JP4339410B2 - 材料に対し光により開始される化学的架橋を行う装置 - Google Patents

Description

本発明は、一つ以上の成形品を形成する光学的に透明な成形用型に入れられた材料に対し、光により開始される化学的架橋を行う装置に関し、装置は、架橋を引き起こす光によって、材料に作用することができる光源を少なくとも１個有する。
材料の化学的架橋において、材料の分子構造は、分子鎖の結合によって変えられる。材料は、加工の間に、肉眼で見える変化をする場合があり、例えばある凝集状態から別の凝集状態へ、例えば液体状態から固体状態へ変化する場合がある。架橋は、例えば、本明細書において、一般的に光と呼ばれる電磁波の照射により引き起こすことができる。この過程を誘発するために、フォトンは一定の最小エネルギーを有さなければならず、その結果、典型的には紫外線（ＵＶ）波長領域の光が用いられる。
このような液体材料を光学的に透明な成形用ツールに入れれば、材料に架橋を引き起こす化学プロセスを露光により誘発できる。すると、材料は固体になり、成形用ツールの形状を保持する。このような方法で成形された材料を成形用ツールから取り出し、所望の形状の固体成形品が得られる。
成形用型が、その中で複数の成形品を生産するように用いられる場合、その複数の成形品が成形用型中で互いに結合されているのが好都合である。架橋される液体材料は、成形用型の一方の側から投入され、分散し、成形用型全体を満たすことができる。しかしながら、架橋の後にそれぞれの成形品を互いに分離する際に問題が起こる。境界は、しばしばそのあとで、加工、例えば磨かれることが必要である。同じ問題は、架橋される材料が投入される部分に、成形品自体の痕跡を残すので、成形品が一つのみの場合でも起こる。
本発明の根底にある課題は、架橋を誘発する光が成形品（類）の外形を形成するように、冒頭で言及したタイプの装置中にビーム経路を形成することである。
本発明の根底にある課題は、特に、装置の光軸に平行である成形品表面が、架橋を誘発する光のビーム経路により決定されるように、冒頭で言及したタイプの装置中にビーム経路を形成することである。
本発明によれば、この課題は、成形用型中において架橋される領域が、光源と成形用型の間にある光線境界画定要素により少なくとも部分的に決定されることで解決される。結果として、架橋されるべき領域を、実際に制御することができる。
そのような光線境界画定要素は、例えば、光源と成形用型の間に配置された透明表面部分及び不透明表面部分を有するマスクであり得、マスクは成形用型に入れられた材料上に投影光学系により投影される。
特定の所望のパターンは、マスクにより画定される。そのパターンは、成形品の形状を、装置の光軸に関して放射方向に決定する。成形用型の放射方向の寸法が大きいときであっても、パターンの外側の材料は架橋されず、かつ成形品を取り出した後に、成形品からすすぎ落とすことができる。
好ましくは、光源は、架橋されるべき所望量の材料を通るエネルギーの流れを、可能な限り均一に供給し、かつ合計エネルギー又は強度を、化学反応が可能な限り短時間で完了するように十分高くして、製造工程において良好かつ経済的に実行可能な収率を可能にするべきである。
光源は、光学的にほぼ点の形態であり得、集光光学系は、マスクへの十分に均一な照射が得られるように、光源とマスクの間に配置され得る。この手段は、公知であり、ここでは、詳細には論じない。
装置は、テレセントリックビーム経路によりマスクの投影が材料上に達成されるように構成され得る。テレセントリックビーム経路は、対象物側又は画像側のいずれかにある。対象物側テレセントリックビーム経路は、光学システムの入射瞳が無限遠に配置されるビーム経路、すなわち出射瞳が画像焦点と一致するビーム経路として定義される。画像側テレセントリックビーム経路は、光学システムの出射瞳が無限遠に配置されるビーム経路、すなわち入射瞳が対象物焦点と一致するビーム経路として定義される。テレセントリックビーム経路が画像側に存在する場合、画像の寸法は画像の位置に依存しない。このことは、形成される成形品には、システムの光軸の方向にある程度の厚みがあるため、本発明においては非常に好都合である。光軸に平行に広がる成形品の側面の表面は、結果として、架橋の間、いかなる屈曲も受けない。異なる距離及び材料厚さによる焦点ずれは、最小化される。
光源は、ＵＶパルス光源（フラッシュランプ）であってもよい。光源として典型的に用いられるｃｗ（ｃｗ＝持続波）高性能ハロゲンランプは、相当なスペースをとり、電気出力が数kwの範囲であり、そして高価であるが、これは、損傷の割合が高く、複雑な電気的制御を必要とし、ＵＶ収量が低い。パルス光源は、極めて低い平均電気出力と共に、非常に高いＵＶ成分を有している。これは、ＵＶ成分がアークのプラズマ温度の関数であり、全電気出力がランプの材料により制限される（平均熱負荷限界）という事実によるものである。パルスランプにおいては、白熱プラズマのはかなり熱く、すなわち、それぞれの光パルス毎に極めて高い出力がある。そのようなランプにおいては、それぞれのパルスによる出力の制限要因はランプの熱衝撃抵抗のみである。他方、平均電気出力は、低い（例えば、数ワット）。そのようなランプは、また、より安価でもある。典型的には、パルスランプは、ｃｗ作動ランプの２００〜３００倍のＵＶ成分を達成する。
パルスランプの更なる利点は、低い電気出力のために、それらの構成容積がより小さいことである。その結果、それらは容易に光学システムに組み込むことができ、光学システムと近接した集合として配置することができる。
パルスモード操作では、また、単にプロジェクタ当りのパルスを数えるだけで、複数のパルスそれぞれの照射量を正確に制御できる。
再帰反射板は、光源から見て成形用型の後ろに配置され得る。活性容量が照射された後、ビーム経路の中に再帰反射板を組み込むことにより、光は所望量で再び投影される。１回のビームの通過では、典型的には少量の割合のみが吸収（つまり、所望の化学反応を誘発する）されるので、配置全体を通しての効率の程度は、ほぼ２倍になる。更に、プロジェクタランプへの逆投影は、プラズマ放出温度を大きく増大させ、それは、放出スペクトルのＵＶ成分を所望するように増大させる。
適切なエネルギー範囲を選択するためには、光学フィルタをマスク中に組み込んでもよく、あるいはコリメーター、投影光学系若しくは成形ツールが、適宜、選択的に透明であってもよい。
本発明の結果として、とりわけ露光が、比較的大きな表面領域で均一になり、そして更に表面領域全体のうちで固定された部分でそれぞれに変えることができ、それは特に多重加工の場合（いわば、複数の成形品が成形用型の中で互いに隣り合って配置されているとき）及び小さな成形品が製造されるときに重要である。
本発明の実施態様は、以下の添付図面を参照して詳細に例示されている。
図１は、本発明の実施態様の図解的表現である。
図２は、画像側テレセントリックビーム経路を調製するための光学エレメントの配置の図解的表現である。
図１において、プロジェクタは参照番号１０により示されている。プロジェクタ１０は、フラッシュランプ１２の形の光源を含む。フラッシュランプ１２は、パルスカウンタを含む電気制御手段１６にリード線１４により連結されている。プロジェクタ１０において、フラッシュランプのビーム経路中に、連続してコリメータ光学系１８、透明形態でのマスク２０、絞り２２及び投影光学系２４が配置されている。絞り２２は、投影光学系２４の焦点平面に配置されている。
プロジェクタ１０は、それが成形用ツール２６を露光するように配置されている。成形用ツールには、露光され、架橋される材料２８が入れられる。
再帰反射板３０は、プロジェクタ１０から見ると、成形用ツール２６の後ろに配置されている。
装置の光軸は、参照番号３２で示されている。複数のプロジェクタが用いられるとき、そのような光軸３２は、それぞれのプロジェクタに関連付けられる。その結果、光軸３２への関連付けは、個別のプロジェクタごとに行われる。
絞り２２は、プロジェクタ１０において、入射瞳を定義するように配置されている。絞り２２は、投影光学系のための開口絞りを形成する。画像側テレセントリックビーム経路が、結果とし作成され、比較的厚い材料２８、いわば光軸３２に広い範囲で平行である材料を、底において変形無しで露光することができることを意味する。更に、プロジェクタ１０と成形用ツール２６との間の距離に関して、操作のためのかなり大きな余裕を、架橋の結果にマイナスの効果を奏しないで生むことが可能である。
パルス・カウンタを有する制御部１６の結果として、架橋される材料２８を通るエネルギーの流れを制御する簡単な方法が可能である。
より明瞭にするために、図１において、一機のプロジェクタ１０のみが示されている。しかしながら、本発明は、一機のプロジェクタ１０の使用に限定されないことを、明確に言及される。むしろ、複数のプロジェクタを使用することが、好都合である。例えば、４×５の成形品の配置が透明な成形用ツールの中で形状が定義された状態で露光されるならば、パルス光源及び約４０Ｗの平均電気出力を有する、例えば２０個の同一に構成されたプロジェクタを用いることができる。製造される成形品が同一であり、そして、例えば、それぞれが光軸に対して放射状に１５mmの直径を有する場合がある。装置がそのように操作されるので、強度は数秒の期間にわたり平均１０mW/cm²に達する。用いられるマスク２０は、成形用ツールへ投影される金属マスクであってよい。露光強度の評価により、以下の値を提供する。

この実験に要した全電気出力は、それぞれ１０Ｗで別個の２０個のランプから、最大２００Ｗである。公知の影−投影技術（shadow-throwing technology）及びｃｗランプでの要求を満たすため、２．５kW以上の電気出力を有するランプを用いることが必要である。
画像側テレセントリックビーム経路は、図２を参照して記載されている。図２の対応する部分は、図１と同じ参照番号で提供されている。
光軸３２に連続して、光源１２、コリメータ光学系１８、マスク２０、開口絞り２２及び投影光学系２４が配置されている。開口絞り２２は、投影光学系２４の目的の焦点平面に配置されている。画像側テレセントリックビーム経路が、結果として、形成される。二つのビームは、参照番号３６及び３８により示されている。投影光学系２４は、マスク２０を画像平面４０へ投影している。マスク２０の鮮明な画像は、その画像平面４０で得られる。テレセントリックビーム経路のために、画像平面４０の前及び後の両方で、マスクの画像、それは鮮明ではないが、画像平面４０における画像寸法から、異ならないか、又はわずかに異なるマスク２０の画像が得られる。
コリメータ光学系１８は、光源１２を、開口絞り２２の平面に投影する。それは、小さな円３４により示されている。いわゆる連結された、または混ぜ合わされたビーム経路はこの方法で得られ、マスク２０の良好な照明をもたらす。

Claims (4)

1. 光学的に透明で、少なくともその一部が成形品を形成するために架橋される材料が入れられている成形用型と、
   材料が架橋を誘発する光を発し、光学的に点の形態である光源と、
   前記光源と前記材料の間に配置され、透明及び不透明表面部分を有するマスクと、
   光源とマスクとの間に配置されたコリメータ光学系と、
   前記マスクが投影される前記材料の表面上の領域を画定するように、前記マスクを前記材料の表面上に投影する投影光学系と、を含み、
   前記コリメータ光学系と前記投影光学系は、材料を取り囲むように画像側テレセントリックビーム経路を形成し、装置の光軸に関して放射方向の成形品の形が、前記材料の表面上の領域によって画定される、材料に対して光により開始される化学的架橋を行う装置。
2. 再帰反射板が、光源から見て、成形用型の背後に配置されている、請求項１記載の装置。
3. 光源が、パルス化されたUV光源である、請求項１記載の装置。
4. 再帰反射板が、光源から見て、成形用型の背後に配置されている、請求項３記載の装置。

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