CN1357802A - 用作压花表面的光可限定的聚酰亚胺薄膜 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压花表面,以及通过有光可限定材料特性的聚酰亚胺材料产生所述表面的方法。本发明的一个益处在于:压花表面不必通过光可限定表面的信息转移来制备。聚酰亚胺材料通过加热固化至适合于压制压花表面预定硬度。

Description

用作压花表面的光可限定的聚酰亚胺薄膜

                       技术领域

本发明通常涉及压花光成形信息领域。特别是，本发明涉及材料和利用所述主题材料来消除光成形和压花之间的步骤的方法。

                       背景技术

在许多应用中，利用压花工具将信息从一种介质转移至另一介质。一个例子是：利用压花工具，大量生产用于***全息部分的全息图。对于许多其它的产品，也形成了全息图，所述产品包括：期刊广告，包装纸和其它装饰，大范围的安全装置，包装，以及艺术品。所述全息图的大量生产是通过用包含全息凸起图案的压花模对薄膜进行压印而完成的。

压花模或压花工具是该方法的关键设备，并且在其制备时要求很高的精度，以便成功地生产出大量高质量的全息图。传统上，所述工具是利用许多步骤生产的。第一步骤涉及暴光用来形成“母”全息图的全息干涉图案中的光刻胶板。在使全息光图案曝光之后，使光刻胶显影，从而形成相应于全息干涉图案的在光刻胶中的表面凸起图案。

然后，将镍薄层电铸至光刻胶的凸起表面上，以便转印干涉图案。然后，从光刻胶上剥离镍层。该镍层变成母片，并制备第二个镍层作为第一个镍层的复制品。第二个镍层起打印器的作用，并通过包在圆柱体上或固定至平板上(形成冲模)，并打印至基片上。每一层均称为垫片。通常，使用两个垫片，其中之一作为母片保存起来，而另一个用作打印器。然后，使用金属冲模对透明薄膜进行打印或冲压，将全息干涉图案压印至薄膜上，借此生产出全息图。该方法用于许多不同种类的全息图，包括利用激光观看的通过半透明胶片而形成的那些全息图，衍射图案，“2D3D”全息图，以及有助于大量生产的任何其它全息图。

不幸的是，所述常规工艺有着一定的局限性。例如，镍是用于形成压花工具的优选金属，以便转移全息干涉图案。因此，只有比镍更软的材料才能够通过冲模进行压印。例如，镍能够用于对聚酯薄膜，软塑料等进行压印。然而，即使利用所述的软材料，在连续使用之后镍将变形，结果是，在进行数千米压花之后，压印工具将变差为不再适合生产复制品。

另外，当冲模包在印刷圆柱体或辊子上时，接缝将沿平行于圆柱体的轴延伸。出于精确度的原因，全息图案不能够位于接缝附近。特别是，大的印刷圆柱体，由于常常很难使垫片大至足以适合一些压花辊，因此，将采用多个垫片。这种情况的主要问题在于：由于辊子旋转的结果，每当接缝到来的时候，在材料中就有一个标记。因此，很多辊子表面不适合实际使用，因而能够进行印刷的全息图的尺寸将受到严重局限。由于很难借助金属沉积法、如电镀，制备实心圆柱辊，因此，利用常规工艺，该问题多半不能够适当地解决，所述常规工艺不适合于形成无缝辊。

另外，在生产压花工具时，已尝试过其它更硬的材料。例如，将铝用于全息图转移的压花冲模。然而，铝冲模的制备方法受到化学蚀刻法的严重局限，以致使蚀刻图案的精确度，随着蚀刻深度的增加而迅速下降。另外，对于极高的压力、如在产生压花全息图中使用的压力，铝不是特别好的材料。

另外还使用了其它更硬的材料。例如，用离子研磨或蚀刻，在如工具钢、钻石或铬这样的材料上形成全息图案。所述工艺的一个例子可在US5,521,030(McGrew)中找到。该专利披露了利用各向异性的活性离子蚀刻，将全息干涉图案从光刻胶转移至用作压花工具的耐用材料上的用途。

不幸的是，用于在耐用材料上形成全息干涉图案的所述工艺极为昂贵，并且实施极为复杂。当须对大量精确的全息图进行压花时，所述工艺才证明是合算的。否则，这样昂贵的工艺是不合算的。此外，还没有一种常规工艺能够提供无缝压花，或者与其有关的优点。因此，仍然需要在硬材料上廉价地形成压花工具，所述材料能够在高压条件下转移全息干涉图案，甚至在延长的生产周期下，也不会使所得到的复制品变差。

                       发明内容

因此，本发明的第一个目的是消除常规信息压花的缺点。

本发明的第二个目的是提供一种压花工具，该压花工具避免了压花辊上常规接缝的局限。

本发明的另一个目的是：转移光可成形的信息时使压花过程合理化(streamline)。

本发明的另一个目的是降低转移光可成形信息的费用。

本发明的另一个目的是消除光可成形信息的常规压花中的步骤。

本发明的另一个目的是限制用于转移光可限定信息的压花操作中的材料和其它材料的数量。

本发明的另一个目的是提供一种压花方法，其中压花表面能够选自许多不同的硬度。

本发明的另一个目的是提供一种能避免压花辊上常规接缝局限的压花工具。

本发明的另一个目的是提供能够承受高压下长时间工作的、易于制备的压花表面。

本发明的另一个目的是提供一种利用具有良好选择性的光可成形材料的压花设备。

本发明的另一个目的是提供一种不必进行蚀刻、具有光可成形材料的压花设备。

本发明的另一个目的是提供一种具有优异固化成膜性能的光可成形材料的压花设备。

本发明的另一个目的是提供一种利用分辨率高和曝光灵敏度高的光可成形材料的压花设备。

本发明的另一个目的是提供一种将光可成形材料和压花表面用作一整体的压花设备。

本发明的另一个目的是提供一种具有正性光可成形材料的压花设备。

本发明的另一个目的是提供一种具有能够用正性抗蚀显影剂进行处理并提供正色调的光可成形材料的压花设备。

本发明的另一个目的是提供一种其中压花表面硬度能够容易改变的压花设备。

本发明的另一个目的是提供一种适合于铸造操作的光可限定表面。

本发明的另一个目的是提供一种光可限定的装饰涂料。

本发明的另一个目的是提供一种能够转移许多全息信息的、光可成形的信息转移材料，包括利用激光观看的半透明薄膜构成的材料，衍射图案，“2D”“3D”立体图，真“3D”全息图或允许转移的任何其它全息图案。

本发明的另一个目的是提供一种由此能够消除金属元素的压花设备。

本发明的另一个目的是提供一种光可成形材料能够是正性或负性的，并且能够通过无水或含水溶剂进行显影的压花设备。

本发明的另一个目的是提供：使用聚酰亚胺铸造材料的信息转移设备。

本发明的这些和其它的目标和目的，通过将信息转移至其它表面上而配备的压花表面提供，其中压花表面由光可限定的聚酰亚胺材料组成。

本发明的第二实施方案是由将压花信息从压花表面转移至其它表面上的方法来实现的。该方法由如下步骤组成：将光可限定的材料暴光于限定信息的EMF辐射中。然后，使光可限定的材料固化，以便得到所选择硬度的压花表面。最后，用该压花表面将信息压制至其它表面上。

                        附图说明

图1(a)是描述聚酰亚胺材料转移至压花辊上的透视图。

图1(b)是描述聚酰亚胺材料的预固化相的透视图。

图1(c)是描述在辊上聚酰亚胺材料进行光限定的透视图。

图1(d)描述压花之前固化相的透视图。

                     具体实施方式

本发明包括将光可限定或光可成形的、正性(正色调)聚酰亚胺用作压花表面的使用方法。对于本发明，如图1(a)-1(d)所述以及如下所述，对聚酰亚胺进行处理。将聚酰亚胺材料置于适当的表面上，进行热处理，暴光于EMF辐射中(如相干光)，然后固化成压花表面。然后，用该压花表面将以EMF照射表示的信息转移至另一表面上。利用聚酰亚胺材料的该工艺，对于形成用作压花表面的全息图母片而言，是特别有效的。

由于聚酰亚胺材料的特性，它也适合用作凹印表面。这样的表面是利用光检测工艺，和金属喷涂产生的，以便提供一个印刷表面。聚酰亚胺材料的正光刻胶特性，使得在没有常规凹印法、如蚀刻的那些复杂工艺的情况下，该第二压花实施方案成为可能。

实际上，聚酰亚胺材料能够涂敷至任何表面上，进行成形，然后固化，以便用作装饰或显示表面。由于目前尚没有能够容易成型、同时还经得住清洗和紫外照射的材料，因此，所述材料的使用将给艺术家提供便利。因此，所述聚酰亚胺材料能够用在经得住必要的固化温度的任何表面上。

聚酰亚胺材料也能够在铸塑操作中，用来将已有的全息图凹槽转移至聚酰亚胺材料上。然后，能够将铸塑聚酰亚胺中的图案转移至其它表面上。对于聚酰亚胺材料，实际上能够使用任何种类的铸塑工艺，其例子将在下面描述。

在本申请中可用于新颖用途的聚酰亚胺是高温工程聚合物，最初由杜邦公司开发。当与绝大多数其它的有机或聚合物材料相比时，聚酰亚胺显示出热稳定性(＞500℃)，机械韧性和耐化学剂性多方面的优越性。此外，它们还具有优异的介电性能。

常规聚酰亚胺薄膜常常用作半导体的“应力缓冲层”或保护涂层。聚酰亚胺应力缓冲层的厚度通常为4-6微米，并且，在加工处理期间，保护芯片表面上的金属或氧化物的精致薄膜免遭损坏，以及在塑料模塑料封铸之后免遭诱导的应力。

当用作光可限定材料时，图形是简单明了的。由于聚酰亚胺材料所固有的低缺陷密度和强的耐等离子体蚀刻性，因此，能够使用“单一掩模”流程。

如下所述，在微电子器件的常规制备过程中，通常将流体形式的光可限定的聚酰亚胺加至基片上，然后热固化成平滑、刚性、难加工的聚合物薄膜或结构层。薄膜可以用结合液体光刻胶的光刻工艺形成图案。“光可限定的”聚酰亚胺是光敏的，并且容易在不用光刻胶的情况下形成图案，这进一步简化了制备流程。

为了阐明本发明的有效性，所选的光可限定的、正作用的、聚酰亚胺是HD-8000，(HD Microsystems^TM的一种产品，HD Microsytems^TM是与Hitachi Chemicals和Dupont Electronics的联合企业)。HD-8000是正色调的、含水显影的、光可限定的聚酰亚胺，用于应力缓冲和芯片粘结的应用。HD-8000包括：通过芳族二酸酐与芳族二胺的反应而合成的polyamicacid主链前体。另外还包括的是：在处理期间提供正色调平版印刷(lithographic)性能的光敏剂。此外，还包括溶剂。该材料实现的图案限定远远超过前代的含水显影产品。

所述聚酰亚胺材料是正色调或正作用的，并且能够用含水溶液进行显影。然而，这仅仅是能够用于本发明聚酰亚胺材料的一个例子。例如，也能使用负色调或负作用的聚酰亚胺这取决于信息要精确转移到什么材料上。另外，利用非水溶液显影的聚酰亚胺材料也能够用于本发明。

图1(a)中，利用涂布器2，将聚酰亚胺材料1布置在运动表面上、如涂布辊3上。应用聚酰亚胺材料在辊上形成涂层4。应当指出的是，尽管在图1(a)的例子中使用辊，但是，对于用于施加光限定和随后压花操作用的聚酰亚胺材料而言，也能够使用其它表面。

在绝大多数微电子应用中，通常采用旋涂将聚酰亚胺涂层加至基片上。该方法和基本工具也用来加液体光刻胶。为与硅，氧化物和绝大多数金属有最佳的粘结，需要增粘剂。某些聚酰亚胺已掺入了增粘剂，而另外的聚酰亚胺在应用之前需要加独立的增粘剂或偶联剂。增粘剂也通过旋转涂敷法来涂敷。

尽管旋涂保证了最佳的均匀性和涂敷质量，但已用于涂敷聚酰亚胺的其它涂敷工艺包括：刷涂，喷涂，挤涂，辊涂，浸涂和滴涂(drop coating)。

尽管就涂层4而言，使用旋转圆柱体3，但也可以使用其它形状的压花表面。例如，当利用两个方向运动的平板，甚至在一个方向运动的平板时，能够使用平坦的表面，同时EMF照射源也在一个或两个方向运动。

应当指出的是，借助本发明转移的信息能够以许多不同的构形来表示。例如，全息图是特别有价值的，并且全息图的转移易于通过本发明来简化。所述的全息图可以包括利用激光观看的半透明薄膜，衍射图案，“2D”“3D”立体图，真实的“3D”全息图以及就排列而言能够利用本发明进行转移的任何其它全息格式。另外还应指出的是，本发明并不局限于全息材料的转移。实际上，利用本发明的设备能够通过压花进行转移的任何其它种类的信息均能够迅速、精确地进行转移。

在图1(b)中，将带有其聚酰亚胺涂层4的辊3置于固化炉5中。在另一可供选择的方案中，可对涂布的基片进行加热或使之软化；并在120℃，于热板上烘烤约130-260秒钟。这是为10微米固定厚度的目标而做的。然而，对于不同的目标厚度将需要不同的烘烤时间。在预固化操作之后，聚酰亚胺材料4变成了预定的厚度和稠度，通过电磁EMF辐射、如光辐射，聚酰亚胺材料易于变动或成型。

在EMF暴光之前，应当将已涂敷的基底冷却至室温。在加热处理之后，推荐用冷却板进行冷却。对于改善了的控制，应当在曝光之前，将基片放置最少20分钟。在曝光和显影之前，已涂敷的基片能够在清洁室温条件下的干胶片盒中储存长达72小时。

在图1(c)中，光线是单色光并由激光器6提供。应当指出的是，尽管图1(c)描述的一个优选实施方案使用激光光源，但也能够使用其它形式的电磁照射。其例子是：具有多频成份的光，X-射线，无线电波，紫外光，电子束和红外光。光敏聚酰亚胺允许构成相当精细的图案。在充分固化的薄膜中能够取得1∶1的长厚比。

信息(来自未示出的来源)由来自激光器6的光线表示，并且用来对辊3上的聚酰亚胺涂层4进行成型或另外的限定或修改。所述光限定工艺的一个例子是：披露于US5,822,092(Davis，1998年10月13日出版，在此引入作为参考)的象素×象素法(pixel-by-pixel method)。

聚酰亚胺材料4的光成形部分是显影已暴光的材料或通过入射的电磁辐射，如相干光成形的材料。在图1(a)-1(d)中描述的优选实施方案中，用熟知种类的含水溶液对已曝光的聚酰亚胺材料进行显影。这能够利用多种不同的工艺来完成。例如，整个辊3可以浸在一个池(未示出)中。在另一可供选择的方案中，一个类似于热处理室的显影室(未示出)可以用来加显影液。然而，利用含水或无水显影液，用于显影的任何其它工艺也适用于本发明。用于任何聚酰亚胺有效照射曝光和显影的任何已知结合，均适合于聚酰亚胺材料光成形的图1(c)的操作。

在通过来自激光器6的光线进行成型和显影之后，例如在另一烘箱7中，对布置在辊3上的聚酰亚胺涂层4进行加热。根据HD Microsystems^TM的题目为光可限定图像HD-8000系列正色调，可含水显影的聚酰亚胺的预先产品公报，(作为附录1)中指出的参数进行固化。

对聚酰亚胺薄膜进行固化涉及：从层中除去溶剂载体或其它挥发物并使聚合物酰亚胺化或固化成难加工的(intractable)聚酰亚胺薄膜。该固化过程通常分多步进行。通常将热板用于在涂敷聚酰亚胺之后的起始加热处理或烘烤(图1(b))。在一个或多个一排热板上，起始所加温度从50-150℃。炉子或可编程的烘箱用于最终固化(图1(d))。最终固化常常在280℃-400℃之间进行，具体温度取决于具体应用

适当固化程序的目的在于：1)除去残余溶剂，2)完成酰亚胺过程，3)完成粘结过程。由于所有这三种作用能够在给定温度下同时发生，因此，固化程序是十分重要的处理步骤，它能够影响固化薄膜的质量并影响相关的机械性能。

下面的变量需要在使聚酰亚胺薄膜固化时考虑：固化工具，大气；负载温度；升温速率；保温时间(保持温度)；最终固化温度；以及降温。

通常，利用可编程的炉子或烘箱，成批进行固化。(利用一系列热板的单片固化工具已发展为流水线工艺。该工艺曾常常与非光可限定聚酰亚胺一起使用。)

固化应当在氮气氛下进行(氧浓度＜100ppm)。某些可编程的烘箱设计成在真空下固化。部分真空可以与氮气氛一起使用。

为了得到最佳生产量和固化薄膜性能，可优化加载温度，升温速率，保温时间(中间保持温度)；最终固化温度；以及冷却速率。对于“单一掩模板”应力缓冲应用，给出如下基本固化程序：在低于150℃的温度下装入烘箱或炉中；在60分钟的时间内使温度从加载温度升至350℃；在350℃保温30分钟；然后可以使基片立即卸载或使之冷却。应当指出的是，固化也能够在没有特殊气氛的烘箱中进行。烘箱气氛的选择取决于许多因素、如待固化聚酰亚胺面积的大小，最终聚酰亚胺涂层的厚度，以及其它固化因素。

尽管描述了一种聚酰亚胺，并且已证明能起作用，但这仅仅是能够用来构成本发明压花设备的各种光可限定聚酰亚胺材料的一个例子。另外，所述材料特别适合于转移点阵全息图。

基于上述说明，聚酰亚胺能够在辊3上固化至预定的硬度和厚度。由于形成层4的聚酰亚胺材料能够固化至预定的硬度，因此，可能将聚酰亚胺表面4用作压花表面。因此，根据本发明，不需要形成用于转移全息图的常规金属压花表面。结果是大大节省了时间和费用。

由于在优选实施方案中使用的聚酰亚胺能够用作正性曝光物质，因此，该材料也能够用于凹版印刷，其中，在未成型光刻胶材料周围形成凹陷的印刷材料。油墨置于构成字母或图像的凹槽内，并将纸张或其它转印表面压在成型表面上，致使在凹陷中的油墨转移至转印表面上。聚酰亚胺材料能够固化至容易控制用于凹版印刷压力下的稠度。应当指出的是，在该印刷方法中无需使用在附图中描述的辊3。在另一可供选择的方案中，反而能够使用平板。然而，应当指出的是，绝大多数印刷在辊压中进行，以致使辊3最有可能成为这种设备的优选表面。

聚酰亚胺用于凹版印刷需要置于聚酰亚胺涂层上的金属薄镀层、如镍或铬。然而，在多数常规光确定技术中在凹版印刷之前所使用的酸洗在这里是不必要的。因此，在所述酸洗中使用的酸不会使待转移的金属限定的信息变差。因此，本发明避免了清晰度或精确度的损失，以及尺寸限制，这些都是常规凹版印刷设备所固有的。因此，利用本发明的聚酰亚胺进行的凹版印刷，与常规设备相比，能够更容易和更廉价地进行，并能够形成更好的产品。

在另一实施方案中，聚酰亚胺材料能够用来复制全息图的干涉图案，或在凸起图案中的任何其它信息。这将通过在全息母片上形成聚酰亚胺材料的铸塑品而完成。因此，衍射光栅图案的印图是在铸塑材料上进行的。然后，利用该铸塑品，将信息从全息母片转移至其它表面上。在这种情况下，就由聚酰亚胺铸塑品制得的复制品而言，取得了有关聚酰亚胺材料先前描述的益处。

尽管通过例子已描述了许多实施方案，但本发明并不局限于此。本发明应当理解为包括：在根据本发明教导之后，本领域普通技术人员能够实施的所有变更，改进，更动，匹配，和实施方案。因此，本发明仅由下面的权利要求书限定。

Claims (27)

1.一种用于将信息转移至其它表面上的成形的压花表面，所述压花表面由光可限定的聚酰亚胺材料组成。

2.如权利要求1所述的压花表面，其中所述聚酰亚胺是水可显影的。

3.如权利要求2所述的压花表面，其中所述信息通过光检测而转移至所述压花表面上。

4.如权利要求3所述的压花表面，其中所述信息是文本。

5.如权利要求3所述的压花表面，其中所述信息是图像信息。

6.如权利要求3所述的压花表面，其中所述聚酰亚胺是通过烘烤而固化的。

7.如权利要求3所述的压花表面，其中所述聚酰亚胺限定为正色调。

8.如权利要求7所述的压花表面，另外还包含在所述聚酰亚胺上的薄涂层的金属薄膜。

9.如权利要求8所述的压花表面，其中所述的压花表面适合于凹版印刷。

10.一种将压花信息从压花表面转移至其它表面上的方法，所述方法由下面步骤组成：

(a)将光可限定的材料暴光至限定所述信息的EMF照射中；

(b)使所述光可限定的材料固化，从而得到所选择硬度的压花表面；和

(c)利用所述压花表面，将所述信息压至所述其它表面上。

11.如权利要求10所述的方法，其中步骤(a)包含如下子步骤：

(i)利用溶剂使所述光可限定的材料显影。

12.如权利要求11所述的方法，其中步骤(a)还包括如下预备子步骤：

(ii)将所述光可限定的材料施加至辊子上。

13.如权利要求12所述的方法，其中步骤(a)还包括如下预备子步骤：

(iii)通过加热对所述光可限定的材料进行预固化。

14.如权利要求10所述的方法，其中所述光可限定的材料是聚酰亚胺。

15.如权利要求10所述的方法，其中所述固化步骤(c)包括对所述光可限定的材料进行加热。

16.如权利要求10所述的方法，其中所述EMF辐照包括光线。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述的光线是单色光并且由激光器产生。

18.如权利要求15所述的方法，其中步骤(c)包括如下预备子步骤：

(ii)在所述聚酰亚胺材料上施加金属涂层。

19.如权利要求18所述的方法，其中，利用所述压花表面在所述其它表面上压制所述信息的所述步骤(c)是以凹版印刷的形式进行的。

20.如权利要求19所述的方法，其中光可限定的材料是通过利用镍的电铸而进行复制的。

21.如权利要求19所述的方法，其中，所述光可限定的材料是通过利用铬的电铸而进行复制的。

22.如权利要求10所述的方法，其中，所述信息是由图像，印刷文本，凹凸图像和全息图所组成的组中选择的。

23.如权利要求22所述的方法，其中所述的信息是全息点阵格式。

24.如权利要求10所述的方法，其中所述的光可限定材料加至平坦表面上。

25.如权利要求10所述的方法，其中所述的光可限定材料作为一个装饰涂层加至物体上。

26.一种将信息从第一表面至其它表面至转移介质上转移的方法，所述方法由如下步骤组成：

(a)在包含所述信息的表面上铸塑所述转移介质；和

(b)利用所述转移介质对所述其它表面进行压花。

27.如权利要求26所述的方法，其中所述转移介质是聚酰亚胺。

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