СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РЕЛЬЕФА НА ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 1999 года по МПК B41C1/00 G03F7/00 B23K26/00 

Изобретение относится к технологии формирования на поверхности материалов рельефных элементов и может найти применение, например, в области полиграфии при изготовлении печатных форм (клише) для высокой печати, а также в других областях техники, где необходимо получение рисунка заданной глубины с субмикронным разрешением структур формируемых рельефных элементов в функциональных (обрабатываемых посредством механического воздействия) слоях изделий.

Известен способ получения рисунка на поверхности функционального слоя при помощи рентгеновского излучения в пленках рентгенорезистов. Общепринятое название этого способа - рентгенолитография (У.Моро, Микролитография, T.1, М., Мир, 1990 г., с.12, с.466).

Создание рисунка литографическим способом в любом функциональном слое, например, интегральных схем согласно известной технологии осуществляют в следующей последовательности операций:
- создают на подложке функциональный слой;
- наносят резистивный слой поверх функционального слоя:
- сушат нанесенный резистивный слой;
- экспонируют резистивный слой через шаблон;
- проявляют скрытое изображение, полученное в резистивном слое в результате экспонирования;
- задубливают полученную резистивную маску;
- обрабатывают функциональный слой через резистивную маску (травят, легируют и т.п.).

В случае рентгенолитографии для экспонирования используют рентгеновское излучение. В качестве рентгенорезистов на практике применяют органические полимеры на основе полиметилметакрилата, которые наносят на подложки и проявляют жидкостным способом.

Известны вакуумные рентгенорезисты, которые наносят и проявляют сухим способом, однако в промышленности из-за своей низкой чувствительности они не используются.

Метод рентгенолитографии наиболее производительный по сравнению со всеми другими литографическими методами, позволяющими получать в резистивных слоях субмикронное разрешение, но имеет определенные недостатки, раскрытые ниже.

Известный способ рентгенолитографии, во-первых, требует для его промышленной реализации дорогостоящей техники, а во-вторых, в нем не может быть обеспечена необходимая механическая прочность структур (рельефных элементов), формируемых (посредством травления) непосредственно на функциональном слое на глубину более 0,5 мкм. Это объясняется тем, что при травлении соответствующих участков функционального слоя на большую глубину происходит подтравливание боковых поверхностей формируемых структур функционального слоя и, как следствие, не только исключается возможность сохранения необходимого субмикронного разрешения сформированных структур, но и механическое ослабление этих структур в зоне их оснований.

Следовательно, данный известный способ рентгенолитографии не может быть использован в технологии изготовления печатных форм для высокой печати (в которых высота сформированных в функциональном слое структур - печатающих элементов - достигает 50 мкм и более) по причине низкой механической прочности этих структур (печатающих элементов).

Известен способ изготовления печатной формы для высокой печати, включающий создание на металлической подложке фоторезистивного слоя заданной толщины, экспонирование фоторезистивного слоя через фотошаблон посредством электромагнитного излучения, проявление полученного в резистивном слое скрытого изображения жидкостным способом, сушку полученной резистивной маски и последующее формирование печатной формы (патент РФ N 2004918, кл.G 03 F 7/00, 1993 г.).

В данном известном способе формирование структур (печатающих и пробельных элементов рельефа) печатной формы осуществляют непосредственно на поверхности подложки, что исключает необходимость в формировании самостоятельного функционального слоя. Структуры (печатающие и пробельные элементы рельефа) формируют посредством травления пробельных элементов рельефа в два этапа, между которыми осуществляют нанесение защитного слоя на протравленные на первом этапе участки подложки.

Данный способ обеспечивает получение печатных форм для высокой печати с пробельными элементами необходимой глубины и печатающими элементами с заданной механической прочностью посредством снижения подтрава боковых стенок в зоне основания печатающих элементов (при глубине пробельного элемента 270 мкм величина подтрава составляет 80 мкм).

Однако при изготовлении печатных форм для высокой печати при фотолитографической модификации известного способа примерно в 2,5-3 раза снижается разрешение сформированных на подложке структур по отношению к возможной разрешающей способности известных из уровня техники способов фотолитографии, поскольку ширина участков экспонирования резистивного слоя в два или более раза меньше необходимой ширины пробельных элементов печатной формы. Кроме того, следует учитывать, что при фотолитографической модификации этого способа имеются как принципиально непреодолимые ограничения, вызванные наличием дифракционного предела для размеров проецируемого на резистивный слой изображения, так и технические сложности, которые обусловлены необходимостью использования дорогостоящих высококачественных безаберрационных оптических систем.

Кроме того, к недостаткам данного известного способа следует отнести низкое качество изображения за счет дифракционных и аберрационных эффектов, возникающих при использовании источников экспонирующего светового излучения не когерентных в пространстве и времени. Известен способ получения рельефа (рисунка) на поверхности заготовки, включающий нанесение на соответствующую поверхность заготовки функционального слоя и последующее формирование рельефа путем последовательного удаления материала функционального слоя по контуру рельефа (RU 2077823 A, 20.04.97)
Согласно данному известному способу в качестве функционального слоя на поверхность заготовки наносят вакуумно-термическим способом слой фталоцианинов металлов, а рельефный рисунок получают посредством экспонирования этого функционального рентгеночувствительного слоя рентгеновским излучением через рентгеношаблон и последующим вакуумно- термическим проявлением полученного в функциональном слое скрытого изображения рисунка (рельефа).

К недостаткам данного известного способа следует отнести технологическую сложность промышленного применения, высокую себестоимость и ограниченную область применения, ввиду недостаточной прочности получаемых структур рельефной поверхности и ограничении их геометрических параметров по глубине (высоте).

В основу заявленного изобретения была положена задача создания такого способа получения рельефа на поверхности, в котором наряду с обеспечением возможности создания формируемых в функциональном слое структур (например, печатающих и пробельных элементов форм высокой печати - клише) с заданными геометрическими параметрами, сохранялась бы возможность получения упомянутых структур с необходимой механической прочностью и технологически заданным разрешением /точностью, относительно номинальных параметров/, при упрощении технологии.

Решение поставленной задачи обеспечивается посредством того, что в способе получения рельефа на поверхности, включающем формирование функционального слоя из обрабатываемого материала и последующее образование рельефа, путем последовательного удаления материала из функционального слоя, согласно изобретения функциональный слой формируют из порошкового материала с возможностью получения такой микроструктуры этого слоя, в которой энергия, необходимая для механического удаления материала сформированного функционального слоя дискретными, целыми (объемно не измененными) частицами порошка, меньше энергии, необходимой для удаления такого же объема упомянутого сформированного функционального слоя с непосредственным разрушением упомянутых частиц порошка, используемых для формирования функционального слоя, при этом удаление материала из функционального слоя осуществляют посредством механической обработки, а для формирования функционального слоя используют порошок с максимальным линейным размером частиц его гранулометрического состава, не превышающим половины величины поля допуска на упомянутую механическую обработку формируемого рельефа.

Проведенный Заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками и связями между ними, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а выбранный из перечня выявленных аналогов прототип, как наиболее близкий по совокупности признаков аналог, позволил выявить совокупность существенных, по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату, отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию патентоспособности НОВИЗНА по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию критерия патентоспособности ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИЙ УРОВЕНЬ заявитель провел дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение усматриваемого заявителем технического результата.

В частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования известного объекта-прототипа:
- дополнение известного объекта каким-либо известным признакам, присоединяемым к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;
- замена какого-либо признака известного объекта другим известным признаком для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
- исключение какого-либо признака известного объекта с одновременным исключением обусловленной наличием этого признака функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;
- увеличение количества однотипных признаков в известном объекте для усиления технического результата, обусловленного наличием в объекте именно таких признаков;
- выполнение известного объекта или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала;
- создание объекта, включающего известные признаки, выбор которых и связь между ними осуществлены на основании известных правил и достигаемый, при этом технический результат обусловлен только известными свойствами признаков этого объекта и связей между ними.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию критерия патентоспособности ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИЙ УРОВЕНЬ по действующему законодательству.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, может быть промышленно реализован в различных областях промышленности, например в области полиграфии для изготовления печатных форм для высокой печати (клише);
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию критерия патентоспособности ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ по действующему законодательству.

Следовательно, отраженнные в формуле изобретения признаки (известные, в том числе и Заявителю, из уровня техники) обеспечивают в патентуемом объекте изобретения синергетический результат за счет определенных взаимосвязей в совокупности этих (необходимых для реализации поставленной задачи, т.е. существенных) признаков.

Способ получения рельефа на поверхности заготовки (например, изготовления печатной формы для высокой печати) согласно изобретения заключается в следующем.

Функциональный слой формируют преимущественно из металлического порошка (например, из порошкового алюминия) одним из известных из уровня техники способов (например, в случае формирования функционального слоя на подложке - посредством известной технологии напыления, см., например, А.Хасуй. Техника напыления. М., Машиностроение, 1975 г., или в случае необходимости получения заготовки в виде монолитного функционального слоя - методом холодного прессования порошка, или методом пропитки порошка связующим полимерным материалом с последующей обработкой состава по известной технологии и т.д.).

Во всех случаях функциональный слой формируют с возможностью получения такой микроструктуры этого слоя, в которой энергия, необходимая для механического удаления материала сформированного функционального слоя дискретными, целыми (объемно не измененными) частицами порошка, меньше энергии, необходимой для удаления такого же объема упомянутого сформированного функционального слоя с непосредственным разрушением упомянутых частиц порошка, используемых для формирования функционального слоя. Удаление материала из функционального слоя, для формирования необходимой конфигурации рельефных структур, осуществляют посредством механической обработки, например обработки резанием. Для формирования функционального слоя используют порошок с максимальным линейным размером частиц его гранулометрического состава, не превышающим половины величины поля допуска на упомянутую механическую обработку формируемого рельефа.

Формирования функционального слоя с такой микроструктурой этого слоя, в которой энергия, необходимая для механического удаления материала сформированного функционального слоя дискретными, целыми (объемно не измененными) частицами порошка, меньше энергии, необходимой для удаления такого же объема упомянутого сформированного функционального слоя с непосредственным разрушением упомянутых частиц порошка, используемых для формирования функционального слоя, можно обеспечить различными, известными из уровня техники способами.

Например, за счет создания на поверхности частиц порошка пленки окислов по известной технологии (см. например, а. с. СССР N 1125103, кл. B 22 F 1/02). В качестве порошкового материала, в этом случае целесообразно использовать, например, вышеупомянутый порошковый алюминий, который имеет свойство спонтанного поверхностного окисления практически в любых (промышленно реализуемых) условиях получения заготовок из порошкового алюминия, а также в вышеупомянутых условиях хранения, в особенности с гранулометрическим составом этого порошка с нанометрическим диапазоном линейных размеров его частиц.

Для формировании функционального слоя из порошкового материала со свойствами этого слоя, согласно изобретения одним из основных критериев является то, чтобы в процессе формирования упомянутого слоя не происходило процесса рекристаллизации между частицами порошка, каким бы способом (из известных) не осуществлялось формирование этого функционального слоя.

Толщина функционального слоя /например, при изготовлении печатных форм для высокой печати (клише)/ должна быть по меньшей мере равна максимальной высоте печатающего элемента (или, что одно и то же, максимальной глубине пробельного элемента) печатной формы.

Формирование рельефа согласно изобретения осуществляют посредством удаления материала функционального слоя по контуру рельефа механическим путем, например посредством режущего инструмента.

Это может быть обеспечено, например, на строгальном станке с числовым программным управлением (ЧПУ).

Удаление материала функционального слоя может быть осуществлено как за один проход резца, так и многопроходным методом по одной из известных из уровня техники схем многопроходной обработки резанием (см. например а.с. СССР N 549267, 612753, 642081 кл. B 23 B 1/00).

Для формирования функционального слоя используют порошок, максимальная величина частиц которого не превышает величины половины поля допуска на механическую обработку формируемого рельефа.

Учитывая, что при изготовлении, например, модельных форм для высокой печати, минимальное допустимое отклонение формы профиля формируемого рельефа (канавок) составляет 0,003 мм, для формирования функционального слоя целесообразно использовать порошок с величиной частиц меньше указанной величины.

Выполнение функционального слоя из порошкового материала с возможностью получения такой микроструктуры этого слоя, в которой энергия, необходимая для механического удаления материала сформированного функционального слоя дискретными, целыми (объемно не измененными) частицами порошка, меньше энергии, необходимой для удаления такого же объема упомянутого сформированного функционального слоя с непосредственным разрушением упомянутых частиц порошка, используемых для формирования функционального слоя, позволяет исключить стружкообразование в процессе механической обработки без использования каких-либо механических и/или электромеханических средств (что существенно влияет на точность обработки изделий и упрощает технологию обработки), обеспечить заданную точность изготовления формируемых структур рельефа и необходимую механическую прочность этих структур за счет обеспечения возможности выполнения функционального слоя, например, из высокопрочных материалов (которые при обычных условиях трудно поддаются механической обработке, например, посредством режущего инструмента).

Более детальное описание патентуемого способа, в частности особенностей операций формирования рельефа на станках с ЧПУ, формирования функционального слоя на поверхности заготовки, а также контроля геометрических параметров субмикронных элементов структуры рельефа, по мнению Заявителей, не требуется, поскольку они широко известны из опубликованных источников информации.

Пример конкретной реализации.

На подложку из металлического материала с размерами 50х100 мм был нанесен функциональный слой из порошкового алюминия толщиной 150 мкм из предварительно обработанного по известной технологии (с целью получения пленки окисла) алюминиевого порошка с максимальным геометрическим размером гранулометрического состава частиц порошка 1,5 мкм.

После формирования функционального слоя по стандартной технологии в нем были сформированы структуры рельефа (прямолинейные канавки) глубиной 100 мкм, шириной 20 мкм и минимальным расстоянием между осями смежных одноименных структур (разрешением) 20 мкм, посредством механической обработки резанием на строгальном станке с ЧПУ.

Обработка каждой канавки осуществлялась многопроходным методом, глубина резания на каждом проходе не превышала максимального линейного размера частиц порошка в сформированном функциональном слое, профиль резца соответствовал профилю формируемой канавки.

Исследование (т. е. измерение геометрических параметров на интерференционном микроскопе МИИ-4) сформированных структур функционального слоя (печатной формы) показали, что геометрические параметры (высота, ширина, разрешение) сформированных в функциональном слое структур (рельефа) не превышают регламентируемой точности (0,003 мм) на изготовление печатных форм высокой печати, используемых при производстве денежных знаков и иных ценных бумаг, требующих субмикронного разрешения рисунка печатного оттиска.

При соответствующем технологическом процессе промышленного осуществления изобретения (который является объектом "НОУ-ХАУ" Заявителя), включающем определенные режимные параметры как в отношении формирования функционального слоя, так и в отношении технологических режимных параметров при удалении материала функционального слоя механическими способами, можно повысить показатели точности обработки (по отношению к вышеупомянутой, регламентируемой точности - 0,003 мкм), например, при обработке металлорежущим инструментом, на порядок (т.е. примерно в 10 раз).

Таким образом, патентуемый способ получения рельефа на поверхности может быть использован, например, в области полиграфии, преимущественно при механическом методе изготовления печатных форм (клише) высокой печати с субмикронным разрешением формируемых структур (печатных и пробельных элементов), используемых, например, при изготовлении денежных знаков и иных ценных бумаг, а также в других областях техники, где необходимо получение на функциональной поверхности заготовки рельефа заданной глубины с субмикронным разрешением структур этого рельефа в функциональном слое готового изделия.

Способ получения рельефа на поверхности для повышения прочности структуры заключается в том, что функциональный слой формируют из порошкового материала с возможностью получения такой микроструктуры этого слоя, в которой энергия, необходимая для механического удаления материала сформированного функционального слоя дискретными, целыми частицами порошка, меньше энергии, необходимой для удаления такого же объема упомянутого сформированного функционального слоя с непосредственным разрушением упомянутых частиц порошка.

Способ получения рельефа на поверхности, включающий формирование функционального слоя из обрабатываемого материала и последующее образование рельефа путем последовательного удаления материала из функционального слоя, отличающийся тем, что функциональный слой формируют из порошкового материала с возможностью получения такой микроструктуры этого слоя, в которой энергия, необходимая для механического удаления материала сформированного функционального слоя дискретными, целыми частицами порошка, меньше энергии, необходимой для удаления такого же объема упомянутого сформированного функционального слоя с непосредственным разрушением упомянутых частиц порошка, используемых для формирования функционального слоя, при этом удаление материала из функционального слоя осуществляют посредством механической обработки, а для формирования функционального слоя используют порошок с максимальным линейным размером частиц его гранулометрического состава, не превышающим половины величины поля допуска на упомянутую механическую обработку формируемого рельефа.