Advanced Materials | 极化激元技术应用新突破

纳米人

2025-06-13

随着5G、人工智能和量子计算的快速发展，全球半导体产业正面临前所未有的检测挑战。传统光学检测技术虽能实现快速无损检测，但其分辨率受限于光的衍射极限，难以满足未来制程的需求。更严峻的是，未来复杂的三维堆叠芯片技术，可能使得传统检测手段对埋藏在数十层结构之下的缺陷完全"失明"。

据统计，在7纳米以下制程中，因检测盲区导致的芯片良率损失高达15%，每年给全球半导体产业造成超过200亿美元的损失。特别是在存储芯片领域，随着3D NAND堆叠层数突破200层，传统检测技术已接近失效边缘。因此，亟需发展新型晶圆缺陷无损检测技术，为未来半导体先进制造提供新方案。

自集成电路诞生以来，光学检测技术始终是晶圆制造的"守门人"：

• 明场成像，虽能捕捉高分辨率图像，却对低对比度缺陷视而不见。

• 暗场技术，可敏锐识别表面缺陷，但对亚表层结构束手无策。

• 原子力显微镜，虽达纳米级精度，却只能做"表面文章"，对三维堆叠结构无能为力。

鉴于此，澳门科技大学欧清东助理教授、中国地质大学（武汉）戴志高教授、厦门大学陈焕阳教授、上海理工大学Qiaoliang Bao教授及合作者以“Natural van der Waals Canalization Lens for Non-Destructive Nanoelectronic Circuit Imaging and Inspection”为题，在Advanced Materials发表论文，并被遴选为期刊封面文章。

研究团队创造性地将暗场光学、原子力显微镜与 α-MoO₃范德华材料透镜相结合，提出一种新型超分辨成像方案。同时，这项研究为极化激元的技术应用，指明了一个新方向。

该极化激元超分辨成像技术具有显著的优势：

1.超高分辨率：突破光学衍射极限，实现15纳米级（λ/689）检测精度，相当于在足球场上识别出一粒芝麻的清晰轮廓。

2.三维透视：首次实现封装电路的缺陷无损成像。在演示实验中，研究团队成功观测到位于表面绝缘层之下的40纳米级缺陷。

3.全向检测：理论上，得益于α-MoO₃材料的双轴光学特性，可突破传统天然晶体或者人工超材料只能单向成像的限制。

• 基于光学平带色散的超分辨成像概念

图1. 光学超透镜示意图 。（图源：Advanced Materials）

• 基于α-MoO₃声子极化激元的渠化透镜工作原理

图2. 三个方向、多个频率的极化激元渠化，实现光场无衍射传播。（图源：Advanced Materials）

• 突破衍射极限的超高分辨解析与成像

图3.空间解析度达15nm，对应空间光的解析能力为λ/689.（图源：Advanced Materials）

• 纳米电路缺陷的无损检测，开辟极化激元技术应用新方向

图4. α-MoO₃透镜用于封装后的纳米电子电路成像与缺陷检测。（图源：Advanced Materials）

综上所述，该研究成功制备了基于无需光刻的二维材料超高解析度成像透镜，其成像性能显著优于以往报导的亚波长超透镜。鉴于近期二维光学材料的不断发现，此类超分辨成像技术可以在太赫兹或可见光波段拓展实现。该技术基于低损耗二维材料平台，为突破衍射极限的近场显微成像提供了新途径，有望推动纳米结构与生物分子的光学成像研究。该工作得到了澳门科技发展基金、国家自然科学基金委项目的大力支持。

论文信息：

第一作者： 澳门科技大学欧清东助理教授、厦门大学薛淑雯博士

通讯作者： 澳门科技大学欧清东助理教授、中国地质大学（武汉）戴志高教授、厦门大学陈焕阳教授、上海理工大学Qiaoliang Bao教授

Qingdong Ou, Shuwen Xue, Weiliang Ma, Jiong Yang, Guangyuan Si, Lu Liu, Gang Zhong, Jingying Liu, Zongyuan Xie, Ying Xiao, Kourosh Kalantar-Zadeh, Peining Li, Zhigao Dai, Huanyang Chen, Qiaoliang Bao, Natural van der Waals canalization lens for non-destructive nanoelectronic circuit imaging and inspection. Advanced Materials 2025, 37, 2504526.

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202504526