光學散射測量中的儀器測量條件配置優(yōu)化方法研究.pdf

1、相比于掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡等傳統(tǒng)測量手段，光學散射測量技術在滿足納米級尺度測量要求的同時具有快速、低成本、非破壞性和易于集成等優(yōu)點，因而在納米制造等先進工藝監(jiān)測及優(yōu)化領域中得到了廣泛的應用。目前，如何進一步實現(xiàn)更高精度和更快速度的納米結構測量是光學散射測量技術的研究重點之一。
　　由于光學散射測量在本質上是一種基于模型的測量方法，通過將實際測量數(shù)據與模型仿真數(shù)據進行匹配來反演提取出納米結構參數(shù)值，故待測參數(shù)的測量精度主要取

2、決于模型仿真數(shù)據對待測參數(shù)的靈敏度，其反演提取速度則在很大程度上受到所選測量數(shù)據集的大小影響。其中，納米結構參數(shù)的靈敏度可以通過改變測量條件配置進行改善，即調整入射波長λ、入射角θ和方位角φ等測量條件的組合；測量條件配置中所選取波長λ的數(shù)目越多，其對應需分析的測量數(shù)據越多，但在理論上僅采用極大線性無關的最少量包含豐富待測結構信息的測量數(shù)據即可反演出待測結構參數(shù)。因此，可以通過選擇合適的測量條件配置使得納米結構待測參數(shù)的靈敏度最高且反演分

3、析所需測量數(shù)據最少，進而實現(xiàn)納米結構測量精度和速度的提高。
　　本學位論文以此為出發(fā)點，開展了光學散射測量中測量條件配置優(yōu)化方法的探索性研究。首先，本文利用組建的基于Mueller矩陣橢偏儀的納米結構測量實驗平臺，對典型納米結構測量過程展開了靈敏度特性分析，分析結果表明了通過選擇合適的測量條件配置可實現(xiàn)更高靈敏度的納米結構測量。然后針對單個納米結構和尺寸差異較大的批量納米結構，分別就局部和全局靈敏度分析法對測量條件配置中入射角θ和

4、方位角φ的優(yōu)化問題展開研究。最后，在優(yōu)化入射角θ和方位角φ基礎上，利用線性相關分析法進一步研究了入射波長λ的優(yōu)化問題。主要工作和創(chuàng)新點如下：
　　基于局部靈敏度法分析了納米結構待測參數(shù)與測量數(shù)據之間的不確定度傳遞規(guī)律，結合納米結構實際測量過程推導得到將測量數(shù)據與待測參數(shù)之間的誤差傳遞公式，進而得到待測參數(shù)的不確定度估計公式。針對單個納米結構，提出了一種以待測參數(shù)的相對不確定度之和為目標函數(shù)的測量條件配置優(yōu)化方法，以實現(xiàn)納米結構所有

5、待測參數(shù)的統(tǒng)一最優(yōu)測量條件配置。
　　基于方差分析法推導了光學特性模型中輸入結構參數(shù)不確定度影響模型輸出的全方差公式，得到了結構參數(shù)的主效應這一全局靈敏度衡量指標表達式，通過結合不同測量條件配置下待測結構參數(shù)的主效應與實際測量噪聲量級，定義了“不確定度指數(shù)”這一精度衡量指標，并結合傅里葉幅度靈敏度檢驗擴展法給出了其計算公式。針對尺寸差異較大的批量納米結構，提出了一種以待測結構參數(shù)不確定度指數(shù)為目標函數(shù)的測量條件配置優(yōu)化方法，從而實

6、現(xiàn)批量待測納米結構的統(tǒng)一最優(yōu)測量條件配置。
　　在優(yōu)化入射角和方位角的基礎上，針對納米結構實際值與設計值對應光譜之間的偏差數(shù)據展開了線性相關度分析，通過考慮實際測量過程中的隨機誤差得到了對應入射波長下測量光譜數(shù)據為冗余信息的條件不等式，進一步根據柯西不等式推導得出了識別冗余測量信息的目標函數(shù)。在此基礎上，提出了一種基于線性相關分析的測量條件配置優(yōu)化方法，實現(xiàn)以最少量的測量數(shù)據進行待測參數(shù)的逆向提取，從而提高測量速度而不影響其測量結