2025年12月19日，国际计量技术联合会（IMEKO）旗舰期刊《Measurement》刊发精密仪器研究中心团队在小角X射线散射测量领域最新成果，题为“Small angle X-ray scattering measurement of nano-patterns with programmed line roughness（含线边粗糙度纳米图案的小角X射线散射测量）”。博士生张家豪为论文第一作者，陈修国教授为通讯作者，博士生邓定选、钟海硕以及刘世元教授为论文共同作者。

随着先进半导体器件特征尺寸不断逼近物理极限，线边粗糙度（LER）和线宽粗糙度（LWR）已成为影响器件性能、良率和可靠性的关键因素。然而，传统的CD-SEM和AFM等接触式测量方法在高通量、无损性和统计可靠性方面均面临明显瓶颈，而可见光与极紫外散射方法在先进节点下又受限于灵敏度不足和参数耦合问题。

针对上述挑战，研究团队提出了一种基于小角X射线散射（SAXS）的线粗糙纳米图案高精度测量方法。该方法充分利用X射线对电子密度分布高度敏感的优势，在法向入射测量条件下，实现对复杂线粗糙形貌的定量重构，粗糙度重构精度达到亚纳米级，并与扫描电子显微镜（SEM）结果高度一致。

图1 基于四面体分解的线粗糙单元参数化模型示意图

在建模方面，研究团队针对复杂粗糙单元难以获得解析散射表达式的问题，提出了一种基于四面体分解的解析散射场建模策略。该方法将具有复杂轮廓的粗糙单元离散为有限数量的四面体，并利用其解析形式直接计算散射场，从而避免了传统基于数值离散和FFT计算所带来的计算量激增和精度损失。相较于常规有限元或数值积分方法，该解析建模策略保证了计算效率与物理精度，为复杂纳米结构的快速反演与不确定度评估提供了有力支撑。

在实验验证中，研究团队分别在上海同步辐射光源BL16B1光束线和自主研制的实验室级SAXS（Lab-SAXS）系统上，对具有LER与LWR的纳米图案进行了测量。同步辐射实验中获得的高信噪比散射图样清晰分辨出粗糙单元的周期特征，为模型验证提供了基准数据。在Lab-SAXS条件下，尽管受限于光子通量和信噪比，研究团队通过直接拟合二维散射图样并引入先验参数化模型，仍成功实现了粗糙单元轮廓的稳定重构。实验结果表明，两种平台下得到的形貌重构结果在整体趋势和定量参数上高度一致，仅在不确定度范围上存在合理差异。

图2 线粗糙纳米图案在同步辐射和实验室级SAXS条件下的测量和分析结果

该研究实现了单角度SAXS条件下对复杂线粗糙结构的三维形貌定量重构，显著提升了测量效率；提出了适用于复杂结构的解析散射建模方法，为SAXS在复杂系统中的应用提供了通用工具；验证了实验室级SAXS在纳米制造在线监测中的可行性，为其工程化应用奠定了基础。

研究成果不仅拓展了SAXS在纳米结构测量中的应用，也为先进半导体制造过程中的无损、在线、统计型粗糙度监测提供了一种潜力技术路线，在集成电路制造、纳米光学器件和精密制造等领域具有广阔应用前景。

论文信息:

J. Zhang, X. Chen, D. Deng, H. Zhong, S. Liu, “Small angle X-ray scattering measurement of nano-patterns with programmed line roughness,” Measurement 263, 120158 (2026).