CN113533785A - 基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量方法及系统 - Google Patents

基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量方法及系统 Download PDF

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CN113533785A CN202110829985.9A CN202110829985A CN113533785A CN 113533785 A CN113533785 A CN 113533785A CN 202110829985 A CN202110829985 A CN 202110829985A CN 113533785 A CN113533785 A CN 113533785A
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Abstract

本发明涉及一种基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量方法及系统。所述方法包括：利用扫描电子显微镜获取纳米线宽图像并提取其强度曲线；根据均值将强度曲线分解为多个子曲线；提取每个子曲线的特征向量，获得特征向量集合；采用k‑means算法对特征向量集合中的多个特征向量进行簇划分，获得只包含单个特征向量的簇；根据该簇确定线宽曲线；根据线宽曲线确定强度曲线基底的平均强度、线宽顶部强度以及中间线条宽度的强度；根据中间线条宽度的强度计算中间线宽宽度值。本发明方法及系统从自动化测量的角度出发，基于k‑means算法，通过曲线分解和特征提取，将线宽结构从强度曲线中自适应地识别出来，通过计算机实现了线宽的精确自动测量。

Description

基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量方法及系统
技术领域
本发明涉及纳米线宽自动测量技术领域，特别是涉及一种基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量方法。
背景技术
纳米线宽作为纳米几何量的物质载体，是实现纳米尺寸从中国国家计量部门的标准器件传递到实际生产制造中的重要传递介质，用来保障生产制造中量值的准确性，常用于扫描电镜、原子力显微镜、透射电镜、光学显微镜等纳米测量仪器的校准及溯源，有助于提高纳米测量仪器的准确度。
目前，基于扫描电子显微镜的纳米线宽测量中，一般采用手动的方法进行测量，即通过仪器自带的软件在图像中拉一条直线来测量线宽，其中线条是否垂直于线宽结构、线条的起始与结束位置是否在半高宽位置处等问题均不能精确获得，只能依赖于实验人员的经验，无法保证线宽测量的精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量方法及系统，以将线宽结构从强度曲线中自适应的识别出来，并且通过计算机实现线宽的精确自动测量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量方法，包括：
利用扫描电子显微镜获取纳米线宽图像；
提取所述纳米线宽图像中的强度曲线；
根据均值将所述强度曲线分解为多个独立的子曲线；
提取每个所述子曲线的特征向量，获得特征向量集合；所述征向量集合中包括多个所述子曲线对应的多个特征向量；
采用k-means算法对所述特征向量集合中的多个特征向量进行簇划分，获得只包含单个特征向量的簇；
根据所述只包含单个特征向量的簇确定线宽曲线；
根据所述线宽曲线确定强度曲线基底的平均强度和线宽顶部强度；
根据所述强度曲线基底的平均强度和所述线宽顶部强度确定中间线条宽度的强度；
根据所述中间线条宽度的强度计算中间线宽宽度值。
可选地，所述根据均值将所述强度曲线分解为多个独立的子曲线，具体包括：
采用公式
Figure BDA0003175160480000021
计算所述强度曲线的均值；其中mean为所述强度曲线的强度均值；N为所述强度曲线包含的数据点数量；I(j)为第j个数据点对应的强度；
根据所述均值mean将所述强度曲线分解为多个独立的子曲线。
可选地，所述提取每个所述子曲线的特征向量，获得特征向量集合，具体包括：
提取每个所述子曲线的特征向量pi＝[pi1,pi2]；其中pi为第i个子曲线的特征向量；pi1＝|Ipeak(i)-mean|为第i个子曲线的第一个特征；其中Ipeak(i)为第i个子曲线的峰值强度；pi2＝Epixel(i)-Spixel(i)为第i个子曲线的第二个特征；其中Spixel(i)为第i个子曲线的起始像素点；Epixel(i)为第i个子曲线的结束像素点；
根据所述子曲线的特征向量pi＝[pi1,pi2]确定特征向量集合
Figure BDA0003175160480000022
其中M为所述子曲线的数量。
可选地，所述根据线宽曲线确定强度曲线基底的平均强度，具体包括：
根据所述线宽曲线，采用公式
Figure BDA0003175160480000023
计算所述强度曲线基底的平均强度Ibottom；其中所述强度曲线基底为所述强度曲线中除所述线宽曲线以外的曲线部分；Nb为所述强度曲线基底中包含的数据点数量，Nb＝N-(Epixel(m)-Spixel(m))+1；其中Spixel(m)为所述线宽曲线的起始像素点，Epixel(m)为所述线宽曲线的结束像素点；xb为所述强度曲线基底的横坐标，xb＝[1,2,…,Spixel(m),Epixel(m),Epixel(m)+1,…,N]；xb(i)为所述强度曲线基底中第i个数据点对应的横坐标；I(xb(i))为横坐标xb(i)对应的强度；Nb为所述强度曲线基底中包含的数据点数量。
可选地，所述根据所述线宽曲线确定线宽顶部强度，具体包括：
采用曲线拟合方法拟合所述强度曲线，获得拟合强度曲线；
根据所述线宽曲线和所述拟合强度曲线确定第一峰值强度和第二峰值强度；
根据所述第一峰值强度Ipeak1和所述第二峰值强度Ipeak2，采用公式
Figure BDA0003175160480000031
计算所述线宽顶部强度Itop。
可选地，所述根据所述强度曲线基底的平均强度和所述线宽顶部强度确定中间线条宽度的强度，具体包括：
根据所述强度曲线基底的平均强度Ibottom和所述线宽顶部强度Itop，采用公式
Figure BDA0003175160480000032
确定所述中间线条宽度的强度Ihalf。
可选地，所述根据所述中间线条宽度的强度计算中间线宽宽度值，具体包括：
根据所述中间线条宽度的强度Ihalf确定第一像素点pixel1和第二像素点pixel2；
根据所述第一像素点pixel1和所述第二像素点pixel2，采用公式
Figure BDA0003175160480000033
计算所述中间线宽宽度值W；其中scale为所述纳米线宽图像中的标尺；Δpixel为所述标尺所跨越的像素点。
一种基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量系统，包括：
线宽图像获取模块，用于利用扫描电子显微镜获取纳米线宽图像；
强度曲线提取模块，用于提取所述纳米线宽图像中的强度曲线；
强度曲线分解模块，用于根据均值将所述强度曲线分解为多个独立的子曲线；
特征向量提取模块，用于提取每个所述子曲线的特征向量，获得特征向量集合；所述征向量集合中包括多个所述子曲线对应的多个特征向量；
特征向量划分模块，用于采用k-means算法对所述特征向量集合中的多个特征向量进行簇划分，获得只包含单个特征向量的簇；
线宽曲线确定模块，用于根据所述只包含单个特征向量的簇确定线宽曲线；
第一强度计算模块，用于根据所述线宽曲线确定强度曲线基底的平均强度和线宽顶部强度；
第二强度计算模块，用于根据所述强度曲线基底的平均强度和所述线宽顶部强度确定中间线条宽度的强度；
线宽宽度计算模块，用于根据所述中间线条宽度的强度计算中间线宽宽度值。
可选地，所述强度曲线分解模块具体包括：
强度均值计算单元，用于采用公式
Figure BDA0003175160480000041
计算所述强度曲线的均值；其中mean为所述强度曲线的强度均值；N为所述强度曲线包含的数据点数量；I(j)为第j个数据点对应的强度；
强度曲线分解单元，用于根据所述均值mean将所述强度曲线分解为多个独立的子曲线。
可选地，所述特征向量提取模块具体包括：
特征向量提取单元，用于提取每个所述子曲线的特征向量pi＝[pi1,pi2]；其中pi为第i个子曲线的特征向量；pi1＝|Ipeak(i)-mean|为第i个子曲线的第一个特征；其中Ipeak(i)为第i个子曲线的峰值强度；pi2＝Epixel(i)-Spixel(i)为第i个子曲线的第二个特征；其中Spixel(i)为第i个子曲线的起始像素点；Epixel(i)为第i个子曲线的结束像素点；
特征向量集合确定单元，用于根据所述子曲线的特征向量pi＝[pi1,pi2]确定特征向量集合
Figure BDA0003175160480000051
其中M为所述子曲线的数量。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的一种基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量方法及系统，所述方法包括：利用扫描电子显微镜获取纳米线宽图像并提取所述纳米线宽图像中的强度曲线；根据均值将所述强度曲线分解为多个独立的子曲线；提取每个所述子曲线的特征向量，获得特征向量集合；所述征向量集合中包括多个所述子曲线对应的多个特征向量；采用k-means算法对所述特征向量集合中的多个特征向量进行簇划分，获得只包含单个特征向量的簇；根据所述只包含单个特征向量的簇确定线宽曲线；根据所述线宽曲线确定强度曲线基底的平均强度和线宽顶部强度；根据所述强度曲线基底的平均强度和所述线宽顶部强度确定中间线条宽度的强度；根据所述中间线条宽度的强度计算中间线宽宽度值。本发明方法及系统从自动化测量的角度出发，基于k-means算法，通过曲线分解和特征提取，将线宽结构从强度曲线中自适应地识别出来，通过计算机实现了线宽的精确自动测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量方法的流程图；
图2为本发明一种基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量方法的一具体实施例的160nm线宽显微图像示意图；
图3为本发明一种基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量方法的一具体实施例的沿与线宽垂直的方向提取强度曲线的示意图；
图4为本发明一种基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量方法的一具体实施例的显微图像中标记位置的强度曲线原始图；
图5为本发明一种基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量方法的一具体实施例的强度曲线原始图滤波和校平后的曲线图；
图6为本发明的一种基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量方法的一具体实施例的强度曲线分解以及子曲线特征示意图；
图7为本发明的一种基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量方法的一具体实施例的k-means算法迭代过程中簇划分结果图；其中图7(a)为第一次迭代的簇划分结果图；图7(b)为第五次迭代的簇划分结果图；图7(c)为第七次迭代的簇划分结果图；图7(d)为第八次迭代的簇划分结果图；
图8为本发明的一种基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量方法的一具体实施例的自适应提取出的线宽曲线示意图；
图9为本发明的一种基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量方法的一具体实施例的纳米线宽测量示意图；
图10为本发明一种基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量系统的结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量方法及系统，以将线宽结构从强度曲线中自适应的识别出来，并且通过计算机实现线宽的精确自动测量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明一种基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量方法的流程图。如图1所示，本发明提供的一种基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量方法包括：
步骤101：利用扫描电子显微镜获取纳米线宽图像。
本发明利用扫描电子显微镜获取纳米线宽的图像，每幅图像仅包含一条线宽结构，如图2所示。图2和图3中EHT、WD、Mag、SignalA、Date和Time均为扫描电子显微镜拍摄图片时的参数，其中EHT表示高压，WD表示景深，Mag表示放大倍数，SignalA＝InLens表示探测器类型，Date表示日期，Time表示时间。
步骤102：提取所述纳米线宽图像中的强度曲线。
如图3所示，沿与线宽垂直的方向提取图像中的强度曲线，得到的原始强度曲线如图4所示。对图4中的原始强度曲线进行滤波和校平，处理后的强度曲线记为I，如图5所示。强度曲线I中所包含的数据点数记为N。强度曲线I的横坐标为x＝[1,2,…,N]，纵坐标为强度。
步骤103：根据均值将所述强度曲线分解为多个独立的子曲线。
均值mean的计算公式如下：
Figure BDA0003175160480000071
其中mean为所述强度曲线I的强度均值；N为所述强度曲线包含的数据点数量；I(j)为第j个数据点对应的强度。
利用均值mean对强度曲线I进行分解，按照过均值点将曲线分解为M个独立的子曲线。即，只要某段最短曲线的起始点和终止点对应的强度均大于或小于均值mean，则该段曲线即为一个独立的子曲线。记录各个子曲线的起始像素点Spixel(i)、结束像素点Epixel(i)、以及子曲线的峰值强度Ipeak(i)，其中i为子曲线的序号，i＝1,…,M。
步骤104：提取每个所述子曲线的特征向量，获得特征向量集合。所述征向量集合中包括多个所述子曲线对应的多个特征向量。
提取每个子曲线的特征向量pi＝[pi1,pi2]。其中pi1为第i个子曲线的第一个特征，表示第i个子曲线的最大强度(峰值强度)与均值mean之间的距离，即pi1＝|Ipeak(i)-mean|。pi2为第i个子曲线的第二个特征，表示第i个子曲线横跨的像素数，pi2＝Epixel(i)-Spixel(i)。
M个子曲线提取的M个特征向量所组成的特征向量集合D为：
Figure BDA0003175160480000081
即，所述步骤104提取每个所述子曲线的特征向量，获得特征向量集合，具体包括：
提取每个所述子曲线的特征向量pi＝[pi1,pi2]；其中pi为第i个子曲线的特征向量；pi1＝|Ipeak(i)-mean|为第i个子曲线的第一个特征；其中Ipeak(i)为第i个子曲线的峰值强度；pi2＝Epixel(i)-Spixel(i)为第i个子曲线的第二个特征；其中Spixel(i)为第i个子曲线的起始像素点；Epixel(i)为第i个子曲线的结束像素点；
根据所述子曲线的特征向量pi＝[pi1,pi2]确定特征向量集合
Figure BDA0003175160480000082
其中M为所述子曲线的数量。
步骤105：采用k-means算法对所述特征向量集合中的多个特征向量进行簇划分，获得只包含单个特征向量的簇。
将特征向量集合D输入到k-means算法(k＝2)中，迭代结束后输出簇划分C＝{C1,C2}。比较簇C1和簇C2中包含的特征向量数量，选取只包含一个特征向量的簇，该簇中的单个特征向量记为pm。
步骤106：根据所述只包含单个特征向量的簇确定线宽曲线。
在所述步骤106中，确定所述单个特征向量记为pm所对应的子曲线为所述线宽曲线。
由于强度曲线分解时已记录了每个子曲线的位置，并对其进行了编号，这样在k-means输出簇划分后，通过编号、位置索引，很容易就可判断线宽所对应的子曲线，即可实现曲线中线宽的自动提取。
步骤107：根据所述线宽曲线确定强度曲线基底的平均强度和线宽顶部强度。
根据所述线宽曲线确定强度曲线基底，其中所述强度曲线基底为所述强度曲线中除所述线宽曲线以外的曲线部分。
强度曲线I基底的平均强度Ibottom计算如下：
Figure BDA0003175160480000091
其中，Nb为基底包含的数据点数，Nb＝N-(Epixel(m)-Spixel(m))+1；Spixel(m)为线宽曲线的起始像素点，Epixel(m)为线宽曲线的结束像素点。xb为基底的横坐标，xb＝[1,2,…,Spixel(m),Epixel(m),Epixel(m)+1,…,N]。xb(i)为基底中第i个数据点对应的横坐标；I(xb(i))为横坐标xb(i)对应的强度。
利用样条插值等方法拟合强度曲线I，获得拟合强度曲线记为I'，拟合强度曲线I'所包含的数据点数记为N'。则线宽顶部强度Itop计算如下：
Figure BDA0003175160480000092
其中，S1＝Spixel(m)，S2＝E1＝(Spixel(m)+Epixel(m))/2，E2＝Epixel(m)。I′(S1:E1)表示点S1到点E1之间的每个数据点所对应的拟合强度曲线I'上的强度，I′(S2:E2)表示点S2到点E2之间的每个数据点所对应的拟合强度曲线I'上的强度。Ipeak1为找到的第一峰值强度，Ipeak2为第二峰值强度。
记录Ipeak1的横坐标x1，Ipeak2的横坐标x2。
因此，所述步骤107根据所述线宽曲线确定强度曲线基底的平均强度和线宽顶部强度，具体包括：
根据所述线宽曲线，采用公式
Figure BDA0003175160480000093
计算所述强度曲线基底的平均强度Ibottom；其中所述强度曲线基底为所述强度曲线中除所述线宽曲线以外的曲线部分；xb(i)为所述强度曲线基底中第i个数据点对应的横坐标；I(xb(i))为横坐标xb(i)对应的强度；Nb为所述强度曲线基底中包含的数据点数量；
采用曲线拟合方法拟合所述强度曲线，获得拟合强度曲线；
根据线宽曲线和所述拟合强度曲线确定第一峰值强度和第二峰值强度；
根据所述第一峰值强度Ipeak1和所述第二峰值强度Ipeak2，采用公式
Figure BDA0003175160480000101
计算所述线宽顶部强度Itop。
步骤108：根据所述强度曲线基底的平均强度和所述线宽顶部强度确定中间线条宽度的强度。
中间线条宽度的强度Ihalf计算如下：
Figure BDA0003175160480000102
步骤109：根据所述中间线条宽度的强度计算中间线宽宽度值。
在{[1,x1]U[x2,N]}范围内，搜索满足公式(6)的点，分别记其横坐标为pixel1和pixel2。
Figure BDA0003175160480000103
其中I′(i)表示拟合强度曲线I'中第i个数据点对应的拟合强度，I′(i+1)表示拟合强度曲线I'中第i+1个数据点对应的拟合强度。
则中间线宽宽度值W计算如下：
Figure BDA0003175160480000104
其中，scale为图像中的标尺，Δpixel为标尺所跨越的像素点。
则中间线宽宽度值W即为线宽的最终测量值。
由于原始测量所获得图像由离散点组成，且点数有限，在计算Ihalf时，搜索出的点距离Ihalf存在较大的误差。本发明方法在步骤107中对曲线进行拟合，可极大的降低该误差，从而提高测量精度。
为了更清楚地说明本发明方法的原理和应用过程，下面举一具体实施例进一步说明本发明基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量方法。本发明实施例可用任何编程语言实现，并在相应的计算机上运行。
假设已利用扫描电子显微镜获取线宽的显微图像，如图2所示，通过以下步骤对该图像进行处理，从中提取线宽结构并进行测量：
首先，沿与线宽垂直的方向提取强度曲线(参见图3和图4)，并进行滤波和校平，得到预处理后的强度曲线I，如图5所示。
然后按上述步骤，对强度曲线I进行分解得到M＝107个子曲线，并记录和存储各个子曲线的起始像素点Spixel(i)、结束像素点Epixel(i)以及峰值Ipeak(i)。
提取各个子曲线的特征向量pi＝[pi1,pi2]＝[|Ipeak(i)-mean|,Epixel(i)-Spixel(i)]，获得强度曲线的特征向量集合D＝[p1,p2,…,p107]T。强度曲线分解以及子曲线特征如图6所示。
将特征向量集合D＝[p1,p2,…,p107]T输入到k-means算法中，第九次迭代停止，输出簇划分C＝{C1,C2}。其中C1＝{p58}，C2＝{p1,p2,…,p57,p59,p60,…,p107}，迭代过程中第1、5、7、8次迭代的簇划分结果如图7所示。则，特征向量p58对应的子曲线即为线宽曲线，如图8所示。该线宽曲线的起始像素点Spixel(58)＝441、结束像素点Epixel(58)＝654。
根据公式(3)计算Ibottom＝75.1；根据公式(4)计算Itop＝172.6；根据公式(5)计算Ihalf＝123.9。纳米线宽测量如图9所示。
在{[1,487]U[647,1024]}范围内搜索到满足公式(6)的点的横坐标为pixel1＝482.2和pixel2＝651.0；显微图像中标尺scale＝100nm，对应的像素跨度Δpixel＝101，根据公式(7)可计算出线宽W＝167.1nm。
本发明公开的一种基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量方法，将扫描电子显微镜获得的图像转换为强度曲线，利用均值将曲线分解为多个独立的子曲线，并对每一个子曲线进行特征提取；通过k-means算法，以特征向量为输入，簇划分为输出，实现图像中线宽的自适应提取，最后以中间线条的宽度W作为线宽的最终测量值，提高了纳米线宽的测量精度。
基于本发明的方法，本发明还提供一种基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量系统，如图10所示，所述系统包括：
线宽图像获取模块201，用于利用扫描电子显微镜获取纳米线宽图像；
强度曲线提取模块202，用于提取所述纳米线宽图像中的强度曲线；
强度曲线分解模块203，用于根据均值将所述强度曲线分解为多个独立的子曲线；
特征向量提取模块204，用于提取每个所述子曲线的特征向量，获得特征向量集合；所述征向量集合中包括多个所述子曲线对应的多个特征向量；
特征向量划分模块205，用于采用k-means算法对所述特征向量集合中的多个特征向量进行簇划分，获得只包含单个特征向量的簇；
线宽曲线确定模块206，用于根据所述只包含单个特征向量的簇确定线宽曲线；
第一强度计算模块207，用于根据所述线宽曲线确定强度曲线基底的平均强度和线宽顶部强度；
第二强度计算模块208，用于根据所述强度曲线基底的平均强度和所述线宽顶部强度确定中间线条宽度的强度；
线宽宽度计算模块209，用于根据所述中间线条宽度的强度计算中间线宽宽度值。
其中，所述强度曲线分解模块203具体包括：
强度均值计算单元，用于采用公式
Figure BDA0003175160480000121
计算所述强度曲线的均值；其中mean为所述强度曲线的强度均值；N为所述强度曲线包含的数据点数量；I(j)为第j个数据点对应的强度；
强度曲线分解单元，用于根据所述均值mean将所述强度曲线分解为多个独立的子曲线。
所述特征向量提取模块204具体包括：
特征向量提取单元，用于提取每个所述子曲线的特征向量pi＝[pi1,pi2]；其中pi为第i个子曲线的特征向量；pi1＝|Ipeak(i)-mean|为第i个子曲线的第一个特征；其中Ipeak(i)为第i个子曲线的峰值强度；pi2＝Epixel(i)-Spixel(i)为第i个子曲线的第二个特征；其中Spixel(i)为第i个子曲线的起始像素点；Epixel(i)为第i个子曲线的结束像素点；
特征向量集合确定单元，用于根据所述子曲线的特征向量pi＝[pi1,pi2]确定特征向量集合
Figure BDA0003175160480000131
其中M为所述子曲线的数量。
所述第一强度计算模块207具体包括：
平均强度计算单元，用于根据所述线宽曲线，采用公式
Figure BDA0003175160480000132
计算所述强度曲线基底的平均强度Ibottom；其中所述强度曲线基底为所述强度曲线中除所述线宽曲线以外的曲线部分；Nb为所述强度曲线基底中包含的数据点数量，Nb＝N-(Epixel(m)-Spixel(m))+1；其中Spixel(m)为所述线宽曲线的起始像素点，Epixel(m)为所述线宽曲线的结束像素点；xb为所述强度曲线基底的横坐标，xb＝[1,2,…,Spixel(m),Epixel(m),Epixel(m)+1,…,N]；xb(i)为所述强度曲线基底中第i个数据点对应的横坐标；I(xb(i))为横坐标xb(i)对应的强度；Nb为所述强度曲线基底中包含的数据点数量；
曲线拟合单元，用于采用曲线拟合方法拟合所述强度曲线，获得拟合强度曲线；
峰值强度确定单元，用于根据所述线宽曲线和所述拟合强度曲线确定第一峰值强度和第二峰值强度；
顶部强度计算单元，用于根据所述第一峰值强度Ipeak1和所述第二峰值强度Ipeak2，采用公式
Figure BDA0003175160480000133
计算所述线宽顶部强度Itop。
所述第二强度计算模块208具体包括：
强度计算单元，用于根据所述强度曲线基底的平均强度Ibottom和所述线宽顶部强度Itop，采用公式
Figure BDA0003175160480000134
确定所述中间线条宽度的强度Ihalf。
所述线宽宽度计算模块209具体包括：
像素点确定单元，用于根据所述中间线条宽度的强度Ihalf确定第一像素点pixel1和第二像素点pixel2；
线宽宽度计算单元，用于根据所述第一像素点pixel1和所述第二像素点pixel2，采用公式
Figure BDA0003175160480000141
计算所述中间线宽宽度值W；其中scale为所述纳米线宽图像中的标尺；Δpixel为所述标尺所跨越的像素点。
综上，本发明一种基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量方法及系统至少具有以下优点：
(1)实现线宽自动提取。该优点源于方法步骤103～106及对应的系统模块203～206。因为强度曲线分解时已记录了每个子曲线的位置，并对其进行了编号；k-means输出簇划分后，很容易就可判断线宽所对应的子曲线，通过编号、位置索引，即可实现曲线中线宽的自动提取。
(2)线宽精确测量。该优点源于方法步骤107及对应的系统模块207。因为原始测量所获得图像为离散点组成，且点数有限，在计算Ihalf时，搜索出的点距离Ihalf存在较大的误差；对曲线进行拟合可极大的降低该误差，从而提高线宽的测量精度。
因此，本发明方法及系统从自动化测量的角度出发，基于k-means算法，通过曲线分解和特征提取，将线宽结构从强度曲线中自适应的识别出来，通过计算机实现了线宽的精确、自动测量。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量方法，其特征在于，包括：
利用扫描电子显微镜获取纳米线宽图像；
提取所述纳米线宽图像中的强度曲线；
根据均值将所述强度曲线分解为多个独立的子曲线；
提取每个所述子曲线的特征向量，获得特征向量集合；所述征向量集合中包括多个所述子曲线对应的多个特征向量；
采用k-means算法对所述特征向量集合中的多个特征向量进行簇划分，获得只包含单个特征向量的簇；
根据所述只包含单个特征向量的簇确定线宽曲线；
根据所述线宽曲线确定强度曲线基底的平均强度和线宽顶部强度；
根据所述强度曲线基底的平均强度和所述线宽顶部强度确定中间线条宽度的强度；
根据所述中间线条宽度的强度计算中间线宽宽度值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据均值将所述强度曲线分解为多个独立的子曲线，具体包括：
采用公式
Figure FDA0003175160470000011
计算所述强度曲线的均值；其中mean为所述强度曲线的强度均值；N为所述强度曲线包含的数据点数量；I(j)为第j个数据点对应的强度；
根据所述均值mean将所述强度曲线分解为多个独立的子曲线。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述提取每个所述子曲线的特征向量，获得特征向量集合，具体包括：
提取每个所述子曲线的特征向量pi＝[pi1,pi2]；其中pi为第i个子曲线的特征向量；pi1＝|Ipeak(i)-mean|为第i个子曲线的第一个特征；其中Ipeak(i)为第i个子曲线的峰值强度；pi2＝Epixel(i)-Spixel(i)为第i个子曲线的第二个特征；其中Spixel(i)为第i个子曲线的起始像素点；Epixel(i)为第i个子曲线的结束像素点；
根据所述子曲线的特征向量pi＝[pi1，pi2]确定特征向量集合
Figure FDA0003175160470000021
其中M为所述子曲线的数量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述线宽曲线确定强度曲线基底的平均强度，具体包括：
根据所述线宽曲线，采用公式
Figure FDA0003175160470000022
计算所述强度曲线基底的平均强度Ibottom；其中所述强度曲线基底为所述强度曲线中除所述线宽曲线以外的曲线部分；Nb为所述强度曲线基底中包含的数据点数量，Nb＝N-(Epixel(m)-Spixel(m))+1；其中Spixel(m)为所述线宽曲线的起始像素点，Epixel(m)为所述线宽曲线的结束像素点；xb为所述强度曲线基底的横坐标，xb＝[1，2，...，Spixel(m)，Epixel(m)，Epixel(m)+1，...，N]；xb(i)为所述强度曲线基底中第i个数据点对应的横坐标；I(xb(i))为横坐标xb(i)对应的强度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述线宽曲线确定线宽顶部强度，具体包括：
采用曲线拟合方法拟合所述强度曲线，获得拟合强度曲线；
根据所述线宽曲线和所述拟合强度曲线确定第一峰值强度和第二峰值强度；
根据所述第一峰值强度Ipeak1和所述第二峰值强度Ipeak2，采用公式
Figure FDA0003175160470000023
计算所述线宽顶部强度Itop。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述强度曲线基底的平均强度和所述线宽顶部强度确定中间线条宽度的强度，具体包括：
根据所述强度曲线基底的平均强度Ibottom和所述线宽顶部强度Itop，采用公式
Figure FDA0003175160470000031
确定所述中间线条宽度的强度Ihalf。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述中间线条宽度的强度计算中间线宽宽度值，具体包括：
根据所述中间线条宽度的强度Ihalf确定第一像素点pixel1和第二像素点pixel2；
根据所述第一像素点pixel1和所述第二像素点pixel2，采用公式
Figure FDA0003175160470000032
计算所述中间线宽宽度值W；其中scale为所述纳米线宽图像中的标尺；Δpixel为所述标尺所跨越的像素点。
8.一种基于扫描电子显微镜的纳米线宽自适应测量系统，其特征在于，包括：
线宽图像获取模块，用于利用扫描电子显微镜获取纳米线宽图像；
强度曲线提取模块，用于提取所述纳米线宽图像中的强度曲线；
强度曲线分解模块，用于根据均值将所述强度曲线分解为多个独立的子曲线；
特征向量提取模块，用于提取每个所述子曲线的特征向量，获得特征向量集合；所述征向量集合中包括多个所述子曲线对应的多个特征向量；
特征向量划分模块，用于采用k-means算法对所述特征向量集合中的多个特征向量进行簇划分，获得只包含单个特征向量的簇；
线宽曲线确定模块，用于根据所述只包含单个特征向量的簇确定线宽曲线；
第一强度计算模块，用于根据所述线宽曲线确定强度曲线基底的平均强度和线宽顶部强度；
第二强度计算模块，用于根据所述强度曲线基底的平均强度和所述线宽顶部强度确定中间线条宽度的强度；
线宽宽度计算模块，用于根据所述中间线条宽度的强度计算中间线宽宽度值。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述强度曲线分解模块具体包括：
强度均值计算单元，用于采用公式
Figure FDA0003175160470000041
计算所述强度曲线的均值；其中mean为所述强度曲线的强度均值；N为所述强度曲线包含的数据点数量；I(j)为第j个数据点对应的强度；
强度曲线分解单元，用于根据所述均值mean将所述强度曲线分解为多个独立的子曲线。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述特征向量提取模块具体包括：
特征向量提取单元，用于提取每个所述子曲线的特征向量pi＝[pi1,pi2]；其中pi为第i个子曲线的特征向量；pi1＝|Ipeak(i)-mean|为第i个子曲线的第一个特征；其中Ipeak(i)为第i个子曲线的峰值强度；pi2＝Epixel(i)-Spixel(i)为第i个子曲线的第二个特征；其中Spixel(i)为第i个子曲线的起始像素点；Epixel(i)为第i个子曲线的结束像素点；
特征向量集合确定单元，用于根据所述子曲线的特征向量pi＝[pi1,pi2]确定特征向量集合
Figure FDA0003175160470000042
其中M为所述子曲线的数量。
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