CN111551112A - 微纳结构的测量以及加工方法 - Google Patents

Abstract

一种微纳结构的测量方法和加工方法，测量方法包括：获得微纳结构的实时显微图像，微纳结构包括至少一个微纳单元；识别并拟合显微图像而得到微纳单元的拟合图形；测量拟合图形以获取至少一个微纳单元的尺寸和位置信息。本发明提供的微纳结构的测量方法，通过获得微纳结构的实时显微图像，并通过识别和拟合得到与微纳单元的外形轮廓最为一致的拟合图形，测量拟合图形相当于测量对应的微纳单元，从而获得微纳单元精确的尺寸和位置信息，同时由于能够在加工的过程中执行测量方法，以便于对于微纳结构加工过程进行实时监测，有利于微纳结构的高精度加工。

Description

微纳结构的测量以及加工方法

技术领域

本领域属于精密加工领域，尤其涉及一种微纳结构的高精度加工方法。

背景技术

近年来，微纳加工作为新兴的精密加工技术，得到了领域人员的高度重视，其对于医疗、半导体等要求精度较高的行业具有革命性的意义。

现有的微纳加工方案，一般在加工设备的计算机上，使用设备商提供的简易绘图软件针对预加工的微纳结构设计对应的图案，后执行加工程序直至加工全部结束。此过程中，由于离子源等能源的不稳定性，即使采用同样的参数进行微纳加工，加工得到的微纳结构的尺寸和位置均会发生一定的变动，并且由于微纳结构较为复杂且为其尺寸为纳米级，难以测量其精确的尺寸。

因此在加工过程中对微纳结构的尺寸和位置进行实时性的精确测量成为了微纳加工的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种微纳结构的测量以及加工方法，能够实时精确地测量微纳结构的尺寸和位置，以在微纳加工中实时监测，有利于微纳结构的高精度加工。

为实现本发明的目的，本发明提供了如下的技术方案：

第一方面，本发明提供了一种微纳结构的测量方法，测量方法包括：

获得微纳结构的实时显微图像，所述微纳结构包括至少一个微纳单元；

识别并拟合所述显微图像而得到所述微纳单元的拟合图形；

测量所述拟合图形以获取所述至少一个微纳单元的尺寸和位置信息。

一种实施方式中，识别并拟合所述显微图像而得到所述微纳单元的拟合图形，包括：

通过霍夫变换识别并拟合所述微纳结构的显微图像，以得到所述微纳结构的拟合图形。

一种实施方式中，获得微纳结构的实时显微图像，包括：

通过电子显微镜对所述微纳结构进行拍摄而得到所述显微图像。

一种实施方式中，获得微纳结构的实时显微图像，包括：

通过离子显微镜发射离子束加工得到所述微纳结构，且所述离子显微镜通过所述离子束对所述微纳结构进行拍摄而得到所述显微图像时，所述离子显微镜暂停加工所述微纳结构。

一种实施方式中，所述微纳单元的尺寸为0.1nm－100μm。

第二方面，本发明还提供了一种微纳结构的加工方法，加工方法包括：

根据设计图案在工件上使用第一加工参数加工形成微纳结构；

通过如权利要求1至5任一项所述的微纳检测方法获取所述微纳结构的尺寸和位置信息；

对照所述设计图案与所述微纳结构的微纳单元的尺寸和位置信息，以获得加工误差；

根据所述加工误差，在整个加工尚未完成的情况下对下一个微纳单元的加工进行相应补偿修正。

一种实施方式中，根据所述加工误差，在整个加工尚未完成的情况下对下一个微纳单元的加工进行相应补偿修正，包括：

当所述加工误差大于第一预设值时，对所述第一加工参数进行补偿以获得第二加工参数，使用所述第二加工参数在所述工件上形成下一个所述微纳结构单元。

一种实施方式中，根据所述加工误差，在整个加工尚未完成的情况下对下一个微纳单元的加工进行相应补偿修正，包括：

当所述加工误差小于或等于第一预设值时，继续使用所述第一加工参数在所述工件上形成下一个所述微纳结构单元。

一种实施方式中，所述加工方法还包括：

当所述加工误差大于第二预设值时，停止加工。

一种实施方式中，加工方法还包括：

发送坐标信息至程序脚本，所述程序脚本根据所述坐标信息生成所述设计图案。

本发明提供的微纳结构的测量方法的有益效果：

获得微纳结构的实时显微图像，并通过识别和拟合得到与微纳单元的外形轮廓最为一致的拟合图形，测量拟合图形相当于测量对应的微纳单元，从而获得微纳单元精确的尺寸和位置信息，同时由于能够在加工的过程中执行测量方法，以便于对于微纳结构加工过程进行实时监测，有利于微纳结构的高精度加工。

本发明提供的微纳结构的加工方法的有益效果：

通过在加工方法中加入本发明提供的微纳结构的测量方法，对微纳单元的尺寸和位置信息进行实时监测，获得其加工误差，并根据加工误差对后续加工的微纳单元进行自动补偿，保证后续加工的微纳单元具有较高的精度，避免加工误差累加，减少了操作员的操作时间并提高了操作效率，同时还减少了工艺对操作员水平的依赖性，无需“试加工”，有利于实现微纳结构的高精度以及全自动化的加工要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种实施方式中的微纳结构的测量方法的流程示意图；

图2a是一种实施方式中的显微图像的结构示意图；

图2b是另一种实施方式中的显微图像的结构示意图；

图3是一种实施方式中微纳结构的加工方法的流程示意图；

图4是另一种实施方式中微纳结构的加工方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种微纳结构的测量方法，该测量方法可应用于高精度的医疗器械，如近年来流行的飞秒激光手术仪，也可应用于微纳三维打印技术，还有精密半导体制造行业、刻蚀行业等。

请参阅图1，测量方法包括：

S101：获得微纳结构的实时显微图像，微纳结构包括至少一个微纳单元；

S102：识别并拟合显微图像而得到微纳单元的拟合图形；

S103：测量拟合图形以获取至少一个微纳单元的尺寸和位置信息。

本发明提供的微纳结构的测量方法，通过获得微纳结构的实时显微图像，并通过识别和拟合得到与微纳单元的外形轮廓最为一致的拟合图形，测量拟合图形相当于测量对应的微纳单元，从而获得微纳单元精确的尺寸和位置信息，同时由于能够在加工的过程中执行测量方法，以便于对于微纳结构加工过程进行实时监测，有利于微纳结构的高精度加工。

具体的，由于微纳单元的外形轮廓具有一定的不规则性，常规的测量手段难以测量其尺寸，通过S102获得微纳单元的外形轮廓最一致的呈规则形状的拟合图形，将拟合图形代替微纳单元的外形轮廓。举例而言，若拟合图形为椭圆形，则可通过测量椭圆的长轴和短轴的数值，以及焦点的坐标，得出微纳单元的尺寸以及位置信息；若拟合图形为方形，则可通过测量方形的边长以及中心的坐标，得出微纳单元的尺寸以及位置信息。

一种实施方式中，请参阅图2a，10为微纳单元的显微图像部分，20为微纳单元的拟合图形。可见多个微纳单元间隔设置，因此在加工一个微纳单元后需要先关闭能量源，将能量源对准下一个微纳单元的位置上，再开启能量源以加工下一个微纳单元。

一种实施方式中，请参阅图2b，100为微纳结构的显微图像部分，20为微纳结构的拟合图形。微纳单元可视为微纳结构的每一段轮廓，多个微纳单元依次首尾连接以形成微纳结构。多个微纳单元可在不重置能量源的情况下进行连续加工。

一种实施方式中，请参阅图1，S102：识别并拟合显微图像而得到微纳单元的拟合图形，包括：

通过霍夫变换识别并拟合微纳结构的显微图像，以得到微纳结构的拟合图形。

具体的，霍夫变换的基本原理是在参数空间中通过计算累计结果的局部最大值，得到一个符合该特定形状的集合作为霍夫变换结果，因此通过霍夫变换可得到微纳结构较为接近的拟合图形。在通过霍夫变换识别并拟合微纳单元的拟合图形后，可通过用Python语言、C语言等计算机语言编写测量程序，测得拟合图形的尺寸和位置。该测量程序可移植于多种软件和硬件平台，如拍摄微纳结构获得显微图像的设备，或者是发射能量束的源设备等，当然也可以为单独设置的计算机。另外，优选霍夫变换与该测量程序位于同一载体，以提高处理效率。

通过采用霍夫变换得到微纳结构的最一致的拟合图形，以便于后续的测量工作能够得到最接近微纳结构真实尺寸和位置的信息，有利于提高微纳加工的精度。

一种实施方式中，请参阅图1，S101：获得微纳结构的显微图像，包括：

通过电子显微镜对微纳结构进行拍摄而得到显微图像。

具体的，采用电子显微镜对微纳结构进行拍摄时，可采用离子源、其他电子源设备或激光源设备等加工设备在工件上制作微纳结构，且由于拍摄与加工互不干涉，因此可同时进行。可以理解的是，加工设备在加工完一个微纳单元后，需要先关闭能量源，然后将能量源对准下一个工件上需要制作微纳单元的下一个位置上，再发射能量以制作下一个微纳单元。而当微纳单元制作完的瞬间，电子显微镜即可对刚制作完成的微纳单元进行拍摄，获取其显微图像，而后通过显微图像获得该微纳单元的尺寸和位置信息，此过程所耗费的时间小于加工设备加工两个微纳单元之间的间歇时间，因此该测量方法可保证微纳加工的效率，同时也提高了微纳加工的精度。

另外，加工设备也可以加工完多个微纳单元后，电子显微镜再对该多个微纳单元拍摄，获得该多个微纳单元的显微图像，再测量该多个微纳单元的显微图像的位置和尺寸。

一种实施方式中，请参阅图1，S101：获得微纳结构的显微图像，包括：

通过离子显微镜发射离子束加工得到微纳结构，且离子显微镜通过离子束对微纳结构进行拍摄而得到显微图像时，离子显微镜暂停加工微纳结构。

具体的，该实施方式中加工微纳结构以及拍摄微纳结构的工作均由离子显微镜来完成，因此在微纳单元的加工和拍摄不能同时进行，当然，若离子显微镜具有多个离子源也可参照上一实施方式实现微纳单元的加工和拍摄同时进行。一般情况下，离子显微镜具有一个离子源，不可同时拍摄和加工，但由于离子显微镜制作完微纳单元后具有间歇时间，在该间歇时间内足以完成对微纳单元的拍摄并得出微纳单元的尺寸，以便于下个微纳单元的加工。同样的，离子显微镜也可以在加工多个微纳单元后再进行拍摄。由于加工和拍摄均由离子显微镜完成，因此无需额外设置具有拍摄功能的设备，降低了微纳加工的成本。

一种实施方式中，请参阅图2a和图2b，微纳单元的尺寸为0.1nm－100μm。具体的，微纳单元的尺寸可以为轮廓的周长、面积、凹陷或凸起的高度等。当微纳单元的轮廓呈圆形时，其尺寸也可指其半径。

请参阅图3，本发明实施例还提供了一种微纳结构的加工方法，加工方法包括：

S1：根据设计图案在工件上使用第一加工参数加工形成微纳结构；

S2：通过本发明实施例提供的微纳检测方法获取微纳结构的尺寸和位置信息；

S3：对照设计图案与微纳结构的微纳单元的尺寸和位置信息，以获得加工误差；

S4：根据加工误差，在整个加工尚未完成的情况下对下一个微纳单元的加工进行相应补偿修正。

可以理解的是，现有的微纳加工方案中，绘制好图案后就开始加工，直至微纳结构制作完成，在整个微纳结构加工的过程中，无法得知加工结果是否符合设计要求，需加工完成后才能进行评估，若加工过程中出现较大的尺寸或者位置偏差，则无法修正，加工误差累加，很有可能导致微纳结构不满足设计要求，整个工件随之报废。而且，由于离子源等能源的不稳定性，即使采用同样的参数进行微纳加工，加工得到的微纳结构的尺寸和位置均会发生一定的变动，因此为了达到加工结果的一致性，离子源等能源每次重启后，操作员均需要通过“试加工”重新优化参数方可开始开工。

本发明提供的微纳结构的加工方法，通过在加工方法中加入本发明提供的微纳结构的测量方法，对微纳单元的尺寸和位置信息进行实时监测，获得其加工误差，并根据加工误差对后续加工的微纳单元进行自动补偿，保证后续加工的微纳单元具有较高的精度，避免加工误差累加，减少了操作员的操作时间并提高了操作效率，同时还减少了工艺对操作员水平的依赖性，无需“试加工”，有利于实现微纳结构的高精度以及全自动化的加工要求。

具体的，该加工方法可应用于刻蚀的减材制造和沉积的增材制造，除此之外，还可应用于精密半导体制造以及各类使用能量束额微纳米级超精密加工。第一加工参数包括能量束的聚焦位置、照射时长、扫描路径、运动平台移动、机械手移动等。

一种实施方式中，请参阅图3，S4：根据加工误差，在整个加工尚未完成的情况下对下一个微纳单元的加工进行相应补偿修正，包括：

S41：当加工误差大于第一预设值时，对第一加工参数进行补偿以获得第二加工参数，使用第二加工参数在工件上形成下一个微纳结构单元。

具体的，第一预设值为设计公差，即微纳单元与设计图案之间所允许存在的偏差范围。当加工误差超出偏差范围时，微纳单元的作用效果会有一定程度的弱化，若加工误差累加，微纳结构的作用效果将大打折扣，甚至无法完成各类工业任务而报废。

举例而言，若微纳单元A的位置偏差大于第一预设值，则可对第一加工参数进行补偿，调整能量束的聚焦位置以及照射时长、扫描路径和运动平台移动等，以保证下一个微纳单元B的位置偏差小于第一预设值。否则，随着位置偏差的累计，整体的微纳结构就与设计图案存在较大差异。

同样的，请参阅图4，当采用第二加工参数加工得到的微纳单元的加工误差也超出了第一预设值时，可对第二加工参数进行补偿以获得第三加工参数，使用第三加工参数在工件上加工下一个微纳单元。

一种实施方式中，请参阅图3，S4：根据加工误差，在整个加工尚未完成的情况下对下一个微纳单元的加工进行相应补偿修正，包括：

当加工误差小于或等于第一预设值时，继续使用第一加工参数在工件上形成下一个微纳结构单元。

可以理解的是，加工误差小于或者等于第一预设值时，即加工误差在设计公差的范围内，则满足设计要求，可不必调整第一加工参数。由于误差的不确定性，下一个的微纳单元的加工误差可能大于上一个的微纳单元的加工误差，也可能小于或者等于上一个的微纳单元的加工误差，而小于或者等于上一个的微纳单元的加工误差则满足于设计要求。但当大于上一个微纳单元的加工误差时，有可能还停留在设计公差的范围内而无需调整第一加工参数，也有可能超出了设计公差的范围内而需要对第一加工参数进行补偿。

具体的，可通过Python语言、C语言、JAVA语言等计算机语言编写补偿第一加工参数的程序，以实现自动补偿的设计要求，有利于微纳加工的自动化。

通过设置第一预设值，当加工误差大于第一预设值时，对第一加工参数进行补偿以获得第二加工参数，使用第二加工参数在工件上形成下一个微纳结构单元；当加工误差小于或等于第一预设值时，继续使用第一加工参数在工件上形成下一个微纳结构单元，使得微纳单元的加工误差基本在设计公差的范围内，使得微纳结构的精度较高，同时，自动补偿机制以便于减少操作员的操作时间，降低了操作员失误的风险。

一种实施方式中，请参阅图3，加工方法还包括：

当加工误差大于第二预设值时，停止加工。

具体的，第二预设值为所能允许的与设计图案的最大偏差量，即大于设计公差的极限值。当加工误差超出该极限值时，微纳结构已完全偏离设计图案，难以挽救，工件基本报废，此时继续在此工件上加工只会浪费工时和能源。因此设置第二预设值，可放弃加工途中的残废微纳结构，以尽可能地降低损失，有利于提高微纳加工的效率，降低生产成本。

一种实施方式中，加工方法还包括：

S0：发送坐标信息至程序脚本，程序脚本根据坐标信息生成设计图案。

可以理解的是，目前微纳加工设备商提供的简易绘图软件功能较为单一，操作员需要用矩形及圆形等基础图形一个一个去绘制，容易出错且效率低。特别是加工复杂的微纳结构时，绘制其对应的设计图案的效率更为低下。

通过设置程序脚本，向其输入坐标信息，即可生成微纳结构的对应的设计图案，具有效率高、不易出错的优点。尤其对于阵列的设计图案或是一些复杂的设计图案，可大量节省操作员的时间，并大幅降低出错率。

另外，也可通过该程序脚本完成加工方法中的S4“根据加工误差，在整个加工尚未完成的情况下对下一个微纳单元的加工进行相应补偿修正”。

一种实施方式中，请参阅图3，S1：根据设计图案在工件上使用第一加工参数加工形成微纳结构，包括：

注射能量束在工件上形成微纳结构，能量束可以为离子束、电子束和激光等聚焦型能量束。

一种实施方式中，请参阅图3，加工方法还包括S5：加工完所有微纳单元时，停止加工，除了加工误差大于第二预设值时，为了减少损失而停止加工的情况，当加工完所有微纳单元时，也会执行S5：停止加工，这将有利于微纳加工的自动化。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种微纳结构的测量方法，其特征在于，包括：

获得微纳结构的实时显微图像，所述微纳结构包括至少一个微纳单元；

识别并拟合所述显微图像而得到实时微纳单元的拟合图形；

测量所述拟合图形以获取所述至少一个微纳单元的尺寸和位置信息。

2.如权利要求1所述的微纳结构的测量方法，其特征在于，识别并拟合所述显微图像而得到所述微纳单元的拟合图形，包括：

通过霍夫变换识别并拟合所述微纳结构的显微图像，以得到所述微纳结构的拟合图形。

3.如权利要求1所述的微纳结构的测量方法，其特征在于，获得微纳结构的实时显微图像，包括：

通过电子显微镜对所述微纳结构进行拍摄而得到所述显微图像。

4.如权利要求1所述的微纳结构的测量方法，其特征在于，获得微纳结构的实时显微图像，包括：

通过离子显微镜发射离子束加工得到所述微纳结构，且所述离子显微镜通过所述离子束对所述微纳结构进行拍摄而得到所述显微图像时，所述离子显微镜暂停加工所述微纳结构。

5.如权利要求1至4任一项所述的微纳结构的测量方法，其特征在于，所述微纳单元的尺寸为0.1nm－100μm。

6.一种微纳结构的加工方法，其特征在于，包括：

根据设计图案在工件上使用第一加工参数加工形成微纳结构；

通过如权利要求1至5任一项所述的微纳结构的测量方法获取所述微纳结构的尺寸和位置信息；

对照所述设计图案与所述微纳结构的微纳单元的尺寸和位置信息，以获得加工误差；

根据所述加工误差，在整个加工尚未完成的情况下对下一个微纳单元的加工进行相应补偿修正。

7.如权利要求6所述的微纳结构的加工方法，其特征在于，根据所述加工误差，在整个加工尚未完成的情况下对下一个微纳单元的加工进行相应补偿修正，包括：

当所述加工误差大于第一预设值时，对所述第一加工参数进行补偿以获得第二加工参数，使用所述第二加工参数在所述工件上形成下一个所述微纳结构单元。

8.如权利要求6所述的微纳结构的加工方法，其特征在于，根据所述加工误差，在整个加工尚未完成的情况下对下一个微纳单元的加工进行相应补偿修正，包括：

当所述加工误差小于或等于第一预设值时，继续使用所述第一加工参数在所述工件上形成下一个所述微纳结构单元。

9.如权利要求6所述的微纳结构的加工方法，其特征在于，所述加工方法还包括：

当所述加工误差大于第二预设值时，停止加工。

10.如权利要求6所述的微纳结构的加工方法，其特征在于，加工方法还包括：

发送坐标信息至程序脚本，所述程序脚本根据所述坐标信息生成所述设计图案。

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