專利名稱：測(cè)量微結(jié)構(gòu)深度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在通過沖壓處理將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到易變形層上時(shí)測(cè)量微結(jié)構(gòu)深度的方法。
近來，具有光衍射效應(yīng)的結(jié)構(gòu)日益增長(zhǎng)地用于特別是那些有價(jià)證件(如銀行支票、信用卡、鑒定卡等)或貴重產(chǎn)品的防偽元上，這種結(jié)構(gòu)用一個(gè)所謂“母版”沖壓模印到適當(dāng)?shù)囊鬃冃螌由?。這個(gè)程序用來生產(chǎn)比方說沖壓箔，而防偽元通過熱沖壓操作從沖壓箔轉(zhuǎn)印到基片上。在形成這種具有光衍射效應(yīng)的結(jié)構(gòu)時(shí)，部分以小于1μm數(shù)量級(jí)的相當(dāng)小的沖壓深度進(jìn)行操作。沖壓不能太淺，否則所需的效應(yīng)不夠明顯，然而又不能過深，過深也會(huì)對(duì)可獲得的效應(yīng)有不利影響。因此，迫切需要有一種方法，能以簡(jiǎn)單而又特別是不破壞或改變具有光衍射效應(yīng)的結(jié)構(gòu)的措施，在每個(gè)生產(chǎn)步驟迅速地測(cè)量所達(dá)到的結(jié)構(gòu)深度。
當(dāng)然可以采用當(dāng)前已知的一些方法，例如以測(cè)量衍射效應(yīng)的程度這種形式，檢測(cè)結(jié)構(gòu)深度。然而所有這些己知方法在測(cè)量程序上很不經(jīng)濟(jì)，執(zhí)行起來也非常復(fù)雜。
因此，本發(fā)明的目的是提出這樣一種測(cè)量微結(jié)構(gòu)深度的方法，這種方法特別簡(jiǎn)單，可以普遍應(yīng)用，而且能以比較低的成本實(shí)施。
為了達(dá)到這個(gè)目的，在本說明書實(shí)施例部分所提出的這種類型的方法中，本發(fā)明提出這樣進(jìn)行處理在需封印的微結(jié)構(gòu)中至少以成區(qū)域方式提供一種幾何形狀簡(jiǎn)單的基準(zhǔn)條形結(jié)構(gòu)，其中條形結(jié)構(gòu)的紋條的截面具體可以是正方形、矩形或三角形；用一個(gè)包括一個(gè)給定波長(zhǎng)范圍的光束照射基準(zhǔn)條形結(jié)構(gòu)；以透射或反射測(cè)量模式測(cè)量由所達(dá)到的沖壓深度決定的在零階衍射光譜內(nèi)出現(xiàn)光強(qiáng)最大值和光強(qiáng)最小值的位置，然后根據(jù)有關(guān)相應(yīng)結(jié)構(gòu)與照射波長(zhǎng)范圍的對(duì)照值從測(cè)得的位置確定所達(dá)到的沖壓深度；或者，
根據(jù)對(duì)照值從對(duì)零階衍射光顏色的綜合估計(jì)中推出所達(dá)到的沖壓深度。
本發(fā)明這種方法的基本原理是，為了測(cè)量微結(jié)構(gòu)的沖壓深度，在微結(jié)構(gòu)的至少某個(gè)區(qū)域形成一種基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，這種基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)是一種幾何形狀簡(jiǎn)單的條形結(jié)構(gòu)，最好是具有正方形、矩形或三角形截面的。然后，測(cè)量在基準(zhǔn)條形結(jié)構(gòu)區(qū)的透射或反射光的光譜分布。在這種情況下，出現(xiàn)光強(qiáng)最大值或最小值的位置可以用作對(duì)沖壓深度的直接度量，因?yàn)檫@些最大值和最小值出現(xiàn)在光譜的哪些波長(zhǎng)上取決于沖壓深度。在這一方面，情況通常是隨著結(jié)構(gòu)深度的減小，最小波長(zhǎng)將越來越短。如果正確地選擇了基準(zhǔn)條紋的截面，那么最小值頻率的絕對(duì)值主要取決于需形成結(jié)構(gòu)的基片的折射指數(shù)。
具體地說，本發(fā)明這種方法是以下面對(duì)透射模式和反射模式測(cè)量進(jìn)行研究的考慮為基礎(chǔ)的。
在透射模式測(cè)量的情況下，假設(shè)所測(cè)得的具有矩形截面的簡(jiǎn)單直線條紋的透射度可以以足夠高的精度表示為T(λ)=cos2[π2·(a+c1)·n-1λ+c2]-----(I)]]>其中T(λ)為取決于波長(zhǎng)的透射度；a為所得到的條形結(jié)構(gòu)深度(紋條深度)，與沖壓深度相應(yīng)，單位為nm；λ為波長(zhǎng)，單位為nm；n為基片折射指數(shù)；c1、c2為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，單位為nm。
在透射測(cè)量模式中，為了用測(cè)量來計(jì)算結(jié)構(gòu)深度，可利用以下的表示結(jié)構(gòu)深度a與所檢測(cè)到的最小波長(zhǎng)λmin之間直接線性關(guān)系的等式a(λmin)=c3+λmin(n-1)-----(II)]]>其中λmin為所測(cè)得的T(λ)為最小值處的波長(zhǎng)，單位為nm；n為基片的折射指數(shù)；c3為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。
如果選擇了正確的條紋類型，根據(jù)以上等式(I)和(II)就能用通過基片的光的原色快速定性估計(jì)結(jié)構(gòu)深度，也能實(shí)際定量測(cè)量結(jié)構(gòu)深度。這樣就能很方便地利用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量譜色分布的一個(gè)儀器連續(xù)迅速地確定在轉(zhuǎn)印操作中所得到的結(jié)構(gòu)的深度，也可以就根據(jù)通過基片的光的顏色粗略地加以估計(jì)。這使得在形成各相應(yīng)微結(jié)構(gòu)的過程中快速對(duì)加工條件(如沖壓壓力、沖壓時(shí)的溫度、硬化速度、接受沖壓的當(dāng)前各層的厚度等)的改變作出反應(yīng)。
雖然出現(xiàn)的光強(qiáng)最大值或最小值與所得到的結(jié)構(gòu)深度之間的明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系通常在透射測(cè)量模式是能夠成立的，但在進(jìn)行反射測(cè)量時(shí)很難成立，特別是在用白色光的情況下。這是因?yàn)楣獬３：幸恍┎ㄩL(zhǎng)明顯小于所需結(jié)構(gòu)深度的分量，這意味著將出現(xiàn)多重干涉現(xiàn)象。例如，在得出的光譜中可能有兩個(gè)最小值或最大值。雖然還是可以用得出的譜色作為檢測(cè)所得到的結(jié)構(gòu)深度的準(zhǔn)則。
在用反射光進(jìn)行測(cè)量時(shí)，如果采用合適的條紋，可以得到反射光的光強(qiáng)與波長(zhǎng)之間的關(guān)系如下
其中λ為波長(zhǎng)，單位為nm；a為結(jié)構(gòu)深度，單位為nm；以及c為需確定的常數(shù)，單位為nm(在本申請(qǐng)者所研究的這種條紋的情況下，c相應(yīng)為-50nm)。
考慮到反射測(cè)量的復(fù)雜情況，希望能根據(jù)一些標(biāo)準(zhǔn)的紋深，提供對(duì)于這些紋深的標(biāo)準(zhǔn)化色譜，從而可以對(duì)所達(dá)到的沖壓深度進(jìn)行定量的色估計(jì)。
就以上理論性的考慮而言，還應(yīng)指出所有這些都是基于在零階進(jìn)行測(cè)量而得到的。
已經(jīng)提到過基準(zhǔn)條形結(jié)構(gòu)希望是具有正方形、矩形或三角形截面的，因?yàn)檫@樣情況才最簡(jiǎn)單，而應(yīng)用式(I)至(III)基本上也不需要進(jìn)行什么校正。這意味著測(cè)量費(fèi)用極小，此外，在使用可見光范圍內(nèi)的測(cè)量光束時(shí)，可以不用測(cè)量?jī)x器就通過目測(cè)進(jìn)行定性估計(jì)。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，對(duì)于本發(fā)明這種方法最好使用具有下列參數(shù)的基準(zhǔn)條形結(jié)構(gòu)條紋常數(shù)g 0.5μm≤g≤4μm紋條寬度/條紋常數(shù)b/g0.1≤b/g≤0.8結(jié)構(gòu)深度a 0.3μm≤a≤4μm業(yè)已推出可用許多方法對(duì)測(cè)量光束進(jìn)行估計(jì)。最好用光譜儀來進(jìn)行測(cè)量光束的色估計(jì)，因?yàn)檫@樣可以給出可靠、精確的結(jié)果。
如果是透射測(cè)量，按照本發(fā)明在測(cè)定通過基準(zhǔn)條形結(jié)構(gòu)的測(cè)量光束的顏色時(shí)使用白色光。
相反，如果需測(cè)量反射結(jié)構(gòu)，那么用波長(zhǎng)限于某個(gè)范圍的光作為測(cè)量光束更為有利。在這種情況下，可以免除大量如果用白色光會(huì)在不同頻率上出現(xiàn)的光強(qiáng)最大點(diǎn)和最小點(diǎn)，于是對(duì)實(shí)際測(cè)量結(jié)構(gòu)深度來說，在光強(qiáng)最小點(diǎn)與結(jié)構(gòu)深度之間就有了一個(gè)清晰的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
ED3518774C2揭示了一種通過生成一個(gè)形成光效階高的最佳層使相位光柵的衍射特性最佳的方法，這種方法涉及在生成相位光柵期間使基本單色的測(cè)量光在周期性的相位光柵處衍射。測(cè)出至少兩個(gè)衍射階的光束照射強(qiáng)度，從光強(qiáng)與衍射階的關(guān)系導(dǎo)出處理參數(shù)。這些參數(shù)表明為了使衍射特性最佳應(yīng)增大還是減小相位光柵的光效階高。
相反，本發(fā)明所提出的是在沖壓操作期間測(cè)量微結(jié)構(gòu)沖壓深度的方法。在本方法中，為了測(cè)定沖出的微結(jié)構(gòu)，至少在微結(jié)構(gòu)的某個(gè)區(qū)域形成一種基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，用給定波長(zhǎng)范圍的光速照射這基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)后，在零階衍射光譜中出現(xiàn)的光強(qiáng)最大點(diǎn)或最小點(diǎn)就用作對(duì)于所達(dá)到的沖壓深度的直接度量，或通過目測(cè)光色進(jìn)行近似估計(jì)。
本發(fā)明的其他特性、優(yōu)點(diǎn)及詳細(xì)情況可從以下結(jié)合附圖所作的說明中看出，附圖中

圖1a-1c示出了三種可供本發(fā)明使用的條紋截面的實(shí)例；圖2示出了透射測(cè)量的測(cè)量原理；圖3示出了反射測(cè)量的測(cè)量原理；圖4示出了在如圖2所示的測(cè)量情況下對(duì)于給定的某個(gè)結(jié)構(gòu)深度光譜儀的接收曲線；以及圖5a-5d分別示出了在反射測(cè)量情況下對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)深度光譜儀的接收曲線。
圖1a-1c示出了幾種盡可能簡(jiǎn)單的條形結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可用作本發(fā)明所提出的方法的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。其中，圖1a所示結(jié)構(gòu)稱為矩形結(jié)構(gòu)，圖1b所示結(jié)構(gòu)稱為方形結(jié)構(gòu)，而1c所示結(jié)構(gòu)稱為三角形結(jié)構(gòu)。圖1a-1c所示結(jié)構(gòu)與其余微結(jié)構(gòu)同時(shí)形成在一塊基片上。基片1經(jīng)適當(dāng)沖壓，表面便形成了紋條2和紋條2之間的紋隙3。
圖1a-1c所示的這些結(jié)構(gòu)之間的差別不僅在于幾何形狀不同，而且在于用場(chǎng)不同。具體地說，圖1a和1c所示結(jié)構(gòu)用于透射測(cè)量，而圖1b所示結(jié)構(gòu)用于反射測(cè)量。
為此，圖1a和1c所示結(jié)構(gòu)必需完全是由適當(dāng)透明的材料組成。相反，在如圖1b所示的用于反射測(cè)量的結(jié)構(gòu)情況下，必需保證至少與條紋主平面平行的那些表面4(圖中示為粗線)具有反射性，例如涂了反射金屬層。
可以理解，圖1a和1c的結(jié)構(gòu)如果采取適當(dāng)?shù)男纬煞瓷涞拇胧┮部捎糜诜瓷錅y(cè)量，而圖1b結(jié)構(gòu)如果采取適當(dāng)透射措施也可用于透射測(cè)量。
圖1a和1b所示的兩種結(jié)構(gòu)就紋條2的截面都是矩形而言基本上是相同的。差別在于在圖1a的結(jié)構(gòu)中，紋條2的寬度b明顯小于紋條2之間的紋隙3的寬度g-b；而在圖1b的結(jié)構(gòu)中，紋條2和紋隙3的寬度是基本相等的。
這些結(jié)構(gòu)可用于本發(fā)明，結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足下列條件條紋常數(shù)g 0.5μm≤g≤4μm紋條寬度/條紋常數(shù)b/g0.1≤b/g≤0.8紋深a 0.3μm≤a≤4μm圖2圖示了測(cè)量透明基片5上的結(jié)構(gòu)深度的方法。為此，基片5上至少有一個(gè)區(qū)域帶有合適的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)；在圖示的實(shí)施例中，是正方形結(jié)構(gòu)，也就是說截面相當(dāng)于圖1b所示的，但不具有反射性。
使光源6以適當(dāng)方式將白色光投射到基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)上，然后用接收機(jī)8(光譜儀)測(cè)量通過基片5的光7的色譜分布測(cè)出基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)深度。
落到接收機(jī)8上的光的光強(qiáng)分布T(λ)取決于波長(zhǎng)λ，趨勢(shì)如圖4所示。在進(jìn)行透射測(cè)量的情況下，照射光強(qiáng)T(λ)出現(xiàn)最小值時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λmin取決于基片5上基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的深度。因此，這就意味著測(cè)量光強(qiáng)的最小值或?qū)?yīng)的波長(zhǎng)λmin也就直接測(cè)量了基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)所達(dá)到的深度。于是，只要確定光強(qiáng)最小值的波長(zhǎng)就能方便、迅速地確定相應(yīng)所達(dá)到的結(jié)構(gòu)深度a。
這將參照下面的實(shí)例加以說明。
在正透射和0°的接收角情況下進(jìn)行了透射測(cè)量，所用的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的矩形結(jié)構(gòu)，條紋常數(shù)g為2μm，而紋條寬度與條紋常數(shù)之比b/g為1∶2?；恼酃庵笖?shù)n為1.466。
根據(jù)上述折光指數(shù)在C3為-285nm的條件下按式II所得以下確定結(jié)構(gòu)深度a的關(guān)系式a＝(2.1428·λmin－285)nm與所達(dá)到的結(jié)構(gòu)深度相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)和光色如下列所示結(jié)構(gòu)深度最小光強(qiáng)波長(zhǎng)光色a[nm] λmin[nm]1000 600 藍(lán)800510粉紅600414橘黃400320淺黃以上列出的詳細(xì)情況清楚地表明可以通過精確的光譜測(cè)量來確定所達(dá)到的結(jié)構(gòu)深度，也可以通過改變測(cè)量光束的顏色就用目測(cè)估計(jì)哪種顏色的光強(qiáng)低來確定。
確定反射基片結(jié)構(gòu)深度的測(cè)量裝置示于圖3?；?′也壓有深度為a的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。需要注意的是，至少基片5′的朝向光源6′和安排在與光源6′同一側(cè)的接收機(jī)8′的那個(gè)表面是反射表面，例如是涂有金屬涂層9的表面。
在原則上，光源6′和接收機(jī)8′可以與透射模式測(cè)量裝置的相應(yīng)光源6和接收機(jī)8相同。然而，在反射測(cè)量的情況下可能更希望光源6′發(fā)射波長(zhǎng)限于某個(gè)范圍的光或者接收機(jī)8′接收波長(zhǎng)限于某個(gè)給定范圍的光，因?yàn)檫@樣在某些環(huán)境下可以得到光源6′的反射光投射到接收機(jī)8′上的光強(qiáng)的最小點(diǎn)的最大點(diǎn)與給定的結(jié)構(gòu)深度的直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。
圖5a-5d示出了基片5′的反射表面9反射的光相對(duì)于波長(zhǎng)的光強(qiáng)分布IR，所示的是使用白色光在空氣-金屬界面反射情況下的光強(qiáng)分布。在這種情況下，光強(qiáng)分布基本符合前面所述的式(III)，其中常數(shù)c假設(shè)為-50nm。
比較分別示出對(duì)于不同結(jié)構(gòu)深度a(見附標(biāo))的光強(qiáng)分布的圖5a-5d?？梢姡鈴?qiáng)分布的最小值和最大值隨著結(jié)構(gòu)深度a的減小而朝波長(zhǎng)更短的方向移動(dòng)。在這種情況下，巧妙地選擇接收機(jī)8′所處理的波長(zhǎng)，使得在某些環(huán)境下可以對(duì)于每種情況能處理只是一個(gè)給定的光強(qiáng)最大值，從而能得到比較清楚的相應(yīng)光強(qiáng)最大值或最小值的波長(zhǎng)與結(jié)構(gòu)深度a的對(duì)應(yīng)關(guān)系。而且，對(duì)于某些應(yīng)用來說，可能希望不用白色光而用波長(zhǎng)盡可能長(zhǎng)的光，例如用紅外照明燈進(jìn)行工作，因?yàn)檫@樣可以大大減少光強(qiáng)最大值和最小值的個(gè)數(shù)。這特別是用于反射基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)深度較大的場(chǎng)合。而在處理較小的深度時(shí)，當(dāng)然可以用可見光波長(zhǎng)范圍的光進(jìn)行工作。
可以理解，在使用紅外光時(shí)，不能不用適當(dāng)儀表而光憑目測(cè)來估計(jì)結(jié)構(gòu)深度。在使用白色光、可見光時(shí)，即使是反射測(cè)量也可以根據(jù)產(chǎn)生的光色定性地粗略進(jìn)行估計(jì)。然而在這種情況下，出現(xiàn)的是混合色。
權(quán)利要求
1.一種在用沖壓處理將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到易變形層上時(shí)測(cè)量微結(jié)構(gòu)深度的方法，其特征是在需轉(zhuǎn)印的微結(jié)構(gòu)中至少以成區(qū)域的方式提供一種幾何形狀簡(jiǎn)單的基準(zhǔn)條形結(jié)構(gòu)；用一個(gè)包括一個(gè)給定波長(zhǎng)范圍的光束照射基準(zhǔn)條形結(jié)構(gòu)；以透射或反射模式測(cè)量由所達(dá)到的沖壓深度決定的在零階衍射光譜內(nèi)出現(xiàn)光強(qiáng)最大值和光強(qiáng)最小值的位置，然后根據(jù)有關(guān)相應(yīng)基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)與照射波長(zhǎng)范圍的對(duì)照值從測(cè)得的位置確定所達(dá)到的沖壓深度；或者根據(jù)對(duì)照值從對(duì)零階衍射光顏色的綜合估計(jì)中推出所達(dá)到的沖壓深度。
2.一種如在權(quán)利要求1中所提出的方法，其特征是基準(zhǔn)條形結(jié)構(gòu)的截面為正方形、矩形或三角形。
3.一種如在權(quán)利要求1或2中所提出的方法，其特征是基準(zhǔn)條形結(jié)構(gòu)具有下列參數(shù)條紋常數(shù)g 0.5μm≤g≤4μm紋條寬度/條紋常數(shù)b/g 0.1≤b/g≤0.8紋深a 0.3μm≤a≤4μm
4.一種如在以上權(quán)利要求的一個(gè)權(quán)利要求中所提出的方法，其特征是用一個(gè)光譜儀來進(jìn)行測(cè)量光束的顏色估計(jì)。
5.一種如在以上權(quán)利要求的一個(gè)權(quán)利要求中所提出的方法，其特征是測(cè)量光束是用可見光形成的。
6.一種如在權(quán)利要求5中所提出的方法，其特征是在估計(jì)通過基準(zhǔn)條形結(jié)構(gòu)的測(cè)量光束的顏色時(shí)使用白色光。
7.一種如在權(quán)利要求1-4的一個(gè)權(quán)利要求中所提出的方法，其特征是使用波長(zhǎng)范圍受限的光作為測(cè)量光束。
全文摘要
在本發(fā)明所提出的在用沖壓處理將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到易變形層上時(shí)測(cè)量微結(jié)構(gòu)深度的方法中，在需轉(zhuǎn)印的微結(jié)構(gòu)中提供一種幾何形狀簡(jiǎn)單的基準(zhǔn)條形結(jié)構(gòu)。這種基準(zhǔn)條形結(jié)構(gòu)引起測(cè)量光束的干涉。因此所得到的光色分布就提供了對(duì)所達(dá)到的結(jié)構(gòu)深度的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01B11/22GK1155328SQ95194539
公開日1997年7月23日 申請(qǐng)日期1995年6月10日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月10日
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