导读

随着半导体器件特征尺寸持续微缩至纳米量级，并广泛采用复杂立体结构设计，对其表面进行高精度、非破坏性的三维形貌重建已成为确保器件性能、提升良率、加速研发迭代的核心关键技术。西安交通大学赵自新团队针对复杂形貌芯片提出了一种基于合成孔径数字全息的高精度超分辨三维形貌重建方法，该方法详细分析了数字全息显微术用于形貌重建的误差来源（寄生噪声、相位畸变）；此外，提出了一种基于双偏振通道的误差补偿方法，最终实现了对芯片表面形貌的高精度、超分辨、低噪声相位重建。22期封面文章。

封面解读

封面展示了合成孔径数字全息显微技术（SADHM）在半导体芯片三维形貌全场测量中的创新应用。封面中央，多束激光从不同角度照射在待测芯片表面，展示了SADHM通过多角度全息图像采集获取物体更多光场信息的核心原理。通过先进的合成孔径以及全息重建算法融合多角度全息数据，可以高精度地重构出芯片表面纳米尺度的三维形貌结构，包括微纳结构的高度、台阶、缺陷等关键特征。SADHM仅需低数值孔径（NA）物镜（大视场/大景深）即可合成等效高NA的虚拟大孔径，同步实现高分辨率、大视场与大景深成像与测量。

文章来源：2025年第22期封面文章|

PART.01

研究背景

合成孔径数字全息显微成像技术（SADHM）凭借其全场、非接触、高精度、超分辨、定量相位成像的独特优势，已成为纳米尺度芯片结构三维形貌重建的一种重要手段。由光学元件引起的寄生条纹和光学系统引入的相位畸变是制约SADHM形貌重建精度的关键问题。然而，传统基于数值拟合的相位畸变补偿方法通常依赖微扰假设，针对芯片这类复杂形貌样品难以取得较好的畸变补偿效果。传统的基于空域/频域滤波的寄生噪声消除方法会损失图像细节信息且无法消除低频寄生噪声，而基于合成孔径的寄生噪声消除方法则会在重建相位中引入大量高频噪声，不适用于芯片这类具有大量微观结构的样品。

针对上述问题，西安交通大学赵自新团队提出了一种基于双偏振通道的合成孔径数字全息三维显微成像系统（DPC-SADHM），旨在实现复杂形貌芯片的高精度、超分辨、低噪声形貌重建。

PART.02

基于偏振调制的寄生条纹消除

图1为文章提出的基于双偏振通道的反射式DPC-SADHM的光路图。

图1 双偏振通道DPC-SADHM光路图

如图2（a）所示，在图1所示光路中，寄生条纹主要由入射光在通过分光棱镜NPBS2和显微物镜MO时的反射光干涉所产生，最终在相机靶面产生如图2（b）所示的不同类型的寄生条纹，严重破坏SADHM系统所采集的全息图的质量。

图2 基于偏振调制的寄生条纹去除。（a）光路几何光学分析；（b）实验中所拍摄的样品光和寄生条纹

针对上述问题，提出了一种基于偏振调制的寄生条纹消除方法。首先，通过1/2波片将物光的偏振态调整为0°，从而使NPBS2和MO产生的寄生光的偏振态也被调制为0°。随后，在样品和平板分束镜之间放置一个1/4波片，由于物光来回经过1/4波片，样品反射光的偏振态可以被调制为90°。此时，样品反射光与寄生光的偏振态被调制为正交，因此可以利用PBS有效地将两者分离开来。该方法不需要空域和时域滤波，而是从物理层面去除寄生光，可以显著降低其对样品全息图质量的干扰。

PART.03

基于双相机单曝光的相位畸变补偿

针对传统基于数值拟合的相位畸变补偿方法无法高精度补偿复杂形貌下相位畸变的问题，提出了一种基于双相机单曝光的相位畸变补偿方法。如图2所示，所提出的光路系统利用平板分束镜（NPPBS）将物光分为两束，其中反射光经过1/4波片后照射在样品上，因此样品反射光的偏振态被调制为90°；透射光则直接照射在平面镜M6上，因此平面镜反射光的偏振态保持为0°。通过PBS时，样品反射光和平面镜反射光被有效分离。其中，纯净的样品反射光进入相机1，而平面镜反射光和寄生光则进入相机2。由于样品反射光和平面镜反射光经过相同的光学元件，它们所包含的相位畸变相同，因此在分别重建样品相位和平面镜相位并进行相位相减后可以完全消除样品相位中的相位畸变。

PART.04

DPC-SADHM形貌重建结果

图3展示了传统DHM、SADHM（基于Zernike多项式进行相位畸变补偿）和提出的DPC-SADHM得到的标准分辨率板（强度型、正片）相位重建结果对比。从图3可以看出，DPC-SADHM通过偏振调制的方式从物理层面上去除了寄生光，解决了传统SADHM中由寄生条纹所引入的高频噪声问题。此外，由于提出的双相机单曝光相位畸变补偿方法无须测量对象满足微扰假设且不需要对含有畸变相位的被测样品相位解包裹（解包裹过程可能引入无法被Zernike多项式拟合的畸变相位），因此可以完美消除重建相位中的相位畸变。

图3 传统DHM、SADHM和提出的DPC-SADHM得到的标准分辨率板（强度型、正片）相位重建结果

图4展示了基于DPC-SADHM的SoC芯片形貌重建结果。从图4可以看出，DPC-SADHM完全消除了SoC芯片重建相位中的相位畸变，且能重建出SoC芯片中高度小于20 nm、横向特征尺寸小于2 μm的规则的类光栅微观结构，展现了DPC-SADHM对实际复杂形貌芯片的高精度、超分辨、低噪声形貌重建能力。

图4 SoC芯片的相位重建结果。（a）~（b）DPC-SADHM重建相位的二维和三维展示；（c）图4（a）中1号框处的放大图；（d）~（e）普通DHM重建相位（基于Zernike多项式的相位畸变补偿）的二维和三维展示；（f）图4（d）中1号框处的放大图；（g）图4（c）中2号框处的放大图；（h）图4（a）中横截线处相位分布；（i）图4（f）中2号框处的放大图；（j）图4（d）中横截线处相位分布

PART.05

后续工作展望

半导体芯片微观结构具有跨尺度台阶特征，其高度分布范围横跨nm级至μm级。文章提出的DPC-SADHM受限于相位包裹问题，测量范围小于300 nm，难以实现μm级结构的三维形貌重建。此外，高数值孔径物镜的浅景深将导致具有大高度差的结构顶部或底部发生离焦，进而引起重建形貌失真。

针对上述瓶颈，研究团队未来将重点突破“多波长合成孔径”与“计算景深扩展”协同技术，构建跨尺度数字全息重建新范式，实现从nm级到μm级三维形貌的全场、无损、高精度表征。

作者简介

赵自新，工学博士，西安交通大学副教授。主要从事智能计算成像、机器视觉与三维测量方面研究工作。主持国家自然科学基金面上、青年等多项科研项目。发表SCI/EI论文60余篇。担任Photonics 期刊客座编辑，《应用光学》青年编委。

樊晨，西安交通大学助理教授，博士，主要从事智能计算成像、机器视觉三维测量技术研究。主持国家自然科学基金青年项目等多项科研项目。发表SCI论文30余篇，获授权国家发明专利5项。

科学编辑 | 陈欢

编辑 | 杨晨