[发明专利]基于多尺度系统理论量化表征薄膜表面形貌的方法无效

专利信息
申请号: 200910058185.0 申请日: 2009-01-19
公开(公告)号: CN101477022A 公开(公告)日: 2009-07-08
发明(设计)人: 汪渊;杨吉军;刘波;刘春海;尹旭 申请(专利权)人: 四川大学
主分类号: G01N13/10 分类号: G01N13/10;G01B21/20;G01B21/30;G06T7/00
代理公司: 成都科海专利事务有限责任公司 代理人: 刘双兰
地址: 610065四川省成都市*** 国省代码: 四川;51
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摘要:
搜索关键词: 基于 尺度 系统 理论 量化 表征 薄膜 表面 形貌 方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及与扫描探针显微技术相关的量化表征技术领域,尤其是涉及一种基于多尺度系统理论量化表征具有复杂结构特征的薄膜表面形貌的新方法。

背景技术

微电子、光电子及微机电系统(MEMS)等器件的不断微型化,导致器件中薄膜材料的特征尺度不断向微纳米尺度量级减小、所述薄膜材料表面与其体积之比急剧增加。因而薄膜表面形貌对其电学、力学、磁学等性能的影响逐渐趋于显著,并最终可能严重影响器件的使用性能与稳定性。因此,如何准确与完善地评价和表征薄膜表面形貌成为了工程应用与科学研究领域的关键问题。

原子力显微镜(AFM)、扫描隧道显微镜(STM)等扫描探针显微技术的出现与发展,为研究薄膜表面形貌提供了极其重要的实验基础。利用这些扫描探针显微技术,人们可以对薄膜表面形貌由宏观尺度范围拓展到原子尺度级别进行表象观察,并由此发现和证实了薄膜表面形貌具有的复杂结构特征。例如,薄膜表面起伏结构的高度分布具有随机性;对于气相沉积工艺制备的薄膜,其表面形貌通常具有多尺度特征;对于具有表面析出相的薄膜,其表面起伏结构存在性质与形态上的差异等。但是迄今为止,相对于扫描探针显微技术的迅速发展,相应的量化表征技术却相对滞后,远不能满足对薄膜表面形貌进行细致与完善描述的要求。目前常用的仍然是以表面粗糙度方法为代表的评价体系。尽管表面粗糙度指标具有简化、直观等优点,但是将其用于表征薄膜表面形貌时却均存在严重的弊端,即表面粗糙度只能描述沿薄膜表面法向的高度起伏,不能够反映沿薄膜表面横向的几何形态特征,进而难以分辨具有不同特征尺度的薄膜表面起伏结构,如对于具有多尺度特征的薄膜表面形貌,表面粗糙度的测量值则包含了薄膜表面原子台阶堆积、晶粒、析出相等不同结构的共同贡献,进而导致不能准确获得这些不同结构的计量信息。从根本上来说,产生这些弊端的主要原因在于表面粗糙度方法缺乏多尺度分辨分析能力,不具备多尺度层次化的表征优势。

在本发明作出之前,发明人曾提出基于小波变换(wavelet transform)方法来量化表征薄膜表面形貌,在一定程度上弥补了表面粗糙度方法的不足[Characterization ofmultiscale surface evolution of polycrystalline copper thin films.Yang J J,Xu K W.Journal ofApplied Physics.第101卷第10期.2007]。但是,小波变换方法仍然存在缺点,即它在执行扫描图像的分解时,分解尺度不够细致,划分尺度层次的间隔过宽,因此在分析薄膜表面形貌的时便面临着不能充分识别、难以分离与提取表面微细起伏结构等问题,最终造成不能全面获取薄膜表面上各尺度层次起伏结构的计量信息,甚至导致已获计量信息的失真。

发明内容

本发明的目的正是为了克服现有技术中所存在的缺陷与不足,以便完善的、能够全面获取薄膜表面上各尺度层次起伏结构的计量信息,提供了一种基于多尺度系统理论量化表征具有复杂结构特征的薄膜表面形貌的新方法;该方法并能进行分析评价与提取薄膜表面计量信息。

本发明的基本思想是:基于多尺度系统理论量化表征薄膜表面形貌的新方法,是将多尺度系统理论引入到现有薄膜表面形貌表征技术中,并利用二维小波包分析(waveletpackage analysis)方法来弥补与完善现有表面粗糙度方法的不足,同时又能与其兼容。

为实现本发明的目的,本发明采用以下措施构成的技术方案来实现的。

本发明基于多尺度系统理论量化表征具有复杂结构特征的薄膜表面形貌的方法,按照本发明,依次包括以下工艺步骤:

(1)首先用扫描探针显微镜通过对薄膜样品表面多级变换扫描,获取一系列不同扫描尺寸的薄膜表面形貌图像;

(2)利用多尺度系统分析工具来判定薄膜表面形貌是否具有多尺度特征,以及确定薄膜表面起伏结构的相应的特征尺寸值;

(3)利用二维小波包分析方法对薄膜表面形貌图像执行多尺度层次分解处理,得到分解图像组元;

(4)将分解的图像组元与上述步骤(2)中的特征尺寸值进行尺度比对,以确定分解图像组元的重构交割尺寸;

(5)利用二维小波包逆变换分析方法对分解图像组元进行重构;

(6)采用表面粗糙度方法对重构图像组元进行计量评价。

上述技术方案中,所述对薄膜样品表面的扫描尺寸其最小值为50~500nm;最大值应远大于薄膜表面起伏结构的最大特征尺寸,通常为1~100μm。

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