WO2004083911A1 - Mikrostruktur und verfahren zur herstellung von mikrostrukturen - Google Patents

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Andreas Schilling
Wayne Robert Tompkin
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Ovd Kinegram Ag
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Definitions

  • the invention relates to microstructures and a method for the production of microstructures, which are formed by superposition of a relief structure having at least one second relief structure.
  • Light diffractive microstructures have a multiplicity of depressions, mostly formed as parallel grooves, which are e.g. form an optical grating with a microscopically fine relief structure. Light incident on the microstructures is diffracted or scattered in a manner predetermined by the microstructure. Mosaics from the microstructures are molded, for example, in plastic or metal and serve as authenticity features for valuable objects. These authenticity features show conspicuous optical behavior and are difficult to imitate.
  • microstructures For the production of such microstructures, some methods are known. Thus, mechanical devices create the microstructures by scribing many parallel grooves in a substrate surface. The shape of the scoring tool determines the profile of the relief structure. The scribing of the relief structure becomes more and more difficult with increasing number of lines per mm and therefore more expensive. More economical are holographic methods in which two coherent light beams from a laser light source on a photosensitive layer of photoresist are made to interfere. The interference pattern with its light and dark stripes illuminate the Photoresist according to the local light intensity. After development, the surface of the photoresist has a relief structure with a symmetrical profile.
  • an electron beam draws the relief structure furrow by groove in the photoresist layer, wherein the furrows can also form curved lines.
  • the Mikro Modellmasterformen produced by these methods can be amplified by electroplating and produce the copies of metallic dies that can be used to mold the microstructures in metal or plastic. In these methods, however, the expenditure on equipment for the production of microstructures is extraordinarily high.
  • Relief structure is created by a superposition of at least two relief structures.
  • Figure 2 shows the embossed surface of the layer of photoresist
  • FIG. 3 shows a matt structure
  • FIG. 4 shows the exposure of the photoresist
  • FIG. 5 shows a profile of a microrelief and FIG. 6 shows an embossing stamp with a relief die.
  • FIG. 1 shows a first step in the production of optically diffractive structures in cross section.
  • a layer 2 of photoresist is applied on a flat substrate 1 made of metal, glass, ceramic or plastic.
  • the thickness d of the layer 2 is in the range of 0.1 .mu.m to 100 .mu.m and depends on the depth of the diffractive structures to be produced.
  • Photosensitive photoresist materials are known, for example from Shipley the product Microposit S1813.
  • the photoresist material is applied to the substrate 1 in liquid form and solidified under the action of heat.
  • a relief die 4 mounted on an embossing die 3 is lowered and pressed into the free surface of the layer 2 in such a way that the relief die 4 is shaped into the free surface of the layer 2.
  • the layer 2 in the region of the embossing punch has a relief structure 5, which is a negative of the relief die 4 (FIG. )
  • the substrate 1 must not deform or bend so that the relief matrix 4 transmits the relief structure 5 as faithfully as possible to the layer 2.
  • the profile of the relief matrix 4 to be shaped is shown by way of example with a symmetrical sawtooth profile of a periodic lattice in the drawing of Figure 1.
  • the spatial frequency of the relief structure 5 can be from the wide range of 1 line / mm to a few thousand lines /
  • the structure depth T of the relief structure 5 of a periodic grating is usually in the range of 0.1 ⁇ m to 100 ⁇ m, wherein for technical reasons relief structures 5 with a large structure depth T (FIG. 1) typically have a low value of the spatial frequency.
  • an isotropic or anisotropic matt structure is formed in the surface of the layer 2, which forms the relief structure 5.
  • the matt structures contain microscopically fine relief features which determine the scattering power and which can only be described with statistical parameters, such as average roughness R a , correlation length l c , etc., wherein the values for the average roughness R a range from 20 nm to 2,500 nm Preferential values of 50 nm to 500 nm.
  • the correlation length l c has values in the range from 200 nm to 50,000 nm, preferably between 1,000 nm to 10,000 nm, in at least one direction.
  • the microscopically fine relief features of the isotropic matte structure have no azimuthal preferred direction, which is why the scattered light with an intensity that is greater than a predetermined threshold, for example, by the visual detectability, evenly distributed in all azimuthal directions in a predetermined by the scattering power of the matte structure solid angle , Highly scattered matt structures distribute the scattered light into a larger solid angle than a weakly scattering matt structure. If, on the other hand, the microscopically fine relief structure elements have a preferred direction in azimuth, the matt structure scatters incident light anisotropically.
  • the predetermined by the scattering power of the matte structure solid angle has a cross-section of an ellipse shape whose major axis is perpendicular to the preferred direction of the relief structure elements.
  • the matt structures scatter the incident light virtually independently of its wavelength, ie the color of the scattered light essentially corresponds to that of the light incident on the matt structures.
  • FIG. 3 shows an exemplary cross section through one of the matt structures, which is shaped as a relief structure 5 into the layer 2. Instead of the texture depth T (FIG. 1) of the grid, the profile of the matt structure has the average roughness value R a .
  • the fine relief structure elements of the matt structure have the greatest height differences H up to about 10 times the height
  • Mean roughness R a on The largest height differences H of the matt structure thus correspond to the structure depth T for the periodic gratings.
  • the values of the differences in height H of the matt structures are in the above-mentioned range of the structure depth T.
  • a holographic method is described with reference to FIG. 4, which by means of photostructuring of the relief structure 5 additively superimposes a diffraction grating, not shown in the drawing of FIG.
  • a coherent light beam 6 having a wavelength of, for example, 400 nm is generated in a laser light source 7.
  • the beam splitter 8 directs a portion of the light beam 6 as a partial beam 9 in the direction of the relief structure 5.
  • the remaining, the beam splitter 8 undistracted penetrating light forms a reference beam 10.
  • a deflection mirror 11 directs the reference beam 10 also the relief structure 5.
  • the partial beam 9 and the reference beam 10th are fanned out so that each of the beams 9, 10 individually illuminate the entire relief structure 5 with parallel light rays.
  • the direction of the partial beam 9 differs from the direction of the reference beam 10, so that the partial beam 9 and the reference beam 10 intersect at a predetermined angle of intersection in the region of the structured surface. Because of the coherence of the light waves and the path length difference of the two beams 9, 10, the sub-beam 9 and the reference beam 10 interfere with each other such that an interference pattern is formed on the relief structure 5.
  • the interference pattern comprises parallel strips of high light intensity which are separated by strips of low light intensity, wherein the strips of the interference pattern intersect the track of a plane defined by the sub-beam 9 and the reference beam 10 plane perpendicular to the relief structure 5.
  • the number of strips per millimeter is determined by the wavelength of the light forming the beams 6, 9, 10 and by the intersection angle at which the sub-beam 9 and the reference beam 10 intersect.
  • the substrate 1 and thus the relief structure 5 is aligned prior to exposure to the interference pattern in the azimuth and set a predetermined azimuth.
  • the material of the above-mentioned photoresist is changed by the exposure to the interference pattern only in the strip with the high light intensity such that after exposure, the material of the photoresist dissolves under the influence of, for example Shipley microposit 351, developer.
  • pits are formed in the form of parallel grooves of a diffraction grating whose grating period is equal to the spacing of the stripes in the interference pattern.
  • the grating period is adjustable by changing the intersection angle at which the sub-beam 9 and the reference beam 10 intersect.
  • the wavelength of the light beam 6 is through the Laser light source predetermined and must be suitable for the exposure of the photoresist of layer 2.
  • the profile of the furrows and their geometric profile depth t are determined by the exposure time, the development time and the light intensity.
  • the depth of the furrows reaches a predetermined value of typically 250 nm.
  • the profile is symmetrical, ranging from the simple sine profile to the rectangular profile.
  • the position of the furrows is determined by the stripes of the interference pattern. Therefore, the grating lines of the relief structure 5 and the grooves of the diffraction structure differ in azimuth by the set predetermined azimuth value.
  • FIG. 5 shows the surface of the layer 2 after the photostructuring of the relief structure 5 (FIG. 4).
  • a microstructure 12 has formed in the surface of the layer 2, which is caused by the additive superimposition of the relief structure 5 with the holographically generated diffraction structure, wherein in the example the grating lines of the relief structure 5 and the grooves 13 of the diffraction structure have a same azimuthal orientation ,
  • the original relief structure 5 is indicated by a dashed line 14.
  • the photoresist originally present between the dashed line 14 and the microstructure 12 has been removed during development.
  • the microstructure 12 is galvanically shaped into nickel in a known manner, thus producing a master of the microstructure 12.
  • the reflective master is tested to see if the optical properties of the master match the expected ones. Copies are then made by this master with which, in plastic or metal, excerpts from the master are combined with other diffraction structures, reflecting surfaces, etc. to form a mosaic-like pattern for an optical security element.
  • This manufacturing method has the advantage that it is largely ensured (and better than with other methods) that true addition of the structures to be combined, the relief structure 5 and the diffraction structure is achieved for the microstructure 12, the geometries of the relief structure 5 and the diffraction structure remain largely intact.
  • the relief structure 5 may have a texture depth T of more than 2 ⁇ m and may be one of the matt structures or one of the gratings or even microprisms of a retroreflector.
  • the relief structure 5 is superimposed with the diffraction structure with a small value of the grating period.
  • one of the periodic gratings described above is shaped as a relief structure 5 into the layer 2, which is photostructured with the diffraction structure.
  • the spatial frequency of the diffraction structure is in a special embodiment at least five times higher than the spatial frequency of the relief structure 5.
  • one of the matt structures described above is molded into the layer 2, which is photostructured with the diffraction structure.
  • the grating period of the diffraction structure is at most 500 nm, so that light is reflected only in the zeroth diffraction order.
  • the advantage of this microstructure 12 is that it reduces the scattering power of the matte structure with the properties of the diffraction grating, e.g. wavelength-selective reflectivity, polarization capability, etc. united.
  • the methods for producing the microstructure 12 can be extended in a first manner by the following, after the previous, prior photopatterning 4) and the reference beam 10 (FIG. 4) are intersected, and further photopatterning is performed with an interference pattern whose fringe pattern is changed in the number of fringes per millimeter from the previous photopatterning , This extension of the procedure with a different setting of
  • Spatial frequency of the fringe pattern is performed once or repeated several times with different values of the spatial frequency until the predetermined microstructure 12 is reached.
  • the methods for producing the microstructure 12 can be extended in a second manner by further photostructuring with a different azimuthal orientation of the substrate 1 to that of the partial beam 9 (FIG. 4) and the reference beam 10 (FIG. 4) formed interference pattern takes place.
  • This extension of the above-described photostructuring with a different azimuthal alignment setting is performed once or repeated several times with other azimuthal orientations until the predetermined microstructure 12 is reached.
  • the methods for producing the microstructure 12 can be varied in a third way by changing both the spatial frequency of the fringe pattern and the azimuthal orientation after the previous photostructuring has been carried out, followed by further photostructuring.
  • This extension of the above-described photostructuring with a different adjustment of the spatial frequency of the stripe pattern and the azimuthal alignment is performed once or repeated several times with other adjustment values until the predetermined microstructure 12 is reached.
  • an embossing method for molding the relief structure 5 is used in step a).
  • the liquid photoresist is poured into a casting mold consisting of the substrate 1 and the relief die 4 opposite the substrate 1 (FIG. 1). After solidification of the photoresist under the action of heat, the relief matrix 4 is removed.
  • the free surface of the layer 2 has the relief structure 5 as the negative of the relief matrix 4.
  • step a) instead of the embossing or casting, the relief structure 5 can be mechanically cut directly into the layer 2 with a stylus.
  • a variant of the method according to FIG. 6 uses as relief matrix 4 a structure which contains at least one paraboloid surface 16 and / or one conical tip 17.
  • the paraboloid surfaces 16 and / or the cone tips 17 are also combined with the periodic grating described above.
  • the relief matrix 4 is molded into the layer 2 on the substrate 1. Subsequently, the photostructuring takes place.
  • a further variant of the method for producing the microstructure 12 uses, instead of the grid or the matt structure as a relief matrix 4, an already existing combination structure with superimposed structures which, in the method steps described above, are first molded into the surface of the layer 2 of photoresist to produce the relief structure 5 and then further photostructured.

Abstract

Es werden lichtbeugende Mikrostrukturen durch Überlagerung wenigstens zweier Reliefstrukturen hergestellt, wobei die erste Reliefstruktur mechanisch erzeugt ist, während wenigstens eine zweite Reliefstruktur eine photomechanisch generierte Beugungsstruktur ist. Ein Verfahren zum Herstellen von lichtbeugenden Mikrostrukturen, die additive Überlagerungen aus einer Reliefstruktur und wenigstens einer Beugungsstruktur sind, zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus: a) Herstellung einer Schicht (2) aus Photoresist auf einem Substrat (1), deren freie Oberfläche die Reliefstruktur aufweist, b) Erzeugen eines Interferenzmusters mit kohärentem Licht über der Reliefstruktur (5), c) Ausrichten der Reliefstruktur auf das Interferenzmuster, d) Belichten der Reliefstruktur mittels des Interferenzmusters e) Entwickeln des Photoresist, wobei durch die Belichtung verändertes Material des Photoresist entfernt wird und Vertiefungen, z.B. Furchen, der Beugungsstruktur auf der Reliefstruktur entstehen und f) Trocknen des Photoresist.

Description

Mikrostruktur und Verfahren zur Herstellung von MikroStrukturen
Die Erfindung bezieht sich auf MikroStrukturen und ein Verfahren zur Herstellung von MikroStrukturen, welche durch Überlagerung einer Reliefstruktur mit mindestens einer zweiten Relief Struktur gebildet sind.
Lichtbeugende Mikrostrukluren weisen eine Vielzahl von meist als parallele Furchen ausgestalteten Vertiefungen auf, die z.B. ein optisches Gitter mit einer mikroskopisch feinen Relief Struktur bilden. Auf die Mikrostrukluren einfallendes Licht wird in einer durch die Mikrostruktur vorbestimmten Weise gebeugt oder gestreut. Mosaike aus den Mikrostrukluren werden beispielsweise in Kunststoff oder Metall abgeformt und dienen als Echtheitsmerkmale für wertvolle Gegenstände. Diese Echtheitsmerkmale weisen ein auffälliges optisches Verhalten auf und sind schwer nachzuahmen.
Für die Herstellung von derartigen MikroStrukturen sind einige Verfahren bekannt. So erzeugen mechanische Vorrichtungen die MikroStrukturen durch Ritzen von vielen parallelen Furchen in eine Substratoberfläche. Die Form des Ritzwerkzeugs bestimmt das Profil der Reliefstruktur. Das Ritzen der Relief Struktur wird mit zunehmender Linienzahl pro mm immer schwieriger und demzufolge teurer. Kostengünstiger sind holographische Verfahren, bei denen zwei kohärente Lichtstrahlen aus einer Laserlichtquelle auf einer lichtempfindlichen Schicht aus Photoresist zur Interferenz gebracht werden. Das Interferenzbild mit seinen hellen und dunklen Streifen belichten den Photoresist entsprechend der lokalen Lichtintensität. Nach dem Entwickeln weist die Oberfläche des Photoresist eine Relief Struktur mit einem symmetrischen Profil auf. In einem weiteren Verfahren zeichnet ein Elektronenstrahl die Reliefstruktur Furche um Furche in die Photoresistschicht, wobei die Furchen auch gekrümmte Linien bilden können. Die nach diesen Verfahren hergestellten Mikrostrukturmasterformen lassen sich auf galvanischem Weg vervielfältigen und mit den Kopien metallische Prägestempel erzeugen, mit denen sich die MikroStrukturen in Metall oder Kunststoff abformen lassen. Bei diesen Verfahren ist aber der apparative Aufwand für die Herstellung von MikroStrukturen ausserordentlich hoch.
Es ist auch aus der EP-A 0 105 099 bekannt, neue MikroStrukturen in Form eines Mosaiks zu synthetisieren, wobei in jedem Flächenelement des Mosaiks eine aus einem Satz von verschiedenen Reliefslrukturen, vorbeslimmt im Azimut ausgerichtet, mechanisch abgeformt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit hoher Genauigkeit relativ einfach herstellbare, komplizierte und infolgedessen schwer imitierbare Mikrostruktur, z.B. für einen Replizier-Masler, und ein kostengünstiges Verfahren zum Herstellen einer Mikrostruktur vorzuschlagen, deren
Reliefstruktur durch eine Überlagerung mindestens zweier Reliefstrukturen erzeugt ist.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die in den Ansprüchen 1 und 9 angegebenen Merkmale gelöst und basiert auf der Idee, einen Prägeoder sonstigen mechanischen Abformprozess mit einer Photostrukturierung zu kombinieren, um kostengünstige, trotzdem aber komplizierte MikroStrukturen zu erzeugen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen: Figur 1 ein Substrat mit einer Schicht aus Photoresist,
Figur 2 die geprägte Oberfläche der Schicht aus Photoresist,
Figur 3 eine Mattstruktur,
Figur 4 das Belichten des Photoresist,
Figur 5 ein Profil eines Mikroreliefs und Figur 6 einen Prägestempel mit einer Reliefmatrize.
In der Figur 1 ist ein erster Schritt zur Herstellung von optisch diffraktiven Strukturen im Querschnitt gezeigt. Auf einem flachen Substrat 1 aus Metall, Glas, Keramik oder Kunststoff ist eine Schicht 2 aus Photoresist aufgebracht. Die Dicke d der Schicht 2 liegt im Bereich von 0,1 μm bis 100 μm und richtet sich nach der Tiefe der zu erzeugenden diffraktiven Strukturen. Lichtempfindliche Photoresistmaterialien sind bekannt, beispielsweise von Shipley das Produkt Microposit S1813. Das Photoresistmaterial wird auf das Substrat 1 in flüssiger Form aufgebracht und unter Wärmeeinwirkung verfestigt. In die ebene freie Oberfläche der Schicht 2 wird in einer bevorzugten Variante eine auf einem Prägestempel 3 montierte Reliefmatrize 4 abgesenkt und in die freie Oberfläche der Schicht 2 so eingedrückt, dass die Reliefmatrize 4 in die freie Oberfläche der Schicht 2 abgeformt wird.
Gemäss der Figur 2 weist nach dem Abheben des Prägestempels 3 (Fig. 1 ) die Schicht 2 im Bereich des Prägestempels eine Reliefstruktur 5 auf, die ein Negativ der Reliefmatrize 4 (Fig. 1 ) ist. Während des Prägens darf sich das Substrat 1 nicht verformen bzw. durchbiegen, damit die Reliefmatrize 4 die Reliefstruktur 5 möglichst formgetreu auf die Schicht 2 überträgt. Ohne die Bedeutung des Begriffs „Reliefstruktur" 5 einzuschränken, ist in der Zeichnung der Figur 1 das Profil der abzuformenden Reliefmatrize 4 beispielhaft mit einem symmetrischen Sägezahnprofil eines periodischen Gitters dargestellt. Für die Relief Struktur 5 eignen sich insbesondere auch eines der anderen bekannten Profile, wie z.B. asymmetrische Sägezahnprofile, rechteckförmige Profile, sinusförmige und sinusähnliche Profile, eine regelmässige Anordnung von Pyramiden usw., die ein periodisches lineares Gitter bzw. Kreuzgitter bilden. Die Spatialfrequenz der Reliefstruktur 5 kann aus dem weiten Bereich von 1 Linie/mm bis einigen 1.000 Linien/mm gewählt sein. Die Strukturtiefe T der Relief Struktur 5 eines periodischen Gitters liegt üblicherweise im Bereich von 0.1 μm bis 100 μm, wobei aus technischen Gründen Reliefstrukturen 5 mit einer grossen Strukturtiefe T (Fig. 1 ) typischerweise einen niederen Wert der Spatialfrequenz aufweisen.
In einer anderen Verfahrensvariante wird in die Oberfläche der Schicht 2 eine isotrope oder anisotrope Mattstruktur abgeformt, die die Reliefstruktur 5 bildet. Die Mattstrukturen enthalten mikroskopisch feine Reliefstrukturelemente, die das Streuvermögen bestimmen und die nur mit statistischen Kenngrössen beschrieben werden können, wie z.B. Mittenrauhwert Ra, Korrelationslänge lc usw., wobei die Werte für den Mittenrauhwert Ra im Bereich 20 nm bis 2.500 nm liegen mit Vorzugswerten von 50 nm bis 500 nm. Die Korrelationslänge lc weist wenigstens in einer Richtung Werte im Bereich von 200 nm bis 50.000 nm, vorzugsweise zwischen 1.000 nm bis 10.000 nm, auf. Die mikroskopisch feinen Reliefstrukturelemente der isotropen Mattstruktur weisen keine azimutale Vorzugsrichtung auf, weshalb das gestreute Licht mit einer Intensität, die grösser als ein z.B. durch die visuelle Erkennbarkeit vorbestimmter Grenzwert ist, in einem durch das Streuvermögen der Mattstruktur vorbestimmten Raumwinkel in allen azimutalen Richtungen gleichmässig verteilt ist. Stark streuende Mattstrukturen verteilen das gestreute Licht in einen grösseren Raumwinkel als eine schwach streuende Mattstruktur. Weisen hingegen die mikroskopisch feinen Reliefstrukturelemente im Azimut eine bevorzugte Richtung auf, streut die Mattstruktur einfallendes Licht anisotrop. Der durch das Streuvermögen der Mattstruktur vorbestimmte Raumwinkel besitzt als Querschnitt eine Ellipsenform, deren grosse Hauptachse senkrecht zur bevorzugten Richtung der Reliefstrukturelemente weist. Im Gegensatz zu den diffraktiven Strukturen streuen die Mattstrukturen das einfallende Licht praktisch unabhängig von dessen Wellenlänge, d.h. die Farbe des gestreuten Lichts entspricht im wesentlichen derjenigen des auf die Mattstrukturen einfallenden Lichts.
Die Figur 3 zeigt einen beispielhaften Querschnitt durch eine der Mattstrukturen, die als Relief Struktur 5 in die Schicht 2 abgeformt ist. Anstelle der Strukturtiefe T (Fig. 1 ) der Gitter weist das Profil der Mattstruktur den Mittenrauhwert Ra auf. Die feinen Reliefstrukturelemente der Mattstruktur weisen grösste Höhenunterschiede H bis zu etwa dem 10-fachen des
Mittenrauhwerts Ra auf. Die grössten Höhenunterschiede H der Mattstruktur entsprechen somit der Strukturtiefe T für die periodischen Gitter. Die Werte der Höhenunterschiede H der Mattstrukturen liegen im oben genannten Bereich der Strukturtiefe T. Die nachstehend gemachten Angaben für den Bereich der Strukturtiefe T gelten somit sowohl für Reliefstrukturen 5 mit periodischen Gittern als auch für Reliefstrukturen 5 mit Mattstrukturen.
Anhand der Figur 4 wird ein holographisches Verfahren beschrieben, das mittels Photostrukturierung der Reliefstruktur 5 additiv ein in der Zeichnung der Figur 4 nicht gezeigtes Beugungsgitter überlagert. Ein kohärenter Lichtstrahl 6 mit einer Wellenlänge von beispielsweise 400 nm wird in einer Laserlichtquelle 7 erzeugt. Der Lichtstrahl 6 trifft auf einen Strahlteiler 8. Der Strahlteiler 8 lenkt einen Teil des Lichtstrahls 6 als Teiistrahl 9 in Richtung der Reliefstruktur 5. Das übrige, den Strahlteiler 8 unabgelenkt durchdringende Licht bildet einen Referenzstrahl 10. Ein Umlenkspiegel 11 richtet den Referenzstrahl 10 ebenfalls auf die Reliefstruktur 5. Der Teilstrahl 9 und der Referenzstrahl 10 sind so aufgefächert, dass jeder der Strahlen 9, 10 einzeln die ganze Reliefstruktur 5 mit parallelen Lichtstrahlen beleuchten würde. Die Richtung des Teilstrahls 9 unterscheidet sich von der Richtung des Referenzstrahls 10, so dass sich der Teilstrahl 9 und der Referenzstrahl 10 im Bereich der strukturierten Oberfläche unter einem vorbestimmten Schnittwinkel schneiden. Wegen der Kohärenz der Lichtwellen und der Weglängendifferenz der beiden Strahlen 9, 10 interferieren der Teilstrahl 9 und der Referenzstrahl 10 derart miteinander, dass sich auf der Reliefstruktur 5 ein Interferenzmuster ausbildet. Das Interferenzmuster umfasst parallele Streifen von grosser Lichtintensität die durch Streifen von geringer Lichtintensität getrennt sind, wobei die Streifen des Interferenzmusters die Spur einer vom Teilstrahl 9 und vom Referenzstrahl 10 aufgespannten Ebene auf der Reliefstruktur 5 senkrecht schneiden. Die Anzahl Streifen pro Millimeter ist bestimmt durch die Wellenlänge des die Strahlen 6, 9, 10 bildenden Lichts und durch den Schnittwinkel, unter dem sich der Teilstrahl 9 und der Referenzstrahl 10 schneiden.
Durch Drehen des Substrats 1 um eine Normale 15 auf die Ebene des Substrats 1 wird das Substrat 1 und damit die Reliefstruktur 5 vor der Belichtung auf das Interferenzmuster im Azimut ausgerichtet und ein vorbestimmter Azimutwert eingestellt.
Das Material des oben genannten Photoresist wird durch die Belichtung mit dem Interferenzmuster nur in den Streifen mit der grossen Lichtintensität derart verändert, dass sich nach der Exposition das Material des Photoresist unter der Einwirkung des , z.B. Shipley Mikroposit 351 , Entwicklers auflöst. In der Oberfläche des Photoresist entstehen dabei Vertiefungen in Form von parallelen Furchen eines Beugungsgitters, dessen Gitterperiode gleich dem Abstand der Streifen im Interferenzmuster ist. Die Gitterperiode ist einstellbar, indem der Schnittwinkel, unter dem sich der Teilstrahl 9 und der Referenzstrahl 10 schneiden, verändert wird. Die Wellenlänge des Lichtstrahls 6 ist durch die Laserlichtquelle vorbestimmt und muss sich für die Belichtung des Photoresist der Schicht 2 eignen.
Das Profil der Furchen und deren geometrische Profiltiefe t werden durch die Belichtungszeit, die Entwicklungszeit und die Lichtintensität bestimmt. Die Tiefe der Furchen erreicht einen vorbestimmten Wert von normalerweise 250 nm. Das Profil ist symmetrisch und reicht vom einfachen Sinusprofil bis zum Rechteckprofil. Die Lage der Furchen ist durch die Streifen des Interferenzmusters bestimmt. Daher unterscheiden sich die Gitterlinien der Reliefstruktur 5 und die Furchen der Beugungsstruktur im Azimut um den eingestellten vorbestimmten Azimutwert.
In der Figur 5 ist die Oberfläche der Schicht 2 nach der Photostrukturierung der Reliefstruktur 5 (Fig. 4) dargestellt. Eine Mikrostruktur 12 hat sich in der Oberfläche der Schicht 2 ausgebildet, welche durch die additive Überlagerung der Reliefstruktur 5 mit der holographisch erzeugten Beugungsstruktur entstanden ist, wobei in dem Beispiel die Gitterlinien der Relief Struktur 5 und die Furchen 13 der Beugungsstruktur eine gleiche azimutale Ausrichtung aufweisen. In der Zeichnung der Figur 5 ist die ursprüngliche Reliefstruktur 5 mittels einer gestrichelten Linie 14 angedeutet. Der ursprünglich zwischen der gestrichelten Linie 14 und der Mikrostruktur 12 vorhanden gewesene Photoresist ist beim Entwickeln entfernt worden.
Nach dem Trocknen des Photoresist wird die Mikrostruktur 12 in bekannter Weise galvanisch in Nickel abgeformt und so einen Master der Mikrostruktur 12 erzeugt. Der reflektierende Master wird einer Prüfung unterzogen, ob die optischen Eigenschaften des Masters den erwarteten entsprechen. Von diesem Master werden dann Kopien angefertigt, mit denen in Kunststoff oder Metall Ausschnitte aus dem Master mit anderen Beugungsstrukturen, spiegelnden Flächen etc. zu einem mosaikartigen Muster für ein optisches Sicherheitselement kombiniert werden. Dieses Herstellverfahren hat den Vorteil, dass weitgehend (und besser als bei anderen Verfahren) sichergestellt ist, dass für die Mikrostruktur 12 eine echte Addition der zu kombinierenden Strukturen, der Reliefstruktur 5 und der Beugungsstruktur, erreicht wird, wobei die Geometrien der Relief Struktur 5 und der Beugungsstruktur weitgehend erhalten bleiben.
Hierbei können auch Strukturen kombiniert werden, welche sich hinsichtlich ihrer Dimension stark unterscheiden. Beispielsweise kann die Reliefstruktur 5 eine Strukturtiefe T von mehr als 2 μm aufweisen und eine der Mattstrukturen oder eines der Gitter oder gar Mikroprismen eines Retroreflektors sein. Die Relief Struktur 5 wird mit der Beugungsstruktur mit einem kleinen Wert der Gitterperiode überlagert.
Bei einem ersten Verfahren zur Erzeugung der Mikrostruktur 12 wird eines der oben beschriebenen periodischen Gitter als Reliefstruktur 5 in die Schicht 2 abgeformt, das mit der Beugungsstruktur photostrukturiert wird. Die Spatialfrequenz der Beugungsstruktur ist in einer speziellen Ausführung wenigstens fünfmal höher ist als die Spatialfrequenz der Reliefstruktur 5.
Bei einem zweiten Verfahren zur Erzeugung der Mikrostruktur 12 wird eine der oben beschriebenen Mattstrukturen in die Schicht 2 abgeformt, die mit der Beugungsstruktur photostrukturiert wird. Die Gitterperiode der Beugungsstruktur beträgt höchstens 500 nm, damit Licht nur in die nullte Beugungsordnung reflektiert wird. Der Vorteil dieser Mikrostruktur 12 ist, dass sie das Streuvermögen der Mattstruktur mit den Eigenschaften des Beugungsgitters, wie z.B. wellenlängen-selektives Reflexionsvermögen, Polarisationsvermögen usw. vereint.
Die Verfahren zur Erzeugung der Mikrostruktur 12 können auf eine erste Art erweitert werden, indem nach der erfolgten, vorherigen Photostrukturierung der Schnittwinkel verändert wird, unter dem sich der Teilstrahl 9 (Fig. 4) und der Referenzstrahl 10 (Fig. 4) schneiden, und eine weitere Photostrukturierung mit einem Interferenzmuster erfolgt, dessen Streifenmuster in der Anzahl der Streifen pro Millimeter gegenüber der vorherigen Photostrukturierung verändert ist. Diese Erweiterung des Verfahrens mit einer anderen Einstellung der
Spatialfrequenz des Streifenmusters wird einmal durchgeführt oder mehrmals mit verschiedenen Werten der Spatialfrequenz wiederholt, bis die vorbestimmte Mikrostruktur 12 erreicht ist.
Die Verfahren zur Erzeugung der Mikrostruktur 12 lassen sich auf eine zweite Art erweitern, indem nach der erfolgten, vorherigen Photostrukturierung eine weitere Photostrukturierung mit einer anderen azimutalen Ausrichtung des Substrats 1 auf das vom Teilstrahl 9 (Fig. 4) und vom Referenzstrahl 10 (Fig. 4) qebildete Interferenzmuster erfolqt. Diese Erweiterung der oben beschriebenen Photostrukturierung mit einer anderen Einstellung der azimutalen Ausrichtung wird einmal durchgeführt oder mehrmals mit anderen azimutalen Ausrichtungen wiederholt, bis die vorbestimmte Mikrostruktur 12 erreicht ist.
Die Verfahren zur Erzeugung der Mikrostruktur 12 können auf eine dritte Art variiert werden, indem nach der erfolgten, vorherigen Photostrukturierung sowohl die Spatialfrequenz des Streifenmusters als auch die azimutale Ausrichtung verändert werden und anschliessend eine weitere Photostrukturierung erfolgt. Diese Erweiterung der oben beschriebenen Photostrukturierung mit einer anderen Einstellung der Spatialfrequenz des Streifenmusters und der azimutalen Ausrichtung wird einmal durchgeführt oder mehrmals mit anderen Einstellwerten wiederholt, bis die vorbestimmte Mikrostruktur 12 erreicht ist.
In dem als bevorzugt beschriebenen Verfahren wird im Schritt a) ein Prägeverfahren zum Abformen der Reliefstruktur 5 verwendet. . Es kann aber auch das Verfahren im Schritt a) dahingehend abgeändert werden, dass die Reliefstruktur 5 bereits beim Giessen der Schicht 2 abgeformt wird. Der flüssige Photoresist wird dabei in eine Gussform bestehend aus dem Substrat 1 und der dem Substrat 1 gegenüberliegenden Reliefmatrize 4 (Fig. 1 ) gegossen. Nach dem Verfestigen des Photoresist unter Wärmeeinwirkung wird die Reliefmatrize 4 entfernt. Die freie Oberfläche der Schicht 2 weist die Reliefstruktur 5 als das Negativ der Reliefmatrize 4 auf.
In einer weiteren Variante des Verfahrens kann im Schritt a) anstelle des Prägens oder Giessens die Reliefstruktur 5 direkt mit einem Stichel mechanisch in die Schicht 2 eingeschnitten werden.
Eine Variante des Verfahrens nach Figur 6 verwendet als Reliefmatrize 4 eine Struktur, die wenigstens eine Paraboloid - Fläche 16 und/oder eine Kegelspitze 17 enthält. Die Paraboloid - Flächen 16 und/oder die Kegelspitzen 17 werden auch mit dem oben beschriebenen periodischen Gitter kombiniert. Die Reliefmatrize 4 wird in die Schicht 2 auf dem Substrat 1 abgeformt. Anschliessend erfolgt die Photostrukturierung.
Eine weitere Variante des Verfahrens zur Erzeugung der Mikrostruktur 12 verwendet anstelle des Gitters oder der Mattstruktur als Reliefmatrize 4 eine bereits vorhandene Kombinationsstruktur mit überlagerten Strukturen, die in den oben beschriebenen Verfahrensschritten zunächst zum Erzeugen der Relief Struktur 5 in die Oberfläche der Schicht 2 aus Photoresist abgeformt und anschliessend weiter photostrukturiert wird.
Es ist bekannt, dass neben dem oben beschriebenen, positiv arbeitenden Photoresist auch ein negativ arbeitender Photoresist (Futurrex NR7 - 1000PY) angeboten wird, der sich für dieses Verfahren gut eignet.

Claims

Patentansprüche -:
1. Mikrostruktur, welche durch Überlagerung einer ersten mit wenigstens einer zweiten Reliefstruktur gebildet ist, wobei die erste Reliefstruktur (5) eine mechanisch in einer Schicht (2) erzeugte Struktur und die wenigstens eine zweite Reliefstruktur eine photochemisch auf der Oberfläche der ersten Reliefstruktur (5) erzeugte, Vertiefungen, z.B. Furchen, (13) aufweisende Beugungsstruktur (12) ist.
2. Mikrostruktur nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Beugungsstruktur (12) ein Beugungsgitter ist.
3. Mikrostruktur nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Vertiefungen (13) der Beugungsstruktur (12) eine Tiefe (t) von höchstens 500 nm, vorzugsweise von höchstens 250 nm aufweisen.
4. Mikrostruktur nach Anspruch 2 oder 3 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n et , dass die Gitterperiode des Beugungsgitters (12) höchstens 400 nm beträgt.
5. Mikrostruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die erste Reliefstruktur (5) eine periodische Gitterstruktur ist.
6. Mikrostruktur nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Beugungsgitter (12) eine Spatialfrequenz aufweist, die wenigstens dem Fünffachen der Spatialfrequenz der periodischen Gitterstruktur der ersten Reliefstruktur (5) entspricht.
7. Mikrostruktur nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Beugungsgitter (12) und die Gitterstruktur der ersten Reliefstruktur (5) unter einem vorbestimmten Azimutwinkel gegeneinander verdreht sind.
8. Mikrostruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die erste Reliefslruktur (5) eine Matlstruktur ist.
9. Verfahren zum Herstellen von lichtbeugenden Mikrostrukluren (13) in einer Schicht (2) aus Photoresist auf einem Substrat (1), welche durch Überlagerungen einer ersten Reliefstruklur (5) mit wenigstens einer zweiten, als Beugungsstruktur (12) dienenden Reliefstruktur entstehen, geken nzeichnet d u rch die Schritte a) Herstellen einer Schicht (2) aus Photoresist auf einem ebenen
Substrat (1), welche in der freien Oberfläche der Schicht (2) die erste Reliefstruktur (5) aufweist, b) Erzeugen eines Interferenzmusters, wobei kohärentes Licht in einen Teilstrahl (9) und in einen Referenzstrahl (10) aufgespaltet und wobei der Teilstrahl (9) und der Referenzstrahl (10) einen vorbestimmten Schnittwinkel einschliessend auf der Reliefstruktur (5) zur Interferenz gebracht werden, c) Ausrichten der ersten Reliefstruktur (5) auf das Interferenzmuster, das Streifen von grosser Lichtintensität getrennt durch Streifen von geringer Lichtintensität umfasst und das die erste Reliefstruktur (5) beleuchtet, d) Belichten der Photoresist-Schicht (2) mit der ersten Reliefstruktur (5) mittels des Interferenzmusters während einer vorbestimmten Zeit, wobei in den Streifen von grosser Lichtintensität das Material des Photoresist verändert wird, e) Entwickeln des Photoresist während einer vorbestimmten Zeit, wobei das durch die Belichtung veränderte Material des Photoresist teilweise entfernt wird und Vertiefungen, z.B. Furchen, (13) der Beugungsstruktur entstehen, f) Trocknen des Photoresist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadu rch gekennzeichnet , dass im Schritt e) die Zeit zum Entwickeln des Photoresist so bemessen wird, dass die Furchen (13) der Beugungsstruktur eine Tiefe von höchstens 500 nm, vorzugsweise von höchstens 250 nm erreichen.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dad u rch ge ke n nzeich net , dass im Schritt a) eine auf einem Prägestempel (3) angebrachte Reliefmatrize (4) in die Oberfläche der Schicht (2) aus Photoresist abgesenkt wird und die erste Reliefstruktur (5) als ein Negativ der Reliefmatrize (4) abgeformt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadu rch ge ken nzeich net , dass im Schritt a) die Schicht (2) durch Giessen hergestellt wird, wobei der flüssige Photoresist zwischen das Substrat (1) und eine Reliefmatrize (4) gegossen wird, und dass nach dem Verfestigen des Photoresist unter
Wärmeeinwirkung und dem Ausformen die freie Oberfläche der Schicht (2) die erste Relief Struktur (5) als ein Negativ des Reliefmatrize (4) aufweist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadu rch gekennzeichnet , dass im Schritt a) als erste Reliefstruktur (5) ein periodisches Gitter in die
Schicht (2) abgeformt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, d adu rch geke n nzeich net , dass im Schritt b) der Schnittwinkel zwischen dem Teilstrahl (9) und dem
Referenzstrahl (10) so eingestellt wird, dass ein Beugungsgitter mit einer Spatialfrequenz erzeugt wird, die wenigstens dem Fünffachen der Spatialfrequenz der Reliefstruktur (5) entspricht.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadu rch gekennzeich net , dass im Schritt c) die erste Reliefstruktur (5) durch Drehen des Substrats (1 ) um eine Normale (15) zur Ebene des Substrats (1 ) im Azimut auf einen auf das Interferenzmuster bezogenen, vorbestimmten Azimutwert ausgerichtet wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, d adu rch geken nzeichnet , dass im Schritt a) als erste Relief Struktur (5) eine Mattstruktur in die Schicht (2) abgeformt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet , dass die Schritte b) bis e) zur Photostrukturierung wenigstens einer weiteren Beugungsstruktur wiederholt werden.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadu rch gekennzeichnet , dass für den Schritt b) der Schnittwinkel zwischen dem Teilstrahl (9) und dem Referenzstrahl (10) verändert wird.
19. Verfahren nach Ansprüche 17 oder 18, dadu rch gekennzeichnet , dass der Azimutwert der ersten Reliefstruktur (5) bezogen auf eine erste
Beugungsstruktur durch Drehen des Substrats (1) um eine Normale zur Ebene des Substrats (1) verändert wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 19, dadu rch gekennzeichnet , dass im Schritt b) der Schnittwinkel zwischen dem Teilstrahl (9) und dem Referenzstrahl (10) so eingestellt wird, dass als Beugungsstruktur ein Beugungsgitter mit einer Gitterperiode von höchstens 400 nm erzeugt wird.
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