CN1791813A - 微结构及其微结构产生的工艺 - Google Patents

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Abstract

光衍射微结构可通过至少两个凸纹结构的重叠来产生，其中，第一个凸纹结构是机械产生的，而至少有一个第二个凸纹结构是照相制版所产生的衍射结构。一种适用于光衍射微结构产生的工艺，该光衍射微结构是叠加重叠的，它包括一个凸纹结构和至少一个衍射结构，并可采用下列步骤来区分：a)在基板(1)上产生光刻胶层(2)，其空白表面具有凸纹结构，b)采用相干光在凸纹结构(5)上产生干涉图形，c)根据干涉图形取向凸纹结构，d)借助于干涉图形曝光凸纹结构，e)显影光刻胶，其中去除在曝光操作过程中变化的光刻胶材料，并且在凸纹结构上产生诸如所述衍射结构的凹槽(13)之类的凹坑，以及，f)烘干所述光刻胶。

Description

微结构及其微结构产生的工艺
本发明涉及微结构和适用于微结构产生的工艺，该微结构是采用将至少一个第二凸纹结构重叠在一个凸纹结构上的方法制成的。
光衍射微结构具有大量的凹坑，这些凹坑一般都采用平行凹槽的形式，并且例如，这些凹坑形成具有显微精细凸纹结构的光栅。入射在微结构上的光可以微结构所预定的方式衍射或散射。构成微结构的镶嵌图案可以采用诸如塑料材料或金属成形并具有实用产品的真实性能。这些真实性能展现出明显的光学行为且难以模仿。
适用于这类微结构产生的某些工艺是已知的。于是，机械设备可以通过在基板的表面上刻划许多并行的凹槽来产生微结构。刻划工具的形状确定了凸纹结构的外形。随着每毫米线数的增加，刻划凸纹结构的操作就逐步变得越来越困难并且费用也相应地变得越来越昂贵。全息照相工艺是廉价的，它可采用来自激光光源的两个相干光束在光刻胶的光敏层上形成干涉。根据光强的局部亮度，具有亮和暗条纹的干涉图案就可曝光在光刻胶上，在显影之后，光刻胶的表面就具有对称外形的凸纹结构。在其它工艺中，电子束在光刻胶层中描绘出有一条条凹槽的凸纹结构，在这种情况下，凹槽也可以形成弯曲的线条。根据这些工艺所产生的微结构母版的形状都是可以进行电镀复制并且具有复制生产的金属模压凸模，使用这些凸模可以金属或塑料材料产生出微结构的形状。然而，采用这些工艺，用于微结构产生的设备花费都是十分昂贵的。
从EP-A 0 105 099中也可以了解到新的微结构也适用于镶嵌方式来合成，在这种情况下，就会有多组不同的凸纹结构，这些凸纹结构可以多个方位以预定的方式来产生，并机械成形在镶嵌部件的各个表面元件上。
本发明的目的是提出一种微结构，例如，适用于复制母版的微结构，这些微结构可以相当容易以高的精度产生出来，也是相当复杂并因此而难以模仿的；以及提出一种适用于微结构产生的廉价工艺，该微结构的凸纹结构是采用至少两个凸纹结构相重叠来产生的。
根据本发明，具体的目的是通过权利要求1和9中所提出的性能来获得的，并且是基于将凸版或其它采用影像结构的机械成形工艺的组合以便于产生廉价但复杂的微结构的思想。在后续的权利要求中将进一步阐述本发明的有利结构。
以下将结合附图详细讨论和说明本发明的实施例，附图包括：
图1显示了具有光刻胶层的基板；
图2显示了光刻胶层的凸模表面；
图3显示了皱纹结构；
图4显示了光刻胶曝光的操作；
图5显示了微凸纹的外形；以及，
图6显示了具有凸纹冲模的模压凸模。
参考图1，图1以截面图的方式显示了适用于光学衍射结构产生的第一步骤。光刻胶层2涂覆在金属、玻璃、陶瓷或者塑料材料的平坦基板1上。层2的厚度是在0.1μm和100μm之间的范围内，并且取决于所要产生的衍射结构的深度。光敏性光刻胶材料都是众所周知的，例如，由Shipley生产的产品标号为Microposit S 1813。光刻胶材料可采用液体的方式涂覆在基板1上，并且在加热的条件下进行固化。在较佳的变例中，安装在模压凸模3上的凸纹冲模4向下压入层2的平坦空白表面并压紧，使得在层2的空白表面中产生凸纹冲模4的形状。
正如图2所示，在模压凸模3(见图1)抬起之后，层2在模压凸模的范围内就具有凸纹结构5，这些结构是与凸纹冲模4(见图1)相反的。在模压的过程中，基板1不能变形或者松动，使得凸纹冲模4可以将凸纹结构5以形状的最大逼真性转移到层2上。
术语“凸纹结构”5的含义并没有严格的限制，附图中的图1显示凸纹冲模4的外形，这一形状是在基板中所要形成的形状，通过这一实例显示了周期性光栅的对称锯齿外形。特别是，也可以采用其它众所周知的外形中的一种，例如，非对称的锯齿外形，矩形外形、正弦或类正弦外形、角锥形的规则排列，以及形成周期的线性光栅或者交叉光栅的其它形状，这些形状都适用于凸纹结构5。凸纹结构5的空间频率可以选在自1行/mm到大约1000行/mm之间的宽范围内。周期性光栅的凸纹结构的结构深度T通常是在0.1μm和100μm之间的范围内，在这一方面，出于技术原因，较大结构深度T(见图1)的凸纹结构5一般都具有相对于空间频率的较低数值。
在工艺的另一变例中，形成凸纹结构的各向同性和各向异性的皱纹结构可以形成在层2的表面。皱纹结构包括显微精细凸纹结构元件，该元件确定了散射的能力并且只能采用统计参数来进行讨论，例如，平均粗糙度数值Ra，相关长度Ic以及其它等等，有关平均粗糙度数值Ra的数值通常是在20nm和2500nm之间的范围内，较佳的数值是在50nm和500nm之间的范围内。至少是在一个方向上，相关长度Ic是在200nm和50000nm之间范围内的数值，较佳的是在1000nm和10,000nm之间。各向同性皱纹结构的显微精细凸纹结构元件没有方位上的较佳方向，出于这一原因，在所有的方位方向上，大于诸如由视觉感受能力所预定极限数值的亮度的散射光可以由皱纹结构散射体的能力所预定的空间角度均匀分布。比起弱散射的皱纹结构强散射的皱纹结构可以将散射光分布于更大的空间角度。
如果相反，显微精细凸纹结构的元件在方位上具有较佳的方向，则皱纹结构散射体以各向异性入射光。由皱纹结构的散射体能力所预定的空间角度是一个椭圆形的截面形状，该椭圆的长轴垂直于凸纹结构元件的较佳方向。与衍射结构相反皱纹结构散射体的所入射的光实际上与其波长无关，也就是说，所散射的光的颜色基本对应于入射在皱纹结构的光的颜色。
图3通过一种皱纹结构作为实例显示了其截面，该皱纹结构的形状产生在层2中，作为凸纹结构5。取代光栅的结构深度T(见图1)，皱纹结构的外形具有平均粗糙度数值Ra。皱纹结构的精细凸纹结构元件在该高度方向H呈现出最大的差异，可高达平均粗糙度数值Ra的大约十倍。因此，皱纹结构在高度H方向上的最大差异对应于适用于周期光栅的结构深度。皱纹结构在高度方向H上的差异数值都是在结构深度T的上述范围内。以下将阐述结构深度T的细节，它既能用于具有周期性光栅的凸纹结构5也能用于具有皱纹结构的凸纹结构5。
现在参考图4讨论全息照相工艺，全息照相工艺籍助于凸纹结构5的光敏结构附加重叠衍射光栅(在图4中未显示)。激光光源7产生例如400nm波长的相干光束6。光束6撞击在光束分束器8上。光束分束器8以凸纹结构5的方向偏转部分光束6，作为分光束9。未偏转通过光束分束器8的其余光束形成参考光束10。偏转反射镜11也将参考光束10指向凸纹结构5。分光束9和参考光束10都扇出采用平行光束的方式以各自光束9和10照亮整个凸纹结构5。分光束9的方向不同于参考光束10的方向，使得分光束9和参考光束10可以在结构表面的区域中以预定交叉角度相交。因为两束光束9和10的光波相干性和波长的差异，分光束9和参考光束10形成相互干涉，这样就在凸纹结构5上产生干涉图案。该干涉图案包括被低亮度光强的条纹所分隔的高亮度光强的并行条纹，其中干涉图形的条纹在凸纹结构5上垂直相交由分光束9和参考光束10所定义的平面轨迹。每毫米的条纹数是由光束6、9和10所产生的光波长以及分光束9和参考光束10相交的相交角度确定的。
由于基板1环绕着基板平面的法线15旋转，所以在曝光操作之前，基板1及其凸纹结构5根据干涉图形的方位取向并且设置预定的方位数值。
上述光刻胶的材料是可以只根据曝光过程中干涉图形所涉及到的高亮度光强的条纹来变更，这样就可以在曝光之后，在显影液的作用下，溶解光刻胶的材料，例如，Shipley Mikroposit 351。在这种情况下，就会在光刻胶的表面以衍射光栅的并行凹槽的形式产生凹坑，其中，光栅的周期等于在干涉图形中的条纹间隔。在分光束9和参考光束10相交的相交角度变化时，光栅的周期也可以在相交角度的范围内调整。光束6的是由激光光源所预先确定的，并且必须适用于层2的光刻胶的曝光。
因此，曝光时间、显影时间和光强确定了凹槽的外形以及几何外形的深度。凹槽的深度通常可达到250nm的预定数值。外形是对称的并且可以从简单的正弦外形延伸到矩形外形。凹槽的位置可由干涉图形的条纹确定。因此，条纹结构5的光栅线和衍射结构的凹槽在由所设置的预定方位数值地方位方面是不同的。
图5显示在凸纹结构5(见图4)的光敏结构形成之后的层2的表面。在层2的表面已经产生了微结构12，这些微结构是通过采用全息照相产生的衍射结构附加重叠来产生的，其中，在该实例中，凸纹结构5的光栅线和衍射结构的凹槽13都处于相同的方位。在图5中采用虚线14来表示原始的凸纹结构5。在显影的操作中已经去除了在虚线14和微结构12之间所原始存在的光刻胶。
在光刻胶烘干之后，可以众所周知的方式采用镍电化学形成微结构12的形状，于是就产生了微结构12的母版。反射的母版经过校对来确认模板的光学性能是否对应于所期望的性能。随后，该母版可用于生产复制品，采用来自于母版的部分复制品与具有其它衍射结构、反射镜表面等等的塑料和金属相组合，以便于提供适用于光学安全元件的类似镶嵌式的图形。
该产生工艺所具有的优点是基本确保(以及当使用其它工艺更好)微结构12能够获得真正叠加所要组合凸纹结构5和衍射结构的结构，并且基本保持凸纹结构5和衍射结构的几何尺寸。
在这一方面，也有可能组合尺寸上有很大不同的结构。例如，凸纹结构5的结构深度T可以大于2μm并且可以是一种皱纹结构或者甚至是一种光栅或者是一种返射器的微棱镜。凸纹结构5与具有光栅周期低数值的衍射结构相重叠。
在适用于微结构12产生的第一种工艺中，一种上述周期性的光栅可以采用衍射结构光敏结构的凸纹结构5的方式成形在层2中。在具体的实施例中，衍射结构的空间频率至少是比凸纹结构5的空间频率高五倍。
在适用于微结构12产生的第二种工艺中，一种上述周期性的光栅可以成形在衍射结构所光敏结构的层2中。衍射结构的光栅周期最多是500nm，因此光只能反射到零衍射量级中。该微结构12所具有的优点是它组合了具有衍射光栅性能的皱纹结构的散射能力，例如，波长选择反射能力、偏振能力等等。
适用于微结构12产生的工艺在先前光敏结构实现之后可以第一种方式扩大，且分光束9(见图4)和参考光束10(见图4)相交的相交角度是变化的，以及其它光敏结构可以采用干涉图形来实施，与先前的光敏结构相比较，干涉图形的条纹图形的每毫米条纹数都可变更。工艺的扩展可采用有关条纹图形空间频率的不同设置单次实施或者采用不同的空间频率重复多次直至达到预定的微结构12。
适用于微结构12产生的工艺在先前光敏结构实现之后可以第二种方式扩大，且其它光敏结构的操作可相对于由分光束9(见图4)和参考光束10(见图4)所形成的干涉图形而以基板的不同方位取向有效。上述光敏结构的操作可采用有关方位取向的不同设置单次实施或者采用不同的方位取向重复多次直至达到预定的微结构12。
适用于微结构12产生的工艺在先前光敏结构实施之后可以第三种方式变化，且条纹图形的空间频率以及方位取向二者都是变化的，并接着进行其它光敏结构的操作。上述光敏结构操作的延伸可采用条纹图形空间频率和方位取向的不同设置单次实施或者采用不同的设置重复多次直至达到预定的微结构12。
在所讨论的工艺作为较佳推荐工艺时，步骤a)包括使用模压工艺，该工艺适用于凸纹结构5的成形。然而，也有可能是步骤a)中变更工艺，在这种情况下，当铸造层2时，凸纹结构5已经成形。在这种情况下，液体光刻胶浇铸在铸造的模型中，该模型包括基板1和以基板1相反关系设置的凸纹模具4(见图1)。在光刻胶处于加热条件下固化之后，可以去除凸纹模具4。层2的空白表面具有与凸纹模具4相反的凸纹结构5。
在工艺的其它变例中，在步骤a)中，取代模压或者铸造，凸纹结构5可以采用机械的方式直接用雕刻针将它雕刻在层2中。
图6所示的工艺变例可用于凸纹模具4，该结构包括至少一个抛物面表面16和/或锥形尖端17。抛物面表面16和/或锥形尖端17也可以与上述周期性光栅相组合。凸纹模具4的形状可以在基板1上的层2中产生。随后可以进行光敏结构的操作。
适用于微结构12的工艺的其它变例，可不使用光栅或者皱纹结构作为凸纹模具4，而是使用具有重叠结构的已经存在的组合结构，这些结构在上述工艺中首先成形在光刻胶的层2的表面，以便于产生凸纹结构5，并随后进一步进行光敏结构化。
众所周知，除了上述的正性光刻胶之外，也可能使用负性的光刻胶(例如，Futurrex NR7-1000PY)，这种光刻胶也十分适用于上述工艺。

Claims (20)

1.一种微结构，该微结构是通过一个第一凸纹结构与至少一个第二凸纹结构相重叠而形成的，其特征在于，所述第一凸纹结构(5)是在层(2)中机械产生的，而所述至少一个第二凸纹结构是一种衍射结构(12)，该衍射结构是以光化学方式产生在所述第一凸纹结构(5)的表面上且具有例如凹槽(13)的凹坑。
2.如权利要求1所述的微结构，其特征在于，所述衍射结构(12)是一种衍射光栅。
3.如权利要求1和2所述的微结构，其特征在于，所述衍射结构(12)的凹坑(13)所具有的深度(t)最多为500nm，较佳的是最多为250nm。
4.如权利要求1或3中任一所述的微结构，其特征在于，所述衍射结构(12)的光栅周期最多为400nm。
5.如权利要求1至4中任一所述的微结构，其特征在于，所述第一凸纹结构(5)是一种周期性的衍射结构。
6.如权利要求5所述的微结构，其特征在于，所述衍射结构(12)具有空间频率，该空间频率对应于至少五倍所述第一凸纹结构(5)的周期性光栅结构的空间频率。
7.如权利要求5或6中任一所述的微结构，其特征在于，所述衍射结构(12)和所述第一凸纹结构(5)的光栅结构都是可以预定的方位角度进行相互调整。
8.如权利要求1至4中任一所述的微结构，其特征在于，所述第一凸纹结构(5)是一种皱纹结构。
9.一种适用于在基板(1)的光刻胶层(2)中产生光衍射微结构(13)的工艺，该微结构是通过一个第一凸纹结构(5)与至少一个第二凸纹结构相重叠作为衍射结构(12)而产生的；
其特征在于，
a)在平坦的基板(1)上产生光刻胶层(2)，使之具有在所述层(2)的空白表面中的所述第一凸纹结构(5)，
b)产生干涉图形，其中，相干光可分成为分光束(9)和参考光束(10)，并且所述分光束(9)和所述参考光束(10)可在所述凸纹结构(5)上产生包括预定交叉角的干涉，
c)所述第一凸纹结构(5)根据所述干涉图形而取向，其中所述干涉图形包括被低亮度光强条纹分隔的高亮度光强条纹并且照亮所述第一凸纹结构(5)，
d)采用所述第一凸纹结构(5)籍助于所述干涉图形曝光所述光刻胶层(2)且持续预定时间，其中所述光刻胶材料可根据高亮度光强条纹而变化，
e)显影所述光刻胶且持续预定时间，其中在曝光操作过程中变化的所述光刻胶材料可部分去除，并且产生诸如所述衍射结构的凹槽(13)之类的凹坑，以及，
f)烘干所述光刻胶。
10.如权利要求9所述的工艺，其特征在于，在步骤e)中，所述光刻胶的显影时间使得所述衍射结构的凹槽(13)达到最深为500nm的深度，较佳的是至多为250nm。
11.如权利要求9或10所述的工艺，其特征在于，在步骤a)中，安装在模压凸模(3)上的凸纹模具(4)向下进入所述光刻胶层(2)的表面，并且作为所述凸纹模具(4)的负版来产生所述第一凸纹结构(5)的形状。
12.如权利要求9或10所述的工艺，其特征在于，在步骤a)中，所述层(2)可采用浇铸的方式产生，其中液体光刻胶浇铸在所述基板(1)和所述凸纹模具(4)之间，且在所述光刻胶通过热效应固化和从模具中去除之后，所述层(2)的空白表面具有作为所述凸纹模具(4)的负版的所述第一凸纹结构(5)。
13.如权利要求9至12中任一所述的工艺，其特征在于，在步骤a)中，周期性光栅在所述层(2)中成形，作为所述第一凸纹结构(5)。
14.如权利要求13所述的工艺，其特征在于，在步骤b)中，设置在所述分光束(9)和所述参考光束(10)之间的交叉角度，从而产生具有对应于至少所述凸纹结构(5)空间频率五倍的空间频率的衍射光栅。
15.如权利要求13或14所述的工艺，其特征在于，在步骤c)中，所述第一凸纹结构(5)是根据预定方位数值的方位取向的，其中预定方位数值与通过所述基板(1)相对于所述基板(1)平面的法线旋转的干涉图形有关。
16.如权利要求9至12中任一所述的工艺，其特征在于，在步骤a)中，所述皱纹结构成形在所述层(2)中，作为所述第一凸纹结构(5)。
17.如权利要求9至16中任一所述的工艺，其特征在于，重复步骤b)至e)以光敏构成至少一个其它衍射结构。
18.如权利要求17所述的工艺，其特征在于，在步骤b)中，在所述分光束(9)和所述参考光束(10)之间的相交角度是变化的。
19.如权利要求17或18所述的工艺，其特征在于，所述第一凸纹结构(5)相对于第一衍射结构的方位数值可通过所述基板(1)环绕着所述基板(1)平面的法线旋转而变化。
20.如权利要求9至19中任一所述的工艺，其特征在于，在步骤b)中设置在所述分光束(9)和所述参考光束(10)之间的相交角度，从而产生具有光栅周期最多为400nm的衍射光栅，作为所述衍射结构。
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