用于制备具有改善的边缘清晰度的结构的方法技术

本发明专利技术公开的方法包括相对于多光子固化性光反应性组合物扫描辐射光束。该辐射光束具有的功率足以至少部分地固化一定体积的这种多光子固化性光反应性组合物。该方法还包括随着该辐射光束被扫描，改变该辐射光束的特性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及利用多光子吸收聚合反应用于制备结构的方法，更具体地讲，本公开 涉及用于改善所述结构的边缘清晰度的方法。
技术介绍
多光子固化方法在美国专利No. 6，855，478中有所描述。在这些方法中，包括多光 子固化性光反应性组合物的材料层被涂敷在基底(如，硅晶片)上，然后使用辐射能聚焦源 (例如，超快激光束)对其选择性地固化。多光子固化技术可以用于制造具有微米或纳米级 分辨率的二维(2D)和/或三维(3D)结构。在一种制造技术中，当可见光或近红外(NIR)辐射的脉冲激光束聚焦到工程加固 的光聚合物树脂中时，生成体素或3D体积元素。树脂内的非线性相互作用过程引发激光束 焦点附近的树脂固化，其中NIR辐射的两个光子基本上被同时吸收。这种树脂固化可以称 为“光聚合”，并且这种方法可以称为“双光子光聚合”法。这种树脂的光聚合不会在那些曝 露于强度不足(即，强度低于用于引发光聚合的阈值剂量)的NIR辐射部分的树脂区域中 进行。可以通过控制激光束焦点在三维(即χ轴、y轴和ζ轴方向)中相对于树脂的位 置使用多光子光聚合方法一个体素一个体素地构造3D结构。在许多情况下，通过固化大约 单个体素层(如，在χ-y平面上)，然后将焦点移动约一个体素长度(如，沿ζ轴)，然后固 化后续层(如，在χ-y平面上)，来形成3D结构。可以重复这一方法，直至所需结构至少部 分地被固化。通常，激光束的焦点大致为球形或椭球形，具有大体上沿着任何直径的高斯强度 分布。因此，通过曝露于激光束而固化的体素大致为球形、或可以类似于伸长的球体，其中 该伸长为沿着一个或不止一个轴(如，X轴、y轴或Z轴)进行的。
技术实现思路
本公开整体涉及用于改善通过多光子曝光形成的结构的边缘清晰度的系统和方 法。广义地讲，边缘清晰度可以定义为结构的边缘或表面的任何特性，例如表面的粗糙度、 固化表面或边缘对所需表面或边缘的保真性等。改善边缘清晰度可以是理想的，以便生成 对所需的形状具有较高保真性的结构。改善边缘清晰度的方法可以广义地包括实时功率控 制、具有高速光间的轨迹控制、高频振动、以及曝光光束的空间调制。在一个方面，本公开涉及的方法包括相对于多光子固化性光反应性组合物扫描辐 射光束。辐射光束包括的功率足以至少部分地固化一定体积的所述多光子固化性光反应性 组合物。该方法还包括随着辐射光束被扫描，改变所述辐射光束的特性。在另一方面，本公开涉及的方法包括在多光子固化性光反应性组合物内扫描辐 射光束的焦点，以通过多光子吸收至少部分地固化一定体积的多光子固化性光反应性组合 物；在焦点被扫描时，利用功率计测量辐射光束的至少一部分的功率；将测量的辐射光束的至少一部分的功率与所需的辐射光束的功率进行比较；以及在焦点被扫描时，根据检测 到的测量的功率与所需的功率之间的差值来调节辐射光束的功率。在另一方面，本公开涉及的方法包括在多光子固化性光反应性组合物中指定包括 边界的区域。该方法还包括在指定的区域内相对于多光子固化性光反应性组合物扫描辐射 光束。辐射光束包括的功率足以至少部分地固化一定体积的多光子固化性光反应性组合 物。该方法还包括扫描辐射光束越过边界并离开指定的区域，一旦辐射光束在指定的区域 的外面，就遮挡辐射光束。然后，扫描辐射光束越过边界并进入指定的区域中，并且一旦辐 射光束在指定的区域内，则不遮挡辐射光束。光束被扫描越过边界时，辐射光束的扫描速度 不变。附图和以下具体实施方式详细描述了本专利技术的一个或多个实施例。从具体实施方 式、附图以及从权利要求书中，本专利技术的其他特性、对象和优点将显而易见。附图说明图1为由辐射光束的单个扫描形成的结构的图解。图2为由常规的多光子固化系统形成的单个体素宽的结构的图解。图3为由常规的多光子固化系统形成的具有对角线曲面的结构的图解。图4A和图4B为由常规的多光子固化系统形成的立方体的横截面图。图5为由常规的多光子固化系统形成的正方形轮廓的俯视图。图6为包括辐射源模块的光学系统的示意性框图。图7为控制模块的示意性框图。图8为示例性半波片和偏振片的透视图。图9为功率相对于半波片角度的示例性图。图10为功率相对于扫描速度的图线。图11为示出利用多光子固化形成结构的周边的示例性方法的示意图。图12为示出利用多光子固化形成结构的周边的另一个示例性方法的示意图。图13为示出利用多光子固化形成结构的内部的示例性方法的示意图。图14为示出利用多光子固化形成结构的内部的另一个示例性方法的示意图。图15为示出利用多光子固化形成表面粗糙度低的边缘的示例性方法的示意图。图16为使用与图15类似的方法形成的结构的侧视图。图17A至图17E为五个示例性光束形状的剖视图。图18为使用具有圆角矩形横截面的焦点形成的立方体的侧视图。图19为使用具有圆角矩形横截面的高频振动焦点形成的立方体的侧视图。具体实施例方式当使用(例如)多光子聚合系统来固化表面或结构时，球形体素形状会是不利的。 例如，如图1所示，当来自多光子聚合系统的激光束以基本上直线的方式扫描时，形成基本 上圆柱形10。在图2中，激光束垂直于纸面(平行于Z轴)扫描，以在ζ-y平面上形成一个 体素厚的结构20。该结构20包括五条部分重叠的扫描线22a、22b、22C、22d、22e (总称为 “扫描线22”)，每一条扫描线产生于平行于ζ轴的激光束的单个扫描。如清楚地所见，即使当相邻扫描线(如，扫描线22a和22b)基本重叠时，仍然存在包括边缘限定不佳的不平的 表面24。该表面24包括许多脊26和许多凹陷28，脊26与扫描线22(沿χ轴)的最宽部 分对应，凹陷28与扫描线22的非最宽且没有与相邻扫描线(如，22a和22b)充分重叠以形 成平滑表面的区域对应。如图3所示，即使当各个层32、34、36至少部分地重叠时，体素的有限直径仍会限 制由多个层32、34、36的末端形成的所需表面的光滑度。以此种方式形成表面会导致具有 阶梯状凹陷38的表面39。较小的体素尺寸可以用于降低表面粗糙度并改善边缘清晰度，但这种方法会增加 固化结构所必需的时间。作为举例说明，假定图4A所示的立方体40a。立方体40a可以通 过固化连续的层以累积所需高度的立方体40a来形成。在图4A所示的实例中，立方体40a 需要六个堆叠的层。然后，如图4B所示，如果体素尺寸减小一半(同时保持扫描速度)，则 固化立方体40b的时间将加倍，两倍多的层(如，十二层)是必要的，以形成所需高度的立 方体40b。在常规的多光子曝光系统中，边缘清晰度还受限于关于光束特性(例如为，功率、 焦点大小等等)及其控制的有限量的实时信息。例如，在开始结构的曝光之前，激光束的功 率可以被确定并设定为基本上恒定的值。然后，通常不会故意修正功率以用于结构的至少 一部分曝光。作为简化，被一定体积的树脂吸收的以NIR辐射形式存在的能量一般来讲可以与 辐射光束的功率和一定体积的树脂曝露于光束的时间量的乘积成正比。当有必要改变扫描 方向时，这可能导致问题。例如，光束与树脂之间的相对位置通常通过可控台或可控光学阵 列(包括(例如)可移动的反射镜、透镜等等)来控制。所有这些对象都具有质量，并因此 会响应施加的力而经历有限的加速和减速。因此，改变光束的扫描方向通常要求在光束的 扫描速度以及因此在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，包括：相对于多光子固化性光反应性组合物扫描辐射光束，其中所述辐射光束具有的功率足以至少部分地固化一定体积的所述多光子固化性光反应性组合物；以及随着所述辐射光束被扫描，改变所述辐射光束的特性。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：布拉因J盖茨，罗伯特T克拉沙，普热梅斯瓦夫P马尔科维茨，克雷格R斯克拉，罗伯特J德沃，迪安法克里斯，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]