JPH10502734A - ミクロ構造の深さを測定する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 スタンピング工程によりミクロ構造を変形可能な層に転写したときのミクロ構造の深さを測定する方法であって、転写すべきミクロ構造に幾何学的に単純な参照回折格子構造が設けられている方法を提供する。この参照回折格子構造が測定光ビームを干渉する。その結果得られた色分布により、形成された構造の深さに関する測定を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】 ミクロ構造の深さを測定する方法 本発明は、スタンピング工程によりミクロ構造を変形可能な層に転写するとき にミクロ構造の深さを測定する方法に関するものである。 近年、特に、紙幣、クレジットカード、身分証明書等のような重要書類、ある いは価値のある物品の保全部材（security elements）に光回折効果がますます 使用されるようになっている。このような構造はいわゆる「原版（master）」に より、適切に変形可能な層に型押し（stamp）または圧印加工（emboss）されて いる。この方法は、例えば、スタンピングホイルの製造に用いられている。この スタンピングホイルから、保全部材が基体にホットスタンピング操作で転写され る。光回折効果を有するこの種の構造の製造において、操作は、一部が１μｍ未 満の比較的小さなスタンピング深さまたはエンボシング深さにより行なわれてい る。この点に関して、要望される程度の透明さおよび明確さを伴う所望の効果が 生じないので、スタンピングは浅すぎるべきではない。しかしながら、深すぎる スタンピングにも、達成される効果に不利な影響がある。結果的に、単純な手段 により、かつ特に光回折効果を有する構造を変更したり損傷を与えたりせずに、 形成された構造の深さを迅速に、かつ各々の製造工程において測定することを可 能にする方法が緊急に必要とされている。 明らかに、本来既知の方法、例えば、回折効果の程度を測定する形態の方法を 用いて、構造の深さを検出することができる。しかしながら、既知の方法の全て は、測定方法の点で高価であり、実施するのに複雑である。 したがって、本発明の目的は、特に単純で、普遍的に用いることができ、さら に、比較的低コストで実施することのできる、ミクロ構造の深さを測定する方法 を提供することにある。 この明細書の冒頭の部分で述べた種類の方法において、これらの目的を達成す るために、本発明は： 転写すべきミクロ構造において、少なくとも部分的に幾何学的に単純な参照 回折格子構造を設け、この回折格子構造の回折格子要素は特に正方形、長方形ま たは三角形のプロフィールを有していてもよく、 参照回折格子構造に、所定の波長範囲を含む光ビームを照射し、 ゼロ次回折スペクトルにおいて生じる強度の最大値および最小値の、達成さ れたスタンピング深さに依存する位置を、透過モードまたは反射モードで測定し 、スタンピングにより形成された深さが、それぞれの参照構造および照射された 波長範囲に関する比較値に基づく測定位置から確かめるか、あるいは、 スタンピングにより形成された深さを、比較値に基づくゼロ次の回折光の色 の積分評価から推測する各工程からなる方法を提案する。 したがって、本発明による方法の基本的な原理は、ミクロ構造のスタンピング 深さを測定することにあり、参照構造物が少なくとも所定の領域内に設けられ、 その参照構造物は、好ましくは、正方形、長方形または三角形の側面を有する幾 何学的に単純な回折格子構造である。次いで、透過光または反射光のスペクトル 分布を参照回折格子構造の領域内で測定し、この場合に生じる強度の最大値また は最小値をスタンピング深さの点で直接的な測定値として用いることができる。 なぜならば、それら最大値および最小値のそれぞれが、スタンピング深さに依存 して色スペクトルの異なる波長範囲まで移動するからである。この点に関して、 位置は一般的に、構造物の深さが減少することにより、最小波長が移動して値を 小さくするようなものである。参照回折格子プロフィールを正確に選択すれば、 最小周波数の絶対値が実質的に、構成すべき基体の屈折率に依存する。 さらに詳しくは、本発明による方法は、以下の理由に基づいている。この点に 関して、一方では透過モードの測定値について、他方では反射モードの測定値に ついて調査を行なう。 透過モードの測定値の場合には、以下の方程式により、長方形プロフィールの 単純な線の回折格子の測定された透過度を適切な程度で実質的に記載することが できると仮定する： この方程式において： Ｔ（λ）： 波長に依存する透過度 ａ： ｎｍで表したスタンピング深さに対応する、形成された回折格 子の深さ（ランドの深さ） λ： ｎｍで表した波長 ｎ： 基体の屈折率 ｃ₁、ｃ₂： ｎｍで表した実験定数 透過測定モードにおいて、測定方法を用いた構造の深さの評価に関して、検出 した最小波長λ_minに関する直接の線形関係を用いる。この点に関して、下記の 方程式を構造の深さａに関して適用する： 方程式（II）において： λ_min： ｎｍで表した、Ｔ（λ）が最小値のときに測定した波長 ｎ： 基体の屈折率 ｃ₃： ｎｍで表した実験定数 上記の方程式（Ｉ）および（II）に基づいて適正な種類の回折格子を選択する と、基体を透過する光の原色による迅速な質的評価、および構造の深さの実際の 量的測定値の両方を得ることができる。このようにして、スペクトル色分布を測 定する適切な装置を用いて、転写操作で形成された構造の深さを迅速に連続的に 確認することができる。ここで、基体を透過する光の色に基づいて、大雑把な評 価が可能である。このことにより、対応するミクロ構造の製造において、例えば 、スタンピング圧力、スタンピング操作の温度、硬化速度、およびスタンピング を受ける現在の層の厚さを変更することにより、作業条件における変化に迅速に 対応することができる。 形成された構造の深さに関して、生じた強度の最大値または最小値の明確な関 連付けが透過測定モードにおいて可能である一方、反射測定を行なうと、より具 体的には特に白色光を用いると、その光がしばしば実質的に構造の所望の深さ未 満の波長を含み、このことは、多重干渉現象が生じることを意味するので、これ によって困難なことが生じる。例えば、形成されたスペクトルには２つの最小値 または最大値があるかもしれない。それにもかかわらず、得られたスペクトル色 を形成された構造の深さに関する基準として用いることができる。 反射光による測定を行なう場合には、反射光の強度に関して、その波長に依存 する適切な回折格子を用いて、以下の条件を適用する： この方程式において： λ： ｎｍで表した波長 ａ： ｎｍで表した構造の深さ ｃ： ｎｍで表した確認すべき定数（例えば、本出願人が調査した回 折格子の場合には、-50 ｎｍに対応する） 反射による測定における複雑な条件を考慮するので、標準的な回折格子の深さ に基づいて、それら回折格子の深さに関する色スペクトルの標準化を行なうこと が望ましく、それによって、形成されるスタンピング深さの量的色評価が可能と なる。 上述した理論的検討と関連して、これら全てのことは、測定はゼロ次で行なう という事実に基づいていることに注意すべきである。 参照回折格子構造は望ましくは正方形、長方形また三角形のプロフィールのも のであるべきである。なぜならば、それによって、最も単純な条件が得られ、上 述した方程式（Ｉ）から（III）までを補正せずに実質的に適用できるからであ る。そうすることによって、測定経費が最小となり、さらに、可視光の範囲の測 定光ビームを用いると、測定装置を必要とせずに、単に目による質的評価が可能 となることを意味する。 以下のパラメータを満たした参照回折格子構造を本発明による方法に用いるこ とが特に望ましいことが分かった： 回折格子定数ｇ： 0.5 μｍ≦ｇ≦４μｍ ランド／回折格子定数比率ｂ／ｇ： 0.1 ≦ｂ／ｇ≦0.8 回折格子深さａ： 0.3 μｍ≦ａ≦４μｍ 測定光ビームの評価を様々な異なる方法で行なえることがすでに指摘されてい る。測定光ビームの色評価を分光光度計により行なうことが特に望ましい。それ は、結果が信頼性があり、精度が高いからである。 測定を透過により行なう場合には、本発明では、参照回折格子構造を透過する 測定光ビームの色を評価する際には白色光を使用する。 これに対して、反射構造を測定する場合には、制限された波長範囲の光を測定 光ビームとして使用することがより好ましい。この場合には、白色光に関して異 なる周波数で生じる強度の最大値および最小値を除去することが十分に可能であ るので、構造の深さの実際の測定に関して、構造の深さと強度の最小値との間に 明確な関連性がある。 ドイツ国特許35 18 774 C2号には、光学的に効果のある段の高さを形成する最 適層を作成することにより、位相回折格子（phase grating）の回折特性を最適 化する方法が開示されている。この方法には、位相回折格子の製造工程中に、周 期的な位相回折格子で実質的に単色の測定光を回折することが含まれている。少 なくとも２種類の回折オーダーの光ビームの照射強度が測定され、工程のパラメ ータが、回折オーダーの強度の関係から誘導される。このようなパラメータによ り、回折特性を最適化するために、位相回折格子の光学的に効果的な段の高さが 増加または減少する。 これに対比して、本発明の主題は、スタンピング操作中にミクロ構造のスタン ピング深さを測定する方法にある。ここで、型押しされたミクロ構造を評価する ために、参照構造を、ミクロ構造の少なくとも所定の領域に形成する。この参照 構造に、所定の波長範囲の光ビームを照射し、ゼロ次の回折格子スペクトルにお いて生じた強度の最大値または最小値を、形成されたスタンピング深さに関する 直接的な測定値または近似値として用い、光の色を目視的に評価する。 本発明のさらなる特徴、詳細および利点は、図面に関する以下の記載から明白 である： 図１ａ−１ｃは、本発明により使用できる回折格子の３種類の実施例の概略図 を示しており、 図２は、透過測定の測定原理を示しており、 図３は、反射測定の測定原理を示しており、 図４は、図２に示した測定の場合の、構造の所定の深さによる分光光度計の受 信プロフィールを示しており、 図５ａ−５ｄは、反射測定の場合の、構造の異なる深さによる分光光度計の受 信プロフィールを示している。 図１ａ−１ｃは、本発明による方法に関して、できるだけ単純な回折格子構造 を参照回折格子構造として使用すべきであり、この点に関して、図１ａに示した 回折格子構造はいわゆる長方形構造であり、図１ｂに示した回折格子構造は正方 形回折格子であり、図１ｃに示した構造は三角形回折格子であることを示してい る。図１ａ−１ｃの回折格子構造は、基体にミクロ構造の残りの部分を製造する のと同時に形成される。基体１に適切にスタンピングまたはエンボシングを行な うことにより、回折格子ランド２およびこの回折格子ランド２の間の空間３が形 成される。 図１ａ−１ｃの回折格子構造の差異は、一方では、異なる幾何学的形状にある が、他方では、伴う異なる目的にある。より具体的には、図１ａおよび１ｃに示 した回折格子構造は、透過測定に関して使用することを意図したものであるが、 図１ｂの回折格子構造は反射測定に使用することができる。 これらの目的を達成するためには、図１ａおよび１ｃの回折格子構造は適切に 透明な材料から完全にならなければならない。比較すると、図１ｂに示したよう な反射測定のための回折格子構造の場合には、少なくとも、図に太線で示し、回 折格子の主板に対して平行に延在する表面４を確実に反射特性のものとすること 、例えば、この表面４に反射金属層が確実に設けられていることが必要である。 それぞれ適切な反射形態または光透過形態が用意されていれば、図１ａおよび １ｃの回折格子構造を反射測定にも使用することができ、図１ｂの回折格子構造 を透過測定に使用することもできる。 図１ａおよび１ｂの回折格子構造は、回折格子ランドが実質的に長方形の断面 のものである限り、実質的に同一である。しかしながら、差異は、図１ａの構造 においては、回折格子ランド２の幅ｂがランド２の間の空間３の幅ｇ−ｂよりも 実質的に小さい。比較すると、図１ｂに示した回折格子構造においては、ランド ２の幅と間の空間３の幅とは実質的に同一である。 回折格子構造を本発明の目的に使用できるようにするには、このような構造は 以下の条件を満たさなければならない： 回折格子定数ｇ： 0.5 μｍ≦ｇ≦４μｍ ランド／回折格子定数の比率ｂ／ｇ： 0.1 μ≦ｂ／ｇ≦0.8 回折格子の深さａ： 0.3 μｍ≦ａ≦４μｍ。 図２は、透明基体５における構造の深さを測定する場合の測定方法を図に示し ている。この目的のために、基体５には、少なくとも部分的に、適切な参照回折 格子構造が設けられている。図示した実施の形態においては、回折格子構造は正 方形の回折格子構造であり、すなわち、これは、反射特性のものではないが、断 面において、図１ｂの回折格子構造に対応する。 参照回折格子構造には、適切に方向付けられた光源６により白色光が照射され 、光７のスペクトル光分布が基体５を透過し、参照回折格子構造が受信器８、望 ましくは分光光度計により測定される。 波長λに依存する、受信器８に到達する光の強度分布Ｔ（λ）が、原則として 図４に示されている。ここで、透過測定を行なう場合には、照射強度Ｔ（λ）に 関する最小値が、基体５の参照回折格子構造の深さに依存して、所定の波長λ_{mi n} で生じる。したがって、このことは、強度の最小値またはその波長λ_minは、参 照回折格子構造に形成される深さに関する直接的な測定値を示すことを意味する 。それゆえ、単に強度の最小値の波長を確定することにより、それぞれ形成され た構造の深さａを容易に迅速に確認することができる。 このことを以下の実施例を参照して説明する： 透過測定の操作を、直接的な透過照射および０°の受信角度で行なった。ここ で、使用した参照回折格子構造は、回折格子定数が２μｍであり、ランドと回折 格子の定数の比率ｂ／ｇが１：２である長方形の回折格子であった。基体の屈折 率はｎ＝1.466 であった。 上述した屈折率に基づいて、ｃ₃が-285ｎｍ（方程式（III））であるとすると 、構造の深さａに関しては、以下の関係が成り立つ： ａ＝（2.1428・λ_min-285）ｎｍ 形成された構造の深さ、最小波長および色の関係を以下に示す： 上述した詳細は明らかに、一方では、形成された構造の深さの正確な分光測定 が可能であるが、他方では、ある色の低レベルの強度の結果として生じる変化の ような、白色測定光ビームの色の変化により純粋に目視的評価を行なうことがで きることを示している。 反射基体に関する構造の深さを確認する測定方法が図３に示されている。基体 ５′には、深さａの参照回折格子構造が設けられている。形状は、少なくとも、 光源６′およびこの光源６′が反射しているときに基体５′の同一の側に配置さ れた受信器８′に面する基体５′の表面に、例えば、金属コーティング９が設け られているようなものである。 根本的に、光源６′および受信器８′は、透過モード測定の配列の光源６およ び受信器８とそれぞれ同一であって差支えない。しかしながら、反射測定の場合 には、光源６′のみが制限された波長範囲の光を放出するか、または受信器８′ が所定の波長範囲の光を受信することが望ましい場合もある。なぜならば、受信 器８′に入射する、光源６′の反射光の強度の最小値および最大値の、構造の所 定の深さとの関連付けがある条件下で可能かもしれないからである。 図５ａ−５ｄは、波長に依存する、基体５′の反射表面９により反射された光 の強度分布Ｉ_Rを示している。ここで、図５ａ−５ｄは、空気と金属との界面で の、白色光を使用した反射の際の強度分布を示している。この場合、強度分布は 実質的に、前述した方程式（III）に対応している。ここで、定数ｃは-50 ｎｍ であると推測される。 構造のそれぞれの深さａ（各々示されている）を考慮して図５ａ−５ｄを比較 すると、強度分布の最小値および最大値が、構造の深さａが減少するにつれて、 より小さい波長のほうに移動することが分かる。この場合、受信器８′により処 理される波長を適切に選択することにより、いくつかの条件下で、各々の場合に おいてある１つの所定の強度の最大値のみを処理することが可能かもしれない。 ここで、それぞれの強度の最大値または最小値および構造の深さａの比較的明確 な関連付けが可能である。ある使用状況に関して、さらに、白色光ではなく、可 能な最大の波長の光、例えば、赤外光で操作することが望ましい場合もある。な ぜならば、強度の最大値および最小値の数を著しく減少できるからである。この ことは特に、反射参照回折格子構造の深さが大きいことに関係するが、この深さ が比較的小さい場合には、可視波長範囲の光で操作することも確かに可能である 。 赤外光を用いる場合には、構造の深さの純粋な目視による評価は、適切な装置 部材を用いずには行なうことができない。白色光を用いる場合には、生じた色に 基づいた、目視による大雑把な質的評価が、反射測定においてさえも可能である 。しかしながら、その場合には、混合色が生じてしまう。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年１０月１８日 【補正内容】 請求の範囲 １． スタンピング工程によりミクロ構造を変形可能な層に転写したときのミク ロ構造の深さを測定する方法であって、 転写すべきミクロ構造において、少なくとも部分的に幾何学的に単純な参照 回折格子構造を設け、 該参照回折格子構造に、所定の波長範囲を含む光ビームを照射し、 スタンピングにより形成された深さに依存する、ゼロ次回折スペクトルで生 じる強度の最大値と最小値の波長を、透過モードまたは反射モードで測定し、ス タンピングにより形成された深さを、それぞれの参照構造および照射された波長 範囲に関する比較値に基づいて測定された波長から確認するか、または スタンピングにより形成された深さを、比較値に基づいて回折されたゼロ次 の光の色の積分評価から推測する各工程からなることを特徴とする方法。 ２． 前記参照回折格子構造が、正方形、長方形または三角形のプロフィールを 有することを特徴とする請求の範囲第１項記載の方法。 ３． 前記参照回折格子構造が、以下のパラメータ 回折格子定数ｇ： 0.5 μｍ≦ｇ≦４μｍ ランド／回折格子定数比率ｂ／ｇ： 0.1 ≦ｂ／ｇ≦0.8 回折格子深さａ： 0.3 μｍ≦ａ≦４μｍ を有することを特徴とする請求の範囲第１項または第２項記載の方法。 ４． 前記測定光ビームの色評価を分光光度計により行なうことを特徴とする請 求の範囲第１項から第３項いずれか１項記載の方法。 ５． 前記測定光ビームが可視光により形成されることを特徴とする請求の範囲 第１項から第４項いずれか１項記載の方法。 ６． 前記参照回折格子構造を透過する測定光ビームの色を評価する際に白色光 を使用することを特徴とする請求の範囲第５項記載の方法。 ７． 前記測定光ビームとして制限された波長範囲の光を使用することを特徴と する請求の範囲第１項から第４項いずれか１項記載の方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．スタンピング工程によりミクロ構造を変形可能な層に転写したときのミクロ 構造の深さを測定する方法であって、 転写すべきミクロ構造において、少なくとも部分的に幾何学的に単純な参照 回折格子構造を設け、 該参照回折格子構造に、所定の波長範囲を含む光ビームを照射し、 スタンピングにより形成された深さに依存する、ゼロ次回折スペクトルで生 じる強度の最大値と最小値の位置を、透過モードまたは反射モードで測定し、ス タンピングにより形成された深さを、それぞれの参照構造および照射された波長 範囲に関する比較値に基づいて測定された位置から確認するか、または スタンピングにより形成された深さを、比較値に基づいて回折されたゼロ次 の光の色の積分評価から推測する各工程からなることを特徴とする方法。 ２．前記参照回折格子構造が、正方形、長方形または三角形のプロフィールを有 することを特徴とする請求の範囲第１項記載の方法。 ３．前記参照回折格子構造が、以下のパラメータ 回折格子定数ｇ： 0.5 μｍ≦ｇ≦４μｍ ランド／回折格子定数比率ｂ／ｇ： 0.1 ≦ｂ／ｇ≦0.8 回折格子深さａ： 0.3 μｍ≦ａ≦４μｍ を有することを特徴とする請求の範囲第１項または第２項記載の方法。 ４．前記測定光ビームの色評価を分光光度計により行なうことを特徴とする請求 の範囲第１項から第３項いずれか１項記載の方法。 ５．前記測定光ビームが可視光により形成されることを特徴とする請求の範囲第 １項から第４項いずれか１項記載の方法。 ６．前記参照回折格子構造を透過する測定光ビームの色を評価する際に白色光を 使用することを特徴とする請求の範囲第５項記載の方法。 ７．前記測定光ビームとして制限された波長範囲の光を使用することを特徴とす る請求の範囲第１項から第４項いずれか１項記載の方法。