СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ТОПОГРАФИИ ПОВЕРХНОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01N23/225 

Изобретение относится к области формирования в цифровом виде трехмерного изображения реального физического объекта, а именно к формированию топографического изображения объекта, исследуемого методами сканирующей микроскопии.

Возросшие возможности современных вычислительных средств и методов машинной графики стимулируют развитие новых направлений в машинной графике - разработку методов формирования "реалистичных изображений". Речь идет об изображениях, которые можно наблюдать визуально с помощью оптических или оптико-электронных устройств. Необходимость в получении такого типа изображений возникает в тех случаях, когда это может быть использовано либо для оценки качества сканирования трехмерного объекта, либо для получения дополнительной информации о пространственных характеристиках объекта. В этом случае формирование трехмерного изображения должно обеспечивать передачу всей совокупности особенностей объекта: объемность, расположение деталей, полутона, текстура поверхности и т.д. Теоретические и экспериментальные исследования в данном направлении в значительной мере направлены на разработку методов и средств отображения всей совокупности пространственных характеристик объекта в синтезируемом изображении [Иванов В.П., Батраков А.С. Трехмерная компьютерная графика. М.: Радио и связь, 1995. - С.3-4].

Применительно к растровой электронной микроскопии методика построения трехмерного изображения микрообъекта имеет свои особенности относительно методов машинной графики, обусловленные спецификой процесса формирования изображения в РЭМ [патент РФ № 2015567].

Основным отличием является то обстоятельство, что для систем машинной графики источником входной информации являются не сами физические объекты, а их математические модели. Общим же для всех систем, формирующих трехмерные изображения, является то, что отображение объекта в виде синтезированного изображения происходит на экране дисплея персонального компьютера (ПК). При этом обрабатывающие программы должны передавать ощущение глубины пространства, пространственной формы и структуры объектов. Определяющим при этом является уровень соответствия (подобия) синтезируемого изображения оригиналу.

Известен способ формирования топографического изображения физического объекта, включающий сбор и регистрацию отраженных электронов с поверхности исследуемого объекта парносимметричным детектором в растровом электронном микроскопе (РЭМ) с получением стереопар изображения [Кальнер В.Д., Зильберман А.Г. Практика микрозондовых методов исследования металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1981. - С.62-66].

Этот способ осуществляют с помощью устройства, включающего РЭМ, два твердотельных детектора, симметрично установленных над образцом относительно первичного электронного пучка РЭМ и позволяющих получить снимки по сигналу с первого (Фиг.1) или второго (Фиг.2) детекторов.

Данный способ и устройство позволяют формировать в цифровом виде трехмерное изображение физического объекта, однако используют для этого детекторы, регистрирующие отраженные электроны, которые эмитируются с поверхности образца в результате взаимодействия с ним электронного пучка. Использование в РЭМ отраженных электронов для формирования топографического контраста поверхности, исследуемого объекта, не позволяет с достаточной точностью сформировать его трехмерное изображение [Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материалов. М.: Техносфера, 2004. - С.225].

Наиболее близким к заявляемому является способ формирования топографического изображения объекта, включающий эмиссию вторичных электронов с поверхности исследуемого объекта в растровом электронном микроскопе, их сбор и регистрацию детектором Эверхарта-Торнли для построения стереоскопического изображения поверхности объекта и последующего формирования ее трехмерного изображения в цифровой форме [Гоулдстейн Дж., Ньюбери Д., Эчлин П., Джой Д., Фиори Ч., Лифшин Э. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ. М.: Мир, 1984, т.1. - C.144-147].

Это способ реализуется на устройстве, включающем РЭМ, детектор Эверхарта-Торнли и гониометр (наклон -5°-+60°, вращение 360°), который позволяет наклонять, исследуемый объект, относительно сфокусированного РЭМ электронного пучка и детектор Эверхарта-Торнли.

Для вторичных электронов, в отличие от отраженных электронов, характерны малая глубина выхода с поверхности исследуемого объекта и слабая зависимость вероятности их выхода от атомного номера химических элементов, входящих в состав объекта (композиционный контраст). Кроме того, высокая зависимость сбора и регистрации вторичных электронов детектором Эверхарта-Торнли от ориентации этой поверхности относительно данного детектора позволяют использовать их для наблюдения микрорельефа поверхности и получения так называемого топографического контраста.

Большая глубина резкости и высокое разрешение РЭМ, наличие гониометра, при помощи которого можно наклонять образец относительно первичного пучка, позволяют эффективно использовать методы качественной и количественной стереофотографии. Помимо визуального восприятия (при сильно развитом топографическом контрасте даже монокулярное изображение объекта в РЭМ дает впечатляющий стереоскопический эффект), стереопары позволяют получить количественную информацию о структуре материала «по глубине». Это делается путем измерения горизонтального смещения (параллакс), проектируемых на перпендикуляр к оси наклона двух стереоизображений [Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материалов. М.: Техносфера, 2004. - С.233-235].

Однако этот способ не обеспечивает необходимой точности для формирования топографического изображения в цифровой форме реального физического объекта. Полученное данным способом стереоскопическое изображение поверхности объекта часто имеет так называемые немые области (поля), где нет четких реперов для сравнения двух кадров, а также не дает полного совпадения поля сканирования стереоснимков, как это видно из фиг.3 и 4 (для сравнения крестиком помечен идентичный фрагмент поверхности на соответствующих изображениях). Это затрудняет использование данного способа при автоматизированной обработке большого количества изображений.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для формирования топографического изображения объекта, включающее растровый электронный микроскоп, зонд с измерительной головкой сканирующего туннельного микроскопа, установленный в камере растрового электронного микроскопа, и блок управления сканирующим туннельным микроскопом, соединенный с измерительной головкой. В этом устройстве в качестве приставки к РЭМ используется сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) «UnderSEM377» завода «Протон» г.Москва [Микроскоп «UnderSEM377» (СТМ - приставка для SEM). Техническое описание, Москва, 2005. 12 с.].

Использование СТМ в качестве приставки для РЭМ позволяет расширить диапазон увеличения микроскопа до 20 миллион раз. Кроме того, СТМ дает информацию о трехмерных параметрах поверхности объекта в диапазоне перепада высот ±1 мкм с точностью до одного ангстрема.

Однако электрическая схема этого известного устройства не позволяет обеспечить возможность сбора и регистрации вторичных электронов зондом СТМ, что, в свою очередь, не позволяет использовать СТМ для наблюдения микрорельефа поверхности в топографическом контрасте, полученном в результате эмиссии вторичных электронов с поверхности исследуемого объекта в РЭМ.

В основу изобретения положена задача повышения точности формирования топографического изображения объекта в цифровой форме, путем получения микрорельефа его поверхности за счет топографического контраста, полученного в результате эмиссии вторичных электронов в РЭМ.

Поставленная задача решается тем, что в способе формирования топографического изображения объекта, включающем эмиссию вторичных электронов с поверхности исследуемого объекта в растровом электронном микроскопе, их сбор и регистрацию для построения стереоскопического изображения поверхности объекта и последующее формирование ее трехмерного изображения в цифровой форме, согласно изобретению сбор и регистрацию вторичных электронов осуществляют зондом измерительной головки сканирующего туннельного микроскопа, установленным от поверхности объекта на минимальном расстоянии, позволяющем регистрировать ток вторичных электронов, причем регистрацию осуществляют, синхронизировано с режимом сканирования растрового электронного микроскопа, при этом для построения изображений поверхности исследуемого объекта, по которым формируют его трехмерное изображение в цифровой форме, зонд последовательно устанавливают в точки по периметру поля сканирования растрового электронного микроскопа.

Для осуществления этого способа в устройство, используемое для формирования топографического изображения объекта и включающее растровый электронный микроскоп, зонд с измерительной головкой сканирующего туннельного микроскопа, установленный в камере растрового электронного микроскопа, и блок управления сканирующим туннельным микроскопом, соединенный с измерительной головкой, согласно изобретению введен блок синхронизации, входы которого соединены с выходами строчной и кадровой синхронизации растрового электронного микроскопа, а выход - с входом разрешения преобразования аналог/код блока управления сканирующим туннельным микроскопом.

Возможность использования зонда СТМ для сбора и регистрации, эмитируемых вторичных электронов с поверхности объекта в результате взаимодействия с ней сфокусированного РЭМ электронного пучка, объясняется тем, что СТМ позволяет регистрировать токи (≥10 рА), протекающие через его зонд, на порядок меньшие, чем ток (˜100 рА), обусловленный эмиссией вторичных электронов [Гоулдстейн Дж., Ньюбери Д., Эчлин П., Джой Д., Фиори Ч., Лифшин Э. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ. М.: Мир, 1984, т.1. - С.63].

Чтобы избежать возникновения туннельного тока в процессе сканирования объекта электронным пучком, а также для наиболее эффективного сбора и регистрации вторичных электронов необходимо позиционировать зонд СТМ на минимально возможном расстоянии от поверхности образца, исключающем эффект туннелирования электронов между зондом и поверхностью исследуемого объекта.

Предложенные способ и устройство для его осуществления дают возможность использовать преимущества топографического контраста при получении изображения микрорельефа поверхности, исследуемого объекта, путем сбора и регистрации вторичных электронов, эмиссия которых происходит в результате неупругого взаимодействия сфокусированного пучка электронов РЭМ. Кроме того, осуществление сбора вторичных электронов зондом СТМ, который может быть установлен в различных точках поля сканирования образца, позволяет сформировать трехмерное изображение (например, на экране дисплея ПК) объекта в цифровой форме с высокой степенью достоверности полученного изображения оригиналу.

Сбор вторичных электронов осуществляют зондом измерительной головки СТМ, установленным на минимальном расстоянии от поверхности объекта, позволяющем регистрировать ток вторичных электронов, причем его регистрация синхронизирована с режимом сканирования РЭМ, при этом для построения изображений поверхности исследуемого объекта, по которым формируют его трехмерное изображение в цифровой форме, зонд последовательно устанавливают в точки по периметру поля сканирования РЭМ, путем его перемещения измерительной головкой.

Снабжение устройства для формирования топографического изображения объекта блоком синхронизации, входы которого соединены с выходами строчной и кадровой синхронизации РЭМ, а выход - с входом разрешения преобразования аналог/код блока управления СТМ, позволяет синхронизировать сбор и регистрацию вторичных электронов зондом измерительной головки СТМ с режимом сканирования РЭМ, и тем самым повысить точность формирования топографического изображения поверхности в цифровой форме исследуемого объекта, путем получения микрорельефа его поверхности за счет обеспечения топографического контраста.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показано изображение поверхности излома твердого сплава TiCN-TiNi, полученное на РЭМ (BS-301 Tesla) в режиме сбора и регистрации отраженных электронов с помощью первого твердотельного детектора при увеличении 3000.

На фиг.2 показано изображение поверхности излома твердого сплава TiCN-TiNi, полученное на РЭМ (BS-301 Tesla) в режиме сбора и регистрации отраженных электронов с помощью второго твердотельного детектора при увеличении 3000.

На фиг.3 показано изображение поверхности излома твердого сплава TiCN-TiNi, полученное на РЭМ (BS-301 Tesla) в режиме сбора и регистрации вторичных электронов с помощью детектора Эверхарта-Торнли при увеличении 3000 при угле поверхности образца к электронному пучку 5°.

На фиг.4 показано изображение поверхности излома твердого сплава TiCN-TiNi, полученное на РЭМ (BS-301 Tesla) в режиме сбора и регистрации вторичных электронов с помощью детектора Эверхарта-Торнли при увеличении 3000 при угле поверхности образца к электронному пучку -5°.

На фиг.5 представлена блок-схема заявляемого устройства для формирования топографического изображения объекта.

На фиг.6 приведено топографическое изображение поверхности излома твердого сплава TiCN-TiNi, полученное заявляемым способом с помощью заявляемого устройства.

На фиг.7 показан зонд измерительной головки СТМ СММ-2000.

На фиг.8 показана измерительная головка СТМ СММ-2000.

Способ осуществляют следующим образом: устанавливают зонд 3 (Фиг.5), путем его перемещения, в точку на периметре поля сканирования РЭМ 1 так, чтобы зонд 3 не попадал в поле сканирования, на минимальном расстоянии от поверхности, исследуемого объекта, позволяющем регистрировать ток вторичных электронов. При этом контроль по установке зонда 3 в нужное положение осуществляют с помощью РЭМ 1 в режиме телевизионной развертки (быстрое сканирование), а контроль над минимальным расстоянием зонда 3 от поверхности, исследуемого объекта, с помощью блока 4 управления СТМ, чтобы исключить возникновение туннельного тока между зондом 3 и образцом. Процесс сбора и регистрации вторичных электронов зондом 3 СТМ, эмиссия которых происходит с поверхности, исследуемого объекта, в результате неупругого взаимодействия сфокусированного пучка электронов РЭМ 1, ведут в режиме медленного сканирования РЭМ 1 (время развертки по строке 10÷20 мс, число строк в кадре 800÷2000), синхронизируя измерения тока вторичных электронов, протекающего через зонд 3 СТМ, с временными параметрами сканирования РЭМ 1. Синхронизацию осуществляют следующим способом. Запускают РЭМ 1 в режиме медленного сканирования и измеряют время строчной развертки методом преобразования временного интервала в цифровой код, при котором преобразуемый временной интервал заполняется импульсами тактового генератора стабильной частоты (на чертеже не показан), например, тактовые импульсы OSC в ПК с частотой 14.31818 МГц. Одновременно считают количество строк сканирования РЭМ 1 в кадре. Для определения времени начала и конца строчной и кадровой разверток РЭМ 1 используют, например, сигналы гашения хода луча для экрана монитора РЭМ 1. На основании полученных данных о режиме сканирования РЭМ 1 задают частоту измерения (временной интервал между измерениями) тока вторичных электронов блоком 4 управления СТМ в строке развертки РЭМ 1, а также - количество строк, необходимых для получения изображения исследуемой поверхности объекта. В процесс сбора и регистрации вторичных электронов зондом 3 СТМ, создают трехмерный цифровой массив, в котором каждому элементу массива соответствует номер измерения тока в строке развертки и номер строки, а также цифровые данные преобразования аналог/код тока вторичных электронов. Для синхронизации режима измерения тока вторичных электронов блоком 4 управления СТМ в режиме медленного сканирования РЭМ 1 в качестве синхросигналов также используют сигналы гашения хода луча для экрана монитора РЭМ 1 и импульсы тактового генератора стабильной частоты (на чертеже не показан). По окончанию кадра сканирования РЭМ 1 данные трехмерного массива сохраняют в памяти ПК (на чертеже не показан), например, на жестком диске в виде файла. Затем зонд 3 СТМ перемещают в другую выбранную точку на периметре поля сканирования поверхности объекта, и всю операцию построения массива изображения повторяют вновь. Количество циклов построения массивов изображения зависит от степени шероховатости поверхности исследуемого объекта. Минимальное количество циклов не должно быть менее двух. По окончанию циклов построения массивов изображения формируют на основании полученных цифровых данных топографическое (трехмерное) изображение объекта в цифровой форме. Алгоритм формирования трехмерного изображения заключается в следующем: в качестве пространственных координат поверхности (длины и ширины) берут номер элемента массива по строке и кадру развертки, а в качестве третьей координаты берут среднее значение величины цифрового кода тока вторичных электронов, которое вычисляется как сумма кодов, соответствующих элементов массивов (имеющих один и тот же номер измерения в строке и номер строки) всех массивов циклов измерения блоком 4 управления СТМ, деленная на число циклов. Зависимость между третьей координатой (высотой рельефа поверхности) и цифровым кодом тока вторичных электронов определяется калибровочными методами либо по эталонным поверхностям, либо прямым измерением высоты рельефа методом СТМ.

На фиг.6 приведено топографическое изображение излома твердого сплава TiCN-TiNi, полученное заявляемым способом с помощью заявляемого устройства при режиме сканирования РЭМ 1: время строчной развертки 20 мс, число строк в кадре 1600, увеличение 3000 раз, цифровой размер изображения по полю сканирования РЭМ 1 (число выборок измерения для блока 4 управления СТМ) 1500 (число строк в кадре изображения) × 1900 (число измерений в строке изображения) точек. Изображение сформировано по двум точкам зонда 3 СТМ, которые были расположены в средних точках противоположных сторон поля сканирования РЭМ 1 поверхности излома.

Заявленный способ осуществляют устройством (Фиг.5), которое включает РЭМ 1, блок 2 синхронизации, входы которого соединены с выходами строчной и кадровой синхронизации РЭМ 1, зонд 3 с измерительной головкой СТМ, установленный в камере РЭМ 1 и блок 4 управления СТМ, соединенный с измерительной головкой, вход которого соединен с выходом блока 2 синхронизации.

С помощью блока 2 синхронизации формируют сигнал, синхронизированный с временными параметрами режима сканирования РЭМ 1 (частотами строчной и кадровой развертки). Управляющий сигнал с выхода блока 2 синхронизации разрешает блоку 4 управления СТМ измерить ток, возникающий при попадании на зонд 3 СТМ вторичных электронов. Позиционируя зонд 3 СТМ в различных точках по периметру поля сканирования РЭМ 1 (например, по углам поля сканирования), можно сформировать стереоизображения (либо квадроизображения и т.д.) в цифровом виде (в виде трехмерного цифрового массива), на основании которых программным способом (ПК на фиг.5 не показаны, входят в состав блока 2 синхронизации и блока 4 управления СТМ) произвести формирование трехмерного изображения объекта с высокой точностью (Фиг.6). На фиг.2, 3, и 6 приведены изображения поверхности, полученные соответственно с одного и того же поля сканирования поверхности объекта.

Способ реализуется на устройстве, которое включает РЭМ на базе Camebax [Кальнер В.Д., Зильберман А.Г. Практика микрозондовых методов исследования металлов и сплавов. М., Металлургия, 1981. - С.69] и СТМ конструкции СММ-2000 завода Протон г.Москва [Учебное пособие по микроскопу СММ-2000. М.: 2005. 64 с.], зонд (Фиг.7) с измерительной головкой (Фиг.8) которого установлен в камере РЭМ.

Исследуемый образец 5 (Фиг.8) в СТМ устанавливается на сканер 6 измерительной головки, столик с зондом 3 (Фиг.7) на ее стойки 7, которые одновременно играют роль устройства перемещения зонда относительно поверхности образца.

В качестве блока 2 синхронизации (Фиг.5) режимов сканирования РЭМ 1 и измерения тока вторичных электронов блоком 4 управления СТМ используется ПК с программируемым контроллером автоматического определения режима сканирования РЭМ [Григоров И.Г. Изучение особенностей микроструктуры и физико-механических характеристик сплавов на основе карбонитрида титана методом цифровой растровой микроскопии. Дисс. к.х.н., Екатеринбург, 2002. С.88-95]. Сигналы строчной и кадровой синхронизации с выходов РЭМ 1 поступают на соответствующие входы контроллера, входящего в состав блока 2 синхронизации.

Электрическая схема блока 2 синхронизации по программе управлением, входящего в него ПК, и по сигналам, поступающим на его входы с РЭМ 1, формирует контроллером сигнал (READY), который с выхода блока 2 синхронизации подается на вход преобразования аналог/код схемы 4 управления СТМ для измерения тока вторичных электронов.

Таким образом, заявляемый способ формирования топографического изображения объекта, осуществляемый на заявляемом устройстве, позволяет повысить точность формирования топографического изображения в цифровой форме объекта, путем получения микрорельефа его поверхности за счет топографического контраста, обусловленного сбором и регистрацией зондом с измерительной головкой СТМ вторичных электронов, эмиссия которых происходит в результате неупругого взаимодействия сфокусированного пучка электронов РЭМ.

В основу изобретения положена задача повышения точности формирования топографического изображения объекта в цифровой форме путем получения микрорельефа его поверхности за счет топографического контраста, обусловленного сбором и регистрацией зондом с измерительной головкой сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) вторичных электронов, эмиссия которых происходит в результате неупругого взаимодействия сфокусированного пучка электронов РЭМ. Сбор и регистрацию вторичных электронов осуществляют зондом измерительной головки СТМ, установленным от поверхности объекта на минимальном расстоянии, позволяющем регистрировать ток вторичных электронов. При этом регистрацию осуществляют синхронизированно с режимом сканирования растрового электронного микроскопа. 2 н.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ формирования топографического изображения объекта, включающий эмиссию вторичных электронов с поверхности исследуемого объекта в растровом электронном микроскопе, их сбор и регистрацию для построения стереоскопического изображения поверхности объекта и последующее формирование ее трехмерного изображения в цифровой форме, отличающийся тем, что сбор и регистрацию вторичных электронов осуществляют зондом измерительной головки сканирующего туннельного микроскопа, установленным от поверхности объекта на минимальном расстоянии, позволяющем регистрировать ток вторичных электронов, причем регистрацию осуществляют синхронизировано с режимом сканирования растрового электронного микроскопа, при этом, для построения изображений поверхности исследуемого объекта, по которым формируют его трехмерное изображение в цифровой форме, зонд последовательно устанавливают в точки, расположенные по периметру поля сканирования растрового электронного микроскопа.2. Устройство для формирования топографического изображения объекта, включающее растровый электронный микроскоп, зонд с измерительной головкой сканирующего туннельного микроскопа, установленный в камере растрового электронного микроскопа, и блок управления сканирующим туннельным микроскопом, соединенный с измерительной головкой, отличающееся тем, что устройство снабжено блоком синхронизации, входы которого соединены с выходами строчной и кадровой синхронизации растрового электронного микроскопа, а выход - с входом блока управления сканирующим туннельным микроскопом.