基于光波导共振效应的多层介质膜堆栈检测装置及方法与流程

本发明属于多层介质膜检测领域，具体涉及一种基于光波导共振效应的多层介质膜堆栈检测装置及方法。

背景技术：

1、多层介质薄膜在集成电路芯片制造中具有广泛的应用，涉及晶体管栅堆栈、三维存储器与电容以及极紫外光刻等多个领域。然而，在实际制备过程中，由于镀膜工艺存在制备误差，所制备的多层介质膜堆栈中各膜层的厚度、折射率、界面粗糙度等关键参数往往偏离理论设计值，导致其实际光学特性与电学特性存在不确定性。该不确定性将直接影响晶体管的栅极电容与漏电流控制精度、存储器中电荷存储的稳定性与读写可靠性，以及极紫外光刻反射镜的反射率与成像质量等核心性能指标。因此，对多层介质膜堆栈的膜层厚度、光学常数及界面形貌等参数进行准确表征与测定，对于保障集成电路中高性能器件的制造良率与性能一致性具有至关重要的意义。

2、基于光波导共振效应的光学检测方法是多层介质膜堆栈参数检测的有效方法，该方法通过高精度角度扫描获取包含共振峰信息的透射或衍射效率角谱，并结合理论建模与迭代反演实现各膜层厚度、折射率等参数的无损检测，在光波导共振的理论仿真环节，采用严格耦合波分析法（rcwa，rigorous coupledwave analysis）求解电磁场分布。然而，实现上述反演闭环在实际工程应用中面临以下技术瓶颈：

3、（1）导模求解的初值依赖与模式遗漏问题：传统导模求解方法直接对多层介质膜堆栈的复杂特征方程进行数值求根。由于多层膜特征方程极其复杂，求解结果严重依赖于初始估计值的选取，初始值不当极易导致迭代发散或收敛至错误模式；同时，传统方法难以保证找到所有导模，容易遗漏高阶或截止边缘的模式。一旦导模集合不完整，后续理论角谱将缺失对应特征，直接导致反演结果错误。

4、（2）正向全波计算的效率与稳定性问题：在采用严格耦合波分析法（rcwa）进行理论衍射或透射效率角谱计算时，若在0°～90°全角度范围内进行无差别扫描，不仅计算量极大、耗时严重，在碰到具有高吸收特性的多层厚膜时，还极易引发数值计算发散；即使强行计算，也由于缺乏准确的物理引导，容易陷入局部极小值，导致全局反演失败。

5、（3）厚度、折射率与消光系数的强耦合及解的不唯一性问题：在多层介质膜堆栈中，膜层的物理厚度与材料折射率在光学效应上是高度耦合的（共同决定共振峰位置）。若在迭代反演中缺乏物理边界约束和联合优化机制，算法极容易算出负厚度或非物理折射率的虚假结果，导致反演结果毫无实际应用价值。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于光波导共振效应的多层介质膜堆栈检测装置及方法，能够高效、可靠地求解多层介质膜堆栈所有导模，实现膜层参数的高精度反演，从而实现多层介质膜堆栈的高精度无损检测。

2、为了实现上述目的，本发明的一个方面提供一种基于光波导共振效应的多层介质膜堆栈检测装置，包括激光器、光路调理模块、姿态调整模块、光信号探测模块和上位机；

3、多层介质膜堆栈作为被测样品，表面设置有耦合光栅，所述耦合光栅用于激发多层介质膜堆栈内部的光波导共振，激光器用于输出激光光束作为用于激发光波导共振的入射光，入射光经过光路调理模块入射到被测样品表面，姿态调整模块用于装载被测样品和调整被测样品的姿态，实现入射光的入射角度扫描，光信号探测模块用于采集不同入射角度下的衍射光或透射光信号；

4、上位机包括信号采集和处理模块、导模严格求解模块、全波电磁计算模块以及联合优化模块，所述信号采集和处理模块用于控制姿态调整模块的角度扫描和光信号探测模块的信号采集，计算得到实测衍射或透射效率角谱并提取实测共振峰；所述导模严格求解模块采用基于参数化追踪的初值问题积分法，求解多层介质膜堆栈中所有物理有效导模的有效折射率并初步定位理论共振角；所述全波电磁计算模块在该初步定位的理论共振角附近，利用严格耦合波分析法进行全波电磁计算，得到理论衍射或透射效率角谱并提取出理论共振峰；所述联合优化模块构建基于理论共振峰与实测共振峰残差的评价函数，以评价函数最小化为目标，采用带物理边界约束的lm优化算法，对膜层参数进行同步联合迭代优化，输出优化后的各膜层参数作为检测结果。

5、本发明的另一个方面提供一种基于光波导共振效应的多层介质膜堆栈检测方法，利用上述的装置进行多层介质膜堆栈检测，包括：

6、对被测样品的透射光信号或衍射光信号进行多角度采集，获取包含导模共振信息的衍射或透射效率角谱作为实测角谱；

7、进行待反演参数初始化，确定待反演参数的物理约束范围，并基于共振峰位置构建目标评价函数；

8、采用基于参数化追踪的初值问题积分法，求解多层介质膜堆栈中所有物理有效导模的有效折射率并初步定位理论共振角；

9、在该初步定位的理论共振角附近，利用严格耦合波分析法进行全波电磁计算，得到理论衍射或透射效率角谱并提取出理论共振峰；

10、构建基于理论共振峰与实测共振峰残差的评价函数，以评价函数最小化为目标，采用带物理边界约束的lm优化算法，对膜层参数进行迭代优化，输出优化后的各膜层参数作为检测结果。

11、根据本发明上述方面的基于光波导共振效应的多层介质膜堆栈检测装置及方法，能够高效、可靠地求解多层介质膜堆栈所有导模，实现膜层参数的高精度反演，从而实现多层介质膜堆栈的高精度无损检测。

1.一种基于光波导共振效应的多层介质膜堆栈检测装置，其特征在于，包括激光器、光路调理模块、姿态调整模块、光信号探测模块和上位机；

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导模严格求解模块利用基于参数化追踪的初值问题积分法，通过引入连续参数将多层介质膜堆栈与无损耗单层波导关联，利用二分法获取所有导模的特征值初始值，并通过数值积分进行特征值追踪，求解得到多层介质膜堆栈中所有导模的有效折射率。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述全波电磁计算模块在初步定位的理论共振角两侧各扩展规定角度的窗口范围内进行全波电磁计算，得到完整理论衍射或透射效率角谱；在计算得到的理论衍射或透射效率角谱中搜索局部极值，定位并提取出各阶导模对应的理论共振峰位置。

4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，姿态调整模块包括样品转台，用于装载被测样品并通过连续转动改变入射光的入射角度，光信号探测模块包括探测器回转臂和光电探测器，光电探测器安装在探测器回转臂上，通过旋转带动光电探测器绕被测样品旋转，采集不同入射角度下的衍射光或透射光信号，探测器回转臂的回转中心与样品转台的回转中心为同一个。

5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，激光器为窄线宽激光光源，光路调理模块包括半波片、偏振片、准直镜和光阑，入射光依次经过半波片、偏振片、准直镜和光阑入射到被测样品表面，其中，半波片与偏振片用于一起连续调节入射光的强度和偏振，准直镜用于将入射光准直为平行光，光阑用于控制光斑大小。

6.一种基于光波导共振效应的多层介质膜堆栈检测方法，其特征在于，利用权利要求1-5中任一项所述的装置进行多层介质膜堆栈检测，包括：

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，对膜层参数进行迭代优化包括：

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，求解所有物理有效导模的有效折射率包括：

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，求解多层介质膜堆栈中所有物理有效导模的有效折射率还包括：