[发明专利]基于扫描电镜的纳米尺度三维形貌测量方法

说明书

技术领域

本发明属于精密测量领域，具体涉及一种基于扫描电镜的纳米尺度三维形貌测量方法。

背景技术

随着微/纳机电系统(Micro/Nano Electro Mechanical System，MEMS/NEMS)的快速发展，各种微/纳米级的微型器件不断出现，如微齿轮、微型喷嘴、微型台阶等，为了保证这些微型器件的加工质量，需要对其进行精确的测量。而这些微型器件的几何尺寸几乎都处于微/纳米量级，常规的方法无法对其进行测量，因此，发展纳米尺度的高精度测量方法与技术至关重要。

将电子扫描显微镜(Scanning Electron Microscope，SEM)拍摄的电子图像与数字摄影测量方法相结合所形成的微纳结构三维形貌测量方法，能够充分发挥电子图像的高分辨率和大景深等优势，可与现有的纳米三坐标、扫描探针显微镜、共焦激光扫描显微镜和立体光学显微镜等微观结构三维重建方法互补，为相关研究领域提供一种有效的基础测量工具。

数字摄影测量方法利用不同方向拍摄的图像重建被测对象表面的三维形貌，在宏观尺度下，该方法已被证明是一种极为有效的三维形貌测量方法，在工业测量与检测、医学、娱乐和文物复制等多个领域均得到了广泛的应用，技术日趋成熟。该方法在宏观尺度上的成功应用，使得其从70年代开始便逐渐被引入到微观测量领域，众多学者就使用光学显微镜和电子扫描显微镜拍摄的放大图像进行微观形貌的三维重建进行了研究，其中图像的畸变、成像系统的数学模型和参数标定方法是影响三维重建精度的核心问题。

考虑畸变(包括径向畸变和切向畸变)的透视投影模型和相应的模型参数标定方法，在宏观尺度下可以得到较高的测量精度，因此被很多科研机构和相关企业直接移植到微观三维重建领域。这种简单直接的技术移植，可以快速的对光学显微成像系统和电子显微成像系统进行数学建模和初步标定，并重建出微纳结构的三维形貌，在一定程度上促进了该技术的快速发展。但是，2004年美国南加州大学的H.Schreier等通过实验证明了将上述成像模型和标定方法直接移植到光学显微镜上无法得到较好的效果，重建出的微观三维形貌存在较大的残余误差。其原因在于光学显微镜的光学成像系统比常用的数字相机复杂得多，上述模型无法准确描述和消除光学显微图像的空间畸变，从而影响了微观三维形貌的重建精度。为了更好的消除光学显微图像的空间畸变，提高标定和重建精度，该课题组提出了一种新的光学显微成像系统参数标定算法。该方法首先使用一组在平面内平移的平面标靶图像，采用非参数化的变形函数对图像的空间畸变进行建模和矫正；然后于任意位置拍摄一组平面标靶图像，并使用已确定的变形函数进行矫正，得到理想的无畸变的图像；最后使用理想的小孔成像模型对成像系统进行建模，并根据整体调整法(Bundle Adjustment)标定出系统参数。实验结果表明，这种标定方法能够很好的消除光学显微图像的空间畸变，提高了光学显微成像系统的标定精度和后续微观结构的三维重建精度。

与此同时，该课题组的Cornille等人尝试将这种标定方法引入到电子显微镜下，以期消除电子图像中的空间畸变，改善电子显微成像系统的标定精度。研究结果表明，该方法所采用的非参数化畸变矫正方法比宏观领域常用的参数化畸变矫正方法效果更好，在较低的放大倍数下能够得到较好的标定结果，但是在高放大倍数下仍然存在明显的测量误差。造成这种现象的主要原因在于：电子图像的拍摄过程与光学图像不同，电子束的扫描过程使用电磁场进行控制(类似光学成像系统中的镜头)，即使在目前最先进的SEM系统中，其电子束的偏转仍然是一个开环系统(即其实际偏转参数或位置不可控)，扫描过程受电磁场波动、扫描过程中的时间漂移、电子束位置变化、样品表面的热量变化和机械振动等因素的综合影响，拍摄得到的电子图像除了具有明显的空间畸变，还会产生复杂的具有随机特性的时间漂移(Time Drift)。2006年，M.A.Sutton等对电子图像产生时间漂移的原因进行了初步分析，并通过实验证明了现有的标定算法尚无法消除时间漂移对测量精度的影响。

除了上述空间畸变和时间漂移，电子成像系统的成像模型是影响微纳结构三维重建的另一重要因素。SEM专家L.Reimer曾指出电子图像的成像过程可以近似为透视投影过程，但是近年来的研究表明，透视投影模型在较低的放大倍数下可以得到较好的效果，但是当放大倍数逐渐变大时，该模型无法对电子成像系统进行准确的建模。即在不同的放大倍数下，电子成像系统的成像模型不同：当放大倍数较低时，视场和视角较大，可使用经典的透视投影模型对成像系统进行建模；而当放大倍数较大时，视场和视角均非常小，电子图像的成像过程则近似为平行投影。