椭偏仪在集成电路检测中的应用：以标准样品校准法校准椭偏参数

椭偏术因其高灵敏度、非接触与在线测量能力，已成为薄膜与IC工艺检测的重要手段。但仪器的准确性依赖系统中偏振元件与几何参数的精确校准，且在工业环境中这些参数会随时间与环境漂移变化——因此需要快速、简单且准确的校准方法以维持仪器性能。传统校准方法（如双区域法）在实施上复杂且不易在生产线上周期性重复。Flexfilm全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。

本文提出并实验验证了一种基于已知标准样品的快速“样品校准法”用于椭偏仪系统参数的反演与校正，并将校准后的单波长与光谱椭偏仪结合RCWA用于半导体工艺（薄膜厚度与刻蚀结构/CD）检测，实验最大厚度误差约 2.6 Å，证明了方法在IC在线检测中的可行性与优越性。

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椭圆偏振测量术的原理

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椭圆偏振光产生示意图

椭偏测量通过偏振光在样品表面对 p、s 分量的不同反射引起的振幅比与相位差来反演样品的 n、k、d。

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椭偏测量的校准

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传统椭偏校准法概览

（a）（b）残余函数法（c）区域差异函数法（d）双区域校准法

残余函数法：RAE 系统中构造 R (P)=1-(α'²+β'²)，找最小值对应的 Ps；PSCRA 系统中构造 R₂(P)、R₄(P)，Δ=90° 时最敏感，Δ=0°/±180° 失效。

反正切校准法：构造 Θ₂=½tan⁻¹(β₂'/α₂')、Θ₄=½tan⁻¹(β₄'/α₄')，线性拟合求 Cs、A-As；Ψ=90°/Δ=90° 时失效。

区域差异函数法：用四阶傅里叶系数构造 Φ₄(P)，Δ=0°/±180° 时灵敏度高，Ψ=45°/Δ=90° 时失效。

双区域校准法：在 Ps 和 Ps+π/2 附近旋转起偏器，拟合两条 Θ₄(P) 直线，交点为 Ps；需样品存在，Ψ≠45°。

采用双区域校准法的实验结果

（a）双区域校准法测得的实验数据及其拟合（b）Θ2函数值的分布

实验：起偏器旋转范围 [-4°,4°]，间隔 0.5°，17 个数据点拟合。

结果：Ps=311.42°，Θ₂平均值 - 35.6946°，计算 Cs=77.6137° 、A-As=-158.3084 °，A 值与人为放置位相差 0.8°。

新颖的标准样品校准法

传统方法缺陷：需频繁调整光学元件，机械不稳定 / 人为误差影响精度；入射角人工测量误差大，自动探测装置结构复杂。

样品校准法思路：利用已知 n、k、d 的标准样品，通过光强傅里叶系数 + 最小二乘法反演系统参数（P、A、Cs、δ、θ₀）。

样品校准法优点及实施过程

用琼斯/穆勒矩阵建模，若干光学参数（n、k、d）已知的标准样品作为标定参考，实验上通过旋转起/检偏器或补偿器（如 PSCRA）对输出光强做傅里叶分解，把仪器待校准参数作为未知量，提取谐项并用最小二乘/非线性拟合，同时求解仪器与样品参数。该方法实现简单、速度快、能把真实系统误差内化，适合在线/生产线周期性校准；为降低多解与提高灵敏度，应通过合理的样品选择、增波长或增样本数以及归一化策略来增强拟合稳定性，从而在非接触、快速测量下实现薄膜与刻蚀结构的精密表征。

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单波长椭偏仪（SWE）— 模拟与实验

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误差函数对入射角的敏感性

实验条件：7 个标准样品（厚度 26.76-2894.40Å，参考值由椭偏仪测得），波片转速 1800°/s，采集频率 20kHz。

校准参数结果：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°）、θ₀=68.19°（SD=0.23°）。

厚度测量结果：最大误差 2.6Å（130.71Å 样品），超薄样品（26.76Å）误差 3.6Å（相对精度 13.5%），厚样品（2894.40Å）相对精度 0.09%。

误差原因：薄样品灵敏度不足、样品氧化、参考厚度准确性。

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光谱椭偏仪— 扩展与多波长优势

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椭偏仪测量现有样品的厚度

利用 129.60 埃样品校准得到的校准参数值

利用校准参数测得的样品厚度值

实验：无样品（理论 Ψ=45°，Δ=0°），测量 598-616nm 波段。

结果：Ψ 波动 [45.02,45.10] 度，Δ 波动 [-0.06,0.30] 度，符合理论。

误差原因：起偏器 / 检偏器角度误差、光学器件缺陷、空气湿度。

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光谱椭偏仪在集成电路刻蚀结构检测中的应用

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椭偏仪用于集成电路检测原理框图

利用 RCWA 建立沟槽模型

光谱椭系统测量偏集成电路结构结果

垂直入射系统测量集成电路结构结果

方法：将光谱椭偏测得的四条傅里叶系数谱（α2, α4, β2, β4）与 RCWA 建库拟合相结合，直接反演周期性刻蚀槽的层高、层宽与深度。

实验（周期 T=90 nm，总深度 ~100 nm 的硅槽）：拟合率总体 ~96.4%（242–1000 nm，紫外区拟合较差），得出分层模型；与垂直入射测量比较，总高度差仅 0.02 nm，但每层宽度差在 1–4 nm。

结论：光谱椭偏 + RCWA 在 CD/深度测量上表现良好，适合在线无损检测场景。

基于标准样品的椭偏仪校准方法，在单波长与光谱椭偏仪系统中验证其可行性（单波长最大测量误差 2.6Å，光谱椭偏仪厚样品相对误差约 1.3%），并结合 RCWA 算法实现集成电路刻蚀结构（硅槽）的三维形貌检测，为集成电路工艺在线检测提供技术支撑。

Flexfilm全光谱椭偏仪

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全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专门用于测量和分析光伏领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率n、消光系数k）

• 先进的旋转补偿器测量技术：无测量死角问题。
• 粗糙绒面纳米薄膜的高灵敏测量：先进的光能量增强技术，高信噪比的探测技术。
• 秒级的全光谱测量速度：全光谱测量典型5-10秒。
• 原子层量级的检测灵敏度：测量精度可达0.05nm。 

Flexfilm全光谱椭偏仪能非破坏、非接触地原位精确测量超薄图案化薄膜的厚度、折射率,结合费曼仪器全流程薄膜测量技术，助力半导体薄膜材料领域的高质量发展。

原文参考：《椭偏仪在集成电路检测中的应用》

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