專利名稱：：一種微納米尺度平面周期性結構的反演方法
技術領域：
：一種微納米尺度平面周期性結構反演的相移幾何云紋方法屬于顯微鏡成像分析方法、平面結構檢測、光測測量技術、微納米結構表征技術等領域。
背景技術：
：微納米表面周期性結構普遍存在于MEMS器件、材料制備、光纖傳感器、生物材料等結構中，其形狀及尺寸特征直接影響著器件的性能。目前這類結構的測量方法主要是使用高倍電鏡，如掃描電子顯微鏡(SEM)，透射電子顯微鏡(TEM)，掃描探針顯微鏡(SPM-STM、AFM)，聚焦離子束(FIB)等，然而這些測量方法需很高的放大倍數(shù)，一次只能測量物體表面很小的一個區(qū)域，很難獲知大范圍內(nèi)物體表面的結構特征。微納米周期性結構常用的測量方法還有電線寬測量法、散射法、幾何相位方法等，然而這些方法仍然受到測量區(qū)域大小的限制，很難反映大范圍(幾百微米)內(nèi)試樣表面的整體結構特征，盡管神經(jīng)識別系統(tǒng)具有非局域性，但它需要一個很大的可存儲特殊幾何圖形的數(shù)據(jù)庫，成本高昂。此外，當試樣表面存在多種取向的周期性結構時，以上的各種方法都很難快速測出各種不同的取向及整體結構關系。因此，發(fā)展一種經(jīng)濟、高效、既可測量微納米尺度平面周期性結構、又可反映其整體結構特征的無損測量方法具有非常重要的研究和實用價值。自1948年幾何云紋法被提出以來云紋測量法便得以迅速發(fā)展并取得了不少令人矚目的研究成果。云紋干涉法、電子束云紋法、以晶體的晶格周期結構作為試件柵的透射電鏡納米云紋法、原子力顯微鏡納米云紋法、激光共聚焦顯微鏡云紋法先后被提出并得以發(fā)展。以上各種云紋法，均是通過云紋條紋分析試樣表面變形情況，而無法通過云紋條紋反求試件柵柵線方程。自1992年云紋干涉方法中相移方法被B.Han提出來以后，謝和他的同事提出了AFM，STM,SEM,FIB等相移云紋方法。相移云紋方法用于各種高倍顯微鏡下的提出，其最大的優(yōu)點是能夠全場自動地得到物體加載產(chǎn)生的位移場。專利文獻《一種光子晶體表面周期性結構的檢測方法》(申請200710065395.3)基于云紋反演方法提出了一種能夠利用旨在針對光子晶體表面周期性結構，提出一種光子晶體表面周期性結構的檢測方法，該方法既可測量試樣表面微納米尺度的周期性結構尺寸、又可在大范圍內(nèi)反映其整體結構特征。即利用激光共聚焦掃描顯微鏡云紋反演法，提供一種能夠對光子晶體尤其是表面存在多種取向周期性結構的試樣進行快速、高精度的檢測方法。但是，該專利的基本原理，基于云紋的條紋分析計算過程復雜，處理過程不能夠自動化，其步驟較為繁瑣。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出了在掃描電子顯微鏡平臺下的隨機相移幾何云紋的反演方法，能夠更加靈活、方便、自動以及精確地反演微納米表面周期性結構。本發(fā)明旨在針對一種微納米尺度平面周期性結構的試件，提出一種表面周期性結構的反演方法，該方法既可測量試樣表面微納米尺度的周期性結構尺寸、又可在大范圍內(nèi)反映其整體結構特征。本發(fā)明的技術方案如下1)將帶有微納米尺度平面周期性結構的試件置于掃描電子顯微鏡的試件平臺上，進行掃描得到試件柵圖像，并利用該圖像計算試件柵的平均柵距Pr，調(diào)整試件平臺，使得掃描線與試件柵線平行；2)調(diào)整掃描電子顯微鏡的放大倍數(shù)和區(qū)域內(nèi)的掃描線的線數(shù)，使得掃描線的間距與試件柵間距相同，這時試件柵與掃描線疊加出現(xiàn)幾何云紋條紋圖，該幾何云紋條紋圖作為初始云紋條紋圖，記錄下初始云紋條紋圖，并通過旋轉電鏡掃描線，確定云紋圖條紋的級數(shù)；3)沿垂直于掃描線的方向微小移動試件平臺，產(chǎn)生相移云紋條紋，經(jīng)過至少兩次平移之后，記錄得到掃描相移云紋條紋圖，包括初始云紋圖總共得到至少三幅相移云紋條紋圖；4)從相移云紋條紋圖中，在每幅圖中選擇相同的區(qū)域作為研究區(qū)域，得到所有相移云紋圖中的相同區(qū)域的相移云紋條紋圖，利用隨機相移的算法，計算得到相移云紋條紋的包絡相位圖；5)得到包絡相位圖之后，對包絡相位圖進行解包絡，得到解包絡相位Φ；6)根據(jù)得到的Φ和試件的平均柵距ρ,，利用公式J=^v(x,_y)，可以求得結構特Pr征位置場V(x,y)；7)對最后所得到的結構特征位置場進行插值，得到放大的試件柵的全場，反演得到最后一個方向試件的周期性結構，其結構特征可以表征為；<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>其中，C。為背景光強，C1S圖像幅值，可以為任意值，并不影響特征結構的分布；8)將掃描電鏡平臺旋轉90°，重復1)7)，最后得到試件另一方向的周期性結構。2.按照權利要求1所述的微納米尺度平面周期性結構反演方法，其特征在于步驟7)中結構特征位置場進行插值的方法如下1)首先確定要放大的倍數(shù)，對結構特征位置場進行二維的插值；2)對橫坐標和縱坐標的坐標點進行插值；3)對結構特征位置場進行二維數(shù)據(jù)的插值，得到新的插值坐標點的結構特征位置場的數(shù)值。本發(fā)明的突出特點和顯著技術進步是該反演方法可反映其在大范圍內(nèi)的整體結構特征。此方法綜合了云紋法靈敏度高、測量視場大，以及掃描電子顯微鏡分辨率高、空間定位方便等優(yōu)點，測量精度高，操作簡單，可進行全場測試，檢測成本低，對表面平面周期性結構的試樣有獨特的測量優(yōu)勢。該方法能夠應用到其它帶掃描線的高能量顯微鏡下，能夠快速反演試件的細微周期性結構，較以往的反演方法有操作自動化，方法靈敏簡單有效的技術進步。圖1為掃描電子顯微鏡下相移云紋原理圖。圖2為掃描電子顯微鏡下蝴蝶翅膀的高倍圖。圖3四步隨機步長的云紋條紋圖。圖4該方法的執(zhí)行中所用到的圖像。圖5試件柵插值反演的柵線圖像。具體實施例方式在具體的實施方式中，本發(fā)明對此過程進行了詳細的描述。一種微納米尺度平面周期性結構的反演方法，該方法按如下步驟進行1)將帶有微納米尺度平面周期性結構的試件置于掃描電子顯微鏡的試件平臺上，進行掃描得到試件柵圖像，并利用該圖像計算試件柵的平均柵距Pr，調(diào)整試件平臺，使得掃描線與試件柵線平行；2)調(diào)整掃描電子顯微鏡的放大倍數(shù)和區(qū)域內(nèi)的掃描線的線數(shù)，使得掃描線的間距與試件柵間距相同，這時試件柵與掃描線疊加出現(xiàn)幾何云紋條紋圖，該幾何云紋條紋圖作為初始云紋條紋圖，記錄下初始云紋條紋圖，并通過旋轉電鏡掃描線，確定云紋圖條紋的級數(shù)；3)沿垂直于掃描線的方向微小移動試件平臺，產(chǎn)生相移云紋條紋，經(jīng)過至少兩次平移之后，記錄得到掃描相移云紋條紋圖，包括初始云紋圖總共得到至少三幅相移云紋條紋圖；4)從相移云紋條紋圖中，在每幅圖中選擇相同的區(qū)域作為研究區(qū)域，得到所有相移云紋圖中的相同區(qū)域的相移云紋條紋圖，利用隨機相移的算法，計算得到相移云紋條紋的包絡相位圖；5)得到包絡相位圖之后，對包絡相位圖進行解包絡，得到解包絡相位Φ；6)根據(jù)得到的Φ和試件的平均柵距pr，利用公式，可以求得結構特Pr征位置場V(x,y)；7)對最后所得到的結構特征位置場進行插值，得到放大的試件柵的全場，反演得到最后一個方向試件的周期性結構，其結構特征可以表征為；(2π\(zhòng)Zi(X^)=C0+C1cos—，其中，C。為背景光強，C1S圖像幅值，可以為任意值，VPfJ并不影響特征結構的分布；8)將掃描電鏡平臺旋轉90°，重復1)7)，最后得到試件另一方向的周期性結構。下面結合附圖和一個實例對上述過程進行具體的說明。具體實施時按如下步驟進行，本發(fā)明采用特定的微納米尺度平面周期性結構，蝴蝶翅膀鱗片來進行細微結構的反演(以下如未加特別說明，其所用結構均為蝴蝶翅膀鱗片的晶體結構)。具體的實施步驟如下第一步把特定的試件置于掃描電子顯微鏡的試件平臺上，進行高倍的觀察，轉動試件平臺，使得掃描線與主要的試件柵線方向相同，并測量出其主要試件柵線的平均間距，如圖2所示，所測量得到的試件柵線圖其平均的間距為1.05μm。第二步調(diào)整掃描電子顯微鏡的放大倍數(shù)及視場范圍，以及掃描線的多少，使得幾何云紋條紋產(chǎn)生的時候，其掃描線的間距大約為1.05μπι。需要注意的是，在調(diào)整放大倍數(shù)的時候不要任意轉動試件平臺或掃描線的轉角，以免產(chǎn)生轉角云紋。其產(chǎn)生的云紋圖如圖3所示。在此步驟中最重要的一點是云紋條紋級數(shù)的確定。云紋條紋的級數(shù)可以根據(jù)表1來確定。表1轉角云紋反演公式中的正負號判別表<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>根據(jù)此表的判別方法，可以確定云紋條紋的級數(shù)，其級數(shù)表示如圖4(a)中所示。第三步微小地移動掃描電子顯微鏡試件平臺，其方向為沿著與掃描線相垂直的方向，這時會產(chǎn)生云紋條紋的相移。經(jīng)過3步微小隨機的移動和對初始圖像的采集，我們得到了四幅相移圖，如圖3所示。圖3中標記為①的鱗片中的矩形區(qū)域為我們所要研究的區(qū)域，其中矩形區(qū)域左上角為高倍觀測的區(qū)域，其放大圖在圖2中所示。第四步從相移云紋圖3中四幅圖像中截取下標記①中的矩形區(qū)域，其圖像像素大小為120X84，其區(qū)域所表示的實際尺寸范圍為126X88.2μπι2，對此四幅圖像進行隨機相移的求解，具體計算過程可以參考該文獻(ZhaoyangWang，Opt.Lett.，200429pl671_1673)，根據(jù)此方法可以計算得到云紋條紋的相位圖，如圖4(b)中所示。第五步從第四步中我們可以計算得到云紋條紋圖的相位，但是該相位是包絡圖的相位，對圖4(b)進行相位的解包絡，可以得到圖4(c)的解包絡圖的相位即表示公式(6)中的Φ。第六步根據(jù)公式(6)可以及κ的值可以求得特征結構位置場v，利用求得的全場的特征結構位置場ν減去零級條紋位置處ν的平均大小，在本例中其大小為_0.386μπι，因此，平移之后的特征結構位置場，如圖4(d)中所示。第七步對特征結構位置場進行插值可以得到全場，試件結構的柵線圖。其步驟主要是對ν場進行二維插值的過程，為了更好地說明，利用matlab代碼來解釋，如表2所示。表2Matlab代碼表示的插值過程<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>有必要對表2進行一些解釋，其中Width，Height表示實際尺寸的大小寬與高，^618_乂，？^618_￥表示圖像的具體像素力為放大的倍數(shù)，^7為原來圖像實際的坐標值，xi,yi是對離散的χ，y進行了N倍插值之后的坐標值，vi是所得到的ν場的二維插值之后的值。其中Iinspace和interp2為Matlab的內(nèi)部函數(shù)，分別進行平面坐標的插值函數(shù)，二維數(shù)據(jù)場的插值函數(shù)。在該實例中，Width=126mm,Height=88.2mm,N=10，Pixels_X=120，Pixels_Y=88.2，對第六步所求得的ν場進行插值之后，得到vi，將vi代入公式(2)中，可以得到如圖5所得到的試件柵的柵線場。本發(fā)明針對云紋場進行了細微結構的反演，反演得到其試件柵的細微結構。不僅具有快速靈活使用方便等優(yōu)點，而且能夠使步驟正規(guī)化，完全實現(xiàn)自動化，是一種大視場范圍中檢測微納米尺度表面周期性結構的一種很好的方法。利用掃描電子顯微鏡云紋反演法，提供一種能夠對微納米尺度平面周期性結構表面存在多種取向周期性結構的試樣進行快速、高精度、全場全自動的反演方法。本發(fā)明基于相移方法和幾何云紋方法，針對周期性結構的反演提出了隨機相移幾何云紋方法，該方法能夠在掃描電鏡下進行大視場的周期性結構的反演，其精確度較高，操作方便，能夠較快地利用產(chǎn)生的云紋條紋分析，定位材料的缺陷位置，以及快速方便地得到整個周期性結構的具體位置，操作靈活方便，自動化程度較高。其理論分析如下將具體微納米尺度的表面周期性結構置于掃描電子顯微鏡平臺中，其掃描線的方程為⑴Ir(χ,_y)=C0+C1COS一y,Pr其中，C0為背景光強，C1為圖像幅值，pr為掃描線的間距。同樣，當試件表面柵線間距與P,相同時，便會產(chǎn)生較為明顯的云紋圖，假設試件柵此時與掃描線的間距相同，PS=Pp其試件柵線方程可以表示為(1π\(zhòng)(2)Is(Xiy)=C^ClCOS—(y-v(x,y))-A，VPrJ其中，ν(X，y)表示試件柵距離標準柵原本位置的距離，在變形測量領域中，ν(x,y)通常被稱為位移量，我們在此處將其稱為結構的特征位置場。這是我們要反演計算的物理量，最后代入Is即可得到試件柵線的結構?！鳛楫斣嚰啪€產(chǎn)生移動時所產(chǎn)生的相移量，其移動的方向為沿著與參考光柵垂直的方向如圖1中所示。當電子掃描線以與試件柵相同的頻率從上到下掃描整個試件的時候，由于光柵的重疊產(chǎn)生了幾何云紋，可以用如下表達式來表示(2Λ(3)I(x,y)=IrIs=C02+C0C1cos-^(y-v(x,y))-AVPr2πc2f2πλC2(2πV+CnC1cos——ν+—cos——(2ν-ν(χ,ν))-Δ+—cos——ν(χ,ν)+ΔP/2,Vγ,)J2[prV^該方程中，第一項為背景項，第二項和第三項為原來的試件柵和掃描線項，第四項是試件柵的倍頻項，第五項代表云紋項。針對產(chǎn)生的云紋圖像進行高頻慮波之后，去掉高頻項，可以得到如下的表達式C2(2πλ⑷C02+-lCOS——V(X,少)+Δ.2\PrJ通常的情況下，相移的產(chǎn)生是通過移精確移動相移器來產(chǎn)生的，通常的掃描電子顯微鏡之下的相移器為壓電陶瓷相移器。但是，壓電陶瓷相移器很難精確標定，其相移量通常由于電壓的誤差，標定的誤差，以及壓電陶瓷的非線性誤差，在相移中帶來誤差。因此，本發(fā)明不同于通常的相移方法，在本發(fā)明中引入隨機相移的方法，其相移的步長可以未知或是隨機。該方法具有方便靈活性，收斂性，快速計算和自動化等優(yōu)點。經(jīng)過微小平移掃描電子顯微鏡的試件平臺，移動試件柵，沿著與掃描線垂直的方向，產(chǎn)生云紋相移圖，其云紋條紋可以表達如下所示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中，a為背景光強，b為振幅光強，Φ為條紋圖的相位，Si為相移步長量，下標i表示第幾次相移的步長(i=1，2...M)，其中M彡3。比較方程表達式(4)與(5)可以得知，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>如果φ可以通過幾幅相移云紋條紋圖求解得到，通過對Φ進行相位解包絡，即可以求得完整的結構特征位置場ν(χ，1)。將結構特征位置場v(x，y)代入方程(2)中，其中令Δ=0，將￥(^》，&代入(2)即可以得到微納米尺度表面周期性結構一個方向的結構表達式。如果要進行更細微的表征，還可以通過對v(x，y)進行插值計算，結構特征位置場進行插值的方法如下1)首先確定要放大的倍數(shù)，對結構特征位置場進行二維的插值；2)對橫坐標和縱坐標的坐標點進行插值；3)對結構特征位置場進行二維數(shù)據(jù)的插值，得到新的插值坐標點的結構特征位置場的數(shù)使得其細微結構能夠得到更好的表達。權利要求一種微納米尺度平面周期性結構的反演方法，其特征在于該方法按如下步驟進行1)將帶有微納米尺度平面周期性結構的試件置于掃描電子顯微鏡的試件平臺上，進行掃描得到試件柵圖像，并利用該圖像計算試件柵的平均柵距pr，調(diào)整試件平臺，使得掃描線與試件柵線平行；2)調(diào)整掃描電子顯微鏡的放大倍數(shù)和區(qū)域內(nèi)的掃描線的線數(shù)，使得掃描線的間距與試件柵間距相同，這時試件柵與掃描線疊加出現(xiàn)幾何云紋條紋圖，該幾何云紋條紋圖作為初始云紋條紋圖，記錄下初始云紋條紋圖，并通過旋轉電鏡掃描線，確定云紋圖條紋的級數(shù)；3)沿垂直于掃描線的方向微小移動試件平臺，產(chǎn)生相移云紋條紋，經(jīng)過至少兩次平移之后，記錄得到掃描相移云紋條紋圖，包括初始云紋圖總共得到至少三幅相移云紋條紋圖；4)從相移云紋條紋圖中，在每幅圖中選擇相同的區(qū)域作為研究區(qū)域，得到所有相移云紋圖中的相同區(qū)域的相移云紋條紋圖，利用隨機相移的算法，計算得到相移云紋條紋的包絡相位圖；5)得到包絡相位圖之后，對包絡相位圖進行解包絡，得到解包絡相位φ；6)根據(jù)得到的φ和試件的平均柵距pr，利用公式，可以求得結構特征位置場v(x，y)；7)對最后所得到的結構特征位置場進行插值，得到放大的試件柵的全場，反演得到最后一個方向試件的周期性結構，其結構特征可以表征為；其中，C0為背景光強，C1為圖像幅值，可以為任意值，并不影響特征結構的分布；8)將掃描電鏡平臺旋轉90°，重復1)～7)，最后得到試件另一方向的周期性結構。FSA00000094854300011.tif,FSA00000094854300012.tif2.按照權利要求1所述的微納米尺度平面周期性結構反演方法，其特征在于步驟7)中結構特征位置場進行插值的方法如下1)首先確定要放大的倍數(shù)，對結構特征位置場進行二維的插值；2)對橫坐標和縱坐標的坐標點進行插值；3)對結構特征位置場進行二維數(shù)據(jù)的插值，得到新的插值坐標點的結構特征位置場的數(shù)值。全文摘要一種微納米尺度平面周期性結構的反演方法，屬于顯微鏡成像分析、平面結構檢測、光測力學
技術領域：
。本發(fā)明以掃描電子顯微鏡的掃描線為參考柵，微納米表面周期性結構為試件柵，通過兩柵發(fā)生幾何疊加形成云紋，再通過微小的沿著與掃描線相垂直的方向隨機平移掃描電鏡的試件平臺，即產(chǎn)生相移幾何云紋。將得到的云紋圖，根據(jù)隨機相移算法求出云紋條紋相位圖，通過該方法的反演得到其試件周期性結構。此方法綜合了云紋法靈敏度高、測量視場大，及掃描電子顯微鏡分辨率高、空間定位方便等優(yōu)點。該方法可用到其它帶掃描線的顯微鏡下，用于平面周期性結構的反演及全面檢測，測量精度高，操作簡單，檢測成本低，操作自動化，方法靈敏簡單有效。文檔編號G06F17/00GK101819217SQ20101015600公開日2010年9月1日申請日期2010年4月27日優(yōu)先權日2010年4月27日發(fā)明者王懷喜,胡振興,謝惠民申請人:清華大學