[發明專利]一種基于迭代K-means算法的微結構臺階高精度表征方法

在審

• 申請號: 202110994406.6
• 申請日: 2021-08-27
• 公開（公告）號: CN113808189A
• 公開（公告）日: 2021-12-17
• 發明（設計）人: 王陳;孟憲昱;常林;于瀛潔;周文靜
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G06T7/60
• 分類號: G06T7/60;G06K9/62
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

本發明公開了一種基于迭代K?means算法的微結構臺階高精度表征方法，其步驟包括：首先，將通過白光干涉獲得的臺階高度測量數據進行維度重構，將復雜的多維面型數據降維至二維空間；基于K?means聚類算法和數據映射，識別與去除離群值的同時將二維數據點集中的質心距離映射為所求臺階高度值；最后，通過迭代收斂設計，進一步提高算法表征結果的準確度和魯棒性，完成臺階高度參數表征。將聚類分析算法應用到臺階高度計量領域，利用基于K?means算法的質心距離計算及數據映射，提高了臺階高度表征效率的同時對表面實測數據中的離群值與未測點進行識別與處理，通過應用本算法可以實現臺階高度表征不受離群值的影響，快速準確地獲得臺階高度表征值。

技術領域

本發明涉及一種微納米臺階高度表征方法，具體涉及一種基于迭代K-means算法的微結構臺階高精度表征方法，尤其是適用于微結構三維表面測量數據的處理與表征。

背景技術

臺階高度是指高低平面中距離邊緣特定距離的垂直距離。在導體、微電子和納米制造等領用中，臺階高度是精密光學元件、集成電路特征尺寸、石墨烯薄膜厚度、MEMS、芯片等精密結構的特征尺寸。同時，微納米臺階也是納米測量領域里重要的計量標準器具，廣泛應用于微納米測量儀器的標定與校準工作中。微納米臺階高度測量與表征是當前納米測量技術和納米計量標準的重要課題之一，并且已經得到了世界上主要工業國家的普遍重視。

目前，臺階高度作為微納米計量領域中的關鍵幾何特征量，其表征評定方法研究一直是精密測量領域的熱點和難題，現階段主要常用的方法包括點對點的高度提取方法(兩點法)、單邊法、直方圖法、ISO法、最小二乘多項式擬合等。其中，ISO評定方法應用最為廣泛，在最新的GPS標準(ISO 25178-700)中，規定了基于區域的臺階高度評定方法和基于輪廓的臺階高度評定方法。

但是，隨著工業過程控制以及微納加工產品精度測量需求的增長，器件特征尺寸以及與之關聯的公差不斷減小的同時形狀結構的復雜程度卻不斷增加，對具有良好的重復性、準確性和可靠性等特征的微納米臺階高度測量及計量表征方法的需求也日趨迫切。尤其是三維測量技術的不斷發展，臺階高度表征已經從傳統的二維臺階高度表征向三維臺階高度表征轉變。由此帶來的主要問題是，微結構表面三維形貌實測數據集較大，其表面幾何特征突變頻繁，實測數據通常含有未測點和離群值等測量缺陷，難以用傳統方法對其進行高精度表征處理。因此，針對微納米臺階高度實測多維面型數據中存在離群值和未測點，并且數據量龐大復雜的問題，如何實現其高精度表征成為一個亟待解決的技術問題。

發明內容

為了解決三維表面測量儀器所測得數據中存在離群值和未測點以及數據量龐大復雜等問題，本發明的目的在于克服已有技術的不足，提供一種基于迭代K-means算法的微結構臺階高精度表征方法，尤其是針對各種三維測量儀器獲得的面型數據，實現高精度表征。

為達到上述發明創造目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于迭代K-means算法的微結構臺階高精度表征方法，將通過白光干涉三維測量儀獲得的面型數據進行維度重構，將復雜的多維面型數據降維至二維空間后，利用基于迭代K-means聚類算法和數據映射的方法，識別并去除離群值的同時將二維數據點集中的質心距離映射為所求的臺階高度值，其特征在于，包括以下步驟：

(1)通過三維表面形貌測量儀器獲得表面原始數據；

(2)對原始數據進行維度重構，獲得維數一半數量的二維數據點集，若維數為奇數則減一；

(2-1)輸入在所述步驟(1)中所獲得的表面原始數據；

(2-2)將原始數據矩陣中的各奇數行提出組成奇數行矩陣A，將原始數據矩陣中的各偶數行提出組成偶數行行矩陣B；

(2-3)將兩個分矩陣A、B的同行數據重組成二維數據集，并以其作為坐標點，繪制在坐標系中；

(2-4)保存各二維數據點集，即完成數據維度重構，得到各個二維數據集；