隨著半導(dǎo)體技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)，器件特征尺寸不斷縮減，而量產(chǎn)化的工藝需求卻日益提高，納米壓印技術(shù)因此應(yīng)運(yùn)而生。納米壓?。∟IL）的基本原理是將模具上的圖形直接轉(zhuǎn)移至襯底，從而實(shí)現(xiàn)批量化復(fù)制。與傳統(tǒng)光刻工藝相比，納米壓印還具有工藝簡單、分辨率高、生產(chǎn)效率高、成本低等顯著優(yōu)勢，已成為半導(dǎo)體加工工藝中最重要的技術(shù)路線之一。

在納米壓印工藝過程中，模板和器件的關(guān)鍵尺寸（CD）、垂直角度（側(cè)壁角）以及特征高度均是至關(guān)重要的工藝參數(shù)，其最小特征尺寸有時(shí)可達(dá)10 nm以下。為了對這些納米結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行表征，業(yè)界通常采用SEM和AFM進(jìn)行測量。然而，SEM和AFM在測量過程中均會(huì)對樣品造成不可逆的損壞，屬于破壞性表征手段，難以滿足在線無損檢測的需求。

本研究在納米光柵的制備過程中引入Flexfilm費(fèi)曼儀器光譜橢偏儀及自主建立的擬合模型，對納米結(jié)構(gòu)光柵的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行測量，在實(shí)現(xiàn)樣品無損檢測的同時(shí)，與SEM表征結(jié)果相互驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在入射角60°、方位角75°的測量條件下，對納米結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸、側(cè)壁角等三維形貌參數(shù)的測量精度最高可達(dá)99.97%，充分證明了該技術(shù)在納米結(jié)構(gòu)無損檢測領(lǐng)域具有重要的推廣價(jià)值。

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光譜橢偏儀工作原理

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橢圓偏振儀光路簡圖

光譜橢偏儀是一種利用偏振光與介質(zhì)相互作用來分析材料光學(xué)特性及表面結(jié)構(gòu)的非破壞性測量儀器。其基本原理是將具有特定偏振態(tài)的橢圓偏振光投射到待測納米結(jié)構(gòu)表面，通過測量待測結(jié)構(gòu)的零級衍射光，獲取偏振光在反射前后偏振狀態(tài)的變化信息，進(jìn)而提取出待測結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸等幾何參數(shù)。該方法本質(zhì)上屬于光學(xué)散射測量法，具有測量速度快、成本低、非破壞性以及易于在線集成等突出優(yōu)點(diǎn)。

在橢偏儀的測量體系中，采用橢圓函數(shù) ρ 來表征反射光形成橢圓偏振光的特性：

其中，tanψ 表示反射光兩個(gè)偏振分量（P分量與S分量）的振幅系數(shù)之比，ψ稱為偏振參數(shù)；rP為反射光在P平面內(nèi)的偏振分量，rS為反射光在S平面內(nèi)的偏振分量；Δ為兩偏振分量之間的相位差。

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數(shù)據(jù)擬合方法

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基于光學(xué)散射的納米結(jié)構(gòu)測量是一種模型驅(qū)動(dòng)的測量方法：光譜橢偏儀首先測量納米結(jié)構(gòu)樣件的實(shí)測光譜，同時(shí)基于電磁波理論求解待測納米結(jié)構(gòu)的理論光譜，最后通過優(yōu)化求解算法從兩者的差異中提取納米結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)。

擬合優(yōu)度的量化采用均方根誤差（MSE）來衡量實(shí)測光譜數(shù)據(jù)與模型計(jì)算光譜數(shù)據(jù)之間的吻合程度：

其中，n為測量波長數(shù)量，k為擬合參數(shù)數(shù)量；下標(biāo) m 和 c 分別對應(yīng)實(shí)測光譜與模型計(jì)算光譜。參數(shù) N、C、S由橢偏參數(shù) ψ和 Δ導(dǎo)出，具體關(guān)系為：N=cos(2ψ)，C=sin(2ψ)cos(Δ)，S=sin(2ψ)sin(Δ)。在擬合過程中，采用非線性回歸算法（Levenberg-Marquardt算法）自動(dòng)調(diào)整模型參數(shù)，以獲得最小MSE值。MSE值越小，表示實(shí)測光譜與模型計(jì)算光譜之間的擬合程度越好；當(dāng)模型計(jì)算光譜與實(shí)測光譜實(shí)現(xiàn)最佳擬合時(shí)，即可確定待測納米結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)。

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模型建立的基本考量

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光譜橢偏儀是一種以模型分析為基礎(chǔ)的測量設(shè)備，數(shù)據(jù)擬合結(jié)果的準(zhǔn)確性在很大程度上依賴于所建立模型的適當(dāng)性。在實(shí)際分析過程中，常見的三類光學(xué)材料分別為半導(dǎo)體、金屬和電介質(zhì)。對于單晶硅等光學(xué)參數(shù)較為穩(wěn)定的單晶材料，其折射率 n和消光系數(shù) k已內(nèi)置于軟件數(shù)據(jù)庫中；而金屬和電介質(zhì)的光學(xué)參數(shù)與制備工藝密切相關(guān)，差異較大，需要在實(shí)測過程中進(jìn)行嚴(yán)格校準(zhǔn)，以確保擬合精度。

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光刻膠單層膜的光學(xué)參數(shù)測定

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(a)擬合所建兩層膜模型; (b)硅基光刻膠SEM; (c)光譜橢偏儀擬合曲線

實(shí)驗(yàn)首先采用勻膠方法在硅片表面旋涂一層光刻膠薄膜，所用壓印膠為STU220膠。兩步勻膠參數(shù)設(shè)定為：第一步轉(zhuǎn)速500 r/min，時(shí)間10 s；第二步轉(zhuǎn)速3000 r/min，時(shí)間50 s；勻膠完成后在95°C下烘烤3 min，再在室溫下進(jìn)行紫外曝光1 min，得到固化后的光刻膠薄膜。

依據(jù)兩層膜模型，設(shè)定基底材料為硅、薄膜材料為電介質(zhì)，利用Flexfilm費(fèi)曼儀器光譜橢偏儀對該硅基光刻膠薄膜進(jìn)行測試。測試結(jié)果顯示，橢偏角φ和δ的實(shí)測曲線與模型擬合曲線高度吻合，擬合匹配程度優(yōu)異。光譜橢偏儀測量所得光刻膠厚度為276.02 ± 0.099 nm，而基于場發(fā)射掃描電子顯微鏡的SEM表征結(jié)果顯示膜厚為273 nm，兩者結(jié)果高度吻合，驗(yàn)證了光譜橢偏儀對光刻膠單層膜測量的準(zhǔn)確性。同時(shí)，在波長632.8 nm條件下，測得光刻膠的消光系數(shù) k=0.00074187±6.0014×10?5，折射率n=1.60208，這兩個(gè)光學(xué)參數(shù)為后續(xù)光柵模型的建立提供了重要參考依據(jù)。

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硅基納米光柵的制備與測量

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(a)硅基光柵正面SEM; (b)硅基光柵側(cè)面SEM;(c)光譜橢偏儀硅光柵擬合模型

硅基光柵參數(shù)測量值與擬合值比對圖

本文采用光刻工藝制備硅基納米光柵，并建立相應(yīng)的測試模型，利用Flexfilm費(fèi)曼儀器光譜橢偏儀原理樣機(jī)進(jìn)行測量與擬合，同時(shí)以SEM觀測其形貌，共同論證測量和擬合結(jié)果的正確性。

SEM正面圖像顯示，硅基光柵的周期性非常規(guī)整，占空比約為50%。截面SEM圖像可清晰觀察到光柵的截面形貌呈梯形，這是由于在硅的干法刻蝕過程中，氣相和固相界面處發(fā)生各向異性化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致側(cè)壁形成一定的傾斜角度。在光譜橢偏儀測量擬合中，采用與光柵截面形貌相匹配的梯形截面模型進(jìn)行建模。

硅基光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)測和提取值對比

測量與擬合結(jié)果表明，光柵寬度（P1）實(shí)測值為353.77 nm，高度（P3）實(shí)測值為462.94 nm，側(cè)壁角（P2）實(shí)測值為87.7°；光譜橢偏儀擬合結(jié)果分別為寬度350.51 nm、高度469.26 nm、側(cè)壁角87.25°，均方誤差MSE為32.84。由此可見，光譜橢偏儀的擬合測量結(jié)果與SEM表征形貌保持高度一致。

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光刻膠納米光柵的納米壓印制備與測量

(a)納米壓印光刻膠光柵正面 SEM; (b)納米壓印光刻膠光柵側(cè)面 SEM; (c)光譜橢偏儀光刻膠光柵模型

在硅基光柵測量驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步以硅基光柵為納米壓印初始模板，選用P?100?晶向的2英寸單晶硅片作為實(shí)驗(yàn)襯底，通過熱壓印工藝完成光刻膠光柵的制備。具體流程如下：軟模板選用熱塑性聚合物IPS；利用IPS軟模板對硅基STU220光刻膠層實(shí)施紫外壓印，壓印工藝參數(shù)設(shè)定為：壓印溫度70°C，壓強(qiáng)20 bar（1 bar = 10? Pa），紫外曝光時(shí)間1 min，壓印時(shí)間20 min；壓印完成后冷卻至室溫脫模，得到光刻膠納米光柵。

在對光刻膠光柵進(jìn)行光譜橢偏儀擬合時(shí)，引用前述硅基光刻膠單層薄膜實(shí)測所獲得的消光系數(shù)和折射率，建立與光刻膠光柵截面形貌對應(yīng)的擬合模型。SEM圖像顯示，納米壓印所得光刻膠光柵的形貌完整，周期結(jié)構(gòu)均勻，截面同樣呈梯形特征。

光刻膠光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)測和提取值對比

測量與擬合結(jié)果表明，光柵寬度（P1）SEM實(shí)測值為347.8 nm，側(cè)壁角（P2）為87.1°，光柵高度（P3）為464.9 nm，脫模后殘留層厚度（P4）為67.1 nm；光譜橢偏儀擬合結(jié)果分別為寬度351.73 nm、側(cè)壁角87.12°、高度463.91 nm、殘留層厚度62.76 nm，均方誤差MSE僅為40.127。與SEM表征結(jié)果相比，各參數(shù)擬合測量的最高精度達(dá)到99.97%，最大誤差不超過1%，表明測量值非常接近真實(shí)值，光譜橢偏儀測量結(jié)果與SEM表征形貌保持高度一致。

本文首先通過測量硅基單層光刻膠薄膜，精確獲取了光刻膠的光學(xué)參數(shù)（折射率 n 和消光系數(shù) k）。在此基礎(chǔ)上，分別利用光刻工藝和納米壓印工藝制備了硅基納米光柵和光刻膠納米光柵，并運(yùn)用光譜橢偏儀（Flexfilm費(fèi)曼儀器）對兩類納米光柵樣品進(jìn)行建模、測量和擬合，同時(shí)結(jié)合SEM進(jìn)行形貌表征，相互驗(yàn)證了光譜橢偏儀測量與擬合數(shù)據(jù)的正確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在入射角60°、方位角75°的測量條件下，光譜橢偏儀對納米結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸、側(cè)壁角等三維形貌參數(shù)的測量精度最高可達(dá)99.97%。相較于SEM和AFM等有損表征手段，光譜橢偏儀能夠在不對樣品造成任何損傷的前提下實(shí)現(xiàn)高精度的納米結(jié)構(gòu)參數(shù)測量，充分證明了光譜橢偏儀在納米結(jié)構(gòu)光柵無損檢測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和高度的工程可行性，對推動(dòng)半導(dǎo)體工藝中無損檢測技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

Flexfilm費(fèi)曼儀器全光譜橢偏儀

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Flexfilm費(fèi)曼儀器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(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)償器測量技術(shù)：無測量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進(jìn)的光能量增強(qiáng)技術(shù)，高信噪比的探測技術(shù)。
• 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(dá)0.05nm。

Flexfilm費(fèi)曼儀器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(jié)合費(fèi)曼儀器全流程薄膜測量技術(shù)，助力半導(dǎo)體薄膜材料領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展。

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原文參考：《基于光譜橢偏儀的納米光柵無損檢測》

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