2026年3月5日，科学出版社主办的我国第一本科学仪器领域英文国际学术期刊《Advanced Scientific Instruments》在其创刊号上，刊发了精密仪器研究中心团队在半导体薄膜计量领域的突破性研究成果，题为“Snapshot Fourier ellipsometry: Pushing to sub-nanometer accuracy for high-throughput thin film metrology（快照式傅里叶椭偏仪：推动高通量薄膜计量迈向亚纳米准确度）”。王健教授为论文第一作者，刘世元教授和彭立华博士后为共同通讯作者。

随着半导体技术进入后摩尔时代，芯片架构正加速向3D垂直方向堆叠演进（如3D NAND、3D DRAM等），这使得产线对薄膜层厚、折射率和关键尺寸(CD)等的精准控制提出了严苛要求。光谱椭偏仪(SE凭借其极高测量灵敏度（高达~0.002 nm）逐渐成为了薄膜计量的事实标准，但因其依赖机械或光电时序调制，测量效率难以满足晶圆的高通量在线检测需求；同时，倾斜照明产生的较大测量光斑（通常>20~50 μm）也限制了其在图案化晶圆上的高空间分辨率原位表征能力；此外，光谱椭偏仪测量依赖于宽带光谱中的先验折射率色散关系，这种对复杂色散建模的依赖进一步增加了材料表征的难度。

针对上述挑战，研究团队提出并研制了一种基于高数值孔径(NA)物镜后焦面自旋转偏振调制的傅里叶椭偏仪(FE)，具有单帧快照成像、微米级光斑分辨率、紧凑的同轴设计以及无色散依赖的优势，是极具潜力的下一代计量方案。然而，由于傅里叶椭偏仪中高NA物镜和分束器等非偏振元件会引入复杂的偏振像差、偏振误差等，其测量精度较光谱椭偏不足。为此，团队进一步建立了基于穆勒矩阵傅里叶椭偏仪系统的偏振传递模型，并创新性地开发了一套基于双旋转补偿器的分步原位标定策略。该策略通过五个严密的校准步骤，精确量化并系统性地补偿了偏振器件误差、分束器透反射误差、物镜焦距映射误差以及空间依赖的偏振像差。

图1 傅里叶椭偏仪测量原理与系统偏振传输模型

团队搭建了傅里叶椭偏仪测量原理样机，在以商业光谱椭偏仪为参考基准的比对中，实现了薄膜厚度测量的均方根误差(RMSE)从3.9 nm大幅压降至0.2 nm，精度提升高达95%。系统在提取N/C/S-EARS时达到了0.002的极高精度，对应于厚度测量精度可达3~10 pm，在重复对焦的工况下，测量重复性依然优于50 pm。此外，得益于~1ms的快照测量能力，该系统搭载直驱旋转台后，在600 s内即可完成对4英寸晶圆表面高达60,000个点位的高分辨率密集扫描，测量通量较传统商业光谱椭偏仪提高了100倍以上。

图2 傅里叶椭偏分布原位标定策略与精度提升结果

图3 傅里叶椭偏仪和传统光谱椭偏仪晶圆厚度扫描结果对比

该研究成果突破了傅里叶椭偏仪亚纳米测量精度，验证了该技术具备兼顾亚纳米级精度与超高通量扫描，为原子级制造的先进半导体晶圆在线测量提供了极具竞争力的创新工具。

论文信息：

J. Wang, Q. Xu, L. Peng, J. Yang, H. Zhu, J. Zhu, Y. Shi, O. Zakharov, H. Jiang, M. Xu, J. Liu, and S. Liu, "SnapshotFourier ellipsometry: pushing to sub-nanometer accuracy for high-throughput thin film metrology," Adv. Sci. Instrum. 1, 100008 (2026).

新闻报道：

https://www.eurekalert.org/news-releases/1120416

https://mp.weixin.qq.com/s/Nv3nSr6XbzAcsqh4u3A0yA?scene