製造三維結構的方法與流程

2023-06-03 07:38:11 2

本發明涉及一種如權利要求1前序部分所述的製造三維結構的方法。

背景技術：

此類結構化方法特別應用於微結構或納米結構、原型的製造(例如所謂的「快速原型製造」)，或者應用於具有特殊形狀要求的工件製造，例如為了實驗目的以及在要求有較大設計自由度的領域。

其中往往使用具有預定的結構輸入的主方向的結構化裝置。該主方向通常由於設計原因是預定的，例如由結構化電子束的優選方向、雷射光學器件的光軸、3D印表機的材料構建束的方向或者在三個空間方向上可被控制的加工工具的機械軸規定。

結構化裝置一般還具有由於設計原因而受限的記錄區。只有在這個受限的空間區域內才能進行結構化或結構輸入。其中，預定記錄區往往小於總體上需要製造的整體結構。因此，所謂的「拼接方法」將整個結構拆分成數個子結構，這些子結構與結構化裝置的記錄區相配且被依次記錄。

由US 4,575,330 A1或US 5,247,180 A已知立體光刻法，其中在由液態蝕刻材料(例如光聚合物)組成的浴中，通過用記錄束進行選擇性曝光來以塊狀子結構或逐層形成期望結構。為此，記錄束通過局部曝光分別使蝕刻材料浴表面的一層中的結構塊以期望圖形聚合。而後，通過在蝕刻材料浴中逐步降低載體襯底來逐層形成所述結構。

其中存在以下問題：已經定義的子結構可能會干擾下一個需要記錄的子結構的形成。例如在塊狀拆分結構的情況下，已經定義的結構塊的個別區段在定義下一子結構時遮蔽或阻擋記錄束。這會造成結構化誤差。因此，往往需要將期望結構拆分成數目極大的子結構，這就需要很長的處理時間來拆分出子結構和記錄這些子結構。

技術實現要素：

本發明的目的是在處理時間儘可能短的情況下提高結構化的可靠性和質量。

本發明用以達成該目的的解決方案為一種如權利要求1所述的3D結構化方法。藉助結構化裝置進行該結構化，所述結構化裝置用於在一般通過設計加以規定的記錄區內圍繞預定的結構輸入的主方向集中地進行結構化。通過以下方式定義整體結構，即，依序定義數個相互補充而整體形成所述整體結構的子結構，其中所述被依序記錄的子結構分別由包裹式界面定界或者說被所述包裹式界面從所述整體結構中截取出來。其中，以某種方式選擇所述子結構，使得所述包裹式界面傾斜於所述結構輸入的主方向延伸，即不平行於所述主方向，或者說與所述主方向夾一非零角度。

所述互補形成整體結構的子結構例如可平面並置，以及/或者也可層狀疊置。

所述結構輸入的主方向指的是結構化裝置主要為了定義結構化而在記錄區產生作用的方向或軸線。所述結構化例如可在合適的基本材料(例如抗蝕劑)中進行，或者也可通過用材料束來加建結構而實現。舉例而言，蝕刻裝置具有記錄束，該記錄束圍繞光軸產生作用，因此該光軸形成被構造為蝕刻裝置的結構化裝置的主方向。所述記錄束例如可以是雷射束、離子束或電子束。3D印表機或3D繪圖儀圍繞束方向進行材料輸入，該束方向又形成結構輸入的主方向。所述方法原則上也適用於3D銑削或3D鑽頭，其中刀具軸定義結構輸入的主方 向。

具體而言，通過以下方式確定所述子結構，即，將所述整體結構拆分成子結構，並且每個子結構均直接被所述界面包裹。因此，所述包裹式界面尤其是用於定義子結構的假想輔助面。所述子結構例如被定義為整體結構中由所述界面定界的截出段。

子結構的包裹式界面傾斜於結構輸入的主方向延伸，從而避免沿主方向的結構輸入被已存在的子結構遮擋。這樣就可以沿主方向為子結構選擇絕對值較大的深度。因此，製造整體結構時只需拆分出較少數目的子結構塊。這能顯著縮短將整體結構拆分成子結構所需要的計算時間並縮短記錄這些子結構所需要的處理時間，而不會有損於結構質量和結構製造的可靠性。結構化裝置的使用壽命也能得到延長，因為可以總體上減少必要的結構化操作次數。

針對相應的子結構，反向於已存在的子結構為所述子結構定界的界面優選以某種方式延伸，使得所述子結構的不抵接已存在的子結構的外側從所述結構化裝置出發能夠無遮蔽地被看到。為此，特別可沿拆分行依次依序記錄子結構，其中反向於已存在的子結構為選定子結構定界的界面以某種方式延伸，使得所述子結構的由該界面形成的外側面向結構化裝置。以下特別有益：反向於已存在的子結構為子結構定界的界面(即所述外側)的表面法線在所述子結構外部從被觀察的外側出發僅朝結構化裝置延伸且不背離該結構化裝置。

優選通過以下方式定義子結構，即，通過用所述包裹式界面進行切割來拆分所述整體結構。所述包裹式界面優選構造為平面或者由平面區段組成，從計算技術角度看，這有助於簡化拆分。然而，所述包裹式界面也可具有彎曲區段或者彎曲延伸。

優選地，基本上通過軟體技術將所述整體結構拆分成子結構。因此，提供表示所述整體結構的數據集(例如CAD數據)並視情況將該數據集存儲在所述結構化裝置的數據載體或存儲裝置上。特別地，以計 算機輔助的方式從中獲得代表所述子結構的其他數據集，其中根據所述數據集對所述結構化裝置進行控制。優選以計算機輔助的方式，通過用包裹式界面切割整體結構來獲得子結構的數據集。尤其以軟體技術將整體結構無重疊地完全拆分成子結構。

優選以某種方式進行所述拆分，使得相鄰子結構沿至少一個包裹式界面相互接觸。因此，優選將整體結構完全拆分成子結構。其中，相鄰子結構可分別具有至少一個相同的包裹式界面。因此，製成整體結構後，起定界作用的界面不再作為經定義的結構存在，而是完全整合於整體結構中。

優選以某種方式獲得所述子結構，使得所述包裹式界面，且特別是所述包裹式界面的整個延伸範圍中所有可能的切面，與所述結構輸入的主方向夾一銳角，所述銳角反向於所述結構輸入的主方向打開，或者所述銳角朝所述結構化裝置打開。所述包裹式界面特別以某種方式定向，使得子結構的由界面定義的外側以銳角面向結構化裝置。

事實表明，大於0°且小於45°，優選介於5°與20°之間，例如處於15°範圍的角度特別有益。

所述子結構優選設於拆分網格中且被依序依次記錄，其中一子結構的至少一個包裹式界面分別平行於所述拆分網格中的其他子結構的至少一個或多個包裹式界面延伸。特別地，互補形成整體結構的子結構的包裹式界面可分別成對地相互平行延伸。

為依序記錄所述子結構，優選依序移動並定位所述結構化裝置的記錄區，其中每次在移動和定位後，在所述記錄區內記錄一個子結構。為移動記錄區，可以要麼移動結構化裝置，要麼相對於結構化裝置移動襯底。

優選藉助能量照射方法在通過能量輸入而可交聯或聚合的蝕刻材料中製造所述整體結構。其中，在蝕刻材料中通過用能量束進行可 控局部聚合來定義期望的三維結構，並且通過視情況而接著實施的顯影步驟使該三維結構固化和/或外露。所述蝕刻材料特別可通過能量輸入而固化。當然，也可以從一開始就使用固態蝕刻材料，通過能量輸入來聚合該蝕刻材料，並在接下來的顯影步驟中使結構化外露。所述蝕刻材料在未聚合狀態下優選呈液態、粘滯狀、凝膠狀或固態。例如使用抗蝕劑，特別是負性抗蝕劑。優選涉及的是光聚合材料，例如可藉助能量照射方法例如用由光、雷射、紫外線或類似的物形成的記錄束來聚合的光固化塑料。

優選在所述結構化裝置的輻射源的記錄束的在所述記錄區內部可空間移動的聚焦區中聚合所述蝕刻材料。因此，所述結構化裝置優選可以是雷射蝕刻機、電子束蝕刻機或類似設備。作為進一步的技術方案，可以有數個記錄束在記錄區中產生作用，由所述記錄束的聚焦區共同實施結構化。

特別優選地，通過所述記錄束的聚焦區內的雙光子吸收或多光子吸收機制來聚合所述蝕刻材料。其中，優選這樣來設計蝕刻材料並且根據蝕刻材料優選這樣來調整記錄束的輻射源，使得只有藉助雙光子吸收或多光子吸收才能實現聚合。為此，例如可選擇如此之大的記錄束波長(和如此之低的量子能)，使得只有通過同時吸收兩個或數個量子才達到實現聚合所需要的能量輸入。這個吸收過程的概率與強度有關並且與其餘記錄束相比在聚焦區內有大幅提高。基本考慮的結果是，吸收兩個或數個量子的概率可能與輻射強度的二次冪或更高次冪有關。而吸收一個量子的概率則具有不同的強度相關性，具體而言是輻射強度的更低次冪。記錄束進入蝕刻材料時原則上還會發生衰減。這就可以在強度減小與蝕刻材料透入深度的關係上例如適用比爾定律。這導致了，利用單光子吸收在蝕刻材料表面下方深處的聚焦區內實現空間分辨型聚合是有問題的，因為由於在表面下方聚焦時所發生的衰減，聚焦區內不見得存在最高強度。上述雙/多光子吸收機制也有助於在蝕刻材料表面下方實現可控的結構定義。

下面參照附圖詳細闡述本發明。

附圖說明

圖1為用於闡述3D結構化方法的簡圖以及投影式結構化裝置所出現的問題。

圖2為束導向式結構化裝置對應於圖1的視圖。

圖3為用於闡述本發明方法結合投影式結構化裝置的簡圖。

圖4為用於闡述本發明方法結合掃描式結構化裝置的簡圖。

具體實施方式

在附圖和接下來的說明中，相同或相對應的特徵分別用相同的附圖標記標示。

在圖1至圖4的簡圖中分別示出了通過用相應的記錄束來聚合蝕刻材料(未詳示)而實現的結構化。然而，本發明的方法原則上適用於所有在記錄區內依序記錄子結構且為結構輸入規定主方向的結構化方法。

圖1示出第一類型的結構化裝置10a，其中藉助投影裝置12並通過圍繞主方向16的相應孔徑沿主方向16發射記錄束14。記錄束14例如具有用於定義期望結構的空間強度變化。

在圖1至圖4中，該期望結構整體上用附圖標記18標示(整體結構)。結構化裝置10a和10b具有由於設計原因而在空間上受限的記錄區20，在該記錄區內部可進行結構化，例如藉助記錄束14(圖1)。

在圖示示例中，記錄束例如被射入未詳細示出的蝕刻材料浴中，藉助記錄束14可聚合併固化該蝕刻材料。

由於記錄區20的空間伸展小於期望的整體結構18，因而將該整 體結構拆分成數個子結構22，這些子結構在圖1和圖2的示例中構造為塊狀且由包裹式界面24定界，所述包裹式界面在圖1和圖2所示的情形下平行於主方向16延伸。

為製造整體結構18，依序依次記錄子結構22，例如在各附圖所示出的由並置分區22組成的拆分網格中。為此依序移動記錄區20，具體例如為：藉助定位裝置26相對於結構化裝置10a和10b移動未詳細示出的襯底。在記錄區20內部，子結構22例如又可分別由若干層28依序形成，參見圖1至圖4。為此，例如可沿主方向16逐層移動所述襯底。

由於在圖1的示例中，記錄束14因所述孔徑而具有非零聚束角，因此已記錄的子結構22的區段可能導致待記錄的子結構22中的區域30被遮蔽。區域30中的這種遮蔽會造成有缺陷的結構化。

圖2示出一種不同的結構化方法，其中藉助束導引裝置34(例如傾斜鏡)可將記錄束的聚焦區32可控定位於記錄區20並在其中移動。為此設置第二類型的結構化裝置10b。其中特別採用掃描方法。其中，每個被依次記錄的子結構22仍可由若干層28依序形成。

圖2以簡圖示出的掃描系統也是圍繞主方向16進行結構輸入，因為束導引裝置34僅在記錄區20內部才能控制圍繞主方向16的記錄束14，因而時空平均下來，結構輸入是沿主方向16進行。

這裡也存在以下問題：已存在的子結構22的個別區段遮蔽記錄束，使得聚焦區32無法到達記錄區20內的某些區域30。

因此，在圖1和圖2所示的方法中，子結構22總體上沿主方向16隻能具有極有限的伸展，否則，區域30就會導致所製成的整體結構18不可用。

參照圖3和圖4闡述本發明的製造三維整體結構18的方法，其中使用結構化裝置10a(對應圖1)和/或10b(對應圖2)。因此，關 於結構化裝置10a和10b的特徵，請參閱有關圖1和圖2的描述。

為記錄整體結構18，仍然藉助記錄束14依序定義數個子結構22。每個子結構22均由包裹式界面36定界。具體而言，整體結構18被完全拆分成若干子結構22，尤其使得相鄰子結構22具有共同的包裹式界面36。

其中，與圖1和圖2不同，所述包裹式界面並非平行於結構輸入的主方向16，而是傾斜於主方向16定向。

在圖3的示例中，所有的包裹式界面36均大體上相互平行延伸且與主方向16夾一角度，該角度大於等於記錄束14的聚束角(其中，此處觀察的是主方向16與包裹式界面36之間反向於主方向16打開的夾角)。

在圖3所示的情形下，這可以在依序記錄子結構22時避免以下情況的發生：已存在的子結構22的區段在記錄區20內導致待記錄的子結構被遮蔽。例如在圖3所示的情形下，這使得子結構22沿主方向16所具有的伸展可以遠大於圖1。

在圖4所示的採用掃描系統(對應結構化裝置10b，參見圖2)的情形下，分別為有待依序記錄的子結構22定界的包裹式界面36傾斜於主方向16延伸。

具體而言，包裹式界面36原則上也可具有比單一平面更複雜的構造，例如分段相接的傾斜方式不同的平面和/或分段彎曲延伸的區域(參見圖4)。重要的還在於，由於包裹式界面36(局部)傾斜於主方向16延伸，避免了已存在的子結構22在記錄區20內部造成遮蔽。

如圖3和圖4所示，包裹式界面36分別以某種方式延伸，使得記錄區20的每個區段反向於主方向16的視線未被遮蔽。因此，子結構22的包裹式界面36分別形成已存在的子結構22的外側38，這些外側完全面向反向於主方向16隔開的視點P且能自由地被該視點看到。