计算成像最新工作-6-南京理工大学高志山团队在Light用傅里叶拼接实现高深宽比微沟槽三维形貌无损测量

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标题：

Fourier ptychographic coherence scanning interferometry for 3D morphology of high aspect ratio and composite micro-trenches

作者：
Yin Li（南京理工大学电子与光学工程学院）；
通讯作者：Qun Yuan（南京理工大学电子与光学工程学院）；
Xiao Huo（南京理工大学电子与光学工程学院）；
Shumin Wang（南京理工大学电子与光学工程学院）；
Hongtao He（中国电子科技集团公司第十三研究所）；
通讯作者：高志山（南京理工大学电子与光学工程学院）；

发表时间：
2026年1月29日（投稿：2025年09月23日；返修：2026年01月01日；接收：2026年01月09日）

发表期刊：
Light:Science&Applications（JCR=Q1，IF=23.4）

高深宽比微沟槽和复合微沟槽在先进微制造中很常见，但它们的三维形貌又深又窄、结构还可能分层叠加，用无损光学方法测起来往往会被信噪比和分辨率的矛盾拖住：提高分辨率通常需要更强的光学收集能力，可深结构里的散射和边缘衍射会让干涉条纹变弱，底部信息更难可靠提取。针对这一研究空缺，【南京理工大学团队】提出了FP-CSI：在透射式Linnik干涉结构中，用近红外低相干光源做相干扫描，同时通过移动准点光源引入不同入射角，让样品在不同角度下贡献不同的空间频率信息；每个角度先得到可定量的相位图，再把这些相位图对应的子孔径在傅里叶域进行拼接，最后把拼接后的相位转换成三维高度。直观类比，这相当于先用多次拍摄把细节信息分批收集齐，再把它们在频域里拼成更大的有效孔径，从而在不靠复杂迭代相位恢复的前提下，同时把清晰度和信号稳定性拉上来。论文用多种样品验证：可以测到深度300 um、深宽比可达30:1的微沟槽，并对多层MEMS沟槽结构实现清晰分层与高一致性；在分辨率靶标上能分开1.3 um间距线对，且在模拟沟槽底部仍能保持接近衍射极限的分辨能力。作者强调，FP-CSI的意义在于把深窄结构的无损三维测量从更容易失真、难以稳定重复的状态，推向更适合工艺监控与质量控制的高可信平台，并有望服务于半导体检测、精密制造以及微型光电系统等需要高精度形貌计量的场景。论文以Fourier ptychographic coherence scanning interferometry for 3D morphology of high aspect ratio and composite micro-trenches为题于2026年1月29日发表于Light:Science&Applications期刊。

Fig.1 FP-CSI系统的结构与工作原理。

a基于透射式Linnik干涉仪的FP-CSI光学示意图。近红外超辐射发光二极管SLD在不同位置提供准点照明，从而生成不同入射角的照明。参考臂与测试臂以Linnik方式对称配置，包含柯勒照明模块（L1、L2、L5、L6）、近红外物镜（OBJ1–4）与中继透镜（L3、L4、L7、L8）。在测试臂中，小孔与物镜瞳面共轭。参考臂中，压电致动器PZT在轴向扫描时调制光程。此外，补偿片CP（厚度与材料与样品一致）放置在OBJ3与OBJ4的同焦平面处。干涉图经筒镜L9传递并由近红外InGaAs相机Cam采集，作为探测模块。SLD：超辐射发光二极管；BS：分束器；L：透镜；M：反射镜；OBJ：物镜；CP：补偿片；Cam：近红外相机；PZT：压电致动器。b与(a)对应的FP-CSI实验系统实物搭建。c通过平移光纤光源生成不同入射角的准平行照明示意：光源位移越大，入射角越大，对应采样到样品角谱中更高的空间频率分量。

Fig.2使用反射式Linnik与FP-CSI对高深宽比微沟槽（宽30 um、深300 um）的干涉测量对比。

a–d在选定轴向位置（步进delta_phi=pi/2）下的代表性干涉图与对应干涉信号：反射式Linnik在无波前补偿(a)与加入可变形镜补偿(b)时的结果；FP-CSI在法向入射(c，theta=0 deg，NA=0)与斜入射(d，theta=15.8 deg，NA=0.27)下的结果。e未使用小孔滤波时的FP-CSI干涉图，可见明显衍射花纹且对比度下降；对比(c)(d)中使用小孔后的高对比干涉条纹。f从沟槽底部提取的原始干涉信号（theta=8.6 deg，NA=0.15）。g从沟槽底部提取的原始干涉信号（theta=23.5 deg，NA=0.40）。h对(g)做经验模态分解后得到的校正干涉信号。

Fig.3 FP-CSI算法的重建流程。

以宽30 um、深300 um的高深宽比微沟槽为例：步骤1，干涉仪初始化，将样品顶面放在测试臂物镜的同焦平面，并在参考臂放置与样品等厚同材质的补偿片；步骤2，进行轴向与角度扫描获取干涉图；步骤3，使用经验模态分解进行信号校正，并用质心法提取各角度的相位图；步骤4，在傅里叶域进行角谱拼接，将各角度相位图对应的子区域线性合成得到完整相位分布；步骤5，将拼接后的相位转换为三维形貌高度。EMD：经验模态分解；FT：傅里叶变换；IFT：逆傅里叶变换。

Fig.4使用FP-CSI对高深宽比微沟槽（宽10 um、深300 um）的形貌重建。

a1–a4沟槽上表面的干涉图。b1–b4沟槽底部表面的干涉图。c沿(b4)中标出的采样线提取的轴向干涉信号：扫描范围内的高对比条纹表明可从沟槽底部稳定提取相位，条纹对比度的局部变化提示可能存在表面粗糙或散射特征。d重建得到的三维形貌。e从(d)提取的截面轮廓。f用于验证的同一沟槽SEM图像。

Fig.5使用FP-CSI对两种多层沟槽结构的MEMS压力传感器进行形貌重建。

a1–a3传感器1在顶面、浅沟槽底部、深沟槽底部的干涉图。b1–b3传感器1代表性位置的轴向干涉信号。c传感器1的三维形貌重建。d从(c)提取的截面轮廓。e1–e3传感器2的干涉图，展示与不同沟槽层级对应的三个结构平面。f1–f3传感器2代表性位置的轴向干涉信号，对应三个结构平面。g传感器2的三维形貌重建。h从(g)提取的截面轮廓。

Fig.6 FP-CSI的横向分辨率与沟槽底部成像能力的定量评估。

a自制相位型分辨率靶标，由不同空间频率的线对组成。b1–b4裸分辨率靶标的代表性FP-CSI干涉图。c裸分辨率靶标的形貌重建。c1(c)中选定子区域（area 1）的形貌重建。c2、c3(c1)中线对（line 1、line 2）的截面轮廓。d、f通过在分辨率靶标上叠放两片本征硅片形成等效高深宽比沟槽结构，使线对位于沟槽底部。e1–e4叠片结构下的代表性FP-CSI干涉图。g1–g4使用反射式Linnik干涉仪采集到的干涉图。h1、i1 FP-CSI对沟槽底部线对的重建结果（深宽比约11:1）。h2、i2从(h1、i1)提取的截面轮廓。j反射式Linnik对宽80 um沟槽（深宽比6.25:1）的重建结果。j1–j3从(j)提取的截面轮廓。

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