光学散射测量中的仪器测量条件配置优化方法研究

摘要

相比于扫描电子显微镜和原子力显微镜等传统测量手段，光学散射测量技术在满足纳米级尺度测量要求的同时具有快速、低成本、非破坏性和易于集成等优点，因而在纳米制造等先进工艺监测及优化领域中得到了广泛的应用。目前，如何进一步实现更高精度和更快速度的纳米结构测量是光学散射测量技术的研究重点之一。
　　由于光学散射测量在本质上是一种基于模型的测量方法，通过将实际测量数据与模型仿真数据进行匹配来反演提取出纳米结构参数值，故待测参数的测量精度主要取决于模型仿真数据对待测参数的灵敏度，其反演提取速度则在很大程度上受到所选测量数据集的大小影响。其中，纳米结构参数的灵敏度可以通过改变测量条件配置进行改善，即调整入射波长λ、入射角θ和方位角φ等测量条件的组合；测量条件配置中所选取波长λ的数目越多，其对应需分析的测量数据越多，但在理论上仅采用极大线性无关的最少量包含丰富待测结构信息的测量数据即可反演出待测结构参数。因此，可以通过选择合适的测量条件配置使得纳米结构待测参数的灵敏度最高且反演分析所需测量数据最少，进而实现纳米结构测量精度和速度的提高。
　　本学位论文以此为出发点，开展了光学散射测量中测量条件配置优化方法的探索性研究。首先，本文利用组建的基于Mueller矩阵椭偏仪的纳米结构测量实验平台，对典型纳米结构测量过程展开了灵敏度特性分析，分析结果表明了通过选择合适的测量条件配置可实现更高灵敏度的纳米结构测量。然后针对单个纳米结构和尺寸差异较大的批量纳米结构，分别就局部和全局灵敏度分析法对测量条件配置中入射角θ和方位角φ的优化问题展开研究。最后，在优化入射角θ和方位角φ基础上，利用线性相关分析法进一步研究了入射波长λ的优化问题。主要工作和创新点如下：
　　基于局部灵敏度法分析了纳米结构待测参数与测量数据之间的不确定度传递规律，结合纳米结构实际测量过程推导得到将测量数据与待测参数之间的误差传递公式，进而得到待测参数的不确定度估计公式。针对单个纳米结构，提出了一种以待测参数的相对不确定度之和为目标函数的测量条件配置优化方法，以实现纳米结构所有待测参数的统一最优测量条件配置。
　　基于方差分析法推导了光学特性模型中输入结构参数不确定度影响模型输出的全方差公式，得到了结构参数的主效应这一全局灵敏度衡量指标表达式，通过结合不同测量条件配置下待测结构参数的主效应与实际测量噪声量级，定义了“不确定度指数”这一精度衡量指标，并结合傅里叶幅度灵敏度检验扩展法给出了其计算公式。针对尺寸差异较大的批量纳米结构，提出了一种以待测结构参数不确定度指数为目标函数的测量条件配置优化方法，从而实现批量待测纳米结构的统一最优测量条件配置。
　　在优化入射角和方位角的基础上，针对纳米结构实际值与设计值对应光谱之间的偏差数据展开了线性相关度分析，通过考虑实际测量过程中的随机误差得到了对应入射波长下测量光谱数据为冗余信息的条件不等式，进一步根据柯西不等式推导得出了识别冗余测量信息的目标函数。在此基础上，提出了一种基于线性相关分析的测量条件配置优化方法，实现以最少量的测量数据进行待测参数的逆向提取，从而提高测量速度而不影响其测量结果。
　　本学位论文所研究光学散射测量中的测量条件配置优化方法将为实现测量条件配置的优化提供更为有效的新途径，为批量化纳米制造中纳米结构几何参数的快速、精确测量提供理论指导，并促进光学散射测量技术在纳米制造领域中的应用。

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1 绪论

1.1 课题概述

1.2 光学散射测量技术研究现状及发展趋势

1.3 本文主要研究工作

2 光学散射测量中的纳米结构灵敏度特性分析

2.1 引言

2.2 光学散射测量典型仪器

2.3 光学散射测量理论算法

2.4 典型纳米结构的灵敏度变化特性分析

2.5 本章小结

3 基于局部灵敏度分析的测量条件配置优化方法

3.1 引言

3.2 基于局部灵敏度分析的测量条件配置优化

3.3 单个纳米结构的测量配置优化仿真分析

3.4 典型纳米结构的测量实验研究

3.5 本章小结

4 基于全局灵敏度分析的测量条件配置优化方法

4.1 引言

4.2 基于全局灵敏度分析的测量条件配置优化

4.3 批量纳米结构的测量配置优化仿真分析

4.4 典型纳米结构的测量实验研究

4.5 本章小结

5 基于线性相关分析的测量条件配置优化方法

5.1 引言

5.2 基于线性相关分析的测量条件配置优化

5.3 纳米结构测量配置优化的仿真分析

5.4 典型纳米结构的测量实验研究

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

附录1 攻读学位期间发表的学术论文

附录2 攻读学位期间申请的国家发明专利