基于SEM-DIC的纳米尺度全场三维应变测量中的图像畸变矫正与成像系统建模

It is vital to make precise nano-scale full-field 3D strain measurement for understanding mechnical performance, deformation behavior of nano-materials and failure mechanisms of micro/nano devices. SEM-DIC based nanoscale full-field 3D strain measurement technology is an innovative method with strong competitive advantages, however, only low-precision 3D strain information can be obtained under specific conditions in terms of recent research. There are scientific challenges such as SEM image distortion, image system modeling and correlation computation etc. To solve above mentioned key issues, this proposal aims 1) to investigate the law of SEM image distortion, and propose a time-correlated distortion correction method based on continuous nature of shift field and a non-parametric spatially-correlated distortion correction method based on B-spline curve fitting; 2)to establish a general parametric imaging model on radial basis function operator, and propose a flexible calibration method; 3)to reveal noise laws of SEM image, and propose a robust correlation computation method. By applying the fundamental theories and key technologies of this proposal, we will develop a software system with independent intellectual property rights and it will improve the precision and stability of SEM-DIC based nanoscale full-field 3D strain measurement. The successful implement of this project has important scientific significance and potential applications that it will provide theoretical fundamentals and techniques for micro-mechanical testing of chip manufacturing, electronic packaging etc.

在纳米尺度下对微纳器件的全场三维应变进行精确测量，对了解纳米材料力学性能和变形特性、分析微纳器件失效机制具有重要意义。基于SEM-DIC的微纳尺度全场三维应变测量技术是一种极具优势的创新方法，但目前只能在特定条件下获取低精度的三维应变信息，在SEM图像畸变、成像系统模型以及相关性计算等方面尚存在诸多基础科学问题。针对上述难题，本项目研究探索SEM图像畸变规律，提出基于连续一致性的时间畸变校正方法和基于B样条曲线拟合的无参数空间畸变校正方法；从成像过程本质出发，建立基于径向基函数算子的参数化通用成像模型，提出柔性参数标定算法；揭示图像噪声规律，提出鲁棒相关函数计算方法；应用上述基础理论和关键技术，自主开发软件系统，提升基于SEM-DIC的纳米尺度全场三维应变的测量精度和稳定性。本项目的成功实施将为芯片制造、电子封装等领域的微观力学性能测试提供理论基础和技术手段，具有重要的科学意义与应用潜力。

在纳米尺度下对微纳器件的全场三维应变进行精确测量，对了解纳米材料力学性能和变形特性、分析微纳器件失效机制具有重要意义。基于SEM-DIC的微纳尺度全场三维应变测量技术是一种极具优势的创新方法，但目前只能在特定条件下获取低精度的三维应变信息，在SEM图像畸变、成像系统模型以及相关性计算等方面尚存在诸多基础科学问题。.本项目针对纳米尺度下全场三维测量的重大需求，在基于SEM-DIC的纳米尺度全场三维测量技术的框架下，探索了SEM图像的时间漂移和空间畸变规律，提出了高精度的SEM图像畸变矫正方法，建立了SEM成像系统的参数化成像模型，提出了鲁棒的相关函数计算算法，开发了纳米尺度下的高精度全场三维测量的软件，并通过多个实测实验对所提算法和所开发的软件进行了验证，取得了良好的测量效果。项目的主要创新成果包括：.(1) 提出了一种顾及倍率变化的SEM空间畸变模型与校正方法。详细推导SEM图像畸变的理论数学模型，针对高/低倍的不同特点与硬件限制，提出基于散斑/阵列标靶的畸变模型解算方法，实现SEM图像的时间漂移畸变和空间畸变建模与高精度校正；解决SEM畸变校正难、测量失准等不利于实际应用的问题，保证后续SEM下三维测量的精度与稳定性。.(2) 提出了一种连续通用成像模型并用于SEM的成像过程建模。根据SEM成像过程的连续性约束，建立连续通用成像模型用以揭示SEM成像过程本质；实现SEM在不同倍率下的成像模型通用化与可视化表达，解决了SEM标定时临界倍率选择难、成像模型界定难等问题。.(3) 提出了基于Census变换的半全局立体匹配算法。采取基于Census变换的匹配代价值来衡量像素点间的相似性，提出耦合唯一性检查、左右一致性检查和连通区域法的错误视差剔除方法，建立了亚像素级别的视差优化方法，实现了SEM图像对应关系的稳定计算。.(4) 研制了基于SEM-DIC的纳米尺度全场三维形貌和应变测量软件。.项目已发表论文7篇，其中SCI收录3篇；申请发明专利3项，均已授权；培养博士研究生2名，硕士研究生4名。