纳米结构几何参数广义成像椭偏测量理论与方法研究

The optical scatterometry has currently become one of the important approaches for in-line metrology of geometric parameters of nanostructures in mass-production nanomanufacturing. Conventional scatterometry techniques can only obtain the mean geometric parameter values in the illumination region, and cannot acquire the microscopic variation of geometric parameters less than the illumination region. In addition, conventional scatterometry techniques can only perform monospot test. Therefore, the sample stage must be moved spot-by-spot in order to obtain the distribution of geometric parameters in a large area. Consequently, the final test efficiency will be greatly reduced. Accordingly, in this project, we propose to conduct the exploratory research of theory and method for nanostructure metrology using generalized imaging ellipsometry (GIE). We will take full advantage of the rich information contained in the imaging Mueller matrix measured by GIE, and emphasize on the fundamental theories and key techniques in nanostructure metrology using GIE, such as the fast optical modeling of nanostructures, the optimal configuration of measurement conditions, the robust extraction of geometric parameters and measurement uncertainty estimation. It is expected that the exploratory research in this project can be applied to accurately and timely reconstruct the three-dimensional microscopic profile of the test sample in the large area encompassing the whole field of view, and will offer theoretical bases for the in-depth understanding of nanostructure metrology using GIE, and will provide a large-area, fast, low-cost, nondestructive and precise measurement method for the in-line process monitoring in mass-production nanomanufacturing.

光学散射仪目前已经发展成为批量化纳米制造中纳米结构几何参数在线测量的一种重要手段。传统光学散射测量技术只能获得光斑照射区内待测参数的平均值，而对于小于光斑照射区内样品的微小变化难以准确分析。此外，由于其只能进行单点测试，必须要移动样品台进行扫描才能获得大面积区域内待测参数的分布信息，从而严重影响测试效率。为此，本项目提出开展纳米结构广义成像椭偏测量理论与方法的探索性研究。将充分利用广义成像椭偏仪所测得的成像Mueller矩阵中包含的丰富测量信息，着重研究并解决广义成像椭偏测量中的纳米结构快速光学特性建模、测量条件优化配置、几何参数鲁棒提取与不确定度评估等基础理论与关键技术问题，实现包括整个视场的大面积区域内纳米结构三维显微形貌的准确实时重构，为深入认识和解释基于广义成像椭偏仪的纳米结构测量提供理论基础，为批量化纳米制造中的在线工艺监控提供一种大面积、快速、低成本、非破坏性的精确测量新方法。

光学散射仪目前已经发展成为批量化纳米制造中纳米结构几何参数在线测量的一种重要手段。传统光学散射测量技术只能获得光斑照射区内待测参数的平均值，而对于小于光斑照射区内样品的微小变化难以准确分析。此外，由于其只能进行单点测试，必须要移动样品台进行扫描才能获得大面积区域内待测参数的分布信息，从而严重影响测试效率。为此，本项目开展了纳米结构广义成像椭偏测量理论与方法的探索性研究，并取得了以下重要研究成果：.(1) 系统研究了广义成像椭偏测量中的纳米结构快速光学特性建模、测量条件优化配置、几何参数鲁棒提取等基础理论与关键技术问题。提出一种减基-边界元纳米结构快速光学特性建模方法，计算效率为传统边界元方法的数倍至数十倍；构建了基于多目标遗传算法的测量条件优化配置策略，实现了广义成像椭偏测量条件的优化配置；提出一种启发式库搜索结合鲁棒修正的参数提取方法，提高了参数提取的准确度；.(2) 自主研制了一套光谱型广义成像椭偏仪原理样机，可以实现400~700nm波长范围内全部4×4阶成像穆勒矩阵的快速准确测量，单波长条件下成像穆勒矩阵测量时间~10s，单个像素尺寸5.86μm×5.86μm（总共1936×1216个像素），成像区域不小于5 mm×5mm，系统横向分辨率优于30μm，全部成像区域和全光谱范围内穆勒矩阵元素的测量精确度与准确度均优于0.01。.(3) 利用研制的广义成像椭偏仪首次实现了纳米压印工艺中硅基光栅模板、光刻工艺中光刻胶光栅结构、以及闪存工艺中典型深刻蚀沟槽纳米结构的大面积准确测量。实验结果表明，广义成像椭偏仪既可以实现单像素大小照明光斑区域内光谱穆勒矩阵的准确测量与分析，也可以快速准确地重构出大面积区域内待测纳米结构具有像素大小横向分辨率的三维显微形貌。.项目所研制的广义成像椭偏仪既具有传统广义椭偏仪测量信息全、光谱灵敏度高的优势，同时又具有显微成像技术高空间分辨率的优点，有望为批量化纳米制造中纳米结构几何参数提供一种大面积、快速、低成本、非破坏性精确测量新途径。