基于椭偏显微成像的超薄层状纳米结构测量理论与方法研究

With the rapid development and wide application of flexible electronic devices, ultra-thin layered nanostructure should be measured nondestructively, fast, and precisely. Conventional ellipsometry techniques can only obtain the mean geometric parameter values of simple periodic structure in the illumination region, which seriously restricts the application in complex inhomogeneous nanostructure measurement. .This project aims to realize ultra-thin layered nanostructure measurement based on micro imaging ellipsometry. The emphasis is on: Modeling the ellipsometry imaging property of inhomogeneous nanostructure, and revealing the influence mechanism on the measured Mueller matrix by the morphology and the characteristic parameters of the nanostructure; Revealing the mechanism of scattering field imaging and the theory of Fourier imaging, then the horizontal resolution constraint problem will be solved; The method of dimensionality reduction for high-dimensional Mueller matrix and generalized thin film transfer matrix is studied to realize fast and accurate extraction of nonperiodic structure and inhomogeneous thin film. Building an ellipsometry imaging experimental platform to confirm and improved the proposed theories and methods..The proposed method provides theoretical bases and a fast, nondestructive and precise measurement method for the on-line process monitoring in mass-production flexible electronic manufacturing.

柔性电子器件的飞速发展和广泛应用，对超薄层状纳米结构的非破坏、快速精确测量提出了严峻的挑战。传统椭偏测量技术由于只能获取简单周期结构在光斑照射区域内的平均值，严重制约了其在非均匀复杂层状纳米结构测量中的应用。.本项目拟采用椭偏显微成像技术，重点围绕超薄层状纳米结构测量理论与方法展开研究，主要包括：构建非均匀纳米结构椭偏成像光学特性模型，研究材料各向异性、纳米结构形貌参数与测量穆勒矩阵之间的影响规律；研究柯勒照明条件下光场传播行为和傅里叶成像机制，解决横向分辨率制约问题；研究高维穆勒矩阵与广义薄膜传输矩阵降维分解方法，实现高级次衍射信息中非周期结构、非均匀薄膜等特征信息的快速提取。搭建椭偏显微成像实验平台，对本项目提出的相关理论和方法进行验证与改进。.本项目旨在实现超薄层状纳米结构的非破坏、快速精确测量，为面向行业应用的柔性电子制造的工艺过程检测提供关键的基础基础和技术支撑。

对于极大规模集成电路(IC)，尤其是柔性电子器件，在其显示特性研究、制造工艺过程优化、批量化制造在线监测中，需要快速准确地测量结构样品的尺寸，以保证产品性能和产线良率。常用的电子束离子束检测具有破坏性且难以集成到工艺线上，而传统椭偏仪和显微成像技术，受限于分辨能力，在纳米级非均匀非周期微结构测量方面，难以满足检测要求。. 鉴于此，本项目针对非均匀非周期超薄层状纳米结构几何结构和光学特性的非破坏、快速精确测量需求开展研究，取得了若干研究成果，主要包括：（1）非均匀非周期超薄层状纳米结构椭偏测量理论方法，包括非均匀超薄复杂膜层光学特性建模方法、非周期颗粒结构光学特性建模、多参数高耦合下纳米结构参数求解、复杂结构中偏振光与物质相互作用等，解决了传统模型基于统计特征制约的只适用于各向同性周期结构低分辨的局限问题；（2）椭偏显微成像仪器，解决了光斑聚焦尺寸制约的分辨率提升、非周期结构和非均匀薄膜特征信息丢失、高级次衍射光收集、椭偏偏振调制及优化配置、高数值孔径物镜像差标定等关键技术，初步搭建了纳米量级的椭偏测量实验平台；（3）复杂微纳米结构测量中的孔径优化设计策略，提出了开创性的收集通道内孔径优化设计方案，系统分析了不同方案策略对实际测量精度和测量范围的影响，提出了考虑实际测量环境的多孔径-拖目标协同优化策略，显著提升了测量能力。. 本项目研究内容和成果为超薄层状微纳米结构光学性质研究和几何形貌参数测量提供了一种全面系统的定量表征和分析方法，为面向行业应用的柔性电子制造的工艺过程检测提供关键的基础理论和技术支撑。