基于穆勒矩阵椭偏仪的纳米结构测量研究进展

纳米制造是指产品特征尺寸为纳米量级的制造技术，在批量化制造过程中有必要对纳米结构三维形貌实现快速、低成本、非破坏性的精确测量。目前实现纳米结构三维形貌测量的主要手段包括扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)等，但是速度慢、成本高，特别是难以集成到工艺线。因此，发展新的纳米光学测量理论、方法及仪器具有十分重要的意义。

在国家自然科学基金重大研究计划“纳米制造基础研究”培育项目“基于广义椭偏仪的纳米结构三维形貌测量理论与方法研究”和首批国家重大科学仪器设备开发专项“宽光谱广义椭偏仪设备开发”支持下，数字制造装备与技术国家重点实验室刘世元教授及其研究团队在基于穆勒矩阵椭偏仪的纳米结构测量理论与方法、仪器研制与应用等方面展开了深入研究。主要研究进展包括：

1、提出了面向纳米制造的计算测量(Computational Metrology)创新思想。

将计算测量定义为“对复杂测量过程进行建模计算并通过测量仪器在一定观测条件下获得观测数据，然后通过逆问题精确求解以获得待测参数的一种测量方法”，指出其本质是一种基于模型的测量技术。构建了计算测量的概念体系与理论框架，包括待测参数、观测条件、观测数据、正向传递特性模型、测量结果等基本要素，如图1所示，初步探讨了其中的若干基础科学问题与关键技术难题。

2、系统研究了纳米结构光学特性建模理论及其快速精确求解方法，揭示了严格耦合波分析(RCWA)算法收敛级次与建模参数之间的联系，给出了算法收敛级次的估计方法；提出一种修正等效介质近似(CEMA)理论，解决了传统等效介质理论中近似后求解精度与求解速度之间的矛盾，如图2所示。提出了一种基于支持向量机(SVM)的纳米结构形貌参数识别与重构新方法，极大提高了纳米结构参数的重构精度和速度。提出了一种基于鲁棒统计学原理的纳米结构形貌重构新方法，抑制了非正态分布测量误差对迭代结果的影响，极大提高了参数重构的准确度。先后提出了基于误差插值和基于搜索修正的库匹配新方法，解决了传统库匹配算法参数提取准确度受光谱库网格间距限制的问题。提出了一种基于全局灵敏度分析和配置误差传递矩阵的测量配置优化方法，实现了光学散射测量条件的最优化配置。理论上给出了光学散射测量中的广义一阶误差传递公式及测量不确定评估公式，揭示了基于广义椭偏仪的纳米结果测量中的误差传播机理。

3、解决了复杂消色差补偿器设计、双旋转补偿器同步控制、微光斑探测光路设计、仪器系统精密校准算法等关键技术难题，研制成功国内第一台宽光谱广义椭偏仪设备，如图3所示。仪器设备各项性能指标均已达到国际先进水平：可以一次性获得全部16个Mueller矩阵元素；波长范围200~1000 nm；入射角范围45~90°；单点测量时间1~8 s；100nm厚度SiO2标准薄膜样件重复测量误差< 0.002 nm (1σ)。仪器设备核心技术具有完全自主知识产权。

4、基于所提出的计算测量理论与方法，利用自主研制的宽光谱广义椭偏仪设备，首次针对30nm电子束光刻样件、具有自然粗糙度形貌的光刻胶样件等典型周期性纳米结构开展了大量探索性应用实验研究，如图4和图5所示。国际上首次发现了纳米压印光栅测量中的退偏现象并解释了其产生机理，通过充分考虑退偏效应，不仅大幅提高测量准确度，而且可以直接测量残胶厚度不均匀性参数，如图6所示。这些研究结果表明，基于全穆勒矩阵光谱测量的广义椭偏仪可以集成到大批量纳米制造生产线上，特别适合于大面积纳米制造过程的非破坏性、在线、精确测量。

以上研究成果已发表在Appl. Phys. Lett., Opt. Express, J. Appl. Phys., Thin Solid Films, J. Opt. Soc. Am. A, Appl. Opt., Measurement, J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS, Opt. Eng.等期刊，被SPIE Fellow、OSA Fellow、美国Clemson大学Johnson教授等国际知名学者正面引用和评述。申请国际发明专利2件、国内发明专利22件（已获授权发明专利8件），引起国内外学者的广泛关注。刘世元教授先后受邀在第6届IEEE微纳米工程和分子系统国际会议(NEMS 2011)、第10届国际测量委员会(ICMI)测量技术与智能仪器国际会议(ISMTII 2011)、第6届SPIE精密机械测量国际会议(ISPMM 2013)、第9届SPIE精密工程测量与仪器国际会议(ISPEMI 2014)、第13届CIRP计算机辅助公差国际会议(CAT 2014)、2014半导体技术国际会议(CSTIC 2014)、2014国际薄膜会议(ThinFilm 2014)、第17届全国凝聚态光学性质会议、第15届全国光学测试学术交流会等重要国际国内学术会议上做大会特邀报告或邀请报告，并成功组织举办了“第一届全国椭圆偏振光谱学研讨会”，促进了偏振光谱学在我国的普及和发展。2014年，刘世元教授指导的博士生陈修国的博士学位论文《基于广义椭偏仪的纳米结构测量理论与方法研究》获第四届“上银优秀机械博士论文奖”佳作奖，博士生杜卫超的学术报告《穆勒矩阵成像椭偏仪在纳米结构测量中的应用》获“第一届全国椭圆偏振光谱学研讨会”大会最佳报告奖。

（供稿：唐小琦   编辑：龚珣）