近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納光學(xué)與技術(shù)課題組王沛教授和魯擁華副教授在大量程納米位移光學(xué)感測(cè)研究方面取得重要進(jìn)展。課題組利用光學(xué)超表面（metasurface）設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)捷的光場(chǎng)偏振態(tài)空間編碼，結(jié)合精巧的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，發(fā)展了一種大量程（百微米量級(jí)）、高靈敏（亞納米）、簡(jiǎn)捷實(shí)用的位移感測(cè)技術(shù)。該研究成果10月12日以“Ultrasensitive and long-range transverse displacement metrology with polarization-encoded metasurface”為題發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

納米精度的高靈敏位移測(cè)量對(duì)于半導(dǎo)體制造、精密加工和先進(jìn)成像等領(lǐng)域都具有關(guān)鍵性作用。以半導(dǎo)體制造為例，不同層光刻圖案的疊對(duì)誤差對(duì)提升產(chǎn)品良率具有重要的作用。一般要求疊對(duì)誤差測(cè)量技術(shù)（overlay metrology）的精度優(yōu)于光刻線條寬度的五分之一。因此，對(duì)于10納米以下節(jié)點(diǎn)的半導(dǎo)體制造工藝必須發(fā)展納米及亞納米的位移感測(cè)技術(shù)。

以往的研究表明，利用納米光學(xué)天線的定向散射光場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)亞納米位移感測(cè)的技術(shù)指標(biāo)。課題組在先前的研究中也分別提出了硅納米天線對(duì)（OE, 26 : 1000-1011, 2018）、表面等離激元天線對(duì)（PRL, 124, 243901, 2020）的技術(shù)方案。但是基于光學(xué)天線散射的感測(cè)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(duì)誤差測(cè)量等位移感測(cè)的實(shí)際應(yīng)用帶來較為苛刻的限制。

在這項(xiàng)研究工作中，課題組利用光學(xué)超表面獨(dú)特的位相和偏振調(diào)控能力，將空間位置信息編碼在光場(chǎng)的偏振取向上，并通過精巧的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)讓光場(chǎng)兩次經(jīng)過超表面結(jié)構(gòu)，從而將超表面相對(duì)于光束的橫向位移信息轉(zhuǎn)化為讀出光強(qiáng)信息。由于超表面結(jié)構(gòu)可以在亞波長(zhǎng)精度上調(diào)控光場(chǎng)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(jìn)而提高位移感測(cè)的靈敏度。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，這一偏振編碼超表面系統(tǒng)的位移感測(cè)精度可以達(dá)到100皮米（圖1）。進(jìn)一步，課題組通過移相方法實(shí)現(xiàn)了測(cè)量范圍的周期性延拓，并消除了感測(cè)靈敏度的“死區(qū)”，偏振編碼超表面系統(tǒng)的感測(cè)量程可以拓展到200微米以上。

與基于光學(xué)天線散射的納米位移感測(cè)技術(shù)不同，這項(xiàng)研究工作在保持亞納米的位移感測(cè)精度的同時(shí)，極大地拓展了感測(cè)的量程，而且，通過光強(qiáng)讀出位移信息，具有可工程化、簡(jiǎn)單可靠且精度高的特點(diǎn)，為其在疊對(duì)誤差測(cè)量等位移感測(cè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用帶來便捷。

圖1.偏振編碼超表面位移感測(cè)系統(tǒng)示意圖和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

光電子科學(xué)與技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金和先進(jìn)激光技術(shù)安徽省實(shí)驗(yàn)室主任基金的經(jīng)費(fèi)資助。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add1973