Интерферометрия когерентного сканирования с Фурье-птихиографией для 3D-морфологии высокоассиметричных и композитных микрован

Заглядывая в крошечные глубокие канавки

Современные микрочипы и датчики содержат ультУзкие, чрезвычайно глубокие канавки — микроскопические рвы, которые могут быть глубиной до 300 микрометров при ширине всего около 10 микрометров. Их точная трёхмерная форма сильно влияет на работу устройств, таких как датчики давления, продвинутые светодиоды и мета-оптика. До сих пор ясное отображение этих скрытых форм требовало либо повреждения образца, либо согласия на смазанные, неполные измерения. В этой статье представлен новый оптический метод, который смотрит сквозь материал вместо того, чтобы просто отражать от него свет, раскрывая чёткие 3D-карты этих глубоких структур без вскрытия.

Почему глубокие канавки важны

Эти канавки с высоким отношением сторон — очень глубокие по сравнению с их шириной — являются ключевыми элементами миниатюрных технологий. В крошечных устройствах MEMS они образуют гибкие пружины и гребёнчатые структуры для измерения давления или движения. В современных светодиодах и оптических компонентах они направляют свет и повышают эффективность. Однако их работа чувствительна к деталям: насколько ровно дно, насколько прямые боковые стенки и соответствуют ли глубина и ширина проектным значениям с точностью до долей микрометра. В промышленности часто используют электронные микроскопы для таких проверок, но они требуют разрезания или иного повреждения образца, что непрактично для рутинного встроенного контроля.

Ограничения современных оптических средств

Бесконтактные оптические методы пытаются решить эту проблему, используя свет вместо разрезания, но они испытывают трудности с экстремальными геометриями. Одна из передовых техник — интерферометрия когерентного сканирования — направляет широкополосный свет на поверхность и анализирует интерференционные фрагменты для построения карты высот. Для неглубоких открытых структур это работает хорошо. Но в глубоких и узких канавках свет многократно отражается и рассеивается между крутыми стенками. В результате интерференционные полосы размываются, сигналы становятся шумными, особенно у основания канавки — как раз там, где инженерам нужны надёжные измерения. Использование слабого, малоуглового освещения может улучшить ясность сигнала, но за счёт размытия тонких деталей, что заставляет выбирать между разрешением и надёжностью.

Смотрим сквозь, а не только на

Подход авторов, названный интерферометрией когерентного сканирования с Фурье-птихиографией (FP-CSI), меняет геометрию измерения. Вместо того чтобы отражать свет от образца, система пропускает ближний инфракрасный свет через прозрачную кремниевую пластину в аккуратно сбалансированном интерферометре. Маленькое пятно освещения сдвигается вбок так, что образец освещается под множеством слегка различных углов почти параллельного света. Поскольку свет проходит через структуру один раз и с малой дивергенцией, сигнал значительно менее искажается, и интерференционные полосы остаются сильными даже у основания очень глубоких канавок. Затем метод корректирует тонкие искажения в записанных сигналах и объединяет многочисленные угловые виды в частотной области, фактически «сшивая» больший оптический апертуру и восстанавливая тонкие детали без тяжёлых итерационных вычислений.

Чёткие 3D-карты реальных устройств

С помощью FP-CSI команда измерила одиночные кремниевые канавки глубиной 300 микрометров при ширине до 10 микрометров, а также сложные многослойные MEMS-датчики давления, содержащие несколько уровней канавок. Во всех случаях метод дал детализированные трёхмерные карты, которые хорошо совпадали с контрольными измерениями электронным микроскопом, но без повреждения образцов. Погрешности ширины и глубины составляли около одного процента или меньше при повторных испытаниях. Система смогла разрешить линейные элементы, отделённые всего 1,3 микрона — фактически на фундаментальном пределе разрешения, определяемом оптикой — и, что важно, сохранила практически такой же уровень резкости у основания модельных канавок с отношением сторон более 10:1, где стандартные отражательные интерферометры в значительной степени терпели неудачу.

Что это означает для будущего производства

Для неспециалистов ключевое послание таково: FP-CSI предлагает способ «увидеть» точную 3D-форму чрезвычайно глубоких и узких канавок внутри прозрачных микроприборов быстро и без вскрытия. Объединяя сильные стороны двух ранее раздельных подходов — интерференционного измерения высот и синтетического мультиуглового изображения — эта техника преодолевает давний компромисс между ясностью и надёжностью. Это делает её перспективным инструментом для производства следующего поколения полупроводников, изготовления MEMS и других микрооптоэлектронных систем, где невидимые крошечные формы определяют, пройдет ли устройство проверку или нет.

Цитирование: Li, Y., Yuan, Q., Huo, X. et al. Fourier ptychographic coherence scanning interferometry for 3D morphology of high aspect ratio and composite micro-trenches. Light Sci Appl 15, 93 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02189-6

Ключевые слова: 3D оптическая метрология, микрованы, инспекция MEMS, интерферометрия, полупроводниковое производство