[发明专利]一种微纳米尺度平面周期性结构的反演方法

说明书

技术领域

一种微纳米尺度平面周期性结构反演的相移几何云纹方法属于显微镜成像分析方法、平 面结构检测、光测测量技术、微纳米结构表征技术等领域。

背景技术

微纳米表面周期性结构普遍存在于MEMS器件、材料制备、光纤传感器、生物材料等结 构中，其形状及尺寸特征直接影响着器件的性能。目前这类结构的测量方法主要是使用高倍 电镜，如扫描电子显微镜(SEM)，透射电子显微镜(TEM)，扫描探针显微镜(SPM-STM、AFM)， 聚焦离子束(FIB)等，然而这些测量方法需很高的放大倍数，一次只能测量物体表面很小的一 个区域，很难获知大范围内物体表面的结构特征。微纳米周期性结构常用的测量方法还有电 线宽测量法、散射法、几何相位方法等，然而这些方法仍然受到测量区域大小的限制，很难 反映大范围(几百微米)内试样表面的整体结构特征，尽管神经识别系统具有非局域性，但 它需要一个很大的可存储特殊几何图形的数据库，成本高昂。此外，当试样表面存在多种取 向的周期性结构时，以上的各种方法都很难快速测出各种不同的取向及整体结构关系。因此， 发展一种经济、高效、既可测量微纳米尺度平面周期性结构、又可反映其整体结构特征的无 损测量方法具有非常重要的研究和实用价值。

自1948年几何云纹法被提出以来云纹测量法便得以迅速发展并取得了不少令人瞩目的研 究成果。云纹干涉法、电子束云纹法、以晶体的晶格周期结构作为试件栅的透射电镜纳米云 纹法、原子力显微镜纳米云纹法、激光共聚焦显微镜云纹法先后被提出并得以发展。以上各 种云纹法，均是通过云纹条纹分析试样表面变形情况，而无法通过云纹条纹反求试件栅栅线 方程。自1992年云纹干涉方法中相移方法被B.Han提出来以后，谢和他的同事提出了AFM， STM，SEM，FIB等相移云纹方法。相移云纹方法用于各种高倍显微镜下的提出，其最大的 优点是能够全场自动地得到物体加载产生的位移场。

专利文献《一种光子晶体表面周期性结构的检测方法》(申请：200710065395.3)基于云 纹反演方法提出了一种能够利用旨在针对光子晶体表面周期性结构，提出一种光子晶体表面 周期性结构的检测方法，该方法既可测量试样表面微纳米尺度的周期性结构尺寸、又可在大 范围内反映其整体结构特征。即利用激光共聚焦扫描显微镜云纹反演法，提供一种能够对光 子晶体尤其是表面存在多种取向周期性结构的试样进行快速、高精度的检测方法。但是，该 专利的基本原理，基于云纹的条纹分析计算过程复杂，处理过程不能够自动化，其步骤较为 繁琐。

发明内容

本发明提出了在扫描电子显微镜平台下的随机相移几何云纹的反演方法，能够更加灵活、 方便、自动以及精确地反演微纳米表面周期性结构。本发明旨在针对一种微纳米尺度平面周 期性结构的试件，提出一种表面周期性结构的反演方法，该方法既可测量试样表面微纳米尺 度的周期性结构尺寸、又可在大范围内反映其整体结构特征。

本发明的技术方案如下：

1)将带有微纳米尺度平面周期性结构的试件置于扫描电子显微镜的试件平台上，进行扫 描得到试件栅图像，并利用该图像计算试件栅的平均栅距p_r，调整试件平台，使得扫描线与 试件栅线平行；

2)调整扫描电子显微镜的放大倍数和区域内的扫描线的线数，使得扫描线的间距与试件 栅间距相同，这时试件栅与扫描线叠加出现几何云纹条纹图，该几何云纹条纹图作为初始云 纹条纹图，记录下初始云纹条纹图，并通过旋转电镜扫描线，确定云纹图条纹的级数；

3)沿垂直于扫描线的方向微小移动试件平台，产生相移云纹条纹，经过至少两次平移之 后，记录得到扫描相移云纹条纹图，包括初始云纹图总共得到至少三幅相移云纹条纹图；

4)从相移云纹条纹图中，在每幅图中选择相同的区域作为研究区域，得到所有相移云纹 图中的相同区域的相移云纹条纹图，利用随机相移的算法，计算得到相移云纹条纹的包络相 位图；

5)得到包络相位图之后，对包络相位图进行解包络，得到解包络相位φ；

6)根据得到的φ和试件的平均栅距p_r，利用公式，可以求得结构特征 位置场v(x，y)；