以亞納米精度測量三維（3D）空間中兩個物體的相對位置對于基礎物理實驗和應用（例如對準半導體芯片的多層圖案）至關重要。現有的方法依賴于顯微成像和距離圖案的配準，缺乏下一代3D芯片所需的準確度和精度。
據麥姆斯咨詢報道，近日，美國馬薩諸塞大學阿默斯特分校（University of Massachusetts Amherst）的研究團隊提出并通過實驗演示了一種利用級聯超構表面（Metasurface）產生的遠場全息干涉圖的距離計量技術。該技術能夠快速、同時測量兩個工件之間的相對平面內和軸向距離，精度達到亞納米級。亞納米級的橫向偏移被編碼在全息干涉圖的不對稱中，并可使用自動估算器進行檢測。該技術不涉及顯微成像，只需要一臺激光器和一臺相機。通過單個相機圖像，該技術能夠以λ?/50,000的橫向和λ?/6,300的軸向精度（λ?：入射波長）測量以毫米級為間隔的工件之間的偏移。該技術具有高精度和簡便性，可用于下一代3D集成光學和電子芯片，并為開發依賴于亞納米位移測量的經濟高效且緊湊的傳感器奠定了基礎。上述研究成果以“3D alignment of distant patterns with deep-subwavelength precision using metasurfaces”為題發表于Nature Communications期刊。
考慮兩個用于對準的平面光學透明工件，如圖1a所示。工件可以是圖案化玻璃或半導體晶圓，它們彼此平行放置，并在其上圖案化超構表面對準標記。為了使工件沿x、y和z軸對準，采用一對對準標記（每個工件上具有一個標記）。這對對準標記如圖1b所示，由垂直入射光束照射。通過分析兩個標記透射的光產生的遠場光強圖，可以確定標記之間的偏移，從而確定工件之間的偏移。兩個光學級聯對準標記協同工作，產生兩幅在遠場中干涉的全息圖，其干涉圖對對準標記的相對位移非常敏感。
圖1 全息干涉對準概念
通過生成全息圖，不同相位分布的超構表面可被用作對準標記。作為概念驗證，研究人員探討了一種基于超構透鏡（Metalens）形成的兩個平行望遠鏡的具體設計。對于這種設計，可通過首先考慮單個雙透鏡望遠鏡（圖2a）來理解其工作原理。如圖2a所示，當透鏡對準（即共焦）時，望遠鏡是無焦的，這意味著垂直入射的輸入光束以準直、放大或縮小的形式射出，而不會發生偏轉。
圖2b 顯示了基于四個超構透鏡形成的兩個平行望遠鏡的全息干涉對準標記的示意圖。在垂直入射光束的照射下，望遠鏡在對準時會產生兩束平行的環形光束，而在橫向偏移時，光束會偏轉到不同的角度。
圖2 基于兩個平行望遠鏡的全息干涉對準工作原理
作為該原理的實驗演示，研究人員設計并制造了圖2b和2c 所示的對準標記。超構透鏡被設計為具有無球面像差（雙曲面）相位分布和環形孔徑。圖3b和3c顯示了制造的對準標記的光學顯微鏡圖像和SU-8包覆之前的納米柱的掃描電子圖像。
圖3 超構表面對準標記的設計和制造
圖4a顯示了用于表征對準標記的實驗設置的簡化示意圖。樣品由準直的垂直入射λ? = 850 nm的激光束照射。其中一個樣品安裝在可以調整其俯仰以及精確的橫向和軸向位移的可動支架和xyz平移臺上。遠場光強度圖（即全息干涉圖）使用聚焦到無限遠的相機測量。
圖4b顯示了兩個工件在不同橫向和軸向偏移情況下的模擬和實驗測量的遠場干涉圖。當樣品對準時，兩個全息圖在光軸上發生相消干涉，干涉圖由多個同心環組成。樣品的橫向偏移會使兩個全息圖橫向移動不同的量，從而改變它們的干涉圖。圖4c展示了對準樣品和橫向偏移Δx?=?10?nm的模擬干涉圖的光強度結果。如沿θy?=?0的光強所示，可以很容易地通過視覺檢測到10?nm的橫向偏移。所提出的對準技術的準確度和精確度取決于系統誤差和記錄圖像的信噪比。不同橫向和軸向偏移的模擬干涉圖及其相應的實驗測量干涉圖如圖4b和4d所示。
圖4 模擬和實驗結果
綜上所述，這項研究提出并演示了一種全息干涉對準技術，能夠對毫米級間距（演示中為1.1 mm）的圖案進行3D對準，具有深亞波長精度和長對準范圍。該技術還可用于更小距離的圖案3D對準。通過按比例縮放標記距離、超構透鏡尺寸和焦距以及相機鏡頭焦距，捕獲的圖像及其對偏移的靈敏度保持不變。使用這種方法，可檢測的標記間距離可以減小到約10 μm。對于更小的距離，設計中還應考慮波動光學效應，例如第一個對準標記的邊緣衍射。
此外，所提出的全息干涉對準技術的高精度和高準確度，以及檢測設置的簡便性（一臺激光器和一臺無限遠聚焦相機），無需顯微成像，使其成為當前背面對準方法的有吸引力的替代方案。除了用于對準超構光學（Meta-optics）晶圓外，使用近紅外激光還可以對準多個堆疊硅晶圓，這是實現3D集成電路的必要條件。該對準技術的高精度足以滿足當前和下一代光學和電子芯片圖案化和封裝的要求。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-53219-z
