纳米结构扫描电子显微俯视图像的三维重建基本模型及算法研究

Three-dimensional (3D) reconstruction of nanostructures top view image from scanning electron microscope (SEM) is a valuable research, especially for the urgent demands of smaller size, lower power consumption and higher performance in integrated circuit area. The normal method currently used is difficult for the 3D reconstruction of nanostructures, due to the following shortages: lower accuracy of the build-in SEM model, poorer convergence of the algorithm, and higher sensitivity to noise, and so on. This project intends to solve the problems by undertaking the following work: to study on the secondary electron imaging model of nanostructures vertical edge, to optimize the 3D reconstruction algorithm, and to research how to improve the algorithm accuracy by power spectrum density analysis or multidimensional Fourier analysis. This project aims to build a high-precision, high robustness, and fast convergence model and algorithm for nanostructure 3D reconstruction. Thereby to establish an automated simulation platform that provides theoretical foundation for the interdisciplinary studies of electron beam imaging and computational vision. The successful implementation of this project will make the quality detection of nanostructure faster and easier in both microelectronics and photonics, and it will encourage enterprises to evaluate and develop process and materials.

纳米结构扫描电子显微（SEM）俯视图像的三维重建研究，对集成电路向更小尺寸、更低功耗、更高性能发展有着重要意义。针对当前利用SEM图像进行纳米结构垂直边缘的三维重建方法存在内置模型精度较低、收敛性较差、对噪声敏感度较高等不足，本项目拟开展以下研究工作：二次电子在纳米结构垂直边缘的成像模型研究，垂直边缘的三维重建优化算法研究，边缘噪声功率谱密度分析或多维傅里叶分析对提高纳米结构三维重建算法精度的影响研究。本项目旨在通过对以上科学问题的研究，构建一种高精度、高鲁棒性的快速收敛的纳米结构三维重建模型和算法，进而建立一个自动化仿真平台，为电子束成像与计算视觉跨领域融合提供理论依据。本项目的顺利实施将有利于实现微电子和光电子领域对微纳结构制造质量的快速检测，推动企业对先进工艺和材料的评估和开发。

纳米结构扫描电子显微俯视图像SEM的三维重建研究，对深紫外和极紫外光刻工艺具有非常重要的作用，是纳米和集成电路领域电子束测量和表征技术的有益补充。本课题主要基于纳米结构的电子显微俯视图像，对垂直结构边缘的二次电子产额、SEM图像特征提取、背景噪声抑制、三维重建算法等进行研究，并取得了如下成果：在二次电子产额模型方面，在连续表面二次电子产额方程基础上叠加垂直结构的溢出效应，有助于建立更加准确的SEM灰度分布模型；在SEM特征提取方面，我们系统研究了相对阈值算法、背景复杂图像抑制算法、互相关分析算法等实现边缘轮廓提取的技术方法，并对工艺中遇到的高深宽比结构、复杂背景结构、线条应力扭曲结构进行了分析表征；在三维重建方面，构建了基于互相关分析方法和特征数据的迭代优化技术，极大地降低了SEM随机噪声的影响，并得到了高精度的三维重建结果，此外该研究证实了边缘粗糙度对SEM灰度具有非常明显的影响，需要在分析中充分考虑边缘分布对SEM灰度值的放大效应。本课题的开展对扩展微纳测量领域的表征技术具有重要的指导意义，为纳米器件研发提供最有价值的模型算法、技术指导和良率保证，对我国自主工艺开发、设备开发和材料开发具有重要的理论和技术支持。