使用蚀刻掩模来制造压花设备的方法和系统与流程

1.本发明涉及诸如压花辊、辊、滚筒、板、圆筒等压花设备的领域，更具体地，涉及制造外表面具有压花结构的压花设备的方法以及相应的制造系统的领域，例如，用于对包装材料进行压花的压花设备，使用这样的压花设备对包装材料进行压花。


背景技术：

2.在现有技术中，已经针对不同的应用领域提出了不同的方法来制造压花辊。例如，压花的或结构化的包装箔已用于各种工业部门的包装，例如，烟草产品、诸如巧克力、甜食、糖果等的食品，以及诸如电子元件和设备的装置、珠宝、手表或用于任何零售部门礼品包装的包装箔。例如，出于美观和保护目的，已经使用了具有特定图案的所谓内衬，该内衬可以包裹在香烟、雪茄、巧克力周围。压花辊可用于连续的卷对卷(roll-to-roll，r2r)制造工艺，其中薄箔压花有压花图案，压花图案可以包括金属元素、可穿透的导电元素、非金属元素、电介质元素等。另一个应用领域是使用热塑性薄膜，通过热压花工艺，例如通过r2r或卷对板(roll-to-plate，r2p)，例如热塑性聚合物的热压花，来创建压花图案。例如，参见《微型机械与微型工程学报》2013年第24卷第1期第013001页中peng等人的《热塑性聚合物的微热压花：综述》(peng et al.,“microhot embossing of thermoplastic polymers:a review,”journal of micromechanics and microengineering,vol.24,no.1,p.013001,2013)。
3.关于通过激光工艺制造用于协作辊对的压花辊或滚筒，编号为9,579,924的美国专利(其全部内容通过引用并入本文)描述了制造具有凸辊和凹辊的压花辊组的方法，该压花辊组的结构元件关于线性维度和角度维度的任意偏差具有特定结构特征。该压花辊组的结构由激光设备l12独立制造，该设备l12具有激光12和偏转单元14，偏转单元14可以包括分束器以及声光调制器或电光调制器或多角镜。偏转单元14、聚焦光学器件15和偏转镜16形成雕刻单元17，该雕刻单元在x轴上可以线性移动。工件由驱动器23驱动，其由旋转角φ表示。通过结合雕刻单元的线性位移和辊的旋转，产生了一条恒定的螺旋线sl，其允许均匀的机加工。
4.此外，编号为8,435,373的美国专利(其全部内容通过引用并入本文)描述了通过去除和/或添加材料在柔性基底上形成期望图案的不同r2r工艺/设备，其中，在卷对卷压花工艺中执行具有压花表面(具有浮雕)的旋转图案化工具，例如用于原位掩模层，可以用多种材料和适合形成聚合物三维(three-dimensional，3d)浮雕图案的各种技术制成。
5.此外，编号为9,993,895的美国专利(其全部内容通过引用并入本文)描述了用于雕刻压花辊的激光加工方法，该压花涂覆有非常硬的表面涂层，例如非晶四面体碳(tetrahedral amorphous carbon，ta-c)，以提供两个叠加的非常小的压花结构，其尺寸可以小于一微米，优选地具有300nm的深度。这允许压花箔具有不同的可见多色光学衍射效应。
6.此外，公开号为2017/0066079的美国专利(其全部内容通过引用并入本文)描述了
用于将飞秒或皮秒激光束掩模投射到衬底表面的设备，其中，激光束(2)在光轴的位置处产生具有扩展的激光束横截面的激光束脉冲或具有减小的激光束横截面的激光束脉冲，其中，特定真空容器18、20和23用于避免在激光焦斑17、19和22的位置处形成等离子体，真空容器20中的一个具有靠近工件(进行激光烧蚀的衬底13的表面12)的针孔孔径26。
7.然而，尽管对制造压花设备(如辊、滚筒或圆筒)的工艺进行了所有前述改进以及有不同应用领域，但仍然需要新颖且实质性改进的方法和由此产生的压花设备，特别是为了提供压花设备，例如具有实质性改善的耐用性和生命周期的辊或圆筒。例如，一个问题是当使用基于激光的方法(例如，使用激光雕刻或烧蚀)去除材料时，在其他平面或弯曲内表面上存在相当高的表面粗糙度，特别是对于位于压花结构本身内部的表面，这可能导致最终压花膜和箔中的高磨损和不期望的光学效应，例如造成光学模糊并降低这些结构的光学质量。另一个问题是使用基于激光的方法去除材料时过热产生的影响，这可能导致涂层的材料特性发生变化，从而对表面硬度和结构完整性产生负面影响。因此，迫切需要有力的改进方法，以生产结构化的压花或模具结构，例如压花圆筒、辊或滚筒。


技术实现要素：

8.根据本发明的一个方面，提供了一种制造用于压花系统的结构化的压花圆筒的方法。优选地，该方法包括以下步骤：提供硬涂层压花辊，该硬涂层压花辊具有圆柱形芯和圆柱形芯上的硬涂层，硬涂层的厚度在1μm和10μm之间的范围内，硬涂层的表面粗糙度值ra小于100nm；以及在硬涂层上沉积掩模层，掩模层的厚度等于或小于100nm。此外，优选地，该方法还包括以下步骤：从掩模层去除材料，以形成至少一个开口；以及在掩模层的至少一个开口处从硬涂层去除材料，以在该至少一个开口处形成表面空腔，该表面空腔在硬涂层内形成结构压花特征，从而形成结构化的压花圆筒。根据本发明的另一个方面，从掩模层去除材料的步骤可以由激光烧蚀或电子束结构化来执行。
9.根据本发明的另一个方面，提供了一种结构化的压花设备。优选地，该结构化的压花设备包括：基底；基底上的粘附层；粘附层上的硬涂层，该硬涂层的厚度在1μm和10μm之间的范围内，该硬涂层的ra粗糙度值小于100nm；硬涂层上的掩模层，掩模层的厚度小于50nm；以及布置在硬涂层的表面中的压花结构，该压花结构穿过硬涂层。此外，优选地，由压花结构形成的表面空腔的深度在50nm和10μm之间，表面空腔的宽度在100nm和10μm之间，且空腔的深度和宽度之间的比率在在0.1和2之间的范围内。
10.根据本发明的又一个方面，提供了一种制造用于压花系统的结构化的压花圆筒的方法。优选地，该方法包括以下步骤：提供硬涂层压花辊，该硬涂层压花辊具有圆柱形芯和圆柱形芯上的硬涂层，硬涂层的厚度在1μm和10μm之间的范围内，硬涂层的表面粗糙度值ra小于100nm；在硬涂层上沉积掩模层，掩模层的厚度等于或小于100nm；在掩模层的顶部上方执行将电子束写入提供的电子束光刻胶层；显影并去除电子束光刻胶层以暴露掩模层；使用不影响硬涂层的蚀刻剂来蚀刻掩模层；以及蚀刻硬涂层以在硬涂层中形成表面空腔，表面空腔在硬涂层中形成结构压花特征。
11.根据本发明的一个方面，提供了一种注塑模具。优选地，该注塑模具包括：基底；基底上的粘附层；粘附层上的硬涂层，硬涂层的厚度在1μm和10μm之间的范围内，硬涂层的ra粗糙度值小于100nm；硬涂层上的无机硬掩模层，无机硬掩模层的厚度小于100nm；和布置在
硬涂层的表面中的模腔，模腔穿过掩模层，以及，其中，由模腔形成的表面开口的深度在50nm和7μm之间，表面开口的宽度在100nm和10μm之间。通过参考示出本发明的一些优选实施例的附图研究以下描述和所附权利要求，本发明的上述和其他目的、特征和优点以及实现它们的方式将更加明显，且本发明本身将得到最好的理解。
附图说明
12.所述附图(并入本文并构成本说明书的一部分)示出了本发明的目前优选的实施例，并且与上文给出的一般描述和下文给出的详细描述一起用于解释本发明的特征。
13.图1a和图1b示出了制造压花设备200、200a的示例性方法的流程图及其方面，其中：图1a示出了根据本发明的一个方面，制造压花设备200、200a(在变体中示为压花圆筒、辊和滚筒200或压花板200a)的方法的步骤的示意性概览；图1b示出了金属圆筒、芯或基底10的顶部上的(硬)涂层20、30、32、34、36和40的基本分层。
14.图2a至图2c示出了处理的圆筒、滚筒或辊的基底10的截面视图，该基底10上沉积有多个层作为多层结构，其中：图2a示出了在从多个层去除任何材料之前的多层结构的截面视图，所述多个层包括粘附层20、由硬质材料涂层制成的第一内部结构承载层32、第一掩模层42、第二外部结构承载层36和第二掩模层46，允许通过依次进行掩模去除步骤(分别去除掩模层42、46的部分)和蚀刻步骤(去除结构承载层32、36的材料)，在压花设备中形成多层的三维开口；图2b示出了压花滚筒、辊或圆筒200，其中通过依次的激光烧蚀步骤和蚀刻步骤形成有多层结构210；图2c示出了多层结构的截面视图。
15.图3a至图3c示出了具有多层硬涂层的处理的基底、滚筒或辊10的示例性截面视图，该多层硬涂层经多次处理，其中：图3a示出无蚀刻攻击，图3b示出具有1个蚀刻层，图3c示出具有3个蚀刻层。
16.图4a和图4b示出了用于等离子体蚀刻圆柱形设备的示例性和示意性系统，该系统用于放置将由等离子体蚀刻装置400干法蚀刻的基底、滚筒或辊10，其中，图4a为截面侧视图，图4b为截面顶视图。
17.本文中，在可能的情况下使用相同的附图标记来表示附图中共有的相同元素。此外，附图中的图像出于说明目的进行了简化，可能未按比例绘制。
具体实施方式
18.首先，用示例性实施例解释了制造可用于压花、模塑或复制工艺的设备，例如，具有一个或多个模腔的压花辊、圆筒或滚筒200、或模具200a，图1a示出了该方法的示例性示意图。提供圆柱形金属圆筒、芯或基底10，用作压花辊的基底。圆柱形金属圆筒、芯或基底10的直径可以在50nm和500nm之间的范围内，但是也可能是其它直径。接下来，处理该圆柱形金属芯或基底10以具有外圆柱表面12，该外圆柱表面具有平滑的表面和特定硬度。优选地，金属芯或基底10已处理至使其具有表面粗糙度，该表面粗糙度的表面轮廓粗糙度参数(roughness parameter，ra)优选地低于100nm，更优选地，在10nm至50nm的范围内。关于硬度，芯或基底10选择使得外圆柱表面12应具有高于0.3gpa(大致等于300维氏硬度)的特定硬度值的材料。此硬度值和表面粗糙度值都是优选的特征，因为这些范围内的值将允许制造具有特定耐久性的压花辊，允许操作和所需的压区压力，还将允许制造一定粒度的压花
结构，如下文进一步解释的。例如，外圆柱表面12的表面粗糙度需要明显更好，即比要制造的压花图案的粗糙度小。本文所讨论的方法的一些方面描述了基于圆柱形元件(例如，由金属或陶瓷制成的圆筒、芯或基底10)的不同处理步骤，但是也可以处理具有外表面12a的平面设备10a(例如，由金属或陶瓷材料制成的平板、片材或平面基底)，该平面设备10a将用类似于制造压花板、面板或冲压件、具有模腔的注塑模具、或成型铸件200a的方法来处理。
19.在一变体中，芯或基底10是沿其旋转轴具有横穿孔的中空圆筒，从而可以提供重量减轻的压花设备100，或者压花设备200可以更容易地装置或安装到螺栓或杆以安装到压花机或其它机器上，或者压花设备200可以用于在横穿孔中安装旋转轴承。在另一个变体中，芯或基底10不需要由金属制成，而可以是复合材料，例如硬金属材料、烧结材料，例如但不限于金属陶瓷。
20.此后，通过清洁步骤s10处理金属圆筒或芯10，其中，芯10的外表面12被脱脂并彻底清洁。例如，清洁步骤s10可包括使金属圆筒或芯10经受清洁设备处理的步骤，其中，该圆筒通过完全浸入到软化水和清洁剂浴中来清洁，该清洁剂是能够产生超声波清洁循环的专用清洁机中的清洁剂，随后，当清洁剂从表面去除时，可在最后的漂洗步骤中使用氧化抑制剂。然后，将所清洁的金属圆筒或芯10提供给沉积系统的真空室，例如，具有涂层空腔的物理气相沉积(physical vapor deposition，pvd)设备或系统，以进行进一步处理。
21.接下来，将该涂层空腔抽空并加热，使金属圆筒、芯或基底10绕其旋转轴旋转。接下来，金属圆筒、芯或基底10的表面经受使用例如氩等离子体的等离子体清洁工艺，以在沉积涂层之前激活该表面并去除遗留在该表面上的有机痕迹。接下来，在步骤s20中，通过pvd或化学气相沉积(chemical vapor deposition，cvd)的形式(例如反应溅射沉积)，将粘附层20沉积到金属圆筒或芯10的外圆柱形表面12上。步骤s20可以通过使用旋转设备使圆柱形金属圆筒、芯或基底10绕其旋转轴旋转，同时将基底10的圆柱表面12暴露给高能等离子体来执行，该高能等离子体由等离子体处理空腔的顶电极和底电极之间的磁场包含和维持。优选地，粘附层20是无机材料，例如，tin或另一种氮化物(例如但不限于crn)或氧化物以及纯金属层(例如但不限于cr和ti)，并且粘附层20的厚度可以在几十到几百纳米之间，例如，优选地，小于500nm，更优选地，小于200nm，更优选地，在100nm和20nm之间的范围内。
22.接下来，在步骤s30中，如图1b所示，将硬涂层或结构承载层30沉积到粘附层20上，优选地，沉积到用于沉积粘附层20的同一等离子体处理空腔中，例如不打开该处理空腔，与此同时，具有粘附层20的圆柱形金属圆筒或芯或基底10绕其旋转轴旋转。结构承载层30明显比粘附层20厚，但优选地小于20μm，例如，结构承载层30的厚度在1μm和10μm之间的范围内。由于层30随后被处理以去除材料，以在层30中形成开口或空腔，以形成不同类型的结构特征，因此，层30在此被称为结构承载层30。优选地，结构承载层30是由硬质材料制成，优选地，由碳基硬质材料制成，例如，类金刚石碳(diamond-like carbon，dlc)，更优选地，由ta-c制成。在这方面，除了提供粘附之外，粘附层20还充当减震器或过渡层，以减少将较软材料(例如，可由钢制成的芯或基底10)绑定到极硬层(例如，可由dlc模制的结构承载层30)的不利机械后果。在这方面，粘附层20的硬度和模量处于芯或基底10的硬度和模量与结构承载层30的硬度和模量之间，从而可以防止结构承载层30开裂。通过可重复的步骤s20、s30和s40，可有多层结构的沉积，而不是单个结构承载层30，从而，如图1b的截面视图所示，形成外部结构承载层36和随后的掩模层40，以及额外的dlc层32、34。
23.例如，优选地，沉积步骤s20可由等离子体增强pvd(plasma-enhanced pvd，pepvd)工艺来执行；此后，优选地，步骤s30可由等离子体增强cvd(plasma-enhanced cvd，pecvd)工艺来执行以沉积dlc，沉积步骤s30可以通过使用旋转设备使得圆柱形金属圆筒或芯或基底10绕其旋转轴旋转、同时将圆柱表面12暴露给高能等离子来执行。在这方面，优选地，dlc在用于pvd工艺的相同机器(例如，相同处理空腔)中使用cvd工艺来制成。结构承载层30至基底10的结合通过粘附层20来实现，以显著增加结构承载层20与基底10的金属表面之间的粘附力，因为dlc不直接与金属结合。
24.步骤s20的粘附层20的涂层和步骤s30的结构承载层30的涂层可以包括一个均质层、化学或结构不同层的堆叠、或内部纳米结构层、或其组合，该内部纳米结构层中，层内不同相通过限定的相分离而形成。这两个步骤s20和s30以及稍后沉积的步骤s40也可以称为一个多层沉积步骤s50，因为这些步骤可以发生在相同的沉积设备内，共享相同的沉积空腔。
25.在该方法的这个阶段，优选地，处理的圆柱形金属芯或基底10的最外部圆柱形暴露表面，即结构承载层30的外表面或多层结构的最后一层(外部结构承载层36)的外表面，具有非常小的表面粗糙度，优选地，具有低于100nm的表面轮廓粗糙度参数(roughness parameter，ra)，更优选地，低于50nm，更优选地，低于10nm，以具有优异的光学表面特性。使用圆柱形金属芯或基底10来提供此低粗糙度，该圆柱形金属芯或基底10具有更低的表面轮廓粗糙度参数ra，如上所述。
26.接下来，该方法包括将掩模层40沉积在硬涂层(例如，如图1b所示的结构承载层30或外部结构承载层36)的上方，掩模层40的厚度等于或小于100nm，优选地，在5nm和50nm的范围内，更优选地，在5nm和20nm的范围内。用于掩模层40的材料需要适于抵抗不同类型蚀刻剂，该蚀刻剂将在随后用来在dlc内蚀刻开口或空腔，例如，结构承载层30或外部结构承载层36。例如，掩模层40可以由cr、cro、ti、tio2或sio2的薄层制成，优选地，由无基层或一种或多种此类层的组合而制成。优选地，该步骤产生凝聚物质层，例如，通过执行另一pecvd或pepvd步骤，其中，掩模层40沉积在结构承载层30或外部结构承载层36的顶部上，与此同时，旋转辊或基底10。作为另一变体，掩模层40可以通过原子层沉积(atomic layer deposition，ald)提供，例如，用于沉积tio2或al2掩模层。
27.本文中，掩模层40不是由光刻胶或聚合物材料制成的传统掩模层，而也是通过与结构承载层30的形成相似的沉积步骤形成的涂层，掩模层40被制备地很薄，且使用(pe)pvd沉积由无机材料来制成。因此，优选地，掩模层40在沉积步骤s40中制备，沉积步骤s40直接在结构承载层30的沉积步骤s30后执行，例如，通过使用相同的沉积装置，例如，在真空室在步骤s30和s40之间没有不必要的排放且温度没有不必要改变的方式中，通过使用相同真空室来执行。这允许提供内置掩模层，以用于后续执行的蚀刻步骤s120，该内置掩模层和结构承载层30具有高结构连续性，因此，对于最终的压花设备200，掩模层40不需要去除。
28.接下来，如图2b所示，执行激光烧蚀步骤s90或选择性的掩模去除步骤s100/s110，其中，掩模层40的部分通过对掩模层40执行材料去除而被去除，以形成至少一个蚀刻开口45，以用于蚀刻。蚀刻开口45形成在多个位置，在该多个位置处，在该方法的随后阶段中，通过从结构承载层上去除材料，结构压花特征210、220、210a和220a刻到辊或基底10、10a的结构承载层30或外部结构承载层36中，以在蚀刻开口45的区域形成空腔或开口。激光烧蚀步
骤s90可以通过不同类型激光烧蚀技术来执行，例如，通过使用具有单个高斯分布的聚焦紫外(ultraviolet，uv)激光束(s60)或者分布由空间光调制器(spatial light modulator，slm)控制以生成多个焦斑的激光(s80)。在该步骤中，在特定表面区域，掩模层40的全部材料被去除，以限定一个或多个蚀刻开口45，而不影响结构承载层30或外部结构承载层36的表面，或轻微影响该表面区域。优选地，这可以通过使用超快激光源来实现，以最小化可能出现在掩模层40的烧蚀中的热效应，或通过使用低功率纳秒激光器来实现，谨慎选择该低功率纳秒激光器的波长和功率，以使掩模层40吸收大部分激光功率，同时保持热效应足够低，以避免结构承载层30、36的任何剧烈变化，示例性地，这些层由dlc制成。
29.作为一个例子，用于激光烧蚀步骤s90的超快激光源可以是这样的激光：波长在250nm和1100nm之间，脉冲持续时间在100fs和10ps之间，频率在1khz和10mhz之间，且功率在1w和100w之间。激光烧蚀机可用于此任务，例如，编号为9,579,924的美国专利、编号为9,993,895的美国专利或编号为2017/0066079的美国专利，这些参考文献的全部内容通过引用并入本文。由于掩模层40被沉积为具有非常小的厚度，相对于常规3d激光烧蚀，相对较低的激光功率足以将其去除。结构特征210、220、210a、220a在结构承载层30、36内的深度de1、de2通过蚀刻步骤s120(例如，通过等离子体工艺)，蚀刻步骤s120在掩模烧蚀步骤s60、s100/s110或其组合之后执行，如图2c所示。
30.在变体中，激光烧蚀步骤s90被配置为不仅能充分去除蚀刻开口45处的掩模层40，而且可能导致刮擦(即，轻微去除结构承载层30、36的顶部的部分)，例如，通过选择更强的激光或通过增加烧蚀时间。此后，利用随后的蚀刻步骤s120，从结构承载层30、36的剩余部分去除材料，以在结构承载层36、30内形成表面空腔或开口，这些表面空腔或孔在蚀刻开口45的位置处形成结构特征210、220、210a、220a，并且，这些结构特征可以用作压花设备200的结构压花特征。对于该变体，优选的是，结构承载层30、36通过步骤s90的烧蚀激光的加热，仅最小程度地在结构上遭受损坏或从sp3碳转变，例如，以避免或最小化dlc的表面上的石墨形成和其它热产生的伪影，从而不影响利用步骤s120在dlc材料的蚀刻开口45处进行蚀刻。石墨对可去除dlc材料的蚀刻剂具有化学抗性，而从热力学上讲，dlc的不稳定金刚石可在蚀刻过程中与氧反应形成例如co2或不同的氧化碳(oxycarbon)。如上所述，蚀刻工艺从蚀刻开口45处的暴露区域去除材料，而不损坏所述材料，即不引起该去除以外的结构相变。
31.在一变体中，激光烧蚀步骤也可以通过掩模投影技术s70来执行，以使用激光束来选择性地烧蚀掩模层40，该掩模层40已经在至少一个蚀刻开口45使用单个激光掩模而被掩蔽，例如，如公开号为2012/0018993和2017/0066079的美国专利中所示(其全部内容通过引用并入本文)。在如下所述使用多层涂层的情况下，烧蚀步骤s60、s100/s110或其组合以及蚀刻步骤s120可以在表面的不同位置上重复任何次数，以创建分层的多层结构210，如图2a和2b所示以如下方进一步讨论的。
32.在一变体中，掩模层40上的材料去除不是由激光烧蚀执行的，而是包括形成蚀刻开口45的另一种工艺，例如，电子束结构化s100，或者例如通过单独的蚀刻步骤从掩模层30去除材料，或者通过聚焦离子束。
33.蚀刻开口45本身可以具有各种形状，例如，它们可以形成阵列布局，该阵列布局具有多个形成在结构承载层30的表面(平行于圆柱或辊10的中心轴线ca)上的多个纵向开口，
和多个形成在切线方向上的结构承载层30的表面(垂直于中线轴线ca)上的多个横向开口。这允许在结构承载层30中形成衍射结构作为结构特征210、210a，包括在第一角定向处的多个第一凹槽和在第二角定向(基本上垂直第一角定向)处的多个第二凹槽。作为一个例子，有可能形成包括衍射结构的结构特征210、210a，其中，衍射结构的深度在50nm和10μm之间，衍射结构的宽度在100nm和10μm之间，衍射结构的周期线在0.1μm和10μm之间的范围内，衍射结构的深度和宽度之间的比率在0.25和1.2之间的范围内。
34.在一变体中，根据本发明的另一方面，可以使用方法在基板或圆柱形基底10内形成等离子体结构，其中，等离子体结构得到适当调制，等离子体结构的形状准确到几纳米。在此变体中，硬涂层40可以通过电子束结构化方法直接烧蚀，而不使用结构化的光刻胶/蚀刻组合。用于直接光子数烧蚀的超薄硬掩模层40的厚度优选地在低于50nm，更优选地低于30nm，更优选地在5nm到20nm的范围内。
35.在另一变体中，在执行步骤s10-s50后，执行电子束写入或结构化的步骤s100，以在优选为超薄、无机、非导电的掩模层40的顶部上提供电子束光刻胶(e-beam resist)的结构化层50。在第一个中间步骤中，通过采用旋涂、浸涂、喷涂或其他合适的方法，使硬掩模层40完全被(光)敏光刻胶覆盖，以提供同质的、无孔隙/无针孔的光刻胶层。然后，通过使用极其精确的聚焦电子束将所需结构写入同质的光刻胶层，来在光刻胶的结构完整度上对其进行修改。光刻胶材料一般包括以液态形式提供的有机材料和/或高分子材料。接着，在掩模显影步骤s105中，因此暴露的电子束光刻胶层50通过使用适应于光刻胶层的化学性质的化学浴，来显影并选择性去除从而暴露掩模层40。接着，在步骤s110中，基于所使用的掩模层40的类型，来蚀刻掩模层40，例如通过湿法蚀刻或干法蚀刻，而不是执行掩模层40的直接烧蚀。步骤s110的蚀刻剂选择为不对底层的结构承载层30的材料反应的，从而仅去除暴露的掩模层40。本段所述实施例的步骤s105和s110是可选步骤，在图1a中以虚线矩形框示出。
36.一旦所述掩模层40如上所述通过电子束技术结构化，该方法执行先前讨论的蚀刻步骤s120，例如，执行等离子体步骤来从结构承载层30蚀刻硬质材料，以形成结构特征210、210a，例如，通过使用o2或可以蚀刻dlc的另一种类型的等离子体来蚀刻dlc材料。然后，所得到的压花辊200可以用于在金属纸或箔上压花等离子体结构。此外，作为另一示例，可以使用本文所述的压花设备200，例如，压花圆筒或辊，以通过热塑性箔或板的热塑性热压花来制造用于快速复制微流体回路的微结构，其中，蚀刻开口45可以是微流体电路的形状。这种方法的一个优点将是，即压花辊200已经暴露出硬质材料，例如dlc，一旦结构特征210(形成表面空腔)成型于其中，这可以改善一些热塑性塑料的释放。本文所述压花设备200也可用于其他应用。例如，电路的轮廓可以通过对导电材料(例如，金属材料)进行压花而形成，例如，射频识别(radio-frequency identification，rfid)天线，该rfid先前被雕刻为辊上的结构特征210。例如，使用一些具有金属层的特殊层压纸(laminate paper)，辊200可用于压花该层压纸，以打破金属层，从而复制电路或设备。
37.一旦在多个蚀刻开口45处去除掩模层40的材料以形成结构压花特征210，则通过在开口45的位置处的蚀刻步骤s120(优选如图2b所示的使用等离子体的干法蚀刻步骤)来形成结构压花特征。在步骤s120中，执行蚀刻以去除掩模层40的至少一个开口处的材料(特别地，结构承载层30或外部结构承载层36的dlc材料)，以在该至少一个开口处形成表面空腔，该表面空腔在硬涂层40内形成具有一定深度的结构压花特征210，从而形结构化的压花
圆筒200。优选地，结构压花特征210的深度大于50nm且小于7μm，更优选地，小于3μm。关于结构压花特征210的宽度，一个特征210的宽度可以在100nm和20μm之间的范围内，更优选地可达1.5μm。步骤s120的蚀刻工艺本身可以通过蚀刻设备200内的反应离子蚀刻(reactive ion etching，rie)来执行，例如，氧(o2)等离子体或cf4等离子体，可以通过将基底或辊10置于第一笼状电极430的中心内、并将(优选冷却的)电极420通过等离子体空腔410的中心内的热电连接启用器421连接到等离子体空腔的射频(rf)发生器(未示出)来执行，确保等离子体在笼状电极430和基底或辊10之间均匀生成，如图4的截面视图示例性示出的。此外，用作步骤s120的蚀掩模的掩模层40可以在另外的或可选的步骤s120中去除，或可以保留在结构承载层30上，，以免进一步处理以节省成本和时间。在压花设备的使用期间200，掩模层40可以用尽并且逐渐磨损去除。因为掩模层40可以被选择为非常薄，所以其存在对压花设备200的机械特性没有或仅有不明显的影响。
38.如图2c的截面视图示例性示出的，这种使用步骤s120的蚀刻允许在蚀刻开口45的边缘生成结构压花特征210的陡峭的侧壁，例如，侧壁相对于上表面的角度接近于90
°
，例如在75
°
和90
°
之间的范围内。此外，蚀刻s120的步骤允许提供具有高纵横比(关于深度和宽度之间的比率)的结构压花特征210，换句话说，创建在轴向上较深(相比于切向或轴向上的较小宽度)的结构压花特征210，例如但不限于在0.1到2(更优选0.25到1.2)的范围内的纵横比，例如，以在结构承载层30内的任何方向上创建具有这样的纵横比的较深纵向凹槽、沟道或沟槽。然而，具有较小纵横比的结构压花特征210也是有可能的。此外，考虑到结构承载层30的上表面是圆柱形或弓形的，步骤s120允许确保结构压花特征210距离结构承载层30的上表面的深度基本相同。
39.通过使用蚀刻步骤s120(该蚀刻步骤可以完全替换另外的激光雕刻或烧蚀步骤或可以和另外的激光一出或清洁技术结合使用)，由结构承载层30或外部结构承载层36上的激光烧蚀的加热导致的影响(例如在结构承载层30或外部结构承载层36由dlc材料制成的情况下)，可以明显降低或甚至完全消除。在这方面，在从结构承载层30或外部结构承载层36去除材料以形成结构特征的位置(例如，热影响区(heat-affected zone，haz))的激光烧蚀期间的热发生可能改变dlc的性质，这导致从具有显著比例的四面体sp3键材料的原始相形成较软的、富含sp2键的材料。例如，参见《应用物理a》2004年第79卷第3期第425-427页中yasumaru等人的《飞秒激光脉冲在类金刚石碳膜中形成玻璃碳层》(yasumaru et al.,“glassy carbon layer formed in diamond-like carbon films with femtosecond laser pulses,”applied physics a,vol.79,no.3,pp.425-427,year 2004)，以及《jlmn-日本激光协会》2008年第3卷第2期第84-87页中miyaji等人的《利用飞秒激光脉冲在图形化dlc表面上的纳米结构》(miyaji et al.,“nanostructuring with femtosecond laser pulses on patterned dlc surface,”jlmn-journals of laser micro/nanoengineering,vol.3,no.2,pp.84-87,year 2008)。sp3键合碳在粘结和硬度方面表现出类金刚石性质，而与此相反，sp2键合碳主要相表现出类石墨性质，包括大大降低的硬度和片状形貌，这使得它们不适合需要硬度和整体结构完整性的应用，例如，高纵横比的微结构，例如，本文所述结构压花特征210。因此，在简单直接的激光雕刻或烧蚀之后，结构承载层30或外部结构承载层36的硬度可能大幅下降。由于结构承载层30或外部结构承载层36可以是机械应力下的硬度和结构完整性，且这些特性可以直接源于其sp3键，因此sp3键的部
分的减少和sp2键的出现的增加对于结构压花特征210和结构化的压花设备或圆筒200的任何应用(需要高结构完整性和硬度)都是不可取的。
40.此外，使用沉积步骤s40来沉积和提供掩模层40以及调整用于烧蚀或雕刻的烧蚀参数(当使用烧蚀步骤s90在掩模层40内形成蚀刻开口45时)可以使结构承载层30或外部结构承载层36中富含sp2键相的最小化，并且也可以减小或最小化针对结构承载层30或外部结构承载层36的结构完整性的其它不利影响。通过使用步骤s120进行等离子体蚀刻工艺来获取结构压花特征210的特定深度de1、de2，避免在结构压花特征210周围可能由结构承载层30、36的碳基材料而生成石墨，原因在于通过使用例如但不限于氧等离子体的反应蚀刻的材料去除主要由化学反应而实现，而不是热分解，因为这将是直接激光雕刻或烧蚀的情况。
41.而且，通过沉积掩模层40的步骤s40，有可能提供超薄无机涂层作为掩模层40，这带来了如下优势：掩模层40可以保持在结构承载层30或外部结构承载层36的非结构化部分的表面上，例如，在没有蚀刻开口45出现的区域，并且不必特地去除，而不像传统的聚合材料或其它有机掩模材料。在通过蚀刻步骤s120结构化之后不必执行额外的剥离或清洗步骤以去除掩模层40或去除不同于本文所述掩模层40的另一掩模可以极大地降低处理时间，这可以是重要的成本降低因素，还可以降低用于去除传统有机掩模层的典型溶剂和去膜溶液所引起的过程的环境影响。掩模层40的极低厚度使得当掩模层40保留在结构承载层30或外部结构承载层36上时，不影响由压花设备200制成的最终压花工具的机械性能。该极低的厚度(例如在仅仅几纳米范围内)进一步意味着，由掩模层40的磨损带来的对任何类型表面的污染也将极小且可能被忽视。
42.此外，在一变体中，可以执行多轮用于形成结构承载层30的沉积步骤s30(例如，pecvd沉积步骤)和用于沉积掩模层40的沉积步骤s40(例如，pepvd沉积步骤)，以在粘附层20的顶部上创建多层结构，该多层结构具有交替的掩模层和结构承载层，如图2a的截面视图所示，其中示出了粘附层20、由硬质材料涂层制成的第一内部结构承载层32、第一内部掩模层42、由硬质材料制成的第二外部结构承载层36和第二外部掩模层46。此多层结构允许通过连续的掩模去除步骤s90、s100/s110或其组合(用于分别去除掩模层46、42的部分)以及蚀刻步骤s120(用于去除结构承载层36、32的材料)，来在压花设备200内形成多层的三维开口或结构特征210。换句话说，这允许通过使用连续的激光去除步骤s90(用于去除掩模层46、42的一些掩模部分)来分别形成蚀刻开口45、47，以及蚀刻步骤s120(用于去除结构承载层36、32的部分)，以分别形成蚀刻开口45、47，如图2b所示。在所示的此变体中，示出了互相交替的两(2)层掩模层42、46和两(2)层结构承载层32、36，但是也可以有多余两(2)层的此类层，以提供更复杂的多层结构特征210，例如，三、四、五或更多层掩模和结构承载层对。例如，多层结构特征210可以用于在压花设备200的表面中形成复杂的三维(3d)形状作为开口或空腔，例如，作为用于不同类型铸造工艺的具有模腔的注塑模具。在多个掩模层/dlc堆的情况下，不表示最外部dlc层上的最外层的掩模层将由主要为非金属特征的材料制成，例如，氮化物、氧化物或碳化物，以确保以下dlc层的粘附。
43.图2b示出了形成在压花设备200内的多层结构特征210，每个结构210由形成在外部结构承载层36内的较宽的第一结构210.1、外部掩模层46的外部蚀刻开口45、形成在内部结构承载层32内的较窄的第二内部结构210.2以及内部掩模层42的内部蚀刻开口47制成。
为了形成多层结构特征210，执行第一激光蚀刻步骤s90以在外部掩模层46的期望位置去除蚀刻开口45。其后，执行第一蚀刻步骤s120来去除外部结构承载层36的材料，以形成较宽的结构210.1，直至到达内部掩模层42的上表面。接下来，执行第二激光蚀刻步骤s90以在内部掩模层42的期望位置去除蚀刻开口47。优选地，相比于由较宽结构210.1形成的开口，蚀刻开口47在表面上更小，例如，更窄和/或更短。此后，执行第二蚀刻步骤s120来去除内部结构承载层32的材料，以形成较窄的结构210.2。此步骤可以选择性执行，从而较窄的结构210.2在径向上的深度或宽度未达到粘附层20的上表面，如图2b所示。如果存在更多掩模层-结构承载层对，可以将步骤s90、s100/s110或其组合以及s120重复更多，以在压花设备200的径向上形成另外的结构特征。
44.根据本发明的另一方面，提供优选地由本文所述方法制备的设备，基于本文所述设备或圆筒200，该设备是模具型设备，例如，注塑模具和用于铸件脱模或热塑性热压花的圆柱形模具。在本变体中，可以由结构压花特征210形成一个或多个模腔。
45.根据本发明的至少一些方面，本文介绍的用于制备压花设备200(例如，压花圆筒、滚筒或辊)的方法以及相应的压花设备200提出了相对于现有技术的一些优势，现有技术中直接烧蚀硬涂层来在硬涂层中形成结构特征，例如，通过使用纳秒激光或超快激光。高效的直接激光加工总是伴随着热影响区(heat-affected zone，haz)的出现。对于纳秒激光来说，haz的扩散是非常重要的。通过超快激光器、皮秒激光器和飞秒激光器，haz有所减小，但仍然存在，并且是需要考虑的因素。一些硬涂层(特别是dlc，例如ta-c变体)对热很敏感，因为过度加热与氧结合可能使碳晶格从类金刚石结构转变为较弱的结构。因此，对dlc的处理需要基本上非热过程，其中，没有加热至在该处理发生的环境条件下诱导结构承载层的材料的结构相变所需的温度。
46.根据本发明的一些方面，使用步骤s90执行激光烧蚀，以使用低能量来制备蚀刻开口45、47，该低能量将仅影响掩模层40、42而不影响位于其下方的结构承载层30、32和36。从结构承载层30、32、36上执行的用于形成结构特征210的实际雕刻或材料去除通过在一个或多个步骤s120的蚀刻来执行，这不持续过度加热，dlc的晶格的完整度是完好的。因此，形成结构承载层30、32和36的硬涂层的物理特性保持不变。
47.根据本发明的一些方面，激光烧蚀步骤s90在单次通过(single pass)中执行以去除掩模层40、42和46的部分。通过蚀刻步骤s120的深度雕刻或材料去除是在单个步骤中在整个表面上同时执行的，例如，使用等离子蚀刻设备来执行。这意味着，对于大型器件，相比于雕刻或材料去除由激光烧蚀或激光材料去除完成的工艺，对应于一个或多个蚀刻步骤s120的持续时间的雕刻或材料去除时间可以明显降低，其中，需要在相同的地方通过几次，以获取结构承载层30、32和36内的所需结构深度。此外，在步骤s120中通过等离子蚀刻完成的结构雕刻允许对蚀刻的深度de1、de2具有很精细的控制，并且由于硬质层的各向异性蚀刻而获得非常大的长宽比结构。
48.虽然已参考某些优选实施例公开本发明，但在不脱离如所附权利要求及其等同物中限定的本发明的领域和范围的情况下，可以对所描述的实施例进行许多修改、替换和更改。因此，期望本发明不限于所描述的实施例，而是具有下述权利要求的语言所限定的全部范围。

技术特征：
1.一种制造用于压花系统的结构化的压花圆筒的方法，包括以下步骤：通过真空室中的第一(等离子体增强)气相沉积，提供硬涂层压花辊，所述硬涂层压花辊具有圆柱形芯和所述圆柱形芯上的结构承载层，所述结构承载层的厚度在1μm和10μm之间的范围内，所述结构承载层的表面粗糙度值ra小于100nm；通过第二(等离子体增强)气相沉积，在所述结构承载层上沉积硬掩模层，所述硬掩模层的厚度等于或小于100nm；从所述硬掩模层去除材料，以形成至少一个开口；以及蚀刻以在所述硬掩模层的所述至少一个开口处从所述结构承载层去除材料，以在所述至少一个开口处在所述结构承载层中形成表面空腔，所述表面空腔在所述结构承载层内形成结构压花特征，从而形成所述结构化的压花圆筒。2.根据权利要求1所述的制造所述结构化的压花圆筒的方法，其中，所述结构承载层包括等离子体增强化学气相沉积法沉积的类金刚石碳dlc。3.根据权利要求1所述的制造所述结构化的压花圆筒的方法，其中，所述硬掩模层的厚度大于5nm且小于50nm。4.根据权利要求1所述的制造所述结构化的压花圆筒的方法，其中，所述硬掩模层包括无机材料。5.根据权利要求1所述的制造所述结构化的压花圆筒的方法，其中，通过激光烧蚀执行从所述硬掩模层去除材料的步骤。6.根据权利要求1所述的制造所述结构化的压花圆筒的方法，其中，通过电子束结构化来执行从所述硬掩模层去除材料的步骤。7.根据权利要求5所述的制造所述结构化的压花圆筒的方法，其中，对所述硬掩模层执行所述激光烧蚀的步骤包括使用直接激光烧蚀、使用激光束的掩模投影或使用空间光调制器slm来成形激光束。8.根据权利要求6所述的制造所述结构化的压花圆筒的方法，其中，在执行所述电子束结构化的步骤中，所述硬掩模层的厚度等于或小于50nm。9.根据权利要求1所述的制造所述结构化的压花圆筒的方法，其中，对所述结构承载层的蚀刻步骤包括等离子体辅助的反应离子蚀刻。10.根据权利要求1所述的制造所述结构化的压花圆筒的方法，其中，所述蚀刻步骤包括湿法蚀刻。11.根据权利要求1所述的制造所述结构化的压花圆筒的方法，其中，在所述蚀刻步骤中形成的所述表面空腔的深度大于50nm且小于7μm。12.根据权利要求1所述的制造所述结构化的压花圆筒的方法，其中，所述第一(等离子体增强)气相沉积和所述第二(等离子体增强)气相沉积依次在所述真空室中处理。13.一种制造用于压花系统的结构化的压花圆筒的方法，包括以下步骤：通过真空室中的第一(等离子体增强)气相沉积，提供硬涂层压花辊，所述硬涂层压花辊具有圆柱形芯和所述圆柱形芯上的结构承载层，所述结构承载层的厚度在1μm和10μm之间的范围内，所述结构承载层的表面粗糙度值ra小于100nm；通过第二(等离子体增强)气相沉积，在所述结构承载层上沉积硬掩模层，所述硬掩模层的厚度等于或小于100nm；
对在所述硬掩模层的顶部提供的电子束光刻胶层执行电子束写入；显影并去除电子束光刻胶层以暴露所述硬掩模层；使用不影响所述结构承载层的蚀刻剂来蚀刻所述硬掩模层；以及蚀刻所述结构承载层以在所述结构承载层内形成表面空腔，所述表面空腔在所述结构承载层内形成结构压花特征。14.一种结构化的压花设备，包括：基底；所述基底上的粘附层；所述粘附层上的结构承载层，所述结构承载层的厚度在1μm和10μm之间的范围内，所述结构承载层的粗糙度值ra小于100nm；所述结构承载层上的无机硬掩模层，所述无机硬掩模层的厚度小于100nm；和布置在所述结构承载层的表面中的压花结构，所述压花结构穿过所述硬掩模层，其中，由所述压花结构形成的表面空腔的深度在50nm和7μm之间，所述表面空腔的宽度在100nm和10μm之间。15.根据权利要求14所述的结构化的压花设备，其中，所述空腔的所述深度和所述宽度之间的比率在0.1和2之间的范围内。16.根据权利要求14所述的结构化的压花设备，其中，所述基底包括由金属、陶瓷或复合材料制成的圆筒。17.根据权利要求14所述的结构化的压花设备，其中，所述基底包括由金属、陶瓷或复合材料制成的板。18.根据权利要求14所述的结构化的压花设备，其中，形成所述压花结构的所述表面空腔是凹槽或沟槽的形式。19.根据权利要求14所述的结构化的压花设备，其中，形成所述压花结构的所述表面空腔包括衍射光栅。20.一种注塑模具，包括：基底；所述基底上的粘附层；所述粘附层上的结构承载层，所述结构承载层的厚度在1μm和10μm之间的范围内，所述结构承载层的粗糙度值ra小于100nm；所述结构承载层上的无机硬掩模层，所述无机硬掩模层的厚度小于100nm；和布置在所述结构承载层的表面中的模腔，所述模腔穿过所述硬掩模层，其中，由所述模腔形成的表面开口的深度在50nm和7μm之间，所述表面开口的宽度在100nm和10μm之间。

技术总结
一种制造用于压花系统的结构化的压花圆筒的方法包括以下步骤：提供硬涂层压花辊，该硬涂层压花辊具有圆柱形芯和圆柱形芯上的硬涂层，硬涂层的厚度在1μm和10μm之间的范围内，硬涂层的表面粗糙度值Ra小于100nm；在硬涂层上沉积掩模层，掩模层的厚度等于或小于100nm；从掩模层去除材料以形成至少一个开口；以及蚀刻以在掩模层的该至少一个开口处从硬涂层去除材料，以在该至少一个开口处在硬涂层中形成表面空腔，该表面空腔在硬涂层内形成结构压花特征，从而形成结构化的压花圆筒。从而形成结构化的压花圆筒。从而形成结构化的压花圆筒。


技术研发人员：C
受保护的技术使用者：伯格利-格拉维瑞斯股份有限公司
技术研发日：2021.09.02
技术公布日：2023/8/5