CN102217036A - 用具有稀疏图案的掩模进行激光烧蚀加工 - Google Patents

用具有稀疏图案的掩模进行激光烧蚀加工 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于通过激光烧蚀方法在基底上成像的具有稀疏图案的掩模。所述掩模具有多个透光的孔以及所述孔周围的不透光区域。所述孔单独地形成完整图案的一部分，当用所述掩模成像时，一个或多个掩模的多个孔一起形成所述完整图案。将掩模制成具有稀疏图案的形式可以提供在所述激光烧蚀过程中从所述基底上移除碎片的路径。多个交错的稀疏重复图案可以形成重复距离大于所述单个图案的更为复杂的图案。

Description

用具有稀疏图案的掩模进行激光烧蚀加工
背景技术
准分子激光已用于通过成像系统将图案烧蚀到聚合物片中。最通常的是，这些系统已用于修改产品，主要是为喷墨喷嘴或印刷电路板切孔。这种修改是通过用成像系统覆盖一系列类似形状而进行的。可以将恒定形状的掩模和聚合物基底保持在一个地方，同时将来自激光的多次脉冲集中在基底的顶部表面上。脉冲的次数与孔的深度直接相关。激光束的注量(或能量密度)与切割速度、或每次脉冲所切割的深度微米数(每次脉冲通常切割0.1至1微米)直接相关。
此外，可以通过用不同分立形状的阵列进行烧蚀而形成3D结构。例如，如果在基底表面中烧蚀大孔，然后烧蚀越来越小的孔，那么可以形成透镜状形状。用单个掩模中的一系列不同形状的开口进行烧蚀是本领域已知的。通过将模型(如球形透镜)切割成一系列深度均匀分布的横截面而形成掩模的概念也是已知的。
然而，用这些激光烧蚀系统形成的重复结构来制备显示器薄膜时，往往会产生莫尔条纹(moiré)。莫尔条纹是两个重复图案结合时产生的可视缺陷。最新的显示器采用恒定间距、重复的像素阵列。添加到该显示器中的任何材料都会产生莫尔条纹图案缺陷。
发明内容
可以在激光烧蚀工艺中使用符合本发明的稀疏图案化掩模来形成基底图像。掩模具有一个或多个透光的孔以及孔周围的不透光区域。孔单独地形成完整图案的一部分，不透光区域在掩模上位于第一孔之间的与所述基底上的非成像区域对应的区域内，该区域随后通过相同或不同掩模上的第二孔进行成像，从而形成完整图案。
掩模为离散的孔区域，其可以通过激光照明系统一次成像。如果玻璃板远大于照明系统的视野，则可以在单片玻璃板上放置不止一个掩模。从一个掩模变为另一个掩模可以包括通过移动玻璃板而使另一个区域进入激光照明的视野内。
根据本发明，在基底上进行激光成像的一种方法使用具有稀疏图案的掩模。该方法包括通过具有透光孔和所述孔周围的不透光区域的第一掩模在基底上成像，随后通过各自具有透光的孔和所述孔周围的不透光区域的一个或多个第二掩模在基底上成像。第一掩模中的孔形成特征的完整图案的第一部分，而一个或多个第二掩模中的孔形成特征的完整图案的第二部分。当第一掩模和一个或多个第二掩模单独成像时，第一掩模和一个或多个第二掩模一起形成特征的完整图案。
根据本发明，在基底上成像的另一种方法也使用具有稀疏图案的掩模。该方法包括在基底上成像时，使得基底上的一个区域由掩模中的透光的第一孔进行成像，随后通过掩模中的一个或多个第二孔在基底的该区域中进行成像。不透光区域围绕第一孔和一个或多个第二孔。掩模中第一孔的图像和第二孔的一个或多个图像结合形成特征的完整图案。特征可以仅由第一孔形成、仅由第二孔形成、或由第一和第二孔的组合形成。
根据本发明，微复制型的制品具有两个或更多个重复的离散特征阵列。每个特征阵列形成作为完整图案一部分的组分图案。特征阵列交错形成完整的特征图案，其重复距离大于任何组分图案的重复距离。
附图说明
附图包含在本说明书中并构成本说明书的一部分，并且它们结合具体实施方式阐明本发明的优点和原理。附图中，
图1为用于在平面基底上进行激光烧蚀的系统的示意图；
图2为用于在圆柱形基底上进行激光烧蚀的系统的示意图；
图3a至3c示出了在圆柱形工具上形成三种交错的稀疏图案的示意图；
图4为第一种重复图案的示意图；
图5为第二种重复图案的示意图；
图6为具有六边形结构的完整图案的一部分的示意图；
图7为具有环状结构的完整图案的一部分的示意图；
图8为示出可形成图6中的图案的稀疏掩模的示意图；
图9为示出可形成图7中的图案的稀疏掩模的示意图；
图10为示出三分之一稀疏六边形堆积图案的一部分的示意图；
图11为示出与图10的图案交错的第二个三分之一稀疏六边形堆积图案的一部分的示意图；
图12为示出与图11的两个图案交错的第三个三分之一稀疏六边形堆积图案的一部分的示意图；
图13为示出可形成图10的稀疏图案的稀疏掩模的示意图；
而图14和14a为示出圆柱形基底的示意图，该基底表面的一部分上已进行了稀疏图案的螺纹切削。还示出了图案的详细视图。
具体实施方式
本发明的实施例涉及设计和使用基于掩模的成像系统，通过激光烧蚀或基于平版印刷的系统来形成图案的技术。所述技术涉及分开掩模上的图案，以使图案稀疏。在第一个实施例中，可以将用于成像的规则图案分成较小的分区，在分区之间添加空的空间。然后在光栅的成像过程中将初始图案重组。在第二个实施例中，通过在各个掩模上形成稀疏图案并通过使这些图案交错形成新的图案而获得完整的图案。可以使用具有稀疏图案的多个掩模，其中稀疏图案具有不同的重复距离。理想的是，这些重复距离是素数，使得整个图案的重复距离远大于各个掩模的图像尺寸。可以用该技术(例如)制备与另一种图案或其本身结合时难以识别并不太可能形成莫尔条纹的图案。
分区中的空的空间在烧蚀过程中是有利的。具体地讲，掩模中的空的空间可允许激光烧蚀羽(从辐射所到达的任何地方的表面上“炸开”的扩散的等离子体波)更自由地伸展。空的空间还减少了在激光烧蚀中通常遇到的两个重要问题：大大减少与激光烧蚀工具上的步长相对应的宏观尺度缺陷(线条)；以及改变留在工具表面上的碎片的性质，使得可以更轻松地将其移除。
激光烧蚀系统
图1为用于在基本上平的基底上进行激光烧蚀的系统10的示意图。系统10包括提供激光束14的激光器12、光学器件16、掩模18、成像光学器件20和平台24上的基底22。掩模18可以使激光束14形成图案，而成像光学器件20将图案化的光束聚焦到基底22上，以便烧蚀基底上的材料。平台24通常使用x-y-z坐标台，通过x-y-z坐标台可以使基底以都垂直于激光束14的互相正交的x方向和y方向，以及平行于激光束14的z方向移动。因此，x方向和y方向的移动允许在整个基底22上进行烧蚀，而z方向的移动可有助于将掩模的图像聚焦到基底22的表面上。
图2为用于在基本上为圆柱形的基底上进行激光烧蚀的系统26的示意图。系统26包括提供激光束30的激光器28、光学器件32、掩模34、成像光学器件36和圆柱形基底40。掩模34可以使激光束30形成图案，而成像光学器件36将图案化的光束聚焦到基底40上，以便烧蚀基底上的材料。基底40可以安装为能旋转移动，以便烧蚀环绕基底40的材料，也可以安装为能以平行于基底40的轴线的方向移动，以便烧蚀整个基底40上的材料。基底另外还可以平行和正交于光束30移动，以便使掩模的图像聚焦在基底表面上。
掩模18和34或其他掩模均具有可透射激光的孔，以及孔周围的几乎完全阻挡住激光的不透光区域。掩模的一个例子包括具有光致抗蚀剂的玻璃上的金属层，以便通过平版印刷形成孔(图案)。掩模可以具有不同的孔尺寸和形状。例如，掩模可以具有不同直径的圆孔，可以在基底上的相同位置激光烧蚀不同直径的孔，以便在基底中切割半球形结构。
基底22和40可以用任何能够通过激光烧蚀进行加工的材料制成，通常为聚合物材料。就圆柱形基底40而言，它可以用涂在金属滚筒上的聚合物材料制成。基底材料的例子在美国专利申请公开No.2007/0235902A1和2007/0231541A1中有所描述，所述专利均以引用方式并入本文中，如同进行了充分阐述。
将基底加工成微结构化制品后，它们可用作形成其他微复制型制品(如光学膜)的工具。Kenneth Epstein等人的同本文提交于同一天的名称为“Curved Sided Cone Structures for Controlling Gain and Viewing Angle inan Optical Film”(用于控制光学膜中的增益和视角的曲面圆锥结构)的美国专利申请中提供了此类光学膜中的结构的例子和用于形成所述膜的方法，该专利申请以引用方式并入本文中，如同进行了充分阐述。
微复制型的制品可以具有用如下文所述的稀疏掩模通过激光成像方法形成的特征。术语“特征”是指基底上的单元内的离散结构，包括单元内结构的形状和位置。离散结构通常彼此分离；然而，离散结构还包括在两个或更多个单元的接合处接触的结构。
平面和圆柱形基底的激光加工在美国专利No.6,285,001和序列号为No.11/941206、名称为“Seamless Laser Ablated Roll Tooling”(无缝的激光烧蚀的轧辊模具)、提交于2007年11月16日的美国专利申请中有更详细的描述，所述专利均以引用方式并入本文中，如同进行了充分阐述。
使用单一稀疏掩模形成规则图案
例如，可以使用稀疏掩模将用于在激光烧蚀系统10上形成重复图案的掩模制成稀疏的，使得它具有占图案的二分之一、三分之二或四分之三或其他比率的空的空间。然后，需要让该掩模图像或其他一次、两次或三次或更多次分别通过整个基底，从而填充间隙。如果一次、两次或三次(或更多次)通过后的重复结构之间的距离显著不同(优选地为素数)，那么实际重复结构之间的距离可以比掩模图像尺寸大许多倍，在实施过程中超出若干厘米。重复结构单元内的结构可以具有无规成形或排列的特征。单一掩模上的重复结构之间的距离通常小于5毫米，更通常为1mm或更小。
表1示出了具有单行重复图案(特征A)的非稀疏激光烧蚀掩模，其中特征A由掩模上的一个或多个阻光或透光的子特征或不同区域组成。
Figure BPA00001373129400051
如图4所示，然后可以在光栅扫描过程中以1单位(50)、2单位(52)或4单位(54)的步长使用该图案，每通过一次分别覆盖特征A的4、2或1图像。在激光烧蚀系统中，通常在每个位置处覆盖同一特征的多个图像，以便将特征切割成合适的深度。光栅扫描涉及在移动基底期间或之后在掩模上成像，如美国专利No.6,285,001中所述。
表2中示出了相同图案的两种可能的稀疏版本。
Figure BPA00001373129400061
如图5所示，然后可以在光栅扫描过程中以1单位(56)和1单位(58)或3单位(60)的步长使用这些图案，每通过一次分别导致覆盖特征A的2、3或1图像而成像。
可以限制稀疏图案的排列。对于多数应用而言，希望具有均一的重复特征，例如，每列中具有相同数量的图案A，如图4和5所示。对于此类应用而言，如果以1基本单位步长进行光栅扫描，则可以使用任何类型的稀疏图案。此外，如果具有奇数(N)个重复结构，其中它们之间具有相同尺寸的空的空间(形成2N的总掩模宽度)，那么可以N单位步长光栅扫描图案，如图5中所示出的3单位步长(60)。如果需要不均一的特征分布，那么可以减少这些限制。
可以将任何类型的图案分开，使其变成稀疏的。然而，有两类图案变成稀疏图案最为有益。一类包括致密图案；或需要烧蚀基底的几乎整个表面上的材料的应用。这些应用要求掩模的至少一部分可透过大部分光。例如，连续凹槽图案需要去除大部分顶部表面，其中凹槽的顶部刚好在此处开始形成。彼此接触的离散形状还要求从掩模图像的至少一部分移除相当大比例的材料。这些致密图案可能难以进行激光烧蚀，因为只留有极小的区域用于形成从基底上脱离的烧蚀碎片，这通常形成大尺度缺陷和强韧的碎片。此外，致密图案在烧蚀过程中会产生更大的噪声，并且它们还更易使成像光学器件磨损。
第二类受益于稀疏的图案为封闭图案。封闭图案具有被成像区域完全包围的未成像区域。经验显示这些封闭区域会限制烧蚀羽。当图案具有烧蚀羽“逸出通道”时，形成的图案在强韧碎片和大尺度缺陷方面会得到很大改善。为了提供此类“逸出通道”，图案要做得稀疏，以使得不存在被烧蚀区域完全封闭的未烧蚀区域。封闭图案可以是连续的，如图6中所示的具有六边形特征64的连续阵列的一般的六边形图案62。封闭图案也可以是离散结构，如图7中所示的具有环状形状68阵列的图案66。
图案62和66都可以用稀疏掩模制成，以便为烧蚀羽提供“逸出通道”，如图8和9所示。如图8所示，图案62可以由具有孔72的稀疏掩模70制成，孔72单独地形成六边形图案的一部分并与其他复制品一起形成连续的六边形特征图案。图案62为组分图案的一个例子，它是完整六边形特征图案的一部分。如图9所示，图案66可以由稀疏掩模73制成，掩模73上的孔74和76单独地形成环状图案的一部分，并一起形成完整的环状特征图案。图案66为组分图案的一部分，它是完整的正方形特征图案的一部分。然后通过激光烧蚀方法用具有稀疏图案的掩模在基底的不同区域上成像，以便用分步重复法或光栅扫描法在基底上烧蚀出完整的图案。
使用多个稀疏掩模形成复杂图案
多个稀疏掩模可以交错形成比单个掩模所能形成的图案更为复杂的图案。例如，如果需要六边形阵列(可能用于制造透镜)，则可以使用三个三分之一稀疏掩模。如图13所示，掩模A首先通过后，可以形成图10所示的重复图案78。该图案78显示以2×1模式重复的四种不同特征(A1至A4)。该特征是通过所需特征的多个横截面的重叠形成的。例如，图13中的区域92包含一个孔，它用于四种特征中每一个的最大横截面，A1(94)、A2(96)、A3(98)和A4(100)。在图13所示的掩模中，这些轴对称特征(即透镜)中的每一个的尺寸和它们在其六边形单元内的位置都稍有不同。掩模90单独通过时，可以叠加图13中所示的九个区域，形成图案78中所示的重复特征阵列。掩模B通过时，可以形成图11中所示的组合图案80。掩模B被设计用于形成3×2重复特征图案(B1至B12)。此外，十二个特征(B1至B12)中的每一个的尺寸和相对于六边形阵列的位置都可能稍有不同。掩模C最后通过时，可形成图12中所示的图案82。掩模C用于形成以4×3模式重复的特征(C1至C24)。全部二十四个特征(C1至C24)都可以在六边形单元内具有任意位置和任意尺寸。
当组合图案82完成时，它看起来是无规的，但具有接近六边形单元尺寸乘以三个重复的最小公因子的重复。在这种情况下，一个方向只需要12步，另一个方向仅需要6步。如果标称特征间距(或六边形单元间距)为100微米，那么图案在一个方向约每2.08mm重复一次，在另一个方向每0.60mm重复一次。
六边形图案的另一种情况包括直径约10微米的重复透镜。如果再制备三个掩模，但使用素数数量的重复，如37×17、19×41和43×23个重复，那么完整重复图案之间的重复数量将为30,229×16,031。这与重复之间水平方向约524mm(20.6英寸)和垂直方向481mm(18.9英寸)相符。
具有稀疏图案的圆柱形工具
有至少两种方法可以将稀疏图案施加到圆柱形表面上，以形成比任何单个图案具有更大尺度重复的图案。可以用金刚石车削技术将图案施加到圆柱形表面上，以加工圆柱形工具的表面；金刚石车削在(例如)PCT专利申请公开No.WO 00/48037中有大致描述，该专利申请公开以引用方式并入本文中，如同进行了充分阐述。
在第一种方法中，以分立的行的形式施加每种图案，如图3a至3c所示。具体地讲，图3a示出了圆柱形基底42上的第一种图案44。图3b示出了第二种图案46，其在圆周方向(43)和轴向(45)的重复距离都比图案44大。图3c示出了图案44与图案46交错而成的图案48。图案的交错可以类似于多个图案的平面施加。唯一的额外限制是沿着圆周(θ方向，43)的总距离必须是各个图案在该方向的多步距离。如果生产中丢弃边缘不用，则对用于形成交错图案的z方向(45)没有限制。可以用(例如)系统26形成交错的稀疏图案，通过激光烧蚀将图案加工到基底中。
在第二种方法中，可以通过螺纹切削将多个稀疏图案交织到圆柱形表面上。螺纹切削可以包括沿着圆柱形基底表面上的螺旋形路径分步用掩模成像，如图14和14a所示。可以通过调整掩模的设计和步长的尺寸以及螺旋的间距，从而在基底表面上形成离散或连续特征阵列的图案。可以通过适当设计的稀疏掩模的一次或多次通过来形成这些特征。也可以通过将适当设计的稀疏掩模上的多种稀疏图案交错，从而在圆柱形基底上形成更为复杂的图案。

Claims (34)

1.一种用于在基底上激光成像的具有稀疏图案的掩模，包括：
掩模，所述掩模具有透光的孔和所述孔周围的不透光区域，其中所述孔单独地形成完整图案的一部分，并且所述不透光区域的至少一部分在所述掩模上位于所述孔之间的与所述基底上的非成像区域对应的区域内，随后用所述孔在所述非成像区域上成像，以形成所述完整图案。
2.根据权利要求1所述的掩模，其中所述基底具有基本上平坦的形状。
3.根据权利要求1所述的掩模，其中所述基底具有基本上为圆柱形的形状。
4.根据权利要求1所述的掩模，其中所述多个孔中的每一个均排列在规则重复阵列的一部分上。
5.根据权利要求1所述的掩模，其中所述完整图案包括连续的特征。
6.根据权利要求1所述的掩模，其中所述完整图案包括离散的特征。
7.根据权利要求1所述的掩模，其中所述孔具有圆形形状。
8.根据权利要求1所述的掩模，其中所述孔具有六边形形状。
9.根据权利要求1所述的掩模，其中所述掩模包括具有多个孔的单个掩模，当用所述单个掩模在所述基底上多次成像时，形成所述完整图案。
10.根据权利要求1所述的掩模，其中所述掩模包括通过在基底上成像形成所述完整图案的多个掩模中的一者。
11.根据权利要求1所述的掩模，其中所述掩模被构造为用于激光烧蚀系统以在所述基底上激光成像。
12.一种用具有稀疏图案的掩模在基底上激光成像的方法，所述方法包括：
通过具有透光孔和所述孔周围的不透光区域的第一掩模在所述基底上成像，所述第一掩模中的所述孔形成完整图案的第一部分；以及
通过各自具有透光孔和所述孔周围的不透光区域的一个或多个第二掩模在所述基底上成像，所述第二掩模中的所述孔形成所述完整图案的第二部分；
其中当所述第一掩模和所述一个或多个第二掩模单独在所述基底上成像时，所述第一掩模和所述一个或多个第二掩模一起形成所述完整图案。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述基底具有基本上平坦的形状。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述基底具有基本上为圆柱形的形状。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一掩模和所述一个或多个第二掩模中的所述孔各自形成所述完整图案中的所述孔的子集。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述孔的所述子集以矩阵形式排列。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述完整图案的重复距离大于所述第一掩模和所述一个或多个第二掩模中的任何一个的图案的重复距离。
18.根据权利要求12所述的方法，其中所述成像步骤包括用激光图像烧蚀所述基底的表面。
19.一种用具有稀疏图案的掩模在基底上激光成像的方法，所述方法包括：
通过透光的第一孔在所述基底上成像，不透光区域包围所述第一孔，并且所述掩模中的所述第一孔形成完整图案的第一部分；以及
通过透光的一个或多个第二孔在所述基底上成像，所述不透光区域包围所述一个或多个第二孔，并且所述掩模中的所述一个或多个第二孔形成所述完整图案的第二部分，
其中当所述第一孔与所述一个或多个第二孔单独在所述基底上成像时，所述第一孔和所述一个或多个第二孔一起形成所述完整图案。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述第一孔和所述一个或多个第二孔同时成像。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述基底具有基本上平坦的形状。
22.根据权利要求19所述的方法，其中所述基底具有基本上为圆柱形的形状。
23.根据权利要求19所述的方法，其中所述成像步骤包括：
通过所述掩模的第一位置处的所述第一孔在所述基底上成像；以及
通过所述掩模的与所述第一位置不同的第二位置处的所述一个或多个第二孔在所述基底上成像。
24.根据权利要求19所述的方法，其中所述成像步骤包括用激光图像烧蚀所述基底的表面。
25.一种生成图案化圆柱形工具的方法，所述方法包括：
在圆柱形基底的表面中形成完整图案的第一部分，所述第一部分包括第一多个离散行；以及
在所述圆柱形基底的表面中形成所述完整图案的第二部分，所述第二部分包括与所述第一多个离散行交错的第二多个离散行，
其中所述第一部分和所述第二部分一起形成所述完整图案。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述形成步骤各自包括用激光烧蚀形成所述第一部分和所述第二部分。
27.根据权利要求25所述的方法，其中所述基底包含聚合物材料。
28.一种生成图案化圆柱形工具的方法，所述方法包括：
沿着第一螺旋状路径在圆柱形基底的表面中形成完整图案的第一部分；以及
沿着第二螺旋状路径在所述圆柱形基底的表面中形成所述完整图案的第二部分，
其中所述第二部分与所述第一部分交错，并且所述第一部分和所述第二部分一起形成所述完整图案。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述形成步骤各自包括用激光烧蚀形成所述第一部分和所述第二部分。
30.根据权利要求28所述的方法，其中所述基底包含聚合物材料。
31.一种微复制型的制品，包含：
两个或更多个重复特征阵列，所述特征阵列中的每一个形成作为完整图案一部分的组分图案，所述组分图案交错形成所述完整图案，其中所述特征的所述完整图案的重复距离大于任何所述组分图案的重复距离。
32.一种图案化的圆柱形工具，包括：
在圆柱形基底的表面中的特征的完整图案的第一部分，所述第一部分包括第一多个离散的特征行；和
在所述圆柱形基底的表面中的所述特征的完整图案的第二部分，所述第二部分包括与所述第一多个离散的特征行交错的第二多个离散的特征行，
其中所述第一部分和所述第二部分各自形成所述完整图案的组分图案，所述第一部分和所述第二部分一起形成所述特征的完整图案，并且所述完整图案的重复距离大于任何所述组分图案的重复距离。
33.一种图案化的圆柱形工具，包括：
在圆柱形基底的表面中沿着第一螺旋状路径的特征的完整图案的第一部分；和
在所述圆柱形基底的表面中沿着第二螺旋状路径的所述特征的完整图案的第二部分，
其中所述第一部分和所述第二部分各自形成所述完整图案的组分图案，所述第二部分与所述第一部分交错，所述第一部分和所述第二部分一起形成所述特征的完整图案，并且所述完整图案的重复距离大于任何所述组分图案的重复距离。
34.一种图案化的平面工具，包括：
在基本上平坦的基底上的两个或更多个重复特征阵列，所述特征阵列中的每一个形成作为完整图案一部分的组分图案，所述组分图案交错形成所述特征的完整图案，其中所述完整图案的重复距离大于任何所述组分图案的重复距离。
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