用于纳米级对准的非局域连续谱束缚态

超越光学极限的更精确芯片制造

每一代新型计算机芯片都会在更小的空间内集成更多元件，并将电路层层堆叠。为了让这些层协同工作，制造商必须将它们以惊人的精度对准——精确到仅几纳米以下（十亿分之一米）。传统的光学对准方法现在正逼近一个不可逾越的边界：衍射极限，这是光的一个基本属性。本文提出了一种巧妙方法，通过利用一种特殊的光俘获效应，测量远小于常规光学可见范围的微小错位，从而规避该限制。

对齐芯片层的新途径

现代芯片厂已经采用复杂的光学手段——干涉图样、光栅标记和图像处理——来对齐多次曝光步骤。这些方法将精度从微米级提升到几十纳米级。但随着器件尺寸缩小和三维芯片堆叠成为常态，即便20纳米的误差也会影响性能与良率。作者建议在芯片上熟悉的十字对准标记旁添加一种新型纳米结构图案。这些标记不依赖于强烈的视觉对比，而是利用一种称为连续谱中的束缚态（BIC）的微妙光学现象，该现象对两层有图案的层相互叠放的对准程度异常敏感。

通过俘获光来感知微小位移

BIC可以被视为一种被完美困在结构内部的光波，尽管它存在于与自由传播光相同的能量范围内。在这种被困状态中，光不会泄漏，因此在透射光谱中不会产生明显的谐振信号。研究人员设计了一种“超器件”，由两层微小方形聚合物柱组成，每层按规则的六角形网格排列，并由玻璃基底上的薄膜层分隔。当上下两层纳米柱阵列完全对准时，结构的对称性保护了该被困态，光保持对外界隐形，对应于一种近似无限的品质因数（Q）。

把完美陷阱变成有用信号

关键在于将刻意的错位作为调节旋钮。当上层纳米柱相对于下层发生微小侧向位移时，系统的垂直对称性被打破。这种扰动将理想的BIC转变为准BIC：光仍然主要被约束，但现在会略有泄漏，在大约590纳米左右的波长（橙光部分）的透射光谱中产生非常尖锐的谐振峰。在数值模拟以及通过纳米压印光刻制造的实际样品中，研究团队系统地改变标记为D的位移，并追踪谐振的变化。随着D从零增加到几十纳米乃至更大，曾经近乎无限的Q因子降为有限值——例如对于30、40和110纳米的位移，Q大约为200、120和66——同时清晰的谐振特征出现并变宽。

从实验室测量到工厂工具

由于谐振品质对两层纳米柱相对位置极为敏感，Q因子本身就成为一个精确的纳米级对准标尺。重要的是，这种方法不像基于成像的技术那样受光学衍射的限制。它不是试图直接分辨越来越小的细节，而是通过谐振尖锐度的变化间接读取微小位移。作者表明，加工缺陷——如表面粗糙、微小尺寸误差或材料吸收——确实限制了Q的上限，但通过精心设计和改进制造工艺可以进一步提升性能。双层纳米柱结构可以通过标准纳米压印步骤生产，并与现有的光刻标记并置，使该方法兼容当前半导体制造流程。

这对未来芯片意味着什么

本质上，这项研究展示了精心设计的纳米结构中的光俘获态可以作为超灵敏的对准传感器。通过观察一个无声、被完美困住的光模如何在两层图案错位时变成响亮、尖锐的谐振，芯片制造者获得了一种基于物理的新手段，可将定位精度提升到传统光学极限之上。该策略可支持更可靠、更高密度的堆叠芯片，并有助于将半导体技术的尺度推进到传统对准工具难以胜任的领域。

引用: Zhang, J.C., Tsai, D.P. & Pang, S.W. Non-local bound states in the continuum for nanoscale alignment. Nat. Photon. 20, 296–300 (2026). https://doi.org/10.1038/s41566-026-01847-w

关键词: 半导体光刻, 纳米对准, 超表面, 连续谱中的束缚态, 芯片制造