隨著半導體技術的持續演進，器件特征尺寸不斷縮減，而量產化的工藝需求卻日益提高，納米壓印技術因此應運而生。納米壓印（NIL）的基本原理是將模具上的圖形直接轉移至襯底，從而實現批量化復制。與傳統光刻工藝相比，納米壓印還具有工藝簡單、分辨率高、生產效率高、成本低等顯著優勢，已成為半導體加工工藝中最重要的技術路線之一。

在納米壓印工藝過程中，模板和器件的關鍵尺寸（CD）、垂直角度（側壁角）以及特征高度均是至關重要的工藝參數，其最小特征尺寸有時可達10 nm以下。為了對這些納米結構參數進行表征，業界通常采用SEM和AFM進行測量。然而，SEM和AFM在測量過程中均會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費曼儀器光譜橢偏儀及自主建立的擬合模型，對納米結構光柵的關鍵尺寸進行測量，在實現樣品無損檢測的同時，與SEM表征結果相互驗證。實驗結果表明，在入射角60°、方位角75°的測量條件下，對納米結構關鍵尺寸、側壁角等三維形貌參數的測量精度最高可達99.97%，充分證明了該技術在納米結構無損檢測領域具有重要的推廣價值。

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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相互作用來分析材料光學特性及表面結構的非破壞性測量儀器。其基本原理是將具有特定偏振態的橢圓偏振光投射到待測納米結構表面，通過測量待測結構的零級衍射光，獲取偏振光在反射前后偏振狀態的變化信息，進而提取出待測結構的關鍵尺寸等幾何參數。該方法本質上屬于光學散射測量法，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點。

在橢偏儀的測量體系中，采用橢圓函數 ρ 來表征反射光形成橢圓偏振光的特性：

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

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數據擬合方法

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基于光學散射的納米結構測量是一種模型驅動的測量方法：光譜橢偏儀首先測量納米結構樣件的實測光譜，同時基于電磁波理論求解待測納米結構的理論光譜，最后通過優化求解算法從兩者的差異中提取納米結構的幾何參數。

擬合優度的量化采用均方根誤差（MSE）來衡量實測光譜數據與模型計算光譜數據之間的吻合程度：

其中，n為測量波長數量，k為擬合參數數量；下標 m 和 c 分別對應實測光譜與模型計算光譜。參數 N、C、S由橢偏參數 ψ和 Δ導出，具體關系為：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）自動調整模型參數，以獲得最小MSE值。MSE值越小，表示實測光譜與模型計算光譜之間的擬合程度越好；當模型計算光譜與實測光譜實現最佳擬合時，即可確定待測納米結構的幾何參數。

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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的測量設備，數據擬合結果的準確性在很大程度上依賴于所建立模型的適當性。在實際分析過程中，常見的三類光學材料分別為半導體、金屬和電介質。對于單晶硅等光學參數較為穩定的單晶材料，其折射率 n和消光系數 k已內置于軟件數據庫中；而金屬和電介質的光學參數與制備工藝密切相關，差異較大，需要在實測過程中進行嚴格校準，以確保擬合精度。

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光刻膠單層膜的光學參數測定

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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

實驗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。兩步勻膠參數設定為：第一步轉速500 r/min，時間10 s；第二步轉速3000 r/min，時間50 s；勻膠完成后在95°C下烘烤3 min，再在室溫下進行紫外曝光1 min，得到固化后的光刻膠薄膜。

依據兩層膜模型，設定基底材料為硅、薄膜材料為電介質，利用Flexfilm費曼儀器光譜橢偏儀對該硅基光刻膠薄膜進行測試。測試結果顯示，橢偏角φ和δ的實測曲線與模型擬合曲線高度吻合，擬合匹配程度優異。光譜橢偏儀測量所得光刻膠厚度為276.02 ± 0.099 nm，而基于場發射掃描電子顯微鏡的SEM表征結果顯示膜厚為273 nm，兩者結果高度吻合，驗證了光譜橢偏儀對光刻膠單層膜測量的準確性。同時，在波長632.8 nm條件下，測得光刻膠的消光系數 k=0.00074187±6.0014×10?5，折射率n=1.60208，這兩個光學參數為后續光柵模型的建立提供了重要參考依據。

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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)硅基光柵側面SEM;(c)光譜橢偏儀硅光柵擬合模型

硅基光柵參數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，并建立相應的測試模型，利用Flexfilm費曼儀器光譜橢偏儀原理樣機進行測量與擬合，同時以SEM觀測其形貌，共同論證測量和擬合結果的正確性。

SEM正面圖像顯示，硅基光柵的周期性非常規整，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生各向異性化學反應，導致側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行建模。

硅基光柵結構參數實測和提取值對比

測量與擬合結果表明，光柵寬度（P1）實測值為353.77 nm，高度（P3）實測值為462.94 nm，側壁角（P2）實測值為87.7°；光譜橢偏儀擬合結果分別為寬度350.51 nm、高度469.26 nm、側壁角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面 SEM; (c)光譜橢偏儀光刻膠光柵模型

在硅基光柵測量驗證的基礎上，進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驗襯底，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光刻膠層實施紫外壓印，壓印工藝參數設定為：壓印溫度70°C，壓強20 bar（1 bar = 10? Pa），紫外曝光時間1 min，壓印時間20 min；壓印完成后冷卻至室溫脫模，得到光刻膠納米光柵。

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

光刻膠光柵結構參數實測和提取值對比

測量與擬合結果表明，光柵寬度（P1）SEM實測值為347.8 nm，側壁角（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；光譜橢偏儀擬合結果分別為寬度351.73 nm、側壁角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表征結果相比，各參數擬合測量的最高精度達到99.97%，最大誤差不超過1%，表明測量值非常接近真實值，光譜橢偏儀測量結果與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參數（折射率 n 和消光系數 k）。在此基礎上，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，并運用光譜橢偏儀（Flexfilm費曼儀器）對兩類納米光柵樣品進行建模、測量和擬合，同時結合SEM進行形貌表征，相互驗證了光譜橢偏儀測量與擬合數據的正確性。實驗結果表明，在入射角60°、方位角75°的測量條件下，光譜橢偏儀對納米結構關鍵尺寸、側壁角等三維形貌參數的測量精度最高可達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現高精度的納米結構參數測量，充分證明了光譜橢偏儀在納米結構光柵無損檢測領域具有廣闊的應用前景和高度的工程可行性，對推動半導體工藝中無損檢測技術的發展具有重要意義。

Flexfilm費曼儀器全光譜橢偏儀

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Flexfilm費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費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。

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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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