(57)【要約】【課題】光学システム、特に光硬化型材料を用いる多光子露光方法での使用に好適な光学システムを提供する。【解決手段】露光システムは、ビームを光軸に沿って放射する光源を含み、これは樹脂中に多光子反応を誘起することができる。この露光システムは、多光子反応を受ける樹脂と、並びにパワー、パルス長、形状、発散、又は光軸に垂直な面内の位置から選択されるビームの少なくとも１つの性質を測定するモニターを含む自動化システムと、を更に含む。このモニターは、ビームの性質を表示する少なくとも１つの信号を生成し、サブシステムはモニターからの信号に応答してビームを調整する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
露光システムであって、
ビームを光軸に沿って放射する光源であって、該ビームは樹脂中に多光子反応を誘起することができる、光源と、
多光子反応を受ける樹脂と、
パワー、パルス長、形状、発散、又は前記光軸に垂直な面内の位置から選択される前記ビームの少なくとも１つの性質を測定するモニターであって、該モニターは前記ビームの前記性質を表示する少なくとも１つの信号を生成するモニター及び
該モニターからの該信号に応答して前記ビームを調整するサブシステムを備える自動化システムと、
を備える、露光システム。
【請求項２】
前記樹脂が、前記ビームの波長に対して実質的に透明である、請求項１に記載の露光システム。
【請求項３】
前記モニターが、第１のモニター及び第２のモニターを備える、請求項１に記載の露光システム。
【請求項４】
前記モニターが、前記ビームの形状及び発散の少なくとも１つをモニターする発散モニターを備える、請求項１に記載の露光システム。
【請求項５】
前記モニターが、前記光軸に垂直な面内の前記ビームの前記位置を検出し、前記光軸に沿った前記ビームの焦点の位置も検出するモニターシステムを備える、請求項１に記載の露光システム。
【請求項６】
前記サブシステムが制御装置を備える、請求項１に記載の露光システム。
【請求項７】
前記サブシステムがビーム走査モジュールを備える、請求項１に記載の露光システム。
【請求項８】
前記ビーム走査モジュールが、少なくとも１つの圧電駆動ミラーを備える、請求項７に記載の露光システム。
【請求項９】
前記サブシステムが発散変調システムを備える、請求項１に記載の露光システム。
【請求項１０】
前記発散変調システムが圧電素子を備える、請求項９に記載の露光システム。
【請求項１１】
前記発散変調システムが、それぞれが光学パワーを有する少なくとも２つの要素を備える請求項９に記載の露光システム。
【請求項１２】
前記サブシステムがパワー制御システムを備える、請求項１に記載の露光システム。
【請求項１３】
前記サブシステムが高速シャッターを備える、請求項１に記載の露光システム。
【請求項１４】
前記高速シャッターがポッケルスセルを備える、請求項１３に記載の露光システム。
【請求項１５】
前記ビームの特性を較正するための第２のシャッターを更に備え、該第２のシャッターが前記高速シャッターよりも遅い、請求項１３に記載の露光システム。
【請求項１６】
前記サブシステムが、少なくとも１つのガルバノメーターを搭載したミラーを含むガルバノメーターシステムを備える、請求項１に記載の露光システム。
【請求項１７】
前記樹脂内の位置で前記ビームを集束するための対物レンズを更に備える、請求項１に記載の露光システム。
【請求項１８】
前記樹脂を保持及び位置決めし、並びに前記樹脂に対する温度及び振動の少なくとも１つの影響を低減するための試料保持システムを更に備える、請求項１に記載の露光システム。
【請求項１９】
前記ビームが、多光子吸収プロセスにより前記樹脂中に重合を誘起する、請求項１に記載の露光システム。
【請求項２０】
前記ビームが約４００〜２０００ｎｍの範囲の波長を含む、請求項１に記載の露光システム。
【請求項２１】
前記ビームが約５００〜１０００ｎｍの範囲の波長を含む、請求項１に記載の露光システム。
【請求項２２】
前記ビームが約７５０ｎｍ〜約８５０ｎｍの範囲の波長を含む、請求項１に記載の露光システム。
【請求項２３】
前記ビームが約１０ｎｓ未満のパルス幅を含む、請求項１に記載の露光システム。
【請求項２４】
前記ビームが約１０ｐｓ未満のパルス幅を含む、請求項１に記載の露光システム。
【請求項２５】
前記ビームが約１００ｆｓ未満のパルス幅を含む、請求項１に記載の露光システム。
【請求項２６】
露光システムであって、
ビームを光軸に沿って放射する光源であって、該ビームは樹脂中に多光子反応を誘起することができる、光源と、
多光子反応を受ける樹脂と、
前記樹脂内のボクセル形状をモニターし、前記ボクセル形状を表示する信号を生成し、前記信号に応答して前記ビームを調整する自動化システムと、
を備える、露光システム。
【請求項２７】
露光システムであって、
ビームを光軸に沿って放射する光源であって、該ビームは樹脂中に多光子反応を誘起することができる光源と、
多光子反応を受ける樹脂と、
前記樹脂内のボクセル形状をモニターする手段及び
該モニター手段からの信号に応答して前記ビームを調整する手段を備える自動化システムと、
を備える、露光システム。
【請求項２８】
露光システムであって、
ビームを光軸に沿って実質的に第１の波長で放射する光源であって、該ビームは前記第１の波長で実質的に光学的に透明である樹脂中に重合を誘起する光源と、
第１のビームモニターシステムであって、該第１のモニターシステムは、前記ビームの第１の特性をモニターして第１の信号を生成し、前記第１の特性は、前記ビームの前記光軸に垂直な面内の前記ビームのパワー、形状、及び位置の少なくとも１つを含む第１のビームモニターシステムと、
前記ビームの発散をモニターする第１の発散モニターシステムと、
前記ビームの発散及び形状の少なくとも１つを調整する第１の発散変調システムと、
第１の速度で前記ビームのパワーを調整する第１のパワー制御システムと、
第２のモニターシステムであって、該第２のモニターシステムは、前記ビームの前記第１の特性をモニターし、第２の信号を生成し、前記第１及び第２の信号は前記第１の特性の調整に使用される、第２のモニターシステムと、
前記樹脂の露光を制御するために前記ビームを透過させる又は阻止する第１のシャッターと、
前記光軸に沿った前記ビームの焦点の位置をモニターする第３のモニターシステムと、
前記ビームの発散及び形状の少なくとも１つを調整する第２の発散変調システムと、
前記第１の速度より大きくない第２の速度で前記ビームを走査する第１のガルバノメーターシステムであって、前記走査は前記光軸に実質的に垂直な第１の方向に沿ったものである、第１のガルバノメーターシステムと、
前記第１の速度より大きくない第３の速度で前記ビームを走査する第２のガルバノメーターシステムであって、前記走査は前記光軸に実質的に垂直であり、前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿ったものである、第２のガルバノメーターシステムと、
前記樹脂内の位置で前記ビームを集束するための対物レンズシステムと、
前記樹脂を保持及び位置決めし、並びに前記樹脂に対する温度及び振動の少なくとも１つの影響を低減するための試料保持システムと、
を備える、露光システム。
【請求項２９】
前記ビームが、二光子吸収プロセスにより前記樹脂中に重合を誘起する、請求項２６に記載の露光システム。
【請求項３０】
前記第１の波長が約７５０ｎｍ〜約８５０ｎｍの範囲にあり、前記ビームのパルス幅が約１００フェムト秒未満である、請求項２８に記載の露光システム。
【請求項３１】
前記第１の発散変調システムが、それぞれが光学パワーを有する少なくとも２つの要素を備える請求項２８に記載の露光システム。
【請求項３２】
前記ビームの前記第１の特性を較正するための第２のシャッターを更に備え、前記第２のシャッターが前記第１のシャッターよりも遅い、請求項２８に記載の露光システム。
【請求項３３】
前記第２の発散変調システムが圧電素子を備える、請求項２８に記載の露光システム。
【請求項３４】
前記ビームの分散を少なくとも部分的に補償する第１の分散システムを更に備える、請求項２８に記載の露光システム。
【請求項３５】
前記第１のシャッターがポッケルスセルを備える、請求項２８に記載の露光システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学システム、特に光硬化型材料を用いる多光子露光方法での使用に好適な光学システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
多光子硬化方法は、米国特許第 6,855,478 号で述べられている。これらの方法では、多光子硬化型光反応性組成物の層を基材上に塗布し、超高速レーザービームなどの集束照射エネルギー源を用いて、選択的に硬化させる。多光子硬化技術は、ミクロ−又はナノスケールの解像度を持つ２次元（２Ｄ）及び／又は３次元（３Ｄ）構造物を加工するのに使用され得る。
【０００３】
多光子硬化技術を使用して、レーザービームの焦点の位置を光反応性組成物内で３次元（すなわち、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸方向）制御することにより、３Ｄ構造物がボクセル（３Ｄ体積要素）ごとに作製され得る。多くの場合、ほぼ単一のボクセル層（すなわち、ｘ−ｙ面）を硬化させ、続いて焦点を約１ボクセル長さ（すなわち、ｚ軸上）移動させ、次の層（すなわち、ｘ−ｙ面）を硬化させることにより、３Ｄ構造物が形成される。所望の構造物が少なくとも部分的に硬化されるまで、この方法を繰り返し得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一態様では、本開示は、ビームを光軸に沿って放射する光源を含む露光システムに関する。ビームは樹脂中に多光子反応を誘起することができる。本露光システムは、多光子反応を受ける樹脂と、自動化システムと、を更に含む。自動化システムは、光軸に垂直な面内のパワー、パルス長、形状、発散、又は位置から選択されるビームの少なくとも１つの性質を測定し、ビームのこの性質を表示する少なくとも１つの信号を生成するモニターを含む。サブシステムはモニターからの信号に応答してビームを調整する。
【０００５】
別の態様では、本開示は、ビームを光軸に沿って放射する光源を含み、ビームが樹脂中に多光子反応を誘起することができる、露光システムに関する。本露光システムは、多光子反応を受ける樹脂と、並びに樹脂内のボクセル形状をモニターする自動化システムと、を更に含む。この自動化システムは、ボクセル形状を表示する信号を生成し、信号に応答してビームを調整する。
【０００６】
更に別の態様では、本開示は、ビームを光軸に沿って放射する光源を含み、ビームが樹脂中に多光子反応を誘起することができる、露光システムに関する。本露光システムは、多光子反応を受ける樹脂と、自動化システムと、を更に含む。この自動化システムは、樹脂内のボクセル形状をモニターする手段、及びこのモニターする手段からの信号に応答してビームを調整する手段を含む。
【０００７】
更に別の態様では、本開示は、ビームを光軸に沿って実質的に第１の波長で放射する光源を含み、ビームは第１の波長で実質的に光学的に透明である樹脂中に重合を誘起する、露光システムに関する。本露光システムは、第１のビームモニターシステムを更に含み、この第１のビームモニターシステムはビームの第１の特性をモニターし、第１の信号を生成する。第１の特性は、ビームの光軸に垂直な面内のビームのパワー、形状、及び位置の少なくとも１つを含む。本露光システムは、ビームの発散をモニターする第１の発散モニターシステムと、ビームの発散及び形状の少なくとも１つを調整する第１の発散変調システムと、第１の速度でビームのパワーを調整する第１のパワー制御システムと、を更に含む。本露光システムは、第２のモニターシステムを更に含み、この第２のモニターシステムは、ビームの第１の特性をモニターし、第２の信号を生成し、第１及び第２の信号は第１の特性の調整に使用される。本露光システムは、樹脂の露光を制御するためにビームを透過させる又は阻止する第１のシャッターと、光軸に沿ったビームの焦点の位置をモニターする第３のモニターシステムと、ビームの発散及び形状の少なくとも１つを調整する第２の発散変調システムと、第１の速度より大きくない第２の速度でビームを走査する第１のガルバノメーターシステムであって、走査は光軸に実質的に垂直な第１の方向に沿ったものである、第１のガルバノメーターシステムと、第１の速度より大きくない第３の速度でビーム走査する第２のガルバノメーターシステムであって、走査は光軸に実質的に垂直であり、第１の方向とは異なる第２の方向に沿ったものである、第２のガルバノメーターシステムと、樹脂内の位置でビームを集束するための対物レンズシステムと、樹脂を保持及び位置決めし、並びに樹脂に対する温度及び振動の少なくとも１つの影響を低減するための試料保持システムと、を更に含む。
【０００８】
本発明の１つ以上の実施形態の詳細を添付図及び以下の説明で明らかにする。本発明の他の特徴、目的、及び利点は、説明文並びに図面、及び特許請求の範囲より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】好ましくは複数のミクロ構造物又はナノ構造物を含む、物品の加工に使用され得る露光システムを図示するブロック図。
【図２】光学システムの概略ブロック図。
【図３】ビームモニターの概略ブロック図。
【図４】発散変調システムの図。
【図５】露光制御モジュールのブロック図。
【図６】半波長板と偏光板に入射するビームの概略ブロック図。
【図７】半波長板の角度に対するビームパワーのグラフ。
【図８】光学走査モジュールのブロック図。
【図９】光学リレーの概略光線図。
【図１０Ａ】２個のガルバノメーター及び２個の光学リレーを含むシステムの概略図。
【図１０Ｂ】対物レンズ、光学リレー、及びガルバノメーターを含むシステムの概略図。
【図１１】発散変調器の図。
【図１２】光学システムのブロック図。
【図１３】パワーダンプモジュールの概略ブロック図。
【図１４】ビーム品質カメラとパワーモニターの概略ブロック図。
【図１５】分散モジュールの概略ブロック図。
【図１６】較正モジュールのブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
一般に、本開示は、多光子硬化型光反応性組成物中で反応を開始する能力を有する自動化システムに関する。自動化システムは、ビームの性質を測定するモニターと、モニターからの信号に応答してモニターした性質を改変するサブシステムを含む、多数の光学部品を含む。光学部品は、硬化プロセスの確度及び／又は精度を改善するために、単独又は組み合わせで使用され得る。増強された確度によって、高度の精密形成３次元（３Ｄ）構造物、特に複雑形状又はミクロ−又はナノスケールの外形を含む構造物の製造が可能となる。自動化システムによって、多光子硬化プロセスの商用に重要である、正確な構造物を高スループットで製造することも可能となる。
【００１１】
図１は、反応を選択的に開始し、及び／又は光反応性組成物を少なくとも部分的に硬化し、物品の外形を精密に規定するのに使用可能である、例示の自動化露光システムを図示するブロック図である。露光システム１０は光学システム１１を含み、光学システム１１の更なる詳細を図示するブロック図を図２に示す。露光システム１０は、制御モジュール１２、多光子硬化型光反応性組成物を含む樹脂２２、樹脂２２を載せる基材２０、基材２０を支持するチャック１８、及びチャック１８を持するステージ１６も含む。チャック１８及びステージ１６は、共に、試料（すなわち、樹脂２２）を保持する及び／又は位置決めする、試料保持システム１５を構成する。いくつかの実施形態では、保持システム１５は、硬化工程に及ぼす少なくとも１つの環境的な要素（例えば、温度及び／又は振動）の影響を低減することができる。
【００１２】
光学システム１１は、照射パルス２６のビーム（以降、「ビーム２６」）を提供する光源３２（図２も参照）を含む、光学画像形成システムである。ビーム２６は、高開口数対物レンズ（図８の対物レンズ１１４も参照）から画像面１４上に集束される。図１では、樹脂２２、基材２０、及びチャック１８は、露光システム１０内の画像面１４に対して位置決めされて、潜像の形成又は樹脂２２の少なくとも部分的な硬化が可能となる。
【００１３】
下記に更に詳述するように、自動化光学システム１１は、モニタリングを維持及び／又は増強し、並びに１つ以上のビーム２６の焦点２８の品質及び位置決めを制御するために単独又は組み合わせで選択的に適用される、モジュール機能要素を含み得る。本明細書では、用語、自動化は、初期の組み立てに続いて、１つ以上のビーム２６の焦点２８の位置をモニター及び／又は制御するのに、人間の介在なしでモジュール機能要素を適用する、システムを指す。システムの自動化された性状によって、ビーム２６（すなわち、サイズ、形状、パワー、パルス長、発散など）の特性を迅速な調整し、並びに焦点２８の位置を制御して、樹脂２２内に物品の外形を正確かつ迅速に作り出すことが可能となる。いくつかの実施形態では、システムの自動化された性状によって、ビーム特性及び／又は位置を約１秒未満で調整することが可能となり、他の実施形態では、これらの調整を約０．１秒未満で行うことができ、他の実施形態では、これらの調整をミリ秒のオーダーの時間枠で行うことができる。この迅速な調整は、物品生成の確度、速度、及び効率を増強する。
【００１４】
樹脂２２内で外形を３次元の解像度をもって作り出すために、樹脂２２は、樹脂２２内で１光子又は多光子の重合を開始するのに好適なエネルギーの波長を好ましくは含む、ビーム２６の波長の少なくとも一部に対して実質的に光学的に透明であり得る。
【００１５】
例えば、多光子重合工程では、充分なパワーのパルスが樹脂２２内に存在する場合、照射光の２個以上の光子が樹脂２２と実質的に同時に相互作用する、非線形プロセスが起こる。非線形相互作用プロセス時、樹脂の光増感剤成分の少なくとも一部は、焦点２８近傍で潜像の形成又は樹脂２２の少なくとも部分硬化を生じる化学反応を誘起する励起状態に達して、材料の少なくとも部分硬化したボクセルを生じる。焦点２８及び樹脂２２をｘ軸、ｙ軸又はｚ軸方向（図１に直交するｘ−ｙ−ｚ軸を示す（ｙ軸は図１に示す画像面に実質的に垂直な方向に延びる））の少なくとも１つで相互に移動して、樹脂２２内で多数個のボクセルを形成し得る。多数個のボクセルは、物品の本体及び／又は物品上の特定のミクロ又はナノスケールの特性を規定する。
【００１６】
下記に更に詳述するように、ビーム２６を樹脂２２に対してｘ、ｙ、及び／又はｚ軸方向に沿って移動し得る。又は、チャック１８、したがって基材２０及び樹脂２２をビーム２６に対してｘ、ｙ、及び／又はｚ軸方向に沿って移動し得る。あるいは、ボクセルを樹脂２２内の異なる位置において加工するために、ビーム２６及びチャック１８の両方を相互に移動し得る。ビーム２６を樹脂２２に対して移動する実施形態では、光学システム１１は、樹脂２２内で焦点２８の位置を制御するのに、樹脂２２内でビーム２６を選択的に位置決めすること、及び物品の外形を規定するのに、樹脂２２の領域を選択的に硬化することの一助となり得る。いくつかの実施形態では、焦点２８を１つの寸法（すなわち、ｘ軸、ｙ軸、又はｚ軸）で走査し得る。他の実施形態では、ビーム２６の焦点２８を２次元（すなわち、ｘ−ｙ軸、ｙ−ｚ軸又はｘ−ｚ軸に沿って）で走査し得る。更に他の実施形態では、ビーム２６の焦点２８を３次元（すなわち、ｘ−ｙ−ｚ軸に沿って）で走査し得る。
【００１７】
樹脂２２は、意図されている用途によって広く多様であってもよく、任意の好適な多光子硬化型光反応性組成物を含む。例えば、多光子硬化型光反応性組成物は、反応性種、多光子光増感剤、電子受容体、及び他の随意の成分を含み得る。通常の多光子露光型光反応性組成物は少なくとも１つの反応性種を含む。反応性種は、少なくとも部分硬化した樹脂２２の感光性が高いこと、ビーム２６への露光時の屈折率の変化が最小であること、強度及び靭性が高いことなどを含む多岐にわたる性質に基づいて選択され得る。
【００１８】
光反応組成物内で使用するのに好適な反応種としては、硬化性の化学種と非硬化性の化学種の双方が挙げられる。硬化性の化学種が一般に好ましく、また硬化性の化学種としては、例えば、付加重合性モノマー及びオリゴマーと付加架橋性ポリマー（例えばアクリレート、メタクリレート、及びスチレンなどの特定のビニル化合物を含む、ラジカル重合性又は架橋性のエチレンシステム不飽和の化学種）、並びにカチオン重合性モノマー及びオリゴマー、カチオン架橋性ポリマー（この化学種は最も一般的には酸開始されており、またこの化学種には、例えばエポキシ、ビニルエーテル、シアネートエステルなどが挙げられる）、その他同種のもの、それらの混合物が挙げられる。
【００１９】
このようなシステムの使用によって、集束照射ビーム２６の焦点領域に重合を閉じ込める又は限定することができるので、光開始剤システムは、多光子光開始剤システムであり得る。このようなシステムは、好ましくは、少なくとも１つの多光子光増感剤、少なくとも１つの光開始剤（又は電子受容体）、及び場合によっては、少なくとも１つの電子供与体を含む２成分−又は３成分システムである。このような多成分システムは増強された感度をもたらし、光反応性組成物の光反応の実施に必要とされる露光を低減することができる。このことは、短時間での露光を可能とさせ、樹脂２２及び／又は光学システム１１の１つ以上の部品の相対運動により問題の可能性を低減させる。
【００２０】
好ましくは、多光子光開始剤システムは以下：（ａ）少なくとも２個の光子を同時に吸収する能力を有し、好ましくはフルオレセインの吸収する能力よりも大きい二光子吸収断面積を有する、少なくとも１つの多光子光増感剤、（ｂ）場合によっては、多光子光増感剤と異なり、光増感剤の電子励起状態に電子を供与することができる、少なくとも１つの電子供与体化合物、及び（ｃ）光増感剤の電子励起状態から電子を受け取ることにより光増感されて、少なくとも１つのフリーラジカル及び／又は酸を形成することができる、少なくとも１つの光開始剤、の光化学的に有効な量を含む。
【００２１】
あるいは、多光子光開始剤システムは、少なくとも１つの光開始剤を含む１成分システムであることができる。１成分の多光子光開始剤システムとして有用な光開始剤としては、アシルホスフィンオキシド（例えば、Ciba により商品名 Irgacure 819 で販売されているもの、並びに BASF Corporation により商品名 Lucirin で販売されている TPO-L 2,4,6 トリメチルベンゾイルエトキシフェニルホスフィンオキシド）と、共有結合したスルホニウム塩部分を含むスチルベン誘導体（例えば、W.Zhou et al., Science 296, 1106 (2002) に述べられているもの）が挙げられるベンジルケタールなど、他の従来の紫外線（ＵＶ）光開始剤を利用することもできるが、その多光子光開始感度は一般に比較的低い。
【００２２】
樹脂２２の多光子光開始剤システムでの使用に好適な多光子光増感剤は、充分な光に露光されると、少なくとも２個の光子を同時に吸収することができるものである。好ましくは、光増感剤は、フルオレセインよりも大きい（すなわち、３’，６’−ジヒドロキシスピロ［イソベンゾフラン−１（３Ｈ），９’−（９Ｈ）キサンテン］−３−オンよりも大きい）二光子吸収断面積を有している。一般に、好ましい断面積は、Ｃ．Ｘｕ及びＷ．Ｗ．Ｗｅｂｂにより J. Opt. Soc. Am. B、13,481 （1996年）（Marder and Perry et al. によりＰＣＴ国際公開特許第ＷＯ９８／２１５２１号、８５頁１８〜２２行に引用されている）に記載された方法で測定される、約５０×１０−５０ｃｍ４秒／光子を超えることができる。
【００２３】
より好ましくは、光増感剤の二光子吸収断面は、フルオレセインの約１．５倍を超え（又は、あるいは、上記方法で測定される約７５×１０-50ｃｍ４秒／光子を超える）、更により好ましくはフルオレセインの約２倍を超え（又は、あるいは、約１００×１０-50ｃｍ４秒／光子を超える）、最も好ましくはフルオレセインの約３倍を超え（又は、あるいは、約１５０×１０-50ｃｍ４秒／光子を超える）、最適にはフルオレセインの約４倍を超える（又は、あるいは、約２００×１０-50ｃｍ４秒／光子を超える）。
【００２４】
好ましくは、この光増感剤は、反応性種（反応性種が液体であるならば）に可溶性であるか、又は反応性種と、及び樹脂２２中に含まれる随意のバインダーと相溶性である。最も好ましくは、この光増感剤は、また、米国特許第３，７２９，３１３号に記載の方法を使用して、２−メチル−４，６−ビス（トリクロロメチル）−ｓ−トリアジンを、光増感剤の１光子吸収スペクトルと重なり合う波長範囲（１光子吸収条件）における連続照射下で増感させることもできる。
【００２５】
光反応性組成物の多光子光開始剤システムに有用な電子供与体化合物は、電子を光増感剤の電子励起状態に供与できるこれらの化合物（光増感剤自身以外）である。このような化合物は、場合によっては、光開始剤システムの多光子感光性を増大させ、それによって光反応性組成物の光反応を成し遂げるのに必要な露光を減少させるために使用され得る。電子供与体化合物は、好ましくは、ゼロより大きくかつｐ−ジメトキシベンゼンの酸化電位以下である酸化電位を有している。好ましくは、酸化電位は、標準的な飽和カロメル電極（「Ｓ．Ｃ．Ｅ．」）に対して約０．３〜１ボルトである。
【００２６】
電子供与体化合物は、好ましくは反応性種に可溶性でもある。好適な供与体は、一般に、所望の波長の照射ビーム２６に露光したとき、硬化速度又は樹脂２２の画像濃度を増加させることができる。
【００２７】
光反応性組成物の反応性種に好適な光開始剤（すなわち、電子受容体化合物）は、多光子光増感剤の電子励起状態から電子を受け取り、少なくとも１つのフリーラジカル及び／又は酸を形成することにより光増感されることができるものである。そのような光開始剤としては、ヨードニウム塩（例えば、ジアリールヨードニウム塩）、スルホニウム塩（例えば、所望によりアルキル基又はアルコキシ基で置換されており、また場合によっては、隣接アリール部分を橋架けしている２，２’オキシ基を有するトリアリールスルホニウム塩）、その他同種のもの、及びそれらの混合物が挙げられる。
【００２８】
光開始剤は、好ましくは反応種に可溶性であり、また好ましくは貯蔵性を有している（すなわち、光増感剤及び電子供与体化合物の存在下で、反応種中に溶解したとき、反応種の反応を自発的に促進しない）。したがって、特定の光開始剤の選択は、上述のように、選択される特定の反応種、光増感剤、及び電子供与体化合物にある程度依存し得るものである。反応種が酸開始化学反応を受けることができる場合、光開始剤はオニウム塩（例えば、ヨードニウム塩又はスルホニウム塩）である。
【００２９】
多光子光重合システムでの使用に好適な樹脂に関する更なる詳細は、例えば、代理人整理番号第 63221US002 号を有し、「HIGHLY FUNCTIONAL MULTIPHOTON CURABLE REACTIVE SPECIES」と題する米国特許出願第 60/979,229 号に見出すことができる。
【００３０】
チャック１８により支持される基材２０は、好ましくは樹脂２２を支持する。本出願にわたって樹脂２２を支持する基材２０が参照されているが、いくつかの実施形態では、基材２０は、必要でなく、樹脂２２は、チャック１８により直接に支持され得るということを理解すべきである。基材２０は、樹脂２２を支持するのに充分な任意の好適な材料又は材料の組み合わせから形成され得る。基材２０は、射出成形、圧縮成形、エンボス加工、押し出しエンボス加工、金型内での重合、スタンピング、鋳型、機械加工、エッチング、焼結、研磨、化学的及び物理的堆積、結晶化、硬化（単一及び多光子硬化を含む）などを含む、任意の従来の方法により形成され得る。いくつかの実施形態では、基材２０は、樹脂２２を支持するために実質的に平坦な表面を規定する。このような実施形態では、基材２０は、シリコンウエハ、ガラス板、機械加工された基材などを含み得る。
【００３１】
更に他の実施形態では、基材２０は実質的に非平坦な表面を含み得る。例えば、基材２０は、１つ以上の軸に沿って凹面又は凸面の曲面を有し得る。例えば、基材２０は、円筒形、球形、楕円形、鞍形などであり得る。いくつかの実施形態では、基材２０は、ダイアモンド旋削法、研磨などにより形成されるものなどの精密ロールであり得る。これらの実施形態では、基材２０の表面は実質的に平滑であるか、パターン化された外形などの外形を含み得る。いくつかの好ましい実施形態では、基材２０が曲面を有する場合には、基材２０は実質的に平滑である。
【００３２】
基材２０は、山又は谷などの表面不規則性を含み得る。いくつかの実施形態では、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミドなどから形成されるものなどのミクロ構造化フィルムは、好適な基材となり得る。加えて、いくつかの実施形態では基材２０は、凹部、突出部、柱、チャンネル、溝、空洞などの連続的又は不連続的なパターンを含む外形を有し得る。外形は、例えば、レーザー書き込み、化学エッチング、鋳型などを含む任意の従来の方法により形成され得る。例えば、微少電気機械システム（ＭＥＭＳ）などの構造物は、基材の外形の上又は中に多光子開始重合により形成され得る。外形に構造物を付加する実施例は、例えば、米国特許出願公開第 2003/0155667 号に見出すことができる。
【００３３】
下記に更に詳述するように、基材２０は、基材２０の位置の位置合わせをｘ−ｙ軸で可能とさせる基点構造物も含み得る。基点構造物としては、連続的又は非連続的な溝、凹部、突出部などが挙げられる。
【００３４】
基材２０は、任意の好適な機構を用いてチャック１８に対して保持され得る。一実施形態では、基材２０は、機械的な締結具を用いてチャック１８に対して実質的に固定的に保持される。機械的な締結具としては、クリップ、スクリュー、ボルト、接着剤などが挙げられる。機械的な締結具は、好ましくは基材２０に対して複数の個所で配設されて、力を基材２０上に分配し、基材２０の不必要な変形を最小化する又は防止する。
【００３５】
別な実施形態では、基材２０は、真空圧力を用いてチャック１８に対して実質的に固定的に保持される。真空圧力は、機械的な締結具よりもより均一に基材２０上に力を分配し、基材２０の不必要な変形を減少させ得る。
【００３６】
チャック１８は基材２０を支持する表面を規定する。このように、多くの場合、チャック１８の構造は、基材２０の構造にぴったり合うように選択される。例えば、図１に示す実施形態では、チャック１８は、実質的に平坦な基材２０を支持するために実質的に平坦な表面１８Ａを規定する。他の実施形態では、基材２０は、曲面を規定し、その場合には、チャック１８は、基材２０の曲面を支持するような形状となり得る。例えば、基材２０は、樹脂２２を支持する実質的に円筒形の表面を規定し、その場合には、チャック１８は円筒形の基材２０を支持するような形状となり得る。あるいは、基材２０の構造は、チャック１８の構造にぴったり合うように選択され得る。例えば、チャック１８は、ローラーに搭載された表面を含むか、又は基材２０を回転するために旋盤を含み得る。
【００３７】
チャック１８は、１つ以上の成分材料から加工され、基材２０及び樹脂２２のインターフェース２４の、温度の変化に正確かつ合致している位置を提供する１つ以上の好適な材料から加工され得る。例えば、チャック１８は、比較的低い熱膨張係数（ＣＴＥ）を呈する、１つ以上の材料から加工され得る。チャック１８に好適な材料としては、グラナイト、Ｐｅｒｌｕｍｉｔｅ、窒化ケイ素などが挙げられるが、これらに限定されるものでない。基材２０が置かれる実質的に平坦な表面１８Ａを維持し、温度変化によるビーム２６に対する基材２０の位置の相対的に小さな変化をもたらすには、チャック１８には比較的低いＣＴＥが望ましい。
【００３８】
いくつかの実施形態では、チャック１８は、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸方向の少なくとも１つに沿って可動性である。チャック１８とステージ１６との間の摩擦を低減するために、チャック１８は空気軸受け表面（ＡＢＳ）上に支持され得る。チャック１８とステージ１６との間の摩擦を低減することは、制御モジュール１２がチャック１８を低エネルギー所要量でｘ軸及びｙ軸方向に沿って高精度で移動させることの一助となり得る。ＡＢＳは、圧縮空気、圧縮窒素又は圧縮不活性ガスなどの任意の好適な源により生成され得る。
【００３９】
チャック１８は、例えばモーターの動力下でｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸方向の少なくとも１つに沿って可動性であり得る。例えば、１つの好ましい実施形態では、リニアモーターを使用して、チャック１８を高精密かつ正確な方法で移動し得る。いくつかの実施形態では、例えばチャック１８に沿った複数の個所で独立のｚ軸調整を提供することにより、チャック１８も基材２０を平坦化する能力をもたらし得る。
【００４０】
ステージ１６も１つ以上の好適な材料から作製され得る。いくつかの実施形態では、ステージ１６は、例えば、グラナイトなどの比較的低いＣＴＥの１つ以上の材料を含む。他の実施形態では、ＣＴＥの大きさは、露光システム１０におけるＣＴＥの整合より重要でない。露光システム１０のさまざまなモジュールのＣＴＥの整合は、熱膨張又は収縮の量が異なることによる個別モジュールの相互の相対運動を低減し、したがって樹脂２２とビーム２６の相対運動を低減し得る。更に他の実施形態では、例えば、冷却フィン、熱交換器などを用いて、チャック１８及びステージ１６を受動的又は能動的に冷却し得る。加えて、ステージ１６を、ステージ１６を支持する構造物（すなわち、床）から実質的に分離され得る。ステージ１６を支持構造物から分離することによって、樹脂２２に及ぼす支持構造物の振動の影響が低減され得る。ステージ１６の分離は、例えばポリマー振動分離パッドなどの材料を用いて達成され得る。
【００４１】
制御モジュール１２は、チャック１８の位置をｘ−、ｙ−、及び／又はｚ軸で変化させて、ビーム２６の焦点２８の位置を樹脂２２に対して変え得る。しかしながら、いくつかの実施形態では、樹脂２２に対するビーム２６の焦点２８のｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸位置の少なくとも１つは、光学システム１１の部品を用いて改変される。
【００４２】
制御モジュール１２は、一般に、光学システム１１を制御し、１つ以上のサブモジュールも含み得る。一実施形態では、制御モジュール１２は、マイクロプロセッサー、コントローラー、デジタル信号プロセッサー（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、現場書き換え可能なゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ディスクリート論理回路などのプロセッサーを含む。いくつかの実施形態では、プロセッサーは、ソフトウエア、ハードウエア、ファームウエア又はこれらの組み合わせを実行して、モジュール３２、３４、３６、３８、８２、４２、４６、及び１１０のそれぞれを制御し得る。
【００４３】
図２は、光学部品の列を規定する、モジュール３２、３４、３６、３８、８２、４２、４６、及び１１０の配置の１つの実施形態を例示する、光学システム１１のブロック図である。図２に示すモジュールの順序は、単に例示的なものであり、いかなる方法でも限定的なものでないと理解されるべきである。他の実施形態では、例えば、第２のビームモニター４２及び位置検出器４６は、異なる順番であり、光学システム１１を組み込むスペースにより影響される寸法、形状又は他の配慮に依存し得る。さまざまなモジュール３２、３４、３６、３８、８２、４２、４６、及び１１０は、ビーム２６の性質を測定するモニターシステム、及びビーム２６の測定された性質を改変する能力のあるサブシステムの両方を含む。例えば、測定される性質としては、ビーム２６の光軸に垂直な面内のパワー、パルス長、形状、発散、又は位置の少なくとも１つを含むことができる。ビーム２６の測定される性質を改変する能力を有する特定のモニターシステム及びサブシステムは、下記に更に詳細に述べられる。
【００４４】
光源３２は、樹脂２２の少なくとも部分的な硬化を開始するのに充分な強度の照射パルス２６のビームを放射する。いくつかの実施形態では、ビーム２６は、公称波長プラス又はマイナス約５ｎｍなどの相対的に狭い波長範囲を含み、実質的に第１の波長で放射されるとされ得る。多光子重合に有用なものなどのいくつかの実施形態では、放射照射光パルスの中心波長は、約４００ｎｍ〜約２０００ｎｍの、好ましくは約５００ｎｍ〜約１０００ｎｍの、より好ましくは約７５０ｎｍ〜約８５０ｎｍの範囲であり得る。光源３２は、光源３２から樹脂２２までのビーム２６の経路により規定される光軸２７に沿って照射光パルスを放射する。光学システム１１を多光子重合方法で使用する実施形態では、光源３２は、樹脂２２の光反応性組成物中で使用される多光子開始システムに適切な波長で多光子吸収を生じさせるのに充分なパワーを有するビーム２６を放射する。光源３２は、樹脂２２の硬化を開始するのに必要なピークパワーと強度を含むビーム２６を放射する。いくつかの実施形態では、光源３２は、約１００ｆｓなど、約１フェムト秒（ｆｓ）〜約１０ｐｓの出力パルス幅を含むビームを放射し得る。いくつかの他の実施形態では、光源３２は、約１０ｎｓ未満の、好ましくは約１０ｐｓ未満の、より好ましくは約１００ｆｓ未満の出力パルス幅を含むビームを放射し得る。いくつかの場合には、高いパルス繰り返し速度が望ましいことがある。いくつかの他の実施形態では、光源３２は、約１ｋＨｚ超の、好ましくは約５０ＭＨｚ超の出力パルス繰り返し速度を含むビームを放射し得る。
【００４５】
一実施形態では、光源３２は、パルス化フェムト秒レーザー秒などの比較的低パワーの超高速レーザー光である。一例として、光源３２は、Newport Corporation（Irvine, California）から市販されている、商品名 MaiTai で Spectra-Physics から入手可能なＴｉ：サファイアレーザーを含み得るか、又はファーバをベースとした超高速レーザーを含み得る。
【００４６】
いくつかの実施形態では、ボクセルは、単一レーザーパルスにより形成可能である。いくつかの他の実施形態では、ボクセルの形成は、２個以上のパルスを必要とする。他の実施形態では、多数個パルスは複数のボクセルの硬化を開始し得る。「低パルスエネルギー」レーザービーム２６は、樹脂２２の体積を充分に硬化するには不充分なパワーを呈する照射光パルス２６のビームを指す。むしろ、低パルスエネルギービーム２６によって樹脂２２内の体積を充分に硬化するには順次パルスが必要である。
【００４７】
別の実施形態では、光源３２は、樹脂２２の完全硬化を開始するのに多数個のパルスを必要としない、高パワー連続波（ＣＷ）レーザーである。しかしながら、いくつかの場合には、レーザービーム２６のパワーを最小化して、樹脂２２の不測の加熱を最小とすることが望ましいことがある。高パワーＣＷレーザーが単一パルスにより樹脂２２の体積の完全硬化を開始することは可能であり得るが、高パワーのＣＷレーザーを使用して、ボクセルを段階的な方法で順次硬化し得、ある場合にはこれにより正確な硬化プロファイルが得られる。
【００４８】
いくつかの実施形態では、樹脂２２の体積の硬化の開始には光学系無しでは不充分なビーム２６を放射する、比較的低いパルスエネルギーのレーザーが光学要素との組み合わせで使用され得る。集束光学系は、光源３２から出力されるビーム２６の強度を増加させて、低パルスエネルギー光源３２が放射するビーム２６による樹脂２２の硬化を可能とし得る。所望の場合は、光源３２が出力するビーム２６の強度を減少させるように、集束光学系を設計してもよい。光源３２から所望の強度のビーム２６を得るのに使用される光学要素の組み合わせは、「瞳関数合成（pupil function synthesis）」と呼ばれることがある。下記に更に詳述するように、ピューピル関数合成は、ビーム２６を集束する、焦点２８においてビーム２６に特別な形状を付与する（これは樹脂２２内で形成されるボクセルのサイズを制御するのに望ましい場合がある）、又はビーム２６の形状を変化させることができる。
【００４９】
光源３２は、不測に変動するパワー又は軌跡を有するビーム２６を放射し得る。パワー変動は、ビーム２６の焦点２８の不安定な位置決めを生じることがあり、これは樹脂２２に対して焦点２８の位置を精密かつ正確に制御する光学システム１１の能力に悪影響を及ぼし得る。光学システム１１の１つ以上の部品の高周波又は低周波数振動も焦点２８の位置決めに悪影響を及ぼし得る。例えば、システム１０が配置されている建物に対する（すなわち、加熱、通風又は空気調和システムに対する）空気調和ユニットの振動が振動を生じる場合がある。
【００５０】
第１の例のモニターは、第１のビームモニター３４及び／又は第２のビームモニター４２を含み得る。ビーム２６の焦点２８の位置に望まれる制御は高度であるために、ビーム２６の位置は、光学システム１１内の１つ以上の個所においてサンプリング及び制御され得る。この個所のそれぞれにおいて、ビーム２６の少なくとも１つの特性を測定し、ビーム２６の位置、パワー及び／又は形状に影響を及ぼす光学要素を制御することができる、少なくとも１つの特性に基づく信号を制御モジュール１２などの素子に出力するために、ビームモニターを設置し得る。図２に図示する実施形態などのいくつかの実施形態では、光学システム１１は、第１のビームモニター３４と第２のビームモニター４２を含んで、光学システム１１中の２つの個所においてビーム２６の位置モニタリング及び第１の特性の補正を提供する。第１及び第２のビームモニター３４、４２のそれぞれは、図３に示すように、位置センス検出器（ＰＳＤ）６２、デジタルカメラ６４、ビーム走査モジュール６６、及び制御モジュール６８を含み得る。
【００５１】
制御モジュール６８は、露光システム１０の制御モジュール１２のように、マイクロプロセッサー、ＤＳＰ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、ディスクリート論理回路などのプロセッサーを含み得る。このプロセッサーは、ソフトウエア、ハードウエア、ファームウエア又はこれらの組み合わせを実行して、検出器６２、デジタルカメラ６４、及びビーム走査モジュール６６のそれぞれを制御し得る。図３に示すビームモニター３４、４２の実施形態は制御モジュール６８を含んで、位置センシング検出器６２、デジタルカメラ６４、及びビーム走査モジュール６６を制御するが、他の実施形態では、露光システム１０の制御モジュール１２は必要な制御を提供し得る。あるいは、制御モジュール１２、６８は相互に組み合わせて使用され得る。
【００５２】
焦点２８の位置を適切に補正するために、第１のビームモニター３４と第２のビームモニター４２は、相対的に高速でビーム２６の位置の測定に、ＰＳＤ  ６２を含む。いくつかの実施形態では、ＰＳＤ  ６２は、それぞれの四分割検出器中のシリコンチップにより出力される電圧に基づいてｘ−ｙ面（光軸２７に垂直な面）でビーム２６の位置を指示する４個のシリコンチップを含む、四分割検出器を含む。ＰＳＤ  ６２は、ビーム走査モジュール６６の制御に信号を使用するビームモニターコントローラー６８に信号を出す。
【００５３】
ビームモニター３４、４２は、ＰＳＤ  ６２に加えてデジタルカメラ６４を含んで、ＰＳＤ  ６２よりもビーム２６の位置情報（光軸２７に垂直な面内の）を提供し得る。デジタルカメラ６４もビーム２６のサイズ、形状、及び／又はパワーに関する情報を提供し得る。デジタルカメラ６４は、例えば、ＣＣＤ又はＣＭＯＳカメラなど、ビーム２６の波長に感度を有する任意の好適なカメラであり得る。ビームモニター３４、４２のフィードバックループに対して決定的でない、ビーム２６についての情報を求めるために、デジタルカメラ６４が使用され得る。例えば、デジタルカメラ６４は、ビーム２６の形状、サイズ、及び／又は強度領域を表示する情報を提供するのに有用であり得る。ビーム２６が所望の結果をもたらさない（すなわち、樹脂２２が所望するように硬化されない）場合には、デジタルカメラ６４からのフィードバックを使用して、問題の源を分離し得る。
【００５４】
ビーム２６の１つ以上の特性を変えるために、閉ループフィードバックでもデジタルカメラ６４が使用され得る。例えば、第１のビームモニター３４及び第２のビームモニター４２のそれぞれのデジタルカメラ６４によりモニターされるビーム２６のサイズ又は形状を発散モニター３６により使用して、所望しない発散又は非点収差がビーム２６中に存在するかどうかを決定し得る。次に、下記に更に詳述するように、第１の発散変調器３８に指示して、不必要な発散又は非点収差を除去するのに、ビーム２６に補正を提供するために、発散モニター３６がこの情報を使用し得る。しかしながら、いくつかの実施形態では、制御システムの中にデジタルカメラ６４を能動的に入力し得ないが、代わりに、光学システム１１の操作を後で分析するために、デジタルカメラ６４により提供される情報が使用され得る。
【００５５】
位置センシング検出器６２及びデジタルカメラ６４からビーム２６の位置情報を受け、位置情報に基づいてビーム２６を再位置決めするために、制御モジュール６８が例えば、ビーム走査モジュール６６などのビーム２６の位置を改変することができるサブシステムを制御する。ビーム走査モジュール６６は、例えば、レンズ、ミラーなどを含むビーム２６を再位置決めするか又は再び導くのに有用な任意の光学要素を含み得る。一実施形態では、ビーム走査モジュール６６は、ビーム２６の位置に対して相対的に高速の補正を行う少なくとも１つの圧電駆動型ミラーを含む。ビーム２６を実質的に光軸２７に垂直な面内で再位置決めするために、圧電駆動型ミラーは、一軸又は二軸に沿って補正を行い得る。別の例として、ビーム走査モジュール６６は２個の圧電駆動型ミラーを含み得る。２個のミラーの第１のミラーは、ビーム２６のドリフト補償のために、ゆっくりではあるが大きく動くことができる一方で、第２のミラーは、光学システム成分から高周波数の振動を取り去るのに、小振幅の相対的に速い補正を行う。他の実施形態では、任意の好適な数のミラーを使用するか、又はガルバノメーターなどの別のシステムによりミラーを駆動し得る。
【００５６】
別の実施形態では、ビーム２６の位置の中に制御された量のノイズを導入するために、第１及び第２のビームモニター３４、４２を使用し得る。この制御された量のノイズは、樹脂２２中で形成される少なくとも部分的に硬化された構造物の縁又は表面を平滑化する働きをし得る。
【００５７】
上記に概述したように、光源３２は、光軸２７に垂直な面内で非円形形状を生じる非点収差を含むビーム２６を放射し得る。上記に概述したように、光源３２は、ある量の発散を含むビーム２６も放射し得る。加えて、光源３２により放射されるビーム２６の非点収差及び発散は、両方とも経時的に変わり得る。したがって、光学システム１１は、ビーム２６の非点収差及び発散をモニターするためのモニターシステムを含み得る。発散モニター３６は、ビーム２６の非点収差及び発散の両方をモニターし得る。発散モニター３６は、第１のビームモニター３４に後続するものとして図２に図示されるが、光学システム１１中の任意の点に配置され得る。加えて、いくつかの実施形態では、ビーム２６中に存在する任意の非点収差又は発散を求めるために、発散モニター３６は、第１及び第２のビームモニター３４、４２の出力を使用し得る。
【００５８】
発散モニター３６がディスクリートモジュールである実施形態では、発散モニター３６は、例えば、ビームスプリッター、ビームサンプリングミラーなどを用いて、光学システム１１の大部分に大部分のビーム２６を透過する一方で、ビーム２６の小部分をサンプリングし得る。一実施形態では、ビーム２６の小部分は、ビーム２６を分割するビームスプリッターに導かれて、２本の小ビームを形成し得る。小ビームの一方は、ＣＣＤカメラなどのカメラをベースとする２次元（２Ｄ）センサまで短光路を進み、もう一方の小ビームは、２Ｄセンサまで長光路を進む。２Ｄセンサにより測定してこの２本の小ビームが同一のサイズでないならば、２本の小ビームのサイズの相対的な差（すなわち、幅又は面積）は、ビーム２６の発散量を決定する。
【００５９】
別の実施形態では、発散モニター３６は、干渉法を用いてビーム２６の発散をモニターする。干渉法では、ビーム２６は、それ自身と干渉し、等しい光路の横剪断（若干のくさび付きの）又は回転剪断を生み出す。生成する干渉縞によって、コンパクトかつ単純な構造でコリメーションの度合いを決めることが可能となる。
【００６０】
発散モニター３６（すなわちＣＣＤカメラ）は、光軸２７に垂直な面内のビーム２６の形状も測定する。ビーム２６の形状は、球状又は他の非球状の形状を有する焦点２８を生じる、ビーム２６中に存在する非点収差又は楕円度が存在するか、又は存在しないかを表示する。意図される用途によって、非点収差は望ましい場合もあり、又は望ましくない場合もある。例えば、非点収差をビーム２６の中に意図的に維持又は導入することは、光軸２７に垂直な面内に楕円形状（又は非円形形状）のビーム２６を生じ、これは選択されるボクセルの硬化をより効率的又は効率的に開始し得る。
【００６１】
他の実施形態では、ビーム２６の発散及び非点収差を求めるために、発散モニター３６は、第１及び第２のビームモニター３４、４２のそれぞれのデジタルカメラ６４の出力を使用し得る。例えば、それぞれのデジタルカメラ６４は、ビーム２６のサイズ及び形状を光軸２７に垂直な面でモニターし得る。それぞれのビームモニター３４、４２、したがってそれぞれのデジタルカメラ６４は、ビーム２６の特性を光学システム１１内の異なる個所でモニターするために、第１のビームモニター３４のデジタルカメラ６４の出力を第２のビームモニター４２のデジタルカメラ６４の出力と比較することにより、光学システム１１を通過するときのビーム２６のサイズ又は形状の任意の変化を検出し得る。この比較は、発散モニター３６、制御モジュール１２、又はビームモニター３４、４２の一方の制御モジュール６８などの別の制御モジュールにより行われ得る。
【００６２】
非点収差又は発散の補正が必要であるかどうかを決定するため、発散モニター３６により測定されるビーム２６の発散及び形状が制御モジュール１２又は別の制御モジュール（例えば、発散モニター３６及び第１の発散変調器３８に使用される制御モジュールなどの）に出力され得る。ビーム２６に必要な、いずれかの発散又は非点収差補正をもたらすために、制御モジュール１２は、例えば、第１の発散変調器３８など、ビーム２６の発散又は形状を改変する能力を有するサブシステムを制御する。図４に示すように、入力ビーム２６をほぼ１：１で拡大するために、第１の発散変調器３８は、例えば、約２の焦点距離Ｆの距離だけ離した、２つの等しい正レンズ７２、７６など、それぞれが光学パワーを有する２つの要素を含み得る。発散モニター３６により測定される任意の非点収差に応答して非点収差補正を制御するために、レンズ７２は、レンズ７２の回転位置を制御する回転ステージ上に搭載され得る。レンズ７４の位置を図４のｘ軸により制御するために、レンズ７４は、線形ステージ上に搭載され得る。線形ステージは、レンズ７６を負のｘ軸方向に（図４中左に）移動させて、ビーム２６の発散を増加させるか、又はレンズ７６を正のｘ軸方向に移動させて、ビーム２６の発散を減少させ得る（すなわち、ビーム２６の収束を増加させる）。
【００６３】
光学システム１１は、少なくとも１つのモニターシステムと、ビーム２６の性質を改変して、樹脂２２のビーム２６への露光を制御することができる少なくとも１つのサブシステムとを含む、露光制御モジュール８２を更に含む。例えば、図５に図示する実施形態では、露光制御モジュール８２は、制御モジュール８４、安全シャッター８６、パワーメーター８８、パワー制御４０、及び高速シャッター４４を含む。パワー制御４０は、ビーム２６のパワーを制御し、高速シャッター４４は、ビーム２６への樹脂２２の露光を開始及び停止して、樹脂２２の一部の硬化を選択的に開始し、ディスクリートな３Ｄの外形又は構造物を作る。いくつかの実施形態では、パワー制御４０及び高速シャッターシステム４４は別々のモジュールを含み得る。前述のように、樹脂２２を硬化させて、ボクセルを形成するプロセスは実質的に非線形であり、露光工程時の所望のレーザーパワーからのいずれかの偏倚も誤差を生じ得る。このように、パワー制御４０が照射光ビーム２６のパワーを所望のレベル又は所望のレベルのある範囲内に維持することは重要である。
【００６４】
パワー制御４０及び高速シャッター４４の両方が光学システム１１の任意の他の部品と同じく実質的に急速に、又はそれよりも急速に応答するということも好ましい。例えば、第１及び第２のガルバノメーター５０、５２は、通常、光学システム１１中で最速の部品であり、パワー制御４０及び高速シャッター４４は、好ましくは第１及び第２のガルバノメーター５０、５２の速度に実質的に等しいか、又は大きい速度で応答する。
【００６５】
いくつかの実施形態では、露光制御モジュール８２は安全シャッター８６を含む。安全シャッター８６は、光学システム１１の制御されたスタートアップ及びシャットダウンを提供するのに有用であり得る。例として、安全シャッター８６は、光源３２のウオーミングアップの間、樹脂２２の露光からビーム２６を阻止し、光学システム１１の残りの部品のシャットダウンの間閉じられる。いくつかのタイプのレーザービームでは、レーザーは、定常的なパワーレベルに達する前にウオームアップする。例えば、Ｓｐｅｃｔｒａ−ＰｈｙｓｉｃｓのＭａｉＴａｉレーザーは、多光子硬化プロセスでの使用に所望されるレベルまで安定化するのに約５〜約３０分要する。しかしながら、ある場合には、ビーム２６に所望のレベルの安定性を与えるために、安全シャッター８６は、ビーム２６を充分な時間阻止し得る。ウオームアップ期間に、ビーム２６は、ビーム軌跡のパワー及び安定性の変動（すなわち、焦点２８の個所の予測可能性）を受け得る。制御モジュール８４又は露光システム１０の制御モジュール１２は、安全シャッター８６を制御して、ウオームアップ期間、並びにビーム２６により樹脂２２の露光が望ましくない他の時間ビーム２６を阻止し得る。光源３２を消すことに加えて、又はその代わりに、例えば、安全シャッター８６が光学システム１１の非常遮断として使用され得る。いくつかの実施形態では、安全シャッター８６は、ビーム２６の較正時にもビーム２６を阻止し得る。
【００６６】
露光制御モジュール８２は、ビーム２６が実質的に安定化され、樹脂２２がビーム２６の焦点２８に対して所望の位置となった後、ビーム２６の露光を開始及び停止する、高速シャッターシステム４４も含む。露光制御モジュール８２内の制御モジュール８４は、シャッターシステムを制御し得る。「高」速シャッターシステム４４は、一般に、ビーム２６を１ミリ秒当り約１スイッチ以上のオン／オフ間の速度でオン・オフし得る、任意のシャッターシステムでもあり得る。より好ましくは、高速シャッターシステムは、１マイクロ秒以上の速度、最も好ましくは約５０ナノ秒（５０ｎｓ）以上の速度、例えば約２０ｎｓで約１オン／オフサイクルの速度でビーム２６をオン・オフし得る。
【００６７】
一実施形態では、高速シャッターシステム５４はポッケルスセル及び偏光板を含む。ポッケルスセルでは、電圧は、通過するビーム２６の偏光の性質を変え得る結晶に印加される。高速シャッターの１つのタイプでは、ポッケルスセルは偏光板と組み合わされる。ポッケルスセルは、光学的な回転の無い位置（０°）と概ね９０°回転との間でスイッチングされて、ナノ秒で開閉するシャッターを規定し得る。加えて、樹脂２２を露光する前にポッケルスセル及び偏光板の組み合わせ品を０°〜９０°の位置回転して、ビーム２６のパワーを変え得る。
【００６８】
別の実施形態では、高速シャッターシステム４４は、ラジオ周波数の音波などの音波を用いる、音響光学効果を使用して、回折し、光の周波数を移動させる、音響光学変調器（ＡＯＭ）を含む。ＡＯＭの１つのタイプでは、圧電トランスジューサーをガラスなどの材料に取り付け、振動電気信号がトランスジューサーを振動させ、ガラス中に音波を生じさせる。音波は屈折率を変化させ、光源３２からの入射ビーム２６を分散させる。しかしながら、光源３２がフェムト秒レーザーを組み込んでいるときなどの場合には、ＡＯＭ内のビーム２６の光学分散は、ビーム２６の光学的な精度に影響を及ぼし得る。
【００６９】
更に他の実施形態では、高速シャッターシステム５４は、１つ以上の機械的なシャッター、可変フィルター又はエタロンなどの機械的なスイッチング素子を含み得る。高速シャッターシステム５４は、パワー制御４０に関して下記に更に詳述される、半波長板及び偏光ビームスプリッター又は半波長板及び偏光板も含み得る。ポッケルスセル、ＡＯＭ、機械的なスイッチング素子、及び他の高速シャッターシステムは、単独又は相互に組み合わせて使用され得る。
【００７０】
パワーメーター８８は、光学システム１１内の所望の個所でビーム２６のパワーをモニターし得る。加えて、いくつかの実施形態では、光学システム１１は、１つ以上のパワーメーター８８を含んで、光学システム１１内の複数の個所のビーム２６のパワーをモニターし得る。パワーメーター８８は、例えば、パワーを表示する電圧を出力するシリコンチップを含む、マルチメーターを備え得る。いくつかの好ましい実施形態では、パワーメーター８８は、National Institute of Standards and Technology（ＮＩＳＴ）のトレーサブルパワーメーターを含む。
【００７１】
いくつかの実施形態では、ビームサンプラーはビーム２６の一部を反射し得る。ビーム２６のこの反射された部分は、パワーメーター８８によりモニターされて、ビーム２６全体のパワーを測定する。ビーム２６の一部のみがパワーメーター８８の中に入力されるが、パワーメーター８８又は制御モジュール８４は、一部のパワー測定に基づいてビーム２６全体のパワーを見積もるのに、適切なアルゴリズムを使用し得る。パワー測定に基づいて、パワーメーター８８は、制御モジュール８４にフィードバックを提供し、ビーム２６のパワーを必要に応じて調整し得る。例えば、ビーム２６のパワーは、光源３２において又はパワー制御４０により調整され得る。他の実施形態では、下記に述べるように、パワー制御４０は、ビーム２６の一部をパワーメーター８８に導き、光学システム１１の残りにビーム２６の残りの部分を透過させる、ビームスプリッターを含み得る。
【００７２】
パワー制御４０は、ビーム２６の任意のパワー変動を補正する助けをするか、又は樹脂２２のビーム２６による露光の前に、ビーム２６のパワーを所望のレベルに制御し得る。光源３２により使用される一部の照射源によって、ビーム２６が実質的な平衡に達した後でも、ビーム２６は出力パワーの変動を呈し得る。例えば、パワー変動は、ビーム２６の所望のパワー出力のプラス・マイナス１パーセントの範囲内で変わり得る。ビーム２６を使用して、相対的に小規模の外形、すなわち、ナノメートル規模の外形を樹脂２２内でパターン作製するときには、このようなパワー変動は望ましくない場合がある。
【００７３】
したがって、パワー制御４０は、ビーム２６のパワーを所望のレベルに調整し得る。いくつかの実施形態では、パワー制御４０は、光源３２からの光を減衰させるのに、半波長板（ＨＷＰ）及び偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）又はＨＷＰ及び偏光板を含む。いくつかの実施形態では、光源３２が樹脂２２を少なくとも部分的に硬化するのに所望よりも大きいパワーを有するビーム２６を出力する場合、パワー制御４０は、光源３２からの光を減衰させる。ビーム２６のパワーを低下させることは、樹脂２２の体積をビーム２６の焦点２８に露光することにより作られる、少なくとも部分的に硬化されるボクセルのサイズを縮小する一助となる。
【００７４】
いくつかの実施形態では、ＰＢＳにおいて方向付けされる入射光（すなわち、ビーム２６）は、ＰＢＳにより少なくとも２つの部分に分割され、第１の部分は、ＰＢＳによりビーム２６の第１の部分のパワーに基づいてビーム２６のパワーを評価するパワーメーター８８の中に導かれ、ビーム２６の別の部分は、ＰＢＳにより光学システム１１の残りの部分から焦点面１４に導かれる。
【００７５】
一実施形態では、図６に示すように、ＨＷＰ  ９２が回転運動のために搭載され、高速ガルバノメーターモーターが制御モジュール８４又は加工システム１０の制御モジュール１２などの別の適切な制御モジュールの制御の下にＨＷＰ  ９２を回転させる。一実施形態では、ＨＷＰ  ９２は、中心軸９１を中心として時計周り及び反時計周りの方向にそれぞれ約４５°、合計約９０°回転され得る。ＨＷＰ  ９２が回転するにしたがって、ビーム２６の偏光成分は回転される。ビーム２６はＨＷＰ  ９２を出て、ＰＢＳ  ９３に入る。ビーム２６の偏光の性質によって、異なる量のビーム２６がＰＢＳ  ９３に透過し、ビーム２６のパワーを変化させ得る。いくつかの好ましい実施形態では、ＰＢＳ  ９３により反射されるビーム２６の一部は、光学システム１１の残りにおいて継続し、ビーム２６の透過部分は使用されない。
【００７６】
ビーム２６のパワーのＨＷＰ  ９２の角度依存性を実験的に求め、図７に示すように、角度に対するパワーの対応する曲線１０１を生成し得る。１つのタイプのポテンシャル曲線１０１を図７に示すが、例えば、直線、指数曲線などの他の曲線が可能である場合もある。実験的に誘導される曲線がソフトウエアの中にプログラムされ、ＨＷＰ  ９２の回転によるビーム２６のパワーの制御に使用され得る。
【００７７】
一般に、ボクセル生成工程に対するビーム２６のパワーが実質的に実時間で変化し、樹脂２２内で１つ以上のボクセルを作り出すように、ＨＷＰ  ９２は、相対的に高速のパワー制御の達成を助ける。相対的に高速のパワー制御によって、少なくとも部分的に硬化されるボクセルの体積を実質的に実時間で変えることが可能となる。
【００７８】
一定の樹脂２２に対して、ボクセルサイズは、一般に、樹脂２２の体積により吸収されるエネルギーの量の関数として考えられ得る。単純には、樹脂２２の体積により吸収されるエネルギーの全量は、体積の樹脂６６がビーム２６の焦点２８に露光される時間の量に掛けるビーム２６のパワーにほぼ比例する。ビーム２６のパワー、ビーム２６の走査速度（したがって、樹脂２２の体積の露光時間）、及びボクセルサイズの間の関係はかなり複雑であり得、異なるパワー／速度の組み合わせにおいて線形又は非線形であり得る。
【００７９】
パワー／走査速度とボクセルサイズの間の関係を実験的に求めることによって、光学システム１１を制御して、ビーム２６のパワー、ビーム２６の走査速度、又はその両方を変えることにより、樹脂２２内に所望の体積のボクセルを作ることを可能とさせる、相関を制御モジュール８４又は別の好適な制御モジュールに提供し得る。例えば、ビーム２６の走査速度を減少したときに、実質的に一定のボクセルサイズを維持するために、ビーム２６のパワーも必要な量（すなわち、実験的に求められる量）だけ減少し得る。
【００８０】
あるいは、所望のボクセルサイズの変化をもたらすために、ビーム２６のパワーと走査速度の組み合わせを選択し得る。１つの例として、所定の走査速度でパワーを増加することによって、樹脂２２の大きな体積を急速に硬化させるために望ましい、制限された解像度の外形を有する大きなボクセルサイズを生成し得る。この例では、小さいボクセル、したがって高い解像度の外形を作るために、大きな体積を限定された解像度で硬化する前後で、パワーが低下され得る（しきい強度以上の強度をなお維持しながら）。
【００８１】
別の実施形態では、実時間のパワー制御をもたらすためには、ポッケルスセルも使用され得る。例えば、ポッケルスセルに所定の電圧を印加することによって、ポッケルスセルを通過するビーム２６の偏光の性質の所定の変更が得られる。このようにして、ポッケルスセルは、ＨＷＰ  ９２を置き換え、ＰＢＳ  ９３と組み合わせて、ビーム２６の実時間のパワー制御を提供する。
【００８２】
更に他の実施形態では、パワー制御４０及び高速シャッター４４は、ＨＷＰ  ９２及びＰＢＳ  ９３などのパワー制御４０と高速シャッター４４の両方の機能をする同一部品を含み得る。次に、パワーは、ＨＷＰ  ９２の回転を制御することにより制御され、高速シャッター４４は、ＨＷＰ  ９２を偏光板９３の方向と直交する偏光方向に回転することにより作動され得る。
【００８３】
制御モジュール８４又は別の制御モジュールは、パワー制御４０を制御して、ビーム２６を減衰し、パワーメーター８８又は別のパワーメーター（パワー検出器１８５、パワー検出器２１２、若しくはパワー検出器２１３など）の出力に基づいて所望のパワーのビーム２６を提供し得る。
【００８４】
他の実施形態では、露光制御モジュール８２は、パワーメーター８８に加えて又はその代わりに他のパワー及びエネルギーモニター素子を含み得る。更には、所望のパワーレベルで設定するか、又は特定の光学部品に関してパワーレベル又は時間を追跡するために、他のパワー及びエネルギーモニター素子が特定の段階又は間隔で、及びさまざまな個所で光学システム１１に組み込まれ得る。
【００８５】
光学システム１１は、本明細書中ではこれ以降、位置検出器４６と呼ばれる別のモニターシステムを更に含み得る。位置検出器４６は、ビーム２６の焦点２８の位置を光軸２７に沿ってモニターする。特に、位置検出器４６は、基材２０と樹脂２２の間のインターフェース２４に関して焦点２８の位置をモニターする。インターフェース２４に関して焦点２８の位置を突き止め及び追跡することは、インターフェース２４における変動が樹脂２２中で形成される構造物の高さの実質的な部分であり得るために、多くの実施形態では重要である。加えて、構造物が樹脂２２内で形成され、基材２０の表面に結合していない場合には、樹脂２２の任意の非露光部分を除去する溶剤現像などの任意の以降の加工が基材２０から構造物を除去し得る。
【００８６】
位置検出器４６は、例えば、容量センサ、干渉計、共焦点センサなどを含む、広範囲の検出器を含み得る。「METHOD AND APPARATUS FOR PROCESSING MULTIPHOTON CURABLE PHOTOREACTIVE COMPOSITIONS」と題する米国特許出願第 60/752,529 号に述べられている、共焦点センサなどの共焦点センサが一般的に好ましい。共焦点センサは、インターフェース２４が光学システム１１の焦点又はその近傍に位置する場合に、樹脂２２と基材２０の間のインターフェース２４を検出する診断用素子である。光学システム１１の焦点２８は、ピンホールに共役であり、光学システム１１の焦点のインターフェース２４から再帰性反射される光のみがピンホールを通るようにされている。すべての他の点は焦点外となり、検出されない。この装置は、樹脂２２と基材２０のインターフェース２４を正確に位置決めする。通常、光学系及び高速度検出器がピンホールの後方に配置される。いくつかの実施形態では、ピンホールは、高速検出器に案内されることを除いてピンホールのように挙動する、シングルモード−又はマルチモードファイバーにより置き換えられる。
【００８７】
しかしながら、焦点がインターフェース２４に位置していない場合には、インターフェース２４のどの側に焦点２８が存在するかを決定することは難しい。したがって、代理人生理番号第 63182US002 号を有し、「CHROMATIC CONFOCAL SENSOR」と題されている、米国特許出願第 60/979,240 号に述べられているものなどの色共焦点センサが使用され得る。色共焦点センサは、光軸２７に沿ったインターフェース２４に関して焦点２８の改善された検出範囲を提供し得る。
【００８８】
インターフェース２４に関して焦点面の位置を測定するために、共焦点センサは、好ましくはビーム２６の波長又は波長範囲を含む、ビーム２６又は別のインタロゲータービームのいずれかを使用し得る。共焦点センサを焦点面の位置の測定に使用する場合、光学システム１１は、インターフェース２４から再帰性反射されるビームの少なくとも一部（ビーム２６又は別のインタロゲータービームのいずれか）を集め、その部分を分光計に導く光学部品を含む。光学部品は、例えば偏光ビームスプリッター及び光学リレーを含み得る。次に、分光計は、再帰性反射されたビームの強度と、場合によっては波長をモニターし、インターフェース２４に関して焦点２８の場所を測定するのに、この情報を使用する。インタロゲータービームを使用する場合には、インタロゲータービームは対物レンズ１１４に導かれ、ビーム２６の波長を含んで、インタロゲータービームとビーム２６の焦点が実質的に同一であって、インターフェース２４に関する焦点２８の位置を単純化することが好ましい。
【００８９】
光軸２７に実質的に垂直な面（図１中のｘ−ｙ面）中で基材２０を位置決めするために、位置検出器４６も使用され得る。上述のように、基材２０は、溝、凹部、突出部などの基点構造物を含み得る。共焦点センサなどの位置検出器４６は、焦点面を基材２０と樹脂２２のインターフェース２４に関して位置決めするために、存在するならば、位置検出器による信号出力の変化により凹部又は突出部は、容易に位置決めされる。基材２０（ｘ−ｙ面内の）に関する凹部又は突出部の個所が既知である場合には、それに応じてｘ−ｙ面内の基材２０に関する焦点２８の位置を決定し得る。
【００９０】
図８は、例えば、制御モジュール１１２、対物レンズ１１４、第２の発散変調器４８、第１及び第２のガルバノメーター５０、５２、及び光学リレー組立体１１６などの、ビーム２６の位置を改変する能力のあるサブシステムを含む光学走査モジュール１１０のブロック図である。光学走査モジュール１１０は、ビーム２６を画像面１４に導き、光を実質的にサブミクロンの精度で画像面１４上に集束する。さまざまな実施形態では、光学走査モジュール１１０は、ビーム２６を１次元、２次元又は３次元で導光及び集束する。
【００９１】
制御モジュール１１２は、露光システム１０の制御モジュール１２のように、マイクロプロセッサー、ＤＳＰ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、ディスクリート論理回路などのプロセッサーを含み得る。プロセッサーは、ソフトウエア、ハードウエア、ファームウエア又はこれらの組み合わせを実行して、対物レンズ１１４、発散変調器４８、及び第１及び第２のガルバノメーター５０、５２を制御し得る。図８に示す光学走査モジュール１１０の実施形態は、制御モジュール１１２を含むが、他の実施形態では、露光システム１０の制御モジュール１２は、対物レンズ１１４、発散変調器４８、及び第１及び第２のガルバノメーター５０、５２の必要な制御を提供し得る。あるいは、制御モジュール１２、１１２は、相互に組み合わせて使用され得る。
【００９２】
ビーム２６の位置を改変する能力のある１つのサブシステムは、ビーム２６を集束する対物レンズ１１４を含む。対物レンズ１１４は、樹脂２２の硬化に必要な強度を得るのに充分な（光源３２により出力されるビーム２６と組み合わせて）開口数（ＮＡ）を備え、したがって対物レンズ１１４のＮＡは、樹脂２２のタイプ、並びに少なくとも部分的に硬化される樹脂２２内で規定されるボクセルのサイズによって異なり得る。一実施形態では、対物レンズ１１４は、約１．０〜約１．８の範囲のＮＡなど高ＮＡ対物レンズを備える。「対物」レンズは、「対物」、「正」レンズ、又は「集束」レンズとも呼ばれ得る。いくつかの実施形態では、対物レンズ１１４は、油浸対物レンズ、又は屈折率整合流体などの浸漬対物レンズを含み得る。例えば、対物レンズ１１４と乾燥空気対物レンズの屈折率不整合によりビーム２６中で球面収差が起こるのを防止するために、浸漬対物レンズが含まれ得る。対物レンズ１１４は、ビーム２６の焦点をしっかりと樹脂２２の層の中に集束して、少なくとも必要なしきい強度を呈するビーム２６の一部（すなわち、焦点２８）に露光される樹脂２２の層の領域の硬化を開始する、しきい強度に達する。一実施形態では、対物レンズ１１４は、Nikon Corporation（Tokyo, Japan）から入手可能な Nikon CFI Plan Fluro 20X 対物レンズである。Nikon 20X マルチ浸漬対物レンズは０．７５の開口数及び１．１ミリメートル（ｍｍ）の視野を有する。
【００９３】
対物レンズ１１４の前方焦点面（すなわち、樹脂２２に最近接した焦点面）は、ミラーなどの光学システム１１のさまざまな他の光学要素と光学リレーの焦点、又は画像面１４を位置合わせするように選択され得る。平行化されたビームが前方焦点面の周りを２次元で旋回する場合には、集束ビームは、テレセントリック画像形成システムとして画像面１４を２次元で有効に走査する。一実施形態では、ビーム２６のｘ軸及びｙ軸の位置決めを行うために、光学走査モジュール１１０が光軸合わせされたビームを対物レンズ１１４の前方焦点面の周りを旋回するように配置される。
【００９４】
光学走査モジュール１１０は、第１及び第２のガルバノメーター５０、５２と、画像面１４などのバーチャルな個所に画像を中継する１つ以上の光学要素を含む１つ以上の光学リレー組立体１１６とを更に含む。第１及び第２のガルバノメーター５０、５２は、単独又は光学リレー組立体１１６との組み合わせのいずれかで、ビーム２６の位置を光軸に垂直な面内の少なくとも１つの方向で改変する能力のあるサブシステムを備える。一実施形態では、ガルバノメーター５０、５２は、ミラーを１つ又は２次元で旋回又は回転させるガルバノメーター上に搭載されたミラーを備え得る。光学リレー組立体１１６により生じる画像は、「内部」画像と考えられ得る。ビーム２６をｘ軸、ｙ軸又はｚ軸方向で走査することが望ましいが、走査装置（すなわち、対物レンズ１１４）が所望の空間内で物理的に適合しない場合には、光学リレー組立体１１６が有用であり得る。光学システム１１は、ビーム２６の走査位置を所望の個所（すなわち、画像面１４）に中継することにより、ビーム２６を走査する能力を維持しながら、走査装置を任意の好適な場所に置き得るように構成され得る。光学リレー組立体１１６を用いずにビーム２６を１つ以上の方向で走査装置を、走査することがなお可能であるが、曲面の画像面又はビーム２６の収差を生じ、不利であり得るために、相対的に遠い距離からこのようなことを行うことは、望ましくない場合がある。
【００９５】
図９に基本的な光学リレー１２０の１つの実施形態の概略光線図を示す。いくつかの実施形態では、光学リレー１２０は、光学走査モジュール１１０の光学リレー組立体１１６に組み込まれ得る。図９中、光学リレー１２０は、物体１２２、第１のレンズ１２４Ａ、レンズ１２４Ａに実質的に同一の第２のレンズ１２４Ｂ、及び物体１２６を含む。物体１２２及び１２６は物体の画像である。レンズ１２４Ａ及び１２４Ｂは、それぞれ焦点距離Ｆを有し、結果として、物体１２２及び１２６は、焦点距離Ｆ１の約４倍隔てられる。更には、レンズ１２４Ａ及び１２４Ｂは実質的に同一であるために、光学リレー組立体１１６は１：１の倍率をもたらし、物体１２２及び１２６は実質的に同一のサイズである。
【００９６】
他の実施形態では、他の倍率が可能である。更には、他の実施形態では、より少数の又はより多数の光学要素を含む他のタイプの光学リレーが光学走査モジュール１１０により使用され得る。例えば、いくつかの実施形態では、光学リレー組立体１１６は、さまざまな角度で傾斜している１つ以上のガルバノメーター５０、５２と共に使用されて、１次元、２次元、又は３次元でビーム２６を走査する。２つの光学リレー１３４及び１４０と２つのガルバノメーター５０、５２を含むシステム１３０の１つの実施形態の概略光線図を図１０Ａに示す。
【００９７】
システム１３０は、ガルバノメーター５０、レンズ１３６Ａ及び１３６Ｂを含む光学リレー１３４、ガルバノメーター５２、及びレンズ２４２Ａ及び２４２Ｂを含む光学リレー１４０を含む。システム１３０は、図８の光学リレー組立体１１６内に含まれ得る。平行化されたビーム２６、又は任意のタイプのビーム２６を少なくとも１つの寸法内で走査するために、システム１３０を使用し得る。図１０Ａに示す実施形態では、システム１３０は、平行ビーム２６をｘ軸及びｙ軸方向（直交するｘ−ｚ軸は図１０Ａに示され、ｙ軸は図１０Ａの面に垂直に方向付けられる）で走査するように構成される。
【００９８】
図１０Ａが図示するように、ビーム２６は、ガルバノメーター５０において方向付けられ、ガルバノメーターはビーム２６を実質的に垂直な方向で光学リレー１３４に向かって走査する。ビーム２６は、光学リレー１３４のレンズ１３６Ａ及び１３６Ｂを通過した後、ビーム２６はガルバノメーター５２上に投射され、ガルバノメーターは光学リレー１４０に向かって及び光学リレー１４０のレンズ１４２Ａ及び１４２Ｂからビーム２６を実質的に垂直な方向で走査する。ガルバノメーター５２は、第１の光学リレー１３４の内部画像に位置決めされ、このようにして、第１の光学リレー１３４の内部画像が第２の光学リレー１４０の物体でもある。
【００９９】
一般に、光学走査モジュール１１０の制御モジュール１１２は、第１及び第２のガルバノメーター５０、５２の方向を制御して、ビーム２６をｘ軸及びｙ軸方向で走査し得る。ｘ軸及びｙ軸方向の相対的な位置ビーム２６は、ガルバノメーター５０、５２の相対的な位置に従ってマッピングされ得る。このように、ガルバノメーター５０、５２のそれぞれの所定の位置は、画像面１４のｘ軸及びｙ軸中のビーム２６の位置に対応し得る。制御モジュール１１２は、第１及び第２のビームモニター３４、４２により出力される信号に基づいて、又はチャック搭載ＰＳＤ  ２１４に基づいて、第１及び第２のガルバノメーター５０、５２のそれぞれの位置を制御し得る。
【０１００】
いくつかの実施形態では、第１及び第２のガルバノメーター５０、５２は、一部の圧電走査装置及び音響光学走査装置と比較して、ビーム２６の相対的に速くかつ正確な走査をもたらすとういうことが判明した。ビーム２６の高速走査は、樹脂２２内で構造物を形成する速度の増加の一助となり得る。一実施形態では、第１及び第２のガルバノメーター５０、５２は、ガルバノメーターにより回転される誘電体を被覆したベリリウムミラーを含み得る。いくつかの実施形態では、ビーム２６をガルバノメーター５０、５２により走査する速度は、パワー制御４０がビーム２６のパワーを調整する速度よりも遅いということが望ましい場合もある。
【０１０１】
対物レンズ１１４は、その後方焦点面が第２のリレー１４０の内部画像になって、集束ビームが画像面１４に作られるように配置され得る。例えば、図１０Ｂに示すように、筐体１４４中の対物レンズ１１４が第２の光学リレー１４０のレンズ１４２Ｂの下流に配置されて、第２の光学リレー１４０から生じるビーム２６の内部画像は、対物レンズ１１４から集束される。対物レンズ１１４は、ビーム２６を画像面１４上に集束し、ビーム２６は、例えばｘ軸方向及びｙ軸方向（図１０Ｂに示す画像面に実質的に垂直に）に沿って少なくとも２次元で走査され得る。
【０１０２】
光学リレー組立体１１６及び第１及び第２のガルバノメーター５０、５２は、ビーム２６を画像面１４に対して実質的にｘ−ｙ軸で走査するが、光学走査モジュール１１０は、例えば第２の発散変調器４８、対物レンズ１１４、及びチャック１８を含む、焦点２８の位置をｚ軸（又は図４中では直交のｘ−ｚ軸を示す）中で改変する能力を有する、少なくとも１つのサブシステムを更に備え得る。ビーム２６の焦点２８を実質的にｚ軸に沿って走査することは、ボクセル位置決めを樹脂２２内で光軸２７に実質的に沿って（図１ならばｚ軸）行う一助となる。焦点２８を実質的にｚ軸方向に沿って走査するための３つの技術を下記に述べるが、いかなる好適な技術も使用され得る。例えば、異なる実施形態では、実質的に光軸２７に沿って焦点２８を走査するための技術は、機械的な素子、光学素子又はこれらの組み合わせを使用し得る。
【０１０３】
一実施形態では、モーター又は圧電素子は、対物レンズ１１４を実質的にｚ軸方向に沿って移動して、焦点２８を実質的に光軸２７に沿って走査する。ある場合には、対物レンズ１１４を光軸２７で走査することは、ｘ−ｙ面で位置決めするビーム２６の精度に影響を及ぼし得る。加えて、いくつかの実施形態では、圧電素子は、例えば、約４００ｎｍなど、光軸２７中の焦点２８の位置の制限された範囲を提供する。しかしながら、対物レンズ１１４を移動して、ビーム２６の焦点２８を実質的に光軸２７に沿って走査することは、他のビーム走査技術と比較して、ビーム２６の相対的に正確な位置決めを提供し得る。
【０１０４】
別の実施形態では、実質的にｚ軸方向に沿ってチャック１８を動かすために、露光システム１０は、ビーム２６の焦点２８を実質的に光軸２７に沿って走査するよりも機械的な組立体を含み得る。チャック１８を移動して、樹脂２２内で焦点２８の軸２７の位置を変えることによって、光学システム１１を実質的に面内に保つことが可能となる。しかしながら、樹脂２２、基材２０、及びチャック２８は、移動するには重量が相対的に大きく、それゆえチャック１８を移動することは相対的に低速の工程となり、露光システム１０の処理量を減少させ得る。すなわち、ある場合には、樹脂２２、基材２０、及びチャック１８の重量は、露光システム１０により樹脂２２内にボクセルを作成する速度に悪影響を及ぼし得る。
【０１０５】
図１１は、第２の発散変調器４８の概略図であり、ビーム２６を実質的に光軸２７に沿って走査するための技術で使用され得る。変調器４８は、ビーム２６が対物レンズ５４に入る前にビーム２６の発散を変える。発散変調器４８は、例えば、ケプラー望遠鏡などの非焦点系望遠鏡であり得る。
【０１０６】
発散変調器４８は、結像レンズ組立体１５２とコリメーション光学系１５６を含む。結像レンズ組立体１５２は、ｘ軸（図１１に直交ｘ−ｚ軸を示す）に沿って移動するように構成されている。結像レンズ１５２がｘ軸に沿って移動するにつれて、ビーム２６の内部焦点はコリメーション光学系１５６の前方焦点面１５４を通過する。図１１に図示するように、内部焦点がコリメーション光学系１５６の前方焦点面１５４と一致すると、ビーム２６はコリメーション光学系１５６から平行化され、放射する。内部焦点が前方焦点面１５４の左側にある場合には、発散変調器４８から出るときビーム２６は収束性であり、内部焦点が焦点面１５４の更に左である場合には、ビーム２６はより収束性である。逆に、内部焦点が焦点面１５４の右にあるならば、ビーム２６は発散性波面として出る。
【０１０７】
図９の光学リレー１２０（図１１では示さず）などの光学リレーは、コリメーション光学系１５６から出て、対物レンズ１１４に向けてビーム２６を導く、波面（すなわち、ビーム２６）を再生し得る。ビーム２６がコリメーション光学系１５６から発散性波面として出、発散性波面が対物レンズ１１４に入る場合には、ビーム２６は、平行ビーム２６の焦点でなく対物レンズ１１４から焦点に進む。他方、ビーム２６がコリメーション光学系１５６から収束性波面として出るときは、ビーム２６は平行ビーム２６の焦点よりも対物レンズ１１４に近い焦点に進む。このようにして、ビーム２６を光軸２７に沿って位置決めすることは、第２の発散変調器４８の結像レンズ組立体１５２を移動させることにより行われ得る。いくつかの実施形態では、結像レンズ組立体１５２は、対物レンズ１１４及びチャック１８よりも小さい重量を有し、それにより結像レンズ組立体１５２を匹敵する量の動力により移動対物レンズ１１４及び／又はチャック１８よりも高速で移動させることが可能となる。結像レンズ組立体１５２のより速い移動によって、樹脂２２内での焦点２８の更に高速の位置決めが可能となる。
【０１０８】
第２の発散変調器４８を使用して、ビーム２６の位置を光軸２７に沿って制御する実施形態では、対物レンズ１１４は、樹脂２２内で形成されるボクセルの品質を改善することができる範囲の入射波面を扱うように好ましくは設計される。
【０１０９】
いくつかの実施形態では、第２の発散変調器４８は、ビーム２６に収差を導入し得る。収差は、画像面１４の近くに導入される収差の補償にも使用され得る。いくつかの実施形態では、浸漬対物レンズは、画像面１４の近くに導入される収差を補償するのに使用され得る。しかしながら、乾燥空気対物レンズを単純に使用する実施形態では、ボクセルが樹脂２２内である深さ（ｚ軸方向に沿って測定される）で形成される場合には、球面収差が存在し得る。このような実施形態では、球面収差は、コリメーション光学系１５６中で反対量の球面収差を導入することによるなどの、第２の発散変調器４８の適切な設計により能動的に補償され得る。収差を補償することは、樹脂２２内の広範囲の深さで実質的に高品質のボクセルを形成することの一助となり得る。
【０１１０】
いくつかの実施形態では、上述の方法の２つ以上を使用して、実質的に光軸２７に沿ってビーム２６の焦点２８を走査することが好ましい場合がある。例えば、対物レンズ１１４上の機械的な走査を第２の発散変調器４８に沿って使用して、例えば、拡張された範囲の光軸２７制御などの焦点２８の増強された位置決め制御を実質的に光軸２７に沿って提供し得る。
【０１１１】
光学システム１１は他の随意のモジュールも含み得る。随意のモジュールのそれぞれを下記に詳述し、図１２に随意のモジュールのすべてを含む光学システム１６１を図示する。
【０１１２】
光学システム１６１は、光源３２に続く随意のパワーダンプモジュール１６３を含み得る。パワーダンプモジュール１６３は、名称が示唆するように、光源３２からのビーム２６出力のパワーを所望のレベル、例えば、光学システム１１中の以降の光学部品を損傷しないレベル又はほぼ樹脂２２の硬化を開始するのに必要とされるレベルまで低下させる能力のあるサブシステムである。パワーダンプモジュール１６３は、意図された用途に所望のパワーのビーム２６を放射する光源３２を使用するものなど、すべての実施形態において必要でない場合がある。
【０１１３】
図１３に図示する一実施形態では、パワーダンプモジュール１６３は、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１７１、随意の第２のＰＢＳ  １７５、及び二分の一波長板１７３を含む。直線偏光のビーム２６は、光源３２から出て、第１のＰＢＳ  １７１を通過する。次に、ビーム２６は二分の一波長板１７３を通過し、その後で第２のＰＢＳ  １７５に入る。第２のＰＢＳ  １７５に対して二分の一波長板１７３の回転を制御することにより、第２のＰＢＳ  １７５により光学システム１１の以降の部品に導かれるビーム２６の量を変え得る。
【０１１４】
光学システム１６１は、本明細書ではビーム品質カメラ及びパワーモニター１６５と呼ばれる、別のモニターシステムを更に含み得る。ビーム品質カメラ及びパワーモニター１６５を使用して、ビーム２６を抽出する光学システム１１内の個所でビーム２６のパワー、形状又は位置の少なくとも１つをモニターする。図１４に示すようなビーム品質カメラ及びパワーモニター１６５は、ビーム２６の小区分２６ａを反射し、ビーム２６の残りを透過するビームサンプリングミラー１８１を含む。ビームサンプリングミラー１８１により反射される区分２６ａは、ビームスプリッター１８３に通され、ビームスプリッターは、パワー検出器１８５に小区分２６ａの第１の部分２６ｂを、並びに例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）、ＣＭＯＳベースのカメラ、又は別のフォトダイオードベースのセンサなどの、ビーム２６の形状及び位置を検出する能力のある形状及び位置センサ１８７に区分２６ａの第２の部分２６ｃを送出する。パワー検出器は、光学システム１６１中のこの地点においてビーム２６の第１の部分２６ｂのパワーをモニターし、形状及び位置センサ１８７は、ビーム２６の第２の部分２６ｃの形状及び位置をモニターする。ビーム２６の第１の部分のみのパワーがモニターされるが、ビーム品質カメラ及びパワーモニターモジュール１６５はアルゴリズムを使用して、光学システム１６１中のこの地点においてビーム２６の全パワーを見積もりし得る。１つの好ましい実施形態では、パワー検出器は、Newport Corp.（Irvine, CA）から商品名 Newport 818 SL により入手可能である。
【０１１５】
パワー検出器１８５と、形状及び位置センサ１８７は、ビーム２６のモニターされたパワー、形状、及び位置に基づいて信号を出力し、光学システム１６１内のこの地点においてビーム２６のパワー、形状、及び位置が所望の特性の許容可能な範囲内にあるかどうかを決めるために、信号は制御モジュール１２により使用され得る。次に、制御モジュール１２は、光学システム１６１（例えば、第１の発散変調器３８、パワー制御４０など）の部品を制御して、ビーム品質カメラ及びパワーモニターモジュール１６５により出力される信号に応答してビーム２６のパワー、形状、及び位置の１つ以上に対して所望の調整を加え得る。
【０１１６】
光学システム１６１は、ビーム２６中の任意の不必要な分散（すなわち、パルス幅の広幅化）をモニター及び補正するための分散モジュール１６７を更に含み得る。分散モジュール１６７は、モニターシステム、群速度分散（ＧＶＤ）モニター１９１、及びビーム２６の分散を改変する能力を有するサブシステムを含むことができ、図１５に示すように制御モジュール１９５及び分散補償光学系１９３を含むことができる。
【０１１７】
ビーム２６のテンポラル特性は、一般に、ビーム２６の強度に影響を及ぼす。例えば、光源３２がフェムト秒のビーム２６をもたらす場合には、ビーム２６が画像面１４に向かって伝播するとき群速度分散（ＧＶＤ）が生成し、ビーム２６のピーク強度が減少して、ビーム２６は、ビーム２６が樹脂２２に到達したときに樹脂２２の硬化を開始するのに充分なしきい強度をもはや呈さない場合がある。フェムト秒パルスは、通常、テンポラルパルス幅によって、大きな帯域幅を網羅し得るさまざまな周波数からなる。これらの周波数が光学システム１１を伝播するとき、長波長（又は「赤色」）の光は、短波長（又は「青色」）の光よりも速く伝播する。これはＧＶＤと呼ばれる場合がある。
【０１１８】
ＧＶＤはパルス幅の時間を長くする効果を有し、望ましくない効果であることがある。ＧＶＤは、ＧＶＤモニター１９１を用いる分散モジュール１６７により測定され得る。１つの普通のＧＶＤモニターとしては自己相関装置が挙げられる。自己相関装置は入射パルスを取り込み、干渉計によりそれを分割し、第１の部分を可変遅延経路に沿って送り、第２の部分を設定経路長に沿って送る。次に、この２つの部分を結晶に送って、二次高調波（ＳＨＧ）として知られる非線形プロセスを作り出す。可変時間遅延に対するＳＨＧ光エネルギーはパルス幅の測定を生じる。しかしながら、自己相関装置は難点を有し、光学システムにおける適用可能性を限定する。難点としては、軸合わせに対して鋭敏であること、最初のパルスについての詳細を限定する、パルスの形状について仮定をしなければならないこと、及び強度又は相の測定が欠如していることが挙げられる。これらの難点のために、周波数分解光ゲート法（ＦＲＯＧ）又は超高速入射レーザー光Ｅ場の格子除去した現実的観測（ＧＲＥＮＯＵＩＬＬＥ）などの別のタイプのＧＶＤモニター１９１がビーム２６の分散をモニターし得る。ＦＲＯＧは、時間遅延の対するエネルギーではなく、時間遅延に対する信号スペクトルを測定する。これによって、パルスのパルス幅、強度、及び相対的な相を求める測定が可能となる。しかしながら、ＦＲＯＧは、慣用の自己相関装置よりも複雑であり、通常、高価である。ＧＲＥＮＯＵＩＬＬＥは、低複雑性のＦＲＯＧ素子であり、可動部分を持たず、位置合わせに対して鋭敏でなく、なおパルスの全相及び強度データを測定する。
【０１１９】
ＧＶＤに対して補正するためには、分散モジュール１６７は、プリズム、格子（標準の回折型又はファイバー型）、ミラー上のチャープ被膜、又はビームのスペクトル相を改変して、これらの分散補償された光学系中で赤色光が青色光よりも長い光路をとらなければないような光学系が構成される光学フィルターなどの分散補償光学系１９３、例えば、Gires-Tournois 干渉計又は Mach-Zehnder 干渉計の特別に設計されたカスケード鎖を用いて、ビーム２６を予備補償又は補正し得る。このようにして、すべての色が残りの光学システム１１を通過するのに、青色光は時間的に赤色光よりも充分に前方となり、実質的にすべての色は、同一時間に画像面８４に到着して、フェムト秒ビーム９０の超高速パルス幅を維持する。予備補償又は補正の量は、ＧＶＤモニター１９１により出力される信号に基づくものであり、制御モジュール１２又は分散モジュール１６７に使用される制御モジュール１９５など別の適切な制御モジュールにより制御され得る。
【０１２０】
いくつかの光源３２は、光源３２それ自身の中に組み入れられた制御可能な分散補償外形を含む。これらの光源３２を用いる実施形態では、光学システム１１の設計及び組み立てによって、追加の分散補償光学系は、所望若しくは必要であってもよく、又は所望若しくは必要でなくともよい。
【０１２１】
ビーム２６のパワーを制御するために、ビーム２６の分散特性の制御も使用され得る。例えば、ビーム２６の分散の量を増加させることにより、ビーム２６の焦点２８のパワーを減少させ得る。逆に、ビーム２６の分散の量を減少させることにより、ビーム２６の焦点２８のパワーを増加し得る。しかしながら、ビーム２６の分散を精密に制御することが困難であるために、いくつかの実施形態では、この方法は好ましくない場合もある。
【０１２２】
光学システム１６１は、随意の焦点面視認モジュール１６９も含んで、ビーム２６が対物レンズ１１４を出た後で、ビーム２６のパルス幅及び位置をモニターし得る。ビーム２６が最終の対物レンズ１１４を通過した後、パルス幅を検出することができる使用可能な素子が極めて少ないために、ビーム２６のパルス幅をモニターし、制御することは、実施困難である。焦点面視認モジュール１６９によって、ビーム２６に露光されると蛍光を発する材料をモニターすることにより、ビーム２６のパルス幅を相対的に測定することが可能となる。例えば、すべての他の変数が一定であると仮定すると、高蛍光は高ビーム２６強度を示唆し、短いパルス幅を示唆するために、高パルス幅は蛍光が検出される場合には、低蛍光が検出される場合よりも相対的に短いということを推測し得る。
【０１２３】
焦点面視認モジュール１６９によって、焦点２８をｘ−ｙ面（図１を参照）中で追跡することも可能となる。蛍光は、ビーム２６の焦点２８に位置する樹脂２２の体積に実質的に閉じ込められ、焦点２８の任意の運動は、樹脂２２内の蛍光源の対応する運動を生じる。したがって、空間解像度をｘ−ｙ軸中に有する検出器を使用することにより、樹脂２２の蛍光部分の位置、したがって焦点２８がｘ−ｙ軸で追跡され得る。
【０１２４】
１つのこのような好適な検出器は、いくつかの実施形態では、それぞれの四分割センサ中のシリコンチップにより出力される電圧に基づいて、ビーム２６の位置をｘ−ｙ面（光軸２７に垂直な面）で表示する４個のシリコンチップを含む、四分割センサ検出器を含む。別の好適な検出器としては、フォトダイオードのアレイが挙げられ得る。
【０１２５】
焦点面視認モジュール１６９は、光学システム１６１内の多くの個所で挿入され、例えば、ビームスプリッター、ビームサンプリングミラーなどにより樹脂２２から出る蛍光を受光し得る。
【０１２６】
光学システム１１、１６１（これ以降、「光学システム１１」と呼ぶ）内のビーム２６パワー及び焦点２８の位置の両方を較正することも必要である場合もある。したがって、露光システム１０（図１）は較正モジュール２１０を含み得、図１６に図示される。較正モジュール２１０は、例えば、低速シャッター２１１、パワーメーター２１２、チャック搭載パワーメーター２１３、チャック搭載位置センシング素子（ＰＳＤ）２１４、及び制御モジュール２１５を含む、多数のサブモジュールを含んでもよい。制御モジュール２１５は、一般に、較正モジュール２１０を制御する。一実施形態では、制御モジュール２１５は、マイクロプロセッサー、コントローラー、デジタル信号プロセッサー（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、現場書き換え可能なゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ディスクリート論理回路などのプロセッサーを含む。いくつかの実施形態では、プロセッサーは、ソフトウエア、ハードウエア、ファームウエア又はこれらの組み合わせを実行して、低速シャッター２１１、パワーメーター２１２、チャック搭載パワーメーター２１３、及びチャック搭載ＰＳＤ  ２１４を制御し得る。他の実施形態では、較正モジュール２１０は制御モジュール２１５を含まず、代わりに露光システム１０の制御モジュール１２により制御されるか、又は制御モジュール１２、２１５が較正モジュール２１０の制御に組み合わせで使用され得る。
【０１２７】
ビーム２６に樹脂２２を露光せずにビーム２６のパワー及び焦点２８の位置の両方の較正を可能とする、１つの光学部品としては、低速シャッター２１１が挙げられる。低速シャッター２１１としては、開いた位置から閉じた位置まで移動され得る、モーター駆動ミラーが挙げられる。いくつかの実施形態では、低速シャッター２１１は、高速シャッター４４よりも低速であり得、すなわち、低速シャッター２１１は高速シャッター４４よりも低速で入力に応答し得る。低速シャッター２１１は、光学システム１１内の任意の地点に配置され得、いくつかの実施形態では、低速シャッター２１１を光学システム１１の終点近く（すなわち、光学システム１１の最終的な光学要素にできるだけ近く）の地点に配置することが好ましい場合がある。低速シャッター２１１を光学システム１１の終点近くに配置することによって、低速シャッター２１１を光学システム１１の始点近くに配置する場合よりも画像面１４におけるビーム２６のパワーを代表する、ビーム２６のパワーを測定することが可能となり得る。これは、多くの光学要素がビーム２６のパワーに影響を及ぼすと予期されるためであり、したがって、低速シャッター２１１と光学システム１１の終点の間のより少数の光学要素の数が少なければ、低速シャッター２１１と焦点面１４の間のビーム２６のパワーの潜在的な変化を小さくする。
【０１２８】
低速シャッター２１１が開いた位置にある場合には、ビーム２６は、光学システム１１の他の光学部品（すなわち、露光制御モジュール８２など）の制御下で光学システム１１を通過し、樹脂２２を露光するようになされる。低速シャッター２１１が閉じた位置にある場合には、低速シャッター２１１は、ビーム２６を再びパワーメーター２１２に導き、ビーム２６のパワーを測定する。パワーメーター２１２は、例えば、パワーを表示する電圧を出力するシリコンチップを含む、マルチメーターを含む任意の好適なパワーメーターであり得る。いくつかの実施形態では、パワーメーター２１２は、National Institute of Standards and Technology のトレーサブルパワーメーターである。
【０１２９】
パワーメーター２１２はその出力を制御モジュール２１５に送出し得る。制御モジュール２１５は、ビーム２６のパワーを較正するのに、パワーメーター２１２の出力を使用し得る。例えば、制御モジュール２１５、又は露光システム１０の制御モジュール１２は、パワーメーター２１２及びデジタルカメラ６４の出力又はパワー制御４０のパワーメーターを比較し得る。制御モジュール２１５は、比較を単一の地点で行って、デジタルカメラ６４の出力、又はパワー制御４０のパワーメーターを調整して、パワーメーター２１２の出力を整合させるか、又は複数の光源３２の出力設定において比較を行い、デジタルカメラ６４又は制御４０のパワーメーターにより表示されるパワーをパワーメーター２１５により測定されるパワーと相関させる、較正曲線を生成し得る。これによって、デジタルカメラ６４及び／又はパワー制御４０のパワーメーターを配置する、光学システム１１中のさまざまな地点においてビーム２６のパワーをより正確に測定し、測定パワー値をより正確に比較することが可能となり得る。実際の送達パワーの較正は、光学システム１１を用いて樹脂２２中で形成される物品の忠実度を改善し、繰り返し性及び経時的な工程一貫性を確保する一助にもなり得る。
【０１３０】
低速シャッターは、また、樹脂２２の硬化を開始させることなく、インターフェース２４に関して焦点２８の位置を突き止めるために、位置検出器４６の使用を可能とし得る。例えば、低速シャッターは、閉じているときには、ビーム２６が樹脂２２上に当たらないように光学システム１１内の位置に配置されることができ、一方、インタロゲータービームは、基材２０と樹脂２２のインターフェース２４にインタロゲーション及び位置の突き止めさせる。
【０１３１】
システム較正モジュール２１０は、チャック１８に搭載されたモジュールも含み、ビーム２６が対物レンズ１１４を出た後、焦点２８及びビーム２６の位置及びパワーを較正し得る。特に、例示されている実施形態では、チャック搭載パワーメーター２１３及びチャック搭載ＰＳＤ  ２１４は、チャック１８に搭載されて、焦点面１４におけるビーム２６に関する情報を提供する。パワーメーター２１３及びＰＳＤ  ２１４は、対物レンズ１１４の視野内のチャック１８の任意の有用な個所に搭載され得る。すなわち、パワーメーター２１３とＰＳＤ  ２１４は、対物レンズ１１４がビーム２６を集束するチャック１８の任意の個所に搭載され得る。
【０１３２】
画像面１４におけるビーム２６及び焦点２８のパワー及び位置を較正することによって、光学システム１１全体の影響を考慮に入れることが可能となる。したがって、画像面１４におけるビーム２６及び焦点２８のパワー及び位置を較正することは、低速シャッター２１１とパワーメーター２１２を用いる較正よりも正確な較正を提供し得る。
【０１３３】
パワーメーター２１２と同様に、パワーメーター２１３としては、例えば、マルチメーターなどのＮＩＳＴトレーサブルパワーメーターを挙げることができる。マルチメーターがチャック１８上に直接に搭載され得るか、又はビーム２６をマルチメーターに導く、集光レンズがチャック１８に搭載され得る。マルチメーターは、ビーム２６のパワーを指示する電圧又は他の信号を制御モジュール２１５又は露光システム１０の制御モジュール１２などの別の好適な制御モジュールに出力し得る。次に、制御モジュール２１５は、パワーメーター２１３による信号出力を使用して、デジタルカメラ６４、パワー制御４０のパワーメーター、又はパワーメーター２１２をパワーメーター２１２を参照しながら上述したルーチンに類似した較正ルーチンで較正し得る。
【０１３４】
チャック搭載ＰＳＤ  ２１４は、第１及び第２のビームモニター３４、４２、及び第１及び第２のガルバノメーター５０、５２のそれぞれのＰＳＤ  ６２を含む、ビーム２６の位置決めを担うモジュールを較正し得る。上述のように、画像面１４のｘ−ｙ軸中のビーム２６の位置を第１及び第２のガルバノメーター５０、５２の位置に相関付けすることができる。加えて、ガルバノメーター５０、５２は、第１及び第２のビームモニター３４、４２のそれぞれのＰＳＤ  ６２による位置信号出力に基づいて制御され得る。したがって、第１及び第２のビームモニター３４、４２のそれぞれのＰＳＤ  ６２により検出される位置、第１及び第２のガルバノメーター５０、５２の位置、及びチャック搭載ＰＳＤ  ２１４により測定される、画像面１４におけるビーム２６の実際の場所の間の正確な較正を有することは重要である。制御モジュール２１５、又は露光システム１０の制御モジュール１２などの別の好適な制御モジュールは、第１及び第２のビームモニター３４、４２のそれぞれのＰＳＤ  ６２と、第１及び第２のガルバノメーター５０、５２を較正するのに、チャック搭載ＰＳＤ  ２１３による位置信号出力を使用してもよい。例えば、ＰＳＤ  ２１３は、ビーム２６の位置を検出し、２つの座標値（すなわち、ｘ軸座標値及びｙ軸座標値、又は動径座標値及び角座標値（極座標システム中で））を含む位置信号を出力することができる。制御モジュール２１５により、同一であるか又は同一でない場合もある、第１及び第２のビームモニター３４、４２のそれぞれのＰＳＤ  ６２により表示される座標値、及び第１及び第２のガルバノメーター５０、５２への座標値入力と、これらの座標値は比較され得る。存在する場合には、これらの座標値の間の差異は、ＰＳＤ  ６２及び／又はガルバノメーター５０、５２の座標値を更新して、ＰＳＤ  ２１３の座標値と整合させることにより、制御モジュール２１５が補正する較正誤差を表示し得る。この方法をＰＳＤ  ２１３により測定される複数の座標値に対して繰り返して、第１及び第２のビームモニター３４、４２のそれぞれのＰＳＤ  ６２、第１及び第２のガルバノメーター５０、５２、及びチャック搭載ＰＳＤ  ２１３により測定される、画像面１４のｘ−ｙ面内のビーム２６の実際の位置のより正確な較正を生成し得る。
【０１３５】
露光システム１０の安定性と、製造される物品の所望の物品への忠実度を確保する一助とするために、パワー及び位置較正ルーチンのそれぞれが物品の製造時、又は物品の製造の間の時間において周期的に繰り返されてもよい。
【０１３６】
完成物品に所望の外形を正確に生成するために、制御モジュール１２又は任意の他の好適な制御モジュールは、露光システム１０の制御を可能とさせるソフトウエア及び／又はハードウエアと、さまざまな光学モジュールを含み得る。このソフトウエア及び／又はハードウエアは、多数の制御システムレベルを含んで、さまざまなレベルの露光システム１０を管理し得る。例えば、このソフトウエア及び／又はハードウエアとしては、外形制御システム、監督制御システム、及び高速の高レベルの制御システムを挙げることができる。
【０１３７】
外形制御システムは、高速の集積化制御システムを含んで、ビーム２６への樹脂２２の露光を制御する。外形制御システムは、露光制御モジュール８２、光学走査モジュール１１０、及び第１及び第２のビームモニター３４、４２、位置検出器４６、及びシステム較正モジュール２１０を含むインターフェースを制御して、ｘ−、ｙ−、及びｚ軸での協調された位置及び露光制御を提供し得る。外形制御システムは、ビーム２６を所望の位置の中に移動させるために、実際のビーム２６位置及び三軸すべてに対する所望のビーム２６位置データを収集し、役割を担う光学モジュールを制御し得る。
【０１３８】
高速の高レベル制御システムは、露光システム１０のすべてのモジュールと接続し、物品生成の全体的な監督、光学的な診断、及びシステム順序付けを提供する。
【０１３９】
システムを運転する環境は、露光システム１０の動作を制限し得る。例えば、温度、湿度、及び電力の変動は、振動及び粒子の混入物と共に、露光システム１０を用いて物品を製造する工程に有害であり得る。したがって、露光システム１０中及びその周りで環境を制御することが望ましい場合がある。温度、湿度、及び粒子物質の含有量の１つ以上が露光システム１０中及びその周りで制御され得る。例えば、システム１０は、クラス１０００又はより良好なクリーン環境を提供するクリーンルームに収容され得る。周囲の環境は、システム１０が経験する温度の範囲を制限する温度制御も含み得る。例えば、いくつかの好ましい実施形態では、＋／−０．１℃よりも良好な温度制御を提供し得る。湿度も所望の物品に対して高忠実度の物品を作成する露光システム１０の能力に影響を及ぼす。いくつかの実施形態では、＋／−１０％よりも良好な相対湿度の制御を提供して、システム１０と製造物品に及ぼす湿度変動の影響を低減させるか又は実質的に除去し得る。
【０１４０】
露光システムへの電力供給の予期しない又は所望しない遮断は、露光システム１０の突然かつ無制御のシャットダウンにより引き起こされる欠陥により廃棄されるべき物品を生じ得る。例えば、ガルバノメーター５０、５２又は高速度シャッター４４を光源３２の前でシャットダウンと、硬化を所望しない体積の樹脂２２が硬化され得る。したがって、いくつかの実施形態では、システム１０は、無停電電源装置（ＵＰＳ）に接続されて、構築電源の停電の場合には、システム１０は書き込み対象の少なくとも現行の外形（しかし、可能性としては物品全体でない）を完成するのに充分長いバッテリー電源に移行し、樹脂２２の不必要な体積の露光を防止するソフトシャットダウンを行ってもよい。いくつかの好ましい実施形態では、加工対象の部分に対して有害な影響無しでパワーを回復した後で、ソフトシャットダウンが再開可能である。
【０１４１】
本発明のさまざまな実施形態について説明してきた。これら及び他の実施形態は、下記の特許請求の範囲内にある。
【図１】
2015179293.tif 000003
【図２】
2015179293.tif 000004
【図３】
2015179293.tif 000005
【図４】
2015179293.tif 000006
【図５】
2015179293.tif 000007
【図６】
2015179293.tif 000008
【図７】
2015179293.tif 000009
【図８】
2015179293.tif 000010
【図９】
2015179293.tif 000011
【図１０Ａ】
2015179293.tif 000012
【図１０Ｂ】
2015179293.tif 000013
【図１１】
2015179293.tif 000014
【図１２】
2015179293.tif 000015
【図１３】
2015179293.tif 000016
【図１４】
2015179293.tif 000017
【図１５】
2015179293.tif 000018
【図１６】
2015179293.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成27年7月2日(2015.7.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１４１】
本発明のさまざまな実施形態について説明してきた。これら及び他の実施形態は、下記の特許請求の範囲内にある。
〔態様１〕
露光システムであって、
ビームを光軸に沿って放射する光源であって、該ビームは樹脂中に多光子反応を誘起することができる、光源と、
多光子反応を受ける樹脂と、
パワー、パルス長、形状、発散、又は前記光軸に垂直な面内の位置から選択される前記ビームの少なくとも１つの性質を測定するモニターであって、該モニターは前記ビームの前記性質を表示する少なくとも１つの信号を生成するモニター及び
該モニターからの該信号に応答して前記ビームを調整するサブシステムを備える自動化システムと、
を備える、露光システム。
〔態様２〕
前記樹脂が、前記ビームの波長に対して実質的に透明である、態様１に記載の露光システム。
〔態様３〕
前記モニターが、第１のモニター及び第２のモニターを備える、態様１に記載の露光システム。
〔態様４〕
前記モニターが、前記ビームの形状及び発散の少なくとも１つをモニターする発散モニターを備える、態様１に記載の露光システム。
〔態様５〕
前記モニターが、前記光軸に垂直な面内の前記ビームの前記位置を検出し、前記光軸に沿った前記ビームの焦点の位置も検出するモニターシステムを備える、態様１に記載の露光システム。
〔態様６〕
前記サブシステムが制御装置を備える、態様１に記載の露光システム。
〔態様７〕
前記サブシステムがビーム走査モジュールを備える、態様１に記載の露光システム。
〔態様８〕
前記ビーム走査モジュールが、少なくとも１つの圧電駆動ミラーを備える、態様７に記載の露光システム。
〔態様９〕
前記サブシステムが発散変調システムを備える、態様１に記載の露光システム。
〔態様１０〕
前記発散変調システムが圧電素子を備える、態様９に記載の露光システム。
〔態様１１〕
前記発散変調システムが、それぞれが光学パワーを有する少なくとも２つの要素を備える態様９に記載の露光システム。
〔態様１２〕
前記サブシステムがパワー制御システムを備える、態様１に記載の露光システム。
〔態様１３〕
前記サブシステムが高速シャッターを備える、態様１に記載の露光システム。
〔態様１４〕
前記高速シャッターがポッケルスセルを備える、態様１３に記載の露光システム。
〔態様１５〕
前記ビームの特性を較正するための第２のシャッターを更に備え、該第２のシャッターが前記高速シャッターよりも遅い、態様１３に記載の露光システム。
〔態様１６〕
前記サブシステムが、少なくとも１つのガルバノメーターを搭載したミラーを含むガルバノメーターシステムを備える、態様１に記載の露光システム。
〔態様１７〕
前記樹脂内の位置で前記ビームを集束するための対物レンズを更に備える、態様１に記載の露光システム。
〔態様１８〕
前記樹脂を保持及び位置決めし、並びに前記樹脂に対する温度及び振動の少なくとも１つの影響を低減するための試料保持システムを更に備える、態様１に記載の露光システム。
〔態様１９〕
前記ビームが、多光子吸収プロセスにより前記樹脂中に重合を誘起する、態様１に記載の露光システム。
〔態様２０〕
前記ビームが約４００〜２０００ｎｍの範囲の波長を含む、態様１に記載の露光システム。
〔態様２１〕
前記ビームが約５００〜１０００ｎｍの範囲の波長を含む、態様１に記載の露光システム。
〔態様２２〕
前記ビームが約７５０ｎｍ〜約８５０ｎｍの範囲の波長を含む、態様１に記載の露光システム。
〔態様２３〕
前記ビームが約１０ｎｓ未満のパルス幅を含む、態様１に記載の露光システム。
〔態様２４〕
前記ビームが約１０ｐｓ未満のパルス幅を含む、態様１に記載の露光システム。
〔態様２５〕
前記ビームが約１００ｆｓ未満のパルス幅を含む、態様１に記載の露光システム。
〔態様２６〕
露光システムであって、
ビームを光軸に沿って放射する光源であって、該ビームは樹脂中に多光子反応を誘起することができる、光源と、
多光子反応を受ける樹脂と、
前記樹脂内のボクセル形状をモニターし、前記ボクセル形状を表示する信号を生成し、前記信号に応答して前記ビームを調整する自動化システムと、
を備える、露光システム。
〔態様２７〕
露光システムであって、
ビームを光軸に沿って放射する光源であって、該ビームは樹脂中に多光子反応を誘起することができる光源と、
多光子反応を受ける樹脂と、
前記樹脂内のボクセル形状をモニターする手段及び
該モニター手段からの信号に応答して前記ビームを調整する手段を備える自動化システムと、
を備える、露光システム。
〔態様２８〕
露光システムであって、
ビームを光軸に沿って実質的に第１の波長で放射する光源であって、該ビームは前記第１の波長で実質的に光学的に透明である樹脂中に重合を誘起する光源と、
第１のビームモニターシステムであって、該第１のモニターシステムは、前記ビームの第１の特性をモニターして第１の信号を生成し、前記第１の特性は、前記ビームの前記光軸に垂直な面内の前記ビームのパワー、形状、及び位置の少なくとも１つを含む第１のビームモニターシステムと、
前記ビームの発散をモニターする第１の発散モニターシステムと、
前記ビームの発散及び形状の少なくとも１つを調整する第１の発散変調システムと、
第１の速度で前記ビームのパワーを調整する第１のパワー制御システムと、
第２のモニターシステムであって、該第２のモニターシステムは、前記ビームの前記第１の特性をモニターし、第２の信号を生成し、前記第１及び第２の信号は前記第１の特性の調整に使用される、第２のモニターシステムと、
前記樹脂の露光を制御するために前記ビームを透過させる又は阻止する第１のシャッターと、
前記光軸に沿った前記ビームの焦点の位置をモニターする第３のモニターシステムと、
前記ビームの発散及び形状の少なくとも１つを調整する第２の発散変調システムと、
前記第１の速度より大きくない第２の速度で前記ビームを走査する第１のガルバノメーターシステムであって、前記走査は前記光軸に実質的に垂直な第１の方向に沿ったものである、第１のガルバノメーターシステムと、
前記第１の速度より大きくない第３の速度で前記ビームを走査する第２のガルバノメーターシステムであって、前記走査は前記光軸に実質的に垂直であり、前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿ったものである、第２のガルバノメーターシステムと、
前記樹脂内の位置で前記ビームを集束するための対物レンズシステムと、
前記樹脂を保持及び位置決めし、並びに前記樹脂に対する温度及び振動の少なくとも１つの影響を低減するための試料保持システムと、
を備える、露光システム。
〔態様２９〕
前記ビームが、二光子吸収プロセスにより前記樹脂中に重合を誘起する、態様２６に記載の露光システム。
〔態様３０〕
前記第１の波長が約７５０ｎｍ〜約８５０ｎｍの範囲にあり、前記ビームのパルス幅が約１００フェムト秒未満である、態様２８に記載の露光システム。
〔態様３１〕
前記第１の発散変調システムが、それぞれが光学パワーを有する少なくとも２つの要素を備える態様２８に記載の露光システム。
〔態様３２〕
前記ビームの前記第１の特性を較正するための第２のシャッターを更に備え、前記第２のシャッターが前記第１のシャッターよりも遅い、態様２８に記載の露光システム。
〔態様３３〕
前記第２の発散変調システムが圧電素子を備える、態様２８に記載の露光システム。
〔態様３４〕
前記ビームの分散を少なくとも部分的に補償する第１の分散システムを更に備える、態様２８に記載の露光システム。
〔態様３５〕
前記第１のシャッターがポッケルスセルを備える、態様２８に記載の露光システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
露光システムであって、
ビームを光軸に沿って放射する光源であって、該ビームは樹脂中に多光子反応を誘起することができる、光源と、
多光子反応を受ける樹脂と、
パルス長、形状、又は発散から選択される前記ビームの少なくとも１つの性質を測定するモニターであって、該モニターは前記ビームの前記性質を表示する少なくとも１つの信号を生成するモニター及び
該モニターからの該信号に応答して前記ビームを調整するサブシステムを備える自動化システムと、
を備える、露光システム。
【請求項２】
前記モニターが、更に、前記ビームのパワーを測定する、請求項１に記載の露光システム。
【請求項３】
前記サブシステムが、前記光軸に垂直な面内で前記ビームを再位置決めするように構成されたビーム走査モジュールを備える、請求項１に記載の露光システム。
【外国語明細書】
2015179293000001.pdf