(57)【要約】３次元構造の形成に使用するため、ホログラムで誘発された材料付着の装置および方法を説明する。電磁エネルギ源を、ホログラムの形態にて媒体を含むプロセス・チャンバ内に配向することができる。媒体は気体状の有機金属媒体でよい。ホログラムは、媒体を誘導して、ホログラムの形状に関連する固体構造を形成することができる。気体状媒体の圧力は、大気圧以下から１００ｐｓｉ以上の範囲でよい。あるいは、媒体は液体ポリマ、固体粒子などでよい。ホログラムは、ＬＣＤパネルまたは他の手段で形成することができる。さらに、ホログラフィック映画を１つまたは複数の媒体に投影し、複雑な３次元構造を形成することができる。
2004534965.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体から３次元固体構造を形成する装置で、
少なくとも１つのホログラムの形態で電磁エネルギを媒体中に投影するプロジェクタを備え、少なくとも１つのホログラムの形態である電磁エネルギが、エネルギを媒体に与え、媒体が少なくとも１つの位相を通して変化し、固体の３次元構造を形成する装置。
【請求項２】
プロジェクタが空間光変調器を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
媒体が気体状有機金属化合物である、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
プロジェクタが複数のホログラムを投影する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
ホログラムが一連の媒体を通して投影される、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
さらに、
第２プロジェクタを備え、第２プロジェクタが第２電磁エネルギを媒体中に投影する、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
媒体から３次元固体構造を形成する装置で、
ホログラムの形態で電磁エネルギを投影するプロジェクタと、
媒体を含む容器とを備え、容器は窓を有し、窓が、ホログラムの形態の電磁エネルギに対して透明であり、ホログラムの形態の電磁エネルギが窓を通過して媒体に入り、ホログラムの形態の電磁エネルギが、媒体にエネルギを与え、媒体が少なくとも１つの位相を通して変化して、固体の３次元構造を形成する装置。
【請求項８】
気体状媒体から３次元の固体構造を形成する装置で、
コヒーレントの電磁エネルギを生成するレーザ光源と、
コヒーレントの電磁エネルギを通過させてコリメート電磁エネルギーを生成するコリメーティング手段、
コヒーレントの電磁エネルギを通過させて、電磁エネルギの少なくとも１つのホログラムを形成し、この電磁エネルギの少なくとも１つのホログラムが気体状媒体に入るようになす空間変調器と、
気体状媒体を保持するよう操作可能な容器と、
容器の壁と隣接し、少なくとも１つのホログラムの形態である電磁エネルギに対して透明である容器と、
容器に接続された気体状媒体を容器へと選択的に流入させるよう操作可能な入口ラインと、
容器に接続された気体状媒体を容器から選択的に流出させるよう操作可能な出口ラインと、
容器内に配置された台と、
を備え、少なくとも１つのホログラムの形態である電磁エネルギが気体状媒体にエネルギを与え、エネルギによって気体状媒体が解離して、台上に固体の３次元構造を付着させる装置。
【請求項９】
３次元の固体構造を形成する方法で、
少なくとも１つのホログラムの形態である電磁エネルギを投影することを含み、少なくとも１つのホログラムの形態である電磁エネルギが媒体にエネルギを与え、媒体が少なくとも１つの位相を通して変化し、３次元の固体構造を形成する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の技術分野）
本発明は概ね材料付着プロセスに、特にホログラフィック付着の分野に関する。さらに特に、本発明は、位相変化を引き起こし、３次元自由形状を形成するプロセスに関する。
【０００２】
（発明の背景）
本出願は、２０００年１１月１７日付米国出願で「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ」と題する、米国仮特許出願第６０／２４９，６７８号にもとづく優先権を主張するものである。
【０００３】
３次元構造の形成には様々な用途がある。これらの用途には、高速プロトタイプ作成や層状製造技術などの大型用途がある。逆に、その用途には、半導体製造および微小電気機械的機械など、小型用途もある。
【０００４】
システムの複雑な製造は、往々にして非常に高価な機械類、工作機械類が必要であり、複雑な構造を形成するために、個々の部品を固定しなければならない。また、これらのプロセスに関与する労働力は、時間も費用もかかる。さらに、このような複雑な構造を生成し、相互に固定する場合、固定具を対象に配置するたびに、固定具の取付けによって部品の性能が低下しないことを保証するため、応力分析を実施しなければならない。このような複雑な構造は、実際の状態および実際の使用においてその性能を保護し、判断するため、複雑な分析を必要とする。構造が単純になるほど、このような構造の分析、および構造の挙動を予測するためのモデルの開発が容易になる。
【０００５】
高速プロトタイプ作成などの３次元構造の大型形成には、様々な形態をとることができる。多くの典型的な高速プロトタイプ作成技術は、テクノロジの層状製造技術を要する。このような技術は、往々にして一層ずつ部品を構築する。その技術の例には、ステレオリソグラフィ、固体生地硬化、選択的レーザ焼結、積層物体の製造がある。
【０００６】
以前は、ステレオリソグラフィが３次元プロトタイプ部品の生成に使用されていた。ステレオリソグラフィによって、ＣＡＤで生成した固体または表面モデルから部品を形成することができる。製造環境で実現する前に必要な段階全てを通して元の概念から工作機械を製造するプロセスは、時間も費用もかかる。実際に製品の生産／製造段階に到達する前にかかる時間の量は、金額で直接測定することができるので、これを減少させると、製造プロセスがより効率的になり、利益もあがる。ＣＡＤソフトウェアは、部品の幾何学的および寸法的要件の両方を画定する方法として使用される。歴史的に、ＣＡＤファイルからのデータは、電子的にステレオリソグラフィ・システムに転送することができる。使用可能なステレオリソグラフィ・システムには幾つかの異なるタイプがあり、それぞれが、必要なモデルの精度、機器の費用、モデルの材料、モデルのタイプ、および恐らくは最も重要なことであるが、モデル作成時間などの要素に応じて、独自の別個のプロセスを使用する。このようなステレオリソグラフィ装置の１つは、バットに入れた液体ポリマで構成され、その中に、構築すべきモデルのタイプによって規定された要件に応じて、非常に精密な単位で移動（下降）することができる可動エレベータ・テーブル／台がある。このシステムは、ヘリウム／カドミウム・レーザを使用して、小さいが強力な紫外線のスポットを生成することができ、これを使用して、バットの液体ポリマの頂部を走査する。この走査は、コンピュータ制御の光学走査システムによって制御される。レーザと液体ポリマが接触するポイントで、ポリマが溶融し、架橋によって固体になる。レーザ・ビームでｘ−ｙ表面を走査すると、点ごと、および層ごとにモデルがプラスチックの物体として形成される。
【０００７】
しかし、モデルの正確さは、使用される感光性ポリマのタイプ、および各層の深さに伴う条痕によって制限される。各層を形成するにつれ、次の層を走査できるよう、エレベータ台を下降させる。各追加層を形成するにつれ、これは以前の層と結合し、その結果生じた物体は、正確な数の連続層によって生成される。
【０００８】
次にこのプロセスの最後に、物体を支持構造から取り出し、表面仕上げが必要な構成になるまで、幾つかの方法で仕上げることができる。また、物体をメス型またはオス型として使用し、そこから工作機械を形成することができる。
【０００９】
ステレオリソグラフィの欠点は２つある。第１に、ステレオリソグラフィはレーザを走査する必要がある。したがって、３次元の物体を層および点ごとに形成する。この走査プロセスが時間を消費することがある。第２に、ステレオリソグラフィは、紫外線で容易に変形するプラスチック材料で使用されてきた。通常、このようなシステムでは、その結果生じる部品が脆弱で、強度が非常に低い。
【００１０】
同様に、固体生地硬化は、通常、紫外線感受性の感光性ポリマを使用する。しかし、これはステレオリソグラフィとは非常に異なる。固体生地硬化は、様々なワークステーションから製造した部品を移動させることを含む。１つのワークステーションで、感光性ポリマを紫外線に曝露させる。紫外線はマスクを通して投影する。この方法で、層全体を一度に形成する。層を曝露したら、残留液体ポリマで充填された未硬化区域をワックスで置換する。ワックスは、常温金属プレートで硬化し、その後、層をフライス加工して適正な高さにする。フライス加工ステーションも、層を除去あるいは剥がすことができる。次に、新しいポリマ層を加え、マスクを通して投影した紫外線に部品を再び曝露させる。
【００１１】
ステレオリソグラフィと同様、固体生地硬化は往々にして感光性ポリマに制限される。また、ステレオリソグラフィおよび固体生地硬化は両方とも、１層ずつの処理に伴う条痕のある部品を生成する。
【００１２】
急速プロトタイプ作成を、実際に作成する部品の概念に近づけるために考察された１つのプロセスは、レーザ焼結であり、ここでは実際に材料を付着させ、次に部品を作成できるよう、材料を焼結する。レーザ焼結では、ポリマ粉末、セラミック粉末、または他の材料をプラットフォームに散布する。レーザは選択区域を焼結し、粒子を相互に結合させる。一部の典型的な用途では、被覆したセラミック粒子をレーザで加熱する。被覆が溶融する。被覆が冷却するにつれ、粒子が相互に結合する。
【００１３】
選択的レーザ焼結は、２相遷移を含む。一方は固体から液体へ、次に再び固体へと戻る。多くの典型的な用途では、レーザ焼結は、区域にレーザを配向することを含む。したがって、ステレオリソグラフィと同様の制限が当てはまる。
【００１４】
もう一つの技術は、積層物の製造技術である。積層物の製造では、結合剤を有する下面のある箔をローラで押し付け、加熱する。箔を、以前の箔に圧延する。箔は、層またはスライスの輪郭に従ってレーザで切断する。
【００１５】
余分な材料をさらに容易に除去するため、スライスの外側にハッチングする。このハッチングが必要なのは、層が固体だからである。流体でのプロセスとは異なり、余分な材料の除去が困難になる。上記のプロセスと同様に、積層物製造プロセスは、使用できる材料、および上述した層積層によって制限される。
【００１６】
このような層製造技術はそれぞれ、材料、層状の条痕、および物体を再現できる精度によって制限される。技術は、材料を段々に層状にするので、精度は層の厚さに制限される。これらの技術は、条痕のある物体を生成することが多い。
【００１７】
小規模のプロセスについて見ると、３次元構造を生成する１つのプロセスは、フォトリソグラフィである。フォトリソグラフィは、半導体の製造に使用することが多い。
【００１８】
フォトリソグラフィの典型的な一例では、シリコンのウェーハを化学的に洗浄し、表面上の粒子状物質を除去する。洗浄後、通常は二酸化シリコンであるバリア層を付着させる。フォトレジスト層を次に表面に加える。次に、フォトレジストを紫外線に曝露する。紫外線はマスクを通して配向し、これにパターンを与える。露光したら、フォトレジストの区域が選択的に溶解可能になるか、現像できなくなる。現像時に、フォトレジストの現像に対する抵抗力が弱い領域が溶解する。これによって、二酸化シリコンまたは金属化合物をさらに付着させることができる区域が残る。
【００１９】
フォトリソグラフィ・プロセスの一つの問題が、マスクの位置合わせに見られる。一連の３次元構造を構築するには、マスクを非常に慎重に位置合わせしなければならない。マスクを位置合わせする能力が、往々にして付着させる機構のサイズを制限する。さらに、フォトリソグラフィ・プロセスには多くの段階がある。その段階では、容器からウェーハを除去する必要がある。
【００２０】
さらに、これらの段階は、付着、洗浄、ベーキング、化学的溶解その他を含む多種多様なプロセスを必要とする。多くの典型的な用途では、これらの段階およびプロセスで、付着容器またはチャンバからウェーハを除去する必要がある。このウェーハ除去は、マスク位置合わせの問題を悪化させる。また、半導体チップ製造に必要な時間も増大させる。
【００２１】
したがって、３次元構造を形成する典型的な技術の多くは、正確なモデルを生成する場不充分でありまたは工作機械および方法ステップに過大な費用がかかるために問題のあるところである。先行技術にあるその他の多くの問題および欠点は、このような先行技術を以下で説明するような本発明と比較してみると、当業者には明白になる。
【００２２】
（発明の概要）
本発明の態様は、複雑な部品および設計のツールなし製造の方法およびシステムに見られる。このようなシステムおよび方法で部品を作成することができ、ツールは実際にはコンピュータに含まれるソフトウェア設計またはデータ・モデルである。したがって、本発明の場合は、付着路を制御するだけでよい。このような付着は、金属、セラミック、非金属、有機物、ポリマまたは他の材料でよい。
【００２３】
したがって、本発明の態様は、コンピュータに指令された付着プロセスによって、ツールなしで幾何学的に複雑な部品を生成することができるプロセスおよびシステムである。プロセスは、部品または複雑な構造の作成に必要な資源および／またはツールを削減することができる。部品を製造するこのツール作成は、往々にして、航空機やマイクロチップ自体などの複雑な構造を実際に構築するより費用がかかり、部品も多い。多数の小型部品を省いて、ツールを必要としなくするか、１つのツールしか使用せずにできれば、多額の投資を節約できる可能性がある。
【００２４】
本発明のさらなる態様は、金属などの固体を固体に移相させるプロセスに見ることができる。これは、１つの実施形態では、気体状の有機金属化合物を凝縮させて元素金属固体構造にすることができる。しかしながら、本発明は、様々な形式をとりうるものである。
【００２５】
この固体は３次元の自由形状を形成することができる。形状はホログラムによって決定することができ、固体を構成する原子を化合物から解離させるために必要なエネルギも、ホログラムによって供給される。その結果、中実形状を生成するためにホログラムを撮像する以外、ツールを必要としないプロセスとなる。
【００２６】
１つの例示的実施形態では、使用する気体相化合物の吸収帯が、ホログラムを生成し、原子を解離するために使用する電磁気エネルギの波長を決定する。しかし、本発明は、特定の電磁気エネルギの帯を使用して、感光性ポリマを硬化させたり、固体粒子を焼結したりするなど、他の形態をとってもよい。
【００２７】
ホログラムを媒体に導入する前に、気体相化合物の温度および／または圧力を上昇させると、付着速度を上げることができる。付着プロセスは、ホログラムを媒体に導入時、ミクロン秒以下の時間枠で実行することができる。この付着時間の結果、解離した原子が重力の影響で落下する。
【００２８】
本発明の別の態様は、ホログラフィック映画の使用に見ることができる。大きく複雑な材料のボリュームまたは複雑な材料自体を構築するには、経時変化するホログラムまたは映画でこの固体形状を漸進的に構築するか、複合タイプ構造の異なる材料を漸進的に形成する必要がある。
【００２９】
３次元自由形状は、ホログラムを適切に調節して、プラテンまたは支持体上に構築することもできる。ファンデルワールス力によって、解離した原子を凝集して結晶格子にすることができる。
【００３０】
本発明の他の態様は、固体形状または凝縮材料の密度を、「エーロゲル」から１００％高密度の物体に動的に調節することができるプロセスの変形を含むことができる。さらなる変形は、先駆材料を操作して、遷移組成またはドーピング合金などの合金の凝縮を可能にすることを含む。プロセスに熱的にバイアスを加えると、付着を開始させるのにエネルギを低くした方法を使用することができる。これは、加熱した基板の使用を含み、これは適切に処理すると、インベストメント鋳造の置換として、これに似た大量の材料の凝縮が可能になる。
【００３１】
本発明の別の態様は、単純な形状の開発を含み、これは単純化したタイプのプロセスを使用して形成する。この実施形態では、ホログラムは必要なく、レーザ、電子またはイオンなどのエネルギ・ビームをコンピュータで整合させるか、電磁放射線を適切に集束させ、制御することにより、所望の領域で解離および付着を開始させる。
【００３２】
したがって、３次元構造を形成するためのシステムについて説明する。本発明の他の態様、利点および新規の特徴は、添付図面と組み合わせて考察すると、本発明の詳細な説明から明白になる。
【００３３】
本発明およびその利点をさらに完全に理解するため、次に、添付図面と組み合わせて、以下の説明を参照するが、そこで同様の参照番号は、同様の機構を示す。
【００３４】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
図１は、本発明による３次元固体構造の形成を容易にするプロセスの概略ブロック図である。システム１０は、電磁エネルギのホログラム１４を媒体１６に投影するプロジェクタ１２を有する。電磁エネルギのホログラム１４は、媒体１６にエネルギを与える。このエネルギが媒体の移相を引き起こし、それによって中実自由形の３次元構造を形成することができる。自由形構造は、ホログラム１４に関連する形態をとることができる。
【００３５】
プロジェクタ１２は多くの形態をとることができる。その形態には、特にフィルムおよび／または空間光変調器を通して電磁エネルギを投影する電磁エネルギ源が含まれる。この電磁エネルギ源には、レーザ、加熱フィラメント、荷電ガス源、アーク源、光学パラメトリック発振器などが含まれる。さらに、この電磁エネルギ源は、電磁エネルギの細い帯を投影するか、フィルタリングして、特に電磁エネルギの細い帯を投影することができる。
【００３６】
フィルムは種々の形態をとることができる。さらに、空間光変調器は種々の形態をとることができる。その形態には、振幅のみの形態、位相のみの形態および／または位相および振幅の形態がある。その空間光変調器は、コンピュータ・システムで制御してよい。コンピュータ・システムは、所定のホログラムを使用するか、ホログラムを計算する、または他の手段によって、ホログラムの形成を指令することができる空間光変調器には、特にディジタル光プロセッサ、ＬＣＤスクリーン、および空間光位相変調器がある。
【００３７】
媒体は多くの形態をとることができる。その形態には、特に固体粒子、液体、および気体媒体がある。例えば、媒体は、液体ポリマ、焼結セラミック粒子、気体状金属化合物、シランなどでよい。
【００３８】
図２は、本発明により３次元自由形構造を実行する方法のブロック流れ図である。方法３０は、まずブロック３２に見られるように、チャンバを準備する。チャンバは、これを媒体で充填することにより準備することができる。次に、ブロック３４に見られるように、電磁エネルギのホログラムを生成する。次に、ブロック３６に見られるように、電磁エネルギのホログラムをチャンバおよび媒体内に投影する。その結果、ブロック３８に見られるように、３次元構造を生成する。ホログラムは媒体にエネルギを与え、これによって媒体は次元構造へと移相する。３次元構造は、ホログラムに関連する形状をとる。
【００３９】
ホログラムは、プロセス以前、プロセスと同時、およびその他で生成することができる。さらに、方法の諸ステップは、他の順序で実施してよい。また、方法は、本発明による図示のステップのサブセットを備えてもよい。
【００４０】
図３は、図１により３次元構造を形成するシステムの例示的実施形態を示す略図である。この例示的実施形態５０では、電磁エネルギ源５２が、空間光位相変調器４３を通して電磁エネルギを配向し、ホログラムを形成する。次に、電磁エネルギのホログラムは、容器５８の窓５６を通過する。ホログラムはエネルギを媒体６０に伝達し、これによってプラテン６２上に３次元構造が形成される。３次元構造は、ホログラムの形態に関連する。
【００４１】
この例示的実施形態では、媒体６０は例えば気体の形態をとることができる。この気体は種々の形態をとることができる。その形態には、トリメチルアミンアレン（ＴＭＡＡ）、トリエチルアミンアレン（ＴＥＡＡ）、ジメチルエチルアミンアレン（ＤＭＥＡＡ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリイソブチルアルミニウム（ＴＩＢＡ）、チタン酸テトラキス（ジメチルアミノ）（ＴＤＭＡＴ）、コバルトトリカルボニルニトロシル、テトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）などがある。
【００４２】
気体状媒体６０は、入口６４を通してチャンバ内に注入することができる。さらに、気体状媒体は、出口６６を通してチャンバから除去することができる。気体状媒体は、電磁エネルギのホログラムの投影が３次元構造の形成を開始するよう、ある状態に加熱するか、予備調整してもよい。例えば、媒体を加熱コイルで加熱してよい。
【００４３】
さらに、媒体の圧力を制御することができる。圧力は、付着速度に影響することがある。例えば、高圧媒体は高速の付着を促進する。例えば大気圧と１００ポンド／平方インチとの間の圧力は、大規模な部品の形成を補助することができる。しかし、大気圧以下の圧力などの低圧で、より精密な付着を可能にすることができる。例えば、大気圧以下で加圧した媒体を使用して、ＭＥＭまたは半導体構造を作成することができる。
【００４４】
しかし、媒体は他の種々の形態をとることもできる。例えば、感光性ポリマなどの液体媒体をチャンバに導入することができる。
【００４５】
また、一連または一組のホログラムをチャンバに投影してもよい。プラテンを上下させることができる。一連のホログラムおよび可動プラテン６２が相互に、または別個に機能して３次元構造を生成する。この方法で、条痕を軽減するか、解消することができる。
【００４６】
条痕の軽減は、層幅の減少を伴うことがある。本出願で表明する技術で生成する層は、典型的な技術のものより小さくすることができる。さらに、技術は、一部の例示的実施形態で、ほぼ原子の幅の層を生成するような構成でもよい。このように、物体の仕上げ加工にはツールが不要である。したがって、プロセスは製造プロセスに関連する費用および時間を削減することができる。
【００４７】
多くの典型的技術は、走査光源の使用を含む。しかし、ホログラフィック技術を使用すると、時間および／または費用の削減が見られる。典型的な技術の走査部分を、本発明に関連するホログラフィック技術と置換すると、各層の生成に必要な時間を削減することができる。
【００４８】
別の例示的実施形態では、一組のホログラムを一連の媒体に投影することができる。この媒体は、例えばチャンバに選択的に導入することができる。この方法で、１つまたは複数の様々な組成の３次元構造を形成することができる。
【００４９】
図４は、図１によるシステムの別の例示的実施形態の概略ブロック図である。システム７０はプロジェクタ７２を有し、これは電磁エネルギのホログラム７４を容器７６に投影する。ホログラムはエネルギを媒体に伝達し、それによって３次元構造を形成する。
【００５０】
電磁エネルギのホログラムに加えて、第２プロジェクタ８８は第２電磁エネルギまたは電磁エネルギの第２ホログラム８９を投影することができる。第２電磁エネルギ８９は、ホログラム７４とともに機能して、３次元構造の形成または付着を容易にすることができる。第２電磁エネルギ８９は、例えば同時または連続的に投影することができる。さらに、ホログラム７４は一連のホログラムまたはホログラフィック映画でよい。同様に、第２電磁エネルギ８９は一連のホログラムまたはホログラフィック映画でよい。一連のホログラム７４および第２電磁エネルギ８９は、調整した状態で投影することができる。
【００５１】
また、制御システム８４を使用して、ホログラム７４を制御することができる。制御システム８４は、ホログラフィック投影の時間を調節するよう機能することができる。さらに、制御システムは、一連のホログラフを投影させるよう機能してもよい。また、制御Ｓシステムをプロジェクタ、容器および／または第２プロジェクタに結合してもよい。制御システムは、種々の媒体を選択的に導入するよう機能してもよい。
【００５２】
例示的実施形態では、幾つかの気体状媒体７８、８０および８２を使用することができる。その気体状媒体７８、８０および８２を、一緒、同時または連続的および／または様々な組合せで容器に入れることができる。例えば、電磁エネルギのホログラムを、気体状媒体＃１を含む容器に投影することができる。気体状媒体＃１を交換し、吸引ポンプ８６で気体を吸引することにより、ホログラムを消すことができる。次に、第２気体状媒体８０を容器に入れる。次に、別の一連のホログラムを容器に投影し、それによって３次元構造の第２層または別の機構を付着させる。第２気体状媒体８０を第３気体状媒体８２で置換し、別の一連のホログラム７４を容器に投影し、３次元構造のさらなる層または機構を生成することができる。次に、第３気体状媒体を第４気体状媒体で置換することによってプロセスを継続するか、第１気体状媒体７８に戻る、またはプロセスを終了させることができる。
【００５３】
容器またはチャンバは、種々の気体化合物で充填してもよい。その種々の気体化合物を刺激し、波長を変化させることによって付着させることができる。位相空間光変調器を使用することにより、種々の波長のホログラムを媒体に投影することができる。この方法で、複数の明確な化合物を付着の関数として同時に付着させることができる。
【００５４】
図５は、図１によるシステムの例示的実施形態に使用する制御システムを示す概略ブロック図である。制御システム９０は、プロセッサ９２、プログラマブル回路９４、制御インタフェース９６、記憶媒体９８、およびユーザ・インタフェース１０６などを有することができる。記憶媒体９８は、ソフトウェア１００、記憶したホログラム１０２、または３次元構造１０９４の表示などを保持することができる。
【００５５】
制御システム９０は、個々のホログラムまたは一連のホログラムを媒体に投影するよう、空間光変調器を制御するよう操作することができる。制御システム９０は、プロセッサ９２およびプログラマブル回路９４がソフトウェアを使用してホログラムを生成するような方法で機能することができる。ホログラムは、記憶媒体９８で将来使用するため記憶するか、ホログラムを媒体に投影するのと同時に生成することができる。プロセッサ９２は、空間光変調器を操作するよう制御インタフェース９６に指令することができる。さらに、プロセッサは、所望の３次元構造１０４の表示を使用して、使用するホログラムまたはホログラムの組を決定することができる。
【００５６】
制御システム９０は多くの形態をとることができる。その形態には、コンピュータ、コンピュータのセット、他のマイクロプロセッサ・ベースのシステム、アナログ・システムなどがある。
【００５７】
プログラマブル回路は多くの形態をとることができる。その形態は、種々の手段を通してプログラムすることができる。その手段には、キーボード、ハンドヘルド装置、相互接続したネットワーク、マウスなどがある。この方法で、プログラマブル回路を適応させることができる。
【００５８】
ユーザ・インタフェースは多くの形態をとることができる。その形態には、ディスプレイおよび／または入力装置がある。ディスプレイは、テレビ、画面、コンピュータのモニタなど、種々の形態をとることができる。さらに、入力装置はキーボード、ハンドヘルド装置、マウスなどの形態をとることができる。
【００５９】
記憶媒体９８は多くの形態をとることができる。その形態には、ハード・ドライブ、取外し可能ドライブ、フラッシュ・メモリ、ネットワーク・ドライブなどがある。
【００６０】
所望の３次元構造または物体１０４の表示は、種々の形態をとることができる。その形態には、アナログの形態、ディジタルの形態、コンピュータ補助の図表示などがある。
【００６１】
図６は、図１による本発明の別の例示的実施形態を示す略図である。例示的実施形態１１０では、プロジェクタ１１２が電磁エネルギのホログラム１１４または一連のホログラムを容器１１６内に投影する。容器１１６内には、可動プラテン１１８があってもよい。この実施形態では、ホログラムを液体媒体または粉末状媒体に投影してもよい。さらに、物体が形成されるにつれ、液体媒体または粉末状媒体を噴霧器１２０でプラテンまたは３次元物体の周囲、その中またはその上に噴霧することができる。
【００６２】
１つの例示的実施形態では、台を連続的に垂直、水平またはその他に移動することができる。プロジェクタ１１４はホログラフィック映画を液体媒体中に投影することができる。そうすることにより、３次元構造を形成することができる。しかし、媒体は粉末状形態もとることができる。
【００６３】
この方法で、条痕または層がないか、条痕または層が最小の状態で３次元構造を形成することができる。このように、追加のフライス加工またはツールによる加工をせずに、プロトタイプ作成および構造形成を達成することができる。
【００６４】
図７は、ホログラムを作成するため、図１に見られるシステムで使用する例示的システムを示す概略ブロック図である。システム１３０は電磁エネルギ源１３２を有し、これは空間光変調器１４０を通して電磁エネルギのビーム１３４を投影し、電磁エネルギのホログラム１４２を形成する。例えば、電磁エネルギ源１３２はレーザ発生器でよい。レーザ発生器はビーム１３４を生成することができる。ビームはコリメータ１３６を通し、次に空間光変調器１４０を通過し、ホログラム１４２を形成することができる。さらに、レーザまたは他の単色源を使用することにより、単色または単波長ホログラムを生成することができる。あるいは位相のみの空間光変調器１４０を使用して、波長が位置とともに変化する可変波長を有するホログラム１４２を生成することができる。
【００６５】
ホログラムは種々の手段を通して生成することができる。その手段には、フィルム、結晶および空間光変調器がある。空間光変調器は種々の形態をとることができる。その形態には、振幅のみの形態、位相のみの形態および／または位相および振幅の形態がある。その空間光変調器はコンピュータ・システムで制御してよい。コンピュータ・システムは、所定のホログラムを使用するか、ホログラムを計算するか、または他の手段によりホログラムの形成を指令することができる。
【００６６】
図８は、本発明のホログラム付着プロセスの別の概要を提供する。図示のように、プロセス・チャンバ１５０は、ガス・ラインおよびガス制御システム１５４によってプロセス・チャンバ１５０に提供されたプロセス・ガス先駆物質１５２を受ける。レーザ源１５がレーザ・ビーム１５８を供給し、これは光学系１６０およびホログラムまたはコンピュータ制御の位相プレート１６２を介して配向され、プロセス・チャンバ１５０内の特定の位置でホログラフィック像１６４を解像する。プロセス・チャンバ１５０は大気圧以下または大気圧以上でよい。さらに、圧力は、圧力制御システム１７２で制御することができる。このように、ホログラム１６４を撮像するため、レーザ光に対して透明な窓１６６を設ける。ホログラムは、特定の位置でエネルギを提供し、付着した材料をガス先駆物質から解離する。典型的なＣＶＤプロセスは、比較的低い圧力で実施する。しかし、プロセス・チャンバ１６４内の圧力を上昇させ、付着速度を上げると有利である。熱源１７０は、プロセス・チャンバ内の付着速度を上げることができる別の方法である。付着速度は、プロセス・チャンバ１５０内の圧力および温度の両方を変化させ、上げることができる。
【００６７】
付着は、ホログラムを撮像した箇所でのみ生じ、これはそのポイントにおけるエネルギ濃度が、ガス先駆物質または他の先駆物質から原子を解放し、自由形の３次元物体を形成するのに十分だからである。これは、レーザ１５８などの光源を配向することによって達成される。レーザ源１５８は、光学系１６０によって２本のビームに分割することができ、これによってそのビームの一方を、レーザ１５８の２つの部分が特定の距離で干渉し、建設的に結合して像を構築するよう、ホログラム・プレート１６２を通して配向する。
【００６８】
本発明で見られる１つの態様は、ホログラフィの概念である。これはステレオリソグラフィ・プロセスとは異なる。ステレオリソグラフィ・システムは走査システムである。ホログラフィの場合は、一度に一箇所を撮像して、点ごとに層または大きい構造を構築するのではなく、３次元層全体を一度に構築することが可能である。これによって、処理時間を劇的に短縮することができる。例えばパルス・レーザなどを使用するステレオリソグラフィ・システムは、１つの点に付着する。これにより、点ごとに線を構築し、次に表面ボリュームを構築することが可能である。ホログラフィにより、点または線の走査が削減または解消され、さらに全ての点が統合して層状または３次元の物体を形成する。本発明は、個々の層の処理に制限する必要がない。低質量の非常に拡散する固体を、１層ずつではなく全体的に撮像することができる。一例はエーロゲルを形成することができる。あるいは、気体状環境の圧力を上昇させることにより、高濃度の金属を高濃度の液体または気体内に撮像することが可能である。
【００６９】
図９は、ガス保存システム１９２がプロセス・チャンバ１９４内で使用するガス先駆物質を含む本発明の第２の実施形態を示す。図９は、１つのガス先駆物質およびガス保存器１９２を示すが、任意の数のガスおよびガス・タンクを使用して、ガス先駆物質または他のタイプの先駆物質をプロセス・チャンバ１９４に供給することができる。システムは、制御されたシステム１９６で操作するソレノイド２００を有し、プロセス・チャンバ１９４への先駆物質の流れを調整してもよい。本発明の１つの実施形態は、処理チャンバ１９４を１００ｐｓｉに加圧して、処理チャンバ内の圧力が上昇した場合に獲得できる付着速度の高速化を利用することができる。これは、全て大気圧以下の圧力で実施される半導体プロセスなどの化学蒸着による材料の付着に使用する標準的プロセスとは異なる。圧力を低下させ、処理チャンバ内の付着を細かく制御することに伴う安全性および制御の理由がある。しかし、付着速度が速い大量付着システムを使用する場合は、圧力および温度の両方を上昇させて付着速度を上げることが望ましい。１００ｐｓｉの選択圧力は、恣意的な圧力であり、実際には大気圧以下の圧力から１００ｐｓｉを上回る圧力までの範囲でよい。付着速度を上げるには、選択圧力を上昇させる。１００ｐｓｉの圧力は一例として選択した。他の典型的な金属有機ガス先駆物質は、１００ｐｓｉでの操作に利点を有するからである。このように、その挙動特性が、その圧力で理解される。レーザ源１９８は、光ファイバ２０２を介し、コリメーティング・プレート２０４を通してレーザを供給する。図９に示す実施形態は、約２立方フィート（０．２２７ｍ３）の作業体積を有する。しかし、本発明はこの体積に制限されず、このプロセスは極微小レベルから超巨視的レベルまで完全に縮尺可能である。必要なガス先駆物質を提供することにより、選択的エッチングを伴う伝統的プロセスによる構造を形成する必要なく、パターン形成した層を付着させることができる。本発明のホログラフィック撮像システムに戻ると、コリメータの光学系２０４は、光ファイバ２０２によって提供されるレーザを送出する。位相プレート２０８を設けて、処理チャンバ１９４内のプラテン２０６に撮像すべきホログラムを生成する。位相プレート２０８は、動的にホログラムを生成するコンピュータ駆動の位相プレートでよい。したがって、ホログラフィック情報は、制御システム１９６を伴うコンピュータ内で計算し、位相プレート２０８内で表現して、リアルタイムでホログラムを生成することができる。このように、位相プレートの層を動的に生成し、それをプラテン２０６の作業表面に撮像することが可能である。処理チャンバ内で層を一定の位置に維持するため、処理チャンバ内でその垂直位置を操作することができる制御システムに、表面プラテン２０６を装着することができる。このようなシステムの一つは、提供される蛇腹タイプのシステム２１０か、あるいは処理チャンバ１９４内で３次元自由形像の進行を追跡することによる。ホログラムの連続層の像を、プロセス・チャンバ１９４内の異なる高さに順次撮像する。位相プレート２０８の１つの実施形態を駆動し、１秒間に５０回像を更新することができる。
【００７０】
表面プラテン２０６またはステージは、自身上に基板を有することができ、これは３次元自由形物体がステージ上で凝縮するにつれ、ゆっくり下降する。これは、位相プレートに一定の像の距離を提供することができる。しかし、本発明は、位相プレートからの一定の距離の像に制限する必要はない。むしろ、コンピュータ制御システム１９６が適切な位相プレートを慎重に追跡して計算し、プロセス・チャンバ１９４内に存在するガス先駆物質から３次元自由形が凝縮するにつれ、撮像することができる。一定の像の距離を使用するプロセスは、一定の像の距離を動的に計算するより、コンピュータ使用で単純になる。この方法で、図９に示す蛇腹機構などの機構により、層ごとにステージを層の厚さだけ下降させることができる。
【００７１】
本発明は化学蒸着を使用するので、最も単純な方法は、標準の金属有機化学を使用することである。実際、本発明の第１の実施形態は、アルミニウム金属有機物を使用する。これは、それがよく理解されているので選択された。しかし、本発明は、この化学現象に制限する必要はない。ガス先駆物質を操作することにより、複数のタイプの材料を備える多様な、または複雑な層を付着させることが可能であるよう、より新種の化学現象を使用してもよい。
【００７２】
あるいは、ホログラムを使用する必要がなく、複数のビーム間を干渉させ、そのビームが建設的に干渉する箇所で付着物を蓄積させることができる。この方法で、所望の箇所のみに付着物を発生させることが可能である。
【００７３】
本発明の独特な態様の一つは、図９に示すコンピュータ駆動の位相プレート２０８である。光の波長によっては、ＬＣＤパネルが位相プレート２０８の働きをすることができる。従来のＬＣＤパネルは、例えば６０ヘルツ、７０ヘルツまたは５０ヘルツで更新することができる。しかし、これ以外で更新してもよい。このように、コンピュータ駆動の位相プレート２０８を操作することにより、撮像したい層ごとにマスクを電子的に構築することができる。適切な光の波長に反応するコンピュータ駆動の位相プレート２０８を使用して、標準的なフォトリソグラフィ・プロセスのマスクを置換することができる。図９に示す位相プレートは、約４００ナノメートルで動作する。他のこのようなコンピュータ駆動の位相プレートは、ＬＣＤデバイスを構成する必要がない。むしろ、ディジタル・ミラー装置、フリップチップ・ミラーまたは全波ミキサを使用してホログラフィック像を生成することができる。あるいは、撮像したいフレームごとにフィルムのホログラム部片を露光させることができた。しかし、これは低速度のプロセスである。
【００７４】
図９に示すモータ駆動の作業台２０６は、単純にするために選択した。蛇腹が可動台を囲んで、これをガス先駆物質から保護する。この場合、蛇腹を処理チャンバ１９４と同じ圧力に加圧し、作業台を移動するのに必要な力を最小にする。これは、制御システム１９６から指令された制御弁２１２によって制御される。加圧したガスまたは真空２１８を必要に応じて蛇腹に提供し、処理チャンバ内の圧力と一致させることができる。しかし、他の方法を使用して構造およびプラテンを移動させてもよい。
【００７５】
このように、システムはホログラムを使用して３次元物体を生成することができる。ホログラムを使用すると、走査より高速になることがある。さらに、ホログラムは、他の典型的技術より薄い層を生成することができる。さらに、ホログラフィック技術の例示的実施形態は、分子または原子サイズの厚さの層を生成することができる。このように、これらの層はツール加工する必要がない。したがって、ホログラフィック技術は、走査、ツール加工、および他の製造の態様に伴う費用および／または時間を削減または解消することができる。
【００７６】
要するに、本発明は、付着システムで３次元自由形物体をホログラフィック撮像するシステムおよび方法を備える。このシステムはレーザ源およびレーザ光を位相プレートに光学的に伝達する手段を備える。この位相プレートは、コンピュータで駆動してよく、処理チャンバの窓を通して処理チャンバ内の特定の位置にホログラフィック像を撮像することができる。処理チャンバにはガス先駆物質を供給し、ここでガス先駆物質は、局所的に供給された撮像ホログラムのエネルギによって解離される。また、本発明のシステムは、コンピュータ制御システムを備えることができ、これはガス先駆物質の供給およびホログラムの撮像を動的に操作する。複数のガス先駆物質を使用して、異なる材料を備える層を撮像することができる。さらに、処理チャンバは、ガス先駆物質から解離すべき材料の付着速度を上げるため、高い圧力および／または温度で操作してもよい。排出システムを含めて、ガスの副産物および未使用のガス先駆物質を処理チャンバ１９４から除去する。
【００７７】
また、本発明のシステムは、ガス先駆物質から解離する材料の効率を上げるため、ガス先駆物質を濃縮する方法を含むことができる。像を形成する箇所で局所的に最高のガス先駆物質濃度を維持することにより、未使用のガス先駆物質が非効率的に無駄になることがない。この方法で、ガス先駆物質をホログラフィック像で効率的に空にし、排出システム２１４でガス副産物を除去するよう、処理チャンバ内でホログラフィック像の近傍に配置された分散マニホルドを有することが可能である。
【００７８】
本発明で見られる別の態様は、ホログラフィック像を形成する箇所のみで付着が発生する。このように、付着は処理チャンバ１９４内の他の位置では発生しない。これは、化学蒸着で通常見られる副産物の蓄積を減少させるために、極めて貴重である。往々にして、通常は形成された製品に欠陥を引き起こす可能性がある副産物の層を、チャンバをエッチングし、洗浄して除去するため、生産からＣＶＤ付着チャンバを除去する必要がかなりの頻度である。つまり、本発明は、チャンバの内部全体に大量に付着させ、その結果、付着した材料を非効率的に無駄にするのではなく、材料を付着させたい箇所で局所的に反応するという利点を提供する。
【００７９】
図８および図９に示すシステムの効率は、チャンバ内の動作圧力および提供されるガス先駆物質の流量の関数である。大気圧以下の圧力で操作する場合の効率は、低くなることがある。圧力を１００ｐｓｉまで上昇させることにより、効率が劇的に上昇する。処理チャンバ１９４上に監視装置２１６が図示されている。監視者が処理チャンバ１９４内で自由形物体の自然の形成を観察できるよう、圧力および温度モニタまたは窓があってもよい。さらに、カメラで付着を記録することができる。
【００８０】
図９のシステムは、位相プレート２０８を通過する１本の光線を示す。あるいは、複数の光線でホログラフィック像を生成してもよい。処理チャンバ１９４内でホログラフィック像を生成するため、いずれの方法を使用してもよいが、ホログラムを分析的ではなく光学的に生成する場合、プロセスは複数の光線を必要とすることがある。処理チャンバ１９４およびステージ２０６を加熱して、反応速度を上げることができる。ガス先駆物質が解離するために必要なホログラフィック像が低出力でもよいよう、温度を上昇させてもよい。このように、付着の効率が上がる。さらに、付着速度をさらに上げるため、１００ｐｓｉよりはるかに上で操作することが非常に望ましいことがある。図８および図９に示すシステムに伴う付着速度は、通常、１分間に数グラム付着する。
【００８１】
さらに、レーザ源１９８のエネルギを変化させることにより、ホログラフィック像のエネルギ密度を動的に増加させて、付着する材料の密度を増加させることが可能である。このように、３次元自由形状ばかりでなく、動的密度を備える３次元有形も構築することができる。この付着速度は、標準的な技術と比較すると低速であるが、ホログラフィック撮像にて毎分１ミリメートルで形成した部品は、構築に約２０分かかるが、従来の走査技術で形成したサンプル部品は、８時間かかる。層を５ミクロンごとに付着させる場合、形成される３次元自由形状は鏡面仕上げした表面を有する。表面の品質は、付着した層の厚さによって決定される。この場合も、生成した自由形の装置を、次に手作業で仕上げ、所望の表面構造を達成する従来のステレオリソグラフィ技術とは異なる。本発明は、金属の形状を生成するために容易に使用することができるが、非金属材料も使用することができる。
【００８２】
３次元像を形成するホログラフィック撮像レーザ・エネルギは、処決した粉末をレーザで走査し、粉末を特定の位置で溶融して、３次元物体を形成する他の技術にも適用することができる。走査する代わりに、層全体を一度に撮像することにより、３次元物体の付着速度または形成速度を上げることができる。この点で、ホログラフィック撮像を従来の３次元ステレオリソグラフィに適用することが可能である。
【００８３】
記載したように、本発明は、コンポーネントを作成する独特の方法を提供することができる。本発明は、金属などの固体を有機金属化合物などの気体相化合物から凝縮し、３次元自由形状を形成するプロセスを提供する。この形状はホログラムによって決定される。固体を形成する原子を気体相化合物から解離するのに必要なエネルギも、同じホログラムから供給される。このプロセスは、気体相、有機金属または他のこのような化合物を備える雰囲気中にホログラムを撮像すること以外、ツールによる加工はほとんど、または全く必要ない。ホログラムを生成し、原子を解離するために使用する光の波長は、使用するガス先駆物質の吸収帯によって決定される。プロセスは、ホログラムを媒体に導入する前に有機金属化合物の温度および圧力を上昇させることにより、捉進することができる。このプロセスは、ホログラムを媒体に導入した直後に実行され、その結果生成された解離原子は、重力の影響で落下する。複雑な形状の大量の材料を構築するには、経時変化するホログラムを再生して、固体形状を漸進的に構築する必要があることがある。形状は、ホログラムを適切に調節して、プラテンまたは支持体上に構築することもできる。このような場合、３次元自由形の個々の層を次々に撮像する。この場合、３次元自由形を撮像するにつれ焦点をシフトさせるか、あるいは自由形を移動させて、像に一定の焦点面を提供する。
【００８４】
本発明を、例示的実施形態に関して本明細書で詳細に説明してきたが、説明は例示的にすぎず、制限的な意味では解釈されないことを理解されたい。したがって、本発明の実施形態および本発明の実施形態の詳細には多くの変更が明白であり、本明細書の説明に関する当業者には変更できることが、さらに理解されたい。このような変化および追加の実施形態は、請求の範囲で記載されるような本発明の精神および真の範囲に入ることが想定される。
【００８５】
このように、ホログラフィック付着装置および方法が記載される。本発明の以上の詳細な説明および関連の図面に鑑みて、これで他の改造および変形が当業者には明白になる。このような他の改造および変形は、請求の範囲に記載された本発明の精神および範囲から逸脱することなく実行できることも明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明により３次元構造の形成を容易にするプロセスの概略ブロック図である。
【図２】
本発明により３次元自由形状を形成する方法のブロック流れ図である。
【図３】
図１により３次元構造を形成するシステムの例示的実施形態を示す略図である。
【図４】
図１によるシステムの別の例示的実施形態の概略ブロック図である。
【図５】
図１に見られるようなシステムの例示的実施形態に使用する制御システムを示す概略ブロック図である。
【図６】
図１に見られるようなシステムの別の例示的実施形態を示す略図である。
【図７】
図１に見られるシステムが使用するためのホログラムを作成する例示的システムを示す概略ブロック図である。
【図８】
ホログラフィック像が処理チャンバ内に光学的に撮像される本発明の１つの実施形態を示す。
【図９】
ホログラフィック像がコンピュータ駆動の位相プレートを使用して解析的に生成される本発明の第２実施形態を提供する。
【図１】
2004534965.tif 000003
【図２】
2004534965.tif 000004
【図４】
2004534965.tif 000005
【図５】
2004534965.tif 000006
【図６】
2004534965.tif 000007
【図７】
2004534965.tif 000008
【国際公開パンフレット】
2004534965.tif 000009
2004534965.tif 000010
2004534965.tif 000011
2004534965.tif 000012
2004534965.tif 000013
2004534965.tif 000014
2004534965.tif 000015
2004534965.tif 000016
2004534965.tif 000017
2004534965.tif 000018
2004534965.tif 000019
2004534965.tif 000020
2004534965.tif 000021
2004534965.tif 000022
2004534965.tif 000023
2004534965.tif 000024
2004534965.tif 000025
2004534965.tif 000026
2004534965.tif 000027
2004534965.tif 000028
2004534965.tif 000029
2004534965.tif 000030
2004534965.tif 000031
2004534965.tif 000032
2004534965.tif 000033
2004534965.tif 000034
2004534965.tif 000035
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004534965.tif 000036
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004534965.tif 000037
【国際調査報告】
2004534965.tif 000038
2004534965.tif 000039