扫描透射显微镜(桌面级高分辨率极紫外显微镜)

Posted 2023-05-27

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扫描透射显微镜(桌面级高分辨率极紫外显微镜)

导读

近日，德国杰纳弗里德里希·席勒大学应用物理研究所阿贝光子学中心的Jan Rothhardt教授团队在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》发表题为“Material-specific high-resolution table-top extreme ultraviolet microscopy”的高水平论文。通过将一个高稳定、高光子通量的极紫外光源与一个干涉稳定的成像装置相结合，从而展示了在13.5nm波长下工作的高分辨率和材料特异性显微镜。该研究目前已得到联邦图林根州、欧洲社会基金会、欧洲研究理事会的支持和资助。

研究背景

基于硅基器件的纳米级计量技术在半导体微型化、能量转换和存储（如下一代太阳能电池）、超材料和光电子芯片等先进光学纳米结构等领域有着广泛的应用，因此，硅基纳米计量技术的发展对许多学科领域的进步至关重要。已有的报道中已经证明了，基于锡的等离子体的结构在13.5 nm波长处可以提供显著的发射峰，而基于Mo/Si和Mo/Be材料的多层反射镜的反射率也可以高达70%。此外，对于13.5nm处的极紫外波段，光子在硅中的穿透深度比周期表中的大部分元素高出几个数量级，从而极紫外波段的光子可以比电子穿透到更深的硅基结构中。因此，选择13.5nm波长的极紫外光刻（EUVL）是一个非常合理的选择。进一步的，硅L-edge下方的电磁区域被称为硅透明窗口，可以作为硅基基板和功能材料的理想测试平台，可以将纳米尺度的视角带入复杂的三维结构，这对材料科学、半导体计量学和下一代纳米器件都很重要。

在过去十年中，极紫外波长的成像技术已成功地将光源从同步加速器和自由电子激光器等大型设备缩小到软X射线激光器和激光等离子体等实验室规模。最近，由高次谐波产生（HHG）驱动的极紫外光源经历了飞速的发展，这导致了光子通量和稳定性的增加。这些高度相干的极紫外光源使得在无透镜成像成为了可能，同时光学成像技术的出现为极紫外辐射遇到的一些主要问题提供了解决方案，其无透镜成像的工作原理避免了吸收损失以及成像光学系统引起的像差，其执行波前传感的能力使光照引起的像差得以解卷积，从而产生定量相位的成像（QPI），这些功能由数据驱动技术来提供支持。当样品通过聚焦光束横向平移时，会在像素探测器上收集一系列如图1所示的衍射图案，其中，扫描点的选择应确保相邻位置的衍射图案包含重叠信息。通过这种方式，照明波前和相位敏感的样品显微照片都可以被联合检索。

图1. 极紫外成像装置。几个周期的红外激光聚焦在氩气射流中，在那里产生了宽带极紫外波。从宽带连续介质中，通过三个多层镜在13.5 nm波长处选择0.2 nm的窄带宽，并聚焦在掩模（M）上。样品由结构化光束照明，由此产生的衍射图案由检测器记录。

尽管如此，基于桌面级HHG源的成像技术仍处于起步阶段，尽管极紫外成像技术具有诸如周期性样本的亚波长分辨率、海马神经元的生物成像以及相敏反射计等优点，但仍然需要额外的元素特异性来满足半导体行业的需求。因此，极紫外成像技术仍需要进一步的深入研究。

创新研究

极紫外辐射显微镜由于在其光谱范围内具有短波长、大量元素特定吸收边以及更强的穿透深度等特性，有望实现具有优异材料对比度的高分辨率成像。根据这一优势，Jan Rothhardt教授团队提出了一种在硅透明窗口（13.5nm波长）中工作的极紫外透射显微镜，该显微镜具有主动稳定、高分辨率、定量分析等优点。

图2. 使用结构光照明的极紫外成像。（a）利用非结构化照明重建西门子星状透射图像。重建显示出中等空间频率调制显示在插图（b）中，西门子星状图中心的放大视图显示在（c）中，相应的重建探针显示在（d）中。（e）显示反向传播到掩模平面的探针。（e）中的小插图显示了掩模的SEM图像，为一个直径为8µm的针孔。（f）与非结构重建（b，c）相比，使用结构光重建西门子星状透射图像，（g）中的调制更少，（h）中的分辨率更高。（i ~ j）样品和掩模平面中的重建照明。（j）中的小插图显示了用于比较的掩模的SEM图像。（k）探针相位沿（i）所示白色虚线路径的方位线。（a, f）中的刻度线表示2µm，（d, e, i, j）的刻度线对应5µm。（d, e, i, j）的亮度和色调分别表示模数和相位。

图3. 高分辨率、宽视场的显微成像。（a）在340µm2的视场上重建的西门子星状图像。相应的重建照明（探针）如（b）所示。最小的特征出现在西门子星状图的最内部，用（c）表示。（d）表示不同空间位置处的傅里叶环相关（FRC）的曲线，表明衍射极限分辨率为16 nm。（a, b）中的比例尺是5µm，（c）中的比例尺是1µm。

研究人员使用结构化照明来克服传统极紫外聚焦光学的局限性。具体而言，是在样品前面放置一个振幅掩模，从而形成发光的探测光束。另一方面，研究人员还创新性的提出了正交探针弛豫（OPR）与多个混合态相结合的成像技术及仿真算法，能够在宽视场和长采集时间下实现稳定的相位对比成像，并且乐意精确地重建样品的散射振幅。通过这种方式可以精确地重构集成电路的复杂传输过程，话可以对介观半导体系统的材料组成进行分类。

图4. 集成电路的定量振幅和相位的极紫外成像。（a）使用多混合态方式重建的传统固态圆盘片上的复杂传输。在重建的边缘，可以看到伪影，在（b）中尤为明显。（c）使用多混合态和正交探针弛豫技术相结合的方式重建的复杂传输，这导致伪影减少，如插图（b）和（d）所示。（a）中的比例尺是5µm，（b, d）中的比例尺为1µm。

此外，研究人员在实验中通过稳定装置和结构化照明相结合的方式，在高对比度、非周期样品上实现了横向分辨率为16 nm的高分辨率显微镜。进一步的，研究团队还研究了从固态圆盘中提取的硅基集成电路薄片，首次利用重建的散射振幅，在大视场上通过单次极紫外成像扫描检索材料的组成。Jan Rothhardt教授团队提出的极紫外辐射显微镜是朝着将高分辨率计量学集成到极紫外光刻领域以及在硅基环境中对功能材料进行特定检测的一个关键突破。

论文信息：

该文章发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Material-specific high-resolution table-top extreme ultraviolet microscopy”, 来自杰纳弗里德里希·席勒大学的Wilhelm Eschen博士为本文的第一作者，Jan Rothhardt教授为本文的通讯作者，此外，杰纳赫尔姆霍兹研究所、莱布尼茨光子技术研究所和弗劳恩霍夫材料和系统微观结构研究所也对本工作做出了巨大贡献。

论文地址：

https://www.nature.com/articles/s41377-022-00797-6