JP2016190270A

JP2016190270A - 分散したパターンを有するマスクを介したレーザーアブレーションツール

Info

Publication number: JP2016190270A
Application number: JP2016092574A
Authority: JP
Inventors: アール．コーリガントーマス; r corrigan Thomas
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2016-05-02
Publication date: 2016-11-10
Also published as: JP2013505136A; WO2011034728A2; US20130003030A1; EP2478418A2; EP2478418A4; US20110070398A1; WO2011034728A3; JP6271836B2

Abstract

【課題】基材上に完成パターンを像形成させるレーザーアブレーションプロセスにおけるスティッチング効果を軽減又は除去する事が出来る、分散したパターンを有するマスクを提供する。【解決手段】マスク８６は、光を透過するための複数の開口８８，８９と、この開口の周囲の非透過区域とを有する。分散したパターンのための開口が基材上に繰り返し像形成される場合に、分散したパターン内の構造は、像形成されたパターンの様々な領域内で合併し、分散したスティッチ線を使用して完成パターンを生成する。まばらでかつ分散したパターンもまた形成し得るマスクは、完成パターンの合併部分を個別に形成し、かつ分散したパターンを総じて形成する開口を含む。【選択図】図９

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マイクロメートル（典型的には各パルスごとに０．１〜１マイクロメートル）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。

本発明と一致する分散したパターンを有するマスクは、基材に像形成するためのレーザーアブレーションプロセスで使用され得る。このマスクは、光が透過するための開口と、この開口の周囲の非透過区域とを有する。開口は総じて、完成パターンの分散した部分を形成し、マスク内の開口が、基材上に繰り返し像形成される場合に、分散した部分内の構造が、像形成されたパターンの様々な領域内で互いに遭遇し又はスティッチし、分散したスティッチ線を使用して完成パターンを基材上に生成する。

本発明と一致するまばらでかつ分散したパターンを有するマスクは、基材に像形成するためのレーザーアブレーションプロセスで使用され得る。このマスクは、光を透過するための開口と、この開口の周囲の非透過区域とを有する。開口は、完成パターンの部分を個別に形成し、完成パターンの分散した部分を総じて形成し、非透過区域の少なくとも一部は、マスクの開口の間の領域であって、開口によって引き続き像形成されることで完成パターンを生成する基材上の未像形成領域に対応する、領域にある。マスク内の開口が基材上に繰り返し像形成される場合に、分散した部分内の構造が、像形成されたパターンの様々な領域内で互いに遭遇し又はスティッチし、分散したスティッチ線を使用して完成パターンを基材上に生成する。

マスクは、レーザー照射システムによって一度に像形成され得る、開口の分離した領域である。プレートが照射システムの視野よりもはるかに大きい場合は、２つ以上のマスクが単一のガラスプレートの上にあることも可能である。あるマスクを別のマスクに変更することは、別の領域をレーザー照射視野内に入れるためにガラスプレートを移動させることを含む。

本発明と一致する方法は、分散したスティッチ線を使用して完成パターンを基材上に形成するために、分散したパターンを有するマスク、又はまばらでかつ分散したパターンを有するマスクを用いて基材に繰り返し像形成する工程を含む。

本発明と一致する微細複製された物品は、完成パターンの分散した部分、又は完成パターンのまばらでかつ分散した部分から形成された、繰り返す特徴のアレイを有し、そのアレイは、分散したスティッチ線を使用して完成パターンを生成するよう、像形成されたパターンの様々な領域内で繰り返し遭遇する構造を有する。

添付図面は本明細書の一部に組み込まれ、及びそれを構成するものであって、本発明の利点と原則を、その記述と共に説明する。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。基材上に四角柱のパターンを残す連続構造をアブレーションするようデザインされた規則的パターンの開口を有するマスクの図。図３のマスクのパターンをアブレーションすることを示す図。図３のマスクのパターンと類似するパターンをアブレーションすることから生じるスティッチング効果の画像。基材上に四角柱のパターンを残す連続構造をアブレーションするようデザインされた分散したパターン内に開口を有するマスクの図。図６のマスクの分散したパターンをアブレーションすることを示す図。リングのパターンをアブレーションするようデザインされたリング様開口を有するマスクの図。リングのパターンを製造し得る開口のまばらでかつ分散したパターンを有するマスクの図。図９のマスクのまばらでかつ分散したパターンをアブレーションする工程を示す図。基材上に六角柱のパターンを残す連続構造をアブレーションするようデザインされた規則的パターンの開口を有するマスクの図。基材上に六角柱のパターンを残す連続構造をアブレーションするようデザインされたまばらでかつ分散したパターンの開口を有するマスクの図。

本発明の実施形態は、連続構造を生成する、又はアブレーションされた領域が、その方向で照射された領域の寸法よりも少なくとも一寸法分長いような構造を生成する方法に関する。これらの構造は、マスク内の開口が基材上に繰り返し像形成される場合に、分散した部分内の構造が像形成されたパターンの様々な領域内で併合し、分散したスティッチ線を使用することで完成パターンを生成するように、完成パターンの分散した部分を形成する開口を有するマスクから作られている。連続構造の例には、光学プリズムのような三角形断面を備えた連続溝と、セル間のリブが個々の凹領域の逆ツールのように機械加工された逆セル形状の連続アレイと、又はマイクロ流体のための連続トレンチとが挙げられる。

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、２００８年１１月２１日に出願された、米国特許出願番号第１２／２７５６３１号、名称「ＣｕｒｖｅｄＳｉｄｅｄＣｏｎｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓｆｏｒＣｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇＧａｉｎａｎｄＶｉｅｗｉｎｇＡｎｇｌｅｉｎａｎＯｐｔｉｃａｌＦｉｌｍ」に提供されており、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、以下に記載したように、分散したパターンを有するマスク、又はまばらでかつ分散したパターンを有するマスク用いるレーザー像形成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号及び米国特許出願第２００９／０１２７２３８号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。

連続パターン
連続構造を生成するための１つのアプローチは、マスク内の１つのパターンの一末端を他の末端に接続させるマスクを作製することを含む。例えば、四角柱のアレイを生成するために、図３に示したように、構造の連続アレイが生成され得る。図３中のマスク４２は、非透過区域４６によって囲まれた透過区域４４の連続アレイを含む。透過区域４４によって形成されたパターンを繰り返し像形成する工程を通して基材のアブレーションが発生し、基材上に四角柱を生成する。しかしながら、このパターンがアブレーションされる場合に、マスク４２の左端５２及び上縁５４が、右端５６及び底縁５８に合併する場所で、スティッチング効果が生じるであろう。

マスク４２内で見られる構造に関して、図４に示したように、スティッチング効果が出現するであろう。図４の基材４８は、様々な位置にわたってマスク４２を繰り返し像形成する工程から形成されたアブレーションされた部分５０を有し、スティッチング線５９のような特徴間の完全に一致するスティッチング線を含む。スティッチング効果は、アブレーションの切削の深さの増加に伴って増加するであろう。基材によるマスクのミスアライメントと、基材上へのマスクのミスフォーカシングと、レーザー光線の不均一性とがスティッチング効果をまた増加させるであろう。マスクの繰り返された像形成を通して、マスクがそれ自体にどのようにオーバーレイされるかに応じて、スティッチング効果は図４に示されたようにすべての特徴で出現し得るか、又はその効果は、１つの特徴ごとに、又は４番目の特徴ごとに規則的な間隔で出現し得る。もし仮にスティッチング効果が各特徴ごとに現れなければ、その効果はなおいっそう悪くなるであろう。

スティッチング効果は、いかなる像形成システムもレーザー光線の無限大分解能及び無限大エッジ解像力を持たないという事実に起因する。レーザー光線の端部における光の強度は、公称ガウス形である。このことは、各像が基材に無限に鋭くカットされないことを意味する。マスクを経てのアブレーションから共に「スティッチ」するよう２つの端部が丁度遭遇する又は合併するたびに、それらは境界面で余分な材料をアブレーションされないままで残す。特徴６２が特徴６４と「スティッチ」され、完全に一致したスティッチング線６０にて基材内に、余分な材料６６をアブレーションされずに残したような図５の画像中に示されたように、累積の効果が構造内にマークを残す。この余分な材料６６は、基材上のアブレーションされた領域内に不完全部分を生じ、その結果、その基材から作られた微細複製の物品中に、相当する不完全部分を生み出すという点で望ましくない。仮に、この効果を除去することを意図して、２つの端部がオーバーラップされれば、今度は余分な材料は、過剰な材料が残される代わりに過剰な材料が除去されるような別個の欠陥を生成するオーバーラップ領域内でアブレーションされるであろう。分散したスティッチングアプローチによって、合併領域又はスティッチ領域はわずかにオーバーラップし得るか、互いにわずかに足りないか、又は正確に遭遇し得る。これら状態のいずれかの累積効果は、スティッチング境界面を分散させることによって大幅に減少される注目すべき欠陥であろう。

分散したパターン
像形成パターンへの改善されたアプローチは、完成パターンの分散した部分を通して、スティッチングパターンをより広範囲にマスク上に分散させる。例えば、図３で用いられたマスクパターンが、図６で示したように分散させ得た。図６中のマスク６８は、非透過区域７２によって囲まれた透過区域７０の連続アレイを含む。透過区域７０によって形成されたパターンを繰り返し像形成する工程を通して基材のアブレーションが発生し、基材上に四角柱を生成する。マスク６８は、種々の長さの構造から形成された底７３及び右端７５はもとより、左端６９及び上縁７１もまた含む。パターン内で種々の長さ構造を備えたこれら端部は、像形成したパターンの様々な領域内で合併し、分散したスティッチング線を使用して基材上に完成パターンを生成する。様々な領域内の合併構造は、共通するいくつかのオーバーラップ領域を有することができる。合併構造の分布は、スティッチング線が様々な位置で発生し、それらの分布を生じることを意味する。

マスク６８を繰り返し像形成する工程から生じたスティッチパターンが図７に示されている。図７中の基材７４は、様々な位置内でマスク６８を全体にわたって繰り返し像形成する工程から形成されたアブレーションされた部分７６を有し、例えばセクション７８で示されたように、マスク４２を像形成する工程と比較して同数の像形成する工程に関して、それは互いの上に１／３の数のスティッチ線を包含する。言い換えれば、スティッチ線は基材のアブレーションされた領域上の様々なセクションに分散されたわけである。スティッチング効果は、分散したパターンを有するマスクを像形成する工程によって作製された連続構造からこのように除去されるか又は少なくとも軽減される。

スティッチング線の分布は、まばらなパターンを製造するために「カットアップ」される分離した部分を再構成するためにも用いることができる。まばらなパターンは、例えば、繰り返す２つ以上のアレイ又は他の一連の特徴を挙げることができて、それらの各々は、完成パターンの一部としての構成要素パターンを形成し、完成パターンを生成するようインターレースされる。アレイ又は一連の特徴は、それらが繰り返し像形成される場合に、構成要素パターン内の構造が像形成されたパターンの様々な領域内で合併し、分散したスティッチ線を使用して基材上に完成パターンを生成するように、分布し得る。

図８中、マスク８０は、非透過区域８４によって囲まれた透過区域８２を有する連続リング様構造のパターンを図示し、これは透過区域８２に対応する領域内で材料をアブレーションすることによって基材上にリングを生成するために用いることができる。このリング様パターンは、図９に示したように、分散しかつまばらになるよう作製し得る。図９中のマスク８６は、非透過区域によって囲まれた透過区域８８及び８９を包含する。透過区域８８及び８９は、それぞれがリング様構造の一部のみを形成するようにまばらで、基材上にリング様構造を形成するためのそれらを繰り返し像形成し、スティッチ線を分散させるための合併の様々な領域を生じるように分散される。図１０に示されたように、マスク８６の繰り返された像形成する工程を伴ってアブレーションされた基材９０が、透過区域８８及び８９の合併の様々な線から生じたスティッチ線９４を有する構造９２のような、分散したスティッチ線を有するリング様構造を生じる。

まばらなパターンを有するマスクの例は、２００８年１１月２１日に出願された、米国特許出願番号第１２／２７５６６９号、名称「ＬａｓｅｒＡｂｌａｔｉｏｎＴｏｏｌｏｎｇｖｉａＳｐａｒｓｅＰａｔｔｅｒｎｅｄＭａｓｋ」に記載されており、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。

図１１及び１２に図示したように、六角形パターンもまたまばらにかつ分散されて作製し得る。図１１に示したように、マスク９６は、レーザーアブレーションを通して六角形パターンを基材上に生成するために、非透過区域１００によって囲まれた連続構造（透過区域）９８を含む。図１２に示したよう、マスク１０２は、まばらでかつ分散された六角形パターンを含む。透過区域１０４は、それぞれが六角形の一部だけを形成するようにまばらであり、それらは、六角形構造を形成するためのそれらを繰り返し像形成し、スティッチ線を分散させるために合併の様々な領域を生じるように分散されている。例えば、マスク１０２が基材全体の様々な領域内で繰り返し像形成される場合に、六角形パターンのスティッチングを分散させるために、構造１１６及び１１８よりは、構造１０６及び１０８が様々な位置で共にスティッチする。

Claims

基材上へのレーザー像形成の用途のための分散されたパターンを有するマスクであって、
光が通過するための開口と前記開口の周囲の非透過区域とを有するマスクを含み、前記開口が完成したパターンの分散した部分を総じて形成し、前記マスク中の前記開口が前記基材上に繰り返し像形成される場合に、前記分散した部分内の構造が、前記像形成されたパターンの様々な領域内で合併し、分散したスティッチ線を使用して前記基材上に前記完成パターンを生成する、分散されたパターンを有するマスク。
前記基材が実質的に平坦な形状を有する、請求項１に記載のマスク。
前記基材が実質的に円筒の形状を有する、請求項１に記載のマスク。
前記開口が四角形状を有する、請求項１に記載のマスク。
前記開口が六角形状を有する、請求項１に記載のマスク。
前記マスクが、単一のマスクであって、前記単一のマスクが前記基材上に複数回にわたり像形成される場合に、前記完成パターンの前記分散した部分を形成している前記開口を有する単一のマスクを含む、請求項１に記載のマスク。
前記マスクが、前記基材上に像形成されることで前記完成パターンを生成する、複数のマスクのうちの１つである、請求項１に記載のマスク。
基材上へのレーザー像形成の用途のためのまばらで分散されたパターンを有するマスクであって、
光が透過するための開口と、前記開口の周囲の非透過区域とを含み、前記開口は、完成パターンの部分を個別に形成し、並びに前記完成パターンの分散した部分を総じて形成し、前記非透過区域の少なくとも一部は、前記マスク上の前記開口の間の領域にあり、前記領域は、前記開口によって引き続き像形成されることで前記完成パターンを生成する前記基材上の未結像領域に相当し、前記マスク内の前記開口が前記基材上に繰り返し像形成される場合に、前記分散した部分内の構造が、前記像形成されたパターンの様々な領域内で合併し、分散したスティッチ線を使用して前記基材上に前記完成パターンを生成する、まばらで分散されたパターンを有するマスク。
前記基材が実質的に平坦な形状を有する、請求項８に記載のマスク。
前記基材が実質的に円筒の形状を有する、請求項８に記載のマスク。
前記開口が四角形状を有する、請求項８に記載のマスク。
前記開口が六角形状を有する、請求項８に記載のマスク。
前記マスクが、単一のマスクであって、前記単一のマスクが前記基材上に複数回にわたり像形成される場合に、前記完成パターンの前記分散した部分を形成している前記開口を有する単一のマスクを含む、請求項８に記載のマスク。
前記マスクが、前記基材上に像形成されることで前記完成パターンを生成する、複数のマスクのうちの１つである、請求項８に記載のマスク。
分散したパターンを有するマスクを用いて基材にレーザー像形成するための方法であって、
光が透過するための開口を経て基材に像形成する工程であって、非透過区域が前記開口の周囲を囲み、前記マスク内の前記開口が、完成パターンの分散した部分を総じて形成する、像形成する工程と、
前記マスクを前記基材に対して様々な位置に移動させる工程と、
前記像形成する工程を繰り返す工程と、を含み、
前記マスク内の前記開口が、前記基材上に繰り返し像形成される場合に、前記分散した部分内の構造が、前記像形成されたパターンの様々な領域内で合併し、分散したスティッチ線を使用して前記完成パターンを前記基材上に生成する、方法。
前記基材が実質的に平坦な形状を有する、請求項１５に記載の方法。
前記基材が実質的に円筒の形状を有する、請求項１５に記載の方法。
まばらでかつ分散したパターンを有するマスクを用いて、基材にレーザー像形成するための方法であって、
光が透過するための第一の開口を経て前記基材に像形成する工程であって、非透過区域が前記第一の開口を囲み、前記マスク内の前記第一の開口が、完成パターンの第一の部分を個別に形成する、像形成する工程と、
光が通過するための１つ以上の第二の開口を経て前記基材に像形成する工程であって、前記非透過区域が前記１つ以上の第二の開口を囲み、前記マスク内の前記１つ以上の第二の開口が、前記完成パターンの第二の部分を個別に形成する、像形成する工程と、を含み前記第一の開口及び前記１つ以上の第二の開口は、前記完成パターンの分散した部分を総じて形成し、
前記第一の開口及び前記１つ以上の第二の開口が個別に基材上で像形成される場合に、前記第一の開口及び前記１つ以上の第二の開口が共に前記完成パターンを形成し、
前記マスク内の前記第一の開口及び前記１つ以上の第二の開口が前記基材上に繰り返し像形成される場合に、前記第一の及び第二の分散した部分内の構造が、像形成されたパターンの様々な領域内で合併し、分散したスティッチ線を使用して前記基材上に前記完成パターンを生成する、基材にレーザー像形成するための方法。
前記基材が実質的に平坦な形状を有する、請求項１８に記載の方法。
前記基材が実質的に円筒の形状を有する、請求項１８に記載の方法。
特徴のアレイであって、前記特徴のアレイは、完成パターンの分散した部分を総じて形成していて、分散したスティッチ線を使用して前記完成パターンを生成するように、像形成されたパターンの様々な領域内で繰り返し合併する構造を有する、特徴のアレイを含む、微細複製された物品。
繰り返す２つ以上の、特徴のアレイを含み、前記特徴のアレイのそれぞれは完成パターンの一部として構成要素パターンを形成し、前記完成パターンを生成するよう組み合わされ、前記特徴のアレイは、前記完成パターンの分散した部分を総じて形成し、分散したスティッチ線を使用して前記完成パターンを生成するように、像形成されたパターンの様々な領域内で繰り返し合併する構造を有する、微細複製された物品。