DE60122383T2

DE60122383T2 - System und verfahren zum holographischen materialabsatz

Info

Publication number: DE60122383T2
Application number: DE60122383T
Authority: DE
Inventors: T. Brian Aledo ROSENBERGER; M. William Fort Worth CARRA
Original assignee: Lockheed Corp; Lockheed Martin Corp
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 2000-11-17
Filing date: 2001-11-14
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2021-11-15
Also published as: JP2004534965A; US20030090752A1; WO2002088848A2; DE60122383D1; US7568445B2; WO2002088848A3; CA2425867A1; EP1358058A2; EP1358058B1; WO2002088848A8; AU2001297761A1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Verfahren zur Materialablagerung, und insbesondere auf das Gebiet der holographischen Ablagerung. Noch spezieller bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Verfahren, die einen Phasenwechsel bewirken, um eine dreidimensionale Freiformgestalt zu bilden.
Hintergrund der Erfindung
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US Provisional Anmeldung Serial Nr. 60/249,678, angemeldet 17. November 2000 mit dem Titel „System and Method for Holographic Deposition of Material".
Die Bildung von dreidimensionalen Strukturen hat verschiedene Anwendungen. Diese Anwendungen schließen Anwendungen im großen Maßstab ein, wie Rapid Prototyping und geschichtete Herstellungstechniken. Umgekehrt schließen diese Anwendungen im kleinen Maßstab ein, wie Halbleiterherstellung und mikroelektromechanische Maschinen.
Die komplexe Herstellung von Systemen erfordert häufig eine sehr teure Bearbeitung, Werkzeugbereitstellung und Befestigung einzelner Teile, um eine komplexe Struktur zu bilden. Ferner ist die erforderliche Arbeit bei diesen Verfahren sowohl zeitaufwändig als auch teuer. Wenn diese komplexen Strukturen erzeugt und miteinander verbunden werden, muss jedes Mal, wenn eine Befestigung in dem Objekt gesetzt wird, eine Stressanalyse durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die Güte des Teils durch den Ansatz der Befestigung nicht verringert wird. Diese komplexen Strukturen erfordern eine komplexe Analyse, um die Qualität unter tatsächlichen Bedingungen und bei tatsächlicher Verwendung zu schützen und zu bestimmen. Je einfacher die Struktur ist, umso leichter kann diese Struktur analysiert werden und es können Modelle entwickelt werden, um das Verhalten der Strukturen vorherzusagen.
Die Bildung von dreidimensionalen Strukturen im großen Maßstab, wie z. B. Rapid Prototyping kann auf viele verschiedene Arten erfolgen. Viele typische Rapid Prototyping-Techniken erfordern geschichtete Herstellungstechniken für die Technologien. Diese Techniken bilden häufig Teile auf einer Schicht-auf-Schicht-Basis. Beispiele dieser Techniken sind Stereolithographie, Härtung auf festem Grund, selektives Lasersintern, geschichtete Objektherstellung.
Früher wurde Stereolithographie verwendet, um dreidimensionale Prototypteile herzustellen. Die Stereolithographie erlaubt es, Teile aus CAD-erzeugten festen oder Oberflächenmodellen zu bilden. Das Verfahren zur Herstellung der Werkzeuge von einer Grundkonstruktion über alle erforderlichen notwendigen Phasen vor der Implementation in einer Herstellungsumgebung ist sowohl zeitaufwändig als auch teuer. Da die erforderliche Zeit, um tatsächlich den Produktions-/Herstellungsschritt eines Produkts zu erreichen, direkt in Dollar und Cent gemessen werden kann, macht die Verringerung dieser Zeit den Herstellungsprozess sowohl effizienter als auch profitabler. CAD-Software wird verwendet als Verfahren, um sowohl die Geometrie als auch die Maßerfordernisse der Teile zu definieren. Historisch können die Daten aus einer CAD-Datei elektronisch an ein Stereolithographiesystem übertragen werden. Es gibt mehrere unterschiedliche Arten von Stereolithographiesystemen, die jeweils eigene bestimmte Prozesse verwenden, abhängig von solchen Faktoren wie erforderliche Modellgenauigkeit, Gerätekosten, Modellmaterial, Art des Modells und, wahrscheinlich am wichtigsten, die Modellzeit. Eine solche Stereolithographieeinrichtung besteht aus einer Wanne flüssigen Polymers, in der ein(e) bewegbare(r) Hubtisch/Plattform angeordnet ist, der in der Lage ist, sich ein Abhängigkeit von der Art des Modells, das zu konstruieren ist, sehr präzise inkremental zu bewegen (abzusenken). Dieses System kann einen Helium/Cadmium-Laser verwenden, um einen schmalen, jedoch intensiven Ultraviolett-Strahl zu erzeugen, der verwendet wird, um über die Oberseite des Behälters des flüssigen Polymers zu streichen. Diese Abtastung wird durch ein computergesteuertes optisches Scansystem gesteuert. An dem Punkt, an dem der Laser und das flüssige Polymer in Kontakt kommen, wird das Polymer durch Vernetzung zu einem Festkörper gebunden. Während der Laserstrahl über eine xy-Oberfläche gescannt wird, wird das Modell als Kunststoffobjekt gebildet, Punkt für Punkt und Schicht auf Schicht.
Die Genauigkeit des Modells ist jedoch durch die Art des Photopolymers beschränkt, das verwendet wird, und der Streifenbildung, die mit der Tiefe jeder Schicht in Verbindung steht. Wenn eine Schicht geformt wird, wird die Hubplattform abgesenkt, so dass die nächste Schicht gescannt werden kann. Wenn eine weitere Schicht geformt wird, wird diese mit der vorherigen verbunden und das resultierende Objekt wird als genaue Anzahl aufeinanderfolgender Schichten erzeugt.
Am Ende des Prozesses kann das Objekt von der Stützstruktur entfernt werden und durch irgendeine Anzahl von Verfahren bearbeitet werden, bis die Oberflächenausbildung der erforderlichen Textur entspricht. Das Objekt kann dann entweder als Negativ- oder Positivform verwendet werden, von dem ein Werkzeug gebildet wird.
Die Nachteile der Stereolithographie sind zweifach. Zunächst erfordert die Stereolithographie einen Laserscan. Daher wird das dreidimensionale Objekt Schicht für Schicht und Punkt für Punkt gebildet. Dieser Scanprozess kann zeitaufwändig sein. Zweitens wurde die Stereolithographie bei Kunststoffmaterial verwendet, das leicht mit Ultraviolett-Licht modifiziert werden kann. In einem solchen System ist es typisch, dass das resultierende Teil brüchig ist und eine geringe Festigkeit aufweist.
In ähnlicher Weise bedingt die Festkörpergrundhärtung die Verwendung eines Photopolymers, das für UV-Licht empfindlich ist. Dies ist jedoch grundsätzlich unterschiedlich zur Stereolithographie. Die Festkörpergrundhärtung bedingt die Bewegung eines hergestellten Teils von verschiedenen Arbeitsplätzen. An einem Arbeitsplatz wird das Polymer UV-Licht ausgesetzt. Das UV-Licht wird über eine Maske projiziert. Auf diese Weise kann eine gesamte Schicht in einem Schritt gebildet werden. Sobald die Schicht belichtet ist, werden die ungehärteten Bereiche, die mit verbleibendem flüssigem Polymer gefüllt sind, durch Wachs ersetzt. Das Wachs wird durch eine kalte Metallplatte gehärtet und danach wird die Schicht auf die korrekte Höhe gefräst. Die Frässtation erlaubt es auch, Schichten zu entfernen oder zu vernichten. Dann wird eine neue Schicht von Polymer aufgebracht und das Teil wird wiederum durch eine Maske mit UV-Licht belichtet.
Ähnlich der Stereolithographie wird die Festkörpergrundhärtung oft beschränkt auf Polymere. Ferner erzeugt sowohl die Stereolithographie als auch die Festkörpergrundhärtung Teile mit Streifigkeit aufgrund des Schicht-auf-Schicht-Verfahrens.
Ein Verfahren, das in Erwägung gezogen wurde, um die Rapid Prototyping-Technik enger an die Idee, Teile tatsächlich herzustellen, liegt in der Lasersinterung, bei der man tatsächlich Material ablagert und dann das Material so gesintet wird, dass man ein Teil herstellen kann. Bei der Lasersinterung wird ein Polymerpulver, ein keramisches Pulver oder andere Materialien über die Plattform gesprüht. Ein Laser sintert ausgewählte Bereiche, was dazu führt, dass die Partikel verbunden werden. In einigen typischen Anwendungen wird ein geschichtetes keramisches Partikel mit dem Laser erhitzt. Die Beschichtung schmilzt. Sobald die Beschichtung abkühlt, verbinden sich die Partikel miteinander.
Die selektive Lasersinterung umfasst zwei Phasenübergänge. Einen von fest auf flüssig und dann zurück wiederum zu fest. In vielen typischen Anwendungen umfasst die Lasersinterung die Führung eines Lasers über die Fläche. Damit gelten ähnliche Beschränkungen wie bei der Stereolithographie.
Eine andere Technik ist die der geschichteten Objektherstellung. Bei der geschichteten Objektherstellung wird eine Folie mit einer an der Unterseite mit einem Binder versehene Folie gepresst und durch eine Rolle erhitzt. Die Folien werden über eine vorherige Folie gerollt. Die Folie wird durch einen Laser, der der Kontur der Schicht oder der Scheibe folgt, geschnitten.
Um das überschüssige Material leichter zu entfernen, ist das Äußere der Scheibe schraffiert. Diese Schraffur ist notwendig, da die Schichten fest sind. Anders als bei den flüssigbasierten Verfahren ist es schwieriger, überschüssiges Material zu entfernen. Ähnlich den oben genannten Prozessen ist die Herstellung eines geschichteten Objekts durch die Materialien begrenzt, die verwendet werden können und durch die Schichtbeschränkungen, die oben beschrieben sind.
Jede dieser Schichtherstellungstechniken ist durch die Materialien, die Schichtstreifung und die Genauigkeit beschränkt, mit der diese ein Projekt reproduzieren können. Da diese Techniken erfordern, dass das Schichtmaterial jeweils auf der Oberseite einer anderen Schicht angeordnet ist, ist die Genauigkeit auf die Dicken der Schichten beschränkt. Häufig produzieren diese Techniken gestreifte Objekte.
Bei Verfahren in kleinem Maßstab ist ein Verfahren zur Erzeugung einer dreidimensionalen Struktur die Photolithographie. Die Photolithographie wird häufig zur Herstellung von Halbleitern verwendet.
In einem typischen Beispiel der Photolithographie werden Silikonwafer chemisch gereinigt, um Partikelablagerungen auf den Oberflächen zu entfernen. Nach der Reinigung hat eine Sperrschicht, typischerweise Siliziumdioxid, abgelagert. Eine Photoresistschicht wird dann auf die Oberfläche aufgebracht. Dann wird die Photoresistschicht UV-Licht ausgesetzt. Das UV-Licht wird durch eine Maske gerichtet, die ein Muster herstellt. Nach der Belichtung werden Bereiche des Photoresist selektiv löslich oder widerstehen der Entwicklung. Bei der Entwicklung werden weniger lösliche Bereiche des Photoresists aufgelöst. Dies belässt einen Bereich, auf dem eine weitere Ablagerung von Siliziumdioxid oder metallischen Komponenten erreichbar ist.
Eine Schwierigkeit bei der Lithographie wurde bei der Maskenausrichtung gefunden. Um eine Reihe von dreidimensionalen Strukturen zu erzeugen, muss die Maske sehr genau ausgerichtet werden. Häufig begrenzt die Möglichkeit der Ausrichtung der Masken die Größe des abzulagernden Merkmals. Ferner erfordert die Photolithographie mehrere Schritte. Diese Schritte erfordern die Entfernung des Wafers von dem Behälter.
Diese Schritte erfordern ferner die Verwendung verschiedener und unterschiedlicher Verfahren einschließlich Ablagerung, Reinigung, Verbackung, chemische Auflösung und anderes. In vielen typischen Anwendungen erfordern diese Schritte und Verfahren die Entfernung des Wafers von dem Ablagerungsbehälter oder der Kammer. Diese Bewegung des Wafers vergrößert das Problem der Ausrichtung der Maske. Zusätzlich erhöht dies die Zeit, die zur Herstellung des Halbleiterchips erforderlich ist.
Solche typischen Techniken zur Bildung dreidimensionaler Strukturen, wie die, die in der US-A-4,333,165 (Swainson Wynk et all) und US-A-5,497,254 (Amako Jin et all) dargestellt sind, sind aufgrund Nachteilen zur Erzeugung genauer Modelle und/oder hoher Kosten von Werkzeugen und Verfahrensschritte ungünstig. Viele andere Probleme und Nachteile des Standes der Technik werden dem Fachmann deutlich, nachdem dieser Stand der Technik mit der vorliegenden Erfindung, wie nachstehend beschrieben, verglichen wurden.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein erster Aspekt der Erfindung liegt darin, eine Einrichtung zur Bildung einer dreidimensionalen Festkörperstruktur aus einem Medium anzugeben, wobei die Einrichtung Folgendes enthält: einen holographischen Projektor zur Projektion einer elektromagnetischen Energie in Form von wenigstens einem Hologramm in das Medium, wobei die elektromagnetische Energie in Form des wenigstens einen Hologramms Energie auf das Medium überträgt, und das Medium wenigstens durch eine Phase wechselt, um eine dreidimensionale Festkörperstruktur zu bilden.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Bildung einer dreidimensionalen Festkörperstruktur zu erzeugen, wobei das Verfahren Folgendes enthält: Erstellen einer Verfahrensumgebung mit einem Medium mit steuerbarem Druck, Temperatur und Atmosphärenzusammensetzung, Projizieren von elektromagnetischer Energie in Form wenigstens eines Hologramms in das Medium mit einem holographischen Projektor, wobei die elektromagnetische Energie in Form des wenigstens einen Hologramms Energie auf das Medium überträgt, und das Medium durch wenigstens eine Phase wechselt, um eine dreidimensionale feste Struktur zu bilden, wobei das wenigstens eine Hologramm, das Energie auf das Medium überträgt, eine Dissoziation von Vorstufen des Mediums bewirkt, wobei sich aus dem dissozierten Medium Festkörper bilden und eine erste feste Schicht dem Hologramm entspricht.
Vorzugsweise enthält der holographische Projektor einen räumlichen oder Flächenlichtmodulator.
Vorzugsweise ist das Medium eine gasförmige organometallische Verbindung.
Weiter vorzugsweise ist der holographische Projektor so angeordnet, dass er eine Mehrzahl von Hologrammen erzeugt und weiter vorzugsweise, die Hologramme durch eine Reihe von Medien projiziert werden.
Weiter vorzugsweise umfasst die Projektion die Verwendung eines zweiten holographischen Projektors, der so angeordnet ist, dass er eine zweite elektromagnetische Energie in das Medium überträgt.
Es wird auch Folgendes bevorzugt: Aufnahme des Mediums in einem Behälter, wobei der Behälter ein Fenster aufweist, das für elektromagnetische Energie in Form des Hologramms transparent ist, wobei die elektromagnetische Energie in Form des Hologramms durch das Fenster in das Medium überführt wird und die elektromagnetische Energie in Form des Hologramms Energie auf das Medium übertragt, wobei das Medium durch wenigstens eine Phase wechselt, um eine feste dreidimensionale Struktur zu bilden.
Der holographische Projektor enthält weiter vorzugsweise eine Laserlichtquelle zur Erzeugung einer kohärenten elektromagnetischen Energie, ein Kollimationsmittel, wobei die kohärente elektromagnetische Energie das Kollimationsmittel durchläuft, um eine gebündelte elektromagnetische Energie zu bilden, einen Flächenlichtmodulator, wobei die gebündelte elektromagnetische Energie durch den räumlichen Lichtmodulator läuft, um wenigstens ein Hologramm elektromagnetischer Energie zu bilden, und wenigstens ein Hologramm elektromagnetischer Energie in das gasförmige Medium übertritt, mit einer Einlassleitung, die mit dem Behälter verbunden ist, wobei die Einlassleitung so betätigt werden kann, dass das gasförmige Medium wahlweise in den Behälter fließen kann, mit einer Auslassleitung, die mit dem Behälter verbunden ist, wobei die Auslassleitung so betrieben werden kann, dass das gasförmige Medium wahlweise aus dem Behälter fließen kann, und mit einer Plattform, die in dem Behälter angeordnet ist, wobei die elektromagnetische Energie in Form des wenigstens eines Hologramms Energie auf das gasförmige Medium überträgt, wobei die Energie bewirkt, dass das gasförmige Medium dissoziiert und eine feste dreidimensionale Struktur auf der Plattform ablegt.
Vorzugsweise entspricht die Energie zur Dissoziation des Mediums einer Wellenlänge der elektromagnetischen Energie zur Projektion des wenigstens einen Hologramms.
Es wird ein System zur Herstellung dreidimensionaler Strukturen beschrieben. Andere Aspekte, Vorteile und neue Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der detaillierten Beschreibung der Erfindung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile wird Bezug genommen auf die folgende Beschreibung, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen zu sehen ist, in denen gleiche Bezugsziffern gleiche Merkmale anzeigen, wobei
1 ein schematisches Blockdiagramm eines Verfahrens zur Erleichterung der Bildung einer dreidimensionalen Festkörperstruktur gemäß der Erfindung ist,
2 ein Blockflussdiagramm eines Verfahrens zur Bildung einer dreidimensionalen Freiformstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung ist,
3 eine schematische Darstellung ist, die eine beispielsweise Ausführung eines Systems zur Bildung der dreidimensionalen Struktur gemäß 1 zeigt,
4 ein schematisches Blockdiagramm einer anderen exemplarischen Ausführungsform des Systems gemäß der 1 ist,
5 ein schematisches Blockdiagramm ist, das ein Steuerungssystem zur Verwendung bei einer exemplarischen Ausführungsform des Systems gemäß 1 zeigt,
6 ein schematisches Diagramm, das eine andere exemplarische Ausführungsform des Systems gemäß 1 ist,
7 ein schematisches Blockdiagramm ist, das ein exemplarisches System zur Erzeugung von Hologrammen zur Verwendung durch ein System nach 1 zeigt,
8 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert, in der das holographische Bild optisch innerhalb der Verarbeitungskammer dargestellt wird, und
9 eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, in der das holographische Bild analytisch unter Verwendung einer computerbetriebenen Phasenplatte erzeugt wird.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Verfahrens zur Erleichterung der Bildung einer dreidimensionalen festen Struktur gemäß der Erfindung. Das System 10 weist einen Projektor 12 auf, der ein Hologramm einer elektromagnetischen Energie 14 in das Medium 16 projiziert. Das Hologramm elektromagnetischer Energie 14 überträgt Energie auf das Medium 16. Diese Energie bewirkt eine Phasenänderung des Mediums, wodurch eine feste dreidimensionale Struktur mit freier Form erzeugt werden kann. Die Freiformstruktur kann eine Form annehmen, die dem Hologramm 14 entspricht.
Der Projektor 12 kann vielen Formen aufweisen. Diese Formen können eine elektromagnetische Energiequelle sein, die elektromagnetische Energie über einen Film und/oder einen Flächenlichtmodulator u. a. projiziert. Die elektromagnetischen Energiequellen können Laser, erhitzte Fasern, geladene Gasquellen, Lichtbogenquellen, optische parametrische Oszillatoren und anderes enthalten. Ferner können diese elektromagnetischen Energiequellen ein schmales Band elektromagnetischer Energie projizieren oder können so gefiltert sein, dass sie, u. a. ein schmales Band elektromagnetischer Energie projizieren.
Der Film kann verschiedene Ausführungen aufweisen. Ebenso kann der Flächenlichtmodulator in verschiedenen Formen ausgestaltet sein. Diese Formen können nur Amplituden, nur Phasen und/oder Phasen- und Amplitudenformen sein. Diese Flächenlichtmodulatoren können durch ein Computersystem gesteuert sein. Das Computersystem kann die Abstrahlung des Hologramms durch Verwendung eines vorbestimmten Hologramms, durch Errechnung des Hologramms oder durch andere Mittel bewirken. Flächenlichtmodulatoren können digitale Lichtprozessoren, LCD-Bildschirme und räumliche Lichtphasenmodulatoren u. a. enthalten.
Das Medium kann unterschiedliche Formen aufweisen. Diese Formen können feste Partikel, Flüssigkeiten und gasförmige Medien u. a. einschließen. Z. B. kann das Medium ein Flüssigpolymer, Sinterkeramikpartikel, eine gasförmige Metallverbindung, Silan u. a. sein.
2 ist ein Blockflussdiagramm eines Verfahrens zur Ausbildung einer dreidimensionalen Freiformstruktur gemäß der Erfindung. Das Verfahren 30 beginnt mit der Vorbereitung der Kammer, wie in Block 32 gezeigt. Die Kammer kann durch Einfüllen eines Mediums vorbereitet werden. Dann wird ein Hologramm elektromagnetischer Energie gemäß Block 34 erzeugt. Dann wird ein Hologramm, entsprechend Block 36 von elektromagnetischer Energie in die Kammer und in das Medium projiziert. Als Ergebnis, wie in Block 38 zu sehen, wird eine Struktur erzeugt. Das Hologramm überträgt Energie auf das Medium, wobei das Medium einen Phasenwechsel in eine dreidimensionale Struktur durchläuft. Die dreidimensionale Struktur nimmt eine Form an, die dem Hologramm entspricht.
Das Hologramm kann vor dem Verfahren erzeugt werden, gleichzeitig mit dem Verfahren oder anders. Ferner können die Verfahrensschritte in alternativer Reihenfolge ausgeführt werden. Zusätzlich kann das Verfahren weitere Schritte gemäß der Erfindung enthalten.
3 ist ein schematisches Diagramm, das eine exemplarische Ausbildungsform eines Systems zur Bildung einer dreidimensionalen Struktur gemäß 1 darstellt. In dieser exemplarischen Ausführungsform 50 richtet eine elektromagnetische Energiequelle 52 elektromagnetische Energie durch einen Flächenlichtmodulator 54, um ein Hologramm zu bilden. Das Hologramm elektromagnetischer Energie tritt dann durch ein Fenster 56 in einen Behälter 58. Das Hologramm überträgt Energie auf das Medium 60, wodurch eine dreidimensionale Struktur auf einer Platte 62 gebildet wird. Die dreidimensionale Struktur entspricht der Form des Hologramms.
Bei dieser exemplarischen Ausbildungsform kann das Medium 60 z. B. in Form eines Gases vorliegen. Dieses Gas kann unterschiedlich gestaltet sein. Diese Formen können Trimethylamin-Alan (TMAA), Triethylamin-Alan (TEAA), Dimethylethylamin-Alan (DMEAA), Trimethylaluminium (TMA), Triisobutylaluminium (TIBA), Tetrakis (Dimenthylamino) Titan (TDMAT), Kobaldtrikarbonylnitrosyl, Tetraethylorthosilikat (TEOS), und anderes sein.
Das gasförmige Medium 60 kann in die Kammer durch einen Einlass 64 eingeführt werden. Ferner kann das gasförmige Medium aus der Kammer durch einen Auslass 66 entfernt werden. Das gasförmige Medium kann erhitzt oder zu einem Zustand so vorbehandelt sein, dass die Projektion des Hologramms elektromagnetische Energie die Bildung der dreidimensionalen Struktur initiiert. Z. B. kann das Medium durch eine Heizwendel vorgeheizt werden.
Ferner kann der Druck des Mediums gesteuert werden. Der Druck kann die Geschwindigkeit der Ablagerung beeinflussen. Z. B. kann ein Hochdruckmedium die schnelle Ablagerung erleichtern. Ein Druck zwischen Atmosphäre und 100 Pfund pro Quadratinch, z. B. kann helfen, Teile mit großem Maßstab zu bilden. Jedoch kann ein niedriger Druck, wie ein Druck unter Atmosphärendruck, eine genauere Ablagerung ermöglichen. Z. B. kann ein Druck unter Atmosphärendruck verwendet werden, um MEMs oder Halbleiterstrukturen zu bilden.
Das Medium kann jedoch auch verschiedene andere Ausbildungen aufweisen. Z. B. kann ein flüssiges Medium, wie ein Photopolymer, in die Kammer eingeführt werden.
Zusätzlich können eine Reihe oder ein Satz von Hologrammen in die Kammer projektiert werden. Die Platte kann auf und ab bewegt werden. Die Reihe der Hologramme und die bewegliche Platte 62 können zusammenwirken oder getrennt wirken, um die dreidimensionale Struktur zu erzeugen. Auf diese Weise kann die Streifenbildung reduziert oder verhindert werden.
Eine Verringerung der Streifenbildung kann mit einer Verringerung der Dicke der Schichten in Verbindung stehen. Die durch in dieser Anmeldung dargestellten Techniken produzierten Schichten können kleiner als bei typischen Techniken sein. Ferner kann die Technik angepasst werden, um Schichten nahe einer Atombreite für einige exemplarische Ausbildungsformen zu erzeugen. Werkzeuge werden nicht benötigt, um das Objekt zu bearbeiten. Daher kann das Verfahren die Kosten und die Zeit zur Herstellung verringern.
Viele typische Techniken enthalten die Verwendung einer Scanlichtquelle. Jedoch lassen sich Zeit- und Kostenverringerungen finden, wenn holographische Techniken verwendet werden. Der Ersatz des Scanteils einer typischen Technik durch eine holographische Technik in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung kann die Zeit verringern, die erforderlich ist, um die Schichten zu bilden.
In einer anderen exemplarischen Ausführungsform kann ein Satz von Hologrammen in eine Reihe von Medien projiziert werden. Diese Medien können z. B. selektiv in die Kammer eingeführt werden. Auf diese Weise können eine oder mehrere dreidimensionale Strukturen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen gebildet werden.
4 ist ein schematisches Blockdiagramm einer anderen exemplarischen Ausbildungsformen des Systems gemäß 1. Das System 70 weist einen Projektor 72 auf, der ein Hologramm elektromagnetischer Energie 74 in einen Behälter 76 projiziert. Das Hologramm überträgt Energie auf das Medium und bildet damit eine dreidimensionale Struktur.
Zusätzlich zu dem Hologramm elektromagnetischer Energie kann ein zweiter Projektor 88 eine zweite elektromagnetische Energie oder ein zweites Hologramm elektromagnetischer Energie 89 projizieren. Die zweite elektromagnetische Energie 89 kann zusammen mit dem Hologramm 74 dazu dienen, die Bildung oder Ablagerung der dreidimensionalen Struktur zu erleichtern. Die zweite elektromagnetische Energie 89 kann gleichzeitig oder nacheinander u. a. projiziert werden. Ferner kann das Hologramm 74 eine Reihe von Hologrammen oder ein holographischer Film sein. Ähnlich kann die zweite elektromagnetische Energie 89 eine Reihe von Hologrammen oder ein holographischer Film sein. Die Reihe der Hologramme 74 und die zweite elektromagnetische Energie 89 können in koordinierter Weise projiziert werden.
Zusätzlich kann ein Steuersystem 84 verwendet werden, um das Hologramm 74 zu steuern. Das Steuersystem 84 kann dazu dienen, die holographische Projektion zeitlich zu steuern. Ferner kann das Steuersystem die Projektion einer Reihe von Hologrammen bewirken. Zusätzlich kann das Steuersystem mit dem Projektor gekoppelt werden, mit dem Behälter und/oder dem zweiten Projektor. Das Steuersystem kann auch dazu dienen, unterschiedlich variierende Medien einzuführen.
In einem exemplarischen Ausführungsbeispiel können verschiedene gasförmige Medien 78, 80 und 82 verwendet werden. Diese gasförmigen Medien 78, 80 und 82 können zusammen in den Behälter geführt werden, gleichzeitig oder nacheinander getrennt und/oder in verschiedenen Kombinationen. Z. B. kann ein Hologramm elektromagnetischer Energie in dem Behälter projiziert werden, der ein gasförmiges Medium Nr. 1 enthält. Das gasförmige Medium Nr. 1 kann ersetzt werden und das Hologramm kann durch Absaugen des Gases über die Absaugpumpe 86 abgeschaltet werden. Ein zweites gasförmiges Medium 80 kann dann in den Behälter eingeführt werden. Ein anderes der Reihe von Hologrammen kann dann in den Behälter projiziert werden, wodurch eine zweite Schicht oder ein anderes Merkmal der dreidimensionalen Struktur abgelegt wird. Das zweite gasförmige Medium 80 kann durch ein drittes gasförmiges Medium 82 ersetzt werden und ein anderes aus einer Reihe von Hologrammen 74 kann in den Behälter projiziert werden, um eine weitere Schicht oder ein Merkmal der dreidimensionalen Struktur zu erzeugen. Das Verfahren kann dann fortgesetzt werden durch Ersetzen des dritten gasförmigen Mediums mit einem vierten gasförmigen Medium, zurückkehren zum ersten gasförmigen Medium 78 oder Beenden des Prozesses und anderes.
Der Behälter oder die Kammer können auch mit variierenden Gaskomponenten gefüllt werden. Diese variierenden Gaskomponenten können verwendet werden, um die Ablagerung bei unterschiedlichen Wellenlängen auszuführen. Durch Verwendung eines Phasenflächenlichtmodulators kann ein Hologramm mit unterschiedlichen Wellenlängen in das Medium projiziert werden. Auf diese Weise können Mehrfachdefinitionskomponenten als Funktion der Stellung gleichzeitig abgelegt werden.
5 ist ein schematisches Blockdiagramm, das ein Steuersystem zur Verwendung bei einer exemplarischen Ausführungsform des Systems gemäß 1 zeigt. Das Steuersystem 90 kann einen Prozessor 92 enthalten, eine programmierbare Schaltung 94, ein Steuerinterface 96, ein Speichermedium 98 und ein Benutzerinterface 106 und anderes. Ein Speichermedium 98 kann eine Software 100 enthalten, ein gespeichertes Hologramm 102 oder eine Darstellung der dreidimensionalen Struktur 104 und anderes.
Das Steuersystem 90 kann einen Flächenlichtmodulator derart steuern, dass ein spezifisches Hologramm oder eine Reihe von Hologrammen in das Medium projiziert werden. Das Steuersystem 90 kann in der Weise arbeiten, dass ein Prozessor 92 und die programmierbare Schaltung 94 Software verwenden, um ein Hologramm zu erzeugen. Die Hologramme können in 102 gespeichert werden für künftige Verwendung im Speichermedium 98, oder gleichzeitig mit der Projektion des Hologramms in das Medium erzeugt werden. Der Prozessor 92 kann das Steuerinterface 96 anweisen, einen Flächenlichtmodulator zu betätigen. Ferner kann der Prozessor eine Darstellung der gewünschten dreidimensionalen Struktur 104 verwenden, um das Hologramm oder den Satz von Hologrammen, der verwendet werden soll, zu bestimmen.
Das Steuersystem 90 kann unterschiedlich ausgebildet sein. Diese Formen können einen Computer, einen Satz von Computern, andere mikroprozessorbasierende Systeme, Analogsystem oder anderes enthalten.
Die programmierbare Schaltung kann viele Formen aufweisen. Diese Formen können über verschiedene Mittel programmiert werden. Diese Formen können eine Tastatur, ein Handgerät, ein Verbindungsnetzwerk, eine Maus oder anderes sein. Auf diese Weise kann die programmierbare Steuerung angepasst werden.
Das Benutzerinterface kann unterschiedliche Formen aufweisen. Diese Formen können eine Anzeige oder eine Eingabeeinrichtung sein. Die Anzeige kann verschiedene Formen enthalten, einschließlich eines Fernsehers, eines Bildschirms, eines Computermonitors oder anderes. Ferner kann die Eingabe in Form einer Tastatur, eines Handgerätes, einer Maus oder anderes ausgebildet sein.
Das Speichermedium 98 kann unterschiedliche Formen aufweisen. Diese Formen können eine Festplatte, eine entfernbare Platte, ein Flashspeicher, ein Netzwerkspeicher und anderes sein.
Die Repräsentation der gewünschten dreidimensionalen Struktur des Objektes 104 kann unterschiedliche Formen aufweisen. Diese Formen können analog, digital, eine CAD-Darstellung oder anderes sein.
6 ist ein schematisches Diagramm, das eine andere exemplarische Ausführungsform der Erfindung gemäß 1 darstellt. In dieser exemplarischen Ausführungsform 110 projiziert der Projektor 112 ein Hologramm elektromagnetischer Energie 114 oder eine Reihe von Hologrammen in einen Behälter 116. In dem Behälter 116 kann eine bewegliche Platte 118 enthalten sein. In dieser Ausführungsform kann das Hologramm in ein flüssiges Medium oder ein pulverförmiges Medium projiziert werden. Ferner kann das flüssige Medium oder das pulverförmige Medium mit einem Sprayer 120 in Richtung, in oder auf die Platte oder das dreidimensionale Objekt als zu formendes Objekt gesprüht werden.
In einer exemplarischen Ausführungsform kann die Plattform kontinuierlich bewegt werden, vertikal, horizontal oder anders. Der Projektor 114 kann einen holographischen Film in das flüssige Medium projizieren. Dabei kann eine dreidimensionale Struktur geformt werden. Das Medium kann jedoch auch eine Pulverform einnehmen.
Auf diese Weise kann eine dreidimensionale Struktur ohne Streifenbildung oder Schichten oder mit minimalen Streifen oder Schichten erzeugt werden. Dadurch können eine Prototypenbildung und eine Strukturbildung erreicht werden, ohne Verwendung zusätzlicher Bearbeitung oder Werkzeugbereitstellung.
7 ist ein schematisches Blockdiagramm, das ein exemplarisches System zur Bildung von Hologrammen zur Verwendung durch ein System gemäß 1 darstellt. Das System 130 weist eine elektromagnetische Energiequelle 132 auf, die einen elektromagnetischen Energiestrahl 134 über einen Flächenlichtmodulator 140 projiziert, um ein Hologramm elektromagnetischer Energie 142 zu bilden. Z. B. kann die elektromagnetische Energiequelle 132 ein Lasergenerator sein. Der Lasergenerator kann einen Strahl 134 erzeugen. Der Strahl kann durch einen Kollimator 136 hindurchtreten und dann durch den Flächenlichtmodulator 140, um das Hologramm 142 zu bilden. Ferner kann durch Verwendung eines Lasers oder anderer monochromatischer Quellen eines monochromatisches oder Einzelwellenlängenhologramms produziert werden. Alternativ kann ein Nur-Phasenflächenlichtmodulator 140 verwendet werden, um ein Hologramm 142 zu erzeugen, das variierende Wellenlängen aufweist, in denen die Wellenlängen mit der Position variieren.
Hologramme können auf verschiedene Weise produziert werden. Diese Mittel enthalten Film, Kristalle und Flächenlichtmodulatoren. Flächenlichtmodulatoren können verschiedene Formen aufweisen. Diese können Nur-Amplitudeform, eine Nur-Phasenform und/oder Phasen- und Amplitudenform enthalten. Diese Flächenlichtmodulatoren können durch ein Computersystem gesteuert werden. Das Computersystem kann die Bildung der Hologramme durch Verwendung vorbestimmter Hologramme, durch Errechnung des Hologramms oder durch andere Mittel erzeugen.
8 zeigt einen anderen Überblick des holographischen Ablagerungsprozesses der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt, empfängt die Prozesskammer 150 Gasvorläufer 152, die über eine Gasleitung zugeführt werden, und ein Gassteuersystem 154, um die Kammer 150 zu betreiben. Eine Laserquelle 156 liefert einen Laserstrahl 158, der durch die Optik 160 gerichtet wird und eine hologramm- oder computergesteuerte Phasenplatte 162, um ein holographisches Bild 164 an einer spezifischen Stelle in der Verfahrenskammer 150 aufzulösen. Die Verfahrenskammer 150 kann unterhalb Atmosphärendruck oder oberhalb Atmosphärendruck stehen. Ferner kann der Druck durch ein Drucksteuersystem 172 gesteuert werden. Dabei ist ein Fenster 166 vorgesehen, das zur Darstellung eines Hologramms 164 für Laserlicht transparent ist. Das Hologramm gibt die Energie an einer spezifischen Stelle ab, um das abgelagerte Material von dem Gasvorläufer zu dissoziieren. Typische CVD-Prozessoren laufen bei relativ geringem Druck ab. Es kann jedoch vorteilhaft sein, den Druck in der Prozesskammer 164 zu erhöhen, um die Ablagegeschwindigkeit zu erhöhen. Eine Wärmequelle 170 ist ein anderes Verfahren, durch das die Ablagegeschwindigkeit in der Prozesskammer erhöht werden kann. Die Abgabegeschwindigkeit kann sowohl durch Änderung des Drucks als auch der Temperatur in der Prozesskammer 150 erhöht werden.
Die Abgabe kann nur dort auftreten, wo das Hologramm dargestellt wird, da die Konzentration der Energie an diesen Punkten ausreichend ist, um Atome aus den Gasvorläufern oder anderen Vorläufern freizugeben und die Freiform dreidimensionaler Objekte zu bilden. Dies wird dadurch erreicht, dass eine Lichtquelle, wie der Laser 158, ausgerichtet wird. Eine Laserquelle 158 kann durch Optiken 160 so in zwei Strahlen gespalten werden, dass einer dieser Strahlen durch eine Hologrammplatte 162 derart geführt wird, dass die beiden Teile des Laserstrahls 158 in einer bestimmten Entfernung interferieren und sich aufbauend koppeln, um das Bild zu erzeugen.
Ein Aspekt, der in der vorliegenden Erfindung gefunden wurde, liegt in der Idee der Holographie. Dies unterscheidet sich von einem stereolithographischen Verfahren. Stereolithographische Systeme sind Scansysteme. Bei der Holographie ist es möglich, anstelle der Darstellung eines Punktes zu einer bestimmten Zeit und der Konstruktion einer Schicht oder größerer Strukturen Punkt-für-Punkt, eine gesamte 3D-Schicht gleichzeitig zu erzeugen. Dies erlaubt eine dramatische Verringerung der Verarbeitungszeit. Stereolithographische Systeme, die z. B. Pulslaser verwenden, legen an einem Punkt ab. Daher ist es Punkt-zu-Punkt möglich, eine Linie und dann ein Flächenvolumen zu erzeugen. Die Holographie verringert und vermeidet es, dass Punkte oder Linien gescant werden müssen, da alle Punkte zusammen zur Formung einer Schicht oder einer dreidimensionalen Objektstruktur zusammenführen. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Verarbeitung individueller Schichten beschränkt. Es kann eine geringe Menge sehr diffuser Festkörper insgesamt belichtet werden, im Gegensatz zu einer Schicht-auf-Schicht-Basis. Ein Beispiel kann die Bildung von Aerogelen sein. Alternativ ist es durch Anhebung des Druckes eines gasförmigen Mediums möglich, ein dichtes Metall innerhalb einer dichten Flüssigkeit oder eines Gases darzustellen.
9 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein Gasspeichersystem 192 Gasvorläufer enthält, die in der Kammer 194 verwendet werden. 9 zeigt einen einzelnen Gasvorläufer und einen Gasspeicher 192, jedoch kann jede Zahl von Gasen oder Gastanks verwendet werden, um die Gasvorläufer oder andere Arten von Vorläufern zur Bearbeitung der Gaskammer 194 zuzuführen. Das System kann ein Magnetventil 200 enthalten, das durch das Steuersystem 196 betätigt wird, um den Fluss der Vorläufer in die Prozesskammer 194 zu steuern. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verdichtet die Prozesskammer 194 auf ungefähr 6,89 × 10⁵ Pa (100 psi), um von der höheren Ablagegeschwindigkeit zu profitieren, die erreicht wird, wenn der Druck innerhalb der Prozesskammer erhöht wird. Dies unterscheidet sich von Standardprozessen zur Abgabe von Material durch chemische Verdampfung, wie bei Halbleiterprozessen, die alle unter Druck unterhalb der Atmosphäre durchgeführt werden. Es gibt Sicherheits- und Steuergründe für die Reduzierung des Druckes und die kleinere Steuerung der Abgaberate in der Verarbeitungskammer. Wenn man jedoch ein Abgabesystem für große Massen mit relativ großer Abgaberate verwendet, kann es wünschenswert sein, die Ablagerate durch Erhöhung sowohl der Temperatur als auch des Druckes zu erhöhen. Der Druck, der bei ca. 6,89 × 10⁵ Pa (100 psi) als Umgebungsdruck gewählt ist, kann in der Praxis von einem Druck unterhalb der Atmosphäre auf einen Druck oberhalb 6,89 × 10⁵ Pa (100 psi) gewählt werden.
Höhere Drücke können für erhöhte Abgabegeschwindigkeiten gewählt werden. Der Druck von ca. 6,89 × 10⁵ Pa (100 psi) ist als Beispiel zu betrachten, da weitere typische metallorganische Gasvorläufer bei 6,89 × 10⁵ Pa (100 psi) vorteilhaft betrieben werden können. Daher sind die Verhaltenscharakteristika bei diesen Drücken zu verstehen. Eine Laserquelle 198 führt einen Laser über Faseroptiken 202 durch eine Kollimationsplatte 204. Die Ausführungsform in 9 weist ein Arbeitsvolumen von etwa 2 Kubikfuß auf. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Volumen beschränkt, sondern dieser Prozess ist vollständig skalierbar von Submikroskopie auf super-makroskopische Bereiche. Durch Zurverfügungstellung der notwendigen Gasdrücke kann man gemusterte Schichten ablagern, ohne Verwendung von Strukturen traditioneller Verfahren, die eine selektive Ätzung erfordern. Zurückkommend zum holographischen Abbildungssystem der vorliegenden Erfindung gibt der Kollimatoroptik 204 den Laser durch die Fiberoptiken 202 ab. Eine Phasenplatte 208 ist vorgesehen, um das Hologramm zu erzeugen, das auf der Platte 206 in der Verarbeitungskammer 194 dargestellt wird. Die Phasenplatte 208 kann eine computerbetriebene Phasenplatte sein, um das Hologramm dynamisch zu erzeugen. Daher kann die holographische Information in Computern berechnet werden, die mit dem Steuersystem 196 in Verbindung stehen und in der Phasenplatte 208 ausgedrückt sein, um das Hologramm in Echtzeit zu erzeugen. Daher ist es möglich, Schichten der Phasenplatte dynamisch zu erzeugen und diese auf der Arbeitsplatte 206 darzustellen. Um eine konstante Position des Bildes in der Verarbeitungskammer zu erhalten, kann die Oberflächenplatte 206 mit einem Steuersystem verbunden sein, das in der Lage ist, die vertikale Position innerhalb der Verarbeitungskammer zu manipulieren. Ein solches System ist das Balgentypsystem 210, das alternativ durch Verfolgen des Verfahrens des dreidimensionalen Freiformbildes in der Prozesskammer 194 ausgeführt wird. Das Bild aufeinanderfolgender Schichten des Hologramms kann in unterschiedlichen Höhen in der Prozesskammer 194 dargestellt werden. Eine Ausführungsform der Phasenplatte 208 kann so betrieben werden, dass es das Bild 50 Mal pro Sekunde updated.
Die Oberflächenplatte 206 oder die Bühne kann darauf ein Substrat enthalten, das langsam abgesenkt wird, während das dreidimensionale Freiformobjekt auf dieser Bühne kondensiert. Dies bewirkt einen konstanten Bildabstand für die Phasenplatte.
Die vorliegende Erfindung erfordert jedoch keine Beschränkung auf einen bestimmten Abstand des Bildes von der Phasenplatte. Stattdessen kann das Steuersystem 196 die geeignete Phasenplatte sorgfältig nachführen und errechnen, während sie die dreidimensionale Freiform aus den Gasvorläufern in der Prozesskammer 194 kondensiert. Das Verfahren zur Verwendung eines konstanten Bildabstandes ist einfacher zu errechnen als die Errechnung eines dynamisch konstanten Bildabstandes. Auf diese Weise kann von einer Schicht zur nächsten die Bühne durch eine geschichtete Dicke durch einen Mechanismus abgesenkt werden, wie der Balgen gemäß 9.
Da die vorliegende Erfindung eine chemische Dampfablagerung verwendet, ist der einfachste Ansatz, eine Standardmetallorganochemie zu verwenden. In der Tat sind die ersten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Aluminiummetallorganiken. Diese wurden gewählt, da sie gut verstanden sind. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Chemie beschränkt. Exotischere Chemie kann verwendet werden, derart, dass es durch Manipulation der Gasvorläufer möglich ist, diverse oder komplexe Schichtenverbindungen aus mehr als einem Material abzulagern.
Alternativ ist es nicht notwendig, ein Hologramm zu verwenden, sondern man kann Interferenzen zwischen Mehrfachstrahlen zur Ablagerung verwenden, und Ablagerung erhalten, wo die Strahlen konstruktiv interferieren. Auf diese Weise ist es möglich, eine Ablagerung zu erzeugen, die nur an einer gewünschten Stelle auftritt.
Einer der einzigartigen Aspekte der vorliegenden Erfindung ist die durch einen Computer gesteuerte Phasenplatte 208 gemäß 9. Für einige Lichtwellenlängen kann ein LCD-Panel als Phasenplatte 208 verwendet werden. Konventionelle LCD-Panel können mit 60 Hz, 70 Hz oder 50 Hz z. B. updaten. Dies kann jedoch mehr oder weniger sein. Man kann elektronisch eine Maske für jede Schicht konstruieren, wenn man wünscht, dass die computergesteuerte Phasenplatte 208 manipuliert wird. Es kann eine computerbetriebenen Phasenplatte 208 verwendet werden, die für die geeigneten Wellenlängen des Lichts empfindlich ist, um eine Maske im standardlithographischen Prozess zu ersetzen. Die Phasenplatte gemäß 9 arbeitet bei etwa 400 Nanometer. Andere solcher computerbetriebenen Phasenplatten brauchen nicht eine LCD-Einrichtung enthalten. Stattdessen können digitale Spiegeleinrichtungen, Flip-Chip-Spiegel oder Vollwellenmischer verwendet werden, um das holographische Bild zu erzeugen. Alternativ kann man ein Hologrammstück oder einen Film für jedes Bild, das dargestellt wird, belichten. Dies ist jedoch ein langsamer Prozess.
Zur Vereinfachung wurde eine motorgetriebene Arbeitsplattform 206 gemäß 9 verwendet. Ein Balgen umgibt die bewegliche Bühne, um diese von den Gasvorläufern zu schützen. In diesem Fall wird der Balgen auf den gleichen Druck wie die Verarbeitungskammer 194 gebracht, um die Kräfte zu minimieren, die erforderlich sind, um die Arbeitsplattform zu bewegen. Dies wird durch ein Steuerventil 212 gesteuert, das durch das Steuersystem 196 betrieben wird. Druckgas oder ein Vakuum 218 kann vorgesehen sein für den Balgen, das erforderlich ist, um den Druck an die Prozesskammer anzupassen. Jedoch können auch andere Methoden verwendet werden, um die Struktur und die Platte zu bewegen.
Das System kann daher Hologramme verwenden, um 3D-Objekte zu erzeugen. Die Verwendung von Hologrammen kann schneller als Scannen sein. Ferner können die Hologramme dünnere Schichten als andere typische Techniken erzeugen. Ferner können exemplarische Ausbildungsformen der holographischen Techniken Schichten mit Molekular- oder Atomgrößendicken erzeugen. Daher benötigen diese Schichten keine Werkzeugvorhaltung. Die holographischen Techniken können daher die Kosten und/oder die Zeit des Scannens, Bearbeitens und anderer Aspekte der Herstellung reduzieren oder eliminieren.
Im Ergebnis enthält die vorliegende Erfindung ein System und ein Verfahren zur holographischen Darstellung dreidimensionaler Freiformobjekte mit einem Ablagesystem. Dieses System enthält eine Laserquelle und Mittel zur optischen Übertragung des Laserlichts auf eine Phasenplatte. Diese Phaseplatte kann computerbetrieben sein und erlaubt es, ein Bild durch ein Fenster in eine Verarbeitungskammer an einer bestimmten Stelle in der Prozesskammer zu erzeugen. Der Prozesskammer wird Gasdruck zugeführt, wobei die Gasvorläufer durch die lokal zugeführte Energie des dargestellten Bildes dissoziiert werden.
Zusätzlich kann das System der vorliegenden Erfindung ein Computersteuersystem enthalten, das die Zufuhr der Gasvorläufer und des Bildes des Hologramms dynamisch manipuliert. Eine Mehrzahl von Gasvorläufern kann verwendet werden, um Bildschichten zu erzeugen, die unterschiedliche Materialien enthalten. Ferner kann die Prozesskammer mit erhöhtem Temperaturdruck und/oder erhöhter Temperatur betrieben werden, um die Ablagegeschwindigkeit des Materials zu erhöhen, das aus den Gasvorläufern dissoziiert wird. Es ist ein Abflusssystem eingefügt, um Gasnebenprodukte zu entfernen und ungewünschte Gasvorläufer aus der Prozesskammer 194 abzuleiten.
Ferner kann das System der vorliegenden Erfindung Verfahren zur Konzentration der Gasvorläufer an spezifischen Stellen innerhalb der Verfahrenskammer 194 enthalten, um die Effizienz der Materialablagerung und der Dissoziation aus den Gasvorläufern zu verbessern. Bei Erhaltung der stärksten Konzentration der Gasvorläufer an den Stellen, an denen das Bild geformt wird, werden ungewünschte Gasvorläufer besonders wirksam entsorgt. Auf diese Weise ist es möglich, einen Verteiler innerhalb der Prozesskammer vorzusehen, der nahe dem holographischen Bild angeordnet ist, derart, dass die Gasvorläufer effizient an dem holographischen Bild abgegeben werden und die Gasnebenprodukte durch ein Abflusssystem 214 entfernt werden.
Ein anderer Aspekt, der in der vorliegenden Erfindung gefunden wurde, liegt darin, dass die Ablage nur stattfindet, wenn das holograhpische Bild geformt ist. Die Abgabe tritt daher nicht auf an anderen Stellen innerhalb der Verarbeitungskammer 194. Dies ist äußerst wertvoll zur Reduzierung des Aufbaus von Nebenprodukten, die typischerweise bei der chemischen Dampfaberlagerung auftreten. Oft müssen CVD-Ablagekammern aus der Produktion entfernt werden, um die Kammer von Nebenproduktschichten zu befreien und zu reinigen, die typischerweise Defekte in dem gebildeten Produkt entstehen lassen. Mit anderen Worten bringt die vorliegende Erfindung den Vorteil der lokalen Reaktion des Materials, das abgelegt werden soll, anstatt das eine Massenablage über das gesamte Innere der Kammer erfolgt, was in uneffizientem Abfall von Ablagematerial resultiert.
Die Effizienz des Systems gemäß 8 und 9 kann eine Funktion der Betriebstemperatur in der Kammer und der Durchflussmenge der Gasvorläufer sein. Die Effizienz kann klein sein, wenn unterhalb Atmosphäre gearbeitet wird. Durch Erhöhung des Druckes auf 6,89 × 10⁵ Pa (100 psi) wird die Effizienz dramatisch erhöht. An der Prozesskammer 194 sind Überwachungseinrichtungen 216 dargestellt. Diese können Druck und Temperatur überwachen oder entsprechende Fenster sein, derart, dass ein Betrachter die natürliche Bildung des Freiformobjekts in der Kammer 194 sehen kann. Ferner kann eine Kamera die Ablage dokumentieren.
Das System gemäß 9 zeigt einen einzelnen Strahl von Licht, der durch eine Phasenplatte 208 läuft. Alternativ kann ein holographisches Bild durch Mehrfachlichtstrahlen erzeugt werden. Jeder Weg kann verwendet werden, um das holographische Bild in der Verarbeitungskammer 194 zu erzeugen. Wenn Hologramme jedoch optisch im Gegensatz zu analytischer Erzeugung erstellt werden, kann das Verfahren Mehrfach-Lichtstrahlen benötigen. Die Prozesskammer 194 und die Bühne 206 können erhöht werden, um die Reaktionsrate zu erhöhen. Die Temperatur kann derart erhöht werden, dass die Gasvorläufer ein gering pulverisiertes holographisches Bild zur Dissoziation erfordern. Dies erhöht die Effizienz der Ablagerung. Es kann ferner äußerst erwünscht sein, mit sehr viel höherem Druck als 100 psi zu arbeiten, um höhere Ablageraten zu erreichen. Die Abgaberaten in Verbindung mit dem System in den 8 und 9 sind typischerweise Gramm pro Minute. Durch Variation der Energie der Laserquelle 198 ist es möglich, die Dichte des abgelagerten Materials durch Erhöhung der Dichte des holographischen Bildes dynamisch zu erhöhen. Daher könnte man in der Lage sein, nicht nur ein dreidimensionales Freiformobjekt zu erzeugen, sondern auch dreidimensionale Freiformen mit dynamischen Dichten zu entwickeln. Obgleich diese Ablagerungsrate gering ist im Vergleich zu Standardtechniken, kann ein Teil, das mit 15 mm pro Minute durch ein holographisches Bild erzeugt wird, etwa 20 Minuten benötigen, während ein Teil, das durch traditionelle Scantechniken erzeugt wurde, 8 Stunden braucht. Wenn die Schichten in 5 Mikron Inkrementen abgelagert werden, weist die dreidimensionale Freiform eine Spiegeloberfläche auf. Die Qualität der Oberfläche hängt von der Dicke der abgegebenen Schichten ab. Dies unterscheidet sich wiederum von konventionellen stereolithographischen Techniken, bei denen die erzeugte Freiformeinrichtung umgekehrt durch Hand bearbeitet werden muss, um die gewünschte Oberflächentextur zu erhalten. Obgleich die vorliegende Erfindung leicht verwendet werden kann, um metallische Formen zu erzeugen, können auch nichtmetallische Materialien verwendet werden.
Die holographische Bilddarstellung von Laserenergie zur Ausbildung dreidimensionaler Bilder kann auch verwendet werden für andere Techniken, in denen Laser über ein Sinterpulver geführt werden, wobei das Pulver geschmolzen wird an spezifischen Stellen, um ein dreidimensionales Bild herzustellen. Anstelle des Scannens durch Darstellung einer gesamten Schicht auf einmal, kann man die Abgabe oder Bildungsrate des dreidimensionalen Objektes erhöhen. Diesbezüglich ist es möglich, holographische Darstellungen auf traditionelle dreidimensionale stereolithographische Systeme anzuwenden.
Wie beschrieben, kann die vorliegende Erfindung ein einzigartiges Verfahren zur Erzeugung von Komponenten zur Verfügung stellen. Die vorliegende Erfindung gibt einen Prozess an, der dazu führt, dass Festkörper, wie Metalle, aus einer Gasphase auskondensiert werden, derart, dass organometallische Komponenten eine dreidimensionale Freiform erzeugen. Diese Form wird durch ein Hologramm bestimmt. Die erforderliche Energie zur Dissoziation der Atome, die die Festform bilden, aus der Gasphasenzusammensetzung, wird ebenfalls durch das gleiche Hologramm zugeführt. Dieses Verfahren erfordert wenig oder keine Bearbeitung, außer der Darstellung des Hologramms innerhalb einer Atmosphäre, die eine Gasphase enthält, eine organometallische oder eine andere Komponente. Die Wellenlänge des Lichts zur Erzeugung des Hologramms und zur Dissoziation der Atome wird durch die Absorptionsbanden der verwendeten Gasvorläufer bestimmt. Das Verfahren kann durch Erhöhung der Temperatur und des Drucks der organometallischen Verbindung vor der Einführung des Hologramms in das Medium unterstützt werden. Dieses Verfahren tritt sofort nach der Einführung des Hologramms in das Medium auf und die resultierenden dissozierten Atome können unter dem Einfluss der Schwerkraft herunterfallen. Um große Mengen von Material in komplexen Formen aufzubauen, kann es erforderlich sein, ein zeitvariierendes Hologramm abzuspielen, um inkremental eine feste Form aufzubauen. Die Form kann auch auf einer Platte oder einem Träger mit geeigneten Einstellungen des Hologramms konstruiert werden. In einem solchen Fall werden einzelne Schichten der dreidimensionalen Freiform in Reihe dargestellt. In diesem Fall wird entweder der Brennpunkt bei der dreidimensionalen Freiformdarstellung verschoben oder alternativ die Freiform bewegt, um eine konstante Fokusebene für das Bild zu erreichen.
Obgleich die vorliegende Erfindung im Detail in Bezug auf die dargestellten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist darauf hinzuweisen, dass die Beschreibung nur als Beispiel dient und nicht im beschränkenden Sinne aufzufassen ist. Es ist ferner darauf hinzuweisen, dass daher verschiedene Änderungen der Details der Ausführungsformen der Erfindung und zusätzliche Ausführungsformen der Erfindung offenbart sind, die vom Fachmann unter Referenz auf diese Beschreibung ausgeführt werden können. Es ist zu betonen, dass alle solche Änderungen und zusätzliche Ausführungsformen innerhalb des Rahmens und des Umfangs der in den Ansprüchen dargestellten Erfindung dienen.
Daher werden eine holographische Einrichtung und ein Verfahren beschrieben. Im Hinblick auf die oben angegebene detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung und dazugehörigen Zeichnungen sind andere Modifikationen und Variationen dem Fachmann offenbar. Solche anderen Modifikationen und Variationen können ausgeführt werden, ohne dass der Bereich der vorliegenden Erfindung entsprechend den Ansprüchen verlassen wird.

Claims

Einrichtung zur Bildung einer dreidimensionalen festen Struktur aus einem Medium, wobei die Einrichtung Folgendes enthält: einen holographischen Projektor (12) zur Projektion einer elektromagnetischen Energie (14) in Form wenigstens eines Hologramms in das Medium (16), wobei die elektromagnetische Energie in Form des wenigstens einen Hologramms Energie auf das Medium (16) übermittelt und das Medium (16) durch wenigstens eine Phase wechselt, um eine feste dreidimensionale Struktur zu bilden.
Verfahren zur Bildung einer dreidimensionalen festen Struktur, wobei das Verfahren Folgendes enthält: Erstellen einer Verfahrensumgebung mit einem Medium mit steuerbarem Druck, Temperatur und Atmosphärenzusammensetzung, Projizieren (36) von elektromagnetischer Energie in Form wenigstens eines Hologramms in das Medium mit einem holographischen Projektor; wobei die elektromagnetische Energie in Form des wenigstens einen Hologramms Energie auf das Medium überträgt, und das Medium durch wenigstens eine Phase wechselt, um eine dreidimensionale feste Struktur (38) zu bilden, wobei das wenigstens eine Hologramm, das Energie auf das Medium überträgt, eine Dissoziation von Vorstufen des Mediums bewirkt, wobei sich aus dem dissozierten Medium Festkörper bilden und eine erste feste Schicht dem Hologramm entspricht.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder ein Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der holographische Projektor einen räumlichen Lichtmodulator enthält.
Einrichtung oder ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, bei dem das Medium eine gasförmige organometallische Verbindung ist.
Einrichtung oder Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, bei dem der holographische Projektor so angeordnet ist, dass er eine Mehrzahl von Hologrammen projiziert.
Einrichtung oder Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Hologramme durch eine Reihe von Medien projiziert werden.
Einrichtung oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner die Projektion mit einem zweiten holographischen Projektor enthält, wobei der zweite holographische Projektor so angeordnet ist, dass er eine zweite elektromagnetische Energie in das Medium projiziert.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder Verfahren nach Anspruch 2, das ferner enthält: Halten des Mediums in einem Behälter (58), wobei der Behälter (58) ein Fenster (56) aufweist, das für elektromagnetische Energie (52) in Form des Hologramms transparent ist, wobei die elektromagnetische Energie (52) in Form des Hologramms durch das Fenster (56) in das Medium (60) überführt wird, und die elektromagnetische Energie (52) in Form des Hologramms Energie auf das Medium (60) überträgt, wobei das Medium (60) durch wenigstens eine Phase wechselt, um eine feste dreidimensionale Struktur zu bilden.
Einrichtung oder Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der holographische Projektor ferner enthält: eine Laserlichtquelle zur Erzeugung einer kohärenten elektromagnetischen Energie; ein Kollimationsmittel, wobei die kohärente elektromagnetische Energie das Kollimationsmittel durchläuft, um eine gebündelte elektromagnetische Energie zu bilden; einen räumlichen Lichtmodulator, wobei die gebündelte elektromagnetische Energie durch den räumlichen Lichtmodulator (54) läuft, um wenigstens ein Hologramm elektromagnetischer Energie zu bilden, wobei das wenigstens eine Hologramm elektromagnetischer Energie in das gasförmige Medium übertritt; eine Einlassleitung (64), die mit dem Behälter verbunden ist, wobei die Einlassleitung (64) so betätigt werden kann, dass das gasförmige Medium wahlweise in den Behälter (58) fließen kann; eine Auslassleitung (66), die mit dem Behälter verbunden ist, wobei die Auslassleitung (66) so betrieben werden kann, dass das gasförmige Medium wahlweise aus dem Behälter (58) fließen kann, und einer Plattform (62), die in dem Behälter (58) angeordnet ist, wobei die elektromagnetische Energie in Form des wenigstens einen Hologramms Energie auf das gasförmige Medium überträgt, wobei die Energie bewirkt, dass das gasförmige Medium dissoziert und eine feste dreidimensionale Struktur auf der Plattform (62) ablegt.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Energie zur Dissoziation des Mediums der Wellenlänge der elektromagnetischen Energie zur Projektion des wenigstens eines Hologramms entspricht.