專利名稱：：微結(jié)構(gòu)化工具以及利用激光燒蝕制備微結(jié)構(gòu)化工具的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及微結(jié)構(gòu)化工具，尤其涉及在基底層與微結(jié)構(gòu)化層之間包括鎳層的微結(jié)構(gòu)化工具。該微結(jié)構(gòu)化工具是用激光燒蝕法制造的。
背景技術(shù)：
：包括小于幾毫米的特征的微結(jié)構(gòu)化工具用于復(fù)制工藝以形成可執(zhí)行特定功能的微結(jié)構(gòu)化復(fù)制品。復(fù)制品可直接用微結(jié)構(gòu)化工具制成，或用由微結(jié)構(gòu)化工具制成的金屬工具制成。微結(jié)構(gòu)化復(fù)制品用于多種應(yīng)用中，包括將微結(jié)構(gòu)化復(fù)制品作為棱鏡、透鏡等使用的光學(xué)應(yīng)用。在此類應(yīng)用中，這些微光學(xué)部件以及制備微光學(xué)部件的微結(jié)構(gòu)化工具應(yīng)該沒(méi)有諸如表面粗糙等缺陷(否則，表面粗糙可能會(huì)產(chǎn)生不期望的光學(xué)偽影)，這一點(diǎn)往往很關(guān)鍵。激光燒蝕是一種可以用于在支撐基底上形成具有微結(jié)構(gòu)化聚合物層的微結(jié)構(gòu)化工具的工藝。微結(jié)構(gòu)化聚合物層包括表面上具有一個(gè)或多個(gè)凹陷特征的聚合物層，這些凹陷特征是通過(guò)移除所選區(qū)域上的聚合物而形成的。聚合物的移除是在吸收激光器的輻射后而分解的結(jié)果。為了滿足對(duì)微光學(xué)部件不斷增長(zhǎng)的需求，希望使用激光燒蝕法來(lái)形成滿足上述嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的微結(jié)構(gòu)化工具。因而，需要可以用于激光燒蝕工藝的新材料。
發(fā)明內(nèi)容本文所公開(kāi)了一種微結(jié)構(gòu)化工具，所述微結(jié)構(gòu)化工具包括微結(jié)構(gòu)化層，其含有聚合物并且具有微結(jié)構(gòu)化表面，該微結(jié)構(gòu)化表面包括一個(gè)或多個(gè)特征；鎳層，其含有鎳，并且設(shè)置成在與微結(jié)構(gòu)化表面相對(duì)的一側(cè)與微結(jié)構(gòu)化層相鄰；以及基底層，其含有金屬、聚合物、陶瓷或玻璃，該基底層設(shè)置成在與微結(jié)構(gòu)化層相對(duì)的一側(cè)與鎳層相鄰。本文還公開(kāi)了一種利用激光燒蝕法來(lái)制造微結(jié)構(gòu)化工具的方法。該方法包括提供激光可燒蝕制品，該激光可燒蝕制品包括含有聚合物的激光可燒蝕層，含有鎳并且與激光可燒蝕層相鄰設(shè)置的鎳層，以及含有金屬、聚合物、陶瓷或玻璃的基底層，該基底層設(shè)置成在與激光可燒蝕層相對(duì)的一側(cè)與鎳層相鄰；提供具有激光器的激光燒蝕裝置；以及用激光器的輻射燒蝕激光可燒蝕層，以形成包括一個(gè)或多個(gè)特征的微結(jié)構(gòu)化表面。本文所公開(kāi)的微結(jié)構(gòu)化工具可以用于制造微結(jié)構(gòu)化復(fù)制品。制造此類微結(jié)構(gòu)化復(fù)制品的一種方法包括提供微結(jié)構(gòu)化工具，在微結(jié)構(gòu)化表面上施加液體組合物，使液體組合物硬化以形成硬化層，以及從微結(jié)構(gòu)化工具上分離硬化層。本文所公開(kāi)的微結(jié)構(gòu)化工具還可以用于制造微結(jié)構(gòu)化金屬工具。制備此類微結(jié)構(gòu)化金屬工具的一種方法包括提供微結(jié)構(gòu)化工具，在微結(jié)構(gòu)化表面上施加金屬以形成金屬層，然后分離微結(jié)構(gòu)化表面和金屬層。金屬層成為用于制造微結(jié)構(gòu)化復(fù)制品的微結(jié)構(gòu)化金屬工具。本文所公開(kāi)的微結(jié)構(gòu)化制品可以用于諸如等離子顯示裝置、計(jì)算機(jī)顯示器和手持裝置等光學(xué)應(yīng)用；微流控芯片中的溝槽結(jié)構(gòu)；機(jī)械應(yīng)用等。上述
發(fā)明內(nèi)容并不旨在描述本發(fā)明的每個(gè)公開(kāi)實(shí)施例或每種實(shí)施方式。以下附圖和具體實(shí)施方式更具體地舉例說(shuō)明了示例性實(shí)施例。圖卜2b示出了示例性微結(jié)構(gòu)化工具的剖視圖。圖3a-3d示出了示例性微結(jié)構(gòu)化表面的剖視圖。圖4a是激光燒蝕后的基底層的照片，圖4b是激光燒蝕后的鎳層的照片。圖5a和5b是微結(jié)構(gòu)化工具的照片。圖6是示例性微結(jié)構(gòu)化金屬工具的照片。具體實(shí)施例方式如上所述，激光燒蝕是一種可以用于在支撐基底上形成微結(jié)構(gòu)化聚合物層的工藝。在該工藝中，由激光器發(fā)射輻射，使得輻射入射到聚合物層的選定區(qū)域上。聚合物層吸收輻射，并通過(guò)由光熱和光化學(xué)機(jī)理的某些組合引起的蒸發(fā)來(lái)移除聚合物。該組合通常取決于聚合物的所選特性(例如熔點(diǎn)、輻射波長(zhǎng)下的吸收系數(shù)、熱容量和折射率)和激光燒蝕條件(例如激光能量密度、波長(zhǎng)和脈沖持續(xù)時(shí)間)。適用于光學(xué)應(yīng)用(如本文所公開(kāi))的微結(jié)構(gòu)化工具可以利用多脈沖激光燒蝕工藝來(lái)制作，在該工藝中，采用一次以上的激光照射來(lái)形成每個(gè)特征。該工藝允許操作者控制特征的側(cè)壁角度，并且還允許將聚合物移除直至到達(dá)基底的表面或到達(dá)鎳層的表面。多脈沖激光燒蝕法還可用于對(duì)厚(如厚度大于15,)聚合物層實(shí)施微結(jié)構(gòu)化。在多脈沖激光燒蝕法中可使用多種類型的系統(tǒng)，包括(例如)投影系統(tǒng)、點(diǎn)寫(xiě)系統(tǒng)、遮罩系統(tǒng)和全息系統(tǒng)。例如，在遮罩燒蝕系統(tǒng)中，將具有所需圖案的掩模置于與具有聚合物層的激光可燒蝕制品接近或接觸的位置。由于掩模只允許輻射到達(dá)所選區(qū)域，因此可在聚合物層表面形成圖案。激光燒蝕系統(tǒng)優(yōu)選地釆用發(fā)射波長(zhǎng)為400nm或更短的輻射的激光器，包括(例如)諸如KrF、F2、ArF、KrCl、XeF或XeCl激光器等準(zhǔn)分子激光器、或發(fā)射波長(zhǎng)較長(zhǎng)的輻射但使用非線性晶體轉(zhuǎn)變?yōu)?00nm或更短波長(zhǎng)的激光器?？捎玫募す鉄g系統(tǒng)和方法在(例如)美國(guó)專利No.6，285，001Bl中有所描述。本文所公開(kāi)的微結(jié)構(gòu)化工具10(如圖1的實(shí)例所示)包括含有聚合物的微結(jié)構(gòu)化層14，該微結(jié)構(gòu)化層具有微結(jié)構(gòu)化表面16;含有鎳的鎳層12，鎳層設(shè)置為在與微結(jié)構(gòu)化表面相對(duì)的一側(cè)與微結(jié)構(gòu)化層相鄰；以及基底層18，其設(shè)置成在與微結(jié)構(gòu)化層相對(duì)的一側(cè)與鎳層相鄰。用作基底層的具體材料將取決于具體應(yīng)用，但一般來(lái)講，該材料應(yīng)該重量輕、耐用、便宜，并且能與鎳層相容。還需要該基底層在普通實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)存條件下相對(duì)于溫度、濕度和光線保持穩(wěn)定，并且對(duì)任何可能接觸到的材料(例如清潔溶液、微結(jié)構(gòu)化層的聚合物以及用于形成微結(jié)構(gòu)化復(fù)制品的材料)保持穩(wěn)定。基底層可以包含金屬、聚合物、陶瓷或玻璃。適用的材料包括金屬，例如鋁及其合金、鋼及其合金，尤其是不銹鋼、銅、黃銅或錫；聚合物，例如聚碳酸酯、聚酰亞胺、聚酯、聚苯乙烯或聚(甲基)丙烯酸類樹(shù)脂；陶瓷，例如硅、氧化鋁和氮化硅；玻璃，例如熔融硅石、光學(xué)玻璃或浮法玻璃或含玻璃纖維的復(fù)合材料。基底層還可以含有鎳，從而使得鎳層和基底層為同一層。優(yōu)選的是基底層含有鋁，這是因?yàn)殇X價(jià)格便宜、不易碎，并且容易制成各種大小和厚度?；讓拥呐c鎳層相鄰的一側(cè)的表面粗糙度對(duì)于獲得所需的微結(jié)構(gòu)化工具和復(fù)制品來(lái)說(shuō)可能是重要的。如果鎳層是基底層上的保形涂層，則基底層的粗糙度必須至少與如下粗糙度一樣良好§卩，由具有該基底層的微結(jié)構(gòu)化工具制備的微結(jié)構(gòu)化復(fù)制品的上表面所需的粗糙度。另一方面，如果鎳層不是保形涂層，并且可以填充基底層上的任意缺陷，則基底層的粗糙度可以大于微結(jié)構(gòu)化工具和制品所需的粗糙度?；讓拥暮穸冗€將取決于具體應(yīng)用以及所用材料的性質(zhì)。通常，基底層應(yīng)足夠厚以便可操作、自支撐以及抵抗在常規(guī)操作時(shí)的損壞，例如破裂、扭折和斷裂。基底層的剛度不受特別的限制，但一般來(lái)講，面積越大，基底層所需要的剛度就越大。在剛度和可操作性方面，微結(jié)構(gòu)化工具的彈性模量乘以該工具的厚度的立方所得的乘積應(yīng)至少為約0.005N-m(0.05in-lb)。例如，可以使用包含51,(2密耳)厚的鋁的基底層(彈性模量為71x幽m2(10.3x10filb/in2))，這是因?yàn)閺椥阅Ａ砍艘院穸鹊牧⒎降某朔e為約0.009N-m(0.08in-lb)。還可以使用厚度高達(dá)254,(10密耳)的鋁層。在另一個(gè)實(shí)例中，可以使用包含6.4mm(250密耳)厚的鋼的基底層(彈性模量為207x109N/V(30x10filb/in2))，這因?yàn)閺椥阅Ａ砍艘院穸鹊牧⒎降某朔e為約54264N-m(468750lb-in)。在一些情況下，例如在制造等離子顯示裝置所用的阻隔肋時(shí)，期望基底層有足夠大的面積，例如大于約100cm2或大于約1000cm2。如果基底層的厚度足以具有可測(cè)量的平面度，則需要具有優(yōu)于約10,/100cm2或優(yōu)于約10,/lOOOcm2的平面度。如果基底層太薄以致不具有可測(cè)量的平面度，并且在燒蝕過(guò)程中由另一個(gè)平面物體(如支撐臺(tái)或真空臺(tái))來(lái)支撐，則可以期望基底層具有優(yōu)于約10)om/100cm2或約10，/1000cm2的平行度。一般來(lái)講，鎳層用作阻擋層，阻擋用于形成如圖1所示的微結(jié)構(gòu)化層的微結(jié)構(gòu)化表面16的激光。鎳層含有鎳并且可以是鎳基合金層，或者可以基本上由鎳構(gòu)成，即該鎳層可以是純鎳層。還需要鎳層在普通實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)存條件下對(duì)溫度、濕度和光線保持穩(wěn)定，并且對(duì)任何可能接觸到的材料(如清潔溶液、聚合物以及用于形成微結(jié)構(gòu)化復(fù)制品的材料)保持穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^(guò)電化學(xué)工藝、濺射法、化學(xué)氣相沉積法或物理氣相沉積法在基底層上形成鎳層。還可以使用這些方法的組合。可選的是，可以將包含鎳層和激光可燒蝕層的構(gòu)造層合到基底層上。鎳層12的與微結(jié)構(gòu)化層14相鄰的表面在本文中稱為第一表面，并且該第一表面的粗糙度必須至少與如下粗糙度一樣好g卩，由具有該鎳層的微結(jié)構(gòu)化工具制造的微結(jié)構(gòu)化復(fù)制品的上表面所需的粗糙度。通常，鎳層的該表面的算術(shù)平均粗糙度(Ra)可以為1,或更小，對(duì)于大多數(shù)光學(xué)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，Ra為100nm或更小。燒蝕后的第一表面的粗糙度也應(yīng)不超過(guò)這些限S鎳層的厚度還將取決于具體應(yīng)用，并且一般來(lái)講，鎳層應(yīng)足夠厚，使得其可以承受完全燒蝕上述激光可燒蝕層所需的光強(qiáng)的至少四倍的光強(qiáng)，而并不受到可檢測(cè)出的損壞?？捎玫暮穸葹橹辽偌s0.5,，例如從約O.5拜到約2cm。激光可燒蝕層(即被燒蝕前的微結(jié)構(gòu)化層)和微結(jié)構(gòu)化層自身含有聚合物。適用的聚合物包括(例如)聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚砜、聚酰亞胺、聚酰胺、聚酯、聚醚、酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、(甲基)丙烯酸類樹(shù)脂、或它們的組合。聚合物的具體選擇可能受多種因素影響。舉例來(lái)說(shuō)，應(yīng)該選擇聚合物以使得激光可燒蝕層和微結(jié)構(gòu)化層在實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)存條件下對(duì)溫度、濕度和光線保持穩(wěn)定，并且對(duì)任何可能接觸到的材料(如清潔溶液、鎳層、脫模劑以及用于形成微結(jié)構(gòu)化復(fù)制品的材料)保持穩(wěn)定。此外，如下所述，理想的是，聚合物在激光器所提供的輻射波長(zhǎng)下具有大于約1x107cm的吸收系數(shù)。激光可燒蝕層可以通過(guò)多種方式形成。例如，激光可燒蝕層可以設(shè)置成薄膜形式并且在該薄膜上施加鎳層，或者將激光可燒蝕層和鎳層層合在一起。作為另外一種選擇，可以通過(guò)如下步驟制備激光可燒蝕層將熔融聚合物層澆注在鎳層上，然后使聚合物層冷卻、硬化并隨后可選地固化以形成激光可燒蝕層。另一個(gè)選擇是將包含一種或多種單體、低聚物和/或聚合物的溶液澆注在鎳層上，然后使溶液固化以形成激光可燒蝕層。適用聚合物的實(shí)例在與本發(fā)明同一天提交的Hu卿al等人的名稱為"MicrostructuredToolandMethodofMakingUsingLaserAblation"(微結(jié)構(gòu)化工具以及利用激光燒蝕制備微結(jié)構(gòu)化工具的方法)的共同轉(zhuǎn)讓的、共同未決的美國(guó)專利申請(qǐng)No.11,278,290(代理人案巻號(hào)61177US002)中有所描述；將該專利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容以引用的方式并入本文。優(yōu)選的是，將激光可燒蝕層交聯(lián)以使燒蝕區(qū)域中的回流最小化。常用的固化工藝包括加熱固化、時(shí)間固化和輻射固化(如紫外線輻射固化和電子束輻射固化)。固化前必須格外小心，以使得待固化的涂層材料不會(huì)流動(dòng)從而導(dǎo)致涂層厚度不一致。優(yōu)選紫外線輻射固化法，并且紫外線可固化單體、低聚物和/或聚合物是優(yōu)選的，這是因?yàn)樗鼈児袒俣瓤?，從而縮短了涂層材料的轉(zhuǎn)移時(shí)間，同時(shí)還因?yàn)樗鼈冊(cè)谑覝鼗蚪咏覝氐臏囟认鹿袒?，從而降低了產(chǎn)生下述應(yīng)力的可能性。還可以采用結(jié)合紫外線輻射和加熱的方式。可以包含于聚合物層中的其它組分包括染料、紫外線吸收劑、增塑劑和穩(wěn)定劑(如抗氧化劑)?？梢允褂镁炔灰坏亩喾N技術(shù)來(lái)涂布聚合物，其中許多技術(shù)是本領(lǐng)域所已知的，例如刮刀涂布、凹版式涂布、坡流涂布、旋涂、簾式涂布、噴涂、模具涂布等。由于聚合物應(yīng)可涂布成如下所述的任何所需厚度，因此聚合物的粘度十分重要。也就是說(shuō)，較薄的層需要粘度較小的聚合物溶液，而較厚的層需要粘度較大的聚合物溶液。涉及可涂布性的其它因素在Humpal等人的專利申請(qǐng)中公開(kāi)。激光可燒蝕層需要處于幾乎沒(méi)有應(yīng)力或完全沒(méi)有應(yīng)力的狀態(tài)下，否則在燒蝕過(guò)程中其形狀或尺寸可以發(fā)生不期望的變化。因此，如果要對(duì)聚合物進(jìn)行涂布然后使其硬化，則材料在液態(tài)或前體形式時(shí)的特性就很重要。在固化或冷卻過(guò)程中的任何收縮量應(yīng)優(yōu)選與激光可燒蝕制品中的其余部分相匹配。這些考慮因素還可以確定激光可燒蝕層的厚度，這是因?yàn)樵诤穸葹榧s50,或更大的層的溶劑涂布和固化過(guò)程中往往會(huì)積聚應(yīng)力。此外還期望激光可燒蝕層是潔凈地?zé)g的，產(chǎn)生極少煙灰或不產(chǎn)生煙灰，在大氣壓下不可熔融，并且在受熱時(shí)幾乎不膨脹。激光可燒蝕層的成為微結(jié)構(gòu)化表面的表面在本文中被稱為第二表面，并且該第二表面的粗糙度必須至少與如下粗糙度一樣好即，由具有該激光可燒蝕層的微結(jié)構(gòu)化工具制成的微結(jié)構(gòu)化復(fù)制品的底面所需的粗糙度。一般來(lái)講，第二表面的算術(shù)平均粗糙度(Ra)可以為l叫或更小，對(duì)于大多數(shù)光學(xué)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，Ra為100nm或更小。燒蝕后的第二表面的粗糙度也應(yīng)不超過(guò)這些限度。激光可燒蝕層的厚度可能會(huì)隨應(yīng)用不同而有所變化，一般來(lái)講，該厚度對(duì)構(gòu)成微結(jié)構(gòu)化表面的一個(gè)或多個(gè)特征的深度提供了方便的機(jī)械限制。適用的厚度可以高達(dá)約1000,。對(duì)于一些應(yīng)用，雖然特征深度大于約1000,的微結(jié)構(gòu)化表面的制備時(shí)間通常會(huì)更長(zhǎng)，并且對(duì)于遠(yuǎn)離成像面的微結(jié)構(gòu)化表面來(lái)說(shuō)，會(huì)更加難以控制特征的形狀，但是可以使用大于約1000,的厚度。激光可燒蝕層需要具有一致的厚度，這是因?yàn)檫@決定了微結(jié)構(gòu)化層內(nèi)的特征的高度的一致性。如果激光可燒蝕層過(guò)厚或厚度不夠一致，則可以用金剛石切削工具通過(guò)研磨法或飛刀切削法對(duì)激光可燒蝕層進(jìn)行機(jī)械加工。為了防止燒蝕率發(fā)生變化，就激光器波長(zhǎng)下的激光輻射吸收率、密度、折射率等方面而言，需要激光可燒蝕層始終是一致且均勻的。在相同條件下，并且當(dāng)激光器的功率至少為燒蝕閾值的兩倍時(shí)，聚合物的燒蝕率在激光可燒蝕制品的整個(gè)面積上的變化不應(yīng)超過(guò)10%。如下所述，通過(guò)繪制關(guān)于燒蝕深度對(duì)脈沖能量的曲線并外推至零深度，可以得到燒蝕閾值。如圖2a所示，微結(jié)構(gòu)化工具20可以包括設(shè)置在微結(jié)構(gòu)化層14與鎳層12之間的連接層22，以便增強(qiáng)這兩層之間的粘合力。連接層組分的具體選擇將取決于其它層所用的材料。適用材料的實(shí)例包括(甲基)丙烯酸類樹(shù)酯和底漆，例如可得自3MCompany的Scotchprime⑤陶瓷-金屬底漆。一般來(lái)講，連接層應(yīng)盡可能薄，例如小于約l一，以使得其機(jī)械特性不會(huì)顯著地影響在燒蝕前或在燒蝕后激光可燒蝕層的燒蝕特性或激光可燒蝕制品的特性。如果任一層的粗糙度如上所述是關(guān)鍵的，則連接層必須不會(huì)增大粗糙度。而且，在這種情況下，連接層不得將鎳層的損壞閾值(即，大于使材料移除、表面粗糙化或材料變形的激光能量密度)降低至小于燒蝕激光可燒蝕層所需能量密度的四倍。也就是說(shuō)，在有連接層的情況下，鎳層的損壞閾值必須至少為燒蝕激光可燒蝕層所需能量密度的四倍。如圖2b所示，微結(jié)構(gòu)化工具24可以包括設(shè)置在鎳層12與基底層18之間的粘合劑層26，以增強(qiáng)這兩層之間的粘合力。粘合劑層組分的具體選擇將取決于在其它層中所用的材料。適用材料的實(shí)例包括諸如鋅或鉻之類的金屬以及諸如氧化鉻之類的金屬氧化物。在一個(gè)具體實(shí)例中，粘合劑層包括設(shè)置在化學(xué)鍍鎳層與鋁基底層之間、厚度小于約1,的鋅涂層。如果首先將鎳層附接到聚合物上，然后再附接到基底層上，則可以方便地使用諸如環(huán)氧樹(shù)脂、氨基甲酸酯或壓敏粘合劑等粘合劑作為粘合劑層。如圖1所示，微結(jié)構(gòu)化層14包括微結(jié)構(gòu)化表面16。微結(jié)構(gòu)化表面是指通過(guò)用激光燒蝕法移除部分激光可燒蝕層之后所形成的表面的三維形貌。圖1所示微結(jié)構(gòu)化表面的示意性剖視圖僅用于舉例說(shuō)明，并不旨在以任何方式限制微結(jié)構(gòu)化表面。圖3a-3d示出了另外的示例性微結(jié)構(gòu)化表面的剖視圖。三維形貌包括一個(gè)或多個(gè)特征，這些特征的形狀、大小和在整個(gè)表面的分布可能有所不同。所述特征可以描述為凹陷、腔體、浮雕結(jié)構(gòu)、微透鏡、凹槽和溝槽等，并且它們的形狀可以包括矩形、六邊形、立方體、半球形、圓錐形、角錐形、或它們的組合。如上所述，所述一個(gè)或多個(gè)特征的深度受到激光可燒蝕層的厚度的限制，從而使得特征的最大深度最多約為激光可燒蝕層的最大厚度。因此，該一個(gè)或多個(gè)特征的最大深度最多達(dá)到約IOOO拜，例如從約0.5，到約1000,。該一個(gè)或多個(gè)特征可以具有多個(gè)深度，并且如果存在一個(gè)以上的特征，則深度在特征與特征之間可以有所不同。在一些情況下，鎳層可以從至少一個(gè)凹陷特征中露出。除深度之外的尺寸都不受具體限制。如果存在一個(gè)以上的特征，則可以以任何方式對(duì)其進(jìn)行布置，例如隨機(jī)布置或以某種圖案布置或以它們的組合進(jìn)行布置。例如，特征可以隨機(jī)布置在微結(jié)構(gòu)化表面的某個(gè)區(qū)域內(nèi)，并且可以在整個(gè)表面上按照某種圖案布置許多區(qū)域?？梢宰兓男螤顓?shù)的實(shí)例包括深度、壁面角度、直徑、縱橫比(深度與寬度的比)等。本文還公開(kāi)了制備微結(jié)構(gòu)化工具的方法。該方法包括提供激光可燒蝕制品，該激光可燒蝕制品包括含有聚合物的激光可燒蝕層，與激光可燒蝕層相鄰設(shè)置的含有鎳的鎳層，以及含有金屬、聚合物、陶瓷或玻璃的基底層，該基底層設(shè)置成在與激光可燒蝕層相對(duì)的一側(cè)與鎳層相鄰；提供具有激光器的激光燒蝕裝置；以及利用激光器的輻射燒蝕激光可燒蝕層，以形成包括一個(gè)或多個(gè)特征的微結(jié)構(gòu)化表面。如上所述，可以使用任何類型的激光燒蝕裝置或系統(tǒng)，前提條件是該裝置或系統(tǒng)配備有合適的激光器，并且能夠進(jìn)行多脈沖燒蝕?？梢宰兓南到y(tǒng)參數(shù)包括激光器所產(chǎn)生的輻射的波長(zhǎng)。由于微結(jié)構(gòu)化工具的特征尺寸受到激光器波長(zhǎng)的限制，因此發(fā)射波長(zhǎng)小于約lOwm的輻射的激光器是優(yōu)選的。還優(yōu)選的是發(fā)射波長(zhǎng)小于2um和小于400nm的輻射的激光器?？梢赃x擇激光器，以使得輻射波長(zhǎng)小于分辨率極限(即給定的待燒蝕特征的最小尺寸)的約10倍，更優(yōu)選的是小于分辨率極限的5倍，最優(yōu)選的是小于分辨率極限的2倍。更重要的是，激光可燒蝕材料在所用波長(zhǎng)下具有高吸出于效率方面的考慮，通常期望根據(jù)激光可燒蝕層的吸收率來(lái)選擇激光器，反之亦然。理想的是，激光可燒蝕層在激光器所提供的輻射波長(zhǎng)下具有大于約1x107cm的吸收系數(shù)。這有助于最小化燒蝕閾值，從而能以較少的能量制造特征。這還有助于限制燒蝕工藝的附帶損壞，并且允許制造更小的特征。其它系統(tǒng)參數(shù)可以通過(guò)確定激光可燒蝕層的能量密度閾值來(lái)進(jìn)行選擇，能量密度閾值是指燒蝕最少的可燒蝕層所必需的激光能量。通過(guò)繪制關(guān)于燒蝕深度對(duì)脈沖能量的曲線并外推至零深度，可以得到燒蝕閾值?？梢宰兓囊粋€(gè)參數(shù)是激光脈沖的能量。改變激光脈沖能量是改變每個(gè)激光脈沖所移除材料的深度的一種便利方式。較高能量將移除較多的材料，從而提高生產(chǎn)力。較低脈沖能量將移除較少的材料，從而增強(qiáng)工藝控制能力。期望可燒蝕材料對(duì)過(guò)程沒(méi)有記憶；也就是說(shuō)，對(duì)于相同的激光脈沖參數(shù)，不論之前有多少次脈沖，每次脈沖都移除相同數(shù)量的材料。然后，通過(guò)獲知每次脈沖的深度并計(jì)數(shù)脈沖的次數(shù)，便可控制特征的深度。脈沖寬度、時(shí)間脈沖波形、波長(zhǎng)和激光的相干長(zhǎng)度也會(huì)影響燒蝕工藝，但這些參數(shù)對(duì)于每個(gè)激光器來(lái)說(shuō)通常是固定的，或者僅可以發(fā)生小量變化。激光可燒蝕層的厚度是另一個(gè)要考慮的因素。如上所述，燒蝕前的厚度需要至少為微結(jié)構(gòu)化表面的最大高度所需的厚度，而且還可以希望具有多種深度，以及向下移除激光可燒蝕層至鎳層。在一些情況下，例如，當(dāng)將足夠的脈沖用于向下燒蝕激光可燒蝕層至鎳層的表面時(shí)，可能期望聚合物具有激光燒蝕閾值，鎳層具有激光損壞閾值，并且激光燒蝕閾值小于激光損壞閾值的0.25。此差值有助于在不影響鎳層的情況下確保微結(jié)構(gòu)化層具有干凈而平坦的底面。除了在燒蝕過(guò)程中激光燒蝕系統(tǒng)必須能夠限定成像面之外，對(duì)激光可燒蝕制品的形狀和由該制品制成的微結(jié)構(gòu)化工具的形狀沒(méi)有具體限制。在燒蝕前、燒蝕過(guò)程中或燒蝕后的形狀可以相同，也可以不同。例如，激光可燒蝕制品和微結(jié)構(gòu)化工具可以都為基本扁平的片狀形式，或者激光可燒蝕制品可以為基本扁平的片狀形式，而在燒蝕后形成圓柱體或帶狀。作為另外一種選擇，激光可燒蝕制品可以在燒蝕前呈圓柱體或帶狀。微結(jié)構(gòu)化工具可以包括位于微結(jié)構(gòu)化表面上的附加層，該附加層用來(lái)防止化學(xué)降解或機(jī)械損壞，或者用來(lái)改變表面能或光學(xué)特性。具體地講，可以采用等離子沉積工藝施加菱形玻璃，以便制造可以用于多種應(yīng)用的微結(jié)構(gòu)化薄膜；有關(guān)菱形玻璃及其應(yīng)用的描述，請(qǐng)參見(jiàn)美國(guó)專利No.6，696,157Bl?？梢詫?duì)微結(jié)構(gòu)化工具進(jìn)行進(jìn)一步的加工、封裝和整合，或?qū)⑵淝谐奢^小部分。本文還公開(kāi)了制備微結(jié)構(gòu)化復(fù)制品的方法，該方法包括提供上述微結(jié)構(gòu)化工具；在微結(jié)構(gòu)化表面上施加液體組合物；使液體組合物硬化以形成硬化層；以及從微結(jié)構(gòu)化工具上分離該硬化層。在施加液體組合物前，可以用脫模劑(如含氟化合物、含有機(jī)硅的物質(zhì)或含烴的物質(zhì))處理微結(jié)構(gòu)化表面。該液體組合物可以包含可通過(guò)固化而硬化的一種或多種單體、低聚物和/或聚合物，或者可通過(guò)冷卻而硬化的熔融聚合物。在任一種情況下，都可以重復(fù)使用微結(jié)構(gòu)化工具來(lái)制造任意數(shù)量的微結(jié)構(gòu)化復(fù)制品。本文還公開(kāi)了制備微結(jié)構(gòu)化金屬工具的方法，該方法包括提供上述微結(jié)構(gòu)化工具；在微結(jié)構(gòu)化表面上施加金屬以形成金屬層；以及從微結(jié)構(gòu)化工具上分離金屬層。金屬可以電鍍到微結(jié)構(gòu)化表面上。在施加金屬前，可以在微結(jié)構(gòu)化表面上涂布用來(lái)在電鍍工藝過(guò)程中沉積金屬的導(dǎo)電種子層。可以通過(guò)氣相沉積法來(lái)形成導(dǎo)電種子層。圖6是示例性微結(jié)構(gòu)化金屬工具的照片?？梢灾貜?fù)使用所得的微結(jié)構(gòu)化金屬工具來(lái)以制造任意數(shù)量的微結(jié)構(gòu)化復(fù)制品。微結(jié)構(gòu)化金屬工具可以用來(lái)制造金屬?gòu)?fù)制品或聚合物復(fù)制品。無(wú)論是復(fù)制品還是微結(jié)構(gòu)化金屬工具，都可以用來(lái)制造制品。例如，制品可以包括在玻璃基底上形成的微結(jié)構(gòu)化的玻璃料層，然后再將玻璃料層加熱以形成如美國(guó)專利No.6,802,754中所述的等離子顯示裝置的阻隔肋結(jié)構(gòu)，將該專利的公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文。使用包括LambdaPhysik激光器LPX315的準(zhǔn)分子激光燒蝕系統(tǒng)來(lái)燒蝕厚度為508，(0.020〃)的市售鋁薄片材料(得自LorinIndustries)。對(duì)激光光束均束并使其穿過(guò)掩模，采用得自Microlas公司的光學(xué)系統(tǒng)用5x投影透鏡對(duì)該掩模成像。使用能量密度為862mj/cm2的激光光束以每秒150次脈沖的頻率總共照射90次。在燒蝕前后，測(cè)量均方根(RMS)粗糙度和算術(shù)平均粗糙度(Ra)。在表1中記錄結(jié)果。為上述鋁片材料鍍厚度為2.5,-7.6,(0.0001〃-0.0003〃)的無(wú)電鍍鎳層。該鍍鎳工藝在TwinCityPlating(Minneapolis,MN)進(jìn)行。以如上所述的方式燒蝕樣本。在表1中記錄RMS和Ra。圖4a和4b分別示出了燒蝕后鋁和鍍鎳鋁的照片。與圖4b所示鍍鎳鋁的鏡面反射表面相比，圖4a中的深色區(qū)域是顯著散射光線的粗糙的鋁。<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>實(shí)例2為厚度為508,(0.020〃)的市售鋁片材料(得自LorinIndustries的PREMIRROR41)鍍無(wú)電鍍鎳層。無(wú)電鍍鎳層的厚度為2.5拜_7.6,(0.0001〃-0.0003〃)。該鍍鎳工藝在TwinCityPlating(Minneapolis,MN)進(jìn)行。用乙醇和擦拭布清潔無(wú)電鍍鎳表面。然后在該表面上涂布可得自3MCompany的Scotchprime389陶瓷-金屬底漆溶液。將溶液噴涂至鎳表面上，通過(guò)擦拭得到均勻的涂層，風(fēng)干涂層，然后將該涂層在ll(TC的烘箱內(nèi)固化10分鐘。移出面板并冷卻至室溫，然后用EtOH和擦拭布除去殘留的未反應(yīng)的試劑。通過(guò)將芳族聚氨酯三丙烯酸酯的預(yù)聚物組分與40重量％的乙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯混合來(lái)制備聚氨酯丙烯酸酯樹(shù)脂，在所述乙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯中稀釋劑(得自CytecSurfaceSpecialties的EBECRYL6602)占82.5重量％，乙氧基化三羥甲基丙垸三丙烯酸酯(得自SartomerCo.的SARTOMERSR454)占16.5重量％，光引發(fā)劑(得自CibaSpecialtyChemicals的IRGACURE369)占1重量％。通過(guò)下列兩種方法之一將該樹(shù)脂涂布到鎳表面上以形成厚度在155-225,之間的涂層l)用精密的模具涂布機(jī)在高溫(即65°C)下形成均勻度為土5,的涂層，2)用標(biāo)準(zhǔn)的刮刀式涂布機(jī)在室溫下形成均勻度為土15,的涂層。如果采用后一種涂布工藝，則可以在涂層固化之后用傳統(tǒng)加工方法(例如飛刀切削法、研磨法或打磨法)通過(guò)對(duì)上表面進(jìn)行平面化處理，使樣本更加均勻。將帶涂層的面板封閉在具有金屬框架和玻璃頂部的"惰性"室內(nèi)。用干燥的氮?dú)獯祾叨栊允?分鐘，以降低氧氣水平。然后用紫外線輻射法固化樣本(15W，18〃藍(lán)色黑光燈，30秒，320nm-400nm，約5mW/cm2-25mW/cm2)。以如實(shí)例1所述的方法燒蝕所得的激光可燒蝕制品。燒蝕到帶涂層的面板中的圖案是六邊形構(gòu)成的六邊形陣列。所得微結(jié)構(gòu)化工具的厚度為162,，并且燒透圖案直至鎳層。使用乙醇并用棉墊輕輕擦拭來(lái)移除燒蝕碎屑。圖5a和5b分別示出了放大率為約100倍和500倍后燒蝕面板的照片。所示圖案為6-S圖案，其中深色區(qū)域?qū)?yīng)于未燒蝕區(qū)域(聚合物)，淺色區(qū)域?qū)?yīng)于已燒蝕區(qū)域。如圖5a所示，每個(gè)六邊形的尺寸為172.1,、194.2,和156.3,，如圖5b所示，未燒蝕區(qū)域的寬度為20,4(im。實(shí)例3除了在帶涂層的面板上燒蝕標(biāo)準(zhǔn)的方格紋圖案而非六邊形的六邊形陣列之外，如實(shí)例2所述制備微結(jié)構(gòu)化工具。使用標(biāo)準(zhǔn)電鑄方法在微結(jié)構(gòu)化工具上(在微結(jié)構(gòu)化聚合物層上)電鑄厚度為約lmm(40密耳)的包含鎳的金屬層。然后通過(guò)將金屬層與微結(jié)構(gòu)化工具分離來(lái)制造微結(jié)構(gòu)化金屬工具，并且在90°C-99'C下用含水堿(K0H:水的比率為50:50)來(lái)移除殘余的沐PI柳o微結(jié)構(gòu)化復(fù)制品可以使用如實(shí)例2和3所述的工具來(lái)制造微結(jié)構(gòu)化復(fù)制品。這將通過(guò)如下步驟進(jìn)行用脫模劑來(lái)處理工具的微結(jié)構(gòu)化表面，然后涂布含有一種或多種可固化物質(zhì)(例如單體、低聚物、聚合物、交聯(lián)劑等，或它們的一些組合)的組合物。然后可以固化該組合物以形成固化層，然后從工具上分離固化層。在不脫離本發(fā)明范圍和精神的情況下，本發(fā)明的多種修改和變型對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的，并且應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不受限于本文所述實(shí)例和實(shí)施例。權(quán)利要求1.一種微結(jié)構(gòu)化工具，包括微結(jié)構(gòu)化層，其包含聚合物并具有微結(jié)構(gòu)化表面，所述微結(jié)構(gòu)化表面包括一個(gè)或多個(gè)特征；鎳層，其含有鎳，所述鎳層設(shè)置成在與所述微結(jié)構(gòu)化表面相對(duì)的一側(cè)與所述微結(jié)構(gòu)化層相鄰；以及基底層，其含有金屬、聚合物、陶瓷或玻璃，所述基底層設(shè)置成在與所述微結(jié)構(gòu)化層相對(duì)的一側(cè)與所述鎳層相鄰。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的微結(jié)構(gòu)化工具，所述基底層含有鋁。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)化工具，所述基底層的面積大于約100cm2，平面度優(yōu)于10)om/100cm2。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)化工具，所述基底層的面積大于約100cm2，平行度優(yōu)于10|im/100cm2。5.根據(jù)權(quán)利要求l所述的微結(jié)構(gòu)化工具，所述鎳層基本上由鎳構(gòu)成。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)化工具，所述鎳層的厚度為約0.5，至約2cm。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)化工具，所述鎳層具有與所述微結(jié)構(gòu)化層相鄰的第一表面，所述第一表面的算術(shù)平均粗糙度(Ra)為100nm或更小。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)化工具，其中所述鎳層是通過(guò)電化學(xué)工藝、濺射法、化學(xué)氣相沉積法或物理氣相沉積法形成于所述基底層上的。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)化工具，其中所述聚合物包括聚碳酸酉旨、聚苯乙烯、聚氨酯、聚砜、聚酰亞胺、聚酰胺、聚酯、聚醚、酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、(甲基)丙烯酸類樹(shù)脂、或它們的組合。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)化工具，其中所述聚合物是由使用紫外線輻射固化的一種或多種單體、低聚物和/或聚合物形成的。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)化工具，其中所述一個(gè)或多個(gè)特征中的至少一個(gè)的最大深度為約0.5拜至約1000,。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)化工具，其中所述一個(gè)或多個(gè)特征的形狀包括矩形、六邊形、立方體、半球形、圓錐形、角錐形、或它們的組合。13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)化工具，還包括設(shè)置在所述微結(jié)構(gòu)化層與所述鎳層之間的連接層。14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)化工具，還包括設(shè)置在所述鎳層與所述基底層之間的粘合劑層。15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)化工具，其中所述微結(jié)構(gòu)化工具成形為圓柱體、扁平狀或帶狀。16.—種制備微結(jié)構(gòu)化工具的方法，所述方法包括提供激光可燒蝕制品，其包括含有聚合物的激光可燒蝕層，含有鎳的鎳層，所述鎳層與所述激光可燒蝕層相鄰地設(shè)置，以及含有金屬、聚合物、陶瓷或玻璃的基底層，所述基底層設(shè)置成在與所述激光可燒蝕層相對(duì)的一側(cè)與所述鎳層相鄰。提供具有激光器的激光燒蝕裝置；以及使用所述激光器的輻射燒蝕所述激光可燒蝕層，以形成包括一個(gè)或多個(gè)特征的微結(jié)構(gòu)化表面。17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，所述輻射具有小于約2拜的波長(zhǎng)。18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，所述輻射具有小于約400nm的波長(zhǎng)。19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，所述輻射的波長(zhǎng)小于所述一個(gè)或多個(gè)特征的最小尺寸的約兩倍。20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，所述基底層含有鋁。21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，所述激光可燒蝕層在所述輻射的波長(zhǎng)下具有大于約lx107cm的吸收系數(shù)。22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，所述聚合物具有激光燒蝕閾值，所述鎳層具有激光損壞閾值，其中所述激光燒蝕閾值小于所述激光損壞閾值的O.25倍。23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述激光可燒蝕層在大氣壓下不可熔融。24.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述激光可燒蝕制品成形為圓柱形、扁平狀或帶狀。25.—種微結(jié)構(gòu)化工具，其通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法形成。26.—種制備微結(jié)構(gòu)化復(fù)制品的方法，所述方法包括提供根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)化工具；在所述微結(jié)構(gòu)化表面上施加液體組合物；使所述液體組合物硬化以形成硬化層；以及從所述微結(jié)構(gòu)化工具上分離所述硬化層。27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，所述液體組合物包含一種或多種單體、低聚物和/或聚合物，并且所述硬化包括固化。28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，所述液體組合物包含一種或多種熔融聚合物，并且所述硬化包括冷卻。29.—種微結(jié)構(gòu)化復(fù)制品，其通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法制備。30.—種制備微結(jié)構(gòu)化金屬工具的方法，所述方法包括提供根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)化工具；在所述微結(jié)構(gòu)化表面上施加金屬以形成金屬層；以及從所述微結(jié)構(gòu)化工具上分離所述金屬層。31.—種微結(jié)構(gòu)化金屬工具，其通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法制備。32.—種阻隔肋結(jié)構(gòu)，其通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求30所述的微結(jié)構(gòu)化金屬工具制備。33.—種等離子顯示裝置，其包括根據(jù)權(quán)利要求32所述的阻隔肋結(jié)構(gòu)。全文摘要本文公開(kāi)一種微結(jié)構(gòu)化工具，所述微結(jié)構(gòu)化工具具有微結(jié)構(gòu)化層，其包含聚合物并具有微結(jié)構(gòu)化表面；鎳層，其設(shè)置成在與微結(jié)構(gòu)表面相對(duì)的一側(cè)與微結(jié)構(gòu)化層相鄰；以及基底層，其設(shè)置成在與微結(jié)構(gòu)化層相對(duì)的一側(cè)與鎳層相鄰。微結(jié)構(gòu)化表面可以有至少一個(gè)特征，該特征的最大深度最多高達(dá)約1000μm。本文還公開(kāi)了使用激光燒蝕法來(lái)制造微結(jié)構(gòu)化工具的方法。微結(jié)構(gòu)化工具可以用于制造適用于光學(xué)應(yīng)用的制品。文檔編號(hào)B81C1/00GK101410324SQ200780010957公開(kāi)日2009年4月15日申請(qǐng)日期2007年3月28日優(yōu)先權(quán)日2006年3月31日發(fā)明者保羅·E·洪帕爾,塔德塞·G·尼加圖,帕特里克·R·弗萊明,托德·R·威廉姆斯,托馬斯·R·J·科里根申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司