用于基于光刻进行三维部件的生成性制造的方法与流程

1.本发明涉及一种用于基于光刻进行三维部件的生成性制造的方法，其中由辐照装置发射的电磁辐射相继地聚焦到材料内的焦点上，由此借助多光子吸收分别固化材料的位于焦点处的体积元件，其中在辐照装置的写区域中由体积元件分别构建子结构，并且多个子结构并排地布置。


背景技术：

2.例如从de 10111422 a1中已知一种用于构成成型体的方法，其中借助多光子吸收进行液体光敏材料的固化。为此，利用聚焦的激光束射入到光敏材料池中，其中仅仅在紧邻焦点的周围区域中满足对于触发固化的多光子吸收过程的照射条件，使得根据池体积内要生产的成型体的几何数据将射束的焦点引导至要固化的部位。在根据de 10111422 a1的方法中，从上方照射材料池，其中辐射强度被选择为使得液体对于焦点上方所使用的辐射基本上是透明的，从而使池材料的直接聚合在池体积内以位置选择性的方式、即也远低于池表面地发生。
3.用于多光子吸收方法的照射装置包括用于聚焦激光束的光学装置以及用于偏转激光束的偏转装置。受制于构造，这种照射装置具有有限的写区域，偏转装置在该写区域内使激光束移动。预先给定的写区域通常小于要制造的部件所需的体积。因此，该部件必须划分成多个子结构，所述子结构分别对应于一个写区域并且相继地构建。在构建子结构之后，用于构建下一个子结构的辐照装置相对于材料位移，并且下一个子结构紧接着前一个子结构被写入。这种所谓的“缝合（stitching）”可在两个相邻子结构之间的对接区域中造成不连续性，所述不连续性形成部件的机械薄弱部位。
4.在应用多光子吸收方法时，另一问题在于，已经形成的固化结构随后遮挡待结构化的区域。这意味着，在特定情况下，为了固化引入材料中的辐射必须穿透已经固化的结构区域，以便到达要固化的体积元件。这种遮挡可导致结构错误。
5.在ep 3093123 a1中描述了一种方法，所述方法通过如下方式避免遮挡：相邻子结构之间的包络界面相对于结构入口的主方向倾斜地伸展。子结构的包络界面相对于结构入口的主方向倾斜地伸展，使得避免结构入口沿着主方向被已经存在的子结构遮盖或遮挡。因此，可以为子结构选择沿着主方向的在数值上比较大的深度。因此，为了制造整个结构需要分成比较少数量的子结构块。


技术实现要素：

6.本发明旨在提出一种改进的方法，利用该方法不仅考虑到遮挡问题，而且改进了部件的因缝合方法引起的机械易断裂性。
7.为了解决该任务，本发明在开头所述类型的方法中提出，部件的构造包括以下步骤：a）将多个子结构并排地布置，然后
b）将子结构相叠地布置，使得上部子结构桥接彼此并排布置的下部子结构之间的（一个或多个）界面。由于该部件不仅被分成彼此并排的子结构，而且还被分成相叠的子结构，所以这些子结构的厚度可以选择得更小。尤其是，子结构的厚度可以选择成如此小，使得没有遮挡。
8.优选地在此可以提出，所述部件包括多个叠置的层，所述多个叠置的层分别由多个并排布置的子结构形成，其中所述部件逐层地构建，其中上层的子结构桥在直接在其下方的层的相邻子结构之间的（一个或多个）界面。在此，为了构成下层，在直接在其上构建下一个上层的子结构之前，首先可以并排地构建多个子结构。由此，显著地减小遮挡或者在这些层构成得相应薄的情况下完全避免遮挡，因为阴影仅由层的高度产生。因此，本发明采取与ep 3093123 a1不同的方法，在ep 3093123 a1中部件仅由并排布置的子结构构建，即由唯一的层构建。
9.因此在根据本发明的方法中，与根据ep 3093123 a1的解决方案不同地，为每个子结构没有选择沿着主方向在数值上比较大的深度，而是子结构的深度限于层的厚度，该厚度又被选择得大于无阴影的穿透深度。
10.因此在本发明的范围内可以省去在两个相邻的子结构之间构成倾斜于进入方向伸展的界面，由此减少了结构化装置的控制开销。更确切地，界面优选平行于进入方向伸展。
11.然而也可以考虑，在本发明的范围内，如在根据ep 3093123 a1的解决方案中那样，在两个相邻的子结构之间构成与进入方向倾斜伸展的界面。
12.此外，部件的逐层构建能够实现通过如下方式改进机械稳定性：一层的子结构桥接直接在其下的层的相邻子结构之间的（一个或多个）界面。由此，在各个层的子结构之间形成偏移，类似于砌砖复合体中的砖的偏移。由于该偏移，因一层的两个相邻子结构之间的对接部位或界面而出现的薄弱部位得到补偿，并且尤其是防止裂纹沿着部件中的界面的传播。
13.在本发明的范围内，子结构被理解为待制造的本体的如下区域，所述区域对应于辐照装置的写区域并且所述区域的沿着进入方向测量到的厚度在逐层构建的情况下对应于一层的厚度。为了构成多个子结构，优选提出，通过改变辐照装置相对于材料的相对位置使辐照装置的写区域横向于辐照装置的进入方向移动，以便在构建子结构之后构建下一个子结构。在这种情况下，辐照装置可以相对于位置固定的材料移动，或者材料或容纳该材料的容器可以相对于位置固定的辐照装置移动。
14.如果在本发明的范围内谈及并排的子结构，则这意味着：辐照装置的写区域如上所述横向于进入方向移动，以便首先产生并排的子结构中的一个子结构和随后产生另一子结构。因此，并排的子结构是横向于辐照装置的进入方向彼此紧邻的子结构。
15.优选地提出，叠置的层之间的界面构成为连续平坦的。构成一层的相邻接的子结构因此具有相同的厚度，使得产生厚度均匀的层。在此情况下，层横向于进入方向延伸。
16.然而，替选地，叠置的子结构之间的界面也可以阶梯式地构成。尤其有利的是，上部子结构在其下侧具有表面，该表面在两个下部子结构之间的界面处具有阶梯。此外，有利的是，下部子结构在其上侧具有表面，该表面在两个上部子结构之间的界面处具有阶梯。由于这种阶梯式配置，相邻子结构的厚度看起来低了台阶的高度，使得可以进一步减少遮挡
效应或可以在遮挡条件不变差的情况下将子结构的厚度提高了阶梯的高度。
17.在这种情况下，有利的构造方案提出，阶梯的高度被选择为子结构的厚度（在高度方向上测量）的10
‑
50％，尤其是20
‑
40％。
18.为了部件的令人满意的机械稳定性，叠置的子结构的偏移优选地设计成使得形成子结构的充分覆盖或重叠。优选的构造方案在此情况下提出，在界面处彼此邻接的两个下部子结构分别与桥接该界面的上部子结构重叠至少10%，优选至少30%，特别优选至少40%，尤其是50%。
19.为了避免已经构建的子结构遮挡同一层的邻接子结构的相邻区域，优选地提出：子结构和/或层的厚度小于100μm，优选小于50μm，优选小于30μm，尤其小于10μm。尤其是，子结构和/或层的厚度在辐照系统的数值孔径为1.4的情况下至多为10μm，在辐照系统的数值孔径为0.8的情况下至多为30μm，并且在辐照系统的数值孔径为0.4的情况下至多为50μm。
20.各个子结构可以逐层地构建，即由多层制造。
21.在如下情况下得到特别优选的方式：材料存在于材料载体上，如例如在盆中，并且从下方通过对于辐射至少分区域可透射的材料载体对材料进行照射。在此情况下，构建平台可以与材料载体间隔地定位并且通过固化位于构建平台和材料载体之间的材料在构建平台上构建该部件。但替选地也可行的是从上部对材料进行辐照。
22.借助多光子吸收结构化合适的材料提供了极高的结构分辨率的优点，其中可实现具有高达50nm
×
50nm
×
50nm的最小结构尺寸的体积元件。然而，受制于小的焦点体积，这种方法的吞吐量非常低，因为例如对于1mm3的体积，总共必须曝光大于109个点。这导致构建时间非常长，这是多光子吸收方法的工业使用低的主要原因。
23.为了在不失高结构分辨率的可能性的情况下提高部件吞吐量，本发明的优选改进方案提出，焦点的体积在部件构建期间改变至少一次，使得部件由不同体积的固化的的体积元件构建。
24.由于焦点的体积可变，高分辨率是可能的（在焦点体积小的情况下）。同时，（在焦点体积大的情况下）可以实现高的写速度（以mm3/h为单位）。通过改变焦点体积，于是可以将高分辨率与高吞吐量组合。焦点体积的变化在此例如可以被使用为使得在要构建的部件内部使用大的焦点体积，以便提高吞吐量，并且在部件的表面处应用较小的焦点体积，以构成具有高分辨率的部件表面。焦点体积的增加能够实现更高的结构化吞吐量，因为在曝光过程中固化的材料体积增加。为了在高吞吐量的情况下保持高分辨率，对于较精细的结构和表面可以使用小的焦点体积，并且对于粗的结构和/或为了填充内部空间使用较大的焦点体积。
25.在一个优选的方式中，焦点体积发生变化，使得在制造部件期间最大的焦点体积与最小的焦点体积之间的体积比例至少为2，优选至少为5。
26.在本发明的范围内使用多光子吸收原理，以便在光敏材料池中引发光化学过程。例如，多光子吸收方法也包括2光子吸收方法。作为光化学反应的结果，材料变成至少一种其他状态，其中通常发生光聚合。多光子吸收原理基于的是，上述光化学过程仅在光路的其中存在对于多光子吸收足够的光子密度的区域中出现。最高光子密度出现在光学成像系统的焦点中，使得多光子吸收以足够的概率仅在焦点中出现。在焦点外，光子密度较低，使得焦点外多光子吸收的概率过低，以至于不能通过光化学反应引起材料的不可逆改变。电磁
辐射在所使用的波长中可以基本上不受阻挡地通过材料并且仅在焦点中出现光敏材料和电磁辐射之间的相互作用。多光子吸收原理例如在zipfel等人的“nonlinear magic: multiphoton microscopy in the biosciences（nature biotechnology，第21卷，第11期，2003年11月）”中有描述。
27.作为用于电磁辐射的源优选可以是准直激光束。激光器不仅可以发射一个或多个固定或可变的波长。尤其是，所述激光器是连续的或脉冲的激光器，其具有在纳秒、皮秒或飞秒范围中的脉冲长度。脉冲飞秒激光器在此提供如下优点：多光子吸收所需的平均功率较低。
28.光敏材料被理解为任何在构造条件下能流动的材料，所述材料通过在焦点体积中的多光子吸收转变到第二状态中——例如通过聚合。材料变化在此必须限于焦点体积及其紧邻的周围区域。物质特性的变化可以是永久性的，并且例如从液态状态变化到固态状态，然而也可以仅仅是暂时的。此外，永久的变化也可以是可逆的或不可逆的。材料特性的变化不必一定完全从一种状态转变到另一种状态，而是也可以作为两种状态的混合形式存在。
29.电磁辐射的功率和曝光持续时间影响所生产的部件的质量。通过调整辐射功率和/或曝光时间，焦点的体积可以在窄的范围内变化。在辐射功率过高时，出现可引起部件损坏的附加过程。如果辐射功率过低，则不能发生永久的材料特性变化。因此，对于任何光敏材料，都有与良好部件特性相关的典型构造工艺参数。
30.然而，焦点体积的上述变化在此情况下并不基于所使用的电磁辐射的强度的变化。更确切地，利用对于构建过程所选择的（最佳）辐射强度进行加工，所述辐射强度在部件构建期间保持不变。因此，该方法优选地执行为使得在辐射强度保持不变的情况下进行焦点体积的改变，其中相应地调整所使用的电磁辐射的平均功率。
31.因此，在典型构建工艺参数的情况下在准备步骤之后被曝光的点的体积被理解为焦点体积。焦点体积的上述变化被理解为焦点中的空间强度分布的变化。焦点的空间强度分布在此情况下可以在一个或多个方向上改变。这样，例如通过减小光学成像系统的有效数值孔径可以增大在所有三个空间方向上的强度分布。在使用衍射光学元件的情况下，可以将焦点改为线或面，或者可以提高焦点的数量。
32.在wo 2018/006108 a1中描述了一系列用于改变焦点体积的设备可能性。
33.优选地提出，焦点体积在至少一个、优选地两个、尤其是在彼此垂直的三个空间方向上变化。
34.尤其是，电磁辐射可以借助偏转单元偏转，以便在基本上垂直于进入方向伸展的平面中在写区域内调整焦点。
附图说明
35.下面参照在附图中示意性示出的实施例更详细地阐述本发明。其中，图1示出了用于构建三维部件的常规方法的示意图，图2示出了根据本发明的方法，图3示出了根据图2的方法的经修改的实施方式，图4示出了根据图2的方法的另一经修改的实施方式，图5示出了根据图2的方法的另一经修改的实施方式，
图6示出了根据图2的方法的另一经修改的实施方式，和图7和图8示出了其他经修改的实施方式。
具体实施方式
36.在图1中，用1示意性地以横截面示出了辐照装置的光学单元1，该光学单元1具有进入方向2。进入方向2指明在基本设定中电磁辐射从辐照装置发射到要构成的部件3上的方向。辐照装置具有带伸展部4的写区域，所述伸展部对应于如下宽度，在所述宽度内，所发射的辐射在要通过辐射固化的材料内能够聚焦到焦点5上。为了能够在写区域内相继地聚焦到不同焦点上，辐照装置包括未详细示出的单元，例如偏转单元。如果所述单元构成为改变射入方向，则术语“进入方向”应理解为辐照装置在基本位置中的主进入方向。
37.由于写区域的伸展部4不足以产生整个部件，所以该部件由多个并排布置的子结构6构建。在此，可以这样进行，使得子结构6在高度方向上由多个层9构建。首先，构成第一子结构6，其位于辐照装置的写区域内。此后，通过使辐照装置相对于部件3移位或通过将部件3相对于辐照装置移位来侧向移动写区域，以便在第一子结构6旁构建第二子结构6。这被重复直至由所有子结构已组成制成的部件3。以这种方式构建的部件在并排布置的子结构6之间的界面7处具有机械薄弱部位。
38.此外，在超过在进入方向上测得的子结构6的特定高度时出现遮挡。这意味着，已经构建的子结构6可以遮蔽来自光学单元1的、指向在左侧连接于其上的子结构内的焦点的射束，如借助于线8示意性地示出的那样。在通过线8限界的区域中，因此出现应避免的结构化错误。
39.在图2中可看到，按照根据本发明的方法又由多个子结构6构建部件3，其中子结构6现在不仅并排地布置而且还相叠地布置。在根据图2的构造方案中，为此子结构6布置成叠置的层10，使得叠置的层10之间的界面11构成为是连续平坦的。通过部件3不仅在侧向方向上而且在高度方向上由多个子结构6组成，每个单独的子结构6可以利用为了避免遮挡而减小的高度来构成。此外，由此开创了如下可能性：使各个层10的子结构6相对于彼此侧向偏移，使得上部子结构6桥接并排布置的直接在其下方的子结构6之间的界面7。在根据图2的构造方案中，侧向偏移为各个子结构6的宽度的一半，使得在界面7处彼此邻接的两个下部子结构6分别与桥接该界面7的上部子结构6重叠达50%。
40.在根据图3的修改的构造方案中，偏移仅为10％。
41.虽然并排布置的子结构6之间的界面7平行于进入方向2延伸，图4示出了不同的替选可能性，即相对于进入方向倾斜伸展的、弯曲的和阶梯状的界面7。由此，附加地可以防止遮挡。
42.在图5中示出了另一经修改的构造方案，其中叠置的子结构6并非层状地布置，而是根据阶梯布置来布置。子结构6在其下侧以及在其上侧分别具有表面，该表面在其下方或上方的子结构之间设有界面7的部位处具有阶梯。由于这样的阶梯配置，与根据图2的构造方案相比，子结构6的高度a的在遮挡方面相关的突出部分b更小，使得可以更有效地避免遮挡或子结构的高度可以在不提高遮挡风险的情况下被增大。
43.在图6中示出了子结构6的替选布置，其中叠置的子结构6之间或层10之间的界面11现在并不相对于进入方向2成直角，而是相对于进入方向2成最大45
°
的角度、优选最大
30
°
的角度伸展。
44.图7示出了子结构6的根据本发明的布置的另一种可能性。子结构6在此具有六边形横截面，使得产生由并排和相叠布置的子结构构成的蜂窝状布置。
45.在根据图8的构造方案中，子结构6呈十字形构成。应注意：如在图1至图8中所示的子结构6仅通过围边线表示，围边线指明体积元件在相应子结构内发生固化的空间区域，而没有示出特定的结构化。应理解的是，在制造分别所期望的几何形状的部件的框架中，并非所有体积元件都必须在子结构内固化，而是在子结构内可以使体积区域空出。