[发明专利]用于可缩放亚微米增材制造的深度分辨的并行双光子聚合的系统和方法

说明书

本公开内容涉及一种用于执行增材制造操作以形成部件的方法，其中，该部件由光敏聚合物抗蚀剂材料制成。该方法可以涉及生成激光光束并将激光光束指向数字掩模处。可以控制数字掩模以选择性地产生具有如下细光束子集的光束：所述细光束子集形成图像并且所述细光束子集均具有足以引起当照射光敏聚合物抗蚀剂材料时所述材料的一部分的聚合的强度。可以对光束进行准直并且然后将细光束子集指向光敏聚合物抗蚀剂材料，以同时聚合光敏聚合物抗蚀剂材料的选定部分。

技术领域

本公开内容总体上涉及通常被称为3D打印的增材制造系统和方法，并且更具体地涉及使用多光子、非线性光吸收工艺的具有亚微米特征的结构的增材制造的方法和设备，其中所述系统和方法使得能够制造小于衍射极限聚焦照射点的特征。

背景技术

该部分中的陈述仅提供与本公开内容有关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

双光子聚合，有时也被称为双光子光刻，是一种用于增材制造具有亚微米构建块的复杂3D结构的当今流行的技术。该技术使用非线性光吸收工艺来聚合光敏聚合物抗蚀剂材料内部的亚微米特征。在对光致抗蚀剂体积内部的所需结构进行照射并随后显影(洗掉未被照射的区域)之后，聚合的材料保持规定的三维形式。在2016年7月14日公开的美国专利公开第2016/0199935A1号中描述了用于双光子聚合的系统的一个示例，该美国专利公开的全部内容在此通过引用并入本公开内容中。

因此，双光子聚合是一种使得能够制造具有亚微米特征的大型复杂3D结构的直接写入技术。更具体地，通过串行写入技术来实现复杂结构的写入，其中，在3D空间中顺序地扫描高光强度点以生成整个结构。由于串行写入方案，写入速率从根本上受限于无法对大量功能部件进行双光子光刻的这种程度。尽管过去已经尝试经由并行化来增加速率，但是这种尝试未能实现与点扫描串行技术可以实现的图案复杂性相同程度的图案复杂性。具体而言，过去的并行化工作或者已经生成了具有相同特征的阵列，或者已经被用于打印没有深度可分辨性的2D部件。

尽管双光子光刻使得能够以其他增材制造技术无法实现的长度尺度来制造特征，但是双光子光刻使用的串行写入方案使得该方法受到约0.1mm³/小时的低处理速率的限制。这妨碍了充分利用双光子光刻的亚微米几何控制来制造功能部件。由于现有系统的缓慢逐点串行照射技术，出现了解决这种低处理速率限制方面的技术挑战和科学挑战。

过去，尚未解决在没有不利地影响能够制造任意复杂的3D部件的能力的情况下执行并行双光子光刻(“TPL”)的问题。现有技术中存在部分地解决了TPL的并行化问题的以下两种通用方法：(i)“分裂”光束并同时聚焦于多个点处以在多个点处制造相同的特征，(ii)将任意复杂的2D图像投影至抗蚀剂中以生成2D结构[4]。

第一种方法不适用于TPL放大，因为在这种方法中，放大是通过以周期性阵列的形式在多个点上同时打印结构来实现的。由于将同一光束分成多个相同的光束，因此每个光束都会生成相同的特征。因此，在使用该技术打印任意复杂的非周期性结构期间，无法实现放大。

第二种方法不适用于复杂的3D结构的打印，因为在这些投影技术中失去了深度可分辨性。在该方案中，当通过抗蚀剂材料投影2D图像时，不能唯一地配准垂直于2D投影图像的单个焦平面。而是，将相同的2D图像“聚焦”在多个平面上使得以2D图像挤出的形式生成较厚的3D固化体积。因此，该方案不能用于打印具有深度分辨特征例如存在于桁架结构中的那些特征的3D结构。