微纳深沟槽结构光学反射特性与参数提取算法研究

论文摘要

在微电子和微机电系统(MEMS)设计与制造工艺过程中,目前广泛采用了高深宽比的深沟槽结构,传统的测量方式无法实现对其深度的测量,因此需要采用光学的方法对深沟槽结构的尺寸进行精确检测。本学位论文在国家高技术研究发展计划(863计划)、国家自然科学基金和新世纪优秀人才支持计划的资助下,研制高深宽比微纳深沟槽结构基于模型的红外反射谱测量方法与设备。针对硅等半导体材料的光学特性,提出基于红外反射模型的微纳深沟槽测量方法。中红外光经过傅立叶变换红外光谱仪后形成干涉光再入射进入样品,利用探测器获取反射后的光信息,然后经过计算机处理提取深沟槽的特征尺寸信息。本文运用等效介质理论将深沟槽转化为具有同样光学特性的层状模型,并采用菲涅耳公式和传输矩阵理论计算深沟槽的反射谱,同时采用严格耦合波理论进行比较,提出一种对等效折射率加入色散修正项的反射率计算方法,这种方法即精确又快速,适用于深沟槽反射模型的建立。研究了基于模拟退火算法和LM算法的深沟槽参数提取方法,采用将两者结合的方式,对深沟槽的测量反射谱进行反演计算从而提取沟槽的特征尺寸参数。利用MATLAB编程模拟仿真了标准的斜壁深沟槽和瓶装深沟槽的反射谱,分析和总结了深沟槽的深度,顶部宽度,底部宽度,占空比等几何特征尺寸对红外光反射谱的影响。并采用自行设计的实验系统完成了对薄膜的测量,并对实验结果进行了分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 选题意义及背景
• 1.3 国内外基本研究概况
• 1.3.1 国外研究概况
• 1.3.2 国内研究概况
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 微纳深沟槽测量理论与方法研究
• 2.1 测量原理
• 2.2 中红外光测量原因分析
• 2.3 等效介质理论建模
• 2.4 沟槽特征尺寸求解
• 2.5 本章小结
• 3 深沟槽光学反射特性建模
• 3.1 深沟槽的反射率计算
• 3.1.1 菲涅耳公式
• 3.1.2 单层介质反射率计算
• 3.1.3 多层介质反射率计算
• 3.2 严格耦合波理论
• 3.2.1 TE 波的严格耦合波
• 3.2.2 TM 波的严格耦合波
• 3.3 等效介质理论与严格耦合波的比较
• 3.4 修正等效介质理论
• 3.5 本章小结
• 4 深沟槽参数提取算法研究
• 4.1 模拟退火算法
• 4.1.1 模拟退火算法的原理
• 4.1.2 模拟退火算法在沟槽参数提取中的应用
• 4.2 LM 算法
• 4.2.1 LM 算法原理
• 4.2.2 LM 算法计算步骤
• 4.3 本章小节
• 5 仿真分析与实验研究
• 5.1 斜壁深沟槽红外反射谱仿真
• 5.1.1 斜壁深沟槽反射谱与深度变化关系
• 5.1.2 斜壁深沟槽反射谱与顶部特征宽度的变化关系
• 5.1.3 斜壁深沟槽反射谱与底部特征宽度的变化关系
• 5.1.4 斜壁深沟槽反射谱与底部不平性的变化关系
• 5.1.5 斜壁深沟槽小结
• 5.2 瓶状深沟槽红外反射谱仿真
• 5.2.1 瓶状深沟槽反射谱与瓶身深度的变化关系
• 5.2.2 瓶状深沟槽反射谱与瓶颈深度的变化关系
• 5.2.3 瓶状深沟槽反射谱与瓶颈宽度的变化关系
• 5.2.4 瓶状深沟槽反射谱与瓶身宽度的变化关系
• 5.2.5 瓶状深沟槽小结
• 5.3 实验研究
• 5.3.1 实验系统介绍
• 5.3.2 实验结果与分析
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表论文目录
• 附录2 攻读学位期间申请专利目录