隨著半導(dǎo)體器件特征尺寸持續(xù)縮小，局部結(jié)構(gòu)變化易影響電學(xué)性能甚至導(dǎo)致失效，對(duì)高空間密度、高吞吐量的先進(jìn)計(jì)量技術(shù)需求迫切。但現(xiàn)有技術(shù)存在局限：光譜類技術(shù)（SR / SE / MMSE）需逐點(diǎn)測(cè)量，難以實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)快速計(jì)量；SEM分辨率高卻視場(chǎng)小，無法高效識(shí)別大范圍結(jié)構(gòu)變化；傳統(tǒng)成像類技術(shù)視場(chǎng)窄且穆勒矩陣組件利用不足。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。

研究提出超寬視場(chǎng)成像穆勒矩陣光譜橢偏儀（IMMSE），其20mm×20mm視場(chǎng)為當(dāng)前最大，空間分辨率6.5μm，可獲超1000萬條穆勒矩陣光譜，經(jīng)信號(hào)校正保全視場(chǎng)一致性，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)全晶圓高密度計(jì)量，數(shù)據(jù)量、吞吐量分別超SEM1987倍、662倍，能識(shí)別DRAM結(jié)構(gòu)空間變化以助良率提升。

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工作原理

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IMMSE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工藝流程

光學(xué)設(shè)計(jì)：系統(tǒng)采用寬帶光源和單色儀，通過定制照明光學(xué)實(shí)現(xiàn)65°入射角下大區(qū)域的均勻照明。成像模塊采用Offner反射式結(jié)構(gòu)，有效最小化色差和幾何畸變。

偏振測(cè)量：通過雙旋轉(zhuǎn)偏振器（PSG和PSA）操控和分析光的偏振態(tài)，獲取樣品在不同偏振組合下的響應(yīng)。

數(shù)據(jù)采集：在一次測(cè)量中，系統(tǒng)能捕獲覆蓋整個(gè)視場(chǎng)的高光譜圖像立方體，包含超過1000萬個(gè)像素點(diǎn)的強(qiáng)度信息，進(jìn)而計(jì)算出每個(gè)像素點(diǎn)的3×3穆勒矩陣（MM）光譜。

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系統(tǒng)信號(hào)失真校正

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a. 相對(duì)透射率（RT）示意圖；b. 矩陣重構(gòu)示意圖；c. 波長(zhǎng)為 405nm 時(shí)，PSG 旋轉(zhuǎn)角度分別為 0°、90°、180° 和 270° 條件下得到的PSG因子；、e. 全波長(zhǎng)與全偏振條件下PSG 因子的均值（μ）和標(biāo)準(zhǔn)差（σ）；f. 在與圖 c 相同的波長(zhǎng)和偏振條件下得到的 PSA 因子；g、h. 全波長(zhǎng)與全偏振條件下PSA因子的均值（μ）和標(biāo)準(zhǔn)差（σ）

a. 數(shù)據(jù)分析示意圖；b. （A）、（B）、（C）對(duì)應(yīng)的所有穆勒矩陣元素結(jié)果；其中（B）和（C）反映的是視場(chǎng)中心與其他區(qū)域的光譜誤差

在如此大的視場(chǎng)內(nèi)，光學(xué)部件（如偏振器）的性能不均勻性會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真，即視場(chǎng)中心與邊緣的測(cè)量結(jié)果不一致。為此，本研究引入了“系統(tǒng)因子”校正算法。該算法通過測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)樣品（如裸硅片），定量表征并補(bǔ)償了整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中與位置、波長(zhǎng)和偏振相關(guān)的相對(duì)透射率（RT）變化。結(jié)果表明，校正后：

相對(duì)于理論MM光譜的誤差降低了94%。

視場(chǎng)內(nèi)的光譜變異降低了73%。

這確保了在整個(gè)20 mm×20 mm視場(chǎng)內(nèi)，任何一點(diǎn)的MM光譜都是高度可靠和一致的。

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機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的空間密集量測(cè)

擁有海量且可靠的MM光譜數(shù)據(jù)后，本研究采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法（嶺回歸）建立模型。該模型利用少量傳統(tǒng)工具（如SEM）的參考測(cè)量值進(jìn)行訓(xùn)練，學(xué)習(xí)MM光譜與目標(biāo)參數(shù)（如厚度、關(guān)鍵尺寸CD、套刻誤差）之間的復(fù)雜關(guān)系。訓(xùn)練完成后，模型可瞬間處理整個(gè)晶圓上超過1000萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)前所未有的空間密集量測(cè)。

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在DRAM計(jì)量中的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證

IMMSE 的核心價(jià)值在于解決半導(dǎo)體制造中的“工藝監(jiān)測(cè)與良率優(yōu)化”問題，以下為 DRAM 晶圓的三大關(guān)鍵計(jì)量場(chǎng)景驗(yàn)證：

薄膜厚度測(cè)量（CVD工藝優(yōu)化）：

DRAM 晶圓的薄膜厚度計(jì)量及對(duì)比分析

化學(xué)氣相沉積（CVD）是 DRAM 薄膜制備的核心工藝，噴嘴陣列（六邊形分布）易導(dǎo)致厚度不均。

傳統(tǒng)點(diǎn)橢偏儀：僅測(cè) 49 個(gè)點(diǎn)，僅能反映粗略全局趨勢(shì)；

IMMSE：測(cè)超 700 萬個(gè)點(diǎn)，清晰識(shí)別出“六邊形厚度圖案”（與噴嘴陣列匹配），可作為工藝 “指紋” 優(yōu)化設(shè)備參數(shù)；

改進(jìn)工藝后，IMMSE 顯示圖案消失，薄膜均勻性顯著提升。

關(guān)鍵尺寸（CD）測(cè)量（蝕刻工藝控制）：

DRAM 晶圓的關(guān)鍵尺寸（CD）計(jì)量及分析

DRAM 電容器為高縱橫比溝槽結(jié)構(gòu)，蝕刻后頂部 CD 是評(píng)估工藝質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。

SEM：僅測(cè) 536 個(gè)點(diǎn)，無法捕捉全局變化；。

IMMSE：測(cè)超1000萬個(gè)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn) SEM 未檢測(cè)到的“同心圓 CD 變化圖案”。

在改進(jìn)刻蝕工藝后，IMMSE 驗(yàn)證圖案消除，全晶圓 CD 均勻性提升。

套刻誤差測(cè)量（光刻工藝精度）：

DRAM 晶體管結(jié)構(gòu)的套刻計(jì)量及與傳統(tǒng) SEM 的對(duì)比分析

套刻誤差指晶體管 bit 線（BL）與接觸材料（CM）的對(duì)準(zhǔn)偏差，直接影響電接觸可靠性。

SEM：全晶圓僅測(cè) 6000 個(gè)點(diǎn)，局部區(qū)域僅 261 個(gè)點(diǎn)，漏檢局部變化；

IMMSE：全晶圓測(cè)超 1000 萬個(gè)點(diǎn)，局部區(qū)域測(cè)超 10 萬個(gè)點(diǎn)，精準(zhǔn)識(shí)別shot 區(qū)域內(nèi)的套刻偏差；

改進(jìn)光刻工藝后，套刻均值從 - 1.31nm（工藝 1）降至 - 0.03nm（工藝 2），標(biāo)準(zhǔn)差從 0.36nm 降至 0.24nm，為識(shí)別和篩選缺陷芯片提供了量化依據(jù)。

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IMMSE 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用前景

超高吞吐量與數(shù)據(jù)量：相比SEM，IMMSE提供了1987倍的測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)，單位點(diǎn)測(cè)量時(shí)間快662倍（0.001秒/點(diǎn)）。

卓越精度：對(duì)所有測(cè)量參數(shù)（厚度、CD、套刻）的預(yù)測(cè)均方根誤差（RMSE）均低于1納米，重復(fù)性達(dá)到0.36 nm (3σ)，滿足先進(jìn)制程監(jiān)控要求。

應(yīng)用潛力：雖然本系統(tǒng)專為半導(dǎo)體量測(cè)開發(fā)，但其寬視場(chǎng)、高通量、偏振分辨的測(cè)量能力可拓展至：生物醫(yī)學(xué)（如基于 3×3 穆勒矩陣的離體組織表征、視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層檢測(cè)）；材料科學(xué)（如二維材料的偏振特性分析）未來方向（集成寬帶波片可實(shí)現(xiàn) 4×4 完整穆勒矩陣測(cè)量，進(jìn)一步拓展偏振表征能力）等。

本研究成功開發(fā)的超寬視場(chǎng)成像穆勒矩陣光譜橢偏儀（IMMSE）系統(tǒng)，結(jié)合其創(chuàng)新的系統(tǒng)校正算法和機(jī)器學(xué)習(xí)模型，突破了傳統(tǒng)量測(cè)技術(shù)的瓶頸，為實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制造中的全景式、納米級(jí)精度監(jiān)控和快速良率提升提供了一個(gè)強(qiáng)大的平臺(tái)。

Flexfilm全光譜橢偏儀

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技術(shù)支持：180-1566-6117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)：無測(cè)量死角問題。
• 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：《Ultra-wide-field imaging Mueller matrix spectroscopic ellipsometry for semiconductor metrology》

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