以亚纳米精度测量三维（3D）空间中两个物体的相对位置对于基础物理实验和应用（例如对准半导体芯片的多层图案）至关重要。现有的方法依赖于显微成像和距离图案的配准，缺乏下一代3D芯片所需的准确度和精度。
据麦姆斯咨询报道，近日，美国马萨诸塞大学阿默斯特分校（University of Massachusetts Amherst）的研究团队提出并通过实验演示了一种利用级联超构表面（Metasurface）产生的远场全息干涉图的距离计量技术。该技术能够快速、同时测量两个工件之间的相对平面内和轴向距离，精度达到亚纳米级。亚纳米级的横向偏移被编码在全息干涉图的不对称中，并可使用自动估算器进行检测。该技术不涉及显微成像，只需要一台激光器和一台相机。通过单个相机图像，该技术能够以λ₀/50,000的横向和λ₀/6,300的轴向精度（λ₀：入射波长）测量以毫米级为间隔的工件之间的偏移。该技术具有高精度和简便性，可用于下一代3D集成光学和电子芯片，并为开发依赖于亚纳米位移测量的经济高效且紧凑的传感器奠定了基础。上述研究成果以“3D alignment of distant patterns with deep-subwavelength precision using metasurfaces”为题发表于Nature Communications期刊。
考虑两个用于对准的平面光学透明工件，如图1a所示。工件可以是图案化玻璃或半导体晶圆，它们彼此平行放置，并在其上图案化超构表面对准标记。为了使工件沿x、y和z轴对准，采用一对对准标记（每个工件上具有一个标记）。这对对准标记如图1b所示，由垂直入射光束照射。通过分析两个标记透射的光产生的远场光强图，可以确定标记之间的偏移，从而确定工件之间的偏移。两个光学级联对准标记协同工作，产生两幅在远场中干涉的全息图，其干涉图对对准标记的相对位移非常敏感。
图1 全息干涉对准概念
通过生成全息图，不同相位分布的超构表面可被用作对准标记。作为概念验证，研究人员探讨了一种基于超构透镜（Metalens）形成的两个平行望远镜的具体设计。对于这种设计，可通过首先考虑单个双透镜望远镜（图2a）来理解其工作原理。如图2a所示，当透镜对准（即共焦）时，望远镜是无焦的，这意味着垂直入射的输入光束以准直、放大或缩小的形式射出，而不会发生偏转。
图2b 显示了基于四个超构透镜形成的两个平行望远镜的全息干涉对准标记的示意图。在垂直入射光束的照射下，望远镜在对准时会产生两束平行的环形光束，而在横向偏移时，光束会偏转到不同的角度。
图2 基于两个平行望远镜的全息干涉对准工作原理
作为该原理的实验演示，研究人员设计并制造了图2b和2c 所示的对准标记。超构透镜被设计为具有无球面像差（双曲面）相位分布和环形孔径。图3b和3c显示了制造的对准标记的光学显微镜图像和SU-8包覆之前的纳米柱的扫描电子图像。
图3 超构表面对准标记的设计和制造
图4a显示了用于表征对准标记的实验设置的简化示意图。样品由准直的垂直入射λ₀ = 850 nm的激光束照射。其中一个样品安装在可以调整其俯仰以及精确的横向和轴向位移的可动支架和xyz平移台上。远场光强度图（即全息干涉图）使用聚焦到无限远的相机测量。
图4b显示了两个工件在不同横向和轴向偏移情况下的模拟和实验测量的远场干涉图。当样品对准时，两个全息图在光轴上发生相消干涉，干涉图由多个同心环组成。样品的横向偏移会使两个全息图横向移动不同的量，从而改变它们的干涉图。图4c展示了对准样品和横向偏移Δx = 10 nm的模拟干涉图的光强度结果。如沿θy = 0的光强所示，可以很容易地通过视觉检测到10 nm的横向偏移。所提出的对准技术的准确度和精确度取决于系统误差和记录图像的信噪比。不同横向和轴向偏移的模拟干涉图及其相应的实验测量干涉图如图4b和4d所示。
图4 模拟和实验结果
综上所述，这项研究提出并演示了一种全息干涉对准技术，能够对毫米级间距（演示中为1.1 mm）的图案进行3D对准，具有深亚波长精度和长对准范围。该技术还可用于更小距离的图案3D对准。通过按比例缩放标记距离、超构透镜尺寸和焦距以及相机镜头焦距，捕获的图像及其对偏移的灵敏度保持不变。使用这种方法，可检测的标记间距离可以减小到约10 μm。对于更小的距离，设计中还应考虑波动光学效应，例如第一个对准标记的边缘衍射。
此外，所提出的全息干涉对准技术的高精度和高准确度，以及检测设置的简便性（一台激光器和一台无限远聚焦相机），无需显微成像，使其成为当前背面对准方法的有吸引力的替代方案。除了用于对准超构光学（Meta-optics）晶圆外，使用近红外激光还可以对准多个堆叠硅晶圆，这是实现3D集成电路的必要条件。该对准技术的高精度足以满足当前和下一代光学和电子芯片图案化和封装的要求。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-53219-z
