中国科学技术大学刘啸嵩、李鹏、邱克强团队在《激光与光电子学进展》2025年第24期“大科学装置X射线成像与应用”专题发表题为“同步辐射相干衍射成像技术在半导体量测中的应用”的特邀文章，并被遴选为封面文章。文章系统综述了国内外主流同步辐射装置中检测平台在极紫外光刻掩模和晶圆结构检测中的典型应用方法、发展现状与前景。
封面解读
封面展示了利用相干衍射成像方法实现极紫外光刻掩模检测的示意图。下半部分展示了测量装置图，掩模包含了底部的白色硅基底、黑灰交替的钼硅多层膜和最顶层的图案结构。紫色光束代表相干极紫外光，从左侧照射到右侧的球面聚焦镜，由平面反射镜偏折后聚焦到掩模表面，经掩模结构衍射后的光场强度信号被探测器接收。上半部分展示了图像重构过程：橙黄色图像为探测器接收的衍射强度图；芯片象征高性能计算平台；锥形数据流从衍射强度图流向芯片并最终生成右侧的掩模结构图，代表测量的数据经过算法重构后最终得到掩模的高质量图像，可供后期的缺陷检测和分析。
文章链接：李奥, 邱克强, 李鹏, 刘啸嵩. 同步辐射相干衍射成像技术在半导体量测中的应用（特邀）[J]. 激光与光电子学进展, 2025, 62(24): 2434002.
PART.1
研究背景
手机、电脑中核心芯片的晶体管数量正以惊人的速度增长—— 这背后是摩尔定律的驱动，即集成电路上的晶体管数量每两年翻一番。为实现这一目标，作为芯片制造核心环节的光刻技术需要不断向更小的尺寸突破。当传统深紫外光刻逼近物理极限时，极紫外光刻（EUVL）应运而生，借助13.5 nm的极紫外光可制造出7 nm节点以下的芯片，成为当前高端芯片量产的核心技术。
芯片尺寸的缩小带来了新的挑战——作为芯片 “母版” 的掩模（光刻图案的载体）和承载芯片的晶圆，其缺陷检测难度呈指数级上升：1）EUVL中使用的掩模有着独特的多层膜结构（钼硅交替构成），如图1所示，这使其在制造过程中极易引入缺陷，其中相位缺陷会导致反射的EUV光产生不希望的相位变化，因埋藏在多层膜内部，故难以准确检测和表征。这种特殊性使得常规的可见光、DUV和电子显微镜等检测手段无法完全揭示其对EUVL过程的实际影响。2）晶圆检测的对象包括晶圆表面及其内部复杂的多层器件结构，通过检测可以及时发现和修复晶圆上的缺陷，指导光刻工艺流程的优化，提高芯片的良率。传统检测手段如光学显微镜、电子显微镜难以满足晶圆检测的需求，即光学检测技术受衍射极限制约而难以分辨纳米级缺陷、电子显微镜精度高但易损坏样品且穿透深度有限。
图1 EUV掩模结构及典型缺陷
同步辐射是一种由高能电子在磁场中加速产生的电磁辐射，兼具高亮度、高相干性、光谱连续可调、穿透性强等优点，基于同步辐射的相干衍射成像（CDI/Ptychography）技术因其高分辨、无损检测的优势，以及能提供多层膜掩模的量化相位信息的独特能力，成为了解决上述难题的关键。
PART.2
成像原理
传统成像方式依赖透镜聚焦成像，但透镜的制造工艺和像差会限制分辨率。与其不同，CDI技术彻底抛弃了透镜，利用采集的衍射图案和算法反演来还原样品的复振幅分布，如图2所示，核心原理可以简单理解为三步：
1）相干光照射——用同步辐射产生的相干光照射掩模或晶圆样品，样品的微观结构会让光线发生散射衍射；
2）记录衍射强度——探测器只捕捉衍射图案的强度分布，此时相位信息会丢失，类似拿到了一组加密的数据；
3）图像重建——借助相位恢复算法补全丢失的相位信息，最终重建出样品的复函数，此时既能看到结构细节，又能获取定量的相位信息，这是传统技术无法实现的。
图2 CDI示意图
PART.3
掩模和晶圆结构的检测
全球多个先进的同步辐射光源都在利用CDI技术积极开展半导体相关检测技术的研究，根据检测对象的不同，形成了两大核心应用方向，以针对性解决掩模和晶圆的检测难点。
3.1 极紫外掩模检测
基于同步辐射EUV的CDI技术，能模拟真实光刻环境，实现光化检测，主要分为三类。
1）传统CDI（单次测量）：日本 NewSUBARU 同步辐射装置搭建的相干散射显微镜，分辨率可达100 nm，能精准测量掩模关键尺寸。
2）扫描CDI（Ptychography）：瑞士光源（SLS）、韩国浦项加速器实验室（PAL）、中国科学技术大学同步辐射实验室（NSRL）均采用该方案。NSRL的初步实验结果表明，该装置实现了对50 nm周期线条结构的清晰分辨，以及对周期为35 nm线条结构的观测，如图3所示。此外，通过对掩模样品的重建图像与设计版图的对比，可以辨别掩模上尺寸为40 nm和30 nm不同类型的缺陷结构，如图4所示。这些初期实验结果表明，该检测装置的空间分辨能力优于50 nm。
图3 线条结构的重建结果和不同周期线条的线轮廓图
图4 缺陷掩模结构的设计版图与重建结果的对比
3）傅里叶叠层成像（FPM）：美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）的SHARP系统通过改变照明角度，在频域扫描采集数据，合成后分辨率可达50 nm，还能定量分析相位缺陷导致的高度误差。中山大学基于上海同步辐射光源（SSRF）也开发了基于FPM技术的光化掩模检测显微镜系统。
3.2 晶圆结构检测
晶圆承载着复杂的三维电路，不仅需要表面检测，还需要内部结构观测。硬X射线穿透性强、波长短，故基于硬X射线的CDI技术成为理想选择。
1）反射模式扫描CDI：用于晶圆表面纳米结构检测，如SLS实现了19.1 nm高度的精准测量，误差小于1 nm。美国阿贡国家实验室的先进光子源（APS）通过多入射角结合反射率分析，可构建出三维结构，法线方向分辨率达2.4 nm。
2）多层切片扫描CDI：日本SPring-8同步辐射设施的技术能对双层IC进行无损三维成像，横向分辨率为10 nm，可有效减少传统检测的伪影问题。
3）扫描CDI断层扫描（PXCT）：晶圆内部检测三维成像的关键技术，SLS 的PXCT 分辨率最低达14.6 nm，能清晰还原22 nm处理器的FinFET晶体管结构。2024 年改进后的技术更是将分辨率提升至4.2 nm，成功解析7 nm节点芯片的单个晶体管。
PART.4
现存问题
虽然CDI技术表现亮眼，但是仍面临三大核心挑战：
1）大视场与高分辨率的矛盾——要检测大尺寸掩模或晶圆，需要大量扫描数据，当前相位恢复算法的处理速度仍然较慢，难以满足量产场景对于检测效率的需求；
2）迭代收敛难题——相位恢复算法容易陷入局部最优解，导致成像结果不准确，尤其在样品结构复杂或存在噪声时更为明显；
3）光源稳定性影响——同步辐射的光束指向、光强波动等会干扰检测信号，导致采集图像的质量降低。
PART.5
展 望
目前，全球主流同步辐射装置都在加码CDI半导体检测技术：国外方面，美国LBNL的SHARP系统、瑞士SLS的REGINE、韩国PAL的紧凑型EUV光源等平台都在持续推进与发展迭代；国内方面，NSRL依托合肥光源正在开展EUVL掩模检测相关研究、中山大学基于SSRF开发的掩模检测显微镜也将发挥重要作用。
面对当今的技术挑战，CDI正朝着 “高速化、高分辨率、智能化” 方向演进，具体体现在：
• 算法优化：引入 GPU 并行计算和深度学习，如 PtychoNN 等模型，能大幅提升数据处理速度，缓解迭代收敛速度的问题；
• 硬件升级：优化同步辐射光源的稳定性，开发更高效的探测器，进一步提升分辨率和检测效率；
• 多技术融合：结合X射线反射率、断层扫描等技术，拓展检测场景，实现从表面到内部、从二维到三维的全方位检测。
未来，随着技术的不断突破，同步辐射CDI技术将不仅能满足 7 nm、5 nm 乃至更小节点芯片的检测需求，还能为半导体制造工艺优化提供更精准的数据支撑，助力摩尔定律持续演进，让芯片变得更强大、更小巧、更可靠。
作者简介
李奥，中国科学技术大学国家同步辐射实验室核科学与技术博士研究生，主要从事相干衍射成像相关研究。
李鹏，中国科学技术大学同步辐射实验室，特任研究员，博士生导师，中国科学院“BR计划”B类，安徽省海外引才创新人才，合肥光源掩模成像检测线站负责人。长期致力于同步辐射相干衍射成像技术的研究与应用，发表高水平论文30余篇，国际专利1项，主持英国和欧盟科研基金、校联合基金和校企联合基金等。
邱克强，中国科学技术大学副研究员，博士生导师，从事全息干涉光刻与全息-离子束刻蚀衍射光栅研制工作22年，承担了国家重大专项、重点研发、中科院先导、国家自然科学基金等项目，发展了大口径全息光栅的离子束刻蚀与清洗技术，已成功研制长度长达1400 mm的全介质膜光栅、近紫外透射闪耀光栅、X射线透射光栅、紫外凹面变间距消像差光栅，并应用于脉宽压缩、光谱成像、天文观测和空间探测等大科学装置及项目。
刘啸嵩，中国科学技术大学讲席教授，国家同步辐射实验室副主任（主持工作），国家重大科技基础设施——合肥先进光源工程常务副总指挥兼副总工程师，博士生导师。长期致力于发展同步辐射软X射线谱学、散射等实验方法、线站技术和仪器设备研发，并广泛应用于储能、催化、信息等功能材料的机理研究。承担国家自然科学基金重点、重大仪器专项、科技部重点研发等项目。担任中国物理学会同步辐射专业委员会副主任。获得上海市科技进步一等奖（第二完成人），入选国家WR计划领军人才、江苏省双创团队领军人才、上海市浦江人才等。
科学编辑 | 李奥
编辑 | 贾文斌
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