(57)【要約】【課題】本発明は、書き込み領域（２０）で構造入力の所定の主方向（１６）を有する構造化装置（１０ａ，１０ｂ）によって三次元の全体構造（１８）を製作する方法に関するものであり、全体構造（１８）は全体として全体構造（１８）をなすように補い合う複数の部分構造（２２）がシーケンシャルに定義されることによって定義され、部分構造（２２）はそれぞれ包絡境界面（３６）の内部で区切られている。【解決手段】部分構造（２２）は、包絡境界面（３６）が構造入力の主方向（１６）に対して傾斜して延びるように定義される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
書き込み領域（２０）において所定の構造入力の主方向（１６）を有する構造化装置（１０ａ，１０ｂ）によって三次元の全体構造（１８）を製作する方法であって、
前記全体構造（１８）は、全体として前記全体構造（１８）をなすように補い合う複数の部分構造（２２）がシーケンシャルに定義されることによって定義され、
前記部分構造（２２）は、それぞれ包絡境界面（３６）の内部で区切られており、
前記部分構造（２２）は、前記包絡境界面（３６）が前記構造入力の主方向（１６）に対して傾斜して延びるように定義される、
方法。
【請求項２】
すでに存在している部分構造（２２）と反対向きの方向でそれぞれの部分構造（２２）を区切る境界面（３６）は、すでに存在している部分構造の外面（３８）を前記境界面（３６）が形成するとともに主方向（１６）と反対向きに間隔をおく視点（Ｐ）から前記外面（３８）を全面的に視認可能であるように延びている、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記部分構造（２２）は、前記包絡境界面（３６）による前記全体構造（１８）の切断面によって区切られる、請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記全体構造（１８）を表す第１データセットが準備され、
前記第１データセットをもとにして部分構造（２２）を表す第２データセットがコンピュータ支援式に求められ、
前記構造化装置（１０ａ，１０ｂ）が前記第１データセット及び前記第２データセットに従って制御される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
隣接する部分構造（２２）がそれぞれ少なくとも１つの同一の包絡境界面（３６）を有している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記包絡境界面（３６）は、前記構造入力の主方向（１６）とともに、前記構造入力の主方向（１６）に対して反対向きに開いた鋭角をなす、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記部分構造（２２）は分解ラスタの中に配置されており、
前記部分構造（２２）のそれぞれ少なくとも１つの包絡境界面（３６）は他の部分構造（２２）の少なくとも１つの包絡境界面（３６）と平行に延びている、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
部分構造（２２）をシーケンシャルに定義するために、前記構造化装置（１０ａ，１０ｂ）の書き込み領域（２０）がシーケンシャルに変位して、そのつど書き込みフィールド（２０）で部分構造（２２）が書き込まれる、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記全体構造（１８）の製作は、エネルギー入力による構造化が可能なリソグラフィ材料においてエネルギー放射法を用いて行われ、特に架橋可能または重合可能かつそれによって固化可能なリソグラフィ材料において行われる、
請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記リソグラフィ材料の重合は、前記書き込み領域（２０）の内部で空間的に変位可能な、少なくとも１つの書き込みビーム（１４）の少なくとも１つの焦点領域（３２）で行われる、
請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記リソグラフィ材料の重合は、２光子吸収または多光子吸収のメカニズムによって書き込みビーム（１４）の少なくとも１つの焦点領域（３６）で行われる、
請求項９または請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提項に記載されている、三次元の構造を製作する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
このような構造化方法は、特にミクロ構造やナノ構造、プロトタイプ（たとえばいわゆる「ラピッドプロトタイピング」）などを作製するために、あるいは特別な形状要求事項を有する工作物を作製するときに、たとえば実験の目的のために、ならびに大きな形成自由が望まれる分野で適用されている。
【０００３】
その場合、構造入力の所定の主方向を有する構造化装置がしばしば利用される。主方向は、通常、設計上の都合から設定されるものであり、たとえば構造化をする電子ビームの優先方向、レーザ光学系の光学軸、３Ｄプリンタの材料造形ビームの方向、あるいは３つの空間方向で制御可能な加工工具の機械的な軸などによって設定される。
【０００４】
構造化装置は、通常、設計上の都合から制限される書き込み領域も有している。このような制限された空間領域でのみ、構造化ないし構造入力を行うことができる。このとき所定の書き込み領域は、全体として製作されるべき構造全体よりもしばしば狭い。したがって、いわゆる「スティッチング方式」で、構造化装置の書き込み領域に対して適合化されて順次書き込まれる多数の部分構造に全体の構造が分解される。
【０００５】
特許文献１または特許文献２より、液体のリソグラフィ材料（たとえばフォトポリマー）からなる浴の中で、書き込みビームによる的確な露光によってブロック状の部分構造から、またはスティッチごとに、希望される構造が造形されるステレオリソグラフィ方法が公知である。そのために書き込みビームが局所的な露光により、リソグラフィ材料からなる浴の表面の層で、希望されるパターンにしたがって構造ブロックをそのつど重合させる。そして、リソグラフィ材料からなる浴の中で支持基板を段階的に沈降させていくことで、構造が層ごとに造形されていく。
【０００６】
この場合、すでに定義されている部分構造が、それに続いて書き込まれるべき部分構造の刻設を妨げる可能性があるという問題がある。たとえば構造がブロック状に分解される場合、すでに定義された構造ブロックの個々の区域が、次の部分構造を定義するときの書き込みビームを遮ったり邪魔したりすることがある。このことは構造化不良につながりかねない。したがって、希望される構造を非常に多くの数の部分構造に分解することがしばしば必要となるが、このことは、部分構造への分解のために、および部分構造の書き込みのために、長いプロセス時間を生じさせる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第４，５７５，３３０Ａ１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第５，２４７，１８０Ａ号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、できる限り短いプロセス時間で、構造化の信頼性と品質を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、請求項１に記載の３Ｄ構造化をする方法によって解決される。この構造化は、通常は設計上から設定される書き込み領域で構造入力の所定の主方向を中心として集中式に構造化を実行するように構成された構造化装置によって行われる。全体構造は、全体として全体構造をなすように補い合う複数の部分構造がシーケンシャルに定義されることによって定義され、シーケンシャルに書き込まれる部分構造はそれぞれ包絡境界面により区切られ、ないしは包絡境界面により全体構造から分断される。このとき部分構造は、包絡境界面が構造入力の主方向に対して傾斜して延びるように、すなわち主方向と平行でないように、ないしは主方向とともに少なからぬ角度をなすように選択される。
【００１０】
全体構造をなすように補い合う部分構造は、たとえば面状に相並んで位置することができ、および／または層状に相上下して位置することもできる。
【００１１】
構造入力の主方向とは、これに沿って構造化装置が書き込み領域で構造化の定義をするために実質的に作用する方向もしくは軸である。構造化は、たとえば適当なベース材料（たとえばリソグラフィレジスト）で行うことができ、あるいは、材料ビームを用いた構造の加算式の造形によって行うことができる。たとえばリソグラフィ装置は光学軸を中心として作用する書き込みビームを有しており、それにより光学軸が、リソグラフィ装置として構成された構造化装置の主方向を形成する。書き込みビームは、たとえばレーザビーム、イオンビーム、または電子ビームであってよい。３Ｄプリンタまたは３Ｄプロッタの場合、材料入力はビーム方向を中心として行われ、このビーム方向がやはり構造入力の主方向を形成する。原則として本方法は、工具軸が構造入力の主方向を定義する３Ｄフライスや３Ｄドリルにも適用可能である。
【００１２】
部分構造は、特に、全体構造が部分構造へと分解されて、それぞれ１つの部分構造が境界面により直接的に包絡されることによって規定される。その意味で包絡境界面は、特に、部分構造を定義するための仮想的な補助面である。部分構造は、たとえば境界面によって縁取られている全体構造の一部分として定義される。
【００１３】
部分構造の包絡境界面は、すでに存在している部分構造によって構造入力が主方向に沿って隠されることが回避されるように、構造入力の主方向に対して傾斜して延びている。したがって、部分構造について数値的に比較的大きい深さを主方向に沿って選択することが可能である。したがって全体構造を製作するために、比較的少ない数の部分構造ブロックへの分解しか必要ない。このことは、全体構造を部分構造へ分解するための明らかに短い計算時間と、部分構造を書き込むためのいっそう短いプロセス時間とを可能にし、構造品質や構造製作の信頼性が損なわれることがない。構造化装置の耐用寿命も延ばすことができる。必要な構造化操作の回数を全体として削減することができるからである。
【００１４】
それぞれの部分構造について、当該部分構造をすでに存在している部分構造と反対向きの方向で区切る境界面は、すでに存在している部分構造に接するのではない部分構造の外面を、構造化装置を起点として遮られることなく視認可能であるように延びていることが好ましい。そのために特に、部分構造が分解列に沿ってシーケンシャルに順次書き込まれることが考えられ、すでに存在している部分構造に対して選択された部分構造を反対向きの方向で区切る境界面は、当該境界面で形成される部分構造の外面が構造化装置のほうを向くように延びる。特に、すでに存在している部分構造に対して部分構造を反対向きに区切る境界面（すなわち外面）の面法線が、部分構造の範囲外で、着目する外面を起点として構造化装置のほうに向かってのみ延びていて、これから離れるように延びていないと好ましい。
【００１５】
部分構造は、包絡境界面による切断面によって全体構造が分解されることによって定義されることが好ましい。包絡境界面は好ましくは平坦に構成されるか、または平坦な各区域が組み合わされてなっており、このことは計算技術的に簡単な分解を可能にする。しかしながら、包絡境界面が湾曲した区域を有しているか、または湾曲して延びていることも考えられる。
【００１６】
原則として、部分構造への全体構造の分解はソフトウェア工学式に行われることが好ましい。その意味においては、全体構造を表すデータセット（たとえばＣＡＤデータ）が準備され、場合によりデータ担体または構造化装置の記憶装置に保存される。これをもとにして、特に部分構造を表す別のデータセットがコンピュータ支援式に求められ、構造化装置がデータセットにしたがって制御される。部分構造のデータセットは、包絡境界線による全体構造の切断面によってコンピュータ支援式に求められることが好ましい。特に、部分構造への全体構造の重なり合いのない全面的な分解がソフトウェア工学式に行われる。
【００１７】
分解は、隣接する部分構造が少なくとも１つの包絡境界線に沿って互いに接触するように行われることが好ましい。その意味において、部分構造への全面的な分解が行われることが好ましい。このとき隣接する部分構造は、それぞれ少なくとも１つの同一の包絡境界面を有することができる。したがって全体構造の完成後、区切りをする境界面はもはや定義された構造として存在するのではなく、全体構造へと全面的に統合される。
【００１８】
包絡境界面が、および特に包絡境界面の推移全体にわたる可能な一切の接線平面が、構造入力の主方向と反対向きに開いている、または構造化装置に向かって開いている鋭角を構造入力の主方向とともになすように、部分構造が求められることが好ましい。包絡境界面は、特に、境界面によって定義される部分構造の外面が、鋭角のもとで構造化装置のほうを向くようにアライメントされる。
【００１９】
特に０°よりも大きく４５°よりも小さい角度、好ましくは５°から２０°の間の角度、たとえば１５°の範囲の角度が好ましいことが判明している。
【００２０】
部分構造は分解ラスタの中に配置されてシーケンシャルに順次書き込まれることが好ましく、部分構造のそれぞれ少なくとも１つの包絡境界面は、分解ラスタの中で、他の部分構造の少なくとも１つまたは複数の包絡境界面と平行に延びている。特に、全体構造をなすように補い合う部分構造の包絡境界面は、それぞれ１組ごとに互いに平行に延びていることが考えられる。
【００２１】
部分構造をシーケンシャルに書き込むために、構造化装置の書き込み領域がシーケンシャルに変位して位置決めされることが好ましく、そのつど変位と位置決めの後に書き込みフィールドで部分構造が書き込まれる。書き込み領域を変位させるために、構造化装置を変位させるか、または基板を構造化装置に対して相対的に変位させることができる。
【００２２】
全体構造の製作は、エネルギー入力によって架橋可能または重合可能なリソグラフィ材料でエネルギー放射法により行われることが好ましい。このとき希望される三次元構造はリソグラフィ材料で、エネルギービームによるコントロールされた局所的な重合によって定義されて、場合により後続する現像ステップによって固化および／または露出される。特に、リソグラフィ材料はエネルギー入力によって固化可能である。しかし当然ながら、最初から固体のリソグラフィ材料を用いることもでき、そのようなリソグラフィ材料がエネルギー入力によって重合して、続く現像ステップで構造化したものが露出される。リソグラフィ材料は、重合していない状態のときに液体状、粘稠状、ゲル状、または固体状で存在していることが好ましい。たとえばリソグラフィレジスト、特にネガティブレジストを適用することができる。これは光重合可能な材料であることが好ましく、たとえばエネルギー放射法により、たとえば光、レーザ光、紫外線などの書き込みビームによって重合可能な光硬化性のプラスチックである。
【００２３】
リソグラフィ材料の重合は、書き込み領域の内部で空間的に変位可能な、構造化装置の放射源の書き込みビームの焦点領域で行われることが好ましい。その意味において構造化装置は、レーザリソグラフ、電子ビームリソグラフなどであってよい。さらに発展させた構成のために、書き込み領域に複数の書き込みビームを作用させることができ、それらの焦点領域が共同で構造化を行う。
【００２４】
リソグラフィ材料の重合が２光子吸収または多光子吸収のメカニズムによって書き込みビームの焦点領域で行われると特別に好ましい。このとき、２光子吸収または多光子吸収によってのみ重合が起こり得るように、リソグラフィ材料が構成されるとともに、書き込みビームの放射源がリソグラフィ材料に合わせて適合化されることが好ましい。そのために、たとえば重合のために必要なエネルギー入力が２つまたはそれ以上の量子の同時の吸収によってのみ実現される程度の大きさに、書き込みビームの波長を選択することができる（それに伴って対応する量子エネルギーが低くなっていてよい）。このような吸収プロセスが起こる確率は強度依存的であり、通常の書き込みビームと比較して焦点領域で明らかに高くなる。基本的な考察の枠内では、２つまたはそれ以上の量子が吸収される確率は、放射強度の２乗またはこれ以上の累乗に依存し得ることが明らかとなっている。これとは対照的に１つの量子が吸収される確率は、特に放射強度の低い累乗を含む別の強度依存性を有している。さらに、リソグラフィ材料へ書き込みビームが侵入するときに基本的に減衰が行われる。たとえば強度低下についてのベールの法則が、リソグラフィへの侵入深さに依存して該当し得る。その帰結として、単光子吸収を利用したうえで、リソグラフィ材料の表面下深くの焦点領域で位置解像式の重合をすることには問題がある。表面よりも下方で集束する場合でさえ起こる減衰に基づき、その場合に存在する焦点領域では必ずしも最大の強度が生じないからである。２／多光子吸収の前述したメカニズムは、リソグラフィ材料の表面下方においても、コントロールされた構造定義を可能にする。
【００２５】
次に、図面を参照しながら本発明について詳しく説明する。
【００２６】
図面は次のものを示している。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】３Ｄ構造化方法、およびその際に発生する投影式の構造化装置での問題を説明するための概略図である。
【図２】ビームガイド式の構造化装置を有する、図１に対応する図面である。
【図３】投影式の構造化装置を用いた本発明による方法を説明するための概略図である。
【図４】スキャン式の構造化装置を用いた本発明による方法を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下の説明ならびに図面では、同一または互いに対応する構成要素にはそれぞれ同一の符号が使われている。
【００２９】
図１から４の概略図には、（詳細は図示しない）リソグラフィ材料を相応の書き込みビームを用いて重合させることによる構造化がそれぞれ示されている。しかしながら、原則として本発明による方法は、部分構造が書き込み領域でシーケンシャルに書き込まれ、構造入力について主方向が設定されている一切の構造化方法に適用することができる。
【００３０】
図１には、投影装置１２によって書き込みビームバンドル１４が主方向１６の周囲の相応のアパーチュアを介して主方向１６へ照射される、第１の種類の構造化装置１０ａが示されている。書き込みビームバンドル１４は、たとえば希望される構造を定義するために構成された空間的な強度変化を有している。
【００３１】
希望される構造は、図１から４すべてにおいて符号１８で表されている（全体構造）。構造化装置１０は、設計上の都合から空間的に限定された書き込み領域２０を有しており、その内部でたとえば書き込みビームバンドル１４（図１）を用いて構造化を行うことができる。
【００３２】
図示した例では、書き込みビームバンドルは一例として、詳しくは図示しないリソグラフィ材料からなる浴へと照射され、この浴を書き込みビームバンドル１４によって重合化可能かつ固化可能である。
【００３３】
書き込み領域２０は希望される全体構造１８よりも小さい空間的な広がりを有しているので、全体構造が複数の部分構造２２に分解され、これらの部分構造は、図１および２の例ではブロック状に構成されるとともに、図１および２のケースでは主方向１６と平行に延びる包絡境界面２４により縁取られている。
【００３４】
全体構造１８を製作するために、部分構造２２がシーケンシャルに順次書き込まれ、たとえば図面に示唆している相並んで配置された部分領域２２の分解ラスタで書き込まれる。そのために書き込み領域２０がシーケンシャルに変位させられ、それは、たとえば詳しくは図示しない基板が位置決め装置２６によって構造化装置１０に対して相対的にスライドすることによる。書き込みフィールド２０の内部で、図１から４に示すように、部分構造２２がたとえばそれぞれやはりシーケンシャルに層２８から造形される。そのために、たとえば前述した基板を主方向１６に沿って段階的に変位させることができる。
【００３５】
図１の例では、書き込みビームバンドル１４はアパーチュアに基づいて少なからぬバンドル角を有しているので、すでに書き込まれている部分構造２２の各区域が、そのつど書き込まれるべき部分構造２２の領域３０を遮ることがある。領域３０でのこのような遮りは構造化不良につながる。
【００３６】
図２は、書き込みビームバンドルの焦点領域３２をビームガイド装置３４（たとえば傾動ミラー）によってコントロールしながら書き込み領域２０で位置決めして変位させることができる、構造化をするための別の方式を示している。そのために、第２の種類の構造化装置１０ｂが設けられている。ここでは特にスキャン式の方法が適用される。その際には、順次書き込まれる部分構造２２の各々がやはりシーケンシャルに層２８から造形される。
【００３７】
図２に略示するスキャン式のシステムでも、構造入力は主方向１６を中心として行われる。ビームガイド装置３４は書き込みビームバンドル１４を主方向１６の周りで書き込み領域２０の内部でのみ制御することができ、それにより、時間的、空間的な平均においてエネルギー入力が主方向１６に沿って行われるからである。
【００３８】
この場合にも、すでに存在している部分構造２２の個々の区域が書き込みビームバンドルを遮り、そのために書き込みフィールド２０の特定の領域３０が焦点領域３２にとってアクセスできなくなるという問題が発生する。
【００３９】
したがって全体として図１および２の方式では、部分構造２２が主方向１６に沿って非常に限られた広がりしか有していない。そうしないと領域３０が、製作されるべき全体構造１８を使いものにならなくすることになるからである。
【００４０】
図３および４を参照して、三次元の構造１８を製作するための本発明による方法について説明するが、ここでは構造化装置１０ａ（図１に相当）および／または１０ｂ（図２に相当）が使用される。したがって、構造化装置１０ａおよび１０ｂの構成要件に関しては、図１および２についての説明を援用する。
【００４１】
全体構造１８を書き込むために、やはり複数の部分構造２２が書き込みビームバンドル１４によってシーケンシャルに定義される。各々の部分構造２２は包絡境界面３６によって区切られる。特に全体構造１８が部分構造２２へと全面的に分解され、特に、隣接する部分構造２２が共通の包絡境界面３６を有するようになっている。
【００４２】
ここでは包絡境界面は、図１および２とは異なり、構造入力の主方向１６に対して平行に向くのではなく、主方向１６に対して傾斜して向いている。
【００４３】
図３の例では、すべての包絡境界面３６が互いに実質的に平行に延びるとともに、書き込みビーム１４のバンドル角に等しいか、またはこれよりも大きい角度を主方向１６に対して有している（ここでは、主方向１６と境界面３６との間で形成され、主方向１６と反対向きの方向に開く角度に着目する）。
【００４４】
このことは図３のケースでは、部分構造２２がシーケンシャルに書き込まれるとき、すでに存在している部分構造２２の各区域が書き込み領域２０で、そのつど書き込まれるべき部分構造を遮ってしまうことが回避されることにつながる。このことは、たとえば図３のケースでは、部分構造２２が図１と比較して明らかに大きい広がりを主方向１６に沿って有することができることにつながる。
【００４５】
図４の例でも、スキャン式のシステム（構造化装置１０ｂに相当、図２参照）を使用したうえで、それぞれシーケンシャルに書き込まれるべき部分構造２２を区切る境界面３６は、主方向１６に対して傾斜して延びている。
【００４６】
原則として、境界面３６は特に単純な平面よりも複雑な構成を有することもでき、たとえば区域ごとに互いに後続するそれぞれ別様に傾斜した平面および／または区域ごとに湾曲して延びる領域を有することもできる（図４参照）。これに応じてその場合にも、主方向１６に対して（局所的に）傾斜した境界面３６の推移に基づき、すでに存在している部分構造２２による遮りが書き込み領域２０の内部で回避される。
【００４７】
図３および４で明らかなように、ここでは包絡境界面３６は、書き込み領域２０の各区域への視線が主方向１６と反対向きに遮られないようにそれぞれ延びている。その意味において部分構造２２の境界面３６は、主方向１６と反対向きに間隔をおく視点Ｐのほうを全面的に向いていてこれにより自由に視認可能である、すでに存在している部分構造２２の外面３８をそれぞれ形成する。
【図１】
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【図２】
2016210189.tif 000004
【図３】
2016210189.tif 000005
【図４】
2016210189.tif 000006