光学散射测量中的仪器测量条件配置优化方法研究

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1、分类号学每举棹代：码密级專肀科技太牙博士学位论文光学散射测量中的仪器测量条件配置优化方法研究学位申请人：董正琼学科专业：机械电子工程指导教师：刘世元教授答辩日期年月日ADissertationSubmittedtoAcademicDegreesEvaluationCommitteeofHuazhongUniversityofScienceandTechnologyfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringResearchonInstrumentMeasurementConfigurationO

2、ptimizationinOpticalScatterometryPh.DCandidate:DongZhengqiongMajor:MechatronicEngineeringSupervisor:Prof.LiuShiyuanHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei430074，独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡

3、献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：‘日期：年月从日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于保密口，在年解密后适用本授权书。不保密。请在以上方框内打“十’）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：冰年月曰：年月乂日

4、日期华中科技大学博士学位论文摘要相比于扫描电子显微镜和原子力显微镜等传统测量手段，光学散射测量技术在满足纳米级尺度测量要求的同时具有快速、低成本、非破坏性和易于集成等优点，因而在纳米制造等先进工艺监测及优化领域中得到了广泛的应用。目前，如何进一步实现更高精度和更快速度的纳米结构测量是光学散射测量技术的研究重点之一。由于光学散射测量在本质上是一种基于模型的测量方法，通过将实际测量数据与模型仿真数据进行匹配来反演提取出纳米结构参数值，故待测参数的测量精度主要取决于模型仿真数据对待测参数的灵敏度，其反演提取速度则在很大程度上受到所选测量数据集的大

5、小影响。其中，纳米结构参数的灵敏度可以通过改变测量条件配置进行改善，即调整入射波长、入射角和方位角等测量条件的组合；测量条件配置中所选取波长的数目越多，其对应需分析的测量数据越多，但在理论上仅采用极大线性无关的最少量包含丰富待测结构信息的测量数据即可反演出待测结构参数。因此，可以通过选择合适的测量条件配置使得纳米结构待测参数的灵敏度最高且反演分析所需测量数据最少，进而实现纳米结构测量精度和速度的提高。本学位论文以此为出发点，开展了光学散射测量中测量条件配置优化方法的探索性研究。首先，本文利用组建的基于矩阵椭偏仪的纳米结构测量实验平台，对典型

6、纳米结构测量过程展开了灵敏度特性分析，分析结果表明了通过选择合适的测量条件配置可实现更高灵敏度的纳米结构测量。然后针对单个纳米结构和尺寸差异较大的批量纳米结构，分别就局部和全局灵敏度分析法对测量条件配置中入射角和方位角的优化问题展幵研究。最后，在优化入射角和方位角炉基础上，利用线性相关分析法进一步研究了入射波长的优化问题。主要工作和创新点如下：基于局部灵敏度法分析了纳米结构待测参数与测量数据之间的不确定度传递规律，结合纳米结构实际测量过程推导得到将测量数据与待测参数之间的误差传递公式，进而得到待测参数的不确定度估计公式。针对单个纳米结构，提

7、出了一种以待测参数的相对不确定度之和为目标函数的测量条件配置优化方法，以实现纳米结构所有待测参数的统一最优测量条件配置。基于方差分析法推导了光学特性模型中输入结构参数不确定度影响模型输出的全方差公式，得到了结构参数的主效应这一全局灵敏度衡量指标表达式，通过结合华中科技大学博士学位论文不同测量条件配置下待测结构参数的主效应与实际测量噪声量级，定义了“不确定度指数”这一精度衡量指标，并结合傅里叶幅度灵敏度检验扩展法给出了其计算公式。针对尺寸差异较大的批量纳米结构，提出了一种以待测结构参数不确定度指数为目标函数的测量条件配置优化方法，从而实现批量

8、待测纳米结构的统一最优测量条件配置。在优化入射角和方位角的基础上，针对纳米结构实际值与设计值对应光谱之间的偏差数据展幵了线性相关度分析，通过考虑实际测量过程中的随机误差得到了对应