專利名稱：無縫激光刻蝕的輥模具的制作方法
無縫激光刻蝕的輥模具
背景技術(shù)：
已經(jīng)開發(fā)出激光刻蝕加工平臺，用于在聚合物平板上形成復(fù)雜的納米級結(jié)構(gòu)化表 面模具。這些平臺采用準分子激光器來刻蝕固定在真空吸頭上的聚合物板。光學(xué)組件控制 激光束并且將掩模成像在聚合物表面上，從而刻蝕由掩模設(shè)計所控制的圖案。已經(jīng)證明這 些系統(tǒng)能夠形成具有機械性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)的各種結(jié)構(gòu)。在這些平臺上形成的結(jié)構(gòu)可用于制 成原型的扁平復(fù)制品?？赏ㄟ^將聚合物的鎳仿制品焊入圓柱形套管，由扁平模具制成輥模 具。此類套筒中會有接縫，這在由輥模具制備薄膜時是不利的。存在采用激光刻蝕通過其他方式來制備輥模具，特別是無縫圓柱形模具的需求。

發(fā)明內(nèi)容
符合本發(fā)明的第一個系統(tǒng)可由大致圓柱形工件制成經(jīng)激光加工的模具。該系統(tǒng)包 括產(chǎn)生激光束的激光器和用于處理激光束圖像并且將處理過的激光束圖像成像在工件外 表面上的光學(xué)系統(tǒng)。對激光束圖像的處理與工件外表面的曲率有關(guān)，并且提供了在曲面上 準確成像的方式。該系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)工件并且使用激光束圖像來刻蝕工件外表面，以在表面內(nèi)形 成微結(jié)構(gòu)以制成大致圓柱形的模具。符合本發(fā)明的第二個系統(tǒng)可由大致圓柱形工件制成經(jīng)激光加工的模具。該系統(tǒng)包 括產(chǎn)生激光束的激光器和用于將激光束圖像成像在工件外表面上的光學(xué)系統(tǒng)。該光學(xué)系統(tǒng) 使激光圖像在與工件外表面垂直的方向上的偏離小于20微米。該系統(tǒng)在激光器已啟用的 狀態(tài)下協(xié)調(diào)工件的旋轉(zhuǎn)運動和平移運動，以使用激光圖像來刻蝕工件的外表面，從而在表 面內(nèi)形成微結(jié)構(gòu)以制成大致圓柱形的模具。


附圖包含在本說明書中并構(gòu)成本說明書的一部分，并且結(jié)合具體實施方式
闡明本 發(fā)明的優(yōu)點和原理。在附圖中，圖1為用于對圓柱形工件進行激光加工的系統(tǒng)的示意圖；圖2為示出了采用光學(xué)器件和掩模在工件上形成圖像以對其進行加工的示意圖； 以及圖3為示出了在工件上形成的圖像的示意圖。
具體實施例方式激光加工系統(tǒng)激光加工系統(tǒng)可用于通過激光刻蝕來制成聚合物輥模具。如下所述，基于激光刻 蝕系統(tǒng)的輥；例如，準分子激光器、光學(xué)系統(tǒng)以及包括涂覆有可加工材料(如聚合物)的輥 的工件。光學(xué)系統(tǒng)可包括如下所述的光學(xué)組件、投影掩模支撐系統(tǒng)和成像光學(xué)器件。其他 可能的光學(xué)系統(tǒng)可采用鏡面反射技術(shù)或全息技術(shù)來進行如下所述的成像和刻蝕操作。圖1為用于加工被稱為工件的輥模具的示例性激光加工系統(tǒng)10的示意圖。加工可包括例如在工件中形成微結(jié)構(gòu)。微結(jié)構(gòu)可包括位于制品表面上的、凹入制品表面的或從 制品表面凸起的任何類型、形狀以及尺寸的結(jié)構(gòu)。術(shù)語“微結(jié)構(gòu)”是指至少一個尺寸(如高、長、寬或直徑)小于2毫米(mm)并且優(yōu) 選地小于1mm的結(jié)構(gòu)。采用本說明書所述系統(tǒng)形成的微結(jié)構(gòu)可具有1000微米節(jié)距、100微 米節(jié)距、1微米節(jié)距，或甚至約200納米(nm)的亞光學(xué)波長節(jié)距。提供這些尺寸僅為示例性 目的，采用本說明書所述系統(tǒng)形成的微結(jié)構(gòu)可具有采用該系統(tǒng)能夠加工的范圍內(nèi)的任何尺 寸。系統(tǒng)10由計算機12控制。計算機12具有例如以下元件存儲一個或多個應(yīng)用程 序16的存儲器14 ；提供非易失性信息存儲的第二存儲器18 ；接收信息或命令的輸入裝置 20 ；運行存儲在存儲器16或第二存儲器18中，或來自另一個來源的應(yīng)用程序的處理器22 ； 輸出視頻信息的顯示裝置24 ；以及以其他形式輸出信息的輸出裝置26，例如輸出音頻信息 的揚聲器或輸出信息硬拷貝的打印機。由準分子激光器28和光學(xué)系統(tǒng)一起來加工工件32。本例中的光學(xué)系統(tǒng)包括光學(xué) 器件和投影掩模30，其選擇性地阻擋部分激光束31來形成圖像，從而對工件32上的材料進 行加工。在計算機12的控制下，激光器28可形成激光束31的脈沖。為了加工工件32的外 表面，激光器、光學(xué)器件和投影掩模通常保持靜止，同時工件32在大致與激光束31垂直的 方向上旋轉(zhuǎn)和平移。具體地講，驅(qū)動裝置36在計算機12的控制下使工件32按箭頭33所 示方向或相反方向旋轉(zhuǎn)。就工件32的平移而言，工件由支架37和39來支撐，支架采用計 算機12控制的驅(qū)動裝置38使工件按箭頭34所示方向沿著軌道40橫向移動。通過驅(qū)動裝 置38的支架37和39還可配置成按箭頭35所示在大致平行于激光束31的方向上移動工 件。工件32按箭頭35所示方向的移動可用于幫助精確調(diào)焦由激光束31形成的圖像，使其 成像在工件32的外表面上。作為另外一種選擇，除了如箭頭33所示的工件32的旋轉(zhuǎn)外， 激光器28和工件32可保持靜止，同時光學(xué)器件和掩模30沿著工件平移。在可供選擇的實 施例中，系統(tǒng)10還可配置成對激光器28以及光學(xué)器件和掩模30沿著工件32平移時所產(chǎn) 生的圖像進行光程補償。圖2為示出了采用光學(xué)器件和投影掩模在工件上形成圖像以對其進行加工的示 意圖。光學(xué)器件42為成像掩模44提供激光束31。根據(jù)成像掩模44的構(gòu)造，對成像光學(xué)器 件46提供激光束31以將圖像48投射到工件32的可加工材料41上。系統(tǒng)10采用成像而 非光斑直寫來加工工件32。光斑直寫與成像之間存在若干明顯的不同。對于光斑直寫，系 統(tǒng)在透鏡的焦點處作用。對于成像，系統(tǒng)在投影掩模的圖像上作用。重疊技術(shù)被稱為成形 光斑直寫，該成像技術(shù)采用投影掩模和成像透鏡利用激光束形成簡單的形狀，如三角形或 月牙形，然后移動該形狀以得到加工所需的圖像。對于光斑直寫，像素為激光束，通常為圓 形并且盡可能小。對于成形光斑直寫，像素為成形光斑，但其比利用激光束可能得到的最小 光斑大得多。對于成像，像素通常為可能的最小光斑，但是這些像素全部合并成一個刻蝕所 需的成像結(jié)構(gòu)。工件32通常具體為涂覆有激光可加工的聚合物材料的金屬輥。金屬輥可具體為 例如涂覆有鎳或鉻的硬銅或鋼。作為另外一種選擇，工件32可具體為涂覆有可加工的聚合 物材料的鋁、鎳、鋼或塑料(如丙烯酸脂)。此類用于加工的聚合物材料的例子在美國專利 申請No. 11/278278和11/278290中有所描述，兩者均提交于2006年3月31日并且全文以引用方式并入本文中。使用的具體材料可取決于例如具體的所需應(yīng)用，如使用已加工工件 制成的各種薄膜?？杉庸さ木酆衔锊牧峡删唧w為例如聚酰亞胺和聚氨酯丙烯酸酯。類金剛 石玻璃(DLG)涂層可用于利用激光刻蝕的聚酰亞胺輥來制成耐用的模具。DLG在2005年7 月20日提交的美國專利申請No. 11/185078中有所描述，該專利全文以引用的方式并入本 文中。.含氟聚合物涂層也可用于提高刻蝕輥的耐久性。用作工件上刻蝕基底的其他材料 包括聚碳酸酯、聚氨酯和丙烯酸脂?？赏ㄟ^涂覆一薄層鎳、鉻、銀或其他材料來提高輥模具 (工件)的耐久性，并且還可以增強其脫膜特性。系統(tǒng)還可用于加工其他材料，例如納米晶金屬和完全致密的陶瓷，尤其是金屬氧 化物。然而，與刻蝕聚合物所需的功率相比，這些材料需要約十倍的刻蝕功率?？衫迷撓?統(tǒng)來刻蝕陶瓷；然而，制備較大的完全致密的陶瓷材料輥或涂覆其的輥均十分困難。因此， 較小的陶瓷材料輥對刻蝕而言更為理想?？杉庸さ奶卣鞒叽缛Q于激光的波長和成像光學(xué)器件的數(shù)值孔徑。數(shù)值孔徑為可 進入或離開光學(xué)系統(tǒng)或元件的經(jīng)向光線的最大光錐頂角的正弦乘以光錐頂點所處介質(zhì)的 折射指數(shù)。工件32的加工由不同元件的協(xié)調(diào)移動來實現(xiàn)。具體地講，系統(tǒng)在計算機12的控 制下通過驅(qū)動裝置36和驅(qū)動裝置38來控制工件在方向33、34和35上移動，同時在激光器 28的控制下協(xié)調(diào)那些運動，從而在工件32的表面上形成激光圖像以對其進行加工。工件表 面在加工期間可為靜止的，或優(yōu)選地可與電子和激光系統(tǒng)一起運動，其中電子和激光系統(tǒng) 的延遲由計算機計算，以將圖像準確置于表面上理想的位置。工件32加工完后可用于制成在多種用途中使用的具有相應(yīng)微結(jié)構(gòu)的薄膜。這些 薄膜的實例包括光學(xué)薄膜、摩擦控制薄膜以及微型緊固件或其他機械微結(jié)構(gòu)化元件。這些 薄膜通常采用涂層工藝制成將粘稠狀態(tài)的材料涂抹在工件上，使其至少部分硬化，然后將 其移除。硬化材料構(gòu)成的薄膜將具有與工件中的結(jié)構(gòu)基本上相反的結(jié)構(gòu)。例如，工件中的 凹進在所得薄膜中造成凸起。激光加工方法如上所述，激光器28以及光學(xué)器件和投影掩模30通常保持靜止，同時工件32分 別在方向33和34上軸向旋轉(zhuǎn)和平移。與激光束垂直的輥的小范圍運動的軸線(方向35) 可有助于對系統(tǒng)進行調(diào)焦。作為另外一種選擇，此調(diào)整可通過移動光學(xué)器件、投影掩?；蛲?時移動兩者來實現(xiàn)。為了進行加工，在工件32處于正確位置時軸向旋轉(zhuǎn)和平移工件，同時 由計算機12控制激光器28發(fā)出激光。采用此技術(shù)，直徑為12英寸(in)、長為24英寸的輥 可在僅幾小時內(nèi)完全圖案化形成淺圖案。在基于輥的系統(tǒng)上成像以進行刻蝕的一個考慮因素為分辨率與焦深之間的平衡。 下列等式總結(jié)了該關(guān)系 其中W為分辨率，kl為常數(shù)，A為曝光波長，NA為數(shù)值孔徑；以及
，其中D0F為焦深，k2為常數(shù)，NA為數(shù)值孔徑。根據(jù)這些等式確定僅可通過增大系統(tǒng)的NA來提高給定光波長的分辨率。
由于系統(tǒng)10在曲面上成像，因此基于圖3所示示意圖的幾何分析說明了此系統(tǒng)的 平衡。如圖3所示，值A(chǔ)X(56)代表點50與點51之間的工件外表面53上圖像的寬度。工 件的半徑為R(52)，角0 (54)代表成像區(qū)域56的角距的一半。值A(chǔ)Z(58)代表垂直于工 件外表面的成像區(qū)域56的垂直距離。根據(jù)圖3所示成像的幾何形狀，AZ = R-R*C0S( 0 )， AX = 2*R*sin( e )。表1匯總了此幾何形狀的示例值。對于直徑為12英寸的輥，5mm寬的 圖像將覆蓋超過20微米(ym)的垂直距離，因而不能形成具有某些D0F值的合適圖像。此 外，希望增大系統(tǒng)的分辨率，這就要求減小D0F。 若干方法可以處理涉及在曲面上成像的考慮因素。第一種處理曲面上成像的方法 涉及將準分子激光束轉(zhuǎn)換為狹長光束(如lmmX20mm)而非常用方光束(5mmX5mm)的光學(xué) 組件。這樣投影掩模便為狹長的，但不會限制由系統(tǒng)形成的圖案的范圍。如圖3所示以及 表1匯總，從工件軸線射下的1mm寬的光束(距離56)偏離直徑為6英寸的輥的成像平面 的距離小于1微米(距離58)。在其他情況下，光學(xué)系統(tǒng)或投影掩模可配置成得到在與工件 外表面垂直的距離內(nèi)偏離小于20微米或10微米的圖像。因此，采用非常大的圓柱體時，可 限制彎曲方向上成像域的尺寸，以使得激光圖像保持在大致成像焦距內(nèi)，其中聚焦誤差等 于 1/2 A Z (距離 58)。在第二種方法中，最終成像光學(xué)器件可設(shè)計成處理激光束圖像以產(chǎn)生圓柱形成像 平面，在此情況下，系統(tǒng)10將平面圖像從投影掩模投射到凸圓柱形(工件)上。此方法在 一個方向上彎曲成像域，其涉及定位成像透鏡組件中的柱面透鏡。處理量通常與工件外表 面的曲率大小有關(guān)，以將處理過的平面圖像從投影掩模投射到工件的曲面上?？刹捎美?光線跟蹤軟件來設(shè)計此方法。處理投射到曲面上的圖像的技術(shù)在美國專利No. 6，715，888 和6，568，816中有所描述，兩者均以全文引用方式并入本文中。激光刻蝕加工優(yōu)選生成彎 曲成像域的第二種方法，因為該方法使激光器的主光線與圓柱形工件的外表面垂直，使得 光線“指向”工件的中心軸線。第三種方法涉及使用彎曲掩模(如刻蝕過的金屬掩模)來生成彎曲的成像域，其 中掩模的曲率大小與工件外表面的曲率大小有關(guān)。雖然已結(jié)合示例性實施例描述本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，許 多修改形式都是顯而易見的，本專利申請旨在涵蓋其任何修改或變化。例如，可在不脫離本 發(fā)明范圍的情況下使用各種類型的激光器、成像光學(xué)器件、掩模和要刻蝕的材料。本發(fā)明應(yīng) 當(dāng)僅受限于權(quán)利要求書及其等同物。
權(quán)利要求
一種制備經(jīng)激光加工的模具的系統(tǒng)，包括形成激光束圖像的激光器；大致圓柱形的工件，其中所述系統(tǒng)能夠使所述工件旋轉(zhuǎn)；以及處理所述激光束圖像并且將處理過的激光束圖像成像在所述工件的外表面上的光學(xué)系統(tǒng)，其中對所述激光束圖像的所述處理與所述工件的所述外表面的曲率有關(guān)，并且其中所述激光束圖像能夠刻蝕所述工件的所述外表面，以在所述表面內(nèi)形成微結(jié)構(gòu)，從而制成大致圓柱形的模具。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括設(shè)置在所述激光束內(nèi)使所述激光束成形為所述 圖像的投影掩模。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)能夠在所述激光器已啟用的狀態(tài)下協(xié)調(diào) 所述工件的旋轉(zhuǎn)運動，從而選擇性地刻蝕所述工件的所述外表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)能夠使所述工件在大致與所述激光束垂 直的平移方向上移動。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)能夠在所述激光器已啟用的狀態(tài)下協(xié)調(diào) 所述工件的旋轉(zhuǎn)運動和平移運動，從而選擇性地刻蝕所述工件的外表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述激光束圖像能夠在所述模具上以連續(xù)的螺旋 圖案刻蝕所述表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述激光束圖像能夠在所述模具上以不連續(xù)的螺 旋圖案刻蝕所述表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括涂覆在所述工件的所述外表面上的材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述材料包含聚合物材料。
10.一種制備經(jīng)激光加工的模具的系統(tǒng)，包括形成激光束圖像的激光器；大致圓柱形的工件，其中所述系統(tǒng)能夠使所述工件旋轉(zhuǎn)并且使所述工件相對于所述激 光束移動；以及將所述激光束圖像成像在所述工件的所述外表面上的光學(xué)系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)能夠在 所述激光器已啟用的狀態(tài)下協(xié)調(diào)所述工件相對于所述激光束圖像的旋轉(zhuǎn)運動和平移運動， 以使用所述激光束圖像刻蝕所述工件的所述外表面，從而在所述外表面內(nèi)形成微結(jié)構(gòu)，進 而制成大致圓柱形的模具，并且其中所述激光束圖像在與所述工件的所述外表面垂直的方向上的偏離小于20微米。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述激光束圖像在與所述工件的所述外表面垂 直的方向上的偏離小于1微米。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，還包括布置在所述激光束內(nèi)使所述激光束成形為所 述圖像的投影掩模。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)能夠在所述激光器已啟用的狀態(tài)下協(xié) 調(diào)所述工件的旋轉(zhuǎn)運動，從而選擇性地刻蝕所述工件的所述外表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)能夠使所述工件在大致與所述激光束 垂直的平移方向上移動。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)能夠在所述激光器已啟用的狀態(tài)下協(xié) 調(diào)所述工件的旋轉(zhuǎn)運動和平移運動，從而選擇性地刻蝕所述工件的所述外表面。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述激光束圖像能夠在所述模具上以連續(xù)的螺 旋圖案刻蝕所述表面。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述激光束圖像能夠在所述模具上以不連續(xù)的 螺旋圖案刻蝕所述表面。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)系統(tǒng)使所述激光束成形為大致矩形圖像。
19.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，還包括涂覆在所述工件的所述外表面上的材料。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述材料包含聚合物材料。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種由大致圓柱形的工件制備經(jīng)激光加工的模具的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括形成激光束圖像的激光器、設(shè)置在所述激光束內(nèi)使所述激光束成形為圖像的掩模、以及將所述激光束圖像成像在所述工件的所述外表面上的光學(xué)系統(tǒng)。所述系統(tǒng)在所述激光器已啟用的狀態(tài)下協(xié)調(diào)所述工件的旋轉(zhuǎn)運動和平移運動，以使用所述激光圖像刻蝕所述工件的所述外表面，從而在所述工件的表面內(nèi)形成微結(jié)構(gòu)以制成所述圓柱形模具。
文檔編號B23K26/00GK101861227SQ200880116100
公開日2010年10月13日 申請日期2008年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月16日
發(fā)明者帕特里克·R·弗萊明, 托馬斯·R·科里甘 申請人:3M創(chuàng)新有限公司