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上海大学于瀛洁研究员、周文静研究员课题组联合西华大学赵智亮教授团队在《激光与光电子学进展》发表的特邀研究论文“一种空白掩模版表面形貌和厚度变化同步测量的波长移相干涉方法”被选为2025年第05期封面文章。
封面解读
封面展现了波长移相干涉测量技术在空白掩模版前表面、后表面和厚度变化同步测量中的优势，为提供精准掩模版进行晶圆图案转移奠定了基础。文章提出的空白掩模版表面形貌和厚度变化同步测量方法，可为半导体量测的发展提供技术支撑。
第5期目录：https://www.opticsjournal.net/J/lop/issue/2025/5.html
1.背景介绍
在半导体制造领域，掩模版如同乐谱，指引光刻机在硅片上谱写集成电路的华章。空白掩模版作为这张乐谱的载体，其形貌质量直接关系到先进制程下芯片的性能和良率。
波长移相干涉测量技术利用可调谐激光器作为光源，通过改变激光波长，同步调制空白掩模版厚度变化、前表面和后表面形成的多个干涉信号，实现空白掩模版形貌无损测量。这把“慧尺”具备更高的测量精度、更高的测量速度和更高的抗干扰能力，对赋能高端芯片制造具有重要的意义。
2.多表面同步移相干涉测量模型
针对厚度为T，介质折射率为n0的空白掩模版，其在波长移相干涉测量中，激光光源产生的激光经过系统的扩束与整形后以平面波的形式传播到参考镜位置；在参考镜位置处，平面波部分被反射后形成参考光波，部分透射后再传播hf距离后到达空白掩模版前表面Sf，同理在Sf处，平面波部分被反射后形成第一个物光波，第一个物光波与参考光波发生干涉形成一组带有前表面形貌信息Wf的前表面干涉信号；除此，在Sf处，平面波部分透射并传播n0T距离后到达空白掩模版后表面Sr，经反射后形成第二个物光波，第二个物光波与参考光波和第一个物光波分别发生干涉，形成一组带有后表面形貌信息Wr的后表面干涉信号和一组带有厚度变化信息Wfr的厚度变化干涉信号。
在测量过程中，通过改变可调谐激光器的波长，产生的干涉信号能够以不同的移相值进行同步移相，移相干涉条纹在同时空下叠加形成干涉图。
图1 基于波长调谐干涉仪的空白掩模版干涉测量系统光路
3.时域参数化驱动的载波频率解析及形貌解码
基于正弦波分解原理将观测到的带噪干涉信号进行差分化，通过最优矩阵计算出差分方程特征多项式的系数，并根据特征多项式与复数根的约束关系解析出载波信号的频率参数；基于确定的各载波频率参数采用加权最小二乘原理提高异方差噪声存在时的相位解调精度；通过分析波长移相干涉测量中各干涉信号形成的机制，明确空白掩模版厚度变化、前表面和后表面形貌间的耦合关系，并采用误差自评价指标说明形貌解码的有效性。
图2 时域参数化驱动的载波频率解析及形貌解码原理
4.成果展示
基于Fizeau型波长移相干涉仪对厚度为6.35 mm、折射率为1.45的空白掩模版的厚度变化、前表面和后表面的形貌进行测量。在3次重复性测量中，误差自评价指标分别为7.5656×10-3 λ0， 7.5608×10-3 λ0和7.5635×10-3λ0。
图3 空白掩模版前表面、后表面形貌和厚度变化的测量结果
除此之外，多次改变被测空白掩模版与干涉仪参考镜间的距离，在距离依次为18. 5 mm、27. 7 mm、37. 0 mm、46. 2 mm和55.5 mm下，对应的厚度变化、前表面和后表面的PV测量结果的标准差分别为6.9×10-3 λ0，8.1×10-3 λ0和7.6×10-3 λ0，对应的RMS测量结果的标准差分别为9.12×10-4 λ0，6.67×10-4 λ0和6.87×10-4 λ0，其中，如图4所示展示了前表面的测量结果，这些结果说明研究方法具有较好的测量有效性和稳定性。
图4 在不同腔长下空白掩模版前表面的形貌测量结果。（a）腔长为18. 5 mm；（b）腔长为27. 7 mm；（c）腔长为37. 0 mm；（d）腔长为46. 2 mm；（e）腔长为55. 5 mm
5.总结展望
文章提出一种空白掩模版表面形貌和厚度变化同步测量的波长调谐移相干涉方法，避免了传统傅里叶变换方法因采样均匀性导致频谱失真降低测量精度的问题，同时，该方法利用不加权因子降低异方差噪声的影响，旨在提高空白掩模版表面形貌和厚度变化的表征精度，为解决我国高端装备制造所面临的“卡脖子”难题提供了技术途径。
作者简介
于瀛洁，研究员，上海大学机电工程与自动化学院院长，上海市生机融合高性能仪器设备技术创新团队负责人，上海大学智能制造研究院院长，上海大学先进光刻与原子级制造研究所所长。博士毕业于哈尔滨工业大学，曾任希腊科学与技术基金会、新加坡南洋理工大学、英国哈德斯菲尔德大学等访问教授。研究领域：精密光学检测技术及仪器、计算光学成像技术等。完成和在研的项目有国家自然科学基金项目、国家重点研究计划项目课题、工信部高质量发展专项课题、科技部国际合作项目等。研究成果在Optics Express、《光学学报》等期刊发表论文150多篇，中国授权发明专利40项，出版专著3 本。获省部级科技进步二等奖1项、三等奖2 项，自然科学奖三等奖1项等。
周文静，研究员，上海大学机电工程与自动化学院，硅酸盐质文物保护教育部重点实验室副主任、上海大学精密光学工程技术研究中心主任，中国仪器仪表学会精密机械分会委员会委员、中国光学学会全息与信息处理专业委员会委员及Adv. Devices Instrument 期刊编委，美国弗吉尼亚理工大学访学教授。2007年毕业于上海大学机械电子工程专业，获博士学位，现研究方向包括：微纳光学成像与精密测量、数字全息测量技术、数字声光全息技术等，主持在研以及完成的项目包括国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、上海市自然科学基金及重大横向产学研等项目；研究成果在IEEE Transactions on Industrial Informatics、Optics Express、《光学学报》等权威期刊发表论文80多篇，中国授权发明专利10余项，美国发明专利1项，出版专著1 本；获中国计量测试学会科技进步三等奖。
赵智亮，光学博士，西华大学教授/硕士导师，西南科技大学兼职博士导师，现任成都太科光电技术有限责任公司董事长。2007.03月毕业中国科学院上海光学精密机械研究所，是国家重点研发计划重大科学仪器专项首席专家，中国光学工程学会测试委员等多个全国性专业学术委员会及标准化委员会委员，成都市发展与改革委员会智库成员，成都市新型显示行业协会理事。主要从事精密光学检测技术研究与装备研制，激光技术与光束控制技术研究。牵头研制国内首台φ600 mm 大口径和首台φ800 mm 超大口径波长调谐相移型数字干涉仪，牵头承担国家重点研发计划重大科学仪器设备开发专项等多项国家、省、市、区级科技研发项目，发表学术论20 余篇，授权专利 20 余项，以第一完成人分别获得四川省科技进步一等奖一项、中国计量测试学会科技进步二等奖一项、中国光学工程学会光电产品“金燧奖”金奖一项。
期刊简介
《激光与光电子学进展》创刊于1964年，由中国科学院主管、中国科学院上海光学精密机械研究所主办、中国激光杂志社出版，是国内激光领域的第一本期刊。旨在及时报道国内外激光与光电子学领域的最新研究成果与进展。2019年出版我国光学界第一本半月刊，2020年重点打造“先进成像”专题子刊。
《激光与光电子学进展》目前被ESCI、Scopus、INSPEC 、CSCD 、中文核心期刊、中国科技核心期刊等收录。入选《光学工程和光学领域高质量科技期刊分级目录》T2级。获得 “中国精品科技期刊 ”“ 华东地区优秀期刊 ”“中国最具国际影响力学术期刊 ”“中国科学院出版基金中文科技期刊择优支持项目”等荣誉。2024年入选“中国科技期刊卓越行动计划”。
