TW202247990A

TW202247990A - 用於創造表面微結構的方法

Info

Publication number: TW202247990A
Application number: TW111116047A
Authority: TW
Inventors: 馬丁烏爾班斯基; 漢斯雷納德普雷赫特爾
Original assignee: 瑞士商羅立克科技股份公司
Priority date: 2021-05-12
Filing date: 2022-04-27
Publication date: 2022-12-16
Also published as: JP2024519766A; CA3215052A1; WO2022238146A1; EP4337996A1; KR20240005855A; CN117295982A

Abstract

本發明涉及用於設計和創建表面微結構的方法，並且包括現有表面微結構的3D掃描以及使用適當的寫入工具將掃描的微結構的處理數據轉移到材料。用本發明的方法產生的表面微結構具有廣泛的應用領域，例如光學安全元件中的安全特徵、液晶的配向層、抗反射表面、AR/VR應用、濾光片、光耦合、微光學元件、以及許多不同技術領域的光照管理。

Description

用於創造表面微結構的方法

本發明涉及一種製造表面微結構的方法，包括使可用的表面微結構的微結構參數適應各種應用的需求。

材料的表面決定了材料與環境的相互作用。例如，一種材料的表面是與其他材料（如氣體、液體和固體）的界面。描述某些表面特性的參數是，例如，表面張力、摩擦力或黏附力。根據應用的不同，這些參數中的每一個都可能需要介於高和低之間。材料的表面也決定了與光的相互作用，例如反射和散射。

雖然材料特性（例如材料的折射率或材料的極性）對上述某些參數有很大影響，但表面紋理對這些參數也有很大影響。例如，表面粗糙度對摩擦力和光散射特性有很大的影響。可以改變固體材料表面輪廓的技術對於不同工業領域的許多應用已經變得非常重要。例如，有一些技術可以在各向同性材料的表面上創建各向異性表面微結構，從而為液晶提供配向能力(alignment capabilities)。例如，光散射各向異性表面微結構被使用作為光學安全元件中的安全特徵。

表面微結構的尺寸很重要。例如，如果微結構元件的尺寸和間距與微結構所暴露的光的波長處於相同數量級，則可能發生光散射。另一方面，如果結構尺寸遠低於光的波長，則不會發生散射，但與材料塊材的折射率相比，表面的有效折射率可能會降低。因此，具有這種微結構的表面可用於抗反射目的。

在上述一些技術中，所需結構是在電腦的幫助下設計的，然後被轉移到材料表面，例如使用燒蝕或微影技術。這種確定性結構的維度可以自由選擇。其他技術，例如基於自組織機制的技術，提供了不確定的表面微結構。與可以自由縮放的電腦設計的確定性結構相比，這種非確定性結構的結構尺寸由製程條件和材料特性決定。藉由改變製程參數和材料特性，可以改變結構尺寸，但通常僅在有限範圍內。此外，可以產生這種表面微結構的區域可能是有限制的。

因此，希望有可用的方法可以產生利用當前可用技術無法獲得的表面微結構，並且可以在更大的面積上經濟地生產。

WO 01/29148 A1公開了一種生產具有表面微結構的聚合物薄膜或塗層的方法，該方法係基於材料的相分離。在被稱為單體波紋（monomer corrugation，MC）技術的方法中，將包含可化學交聯和不可化學交聯物質的材料組合物作為層而施加在基板上。在用紫外光照射該層時，可化學交聯物質開始化學交聯並且化學交聯和非化學交聯物質的相分離開始發展。藉由去除非化學交聯物質，獲得了具有表面微結構的MC層。表面結構的尺寸可以藉由組合物中物質的類型和百分比以及溫度、紫外線劑量和製程持續時間等製程參數來控制。表面微結構可以是各向同性的或各向異性的。如果組合物中的可化學交聯材料是液晶物質，則可以獲得各向異性的表面微結構。各向異性方向可以藉由在由該組合物形成的層下方的配向層而決定。藉由使用提供定向圖案的配向層，可以在MC層中產生具有不同各向異性方向的圖案。例如，MC層可使用作為液晶的配向層、光延遲層、抗反射塗層和光漫射器。

本發明的目的是提供用於生產表面微結構的方法，特別是用於生產非確定性表面微結構，該表面微結構不能用當前可用的技術獲得並且可以在更大的面積上經濟地生產。

本發明提供一種用於創造所需表面微結構的方法，所述方法包括以下步驟： - 提供具有表面微結構的材料，所述表面微結構具有形貌，所述表面微結構被視為原始表面微結構； - 提供3D表面輪廓儀； - 使用所述3D表面輪廓儀獲取所述原始表面微結構的形貌的數位數據； - 提供寫入工具； - 對所述原始表面微結構的形貌的所述數位數據進行處理，以得到將由所述寫入工具寫入的描述結構的數據； - 向所述寫入工具提供用於所需表面微結構的所述描述結構的數據； - 提供目標材料； - 選擇性地提供樹脂； - 創造所需的表面微結構在目標材料中或目標材料上，包括藉由寫入工具使用描述結構的數據在目標材料中或目標材料上或在樹脂中寫入結構。

在本發明的上下文中，“表面微結構”是材料表面的浮雕微結構，因此具有三維形貌。

用語“原始表面微結構”是指藉由3D表面輪廓儀獲取其表面結構的數位數據。

在本發明的上下文中，用語“3D表面輪廓儀”應包括可以提供表面微結構形貌的數位數據的任何工具。合適的3D表面輪廓儀使用諸如原子力顯微鏡(AFM)、掃描穿隧式顯微鏡(STM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、白光干涉儀，光學顯微鏡、共焦顯微鏡、超聚焦成像或雷射掃描。

在本發明的上下文中，“寫入工具”應包括可以在另一種材料中或與另一種材料一起創建或定義微結構的任何工具，只要它具有用於寫入所需表面微結構的適當解析度。第一種合適類型的寫入工具以期望的表面微結構形式在目標材料的表面上添加材料，例如印刷，包括但不限於噴射印刷和3D印刷，特別是高解析度印刷。另一種合適類型的寫入工具從目標材料的表面去除材料，例如藉由雷射燒蝕，較佳為脈衝雷射燒蝕、電子束或離子束寫入。較佳類型的寫入工具是用於微影製程的工具，例如光或電子束微影，其中光或電子束選擇性地照射樹脂，其導致樹脂的照射區域的溶解度變化。與上述藉由添加或去除材料直接產生表面微結構的寫入工具相反，微影中使用的寫入工具僅產生具有所需表面微結構的空間形式的潛在微結構。然後藉由在適當的溶劑中顯影，以在樹脂中形成表面微結構。在樹脂中產生的表面微結構可能已經是所需的表面微結構。然而，較佳地，將樹脂作為施加在目標材料的頂部的一層，並且在樹脂中產生的微結構藉由乾式或濕式蝕刻進一步轉移到目標材料中，從而形成所需的表面微結構。或者，將樹脂作為施加在光遮罩材料的頂部的一層並製造具有寫入樹脂中的微結構的光遮罩，然後將光遮罩用於額外的微影步驟以在目標材料中產生所需的表面微結構。適合微影的寫入工具是電子束微影(EBL)系統或雷射掃描工具。較佳地，寫入工具具有重新調整要寫入的結構的橫向尺寸的選項。如果寫入工具用於重新調整要寫入的結構的橫向尺寸，則數位數據的至少部分處理由寫入工具完成。

原則上，任何種類的材料都可以用作目標材料，例如玻璃、塑料、金屬、陶瓷、矽、熔融石英或樹脂。較佳地，目標材料適用於各向異性蝕刻。較佳地，目標材料是矽晶片或基板上的金屬層，例如玻璃基板。較佳的金屬是鋁、銀、鉻和銅。較佳地，目標材料具有平坦表面。

處理原始表面微結構形貌的數位數據可以包括將數位數據轉換成可以被寫入工具讀取的格式。

由3D表面輪廓儀獲取的原始表面微結構的數位數據可以被進一步處理，例如藉由橫向縮放來改變微結構的橫向尺寸。例如，這允許調整微結構的尺寸以實現所需的與光的相互作用。例如，如果原始表面微結構為可見光提供最佳光散射特性，則可以縮放原始表面微結構的數位數據，使得在目標材料中產生的所需表面微結構為例如紫外(uv)光之較短波長的光提供最佳散射，或為例如紅外(IR)光之較長波長的光提供最佳散射。也可以藉由在不同的橫向方向上應用不同的縮放因子(factor)來應用各向異性縮放，較佳地在兩個不同的方向上，該兩個不同的方向彼此垂直。各向異性縮放改變了表面結構的各向異性特性。例如，可以從各向同性的原始表面微結構產生各向異性結構。另一方面，可以藉由沿各向異性方向應用比垂直於它的方向更大的比例因子來增強微結構的各向異性，例如藉由這種表面微結構為液晶對準提供增加的配向力。可使用標準圖形影像處理電腦程式來處理。

較佳地，數位數據的處理包括數據的向量化。

較佳地，數位數據的處理包括表面微結構形貌的二元化(binarization)，其消除了深度的變化。縱使期望在製造所需表面微結構的過程中藉由控制製程參數來調整深度，結構深度的值也仍然是不在意的。因此，二元化將電子數據簡化為微結構的二維描述。可以對二元化數據進行歸一化，例如，使得在任何橫向位置處該數據要為0或1。在下文中，0或1這兩個位準也分別稱為底部或頂部。因此，將每個橫向位置分配為1的橫向區域稱為頂部區域，並且將每個橫向位置分配為0的區域稱為底部區域。取決於原始表面微結構和所應用的二元化演算法，可能會在二元化的數據中出現偽影，例如顯示成非常小的頂部或底部區域。這種偽影可以藉由應用濾波器來去除，例如雜訊濾波器、平滑式濾波器或其他濾波器，這些濾波器也可以在一些圖形影像處理程式中獲得。處理還可以包括使用合適的電腦程式來手動操作二元化微結構。

存有原始表面微結構，其只有兩個平台，頂部平台和底部平台。此種表面微結構已經是二元化的，且可能不需要對所取得的數據進行二元化。根據上述定義，將屬於頂部平台的區域稱為頂部區域，將屬於底部平台的區域稱為底部區域。

表面微結構的形貌可能非常複雜，特別是如果它看起來像具有不同高度和連續高度變化的“山丘”和“山谷”的樣貌。就像在真實的景觀中一樣，較大的山丘之間可能存在比一些較小的山丘的頂部更高的山谷。因此，結構元素的模糊識別可能無法總是可行的。為了描述表面微結構形貌的橫向尺寸，應使用表面微結構形貌的橫截面，該橫截面位於較低高度位準以上結構深度的50%處。結構深度和較低的高度位準在表面微結構的不同區域可能不同。因此，如果僅考慮包含表面微結構的較大區域的某個區域，則應將考慮區域的結構深度和較低的高度位準應用於表面微結構橫截面的評估。類似於下面更詳細描述的數位數據的二元化，被橫截面切割的微結構區域然後被指定為表面微結構的頂部區域，而其他區域被稱為底部地區。如上所述，由於橫截面而將頂部和底部區域分配給表面微結構只是為了提供微結構元素的明確標識。然而，這並不一定意味著表面微結構的數位數據已經二元化。特別是，二元化可以遵循不同的演算法，這將在下面進一步描述，並且可能導致頂部和底部區域的不同分配。為具有連續高度變化的表面微結構形貌和二元化微結構數據引入用語頂部區域和底部區域簡化了微結構的特徵並避免了額外用語的引入。

在本申請案的上下文中，某一區域的表面微結構的“結構深度”應為表面微結構的上層高度與下層高度之間的高度差。“最高高度位準(upper height level)”應為相應區域內最高山丘的平均高度。為了識別最高的山丘，需要得到相應區域內所有山丘的局部高度最大值，並按高度順序排列。最高的山丘應為具有最高高度的那些山丘的10%。如果相應區域的山丘少於10個，則表面微結構的較高高度位準為最高山丘的高度。類似地，表面微結構的“較低高度位準(lower height level)”應為相應區域中最低山谷的平均高度。為了識別最低山谷，獲取相應區域內所有山谷的局部高度最小值，並按高度排序。最低山谷應為具有最低高度的那些山谷的10%。如果相應區域的山谷少於10個，則表面微結構的較低高度位準是最低山谷的高度。

原則上，原始表面微結構可以具有任何值的結構深度。較佳地，原始表面微結構的結構深度在10nm至100μm的範圍內，更佳的是在30nm至10μm的範圍內，最佳的是在50nm至2μm的範圍內。

在本發明的上下文中，用語“平均結構寬度”是頂部區域的平均寬度。對於各向異性表面微結構，平均結構寬度沿不同的橫向方向可能不同。

較佳地，原始表面微結構包括一區域，在該區域中，當表面微結構為各向異性時，沿垂直於各向異性方向的方向確定的平均結構寬度在10nm至1mm的範圍內，更佳的是在50nm至100µm的範圍內，最佳的是在100nm至10µm的範圍內。在原始表面微結構為各向異性的情況下，原始表面微結構較佳地包括沿各向異性方向的平均結構寬度較佳在50nm至5mm範圍內的區域，更佳的是在200nm至200μm範圍內的區域並且最佳的是在500nm至50µm的範圍內的區域。

在本發明的上下文中，用術語“平均橫向結構距離”是相鄰頂部區域之間的平均距離。對於各向異性表面微結構，平均橫向結構距離沿不同的橫向方向可能不同。

較佳地，原始表面微結構包括一區域，在該區域中，當表面微結構為各向異性時，沿垂直於各向異性方向的方向確定的平均橫向結構距離在10nm至1mm的範圍內，更佳的是在範圍為50nm至100µm，最佳的範圍為100nm至10µm。在原始表面微結構為各向異性的情況下，原始表面微結構較佳地包括一區域，在該區域中，沿各向異性方向的平均橫向結構距離較佳的是在50nm至5mm範圍內，更佳的是在200nm至200µm範圍內，最佳的是在500nm至50µm的範圍內。

在本發明的上下文中，用語“微結構填充因子”被定義為頂部區域的總面積與所有頂部和所有底部區域的積分面積之比值。較佳地，原始表面微結構具有至少一個區域，在該區域中，微結構填充因子在0.050至0.95的範圍內，更佳的是在0.2至0.8的範圍內，最佳的是在0.3至0.7的範圍內。

較佳地，原始表面微結構是光學有效的，這意味著入射光根據表面微結構以特性方式調變。更佳地，與光的相互作用使得光被繞射、折射或散射。

原始表面微結構可以是各向同性的或各向異性的。也有可能呈現在某些區域的微結構是各向同性的，而在其他區域的微結構是各向異性的。原始表面微結構可以是周期性的或非週期性的。也有可能呈現在一些區域中的微結構是周期性的，而在其他區域中的微結構是非週期性的。

在本發明的上下文中，各向異性微結構中的用語“各向異性方向”是指在微結構平面內的局部對稱軸，例如沿著表面微結構的凹槽的方向。

各向異性的程度可以用有序參數來描述。

綜上所述，在本發明的上下文中，可以特徵化微結構的參數以下稱為微結構參數，包括但不限於平均結構寬度、平均橫向結構距離、微結構填充因素、各向異性方向、各向異性程度和結構深度。取決於微結構的種類，並非所有這些微結構參數都可以合理地用於其特徵。

在本發明的較佳實施例中，處理包括在不同位置多次排列微結構以形成更大面積的微結構。在許多電腦程式中，這對應於諸如“複製”和“貼上”之類的操作，例如在上述圖形影像處理電腦程式中。為此，微結構的全部或部分區域可以選擇為“基本微結構元素”。如果基本微結構元素內的微結構是均勻的，則藉由在不同位置多次排列基本微結構元素，可以產生具有均勻微結構的大區域。另一方面，如果基本微結構元素包括具有一個或多個不同微結構參數的多個區域，則多個多重排列的基本微結構元素在更大面積上形成微結構，其具有重複的基本微結構元素的不同區域。例如，如果基本微結構元素為矩形且由兩個均具有各向異性微結構的正方形區域組成，其中兩個區域的各向異性方向相互垂直，則大區域具有棋盤格微結構的外觀，其中平行和垂直各向異性方向的微結構區域在x和y方向上交替，可以藉由在x和y方向上多次適當地排列基本微結構元素來創建。較佳地，基本結構元素的形狀使得整個大區域可以被基本結構元素填充而沒有任何間隙。類似於電腦程式語言，在不同位置多次排列的基本微結構元素也稱為“複製”基本微結構元素。

在本申請案的上下文中，由多次排列的基本微結構元素所產生的微結構應稱為“複合微結構”。

較佳地，基本微結構元素的一個或多個微結構參數在其作為複合微結構的一部分排列在特定位置之前或之後藉由電腦軟體進行修改。對於每個附加位置，基本微結構元素的微結構參數及其區域的尺寸和形狀的修改可能不同。修改後的基本微結構元素也被認為是基本微結構元素。

不同的基本微結構元素可用於設計複合微結構，然後可以將其作為描述結構的數據傳輸到寫入工具。較佳地，複合微結構的創建包括佈置兩個基本微結構元素，它們的不同在於微結構的平均橫向結構距離及/或它們的不同在於微結構的平均結構寬度及/或它們的不同在於微結構的微結構填充因子及/或它們的不同在於微結構的各向異性方向不同及/或各向異性程度不同及/或其中一個基本微結構元素包括週期性微結構而另一個基本微結構元素包括非週期性微結構，及/或者其中一個基本微結構元素包括確定性微結構並且另一個基本微結構元素包括非確定性微結構。

因此，複合微結構較佳地包括兩個區塊，這兩個區塊的不同在於微結構的平均橫向結構距離。較佳地，複合微結構包括兩個區塊，它們的不同在於微結構的平均結構寬度。較佳地，複合微結構包括兩個區塊，這兩個區塊的不同在於微結構的微結構填充因子。較佳地，複合微結構包括具有周期性微結構的區塊和具有非週期性微結構的區塊。較佳地，複合微結構包括兩個具有各向異性微結構的區塊，它們的不同在於微結構的各向異性方向。較佳地，複合微結構包括具有各向異性微結構的兩個區塊，它們的各向異性程度不同。進一步較佳的是，在複合微結構的區域內存在不具有微結構的區域。當然，上述較佳的實施例的任何組合都是可能的。

較佳地，使用描述結構的數據在目標材料中或目標材料上創建的所需表面微結構包括具有光學有效的表面微結構的區域以及為液晶對準提供最佳表面微結構的區域。

使用描述結構的數據在目標材料中或目標材料上創建的所需表面微結構的結構深度可以與原始表面微結構的結構深度相同或不同。較佳地，期望的表面微結構的結構深度小於原始表面微結構的結構深度。更佳的是，期望的表面微結構的結構深度大於原始表面微結構的結構深度。較佳地，期望的表面微結構的結構深度在10nm至100μm的範圍內，更佳的在30nm至10μm的範圍內，最優選在50nm至1μm的範圍內。

較佳地，期望的表面微結構具有至少一個區域，其中微結構填充因子在0.050至0.95的範圍內，更佳的在0.2至0.8的範圍內，最佳的在0.3至0.7的範圍內。

較佳地，期望的表面微結構包括一區域，在該區域中當表面微結構是各向異性沿垂直於各向異性方向的方向而確定時，該區域中的平均結構寬度在10nm至1mm的範圍內，更佳的在範圍內從50nm到100µm，最佳的在100nm到10µm的範圍內。在期望的表面微結構是各向異性的情況下，期望的表面微結構較佳地包括一區域，在該區域中沿各向異性方向的平均結構寬度在50nm至5mm的範圍內，更佳的在200nm至200µm的範圍內，並且最佳的在500nm至50µm的範圍內。

較佳地，期望的表面微結構包括一區域，在該區域中，當表面微結構是各向異性時，沿垂直於各向異性方向的方向確定的平均橫向結構距離在10nm至1mm的範圍內，較佳的在50nm至100µm的範圍內，最佳的在100nm至10µm的範圍內。在期望的表面微結構是各向異性的情況下，期望的表面微結構較佳地包括一區域，在該區域中，沿各向異性方向的平均橫向結構距離在50nm至5mm的範圍內，更佳的在200nm至200µm的範圍內，並且最佳的在500nm至50µm的範圍內。

上述數據處理方法允許設計非常複雜的微結構圖案，即使原始表面微結構是均勻的並且可以藉由一組微結構參數來描述。特別地，可以使用相同的原始表面微結構來設計多個複合微結構。因此，即使具有高度複雜性的新微結構，也可以在電腦上輕鬆設計，儘管微結構本身可能是不確定的。因此，本領域已知的方法，例如用於生成具有不同各向異性方向的圖案的各向異性表面微結構，例如WO 01/29148中描述的那些方法，可以用本發明的方法代替。例如，如上所述的複合微結構可以用於設計和產生在某些區域光學有效的表面微結構，例如它們可以提供光散射特性，而其他區域提供用於液晶排列的最佳表面微結構。

藉由本發明的方法所產生的表面微結構具有廣泛的應用領域。例如，它們可用於光學安全元件、液晶的配向層(alignment layer)、抗反射表面、AR/VR應用、濾光片、光耦合、微光學元件、以及許多不同技術領域的光照管理。

本發明的方法藉由使用圖1中描繪的人造表面微結構1作為原始表面微結構來進一步解釋。圖1的表面微結構是在沒有使用計算演算法的情況下為了進行說明而創建的電腦模擬。為了解釋的目的，表面微結構1可因此認為是非確定性的(non-deterministic)。此外，表面微結構1顯然是各向異性的和非週期性的，並且包括不同高度的山丘2和山谷3，從山丘到山谷具有連續的過渡，反之亦然。

圖2說明數位數據的表面微結構4，其藉由3D表面輪廓儀從圖1的表面微結構1中獲取。

一旦原始表面微結構的數位數據是可獲得的，它們就可以藉由電腦程式(例如，標準圖形影像操作程式)進行處理。如果希望使用適當的寫入工具生成用於在目標材料中創建類比表面微結構之描述結構的數據，則原始表面微結構的數位數據的操作可以在三個維度上進行。除了在表面平面內沿橫向方向縮放微結構外，還可以藉由在深度方向（其垂直於表面平面的方向）上縮放數據來增加或減小表面微結構的深度。

另一方面，如果寫入工具只能傳遞橫向結構信息，例如如果使用二元化微影製程，則較佳的是將表面微結構的數據二元化。因此，描述結構的數據僅包括兩個高度位準。這樣做的好處是微結構的邊界被很好地定義，並且將在目標材料中產生的表面微結構的橫向尺寸幾乎不依賴於製程條件，例如光微影中使用的曝光能量。可以藉由調整製程參數來選擇目標材料中所需表面微結構的深度。也可以產生在不同區域具有不同深度的表面微結構，例如藉由在各個區域中使用不同的製程參數，例如藉由不同區域的依序處理。

二元化(binarization)可以直接對原始表面微結構的數位數據進行，也可以在一些數據處理(例如，橫向縮放)之後進行。有多種沿深度方向對表面微結構的數據進行二元化的方法。一種直接的方法是在高度數值的範圍內定義臨界高度，使得高於臨界高度的每個高度位準分配為頂部位準，並且低於臨界高度的每個高度位準分配為二元化微結構的底部位準。因此，分別形成頂部區域和底部區域。當然，如果需要生成具有倒置形貌的表面微結構，則可以將作為頂部位準和底部位準的該分配顛倒。

藉由如上所述而定義臨界高度的二元化對應在特定高度穿過微結構的橫截面。橫截面的高度通常對二元化的微結構的形狀以及微結構填充因子有很大的影響。圖2的表面微結構4在第一高度位準處的第一橫截面5描繪於圖3a中。第一橫截面的區域6定義了對應的二元化數據的頂部區域。較低臨界高度的第二橫截面7描繪於圖3b中。第二橫截面的區域8(其被分配為對應的二元化數據的頂部區域)的總面積明顯地大於第一橫截面的情況。一方面來說，個別頂部區域的寬度被加寬。另一方面來說，還有額外的不同區域，它們對應於原始表面微結構的較小的山丘，其在第一橫截面中被分配為底部區域，但在第二橫截面中被分配為頂部區域。因此，從第二橫截面獲得的二元化數據的微結構填充因子明顯大於從第一橫截面獲得的二元化數據的微結構填充因子。因此，原始微結構的數位數據的處理允許改變微結構填充因子。

較佳地，在微結構內存在至少一個區域，其中二元化數據的微結構填充因子在0.050至0.95的範圍內，更佳地在0.2至0.8的範圍內，最佳地在0.3至0.7的範圍內。

圖4示出二元化的微結構10，其由根據如同上面所述之圖3b的橫截面的二元化而產生。微結構包括頂部區域11和底部區域12。顯然地，微結構是各向異性的，其各向異性的方向大約在垂直方向，如箭頭13所示。

圖5描繪了所需表面微結構14的構想圖，其藉由一種方法創建，該方法包括使用寫入工具利用圖4的描述結構的數據在目標材料中或目標材料上或樹脂中寫入結構。表面微結構14僅具有頂部區域15和底部區域16，因此是二元化表面微結構。與圖4的微結構相比，表面微結構14的橫向尺寸未被改變。表面微結構14的深度可以藉由用於製造的製程條件進行調整。

表面微結構的數位數據可以橫向放大或縮小以改變表面結構的橫向尺寸。可以在不同的橫向方向上使用不同的縮放因子來實現各向異性的縮放。

圖6a的微結構20已經藉由沿x和y方向以大於1的相同因子重新縮放圖4的微結構10而獲得。雖然微結構20的頂部和底部區域的面積被放大，但與圖4的微結構10相比，微結構填充因子未被改變。假設已經使用寫入工具以及圖4的描述結構的數據創建的圖5的表面微結構14，將為特定波長範圍的光提供最佳的光散射特性，那麼可以用類似的方式創建表面微結構，但是使用圖6a的描述結構的數據，將可為包括比上述特定波長範圍的波長更長的波長的光的波長範圍提供最佳的光散射特性。放大原始表面微結構的橫向尺寸的比例因子通常大於1.1。較佳地，用於放大原始表面微結構的橫向尺寸的比例因子大於1.5，更佳地大於2，最佳地大於5。

圖6b的微結構21已經藉由沿x和y方向以小於1的相同因子重新縮放圖4的微結構10而獲得。雖然微結構21的頂部和底部區域的面積被縮小，但與圖4的微結構10相比，微結構填充因子未被改變。假設已經使用寫入工具和圖4的描述結構的數據創建的圖5的表面微結構14，將為特定波長範圍的光提供最佳的光散射特性，那麼以類似地方式創建的表面微結構但是使用圖6b的描述結構的數據，將為包括比上述特定波長範圍的波長更短的波長的光的波長範圍提供最佳的光散射特性。縮小原始表面微結構的橫向尺寸的比例因子通常小於0.95。較佳地，用於縮小原始表面微結構的橫向尺寸的比例因子小於0.8，更佳地小於0.5，最佳地小於0.2。

圖7a的微結構22已經藉由沿各向異性方向y將圖4的微結構10各向異性縮放1.5倍而獲得。這對應於拉伸微結構並且具有增加微結構的各向異性的效果。在為光散射而設計的表面微結構中，如果微結構的各向異性增加，則經散射的光的空間分佈的各向異性會增加。此外，在為液晶的配向層所設計的表面微結構中，配向力和配向品質隨著微結構各向異性的增加而增加。作為微結構22的示例的替代方案，較佳的是還沿垂直於各向異性軸(x方向)的軸將微結構縮放小於或大於1的因子。各向異性縮放也可以應用於各向同性微結構。較佳地，沿第一方向的縮放因子大於沿第二方向的縮放因子1.1倍，更佳地大於1.5倍，最佳地大於2倍，其中在某個方向上不縮放意味著各自的方向的縮放因子為1。較佳地，第二方向垂直於第一方向。較佳地，第一方向平行於各向異性方向。

圖7b的微結構23已經藉由沿垂直於各向異性方向的方向將圖4的微結構10各向異性縮放1.5倍而獲得。這具有減少微結構的各向異性的效果。對於為了光散射而設計的表面微結構而言，如果微結構的各向異性減少，則經散射的光的空間分佈的各向異性會減少。藉由微結構的各向異性縮放，可因此調整光散射的空間分佈。較佳地，沿垂直於各向異性方向的方向的縮放因子大於沿各向異性方向的縮放因子1.1倍，更佳地大於1.5倍，最佳地大於2倍，其中在某個方向上不縮放意味著各自的方向的縮放因子為1。

圖8示出複合微結構的示例。圖8a示出圖4的微結構10，其以不同的再現比例描繪，其被選擇為基本微結構元素。圖8b示出複合微結構24，其是藉由在兩列和四行的矩陣中配置基本微結構元素10八次而獲得的。因此，微結構24的面積比微結構10的面積大8倍。較佳地，組成微結構包括2個或更多個基本微結構元素，更佳地有5個或更多個基本微結構元素，並且最佳地有十個或更多個基本微結構元素。

由於規則排列，基本微結構元素可以容易地在圖8b的複合微結構24中識別。規則排列可以產生基本微結構元素的非確定性微結構和由基本微結構元素的規則排列產生的周期性結構的疊加。如果使用微結構24的數據製造的所需微結構是用於光散射應用，則在這種表面微結構上散射的光的空間分佈對應於由在非確定性微結構部分處的散射引起的具有平滑角強度變化的光的疊加以及由在基本微結構元素的規則排列處的散射引起的特徵角光強度最大值。對於某些應用而言可能需要這種效果，但也可能是不需要的。

藉由使用更複雜的演算法透過多次排列基本微結構元素來組成微結構，可以避免規則排列的影響。圖9顯示了同樣由圖8a的基本微結構元素所組合而成的複合微結構25。然而，將複製的基本微結構元素以輕微重疊的方式排列，這導致重疊微結構元素的一種變形。此外，複製的基本微結構元素在第二列和第四列中以垂直偏移的方式定位。圖9的所得複合微結構25的影像在底部和頂部被裁剪以獲得如圖9所示的形狀。圖8b中可觀察到的規則圖案在圖9中不再觀察到。藉由進一步隨機化複製的基本微結構元素的位置，可以避免由基本微結構元素的多重排列引起的任何週期性。

圖10顯示了一個範例，其中圖9的複合微結構25的一部分被用作基本微結構元素。藉由將基本微結構元件沿x方向佈置兩次以及沿y方向佈置兩次來創建新的複合微結構26，其中在兩個位置處基本微結構元件是旋轉90°。較佳地，所述複合微結構具有為不同各向異性方向的區塊並且較佳地包括兩個、三個、四個、五個或更多個不同的各向異性方向。

圖11顯示了使用數位繪圖電腦程式所創建的各向同性表面微結構30的範例。表面微結構30包括高度相同的各向同性凸台31，隨機分佈在表面的底層32上。因為表面微結構僅具有兩個高度位準，從穿透凸台31的橫截面獲得的圖12的二元化微結構35獨立於形成該橫截面的高度。

圖13示出了各向異性微結構36，其藉由使用沿水平方向使用大於1的縮放因子且沿垂直方向不重新縮放而作為各向同性微結構35的各向異性縮放的結果。

用作原始表面微結構的較佳表面微結構是藉由稱為單體波紋(MC)技術的方法產生的，該方法使用可交聯和不可交聯物質的混合物的相分離和交聯，如國際專利申請案WO 01/29148 A1中所公開，其內容透過引用併入本文中。根據該方法，將包含可交聯和不可交聯物質的材料組合物作為層施加在基板上。在用紫外光照射該層時，可交聯物質開始交聯，並且交聯和非交聯物質的相分離開始發展。藉由去除非交聯物質，例如藉由在合適的溶劑中洗滌，獲得具有表面微結構的MC層。表面微結構的尺寸可以藉由物質的類型和組合物中相應物質的百分比以及透過溫度、紫外線劑量和製程持續時間等製程參數來控制。表面微結構可以是各向同性的或各向異性的。如果組合物中的可化學交聯材料是液晶物質，則可以獲得各向異性的表面微結構。各向異性方向可以藉由在由該組合物形成的層下方的配向層界定。藉由使用提供定向圖案的配向層，可以在MC層中產生具有不同各向異性方向的圖案。例如，MC層可使用作為液晶的配向層、光延遲層、抗反射塗層和光漫射器。

藉由在WO 2010/094441 A1中公開的方法產生具有二元化表面深度分佈的較佳表面微結構以作為原始表面微結構，其內容透過引用併入本文。該方法基於上述MC技術，但透過額外的蝕刻步驟修改了WO 01/29148 A1的表面微結構的深度輪廓，從而得到只有兩個高度位準的表面微結構。因此，表面微結構僅具有頂部區域和底部區域，每個區域都處於特定高度位準。

在本發明的較佳實施例中，原始表面微結構具有至少一個區域，至少一個區域的微結構是非週期性的。較佳地，原始表面微結構具有至少一個區域，至少一個區域的微結構是非週期性的。

對於特徵化非週期性或非確定性表面微結構輪廓的有用參數是自相關函數(autocorrelation function)和相關的自相關長度(autocorrelation length)。表面微結構輪廓的一維或二維自相關函數可以理解為對於平面中空間上相隔距離x的兩個點的表面微結構輪廓的可預測性的測量。

函數P(x)的自相關函數AC(x)，例如表面微結構輪廓，定義為

有關自相關函數和相應程式化問題的更多詳細訊息，請參見例如在“C數值算法：科學計算的技藝(Numerical recipes in C: the art of scientific computing / WilliamH. Press; Saul A. Teukolsky; William T. Vetterling; Brian P. Flannery - Cambridge; new York: Cambridge University Press, 1992)”一書中所述。

對於非週期性或非確定性表面微結構輪廓，自相關函數隨著x的增加而迅速衰減。另一方面，對於例如在光柵中發現的確定性表面微結構輪廓，所述自相關不會衰減。然而，在光柵的情況下，自相關函數是用周期函數調變的。

在下文中，AC(x)應代表平均的一維自相關函數。根據所述平均的一維自相關函數，可以確定單個特徵數，即自相關長度L。為此，藉由用直線連接AC(x)的相關局部最大值來構成平均自相關函數的包絡(envelope)。如果x＞0時沒有相關的AC(x)的局部最大值，則包絡應與平均自相關函數相同。此外，如果在AC(x)≤AC(0)/10時沒有相關的局部最大值，則AC(x)≤AC(0)/10的包絡值應等於AC(x)。自相關長度L被確定為x的值，對於該值，平均自相關函數的包絡最終衰減到AC(0)的10%以下。

用語相關局部最大值是用於排除次要局部最大值，例如由雜訊所引起的。決定是否局部最大AC _m(x _m)是相關的局部最大值，最大值x _m-1＜x _m是根據AC(x)≥AC _m(x _m)而決定並且AC _m(x _m)的值和在x _m-1到x _m範圍內AC(x)的最小值之差被計算為AC _mdiff1。同樣，最小值x _m+1＞x _m是根據AC(x)≥AC _m(x _m)而決定並且AC _m(x _m)的值和在x _m到x _m+1範圍內AC(x)的最小值之差被計算為AC _mdiff2。而差AC _mdiff等於AC _mdiff1和AC _mdiff2中的較低者。萬一x _m+1不存在，則AC _mdiff應等於AC _mdiff1。如果AC _mdiff大於AC(0)的0.5%，局部最大AC _m(x _m)應被視為相關的局部最大值。

較佳地，原始表面微結構包括至少一個具有表面微結構的區域，該表面微結構在至少一個方向上具有平均的一維的自相關函數AC(x)，自相關長度小於平均橫向結構距離的三倍。對於各向異性表面調變，所述一個方向垂直於各向異性方向。

更佳的是原始表面微結構，其中自相關長度小於平均橫向結構距離的兩倍。甚至更佳的是原始表面微結構，其中自相關長度小於一個平均橫向結構距離。

在另一較佳實施例中，自相關長度L大於平均橫向結構距離的百分之一。

為了描述各向異性表面微結構，用語表面微結構縱橫比(surface microstructure aspect ratio，SMAR)在本發明的上下文中被定義為表面微結構頂部和底部區域的平均長寬比。SMAR分別強烈決定了在表面微結構處散射的光的方位光學外觀(azimuthal optical appearance)或當表面微結構用作液晶配向層的情況下的配向強度。對於SMAR=1，其對應於在至少兩個橫向上平均表現出相同延伸的表面微結構，對於入射光的散射特性幾乎與光的方位角入射角無關，如果用作配向層，沒有定義液晶配向的優選方向。因此，當包含表面微結構的元件沿垂直於元件表面的軸旋轉時，從具有SMAR=1的表面微結構反射的光的強度幾乎不改變。

對於目的在用作光散射表面的各向異性所需表面微結構，散射光的強度取決於光的方位角入射角。為了要能夠直觀的識別這種相依關係，所需表面微結構的SMAR較佳地大於1.1，更佳地大於2，最佳地大於5。對於非常大的SMAR值，大量光被散射到的方位角範圍變得更小，這使得更難以目視觀察反射光，例如在光學安全設備中使用時。所以，較佳地，在所需的表面微結構中存在至少一個區域，其中SMAR小於50，更佳的是小於20，最佳的是小於10。較佳地，SMAR在1.1到50的範圍內，更佳地，SMAR在2到20的範圍內。

本發明和不同的實施例可以被概括為以下幾項： 1. 一種用於創造所需表面微結構的方法，所述方法包括以下步驟： - 提供具有表面微結構的材料，所述表面微結構具有形貌，所述表面微結構被視為原始表面微結構； - 提供3D表面輪廓儀； - 使用所述3D表面輪廓儀獲取所述原始表面微結構的形貌的數位數據； - 提供寫入工具； - 對所述原始表面微結構的形貌的所述數位數據進行處理，以得到將由所述寫入工具寫入之描述結構的數據； - 向所述寫入工具提供用於所需表面微結構的所述描述結構的數據； - 提供目標材料； - 選擇性地提供樹脂； - 在所述目標材料中或所述目標材料上創造所述所需表面微結構，包括使用所述寫入工具在所述目標材料中或所述目標材料上或使用所述描述結構的數據在樹脂中寫入結構。 2. 如第1項的方法，其中所述原始表面微結構包括一區域，在所述區域中當表面微結構是各向異性時沿垂直於各向異性方向的方向而確定時，所述區域中的所述平均結構寬度在10nm至1mm的範圍內，更佳的在從50nm至100µm的範圍內，最佳的在範圍為100nm至10µm的範圍內。 3. 如前述任一項的方法，其中原始表面微結構包括一區域，在該區域中，當表面微結構為各向異性時，沿垂直於各向異性方向的方向確定的平均結構寬度在10nm至1mm的範圍內，更佳的在50nm到100µm的範圍內，最佳的在100nm到10µm的範圍內。 4. 如前述任一項的方法，其中所述原始表面微結構具有至少一區域，所述至少一區域中的微結構填充因子是在0.050至0.95的範圍內，較佳的是在0.2至0.8的範圍內，並且最佳的是在0.3至0.7的範圍內。 5. 如前述任一項的方法，其中所述原始表面微結構的結構深度是在10nm至100 μm的範圍內，較佳地是在30nm至10 μm的範圍內，並且最佳地是在50nm至2 μm的範圍內。 6. 如前述任一項的方法，其中所述原始表面微結構具有至少一個區域，所述至少一個區域的微結構是各向異性的。 7. 如前述任一項的方法，其中所述原始表面微結構具有至少一個區域，至少一個區域的微結構是非週期性的。 8. 如前述任一項的方法，其中所述原始表面微結構是藉由包括以下步驟的方法所製成： - 提供基板； - 提供包含可交聯物質和不可交聯物質的材料組合物； - 在所述基板上形成一層所述材料組合物； - 藉由紫外光的照射引發所述可交聯物質的交聯作用；以及 - 去除所述非交聯物質。 9. 如前述任一項的方法，其中處理所述原始表面微結構的數位數據包括在所述微結構平面內橫向縮放所述微結構。 10. 如第9項的方法，其中在不同的橫向方向上應用不同的縮放因子，較佳地是在兩個彼此垂直的不同的方向上。 11. 如前述任一項的方法，其中處理所述原始表面微結構的數位數據包括所述數位數據的二元化。 12. 如前述任一項的方法，其中處理原始表面微結構的數位數據包括藉由佈置兩個基本微結構元素來創建複合微結構，所述兩個基本微結構元素的不同在於微結構的平均橫向結構距離及/或它們的不同在於微結構的平均結構寬度及/或它們在微結構的微結構填充因子上不同及/或在微結構的各向異性方向上不同及/或在各向異性程度上不同及/或其中一個基本微結構元素包括週期性微結構且另一個基本微結構元素包括非週期性微結構。 13. 如前述任一項的方法，其中所需表面微結構包括具有光學有效的表面微結構的區域和提供用於液晶配向的最佳表面微結構的區域。 14. 如前述任一項的方法，所述所需表面微結構的結構深度大於所述原始表面微結構的結構深度。 15. 如前述任一項的方法，其中，所述所需表面微結構的表面微結構縱橫比(SMAR)較佳地大於1.1，更佳地大於2，最佳地大於5。

1:表面微結構 2:山丘 3:山谷 4:表面微結構 5:第一橫截面 6:第一橫截的區域 7:第二橫截面 8:第二橫截面的區域 10:微結構 11:頂部區域 12:底部區域 13:箭頭 14:表面微結構 15:頂部區域 16:底部區域 20:微結構 21:微結構 22:微結構 23:微結構 24:複合微結構 25:複合微結構 26:複合微結構 30:表面微結構 31:凸台 32:底層 35:微結構 36:微結構

本發明將藉由隨附圖式進一步說明。需要強調的是，各種特徵不一定按比例繪製。

[圖1]示出具有各向異性表面微結構的材料的構想圖，其被視為是原始表面微結構。

[圖2]示出圖1的原始表面微結構形貌的模擬採集數位數據的3D圖。

[圖3a]示出基於與圖2相同數據的形貌，其中頂部在特定高度處被切除，因此上表面是穿過形貌的橫截面。

[圖3b]示出類似於圖3a之穿透該形貌的橫截面，但是在不同高度位準。

[圖4]示出圖2的形貌的二元化微結構，對應於圖3b的橫截面。

[圖5]示出具有兩個高度位準的二元表面微結構，其是使用圖4的二元化數據在目標材料中而創建。

[圖6a]示出經放大的微結構，其藉由沿x和y方向以相同的比例因子對圖4的微結構進行放大而獲得。

[圖6b]示出經縮小的微結構，其藉由沿x和y方向以相同的比例因子對圖4的微結構進行縮小而獲得。

[圖7a]示出圖4的微結構的各向異性縮放所得的微結構，該微結構沿y方向放大的因子大於1。

[圖7b]示出圖4的微結構的各向異性縮放所得的微結構，該微結構沿x方向放大的因子大於1。

[圖8a]示出圖4的微結構10，其以不同的再現比例描繪。

[圖8b]示出沿x和y方向佈置圖8a的基本微結構元素多次所得的複合微結構。

[圖9]示出複合微結構，其也是基於圖8a的基本微結構元素，但應用了與圖8b不同的佈置法則。

[圖10]示出複合微結構，其中圖9的複合微結構的一部分已被定義為基本微結構元素而接著沿x方向排列兩次並且沿y方向排列兩次，其中在兩個位置處基本微結構元素被旋轉90°。

[圖11]示出具有各向同性表面微結構的材料的構想圖，其被視為是原始表面微結構。

[圖12]示出圖11的形貌的二元化微結構。

[圖13]示出縮放圖12的各向同性微結構所得的各向異性微結構，該微結構沿x方向放大的因子大於1。

1:表面微結構

2:山丘

3:山谷

Claims

一種用於創造所需表面微結構的方法，所述方法包括以下步驟：提供具有表面微結構的材料，所述表面微結構具有形貌，所述表面微結構被視為原始表面微結構；提供3D表面輪廓儀；使用所述3D表面輪廓儀獲取所述原始表面微結構的形貌的數位數據；提供寫入工具；對所述原始表面微結構的形貌的所述數位數據進行處理，以得到將由所述寫入工具寫入的結構描述數據；向所述寫入工具提供用於所需表面微結構的所述結構描述數據；提供目標材料；選擇性地提供樹脂；在所述目標材料中或所述目標材料上創造所述所需表面微結構，包括使用所述寫入工具在所述目標材料中或所述目標材料上或使用所述結構描述數據的結構在樹脂中寫入結構。
如請求項1的方法，其中所述原始表面微結構包括一區域，在所述區域中，當表面微結構是各向異性時，沿垂直於各向異性方向的方向而確定的所述平均結構寬度在10nm至1mm的範圍內，更佳的在從50nm至100µm的範圍內，最佳的在範圍為100nm至10µm的範圍內。
如請求項1或2的方法，其中所述原始表面微結構包括一區域，在該區域中，當表面微結構是各向異性時，沿垂直於各向異性方向的方向確定的所述平均橫向結構距離在10nm至1mm的範圍內，更佳的在50nm到100µm的範圍內，最佳的在100nm到10µm的範圍內。
如請求項1或2的方法，其中所述原始表面微結構具有至少一區域，所述至少一區域的微結構填充因子是在0.050至0.95的範圍內，較佳地是在0.2至0.8的範圍內，並且最佳地是在0.3至0.7的範圍內。
如請求項1或2的方法，其中所述原始表面微結構的結構深度是在10nm至100µm的範圍內，較佳地是在30nm至10µm的範圍內，並且最佳地是在50nm至2µm的範圍內。
如請求項1或2的方法，其中所述原始表面微結構具有至少一個區域，所述至少一個區域的微結構是各向異性的。
如請求項1或2的方法，其中所述原始表面微結構具有至少一個區域，所述至少一個區域的微結構是非週期性的。
如請求項1或2的方法，其中所述原始表面微結構是通過包括以下步驟的方法所製成：提供基板；提供包含可交聯物質和不可交聯物質的材料組合物；在所述基板上形成一層所述材料組合物；通過紫外光的照射引發所述可交聯物質的交聯作用；以及去除所述非交聯物質。
如請求項1或2的方法，其中處理所述原始表面微結構的數位數據包括在微結構平面內橫向縮放微結構。
如請求項9的方法，其中在不同的橫向方向上應用不同的縮放因子，較佳地是在兩個彼此垂直的不同的方向上。
如請求項1或2的方法，其中處理所述原始表面微結構的數位數據包括所述數位數據的二元化。
如請求項1或2的方法，其中處理所述原始表面微結構的所述數位數據包括藉由佈置兩個基本微結構元素來創建複合微結構，所述兩個基本微結構元素的不同在於微結構的平均橫向結構距離及/或不同在於微結構的平均結構寬度及/或在微結構的微結構填充因子上不同及/或在微結構的各向異性方向上不同及/或在各向異性程度上不同及/或其中一個基本微結構元素包括週期性微結構且另一個基本微結構元素包括非週期性微結構。
如請求項1或2的方法，其中所述所需表面微結構包括具有光學有效的表面微結構的區域和提供用於液晶配向的最佳表面微結構的區域。
如請求項1或2的方法，所述所需表面微結構的結構深度大於所述原始表面微結構的結構深度。
如請求項1或2的方法，其中，所述所需表面微結構的表面微結構縱橫比(SMAR)較佳地大於1.1，更佳地大於2，最佳地大於5。