)的增材制造系统和方法，并且更具体地涉及用于使用多光子、非线性光吸收工艺的具有亚微米特征的结构的高速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，并且可以不构成现有技术。双光子聚合，有时也被称为双光子光刻，是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期望结构进行照射并且随后显影(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日公布的美国专利公开第2016/0199935A1号中描述了可以被修改以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。双光子聚合是使得能够制造具有亚微米特征的大规模复杂3D结构的直接写入技术。在该技术的最常用的实现形式中，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，写入速率从根本上限于无法对大量的功能部件进行双光子光刻。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利用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。具体地，过去的并行化工作或者已经生成了相同特征的排列，或者已经用于打印不具有深度可分辨性的2D部件。尽管双光子光刻使得能够以通过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该方法限于约0.1mm3/小时的低处理速率。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的技术挑战和科学挑战。过去，尚未解决在没有不利地影响制造任意复杂3D部件的能力的情况下执行并行双光子光刻(“TPL”)的问题。在现有技术中存在部分地解决TPL的并行化问题的以下两种通用方法：(i)“分裂”光束并且同时聚焦于多个点以在多个点处制造相同的特征(参见Vizsnyiczai,G.,Kelemen,L.,andOrmos,P.,2014,"Holographicmulti-focus3Dtwo-photonpolymerizationwithreal-timecalculatedholograms",Opt.Express,22(20),pp.24217-24223)；(ⅱ)将任意复杂的2D图像投影至抗蚀剂中以生成不具有深度可分辨性的2D结构。(参见Mills,B.,Grant-Jacob,J.A.,Feinaeugle,M.,andEason,R.W.,2013,"Single-pulsemultiphotonpolymerizationofcomplexstructuresusingadigitalmultimirrordevice",Opt.Express,21(12),pp.14853-14858)。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时，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。深度可分辨性是指处理抗蚀剂材料的薄截面而无需处理在经处理的截面的下方或上方的任何事物的能力。对于亚微米增材制造，期望深度分辨率(即，抗蚀剂的经处理的截面的厚度)在小于1μm至几微米的范围内。然而，在该第二种方法中，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。相反，将同一2D图像“聚焦”在多个平面处，使得在抗蚀剂层的整个厚度上以2D图像挤出的形式生成厚的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3-D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应用于生物材料的荧光成像。该技术也已经用于论证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。具体地，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，曝光剂量是指时间积分的光子能量；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。相比之下，MPL期间的曝光剂量将光强度和曝光时间非线性地组合在一起(剂量～(强度)a×(时间)b，其中，‘a’、‘b’为正实数)。针对曝光剂量的这种非线性形式是由于非线性光吸收过程和聚合过程底层的化学反应动力学的结合而产生的。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合于MPL中的非线性剂量控制。如果在MPL中使用这种技术，则或者生成过度曝光结构的斑点，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用于制造任意复杂的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
在一个方面，本公开内容涉及用于通过加工光敏聚合物抗蚀剂材料来执行增材制造操作以形成结构的设备。该设备可以包括：激光源，用于生成激光光束；以及可调掩模，用于接收激光光束模。该可调掩模可以包括光学色散元件。可调掩模可以被配置成将激光束分成多个出射光束，其中，从可调掩模出射的每个出射光束包括不同强度或相同强度的子集细光束，并且其中，每个细光束从可调掩模的照射区域的唯一子部分出射。可以包括准直仪，用于收集和准直来自可调掩模的出射光束中的至少一个出射光束以形成准直光束。可以包括一个或更多个聚焦元件，用于将准直光束聚焦为聚焦光束，所述聚焦光束被投影为光敏聚合物抗蚀剂材料上或者光敏聚合物抗蚀剂材料内的聚焦成像平面。可调掩模、准直仪和聚焦元件被定向和定位成在可调掩模与成像平面之间为所有光学频率的激光光束产生相同的光学路径长度。该聚焦光束同时照射光敏聚合物抗蚀剂材料的层。在另一方面，本公开内容涉及用于通过加工光敏聚合物抗蚀剂材料来执行增材制造操作以形成结构的设备。该设备可以包括：激光源，用于生成脉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于通过加工光敏聚合物抗蚀剂材料来执行增材制造操作以形成结构的设备，所述设备包括：/n激光源，用于生成激光光束；/n可调掩模，用于接收所述激光光束，其中，所述可调掩模包括光学色散元件；/n所述可调掩模被配置成将所述激光光束分成多个出射光束，其中，从所述可调掩模出射的每个所述出射光束包括不同强度或相同强度的子集细光束，以及其中，每个所述细光束从所述可调掩模的照射区域的唯一子部分出射；/n准直仪，用于收集和准直来自所述可调掩模的出射光束中的至少一个出射光束，以形成准直光束；/n一个或更多个聚焦元件，用于将所述准直光束聚焦为聚焦光束，所述聚焦光束被投影为所述光敏聚合物抗蚀剂材料上或者所述光敏聚合物抗蚀剂材料内的聚焦成像平面，其中，所述可调掩模，所述准直仪和所述聚焦元件被定向和定位成在所述可调掩模与所述成像平面之间为所有光学频率的所述激光光束产生相同的光学路径长度；以及/n其中，所述聚焦光束同时照射所述光敏聚合物抗蚀剂材料的层。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171229 US 15/857,9171.一种用于通过加工光敏聚合物抗蚀剂材料来执行增材制造操作以形成结构的设备，所述设备包括：
激光源，用于生成激光光束；
可调掩模，用于接收所述激光光束，其中，所述可调掩模包括光学色散元件；
所述可调掩模被配置成将所述激光光束分成多个出射光束，其中，从所述可调掩模出射的每个所述出射光束包括不同强度或相同强度的子集细光束，以及其中，每个所述细光束从所述可调掩模的照射区域的唯一子部分出射；
准直仪，用于收集和准直来自所述可调掩模的出射光束中的至少一个出射光束，以形成准直光束；
一个或更多个聚焦元件，用于将所述准直光束聚焦为聚焦光束，所述聚焦光束被投影为所述光敏聚合物抗蚀剂材料上或者所述光敏聚合物抗蚀剂材料内的聚焦成像平面，其中，所述可调掩模，所述准直仪和所述聚焦元件被定向和定位成在所述可调掩模与所述成像平面之间为所有光学频率的所述激光光束产生相同的光学路径长度；以及
其中，所述聚焦光束同时照射所述光敏聚合物抗蚀剂材料的层。


2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述准直仪的入射孔径足够大以收集从所述可调掩模出射的所述出射光束中的单个出射光束中包含的所有波长，但是所述准直仪的入射孔径充分小以阻挡所述出射光束中所有其他出射光束的所有波长。


3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述准直仪包括凸面透镜或凹面镜。


4.根据权利要求1所述的设备，还包括移动载物台，所述移动载物台用于支撑所述抗蚀剂材料并且相对于所述聚焦成像平面移动所述抗蚀剂材料。


5.根据权利要求4所述的设备，还包括移动载物台，所述移动载物台用于支撑所述一个或更多个聚焦元件并且使所述聚焦成像平面朝向或远离所述抗蚀剂材料轴向地移动。


6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述一个或更多个聚焦元件中的至少一个聚焦元件包括焦点可调光学器件，所述焦点可调光学器件包括电可调透镜(ETL)。


7.根据权利要求1所述的设备，还包括功率监测系统，所述功率监测系统用于监测从所述可调掩模出射的未聚焦在所述抗蚀剂材料上的出射光束中的至少一个出射光束的功率。


8.根据权利要求7所述的设备，还包括功率控制单元，所述功率控制单元包括下述至少之一：
跟随有偏振光束分光器的旋转半波片，用于控制由所述可调掩模接收到的光束的功率；或者
旋转中性密度滤光器轮，用于控制由所述可调掩模接收到的光束的功率。


9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述可调掩模包括应变可调褶皱结构，所述应变可调褶皱结构具有支撑在柔性基底上的应变薄膜。


10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述可调掩模包括数字微镜装置(DMD)。


11.根据权利要求1所述的设备，还包括控制单元，所述控制单元用于在接收到来自内部时钟或外部时钟的定时信号时对所述可调掩模进行调节。


12.根据权利要求4所述的设备，还包括控制单元，所述控制单元用于在接收到来自支撑所述抗蚀剂材料的所述移动载物台的同步信号时对所述可调掩模进行调节。


13.根据权利要求5所述的设备，还包括控制单元，所述控制单元用于在接收到来自支撑所述抗蚀剂材料的所述移动载物台和支撑所述聚焦元件的所述移动载物台的分立的同步信号时对所述可调掩模进行调节。


14.根据权利要求1所述的设备，还包括成像系统，所述成像系统使用非相干光学源以监测照射所述光敏聚合物抗蚀剂材料的聚焦光束。


15.根据权利要求1所述的设备，其中，所述可调掩模包括空间光调制器(SLM)。


16.一种用于通过加工光敏聚合物抗蚀剂材料来执行增材制造操作以形成结构的设备，所述设备包括：
激光源，用于生成脉冲激光光束；
可调掩模，用于接收所述脉冲激光光束，其中，所述可调掩模包括数字微镜装置(DMD)，所述数字微镜装置包括能够导通或关断的多个独立可控像素；
所述可调掩模被配置成将所述脉冲激光光束分成多个出射光束，其中，从所述可调掩模出射的每个所述出射光束包括不同强度或相同强度的子集细光束，以及其中，每个所述细光束从唯一的像素出射；
准直仪，用于收集和准直来自所述可调掩模的多个出射光束中的仅选定出射光束的所有波长，并且所述准直仪被配置成阻挡所述出射光束中所有其他出射光束的所有波长；
一个或更多个聚焦元件，用于将准直光束聚焦为聚焦光束，所述聚焦光束被投影为所述光敏聚合物抗蚀剂材料上或所述光敏聚合物抗蚀剂材料内的聚焦成像平面，其中，所述可调掩模、所述准直仪和所述聚焦元件被定向和定位成在所述可调掩模与所述聚焦成像平面之间为所有光学波长的所述脉冲激光光束产生相同的光学路径长度；
移动载物台，用于支撑所述光敏聚合物抗蚀剂材料并且相对于所述聚焦成像平面移动所述光敏聚合物抗蚀剂材料；以及
其中，所述聚焦光束同时照射所述光敏聚合物抗蚀剂材料的层。


17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述可调掩模被定向成与接收到的所述脉冲激光光束成一定角度，以便生成针对接收到的所述脉冲激光光束的中心波长的闪耀光栅条件。


18.根据权利要求16所述的设备，还包括功率监测单元，所述功率监测单元用于收...

【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