[發明專利]基于掃描電鏡的納米尺度三維形貌測量方法

有效

• 申請號: 201010595952.4
• 申請日: 2010-12-17
• 公開（公告）號: CN102155909A
• 公開（公告）日: 2011-08-17
• 發明（設計）人: 史玉升;李中偉;王從軍;鐘凱;周鋼;朱曉鵬;湛承誠
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01B7/28
• 分類號: G01B7/28
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明屬于精密測量領域，具體涉及一種基于掃描電鏡的納米尺度三維形貌測量方法。

背景技術

隨著微/納機電系統(Micro/Nano?Electro?Mechanical?System，MEMS/NEMS)的快速發展，各種微/納米級的微型器件不斷出現，如微齒輪、微型噴嘴、微型臺階等，為了保證這些微型器件的加工質量，需要對其進行精確的測量。而這些微型器件的幾何尺寸幾乎都處于微/納米量級，常規的方法無法對其進行測量，因此，發展納米尺度的高精度測量方法與技術至關重要。

將電子掃描顯微鏡(Scanning?Electron?Microscope，SEM)拍攝的電子圖像與數字攝影測量方法相結合所形成的微納結構三維形貌測量方法，能夠充分發揮電子圖像的高分辨率和大景深等優勢，可與現有的納米三坐標、掃描探針顯微鏡、共焦激光掃描顯微鏡和立體光學顯微鏡等微觀結構三維重建方法互補，為相關研究領域提供一種有效的基礎測量工具。

數字攝影測量方法利用不同方向拍攝的圖像重建被測對象表面的三維形貌，在宏觀尺度下，該方法已被證明是一種極為有效的三維形貌測量方法，在工業測量與檢測、醫學、娛樂和文物復制等多個領域均得到了廣泛的應用，技術日趨成熟。該方法在宏觀尺度上的成功應用，使得其從70年代開始便逐漸被引入到微觀測量領域，眾多學者就使用光學顯微鏡和電子掃描顯微鏡拍攝的放大圖像進行微觀形貌的三維重建進行了研究，其中圖像的畸變、成像系統的數學模型和參數標定方法是影響三維重建精度的核心問題。

考慮畸變(包括徑向畸變和切向畸變)的透視投影模型和相應的模型參數標定方法，在宏觀尺度下可以得到較高的測量精度，因此被很多科研機構和相關企業直接移植到微觀三維重建領域。這種簡單直接的技術移植，可以快速的對光學顯微成像系統和電子顯微成像系統進行數學建模和初步標定，并重建出微納結構的三維形貌，在一定程度上促進了該技術的快速發展。但是，2004年美國南加州大學的H.Schreier等通過實驗證明了將上述成像模型和標定方法直接移植到光學顯微鏡上無法得到較好的效果，重建出的微觀三維形貌存在較大的殘余誤差。其原因在于光學顯微鏡的光學成像系統比常用的數字相機復雜得多，上述模型無法準確描述和消除光學顯微圖像的空間畸變，從而影響了微觀三維形貌的重建精度。為了更好的消除光學顯微圖像的空間畸變，提高標定和重建精度，該課題組提出了一種新的光學顯微成像系統參數標定算法。該方法首先使用一組在平面內平移的平面標靶圖像，采用非參數化的變形函數對圖像的空間畸變進行建模和矯正；然后于任意位置拍攝一組平面標靶圖像，并使用已確定的變形函數進行矯正，得到理想的無畸變的圖像；最后使用理想的小孔成像模型對成像系統進行建模，并根據整體調整法(Bundle?Adjustment)標定出系統參數。實驗結果表明，這種標定方法能夠很好的消除光學顯微圖像的空間畸變，提高了光學顯微成像系統的標定精度和后續微觀結構的三維重建精度。

與此同時，該課題組的Cornille等人嘗試將這種標定方法引入到電子顯微鏡下，以期消除電子圖像中的空間畸變，改善電子顯微成像系統的標定精度。研究結果表明，該方法所采用的非參數化畸變矯正方法比宏觀領域常用的參數化畸變矯正方法效果更好，在較低的放大倍數下能夠得到較好的標定結果，但是在高放大倍數下仍然存在明顯的測量誤差。造成這種現象的主要原因在于：電子圖像的拍攝過程與光學圖像不同，電子束的掃描過程使用電磁場進行控制(類似光學成像系統中的鏡頭)，即使在目前最先進的SEM系統中，其電子束的偏轉仍然是一個開環系統(即其實際偏轉參數或位置不可控)，掃描過程受電磁場波動、掃描過程中的時間漂移、電子束位置變化、樣品表面的熱量變化和機械振動等因素的綜合影響，拍攝得到的電子圖像除了具有明顯的空間畸變，還會產生復雜的具有隨機特性的時間漂移(Time?Drift)。2006年，M.A.Sutton等對電子圖像產生時間漂移的原因進行了初步分析，并通過實驗證明了現有的標定算法尚無法消除時間漂移對測量精度的影響。

除了上述空間畸變和時間漂移，電子成像系統的成像模型是影響微納結構三維重建的另一重要因素。SEM專家L.Reimer曾指出電子圖像的成像過程可以近似為透視投影過程，但是近年來的研究表明，透視投影模型在較低的放大倍數下可以得到較好的效果，但是當放大倍數逐漸變大時，該模型無法對電子成像系統進行準確的建模。即在不同的放大倍數下，電子成像系統的成像模型不同：當放大倍數較低時，視場和視角較大，可使用經典的透視投影模型對成像系統進行建模；而當放大倍數較大時，視場和視角均非常小，電子圖像的成像過程則近似為平行投影。