导读

在半导体制造的精密舞台上，光刻技术如同“画笔”，将纳米级的电路图案“描绘”到晶圆上。其中，掩模版与晶圆之间纳米级精度的横向位移对准，是确保芯片良率的关键环节。传统光学位移测量方法虽已达纳米精度，但受限于相干态光子的特性和光栅结构，其原位测量速度和精度提升面临瓶颈。

近日，香港城市大学蔡定平教授、哈尔滨工业大学（深圳）肖淑敏教授及南京大学张利剑教授团队，创新性地利用几何相位超构表面，结合双光子态干涉技术，开发出一种与现代光刻工艺兼容的横向位移测量方法。该方法在保持纳米级精度的前提下，实验上成功将所需探测光子数量减少至传统相干光源方法的约3%，测量速度范围覆盖20-5000 nm/s，契合现代光刻工艺中精密对准与快速测量的双重需求，为下一代半导体制造装备提供了强有力的技术支撑。相关成果以“Meta-device for Sensing Subwavelength Lateral Displacement”为题发表于《Light: Science & Applications》。

研究背景

半导体光刻技术是现代信息产业的基石，其精度直接决定了芯片的集成度和性能。在光刻过程中，掩模版与晶圆之间精准的横向位移测量（包括对准Alignment和套刻Overlay以及预对准Pre-alignment）至关重要，误差需控制在纳米级别。当前主流的位移测量技术依赖相干光源（如激光）和精密光栅结构，虽已实现纳米精度，但其固有局限性包括以下几个方面：第一，光子需求量大，为达到所需精度，传统方法需要探测大量的光子进行统计平均，消耗大量时间。第二，速度较慢，大量光子探测导致单次测量时间长，限制了在高速运动或需要快速反馈的精密对准场景（如多重曝光光刻）中的应用。第三，在线测量难，传统光学系统体积和复杂性对在光刻机内部实现小型化、原位集成测量构成挑战。尽管近年来纳米光子学，特别是超构表面技术，在位移测量领域展现出巨大潜力，显著减小了器件尺寸并提升了对准容差，但它们大多仍基于经典相干光原理，未能从根本上解决高精度与低光子数/快速度之间的矛盾。

研究亮点

本研究团队另辟蹊径，将量子光学中的双光子态与非经典干涉效应，与前沿的偏振梯度超构表面技术相结合，开创性地解决了上述难题：

1. 原理创新：双光子干涉倍增信息密度

团队设计并制备了一种特殊的几何相位超构表面（图1b-c），能将入射的正交偏振光子高效地转化为特定路径上的圆偏振光。核心突破在于利用双光子态（例如自发参量下转换产生的纠缠光子对）作为探测光源。当一对具有正交偏振的光子同时通过该超构表面并经历微小位移时，它们之间会发生量子干涉（图2）。理论分析表明，双光子态的量子Fisher信息量（QFI）是同等光子数下单光子态（或相干态）的两倍。这意味着每个双光子携带的位移信息量远高于经典光子。

图1. (a) 几何相位超构表面精密过程控制示意图。紫光表示用于曝光的紫外线，而红光表示双光子测量光。插图：两个正交偏振的光子在穿过超构表面时转化为纠缠光子，导致两个光子以相同的角度发射。 (b) 扫描电镜图像的顶部视图和 (c) 倾斜视图。比例尺：1 μm。

图 2. (a) 单光子干涉和 (b) 双光子干涉应用于位移测量的示意图。

2. 性能突破：所需测量光子数锐减97%，精度保持纳米级

实验上，团队搭建了基于双光子源和偏振梯度超构表面的精密位移测量系统。他们制备了相位周期为5 μm的超构表面样品，展示了与现代光刻工艺的兼容性。关键实验结果如下（图3）：在相同的位移量（20 nm步进）测量任务中，双光子干涉方法与单光子方法均能清晰分辨位移点，达到纳米级精度（标准偏差在4.28 - 7.95 nm 与 5.31 - 7.19 nm）。相比较之下，本文中提出的方法的最突出的成果是：为了实现相同的测量标准偏差（精度），双光子方法所需探测的光子总数仅为经典单光子方法所需光子数的约3.4%、3.2%、2.8%和2.6%，平均仅需约3%。相当于将光子探测需求降低了97%。双光子符合计数过程本身还具有优异的抗环境光噪声和滤除非信息光子的能力，进一步提升了信噪比。

图3. 偏振梯度超构表面横向位移测量的静态结果。 (a) 单光子计数的直线和 (b) 增量测量结果（重合测量中的一个通道）。 (c) 重合计数的直线和 (d) 增量测量结果。

3. 应用验证：宽动态范围满足光刻需求

针对光刻中晶圆台运动影响测量的问题，团队测试了系统的动态范围（图4）。通过让压电位移台以恒定速度运动并进行快速傅里叶变换（FFT）分析，系统在20 nm/s 至 5000 nm/s 的速度范围内均能可靠工作，测得峰值与预期速度相符。这一速度范围符合了光刻机中精密工作台进行纳米级对准时的典型速度（约100 nm/s），证明该方法能有效应对实际制造过程中物体运动带来的挑战，优化多重曝光工艺。

图4. 校准测量的动态范围。 (a) 压电陶瓷位移台移动速度随时间的变化，以及 (b) 相应的测量结果

总结与展望

本研究成功开发了一种基于几何相位超构表面、与半导体工艺兼容的横向位移测量新技术。其核心创新在于利用双光子态干涉效应，在保持纳米级精度的同时，将测量所需的光子数锐减至传统方法的约3%。这一突破性进展解决了精密光刻中高精度测量与快速响应（低光子数/短时间）难以兼得的长期困境。未来，通过优化集成光学路径以减少抖动、采用更高光子数的多光子态、提高光子对不可区分性、以及在可行条件下缩短工作波长等手段，该技术的分辨率和精度有望进一步提升。这项研究不仅为下一代半导体光刻技术提供了强大的位移测量解决方案，其基于双光子态和超构表面的精密测量新范式，在精密加工、振动补偿、量子传感等诸多领域也具有广阔的应用前景。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02067-7