PhotoniX封面丨动态深紫外结构光：为芯片纳米测量助力

在半导体制造领域，随着集成电路工艺节点不断缩小至纳米尺度，对工艺检测与计量技术的分辨率提出了前所未有的要求。传统光学显微镜由于受到衍射极限的限制，在可见光波段的分辨率通常难以突破200纳米，已无法满足先进制程的检测需求。

为突破这一物理限制，业界主要沿着两个技术路径发展：一是采用波长更短的光源来提升理论分辨率，二是开发超分辨成像技术。深紫外光（DUV）因其波长远小于可见光，能够提供更高的理论分辨率，在纳米计量中备受关注。然而，DUV波段面临一个显著的技术瓶颈：由于大多数光学材料对DUV光存在强烈吸收，导致适用于该波段的主动波前调控元件（如空间光调制器）极为匮乏。这使得许多在可见光波段成熟的超分辨率成像技术，例如结构光照明显微术（SIM）等，难以直接应用于DUV波段，限制了其在先进半导体检测中的潜力。

近日，韩国科学技术院（KAIST）与日本东京工业大学的研究团队在《PhotoniX》上发表的研究工作提出了一种解决上述问题的创新方法。研究团队通过利用非线性光学中的三次谐波产生过程，在固态晶体中将近红外激光转换产生为三倍频的266 nm DUV光，并绕开了在DUV波段直接做光束调制的技术困难。通过操控近红外驱动光束的波前，间接实现了DUV结构光的生成以及其周期与方向的可编程动态控制。利用可动态调控的DUV结构光与周期性半导体纳米结构相互作用产生的莫尔条纹放大效应，研究人员成功对接近衍射极限的样品周期进行了重构，并实现了对20 nm横向位移的检测。这项工作为半导体纳米结构的原位、高精度光学计量提供了一种新的技术思路。

本研究工作是光学/光子学技术与半导体先进制造、非线性光学材料及精密计量技术等多领域深度交叉的典型范例。它通过将近红外波段的动态波前调控技术、固态非线性晶体中的高次谐波产生过程，与面向半导体制造的高精度计量检测需求相结合，构建了一种新的光学表征测试方法。这种交叉融合不仅解决了DUV波段因光学材料吸收强而难以实现动态结构光照明的难题，而且将不同学科的技术优势进行整合——利用非线性光学拓展了可用光谱范围，通过波前调控技术实现了对短波长光场的间接操控，最终服务于半导体制造中纳米级结构的精确测量与过程监控，体现了基础光学原理向产业关键技术的有效转化。

研究工作围绕可编程深紫外结构光的生成及其在纳米计量中的应用展开。研究团队构建了一套基于固态三次谐波产生的深紫外结构光生成系统：以波长为800 nm的近红外飞秒激光作为驱动光源，通过空间光调制器对近红外光束进行波前调制，将其分为两束具有特定相位关系的光束。这两束光经过聚焦后在氧化镁非线性晶体中发生三阶非线性频率转换，产生波长为266nm的深紫外三次谐波。由于非线性过程中的波前保持特性，产生的两束DUV光在样品面发生干涉，形成高质量的正弦条纹照明光场，其光束周期可达到331 nm。

在应用验证方面，研究聚焦于两个核心场景：

（1）半导体特征纳米结构周期重构：针对周期分别为277.8 nm（接近衍射极限）和416.7 nm的样品，通过动态旋转DUV结构光的入射角度，获取一系列莫尔条纹图像，利用莫尔条纹的放大效应提升了条纹可见度，并结合建立的物理模型和优化算法，成功实现了对样品周期的无损重构，误差分别低至1.9% 和0.5%。

（2）亚衍射极限位移检测：通过监测因样品横向位移而被莫尔效应放大数十倍的条纹移动，该技术成功检测到低至20 nm的位移（低于系统的阿贝衍射极限），并实现了5.3 nm的测量重复精度，证明了其在纳米级对准与运动监测方面的应用潜力。

本研究展示了一种基于固态三次谐波产生的可编程深紫外（DUV）结构光照明技术。该技术通过近红外波段的波前调控，间接实现了DUV结构光周期与方向角的动态控制，生成了高质量正弦条纹。实验表明，该方法能对接近衍射极限（277.8 nm）的周期性结构进行精确重构，测量误差低至1.9%，并实现了对20 nm横向位移的检测，重复精度达5.3 nm。这为解决半导体制造中的纳米级关键尺寸测量与精密对准问题提供了一种有效的光学计量方案。

展望未来，该技术路径具有明确的拓展方向。通过采用更高数值孔径（如NA=1）的反射式物镜，有望将DUV结构光周期缩减至150 nm以下，进一步提升分辨率。当前系统所实现的可编程动态调控照明，为在DUV波段实施结构光超分辨显微术奠定了基础，未来通过集成多角度、多相位的图像采集与重建算法，有望实现对非周期结构的超分辨成像。此外，该技术框架可延伸至极紫外波段，利用固体高次谐波产生更短波长的结构化光场，以满足未来更先进制程节点的检测需求。