如何利用納米光學天線的定向散射光場實現亞納米位移感測的技術指標

近日，中國科學技術大學微納光學與技術課題組王沛教授和魯擁華副教授在大量程納米位移光學感測研究方面取得重要進展。課題組利用光學超表面（metasurface）設計了一種簡捷的光場偏振態空間編碼，結合精巧的光學系統設計，發展了一種大量程（百微米量級）、高靈敏（亞納米）、簡捷實用的位移感測技術。

納米精度的高靈敏位移測量對于半導體制造、精密加工和先進成像等領域都具有關鍵性作用。以半導體制造為例，不同層光刻圖案的疊對誤差對提升產品良率具有重要的作用。一般要求疊對誤差測量技術（overlay metrology）的精度優于光刻線條寬度的五分之一。因此，對于10納米以下節點的半導體制造工藝必須發展納米及亞納米的位移感測技術。

以往的研究表明，利用納米光學天線的定向散射光場可以實現亞納米位移感測的技術指標。課題組在先前的研究中也分別提出了硅納米天線對（OE， 26 ： 1000-1011， 2018）、表面等離激元天線對（PRL， 124， 243901， 2020）的技術方案。但是基于光學天線散射的感測方法通常只有百納米的量程，且存在信噪比低的問題，給疊對誤差測量等位移感測的實際應用帶來較為苛刻的限制。

在這項研究工作中，課題組利用光學超表面獨特的位相和偏振調控能力，將空間位置信息編碼在光場的偏振取向上，并通過精巧的光學系統設計讓光場兩次經過超表面結構，從而將超表面相對于光束的橫向位移信息轉化為讀出光強信息。由于超表面結構可以在亞波長精度上調控光場的偏振和位相分布，從而可以極大提高偏振空間編碼的梯度，進而提高位移感測的靈敏度。

實驗測試證明，這一偏振編碼超表面系統的位移感測精度可以達到100皮米（圖1）。進一步，課題組通過移相方法實現了測量范圍的周期性延拓，并消除了感測靈敏度的“死區”，偏振編碼超表面系統的感測量程可以拓展到200微米以上。

圖1.偏振編碼超表面位移感測系統示意圖和實驗結果

與基于光學天線散射的納米位移感測技術不同，這項研究工作在保持亞納米的位移感測精度的同時，極大地拓展了感測的量程，而且，通過光強讀出位移信息，具有可工程化、簡單可靠且精度高的特點，為其在疊對誤差測量等位移感測領域的實際應用帶來便捷。

光電子科學與技術安徽省重點實驗室的臧昊峰、席錚特任教授和張植宇為該論文的共同第一作者，魯擁華副教授和王沛教授為共同通訊作者。該工作得到了科技部重點研發項目、國家自然科學基金區域創新發展聯合基金和先進激光技術安徽省實驗室主任基金的經費資助。