通过激光光刻制造3D结构的方法及相应的计算机程序产品与流程

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的通过激光光刻来制造三维整体结构的方法，并且涉及一种根据权利要求15的适用于所述方法的计算机程序产品。

背景技术：

在待制造的结构需要高精度和设计自由度的领域中，这类方法发现特别用在制造微结构或纳米结构中。在激光光刻领域中，特别是对于所谓的激光直写，已知的是，通过依次写入一系列彼此完全互补成所需结构的部分结构来制造所需的整体结构。通常，整体结构以层或切片的形式被写入。

通常从已知的整体结构中来在数学上确定各个部分结构。为此目的，已知将整体结构计算地记录在网格结构中并将其划分为部分结构。出现的问题是，在网格结构中再次确定部分结构，因此不能精确地再现整体结构精确走向。另外，激光光刻内在具有一定的分辨率限制，特别是由聚焦区域的空间范围给出的。结果，在由不同的部分结构组成的结构中，会出现阶梯状的表面走向。这种所谓的“阶梯”效应使得产生具有连续表面演变的整体结构成为问题。另一个问题是，当制造非常致密包装的结构时，可能会发生所谓的“隆起”效应。在这种情况下，某些结构区域可能被不期望地扩大或膨胀，这是由于当结构细节被一个接一个地紧挨着写入时，实际上过量的能量输入到光刻材料中的缘故。总体而言，在已知的激光光刻方法中，在待被写入的结构与由组合的部分结构实际产生的结构之间可产生不希望的偏差。

在现有技术中，已知各种方法来解决所提到的问题和误差。特别地，可以通过将其分解成较小的部分结构来实现提高的精度。但是，由于这也会增加待生成的部分结构的数量，因此此过程很耗时。也可以想到的是，仅在轮廓变化强烈的区域中对整体结构进行更精细的筛选。这在生成部分结构时增加了计算量，因此也是费时的。

从美国专利no.4,575,330a1或美国专利5,247,180a中可知立体光刻法，其中部分结构的期望结构是通过用写入光束来局部曝光而在液体光刻材料的浴器中以块状或分层构建的。在这种情况下，写入光束通过在每种情况下直接在光刻材料的浴器表面上的一层中的局部曝光来固化结构区域。通过在光刻材料的浴器中逐步降低载体基板，结构然后被分层构建。用这种方法不可能在光刻材料的体积中直接构造期望的结构。

技术实现要素：

本发明的目的是补偿上述激光光刻方法中的不期望的误差，并针对待制造的结构提供更大的设计自由度。另外，该目的是尽可能多地缩短处理时间。

该目的通过根据权利要求1的方法来实现。这是激光光刻方法，特别是通过激光光刻设备在一定体积的光刻材料中或在充满光刻材料的体积中的所谓的激光直写。通过限定至少一个部分结构(即，通过利用激光光刻设备“写入”到光刻材料中)，将整体结构写入光刻材料中，其中，至少一个部分结构至少近似期望的整体结构。

为了写入部分结构，利用双光子吸收或通常多光子吸收以空间分辨的方式在激光写入光束的聚焦区域中将曝光剂量辐射到光刻材料中。结果，以这种方式对光刻材料进行局部地修改和构造。在该结构的最终限定之后可以进行显影步骤，例如，以触发光刻材料中对整体结构无影响的区域或固化整体结构。

为了实现该目的，特别提出，与部分结构的其他区域相比，在与待制造的整体结构的外表面直接邻接(并在此范围内受外表面本身限制)的那些边缘部分中的至少一个部分结构中，改变曝光剂量。

为了生成部分结构，使激光写入光束的聚焦区域移位通过光刻材料，从而引入曝光剂量。为了移位聚焦范围，可以例如通过光束引导装置以受控的方式偏转激光写入光束。然而，还可以想到的是，通过定位装置使光刻材料或具有光刻材料的基板相对于激光写入光束以受控的方式移位。这两个概念也可以一起用于移位。曝光剂量特别是辐射能量的体积剂量。当聚焦区域移位到相应的边缘部分时，根据本发明改变曝光剂量。

在当前使用类型的3d激光写入中，通过多光子吸收来引入曝光剂量是特别有利的。为此目的，优选以如下方式设计光刻材料并且将激光写入光束调谐到光刻材料以使得：仅通过吸收多个光子才可能改变光刻材料(例如局部聚合)。为此目的，例如，可以选择激光写入光束的波长(并且因此可以确定分配的量子能量的大小)，使得仅通过同时吸收两个或更多个量子来达到改变光刻材料所需的能量输入。此过程的概率依赖于强度，并且在聚焦区域中比其余的写入光束相比显著增加。基本的考虑因素表明，吸收两个或多个量子的概率可能依赖于辐射强度的平方或更高次幂。相反，线性吸收过程的概率具有不同的强度依赖性，特别是具有辐射强度的较低次幂。由于在激光写入光束穿透到光刻材料中时会发生衰减(例如，根据比尔定律)，因此使用线性吸收过程在聚焦区域中在光刻材料的液面下深处写入将是有问题的，这是因为由于衰减本身，即使在聚焦区域中的表面下方聚焦时也不一定存在最高的吸收概率。相比之下，多光子吸收的机制使得可以将所需的曝光剂量引入到一定体积的光刻材料的内部，并且可以局部修改光刻材料。因此，如本领域中已知的，不需要用于在光刻材料浴器中逐步降低支撑结构的设备。

通过辐射曝光剂量，使光刻材料局部化学和/或物理改变，例如固化或聚合。光刻材料中改变的区域或“体素”的大小取决于曝光剂量，因此通过改变曝光剂量，可以改变相应结构区域或“体素”的空间范围。通过适当设定曝光剂量变化的尺寸，可以调节写入的区域的大小，使得补偿所期望的整体结构和部分结构之间的缺失区域。

这使得可以补偿一开始就描述过的误差，这种误差可能在整体结构接近一个或多个部分结构时发生。通过上述步骤也可以消除激光光刻中通常遇到的其他问题。例如，当使用负性光刻胶时，可能发生不希望的收缩效应。负性光刻胶在暴露于辐射能量的区域中固化。收缩效应例如由以下事实引起：与在原始(例如，粘性)状态下相比，光刻材料在固化状态下占据的空间更少。这可以通过有针对性的改变曝光剂量而得以补偿。

然而，曝光剂量的变化还使得可以以针对性的方式直接生成期望的表面结构。在这种情况下，在边缘部分中的曝光剂量根据限定的图案而变化，该边缘部分随后提供整体结构的表面。这导致以下事实：写入在边缘部分中的体素具有不同的膨胀，并且因此有助于所需的表面结构化。

优选地，仅在边缘部分中改变曝光剂量。在其他部分中，尤其是在部分结构的内部区域中，优选地不发生曝光剂量的变化。由此，可以简化控制激光光刻设备所需的算术运算。

所描述的方法使得可以通过部分结构以比较粗略的筛选来近似整体结构。同时，可以实现短的处理时间。

在本文中，术语“光刻材料”基本上是指其化学和/或物理材料性能可以通过例如用激光写入光束来辐射而被改变的物质，其被称为光刻胶。根据写入光束引起的变化的性质，光刻材料可以在所谓的负性光刻胶(其中辐射导致显影介质中的局部硬化或溶解度)中和在所谓的正性光刻胶(其中辐射局部增加在显影介质中的溶解度)中形成。

根据一个有利的实施方式，通过依次限定多个部分结构来限定整体结构，这些部分结构在一起近似整体结构。在这种情况下，特别提供的是，仅在与待生成的整体结构的外表面邻接的那些部分结构中改变曝光剂量。在这种情况下，在相应的部分结构中，与在直接邻接外表面的那些边缘部分中的剩余的部分结构相比，曝光剂量再次改变。

根据期望的整体结构，也可以将部分结构完全设计为边缘部分，即完全邻接外表面。

部分结构例如是分层的，使得整体结构由多个部分结构近似，这些部分结构以分层的方式彼此相邻(彼此重叠)。然而，原则上，部分结构也可以具有不同的形状。例如，整个结构可分为数个线形的相邻区域，或分成所谓的体素。对于部分结构，甚即使复杂的形状也是有利的。

基本上可以以各种方式来改变边缘部分中的曝光剂量。

可以想到的是，与其余的部分结构相比，在边缘部分中增加曝光剂量。该步骤使得可以补偿上述的“台阶效应”。在这方面，通过增加曝光剂量，边缘空间区域有效地获得了更大的体积，并且由于整体结构的网格状近似，可以填充不需要的台阶或缺失的区域。以这种方式，还可以近似具有连续延伸且弯曲或拱形的表面的整体结构。

然而，还可以想到的是，与其余的部分结构相比，减小了在边缘部分中的曝光剂量。例如，通过该步骤，可以抵消过度曝光的影响，这种过度曝光的影响可以发生在快速相继被写入、小的写入结构中。特别地，可以抵消所谓的“隆起效应”，“隆起效应”由于在紧密相邻且快速相继被写入的部分结构中的热累积而导致写入区域的不期望的膨胀。

可以例如通过改变激光写入光束的辐射功率来局部改变曝光剂量。因此，可以例如通过声光调制器来改变激光写入光束的强度。

在另一方面，通过扫描穿过光刻材料的聚焦区域来完成部分结构的写入。然后可以通过相应地改变聚焦区域的移位速度来改变曝光剂量。结果，有效地改变了聚焦区域在空间的一定区域中的停留时间，并从而改变了辐射的曝光剂量(在空间和时间平均上)。

举例来说，进行部分结构的写入，使得聚焦区域沿着扫描曲线移位通过光刻材料，该扫描曲线具有多个紧邻的曲线段。为了改变有效的曝光剂量，然后可以等待一个等待时间，在该等待时间期间，在穿过两个连续遍历且紧邻的曲线部分之间不辐射任何曝光剂量。特别地，在等待时间内禁用激光写入光束。在曲线部分彼此相邻延伸的区域中，有效曝光剂量依赖于等待时间有多长。因此，与其余内部结构相比，通过在边缘部分中施加曲线之间延长的或缩短的等待时间，可以在边缘部分中改变有效的(特别是时间上平均的)的曝光剂量。

还可以通过以下过程来有效地改变曝光剂量：紧邻的曲线部分彼此之间在边缘部分中具有的平均距离与在相应局部结构的其他部分中具有的平均距离不同。如果曲线部分平均地彼此靠近，则在空间和时间平均上有效地引入增加的曝光剂量。如果曲线部分平均地进一步间隔开，则有效的曝光剂量减小。

当写入部分结构时，曝光剂量也可以有效地改变，使得聚焦区域穿过通过光刻材料的扫描曲线，并且在边缘部分内扫描曲线至少被遍历两次或更多次。

因此，总体上，一方面可以通过控制激光写入光束的辐射输出来改变曝光剂量，另一方面可以通过改变曝光图案来改变曝光剂量。

激光写入光束基本上可以设计为连续波激光器或脉冲激光器。脉冲激光器的特征尤其在于固有脉冲速率(例如，mhz范围)和固有脉冲长度(例如，飞秒范围)。为了改变有效的曝光剂量(在整个时间上平均)，可以另外例如通过声光调制器来及时地调制激光写入光束，并且因此可以生成调制脉冲。调制脉冲又具有调制脉冲长度和调制脉冲速率。如上所述，脉冲激光写入光束或连续波激光器可以沿着扫描曲线移位通过光刻材料。

为了确定部分结构，优选通过计算筛选整体结构，尤其是分解为体元或“体素”，并且部分结构分别由一组优选连续的体素形成。在该方面，部分结构由一组形状相似或形状相同的体元(体素)组成。

例如，激光写入光束形成为具有调制脉冲速率和调制脉冲长度的一系列调制激光脉冲。可以提供的是，在每种情况下都使用调制激光脉冲来写入体元。但是，体元也可以由多个调制脉冲限定。有效的(尤其是时间平均的)曝光剂量可以例如通过改变调制脉冲速率和/或调制脉冲长度来改变。在此，调制脉冲率尤其表示每时间单位的调制脉冲的数量，并且调制脉冲长度特别表示每个脉冲的辐射持续时间。激光写入光束的脉冲例如可以通过例如由声光调制器在时间上调制激光的强度来实现。如上所述，脉冲激光写入光束可以沿着扫描曲线移位通过光刻材料。

原则上，通过软件工程和计算机优选将整体结构分解为一个部分结构或多个部分结构。在这方面，提供了表示整体结构的数据集(例如cad数据)，并在适当情况下存储在数据载体或易失性存储装置中。由此，进一步的数据集由计算机确定。特别地，确定表示一个部分结构或多个部分结构的另一数据集。优选地，使用软件来执行整体结构到部分结构的非重叠分解。然而，在不同的部分结构之间提供重叠区域也是有利的。在重叠区域中，可以通过改变曝光剂量以所描述的方式实现平滑过渡。总体而言，在具有处理器和存储器的计算设备中提供了表示整体结构的数据集，并将其存储在存储器中。由此，通过计算设备确定另外的数据记录，并且还将其存储在存储器中。优选地，当确定另外的数据集时，使用网格精度，通过该网格精度来近似整体结构。如所解释的，在用前述网格精度的分解期间，可出现台阶和/或缺失区域。如果整体结构具有带有曲率和拱形的连续表面走向，则这可导致开头解释过的问题。

为了解决该问题，特别提出，从所述数据集中确定并可能存储更进一步的数据记录(通过计算设备)。该进一步的数据记录表示一个部分结构或数个部分结构的总体与整体结构的偏差。这使得可以根据边缘部分中的局部偏差确定曝光剂量的变化。如果例如由于筛选而在边缘部分中出现台阶，而该台阶在实际的整体结构中不存在，则这将导致突然增加的偏差。然后可以在该范围内增加曝光剂量以完成该步骤。

通常使用的激光光刻设备包括光学系统(光束引导装置、聚焦装置、透镜等)。这样的光学系统可能会经受成像误差，例如，场曲率、像差或像散。成像误差还可能导致期望的整体结构与由至少一个部分结构近似的实际结构之间的不期望的偏差。利用所描述的方法，可以校正偏差。例如，成像误差可以通过校准测量值被确定与位置有关，并以特征数据集的形式存储。然后可以根据特性数据组以位置相关的方式确定曝光剂量的变化，以便使偏差最小化。

根据偏差来确定曝光剂量的函数可具有不同的特性。例如，可以考虑使用单调递增函数。如所解释的，由此可以填充不想要的缺失区域。但是，使用局部单调递减函数也可能是有利的，例如来补偿过度曝光的影响。甚至更复杂的函数也可以是有利的。

改变曝光剂量的另一种方法是，首先提供表示整体结构的外表面的数据集，并将其存储在存储器中，计算器确定外表面的局部斜率和/或曲率。然后优选地根据外表面的邻接相应的边缘部分的区域的局部斜率和/或曲率来进行曝光剂量的改变。换句话说，曝光剂量是变化的，特别是由于整体结构的表面的曲率、斜率或曲率变化，通过该方法，至少一个部分结构与所需的整体结构有很大的偏差。再次，原则上可以使用单调减小或单调增大的函数来反映斜率和/或曲率的曝光剂量的依赖性。

如所解释的，本发明优选地由计算机来实现。在这方面，用于激光光刻设备的控制设备优选地包括计算机，在该计算机上可执行计算机程序，该计算机程序根据上述方法执行用于激光光刻设备的控制函数。

因此，在介绍中提到的目的还通过根据权利要求15的计算机程序产品来实现。此外，该目的通过在其上存储了相应的计算机程序的数据载体和/或通过表示相应的计算机程序的数据流(例如，可从因特网下载)来实现。

附图说明

下面将参考附图更详细地解释本发明。

在图中：

图1示出具有形成的复杂外表面的整体结构的示意图，其中所述结构将通过激光光刻来制造；

图2示出示例性外表面的弯曲区域和近似的部分结构的示意图；

图3示出用以说明不需要的台阶构造的示意图；

图4示出是用于说明在边缘部分中的曝光剂量的变化的示意图；

图5示出是用于说明改变在边缘部分中的曝光剂量的替代步骤的示意图；

图6示出说明曝光剂量变化的示意图；

图7示出待制造有结构化外表面的结构的示意图；

图8示出用于说明通过曝光剂量的曝光变化制造的结构的示意图；

图9以立体平面图示出应用曝光变化的另一示例；

图10示出穿过根据图9的结构的截面。

具体实施方式

在附图和以下说明中，对于相同或相应的特征，在各个情况下使用相同的附图标记。

图1示出整体结构，该整体结构将通过3d激光光刻在一定体积的光刻材料中被写入。这样的结构通常具有带有在微米或纳米范围内的测量值的结构特征。整体结构的尺寸可以例如在微米范围、毫米范围或厘米范围内。

整体结构由附图标记10表示，并具有外表面12，该外表面12具有带有不同斜率的走向并且可能还有曲线。如上所述，这些区域在写入中可能会出现问题。图示形式仅是示例。本文描述的优点尤其也可以通过具有曲率的形状和曲线来实现。

为了进行光刻制造，将整体结构10或表示该结构的数据记录分解为例如多个部分结构14或相应的数据集。这通常是计算机化的。

图2示出组合的部分结构14是如何近似期望的整体结构10的。为此目的，在图2中仅示出整体结构10的截面。示出的分解为分层的部分结构14是示例性的。原则上，部分结构14可以自由选择。

由于分解成部分结构14出于实际原因通常是在一定程度的筛选下进行的，因此在整体结构10的所需外表面12和一定数量的组装好的部分结构14之间存在缺失区域16，其中外表面12与部分结构14具有偏差18。原则上，这些偏差18仅在部分结构14的边缘部分20中发生，因为这些边缘部分20邻接待获得的整体结构10的期望外表面12。特别地，布置在图2顶部的部分结构14可以整体上视为边缘部分20，因为该部分结构14完全邻接外表面12。

如图3所示，进行部分结构的写入，使得相应的激光光刻设备(未显示)的激光写入光束28的聚焦区域26被引导通过一定体积的光刻材料(围绕整体结构)。在聚焦区域26中，曝光剂量被引入光刻材料中。

在该方法的一种可能的实施方式中，光刻材料中的部分结构14由聚焦区域26写入，该聚焦区域26穿过通过各个部分结构14的扫描曲线22(在图2和图3中，扫描曲线22以部分示出)。

例如，部分结构14可以通过聚焦区域来写入，该聚焦区域穿过扫描曲线22并且发射具有限定的脉冲速率和脉冲长度的激光脉冲序列。结果，沿着扫描曲线22，限定了形成部分结构14的一系列体素24或体元24。体素24的形状相似或相同。如上所述，体素24的大小与引入光刻材料中的曝光剂量有关。

如果各个部分结构14以局部相同的曝光剂量在空间上平均地被写入，则结果是图3中绘制的图像。特别地，各个体素24将具有相同的尺寸。结果，这将导致图2中解释的误差(缺失区域16，偏差18)。

为了克服这一点，根据本方法，改变部分结构14的边缘部分20中的曝光剂量，使得其与部分结构14的内部区域中的曝光剂量有偏差。

在图4的示例中，曝光剂量在部分结构14的位于部分结构14的边缘部分20内的体素24'(或体元24')中增加。结果，体素24'具有更大的空间范围。结果，可以减少缺失区域16或偏差18，并且可以更好地近似表面12。

根据外表面12的走向，通过减少边缘部分20中的曝光剂量(参见图5)，也可以实现部分结构14的更好的近似。

图6示出这样的示例：通过在部分结构14接近外表面12时稳步地减小部分结构14中的曝光剂量，从而可以高精度近似斜面。面12尤其相对于部分结构14的延伸方向倾斜地延伸。

然而，根据本发明的方法的总体思想不限于以下事实：可以仅减少或仅增加边缘部分20中的曝光剂量。基本上，本发明的总体方面是，根据限定的图案局部改变在邻近或限定外表面12的边缘部分20中的曝光剂量，以产生期望的图案或尽可能好地再现该图案(如果总体上组成部分结构)。

在这方面，本发明的有利应用领域还在于通过各个部分结构14的边缘部分20中的曝光剂量的变化而在外表面上产生期望的整体结构。这在图7中以示例性的方式绘制，图7示出待在光刻材料中被写入的透镜主体30。透镜主体30的外表面12具有复杂的结构。如所讨论的，优选地通过依次写入近似透镜主体30的多个部分结构14来写入透镜主体30。为了获得波状外形的外表面12，曝光剂量根据需要在部分结构14的边缘部分20中局部地变化。例如，通过在边缘区域引入增加的曝光剂量并因此在光刻材料中生成增大的所述的空间体积，来获得外表面12上的隆起。

例如，图8示出结构的制作，该结构的外表面12表示菲涅耳波带片或菲涅耳透镜的轮廓。用于生成各个体素或体元24的曝光剂量以这种方式选择性地变化，即尽可能精确地近似外表面12逼近。

在图9和10中概述了另一个应用示例。在这种情况下，外表面12具有结构区域32(参见图9)，其中外表面12具有明显的高度剖面34。例如，这种结构可以用于显微镜中的校准，尤其是用于原子力显微镜。

边缘部分20中的曝光剂量的变化特别根据以下函数来进行，即该函数的输入变量由整体结构10的外表面的走向以及可能由穿过部分结构14的筛分框架内的整体结构的分解结果来确定。例如，在图2中，部分结构14中的一个具有直接邻接实际的外表面12的区域36。可以想到的是，在区域36中计算地确定外表面12的斜率和/或曲率。相应的部分结构14的边缘部分20中的曝光剂量的变化然后可以根据区域36中局部存在的斜率和/或曲率而进行。结果，可以补偿缺失区域16或偏差18，这尤其发生在外表面12具有明显的斜率和/或曲率的那些区域中。还可以想到的是，计算由筛选造成的偏差18。这些偏差18表示由外表面12形成的期望表面与由部分结构14在边缘部分20中限定的实际表面之间的差异。然后，如上文所详细描述的，曝光剂量的变化可以根据偏差18而进行。