СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ
METHOD OF OBTAINING THREE-DIMENSIONAL OBJECTS

Изобретение относится к процессам формирования (синтеза) трехмерных объектов произвольной формы с использованием технологии интерференционной литографии.
Из уровня техники известен способ синтеза трехмерных объектов с субмикронной точностью, характеризующийся сканированием объема фоточувствительного материала фокальной перетяжкой пучка лазера и основанный на двухфотонном поглощении света вблизи этой перетяжки пучка света (SU-8 for real three-dimensional subdiffraction-limit two-photon microfabrication. W.H. Teh, U. Durig, G. Salis, R. Harbers, U. Drechsler, R.F. Mahrt, C.G. Smith, H.-J. Guntherodt, Applied Physics Letters; Vol.84 Issue 20, p.4095, 2004).
К недостаткам указанного способа следует отнести:
- медленный процесс синтеза, так как требуется поточечное сканирование фотоматериала;
- невозможность серийного производства объектов, так как изделия производятся поштучно, и как результат - высокая стоимость получаемых изделий;
- трудности синтеза больших по размеру объектов из-за необходимости использования малой фокальной перетяжки.
Прототипом заявляемого изобретения является способ синтеза микрочастиц различной формы, характеризующийся освещением фоточувствительного материала интерферирующими волнами, проявлением фотоматериала и получением объектов (заявка WO 2008/097495, опубл. 14.08.08, МПК G03F 7/004).
Недостатком данного способа является невозможность получения объектов с наперед заданной формой.
Технической задачей заявляемого изобретения является синтез трехмерных объектов произвольной формы с субволновым разрешением.
Поставленная задача достигается тем, что в заявляемом способе синтеза трехмерных объектов произвольной формы методом интерференционной литографии осуществляют предварительный расчет амплитуд и фаз интерферируюцих когерентных волн по заданной форме объекта, освещают фоточувствительный материал последовательностью групп интерферирующих когерентных волн с получением трехмерного распределения плотности поглощенной световой энергии, проявляют полученный фотоматериал и получают твердые трехмерные объекты.
Кроме того, изобретение предоставляет возможность одновременного синтеза множества идентичных объектов произвольной формы, упорядоченных в двухмерную сетку, причем другой особенностью изобретения является то, что направление интерферирующих волн задают таким образом, чтобы проекции волновых векторов на некоторую плоскость располагались в периодической двухмерной сетке.
Изобретение позволяет осуществить синтез объектов при освещении слоя фоточувствительного материала с двух и более сторон или освещением слоя фоточувствительного материала с одной стороны.
С целью получения соответствующей синтезируемому объекту плотности поглощенной световой энергии расчет амплитуд волн корректируют с учетом конечного поглощения интерферирующих волн в слое фоточувствительного материала.
С целью оптимизации контраста и разрешающей способности способа расчет амплитуд и фаз интерферирующих волн осуществляют при помощи генетического алгоритма оптимизации.
С целью трехмерного уплотнения расположения идентичных объектов расположение одновременно синтезируемых объектов осуществляют в плоскости, перпендикулярной слою фоточувствительного материала и/или направлению освещения, причем трехмерное расположение (размещение) идентичных объектов осуществляют при перемещении слоя фоточувствительного материала параллельно его плоскости.
Для задания рассчитанных амплитуд и фаз волн при освещении фоточувствительного материала используют пространственно-временной модулятор света на основе жидкокристаллического модулятора или пространственно-временной модулятор света на основе микроэлектромеханического модулятора.
Как один из возможных вариантов реализации способа с целью синтеза трехмерного объекта, предлагается осуществлять расчет амплитуд и фаз интерферирующих волн при расчете дифракции волн, падающих и дифрагирующих в направлениях, соответствующих интерферирующим волнам, в том числе с использованием быстрого преобразования Фурье.
Для синтеза трехмерных объектов в качестве фоточувствительного материала используют сухие пленки негативных и позитивных фоторезистов или жидкие фотополимерные среды.
С целью повышения разрешающей способности метода при освещении фоточувствительного материала интерферирующими волнами используют нелинейные эффекты, в частности двухфотонное поглощение.
В качестве инструментального оборудования для освещения фоточувствительного материала интерферирующими волнами используют фурье-объектив или микрообъектив, в передней фокальной плоскости которых помещают пространственно-временной модулятор света.
С целью повышения разрешения и увеличения угла освещения при освещении фоточувствительного материала интерферирующими волнами используют различные виды иммерсии.
При освещении фоточувствительного материала интерферирующими волнами используют циркулярную поляризацию интерферирующих волн или линейную поляризацию интерферирующих волн, или эллиптическую поляризацию интерферирующих волн.
Для повышения качества получаемых изделий, для повышения контраста освещения оптимизируют и задают отдельно поляризацию каждой из интерферирующих волн.
Заявитель считает необходимым отметить, что данный способ можно применить для синтеза объектов 2,5 размерности (двухмерных, с толщиной сопоставимой или большей размера детали в плоскости фоторезиста).
Для того чтобы получить трехмерный объект методом интерференционной литографии, необходимо создать в фоточувствительном материале соответствующее трехмерное распределение плотности поглощенной дозы излучения. Например, для негативного типа фотополимера внутри границ объекта плотность поглощенной дозы излучения должна превышать свое пороговое значение для достижения полимеризации материала, а вне границ быть ниже этого значения. Чем больше разница между значением плотности поглощенной энергии вне и внутри объекта, то есть чем больше контраст полученной картины, тем выше качество передачи границ объекта, разрешение, ниже требования к нелинейности отклика фотоматериала, больше окно допустимых параметров процесса синтеза.
Как отмечалось выше, объекту произвольной формы ставится в соответствие трехмерное распределение плотности поглощенной энергии. Это распределение может быть представлено как сумма пространственных гармоник, вычисляемых посредством трехмерного Фурье-преобразования данного распределения.
Наиболее прямым способом получения такого распределения является последовательное экспонирование фотоматериала интерференционными картинами различного периода и ориентации, получаемыми от двух волн. При каждом экспонировании получают одну пространственную гармонику в распределении поглощенной энергии излучения. Обычно отклик фотоматериала в каждой точке пропорционален суммарной плотности поглощенной энергии, получаемой от всех экспозиций в их последовательности. Однако такой прямолинейный подход имеет принципиальные недостатки. Один из них - это то, что процесс экспонирования будет состоять из огромного числа экспозиций, примерно равного количеству векселей синтезируемого объекта. То есть, теряется преимущество интерференционной литографии, состоящее в ускорении процесса за счет параллельности экспонирования всего объема.
Проблему большого времени освещения (экспонирования) можно решать, освещая материал одновременно сразу многими взаимно некогерентными парами волн. Однако кроме того, что это трудно реализуемо технически, это не решит другой проблемы. Если освещение разными гармониками разнесено во времени или осуществляется некогерентными волнами, суммирование гармоник происходит по интенсивности, а не по напряженности поля. Поскольку интенсивность не может принимать отрицательных значений, в данном случае при каждом освещении добавляется фурье-гармоника только вместе с постоянной составляющей. Контраст получаемого таким образом распределения плотности поглощенной энергии будет слишком низок для обеспечения процесса синтеза.
Способ состоит из предварительного расчета амплитуд и фаз волн, экспонирования фотоматериала и обработки фотоматериала (запекание, проявление и пр.). Обработка фотоматериала производится как и при других способах литографии методом, соответствующим данному типу фотоматериала. Предпочтительны фоторезисты, разработанные для синтеза трехмерных объектов (толстослойные фоторезисты). Также предпочтительны фоторезисты с химическим механизмом усиления, с катионным механизмом полимеризации, позволяющим накапливать дозу поглощенного излучения от нескольких экспонирований.
Особую важность представляет способ экспонирования фоторезиста группами волн, направления которых охватывают весь телесный угол (4я стерадиан) или его половину (2я стерадиан).
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема экспонирования фоторезиста с одной полуплоскости; на фиг.2 - схема экспонирования фоторезиста с двух сторон (полуплоскостей); фиг.3 - синтезируемая деталь; фиг.4 - результат компьютерного моделирования шести балок; фиг.5 - результат компьютерного моделирования - турбина; фиг.6 - распределение плотности поглощенной энергии в плоскости XY при компьютерном моделировании турбины; фиг.7 - пример ориентации волновых векторов в двухмерном случае; фиг.8 -ориентация волновых векторов и их проекций, обеспечивающая одновременный синтез многих трехмерных объектов, распложенных в узлах квадратной сетки.
Рассмотрим один из вариантов экспонирования, соответствующий освещению слоя фотоматериала с одной полуплоскости (фиг.1). Предлагается следующая система, содержащая пространственно-временной модулятор света 1, фурье-объектив 2, подложка с фоторезистом 3. Используется фурье-объектив (желательно с большой числовой апертурой). В фокальной плоскости этого объектива помещается выходная плоскость пространственно-временного модулятора света, состоящего из двумерного массива пикселей. При прохождении пучком пространственного когерентного света (при освещении пространственно когерентным пучком света) такого модулятора можно управлять фазой и интенсивностью света на выходе каждого пикселя (каждого пикселя, независимо от других). Аналогично можно использовать модулятор, работающий на отражение. Таким образом, в передней фокальной плоскости фурье-объектива (на его входе) имеем набор источников света, подобных точечным источникам, причем интенсивность и фаза каждого источника задается отдельно. Тогда на выходе такого объектива (в его задней фокальной плоскости) получим набор коллимированных пучков света с задаваемой фазой и интенсивностью. Причем направления распространения (волновые векторы данных пучков света) будут соответствовать направлениям, которые могут обеспечить одновременный синтез множества идентичных объектов.
Вместо фурье-объектива может использоваться другой объектив или микроскоп-объектив.
В качестве пространственно-временного модулятора может использоваться жидко-кристаллический модулятор света или микроэлектромеханический модулятор света (например, цифровой световой процессор DLP фирмы Техас Инструменте).
Для снижения потерь света и обеспечения коллимированности интерферирующих волн на выходе пространственно-временного модулятора может помещаться линзовый растр - одна микролинза на один пиксель. С помощью таких линз мы можем сформировать нужные параметры пучка. То есть, выбором фокусного расстояния микролинз можно задать диаметр интерферирующих пучков в фотоматериале, собрать весь свет на выходе каждого пикселя и обеспечить коллимированность интерферирующих пучков.
Может использоваться как двумерный растр микролинз, так и два одномерных растра (два растра цилиндрических линз), скрещенных под углом 90 градусов.
Как вариант реализации освещения с полного телесного угла может использоваться подобная система, но, соответственно, с использованием двух пространственно-временных модуляторов и двух фурье-объективов, как показано на фиг.2, где пространственно-временной модулятор света 1, фурье-объектив 2, подложка с фоторезистом 3, зеркало 4, полупрозрачное зеркало 5. При этом необходимо обеспечить когерентность волн, падающих на слой фотоматериала с двух сторон.
Как один из возможных вариантов, предложен следующий способ вычисления амплитуд волн в группах. Зададим N направлений (волновых векторов) интерферирующих волн, покрывающих равномерно весь доступный телесный угол (например, полный телесный угол 4 л;). Количество экспозиций примем также равным N. Амплитуды волн в каждой группе (соответствующей одной из экспозиций) определим как амплитуды волн, возникающих в результате дифракции на объекте одной из волн в эти N выбранных направлений. Таким образом, для j-й группы амплитуда i-й волны равна
<mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><mo>∫</mo><mrow><mi>ε</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>r</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mi>exp</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><msub><mi>k</mi><mi>i</mi></msub><mi>r</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mi>exp</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><msub><mi>k</mi><mi>j</mi></msub><mi>r</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>d</mi><mi>r</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mrow></mstyle></mrow>
где ε(r)=1 внутри объекта,
ε(r)=0 вне объекта,
i
k - волновой вектор i-й волны в группе,
r - радиус-вектор.
В результате N экспонирований получим следующее распределение плотности поглощенной энергии
<mrow><mi>E</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>r</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msup><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>exp</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><msub><mi>k</mi><mi>i</mi></msub><mi>r</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></mstyle></mrow><mn>2</mn></msup><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>N</mi><mo>⋅</mo><msqrt><mi>N</mi></msqrt></mrow>
Ожидается, что таким образом в трехмерном случае мы можем получить около
векселей объекта с разрешением порядка длины волны (двухмерному случаю соответствует N·N пикселей).
В качестве примера конкретной реализации способа взята деталь, имеющая форму шести балок - фиг.3. Количество волн, использованных для синтеза этого объекта, было взято равным 506. На фиг.4 представлен результат сложения 506 экспозиций для шести балок. Показаны поверхности уровня, соответствующие различным значениям плотности поглощенной энергии. Как видим, границы объекта просматриваются при интенсивностях, отношение которых превышает Imax/Imin=300. Таким образом, контраст, который может быть обеспечен данным способом, составляет не менее m=0,95, что вполне достаточно при использовании существующих типов фоторезистов.
В качестве другого примера реализации метода является синтез трехмерного объекта - турбины. На фиг.5 представлен результат реализации метода для турбины. Для иллюстрации контраста трехмерного распределения на фиг.6 показано распределение плотности энергии в сечении XY для турбины.
x
Одновременный синтез нескольких идентичных объектов возможен для случая, когда проекции волновых векторов интерферирующих волн на некоторые направления относятся друг к другу как целые числа. В этом случае для периодической последовательности точек пространства, расположенных вдоль этих направлений, разность фаз для всех групп волн будет кратна 2π. На фиг.7 показан пример ориентации волновых векторов в двухмерном случае. Проекции волновых векторов на ось Х расположены эквидистантно (относятся как целые числа). Это приводит к тому, что вдоль этой оси точки, удаленные друг от друга на расстояние 2π/(Δk), будут освещаться при любом экспонировании одинаковой интенсивностью (аналогично тому, как обратное преобразование ряда Фурье дает периодическую последовательность).
Для трехмерной картины распределения выполнения условия эквидистантности проекций волновых векторов возможно одновременно для двух направлений. В этом случае возможен синтез двухмерного массива индентичных объектов, расположенных в узлах двухмерной сетки (квадратной, гексагональной и пр.). При этом волновой вектор всех интерферирующих волн может быть записан в виде
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>m</mi><mo>,</mo><mi>n</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mover accent="true"><mi>a</mi><mo>→</mo></mover><mo>⋅</mo><mi>m</mi><mo>+</mo><mover accent="true"><mi>b</mi><mo>→</mo></mover><mo>⋅</mo><mi>n</mi><mo>+</mo><msub><mover accent="true"><mi>e</mi><mo>→</mo></mover><mi>z</mi></msub><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><msub><mi>k</mi><mn>0</mn></msub><msup><mrow /><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mover accent="true"><mi>a</mi><mo>→</mo></mover><mo>⋅</mo><mi>m</mi></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mover accent="true"><mi>b</mi><mo>→</mo></mover><mo>⋅</mo><mi>n</mi></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>,</mo></mrow></msqrt><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mover accent="true"><mi>e</mi><mo>→</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>a</mi><mo>→</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>b</mi><mo>→</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>e</mi><mo>→</mo></mover>
0
где m, n - целые числа,
- единичный вектор,
,
- вектора, перпендикулярные вектору
и образующие базис двухмерной решетки в обратном пространстве, k - волновой вектор света в вакууме.
На фиг.8 представлен пример распределения волновых векторов на сфере направлений, соответствующий мультиплексированию объектов, расположенных в узлах квадратной сетки, лежащей в плоскости XY.
Разрешение предлагаемого метода ограничивается максимальной пространственной частотой, соответствующей интерференции встречных волн. Минимальный период в этом случае равен половине длины волны используемого излучения. Для обеспечения этого условия необходимо освещение фотоматериала со всех направлений, охватывающих полный телесный угол 4π стерадиан. На практике фотоматериал обычно представляет собой сухую пленку фоторезиста, расположенную на стеклянной подложке. С практической точки зрения достаточно сложно выполнить учет сдвигов фаз волн, падающих на фоторезист с нижней и верхней полусфер. Кроме того, требуется обеспечить симметричность направлений волн в нижней и верхней полусфере. Это будет особенно критичным при мультиплексировании объектов. Оценим, что измениться при использовании половины полного телесного угла, т.е. освещении фотоматериала только с одной полусферы направлений. Как можно видеть из фиг.9, в таком случае максимальная длина вектора решетки вдоль одного из направлений будет вдвое меньше, в то время, как вдоль двух других направлений в нашем распоряжении останется такой же набор решеток. Это привет к тому, что вдоль направления освещения (перпендикулярно плоскости фоторезиста) разрешающая способность будет вдвое ниже по сравнению с освещением с полного телесного угла, в то время как латеральное разрешение (в плоскости фоторезиста) останется прежним, примерно равным половине длины волны излучения.
Преимущества предлагаемого способа:
1. Высокая скорость экспонирования (одновременное освещение всего объема фоторезиста).
2. Возможность одновременного синтеза многих идентичных объектов (деталей).
3. Использование однофотонного поглощения, не требующего высокой пиковой мощности, возможность использования непрерывных лазеров с большой длиной когерентности, и соответственно, возможность получения большого количества разрешаемых векселей синтезируемых объектов.
4. Отсутствие движущихся деталей схемы (не нужно прецизионных перемещений фокальной перетяжки или нанесения многих слоев фоторезиста).