橢偏術(shù)因其高靈敏度、非接觸與在線測(cè)量能力，已成為薄膜與IC工藝檢測(cè)的重要手段。但儀器的準(zhǔn)確性依賴系統(tǒng)中偏振元件與幾何參數(shù)的精確校準(zhǔn)，且在工業(yè)環(huán)境中這些參數(shù)會(huì)隨時(shí)間與環(huán)境漂移變化——因此需要快速、簡(jiǎn)單且準(zhǔn)確的校準(zhǔn)方法以維持儀器性能。傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法（如雙區(qū)域法）在實(shí)施上復(fù)雜且不易在生產(chǎn)線上周期性重復(fù)。Flexfilm全光譜橢偏儀可以非接觸對(duì)薄膜的厚度與折射率的高精度表征，廣泛應(yīng)用于薄膜材料、半導(dǎo)體和表面科學(xué)等領(lǐng)域。

本文提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種基于已知標(biāo)準(zhǔn)樣品的快速“樣品校準(zhǔn)法”用于橢偏儀系統(tǒng)參數(shù)的反演與校正，并將校準(zhǔn)后的單波長(zhǎng)與光譜橢偏儀結(jié)合RCWA用于半導(dǎo)體工藝（薄膜厚度與刻蝕結(jié)構(gòu)/CD）檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)最大厚度誤差約 2.6 ?，證明了方法在IC在線檢測(cè)中的可行性與優(yōu)越性。

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橢圓偏振測(cè)量術(shù)的原理

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橢圓偏振光產(chǎn)生示意圖

橢偏測(cè)量通過(guò)偏振光在樣品表面對(duì) p、s 分量的不同反射引起的振幅比與相位差來(lái)反演樣品的 n、k、d。

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橢偏測(cè)量的校準(zhǔn)

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傳統(tǒng)橢偏校準(zhǔn)法概覽

（a）（b）殘余函數(shù)法（c）區(qū)域差異函數(shù)法（d）雙區(qū)域校準(zhǔn)法

殘余函數(shù)法：RAE 系統(tǒng)中構(gòu)造 R (P)=1-(α'2+β'2)，找最小值對(duì)應(yīng)的 Ps；PSCRA 系統(tǒng)中構(gòu)造 R?(P)、R?(P)，Δ=90° 時(shí)最敏感，Δ=0°/±180° 失效。

反正切校準(zhǔn)法：構(gòu)造 Θ?=?tan?1(β?'/α?')、Θ?=?tan?1(β?'/α?')，線性擬合求 Cs、A-As；Ψ=90°/Δ=90° 時(shí)失效。

區(qū)域差異函數(shù)法：用四階傅里葉系數(shù)構(gòu)造 Φ?(P)，Δ=0°/±180° 時(shí)靈敏度高，Ψ=45°/Δ=90° 時(shí)失效。

雙區(qū)域校準(zhǔn)法：在 Ps 和 Ps+π/2 附近旋轉(zhuǎn)起偏器，擬合兩條 Θ?(P) 直線，交點(diǎn)為 Ps；需樣品存在，Ψ≠45°。

采用雙區(qū)域校準(zhǔn)法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（a）雙區(qū)域校準(zhǔn)法測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其擬合（b）Θ2函數(shù)值的分布

實(shí)驗(yàn)：起偏器旋轉(zhuǎn)范圍 [-4°,4°]，間隔 0.5°，17 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合。

結(jié)果：Ps=311.42°，Θ?平均值 - 35.6946°，計(jì)算 Cs=77.6137° 、A-As=-158.3084 °，A 值與人為放置位相差 0.8°。

新穎的標(biāo)準(zhǔn)樣品校準(zhǔn)法

傳統(tǒng)方法缺陷：需頻繁調(diào)整光學(xué)元件，機(jī)械不穩(wěn)定 / 人為誤差影響精度；入射角人工測(cè)量誤差大，自動(dòng)探測(cè)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

樣品校準(zhǔn)法思路：利用已知 n、k、d 的標(biāo)準(zhǔn)樣品，通過(guò)光強(qiáng)傅里葉系數(shù) + 最小二乘法反演系統(tǒng)參數(shù)（P、A、Cs、δ、θ?）。

樣品校準(zhǔn)法優(yōu)點(diǎn)及實(shí)施過(guò)程

用瓊斯/穆勒矩陣建模，若干光學(xué)參數(shù)（n、k、d）已知的標(biāo)準(zhǔn)樣品作為標(biāo)定參考，實(shí)驗(yàn)上通過(guò)旋轉(zhuǎn)起/檢偏器或補(bǔ)償器（如 PSCRA）對(duì)輸出光強(qiáng)做傅里葉分解，把儀器待校準(zhǔn)參數(shù)作為未知量，提取諧項(xiàng)并用最小二乘/非線性擬合，同時(shí)求解儀器與樣品參數(shù)。該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、速度快、能把真實(shí)系統(tǒng)誤差內(nèi)化，適合在線/生產(chǎn)線周期性校準(zhǔn)；為降低多解與提高靈敏度，應(yīng)通過(guò)合理的樣品選擇、增波長(zhǎng)或增樣本數(shù)以及歸一化策略來(lái)增強(qiáng)擬合穩(wěn)定性，從而在非接觸、快速測(cè)量下實(shí)現(xiàn)薄膜與刻蝕結(jié)構(gòu)的精密表征。

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單波長(zhǎng)橢偏儀（SWE）— 模擬與實(shí)驗(yàn)

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誤差函數(shù)對(duì)入射角的敏感性

實(shí)驗(yàn)條件：7 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品（厚度 26.76-2894.40?，參考值由橢偏儀測(cè)得），波片轉(zhuǎn)速 1800°/s，采集頻率 20kHz。

校準(zhǔn)參數(shù)結(jié)果：P 平均值 132.14°（SD=0.15°）、A=-9.67°（SD=0.15°）、Cs=53.03°（SD=0.17°）、δ=90.003°（SD=0.001°）、θ?=68.19°（SD=0.23°）。

厚度測(cè)量結(jié)果：最大誤差 2.6?（130.71? 樣品），超薄樣品（26.76?）誤差 3.6?（相對(duì)精度 13.5%），厚樣品（2894.40?）相對(duì)精度 0.09%。

誤差原因：薄樣品靈敏度不足、樣品氧化、參考厚度準(zhǔn)確性。

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光譜橢偏儀—擴(kuò)展與多波長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)

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橢偏儀測(cè)量現(xiàn)有樣品的厚度

利用 129.60 埃樣品校準(zhǔn)得到的校準(zhǔn)參數(shù)值

利用校準(zhǔn)參數(shù)測(cè)得的樣品厚度值

實(shí)驗(yàn)：無(wú)樣品（理論 Ψ=45°，Δ=0°），測(cè)量 598-616nm 波段。

結(jié)果：Ψ 波動(dòng) [45.02,45.10] 度，Δ 波動(dòng) [-0.06,0.30] 度，符合理論。

誤差原因：起偏器 / 檢偏器角度誤差、光學(xué)器件缺陷、空氣濕度。

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光譜橢偏儀在集成電路刻蝕結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的應(yīng)用

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橢偏儀用于集成電路檢測(cè)原理框圖

利用 RCWA 建立溝槽模型

光譜橢系統(tǒng)測(cè)量偏集成電路結(jié)構(gòu)結(jié)果

垂直入射系統(tǒng)測(cè)量集成電路結(jié)構(gòu)結(jié)果

方法：將光譜橢偏測(cè)得的四條傅里葉系數(shù)譜（α2, α4, β2, β4）與 RCWA 建庫(kù)擬合相結(jié)合，直接反演周期性刻蝕槽的層高、層寬與深度。

實(shí)驗(yàn)（周期 T=90 nm，總深度 ~100 nm 的硅槽）：擬合率總體 ~96.4%（242–1000 nm，紫外區(qū)擬合較差），得出分層模型；與垂直入射測(cè)量比較，總高度差僅 0.02 nm，但每層寬度差在 1–4 nm。

結(jié)論：光譜橢偏 + RCWA 在 CD/深度測(cè)量上表現(xiàn)良好，適合在線無(wú)損檢測(cè)場(chǎng)景。

基于標(biāo)準(zhǔn)樣品的橢偏儀校準(zhǔn)方法，在單波長(zhǎng)與光譜橢偏儀系統(tǒng)中驗(yàn)證其可行性（單波長(zhǎng)最大測(cè)量誤差 2.6?，光譜橢偏儀厚樣品相對(duì)誤差約 1.3%），并結(jié)合 RCWA 算法實(shí)現(xiàn)集成電路刻蝕結(jié)構(gòu)（硅槽）的三維形貌檢測(cè)，為集成電路工藝在線檢測(cè)提供技術(shù)支撐。

Flexfilm全光譜橢偏儀

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全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測(cè)單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測(cè)量和分析光伏領(lǐng)域中單層或多層納米薄膜的層構(gòu)參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

• 先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器測(cè)量技術(shù)：無(wú)測(cè)量死角問(wèn)題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測(cè)量：先進(jìn)的光能量增強(qiáng)技術(shù)，高信噪比的探測(cè)技術(shù)。
• 秒級(jí)的全光譜測(cè)量速度：全光譜測(cè)量典型5-10秒。
• 原子層量級(jí)的檢測(cè)靈敏度：測(cè)量精度可達(dá)0.05nm。

Flexfilm全光譜橢偏儀能非破壞、非接觸地原位精確測(cè)量超薄圖案化薄膜的厚度、折射率,結(jié)合費(fèi)曼儀器全流程薄膜測(cè)量技術(shù)，助力半導(dǎo)體薄膜材料領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展。

原文參考：《橢偏儀在集成電路檢測(cè)中的應(yīng)用》

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