CN107339951A - 一种三维曲面上微细图形轮廓信息的精密测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维曲面上微细图形轮廓信息的精密测量方法，方法的实现包括：在三维曲面表面，涂布柔性材料；柔性材料固化后，将印有微细图形的柔性材料摊开在平整基底上，柔性材料印有微细图形的一面朝上；对摊开在平整基底上的柔性材料印有的微细图形进行测量，得到三维曲面上微细图形的轮廓信息。本发明通过将曲面图形轮廓信息转移至柔性材料上，再将柔性材料铺展成平面进行测量，由此，不仅测试结果精确可靠，而且操作相对简单便捷，还可以用于测量大曲率甚至任意自由曲面上的微细图形的轮廓信息。

Description

一种三维曲面上微细图形轮廓信息的精密测量方法
技术领域
本发明属于测量领域，更具体地，涉及一种三维曲面上微细图形轮廓信息的精密测量方法。
背景技术
在三维曲面上制作微细结构有着十分广泛的用途，如在曲面透镜上制作微光栅结构，可获得混合衍射-折射光学元件；在曲面上制作微透镜阵列，可获得人工复眼结构，增大可视范围；在三维曲面上制作螺旋天线，可实现全向通信导航等。而三维曲面上这些微细结构的相关轮廓，如图形线宽、凹槽深度或膜层厚度等的精密尺寸，对其性能有重大影响，需要精确控制与测量。此外，在曲面上制作这些微结构时，通常需要涂覆一层薄膜(如光刻胶等)作为掩膜层或牺牲层，而薄膜的厚度及其分布决定了相应的加工参数(如曝光剂量)及其分布，这对加工图形的精度也会有较大影响。
目前常用的测量图形轮廓尺寸和膜厚方法，包括椭圆偏振法、探针轮廓扫描法、激光干涉法等，均在平面轮廓尺寸和膜厚测量上较为成熟和精确，但对于大范围曲面上图形轮廓尺寸和膜厚的测量通常无能为力。而对于小范围曲面轮廓尺寸的测量，虽然二次元测试仪、三次元测试仪、超景深显微镜等设备可以进行测量，但其范围有限且精度不高，三次元测试仪适用较于大型三维物体的轮廓测量，且其精度只能达到微米级别，对于更加精细的纳米结构则无能为力，表面探针轮廓仪和原子力显微镜都只适用平面小范围的测量，超景深显微镜对于三维曲面基材的测量范围极其有限且精度不高。总之对于曲面精细结构的精密测量，目前还没有比较好的解决方案。
由此可见，现有技术存在无法精确地测量曲面上微细图形轮廓尺寸、测量范围有限且测量方法复杂的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种三维曲面上微细图形轮廓信息的精密测量方法，由此解决现有技术存在无法精确地测量曲面上微细图形轮廓尺寸、测量范围有限且测量方法复杂的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种三维曲面上微细图形轮廓信息的精密测量方法，包括：
(1)在三维曲面表面，涂布柔性材料；
(2)柔性材料固化后，将印有微细图形的柔性材料摊开在平整基底上，柔性材料印有微细图形的一面朝上；
(3)对摊开在平整基底上的柔性材料印有的微细图形进行测量，得到三维曲面上微细图形的轮廓信息。
进一步的，轮廓信息为轮廓尺寸或者膜厚。
进一步的，对于大曲率曲面，仅取其上一小块区域进行测量，因其占比很小，基本趋近于平面，柔性材料摊平后，其形变误差不会对测量结果造成太大影响；若在不同位置进行多次测量，数据组合后，还可获得大范围曲面微细图形轮廓尺寸或膜厚分布。
进一步的，轮廓信息为膜厚时，步骤(1)的具体实现方式为：在三维曲面涂布薄膜之前，在三维曲面表面贴一层无痕胶带，在三维曲面涂布薄膜之后取掉无痕胶带得到一道台阶，然后涂布柔性材料。
进一步的，轮廓信息为轮廓尺寸时，步骤(1)的具体实现方式为：在带有微细结构的三维曲面表面，涂布柔性材料。
进一步的，柔性材料为聚二甲基硅氧烷、聚烯烃弹性体和乙烯-醋酸乙烯共聚物中的任意一种。
优选的，柔性材料为聚二甲基硅氧烷。
聚二甲基硅氧烷透明性很好，便于观测，稳定性好，成本低，使用简单快捷，有较好的疏水性，与多种材料在室温下就有较好的贴合性。
进一步的，涂布为旋涂、提拉涂布、刷涂和电泳涂布中的任意一种。
进一步的，柔性材料固化的固化温度为25℃-150℃，固化时间为10min-48h。
进一步的，柔性材料固化后厚度高出微细图形的深度或高度的范围为50μm-200μm。
进一步的，基底为硅片、玻璃、铜片和铝片中的任意一种。
进一步的，步骤(3)中的测量为表面探针式轮廓仪测量、原子力显微镜测量和超景深显微镜测量中的任意一种。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明通过将曲面图形轮廓信息转移至柔性材料上，再将柔性材料铺展成平面进行测量，由此，不仅测试结果精确可靠，而且操作相对简单便捷，还可以用于测量大曲率甚至任意自由曲面上的微细图形的轮廓信息。
(2)优选的，本发明测试结果精度高，适用范围广。本发明通过将曲面上微细图形的轮廓信息转移到柔性材料上，继而铺展到平面上进行测量，解决了大曲率、任意自由曲面上微细图形轮廓尺寸、涂层膜厚等无法准确测量的问题，具有重要意义。
(3)优选的，在曲面上制作这些微结构时，通常需要涂覆一层薄膜作为掩膜层或牺牲层，而薄膜的厚度及其分布决定了相应的加工参数及其分布，这对加工图形的精度也会有较大影响，本发明可以简单精确的测量膜厚，对于后续在曲面上制作这些微结构有重要意义。
(4)优选的，本发明的柔性材料固化的固化温度为25℃-150℃，固化时间为10min-48h，柔性材料固化后厚度高出微细图形的深度或高度的范围为50μm-200μm，由此可以得到良好的弹性体，便于后续轮廓信息的测量，提高测量精度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种三维曲面上微细图形轮廓信息的精密测量方法的流程图；
图2为本发明实施例5提供的待测半球玻璃的实施例示意图；
图3为本发明实施例5提供的半球面玻璃上涂布PDMS后的剖视图；
图4为本发明实施例5提供的带有半球面圆形光栅结构信息的PDMS铺展为平面的示意图；
图5为本发明实施例6提供的待测圆柱面的示意图；
图6为本发明实施例6提供的柱面基底涂布PDMS后的剖视图；
图7为本发明实施例6提供的带有柱面铜膜信息的PDMS铺展成平面的示意图；
图8为本发明实施例7提供的马鞍形自由曲面上有一系列盲孔微结构的示意图；
图9为本发明实施例7提供的自由曲面上涂布PDMS后的剖视图；
图10为本发明实施例7提供的带有自由曲面盲孔信息的PDMS铺展成平面的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种三维曲面上微细图形轮廓信息的精密测量方法，包括：
(1)在三维曲面表面，涂布柔性材料；
(2)柔性材料固化后，将印有微细图形的柔性材料摊开在平整基底上，柔性材料印有微细图形的一面朝上；
(3)对摊开在平整基底上的柔性材料印有的微细图形进行测量，得到三维曲面上微细图形的轮廓信息。
在本发明实施例中，轮廓信息为轮廓尺寸或者膜厚。
对于大曲率曲面，仅取其上一小块区域进行测量，因其占比很小，基本趋近于平面，柔性材料摊平后，其形变误差不会对测量结果造成太大影响；若在不同位置进行多次测量，数据组合后，还可获得大范围曲面微细图形轮廓尺寸或膜厚分布。
在本发明实施例中，轮廓信息为膜厚时，步骤(1)的具体实现方式为：在三维曲面涂布薄膜之前，在三维曲面表面贴一层无痕胶带，在三维曲面涂布薄膜之后取掉无痕胶带得到一道台阶，然后涂布柔性材料。
本发明方法有极高的灵活性，对于大曲率的曲面同样适用，通过将大曲率处的微结构信息分成多个小区域进行测量，这样形变误差可忽略不计，结果精确可靠。对于曲面膜厚的测量，本发明方法也简单有效，通过构建反映薄膜厚度的台阶，具体实现方法为，在曲面涂布膜层前，先在待测位置附近贴一层无痕胶带，涂布之后，扯掉无痕胶带。然后通过本发明方法可快速测量出膜厚信息，对后续制作有重要指导意义。
在本发明实施例中，轮廓信息为轮廓尺寸时，步骤(1)的具体实现方式为：在带有微细结构的三维曲面表面，涂布柔性材料。
本发明实施例中通过柔性材料巧妙地将曲面微细图形的轮廓信息转移至平面，再利用成熟的平面测量手段，获得轮廓尺寸。结果精确可靠，操作方便快捷。且对曲面样品无任何污染。对于表面已有微结构的曲面，通过本发明的方法可以快速便捷地获得微结构的轮廓尺寸，测量结果精确，制样简单，无需额外搭建设备或制造夹具，成本低。
在本发明实施例中，柔性材料为聚二甲基硅氧烷、聚烯烃弹性体和乙烯-醋酸乙烯共聚物中的任意一种。
在本发明实施例中，柔性材料为聚二甲基硅氧烷。
聚二甲基硅氧烷透明性很好，便于观测，稳定性好，成本低，使用简单快捷，有较好的疏水性，与多种材料在室温下就有较好的贴合性。
在本发明实施例中，涂布为旋涂、提拉涂布、刷涂和电泳涂布中的任意一种。
在本发明实施例中，柔性材料固化的固化温度为25℃-150℃，固化时间为10min-48h。
在本发明实施例中，柔性材料固化后厚度高出微细图形的深度或高度的范围为50μm-200μm。
在本发明实施例中，基底为硅片、玻璃、铜片和铝片中的任意一种。
在本发明实施例中，步骤(2)中柔性材料应自然摊开，不能过于拉紧以免造成较大形变误差；对于较大曲率的曲面，可取其上面一小块区域，使其摊开后接近于平面，从而尽量消除形变误差造成的影响。
在本发明实施例中，步骤(3)中的测量为表面探针式轮廓仪测量、原子力显微镜测量和超景深显微镜测量中的任意一种。
实施例1
(1)在半球玻璃表面涂布光刻胶之前，在半球玻璃上贴一层无痕胶带，在三维曲面涂布光刻胶之后取掉无痕胶带得到一道台阶，然后旋涂聚二甲基硅氧烷；
(2)聚二甲基硅氧烷在100℃下，固化35min，使之形成良好的弹性体，弹性体厚度为100μm；将印有微细图形的聚二甲基硅氧烷摊开在平整玻璃上，聚二甲基硅氧烷印有微细图形的一面朝上；
(3)利用原子力显微镜对摊开在平整玻璃上的聚二甲基硅氧烷印有的微细图形进行精确测量，得到半球玻璃的光刻胶厚度。
实施例2
(1)在半球玻璃表面涂布光刻胶之前，在半球玻璃上贴一层无痕胶带，在三维曲面涂布光刻胶之后取掉无痕胶带得到一道台阶，然后刷涂乙烯-醋酸乙烯共聚物；
(2)乙烯-醋酸乙烯共聚物在125℃下，固化20min，使之形成良好的弹性体，弹性体厚度为150μm；将印有微细图形的乙烯-醋酸乙烯共聚物摊开在平整硅片上，乙烯-醋酸乙烯共聚物印有微细图形的一面朝上；
(3)利用原子力显微镜对摊开在平整硅片上的乙烯-醋酸乙烯共聚物印有的微细图形进行精确测量，得到半球玻璃的光刻胶厚度。
实施例3
(1)在带有微细结构的半球玻璃表面，提拉涂布聚烯烃弹性体；
(2)聚烯烃弹性体在150℃下，固化10min，使之形成良好的弹性体，弹性体厚度为200μm；将印有微细图形的聚烯烃弹性体摊开在平整铜片上，聚烯烃弹性体印有微细图形的一面朝上；
(3)利用原子力显微镜对摊开在平整铜片上的聚烯烃弹性体印有的微细图形进行精确测量，得到半球玻璃的微细结构的轮廓尺寸。
实施例4
(1)在带有微细结构的半球玻璃表面，提拉涂布聚烯烃弹性体；
(2)聚烯烃弹性体在25℃下，固化48h，使之形成良好的弹性体，弹性体厚度为50μm；将印有微细图形的聚烯烃弹性体摊开在平整铝片上，聚烯烃弹性体印有微细图形的一面朝上；
(3)利用原子力显微镜对摊开在平整铝片上的聚烯烃弹性体印有的微细图形进行精确测量，得到半球玻璃的微细结构的轮廓尺寸。
实施例5
(1)如图2所示的具有圆形光栅结构的半球玻璃，采用旋涂法，如图3所示在表面刻有同心圆光栅微结构的半球面上，涂布一层聚二甲基硅氧烷PDMS；
(2)在100℃下，PDMS固化35min，使之形成良好的弹性体，弹性体的厚度为50μm；将待测位置周围的PDMS从半球面上小心取下，此时圆形光栅结构信息转印在PDMS上，此面朝上，将其自然摊平在平整玻璃上，如图4所示；
(3)利用表面探针轮廓法对转印的图形轮廓尺寸信息进行精确测量，得到同心圆光栅微结构的轮廓尺寸。
实施例6
(1)如图5所示的圆柱柱面上镀有一层螺旋状铜膜，采用提拉方法，在表面镀有螺旋状铜膜的圆柱面上，涂布一层聚二甲基硅氧烷PDMS，如图6所示；
(2)在100℃下，PDMS固化35min，使之形成良好的弹性体，弹性体厚度为100μm；将待测位置周围的PDMS从曲面上小心取下，此时微细图形信息转印在PDMS上，此面朝上，将其自然摊平在平整硅片上，如图7所示；
(3)利用超景深显微镜测量法对转印的图形轮廓尺寸信息进行精确测量。
实施例7
(1)如图8所示，马鞍形自由曲面上有一系列盲孔微结构，采用电泳涂布的方法，在表面带有微细盲孔阵列的马鞍形自由曲面上，涂布一层聚二甲基硅氧烷PDMS，如图9所示；
(2)在100℃下，PDMS固化35min，使之形成良好的弹性体，弹性体厚度为200μm；将待测位置周围的PDMS从曲面上小心取下，此时微细图形信息转印在PDMS上，此面朝上，将其自然摊平在平整硅片上，如图10所示；
(3)利用原子力显微镜测量法对转印的图形轮廓尺寸信息进行精确测量。
实施例8
(1)采用刷涂法，在表面刻蚀有微细结构的自由曲面上，涂布一层聚二甲基硅氧烷PDMS；
(2)在100℃下，PDMS固化35min，使之形成良好的弹性体，弹性体厚度为80μm；之后，将待测位置周围的PDMS从自由曲面上小心取下，此时微细结构图形信息转印在PDMS上，此面朝上，将其自然摊平在平整石英玻璃面上；
(3)利用表面探针轮廓法对转印的微细结构图形轮廓尺寸进行精确测量。
实施例9
(1)采用电泳涂布法，在表面刻蚀有微细结构的椭球面上，涂布一层聚二甲基硅氧烷PDMS；
(2)在100℃下，PDMS固化35min，使之形成良好的弹性体，弹性体厚度为150μm；之后，将待测位置周围的PDMS从自由曲面上小心取下，此时微细结构图形信息转印在PDMS上，此面朝上，将其自然摊平在平整石英玻璃面上；
(3)利用原子力显微镜法对转印的微细结构图形轮廓尺寸进行精确测量。
现有的三维测量技术中，三坐标测量仪算是比较先进的测量仪器，但其测量精度只能达到微米级别，对于更加精细的纳米结构则无能为力。
超景深显微镜及激光共聚焦显微镜通过不断改变聚焦平面，获得多张二维图像，再通过软件重构三维图像，虽然可获得一定的三维结构，但其更多地是用于平面基材上的一些微细三维结构测量，对于曲面基材的结构测量范围极其有限且精度不高。
表面探针轮廓仪，原子力显微镜这些仪器的测量技术均是成熟的平面测量手段，对于直接测量三维曲面上的微细结构是无能为力的。
总之，对于曲面上微细图形轮廓的精密测量，目前还没有比较好的解决方案。本发明方法通过柔性材料巧妙地将曲面微细图形的轮廓信息转移至平面，再利用成熟的平面测量手段，获得轮廓尺寸。在充分兼容成熟的平面测量技术的基础上，无需改动或额外构建设备，即可精密测量曲面上微细图形的轮廓信息，有重要的实用意义。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三维曲面上微细图形轮廓信息的精密测量方法，其特征在于，包括：
(1)在三维曲面表面，涂布柔性材料；
(2)柔性材料固化后，将印有微细图形的柔性材料摊开在平整基底上，柔性材料印有微细图形的一面朝上；
(3)对摊开在平整基底上的柔性材料印有的微细图形进行测量，得到三维曲面上微细图形的轮廓信息。
2.如权利要求1所述的一种三维曲面上微细图形轮廓信息的精密测量方法，其特征在于，所述轮廓信息为轮廓尺寸或者膜厚。
3.如权利要求2所述的一种三维曲面上微细图形轮廓信息的精密测量方法，其特征在于，所述轮廓信息为膜厚时，步骤(1)的具体实现方式为：在三维曲面涂布薄膜之前，在三维曲面表面贴一层无痕胶带，在三维曲面涂布薄膜之后取掉无痕胶带得到一道台阶，然后涂布柔性材料。
4.如权利要求2所述的一种三维曲面上微细图形轮廓信息的精密测量方法，其特征在于，所述轮廓信息为轮廓尺寸时，步骤(1)的具体实现方式为：在带有微细结构的三维曲面表面，涂布柔性材料。
5.如权利要求1-4所述的任意一种三维曲面上微细图形轮廓信息的精密测量方法，其特征在于，所述柔性材料为聚二甲基硅氧烷、聚烯烃弹性体和乙烯-醋酸乙烯共聚物中的任意一种。
6.如权利要求1-4所述的任意一种三维曲面上微细图形轮廓信息的精密测量方法，其特征在于，所述涂布为旋涂、提拉涂布、刷涂和电泳涂布中的任意一种。
7.如权利要求1-4所述的任意一种三维曲面上微细图形轮廓信息的精密测量方法，其特征在于，所述柔性材料固化的固化温度为25℃-150℃，固化时间为10min-48h。
8.如权利要求1-4所述的任意所述的一种三维曲面上微细图形轮廓信息的精密测量方法，其特征在于，所述柔性材料固化后厚度高出微细图形的深度或高度的范围为50μm-200μm。
9.如权利要求1-4所述的任意的一种三维曲面上微细图形轮廓信息的精密测量方法，其特征在于，所述基底为硅片、玻璃、铜片和铝片中的任意一种。
10.如权利要求1-4所述的任意一种三维曲面上微细图形轮廓信息的精密测量方法，其特征在于，所述步骤(3)中的测量为表面探针式轮廓仪测量、原子力显微镜测量和超景深显微镜测量中的任意一种。
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