北京邮电大学与暨南大学联合团队开发出光热非线性散射显微镜
发布时间：2025-02-18 来源：人民邮电报 阅读次数：4966 分享到：
近日，北京邮电大学集成电路学院与暨南大学物理与光电工程学院联合团队在《科学·进展》杂志发表了一项突破性研究，开发出一种“光热非线性散射显微镜”的新技术，实现了对集成电路芯片中纳米级结构的无损、高分辨率光学检测，分辨率达到80纳米（约为可见光波长的1/7）。这一创新成果为芯片制造和纳米光子器件的质量控制提供了新工具。
传统显微镜的局限：光也有“视力盲区”
传统光学显微镜的分辨率受限于光的“衍射极限”——当物体尺寸小于光波长的一半时（如可见光下约200纳米），显微镜将无法清晰分辨细节。这导致现代芯片中数十纳米级别的晶体管、光栅等结构在光学显微镜下只能呈现模糊图像。目前，电子显微镜虽能实现纳米级成像，但需真空环境且可能损伤样品；原子力显微镜效率低且难以检测复杂三维结构。因此。如何快速、无损地“看清”芯片的纳米细节一直是行业难题。
巧用光热效应：用“非线性”突破光学极限
研究团队巧妙利用了光热效应，当激光聚焦到硅等半导体纳米结构时，光能被吸收并转化为热量，导致材料局部温度升高，折射率随之改变。这种折射率变化会显著影响纳米结构对光的散射特性，出现非线性，且不同结构的“光热非线性响应”差异明显。通过分析散射光的非线性变化，研究团队成功构建了新型非线性成像机制，有效突破了传统光学的分辨率限制。
多场景验证：芯片检测的“火眼金睛”
实验结果显示，该技术能够清晰分辨出间距仅80纳米的硅纳米线阵列，甚至检测出亚百纳米级的缺陷。研究团队还将该技术应用于多种实际场景，包括硅光栅耦合器、超透镜成像以及商用CPU芯片的检测。硅光栅耦合器：成功分辨出间距仅100纳米的相邻结构，为光通信器件的优化提供直接依据。超透镜成像：清晰呈现由密集纳米柱组成的超表面微观结构。在商用CPU芯片检测中，该技术在45纳米工艺制造的商用中央处理器上，首次通过光学手段识别出65～75纳米的金属连线，检测速度大幅提升且无需破坏样品。
这项技术还具有兼容性。它无需荧光标记或复杂光路改造，即可兼容商用激光共聚焦显微镜，具有低成本、高稳定性和无损检测的优势。研究人员表示，未来通过与人工智能图像分析结合，该技术有望在半导体工厂中实现芯片缺陷的实时、全自动检测，从而大幅提升良品率。
科学意义：打开纳米世界的“光学新窗口”
这一创新成果不仅为微纳光学领域的高分辨成像技术提供了新的理论和实验依据，还为集成光电子领域的制造检测提供了一种原位无损、高通量的解决方案。随着技术的不断发展和完善，该技术有望在半导体制造、纳米光子学、生物医学成像等多个领域发挥重要作用，推动相关技术的进一步发展。
传统显微镜的局限：光也有“视力盲区”
传统光学显微镜的分辨率受限于光的“衍射极限”——当物体尺寸小于光波长的一半时（如可见光下约200纳米），显微镜将无法清晰分辨细节。这导致现代芯片中数十纳米级别的晶体管、光栅等结构在光学显微镜下只能呈现模糊图像。目前，电子显微镜虽能实现纳米级成像，但需真空环境且可能损伤样品；原子力显微镜效率低且难以检测复杂三维结构。因此。如何快速、无损地“看清”芯片的纳米细节一直是行业难题。
巧用光热效应：用“非线性”突破光学极限
研究团队巧妙利用了光热效应，当激光聚焦到硅等半导体纳米结构时，光能被吸收并转化为热量，导致材料局部温度升高，折射率随之改变。这种折射率变化会显著影响纳米结构对光的散射特性，出现非线性，且不同结构的“光热非线性响应”差异明显。通过分析散射光的非线性变化，研究团队成功构建了新型非线性成像机制，有效突破了传统光学的分辨率限制。
多场景验证：芯片检测的“火眼金睛”
实验结果显示，该技术能够清晰分辨出间距仅80纳米的硅纳米线阵列，甚至检测出亚百纳米级的缺陷。研究团队还将该技术应用于多种实际场景，包括硅光栅耦合器、超透镜成像以及商用CPU芯片的检测。硅光栅耦合器：成功分辨出间距仅100纳米的相邻结构，为光通信器件的优化提供直接依据。超透镜成像：清晰呈现由密集纳米柱组成的超表面微观结构。在商用CPU芯片检测中，该技术在45纳米工艺制造的商用中央处理器上，首次通过光学手段识别出65～75纳米的金属连线，检测速度大幅提升且无需破坏样品。
这项技术还具有兼容性。它无需荧光标记或复杂光路改造，即可兼容商用激光共聚焦显微镜，具有低成本、高稳定性和无损检测的优势。研究人员表示，未来通过与人工智能图像分析结合，该技术有望在半导体工厂中实现芯片缺陷的实时、全自动检测，从而大幅提升良品率。
科学意义：打开纳米世界的“光学新窗口”
这一创新成果不仅为微纳光学领域的高分辨成像技术提供了新的理论和实验依据，还为集成光电子领域的制造检测提供了一种原位无损、高通量的解决方案。随着技术的不断发展和完善，该技术有望在半导体制造、纳米光子学、生物医学成像等多个领域发挥重要作用，推动相关技术的进一步发展。
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