基于晶体固体相干谐波生成的可编程深紫外结构照明技术实现周期性样品的纳米级分辨率检测

《PhotoniX》：Programmable structured DUV illumination by coherent harmonic generation at crystalline solids for nanometer-resolution inspection of periodic samples

本刊推荐：为解决深紫外(DUV)波段缺乏有效光束控制器件、难以实现结构化照明显微镜(SIM)的技术难题，研究人员开展了基于非线性三次谐波生成的可编程DUV结构照明研究。通过调控近红外(NIR)驱动光束的空间相位，成功实现了波长266 nm的DUV三次谐波光束的空间形貌控制，形成了可见度达0.72的正弦分布。该技术使277.8 nm和416.7 nm周期样品的测量误差分别降至5.4 nm(1.9%)和2.1 nm(0.5%)，并能检测20.0 nm的横向位移（重复性5.3 nm），为半导体工艺监测提供了高分辨率解决方案。

　　

随着半导体芯片中晶体管间距的不断缩小，对基于深紫外(DUV, λ<280 nm)的高分辨率光学检测与计量需求日益迫切。然而，由于大多数光学材料对紫外线的强烈吸收，DUV波段缺乏有效的光束控制设备，这阻碍了结构化照明显微镜(SIM)等传统高分辨率计量技术在DUV领域的便捷应用。特别是在极紫外(EUV, λ=10-120 nm)光刻技术推出后，晶体管线宽已缩小至数十纳米级别，这对周期性图案的高分辨率测量和掩模与现有图案的精确定位提出了更高要求。

在这项发表于《PhotoniX》的研究中，Won等研究人员提出了一种创新的解决方案：通过晶体固体中的非线性三次谐波生成实现可编程DUV结构照明。该技术的核心思想是利用近红外(NIR, λ=800 nm)驱动光束入射到晶体固体时产生的三次谐波，通过操纵驱动光束的空间相位，实现对发射的DUV三次谐波光束(λ=266 nm)的空间控制，形成具有实时可调间距和取向角的高可见度正弦分布。

研究团队采用的主要技术方法包括：利用钛蓝宝石近红外激光系统产生飞秒脉冲；通过空间光调制器(SLM)对驱动光束进行二元相位图案调制；使用MgO晶体作为非线性介质产生三次谐波；采用反射式物镜系统减少DUV吸收；通过紫外增强CCD进行图像采集。实验样本为周期性的纳米结构光栅样品。

DUV莫尔增强周期性纳米结构测量概念

研究人员设计了一套基于莫尔效应的高分辨率测量方案。通过将相位调制的近红外驱动光束照射到非线性固体介质(氧化镁，MgO)上，生成的DUV三次谐波光束被形成为横向域的正弦分布。当这种可调控的DUV结构光束与周期性纳米样品相互作用时，会产生频率下转换的莫尔条纹，从而实现对接近衍射极限的纳米结构样品的高效放大观察。

光束周期和DUV结构照明的可见度

研究团队系统评估了不同谐波波长下结构照明的特性。在SLM间距设置为8像素的条件下，800 nm近红外驱动光束、400 nm紫外二次谐波和266 nm DUV三次谐波均形成了清晰的正弦光束分布。随着谐波阶数的增加，光束间距显著减小，这符合干涉方程Λ=λ/(2sinθ)的理论预测。

通过动态调节SLM中的二元相位图案间距(12、10和8像素)，研究人员成功实现了DUV结构光束周期的精确调控。测量结果显示，光束周期与SLM间距设定的预期值高度吻合，误差分别为NIR驱动光束1.6%、紫外二次谐波3.4%和DUV三次谐波3.1%。在三次谐波中实现的最小光束周期为331 nm。

值得注意的是，非线性谐波生成过程中的时空相干性保持使得光束可见度没有明显降低。NIR基波、二次谐波和三次谐波的平均可见度分别达到0.8、0.79和0.72，比现有的LED基紫外光源提高了近3倍，为莫尔图像的高可见度观察提供了条件。

DUV莫尔基高分辨率光学检测原理

为了验证DUV结构照明在超高分辨率光学检测中的潜力，研究人员以周期为277.8 nm的纳米结构光栅样品进行了实验。在传统的DUV宽场成像条件下，由于样品周期接近衍射极限(250 nm)，图像可见度仅为0.07。

当引入周期为358 nm、取向角为5°的DUV结构光束后，生成的莫尔条纹平均可见度提升至0.21，是宽场样品图像的三倍。傅里叶变换分析显示，样品的空间频率(3.58 μm^-1)接近衍射极限，而莫尔拍频信号的空间频率(0.94 μm^-1)明显降低，实现了空间频率的有效下转换。莫尔条纹的强度计数(0.051)是样品信号(0.012)的4.3倍，证明了可见度和分辨率的显著改善。

通过角度分辨DUV结构照明的样品周期重建

研究人员进一步开展了角度分辨的莫尔放大实验，通过实时角度调制重建样品周期。理论上，莫尔条纹周期可由公式C=Λ₁Λ₂/√[Λ₂²sin²2α+(Λ₂cos2α-Λ₁)²]描述，其中Λ₁、Λ₂分别表示样品和结构光束的周期，α为方位角。

通过将结构光束的取向角从-13°调整到13°，并测量相应的莫尔条纹周期，研究人员采用广义缩减梯度(GRG)优化算法，最小化计算与实验莫尔周期之间的误差，成功重建了样品的周期和方位角信息。对于277.8 nm周期的样品，重建周期为272.4 nm，误差为5.4 nm(1.9%)；对于416.7 nm周期的样品，重建周期为418.8 nm，误差为2.1 nm(0.5%)。最大放大倍数达到70倍，接近理想对齐条件下约98倍的理论极限。

通过莫尔放大的20.0 nm横向位移监测

作为高分辨率晶圆对准的演示，研究人员进行了衍射极限位移测量(20-100 nm)。通过将光束周期调整至接近样品周期，设置了25.3和16.5的高莫尔放大倍数，使传统宽场成像中不可见的亚100 nm位移检测成为可能。

实验结果显示，莫尔位移值与施加的位移成正比，线性拟合斜率为24.67，R²值为0.997，与设定放大倍数的偏差小于2.5%。对于20 nm、40 nm和80 nm的步进位移，莫尔位移值按比例放大，各位移步长的重复性分别为5.0 nm、4.2 nm、5.7 nm和6.4 nm，平均重复性为5.3 nm。

研究结论与意义

这项研究通过基于晶体固体相干三次谐波生成的可编程DUV结构照明，实现了周期性样品的纳米级分辨率检测。固体谐波生成固有的相位匹配不敏感性，以及驱动光束信息的高相干性保持，使得DUV结构光束的生成和微调成为可能。DUV结构光束的角度和间距可通过SLM对驱动光束的初始调制进行动态控制，三次谐波DUV结构光束的周期比NIR驱动光束窄3倍，允许与更小周期样品产生莫尔条纹。

该技术的最大创新点在于实现了DUV-EUV结构照明的有效途径，通过莫尔放大使横向检测分辨率达到20 nm水平，重复性为5.3 nm。这不仅为半导体工艺监测提供了高分辨率、实时、波长匹配的解决方案，也为未来实现DUV超分辨率结构照明显微镜(SR-SIM)和EUV波段的结构照明奠定了基础。特别是在半导体关键尺寸计量、掩模-晶圆对准和缺陷检测等领域，这项技术展现出广阔的应用前景。