JP6117881B2 - 互いに離隔するパターンを備えるマスク - Google Patents

Description

エキシマレーザーは、像形成システムを用いて高分子シートにパターンをアブレーションするために使用されてきた。通常、これらシステムは、製品を変更するために、主にインクジェットノズル又はプリント基板用の孔を設けるために用いられてきた。この変更は、像形成システムを用いて一連の同一形状をオーバーレイすることによって実施される。一定形状のマスク及び高分子基材が定位置に保持され得、レーザーからの多数のパルスの焦点をこの基材の上面に合わせる。パルスの数は孔深さと直接関連する。レーザー光のフルエンス（又はエネルギー密度）は、切削速度、又はパルスあたりの切込みのミクロン（典型的には各パルスごとに０．１〜１ミクロン）と直接関連する。

更に、様々な分離した形状のアレイを使用してアブレートすることによって、三次元構造を生成することができる。例えば、基材表面に大きな孔をアブレーションし、次に、だんだん小さくなる孔を続いてアブレーションすると、レンズ様形状が形成され得る。単一のマスク内の様々な形状の開口部の配列を使用したアブレーションは、当該技術分野において既知である。原型（例えば球面レンズ）を均等に分布した深さで一連の断面に切削することによって単一のマスクを形成するという概念もまた既知である。

しかしながら、ディスプレイ用フィルムを作製するために使用されるときに、繰り返し構造がこれらのレーザーアブレーションシステムで作製されることでモアレを生成する傾向がある。モアレは、２つの繰り返しパターンが組み合わされるときに生成される視野欠損である。最新のディスプレイは、一定ピッチ、画素の反復アレイを利用している。このディスプレイに加えられるあらゆる材料は、モアレによるパターンの欠陥を生成し得る。

本発明と一致する、基材上へのレーザーの像形成に使用するための、互いに離隔するパターンを備えるマスクは、光を透過するための複数の開口と、該開口の周りの非透過区域とを備える。

複数の開口は、複数の特徴を含む完成パターンの一部分を個別に形成し、互いに異なる面積を有する第１群の開口であって、完成パターンを形成するために複数の開口を透過したレーザー光を基材上に繰り返し像形成するときに、第１の特徴に対応する基材上の領域内で互いに重なるレーザー光の像を各々形成する、第１群の開口を有する。

また、複数の開口は、互いに異なる面積を有する第２群の開口であって、完成パターンを形成するために複数の開口を透過したレーザー光を基材上に繰り返し像形成するときに、第２の特徴に対応する基材上の領域内で互いに重なるレーザー光の像を各々形成する、第２群の開口を有する。

非透過区域の少なくとも一部分は、マスクの開口の間の領域にあり、該領域は、基材上の未結像領域に対応し、該未結像領域は、結果的に、前記完成パターンを生成するために開口によって像形成される。

第１群の開口のうち最大面積を有する第１開口は、第２群の開口のうち最大面積を有する第２開口と異なる寸法を有するか、または、第１開口が形成するレーザー光の像の第１の特徴に対する位置は、第２開口が形成するレーザー光の像の第２の特徴に対する位置とは異なる。

添付の図面は、本明細書に組み込まれて本明細書の一部をなすものであって、説明文と併せて本明細書の利点と原理を説明するものである。これらの図面では、
平坦な基材にレーザーアブレーションを行うためのシステムの図。 円筒の基材にレーザーアブレーションを行うためのシステムの図。 円筒のツール上への３つの組み合わされたまばらなパターンの形成を例示する図。 円筒のツール上への３つの組み合わされたまばらなパターンの形成を例示する図。 円筒のツール上への３つの組み合わされたまばらなパターンの形成を例示する図。 第１のタイプの繰り返しパターンの図。 第２のタイプの繰り返しパターンの図。 六角形構造を有する完成パターンの一部分の図。 輪状構造を有する完成パターンの一部分の図。 図６のパターンを生じさせることができるまばらなマスクを例示する図。 図７のパターンを生じさせることができるまばらなマスクを例示する図。 ３分の１のまばらな六角形充填パターンの一部分を示す図。 図１０のパターンと組み合わされた、第２の３分の１まばらな六角形充填パターンの一部分を示す図。 図１１の２つのパターンと組み合わされた、第３の３分の１まばらな六角形充填パターンの一部分を示す図。 図１０のまばらなパターンを生じさせることができるまばらなマスクを例示する図。 まばらなパターンを有する表面の一部分上でネジ切りされた円筒の基材を例示する図。パターンの詳細な図もまた示されている。 まばらなパターンを有する表面の一部分上でネジ切りされた円筒の基材を例示する図。パターンの詳細な図もまた示されている。

本発明の実施形態は、レーザーアブレーション又はリソグラフィーベースのシステムによってパターンを生じさせるための、マスクベースの像形成システムを設計及び使用するための技術に関する。この技術は、パターンをまばらにするために、マスク上のパターンを分割することを伴う。第１の実施形態では、像形成のために使用される規則的なパターンはより小さな小領域に分割されることができ、小領域の間に空隙が加えられる。次に、元のパターンは、像形成プロセスのラスタリング（raster）の間に再構築される。第２の実施形態では、まばらなパターンを有する個々のマスクの像形成を行い、これらのパターンを組み合わせて新しいパターンを生成することで、完成パターンを得る。異なる繰り返し距離を有するまばらなパターンを備える多数のマスクを使用してもよい。これらの繰り返し距離は、全体的なパターンが個々のマスクの像形成寸法よりもはるかに長い距離にわたって繰り返すように、理想的には素数である。この技術は、例えば、同定するのが困難で、別のパターン又はそれ自体と組み合わされてモアレを形成する可能性の低いパターンを生じさせるために用いられ得る。

サブパターン内の隙間は、アブレーションプロセス中に有利である。具体的には、マスク内の隙間により、レーザーアブレーションプルーム（放射線が衝突する表面のあらゆる場所から「上がる（explodes）」拡張波）がより自由に拡張することが可能になる。隙間はまた、レーザーアブレーションにおいて日常的に見られる２つの深刻な問題を軽減する、つまり、レーザーアブレーションツール上のステップオーバ距離に対応するマクロのスケールの欠陥（線）が大幅に低減され、ツールの表面上に残される屑の特性が、より簡単に除去されることができるように、変化する。

レーザーアブレーションシステム
図１は、実質的に平坦な基材上にレーザーアブレーションを行うためのシステム１０の図である。システム１０は、レーザー光１４を提供するレーザー１２と、光学体１６と、マスク１８と、結像光学系２０と、載物台２４上の基材２２とを含む。マスク１８はレーザー光１４をパターン化し、結像光学系２０は、基材上の材料をアブレーションするために、パターン化された光線の焦点を基材２２上に合わせる。載物台２４は、典型的には、相互に直交するｘ方向及びｙ方向（当該方向は共にレーザー光１４に対しても直角する）及びレーザー光１４に対して平行なｚ方向に基材を、載物台２４を介して移動させるｘ−ｙ−ｚステージを実装する。したがって、ｘ方向及びｙ方向への移動は、基材２２全域にわたるアブレーションを可能にし、ｚ方向への移動は、基材２２の表面上へのマスクの像形成に焦点を合わせるのを支援することができる。

図２は、実質的に円筒の基材上にレーザーアブレーションを行うためのシステム２６の図である。システム２６は、レーザー光３０を提供するレーザー２８と、光学体３２と、マスク３４と、結像光学系３６と、円筒の基材４０とを含む。マスク３４はレーザー光３０をパターン化し、結像光学系３６は、基材上の材料をアブレーションするために、パターン化された光線の焦点を基材４０上に合わせる。基材４０は、基材４０の周囲の材料をアブレーションするために、回転運動するように取り付けられ、基材４０の全域にわたって材料をアブレーションするために、基材４０の軸に平行な方向に移動するように取り付けられる。基材は更に、マスクの像形成の焦点が基材表面上に合わせられた状態を維持するために、光線３０に対して平行に及び直角に移動することができる。

マスク１８及び３４、又はその他のマスクは、レーザー光線を透過させる開口と、レーザー光線を実質的に遮断するための、これら開口の周りの非透過区域とを有する。マスクの一例には、リソグラフィによって開口（パターン）を形成するためにフォトレジストを有するガラス上の金属層が挙げられる。マスクは、種々の寸法及び形状の開口を有していてもよい。例えば、マスクは、様々な直径の円形開口を有することができ、基材に半球形構造を切削するために、基材上の同じ位置を様々な直径の開口でレーザーアブレーションすることができる。

基材２２及び４０は、レーザーアブレーションを用いて機械加工されることができるあらゆる材料（典型的には高分子材料）を実装することができる。円筒の基材４０の場合、金属ロール上にコーティングされた高分子材料を実装することができる。基材材料の例は、米国特許出願第２００７／０２３５９０２Ａ１号及び同第２００７／０２３１５４１Ａ１号に記載されており、当該特許は共に本明細書で完全に記載されたかのように参照により本明細書に組み込まれる。

基材が機械加工されることで微細構造物品が生成されると、基材を、光学フィルムなどの他の微細複製された物品を生成するためのツールとして使用することができる。そのような光学フィルム内の構造物、及びかかるフィルムを製造するための方法の例は、本願と同日に出願されたＫｅｎｎｅｔｈ Ｅｐｓｔｅｉｎらの米国特許出願、名称「Ｃｕｒｖｅｄ Ｓｉｄｅｄ Ｃｏｎｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ｇａｉｎ ａｎｄ Ｖｉｅｗｉｎｇ Ａｎｇｌｅ ｉｎ ａｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｌｍ」に提供されており、当該特許は本明細書で完全に記載されたかのように参照により本明細書に組み込まれる。

微細複製された物品は、下記に記載されるようなまばらなマスクを使用するレーザー結像プロセスによって生成された特徴を有することができる。用語「特徴」は、基材上のセル内の分離した構造を意味し、セル内の構造体の形状及び位置を共に含む。分離した構造は、典型的には相互に離間しているが、しかしながら、分離した構造は、２つ以上のセルの境界面で接触する構造も包含する。

平坦な基材及び円筒の基材のレーザー加工は、米国特許第６，２８５，００１号、及び２００７年１１月１６日出願の米国特許出願第１１／９４１２０６号、名称「Ｓｅａｍｌｅｓｓ Ｌａｓｅｒ Ａｂｌａｔｅｄ Ｒｏｌｌ Ｔｏｏｌｉｎｇ」により完全に記載されており、これらは共に本明細書で完全に記載されたかのように参照により本明細書に組み込まれる。

単一のマスクによる規則的なパターンのためのまばらなマスク
例えば、レーザーアブレーションシステム１０で繰り返しパターンを生じさせるためのマスクは、パターンの２分の１、３分の２、又は４分の３、又はその他の割合で隙間を有するように、まばらなマスクを使用してまばらに作製され得る。したがって、隙間を埋めるためには、基材全体のこのマスクの像形成の１つ、２つ、若しくは３つ、又はそれ以上のパスあるいはその他のものがそれぞれ必要である。この１つ、２つ、若しくは３つ（又はそれ以上）のパス上の繰り返し構造の間の距離が有意に異なる（好ましくは素数）場合は、この構造の真の繰返しの間の距離はマスクの像形成の寸法よりも何倍も大きく、実際には数センチメートルを超える可能性がある。この構造は、繰り返し構造のセル内に、ランダムに成形された又は配置された特徴を有することができる。単一のマスク上の繰り返しの間の距離は、通常幅５ミリメートル未満、さらに一般的には、１ｍｍ以下である。

表１は、単列の繰り返しパターン（特徴Ａ）を有するまばらではないレーザーアブレーションマスクを例示しており、特徴Ａは、マスク上で光を遮断する又は透過する１つ以上の準特徴（sub features）、又ははっきりと区別できる領域で構成される。

次に、このパターンは、図４に示されるように、１つのパスあたりそれぞれ４つ、２つ、又は１つの特徴Ａの像形成をオーバーレイする、単位ステップ１（５０）、単位ステップ２（５２）、又は単位ステップ４（５４）を有するラスタリングの間に使用され得る。レーザーアブレーションシステムでは、特徴を適切な深さまで切削するために、各箇所で同一特徴の多くの像形成をオーバーレイしなければならない場合が多い。米国特許第６，２８５，００１号に記載のようにラスタリングは、基材を移動させている間又はその後にマスクを像形成することを含む。

同一パターンの２つの考えられるまばらなバージョンが表２に示されている。

次に、図５に示されるように、これらのパターンは、１つのパスあたりそれぞれ２つ、３つ、又は１つの特徴Ａの像形成をオーバーレイする、サイズが１単位ステップ（５６）、及び１単位ステップ（５８）又は３単位ステップ（６０）を有するラスタリングの間に使用され得る。

まばらなパターンの配列には制約が存在し得る。ほとんどの用途では、図４及び図５に示されるように、各縦列に繰り返される特徴、例えば同じ数のパターンＡの一様な適用を有するのが望ましい。そのような用途では、基本単位ステップサイズ１でラスタリングされる場合は、あらゆるタイプのまばらなパターンを使用することができる。更に、それらの間に同じサイズの隙間を有する、奇数（Ｎ）の繰り返しが存在する場合は（総マスク幅は２Ｎになる）、図５の３単位ステップ（６０）で示されるように、パターンはＮ単位のステップでラスタリングされ得る。特徴の一様でない分布が望ましい場合は、これらの制約は軽減され得る。

あらゆるタイプのパターンを、まばらになるように分割することができる。しかしながら、まばらにされることによって最も利益を享受する２つのタイプのパターンが存在する。１つのタイプは、微細パターン、つまり基材のほぼ全表面上の材料のアブレーションを必要とする用途、を包含する。これらの用途は、光の大部分をマスクの少なくとも一部分に透過するマスクを必要とする。例えば、連続溝のパターンは、溝の上部がまさに形成し始める上面の大部分を除去することが必要である。互いに接触し合う分離した形状もまた、マスクの像形成の少なくとも一部分から材料の大部分を除去する必要がある。これらの微細パターンは、アブレーションされた屑が基材から逃散する区域がほとんどなく、マクロスケールの欠陥及び固着性の屑がもたらされる場合が多いので、レーザーアブレーションするのが困難であり得る。更に、微細パターンは、アブレーション中により多くの聴覚ノイズを引き起こし、更には結像光学系のより多くの摩擦を引き起こす。

まばら（sparseness）から利益を得る第２のタイプのパターンは、閉じ込めパターン（confined pattern）である。閉じ込めパターンは、像形成エリアによって完全に囲まれた未結像領域である。実験は、これら閉じ込め領域がアブレーションプルームを制限することができることを示している。パターンがアブレーションプルームのための「脱出経路」を有するとき、これら閉じ込め領域は、屑の固着性及びマクロスケールの欠陥の観点からより良好に機能する。そのような「脱出経路」を提供するために、パターンはまばらにされて、アブレーション領域に囲まれた非アブレーション領域がないようにする。閉じ込めパターンは、例えば図６に示される六角形の特徴６４の連続アレイを有する一般的な六角形パターン６２のように連続的であり得る。閉じ込めパターンは、例えば図７に示されるような輪状形状６８のアレイを有するパターン６６のように分離した構造であることもできる。

これらのパターン６２及び６６は共に、図８及び図９に示されるように、アブレーションプルームのための「脱出経路」を提供するまばらなマスクを用いて形成され得る。図８に示されるように、パターン６２は、開口７２を有するまばらなマスク７０から作製され、開口７２は、個別に六角形パターンの一部分のみを形成し、他の写しと共に、連続した六角形パターンの特徴を形成する。パターン６２は、完全な六角形パターンの特徴の一部分としての構成要素パターンの例である。図９に示されるように、パターン６６は、開口７４及び７６を使用してまばらなマスク７３から作製され得、これら開口は、個別に輪状パターンの一部分のみを形成し、他の写しと共に完成パターンの輪状特徴を形成する。パターン６６は、完全な正方形パターンの特徴の一部分としての構成要素パターンの例である。次に、ステップ及び繰り返し、又はラスタリングプロセスを用いて完成パターンが基材の上にアブレーションされるように、まばらなパターンを有するマスクは、レーザーアブレーションプロセスによって基材の異なる領域上に像形成される。

複数のマスクによる複雑なパターン用のまばらなマスク
複数のまばらなマスクが組み合わされることで単一のマスクが提供することができるものよりも複雑なパターンを作り出すことができる。例えば、（場合によりレンズを作製するための）六角形状のアレイが望ましい場合は、３つの３分の１まばらなマスクを使用することができる。図１３に示されるもののようなマスクＡを用いた最初のパスの後、図１０に示されるように繰り返しパターン７８が生じ得る。このパターン７８は、２×１パターンを繰り返す４つの異なる特徴を示している。これら特徴は、所望の特徴の複数の断面を重ね合わせることで生成される。例えば、図１３の領域９２は、４つの特徴Ａ１（９４）、Ａ２（９６）、Ａ３（９８）及びＡ４（１００）のそれぞれの最大断面積のための１つの開口を含んでいる。これら軸対称の特徴（即ち、レンズ）のそれぞれの寸法、及び六角形のセル内のそれらの位置は、図１３のマスク内でわずかに異なる。マスク９０を用いた単一のパスは、図１３に示される９つの領域をスーパーインポーズして、パターン７８に示される繰り返し特徴のアレイを生じさせることになる。マスクＢを用いたパスは、図１１に示される組み合わせパターン８０をもたらす。マスクＢは、特徴の３×２繰り返しパターン（Ｂ１〜Ｂ１２）を生じるように設計される。ここでもまた、１２の特徴（Ｂ１〜Ｂ１２）を有するそれぞれの寸法及び六角形のアレイに対する位置はわずかに異なることができる。マスクＣを用いた最終パスは、図１２に示されるパターン８２を生じることになる。マスクＣは、４×３パターン（Ｃ１〜Ｃ２４）で繰り返す特徴を生じるように設計される。２４（Ｃ１〜Ｃ２４）の特徴の全ては、六角形のセル内のランダムな位置とランダムな寸法を有することができる。

組み合わせパターン８２が完了すると、このパターンはランダムに見えるが、六角形のセル寸法に３つの繰り返しの最小公約数を乗じたような繰り返しを有することになる。この場合、一方向の１２のステップと、反対方向の６つのステップのみが必要となる。特徴の公称ピッチ（又は六角形のセル間隔）が１００ミクロンであるとすると、パターンは、一方向に約２．０８ｍｍごと、及び反対方向に０．６０ｍｍごとに繰り返すことになる。

六角形パターンの別のシナリオには、直径約１０ミクロンの繰り返しレンズが挙げられる。この場合もやはり３つのマスクが作製されるが、３７×１７、１９×４１、及び４３×２３繰り返しなどの素数の繰り返しを用いるとすると、パターンの全部の繰り返しの間の繰り返し数は３０，２２９×１６，０３１となる。これは、繰り返しの間の水平方向約５２４ｍｍ（２０．６インチ）及び垂直方向４８１ｍｍ（１８．９インチ）に相当する。

まばらなパターンを有する円筒のツール
個々のパターンのいずれかよりも大規模に繰り返すパターンを生成するために、円筒の表面にまばらなパターンを適用する方法は、少なくとも２つ存在する。円筒の表面にパターンを適用するために、円筒のツールの表面を機械加工するためのダイヤモンドターニング技術を用いることができ、ダイヤモンド回転は一般に、例えば、本明細書で完全に記載されたかのように参照により本明細書に組み込まれるＰＣＴ国際公開特許ＷＯ ００／４８０３７に記載されている。

第１の方法では、パターンのそれぞれは、図３ａ〜図３ｃに例示されるように分離した列に適用される。具体的には、図３ａは、円筒の基材４２上の第１のパターン４４を例示している。図３ｂは、周方向（４３）及び軸方向（４５）の両方に、パターン４４よりも大きな繰り返し距離を有する第２のパターン４６を例示している。図３ｃは、パターン４６と組み合わされたパターン４４を示すパターン４８を例示している。これらパターンは、複数のパターンの平面適用と同様に組み合わせることができる。唯一の付加制約は、周囲（θ方向、４３）に沿った全距離が、個々のパターンの全てのこの方向のステップ距離の倍数でなければならないことである。製造中に縁部が破棄される場合、組み合わされたパターンを形成するためのｚ方向（４５）の制約は存在しない。まばらに組み合わされたパターンは、例えば、レーザーアブレーションを用いてパターンを基材に機械加工するためのシステム２６を用いて生成され得る。

第２の方法では、複数のまばらなパターンは、ネジ切りによって円筒の表面上に組み合わされ得る。ネジ切りは、図１４及び図１４ａに示されるように、円筒の基材の表面の螺旋形の経路に沿ってステップを付けてマスクを像形成することを伴うことができる。マスクの設計、及びステップの寸法、並びに螺旋のピッチは、分離した特徴又は連続した特徴のアレイであるパターンを、基材表面上に生成するように調整され得る。これらの特徴は、適切に設計されたまばらなマスクの１つ以上のパス内に生成され得る。適切に設計されたまばらなマスクの複数のまばらなパターンを組み合わせることにより、より複雑なパターンを円筒の基材上に生成することができる。

Claims (1)

1. 基材上へのレーザーの像形成に使用するための、互いに離隔するパターンを備えるマスクであって、
   光を透過するための複数の開口と、該開口の周りの非透過区域とを備え、
   前記複数の開口は、
   複数の特徴を含む完成パターンの一部分を個別に形成し、
   互いに異なる面積を有する第１群の開口であって、前記完成パターンを形成するために前記複数の開口を透過したレーザー光を前記基材上に繰り返し像形成するときに、第１の前記特徴に対応する前記基材上の領域内で互いに重なるレーザー光の像を各々形成する、第１群の開口と、
   互いに異なる面積を有する第２群の開口であって、前記完成パターンを形成するために前記複数の開口を透過したレーザー光を前記基材上に繰り返し像形成するときに、第２の前記特徴に対応する前記基材上の領域内で互いに重なるレーザー光の像を各々形成する、第２群の開口と、を有し、
   前記非透過区域の少なくとも一部分は、前記マスクの前記開口の間の領域にあり、該領域は、前記基材上の未結像領域に対応し、該未結像領域は、結果的に、前記完成パターンを生成するために前記開口によって像形成され、
   前記第１群の開口のうち最大面積を有する第１開口は、前記第２群の開口のうち最大面積を有する第２開口と異なる寸法を有するか、または、
   前記第１開口が形成するレーザー光の像の前記第１の特徴に対する位置は、前記第２開口が形成するレーザー光の像の前記第２の特徴に対する位置とは異なる、マスク。

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