Nanoscale and Optical Metrology (NOM) Group

　　光学偏振散射测量技术如基于传统光谱椭偏仪的散射测量技术，由于具有测量速度快、成本低、无接触、非破坏和易于集成等优点，目前已经发展成为批量纳米制造中纳米结构形貌参数在线测量的一种重要手段。光谱偏振散射测量技术本质上是一种基于模型的测量技术，其成功与否主要取决于两个方面的关键技术，一是如何获得精确的偏振散射测量数据，二是如何从测量数据中快速准确地反演得到待测纳米结构的形貌参数。其中，前者涉及到偏振散射测量设备的开发，而后者为偏振散射测量数据分析内容，具体涉及到纳米结构的计算测量理论与方法。为了获得精确的偏振散射测量数据，课题组针对不同的纳米结构测量需求，围绕光的偏振以及散射等核心内容，研制了三种偏振散射测量设备，分别是宽光谱广义椭偏仪、广义成像椭偏仪和散射场层析广义椭偏仪。

(1) 宽光谱广义椭偏仪设备开发

广义椭偏仪也称为穆勒矩阵椭偏仪，它可以改变波长、入射角和方位角3个测量条件，而且在每一组测量条件下都可以获得一个4×4阶穆勒矩阵共16个参数。与传统光谱椭偏仪只能改变波长和入射角2个测量条件且每次测量只能获得振幅比和相位差2个测量参数相比，广义椭偏仪可以获得诸如待测样品各项异性以及退偏等丰富得多的测量信息。通过选择合适的波长、入射角和方位角的测量配置，充分分析和利用4×4阶穆勒矩阵包括的更为丰富的测量信息，可以实现更为准确的纳米结构测量。近年来，课题组在国家自然科学基金重大研究计划“基于广义椭偏仪的纳米结构三维形貌参数测量理论与方法研究”和国家重大科学仪器设备开发专项“宽光谱广义椭偏仪设备开发”等项目的支持下，研制出了国内第一台宽光谱广义椭偏仪，仪器主要指标达到国际先进水平。该方面研究已申请国际国内专利20余项，在仪器设备核心技术方面拥有完全自主知识产权。目前课题组已初步实现广义椭偏仪测量仪器及其配套测量分析软件的产品化。

(2) 广义成像椭偏仪设备开发

尽管基于广义椭偏仪光学散射测量技术在纳米结构测量中取得了良好的效果，但由于光学散射测量技术只能获得光斑照射区域内待测参数的平均值，而对于小于光斑照射区内样品的微小变化难以准确分析。同时由于其只能进行单点测试，必须要移动样品台进行扫描才能获得大面积区域内待参数的分布信息，从而严重影响测试效率。为此，课题组在已研制的宽光谱广义椭偏仪的基础上，通过引入成像技术，研制出来了一种新型成像椭偏仪，即广义成像椭偏仪（也称为穆勒矩阵成像椭偏仪）。广义成像椭偏仪在每一波长、入射角和方位角下都可以获得一个4×4阶的成像穆勒矩阵，成像穆勒矩阵的每一个元素都对应待测样品上包含整个视场的大面积区域内的一幅空间图像。通过对图像上各个像素点进行独立的椭偏测试，可以准确实时地重构整个视场内待测对象的三维显微形貌。目前课题组已经完成了实验平台的搭建并进行了初步的应用测量研究，该仪器在大面积快速测量和像素尺度下的样品光学特性分析均取得了良好的结果。

(3) 散射场层析广义椭偏仪设备开发

无论是广义椭偏仪还是广义成像椭偏仪，都是通过测量待测结构的零级衍射光（散射光）以获得偏振光在反射前后的偏振态变化（包括振幅比和相位差），进而通过求解逆散射问题来提取出待测结构的关键尺寸等信息，它们都只能用于测量周期性纳米结构，而无法胜任复杂三维纳米结构特别是有限周期性或者非周期性纳米结构的测量。为此，课题组以基于广义椭偏仪的光学散射技术为基础，提出并正在研制一种称为散射场层析广义椭偏仪的新型光学仪器。通过借鉴衍射层析成像技术，即采用大数值孔径(NA)物镜并利用扫描振镜在其后焦面实现照明光束的快速二维扫描，使该仪器具有快速收集多入射角下样品散射场信息的能力，从而克服传统椭偏仪只能获取单一散射场（即零级衍射光）信息的弱点。目前课题组已经完成了散射场层析广义椭偏仪的原理验证并初步搭建了实验平台。

(4) 典型纳米结构测量实验研究

课题组在已研制的散射测量设备，特别是目前已经研制成功的宽光谱广义椭偏仪的基础上，同国内外的一些研究机构和公司针对纳米制造中的一些典型纳米结构进行了大量的实验研究，首次实现了对关键尺寸小于30 nm的电子束光刻光栅、具有自然粗糙度形貌的光刻胶光栅、高深宽比纳米柱阵列、以及包含残胶厚度不均匀性的纳米压印光栅等样件的准确测量。其中，对应纳米压印光栅样件，我们在国际上首次发现了纳米压印光栅测量中由于残胶厚度不均匀引起的退偏效应并解释了其产生机理，通过充分考虑退偏效应，不仅可以提高最终的测量准确度，而且可以直接得到残胶厚度的不均匀性参数。