[发明专利]一种物体表面三维形貌的测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种物体表面三维形貌的测量方法，尤其涉及一种利用扫描物体表面形成云纹的三维形貌测量方法，属于光测力学技术领域。 

背景技术

扫描电镜作为一种微小尺度样品的观测分析手段，由于具有制样简单、放大倍数可调范围宽、图像的分辨率高、景深大等特点，故被广泛地应用于化学、生物、医学、冶金、材料、半导体制造及微电路检查等各个领域。作为一种高灵敏度的全场位移和应变测量技术，扫描云纹技术在微纳米变形测量方面取得了广泛的应用。然而，该技术仅能够测量被测物体的面内位移量和应变量，对于物体的三维形貌却不能进行测量。因此发展一种利用扫描云纹技术进行三维形貌测量的方法不仅拓展了现有扫描云纹技术的应用范围而且对微纳米尺度物体三维形貌测量方法的完善具有重要意义。 

文献Arai Y,Ando M,Kanameishi S,et al.Micro3D measurement method using SEM[J].Mapan,2011,26(1):69-78.提出了一种在电镜中实现对物体表面进行三维形貌测量的方法，该方法通过将一个可以透过电子束的透射光栅置于被测物体上方以形成云纹的方法来实现物体的三维形貌测量。该方法的缺点是操作复杂，成本高昂，且需要额外的辅助设备（可以透过电子束的透射光栅）。 

发明内容

本发明的目的是提出一种物体表面三维形貌的测量方法，将已有的扫描电镜用于物体表面三维形貌的测量，以简化测量操作，并降低测量成本。 

本发明提出的物体表面三维形貌的测量方法，包括如下步骤： 

（1）在被测物体表面制作出光栅，该光栅可以是单向光栅或正交光栅； 

（2）将表面带有光栅的物体放入扫描电镜的试样台上，调节扫描线数和工作距离，得到物体表面形貌图，记录物体表面形貌图中云纹条数最少时的扫描电镜的放大倍数M和扫描电镜的等效投射距离R，并拍摄物体表面的云纹图像； 

（3）使扫描电镜的试样台倾斜角度，并通过调整试样台的水平位置，在扫描电镜显示器中得到与试样台倾斜前相一致的观测区域，拍摄倾斜角度下的物体表面的云纹图像； 

（4）分别对上述步骤（3）和（4）所得到的云纹图像进行插值处理，分别得到与两幅云纹图像相对应的位移场，分别记作u和u'； 

（5）根据上述位移场u和u'，利用下述公式可得到被测物体的高度h： 

其中M是测量时扫描电镜的放大倍数，R是扫描电镜的等效投射距离，是扫描电镜试样台的倾斜角度。 

本发明提出的物体表面三维形貌的测量方法，其优点是：灵敏度高，测量视场大，操作简单，无需借助额外的设备和装置，仅使用现有的扫描电镜即可实现物体表面三维形貌的测量，因此大大地降低了测量成本，从而也拓展了扫描电镜的使用功能。而且本发明方法自动化程度高，测量数据经由计算机后期处理，可实现快速批量化测量。因此本发明弥补了传统扫描电镜法只能测量面内信息的不足，拓展了扫描云纹法的应用范围，尤其对微纳米尺度物体的三维形貌测量具有很好的效果。 

附图说明

图1（a）为本发明方法中，倾斜试样台前对被测物体所拍摄的云纹图像。 

图1（b）为本发明方法中，倾斜试样台后对被测物体所拍摄的云纹图像。 

图2（a）为本发明方法中，由图1（a）所示的云纹图像进行插值得到的位移场u示意图。 

图2（b）为本发明方法中，由图1（b）所示的云纹图像进行插值得到的位移场u'示意图。 

图3为利用不同方法和手段测量的被测试样AA剖面上的高度分布曲线。 

具体实施方式

本发明提出的物体表面三维形貌的测量方法，包括如下步骤： 

（1）在被测物体表面制作出光栅，该光栅可以是单向光栅或正交光栅； 

（2）将表面带有光栅的物体放入扫描电镜的试样台上，调节扫描线数和工作距离，得到物体表面形貌图，记录物体表面形貌图中云纹条数最少时的扫描电镜的放大倍数M和扫描电镜的等效投射距离R，并拍摄物体表面的云纹图像，如图1（a）所示； 

（3）使扫描电镜的试样台倾斜角度并通过调整试样台的水平位置，在扫描电镜显示器中得到与试样台倾斜前相一致的观测区域，拍摄倾斜角度下的物体表面的云纹图像，如图2（a）所示； 

（4）分别对上述云纹图像进行插值处理，分别得到与两幅云纹图像相对应的位移场，如图1（b）和图2（b）所示，分别记作u和u'；