Способ изготовления микроструктур - RU2310896C2
Код документа: RU2310896C2
Чертежи
Описание
Изобретение относится к способу изготовления микроструктур, образованных наложением одной рельефной структуры, по меньшей мере, на одну вторую рельефную структуру.
Дифракционные микроструктуры имеют множество выполненных в большинстве случаев в виде параллельных бороздок углублений, которые образуют, например, оптическую решетку с микроскопически мелкой рельефной структурой. Падающий на микроструктуры свет дифрагируется или рассеивается заданным микроструктурой образом. Мозаики из микроструктур отформовывают, например, в пластике или металле, и они служат в качестве признаков подлинности ценных предметов. Эти признаки подлинности имеют бросающийся в глаза оптический характер и сложны в подделке.
Для изготовления подобных микроструктур известны некоторые способы. Так, механические устройства создают микроструктуры за счет царапания множества параллельных бороздок на поверхности подложки. Форма царапающего инструмента определяет профиль рельефной структуры. Царапание рельефной структуры становится все сложнее с увеличением числа линий на миллиметр и вследствие этого дороже. Более рентабельными являются голографические способы, при которых два когерентных световых луча из одного источника лазерного излучения доводят на светочувствительном слое фоторезиста до интерференции. Интерференционная картина с ее светлыми и темными полосами экспонирует фоторезист в соответствии с локальной интенсивностью света. После проявления поверхность фоторезиста имеет рельефную структуру симметричного профиля. В другом способе электронный луч рисует в фоторезистивном слое рельефную структуру бороздку за бороздкой, причем бороздки могут образовывать также криволинейные линии. Изготовленные этими способами мастер-формы микроструктуры можно размножать гальваническим путем и создавать с копиями металлические пуансоны для тиснения, с помощью которых микроструктуры можно отформовывать в металле или пластике. У этих способов, однако, затраты на оборудование для изготовления микроструктур чрезвычайно велики.
Также из ЕР-А 0105099 известно синтезирование новых микроструктур в виде мозаики, причем на каждом участке поверхности мозаики механически отформовывают из набора различных рельефных структур, заданным образом ориентированных по азимуту.
Из US 5138604 известно отличительное средство, первая макроскопическая рельефная структура которого наложена на вторую дифракционную структуру. Первую рельефную структуру регистрируют посредством экспонирования через маску в неэкспонированном фоторезистивном слое. Затем экспонированный фоторезистивный слой снова экспонируют, причем на фоторезистивный слой воздействует интерференционная картина голограммы. После проявления фоторезиста на подложке фоторезистивного слоя остается первая, соответствующая структуре маски рельефная структура, причем спинки первой рельефной структуры имеют дифракционную структуру голограммы.
В WO 00/61386 описано изготовление декоративной пленки. Посредством пуансона для тиснения в поверхности пленки отформовывают макроскопические структуры. Если вместо гладких поверхностей пуансона использовать для отформовывания поверхности с микроскопически мелкой структурой, то отформованные в пленке макроскопические структуры будут иметь микроскопически мелкие структуры.
В JP 2000 264000 описан способ изготовления дифракционной структуры, на которую наложена дополнительная структура. Способ использует изменение длины отверждающейся за счет излучения смолы, когда она сильно нагрета в процессе отверждения. Дифракционный рельеф отформовывают сначала в полуотвержденном слое смолы и на деформированную рельефом поверхность наносят отражающий слой. За счет нагрева смолы изменение длины вызывает дополнительную информацию поверхности в виде морщин. Эти морщины накладываются также на рельеф. Дальнейшее отверждение смолы фиксирует рельеф с наложенной на него морщинистой структурой.
Из US 4537504 известна дифракционная структура, отформованная на волнистой поверхности, причем период волн поверхности намного больше периода дифракционной структуры.
В US 6043936 описаны два способа изготовления литейной формы для отформовывания дифракционных ступенчатых пирамид. Первым способом является описанный выше чисто механический способ удаления, а второй способ использует анизотропный способ травления в кремнии для создания формы пирамиды. Затем гладкие поверхности пирамиды получают покрытие из фоторезиста. Например, под действием электронного луча фоторезистивный слой экспонируют так, что после проявления фоторезистивного слоя поверхности пирамиды имеют ступени. Дифракционные ступенчатые пирамиды отформовывают гальваническим путем для изготовления матриц пуансонов.
В публикации WO 03/084764 описан труднокопируемый элемент защиты, заключенный в многослойную структуру. Дифракционные структуры элемента защиты дополнительно наложены на макроскопическую функцию наложения, причем функция наложения по сравнению с дифракционными структурами изменяется медленно.
В основе изобретения лежит задача создания рентабельного способа изготовления микроструктуры, рельефная структура которой создана за счет наложения, по меньшей мере, двух рельефных структур, так что образуется изготавливаемая относительно просто с высокой точностью сложная и вследствие этого трудно подделываемая микроструктура, например, для реплик-матрицы.
Названная задача решается согласно изобретению посредством приведенных в п.1 формулы признаков и основана на концепции комбинирования процесса тиснения или иного механического способа отформовывания с фотоструктурированием, чтобы создавать не дорогие, однако, тем не менее, сложные микроструктуры. Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах.
Пример осуществления изобретения изображен на чертеже и описан ниже более подробно. На чертеже представляют:
- фиг.1 - подложку со слоем фоторезиста;
- фиг.2 - тисненую поверхность слоя фоторезиста;
- фиг.3 - матовую структуру;
- фиг.4 - экспонирование фоторезиста;
- фиг.5 - профиль микрорельефа;
- фиг.6 - пуансон для тиснения с рельефной матрицей.
На фиг.1 изображен первый этап изготовления оптически дифракционных структур в сечении. На плоскую подложку 1 из металла, стекла, керамики или пластика нанесен слой 2 фоторезиста. Толщина d слоя 2 составляет 0,1-100 мкм и зависит от глубины создаваемых дифракционных структур. Светочувствительные фоторезистивные материалы известны, например изделие Microposit S1813 фирмы Shipley. Фоторезистивный материал наносят на подложку 1 в жидком виде и упрочняют под действием тепла. На плоскую свободную поверхность слоя 2 в предпочтительном варианте осуществления изобретения помещают смонтированную на пуансоне 3 для тиснения рельефную матрицу 4 и погружают в свободную поверхность слоя 2 так, что в свободной поверхности слоя 2 отформовывается рельефная матрица 4.
На фиг.2 после подъема пуансона 3 для тиснения (фиг.1) слой 2 имеет в зоне пуансона рельефную структуру 5, являющуюся негативом рельефной матрицы 4 (фиг.1). Во время тиснения подложка 1 не должна деформироваться или прогибаться, с тем чтобы рельефная матрица 4 как можно более точно по форме перенесла рельефную структуру 5 на слой 2.
Не ограничивая значение термина «рельефная структура» 5, на фиг.1 профиль отформовываемой рельефной матрицы 4 изображен в качестве примера с симметричным пилообразным профилем периодической решетки. Для рельефной структуры 5 пригодны также, в частности, и другие известные профили, например асимметричные пилообразные профили, прямоугольные профили, синусоидальные или синусоподобные профили, равномерное расположение пирамид и т.д., образующие периодическую линейную решетку или крестообразную решетку. Пространственная частота рельефной структуры 5 может быть выбрана из широкого диапазона от одной до нескольких тысяч линий/мм. Глубина Т рельефной структуры 5 периодической решетки лежит обычно в диапазоне 0,1-100 мкм, причем по техническим причинам рельефные структуры 5 большой глубины Т (фиг.1) имеют обычно малое значение пространственной частоты.
В другом варианте осуществления способа в поверхности слоя 2 отформовывают изотропную или анизотропную матовую структуру, которая образует рельефную структуру 5. Матовые структуры содержат микроскопически мелкие рельефные структурные элементы, которые определяют рассеивающую способность и могут быть описаны только статистическими параметрами, например средним арифметическим отклонением Rа профиля, длиной lc корреляции и т.д., причем значения среднего арифметического отклонения Rа профиля лежат в диапазоне 20-2500 нм, предпочтительно 50-500 нм. Длина lc корреляции имеет, по меньшей мере, в одном направлении значения в диапазоне 200-50000 нм, преимущественно 1000-10000 нм. Микроскопически мелкие рельефные структурные элементы изотропной матовой структуры не имеют азимутального предпочтительного направления, поэтому рассеянный свет с интенсивностью, которая больше, чем, например, заданное визуальной различимостью предельное значение, равномерно распределен во всех азимутальных направлениях под заданным рассеивающей способностью матовой структуры пространственным углом. Сильно рассеивающие матовые структуры распределяют рассеянный свет под большим пространственным углом, чем слабо рассеивающая матовая структура. Если же микроскопически мелкие рельефные структурные элементы имеют по азимуту предпочтительное направление, то матовая структура рассеивает падающий свет анизотропно. Заданный рассеивающей способностью матовой структуры пространственный угол имеет в сечении форму эллипса, большая главная ось которого перпендикулярна предпочтительному направлению рельефных структурных элементов. В противоположность дифракционным структурам матовые структуры рассеивают падающий свет практически независимо от длины его волны, т.е. цвет рассеянного света, в основном, соответствует цвету света, падающего на матовую структуру.
На фиг.3 изображено сечение одной матовой структуры, отформованной в слое 2 в виде рельефной структуры 5. Вместо структурной глубины Т (фиг.1) решеток профиль матовой структуры имеет среднее арифметическое отклонение Rа. Мелкие рельефные структурные элементы матовой структуры имеют наибольшие отличия Н в высоте примерно до 10-кратного значения среднего арифметического отклонения Rа профиля. Наибольшие отличия Н в высоте матовой структуры соответствуют тем самым структурной глубине Т периодических решеток. Значения наибольших отличий Н в высоте матовых структур лежат в вышеназванном диапазоне структурной глубины Т. Приведенные ниже данные диапазона структурной глубины Т относятся тем самым как к рельефным структурам 5 с периодическими решетками, так и к рельефным структурам 5 с матовыми структурами.
С помощью фиг.4 описан голографический способ, при котором на полученную посредством фотоструктурирования рельефную структуру 5 накладывают дифракционную решетку (не показана). Когерентный световой луч 6 с длиной волны, например, 400 нм создают в источнике 7 лазерного излучения. Световой луч 6 падает на светоделитель 8. Светоделитель 8 отклоняет часть светового луча 6 в виде частичного луча 9 в направлении рельефной структуры 5. Остальной проникающий через светоделитель 8 неотклоненный свет образует опорный луч 10. Отклоняющее зеркало 11 направляет опорный луч 10 также на рельефную структуру 5. Частичный луч 9 и опорный луч 10 расходятся веером так, что каждый из лучей 9, 10 освещает по отдельности всю рельефную структуру 5 параллельными световыми лучами. Направление частичного луча 9 отличается от направления опорного луча 10, так что частичный 9 и опорный 10 лучи в зоне структурированной поверхности пересекаются под заданным углом пересечения. Из-за когерентности световых волн и разности длин волн обоих лучей 9, 10 частичный 9 и опорный 10 лучи интерферируют между собой таким образом, что на рельефной структуре 5 образуется интерференционная картина. Интерференционная картина включает в себя параллельные полосы с большой интенсивностью света, отделенные полосами с низкой интенсивностью света, причем полосы интерференционной картины вертикально пересекают след образованной частичным 9 и опорным 10 лучами плоскости на рельефной структуре 5. Число полос на миллиметр определяется длиной волны образующего лучи 6, 9, 10 света и углом пересечения, под которым пересекаются частичный 9 и опорный 10 лучи.
За счет вращения подложки 1 вокруг нормали 15 к плоскости подложки 1 подложка 1 и тем самым рельефная структура 5 ориентируются перед экспонированием по интерференционной картине и устанавливается заданный азимутальный угол.
Материал упомянутого выше фоторезиста изменяется за счет экспонирования интерференционной картины только на полосах с большой интенсивностью света таким образом, что после экспозиции материал фоторезиста растворяется под действием проявителя, например Microposit 351 фирмы Shipley. На поверхности фоторезиста возникают при этом углубления в виде параллельных бороздок дифракционной решетки, период которой равен расстоянию между полосами в интерференционной картине. Период решетки можно регулировать путем изменения угла пересечения, под которым пересекаются частичный 9 и опорный 10 лучи. Длина волны светового луча 6 задана источником лазерного излучения и должна подходить к экспонированию фоторезиста слоя 2.
Профиль бороздок и их геометрическая глубина t определяются временем экспонирования, временем проявления и интенсивностью света. Глубина бороздок достигается заданного значения, обычно 250 нм. Профиль симметричен и простирается от простого синусоидального до прямоугольного. Положение бороздок определяется полосами интерференционной картины. Поэтому линии решетки рельефной структуры и бороздки дифракционной структуры отличаются по азимуту на установленное заданное азимутальное значение.
На фиг.5 поверхность слоя 2 изображена после фотоструктурирования рельефной структуры 5 (фиг.4). На поверхности слоя 2 образовалась микроструктура 12, возникшая за счет аддитивного наложения рельефной структуры 5 на голографически созданную дифракционную решетку, причем в этом примере линии решетки рельефной структуры 5 и бороздки 13 дифракционной структуры имеют одинаковую азимутальную направленность. На фиг.5 первоначальная рельефная структура 5 обозначена штриховой линией 14. Фоторезист, имевшийся первоначально между штриховой линией 14 и микроструктурой 12, удален при проявлении.
После высушивания фоторезиста микроструктуру 12 известным образом отформовывают гальваническим путем в никеле и создают таким образом матрицу микроструктуры 12. Отражающую матрицу подвергают контролю на соответствие ее оптических свойств ожидаемым. С этой матрицы затем изготавливают копии, с помощью которых в пластике или металле фрагменты матрицы комбинируют с другими дифракционными структурами, зеркальными поверхностями и т.д. в мозаичную матрицу для оптического элемента защиты.
Этот способ изготовления имеет то преимущество, что он в значительной степени (и лучше, чем другие способы) гарантирует достижение для микроструктуры 12 действительного сложения комбинируемых структур - рельефной 5 и дифракционной, причем в значительной степени сохраняются геометрии рельефной 5 и дифракционной структур.
При этом могут быть комбинированы также структуры, сильно отличающиеся в отношении своего размера. Например, рельефная структура 5 может иметь глубину Т структуры более 2 мкм и может быть одной из матовых структур, или одной из решеток, или даже одной из микропризм ретроотражателя (уголкового отражателя). На рельефную структуру 5 накладывают дифракционную структуру с малым значением периода решетки.
В первом способе изготовления микроструктуры 12 в слое 2 отформовывают в виде рельефной структуры 5 одну из описанных выше периодических решеток, которую структурируют с дифракционной структурой. Пространственная частота дифракционной структуры в одном примере выполнения, по меньшей мере, в пять раз выше, чем пространственная частота рельефной структуры 5.
Во втором способе изготовления микроструктуры 12 в слое 2 отформовывают одну из описанных выше матовых структур, которую структурируют с дифракционной структурой. Период решетки дифракционной структуры составляет самое большее 500 нм, с тем чтобы свет отражался только в нулевой порядок дифракции. Преимущество этой микроструктуры 12 в том, что она объединяет рассеивающую способность матовой структуры со свойствами дифракционной структуры, например селективная по длинам волн отражающая способность, поляризационная способность и т.п.
Способы изготовления микроструктуры 12 могут быть расширены первым образом за счет того, что после предварительного фотоструктурирования изменяют угол пересечения, под которым пересекаются частичный луч 9 и опорный луч 10 (фиг.4), и осуществляют дальнейшее фотоструктурирование с интерференционной картиной, узор полос которой изменен по числу полос на миллиметр по сравнению с предварительным фотоструктурированием. Это расширение способа с другим установлением пространственной частоты узора полос осуществляют один раз или повторяют несколько раз с разными значениями пространственной частоты, пока не будет достигнута заданная микроструктура 12.
Способы изготовления микроструктуры 12 могут быть расширены вторым образом за счет того, что после предварительного фотоструктурирования осуществляют дополнительное фотоструктурирование с другой азимутальной направленностью подложки 1 по интерференционной картине, образованной частичным лучом 9 и опорным лучом 10 (фиг.4). Это расширение описанного выше фотоструктурирования с другим установлением азимутальной направленности осуществляют один раз или повторяют несколько раз с другими азимутальными направленностями, пока не будет достигнута заданная микроструктура 12.
Способы изготовления микроструктуры 12 могут быть расширены третьим образом за счет того, что после предварительного фотоструктурирования изменяют как пространственную частоту узора полос, так и азимутальную направленность, а затем осуществляют дополнительное фотоструктурирование. Расширение описанного выше фотоструктурирования с другим установлением пространственной частоты узора полос и азимутальной направленности осуществляют один раз или повторяют несколько раз с другими установочными значениями, пока не будет достигнута заданная микроструктура 12.
В описанном как предпочтительный способе на этапе а) для отформовывания рельефной структуры 5 применяют способ тиснения.
Можно также видоизменить способ на этапе а) за счет отформовывания рельефной структуры 5 уже при литье слоя 2. Жидкий фоторезист заливают при этом в литейную форму, состоящую из подложки 1 и противоположной подложке 1 рельефной матрицы 4 (фиг.1). После упрочнения фоторезиста под действием тепла рельефную матрицу 4 удаляют. Свободная поверхность слоя 2 имеет рельефную структуру 5 в качестве негатива рельефной матрицы 4.
В другом варианте способа на этапе а) вместо тиснения или литья рельефную структуру 5 можно механически вырезать в слое 2 непосредственно штихелем.
В варианте способа на фиг.6 в качестве рельефной матрицы 4 используют структуру, содержащую, по меньшей мере, одну параболическую поверхность 16 и/или вершину 17 конуса. Параболические поверхности 16 и/или вершины 17 конусов также комбинируют с описанной выше периодической решеткой. Рельефную матрицу 4 отформовывают в слое 2 на подложке 1. Затем осуществляют фотоструктурирование.
В другом варианте способа изготовления микроструктуры 12 вместо решетки или матовой структуры в качестве рельефной матрицы 4 используют уже имеющуюся комбинированную структуру с наложенными структурами, которую на описанных выше этапах способа сначала отформовывают для изготовления рельефной структуры на поверхности слоя 2, а затем осуществляют дополнительное фотоструктурирование.
Известно, что помимо описанного выше позитивно работающего фоторезиста предлагается также негативно работающий фоторезист (Futurrex NR7-1000PY), который хорошо подходит для этого способа.
Реферат
Способ изготовления дифрагирующих свет микроструктур в слое фоторезиста на подложке, сформированных посредством наложений первой рельефной структуры, по меньшей мере, на одну вторую, служащую дифракционной структурой, рельефную структуру, включает в себя следующие этапы: а) изготовление слоя фоторезиста с первой рельефной структурой на плоской подложке, изготавливаемой отформовыванием рельефной матрицы, противоположной относительно подложки рельефной матрицы на свободной поверхности слоя; b) удаление рельефной матрицы; с) формирование интерференционной картины на рельефной структуре, причем когерентный свет разлагают на частичный луч и опорный луч, при этом частичный луч и опорный луч, образующие предварительно заданный угол пересечения, вызывают возникновение интерференции на отформованной первой рельефной структуре; d) ориентирование интерференционной картины, включающей в себя полосы большой интенсивности света, отделенные полосами низкой интенсивности света, по азимуту относительно первой рельефной структуры посредством вращения подложки вокруг нормали к плоскости подложки; е) экспонирование первой рельефной структуры в фоторезистивном слое посредством интерференционной картины в течение предварительно заданного времени; f) проявление фоторезиста в течение предварительно заданного времени, причем измененный за счет экспонирования материал фоторезиста частично удаляют, в результате чего в первой рельефной структуре возникают бороздки дифракционной структуры; g) высушивание фоторезиста. Проявления фоторезиста рассчитывают так, чтобы бороздки дифракционной структуры достигали глубины самое большее 500 нм. На плоской подложке сначала создают фоторезистивный слой, за счет воздействия тепла упрочняют его, а затем размещенную на пуансоне для тиснения рельефную матрицу погружают в поверхность фоторезистивного слоя с возможностью отформовывания первой рельефной структуры в качестве негатива рельефной матрицы. Технический результат - создание рентабельного способа изготовления микроструктуры, рельефная структура которой создана за счет наложения, по меньшей мере, двух рельефных структур, так что образуется изготавливаемая относительно просто с высокой точностью сложная и вследствие этого трудно подделываемая микроструктура, например, для реплик-матрицы. 24 з.п. ф-лы, 6 ил.
