2025年4月24日，美国化学会(ACS)旗下知名光学期刊《ACS Photonics》发表了精密仪器研究中心团队在光学显微成像与图形晶圆纳米缺陷检测领域的重要突破，题目为“Experimental Demonstration of Conjugate Structured Illumination Microscopy (c-SIM) for Sensing Deep Subwavelength Perturbations in Background Nanopatterns（共轭结构化光场显微镜实现背景纳米图案中深亚波长扰动感知的实验验证）”。博士生张劲松为论文第一作者，刘世元教授和朱金龙教授为通讯作者。

在集成电路制造中，晶圆缺陷检测是保障良率与性能的关键环节。随着工艺节点不断推进，缺陷尺寸已进入深亚波长尺度（远小于照明波长），传统光学显微技术因受衍射极限限制，难以实现高对比度、高效率的非破坏性检测。电子束检测虽分辨率高，但速度慢、成本高且具有破坏性。因此，发展一种既能突破衍射极限、又具备高速、宽视场、非破坏性的光学检测技术，已成为半导体制造业的迫切需求。

研究团队在2023发表于ACSPhotonics期刊的共轭结构照明缺陷检测理论工作基础上（见2023年科研进展），首次实验验证了这种原创的共轭结构光照明显微术c-SIM的有效性与先进性。该技术融合了明场显微、结构光照明显微术，并首次将逆向光刻中的光学邻近校正（Optical proximity correction，OPC）技术引入缺陷检测领域。利用图形晶圆中，已知电路版图的关键先验信息，通过设计与待检图案空间分布高度一致的共轭结构光场，在晶圆表面实现衍射极限以下的照明调制。该定制化的照明方案，可直接压缩缺陷信号的空间展宽，使得c-SIM方法具有原生的高分辨特性。此外，OPC技术优化生成的结构光场具有高空间梯度特征，能够实现深亚波长尺度缺陷的精确定位与可靠分类。

图1 c-SIM缺陷检测原理与实验验证系统

实验中，团队使用波长为421nm的激光光源，成功检测多种不同类型的杀手缺陷，并将光学分辨率提升至衍射极限的一半（约0.3λ）。此外，c-SIM还能在横向扫描过程中直接对38 nm宽的不同类型缺陷进行定位与分类。这得益于共轭结构光场在照明中引入的高强度梯度，使缺陷信号在远场图像中的扰动信号能够在亮模态和暗模态之间主动切换，从而显著提升缺陷定位精度，结合缺陷扰动信号的极性与偏振灵敏特征，即可可靠分类缺陷。

图2 c-SIM精确定位深亚波长尺度图形缺陷

研究进一步表明，c-SIM在信噪比（SNR）方面显著优于传统明场检测（BFI），在相同照明条件下，c-SIM的SNR可达28.1，而BFI仅为15.1。这得益于结构光场的空间照明特征减弱了光学散斑、纳米图案表面于形貌粗糙度、成像噪声等干扰因素对远场图像的影响。实验中成功检出了最小尺寸为29nm（小于λ/14）的致命缺陷，且检测信噪比为仍有较大余量，尚未达到系统的灵敏度极限。以上高分辨、偏振灵敏、高信噪比的技术效果均与理论预测结果相吻合，因而可推测c-SIM技术有望对更小尺度（小于λ/20）的图形缺陷可靠检测。

图3 c-SIM缺陷检测信噪比与检测极限分析

c-SIM在保留传统明场显微镜大视场、高效率优点的基础上，通过选择性增强照明，能显著提升缺陷区域的局部照明强度与最终的信噪比。更为重要的是，结合简单的结构光场横向扫描操作，该方法能够主动调制缺陷信号的强度与形态，从而捕获到更为丰富的缺陷空间定位与类型分类信息，为图形晶圆缺陷检测领域提供了一种全新的原理与系统。需要注意的是，该技术不仅适用于晶圆缺陷检测，还可拓展至光掩模检测、材料表征、超材料检测、纳米传感等多个领域，为高端制造中的纳米尺度质量控制提供了全新的光学解决方案。

论文信息:

Zhang, R. Zhou, N. X. Fang, W. Deng, J. Zhu, and S. Liu, "Experimental Demonstration of Conjugate Structured Illumination Microscopy (c-SIM) for Sensing Deep Subwavelength Perturbations in Background Nanopatterns," ACS Photonics 12, 2710-2719 (2025).

J. Zhang, J. Liu, H. Jiang, J. Zhu, and S. Liu, "Optical Far-Field Detection of Sub-λ/14 Wide Defects by Conjugate Structured Light-Field Microscopy (c-SIM)," ACS Photonics 10, 3484-3493 (2023).