CN102326102B - 表面浮雕微结构、相关装置及其制造方法 - Google Patents

表面浮雕微结构、相关装置及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于复制图案化的表面浮雕微结构的方法，该方法包括如下步骤：产生具有图案化的表面浮雕微结构的第一层；通过将第一层的微结构复制到第二层中来产生母版，从而涉及至少一个干法或湿法蚀刻步骤，其特征在于，该方法还包括附加步骤，在该附加步骤中，使母版的微结构与复制品材料进行接触，从而使母版的微结构在复制品材料中被再现。本发明还涉及根据该方法被制造为复制品的元件。表面浮雕微结构适于显示具有正向-负向和/或彩色图像翻转的图像。根据本发明的元件特别适用于保护文档和制品以免受伪造和纂改。

Description

表面浮雕微结构、相关装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种制造图案化的表面浮雕微结构(surface reliefmicrostructure)的复制品的方法。本发明还涉及根据该方法制造为复制品的元件。特别地，根据本发明的元件用于保护文档和制品以防止伪造和篡改。
背景技术
现在，通常使用光学装置来防伪造、非法篡改进行保护和产品保护是成熟技术。
随着欺诈和伪造的增加，不断需要新颖的防伪措施。许多年以来，全息图已经成为优选的安全技术。其间，这种技术已经超过30年并且由此被广泛了解和应用。今天甚至可以在每个礼品店内发现全息箔。由于许多人可以使用全息图技术，所以这种情形呈现了安全风险。
因此，非常希望通过与全息装置明显不同的新颖的安全特征来扩展安全装置的色调(palette)。这种新装置的例子是可供选择的光学可变装置(OVD)。OVD是当视角或照明角度发生变化时改变其外观(例如，亮度、对比度或颜色)的装置。著名的代表性色偏移OVD是胆甾型或干涉膜，其包括基于这些膜的薄片的光学装置。当装置相对于垂直视角倾斜时，这两种膜均呈现出显著的色偏移。
在现代薄膜部件的历史中由于光在光学薄膜处的干涉导致的色偏移效应出现很久了(例如，J.A.Dobrowolski，“Optical thin-film securitydevices”，in“Optical Document Security”ed.By R.L.van Renesse，Artechouse Boston 1998)。分层薄膜系统的许多不同成分是可能的。随着入射角增加，反射或透射光谱向短波长侧偏移。通常作为介电层和金属层的组合的多层薄膜系统仅仅用介电材料也是可能的。在这种情况下，需要不同折射率的薄膜。
当今可以商购到基于干涉薄膜或这些膜的薄片的安全装置。例如，能够在美国专利US-5084351中发现例子。
其它的方案是散射装置。在OVD中利用各向同性散射效应以及甚至利用各向异性散射效应能够明显增强光学吸引力。尤其是，各向异性光散射是产生视角敏感装置的有用手段。图1.1和图1.2分别图示各向同性和各向异性光散射。
在各向同性地结构化的表面(例如，新闻用纸或在家居制品中遇到的大多数表面)处的反射是这样的，即，没有方位方向是优选的。如图1.1所示，准直入射光1在散射表面2处以特征轴对称输出光分布和特征发散角4被改向进入新的出射方向3。
然而，各向异性地结构化的表面以显著的方式将光反射到某些方向并且抑制其它方向上的光。在图1.2中，准直入射光1入射在各向异性散射表面5上，并且以取决于相应的方位角8，8′的特征输出光分布7被改向进入新的出射方向6。
在本发明的情形中，术语“各向异性方向”是指层平面内的局部对称轴，例如，沿微结构的槽或谷的方向。
如果表面包括具有局部不同的各向异性方向(如图2中的方向10、11)的各向异性结构的图案，则该图案的各个区域将入射光反射到不同方向。然后，通过倾斜观察或通过使用斜入射光可以识别该图案。
在国际专利申请WO-01/29148中描述了一种制造具有图案化的各向异性的各向异性散射膜的已知方法，该国际专利申请的内容以引用方式并入本文。该方法利用所谓的单体起皱(monomer corrugation，MC)技术。它取决于这样的事实：通过交联(例如，通过暴露给紫外线辐射)促使施加到基底的特殊混合物或共混物进行相分离。随后去除非交联成分留下具有特定表面拓扑的结构。术语“MC层”用于根据这个技术制备的层。通过下面的配向层(alignment layer)的配向，可以使得该拓扑成为各向异性的。通过使用图案化的配向层，可以产生图案化的各向异性散射表面拓扑。
WO-2006/007742公开了制造在某些观察角度下产生彩色外观(pastel-colored appearance)的改性的MC层和层结构的方法。
WO07/131375公开了通过下述方式来产生光学有效表面浮雕微结构的方法：首先制造包括微结构的图像的掩模，然后在第二步骤中将该图像复制到树脂或抗蚀剂以产生光学有效表面浮雕微结构。WO07/131375的内容以引用方式并入本文。WO07/131375中公开的这些方法的缺点在于：工艺步骤的数目较大，这不仅会增加生产时间还会降低制造产量。
发明内容
本发明的一个目的在于提供用于制造表面浮雕微结构的复制品的简化方法。
本发明的另一个目的在于提供用于复制表面浮雕微结构的母版。
本发明的另一个目的在于提供具有表面浮雕微结构的元件，该表面浮雕微结构是使用根据本发明的母版通过复制而制得的。
优选地，复制的表面浮雕微结构是光学有效的，这应该是指，根据表面浮雕微结构以特征的方式对入射光进行调制。更优选地，与光的相互作用是这样，即，光被衍射、折射或散射。
本发明提供了一种复制图案化的表面浮雕微结构的方法，该方法包括如下步骤：
在第二层的顶部上产生具有图案化的表面浮雕微结构的第一层(21)，第一层包括第一材料，并且第二层包括第二材料；
通过将第一层的微结构复制到第二层来产生母版，从而至少涉及一个干法或湿法蚀刻步骤，
其特征在于，该方法还包括一个附加步骤，其中，使母版的微结构与复制品材料进行接触，从而使母版的微结构在复制品材料中被再现，与母版的表面浮雕轮廓相比，该复制品材料具有反向的表面浮雕轮廓。
与母版的表面浮雕轮廓相比，母版的复制品具有反向的表面浮雕轮廓。母版的复制品还能够用作用于产生进一步的复制品的母版(子母版，daughter master)。在本发明的情形中，复制品的复制品称作更高阶复制品。在本发明的情形中，母版是能够用于在复制过程内制造复制品的包括表面浮雕微结构的装置，并且，特别地包括在第二层中产生的直接复制品及其任何复制品或更高阶复制品。
根据本发明的一个优选方法，复制品用作子母版，以通过将子母版与复制品材料进行接触来复制图案化的表面浮雕微结构，从而使得在复制品材料中再现子母版的微结构，与子母版的表面浮雕轮廓相比，该复制品材料具有反向的表面浮雕轮廓。
根据本发明的另一个优选方法，更高阶复制品用作子母版。
在本发明的情形中，与基准表面浮雕轮廓相比反向的表面浮雕轮廓应该是指，它的深度轮廓与基准表面浮雕轮廓互补。例如，这是指：反向的表面浮雕的谷对应于基准表面浮雕的峰，反向的表面浮雕的峰对应于基准表面浮雕的谷。
将表面浮雕微结构从第一层复制到第二层的方法包括一个或多个干法或湿法蚀刻工艺步骤。
在蚀刻步骤之一中，降低第一层的厚度，直到表面浮雕微结构的下部区(谷)中的材料被清除，并且下面的第二层的部分被露出(set off)。在随后的蚀刻步骤中，在先前的蚀刻步骤中被露出的这些部分中蚀刻第二层。如果恰当地选择材料和工艺条件，则能够在单个蚀刻步骤内执行第一层和第二层的蚀刻。
优选地，第一和第二材料不同。
通过例如涂敷、印制、浸渍、蒸发、溅射、浇铸、非电镀或电镀的方法，可以将复制品材料施加到复制的微结构(母版)。代替对复制的微结构施加复制品材料，能够使用复制的微结构(母版)作为将微结构压入复制品材料的压花工具。
通过使用根据本发明的母版，可以应用标准复制技术来以适当的成本批量生产具有表面浮雕微结构的光学元件。现今，两种流行的成本有效的复制技术是UV压花和热压花(例如，参见M.T.Gate：“Replication techniques for diffractive optical elements”inMicroelectronic Engineering，Vol.34，page 321(1997))。
复制过程在复制品的表面中产生与母版的浮雕反向的浮雕。在复制过程完成以后，将复制品与母版分离。复制品能够用作根据本发明的光学元件，或者它自身能够用作用于制造复制品的母版(子母版)。尽管与原始母版的表面浮雕轮廓相比子母版呈现反向的表面浮雕轮廓，但是子母版的复制品显示与原始母版相同的表面浮雕轮廓。
本发明还提供了包括图案化的表面浮雕微结构的光学元件，该表面浮雕微结构是根据本发明的方法作为复制品而制得的。
与在WO07/131375中公开的方法不同的是，根据本发明的方法消除了用于产生母版的掩模的制造。因此，减少了工艺步骤的数目，从而提高了制造产量。
根据本发明的一个优选方法，通过电镀产生复制品。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于复制根据本发明的方法制造的表面浮雕微结构的母版。
在本发明的情形中，术语“微结构的复制品”以及术语“复制品”在与上述方法相关时主要是指二维横向结构，并且并非一定意味着原始的微结构与复制的微结构完美一致。例如，这意味着：对于原始的微结构和复制的微结构，对应的顶水平(峰)和较低水平(谷)的横向距离几乎相同。然而，通常，复制的微结构的深度将不会与原始的微结构的深度一致。甚至本发明的优点在于：能够通过各种工艺参数调整和控制复制的微结构的深度。优选地，复制的微结构的深度大于原始的微结构的深度。由此，优选地，复制过程放大了微结构的深度轮廓。
在本发明的情形中，图案化的表面浮雕微结构应该是指，在其微结构中具有至少两个不同区域的表面中存在图案。该图案还可以由具有微结构和不具有微结构的区域组成。例如，简单图案会是具有带微结构的区域和不带微结构的另一个区域的图案。通常，图案的区域之间的差别可以是引起微结构与光的不同相互作用的微结构的任何物理差别。例如，这些差别可以是由于微结构的深度、微结构的横向密度、微结构的周期性、微结构的各向异性、各向异性轴的方向而引起的。图案区域的以上性质的任何组合也是可能的。例如，可以存在具有各向同性微结构的一个区域、具有带有第一各向异性轴的各向异性微结构的另一个区域、具有带有第二各向异性轴的各向异性微结构的另一个区域、以及不具有微结构的另一个区域。微结构可以是各向同性或各向异性的。在本发明的一个优选实施例中，存在包括各向异性微结构的图案的至少一个区域。
图案可以代表任何类型的信息，例如，图像、字母、数字、条形码、图片、缩微文本、图形部分、指纹、加密信息、全息数据、数字数据及其任何组合。
微结构可以是周期性的或非周期性的。在本发明的一个优选实施例中，图案包括微结构是非周期性的至少一个区域。
用于表征非周期性或非确定性表面轮廓的有用参数是自相关函数和有关的自相关长度。表面轮廓的一维或二维自相关函数能够被理解为针对平面内距离x的两个空间分离点的表面轮廓的可预测性的测量。
例如表面浮雕微结构轮廓的函数P(x)的自相关函数AC(x)被定义为：
AC(x)＝∫P(x′)·P(x′+x)·dx′。
例如，在“Numerical recipes in C：the art of scientific computing/William H.Press；Saul A.Teukolsky；William T.Vetterling；Brian P.Flannery.-Cambridge；New York：Cambridge University Press.1992”中能够发现关于自相关函数和对应的编程问题的更多细节。
对于非周期性或非确定性表面轮廓，随着x增大，自相关函数迅速衰减。另一方面，对于例如在格栅中发现的确定性表面轮廓，自相关不会衰减。然而，在格栅的情况下，通过周期性函数对自相关函数进行调制。对于近似周期性格栅，随着x增大，包络线也衰减。
在一维自相关函数的帮助下，能够定义单个特征数字，即，自相关长度L。它是自相关函数的包络线衰减到某一阈值的长度。对于当前目的，AC(x＝0)的10％的阈值被证明是合适的。
根据本发明的一个优选实施例，图案包括具有表面浮雕微结构的至少一个区域，该区域在至少一个方向上具有平均化的一维自相关函数AC(x)，该自相关函数AC(x)的包络线在自相关长度范围内在x＝0处衰减到AC的10％，其中，自相关长度小于顶区域和底区域的相邻过渡之间的平均横向距离的三倍。对于各向异性表面调制，一个方向与各向异性轴垂直。
较优选的是这样的表面浮雕微结构：其中，自相关长度小于顶区域和底区域的相邻过渡之间的平均横向距离的两倍。更优选的是这样的表面浮雕微结构：其中，自相关长度小于顶区域和底区域的相邻过渡之间的一个平均横向距离。
在另一个优选实施例中，自相关长度(L)大于顶区域和底区域的相邻过渡之间的平均横向距离的百分之一。
在本发明的另一个优选实施例中，图案包括具有不同方向的各向异性轴的各向异性微结构的区域。由于根据特定局部取向反射或抑制给定方向上的光，所以能够在根据本发明被制造为复制品的光学元件内看见明暗像素的图像。此外，当将这些元件倾斜或旋转时，它们呈现出从正片(positive view)到负片(negative view)的显著变化。这种图案化的表面元件能够由黑白以及灰度级图像形成，并且例如能够如下产生。在灰度级图像的情况下，首先对图像进行光栅化(raster)，这意味着图像被分解成具有某一像素分辨率的明暗区，以便将灰度级图像简化到黑白图像。于是，黑白图像的暗区归因于第一取向方向的各向异性散射区，明区归因于具有不同取向方向(例如与第一取向方向垂直)的各向异性散射区。具有这样布置的像素的图案的元件在第一视角之下将显现为正片，并且当装置例如旋转90°时该元件将反转成负片。
可替换地，可以用大量的灰度值对灰度级图像进行数字化，从而将各个取向方向分配给每个数字化灰度值。代替数字化灰度值，能够将连续灰度级转换成连续变化的取向方向。
根据本发明的另一个优选实施例，图案包括具有从底区域到顶区域以及从顶区域到底区域的过渡的表面调制的区域，其中，在表面区域的(第一)横向方向上，(平均来讲)在每20微米范围内存在至少一个从顶区域到底区域或者从底区域到顶区域的过渡，另外，优选地，在与第一方向垂直的表面区域的第二横向方向上，平均来讲，在每200微米范围内存在至少一个从顶区域到底区域或者从底区域到顶区域的过渡。
在一个优选实施例中，图案包括这样的区域：其中，在第一横向方向上，从顶区域到底区域或者从底区域到顶区域的相邻过渡之间的平均横向距离位于从0.5微米到10微米的范围内。有利的是，平均横向距离位于从0.5微米到5微米的范围内。有利的是，在与第一横向方向垂直的第二横向方向上，从顶部区到底部区的过渡之间的平均距离小于100微米，更有利的是小于50微米。
为了描述各向异性表面浮雕结构，在本发明的情形中，术语“表面浮雕纵横比(SRAR)”被定义为各向异性表面浮雕图案的平均长宽比。SRAR在很大程度上决定在表面浮雕微结构处散射的光的方位光学外观。对于SRAR＝1(即，对应于在至少两个横向方向上平均呈现出相同扩展的表面浮雕图案)，入射光的散射性质几乎与光的入射方位角无关。因此，当将包含表面浮雕微结构的元件沿与元件的表面垂直的轴旋转时，从具有SRAR＝1的浮雕微结构的表面反射的光的强度几乎不变。
对于各向异性浮雕结构(这意味着SRAR＞1)，反射光的强度取决于光的入射方位角。为了能够视觉上识别对入射方位角的这种依赖性，SRAR应该大于1.1。为了增加具有不同各向异性轴的表面浮雕结构的图案的图像设置的可见对比度，大于2的SRAR值是优选的。更加优选的是大于5的SRAR值。
对于非常大的SRAR值，巨量光被散射进入的方位角的范围变得较小，这使得更加难于识别来自由表面浮雕图案构成的图像的反射光。因此，优选地，存在至少一个SRAR小于50(更优选地，SRAR小于20)的区域。
在本发明的情形中，术语“表面浮雕填充因子”被定义为顶部区的总面积与在所有的顶部区和所有的底部区上的积分面积的比率。优选地，存在至少一个表面浮雕填充因子位于0.050到0.95的范围内(较优选地，在0.2到0.8的范围内，更优选地，在0.3到0.7范围内)的区域。
如果使用两步骤蚀刻工艺(其中，在第一步骤中仅仅对第一层进行蚀刻，并且第二蚀刻步骤仅仅影响第二层)来将表面浮雕微结构从第一层复制到第二层，则复制过程将对第一层的深度轮廓进行数字化。原因在于，仅仅在第一层中被清除的那些部分中进行第二层的蚀刻。由于第二层中的蚀刻速度在这些部分的每个部分中都相同，所以复制到第二层中的结构的深度几乎在各处都相同。这样产生主要具有两个平台(即，顶平台和底平台)的微结构。如果在不同区域内以不同深度产生微结构，则可以存在不同的平台。
在本发明的情形中，平台应该被定义为微结构内的结构的高度变化小于该结构的平均深度的20％的区域。
根据本发明的一个优选实施例，复制到第二层中的表面浮雕微结构的顶部区(峰)形成基本上位于相同的上高度水平的上平台，并且复制到第二层中的表面浮雕微结构的底部区(谷)形成基本上位于相同的下高度水平的下平台，从而使得浮雕调制深度在整个表面区域上基本相等。基本相同的上高度水平和下高度水平应该是指，上平台和下平台的高度变化小于表面浮雕微结构的平均深度的20％，优选地小于表面浮雕微结构的平均深度的10％，更优选地，小于表面浮雕微结构的平均深度的5％。
根据本发明的另一个方面，提供了一种包括使用母版被制造为复制品的图案化浮雕微结构的光学元件。
优选地，根据本发明的光学元件至少部分是反射性的。由此，根据本发明的光学元件优选地包括使用例如金、银、铜、铝、铬或颜料的材料的反射或部分反射层。可以进一步对反射或部分反射层进行结构化，从而使得它们仅仅覆盖光学元件的一部分。例如，这能够通过层的结构化沉积或者通过局部去金属化来实现。
还能够通过向具有不同折射率的金属的过渡来产生反射。因此，在本发明的优选实施例中，根据本发明的光学元件的微结构的表面被介电材料覆盖。高折射率材料的例子是ZnS、ZnSe、ITO或TiO2。包括高折射率材料的纳米颗粒的复合材料也是合适的。覆盖介质对于某些颜色也可以是吸收性的，以改变装置的颜色外观。
尤其对于安全应用，根据本发明的光学元件的表面浮雕微结构可以被密封，以保护元件免受机械冲击、污染，并且防止未经授权和非法制造这些元件的复制品。因此，优选地，根据本发明的光学元件在微结构的顶部上包括介电层。适当的保护和钝化膜是透明介电材料，可任选地，该透明介电材料可以是有色的。
由于图案化的表面浮雕微结构，根据本发明的光学元件根据局部微结构不同地、局部地透射和/或反射光。因此，当用光进行照射时，微结构图案能够被看见为不同透射和/或反射强度的图案。根据微结构的类型，光学外观与入射光的角度和/或观察角度存在强烈的依赖性。
根据微结构的深度可以产生干涉颜色。例如，可以获得宽泛的色调，例如，从较低调制到较深调制的色调，即，黄色、橙色、玫瑰色、紫罗兰色、蓝色和绿色。对于更深结构，能够出现更高阶颜色。干涉颜色通常显示显著的角度依赖性。在某些角度之下将会看见这些颜色，而对于其它角度这些颜色会变化或消失。由此，图案被识别为有色图案，该有色图案的颜色取决于观察角度和/或光的入射角度。
根据本发明的光学元件还可以包括其它安全特征。它们中的一些已经存在于用于制造这些元件的母版中。这些特征例如是全息图或活动图。可以在附加工艺中和/或在附加层中添加其它安全特征(将会是第一、第二或第三等级安全特征)。附加特征可以是永久性可见的，而不会产生特定的光学效应。优选地，额外增加的特征显示例如通过全息图或活动图或者通过胆甾型或干涉层再次实现的视角依赖性。在更优选的实施例中，添加不使用观察工具不能够检测到的第二等级安全特征。例如，通过荧光或通过双折射材料引入这种特征。特别优选的是包括不同延迟或光轴取向的区域的双折射层。仅仅通过采用偏振光进行观察(例如，使用偏振片)才可以看见保存在这种双折射层中的安全特征。
根据本发明制造的光学元件能够应用于涉及光强的空间调制的不同应用中。优选地，根据本发明的光学元件用作安全装置中的安全元件。具体地讲，这种安全装置应用于或者并入到文档、护照、许可证、股票和债券、息票、支票、证书、信用卡、钞票、票据等，以防止伪造和纂改。这些安全装置还能够被用作或者并入到商标或产品保护装置或者用于包装的部件(例如，包装纸、包装盒、信封等)中。有利的是，安全装置可以采取标签、安全条、签条、纤维、线、叠层体或小片(patch)等的形式。
基于高度直方图的评价函数(merit function)可有助于表征显著的表面浮雕平台。可能的评价函数M如下：
M = d ( Δ x 1 ) 2 + ( Δ x 2 ) 2 .
评价函数M利用峰值宽度和浮雕调制深度的关系。顶部区和底部区在其平台周围的偏离的范围应该位于浮雕调制深度的某一定义的比例范围内。Δx1和Δx2是在全峰值高度的高度1/e处测量的两个直方图峰值的宽度，其中，e是自然对数的底数(e≈2.72)，d是两个峰值之间的距离(对应于平均平台到平台距离或者浮雕调制深度)。
用于本发明的方法中的表面浮雕微结构优选地具有大于2的评价函数M。更优选地，M大于3.5。
附图说明
图1.1图示各向同性结构表面处的光反射。
图1.2与图1.1类似，但是图示来自各向异性散射表面处的反射的特征输出光分布。
图2图示具有不同的各向异性方向取向的像素。
图3示出在第二材料层的顶部上包括表面浮雕微结构的初始层，该初始层足够厚以用作基底。
图4示出在第二材料层的顶部上包括表面浮雕微结构的初始层，该初始层是基底上的薄层。
图5.1到图5.5图示从第一层到第二层的表面浮雕微结构的复制过程。
图5.6图示复制的表面浮雕微结构的金属化工艺。
图6图示在表面浮雕微结构的复制品中产生具有不同微结构深度的区域的工艺步骤。
图7图示通过电镀(电镍金属膜生长，galvanic Nickel metal filmgrowth)复制母版。
图8图示母版Ni垫片的分离过程。图8.1图示在电镀步骤完成以后的结构。图8.2图示从Ni垫片分离母版的分离过程。
图9图示用于制造镍垫片或箔的电铸和重新组合过程。
图10图示最终元件的复制和批量生产。图10.1图示热压花过程，图10.2图示UV浇铸和/或压花过程。
具体实施方式
包括表面浮雕微结构的第一材料通常以薄层的形式沉积在第二材料的顶部上。这在图3中被图示，其中，包括表面浮雕微结构的第一材料由层21表示，第二材料由层22表示。层22可以采取基底的形式(如图3所示)，或者它自身可以作为一层沉积在基底23上(如图4所示)。这些层的以上描述与根据本发明的层的功能有关。然而，这些层中的每个可以包括多个子层，例如，以改善粘附性，并且/或者，每个材料可以是复合材料，例如，以修改材料性质或者支持表面浮雕微结构的产生。特别地，层21可以包括用于限定各向异性表面浮雕微结构的取向方向的配向层和/或增粘层。
使用一个或多个干法或湿法蚀刻工艺步骤将表面浮雕微结构从第一材料复制到第二材料。能够通过各种工艺参数和材料性质来控制微结构的深度。优选的干法蚀刻工艺是等离子体蚀刻。用于等离子体蚀刻的优选气体是氧气、氩气、氯气、三氯化硼和碳氟化合物。
原则上，任何类型的材料(例如，玻璃、塑料、金属、陶瓷、硅、熔融石英)能够用于基底23。为了选择基底材料，必须考虑特定工艺条件(例如，使用特定溶剂、加热过程等)，这是因为工艺条件可以影响某些基底材料性质。基底可以包括特殊涂层以增加抗关键工艺参数的能力，特别是增加抗溶剂的能力。
任何类型的材料(例如，玻璃、塑料、金属、陶瓷、硅、熔融石英等)能够用于层22。如果层22作为薄层用于基底23上，则只能够使用可以用作薄层的材料。优选地，层22是金属。优选的金属是铝、银、铬和铜。然而，通过考虑特定工艺条件，尤其是关于各个蚀刻步骤中的蚀刻速度，选择用于层22的材料。在一个优选实施例中，层22的厚度大于60nm。更加优选的是，层22的厚度大于90nm。
层21通常包括能够被涂敷或蒸发的材料。优选地，层21包括聚合材料和/或交联材料。
优选地，至少一个蚀刻步骤中的蚀刻速度在第一材料(层21)和第二材料(层22)中不同。蚀刻速度取决于例如用于层21和层22中的材料的性质的参数，取决于蚀刻类型(可以是干法或湿法)，在湿法蚀刻工艺的情况下取决于蚀刻溶液的类型和温度，并且，在干法蚀刻工艺的情况下取决于使用的气体的类型和能量。
已知有多种不同的用于在层21的顶部上产生表面浮雕微结构的方法，例如，共聚物中自组织或去湿，通过用激光束进行照射从表面局部地去除材料，通过原子力显微镜(AFM)的尖端(tip)刮擦层21的表面以产生槽，对例如铝或硅的金属或半导体进行电解蚀刻，用电子束进行书写，产生MC层，使用表面浮雕图案作为压花工具来进行压花，在包括预聚合体的层的表面上进行局部聚合或交联，以及随后从没有发生聚合或交联的区域去除预聚合物。
还可以将以上方法中的几种进行组合来产生表面浮雕微结构。这特别适用于局部不同的微结构性质(例如，微结构的深度和横向几何结构)的图案的产生。还可以产生具有各向异性微结构的图案。例如，可以通过压花来产生具有第一各向异性轴的第一各向异性表面浮雕微结构。然后，可以通过用AFM的尖端进行刮擦在各个区域中产生例如具有不同的各向异性轴或不同的周期性的第二微结构，从而产生具有局部不同的性质的微结构的图案。
微结构可以是各向同性或各向异性的。还可能的是，在某些区域中微结构是各向同性的，而在其它区域中微结构是各向异性的。微结构可以是周期性的或者非周期性的或者二者的组合。还可能的是，微结构呈现不同周期性的结构的叠加。
产生表面浮雕微结构的优选方法利用可交联和不可交联材料的混合物的相分离和交联(MC技术)。通过下述方式来获得表面微结构：制造至少一种是可交联的而至少另一种是不可交联的至少两种材料的混合物，将该混合物施加于基底，至少使可交联材料的大部分交联，并且至少去除不可交联材料的大部分。对于应该是各向异性的微结构，在交联期间，例如，通过下面的取向层或取向基底表面，能够将可交联材料保持在取向状态。在这种情况下，层21包括至少两个子层。
在优选的方法中，层21的制造包括如下步骤：涂敷薄的光配向膜，通过将光配向膜的各个区域暴露于不同偏振方向的线性偏振UV光来产生取向图案，在光配向膜的顶部上涂敷可交联和不可交联的液晶材料的共混物，以及例如使用适当的溶剂去除非交联的材料。另一种更加优选的方法还包括如下步骤：在涂敷薄的光配向膜之前涂敷增粘层。
优选的是，通过暴露于光化光来进行液晶共混物的交联。该交联过程促进液晶预聚物的相分离和交联。例如，在国际专利申请WO-A-01/29148中公开了微起皱薄膜的基本原理和光学行为。
根据本发明，复制表面浮雕微结构的方法涉及这样一个步骤：在该步骤中，通过湿法或干法蚀刻降低包括表面浮雕微结构的层21的厚度，直到起皱表面的下部区26中的层21的材料被清除，并且下面的层22的部分27被露出。这对应于从图5.2到图5.3的步骤。优选的是，选择层21和22的材料以及蚀刻条件，使得在这个工艺步骤中层21中的蚀刻速度至少是层22中的两倍。更优选地，蚀刻条件是这样，即，在这个步骤中几乎不蚀刻层22。结果，层22仅仅部分地由初始层21中的微结构的上部区21b的材料覆盖。
在下一步骤中，利用干法蚀刻或湿法蚀刻通过层21的露出部分27对层22进行蚀刻。通过这个过程，微结构化的孔或槽24与膜21的微结构的下部区对应地被蚀刻到层22中。如图5.4所示，在与膜21的微结构的上部区对应的区域中保留材料22b。因此，通过这个过程，层21的微结构被复制到层22中。优选地，选择层21和层22的材料以及蚀刻条件，使得在这个工艺步骤中层22中的蚀刻速度至少是层21中的两倍。更优选地，蚀刻条件是这样，即，在这个步骤中几乎不蚀刻层21的材料。在层22是基底23上的薄层的情况下，能够选择蚀刻时间，使得露出部分中的所有金属被蚀刻掉。在这种情况下，在整个表面上在层22中实现了良好成形的相同深度的微结构。
根据本发明，可替换地，能够使用单个蚀刻步骤，其中，层21和层22的材料同时被蚀刻。在这种情况下，优选的是，选择层21和层22的材料以及蚀刻条件，使得层22中的蚀刻速度高于层21中的蚀刻速度。较优选地，层22中的蚀刻速度超过层21中的两倍。更优选地，层22中的蚀刻速度超过层21中的五倍。在这种单个蚀刻工艺中，已经在与层21中的微结构的下部区26(槽、谷)对应的那些区域中开始了层22的蚀刻，同时层21的蚀刻继续。尽管这种过程可能需要更好地控制工艺参数，但是它降低了工艺步骤的数目并且还可以降低总处理时间。
蚀刻到层22中的微结构的深度取决于层22中的蚀刻时间和蚀刻速度。因此，可以通过控制蚀刻时间来调整微结构的深度。优选地，复制的微结构的深度大于60nm，更优选地，复制的微结构的深度大于90nm。
优选地，复制的微结构的深度小于1μm，更优选地，复制的微结构的深度小于700nm。根据本发明，图案化的表面浮雕微结构可以包括不同深度的多个区域。结果，采用这种微结构的光学元件显现为局部不同的颜色或灰度级，此外，当在不同角度进行观察时这些颜色或灰度级发生变化。根据本发明的优选实施例，复制的微结构的深度在不同的区域不同。有多种在复制的微结构中产生不同深度的区域的方法。这些方法原则上基于层22的局部阻挡或延迟蚀刻。
在第一实施例中，与层22的顶部与层21中的谷26之间的平均距离对应的层21的下部26的平均厚度在不同区域中不同。图6.1示出了层21中的微结构，该微结构包括具有离层22的顶部不同距离的微结构谷26a、26b和26c的三个区域a、b和c。谷26a呈现离层22的距离最小，谷26c呈现离层22的距离最大。然后，控制降低层21的厚度的层21的第一蚀刻步骤，从而使得区域a内的仅仅低于谷26a的表面浮雕微结构的材料被蚀刻掉，从而露出下面的第二层22的对应部分27a(图6.2)。在后续的蚀刻步骤中，仅仅在这些部分27a中蚀刻层22(图6.3)。
为了将区域b的微结构复制到层22中，重复蚀刻步骤，这意味着对层21再次进行蚀刻，以进一步降低它的厚度，直到低于表面浮雕微结构的谷26b的材料被清除掉，并且露出下面的第二层22的部分27b(图6.4)。然后，再次蚀刻层22，其结果是，区域b的部分27b中的蚀刻开始，同时区域a中的蚀刻继续(图6.5)。
在上述过程以后，在第三轮蚀刻中，低于谷26c的材料被蚀刻掉，从而在层22的另一个蚀刻步骤中，区域c的微结构也能够被蚀刻到层22中(图6.6)。在蚀刻区域c的同时，区域a和b的蚀刻继续。最后，能够去除层21的剩余部分。
所得到的层22中的微结构(图6.7)呈现复制的微结构的深度不同的三个区域a、b和c。由于层22中的槽的深度取决于用于各个蚀刻步骤的蚀刻条件(尤其是蚀刻时间)，所以槽27a、27b和27c中的微结构的深度不必与谷26a、26b和26c的高度比成线性关系。
如图6.7中的微结构导致不同区域的不同颜色或灰度级外观、以及不同的光学角度性能。
根据本发明的优选实施例，例如，在同一湿法蚀刻工艺步骤中，通过选择层21和22的材料以及蚀刻条件使得能够在同一过程内蚀刻这两种材料，由单个蚀刻工艺步骤替代如上所述的多蚀刻工艺。优选地，在层22中蚀刻速度较高。更优选地，层22中的蚀刻速度超过层21中的两倍。当开始蚀刻如图6.1中的微结构时，在层22中开始蚀刻之前首先必须去除低于谷26a、26b和26c的材料。在图6.1到图6.7的序列以后，继续进行蚀刻。假设蚀刻速度随着时间恒定不变，到层22中的蚀刻的延迟线性地取决于低于谷26a、26b和26c的层21的厚度。因此，通过不同水平的26a、26b和26c来控制区域a、b和c中的不同深度。
在图6中，仅仅为简化图示而在层21中选择矩形形式的微结构，并且，其不应该暗示对特定形状的任何限制。层21中的微结构的形式取决于用于产生它的方法并且可以是任何形状。另外，层22中产生的微结构可以存在具有不同深度的任何数目的区域。图6中的三个区域只是例子。
产生如图6.1所示的具有不同高度水平的谷的微结构有多种不同方法。在产生微结构之前，例如，通过从均匀高度的层开始，制备不同高度水平。然后，通过局部地施加相同材料或另一种材料的薄层(例如，通过印制或真空沉积技术)，或者通过从层的顶部局部地去除材料(例如，通过干法或湿法蚀刻或激光消蚀)，可以产生厚度图案化。还可以直接在不同区域中应用具有不同厚度的层21。在建立了不同高度水平以后，在层的顶部上产生微结构。还可以在存在微结构以后例如通过局部地施加相同材料或另一种材料的薄层(例如，通过印制或真空沉积技术)或者通过降低不同区域中不同的层21的厚度(例如，通过使用干法蚀刻)制备不同高度水平的谷。还可以通过在具有均匀厚度的层中产生局部不同的深度的微结构来实现不同高度水平的谷。产生不同深度的微结构的过程取决于产生微结构的方法。例如，通过对已经呈现不同深度的结构的微结构进行压花，通过AFM的尖端使用局部不同的力进行刮擦，通过使用激光消蚀施加不同的能量，或者通过应用局部不同的光强或光能量来使用MC技术以控制相分离，从而控制微结构深度。
在层22中产生不同深度的槽的可替换的实施例中，该过程从如图5.2所示的具有均匀高度水平的谷的层21中的微结构开始，其中，在第一蚀刻步骤以后，如图5.3所示去除低于谷的材料。通过局部地施加适宜材料的薄层，能够实现如图6.2的结构，能够根据以上关于图6的描述进一步对该结构进行处理。
代替局部地施加采取微结构的形状并且产出与图6.2类似的结构的薄层，与层21的材料不同的材料可以被施加于蚀刻的层21上的某些区域，甚至作为填充微结构的槽并且不会再现它的形状的较厚层，从而保护某些区域中的层22的露出部分27免受蚀刻。应该选择用于保护某些区域的材料，从而使得它能够例如通过溶剂选择性进行去除而不会去除层21的材料。然后，仅仅在没有被覆盖的区域中执行将微结构蚀刻到层22中。在完全或者只在某些区域中去除保护材料以后，能够继续进行层22的蚀刻，从而层21的微结构的附加区域被复制到层22中，同时在第一蚀刻步骤中复制的区域中的微结构的深度增加。以上程序可以重复多次，以便在层22中产生大量的呈现不同深度的微结构的不同区域。
在用于产生不同深度的槽的另一种方法中，在施加层21之前，例如，通过标准印制技术(例如，喷墨印制)或者通过真空沉积，在层22的顶部上施加适宜材料的薄层的图案。所得到的结构对应于图6.1的结构，其中，在区域b和c中，层21的下部包括作为(一个或多个)子层的(一个或多个)额外层。然后，在以上关于图6描述的步骤之后进行附加工艺步骤。
在将微结构蚀刻到层22中的步骤以后，可以用合适的溶剂或溶液或者通过其它手段(例如，等离子体清洗等)去掉层21的剩余部分(图5.5)。
从层21复制的层22中的微结构能够用作用于制造复制品的母版，并且也称作原始母版。
根据本发明，通过将母版的微结构与另一种材料(复制品材料)进行接触来制造母版的复制品，从而使得由于与复制品材料的接触而导致在复制品材料中以反向的表面浮雕轮廓再现母版的表面浮雕微结构。
复制品材料可以是聚合物、可交联的单体和金属(例如，镍、铬、铝等)。
可以通过例如涂敷、印制、浸渍、蒸发、溅射、浇铸、非电镀或电镀的方法将复制品材料施加于微结构。在通过电镀施加复制品材料的情况下，可能需要首先在微结构的顶部上沉积薄金属层(例如，银、铬、金、铜、铝等)，从而实现良好的电导率(图5.6)。代替对母版施加复制品材料，能够使用母版作为压花工具来通过已知方法将表面浮雕微结构压入复制品材料。复制品材料可以是聚合物、可交联的单体、金属(例如，镍、铬、铝等)。
在复制过程完成以后，将复制品与母版分离。复制品能够用作光学元件，或者自身能够用作用于制造复制品的母版(子母版)。尽管原始母版的复制品相对于原始母版呈现出反向的表面浮雕轮廓，但是复制品的复制品显示与原始母版相同的表面浮雕轮廓。
根据复制过程的类型和应用的工艺条件，复制的微结构的深度可以小于该微结构由其复制的母版的深度。优选地，复制的微结构的深度大于母版的微结构的相应部分的深度的70％，较优选地，大于母版的微结构的相应部分的深度的80％，更优选地，大于母版的微结构的相应部分的深度的90％。
在本发明的优选方法中，通过电镀形成原始母版的复制品。通常，镍用作复制品材料。所得到的复制品称作镍垫片。原始母版以及子母版能够多次被使用以制造复制品。能够按照与针对原始母版的上述方式相同的方式制造复制品的复制品。
通常，针对例如用作光学元件的复制品的批量生产，使用辊对辊生产设备(roll to roll production apparatus)。例如，涂敷有丙烯酸涂层的聚酯膜或其它类似材料移动通过该设备。在剧烈的热和压力之下，该垫片将表面浮雕微结构推到膜上(图10.1)。然后，将压花的膜再次缠绕在辊上。
作为对压花的替代，能够使用UV浇铸方法。UV浇铸特别适用于制造深微结构和/或非常稳定的OVD装置(图10.1)。根据最终装置的规格，能够使用几种类型的基底(金属化的、半金属化的或者具有或不具有传热功能的透明的基底)。
对于一些应用，优选的是，在压花或UV浇铸以后施加金属层。在这种情况下，能够通过真空沉积将金属层沉积在微结构上。可选择的是，能够将另一个漆涂层施加于膜，例如，以产生能够用墨进行印制的表面。
例子1
图5图示根据本发明的将表面浮雕微结构复制到金属层的的复制过程。
使用标准涂敷技术(例如，蒸发或溅射)，使玻璃或塑料基底23涂敷有100nm厚的铝金属层22。
在金属层22上，使用光配向层根据上文描述的在WO-A-01/29148中公开的MC技术过程产生呈现表面浮雕微结构的层21(图5.2)，然后，利用铬光掩模将其在不同区域中暴露于具有不同偏振方向的UV光，由此形成取向图案。
然后对层21进行等离子体蚀刻，直到在微结构的下部区26的位置处露出下面的铝层的部分(图5.3)。根据层21的材料的性质，能够使用标准氧和/或氩等离子体执行这种处理。结果，层21的厚度被降低，并且，铝层22仅仅部分地被初始层21中的微结构的上部区21b的材料覆盖。
在下一步骤中，使用适当的蚀刻溶液对部分地露出的铝层22进行湿法蚀刻。通过这个过程，将微结构化的孔或槽24与层21的微结构的下部区26相对应地蚀刻到铝层22中。在与层21的微结构的上部区对应的区域中保留铝22b。因此，这个过程将层21的微结构已经复制到铝层22中。然后，这个微结构用作用于进一步处理的原始结构。例如，能够通过蚀刻时间与蚀刻溶液的温度的组合来控制并调整层22中的微结构的深度。能够选择蚀刻时间以使得露出部分中的所有金属被蚀刻掉。在这种情况下，能够在整个表面上在层22中形成良好成形的相同深度的微结构。
可选择的是，能够使用上述的等离子体蚀刻工艺彻底地去除上部区21b的剩余材料(参见图5.5)。
在下一步骤中，通过将薄银层25溅射在微结构22b上来进一步处理获得的微结构化的铝层，从而实现良好导电率。典型的厚度大约是80nm或更高。
然后，将获得的导电母版安装到框架中，并且将该导电母版与镍的供应源一起放入容器(tank)内(图7)。将金属层25连接到DC电源以产生电流，这使得对微结构进行镍电镀。对电流强度和持续时间进行调整以获得所需的镍层厚度。取决于镍层的期望厚度，这个过程能够花费几十分钟到几小时(例如，参见Bernard Gaida的书籍，“Introduction to the Galvanic technique”2008.ISBN 978-3-87480-240-0)。然后，从容器去除基底上具有电镀微结构的框架，并且用去电离水对该框架进行冲洗。
从母版板去除金属母版垫片，即，薄镍涂层(图8)。这个垫片包括原始结构中的原始表面浮雕微结构的负(反向)结构。
已经通过实验发现：由于镍垫片和母版易于分离，所以相同母版可以使用多次以制备镍垫片。
使用相同过程，产生几个垫片。从金属母版垫片产生的那些垫片称为“祖母辈垫片”。“祖母辈垫片”包含原始结构的正向图像。此时，能够在一个垫片上在多行中复制原始图像的各种复制品(参见图9)，并且各种复制品用来通过单个压印来印制多个复制品(重新组合)。通过各种名称(例如，“母垫片”、“子垫片”和“压模垫片”)来获知垫片的连续产生。这些垫片的产生在原始结构的负向图像与正向图像之间进行交替。当进行实际制造时使用压模垫片(或者制造垫片)来印制最终元件，并且这些垫片是负向图像。
例子2
与例子1不同的是，如图3所示，在金属基底的顶部上产生包括表面浮雕微结构的层21。用于层21的产生和蚀刻的参数与例子1中的相同。与例子1不同的是，层22的蚀刻工艺不会自动停止，这是因为基底22的厚度大于例子1中的层22的厚度。根据使用的基底，能够使用几种蚀刻方式，例如，使用适当的溶液的湿法蚀刻，或者使用适当的气体的干法蚀刻。例如，使用标准方法来清洗和蚀刻硅。(可选择的是)，基于HF的溶液能够用于去除氧化物(自然的氧化物层或者被涂敷的氧化物层)，然后在DI水中进行强烈冲洗。
在下一步骤中，例如，通过使用KOH作为蚀刻溶液，执行各向异性或各向同性蚀刻，以实现所需的微结构深度。例如，能够通过蚀刻时间与蚀刻溶液的温度的组合来控制并调整层22中的微结构的深度。
在按照预期深度将表面浮雕微结构从层21复制到基底层22以后，进一步的工艺步骤与例子1中的相同。
例子3
将包括表面浮雕微结构的层21施加于硅片的顶部上，该硅片先前被涂敷有硅烷衍生物的薄层作为增粘剂。在7分钟内通过具有250毫升/分钟的氧气流量的氧气等离子体和160W的功率以干法蚀刻执行层21的蚀刻。在对层22进行蚀刻以前，在基于HF的缓冲水溶液中去除基底22的顶部上的氧化物层，随后用去电离水进行强烈冲洗。在下一步骤中，在3.5分钟内在50℃的温度在40重量％氢氧化钾(KOH)的蚀刻水溶液内将微结构蚀刻到基底22中。使用AFM测量层22中的微结构的所得到的深度，其为500nm。通过视觉观察，复制的微结构的区域中的硅片(层22)显现为绿色，而当从另一个角度进行观察时它显现为黄色。
最后，在8分钟内通过具有250毫升/分钟的气体流量的氧气等离子体和160W的功率彻底地去除上部区21b的剩余材料(图5.5)。
例子4
在聚合物膜中复制例子3的获得的微结构层。将多丙烯酸脂化合物的混合物旋涂在例子3中产生的微结构表面的顶部上。随后，在室温下通过暴露于UV-A光对涂敷的丙烯酸酯层进行交联。然后从硅片去除所得到的聚合物膜。通过对膜进行视觉观察，与硅片微结构的微结构接触的区域在第一角度下显现为绿色，而当从另一个角度进行观察时它显现为黄色。因此，在聚合物膜中复制了硅片的微结构。通过AFM测量微结构的深度，所得到的值为500nm。

Claims (17)

1.一种复制图案化的表面浮雕微结构的方法，包括如下步骤：
在第二层(22)的顶部上产生具有图案化的表面浮雕微结构的第一层(21)，第一层包括第一材料，并且第二层包括第二材料；
产生母版，包含在单个蚀刻步骤中将第一层的微结构复制到第二层中，其中，选择第一层(21)的第一材料和第二层(22)的第二材料以及蚀刻条件，使得第二层(22)中的蚀刻速度高于第一层(21)中的蚀刻速度；以及
使母版的微结构与复制品材料进行接触，从而使得由于与复制品材料的接触而导致母版的微结构在复制品材料中被再现，与母版的表面浮雕轮廓相比，该复制品材料具有反向的表面浮雕轮廓。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在蚀刻步骤之一中，第一层的厚度被降低，直到表面浮雕微结构的下部区(26)中的材料被清除，并且下面的第二层(22)的部分(27)被露出。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，复制的微结构的深度大于原始微结构的深度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，复制的微结构的深度在不同区域内不同。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，存在包括各向异性微结构的图案的至少一个区域。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，图案包括其中微结构是非周期性的至少一个区域。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，存在表面浮雕纵横比SRAR小于50的至少一个区域。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，存在表面浮雕填充因子位于0.2到0.8的范围内的至少一个区域。
9.根据权利要求1-8中的任意一项所述的方法，其中，通过MC技术产生图案化的表面浮雕微结构。
10.根据权利要求1-8中的任意一项所述的方法，其中，图案包括具有从底部区到顶部区和从顶部区到底部区的过渡的表面调制的区域，其中，在表面区域的第一横向方向上，平均来讲在每20微米内存在从顶部区到底部区或者从底部区到顶部区的至少一个过渡。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在与第一方向垂直的表面区域的第二横向方向上，平均来讲，在每200微米内存在从顶部区到底部区或者从底部区到顶部区的至少一个过渡。
12.根据权利要求1-8中的任意一项所述的方法，其特征在于：还包括附加步骤，在该附加步骤中，使用复制品作为子母版，通过将子母版与复制品材料进行接触来复制图案化的表面浮雕微结构，从而使子母版的微结构在复制品材料中被再现，与子母版的表面浮雕轮廓相比，该复制品材料具有反向的表面浮雕轮廓。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，使用较高阶复制品作为子母版。
14.根据权利要求1-8中的任意一项所述的方法，其特征在于，在将母版的微结构与复制品材料进行接触之前，将薄金属层施加于微结构的顶部上。
15.根据权利要求1-8中的任意一项所述的方法，其特征在于，通过涂敷、印制、浸渍、蒸发、溅射、浇铸、非电镀或电镀之一向微结构施加复制品材料。
16.根据权利要求1-8中的任意一项所述的方法，其特征在于，表面浮雕微结构被压入复制品材料。
17.一种使用表面浮雕微结构的复制品的方法，包括：提供根据前述权利要求1-8中的任意一项所述的方法制造的表面浮雕微结构的复制品作为用于进一步复制的母版。
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