面向半导体制造的20mm超宽视场穆勒矩阵光谱椭偏成像技术与应用研究

本刊推荐：为解决半导体制造中纳米结构空间变异监测难题，研究团队开发出超宽视场穆勒矩阵光谱椭偏（IMMSE）系统，实现20mm×20mm视场内6.5μm空间分辨率的千万级光谱采集，结合机器学习算法使晶圆级计量数据量提升1987倍、吞吐量提高662倍，成功应用于DRAM薄膜厚度、关键尺寸与套刻误差的高精度检测，为半导体工艺优化提供突破性解决方案。

　　

随着半导体器件特征尺寸持续微缩，制造工艺控制面临前所未有的挑战。纳米级的尺寸容差导致芯片内部出现局部结构变异，直接影响器件电学性能并可能引发功能失效。为了在全晶圆范围监控这些变异，需要具备更高空间密度和更快吞吐量的先进半导体计量技术。传统光谱椭偏(SE)和穆勒矩阵光谱椭偏(MMSE)技术虽具有非破坏性和高灵敏度优势，但逐点测量方式严重限制其晶圆级分析效率。扫描电子显微镜(SEM)虽能提供优异分辨率，但其微小视场(FOV)难以捕捉芯片内部及晶圆尺度的结构变异。

针对现有技术瓶颈，三星电子半导体研发中心的Juntaek Oh、Jaehyeon Son等研究人员在《Nature Communications》发表研究，提出超宽视场成像穆勒矩阵光谱椭偏(IMMSE)系统。该系统采用独特的光学架构与信号校正算法，实现20mm×20mm的超大视场（迄今报道最大）和6.5μm空间分辨率，单次采集可获得超过1000万个穆勒矩阵(MM)光谱。通过机器学习算法处理海量光谱数据，实现了全晶圆区域的空间密集计量，相比传统点基方法提供1987倍更多计量数据和662倍更高吞吐量。

研究团队通过三个关键技术突破实现这一目标：首先设计基于Offner构型的反射式成像光路，有效抑制色差和几何畸变；其次开发原位偏振相关透射率校正算法，消除旋转偏振器引起的信号失真；最后建立基于岭回归(Ridge Regression)的机器学习模型，将MM光谱与SEM参考数据关联实现纳米级参数预测。

在光学系统构建方面，研究采用等离子体宽带光源（170-2500nm）和定制单色仪，通过科勒照明设计确保大照射区域均匀性。成像模块采用双同心球面镜的Offner构型，将色差控制在40μm焦距偏移内，结合Scheimpflug原理调节传感器倾角确保全视场聚焦。偏振操纵模块包含偏振态发生器(PSG)和分析器(PSA)，通过旋转线栅偏振器（消光比>800@300nm）调制偏振状态。

系统核心创新在于提出相对透射率(RT)校正模型。研究人员发现光学元件透射率的空间非均匀性和偏振器旋转导致的光路变化会引起系统因子失真。通过建立包含PSG因子β_i和PSA因子α_j的强度方程重构，将测量信号L_ij分解为：L_ij = η₀α_jβ_iK_ij，其中K_ij=q_j^TMp_i为核因子。通过裸硅晶圆标定获得系统因子后，再利用谐波参数解析算法重构MM元素。

在穆勒矩阵计算验证环节，研究团队通过裸硅晶圆实验证明系统因子校正的有效性。校正后MM光谱与菲涅尔方程理论值的误差降低94%，视场内光谱变异减少73%。特别是各向同性硅材料的非对角元素（m₁₃, m₃₁, m₂₃, m₃₂）接近零值，对角元素（m₁₂, m₂₁, m₂₂, m₃₃）与理论光谱高度吻合。

在DRAM计量应用方面，研究团队演示了三个典型场景。化学气相沉积(CVD)薄膜厚度测量中，IMMSE在Process 1条件下揭示出传统点式椭偏仪未能检测的六边形厚度分布 pattern，该 pattern 与沉积腔室喷嘴布局直接相关；而Process 2优化条件成功消除该变异。在DRAM电容器关键尺寸(CD)计量中，IMMSE发现Process 1蚀刻后存在的同心圆CD变异 pattern（亚纳米级变化），Process 2改良工艺后整体均匀性显著提升。最引人注目的是晶体管结构套刻误差测量，IMMSE在单次测量中获得超过1000万个套刻数据，清晰识别出每个曝光场左侧的局部变异 pattern（图6f黑色箭头），而SEM仅能提供6000个测量点。统计显示Process 1套刻值均值为-1.31nm（标准差0.36nm），Process 2优化后均值接近零（-0.03nm）且标准差降至0.24nm。

技术性能评估表明，IMMSE对薄膜厚度、CD和套刻的预测均方根误差(RMSE)均低于1nm（表2）。通过连续200小时重复测量验证，套刻测量的3σ重复性达0.36nm。虽然当前全晶圆测量需3.1-3.7小时，但研究指出可通过选择性波长采样、减少偏振状态和测量区域等策略进一步提升吞吐量。

本研究发展的IMMSE系统不仅解决了半导体制造中的计量瓶颈，其光学设计与校正框架更为宽场偏振成像领域树立新标杆。通过将穆勒矩阵光谱与机器学习结合，首次实现晶圆级纳米结构的高通量、高密度计量，为先进制程开发提供前所未有的空间变异洞察力。该技术平台有望拓展至生命科学和医疗诊断领域，为生物组织偏振特性研究提供新工具。未来通过集成宽带波片扩展至4×4穆勒矩阵测量，将进一步解锁圆二色性等偏振特性表征能力。

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改写说明：

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