一种微波探针扫描图像的后期处理方法

1.本技术涉及微观物体表面结构无损检测技术领域，具体涉及提高微波探针扫描成像质量的方法。


背景技术：

2.近场扫描微波显微成像技术是利用近场扫描微波显微镜探针通过逐行扫描微观尺度范围内待测样品的电磁特性参数，从而对待测样品表面进行成像。
3.由于近场微波采用倏逝波(evanescent wave)作为发射信号，其在自由空间中的指数衰减特性使扫描成像的清晰度主要受探测距离(即探针与样本之间距离)影响。
4.成像技术在扫描实验之前需要设定好探针与待测样品的距离。探针扫描成像过程是探针不动，待测样品水平移动。一般而言，待测样品为功能性器件，表面一般具有一定的高度差。探针扫描此类样本时候，探针与待测样品的距离越远，样品的安全性越高；但是，探针与待测样品的距离越远，图像清晰越差，甚至不能被辨识。
5.现有技术中扫描探针在实际测量样品的时候，理想情况是保持扫描探针和待测样品之间的距离不变，然后依次测量样品的所有区域；但是因为样品的表面凹凸不平的影响，在样品的移动过程中，扫描探针和样品之间的距离就会产生变化，使得扫描清晰度发生变化，后期成像后会造成部分区域不清晰的问题。现有方法在获得扫描数据后进行降噪滤波处理后再绘图成像，此方法的缺点是只过滤掉图像中的高斯噪声，没有引入新的信息量改进图像清晰度，图像中模糊的区域也未得到改善，图像整体质量仍然较差。


技术实现要素：

6.本发明解决现有技术中存在的：因无法在扫描过程中精确保证扫描探针与样品之间的距离，从而带来最终成像部分区域不清晰的问题，从而提供一种能提高微波探针扫描成像质量的方法。
7.本技术通过下述技术方案实现：一种微波探针扫描图像的后期处理方法，该方法包括：
8.步骤1：根据样品的特性对所有可能的样品进行分类，对每一类样品进行如下操作；
9.步骤1.1：在同类样品中选择一个，找到该样品的均匀电特性的区域，将该区域置于微波探针下，从相对距离z为0开始，一直变化到最大值，相对距离测量变化过程中的谐振频率fr，得到该样品的谐振频率与探针样品相对距离之间的函数关系fr＝f(z)；
10.步骤1.2：采用步骤1.1相同的方法得到该类样品中其余多个样品谐振频率和探针样品相对距离之间的函数关系；
11.步骤1.3：将步骤1.1和步骤1.2得到的同一类所有样品的谐振频率与探针样品相对距离之间的函数关系fr＝f(z)进行平均化处理，得到该类样品的平均谐振频率与探针样品相对距离之间的函数关系；
12.步骤1.4：采用步骤1.1到步骤1.3的方法得到所有分类样品的平均谐振频率与探针样品相对距离之间的函数关系；
13.步骤2：数据修正；
14.步骤2.1：根据步骤1的样品分类，确定待测样品所属的分类；根据该分类选取步骤1对应的平均谐振频率与探针样品相对距离之间的函数关系；
15.步骤2.2：实际测量过程中，首先探针对待测样品所有区域进行点扫描成像，扫描过程中获得每个点的谐振频率；
16.步骤2.3：根据该谐振频率和步骤2.1选取的平均谐振频率与探针样品相对距离之间的函数关系，计算得到此次扫描中每个点的探针与样品之间的相对距离；
17.步骤2.4：根据步骤2.3得到的相对距离和该类样品最佳成像距离之间的差值对步骤2.2扫描时获取的成像图像进行修正。
18.进一步的，步骤2.3中修正方法为：
19.步骤2.3.1：步骤2.2获取的图像为imag1＝fr(x,y,zc)，(x,y,zc)分别立体坐标系三个方向对应的值；该图像探针与待测样品之间的实际距离为z
′
＝fr-1
(x,y,fr)；
20.步骤2.3.2：寻找一个常数b或修正函数b(x,y)使z
″
＝z
′‑
b落在最佳成像区间，z
″
＝z
′‑
b(x,y)落在最佳成像点；
21.步骤2.3.3：则修正后图像为imag2＝fr(x,y,z
″
)。
22.本技术在探针针尖与待测样品的远距离的条件下，将扫描得到的待测样品的模糊图像反演到清晰图像。该方法是求解出待测样品距离远的模糊图像与距离近的清晰图像(同一待测样品)之间的映射关系，将待测样品距离远的模糊图像代入到该映射关系反演出清晰图像。该方法的优点是基本不改变电特性分布的同时还能使图像清晰度得到提高，进一步可以拓展预设定的针尖与样本距离的合理范围。本发明可以应用于表面凹凸不平的薄膜、细胞、光刻掩膜板、芯片等表面形貌成像。
附图说明
23.图1为本发明简化的流程示意图；图中，利用探针面扫描获取谐振频率分布的模糊图像；利用探针点扫描获取模糊图像与清晰图像之间的映射关系；将模糊图像代入映射关系求出清晰图像，清晰图像等效为近距离扫描得到的谐振频率分布图像。
24.图2为实施例1中通过光学显微镜观察到的扫描针尖与待测样品的图。
25.图3为实施例1中对同一位置(其他电特性均匀位置都可)(x0,y0,0)的点扫描的和之间用originlab软件进行拟合得到的映射关系fr＝fr(x0,y0,z)函数式。
26.图4为实施例1中映射关系自变量与因变量互换得到的z＝fr-1
(x0,y0,fr)函数图像。
27.图5为实施例1中探针针尖与待测样本为远距离(在110um左右)时面扫描测量得到的图像fr＝fr(x,y,zc)。
28.图6为实施例1中经过映射变换后得到的修正谐振频率分布图像，其中，新的图像物理意义是探针针尖与待测样本为近距离(在15um左右)时扫描的图像fr＝fr(x,y,z
″
)。
具体实施方式
29.本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了相互排斥的特质和/或步骤以外，均可以以任何方式组合，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换，即，除非特别叙述，每个特征为一系列等效或类似特征中的一个实施例而已。
30.参见图1，本技术众多实施例中的一种微波探针扫描图像的后期处理方法，其涉及的测量装置包括谐振腔及与谐振腔耦合的探针，包括以下步骤：
31.步骤一：测量装置的位移部件是三台移动步径为亚微米量级的电机，三台步径电机以相互垂直的方式组装，其中两台作为底座，样品台嵌在垂直放置的步径电机上，探针针尖不动，控制三台步径电机的位移矢量，探针针尖即可以扫描到样品台的任意位置。设定坐标轴，控制探针针尖恰好触碰到样品台表面的中心，以此时的中心为坐标系原点o，xoy面为此时的样品台表面，x、y正方向分别为底座两个步径机的正移动方向，垂直于xoy面的坐标轴为z轴，垂直于样品台表面的探针一侧为z轴正方向；(x，y，z)是三维直角系坐标；通过移动样品台，使得探针针尖可以到达以样品台为参考系下的空间上任意一点；
32.控制待测样品从起始位置(x0,y0,0)沿z轴向z轴正方向移动，在移动过程中测量得到一组z值和相对应的值fr，当待测样品移动到预定终止位置时停止移动，预定终止位置的坐标记为(x0，y0，zm)；其中，x0、y0、zm均为常数，zm为探针针尖到待测样品所处xoy平面的垂直距离；每次点扫描结果为一组
33.和向量；
34.步骤二：用originlab软件进行拟合得到和之间的映射函数，函数式用(1)式表示，求得(1)的反函数得到(2)式，根据(1)式的函数图像判断得到成清晰的图像的近距离区间ⅰ[0,d1]；其中，fr(x0,y0,z)表示在水平面点p0(x0,y0,0)处，探针沿着z轴正方向移动过程中fr和z的函数关系；
[0035]
fr＝fr(x0,y0,z)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0036]
z＝fr-1
(x0,y0,fr)
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0037]
(1)式中，z为变量；
[0038]
(2)式中，fr为变量；
[0039]
步骤三：调整探针针尖与待测样品所在的表面之间的距离z至距离zc，zc指待测样品在水平面任意移动都不会撞到探针针尖的安全距离；zc大于样品表面结构的最大高度落差δz
max
，针尖不移动，待测样品在xoy平面内做x-y水平移动，通过面扫描得到待测样品所在表面的所有坐标点的谐振频率分布图像，谐振频率分布图像用(3)式表示；其中，谐振频率分布图像表示为待测样品所在的表面与探针针尖之间的安全距离为zc时用谐振腔的谐振频率表征的待测样品所在表面的电磁学特征图像，一般测量结果为模糊图像；
[0040]
imag1＝fr(x,y,zc)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0041]
(3)式中，x、y为变量；
[0042]
步骤四：将扫描测量所得谐振频率分布图像的每个像素点的谐振频率代入到(2)
式中计算得到，待测样品所在表面的、与测量所得谐振频率分布图像的每个点一一对应的z坐标点，与探针针尖之间的真实距离z
′
，前述每个点的真实距离的集合用(4)式表示；
[0043]z′
＝fr-1
(x,y,fr)#(4)
[0044]
步骤五：取一常数b值使得(5)式的每一个值落入近距离区间，将(5)式的每一个值z〞代入到(1)式中，得到待测样品所在表面的所有坐标点的修正谐振频率分布图像，修正谐振频率分布图像用(6)式表示；
[0045]z″
＝z
′‑bꢀꢀꢀ
(5)
[0046]
imag2＝fr(x,y,z
″
)
ꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0047]
步骤六：用matlab软件绘制修正谐振频率分布图像，所绘制的图像为近距离扫描的图像。
[0048]
本技术的方法对光刻掩模板进行扫描成像，包括以下步骤：
[0049]
(1)选择待测样品，选取光刻掩膜板的局部区域，该区域范围是190um*95um，刻有“uestc”的字母图样，其余部分是铜金属膜；
[0050]
(2)按照图2，选取中心位置上的点(x0,y0,0)(该点是金属膜)，对其进行扫描测量，求出所测量得到的探针针尖与样品表面距离fr和z数据；
[0051]
(3)用软件进行拟合得到fr和z之间的函数关系fr(x0,y0,z)，以及自变量和因变量相互转换得到z＝fr-1
(x0,y0,fr)，函数图像如图3和图4所示；观察判断出曲线的拐点在25um左右，因此可以扫描出清晰图像的距离范围区间ⅰ[0,d1]在0～40um之间；
[0052]
(4)调整探针针尖与掩膜板中心距离至z＝110um，进行面扫描得到的待测样品所在表面的所有点的谐振频率分布图像fr(x,y,z)
|z＝110um
如图5所示；“uestc”字母的辨识度不高，边界不明显；
[0053]
(5)将谐振频率分布图像中每个像素点的谐振频率值代入到点扫描的映射关系的z＝fr-1
(x0,y0,fr)，就求出每个点对应的z
′
(x,y)；
[0054]
(6)设定b＝85um，使z
″
(x,y)＝z
′
(x,y)-b每一个值落入近场区间[0um,45um]内，把z
″
(x,y)代入到映射关系fr＝fr(x0,y0,z)得到待测样品所在表面的所有点的修正谐振频率分布图像fr＝fr(x,y,z
″
)；
[0055]
(7)重新绘制修正谐振频率分布图像fr＝fr(x,y,z)，如图6所示，uestc字母清晰可见，字母边界明显，图像清晰度获得极大增强。电特性分布实际上是探针针尖距离样本平均距离为25um内的成像结果，所以该方法未改变实际的电特性分布从而提高清晰度。
[0056]
以上所述，仅是本技术的较佳实施例，并非对本技术做任何形式上的限制，凡是依据本技术的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本技术的保护范围。