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

本文提出并實驗驗證了一種基于已知標準樣品的快速“樣品校準法”用于橢偏儀系統(tǒng)參數(shù)的反演與校正，并將校準后的單波長與光譜橢偏儀結合RCWA用于半導體工藝（薄膜厚度與刻蝕結構/CD）檢測，實驗最大厚度誤差約 2.6 ?，證明了方法在IC在線檢測中的可行性與優(yōu)越性。

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橢圓偏振測量術的原理

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橢圓偏振光產(chǎn)生示意圖

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

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橢偏測量的校準

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傳統(tǒng)橢偏校準法概覽

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

殘余函數(shù)法：RAE 系統(tǒng)中構造 R (P)=1-(α'2+β'2)，找最小值對應的 Ps；PSCRA 系統(tǒng)中構造 R?(P)、R?(P)，Δ=90° 時最敏感，Δ=0°/±180° 失效。

反正切校準法：構造 Θ?=?tan?1(β?'/α?')、Θ?=?tan?1(β?'/α?')，線性擬合求 Cs、A-As；Ψ=90°/Δ=90° 時失效。

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

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

采用雙區(qū)域校準法的實驗結果

（a）雙區(qū)域校準法測得的實驗數(shù)據(jù)及其擬合（b）Θ2函數(shù)值的分布

實驗：起偏器旋轉范圍 [-4°,4°]，間隔 0.5°，17 個數(shù)據(jù)點擬合。

結果：Ps=311.42°，Θ?平均值 - 35.6946°，計算 Cs=77.6137° 、A-As=-158.3084 °，A 值與人為放置位相差 0.8°。

新穎的標準樣品校準法

傳統(tǒng)方法缺陷：需頻繁調整光學元件，機械不穩(wěn)定 / 人為誤差影響精度；入射角人工測量誤差大，自動探測裝置結構復雜。

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

樣品校準法優(yōu)點及實施過程

用瓊斯/穆勒矩陣建模，若干光學參數(shù)（n、k、d）已知的標準樣品作為標定參考，實驗上通過旋轉起/檢偏器或補償器（如 PSCRA）對輸出光強做傅里葉分解，把儀器待校準參數(shù)作為未知量，提取諧項并用最小二乘/非線性擬合，同時求解儀器與樣品參數(shù)。該方法實現(xiàn)簡單、速度快、能把真實系統(tǒng)誤差內化，適合在線/生產(chǎn)線周期性校準；為降低多解與提高靈敏度，應通過合理的樣品選擇、增波長或增樣本數(shù)以及歸一化策略來增強擬合穩(wěn)定性，從而在非接觸、快速測量下實現(xiàn)薄膜與刻蝕結構的精密表征。

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單波長橢偏儀（SWE）— 模擬與實驗

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誤差函數(shù)對入射角的敏感性

實驗條件：7 個標準樣品（厚度 26.76-2894.40?，參考值由橢偏儀測得），波片轉速 1800°/s，采集頻率 20kHz。

校準參數(shù)結果：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°）。

厚度測量結果：最大誤差 2.6?（130.71? 樣品），超薄樣品（26.76?）誤差 3.6?（相對精度 13.5%），厚樣品（2894.40?）相對精度 0.09%。

誤差原因：薄樣品靈敏度不足、樣品氧化、參考厚度準確性。

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光譜橢偏儀—擴展與多波長優(yōu)勢

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橢偏儀測量現(xiàn)有樣品的厚度

利用 129.60 埃樣品校準得到的校準參數(shù)值

利用校準參數(shù)測得的樣品厚度值

實驗：無樣品（理論 Ψ=45°，Δ=0°），測量 598-616nm 波段。

結果：Ψ 波動 [45.02,45.10] 度，Δ 波動 [-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構檢測中的應用

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橢偏儀用于集成電路檢測原理框圖

利用 RCWA 建立溝槽模型

光譜橢系統(tǒng)測量偏集成電路結構結果

垂直入射系統(tǒng)測量集成電路結構結果

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

實驗（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；與垂直入射測量比較，總高度差僅 0.02 nm，但每層寬度差在 1–4 nm。

結論：光譜橢偏 + RCWA 在 CD/深度測量上表現(xiàn)良好，適合在線無損檢測場景。

基于標準樣品的橢偏儀校準方法，在單波長與光譜橢偏儀系統(tǒng)中驗證其可行性（單波長最大測量誤差 2.6?，光譜橢偏儀厚樣品相對誤差約 1.3%），并結合 RCWA 算法實現(xiàn)集成電路刻蝕結構（硅槽）的三維形貌檢測，為集成電路工藝在線檢測提供技術支撐。

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單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測量和分析光伏領域中單層或多層納米薄膜的層構參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

• 先進的旋轉補償器測量技術：無測量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進的光能量增強技術，高信噪比的探測技術。
• 秒級的全光譜測量速度：全光譜測量典型5-10秒。
• 原子層量級的檢測靈敏度：測量精度可達0.05nm。

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

原文參考：《橢偏儀在集成電路檢測中的應用》

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