基于单幅扫描电子显微镜图像的样品表面三维重建方法

摘要

本发明提供了一种基于单幅扫描电子显微镜图像的样品表面三维重建方法。该方法的特点是仅使用一幅由扫描电子显微镜从由单一元素组成的样品表面上方垂直拍摄的图像，通过分析图像中各个像素点的灰度特征就可以对由单一元素组成的样品的表面形貌进行三维重建。该方法包括：接受来自扫描电子显微镜的图像数据，分析图像灰度变化规律进行归一化处理，根据辐照度方程对归一化处理后的数据进行运算，得到各个点的空间位置并对三维重建结果进行三维可视化。

说明书

技术领域

本发明属于微纳加工制造技术领域，具体涉及一种用于对使用扫描电子显微镜观察的 具有三维结构的微纳器件进行三维重建的方法。

背景技术

目前的集成电路技术对硅表面的加工已经推进到22纳米，这不但接近光刻的极限， 同时也付出了高昂的代价，在集成电路代工厂的设备中光刻机及其相关设备的价格都是千 万美元量级的天文数字，投入与产出的矛盾十分突出，大大制约了适用于微纳机电系统的 制造技术的发展。因此，业界研究的重点开始转向三维微纳结构（主要是硅结构）。如英 特尔公司在2011年推出的三栅极（Tri-Gate）三维晶体管设计，不仅集成度提高而且可以 减少50%以上的漏电流。对三维微纳结构的研究都需要一种能够获得待研究样品表面三维 结构的方法和技术。目前基于扫描电子显微镜图像对微小结构进行三维重建的方法是使用 同一位置多角度的照片对目标样品表面进行重建，典型的是奥地利Alicona公司研制的 MEX软件。但对于人造的微纳结构来讲，微纳结构所在的载体通常很小（如单片CPU） 难以对同一位置进行多角度拍摄，因此利用公知的方法难以完成对三维微纳结构三维表面 的获取。

发明内容

本发明目的是解决现有方法难以完成对三维微纳结构三维表面获取的问题，提供一种 基于单幅扫描电子显微镜图像的样品表面三维重建方法，作为三维微纳加工工艺研发定量 的观察验证手段，同时也为三维微纳结构的应用提供研究材料。

本发明提供了一种基于单幅垂直俯视视角扫描电子显微镜图像的三维重建方法，所述 方法仅使用一幅垂直俯视视角的扫描电子显微镜图像，通过分析图像中各个像素点的灰度 特征就可以对由单一元素组成的样品的表面形貌进行三维重建。

所述方法具体包括以下步骤：

第1、接受来自扫描电子显微镜的图像数据；该图像是由扫描电子显微镜从由单一元 素组成的样品表面的上方垂直拍摄的图像。

具体步骤是：将由单一元素组成的样品水平放置在扫描电子显微镜的载物台上，使用 扫描电子显微镜从样品的正上方对目标区域进行拍摄；通过与扫描电子显微镜相连的计算 机获得拍摄照片；

第2、分析图像灰度变化特征，寻找整幅图像灰度的最小值作为图像特征值k；

第3、使用图像特征值k对扫描电子显微镜图像进行归一化处理，归一化时使用的公 式如下所示：

A(x,y)=E(x,y)/k

其中，(x,y)是指扫描电子显微镜图像中正在进行归一化处理的像素点的横纵坐标， E(x,y)是指该位置像素点在扫描电子显微镜图像中的灰度值，k是图像特征值，A(x,y)是 指图像中该像素对应的实际样品表面位置被扫描电子显微镜激发的电子数量描述值，对整 幅图像依据这一公式进行运算，就可以得到实际样品表面被扫描电子显微镜激发的电子数 量描述矩阵A；

第4、根据辐照度方程对电子数量描述矩阵A进行运算，进而得到各个点以像素为单 位的空间位置坐标，随后根据扫描电子显微镜拍摄时所使用的比例尺将像素单位换算成实 际长度单位，所使用的辐照度方程如下所示：

∫∫(A(x,y)-R(p(x,y),q(x,y)))²dxdy

其中，p(x,y)是指图像中(x,y)像素点对应的实际样品表面位置的沿x方向的梯度， q(x,y)是指图像中(x,y)像素点对应的实际样品表面位置的沿y方向的梯度。 R(p(x,y),q(x,y))是指根据电子激发的理论公式计算出来的图像(x,y)像素点对应实际样 品表面位置被扫描电子显微镜激发的电子数量描述值。对于不同的p(x,y)和q(x,y)值可以 根据公式得到不同R(p(x,y),q(x,y))值，所有点的R(p(x,y),q(x,y))与A(x,y)间的差距总和 越小就说明此时的p(x,y)和q(x,y)值越与实际相符合。当R(p(x,y),q(x,y))与A(x,y)间的 差距总和最小时，即辐照度方程取得最小值时，即可得到各个点的空间位置。因此通过求 取辐照度方程的最小值就可以获得扫描电子显微镜图像的三维重建结果。这一过程中所使 用的电子激发的公式如下所示：

$R(p(x,y),q(x,y))={\left(\frac{n_s·n}{\left|n_s\right|\left|n\right|}\right)}^{-1}$

其中n=(p(x,y),q(x,y),-1)是指图像中(x,y)像素点对应的实际样品表面位置的法向 量，n_s是指扫描电子显微镜进行拍摄时在所使用的扫描电子束的入射方向。由于扫描电子 显微镜从样品上方垂直向下进行拍摄，所以n_s=(0,0,-1)。对于图像中各个像素点都使用 电子激发的理论公式进行运算并带入辐照度方程，最终通过求取辐照度方程最小值来获得 图像中各个像素点的高度，即得到各个点的空间位置；

第5、对三维重建结果进行三维可视化显示。

本发明的优点和积极效果：

本发明实现了一种基于单幅垂直俯视视角扫描电子显微镜图像对单一元素组成的样 品表面进行三维重建的新方法。能够方便地对载体较小的三维微纳结构（如黑硅表面微纳 结构）进行三位重建，为三维微纳加工工艺研发定量的观察验证手段、同时也为三维微纳 结构的应用提供研究材料。

附图说明

图1为实施例1所使用的扫描电子显微镜图像。

图2为本发明使用扫描电子显微镜设备拍摄样本的示意图.

图3为本发明基于单幅垂直俯视视角扫描电子显微镜图像的三维重建方法的流程图。

图4为最终得到的三维重建结果示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例所使用的样品是表面刻蚀有微纳结构的黑硅片，本发明提供的基于单幅扫描 电子显微镜图像的样品表面三维重建方法可以为微纳结构进行三维重建。具体实施情况如 下：

1、将由单一的硅元素组成的黑硅样品水平放置在扫描电子显微镜的载物台上，使用 扫描电子显微镜从样品的正上方对目标区域进行拍摄；通过与扫描电子显微镜相连的计算 机获得拍摄照片如图1，是一幅216*222个像素的图像；

图2所示为使用扫描电子显微镜对待重建的样品进行拍摄以获取待重建区域图的操作 示意图，其中待重建的样品必须由单一元素组成。拍摄时需要保证样品底部水平，黑硅片 的底部通常十分平整，这时只需保证载物台A水平，这时拍摄的扫描电子显微镜照片为垂 直俯视视角。与此同时，可以在与扫描电子显微镜相连的计算机中获得待重建的图像在显 示器B中显示。

随后对待重建图像操作以获得重建结果，具体的步骤如图3所示。

2、进行分析图像灰度变化特征，寻找整幅图像灰度的最小值（本例最小值为18）， 作为图像特征值k；

3、使用图像特征值k对扫描电子显微镜图像进行归一化处理，归一化时使用的公式 如下所示：

A(x,y)=E(x,y)/k

其中，(x,y)是指扫描电子显微镜图像中正在进行归一化处理的像素点的横纵坐标，E(x,y) 是指该位置像素点在扫描电子显微镜图像中的灰度值，k是图像特征值，A(x,y)是指图像 中该像素对应的实际样品表面位置被扫描电子显微镜激发的电子数量描述值，对整幅图像 依据这一公式进行运算，就可以得到实际样品表面被扫描电子显微镜激发的电子数量描述 矩阵A；

在本例中，在(x,y)=(1,1)时，A(x,y)=3，(x,y)=(2,2)时，A(x,y)=3以此类推，最 终获得描述矩阵$A=\left(\begin{array}{ccccc}3& 3& ...& 3& 3\\ 3& 3& ...& 3& 3\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ 11& 11& ...& 3& 3\\ 13& 14& ...& 3& 3\end{array}\right),$共216行，222列。

4、根据辐照度方程对电子数量描述矩阵A进行运算，进而得到各个点以像素为单位 的空间位置坐标，随后根据扫描电子显微镜拍摄时所使用的比例尺将像素单位换算成实际 长度单位，本例中所使用的比例尺是，200像素比5微米，最终得到空间位置矩阵为：

$Z=\left(\begin{array}{ccccc}0.1556& 0.1968& ...& 0.1373& 0.1419\\ 0.1464& 0.1652& ...& 0.1580& 0.1636\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ 0.8329& 0.7967& ...& 0.2362& 0.1629\\ 0.9656& 1.0618& ...& 0.1831& 0.1556\end{array}\right),$

在计算所使用的辐照度方程如下所示：

∫∫(A(x,y)-R(p(x,y),q(x,y)),1)²dxdy

其中，(x,y)是指扫描电子显微镜图像中正在进行归一化处理的像素点的横纵坐标（扫 描电子显微镜图像的位置与实际位置存在一一对应的关系），A(x,y)是指图像中(x,y)像素 点对应的实际样品表面位置被扫描电子显微镜激发的电子数量描述值，(p(x,y),q(x,y),-1) 是指图像中(x,y)像素点对应的实际样品表面位置的坡度向量，R(p(x,y),q(x,y))是指根据 图像中(x,y)像素点对应的实际样品表面位置的坡度和电子激发的理论公式计算出来的被 扫描电子显微镜激发的电子数量描述值，所使用的电子激发的理论公式如下所示：

$R(p(x,y),q(x,y))={\left(\frac{n_s·n}{\left|n_s\right|\left|n\right|}\right)}^{-1}$

其中n=(p(x,y),q(x,y),-1)是指图像中(x,y)像素点对应的实际样品表面位置的坡度 向量，n_s是指扫描电子显微镜进行拍摄时在所使用的扫描电子束的入射方向，由于扫描电 子显微镜从样品上方垂直向下进行拍摄，所以n_s=(0,0,-1)，对于图像中各个像素点都使 用电子激发的理论公式进行运算并带入辐照度方程，最终通过求取辐照度方程最小值来获 得图像中各个像素点的高度，即得到各个点的空间位置。如果需要可根据扫描电子显微镜 拍照时所使用的比例尺对重建结果进行像素和实际距离之间进行换算；

5、得到的三维重建结果将被三维可视化并显示在计算机的显示器上，本例的三维重 建结果如图4所示。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术 人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况，还可以做出各种变化，因此所有的等同的技 术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由其权利要求限定。