隨著半導體器件特征尺寸持續縮小，局部結構變化易影響電學性能甚至導致失效，對高空間密度、高吞吐量的先進計量技術需求迫切。但現有技術存在局限：光譜類技術（SR / SE / MMSE）需逐點測量，難以實現晶圓級快速計量；SEM分辨率高卻視場小，無法高效識別大范圍結構變化；傳統成像類技術視場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。

研究提出超寬視場成像穆勒矩陣光譜橢偏儀（IMMSE），其20mm×20mm視場為當前最大，空間分辨率6.5μm，可獲超1000萬條穆勒矩陣光譜，經信號校正保全視場一致性，結合機器學習實現全晶圓高密度計量，數據量、吞吐量分別超SEM1987倍、662倍，能識別DRAM結構空間變化以助良率提升。

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工作原理

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IMMSE系統結構及其工藝流程

光學設計：系統采用寬帶光源和單色儀，通過定制照明光學實現65°入射角下大區域的均勻照明。成像模塊采用Offner反射式結構，有效最小化色差和幾何畸變。

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

數據采集：在一次測量中，系統能捕獲覆蓋整個視場的高光譜圖像立方體，包含超過1000萬個像素點的強度信息，進而計算出每個像素點的3×3穆勒矩陣（MM）光譜。

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系統信號失真校正

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a. 相對透射率（RT）示意圖；b. 矩陣重構示意圖；c. 波長為 405nm 時，PSG 旋轉角度分別為 0°、90°、180° 和 270° 條件下得到的PSG因子；、e. 全波長與全偏振條件下PSG 因子的均值（μ）和標準差（σ）；f. 在與圖 c 相同的波長和偏振條件下得到的 PSA 因子；g、h. 全波長與全偏振條件下PSA因子的均值（μ）和標準差（σ）

a. 數據分析示意圖；b. （A）、（B）、（C）對應的所有穆勒矩陣元素結果；其中（B）和（C）反映的是視場中心與其他區域的光譜誤差

在如此大的視場內，光學部件（如偏振器）的性能不均勻性會導致信號失真，即視場中心與邊緣的測量結果不一致。為此，本研究引入了“系統因子”校正算法。該算法通過測量標準樣品（如裸硅片），定量表征并補償了整個光學系統中與位置、波長和偏振相關的相對透射率（RT）變化。結果表明，校正后：

相對于理論MM光譜的誤差降低了94%。

視場內的光譜變異降低了73%。

這確保了在整個20 mm×20 mm視場內，任何一點的MM光譜都是高度可靠和一致的。

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機器學習驅動的空間密集量測

擁有海量且可靠的MM光譜數據后，本研究采用機器學習算法（嶺回歸）建立模型。該模型利用少量傳統工具（如SEM）的參考測量值進行訓練，學習MM光譜與目標參數（如厚度、關鍵尺寸CD、套刻誤差）之間的復雜關系。訓練完成后，模型可瞬間處理整個晶圓上超過1000萬個數據點，實現前所未有的空間密集量測。

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在DRAM計量中的實際應用驗證

IMMSE 的核心價值在于解決半導體制造中的“工藝監測與良率優化”問題，以下為 DRAM 晶圓的三大關鍵計量場景驗證：

薄膜厚度測量（CVD工藝優化）：

DRAM 晶圓的薄膜厚度計量及對比分析

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

傳統點橢偏儀：僅測 49 個點，僅能反映粗略全局趨勢；

IMMSE：測超 700 萬個點，清晰識別出“六邊形厚度圖案”（與噴嘴陣列匹配），可作為工藝 “指紋” 優化設備參數；

改進工藝后，IMMSE 顯示圖案消失，薄膜均勻性顯著提升。

關鍵尺寸（CD）測量（蝕刻工藝控制）：

DRAM 晶圓的關鍵尺寸（CD）計量及分析

DRAM 電容器為高縱橫比溝槽結構，蝕刻后頂部 CD 是評估工藝質量的關鍵指標。

SEM：僅測 536 個點，無法捕捉全局變化；。

IMMSE：測超1000萬個點，發現 SEM 未檢測到的“同心圓 CD 變化圖案”。

在改進刻蝕工藝后，IMMSE 驗證圖案消除，全晶圓 CD 均勻性提升。

套刻誤差測量（光刻工藝精度）：

DRAM 晶體管結構的套刻計量及與傳統 SEM 的對比分析

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

SEM：全晶圓僅測 6000 個點，局部區域僅 261 個點，漏檢局部變化；

IMMSE：全晶圓測超 1000 萬個點，局部區域測超 10 萬個點，精準識別shot 區域內的套刻偏差；

改進光刻工藝后，套刻均值從 - 1.31nm（工藝 1）降至 - 0.03nm（工藝 2），標準差從 0.36nm 降至 0.24nm，為識別和篩選缺陷芯片提供了量化依據。

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IMMSE 的技術優勢與應用前景

超高吞吐量與數據量：相比SEM，IMMSE提供了1987倍的測量數據點，單位點測量時間快662倍（0.001秒/點）。

卓越精度：對所有測量參數（厚度、CD、套刻）的預測均方根誤差（RMSE）均低于1納米，重復性達到0.36 nm (3σ)，滿足先進制程監控要求。

應用潛力：雖然本系統專為半導體量測開發，但其寬視場、高通量、偏振分辨的測量能力可拓展至：生物醫學（如基于 3×3 穆勒矩陣的離體組織表征、視網膜神經纖維層檢測）；材料科學（如二維材料的偏振特性分析）未來方向（集成寬帶波片可實現 4×4 完整穆勒矩陣測量，進一步拓展偏振表征能力）等。

本研究成功開發的超寬視場成像穆勒矩陣光譜橢偏儀（IMMSE）系統，結合其創新的系統校正算法和機器學習模型，突破了傳統量測技術的瓶頸，為實現半導體制造中的全景式、納米級精度監控和快速良率提升提供了一個強大的平臺。

Flexfilm全光譜橢偏儀

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技術支持：180-1566-6117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（如厚度）和物理參數（如折射率n、消光系數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展。

原文參考：《Ultra-wide-field imaging Mueller matrix spectroscopic ellipsometry for semiconductor metrology》

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蘇州費曼測量儀器有限公司（Flexfilm）——薄膜材料智檢先鋒，致力于為全球工業智造提供精準測量解決方案。薄膜結構精密測量設備：臺階儀、全光譜橢偏儀、單點膜厚儀、自動膜厚儀、在線厚度測量系統，為客戶提供接觸式、非接觸式、自動化測量系統三種薄膜厚度測試技術。

材料電學性能表征設備： 離線/在線四探針測試儀、半導體晶圓在線方阻測試儀、平板顯示在線方阻測試儀、TLM接觸電阻測試儀、霍爾測試儀、擴展電阻SRP測試儀。Flexfilm 致力于成為客戶在材料研發、工藝控制和質量保證環節最值得信賴的合作伙伴，以創新的測量技術驅動全球工業智造的進步。