品种繁多的电子设备极大的丰富了我们的生活，维持设备正常运行的关键原料就是集成电路，而集成电路的重要材料就是半导体，半导体芯片上的结构在过去的几年中不仅继续缩小，而且三维结构变得更加复杂，所以纳米结构半导体生产需要越来越高的检测工艺。
图一：半导体芯片艺术效果图
光学散射测量是一种基于模型的间接测量技术，用于表征复杂的周期性纳米结构，其特征尺寸低于可见波长显微镜的分辨率极限。
与直接测量技术、扫描电子显微术和原子力显微术相比，光学散射测量技术具有无接触、无损、高通量、可集成等优点，适用于大批量半导体制造的现场过程控制。可通过比较测量和建模的特征并寻找最佳匹配，间接确定结构的参数值。因此，散射测量法提供了一个反问题的解决方案。
这种技术的基本原理是： 在纳米结构待测参数的逆向提取过程中, 为降低参数之间的耦合性, 通常需要将结构的光学常数作为固定的已知量, 即假设结构的材料光学常数不受光学散射仪入射光照的影响。
图2:光学散射测量示意图
光学散射测量的实现主要包括两个步骤：
1. 使用适当的仪器测量纳米结构(通常是周期性亚波长或深亚波长结构)的特征。
2. 完成纳米结构轮廓的参数化，建立衍射模型以将特征与轮廓参数相关联，以及通过求解逆问题，从测量特征中提取测量参数。
但是随着半导体器件的设计日益复杂，使得纳米结构精确重建过程需要大量的参数，以及每个结构的设计和相应的制造工艺的先验知识，所以建模过程变得越来越复杂，因此，在基于模型的重建过程中，通常通过忽略自由参数来减少参数的个数，而这就带来了较大重建的误差。
为了解决这一问题，仅考虑有限的参数通常是不可行的，所以，必须找到一种获取全空间参量的方法，一种可能的方向是通过调整散射测量传感器本身来实现，以提供最大数量的不相关测量数据。
为此研究人员不断地开发出新版本的仪器以逐步增加信息通道，包括：相干傅立叶散射法、缪勒矩阵光谱椭偏法、锥形衍射中的角缪勒偏振法和白光干涉法等。
除了强度之外，还有三个重要的信息通道是波长、传播角度和偏振状态。但是，目前的仪器都没有同时利用这三个通道，即它们都没有提供同时具有角度和波长分辨率的完整缪勒矩阵。而如果要使信息内容最大化，传感器应使用尽可能多的通道。
该 成 果 以 Model-based characterisation of complex periodic nanostructures by white-light Mueller-matrix Fourier scatterometry 为题发表在 Light: Advanced Manufacturing。
研究人员从传感器的概念，定制测量策略，校准程序和数值后处理步骤等方面展开了研究，通过与扫描电子显微镜和原子力显微镜进行了对比，证实了重建结果的准确性，这表明研究人员提出的传感器概念可以走出实验在现实世界中应用。
传感器装置由傅里叶平面显微镜，基于林尼克干涉仪和旋光仪的傅里叶变换光谱仪组成。
图3:装置的整体布局示意图
在没有参考臂和分析仪的情况下，该装置是一个标准的显微镜装置。
干涉仪部分：研究人员设计了林尼克型参考臂，使用一个受镀银膜参考镜和一个显微镜物镜， 可实现大数值孔径、无应变显微镜物镜；
移相部分：通过将整个参考臂沿光轴平移来实现，在每个扫描位置，将记录一个傅里叶平面的图像；
校准部分：包括两个步骤：第一步，参考一个常见的典型的非结构化目标，第二步，通过相位图的泽尼克分解去除散焦和倾斜相位项。由于随后要进行的偏振分析，后一步尤其重要，因为它在会测量中建立正确的相对相位关系。
研究团队搭建的结合白光干涉法、缪勒偏振法和傅里叶散射法新型传感器，并基于模型的硅线光栅特征重建的成功，验证了所提出的散射传感器概念的实用可行性。这种新型传感器总体性能已经很有前景，可以在提升复杂纳米半导体生产过程检测质量，并实际生产过程检控过程中发挥重要的作用。
论文信息
Maria Laura Gödecke, Karsten Frenner, Wolfgang Osten. Model-based characterisation of complex periodic nanostructures by white-light Mueller-matrix Fourier scatterometry[J]. Light: Advanced Manufacturing.