專利名稱:基于多尺度系統(tǒng)理論量化表征薄膜表面形貌的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及與掃描探針顯微技術(shù)相關(guān)的量化表征技術(shù)領(lǐng)域,尤其是涉及一種基于多 尺度系統(tǒng)理論量化表征具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征的薄膜表面形貌的新方法。
背景技術(shù):
微電子、光電子及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)等器件的不斷微型化,導(dǎo)致器件中薄膜材料 的特征尺度不斷向微納米尺度量級減小、所述薄膜材料表面與其體積之比急劇增加。因 而薄膜表面形貌對其電學(xué)、力學(xué)、磁學(xué)等性能的影響逐漸趨于顯著,并最終可能嚴(yán)重影 響器件的使用性能與穩(wěn)定性。因此,如何準(zhǔn)確與完善地評價和表征薄膜表面形貌成為了 工程應(yīng)用與科學(xué)研究領(lǐng)域的關(guān)鍵問題。
原子力顯微鏡(AFM)、掃描隧道顯微鏡(STM)等掃描探針顯微技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展, 為研究薄膜表面形貌提供了極其重要的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。利用這些掃描探針顯微技術(shù),人們可 以對薄膜表面形貌由宏觀尺度范圍拓展到原子尺度級別進(jìn)行表象觀察,并由此發(fā)現(xiàn)和證 實(shí)了薄膜表面形貌具有的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征。例如,薄膜表面起伏結(jié)構(gòu)的高度分布具有隨機(jī) 性;對于氣相沉積工藝制備的薄膜,其表面形貌通常具有多尺度特征;對于具有表面析 出相的薄膜,其表面起伏結(jié)構(gòu)存在性質(zhì)與形態(tài)上的差異等。但是迄今為止,相對于掃描 探針顯微技術(shù)的迅速發(fā)展,相應(yīng)的量化表征技術(shù)卻相對^f后,遠(yuǎn)不能滿足對薄膜表面形 貌進(jìn)行細(xì)致與完善描述的要求。目前常用的仍然是以表面粗糙度方法為代表的評價體 系。盡管表面粗糙度指標(biāo)具有簡化、直觀等優(yōu)點(diǎn),但是將其用于表征薄膜表面形貌時卻 均存在嚴(yán)重的弊端,即表面粗糙度只能描述沿薄膜表面法向的高度起伏,不能夠反映沿 薄膜表面橫向的幾何形態(tài)特征,進(jìn)而難以分辨具有不同特征尺度的薄膜表面起伏結(jié)構(gòu), 如對于具有多尺度特征的薄膜表面形貌,表面粗糙度的測量值則包含了薄膜表面原子臺
階堆積、晶粒、析出相等不同結(jié)構(gòu)的共同貢獻(xiàn),進(jìn)而導(dǎo)致不能準(zhǔn)確獲得這些不同結(jié)構(gòu)的 計(jì)量信息。從根本上來說,產(chǎn)生這些弊端的主要原因在于表面粗糙度方法缺乏多尺度分 辨分析能力,不具備多尺度層次化的表征優(yōu)勢。
在本發(fā)明作出之前,發(fā)明人曾提出基于小波變換(wavelet transform)方法來量化 表征薄膜表面形貌,在一定程度上彌補(bǔ)了表面粗糙度方法的不足[Characterization of
4multiscale surface evolution of polycrystalline copper thin films. Yang J J, Xu K W. Journal of Applied Physics.第101巻第10期.2007]。但是,小波變換方法仍然存在缺點(diǎn),即它在 執(zhí)行掃描圖像的分解時,分解尺度不夠細(xì)致,劃分尺度層次的間隔過寬,因此在分析薄 膜表面形貌的時便面臨著不能充分識別、難以分離與提取表面微細(xì)起伏結(jié)構(gòu)等問題,最 終造成不能全面獲取薄膜表面上各尺度層次起伏結(jié)構(gòu)的計(jì)量信息,甚至導(dǎo)致己獲計(jì)量信 息的失真。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷與不足,以便完善的、能夠全 面獲取薄膜表面上各尺度層次起伏結(jié)構(gòu)的計(jì)量信息,提供了一種基于多尺度系統(tǒng)理論量 化表征具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征的薄膜表面形貌的新方法;該方法并能進(jìn)行分析評價與提取薄 膜表面計(jì)量信息。
本發(fā)明的基本思想是基于多尺度系統(tǒng)理論量化表征薄膜表面形貌的新方法,是將 多尺度系統(tǒng)理論引入到現(xiàn)有薄膜表面形貌表征技術(shù)中,并利用二維小波包分析(wavelet package analysis)方法來彌補(bǔ)與完善現(xiàn)有表面粗糙度方法的不足,同時又能與其兼容。 為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的,本發(fā)明采用以下措施構(gòu)成的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。 本發(fā)明基于多尺度系統(tǒng)理論量化表征具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征的薄膜表面形貌的方法,按 照本發(fā)明,依次包括以下工藝步驟
(1) 首先用掃描探針顯微鏡通過對薄膜樣品表面多級變換掃描,獲取一系列不同 掃描尺寸的薄膜表面形貌圖像;
(2) 利用多尺度系統(tǒng)分析工具來判定薄膜表面形貌是否具有多尺度特征,以及確 定薄膜表面起伏結(jié)構(gòu)的相應(yīng)的特征尺寸值;
(3) 利用二維小波包分析方法對薄膜表面形貌圖像執(zhí)行多尺度層次分解處理,得 到分解圖像組元;
(4) 將分解的圖像組元與上述步驟(2)中的特征尺寸值進(jìn)行尺度比對,以確定分 解圖像組元的重構(gòu)交割尺寸;
(5) 利用二維小波包逆變換分析方法對分解圖像組元進(jìn)行重構(gòu);
(6) 采用表面粗糙度方法對重構(gòu)圖像組元進(jìn)行計(jì)量評價。
上述技術(shù)方案中,所述對薄膜樣品表面的掃描尺寸其最小值為50 500nm;最大值 應(yīng)遠(yuǎn)大于薄膜表面起伏結(jié)構(gòu)的最大特征尺寸,通常為1 100 u m。
上述技術(shù)方案中,所述薄膜表面形貌各圖像的最大掃描尺寸間隔應(yīng)確保其各掃描圖像頻段的連續(xù)性,以便獲取薄膜表面形貌的全部信息,為此,可選擇掃描圖像的尺寸滿 足歷"冪指數(shù)關(guān)系,其中歷、"為整數(shù)。
上述技術(shù)方案中,所述利用多尺度系統(tǒng)分析工具來判定薄膜表面形貌是否具有多尺 度特征,以及確定薄膜表面起伏結(jié)構(gòu)的相應(yīng)的特征尺寸,所用多尺度系統(tǒng)分析工具為高 度-高度相關(guān)函數(shù),或功率譜密度分析,或高度差函數(shù)。
上述技術(shù)方案中,所述利用二維小波包分析方法執(zhí)行圖像的尺度層次分解處理,其 圖像分解的尺度層次由圖像的像素值決定,對于2M象素X2M象素的圖像,其最大分解尺 度層次為h
上述技術(shù)方案中,考慮到實(shí)驗(yàn)設(shè)備精度,通常圖像分解尺度層次為(A-5) (A-2)。 上述技術(shù)方案中,對于256像素X256像素的圖像,其最大分解尺度層次為8。 上述技術(shù)方案中,對于512像素X512像素的圖像,其最大分解尺度層次為9。 上述技術(shù)方案中,所述釆用二維小波包逆變換分析方法對分解圖像組元的重構(gòu),以
所述重構(gòu)交割尺寸點(diǎn)為界限,將兩個臨近的交割尺寸點(diǎn)之間的分解圖像組元進(jìn)行疊加,
由此得到不同特征尺度的重構(gòu)圖像。
上述技術(shù)方案中,所述表面粗糙度方法,其執(zhí)行的對象是重構(gòu)圖像,由此得到的是
薄膜表面上不同特征尺度起伏結(jié)構(gòu)的計(jì)量信息。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的技術(shù)特點(diǎn)及有益效果-
1、 本發(fā)明采用的多尺度系統(tǒng)理論量化表征薄膜表面形貌的方法及技術(shù)路線,克服 了目前采用表面粗糙度方法表征薄膜表面形貌只能描述沿薄膜表面法向的高度起伏,不 能夠反映沿薄膜表面橫向的幾何形態(tài)特征,進(jìn)而難以分辨具有不同特征尺度的薄膜表面 起伏結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。
2、 本發(fā)明方法克服了表面粗糙度方法缺乏多尺度分辨分析能力和不具備多尺度層 次化表征的缺點(diǎn)。
3、 本發(fā)明方法在執(zhí)行掃描圖像的分解時,分解尺度較細(xì)致,劃分尺度層次的間隔 不會過寬,因此在分析薄膜表面的微細(xì)起伏結(jié)構(gòu)時便能夠充分識別、分離與提取表面微 細(xì)起伏結(jié)構(gòu)等問題,最終可以全面獲取薄膜表面上各尺度層次起伏結(jié)構(gòu)的計(jì)量信息,從 而不會導(dǎo)致已獲計(jì)量信息的失真。
4、 本發(fā)明方法通過對薄膜表面形貌進(jìn)行更為細(xì)致的多尺度層次分析與評價,細(xì)化 與完整地揭示薄膜表面形貌特征,該方法尤為適合于對微納器件中薄膜材料表面形貌進(jìn) 行細(xì)致和完善地量化表征;并有望為微納器件產(chǎn)業(yè)中的薄膜表面形貌的評價提供完善的頁
行業(yè)測試標(biāo)準(zhǔn)。
圖1為本發(fā)明用于量化表征薄膜表面形貌的方法方框流程圖2為本發(fā)明用于量化表征薄膜表面形貌的方法對薄膜樣品表面形貌多級變換掃描 獲取的一系列不同掃描尺寸的AFM圖像示意圖3為本發(fā)明的高度-高度相關(guān)函數(shù)曲線示意圖4為本發(fā)明原始AFM圖像的分解圖像組元示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合流程圖,并用實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述,以下描述了當(dāng)前所考慮到的 用于執(zhí)行本發(fā)明的最佳實(shí)施例,旨在描述本發(fā)明的一般原理、方法及程序;但并非意味 著對本發(fā)明保護(hù)范圍的任何限定。
實(shí)施例
(1) 首先使用掃描探針顯微鏡通過對薄膜樣品表面多級變換掃描,獲取一系列不 同掃描尺寸的薄膜樣品表面形貌圖像
首先采用射頻磁控濺射工藝在Si單晶基片上沉積Cu膜,沉積工藝參數(shù)為本底真 空度5X10—5 Pa;濺射功率100W;基片溫度300 K;濺射Ar氣壓0.5Pa; Cu膜厚度 約200 nm。
根據(jù)圖1流程圖中步驟101,利用WET-SPM-9500J3型原子力顯微鏡(AFM)執(zhí)行對 上述Cu薄膜樣品的掃描。AFM設(shè)備的橫向極限分辨率為0. 2 nm,像素值為512像素X512 像素,但考慮到所用探針直徑約為10ran,過小的圖像掃描尺寸將導(dǎo)致嚴(yán)重的巻積效應(yīng), 使圖像失真。因此本實(shí)例選擇最小掃描尺寸為500 nm。而最大掃描尺寸選擇為4um, 其遠(yuǎn)大于薄膜表面起伏結(jié)構(gòu)的最大特征尺寸,薄膜表面起伏結(jié)構(gòu)的最大特征尺寸目測約 為85 105nm;這樣各圖像的最大掃描尺寸間隔能保證掃描圖像頻段的連續(xù)性,以便獲 取薄膜樣品表面形貌的全部信息,選擇各圖像的掃描尺寸滿足21倍關(guān)系;由此獲得500 nm、 lum、 2um 、 4um的4種不同掃描尺寸的AFM圖像,如圖2中201 204所示。
(2) 利用多尺度系統(tǒng)分析工具判定薄膜表面形貌是否具有多尺度特征以及薄膜表 面起伏結(jié)構(gòu)的相應(yīng)的特征尺寸值
根據(jù)圖1流程圖中步驟102,采用多尺度系統(tǒng)分析工具中的高度-高度相關(guān)函數(shù)[信 號分析與處理MATLAB語言及應(yīng)用.黃文梅等編著.長沙國防科技大學(xué)出版社.2000] 判定步驟101的掃描圖像是否具有多尺度特征,并確定相應(yīng)的特征尺寸值。對于薄膜表面形貌的高度-高度相關(guān)函數(shù)曲線,其通常包含與表面橫向距離相關(guān)和與表面橫向距離 不相關(guān)的兩部分組成。對于后者,當(dāng)為單一恒定斜率的直線時,如圖3中的301所示, 表明薄膜表面形貌具有單尺度特征,進(jìn)而可以采用表面粗糙度方法予以評價;而當(dāng)為多 段恒定斜率的直線組成時,表明薄膜表面形貌具有多尺度特征,如圖3中的302所示, 且各直線段的交點(diǎn)對應(yīng)為薄膜表面起伏結(jié)構(gòu)的特征尺寸,如圖3中的303所示。利用高 度-高度相關(guān)函數(shù)方法分析發(fā)現(xiàn),對掃描尺寸較大的AFM圖像,如圖3中的201和202, 它們的高度-高度相關(guān)曲線并未出現(xiàn)明顯多尺度特征;而掃描尺寸較小的圖像,如圖3 中203和204,表現(xiàn)出較為明顯的多尺度特征,這是由于較大掃描尺寸的AFM圖像不能 探測到薄膜表面微細(xì)起伏結(jié)構(gòu)。因此采用高度-高度相關(guān)函數(shù)方法對較小掃描尺寸的圖 像如圖3中的204進(jìn)行分析,結(jié)果表明,Cu膜具有多尺度效應(yīng),其表面形貌由兩種不同 特征尺度的起伏結(jié)構(gòu)組成,且它們的特征尺寸分別為98士12 nm、 31±5 nm。
(3) 利用小波包分析方法對圖像執(zhí)行多尺度層次分解
根據(jù)圖1流程圖中步驟103,采用二維小波包分析方法對較小掃描尺寸AFM圖像執(zhí) 行分解處理[基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)小波分析.胡昌華等編著.西安西安電 子科技大學(xué)出版社.1999],但考慮到巻積效應(yīng)導(dǎo)致的圖像失真,所以選擇分解尺度層 次為5。由此,Cu膜原始AFM圖像,如圖4中的401所示,便被分解成一系列具有不同 尺度層次的圖像組元,如圖4中的402 406所示。為了形象直觀,圖4中AFM圖像及 分解圖像組元以三維模式給出,其中,圖4中豎直黑條長度對應(yīng)于100 nin長度。
(4) 將分解的圖像組元與上述步驟(2)的特征尺寸值進(jìn)行尺度對比,確定分解圖 像組元的重構(gòu)交割尺寸
根據(jù)圖1流程圖中步驟104,利用高度-高度相關(guān)函數(shù)分析分解的圖像組元,各圖像 組元的高度-高度相關(guān)函數(shù)曲線類似于圖3中301所示,且與表面橫向距離相關(guān)和與表 面橫向距離不相關(guān)兩部分的交點(diǎn)即為圖像組元的特征尺度值,即圖像組元之間的臨界尺 寸。隨后,將各分解圖像組元的臨界尺寸與由原始AFM圖像確定的臨界尺寸值進(jìn)行對比, 發(fā)現(xiàn)Cu膜分解圖像組元,圖4中的405與406對應(yīng)于較小特征尺度的薄膜表面起伏結(jié) 構(gòu),而圖4中402 404對應(yīng)于較大特征尺度的薄膜表面起伏結(jié)構(gòu)。因此,選擇分解圖 像組元,圖4中404與405之間臨界尺寸為圖像組元重構(gòu)的分割點(diǎn)。
(5) 利用二維小波包逆變換分析方法對分解圖像組元進(jìn)行重構(gòu) 根據(jù)圖1流程圖中步驟105,采用二維小波包逆變換分析方法執(zhí)行重構(gòu)處理。以圖
像組元,圖4中404與405尺寸之間的尺寸分割點(diǎn)為界限,將圖像組元402、 403及404進(jìn)行疊加重構(gòu),而將405與406進(jìn)行疊加重構(gòu)。由此得到了表征較大特征尺寸與較小特 征尺寸兩種起伏結(jié)構(gòu)的重構(gòu)圖像。
(6)采用表面粗糙度方法對重構(gòu)圖像進(jìn)行計(jì)量評價
根據(jù)圖1流程圖中步驟106,對上述圖像組元402、 403及404進(jìn)行疊加重構(gòu)和圖像 組元405與406進(jìn)行疊加重構(gòu)的兩種重構(gòu)圖像,利用表面粗糙度方法執(zhí)行評價。結(jié)果測 得,Cu膜表面上較大特征尺寸起伏結(jié)構(gòu)的均方根粗糙度為22. 7 rim,而較小尺度表面起 伏結(jié)構(gòu)的均方根粗糙度為4. 7 nm。
為了比較本發(fā)明與表面粗糙度方法,本實(shí)例針對原始AFM圖像,直接采用表面粗糙 度方法進(jìn)行了評價,結(jié)果發(fā)現(xiàn),對掃描尺寸分別為500 nm、l"m、2"m、4um的 4種AFM圖像,測定的均方根粗糙度值分別為16. 5咖、19. 7 nm、 21. 3 nm與23. 5 nm。 因此不難發(fā)現(xiàn),由原始AFM圖像測定的粗糙度值包含了兩種不同特征尺度的表面起伏結(jié) 構(gòu)的共同貢獻(xiàn),而利用本發(fā)明能有效地對二者進(jìn)行區(qū)分和定量表征,從而更加準(zhǔn)確和完 善地描述了薄膜表面形貌。此外,假設(shè)薄膜表面起伏結(jié)構(gòu)的歸一化尺度為0 1、分解層 次為4,小波包變換方法在分解薄膜表面形貌圖像時的尺度范圍為1 0.5、 0.5 0.25、……、0.0625 0,而小波包分析方法的尺度范圍為:1 0.9375、 0.9375-0.825、……0.0625 0,可見后者對尺度劃分更為細(xì)致,從而能更加準(zhǔn)確和完善地分辨 與提取薄膜表面微細(xì)起伏結(jié)構(gòu)的特征。
雖然以上給出了較為典型的實(shí)施例,但是應(yīng)當(dāng)理解它僅僅以示例方式給出而不是用 于限制。例如,在本發(fā)明所述的掃描最大值1 100 u m與掃描最小值50 500 nm范圍 內(nèi),改變掃描探針顯微鏡的掃描尺寸,或采用功率譜密度分析與高度差函數(shù)等其它多尺 度系統(tǒng)分析工具都同樣能得到相同的表征結(jié)果。此外,雖然根據(jù)原子力顯微鏡描述了本 發(fā)明,但是可以使用其它類型的掃描探針顯微技術(shù)實(shí)踐本發(fā)明。
權(quán)利要求
1. 一種基于多尺度系統(tǒng)理論量化表征薄膜表面形貌的方法,其特征在于依次包括以下工藝步驟(1)首先用掃描探針顯微鏡通過對薄膜樣品表面多級變換掃描,獲取一系列不同掃描尺寸的薄膜表面形貌圖像;(2)利用多尺度系統(tǒng)分析工具來判定薄膜表面形貌是否具有多尺度特征,以及確定薄膜表面起伏結(jié)構(gòu)的相應(yīng)特征尺寸值;(3)利用二維小波包分析方法對薄膜表面形貌圖像執(zhí)行多尺度層次分解處理,得到分解圖像組元;(4)將分解的圖像組元與上述步驟(2)中的特征尺寸值進(jìn)行尺度比對,以確定分解圖像組元的重構(gòu)交割尺寸;(5)利用二維小波包逆變換分析方法對分解圖像組元進(jìn)行重構(gòu);(6)采用表面粗糙度方法對重構(gòu)圖像進(jìn)行計(jì)量評價。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表征薄膜表面形貌的方法,其特征在于所述對薄膜樣品表 面的掃描尺寸其最小值為50 500nm;最大值應(yīng)遠(yuǎn)大于薄膜表面起伏結(jié)構(gòu)的最大特征尺 寸,為1~100 um。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的表征薄膜表面形貌的方法,其特征在于選擇掃描圖像 的尺寸滿足加"冪指數(shù)關(guān)系,其中肌/7為整數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表征薄膜表面形貌的方法,其特征在于所述多尺度系統(tǒng)分 析工具為高度-高度相關(guān)函數(shù),或功率譜密度分析,或高度差函數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表征薄膜表面形貌的方法,其特征在于所述二維小波包分 析方法執(zhí)行圖像的分解處理,對于2"象素X2l象素的圖像,其最大分解尺度層次為A。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的表征薄膜表面形貌的方法,其特征在于所述分解尺度 層次選擇為a—5) "一2)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的表征薄膜表面形貌的方法,其特征在于對寧256像素 X256像素的圖像,其最大分解尺度層次為8。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的表征薄膜表面形貌的方法,其特征在于對于512像素 X512像素的圖像,其最大分解尺度層次為9。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表征薄膜表面形貌的方法,其特征在于所述二維小波包逆變換分析方法對分解圖像組元的重構(gòu),是以所述重構(gòu)交割尺寸點(diǎn)為界限,將兩個臨近的 交割尺寸點(diǎn)之間的分解圖像組元進(jìn)行疊加,由此得到不同特征尺度的重構(gòu)圖像。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表征薄膜表面形貌的方法,其特征在于所述的表面粗糙度方法執(zhí)行的對象是重構(gòu)圖像組元,由此得到的是薄膜表面上不同特征尺度起伏結(jié)構(gòu)的 計(jì)量信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于多尺度系統(tǒng)理論量化表征薄膜表面形貌的方法。該方法首先用掃描探針顯微鏡通過多級變換掃描尺寸獲取薄膜表面形貌圖像,再用多尺度系統(tǒng)分析工具判定薄膜表面形貌是否具有多尺度特征,確定薄膜表面起伏結(jié)構(gòu)的特征尺寸;然后針對具有多尺度特征的表面形貌圖像,利用二維小波包分析方法對其進(jìn)行多尺度層次分解;將分解圖像組元與前述的特征尺寸值進(jìn)行尺度比對,以確定分解圖像組元對應(yīng)的重構(gòu)交割尺寸,并由此對圖像組元進(jìn)行選擇與重構(gòu),得到不同特征尺度的薄膜表面起伏結(jié)構(gòu)圖像;最后利用表面粗糙度方法對重構(gòu)圖像執(zhí)行評價,獲取相關(guān)定量信息。該方法尤為適合于對微納器件中薄膜材料表面形貌進(jìn)行細(xì)致和完善地量化表征。
文檔編號G01N13/10GK101477022SQ20091005818
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月19日
發(fā)明者波 劉, 劉春海, 旭 尹, 楊吉軍, 淵 汪 申請人:四川大學(xué)