專利名稱：基于單幅掃描電子顯微鏡圖像的樣品表面三維重建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微納加工制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于對使用掃描電子顯微鏡觀察的具有三維結(jié)構(gòu)的微納器件進行三維重建的方法。
背景技術(shù)：
目前的集成電路技術(shù)對硅表面的加工已經(jīng)推進到22納米，這不但接近光刻的極限，同時也付出了高昂的代價，在集成電路代工廠的設備中光刻機及其相關(guān)設備的價格都 是千萬美元量級的天文數(shù)字，投入與產(chǎn)出的矛盾十分突出，大大制約了適用于微納機電系統(tǒng)的制造技術(shù)的發(fā)展。因此，業(yè)界研究的重點開始轉(zhuǎn)向三維微納結(jié)構(gòu)(主要是硅結(jié)構(gòu))。如英特爾公司在2011年推出的三柵極(Tri-Gate)三維晶體管設計，不僅集成度提高而且可以減少50%以上的漏電流。對三維微納結(jié)構(gòu)的研究都需要一種能夠獲得待研究樣品表面三維結(jié)構(gòu)的方法和技術(shù)。目前基于掃描電子顯微鏡圖像對微小結(jié)構(gòu)進行三維重建的方法是使用同一位置多角度的照片對目標樣品表面進行重建，典型的是奧地利Alicona公司研制的MEX軟件。但對于人造的微納結(jié)構(gòu)來講，微納結(jié)構(gòu)所在的載體通常很小(如單片CPU)難以對同一位置進行多角度拍攝，因此利用公知的方法難以完成對三維微納結(jié)構(gòu)三維表面的獲取。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是解決現(xiàn)有方法難以完成對三維微納結(jié)構(gòu)三維表面獲取的問題，提供一種基于單幅掃描電子顯微鏡圖像的樣品表面三維重建方法，作為三維微納加工工藝研發(fā)定量的觀察驗證手段，同時也為三維微納結(jié)構(gòu)的應用提供研究材料。本發(fā)明提供了一種基于單幅垂直俯視視角掃描電子顯微鏡圖像的三維重建方法，所述方法僅使用一幅垂直俯視視角的掃描電子顯微鏡圖像，通過分析圖像中各個像素點的灰度特征就可以對由單一元素組成的樣品的表面形貌進行三維重建。所述方法具體包括以下步驟第I、接受來自掃描電子顯微鏡的圖像數(shù)據(jù)；該圖像是由掃描電子顯微鏡從由單一元素組成的樣品表面的上方垂直拍攝的圖像。具體步驟是將由單一元素組成的樣品水平放置在掃描電子顯微鏡的載物臺上，使用掃描電子顯微鏡從樣品的正上方對目標區(qū)域進行拍攝；通過與掃描電子顯微鏡相連的計算機獲得拍攝照片；第2、分析圖像灰度變化特征，尋找整幅圖像灰度的最小值作為圖像特征值k ;第3、使用圖像特征值k對掃描電子顯微鏡圖像進行歸一化處理，歸一化時使用的公式如下所示A(x, y) =E (x, y) /k其中，(x, y)是指掃描電子顯微鏡圖像中正在進行歸一化處理的像素點的橫縱坐標，E(x，y)是指該位置像素點在掃描電子顯微鏡圖像中的灰度值，k是圖像特征值，A(x，y)是指圖像中該像素對應的實際樣品表面位置被掃描電子顯微鏡激發(fā)的電子數(shù)量描述值，對整幅圖像依據(jù)這一公式進行運算，就可以得到實際樣品表面被掃描電子顯微鏡激發(fā)的電子數(shù)量描述矩陣A ；第4、根據(jù)輻照度方程對電子數(shù)量描述矩陣A進行運算，進而得到各個點以像素為單位的空間位置坐標，隨后根據(jù)掃描電子顯微鏡拍攝時所使用的比例尺將像素單位換算成實際長度單位，所使用的輻照度方程如下所示/ / (A (x, y) -R (p (x, y), q (x, y))) 2dxdy其中，p(x，y)是指圖像中(x，y)像素點對應的實際樣品表面位置的沿x方向的梯度，q(x, y)是指圖像中(X，y)像素點對應的實際樣品表面位置的沿y方向的梯度。R(p(x, y),q(x, y))是指根據(jù)電子激發(fā)的理論公式計算出來的圖像(x，y)像素點對應實際樣品表面位置被掃描電子顯微鏡激發(fā)的電子數(shù)量描述值。對于不同的p(x，y)和q(x，y)值可以根據(jù)公式得到不同R(p(x, y), q(x, y))值，所有點的R(p(x, y), q(x, y))與A(x, y)間的 差距總和越小就說明此時的P (X，y)和q(x, y)值越與實際相符合。當R(p(x, y)，q(x, y))與A(x, y)間的差距總和最小時，即輻照度方程取得最小值時，即可得到各個點的空間位置。因此通過求取輻照度方程的最小值就可以獲得掃描電子顯微鏡圖像的三維重建結(jié)果。這一過程中所使用的電子激發(fā)的公式如下所示

權(quán)利要求
1.一種基于單幅掃描電子顯微鏡圖像的樣品表面三維重建方法，其特征在于該方法包括 第I、掃描電子顯微鏡從樣品上方垂直向下進行拍攝，計算機接受來自掃描電子顯微鏡的圖像數(shù)據(jù)； 第2、分析圖像灰度變化特征，尋找整幅圖像灰度的最小值作為圖像特征值k ； 第3、使用圖像特征值k對掃描電子顯微鏡圖像進行歸一化處理，歸一化時使用的公式如下所示 A (X，y) =E (X，y) /k 其中，(x，y)是指掃描電子顯微鏡圖像中正在進行歸一化處理的像素點的橫縱坐標，E(x, y)是指該位置像素點在掃描電子顯微鏡圖像中的灰度值，A(x, y)是指圖像中該像素對應的實際樣品表面位置被掃描電子顯微鏡激發(fā)的電子數(shù)量的描述值，對整幅圖像依據(jù)這一公式進行運算，就能夠得到實際樣品表面被掃描電子顯微鏡激發(fā)的電子數(shù)量描述矩陣A ； 第4、根據(jù)輻照度方程對電子數(shù)量描述矩陣A進行運算，進而得到各個點以像素為單位的空間位置坐標，隨后根據(jù)掃描電子顯微鏡拍攝時所使用的比例尺將像素單位換算成實際長度單位，所使用的輻照度方程如下所示 ∫∫ (A (x, y) -R (p (x, y), q (x, y))) 2dxdy 其中，P(x，y)是指圖像中(x，y)像素點對應的實際樣品表面位置的沿X方向的梯度，q(x, y)是指圖像中(X，y)像素點對應的實際樣品表面位置的沿y方向的梯度。R(p(x, y),q(x, y))是指根據(jù)電子激發(fā)的理論公式計算出來的圖像(x，y)像素點對應實際樣品表面位置被掃描電子顯微鏡激發(fā)的電子數(shù)量描述值；對于不同的p(x，y)和q(x，y)值可以根據(jù)公式得到不同R(p(x, y), q(x, y))值，所有點的R(p(x, y), q(x, y))與A(x, y)間的差距總和越小就說明此時的P(X，y)和q(x, y)值越與實際相符合；當R(p(x, y), q(x, y))與A(x, y)間的差距總和最小時，即輻照度方程取得最小值時，即可得到各個點的空間位置；因此通過求取輻照度方程的最小值就可以獲得掃描電子顯微鏡圖像的三維重建結(jié)果，這一過程中所使用的電子激發(fā)的公式如下所示
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，第I步所述樣品由單一元素組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，對黑硅表面進行三維重建時待重建的樣品黑娃均由娃元素組成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于單幅掃描電子顯微鏡圖像的樣品表面三維重建方法。該方法的特點是僅使用一幅由掃描電子顯微鏡從由單一元素組成的樣品表面上方垂直拍攝的圖像，通過分析圖像中各個像素點的灰度特征就可以對由單一元素組成的樣品的表面形貌進行三維重建。該方法包括接受來自掃描電子顯微鏡的圖像數(shù)據(jù)，分析圖像灰度變化規(guī)律進行歸一化處理，根據(jù)輻照度方程對歸一化處理后的數(shù)據(jù)進行運算，得到各個點的空間位置并對三維重建結(jié)果進行三維可視化。
文檔編號G06T17/00GK102930595SQ20121036268
公開日2013年2月13日 申請日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者趙新, 王琦琦, 孫明竹 申請人:南開大學