專利名稱：微桁架加工工藝的光約束方案的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及輻射固化結(jié)構(gòu)的制作，更具體地涉及一種用于制作輻射固化微桁架 (microtruss)的方法。
背景技術(shù)：
通過光致聚合作用形成的微桁架結(jié)構(gòu)已經(jīng)由Jacobsen等人在Acta Materialia 第55期(2007) 6724-6733《由自傳播的桁架元件形成的微尺寸桁架結(jié)構(gòu)的壓縮特性》一 文中予以闡述，在此通過引用將該文獻的全部內(nèi)容結(jié)合在本申請中。Jacobsen在專利號為 7，382，959的美國專利中公開了一種利用有序微桁架結(jié)構(gòu)形成聚合材料的方法和系統(tǒng)，在 此通過引用將該專利文獻的全部內(nèi)容結(jié)合在本申請中。根據(jù)該方法和系統(tǒng)生產(chǎn)的微桁架材 料進一步由Jacobsen在序號為11/801,908的美國專利申請中公開，在此通過引用將該專 利申請的全部內(nèi)容結(jié)合在本申請中。Kewitsch等人還在專利號為6，274，288的美國專利中 描述了一種聚合材料，該聚合材料被暴露在輻射中，并且會通過形成桁架元件而引起光線 的自聚焦或自陷(self-trapping)，在此通過引用將該專利的全部內(nèi)容結(jié)合在本申請中。如圖1所示，已知用于制作微桁架結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)可包括至少一個準(zhǔn)直光源100，其 被選擇為產(chǎn)生準(zhǔn)直光束102 ；貯存器104，其具有適于被準(zhǔn)直光束102聚合的光單體106 ；和 掩模108，其具有至少一個孔110，且位于至少一個準(zhǔn)直光源100和貯存器104之間。準(zhǔn)直 光源100—般是汞弧燈，其配置成產(chǎn)生具有期望角度的準(zhǔn)直紫外光束。掩模通常在石英玻 璃層112上形成。由于相應(yīng)介質(zhì)之間的折射率不同，光邊界114存在于石英玻璃112和空 氣之間，以及石英玻璃112和光單體106之間。所述至少一個孔110適于引導(dǎo)一部分準(zhǔn)直 光束102進入光單體106，以通過一部分容積的光單體106形成至少一個桁架元件116。多 個桁架元件能夠由單個準(zhǔn)直光束102同時形成，所述準(zhǔn)直光束102的通行路徑是從光源100 穿過掩模108和石英玻璃112并進入光單體106的貯存器104。但是，用已知方法形成微桁架結(jié)構(gòu)已經(jīng)受到所謂斯涅爾定律的光現(xiàn)象的限制。斯 涅爾定律指出，入射角和折射角的正弦比與折射率的比相反。例如斯涅爾定律能夠表示 成
Ii1Sin θ χ = n2sin θ 2
其中，Ii1和η2表示第一和第二介質(zhì)，而入射角和折射角相對于介質(zhì)間的界面的法線測 量。對第三和第四介質(zhì)，斯涅爾定律的相似應(yīng)用可表示成 Ii1Sin θ χ = n2sin θ 2二 n3sin θ 3= n4sin θ 4
對于給定的一組指數(shù)，其中n2 > H1,存在與90度入射角Q1 (平行于界面)的物理限制 對應(yīng)的極限角θ 2。對于光從空氣進入石英玻璃掩模襯底、指數(shù)分別為1. 0003和1. 46的情 況而言，如對θ 2在等式niSin Q1 = Ii2Sine2中求解所確定的那樣，玻璃襯底中的極限角是 43度。根據(jù)斯涅爾定律，折射角(θ )大于入射角(α )，并且具有所需大小的折射角(θ ) 的桁架元件116不能通過常規(guī)方式制造，因為在空氣和石英玻璃112之間存在邊界114。
重新參照圖1，其示出了入射角(α )大約為68度的實例。石英玻璃112中的折射 角(θ )約為40度，或只比43°的理論限值小3度。因為石英玻璃112的各面在圖1中是 平行的，入射角(α )在準(zhǔn)直光束102離開石英玻璃112的時候大約也是40度。當(dāng)準(zhǔn)直光 束102以約為1. 51的指數(shù)進入光單體106時，其所引發(fā)的折射角(θ )約為38度。對于制作具有桁架元件的輻射固化結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)和方法有持續(xù)的需求，其中桁架元 件的設(shè)置角度相對于折射界面的法線大于約45°，更具體地是角度大于約60°。期望的 是，該系統(tǒng)和方法能夠生產(chǎn)大角度的輻射固化結(jié)構(gòu)裝置，包括微桁架結(jié)構(gòu)。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，令人驚奇地發(fā)現(xiàn)一種用于制作具有桁架元件的輻射固化結(jié)構(gòu)的系統(tǒng) 和方法，其中桁架元件的設(shè)置角度相對于折射界面的法線大于約45°，更具體地是該角度 大于約60°，所述系統(tǒng)和方法能生產(chǎn)大角度的輻射固化結(jié)構(gòu)裝置，包括微桁架結(jié)構(gòu)。在第一實施例中，制作輻射固化結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)包括具有第一折射率的輻射敏感材 料、由具有第二折射率的掩模材料形成的掩模以及輻射源。掩模設(shè)置在輻射敏感材料和輻 射源之間。掩模具有在其中形成的多個大體上輻射透射的孔。輻射源配置成產(chǎn)生用于引發(fā)、 聚合、交聯(lián)和分解輻射敏感材料中的至少一種操作的輻射束。所述系統(tǒng)包括下列各項中的 至少一個a)至少一個介于輻射源和掩模之間的法線面，b)具有第三折射率、介于輻射源 和掩模之間的折射流體，和c)具有第三折射率、介于掩模和輻射敏感材料之間的折射流體。在另一個實施例中，所述系統(tǒng)包括具有第一折射率的輻射敏感材料、輻射源和具 有第二折射率的掩模。具有第三折射率的折射流體介于掩模和輻射敏感材料之間。具有至 少一個法線面的棱鏡也位于輻射源和掩模之間。在又一個實施例中，一種用于制作輻射固化結(jié)構(gòu)的方法包括下列步驟提供具有 第一折射率的輻射敏感材料，具有形成在其中的多個大體上輻射透射的孔的掩模，掩模由 具有第二折射率的掩模材料形成，和輻射源，該輻射源配置成產(chǎn)生用于引發(fā)、聚合、交聯(lián)和 分解輻射敏感材料中的至少一種的輻射束；在輻射敏感材料和輻射源之間放置掩模；下列 操作中的至少一項a)在輻射源和掩摸之間設(shè)置至少一個法線面，b)在輻射源和掩模之間 設(shè)置具有第三折射率的折射流體，和C)在掩模和輻射敏感材料之間設(shè)置具有第三折射率的 折射流體；以及使輻射敏感材料通過掩模上的輻射透射孔暴露在多個輻射束下。由此形成 輻射固化結(jié)構(gòu)。方案1. 一種用于制作輻射固化結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，包括 具有第一折射率的輻射敏感材料；
輻射源，其配置成產(chǎn)生多個輻射束，所述輻射束用于執(zhí)行引發(fā)、聚合、交聯(lián)和分解所述 輻射敏感材料中的至少一種操作；和
設(shè)置在所述輻射敏感材料和所述輻射源之間的掩模，所述掩模具有多個大體上輻射透 射的孔，其中所述掩模由具有第二折射率的掩模材料形成，并且所述系統(tǒng)具有下列各項特 征中的至少一項a)在所述輻射源和所述掩模之間設(shè)置有至少一個法線面，b)在所述輻射 源和所述掩模之間設(shè)置有具有第三折射率的折射流體，和c)在所述掩模和所述輻射敏感材 料之間設(shè)置有具有第三折射率的折射流體。方案2.如方案1所述的系統(tǒng)，進一步包括鄰近所述掩模設(shè)置的棱鏡，該棱鏡具有至少一個法線面。方案3.如方案2所述的系統(tǒng)，其中所述棱鏡、所述輻射敏感材料和所述掩模至少 部分浸沒在所述折射流體中。方案4.如方案1所述的系統(tǒng)，其中所述掩模具有提供至少一個法線面的多個小 平面。方案5.如方案1所述的系統(tǒng)，其中所述第三折射率介于所述第一折射率和所述 第二折射率之間。方案6.如方案1所述的系統(tǒng)，其中所述第三折射率大體上與所述第一折射率相 同。方案7.如方案1所述的系統(tǒng)，其中所述第三折射率介于空氣的折射率和所述第 二折射率之間。方案8.如方案1所述的系統(tǒng)，其中所述折射流體在所述掩模和所述輻射敏感材 料之間形成一個層。方案9.如方案1所述的系統(tǒng)，其中所述輻射敏感材料和所述掩模浸沒在所述折 射流體中。方案10.如方案9所述的系統(tǒng)，其中所述輻射源至少部分浸沒在所述折射流體中。方案11.如方案10所述的系統(tǒng)，其中所述輻射源具有透鏡，所述透鏡的平行側(cè)面 大體上與所述輻射束垂直，所述透鏡至少部分浸沒在所述折射流體中。方案12.如方案1所述的系統(tǒng)，其中所述輻射敏感材料設(shè)置在所述襯底上。方案13. —種用于制作輻射固化結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，包括 具有第一折射率的輻射敏感材料；
輻射源，其配置成產(chǎn)生輻射束，所述輻射束用于執(zhí)行引發(fā)、聚合和交聯(lián)所述輻射敏感材 料中的至少一種操作；
設(shè)置在所述輻射敏感材料和所述輻射源之間的掩模，所述掩模由具有第二折射率的掩 模材料形成并且具有多個大體上輻射透射的孔；
設(shè)置在所述掩模和所述輻射敏感材料之間的、具有第三折射率的折射流體；和 設(shè)置在所述輻射源和所述掩模之間的、具有至少一個法線面的棱鏡。方案14. 一種用于制作輻射固化結(jié)構(gòu)的方法，包括如下步驟
提供具有第一折射率的輻射敏感材料、具有多個大體上輻射透射的孔的掩模，所述掩 模由具有第二折射率的材料形成，并提供輻射源，所述輻射源配置成產(chǎn)生輻射束，所述輻射 束用于執(zhí)行引發(fā)、聚合和交聯(lián)所述輻射敏感材料中的至少一種操作； 將所述掩模放置在所述輻射敏感材料和所述輻射源之間； 所述方法還包括下列操作中的至少一項
a)在所述輻射源和所述掩模之間設(shè)置至少一個法線面，
b)在所述輻射源和所述掩模之間設(shè)置具有第三折射率的折射流體，和
c)在所述掩模和所述輻射敏感材料之間設(shè)置具有第三折射率的折射流體；以及
使所述輻射敏感材料通過所述掩模上的輻射透射孔暴露在多個輻射束下，由此形成所 述輻射固化結(jié)構(gòu)。
方案15.如方案14所述的方法，其中在所述輻射源和所述掩模之間設(shè)置折射流 體的步驟包括將所述輻射源、所述掩模和所述輻射敏感材料至少部分浸沒在所述折射流體 中的步驟。方案16.如方案14所述的方法，其中在所述掩模和所述輻射敏感材料之間設(shè)置 折射流體的步驟包括在將所述掩模放置在所述輻射敏感材料附近之前將一層折射流體施 加到所述輻射敏感材料上的步驟。方案17.如方案14所述的方法，其中在所述輻射源和所述掩模之間設(shè)置至少一 個法線面的步驟包括將棱鏡置于所述掩模頂部的步驟。方案18.如方案14所述的方法，其中在所述輻射源和所述掩模之間設(shè)置至少一 個法線面的步驟包括使所述掩模具有多面表面的步驟。方案19.如方案14所述的方法，進一步包括將所述折射流體選擇成具有下列第 三折射率中的一種的步驟介于所述第一折射率和所述第二折射率之間的第三折射率、大 體上與所述第一折射率相同的第三折射率、以及介于空氣的折射率與所述第二折射率之間 的第三折射率。方案20.如方案14所述的方法，進一步包括下列步驟選擇所述法線面的角度， 以使所述輻射束能夠以大約垂直于所述法線面的角度接觸所述法線面，從而使得當(dāng)所述輻 射束穿過所述法線面時所述輻射束的折射變得最小。
通過下面的詳細(xì)說明，尤其是結(jié)合這里描述的
時，本發(fā)明的上述以及其 他優(yōu)點對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將變得顯而易見。圖1是示意性的側(cè)視截面圖和俯視圖，示出了用于形成輻射固化結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有技術(shù) 系統(tǒng)；
圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的系統(tǒng)的示意性側(cè)視截面圖，示出了鄰近掩模設(shè)置的 棱鏡；
圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的系統(tǒng)的示意性側(cè)視截面圖，示出了浸入折射流體貯 存器中的掩模和輻射敏感材料；
圖4是具有多面掩模的系統(tǒng)的示意性側(cè)視截面圖，該掩模鄰近輻射敏感材料設(shè)置； 圖5是具有介于掩模和輻射敏感材料之間的中介折射流體的系統(tǒng)的示意性側(cè)視截面
圖6是根據(jù)本發(fā)明的可選系統(tǒng)的示意性側(cè)視截面圖，該系統(tǒng)具有如圖2所示的棱鏡和 如圖5所示的中介折射流體；
圖7是具有如圖2所示的棱鏡和如圖3所示的折射流體貯存器的系統(tǒng)的示意性側(cè)視截 面圖8是具有如圖4所示的多面掩模和如圖5所示的中介折射流體的系統(tǒng)的示意圖；和 圖9是如根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式所述的系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式下面的詳細(xì)說明和附圖描述和圖示的是本發(fā)明的不同實施例。該說明和附圖用于使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制作和使用本發(fā)明，但無意于以任何方式限制本發(fā)明的范圍。就所 公開的方法而言，所提供的步驟本質(zhì)上是示例性的，因而不是必須的或關(guān)鍵的。如圖2-9所示，本發(fā)明包括用于制作輻射固化結(jié)構(gòu)201的系統(tǒng)200，輻射固化結(jié)構(gòu) 201例如是具有多個元件202的微桁架結(jié)構(gòu)。微桁架結(jié)構(gòu)的示例構(gòu)造已由Jacobsen在專利 號為7，382，959的美國專利和序號為11/801，908的美國專利申請中說明。雖然系統(tǒng)200 在這里是參照微桁架結(jié)構(gòu)的形成進行說明的，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，其他 輻射固化結(jié)構(gòu)201也能在本發(fā)明的范圍之內(nèi)被制作。系統(tǒng)200包括具有第一折射率的輻射敏感材料203 ；由具有第二折射率的掩模 材料206形成的掩模204 ；和輻射源208，輻射源208被配置成產(chǎn)生多個輻射束210，輻射束 210用于進行引發(fā)、聚合、交聯(lián)和分解輻射敏感材料203中的至少一種操作。本發(fā)明的輻射 固化結(jié)構(gòu)201可以由輻射敏感材料203形成，例如序號為12/339，308的、受讓人的同時待 審美國專利申請中描述的輻射敏感材料，該專利申請的全部內(nèi)容在此通過引用結(jié)合在本申 請中。掩模204鄰近輻射敏感材料203設(shè)置，且具有多個在其中形成的大體上輻射透射的 孔212。輻射源208鄰近掩模204設(shè)置在輻射敏感材料203的相反側(cè)。至少一個折射邊界211可存在于系統(tǒng)200中。折射邊界211在這里被定義為系統(tǒng) 200中的兩個具有不同折射率的介質(zhì)之間的任意界面。例如，系統(tǒng)200可以在掩模204和輻 射敏感材料203的界面、棱鏡226 (如圖2、6、7和9所示)和空氣的界面、棱鏡2 和掩模 204的界面、以及掩模204和輻射源208的界面處具有折射邊界211，其中輻射源208鄰接 掩模204(未示出)。應(yīng)該理解的是，在被稱為折射的現(xiàn)象中，輻射束210可能在其穿過系統(tǒng) 200的折射邊界211時彎曲。如圖所示，輻射束210可以以相對于法線的入射角(α )接近折射邊界211，其中法 線是由折射邊界211形成的平面的法線。如上文所述，按照斯涅爾定律，輻射束210在穿過 折射邊界211時會彎曲，且相對于折射邊界211形成的平面上的法線具有折射角(θ )。當(dāng) 第一介質(zhì)的折射率小于第二介質(zhì)的折射率時，折射角(θ )小于入射角(α )，并且最終當(dāng)在 每個折射邊界211處彎曲而產(chǎn)生結(jié)果之后限定輻射固化元件202的角度，以及最終生成的 輻射固化結(jié)構(gòu)201的幾何形狀。輻射敏感材料203可以被例如加工襯底214支撐。加工襯底214在制作過程中可 以放置在固定底板216的頂部。襯底214可以進一步被涂層或進行表面處理(未示出)，以便 結(jié)合到輻射敏感材料203上或在制作結(jié)束之后從由輻射敏感材料203制成的輻射固化結(jié)構(gòu) 201上分離。在制作輻射固化結(jié)構(gòu)201的過程中通常位于固定底板216上的襯底214的背 面也可能具有涂層以阻礙襯底214出現(xiàn)不希望的沾污。固定底板216可包括具有壓力助力 釋放件的多孔真空吸盤，其例如用于在制作過程中可選地將襯底214保持在合適位置。本 領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要選擇合適的表面處理方式，包括涂層?？蛇x地，應(yīng)該理解的是，所提供的輻射敏感材料203可以是沒有襯底214的自支撐 薄膜，以替代這里所述的提供加工襯底214的步驟。輻射敏感材料203包括輻射固化材料和輻射分解材料中的至少一種。在這里術(shù)語 “輻射固化材料”的定義是任何一種能夠通過暴露在輻射中而進行引發(fā)、聚合和交聯(lián)中至少 一種處理的材料。應(yīng)該理解的是，在通過暴露于輻射的方式而進行引發(fā)之后，升高溫度也可 能用于至少部分地完成輻射固化材料的聚合或交聯(lián)。在這里術(shù)語“輻射分解材料”的定義是任何一種能夠通過在輻射中暴露而顯示出聚合物主鏈分裂和分解中的至少一種的材料。 作為非限定的例子，輻射分解材料可被制成溶劑溶解型的，其方式是使輻射分解材料的交 聯(lián)充分?jǐn)嗔押?或輻射分解材料的聚合物主鏈分裂。作為非限定的例子，輻射固化材料可包括液態(tài)光單體和大體上為固態(tài)的輻射固化 聚合物中的一種。輻射敏感材料203可以是如Jacobsen在專利號為7，382，959的美國專 利和序號為11/801，908的美國專利申請中描述的那樣，是液態(tài)光單體。合適的光單體的非 限定性例子包括在暴露于紫外線輻射時(波長在大約250nm和約400nm之間)通過自由基聚 合作用而聚合的單體。光單體可包括任意合適的自由基光單體材料，如聚氨酯橡膠(聚氨基 甲酸酯)，丙烯酸酯，甲基丙烯酸酯，和陽離子聚合物，如光固化環(huán)氧樹脂。合適的液態(tài)光單 體在光聚合時可能會表現(xiàn)出折射率的偏移，以便例如提供自傳播的波導(dǎo)。其他光單體也可 以被按需使用。合適的大體上為固態(tài)的輻射固化聚合物可包括負(fù)性抗蝕聚合物。負(fù)性抗蝕聚合 物通過聚合或縮聚作用而經(jīng)受光敏引發(fā)過程，該過程例如可使負(fù)性抗蝕聚合物固化。當(dāng)聚 合或縮聚反應(yīng)發(fā)生在大致相同的時間時，該過程被稱為“光固化”。當(dāng)只由光敏引發(fā)過程產(chǎn) 生反應(yīng)物質(zhì)，并且隨后需要諸如加熱的步驟來生成聚合或縮聚物時，該過程被稱為“光敏引 發(fā)”。應(yīng)該理解的是，即使需要進行后續(xù)固化熱處理來完成聚合步驟，負(fù)性光致抗蝕聚合物 中大體穩(wěn)定的輻射固化特征也可能在初始輻射暴露期間形成。大體上為固態(tài)的輻射固化聚 合物僅能經(jīng)受引發(fā)過程，并且由于固體輻射固化聚合物內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)的固有穩(wěn)定性和有限 擴散速率，該固化過程也可能實現(xiàn)得晚得多，并且沒有明顯的特征退化。應(yīng)該理解的是，大 部分光敏引發(fā)聚合物在引發(fā)過程的開端就開始固化過程，但是暴露溫度下的反應(yīng)運動非常 之慢，以至于如果有聚合或縮聚作用的話，也是很小量的聚合或縮聚可能在將負(fù)性抗蝕聚 合物加熱到所需固化溫度之前發(fā)生。一種特別的負(fù)性抗蝕聚合物是環(huán)氧基SU-8 2000 負(fù)性抗蝕聚合物，其可從馬薩 諸塞州牛頓市的Microchem Corporation購得。該SU-8 2000 負(fù)性抗蝕聚合物可通過外 線輻射固化。應(yīng)該理解的是，可以使用其他大體上為固態(tài)的輻射固化聚合物。例如，與上述 光單體相似，所選擇的輻射固化聚合物可以根據(jù)需要通過波長不同于紫外線輻射的輻射來 固化。例如，也可以選擇固化速率慢于液態(tài)光單體的輻射固化聚合物，以便通過速率較快的 固化層在輻射源下的暴露來阻止特征出現(xiàn)在較慢的固化層中。作為非限定性例子，輻射分解材料可包括正抗蝕聚合物。正抗蝕聚合物作為交聯(lián) 聚合物開始，但是可能包含光敏引發(fā)劑，其在暴露于特定輻射下時，會產(chǎn)生化學(xué)物質(zhì)，該化 學(xué)物質(zhì)通過阻斷交聯(lián)或分裂聚合物主鏈中的至少一種方式來分解聚合物。分解使正抗蝕聚 合物可溶解于暴露在輻射中的區(qū)域。正抗蝕聚合物保持固化的區(qū)域被掩蓋而不是暴露，正 如上文對負(fù)性抗蝕聚合物所述的情況一樣。在某些實施例中，正抗蝕聚合物對輻射敏感，例 如紫外線，而不需要光敏引發(fā)劑。例如，正抗蝕聚合物自身可能會被輻射損壞，并且保留下 來的斷鏈變成可溶劑溶解的?？梢愿鶕?jù)需要使用其他類型的正抗蝕聚合物。形成掩模204的掩模材料206是大體上輻射透射的材料，例如石英玻璃?？?12 可以是洞，或者例如是在其他設(shè)置在石英玻璃上的不透明的、輻射阻斷涂層上的大體上輻 射透射的孔。在一個圖示的實施例中，掩模204具有多個孔212。作為進一步的非限定性例 子，掩模材料206可包括冕牌玻璃、派勒克斯耐熱玻璃和聚乙烯對苯二甲酸酯，如聚酯薄膜鸛中的一種。掩模204可在暴露后被提起來并清理以備再利用?？?12的形狀可提供輻射 束210，并因而提供具有所需橫截面形狀的輻射固化元件202。例如，孔212可以是大體上 圓形的，結(jié)果形成具有橢圓橫截面形狀的輻射固化元件202。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要 選擇合適的掩模材料、孔尺寸和形狀，以及由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)配置。輻射源208產(chǎn)生電磁輻射。用于固化輻射敏感材料203的輻射束210可以由汞弧 燈產(chǎn)生，例如可提供紫外線輻射束210的汞弧燈。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，其他波長的輻 射束210 —如紅外線、可見光和X射線輻射，以及來自其他源一如白熾光燈和激光器的輻射 束，也可以使用。還應(yīng)該進一步理解的是，輻射束210可以按照需要是準(zhǔn)直的、部分準(zhǔn)直的、 或非準(zhǔn)直的。應(yīng)該進一步理解的是，用于本系統(tǒng)200的輻射源208可以提供大致單色的輻 射束210，其在通過諸如棱鏡或多面掩模的法線面后將保持準(zhǔn)直(如圖2、4和6到9所示)。參照圖2，系統(tǒng)200可包括至少一個法線面224，其介于輻射源208和掩模204之 間。法線面2M配置成允許來自輻射源208的輻射束210大致相對于由法線面224限定的 平面成法線地橫穿法線面224。法線面2M可以配置成允許輻射束210橫穿法線面224，而 橫穿法線面2M時相對法線的角度小于在沒有法線面2M時輻射束210橫穿掩模204表面 的角度。如圖2所示，至少一個法線面2 可由棱鏡2 提供。如圖所示，棱鏡226由諸如 石英玻璃的大體上輻射透射的材料制成。棱鏡2 可以是幾何三角形或矩形角錐體形狀的 棱鏡，盡管也可以使用其他形狀的光學(xué)棱鏡。矩形角錐體形狀由于制作簡便而特別具有優(yōu) 勢。其他合適的輻射透射材料也可以使用。應(yīng)該理解的是，掩模204可以和棱鏡2 —體 形成，以便防止在二者之間形成氣穴。在特定實施例中，棱鏡2 可包括4個法線面224，其配置成允許輻射束210以大 致垂直的角度橫穿法線面224。應(yīng)該理解的是，可以根據(jù)需要采用任何數(shù)量的法線面224。 借此，可以使輻射束210在介于輻射源208和掩模材料206之間，特別是在空氣和掩模材料 206之間的折射邊界211處的折射最小化。如圖3所示，本發(fā)明的系統(tǒng)200可包括折射流體218。折射流體218具有第三折 射率。第三折射率可被選擇以便使折射邊界211處的折射率變化最小化，例如在空氣和掩 模204或掩模204和輻射敏感材料203之間的折射邊界。理想的是，第三折射率可以使輻 射束210在穿過折射邊界211時的入射角(α )和折射角(θ )之差最小化。在特定實施例 中，第三折射率被選擇以便使臨界角(θ。)最小化，并有利于以期望的大角度特征相對法線 來制作輻射固化元件202。作為非限定性例子，第三折射率(折射流體218)可以是下列折射率中的至少一種 介于第一折射率(輻射敏感材料203)和第二折射率(掩模204)之間，大體上與第一折射率 相同，以及介于空氣的折射率和第二折射率之間。為了進行所需的公差控制，當(dāng)輻射敏感材 料203被吸向真空吸盤時，第三折射率可以特別是大體等于第一折射率。折射流體218可 以從任意具有所需第三折射率的大體上輻射透射的流體中選擇。在制作輻射固化結(jié)構(gòu)201 期間，也可選擇折射流體218以便不明顯地溶解或退化輻射敏感材料203和掩模204。例 如，折射流體218可包括水、水糖溶液、丙酮和礦物油中的一種。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以 根據(jù)需要選擇其他合適的折射流體218。在一個實施例中，折射流體218可設(shè)置在掩模204和輻射源208之間。如圖3所 圖示的，通過在折射流體218的貯存器220中至少部分浸沒掩模204和輻射源208，可以將折射流體218設(shè)置在掩模204和輻射源208之間。已經(jīng)認(rèn)識到的是，位于掩模204和輻射 敏感材料203之間的折射邊界211處的薄空氣層也可足以限制臨界角(θ。)，并因而限制最 終形成的輻射固化結(jié)構(gòu)201中的角特征。折射流體218可以如所需的那樣替代任何殘余空 氣，否則該殘余空氣會存在于輻射敏感材料203和掩模204之間。 當(dāng)系統(tǒng)200具有設(shè)置在掩模204和輻射源208之間的折射流體218時，應(yīng)該理解的 是，折射流體218可以按需要選擇成具有與第二折射率相似的第三折射率。特別是，折射流 體218可選擇成具有與第二折射率大體相同的第三折射率。因而輻射束210在輻射源208 和掩模材料206之間以及掩模材料206和輻射敏感材料203之間的折射邊界211處的折射 可以被最小化。為了阻止?jié)撛诘呐c浸沒在折射流體218內(nèi)的輻射源208有關(guān)的傳熱問題，輻射源 208可以與透鏡222連接。透鏡222的厚度足夠使其至少部分地浸沒在折射流體218中，該 厚度也足夠使絕大部分輻射源208在貯存器220上方保持干燥。透鏡222可具有大體上與 輻射束210呈法線關(guān)系的平行側(cè)面，并且至少部分地浸沒在折射流體218的貯存器220內(nèi)。 如圖所示，透鏡222由大體上輻射透射的材料，如石英玻璃構(gòu)成。也可使用其他合適的輻射 透射材料。透鏡222可具有大體上與折射流體218的第三折射率相同的折射率。應(yīng)該理解 的是，如果入射角(α )大約為0，則透鏡222的任何折射率都可以接受。如果透鏡222被略 微旋轉(zhuǎn)，例如有意轉(zhuǎn)動或因公差而轉(zhuǎn)動，則應(yīng)該進一步理解的是，通過匹配的折射率可以獲 得一些輕微的好處。透鏡222因而可以阻止輻射束210在透鏡222和折射流體218之間的 折射邊界211處的折射。透鏡222可以進一步配置成允許輻射束210以大體上與邊界成法 線的角度穿過折射邊界211，該折射邊界211由折射流體218和透鏡222形成。在圖4所示的進一步的實施例中，掩模204具有多個在其上形成的小平面228，其 提供法線面224。掩模204可以以不同的剖面形成，例如能提供多個小平面228的菲涅耳透 鏡的形狀。多個小平面228可以模制或切入掩模204的平面。小平面228穿過掩模204表 面的相對角度可以是相同的或不同的，并且可以按照需要選擇。特別是，小平面228配置成 使輻射束210在輻射源208和掩模材料206之間的折射邊界211處的彎曲最小化，并且特 別是使得在空氣和小平面228之間的折射邊界211處的彎曲最小化。參照圖5，折射流體218可以以掩模204和輻射敏感材料203之間的層的形式設(shè) 置。例如，折射流體218可以在將掩模204放置在輻射敏感材料203的頂部之前被施加于 輻射敏感材料203上。作為非限定性的例子，當(dāng)系統(tǒng)200包括介于輻射敏感材料203和掩 模204之間的折射流體218時，應(yīng)該理解的是，可以選擇具有介于輻射敏感材料203的第一 折射率和掩模材料206的第二折射率之間的第三折射率的折射流體218。還應(yīng)該理解的是， 第三折射率可以如所需那樣與第一折射率大體相同。在特定實施例中，可以按需選擇具有 大于或小于第一和第二折射率中的每一個的第三折射率的折射流體218。因而可以使輻射 束210在輻射敏感材料203和掩模材料206之間的折射邊界211處的折射最小化，并且因 此產(chǎn)生桁架元件202的所需角度。如圖6-8所示，具有法線面224的系統(tǒng)200可以與折射流體218結(jié)合使用，以使整 個系統(tǒng)200的輻射束210的折射最小化，并使折射邊界211處的臨界角(θ。)最大化。特別 參照圖6，系統(tǒng)200可包括放置在掩模204頂部的棱鏡226和放置在掩模204和輻射敏感 材料203之間的折射流體218的層。如圖7進一步所示，系統(tǒng)200可包括棱鏡226、輻射敏感材料203、以及至少部分浸沒在折射流體218的貯存器220內(nèi)的掩模204。理想的是，棱 鏡226和掩模204之間的折射流體218會阻礙其間出現(xiàn)空氣填充的間隙，否則的話這些間 隙會使折射邊界211出現(xiàn)不希望的臨界角(θ。)。還如圖8所示，系統(tǒng)200可包括具有多個 小平面228的掩模204和位于掩模204與輻射敏感材料203之間的折射流體218的層。本發(fā)明包括用于制作輻射固化結(jié)構(gòu)201的方法。該方法首先包括的步驟是提供具 有第一折射率的輻射敏感材料203，由具有第二折射率的掩模材料206制成的掩模204，和 輻射源208，輻射源配置成產(chǎn)生輻射束210，輻射束210用于進行引發(fā)、聚合、交聯(lián)和分解輻 射敏感材料203中的至少一種操作。掩模204具有多個輻射透射孔212，并且放置在輻射敏 感材料203和輻射源208之間。本發(fā)明的方法所采用的步驟能夠阻止擴散的折射，并且防止輻射束210在系統(tǒng) 200內(nèi)的各折射邊界211處出現(xiàn)全內(nèi)反射。例如，該方法包括下列步驟中的至少一種a)在 輻射源208和掩模204之間設(shè)置至少一個法線面224，b)在輻射源208和掩模204之間設(shè) 置折射流體218，和c)在掩模204和輻射敏感材料203之間設(shè)置折射流體218。在輻射源 208和掩模204之間設(shè)置折射流體218的步驟可包括至少部分地將輻射源208、掩模204和 輻射敏感材料203中的至少一個浸沒在折射流體218的貯存器220中的步驟。在另一個實 施例中，在掩模204和輻射敏感材料203之間設(shè)置折射流體218的步驟可包括在將掩模204 放置到輻射敏感材料203附近之前將折射流體218的層施加到輻射材料203上的步驟。在 另一個實施例中，在輻射源208和掩模204間設(shè)置至少一個法線面224的步驟可包括將棱 鏡226放置在掩模204頂部的步驟?？蛇x的是，在輻射源208和掩模204間設(shè)置至少一個 法線面224的步驟可包括提供掩模204的步驟，該掩模204的表面具有多個小平面228。在 另一個實施例中，在輻射源208和掩模204間設(shè)置折射流體218的步驟還包括在掩模204 和棱鏡226之間設(shè)置折射流體218的步驟。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，所述用于防止 輻射束210在系統(tǒng)200內(nèi)出現(xiàn)擴散折射和全內(nèi)反射的各個步驟可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)獨立 使用，或組合使用。輻射敏感材料203隨后通過掩模204中的輻射透射孔212暴露在多個輻射束210 下。由此形成具有輻射固化元件202的輻射固化結(jié)構(gòu)201。應(yīng)該理解的是，根據(jù)本方法可以 形成多種輻射固化元件202，包括桁架元件，輻射固化板和固態(tài)輻射固化聚合結(jié)構(gòu)。例如，可以選擇具有所需的第三折射率的折射流體218，以便密切匹配相鄰介質(zhì)的 折射率，如輻射敏感材料203和掩模材料206。作為非限定性的例子，可以根據(jù)如下表1所 示的各折射率選擇輻射敏感材料203和折射流體218。表 權(quán)利要求
1.一種用于制作輻射固化結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，包括 具有第一折射率的輻射敏感材料；輻射源，其配置成產(chǎn)生多個輻射束，所述輻射束用于執(zhí)行引發(fā)、聚合、交聯(lián)和分解所述 輻射敏感材料中的至少一種操作；和設(shè)置在所述輻射敏感材料和所述輻射源之間的掩模，所述掩模具有多個大體上輻射透 射的孔，其中所述掩模由具有第二折射率的掩模材料形成，并且所述系統(tǒng)具有下列各項特 征中的至少一項a)在所述輻射源和所述掩模之間設(shè)置有至少一個法線面，b)在所述輻射 源和所述掩模之間設(shè)置有具有第三折射率的折射流體，和c)在所述掩模和所述輻射敏感材 料之間設(shè)置有具有第三折射率的折射流體。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括鄰近所述掩模設(shè)置的棱鏡，該棱鏡具有至少 一個法線面。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述棱鏡、所述輻射敏感材料和所述掩模至少部分 浸沒在所述折射流體中。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述掩模具有提供至少一個法線面的多個小平面。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第三折射率介于所述第一折射率和所述第二折 射率之間。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第三折射率大體上與所述第一折射率相同。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第三折射率介于空氣的折射率和所述第二折射 率之間。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述折射流體在所述掩模和所述輻射敏感材料之間 形成一個層。
9.一種用于制作輻射固化結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，包括 具有第一折射率的輻射敏感材料；輻射源，其配置成產(chǎn)生輻射束，所述輻射束用于執(zhí)行引發(fā)、聚合和交聯(lián)所述輻射敏感材 料中的至少一種操作；設(shè)置在所述輻射敏感材料和所述輻射源之間的掩模，所述掩模由具有第二折射率的掩 模材料形成并且具有多個大體上輻射透射的孔；設(shè)置在所述掩模和所述輻射敏感材料之間的、具有第三折射率的折射流體；和 設(shè)置在所述輻射源和所述掩模之間的、具有至少一個法線面的棱鏡。
10.一種用于制作輻射固化結(jié)構(gòu)的方法，包括如下步驟提供具有第一折射率的輻射敏感材料、具有多個大體上輻射透射的孔的掩模，所述掩 模由具有第二折射率的材料形成，并提供輻射源，所述輻射源配置成產(chǎn)生輻射束，所述輻射 束用于執(zhí)行引發(fā)、聚合和交聯(lián)所述輻射敏感材料中的至少一種操作； 將所述掩模放置在所述輻射敏感材料和所述輻射源之間； 所述方法還包括下列操作中的至少一項a)在所述輻射源和所述掩模之間設(shè)置至少一個法線面，b)在所述輻射源和所述掩模之間設(shè)置具有第三折射率的折射流體，和c)在所述掩模和所述輻射敏感材料之間設(shè)置具有第三折射率的折射流體；以及使所述輻射敏感材料通過所述掩模上的輻射透射孔暴露在多個輻射束下，由此形成所述輻射固化結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及微桁架加工工藝的光約束方案，具體提供一種用于制作輻射固化結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括具有第一折射率的輻射敏感材料；由具有第二折射率的掩模材料形成的掩模；和輻射源。掩模介于輻射源和輻射敏感材料之間，并且具有多個大體上輻射透射的孔。輻射源配置成能夠產(chǎn)生用于進行引發(fā)、聚合和交聯(lián)輻射敏感材料中的至少一種操作的輻射束。所述系統(tǒng)具有下列特征中的至少一項:a)在輻射源和掩模之間設(shè)置有至少一個法線面，b)在輻射源和掩模之間設(shè)置有具有第三折射率的折射流體，和c)在掩模和輻射敏感材料之間設(shè)置有具有第三折射率的折射流體。本發(fā)明還提供一種用于制作輻射固化結(jié)構(gòu)的方法。
文檔編號G03F7/20GK102147498SQ20111003270
公開日2011年8月10日 申請日期2011年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月5日
發(fā)明者A. 洛克 J. 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責(zé)任公司