专利名称：基于单幅扫描电子显微镜图像的样品表面三维重建方法
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I、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
权利要求
1.一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，其特征在于该方法包括 第I、扫描电子显微镜从样品上方垂直向下进行拍摄，计算机接受来自扫描电子显微镜的图像数据； 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，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的描述值，对整幅图像依据这一公式进行运算，就能够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
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，第I步所述样品由单一元素组成。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对黑硅表面进行三维重建时待重建的样品黑娃均由娃元素组成。
全文摘要
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。
文档编号G06T17/00GK102930595SQ20121036268
公开日2013年2月13日 申请日期2012年9月25日 优先权日2012年9月25日
发明者赵新, 王琦琦, 孙明竹 申请人:南开大学