JP2006520923A

JP2006520923A - ミクロ構造およびミクロ構造の形成方法

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Publication number: JP2006520923A
Application number: JP2006504729A
Authority: JP
Inventors: シリング，アンドレーアス; ロバートトンプキン，ウェイン
Original assignee: オーファオデーキネグラムアーゲー
Priority date: 2003-04-22
Filing date: 2004-03-18
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2024-03-18
Also published as: JP4495722B2

Abstract

少なくとも二つの凹凸構造の重ね合わせにより光を回折させるミクロ構造が形成され、第１の凹凸構造は機械的に形成されるが、少なくとも一つの第２の凹凸構造は光化学的に生成された回折構造である。
一つの凹凸構造と少なくとも一つの回折構造との重ね合わせにより、光を回折させるミクロ構造を形成する方法は、
ａ）露出した表面に第１の凹凸構造を備えたホトレジスト層（２）を平坦なサブストレート（１）上に形成し、
ｂ）コーヒレントな光を用いて第１の凹凸構造（５）上に干渉縞を形成し、
ｃ）干渉縞に対する第１の凹凸構造（５）の方向を決定し、
ｄ）凹凸構造を干渉縞で露光し、
ｅ）ホトレジストを現像し、露光作業で変質されたホトレジスト材料を除去して、回折構造の凹部例えば溝を凹凸構造上に形成し、
ｆ）ホトレジストを乾燥させる、諸工程を有してなる。

Description

本発明は、ミクロ構造と、第１の凹凸構造に少なくとも一つの第２の凹凸構造を重ね合わせることによって形成されるミクロ構造の形成方法とに関するものである。

光を回折させるミクロ構造は、一般に平行な溝の形態をした多数の凹部を有し、かつ例えば顕微鏡的に微細な凹凸構造を備えた光学格子を形成する。ミクロ構造に入射する光は、ミクロ構造によって所定の態様で回折または散乱される。ミクロ構造からなるモザイクは、例えばプラスチック材料または金属に形成され、有価物品の真正性を示す特徴として役立つ。これらの真正性を示す特徴は、光学的に目立つ挙動を呈して偽造を困難にする。

この種のミクロ構造を形成する方法がいくつか知られている。例えば機械的装置を用いてサブストレートの表面を引っ掻いて多数の平行な溝を形成することによりミクロ構造を形成する方法がある。引っ掻き工具の形状が凹凸構造の断面形状を決定する。しかしながら、１ミリメートル当りの線の本数が増加すると、引っ掻きにより凹凸構造を形成する作業は、飛躍的に困難になり、したがって費用がかかる。レーザー光源からの２本のコーヒレントな光ビームをホトレジストの感光層上で干渉させるホログラフ的方法は、より安価である。明暗の光の縞を有する干渉縞の画像が、光の明暗のレベルに応じてホトレジストを感光させる。現像後、ホトレジストの表面には、対称的な断面形状を備えた凹凸構造が形成される。さらに別の方法においては、電子ビームがホトレジストに次々に凹凸構造の溝を描くが、この場合には溝も曲線となる。これらの方法により形成されたミクロ構造のマスターの形状は、メッキ法によって複製され、その複製によって金属性型押しスタンプを作製することができ、この型押しスタンプによって、ミクロ構造の形状を金属またはプラスチック材料に形成することができる。しかしながら、これらの方法を用いると、ミクロ構造を形成するための装置の費用が著しく高騰してしまう。

モザイクの形態で合成される新規なミクロ構造が特許文献１から知られており、この場合は、所定の方位に配向された１組の異なる凹凸構造のうちの一つが上記モザイクの各表面素子に機械的に形成される。
欧州特許出願公開第０１０５０９９号明細書

本発明の目的は、作製が比較的容易であるにも拘わらず、複雑で、従って偽造が困難な、例えば複製用マスターのための高度の正確性を備えたミクロ構造と、その凹凸構造が少なくとも二つの凹凸構造の重ね合わせによって形成されるミクロ構造の安価な形成方法とを提供することにある。

本発明によれば、本発明の目的は、請求項１および９に記載された特徴によって達成され、その特徴は、型押しまたはその他の機械的成形工程に、安価にも拘わらず複雑なミクロ構造を形成するための露光による造形工程を組み合わせたことにある。本発明の有利な形態は従属項に記載されている。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１を参照すると、光学的回折構造を作製するための方法の第１工程が断面図で示されている。ホトレジストからなる層２は、金属、ガラス、セラミックまたはプラスチック材料からなる平らなサブストレート１上に施されている。層２の厚さｄは、０．１μｍ〜１００μｍの範囲内にあり、作製されるべき回折構造の深さＴに左右される。感光性ホトレジスト材料としては、例えばシップリー(Shipley)社が販売しているMikroposit S 1813 が知られている。ホトレジスト材料は、液体状態でサブストレート１上に施され、加熱により硬化される。型押しスタンプ３上に設けられた凹凸母型４は層２の露出した平坦な面上に降下され、層２の露出した表面内に押し込まれることによって、凹凸母型４の形状が層２の露出した表面に形成される。

型押しスタンプ３（図１）が引き上げられると、図２に示されているように、型押しスタンプ３の領域内の層２が凹凸母型４（図１）の陰画である凹凸構造５を備える。この型押し作業中、サブストレート１は変形したり、撓んだりしないために、凹凸母型４は、形状に関して最高の忠実度をもって凹凸構造５を層２上に転写する。

「凹凸構造５」という概念の意味に制約されることなく、図１は例えば周期的な格子の対称鋸歯状断面を備えた凹凸型４の断面形状を示している。周期的な一次格子または交差格子を形成する例えば非対称鋸歯状断面、方形断面、正弦波または正弦波的断面、ピラミッドの規則正しい配列等のようなその他の周知の断面形状のうちの一つも特に凹凸構造５に適している。凹凸構造５の空間周波数は、１本／ｍｍから数１００本／ｍｍまでの間の広い範囲内から選択することができる。周期的な格子からなる凹凸構造５の深さＴは、通常０．１μｍ〜１００μｍの範囲内にあるが、これに関しては、技術的理由から、深さＴ（図１）の値が大きい凹凸構造５は一般に空間周波数の値が小さくなる。

別の方法においては、凹凸構造を形成する等方性または異方性マット構造が層２の表面に形成される。これらのマット構造は、散乱能力を決定しかつ例えば平均粗さＲ_ａ、相関距離Ｉ_ｃ等のような統計的パラメータによってのみ表現することができる顕微鏡的微細凹凸構造素子を含み、平均粗さＲ_ａに関する値は、２０ｎｍから２５００ｎｍまで、好ましくは５０ｎｍから５００ｎｍまでの間である。少なくとも一方向では相関距離Ｉ_ｃは２００ｎｍから５００００ｎｍまで、好ましくは１０００ｎｍから１００００ｎｍまでの間の値である。等方性マット構造の顕微鏡的微細凹凸構造素子は、方位的に好ましい方向を有しておらず、その理由は、例えば視覚によって所定の制限値よりも大きい強度を有する散乱光が、マット構造の散乱能力によって所定の空間角内で全ての方位方向に一様に分布されるからである。強く散乱させるマット構造は、弱く散乱させるマット構造よりも散乱光を大きな空間角内に分布させる。

一方、もし顕微鏡的に微細な凹凸構造素子が好ましい方位方向を有している場合には、マット構造が異方性をもって入射光を散乱させる。マット構造の散乱能力によって所定の空間角は、長軸が凹凸構造素子の好ましい方向に直角な楕円形状の断面形状を有する。回折構造とは対照的に、マット構造は入射光をその波長とは無関係に散乱させる、すなわち、散乱光の色はマット構造上に入射する光の色にほぼ対応する。

図３は、マット構造の一例の断面図を示し、その形状は凹凸構造５として層２に形成されたものである。格子における深さＴ（図１）の代わりに、マット構造の断面形状は平均粗さＲ_ａを有する。マット構造の微細凹凸構造素子は、平均粗さＲ_ａの約１０倍までの高さＨの最大差を示す。したがって、マット構造の高さＨにおける最大差は、周期的格子に関する深さＴに対応する。マット構造の高さＨにおける差の値は、上述した深さＴの範囲内にある。したがって、深さＴの範囲に関する後述の詳細説明は、周期的格子を備えた凹凸構造５と、マット構造を備えた凹凸構造５との双方に当てはまる。

図４を参照すると、凹凸構造５を感光させて造形することによって、回折格子（図４には図示せず）を付加的に重ね合わせるホログラフ的工程が示されている。例えば波長４００ｎｍのコーヒレントな光ビーム６がレーザー光源７で生成される。光ビーム６はビームスプリッタ８に当る。ビームスプリッタ８は光ビーム６の一部を分岐ビーム９として凹凸構造５の方向に反射させる。ビームスプリッタ８を透過した残りの光は参照ビーム１０を形成する。偏光鏡１１が参照ビーム１０を凹凸構造５上に導く。分岐ビーム９および参照ビーム１０は、凹凸構造５全体が平行な光ビームで個々に照らされるように扇状に広がる。分岐ビーム９の方向は参照ビーム１０の方向と異なるので、凹凸構造５を備えた表面の領域内では所定の交角をもって交差する。光波がコーヒレントなことと、二つのビーム９，１０の波長が異なることとが原因で、分岐ビーム９と参照ビーム１０とが互いに干渉して凹凸構造５上に干渉縞を生成させる。この干渉縞は、暗い縞によって分離された明るい縞からなる平行な縞を備えており、そこでは干渉縞が、分岐ビーム９と参照ビーム１０とによって凹凸構造５上に画成された面の軌跡と直角に交差する。１ミリメートル当りの縞の数は、ビーム６，９，１０を形成する光の波長と、分岐ビーム９と参照ビーム１０とが交差する交角とによって決定される。

露光作業に先立って、サブストレート１を法線１５の周りで回転させることによって、サブストレート１およびこのサブストレート１が備えている凹凸構造５の干渉縞に対する方位が決定され、かつ所定の方位値が設定される。

上述したホトレジスト材料は、干渉縞の明るい光の縞の部分のみが感光されて、感光後にホトレジスト材料が、現像液、例えばシップリー社のMikroposit 351 の作用で溶解されるように変質される。その場合、干渉縞の間隔に等しい格子周期をもった回折格子からなる平行な溝の形態でホトレジストの表面に凹部が形成される。格子周期は、分岐ビーム９と参照ビーム１０とが交差する角度の変更によって調整可能である。光ビーム６の波長は、レーザー光源によって予め決定されるが、層２を形成するホトレジストの露光に適したものでなければならない。

溝の断面形状とその幾何学的深さｔとは、露光時間と、現像時間と、光の強度とによって決定される。溝の深さは、通常２５０ｎｍの所定値に達する。断面形状は対称的で単純な正弦波断面から方形波断面にまで亘る。格子の位置は干渉縞によって決定される。したがって、凹凸構造５の格子線と回折構造の溝とは、予め設定された方位値によって方位が異なっている。

図５は、凹凸構造５（図４）を露光により造形した後の層２の表面を示す。層２の表面にはミクロ構造１２が形成されているが、このミクロ構造１２は、ホログラフ的に生成される回折構造を凹凸構造５に付加的に重ね合わせることによって形成されたものであり、本実施の形態においては、凹凸構造５の格子線と回折構造の溝１３とは同じ方位に含まれる。図５においては、元の凹凸構造５が破線１４で示されている。破線１４とミクロ構造１２との間に最初から存在していたホトレジストは、現像作業で除去されている。

ホトレジストの乾燥後、ミクロ構造１２は、周知の方法でニッケルメッキによって成形され、ミクロ構造１２のマスターが生まれる。反射性マスターは検査を受けて、このマスターが所期の特性に対応する光学的特性を備えているか否かが確認される。次にこのマスターは、このマスターの一部がプラスチック材料または金属内で他の回折構造、鏡面等と組み合わせられて、光学的セキュリティ素子のためのモザイク状模様を生成させる。

上記形成工程は、複数の構造、すなわち凹凸構造５および回折構造が付加的に組み合わせられて、凹凸構造５および回折構造の幾何学的形状が実質的に残存するミクロ構造１２が（他の方法を用いるよりも良好に）得られることがほぼ確実になることに利点がある。

この場合、それらの寸法が著しく異なる構造を組み合わせることも可能である。例えば、凹凸構造５は、その深さＴが２μｍを超えるものとすることができ、かつマット構造の一つ、または格子の一つ、あるいは逆反射体を構成するマイクロプリズムからなるものとすることができる。凹凸構造５には、格子周期の値の低い回折構造が重ね合わされる。

ミクロ構造１２を形成するための第１の方法においては、上述した周期的格子の一つが凹凸構造５として層２に形成され、この凹凸構造５が露光により造形されて回折構造が形成される。特定の実施の形態においては、回折構造の空間周波数が凹凸構造５の空間周波数の少なくとも５倍は高い。

ミクロ構造１２を形成するための第２の方法においては、上述したマット構造の一つが層２に形成され、このマット構造が露光により造形されて回折構造が形成される。光がゼロ次の回折次数のみにおいて反射するように、回折構造の格子の周期は最大で５００ｎｍである。ミクロ構造１２の利点は、ミクロ構造１２が、マット構造の散乱能力に回折格子の例えば波長選択的反射能力、偏光能力等のような特性を組み合わせることができることにある。

ミクロ構造１２の形成方法は、先の露光作業が行なわれた後に、分岐ビーム９（図４）と参照ビーム１０（図４）とが交差する点での交角を変えるという第１のやり方によって拡大させることができ、その場合、先の露光作業と比較して縞模様の１ｍｍ当りの縞の数が異なる干渉縞によるさらなる露光作業が行なわれる。この縞模様の空間周波数に関して異なる設定による方法拡大は、所定のミクロ構造１２が得られるまで、空間周波数を異ならせて１回または複数回行なわれる。

ミクロ構造１２の形成方法は、先の露光作業が行なわれた後に、分岐ビーム９（図４）および参照ビーム１０（図４）によって形成される干渉縞に対するサブストレート１の方位の向きを異ならせたさらなる露光作業を行なうという第２のやり方によって拡大させることができる。この方位の向きに関して異なる設定による方法拡大は、所定のミクロ構造１２が得られるまで、方位の向きを異ならせて１回または複数回行なわれる。

ミクロ構造１２の形成方法は、先の露光作業が行なわれた後に、干渉縞の空間周波数および方位の向きの双方を変え、次いでさらなる露光作業を行なうという第３のやり方によって変えることができる。このような縞模様の空間周波数および方位の向きに関して異なる設定をもって行なわれる露光作業の拡大は、所定のミクロ構造１２が得られるまで、設定を変えて１回または複数回行なわれる。

好ましい方法としてここに記載する方法においては、ａ）工程が、凹凸構造５の形状を形成するための型押し方法を用いることを含む。しかしながら、ａ）工程は、層２の注型時に既に凹凸構造５が形成される態様に変えることもできる。その場合、サブストレート１とこのサブストレート１に対向して配置された凹凸母型４（図１）からなる成形用型内に液状ホトレジストを注入する。凹凸母型４はホトレジストが加熱により硬化された後に取り除かれる。層２の露出した表面は、凹凸母型４の陰画としての凹凸構造５を備える。

さらに別の方法では、ａ）工程において、型押しまたは注型の代わりに、カッティングスタイラスによって層２に直接凹凸構造５を機械的に切り込むこともできる。

図６に示された別の方法では、少なくとも一つの回転放物面１６および／または円錐尖端１７を凹凸母型４として用いている。回転放物面１６および／または円錐尖端１７を、上述した周期的格子と組み合わせてもよい。凹凸母型４の形状はサブストレート１上の層２に形成される。次いで露光による造形作業が行なわれる。

ミクロ構造１２を形成するためのさらに別の方法では、凹凸母型４として格子構造またはマット構造を用いる代わりに、複数の構造の重ね合わせにより既に存在する組み合わせ構造を用い、この組み合わせ構造が上述の工程においてホトレジストからなる層２の表面を最初に整形して凹凸構造５を形成し、次いでさらなる露光による造形作業を行なう。

上述したポジ型のホトレジストに加えて、この形成方法に極めて適したネガ型のホトレジスト（Futurrex NR7-1000PY）を用いることも知られている。

ホトレジストからなる層を備えたサブストレートを示す断面図である。ホトレジストからなる層の型押しされた表面を示す断面図である。マット構造を示す断面図である。ホトレジストの露光作業を示す断面図である。ミクロ構造の形状を示す断面図である。凹凸母型を備えた型押しスタンプを示す斜視図である。

符号の説明

１サブストレート
２ホトレジスト層
４凹凸母型
５凹凸構造
６光ビーム
７レーザー光源
８ビームスプリッタ
９分岐ビーム
１０参照ビーム
１２ミクロ構造
１３溝

Claims

第１の凹凸構造を、少なくとも一つの第２の凹凸構造と重ね合わせることによって形成されるミクロ構造であって、
前記第１の凹凸構造（５）が層（２）に機械的に形成された構造であり、前記少なくとも一つの第２の凹凸構造が、前記第１の凹凸構造（５）の表面上に光化学的に形成された凹部（１３）を備えた回折構造（１２）であることを特徴とするミクロ構造。
前記回折構造（１２）が回折格子であることを特徴とする請求項１記載のミクロ構造。
前記回折構造（１２）の凹部（１３）の深さ（ｔ）が最大で５００ｎｍであることを特徴とする請求項１または２記載のミクロ構造。
前記回折構造（１２）の格子周期が最大４００ｎｍであることを特徴とする請求項２または３記載のミクロ構造。
前記１の凹凸構造（５）が周期的格子構造であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のミクロ構造。
前記回折格子（１２）が、前記１の凹凸構造（５）の周期的格子構造の空間周波数の少なくとも５倍に相当する空間周波数を有することを特徴とする請求項５記載のミクロ構造。
前記回折格子（１２）と前記１の凹凸構造（５）の格子構造とが、所定の方位角をなすように回転されていることを特徴とする請求項５または６記載のミクロ構造。
前記第１の凹凸構造（５）がマット構造であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載のミクロ構造。
第１の凹凸構造（５）に、回折構造（１２）として働く少なくとも一つの第２の凹凸構造を重ね合わせることによって、サブストレート（１）上のホトレジスト層（２）に、光を回折させるミクロ構造（１３）を形成する方法であって、
ａ）露出した表面に第１の凹凸構造（５）が配置されたホトレジスト層（２）を平坦なサブストレート（１）上に形成し、
ｂ）コーヒレントな光を分岐ビーム（９）と参照ビーム（１０）とに分解し、該分岐ビーム（９）および参照ビーム（１０）を、所定の交角をもって干渉させることによって前記第１の凹凸構造（５）上に干渉縞を形成し、
ｃ）前記第１の凹凸構造（５）を照らす、暗い光の縞によって分離された明るい光の縞を備えた干渉縞に対する前記第１の凹凸構造（５）の方向を決定し、
ｄ）該第１の凹凸構造（５）を備えた前記ホトレジスト層（２）を前記干渉縞で所定時間露光して、前記明るい光の縞で露光されたホトレジスト材料を変質させ、
ｅ）前記ホトレジストを所定時間現像し、前記露光によって変質されたホトレジスト材料を除去して前記回折構造の凹部（１３）を形成し、
ｆ）前記ホトレジストを乾燥させる、
諸工程を有してなることを特徴とするミクロ構造の形成方法。
前記ｅ）工程における前記ホトレジストの現像時間は、前記回折構造の凹部（１３）が最大で５００ｎｍに達するような時間であることを特徴とする請求項９記載の方法。
前記ａ）工程において、型押しスタンプ（３）に設けられた凹凸母型（４）を前記ホトレジスト層（２）の表面に降下させて、前記第１の凹凸構造（５）の形状を前記凹凸母型（４）の陰画として形成することを特徴とする請求項９または１０記載の方法。
前記ａ）工程において、液状ホトレジストを前記サブストレート（１）と前記凹凸母型（４）との間に注入し、前記ホトレジストを加熱して硬化させ、離型後、前記ホトレジスト層（２）の露出した表面が、前記凹凸母型（４）の陰画としての前記第１の凹凸構造（５）を備えることを特徴とする請求項９または１０記載の方法。
前記ａ）工程において、周期的格子を前記第１の凹凸構造（５）として前記ホトレジスト層（２）に形成することを特徴とする請求項９から１２のいずれか１項記載の方法。
前記第１の凹凸構造（５）の空間周波数の少なくとも５倍に相当する空間周波数を有する回折格子が形成されるように、前記ｂ）工程において、前記分岐ビーム（９）と前記参照ビーム（１０）との間の交角を設定することを特徴とする請求項１３記載の方法。
前記ｃ）工程において、前記サブストレート（１）の平面に対する法線（１５）の周りで前記サブストレート（１）を回転させることによって、前記第１の凹凸構造（５）を、前記干渉縞に対して所定の方位値を有する方位に配向することを特徴とする請求項１３または１４記載の方法。
前記ａ）工程において、マット構造を前記第１の凹凸構造（５）として前記ホトレジスト層（２）に形成することを特徴とする請求項９から１２のいずれか１項記載の方法。
少なくとも一つのさらなる回折構造を露光によって作製するために、前記ｂ）工程から前記ｅ）工程までを反復することを特徴とする請求項９から１６のいずれか１項記載の方法。
前記ｂ）工程において、前記分岐ビーム（９）と前記参照ビーム（１０）との間の交角を変化させることを特徴とする請求項１７記載の方法。
前記サブストレート（１）の平面に対する法線（１５）の周りで前記サブストレート（１）を回転させることによって、第１の回折構造に対する前記第１の凹凸構造（５）の方位値を変更することを特徴とする請求項１７または１８記載の方法。
最大４００ｎｍの格子周期をもった回折格子が回折構造として形成されるように、前記ｂ）工程において、前記分岐ビーム（９）と前記参照ビーム（１０）との間の交角を設定することを特徴とする請求項９から１９のいずれか１項記載の方法。