Carli, Lorenzo

Afhandlingen vedrører den metrologiske anvendelse af tredimensional Scanning Electron Microscopy (3D-SEM) til koordinatmåling på nanometer skala. Relevansen af 3D-SEM, der baseres på stereofotogrammetri, fremhæves her i forhold til andre tilgængelige måleteknikker, og en række problemstillinger vedrørende måleusikkerhedsestimering diskuteres. De nyeste udviklinger indenfor mikro- og nanometrologien, såvel maskiner som teknikker, beskrives i forhold til deres fordele og begrænsninger. Den vigtige anvendelse af multisensor- og multiorientering-teknikker for geometriske rekonstruktioner diskuteres på baggrund af et eksperimentelt eksempel. Ligeledes diskuteres metodologien i forbindelse med sammenstykning af punktskyer samt de nyeste algoritmer for uddragning af geometriske elementer. Det teoretiske grundlag for stereopar-teknikken beskrives. Teknikken baseres på tredimensionale rekonstruktioner ud fra to billeder taget under en given vinkel opnået ved at tilte SEM-mikroskopets emneholder. De forskellige trin i stereofotogrammetrien beskrives, og de vigtigste fejlkilder behandles for både 2D- og 3D-SEM målinger. En usikkerhedsestimering foretages i overensstemmelse med ISO GUM, idet en holistisk tilgang anvendes til at kvantificere indflydelsen fra de forskellige fejlkilder på stereopar-rekonstruktionsproceduren. En kalibreret måletråd anvendes som praktisk eksempel. Medens stereopar-billeder almindeligvis opnås ved tiltning af emneholderen, præsenteres her en ny fremgangsmåde baseret på rotation af emnet i SEM-mikroskopets vakuumkammer, som er egnet for emner med cylindrisk form. Denne fremgangsmåde muliggør målinger ved multiorientering og derved rekonstruktion af hele emnets geometri. De vigtigste fejlkilder, som identificeres og behandles i forbindelse med rekonstruktioner i 3D-SEM er: Sammenstykning af punktskyer, uddragning af geometriske elementer, indstilling af instrumentets parametre samt billedkvalitet. En sammenligning af resultater fra en teoretisk og en eksperimentel estimering af måleusikkerheden ved brug af stereopar-teknikken præsenteres. Fejlkildernes effekter kvantificeres gennem en række eksperimentelle undersøgelser gennemført ved anvendelse af statistisk forsøgsplanlægning (Design of Experiment – DOE). I en opsamlingstabel præsenteres usikkerhedsbudgetter for rekonstruktioner efter multiorientering udført ved anvendelse af 3D-SEM på tre cylindriske emner: To forskellige måletråde og en hypodermisk nål. I afhandlingens sidste del præsenteres arbejdet med fremstilling og anvendelse af en ny type multistep referenceemne for kalibrering af z-aksen i et 3D-SEM. Eksperimentelle resultater af de forskellige stephøjde-værdier opnået ud fra 3D-SEM rekonstruktioner sammenlignes med referenceværdier fra kalibrering ved brug af et sporbart tastinstrument samt med resultater fra et Infinite Focus instrument.The present work deals with a study concerning 3D-SEM metrology as a tool for coordinate measurements at the nanometer scale. The relevance of 3D-SEM, based on stereophotogrammetry technique, has been highlighted with respect to the other measuring instruments nowadays available and the main issues to be addressed concerning uncertainty evaluation have been discussed. Most recent developments in the field of micro and nano-metrology, in terms of measuring machines and techniques, are described pointing out advantages and limitations. The importance of multi-sensor and multi-orientation strategy for geometrical reconstructions is discussed through an experimental example, together with point cloud stitching methodology and the currently used algorithms for feature extraction. Theoretical basis of stereo-pair technique, based on two SEM images obtained by tilting the SEM stage of a desired amount, leading to 3D reconstructions, are given and the main phases involved in stereophotogrammetry technique are described underlying the most relevant error sources in the case of 2D and 3D-SEM metrology. An uncertainty evaluation has been thus carried out in accordance with ISO GUM, following a holistic approach, to quantify the influence of the different error sources on the stereo-pair reconstruction procedure. As a case study, a wire gauge with a known reference diameter has been employed. Although stereo-pairs are more commonly obtained trough a SEM stage tilting, a new methodology has been developed based on object rotations inside the SEM chamber, since the item under consideration had a cylindrical shape. This technique permits multi-orientation measurements enabling the reconstruction of the complete object geometry. The main error sources considered, when performing 3D-SEM reconstructions, are point cloud processing and feature extraction, instrument setting parameters and image quality. Moreover, a comparison of the results obtained trough a theoretical and an experimental uncertainty evaluation of stereo-pair technique has been performed. All these effects have been quantified through a series of experimental investigations often based on the Design of Experiments (DOE) approach. A final uncertainty budget table has been produced for the case of multi-orientation reconstructions obtained by applying 3D-SEM technique to three cylindrical items: two reference wire gauges and a hypodermic needle. In the last part of the work, the development and application of two novel multiplestep heights artefacts, intended for 3D-SEM calibration, is addressed. Experimental results of the different step-height values, measured from 3D-SEM reconstructions, are compared with the calibrated ones obtained from reference measurements performed by means of stylus profilometer and with measurements carried out using an Infinite Focus instrument

Online Research Database In Technology

3D-SEM Metrology for Coordinate Measurements at the Nanometer Scale

http://orbit.dtu.dk/ws/files/5571492/Loca_PhDThesis_revised.pdf

3D-SEM Metrology for Coordinate Measurements at the Nanometer Scale

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology