先进穆勒矩阵椭偏测量技术：仪器与应用

椭偏仪是一种利用光的偏振特性来获取待测样品信息的重要科学仪器，具有高灵敏度、非破坏性、自参考等优点，广泛应用于材料光学特性表征及薄膜厚度测量，近年来也被用于亚波长IC纳米结构关键尺寸的在线测量。穆勒矩阵椭偏仪(Mueller matrix ellipsometry)是椭偏仪中结构最复杂、技术含量最高的一种，代表了椭偏仪技术的最高水平。

近日，华中科技大学刘世元教授团队在Science China Technological Sciences发表了题为“Advanced Mueller matrix ellipsometry: Instrumentation and emerging applications”的综述文章，系统总结了穆勒矩阵椭偏测量技术，特别是团队近十多年来面向不同应用需求所研发的系列穆勒矩阵椭偏仪，包括宽光谱穆勒矩阵椭偏仪、高分辨成像穆勒矩阵椭偏仪以及高速穆勒矩阵椭偏仪。刘世元教授同团队陈修国教授、谷洪刚讲师为文章共同通讯作者。

图1 团队围绕先进穆勒矩阵椭偏测量技术仪器及应用开展的工作

论文首先简要介绍了穆勒矩阵测量技术的基本原理及测量数据分析的基本流程，随后分别针对团队研发的宽光谱穆勒矩阵椭偏仪、高分辨成像穆勒矩阵椭偏仪以及高速穆勒矩阵椭偏仪，从仪器系统配置、校准方法以及主要性能指标等几个方面进行了介绍。在此基础上，进一步介绍了团队利用所研制的仪器在新型超薄半导体材料与器件表征、动态过程光学特性表征以及亚波长纳米结构形貌测量等中的应用，展示了穆勒矩阵椭偏测量技术的优势和潜力。最后，针对椭偏测量技术的未来发展趋势进行了展望。

仪器方面，团队研制的宽光谱穆勒矩阵椭偏仪光谱范围为200~1000 nm，全光谱范围内，穆勒矩阵测量时间约为1 s，穆勒矩阵测量准确度和重复性精度分别优于0.002和0.001；所研制的高分辨成像穆勒矩阵椭偏仪光谱范围为410~800 nm，横向测量分辨率优于0.8 mm；所研制的高速穆勒矩阵椭偏仪测量时间分辨率优于11 ms。

图2 宽光谱穆勒矩阵椭偏仪。(a) 系统配置；(b) 原理样机

图3 高分辨成像穆勒矩阵椭偏仪。(a) 系统配置；(b) 原理样机；(c)仪器后焦面扫描成像原理

图4 高速穆勒矩阵椭偏仪。(a) 系统配置；(b) 原理样机

应用方面，利用研制的仪器在国际上率先构建了一批新型二维材料的光学常数数据库，分析并揭示了尺度效应、激子效应等微观物理作用对材料光学性质的作用规律与物理机理，阐释了低维低对称材料光学各向异性物理起源，为新型半导体材料与器件光学物理性质研究、调控与优化奠定了基础。快速无损表征了IC制造纳米结构的关键尺寸、套刻、线边粗糙度等三维形貌，发现了由纳米压印残留光刻胶层和纳米结构非对称性引起的光学各向异性、光学退偏等现象，为IC制造提供了一种非接触、快速无损、精确的在线测量手段。

目前，团队所研制的宽光谱穆勒矩阵椭偏仪同武汉颐光科技有限公司合作已经实现成果转换和产业化；以所研制的仪器作为核心测量头、所提出的相关数据分析理论方法为软件核心算法，同上海精测半导体技术有限公司合作开发的集成式膜厚及光学关键尺寸测量设备已经批量进入长江存储、中芯国际产线。

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CHEN XiuGuo, GU HongGang, LIU JiaMin, CHEN Chao, LIU ShiYuan. Advanced Mueller matrix ellipsometry: Instrumentation and emerging applications. Sci China Tech Sci, 2022, 65: 2007-2030, https://doi.org/10.1007/s11431-022-2090-4

转自：“中国科学杂志社”微信公众号

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