CN108348951A - 用于精密纳米尺度制造的通用过程 - Google Patents

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Abstract

一种用于沉积薄膜的方法，其使用名义上的弯曲衬底。通过一个或多个喷墨件将前体液体有机材料的液滴分配到名义上的弯曲衬底上的多个位置处。将覆盖物下降到所分配的液滴上以使覆盖物与衬底之间的间隙闭合，由此允许液滴形成被捕获在衬底与覆盖物之间的连续膜。在一定的持续时间之后，使得能够出现覆盖物、连续膜和衬底的非平衡瞬态。然后，使连续膜固化以将其凝固成固体。使固体与覆盖物分离，由此在衬底上留下聚合物膜。以这种方式，用于膜沉积的此类技术具有被要求适合于广泛应用的膜厚度范围、分辨率和变化。

Description

用于精密纳米尺度制造的通用过程
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年10月15日提交的标题为“用于纳米尺度薄膜的可编程沉积的精密系统和过程(Precision Systems and Processes for Programmable Deposition ofNanoscale Thin films)”的美国临时专利申请序列号62/242,147的优先权，所述申请通过引用整体地结合于本文中。
政府利益
本发明是在政府支持下通过美国国家科学基金会授予的许可号ECCS1120823而完成。美国政府在本发明中拥有某些权利。
技术领域
本发明大体涉及微米装置和纳米装置的制造，且更具体地涉及用于在名义上的平面衬底与具有名义自由形状的衬底两者上进行精密纳米尺度制造的通用过程(例如，修磨、抛光和图案化)。
背景技术
大多数微米装置和纳米装置(包括半导体、光子和光电装置、微机电系统/纳机电系统(MEMS/NEMS)、电子显示器(诸如，液晶显示器(LCD))等)的制造需要沉积许多薄膜。在现今的行业里存在几个沉积选项。液相沉积通常通过诸如旋涂的过程来实施，所述旋涂常被用作随后的反应的前体，这些随后的反应使液体凝固以获得期望的薄膜。在气相中，最常用的技术是化学气相沉积(CVD)。在典型的CVD过程中，将衬底暴露于处于气相的前体，这些前体进行反应或分解以在衬底的表面上形成期望的膜。存在几种类型的CVD过程。取决于所使用的压力，可以将它们分类为大气压力CVD(APCVD)、低压CVD(LPCVD)或超高真空CVD(UHVCVD)。低压趋向于减少不良的反应并改进膜厚度均匀性。用于增强化学反应的基于等离子体的方法(诸如，等离子体增强CVD(PECVD)和远程PECVD)也在半导体行业中被用于薄膜的沉积，以降低沉积温度并保护衬底以免受高温影响。被称为原子层沉积(ALD)的技术也被频繁地用于产生一种或不同种材料的共形单层。物理气相沉积(PVD)方法也是很重要的薄膜沉积技术。顾名思义，它们不依赖于化学反应，而是在真空环境中将汽化材料的凝聚形式沉积到衬底上。蒸发沉积和溅镀是PVD的两个常见示例。前者将待沉积的材料加热到高蒸气压，而后者使用等离子体放电以利用待沉积的材料的原子来轰击衬底表面。
上文讨论的所有过程均以每单位面积所沉积的材料的量实质上相同的方式来沉积薄膜。将材料特制为有意地形成非均匀膜的这种能力对于这些过程而言通常是不可能的，或需要硬件或工具方面的频繁改变以适应衬底几何形状和期望的膜厚度轮廓方面的变化。此外，诸如旋涂的过程涉及相当大的材料浪费，而真空过程由于需要将其中执行处理的腔室抽空而会是昂贵的。
随着需要更可持续的过程，喷墨也已变成用于材料沉积以及廉价图案化的有吸引力的过程(由于其直接书写、“无掩模”性质)。然而，由于所分配的液滴中存在实质的气-液界面，蒸发和表面张力的梯度会造成局部膜厚度不均匀性，从而导致低劣的“咖啡环效应”。此外，膜厚度均匀性也强烈地受到以下各者的影响：个别液滴的体积、所分配的流体以及衬底两者的表面性质、和连续液滴之间的间隔或液滴间距(其需要低到足以允许液滴扩散与合并)。因此，尽管具有相当低的材料消耗，以上因素仍使得对大面积纳米尺度厚度膜的基于喷墨的沉积的过程控制变得具有挑战性。
美国国家标准与技术局(NIST)已将流涂发展为速度梯度刀刃涂布过程。将聚合物溶液的液滴沉积到以恒定的加速度移动的衬底上。摩擦阻力(由于衬底的速度梯度作用)与毛细管力(由于在衬底运动期间放置在衬底上方～200μm处的固定刀刃)之间的竞争产生了膜的厚度梯度。随后的蒸发导致实现亚微米厚度膜。已使用此设备演示了具有甚至在亚200nm条件(regime)中的范围的聚苯乙烯薄膜，但不清楚是否可以使用该设备获得处于非单调轮廓的膜。
也已使用电化学沉积的变体，其中已使用空间可调谐的电场梯度来沉积不同厚度的聚合电解质膜。另外，也已演示聚合电解质膜的可变盐蚀刻，其中在空间上控制被移除的材料的量以实现薄膜厚度梯度。然而，此类技术不具有被要求适用于广泛领域的膜厚度范围和分辨率。
具有功能性梯度的超薄膜的沉积在与研究组织工程学所涉及的各种因素有关的生物医学领域中是一个活跃的研究领域。为此，已通过逐层(LBL)装配过程来制造仿生膜，其中有可能在分子水平以及更高水平上赋予功能性梯度以筛选诸如蛋白质吸附和细胞粘附的事件。LBL技术主要通过各种表面相互作用(包括静电力、范德华力、氢键等)的组合来进行。在具有温度梯度的功能化衬底上进行聚合物分子的接枝也导致厚度梯度。
除了上文提到的方法之外，基于蒸气的技术也是可用的，其主要用于沉积具有不同厚度的无机膜。这些技术多半采用受运动控制的掩膜来生成所需的厚度轮廓，或使用具有对每个淋浴单元的控制的离散化淋浴头。此类方法具有可以实现的有限的膜厚度变化，并且常常需要硬件的改变以生成多种轮廓，因此约束其跨各种应用的通用性。
因此，用于膜沉积的当前使用的技术不具有被要求适用于广泛领域的膜厚度范围和分辨率，并且具有可以实现的有限的膜厚度变化，由此需要硬件的改变以生成多种轮廓，因此约束其跨各种应用的通用性。
发明内容
在本发明的一个实施例中，一种用于沉积薄膜的方法包括：通过一个或多个喷墨件将前体液体有机材料的液滴分配到名义上的非平面衬底上的多个位置处。所述方法进一步包括：使引入在覆盖物与衬底之间的间隙闭合，由此允许液滴形成被捕获在衬底与覆盖物之间的连续膜。所述方法另外包括：在一定的持续时间之后，使得能够出现覆盖物、连续膜和衬底的非平衡瞬态。此外，所述方法包括：使连续膜固化以将其凝固成固体。另外，所述方法包括：使覆盖物与固体分离，由此在衬底上留下聚合物膜。
在本发明的另一个实施例中，一种用于沉积薄膜的方法包括：以规定的方式使用喷射系统将液体可凝固组合物的液滴沉积在衬底上，其中所述液体可凝固组合物实质上不穿透先前凝固的组合物。所述方法进一步包括：以合并液滴的方式使衬底与覆盖物之间的间隙闭合以形成被捕获在衬底与覆盖物之间的连续膜，其中覆盖物局部光滑并且拥有最佳的弯曲刚度。此外，弯曲刚度处于通过使其高于被要求产生液滴的强健合并的最小值而低于被要求确保连续膜并未过快平衡的最大值所限定的最佳范围中，由此提供捕获预平衡瞬态的能力。
在本发明的另外的实施例中，一种用于在非平衡衬底上图案化的方法包括：将流体组合物的大量离散部分施用到非平面衬底的表面上。所述方法进一步包括：使图案化模板与衬底之间的间隙闭合，从而产生实质上无气泡的流体层。所述方法另外包括：使流体层凝固。此外，所述方法包括：使图案化模板与衬底分离，以在非平面衬底上留下图案。
上文已相当普遍地概述了本发明的一个或多个实施例的特征和技术优势，以便可更好地理解后面的本发明的详细描述。下文中将描述本发明的额外的特征和优势，其可形成本发明的权利要求的主题。
附图说明
当结合以下附图考虑以下详细描述时，可以获得对本发明的更好的理解，在附图中：
图1说明根据本发明的实施例的表面形貌的不同尺度；
图2是根据本发明的实施例的用于使用纳米尺度薄膜的可编程适应性喷墨来沉积具有规定的厚度变化的膜的方法的流程图；
图3A到图3F描绘根据本发明的实施例的在图2中所描述的制造步骤期间将薄膜沉积在衬底上的横截面视图；
图4说明根据本发明的实施例的弯曲衬底的虚拟粒化；
图5说明根据本发明的实施例的覆盖物的可重装的卷到卷配置；
图6说明根据本发明的实施例的用于最小化寄生形貌误差的原位对准系统；
图7是根据本发明的实施例的用于使用图6的原位对准系统来最小化寄生形貌误差的方法的流程图；
图8说明根据本发明的实施例的用于保持具有弯曲背表面的衬底的多区域卡盘；以及
图9根据本发明的实施例说明膜厚度ho(x)是垂直于衬底测得的膜厚度的垂直投影。
具体实施方式
本发明呈现了用于在名义上的平面衬底与具有名义自由形状的衬底两者上进行三种精密纳米尺度制造的通用过程。如本文中所使用的，“名义形状”是指期望的形状，并且假设标准的制造过程(诸如，机加工、金刚石车削和注射成型)已实现接近于理想的期望形状的此名义形状。这意味着：基于衬底的预期使用，名义形状仍具有超过可接受的公差的一些寄生效应。
这三种纳米尺度制造(NM)包括修磨(本文中简单地称为“NM1”)，其涉及改变衬底的名义形状。例如，可将平面衬底改变到球面名义形状，或可将球面名义形状改变到非球面，等。第二种纳米尺度制造(NM)包括抛光(本文中简单地称为“NM2”)，其涉及从期望值对实际表面的低、中或高空间频率寄生效应的任何期望的校正以接近精度大为改进的名义外形(nominal figure)，由此实现先前确立的公差。
衬底和覆盖物(下文进一步讨论)的形貌可以在平坦化和抛光期间引入寄生误差，如图1中所示。图1说明根据本发明的实施例的表面形貌的不同尺度。如图1中所示，取决于任何表面的形貌的振幅和空间波长，可以将所述任何表面的形貌分类为三种广泛类别：(i)名义形状(低空间频率)、(ii)纳米形貌(中间空间频率)、(iii)和粗糙度或纳米尺度特征(高空间频率)。名义形状由最大的空间波长(通常>20mm)以及通常为0-10mm的高度变化给出。针对～0.2-20mm的空间长度尺度，高度变化(通常为～200nm-1微米)在这个空间波长范围下被分类为纳米形貌。粗糙度被分类用于更低的空间波长以及小得多的高度变化。纳米尺度图案的存在可以进一步加重高空间频率形貌，所述高空间频率形貌通常仅由粗糙度表示。然而，弥补在给定空间频率尺度下的形貌同时最小化在其他尺度下的形貌的任何寄生影响(如在半导体平坦化和抛光中所看到的)可以是具有挑战性的。这是PAINT过程的基于模型的设计可以是有用的地方，因为其适应性地迎合对在不同长度尺度下的形貌的弥补，同时最小化由整体表面形貌造成的寄生效应的影响。
第三种纳米尺度制造(NM)包括图案化(本文中简单地称为“NM3”)，其涉及在衬底上制造纳米尺度图案以实现广泛多种能力，诸如光子、电、电子、磁性、生物、能量相关和机械功能性。
本文中将以上一类过程称为纳米尺度薄膜的可编程适应性喷墨(PAINT)。本发明利用并显著增强先前使用的PAINT方法。如果起始衬底名义上是平面的，则这个过程被称为PAINT-P，并且如果起始衬底名义上是弯曲表面，则这个过程被称为PAINT-C。如果PAINT过程解决了上文所列出的NM能力中的一者或多者，则相应地指定所得过程。例如，PAINT-C-123暗示在名义上弯曲的起始衬底上同时解决NM1、NM2和NM3的过程，并且PAINTP-13暗示在名义上平面的起始衬底上同时解决NM1和NM3的过程。如本文中所使用的，“名义上弯曲”是指名义上的非平面衬底。下文提供PAINT过程的描述。
下文结合图2以及图3A到图3F来讨论用于使用PAINT实现规定的膜厚度变化的方法。图2是根据本发明的实施例的用于使用PAINT来沉积具有规定的厚度变化的膜的方法200的流程图。将结合图3A到图3F来讨论图2，图3A到图3F描绘根据本发明的实施例的在图2中所描述的制造步骤期间将薄膜沉积在衬底上的横截面视图。
如本文中所讨论的，“覆盖物”需要拥有“最佳的柔性”，其中，其硬度：(1)高到足以允许促使液体有机材料液滴侧向地合并而非利用环绕个别液滴的覆盖物将它们俘获为岛；以及(2)足够低以至于存储在覆盖物中的应变能(由于覆盖物的变形)在单体固化或交联之前并未显著地影响薄膜流体动态行为。这个特性也可使得覆盖物选择性地对衬底上的低和有时中间空间频率形貌特征不敏感。
参考图2(结合图3A到图3F)，在步骤201中，通过一个或多个喷口(jet)(诸如，如图3A中所说明的多喷口303)将材料(例如，前体液体有机材料)的液滴301分配到衬底302上的期望位置处(例如，名义上的弯曲或非平面衬底)。多喷口303由单个喷口表示，因为多喷口阵列延伸到图3A的平面中。液滴的期望位置从逆优化框架导出。在一个实施例中，使用压电式喷口抑或电流体动力喷口分配的液滴301的最小体积低于5皮升。在另一个实施例中，使用压电式喷口抑或电流体动力喷口分配的液滴301的最小体积低于1皮升。在一个实施例中，衬底302由具有大于1GPa的杨氏模量的材料组成。在一个实施例中，衬底302是由以下材料中的一者或多者组成的刚性晶圆：硅、二氧化硅和氮化镓。在一个实施例中，使用压电式喷口抑或电流体动力喷口分配的液滴301的最小体积低于10皮升。
在步骤202中，将最佳柔性覆盖物304下降到所分配的液滴301上，以使覆盖物304与衬底302之间的间隙闭合，如图3B中所说明。在一个实施例中，覆盖物304具有与衬底302的形状互补的形状。在一个实施例中，覆盖物304由附接到更厚的背衬或涂布在更厚的背衬上的薄膜组成。在一个实施例中，薄膜附接到更厚的背衬，所述背衬并未延伸遍及薄膜的整个区域。
在步骤203中，然后，响应于覆盖物304被下降到所分配的液滴301上来起始流体前沿305，如图3C中所说明。可选择覆盖物304的形状和其下来的速度以允许液滴301侧向地合并，以最小化对气泡(气穴)的任何俘获，从而形成连续膜。可在衬底-覆盖物夹层区域中使用气体(诸如，可溶于有机液体中的CO2，或容易扩散到大多数衬底302和/或覆盖物304中的He)的局部气氛，以进一步帮助避免在这个过程中俘获气泡。覆盖物304的材料可以包括许多的选择，包括但不限于：玻璃(例如，石英、熔融石英等)；塑料(例如，PMMA、聚碳酸酯、PET、PEN等)；或陶瓷(例如，)，包括具有聚合物薄膜的陶瓷。塑料和陶瓷材料具有固有的孔隙度，其进一步帮助气体的传输和避免气泡的俘获。覆盖物304通常被抛光为局部光滑，即拥有低表面粗糙度(粗糙度被定义为跨越微米尺度空间波长的振幅变化)。覆盖物304的表面可涂布有低表面能涂层(诸如，FOTS或铁氟龙)，而衬底302的表面可涂布有助粘剂(诸如，BARC、ValMat或TranSpin)。覆盖物和/或衬底涂层的使用将提高在这个过程结束时在衬底302上留下已固化的材料的能力。喷墨材料可以包括UV可固化材料，诸如由Molecular Imprints,Inc.提供的和材料或由Micro-resisttechnologies提供的mr-UVcur**。
在步骤204中，允许覆盖物-流体-衬底夹层在一定的持续时间之后演化到非平衡瞬态，使得液滴301形成连续膜306并且覆盖物层304在连续膜306的顶部，如图3D中所说明。也就是说，使得能够在一定的持续时间之后出现覆盖物304、连续膜306和衬底302的非平衡瞬态。
在步骤205中，通过UV暴露307使覆盖物-流体-衬底夹层固化，以便将连续膜306交联成固体(例如，聚合物)，如图3E中所说明。
在步骤206中，使覆盖物304与固体(例如，聚合物)分离，由此在衬底302上留下膜308，如图3F中所说明。假设衬底302具有需要抛光或平坦化的形貌，而覆盖物304则基本上为用于实现PAINT过程的赋形剂。在一个实施例中，可蚀刻聚合物膜308以允许将膜厚度轮廓转移到下面的功能性膜或衬底302，如下文进一步讨论的。
在一些实现方式中，方法200可包括出于清晰性未描绘的其他和/或额外的步骤。此外，在一些实现方式中，方法200可以不同于所呈现的次序的次序来执行。另外，在一些实现方式中，方法200中的某些步骤可以实质上同时的方式执行，或可被省略。
上文讨论的PAINT过程拥有以下额外的优势。此类过程实现了在高的处理速度下具有纳米尺度准确度的用户定义且特制的膜厚度轮廓。提供定制的大多数制造过程经受低的处理速度，因此具成本效益的定制仍常常是难以捉摸的。在PAINT中，结合最佳覆盖物使用可编程喷墨件既允许实现定制又允许实现高的速度(且因此有实现低成本处理的潜在性)。
此外，此类过程由于具有接近零或低的材料损耗而实现了极低的耗材成本。低耗材成本连同低资本成本(由于高速处理)使得PAINT变成对于多种应用而言潜在地具成本效益的过程。
另外，基于软件和低成本实现性能和可定制性的组合具有以下潜在性：在半导体平坦化领域中的校正表面形貌的领域中具有明显的优势。这也涵盖从期望值对实际表面的低、中和高空间频率寄生效应的任何期望的校正，而在不同长度尺度下不引入额外寄生效应。因此，这种方法也固有地允许表面“抛光”，而不需要额外的软或硬研磨和抛光工具或超精预制模具。常常，可以同时实现平坦化、抛光和对不良寄生效应的校正，这是同一类别中的其他过程发现难以实现的目标。
PAINT也实质上对衬底类型、厚度或材料的选择不敏感，并且能够大面积沉积膜。就设计而言，其也可以实质上解耦寄生效应(诸如，表面形貌、系统性喷墨液滴体积变化等)的影响，并防止它们破坏最终膜厚度。
本文中讨论的PAINT过程包括可编程材料沉积的两种模式：(1)离散可固化单体/寡聚体液滴的基于喷墨的分配，其中通过覆盖物促使液滴形成连续膜；以及(2)与溶剂混合的可固化单体/寡聚体液滴的基于喷墨的分配，所述溶剂在覆盖物接触液滴之前帮助液滴自发地合并，其中，在覆盖物接触液体之前包括一定的延迟以允许溶剂在覆盖物接触液体之前实质上蒸发。
本发明还包括以上过程在精密光学、生物医学光学、天文光学、集成光学和纳米光子学以及专用护眼罩的领域中的新颖应用。
上文讨论的PAINT过程拥有以下优势：具有在高的处理速度下具有纳米尺度准确度的用户定义的定制的轮廓。提供定制的大多数制造过程经受低的处理速度，因此具成本效益的定制仍常常是难以捉摸的。在PAINT中，结合覆盖物使用可编程喷墨件既允许实现定制又允许实现高的速度(且因此有实现低成本处理的潜在性)。
另一个优势是：取决于所使用的材料沉积的性质(包括上文讨论的两种模式)，具有接近零或低的材料损耗。结果，耗材成本是极低的。低耗材成本连同低资本成本(由于高速处理)使得PAINT变成对于多种应用而言潜在地具成本效益的过程。
基于软件和低成本实现性能、可定制性的这种组合具有以下潜在性：在眼科应用、天文应用、消费光学以及大面积特种光学的超精光学表面生成的领域中具有明显的优势。新“自由成型”表面的生成不仅涉及改变表面的外形，而且涵盖在保持名义外形相同的情况下从期望值对实际表面的低、中和高空间频率寄生效应的任何期望的校正。因此，除了用于外形生成的替代性技术之外，这种方法也固有地允许表面“抛光”，而不需要额外的软或硬研磨和抛光工具或超精预制模具。常常，可以同时实现改变名义外形与校正不良寄生效应两者。
如先前所讨论的，除了在平面或非平面表面上生成自由成型表面之外，本发明还呈现以下能力：通过使用下文讨论的纳米图案化的一个或多个实施例来同时(或随后)图案化此类衬底的纳米尺度特征。
在一个实施例中，一种用于除轮廓化(profiling)/抛光之外还同时进行纳米图案化的方法使用可固化单体/寡聚体混合物的离散液滴的基于喷墨的沉积。
另一种用于除轮廓化/抛光之外还同时进行纳米图案化的方法(其中沉积可编程膜)是基于溶剂辅助的沉积方法。
另外的方法是：首先使用基于喷墨的PAINT过程进行轮廓化/抛光，接着为随后进行热纳米压印过程以产生纳米图案。
具体地，纳米尺度特征的生成使得能够在平面或非平面表面上实现广泛多种纳米光子结构，由此潜在地提高性能以及为消费光学提供额外的能力和定制。也可以在名义上的平面或非平面衬底上完成同时纳米图案化、修磨和抛光的概念。
PAINT-P和PAINT-C也实质上对衬底类型、厚度或材料的选择不可知，并且能够大面积沉积膜。就设计而言，PAINT-P和PAINT-C也可以实质上解耦寄生效应(诸如，表面形貌、喷墨液滴体积变化等)的影响，并防止它们破坏最终膜厚度。
如上文讨论的，PAINT使用喷墨件以在衬底上分配前体单体的小液滴(droplet)。可预处理衬底表面，以增强单体的扩散和/或用于粘附聚合材料。如果喷墨件具有多个喷嘴，则可以利用相对于衬底驱动喷墨件的扫描台在几秒或更短时间内使期望的衬底区域覆盖有所需的液滴，同时保持对每个所分配的液滴的体积和位置的控制。针对每种期望的膜厚度轮廓，从环绕简化或线性化薄膜润滑模型的逆优化例行程序获得最佳液滴体积和位置。如图3A到图3F中所说明，在液滴分配之后，使在背侧压力或重力的帮助下已成弓形的最佳柔性覆盖物304下降，使得由前侧产生液滴301上的第一次接触。这起始液体前沿，所述液体前沿迅速向外扩散从而与液滴301合并由此产生连续膜306。然后，允许此衬底-流体-覆盖物“夹层”在期望的持续时间内演化，随后，通过光子或热能来固化单体以将其交联成聚合物。然后，使覆盖物304与夹层分离，从而在衬底302上留下聚合物薄膜308。
虽然已假设覆盖物304位于衬底302上面使得在衬底表面上实施该过程，但是本发明的原理适用于其中两个表面的相对位置可被颠倒(即，衬底302可位于覆盖物304上面)的此类实施例。类似地，在喷墨步骤中，液滴301可以在衬底302或覆盖物304上得到分配，这取决于这些表面的相对位置。此外，在分离步骤中，可以将覆盖物304抑或衬底302移动远离另一者，而不改变该过程的性质。虽然下文将衬底302讨论为具有需要“涂刷”的表面，但是本发明的原理将不限于此，而是可包括需要“涂刷”的其他表面。
在一个实施例中，如果覆盖物304名义上是平面的并且衬底302名义上是弯曲的，则需要由力传感器系统检测衬底302与覆盖物304之间的第一次接触，所述力传感器系统可包括在其他力传感器当中的致动器中的一个或多个应变计、压电传感器和电流传感器。在检测到第一次接触之后，使衬底302与覆盖物304之间的间隙闭合的致动器系统将需要大幅移动，以完成在期望的区域上产生衬底-液体-覆盖物夹层。在第一次检测之后所移动的距离可多达200μm或几mm或几cm。如果覆盖物304和衬底302名义上是平面的，则所移动的这个距离实质上低于200μm。
存在几个关键性概念(下文列出)，需要对这些概念中的一些或全部集成以产生可行的PAINT过程。下文列出了这些方面连同简要描述：
(1)具有流体结构相互作用的动态薄膜润滑模型，其包括衬底、覆盖物和喷墨流体材料的材料性质、期望的沉积区域、在覆盖物-流体界面与流体-衬底界面两者处的表面性质以及衬底和覆盖物的几何形状(包括其厚度轮廓和其上的表面形貌的性质)。
(2)覆盖物几何形状的基于模型的设计，其基于衬底、喷墨的性质和流体材料性质。
(3)衬底和覆盖物形貌的计量，以及其到基于模型的解中的集成。
(4)增强润滑理论模型的线性化，其包括形貌信息。
(5)逆优化例行程序的解用于在线性化模型的基础上得到液滴位置和体积，其具有来自离散液滴体积和有时液滴位置的整数约束。在一个实施例中，衬底302被离散化为颗粒，其中分配到每个颗粒中的液滴的位置和体积通过对逆优化问题求解来获得，以最小化实际膜厚度轮廓的函数与期望膜厚度轮廓的函数之间的误差。在一个实施例中，利用功能性优化例行程序来扩增逆优化，以最小化期望功能性能与实际功能性能之间的误差。在一个实施例中，逆优化包括与液滴体积或液滴位置相关联的离散变量。
(6)功能性优化环绕以上逆优化过程以确保膜厚度轮廓不导致后PAINT处理的问题。
(7)所分配的液滴关于期望体积及其期望位置的精度。
(8)使用溶剂以特制液滴体积并且也帮助在图案化纳米尺度特征之前形成连续膜。
(9)使用覆盖物与衬底的最佳柔性组合以使得能够形成连续膜，同时抵消来自无液体表面的蒸发损失并且也避免俘获气穴。
(10)允许衬底-液体-覆盖物夹层在UV固化之前演化到某个预定义时间，如由逆优化例行程序所确定。
(11)使液体固化以实现凝固。
(12)使覆盖物与衬底彼此分离，以在衬底上得到期望的薄膜。
存在PAINT-C的各种特征(包括喷墨)，现将结合图3A到图3F来讨论这些特征。
PAINT需要在少数关键性方面中进行额外的修改/干预以实现PAINT-C。由于衬底302上存在名义形状，所以喷墨液滴301将具有待行进的不同飞行距离(in-flightdistance)，由此造成液滴位置和/或体积的不良变化。为弥补其，当衬底302在喷墨件303下面移动时，PAINT-C可使用衬底302的协调式z变换，以便保持期望的间隙高度。这种弥补通常仅在一个方向上有可能，并且在沿喷嘴303阵列的方向上可并未完全实现。这对于自由成型表面(其中可在两个方向上存在间隙高度变化)尤其如此。可以通过以下步骤来实现额外的校正：首先，校准液滴位置和由最终膜厚度轮廓上的此类间隙高度变化产生的高度变化的寄生影响，且然后，将此校准包括在下文将进一步讨论的逆优化算法中。
如上文讨论的，多喷嘴式喷墨件303的使用虽然对于实现更高的贯通量和更小的寄生效应而言是有益的，但其仍经受液滴放置间距沿喷嘴的方向是固定的这一事实。这对于校正同一方向上的曲率可并非为最佳的，特别是如果衬底302与喷墨件存在相对的z位移。这可以通过使用如下文描述的高分辨率单喷嘴式喷墨件来克服。另一种用于克服这个局限性的潜在技术可为：将衬底302虚拟地划分成二维(2D)歧管或颗粒。每个颗粒应具有不超过喷墨件303的最佳喷射范围(其通常小于1mm)的峰-谷差异。在一个实施例中，准确的台运动与z位移和/或旋转位移相组合，使得喷墨件303将每个颗粒视为个别衬底302。该过程通过以下步骤来运作：将颗粒定位在喷墨件303下面以允许喷墨件303将最佳液滴图案分配到颗粒上，而不损害最佳喷射范围。在这之后，使衬底302和喷墨件303经历相对运动(其可包括旋转与平移两者)，以将另一个颗粒定位在喷墨件303下面。这将使得喷墨件303能够将第二最佳液滴图案分配到所述颗粒上。继续这个过程，直到期望的衬底区域被覆盖。还应注意的是，当使喷墨件303和衬底302相对于彼此移动以定位适当的颗粒时，衬底302和喷墨件303应彼此不干扰。然后，可在软件方面作适当修改以实现最佳颗粒以及将每颗粒的喷墨液滴图案拼凑在一起成为完整衬底的单一液滴图案。例如，如果衬底302成具有200mm曲率半径的球面状并且最佳喷射范围为1mm，则如果需要在上面沉积与50mm直径等效的衬底302面积，则将需要四个颗粒以覆盖衬底302同时不超过给定的最佳喷射范围。下文结合图4来讨论对弯曲衬底302的虚拟粒化的概念的详细描述。
图4说明根据本发明的实施例的弯曲衬底302的虚拟粒化。
参考图4，如从左边的插图可以看到，弯曲衬底302的仅一小部分是在最佳喷墨范围(被示为箭头401)内，而剩余部分现在(被示为箭头402)。因此，衬底302被划分成两个或更多个颗粒(上文说明为三个颗粒，这些颗粒被标记为L、M和R)，使得至少一个颗粒是在这个最佳范围内。喷墨件303依据由逆优化方案生成的液滴图案将液滴分配到这个颗粒上。然后，旋转和平移衬底302以将第二颗粒定位在喷墨件303下面，如在右边的插图中所示。现在，至少将这个第二颗粒保持在最佳喷墨范围内的间隙处，同时喷墨件303将液滴分配到由这个颗粒所覆盖的衬底302上，如由优化的液滴图案所给出。继续这个过程，直到整个衬底302被覆盖。
另外，衬底302的弯曲性质和/或实现溶剂辅助薄膜形成可能需要比对于在平面衬底上实现类似的膜厚度轮廓所必需的液滴体积和放置分辨率更高的液滴体积和放置分辨率。为此，可以使用更高分辨率的喷墨件(诸如，电流体动力喷口)。这些喷口可以实现亚1皮升分辨率，尽管是以单一喷墨件和/或更低喷墨分配频率为代价。这会导致寄生效应(诸如，不等蒸发)，其可以通过在薄膜形成或与覆盖物304接触之前放置更多体积的液体(这种情况下存在更高的蒸发)来弥补。这可以被馈送到逆优化方案中，由此实现对寄生效应的校正。在一个实施例中，所分配的液体体积弥补确定性寄生效应，所述确定性寄生效应可以是以下各者中的一者：液体在其被捕获在衬底302与覆盖物304之间前的蒸发轮廓、在凝固期间造成的跨越膜的收缩效应、以及在后处理期间来自蚀刻机的任何非均匀蚀刻签名，如美国专利号8,394,282中所讨论的，所述专利通过引用整体地结合于本文中。
另一种用于迎合不同衬底曲率的方法可以呈由几个单喷嘴式喷墨件的矩阵组成的可调谐喷墨件的形式。这与标准多喷嘴式喷墨件的不同之处在于：相邻的喷墨喷嘴不共用壁并且可以发生相对移位。此矩阵可附接到试验板平台，所述试验板平台具有个别地寻址和移位每个喷墨喷嘴(例如，在垂直方向上)的能力。位移致动件可以呈被动式机构(诸如，精密紧定螺钉)的形式，或由压电体、音圈或其他此类致动件(以上各者由柔性轴承、空气轴承、磁悬浮轴承等支撑)致动。这种可调谐喷墨件背后的目的是：能够调节每个喷嘴的相对位置，使得矩阵实质上与需要“涂刷”的衬底的名义外形相关。换句话说，这将允许喷墨件303以类似的待行进的飞行距离来分配液滴301，且由此在使用共面多喷口以在非平面表面上分配液滴时将减轻对液滴体积和位置精度的顾虑。喷墨喷嘴的相对调节与来自表面计量工具的输出相关。确切的调节量以及相邻喷嘴之间的间距取决于最佳喷射高度、期望体积和位置精度以及起始形貌的空间波长尺度。然后，将必须在X-Y方向上扫描矩阵一定的量，所述量等于或略大于矩阵中的喷射位置的水平间距以允许液滴放置在任意位置处。此处假设：间距足够小，并且名义外形变化在这个间距范围内足够低以确保垂直高度变化最低限度地影响期望液滴体积和液滴位置精度的误差。在一个实施例中，假设矩阵X-Y覆盖范围将衬底投影面积包括在内以供由这个喷墨件矩阵处理任何弯曲衬底。
现将讨论的PAINT-C的另外的特征是覆盖物。
除了喷墨件之外，覆盖物304的使用也是极为重要的。其需要拥有“最佳柔性”，其中，其硬度高到足以允许促使单体液滴侧向地合并，而非利用环绕个别液滴的覆盖物304将它们俘获为岛，以及足够低以至于存储在覆盖物304中的应变能(由于覆盖物的变形)在单体固化或交联之前并未显著地影响薄膜流体动态行为。其还应低到足以实质上减轻衬底形貌签名的存在，并且对其不可知。
和PAINT形成对比，PAINT-C的最佳覆盖物设计也涉及对适当几何形状的选择，所述适当几何形状可以不仅不同最佳柔性，而且在液滴扩散和合并阶段以及在分离阶段期间充分符合衬底302。一种期望的覆盖物方法涉及使用与所使用的衬底302的形状完全互补的覆盖物几何形状。可以针对双镜片配置轻松发现此类互补形状。如果此类配置不可用，则其可以通过以下步骤来生成：用PDMS涂布衬底表面，将顶表面平坦化，且然后将PDMS外层剥落以得到具有平面背表面的互补形状。另一个实施例涉及使用实质上不共形但仍具有低应变能的几何形状，其与模型中所捕获的确切形状有偏差以得到期望的流体体积分布。第三实施例可为使用附接到具有所制造的或天然出现的孔隙的更具刚性的背衬(诸如，阳极氧化铝)的柔性薄膜。背衬附接到具有两个真空区的覆盖物卡盘，一个真空区(例如)沿着外环面，且一个真空区朝向内部。通过多孔背衬将对真空的控制转移到附接到其的薄膜。当在扩散步骤中使用覆盖物304时，所有真空区被接合，由此允许薄膜附接到刚性背衬。在已实现扩散之后，内真空区被松开(或甚至被允许吹送正压)，由此允许仅由外真空区支撑薄膜。这有助于大幅减小有效的覆盖物厚度(且因此刚度)，这在预平衡瞬态的演化和捕获方面是期望的。在一个实施例中，预平衡瞬态产生膜厚度轮廓，所述膜厚度轮廓的体积分布是被分配到衬底302上的流体液滴的体积分布的函数。在一个实施例中，对于诸如聚合物、玻璃、陶瓷等的材料而言，薄膜覆盖物304的厚度可小到200nm且高达200μm。多孔背衬可以具有200μm到5mm的厚度。
另一种期望的覆盖物方法涉及使用覆盖物304，所述覆盖物极具柔性、保持处在张力状态中并且具有正好高到足以确保液滴的强健合并的有效弯曲刚度，并且一旦液滴301已合并，张力就减小，以最小化弯曲刚度，从而提高捕获预平衡瞬态的能力。卷到卷柔性覆盖物具有允许快速重装以防止由于微粒污染造成反复的缺陷的附加益处。由于覆盖物实施例是在塑料卷上，所以其相对便宜，从而导致处理成本明显降低。这示于图5中。在一个实施例中，使卷到卷覆盖物前进以带来干净的覆盖物304，从而最小化污染缺陷从一个衬底302传播到另一个。
图5说明根据本发明的实施例的覆盖物304的可重装的卷到卷配置；参考图5(结合图3A到图3F)，在这个实施例中，覆盖物304是保持处于张力状态下(见箭头502)的塑料卷501。仅卷501的一部分被用作覆盖物304。在重复PAINT过程之后，用过的部分会变得被微粒以及过程缺陷所污染。一旦被识别出，就可以旋转卷501以带来更干净的覆盖物区域。在因此使用整卷之后，可以将其丢弃并且装上新的卷以实现快速过程转向(turnaround)。
然而，平面内张力的增加改变了覆盖物-流体-衬底夹层的演化动力学。一般来说，在塑料覆盖物厚度为200μm或更低的情况下，平面内应力可以是高的，由此导致有可能临界拉伸或甚至屈曲破坏。因此，虽然薄覆盖物304是期望的以使覆盖物304更具柔性并且具有高的处理时间尺度，但是其不应如此薄以至于其未能处在张力状态中。
覆盖物304的另一个重要的特征涉及：促进除气材料在固化之前扩散和溶解，且然后在固化之后分离。这需要覆盖物304具有利用前体液体实现的良好的润湿性质及然后利用后固化的聚合物实现的脱湿性质。可以通过用金属氧化物或金属的薄膜涂布覆盖物304来获得此类性质。也可以处理覆盖物304的表面。
现将讨论的PAINT-C的额外特征是对准。
就像平面表面一样，非平面表面也需要表面轮廓化以得到寄生形貌的映射。此映射是重要的，因为其充当至逆优化框架的输入以用于最小化其签名。用于表面轮廓化的优选方法是使用具有类似于名义衬底表面的曲率的参考表面进行的光学干涉测量。这种方法对球面表面、非球面表面(例如，抛物面、椭圆形等)、圆柱形表面和复曲面运作良好，对此可以获得高质量的参考表面。对于自由成型表面而言，可利用像差测量来扩增这种方法，以捕获自由成型表面与基础参考表面的相对更大尺度的偏差。
衬底302与参考表面之间以及随后衬底302与覆盖物304或衬底302与喷墨件303之间的坐标框架的任何失配均可导致不良的寄生签名。此整体对准通常确保在正确的位置上执行液滴沉积以及任何随后的PAINT或纳米图案化。对准中的可容忍误差取决于衬底名义外形的性质和单个PAINT步骤中期望的校正的量。通常，这些误差可能需要为<200μm、<50μm、<10μm或<1μm。当PAINT-C被应用于高精度轮廓化应用时，其由在沉积和纳米图案化步骤之前的计量步骤组成，其中使用光学干涉仪、表面轮廓仪、像差仪或其他类似仪器以纳米尺度垂直分辨率来测量衬底302的形貌。在一些情况下，此仪器可定位在原位，使得在执行沉积和纳米图案化之前在如所安装(夹在卡盘上)的衬底302上测量形貌。在计量期间对衬底302的安装应与这些精密表面的功能性(在使用中)安装实质上相同。期望所述安装在计量和功能性使用期间引入最小的失真(或类似失真)。其可基于诸如运动学安装的方法，其中唯一的失真来自重力垂度，所述重力垂度相对容易使用PAINT-C来建模和弥补。与计量安装方案的匹配失真的这个约束在执行PAINT过程期间不太重要，因为只要衬底失真未造成衬底的局部坡度明显改变(坡度的变化小于大约0.25弧度)，PAINT过程就将容忍衬底失真。
为此，变得有必要建立衬底坐标系相对于喷墨坐标系的适当对准。需要以微米尺度精度(取决于应用并且可能需要<200μm、<50μm、<10μm或<1μm)知晓所有坐标系(即，衬底坐标系(SCS)、计量坐标系(MCS)和喷墨坐标系(ICS))相对于全局台坐标系(GSCS)的位置(x,y)和取向(θ)。重要的是：最小化对来自实际衬底形貌与通过喷墨校正的形貌之间的失配的寄生形貌误差的引入。下文使用图6的原位对准系统来讨论用于最小化此类寄生形貌误差的此类策略。
图6说明根据本发明的实施例的用于最小化寄生形貌误差的原位对准系统600。
参考图6，具有对准标记(见图6中的“+”)的环形板601附贴到计量工具602。图6进一步示出平面图，以用于演示这些对准标记可跨越板601的不同区域发生偏移以得到优良取向(θ)校准。具有凹口或其他可识别特征的衬底302夹在卡盘603上，并且安装在装有仰视显微镜(ULM)605的x-y-θ台604上。桥606具有喷墨件607、俯视显微镜(DLM)608和覆盖物卡盘609，其中覆盖物304附贴到所述覆盖物卡盘。示出了ULM 605和DLM608的类似的平面图，以用于描绘它们呈双重配置以用于实现取向校准和校正。在一个实施例中，台604可包括两个单独的台，其中这些台中的一者用于将衬底302移动到覆盖物卡盘609，并且另一个台用于将衬底302移动到计量工具602。
下文结合图7讨论用于使用原位对准系统400来最小化寄生形貌误差的过程。
图7是根据本发明的实施例的用于使用原位对准系统600来最小化寄生形貌误差的方法700的流程图。
参考图7(结合图6)，在步骤701中，使用DLM 608和ULM 605上的双重对准标记(诸如，“盒中盒”和/或“十字中十字”型特征)来确定相对放置和取向误差。特别地，通过使用附贴到与喷墨件607和覆盖物卡盘609相同的桥606的DLM 608以看着附贴到台604的ULM 605来发现此类误差。这些特征的大小、双重标记之间的距离和X-Y-θ台精度决定可以实现的定位准确度的水平。
在步骤702中，当双重对准标记被对准时，识别台604上的用于最佳放置(在校准之后)两个显微镜的位置(“d1”)，诸如通过台位置传感器(例如，编码器)，其中位置“d1”包括x、y和θ位置。
随后，在步骤703中，然后移动台604以使用ULM 605看着计量工具602(假设其在原位)。在一个实施例中，计量工具602被修改并加装关于参考表面610处于固定的相对位置中的环形表面，如图6中所示，其中环面601具有类似于DLM/ULM 608/605的对准标记。
在步骤704中，再次，在校正之后实现最佳台放置和取向，并且在台604上的ULM605与计量工具602上的对准标记(环形板601的对准标记附贴到计量工具602)对准时注意到所述最佳台放置和取向。这个台位置被注明为“d2”(x、y、θ位置)。换句话说，当ULM 605与计量工具602上的对准标记(与环形板601的对准标记对准)对准时，识别台604上的位置(“d2”)。
在步骤705中，获得“d1”与“d2”之间的差异，以提供计量坐标系关于喷墨坐标系的相对位置。
在此之后，在步骤706中，在计量工具602上测量夹在卡盘上的衬底302的表面(所述表面通常具有一个或多个可识别特征，诸如来自早前的图案化步骤的平坦部或凹口或预先存在的对准标记)。计量工具602的侧向精度可类似于这些显微镜的侧向精度。如果那还不够准确，则可以使用DLM 608来精确地定位凹口并且相对于喷墨坐标系知晓衬底坐标系。然后，在相对于喷墨坐标系知晓计量坐标系的情况下，可以精确地定位衬底302以用于形貌测量。在一个实施例中，可以使用喷墨件607来克服精密衬底定位和对准中的误差，特别地，如果喷墨件607已被精确定位并且每次在安装衬底302时将衬底302装到卡盘603上的实质误差。可使用喷墨件607将液滴(其然后也被固化)分配到衬底302上的实质上从需要使特制膜沉积的区域移除的区域，使得这些液滴不干扰沉积特制膜的PAINT过程。可以在用于识别衬底凹口的相同的DLM 608下面分析这些液滴，由此给出衬底302的相对位置和取向。如果此类区域不可用，则可将液滴分配到结构上连接到衬底卡盘603的小型次要表面上，使得其可以相对于衬底302被准确地和可重复地定位，并且其实质上处于与衬底302相同的水平面处。这种方法可以有助于克服精密衬底定位和对准中的误差。
在步骤707中，使用具有“d1”和“d2”的夹在卡盘上的衬底302的测量表面，以微米尺度精度获得衬底坐标系与计量坐标系之间的映射。
这个过程允许以微米尺度精度将衬底302定位在计量工具602与喷墨件607之间。可以一次通过首先定位ULM 605至DLM 608以建立用于台604的“零”参考来校准喷墨件607自身的位置和取向。然后，可以将液滴的阵列/矩阵喷墨和固化在虚拟衬底302上。然后，可以在DLM 608下面检查液滴的这个阵列/矩阵。可以使用每个液滴的位置来精细地校准每个喷嘴的位置。可以通过在阵列或矩阵的中心和端部处的液滴来完成粗定位和取向校准。出于一次校准的这个目的，可以以更低的频率或以更低的台速度来分配液滴。也可降低喷墨高度。这些措施可有助于提高喷墨液滴的位置的精度，使得所分配的液滴位置与理想液滴位置实质上匹配。换句话说，将减少衬底302上的液滴位置中的误差，这些误差由喷墨头操作以及喷墨头操作与台运动的同步产生。如果液滴不提供足够的精度(由于液滴放置准确度的变化)，则可以使用ULM 605来定位喷墨头以及喷嘴的最优拟合线。在一个实施例中，ULM 605使喷墨喷嘴成像以确定最优拟合线。以这种方式，可以响应于ULM 605确定最优拟合线来识别台604上的位置。在一个实施例中，此类位置包括x、y和θ位置。这条线的位置和取向然后可以在喷墨坐标系中可用。通常，台精度远好于喷墨液滴放置准确度。因此，这种方法会导致定位喷墨件和计量工具的更高的精度。
此外，如果计量工具602无法定位在原位，则可离线完成衬底302的形貌测量。可利用装有具有对准标记的相同/类似环形环601的相同或类似计量工具来完成非原位计量。DLM 608也可以附贴到计量工具602，并且相同或类似的衬底处理卡盘可以安装在装有ULM605的x-y-θ台上。首先，可以将DLM 608和ULM 605对准以校正全局卡盘定位误差。其后，可以使用ULM 605和环形板601以校准计量工具602与DLM 608之间的偏移。然后，可以在计量工具602上测量衬底302。可以通过将凹口/平坦部精确地定位在固定到计量工具602的DLM608下面来校正计量工具602与夹在卡盘上的衬底302之间的对准误差。使用计量工具602与DLM 608之间的校准的偏移，可以获得凹口(及因此，整个衬底302)的精确定位，如在计量工具602上观察到的。这个过程假设计量工具602的侧向分辨率不足以以微米尺度精度来定位凹口。然而，如果反过来是正确的，则可不需要这个过程。类似地，在PAINT工具上，使用台604上的ULM 605和桥606上的DLM 608以定位喷墨件607和衬底302上的凹口，如在以上的原位计量过程中所描述的。当与在计量工具602上非原位精确定位凹口相组合时，这给予衬底302在PAINT工具上相对于非原位计量工具的精确定位。
在非原位与原位两种计量设置中，均利用固定到计量工具602的环形对准板601。因此，可需要将此板601与计量工具602精确地组装在一起，从而使得使用精密装配技术成为必需。
在一个实施例中，方法700的步骤是自动化的，诸如经由存储在存储器611中的程序，所述程序的指令由处理器612执行。
本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可包括计算机可读存储媒体(或多个媒体)，所述计算机可读存储媒体上面具有计算机可读程序指令以用于致使处理器实施本发明的方面。
计算机可读存储媒体可以是可以保持并存储供由指令执行装置使用的指令的有形装置。计算机可读存储媒体可以是例如但不限于电子存储装置、磁性存储装置、光学存储装置、电磁存储装置、半导体存储装置或以上各者的任何合适组合。计算机可读存储媒体的更多特定示例的非详尽列表包括以下各者：便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩光盘只读存储器(CD-ROM)、数字通用光盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码装置(诸如，穿孔卡片或上面记录有指令的槽中的凸起结构)，和以上各者的任何合适的组合。如本文中所使用的，计算机可读存储媒体将不被解释为本身是暂时信号，诸如无线电波或其他自由传播的电磁波、传播穿过波导或其他传输媒体的电磁波(例如，穿过光纤电缆的光脉冲)或被传输穿过金属丝的电信号。
可以将本文中所描述的计算机可读程序指令从计算机可读存储媒体下载到相应的计算/处理装置，或经由网络(例如，因特网、局域网、广域网和/或无线网络)下载到外部计算机或外部存储装置。网络可包括传输铜缆、传输光纤、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理装置中的网络适配器卡或网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转递计算机可读程序指令以用于存储在相应的计算/处理装置内的计算机可读存储媒体中。
用于实施本发明的操作的计算机可读程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、依赖于机器的指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或以一或多种编程语言的任何组合书写的源代码抑或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言(诸如，Smalltalk、C++等等)和常规程序性编程语言(诸如，“C”编程语言或类似的编程语言)。计算机可读程序指令可完全在用户计算机上执行，部分地在用户计算机上执行，作为独立软件包来执行，部分地在用户计算机上且部分地在远程计算机上执行，或完全在远程计算机或服务器上执行。在完全在远程计算机或服务器上执行的情况下，远程计算机可通过任何类型的网络(包括局域网(LAN)或广域网(WAN))连接到用户计算机，或可连接到外部计算机(例如，通过因特网使用因特网服务提供商)。在一些实施例中，包括例如可编程逻辑电路、场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)的电子电路可通过利用计算机可读程序指令的状态信息对电子电路个人化来执行计算机可读程序指令，以便执行本发明的方面。
本文中参考根据本发明的实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图说明和/或框图描述了本发明的方面。将理解，可以由计算机可读程序指令来实施流程图说明和/或框图的每个框以及流程图说明和/或框图中的框的组合。
可将这些计算机可读程序指令提供到通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生机器，使得经由计算机或其他可编程数据处理设备的处理器来执行的指令创建了用于实施流程图和/或框图的一个或多个框中所指定的功能/动作的构件。这些计算机可读程序指令也可存储在计算机可读存储媒体中，并可以指导计算机、可编程数据处理设备和/或其他设备以特定方式起作用，使得其中存储有指令的计算机可读存储媒体包括制品，所述制品包括实施流程图和/或框图的一个或多个框中所指定的功能/动作的方面的指令。
也可将计算机可读程序指令加载到计算机、其他可编程数据处理设备或其他装置上，以致使在所述计算机、其他可编程设备或其他装置上执行一系列操作性步骤从而产生计算机实施过程，使得在所述计算机、其他可编程设备或其他装置上执行的指令实施流程图和/或框图的一个或多个框中所指定的功能/动作。
诸图中的流程图和框图说明了根据本发明的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现方式的架构、功能性和操作。在这点上，流程图或框图中的每个框可表示指令的模块、段或部分，所述模块、段或部分包括用于实施指定的一或多个逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些替代性实现方式中，框中所注明的功能可不按诸图中所注明的次序执行。例如，取决于所涉及的功能性，连续示出的两个框可实际上基本同时执行，或这些框可有时按相反次序执行。还将注意的是，可以由专用的基于硬件的系统来实施框图和/或流程图说明的每个框以及框图和/或流程图说明中的框的组合，所述系统执行指定的功能或动作或实施专用硬件与计算机指令的组合。
PAINT-C的另一个特征是卡盘夹紧(chucking)，现将结合图6和图7来讨论其。
如上文讨论的，卡盘夹紧衬底302和/或覆盖物304必须考虑到寄生失真和其将如何影响计量以及PAINT-C过程。(一般来说，覆盖物硬度不受应用的限定，而是可以保持被选择为如早前讨论的“足够低”以最小化由于卡盘夹紧造成的失真的影响)。卡盘夹紧是重要的，以确保衬底302不由于PAINT过程所涉及的力而大幅移动。比起平面表面，可更多地涉及卡盘夹紧非平面表面，并且如果其做得不正确，则会引入寄生误差。如果需要“涂刷”的衬底302具有平面背表面，则可以使用类似于用于PAINT-P的卡盘的卡盘。然而，如果背表面也是弯曲的，则可将衬底302保持在某个区域上，所述区域实质上小于整个背表面区域或实质上类似于背表面区域。相同的理念也可以扩展到覆盖物304，不过随后的讨论是在具有弯曲背表面的衬底302的实施例的情况下进行的。此外，衬底302和覆盖物304中的区域可以保持开放，以允许对表面的光学固化或检测。一般来说，可以采用以下策略来卡盘夹紧弯曲背表面：
(1)使用具有与衬底302的轮廓接近精确互补的轮廓的卡盘。然而，如果衬底几何形状不断改变因此使得大量此类卡盘成为必需，则此策略可能不可行。
(2)在诸如焊接、胶合等过程的帮助下或通过将平面背表面包括在首先产生的原材料衬底中来添加所述平面背表面，其完全地抑或部分地呈凸缘的形式。
(3)使用多区域卡盘，每个区域是独立控制的，其中一些区域提供用于保持衬底302的真空，并且其他区域提供用于气动地支撑衬底302的那些区域的加压空气。在一个实施例中，使用气动密封使这些多个区域彼此隔离，如图8中所示。
图8说明根据本发明的实施例的用于保持具有弯曲背表面的衬底302的多区域卡盘800。在一个实施例中，多区域卡盘800可使得同一卡盘保持不同的表面。衬底302的加压空气区域(见箭头801)可以与标准的卡盘夹紧相组合。在通常为弯曲的并且无法使用标准真空或静电卡盘夹在卡盘上的区域(见箭头802)中，可使用此加压空气以将在PAINT-C过程期间的力支撑在非平面衬底上。此加压空气也可以与真空或静电卡盘夹紧结合使用，以支撑实质上无法使用以上真空或静电卡盘夹紧策略夹在卡盘上的衬底302背侧的多个部分，从而最小化可导致损坏的接触，所述损坏为诸如对功能上与随后在应用中使用衬底302的方式有关的背表面特定部分造成的划痕或凹痕。
PAINT-C的另外的特征是剥离力学，现将结合图2以及图3A到图3F来讨论其。
UV固化之后，在PAINT中通过调节覆盖物304的弯曲轮廓以产生从边缘到中心的裂纹前沿来使覆盖物304与衬底302分离。然而，考虑到存在衬底和覆盖物曲率，一种类似的方法可需要使用额外的机构。例如，针对PAINT-C，覆盖物304可以涂布有牺牲材料的薄膜。在剥离过程开始之前，通过将覆盖物304暴露于可以使牺牲膜升华的周围环境(或使用光化学消融)，可以从覆盖物-聚合物-衬底夹层的边缘移除牺牲膜。膜的移除产生裂纹前沿，所述裂纹前沿然后可以使用适当的覆盖物弯曲轮廓来传播。如果在分离过程中的任何时候局部峰或谷造成裂纹前沿暂时停止，则可以使用以上方法以强行打开和传播裂纹前沿。可将光化学激光消融用作一种用于实现聚合物膜的上述升华的潜在技术。这可以通过用聚合物的薄膜涂布覆盖物304来完成，所述聚合物与用于沉积膜和覆盖物/衬底(304/302)材料的聚合物相比具有实质上不同的消融阈值强度和/或激光波长。例如，如果沉积材料是聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)或可比较的丙烯酸酯(其在355nm的波长下被固化)，则牺牲膜可以是聚酰亚胺(PI)(其在248nm的不同波长下具有40mJ/cm2的激光消融阈值)。另一方面，PMMA在248nm下具有600mJ/cm2的高得多的阈值。因此，在暴露于248nm的低(～50mJ/cm2)剂量的情况下，激光将使PI消融，但保持沉积膜(PMMA)完好无损。然后，覆盖物304可被视为耗材，并且被丢弃或重新处理以得到再次被沉积的牺牲膜。“R2R”配置可在允许将以上过程自动化方面提供额外的益处，其中R2R覆盖物304的给定区域仅被使用一次，接着为重新处理或丢弃用过的覆盖物304。
另一种方法可以是使用覆盖物304上的把手或凸缘。它们可由覆盖物卡盘409机械地保持，且然后被拉扯以帮助从衬底302上剥落覆盖物304。这可以是在与覆盖物(或衬底)卡盘的垂直平移相组合的对覆盖物304(或衬底302)的现有的基于真空或正压的轮廓控制的基础上的增加。
此外，先前讨论的R2R覆盖物配置可更容易将名义上的非平面衬底剥落。这主要是因为存在张力和通过控制辊运动来控制裂纹传播，所述辊运动包括辊相对于接触线的相对旋转和平移。应提到的是，比起具有纳米尺度图案的膜，对于不具有图案的膜而言分离或剥离参数更加被放松。
可用作沉积膜的一些代表性材料包括可喷墨的组合物，诸如蚀刻屏障溶液、来自Microresist Technologies的mv-Cur、来自Canon Nanotechnologies的也可需要预处理衬底302以特制润湿性质。可用于促进衬底302与沉积膜之间的粘附的一些材料包括来自Canon Nanotechnologies的和可不需要预处理一些衬底材料(诸如，聚碳酸酯)，因为它们天然地具有期望的润湿和粘附特性。上文已讨论了可用5于处理覆盖物304的表面以用于改进界面性质的材料。
溶剂的使用也通过控制挥发性溶剂材料(例如，PGMEA、己烷等)的量和喷墨液体制剂中的关联固体含量来帮助特制液滴体积。液滴内部的溶剂材料可以部分地或完全地被蒸发(正在进行中(in-flight)抑或在与衬底接触之后)，由此减小用于PAINT或用于溶剂辅助层形成的液滴的体积。例如，由于硬件局限性，喷墨喷嘴可在液滴体积分辨率方面受到约束。然而，说明精细的衬底曲率局部性地可能需要使液滴体积低于可以分配的最小液滴体积。这个信息可以通过将处于更高和更低液滴体积分辨率的最终膜厚度轮廓与期望膜厚度轮廓相比较从逆优化算法获得。如果具有更精细的液滴分辨率导致了模型中明显降低的误差范数(其稍后论述)，则奉行将这种方法用于更小液滴被预期为对特定期望的表面轮廓有益。
可以使用润滑近似来对在与高度(薄膜)相比具有大得多的侧向长度尺度的域中的流体流动求解，所述润滑近似假设流动主要平行于表面并且垂直压力梯度为零。通常，这导致了非线性模型，所述非线性模型可以被线性化以用于降低计算成本并且更好地理解过程力学。线性化导致特性处理时间尺度，其被获得为：
其中h0是平均膜厚度，R是水平长度尺度(通常为沉积区域的半径)，并且Deff是覆盖物304的有效弯曲刚度。此有效弯曲刚度通常具有两个渐近值，其中一个取决于衬底曲率Rs和重力g；并且另一个取决于覆盖物材料的杨氏模量E、覆盖物厚度b和泊松比v。重力效应对于具有名义非平面外形的衬底302而言是重要的，因为在衬底302的不同区域中的流体经受不同水平的重力。一般来说，τpaint的更大值是期望的，因为其提供更长的时间以用于捕获预平衡瞬态。从等式1看出，更小的Deff似乎导致更高的τpaint。然而，如Deff的等式2中所示，Deff包括R、Rs，并且这些值也间接地影响h0。这示于图9中。
图9根据本发明的实施例说明膜厚度901 ho(x)是垂直于衬底302测得的膜厚度的垂直投影。因此，针对接近衬底302的曲率中心的x(例如，ho(x1))，垂直投影接近实际膜厚度值。但是，针对远离衬底302的曲率中心的x(例如，ho(x2))，垂直投影可以大得多。重力对于前者不是那么重要，但对于后者是发挥作用的。
因此，当衬底302具有其表面切线形成具有相对高的绝对值的角度(相对于水平面)的区域时，重力的负面影响是高的；同时也具有相对高的覆盖物硬度。因此，合适的过程条件(其暗示τpaint的高值)需要低的切角或低的覆盖物硬度，但优选地需要以上两者。在衬底302不拥有期望的低切角的情况下，应尽一切努力来制成拥有低硬度的覆盖物304。例如，针对直径为200mm且曲率半径为200mm的涂刷区域而言，如果与覆盖物刚度相比重力的影响被减轻，则熔融石英覆盖物304的厚度应为近似200微米或更低。然而，如果两者(即，由于重力的有效硬度，和覆盖物弯曲刚度)实质上为低的，则大幅减轻重力影响可并不重要。这是因为，该过程的目标是最小化有效刚度而不论刚度的物理起源，以便实现足够高的处理时间尺度τpaint。
此项(τpaint)可以用于将无因次处理时间(t*)定义为实际过程流体扩散时间(t)与τpaint之间的比，如：
目标是最小化此重新分布，以使得最终膜厚度与初始材料分布具有很强的相关性，使得可以由喷墨流体液滴的预定义位置和体积来实现PAINT-C的“可编程”性质。换句话说，这个动态模型揭示了以下事实：在夹层的演化中捕获预平衡瞬态势在必行，因为平衡状态只考虑到一种可能的稳态解，所述稳态解通常是不良的并且被衬底202(图3A到图3F中未示出)的寄生形貌所破坏。这有悖于对薄膜进行可编程沉积的目的。捕获预平衡瞬态的这个概念实质上与喷墨流体液滴相关，并且排斥衬底和覆盖物形貌的影响(包括其名义形状和重力的影响)。
从延迟平衡的观点来看，期望将覆盖物304制得尽可能薄。然而，将覆盖物304制得任意薄不可行，如上文在最佳柔性的上下文中所讨论的。另外，可难以处理覆盖物304以用于实现自动化、装载等。
由于重力帮助流体重新分布，尤其对于高度弯曲的衬底，所以最小化重力影响无异于减小覆盖物304的厚度。对于具有高曲率的衬底302而言，可以通过经由旋转的组合来移动衬底302而最小化重力影响，使得具有高曲率的区域可以变得尽可能地水平。这可以通过将衬底302和覆盖物卡盘409安装在基于精确屈曲的致动器上来实现。然而，如果移动衬底302的一个或多个区域就其水平调平与衬底302的其他区域达成妥协，则可以执行一种涉及使覆盖物-流体-衬底夹层循环通过不同状态使得衬底302上的不同区域实质上周期性地为水平的方法。可以从毛细管填充过程的近似时间尺度来确定这些不同状态之间的振荡频率，其是黏度、表面张力和比重的函数。此时间尺度的倒数给出了近似频率，并且如果将振荡频率保持为明显高于此毛细管频率，则流体夹层在每次振荡之间并未得到重新分布并且最小化重力影响。在一个实施例中，通过将覆盖物304保持为尽可能薄(例如，覆盖物304的厚度低于某个阈值，诸如如上文讨论的200微米)来最小化重力影响。在一个实施例中，通过以下步骤来最小化重力影响：将系统安装在旋转台上，并且以高到足以克服重力诱导的黏度-毛细管(visco-capillary)填充的频率来旋转覆盖物-流体-衬底夹层。
如早前所提到的，可以用分析法通过利用实施线性分析来获得模型的一阶性质，其中r在名义衬底表面坐标系中。这利用对PAINT的作功。重要的是：将实质的衬底形貌的存在考虑在内，以不混淆模型线性化。然而，建立说明衬底形貌的正确的衬底坐标系对于确保线性化产生可行的结果是有必要的。可以用分析法对线性化模型求解，由此急剧降低计算复杂性并且允许对PAINT-C关键性方面求解：针对期望膜厚度轮廓的流体液滴的最佳位置和体积。逆优化过程的另一个重要方面是使衬底曲率与喷墨间隙高度相关。一旦识别出最佳的液滴位置和体积并使其隶属于特定的衬底坐标，衬底302的粒化以及衬底302相对于喷墨件303的相对运动轮廓也就可以被优化，以仅允许在最佳喷墨范围内的特定喷嘴喷射(fire)。这也可以利用优化将一个颗粒上的液滴图案与邻近颗粒上的液滴图案拼凑在一起的算法来扩增，其具有足够高的精度以不损害最终膜厚度轮廓。另外，通过考虑到衬底302上的可变液滴间距来进一步修改逆优化算法以说明曲率。这是因为平面喷墨表面(其具有相隔给定的间距的多个喷嘴，所述给定的间距通常是均匀的)被映射到具有曲率的非平面衬底上。此映射会造成喷墨件303上的通常为均匀的液滴间距如沿衬底表面测量而变得不均匀。此不均匀性可在衬底302与喷墨件303之间的相对扫描的方向上通过实时地调节扫描速度来克服。
除了基于过程力学的针对最佳膜厚度轮廓的逆优化之外，PAINT过程的一个重要方面涉及环绕式功能性优化方案。本文中针对PAINT在光学部件中的示例性应用来解释这个方案，但该方案可以扩展到其中PAINT被用于外形校正、抛光和/或纳米图案化的其他领域。出现对此类优化的需求是因为：与期望膜厚度轮廓的偏差会导致装置性能(诸如，由于诸如不良干扰、像差、闪光等的问题出现的光学性能)有偏差。这些问题的表现形式可与膜厚度轮廓没有线性相关性。此外，取决于应用，这些问题中的一者或多者可具有极为严格的公差规范，与期望膜厚度轮廓的细微偏差可违反这些公差规范。因此，利用额外的方案来约束膜厚度优化可为重要的，所述方案也计算系统在优化过程期间的功能性能。此更高级别的约束的计算成本可减慢逆优化方案，并且基于计算成本如何高而可采取一种方法，其中，在执行优化时，以计算成本不高的频率来间歇性地而非针对所获得的每个次最佳膜厚度轮廓开展光学性能计算。
该过程的另一个不寻常的方面是可以沉积多层膜(为同一种材料抑或不同的材料)的简易性。从薄膜模型中显而易见的是，将平均膜厚度(h0)保持为小有助于将时间尺度保持为高，这对于捕获非平衡瞬态(等式2)是期望的。因此，在单个步骤中沉积具有大的厚度变化的一个或多个厚且均匀的膜会是有问题的，当衬底曲率变得太陡时，可能需要这样做。这可以通过将期望的轮廓分解成更小单位增量的和来减轻，从而确保时间尺度对于每个单位阶跃而言是期望地高的，且因此保存为单步骤过程建立的诀窍和对应的准确度。
由于用于沉积的优选方法是喷墨，所以可以将多步骤过程扩展到通过使用不同的可喷墨材料来沉积多材料堆叠，使得堆叠中的每个层具有规定的轮廓。这实现了在其深度方向上具有材料以及厚度梯度的膜的沉积，这是当前最先进的技术中不容易得到的特征。可通过具有一组多喷口(其中在多喷口的每一者中具有不同的材料)来实现这个过程。可实现整个过程，而在各种个别PAINT-C步骤之间不从工具移除衬底302。
多步骤过程还实现随后使用离散液滴进行纳米图案化或在先前沉积的膜上形成溶剂辅助层。这对于光学应用可以是特别有用的，其中需要形成特殊膜和/或纳米结构以用于实现期望的性质(诸如，多层堆叠中的同一个衬底上的抗反射、防污和抗静电)。如先前所讨论的，具有释放层(诸如，氧化物或比如金的重金属)的覆盖物304可以促进液体单体的扩散，并且也促进具有凝固的聚合物308的衬底302与覆盖物304的分离。这对于沉积同一种材料的多层膜、接着进行作为最后一个步骤的纳米图案化是尤为难能可贵的。可使用或不使用来自先前沉积步骤的同一种材料来实施纳米图案化。因此，变得重要的是，得到覆盖物/模板上的正确释放性质以确保跨越范围广泛的图案(包括未被图案化的覆盖物)的良好分离。此外，也可按配方制造单体材料以具有正好足够的表面活性剂，使得当被固化时其促进下一个液体层的扩散，并且当与覆盖物/模板上的释放层相组合时其允许固化的膜自身相粘而非粘到覆盖物或模板。
在非平面表面上沉积空间变化的膜(所述沉积可选地与纳米图案化一起使用)在消费光学、高精度光学(包括用于X射线和制造超精模具的高精度光学)、生物医学光学、专用护眼罩等中具有一些应用。这些决非为PAINT-C的应用的详尽列表。
就消费光学而言，有规律地在消费者眼镜中使用自由成型表面以用于视力校正，这包括诸如近视、远视、规则散光、不规则散光、老花眼和其他病症的问题。一般来说，光学系统(包括眼睛)中的问题是使用光学像差(即，由于这些系统造成的辐射波前中的失真)来特征化的。通常将这些像差表达为zernike多项式的级数展开(低阶和高阶zernike多项式像差)。此多项式展开的前两个阶被称为低阶。第三阶和以上的项被称为高阶项。通常在人眼中观察到的球镜度和柱镜度(例如)被分类为低阶像差。另一方面，存在许多高阶像差，诸如会造成视敏度的问题的球面像差、彗形像差、三叶草像差等。因此，重要的是：减轻这些高阶像差的存在，同时也校正更常见的低阶像差。
眼镜镜片已从简单的球面几何形状演化为非球面、内非(atoric)和其他自由成型几何形状。这使得眼镜镜片能够为有美感的以及提供无失真的优异的光学效果。现今，范围从单眼视到渐近多焦点(其为多焦点镜片)的镜片被提供有“数字”处理，其暗示：代替被模制的做法是，已在单点金刚石切割和铣削上将镜片表面切割为呈不同几何形状的自由成型表面。渐近式镜片实质上在镜片的不同区域中具有不同的轮廓，由此允许眼镜佩戴者使用各种区域以用于实现不同的视力矫正结果。PAINT-C可以是相对低成本替代例，其用于以更高的精度且以很少的附加成本或没有附加成本在名义上弯曲的衬底上生成这些自由成型表面。此外，PAINT-C还具有用于抛光以及沉积额外薄膜(包括抗反射、抗划和抗静电层)的集成解决方案的附加益处。这些膜也可包括可以在与由PAINT-C提供的轮廓控制相组合的同一个步骤中被图案化的纳米结构。弯曲衬底通常为具有～75mm的直径和范围为0.01到20m的曲率半径的球面表面。
更多特定应用中的一者包括：对圆锥角膜的早中阶段的修复，所述圆锥角膜是由角膜的异常变薄和膨出造成的进行性眼病。这造成极高的散光度以及大得多的高阶像差。此类病例常常使用手术治疗和/或特殊的隐形眼镜来治疗。虽然手术治疗可为成本高昂的，但是特殊的隐形眼镜并不理想，因为持续佩戴隐形眼镜会导致其他眼科问题。因此，这是可以潜在地受益于使用PAINT-C所提供的自由成型制造眼镜的领域。另一个应用是“超常”视力的应用，其中可以使用高度精确地轮廓化的眼镜以实现好于20/20且与～20/8的最高可能视敏度一样好的视敏度。所述眼镜轮廓可移除所有视觉像差(包括低阶和高阶像差)，并且设计成用于相对于参考光轴进行精确放置。虽然超常视力将旨在实现～20/8的理想视敏度，但是这会导致存在色差，色差会降低视功能。因此，目标将是实现实用的超常视力，即在不引入寄生色差的情况下的～20/12到～20/15的视敏度。替代地，也可在这些镜片中通过以下步骤实现实用的超常视力：特制几何形状，以与正常观看情形下的广阔视野相比在实质上窄的视野中实现高的视敏度。这可允许用户执行特定的任务，这些任务将需要存在实质上更高的视敏度同时在更大的视野中实现正常视敏度。
在非平面表面上沉积空间变化的膜也具有涉及用于低曲率自由成型光学的表面的应用。
用于X射线的反射光学依赖于经金属涂布的镜。考虑到将波带片用于硬X射线所涉及的挑战性，这些镜子多半用于硬X射线。然而，反射镜使用掠入射(即，接近零的入射角)以实现期望的分辨率和焦点，不过对于依赖于与干扰相关的反射的多层镜来说这个要求被放松了。例如，对于具有能量为1、10和200keV的X射线的铱样本而言，分别需要近似2度、0.6度和0.1度的临界角，以实现全外反射。考虑到这个约束，可以想象，这些镜需要对表面粗糙度和外形(～λ/10)进行严格的空间控制，所述表面粗糙度和外形类似于晶圆的纳米形貌。X射线的波长<10nm，这暗示期望的空间控制量<1nm。高于此公差极限的粗糙度和外形的任何扰动均会造成不良的散射效应。因此，自适应外形校正是用于得到光学元件的期望质量的重要元素。此外，镜面的期望轮廓通常为圆锥截面(抛物线、双曲线或椭圆形)，使得多个此类镜的布置可以实现期望的聚焦性质。此类轮廓已通过在非为名义上的圆锥截面的表面上的基于真空的优先涂布或差异性沉积来演示。PAINT-C潜在地具有通过沉积具有厚度的适当空间变化的膜来完成两者(校正外形的不完美以及将外形自适应地修改为类似于圆锥截面表面)的能力。在此类膜的沉积之后接着为“匹配的回蚀”，其中以相同速率蚀刻抗蚀剂和衬底表面。可继续此，直到抗蚀剂被完全移除，使得表面的轮廓变成X射线镜的轮廓。为实现功能性，然后可以使用PVD或ALD来沉积单个或多个金属层。
校正板或更具体地施密特校正板本质上为非球面镜片，其设计成弥补由光学系统(诸如，望远镜)中的球面主镜造成的球面像差。典型的球面镜配置导致不良的高阶像差(其中球面像差是最主要的表现形式)是相当众所周知的。其为球面镜的几何形状的固有性质，但制造误差可以使其加重。非球面镜片可以用于通过提供弥补这些像差的轮廓来校正这些像差，并且当在光路中被用在成像系统中的球面镜片前面时，所述非球面镜片被称为施密特校正板。由于常常在需要对不良像差进行严格控制的高端应用中使用这些板，所以需要精确制造这些板。这是PAINT-C可为有益之处，因为其不仅提供具有最小中和高空间频率寄生效应的正确外形，而且还应用涂层或纳米结构来用于实现诸如抗反射的性质以最小化由于反射造成的损失。此外，在具有纳米图案化能力的情况下，如果特定偏振也是期望的话，则还有可能在这些板上制造偏振片(包括线栅式偏振片)。
纳米尺度光子结构实现几种非线性现象(例如，用于隐身、负折射率等的超材料)，其可在不同领域中具有应用。这些纳米结构的低成本大面积制造可以进一步降低这些技术的采纳障碍。一种用于降低成本的方式是促进在单个步骤中以低缺陷率来制造纳米光子结构的完整晶圆电路，所述完整晶圆电路包含几个不同的光子元件(偏振片、彩色滤光片、波导、其他超材料等)。这在当前是难以实现的，因为不同的光子元件具有不同的图案几何形状或方向性。例如，偏振片倾向于为一维阵列，而彩色滤光片倾向于为纳米结构的二维阵列。这常常导致在不同图案的边界处或当图案倾向于被高度方向性偏置时产生缺陷。然而，在PAINT的情况下，可以通过优化液滴图案以辨别这个图案几何形状和/或方向性变化来最小化此类缺陷。PAINT可以实现最佳的液滴位置和体积，使得层在模板接触之前具有可以减轻图案边界和/或方向性影响的期望的厚度变化。这会导致跨越整个光子电路而实质上均匀的残余层，由此允许更均匀的后处理。
在另一个实施例中，为了在模板上实现可实质上均匀的图案，可以使由模板的接触和用溶剂辅助压印单体层填充模板产生的残余层变得故意不均匀。然后，通过随后的后处理蚀刻步骤，可以实现这个原本均匀的图案的临界尺寸和/或高度方面的故意变化。这可以在单晶圆上实现对光子现象的模拟调制，且由此可以允许高通过量的组合实验。所有这一切都必须由适当的功能性优化例行程序支持，如先前所讨论的。这也可以扩展到其中在模板上存在图案几何形状的变化的情况。
在超精密应用中(光学部件、用于光刻的光罩等)，重力的存在可导致不良寄生效应。例如，重力会导致平面内和平面外失真，当使用电子束光刻来刻制光罩时，这些失真对纳米尺度图案的精确对准会是破坏性的。然而，如果通过沉积具有互补轮廓的膜来弥补这些失真，则与重力相关联的寄生效应可以大幅减轻。
Alvarez镜片(以其原始发明者命名)本质上为双镜片，其允许在相反的方向上平移两个镜片以用于实现可调谐的模拟功率调节。这通过将个别镜片表面制成为具有精确定义的立方轮廓来实现。近年来，这个理念已发展为包括：调节散光、围绕非零验光单执行聚焦和散光矫正以及模拟调节老花眼。然而，为使此技术运作，必须精确地完成个别镜片表面轮廓的制造和平移。如果没有，那么其会导致明显的寄生效应，所述寄生效应会降低视力矫正的质量。在其纳米尺度精度的情况下，PAINT-C具有不仅大面积制造2D立方轮廓而且制造具有高阶多项式的2D轮廓的能力，所述高阶多项式也可以利用镜片表面的相同的互相平移来潜在地实现对高阶像差的校正。此外，镜片表面还可以设计成在中间平移距离处校正特定的像差，由此允许针对特定的任务(诸如，正常光线阅读、弱光线驾驶、中间距离打字等)进行视力矫正。这些像差可包括由弱光线条件中的大的瞳孔大小造成的高阶像差(诸如，球面像差和彗形像差)或由不规则散光(由于角膜瘢痕或形状缺陷)产生的高阶像差。这些像差通常难以校正并且在不同的照明条件下变化，从而使一对常数校正眼镜不可行。此类校正可以被集成到具有平移机构的框架中，所述平移机构可以是模拟的抑或离散的，这取决于用户的偏好。因此，对于此应用而言，PAINT-C可以跨越不同的视力需求提供广泛的定制和通用性。目标是允许用户获得达到期望的“视力”轮廓的途径，为此可提供自动化解决方案。此解决方案可由阶层式方法组成，其中给出粗略路径以实现接近期望的视觉路径，接着为精细校正以达到最期望的视敏度。如果未给出此类解决方案，则用户可能难以探究完整的组合集以达到期望的视力轮廓。这个理念可以潜在地扩展以用于实现光学装置(诸如，显微镜)中的像差校正，所述像差校正可经受由于热、振动或其他环境噪音所致的波前偏差。
PAINT-C与纳米图案化的组合在几种纳米光子学应用中也可以是有用的。一般来说，可以将纳米图案化结构直接形成在非平面衬底上或制造于平面衬底上，然后将平面衬底胶合或附接到精确地轮廓化的非平面衬底。直接由平面膜制造这些纳米图案化结构或将其胶合的过程会导致特征失真，这些特征失真是由于在符合非平面衬底的实质上为平面的模板中诱导的机械应力所致。然而，可以在模板自身中的纳米尺度图案的设计中弥补此失真，使得当制造时纳米尺度特征实质上无失真。这种弥补可以通过对逆问题求解来实现，其中可以通过诸如有限元分析的方法来获得实质上为平面的模板上的故意失真，需要所述故意失真来解决实质上为非平面的衬底上的随后的失真。在另一个实施例中，可以通过使用力致动器(诸如，将最佳负荷施加在实质上为平面的模板上的一个或多个压电致动器)来实时地克服此失真。一个应用是在高光谱成像领域中，其中物体的空间、光谱以及其他信息是期望的。这通常使用可调谐的彩色滤光片来实现，所述彩色滤光片由被胶合到可调节的聚焦镜片的衍射光学元件组成。衍射元件的作用就像棱镜，并且将多色光分裂成其构成分量，每个构成分量具有不同的焦距。然后，使用可调节的聚焦镜片来改变系统的焦点以便强调一个波长而不是另一个波长。通过在Alvarez镜片设置中将PAINT-C与纳米图案化相组合，可以结合获得第一镜片元件的适当表面轮廓来图案化衍射元件(其通常为具有纳米尺度特征的衍射光栅)。Alvarez双镜片中的第二元件也可以被图案化以用于实现额外的特征(诸如，增加透射、抗反射等)，或保持未被图案化。可以优化表面轮廓以跨越不同波长最小化高阶像差，以便实现系统的最佳性能。
已出于说明的目的呈现了本发明的各种实施例的描述，但这些描述并不意在为详尽的或限于所公开的实施例。在不背离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化将为本领域普通技术人员所显而易见。本文中所使用的术语被选择用于最好地解释实施例的原理、实际应用或对市场上发现的技术的技术改进，或使得本领域其他普通技术人员能够理解本文中所公开的实施例。

Claims (42)

1.一种用于沉积薄膜的方法，所述方法包括：
通过一个或多个喷墨件将前体液体有机材料的液滴分配到名义上的非平面衬底上的多个位置处；
使引入在覆盖物与所述衬底之间的间隙闭合，由此允许所述液滴形成被捕获在所述衬底与所述覆盖物之间的连续膜；
在一定的持续时间之后，使得能够出现所述覆盖物、所述连续膜和所述衬底的非平衡瞬态；
使所述连续膜固化以将其凝固成固体；以及
使所述覆盖物与所述固体分离，由此在所述衬底上留下聚合物膜。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述衬底包括以下各者中的一者：球面表面、非球面表面、复曲面、圆柱形表面、圆锥截面和自由成型表面。
3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
将所述衬底虚拟地划分成二维颗粒，其中，所述二维颗粒中的每一者具有不超过喷墨件的最佳喷射范围的峰-谷差异，其中，所述喷墨件将所述二维颗粒中的每一者视为个别衬底，所述喷墨件将对应于二维颗粒的液滴图案分配到所述个别衬底上。
4.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括：
使用所述衬底与所述喷墨件的协调式相对运动，以便不超过所述喷墨件的所述最佳喷射范围并且将对应于所述二维颗粒中的每一者的所述喷墨液滴图案与邻近二维颗粒的喷墨液滴图案拼凑在一起，以在所述衬底上产生单个期望的喷墨图案。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述名义上的非平面衬底上的所述多个位置是从逆优化框架导出。
6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
使所述衬底与参考表面之间的坐标框架对准，以确保所述前体液体有机材料的所述液滴被分配到正确的位置处。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述衬底或所述覆盖物的背表面由卡盘保持在某个区域上，所述区域小于所述背表面的整个区域。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述衬底或所述覆盖物的背表面由卡盘保持在某个区域上，所述区域实质上为所述背表面的整个区域。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述衬底或所述覆盖物的背表面是弯曲的，其中，使用以下各项中的一者来执行对所述衬底或所述覆盖物的卡盘夹紧：使用具有与所述衬底或所述覆盖物的背侧的轮廓互补的轮廓的卡盘、在共面的区域中卡盘夹紧所述背表面、添加平面背表面、以及卡盘夹紧所述平面背表面。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，使用多区域卡盘在背侧上将所述衬底或所述覆盖物夹在卡盘上，其中，所述卡盘的一个或多个区域参与实现真空，并且所述卡盘中的一个或多个其他区域对所述衬底或所述覆盖物加压。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述覆盖物是具有适当的张力控制的卷到卷膜以用于实现最佳弯曲刚度而未遭遇拉伸屈服或屈曲破坏，其中，所述张力在液滴合并期间被控制为高的并且在所述液滴合并之后被控制为低的。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，使所述卷到卷膜前进以带来干净的覆盖物，从而最小化污染缺陷从一个衬底传播到另一个。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述覆盖物具有与所述衬底的形状互补的形状。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述覆盖物由附接到更厚的背衬或涂布在更厚的背衬上的薄膜组成。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述薄膜附接到所述更厚的背衬，所述背衬并未延伸遍及所述薄膜的整个区域。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，具有所述一个或多个喷墨件的喷墨件由具有多个喷嘴的平台组成，所述喷嘴能够在垂直方向上加以个别地调节。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，把手附接到覆盖物卡盘以帮助使非平面覆盖物与非平面衬底分离。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述覆盖物包括使用光化学消融来移除的牺牲膜。
19.根据权利要求1所述的方法，其中，所分配的液体体积弥补寄生效应，所述寄生效应包括以下各者中的一者：所述液体在其被捕获在所述衬底与所述覆盖物之间前的蒸发轮廓、在凝固期间造成的跨越所述连续膜的收缩效应、以及在后处理期间来自蚀刻机的非均匀蚀刻签名。
20.根据权利要求1所述的方法，其中，预平衡瞬态产生膜厚度轮廓，所述膜厚度轮廓的体积分布是被分配到所述衬底上的流体液滴的体积分布的函数。
21.根据权利要求1所述的方法，其中，所述衬底被离散化为颗粒，其中，分配到每个颗粒中的液滴的位置和体积通过使用逆优化来获得，以最小化实际膜厚度轮廓的函数与期望膜厚度轮廓的函数之间的误差。
22.根据权利要求1所述的方法，其中，分配到所述衬底上的液滴的位置和体积通过使用逆优化来获得，以最小化实际膜厚度轮廓的函数与期望膜厚度轮廓的函数之间的误差。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，利用功能性优化例行程序来扩增所述逆优化，以最小化所述期望功能性能与实际功能性能之间的误差。
24.根据权利要求22所述的方法，其中，所述逆优化包括与液滴体积或液滴位置相关联的离散变量。
25.根据权利要求22所述的方法，其中，在存在非平面表面的情况下，所述逆优化包括重力影响。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，通过使所述覆盖物的厚度低于阈值来最小化所述重力影响。
27.根据权利要求25所述的方法，其中，通过以高到足以克服重力诱导的黏度-毛细管填充的频率来旋转覆盖物-流体-衬底夹层而最小化所述重力影响。
28.根据权利要求22所述的方法，其进一步包括：
将线性化模型用作所述逆优化的一部分。
29.根据权利要求1所述的方法，其中，通过光或热固化来使所述聚合物膜凝固。
30.根据权利要求1所述的方法，其中，所述聚合物膜经受蚀刻以允许将膜厚度轮廓转移到下面的功能性膜或所述衬底。
31.根据权利要求1所述的方法，其中，使用压电式喷口抑或电流体动力喷口分配的液滴的最小体积低于10皮升。
32.根据权利要求1所述的方法，其中，使用压电式喷口抑或电流体动力喷口分配的液滴的最小体积低于1皮升。
33.根据权利要求1所述的方法，其中，应用用于沉积薄膜的所述方法，以用于通过以下步骤来校正光学系统中的误差：校正所述衬底上的低和中空间频率形貌，而不引入其自身的寄生误差。
34.根据权利要求1所述的方法，其中，应用用于沉积薄膜的所述方法以制造增强的Alvarez镜片的两个精密光学部件。
35.根据权利要求1所述的方法，其中，应用用于沉积薄膜的所述方法以生成消费者眼镜的自由成型表面。
36.根据权利要求1所述的方法，其中，应用用于沉积薄膜的所述方法以弥补低阶zernike多项式光学像差。
37.根据权利要求1所述的方法，其中，应用用于沉积薄膜的所述方法以弥补高阶zernike多项式光学像差。
38.一种用于沉积薄膜的方法，所述方法包括：
以规定的方式使用喷射系统将液体可凝固组合物的液滴沉积在衬底上，其中，所述液体可凝固组合物实质上不穿透先前凝固的组合物；以及
以合并所述液滴的方式使所述衬底与覆盖物之间的间隙闭合以形成被捕获在所述衬底与所述覆盖物之间的连续膜，其中，所述覆盖物局部光滑并且拥有最佳的弯曲刚度；
其中，所述弯曲刚度处于通过使其高于被要求产生所述液滴的强健合并的最小值而低于被要求确保所述连续膜并未过快平衡的最大值所限定的最佳范围中，由此提供捕获预平衡瞬态的能力。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述液体可凝固组合物在随后对所述液体可凝固组合物的沉积中实质上是相同的。
40.根据权利要求38所述的方法，其中，所述液体可凝固组合物在随后对所述液体可凝固组合物的沉积中是不同的。
41.一种用于在非平面衬底上图案化的方法，所述方法包括：
将流体组合物的大量离散部分施用到非平面衬底的表面上；
使图案化模板与所述衬底之间的间隙闭合，从而产生实质上无气泡的流体层；
使所述流体层凝固；以及
使所述图案化模板与所述衬底分离，以在所述非平面衬底上留下图案。
42.根据权利要求41所述的方法，其中，应用用于在非平面衬底上图案化的所述方法以用于获得具有纳米光子结构的光学表面，同时也校正低和中空间频率形貌误差。
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