[来点idea_1]-使用相干菲涅尔叠层成像技术进行桌面纳米级极紫外扩展反射式成像

撰稿人: 黄磊

TITLE : 使用相干菲涅尔叠层成像技术进行桌面纳米级极紫外扩展反射式成像

01 精要导读

该论文报道了第一个通用的基于相干衍射成像的全场反射模式极紫外(EUV)显微镜。该显微镜能够以非接触、非破坏的方式对任意入射角的扩展表面进行纳米级振幅和相位成像。使用极紫外光照射表面，直接记录表面扫描时的图像。然后将叠层重建与倾斜平面校正相结合，重建获得具有振幅和相位信息的图像。并将结果与扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）的结果对比，表明获得图像的质量和细节具有明显优势。

02 研究背景

      相干衍射成像（CDI）技术在利用光谱中的极紫外（EUV）和X射线区域的光源方面取得了巨大进步，实现了使用大型和小型光源的接近衍射极限的成像能力。CDI也称为“无透镜成像”，使用相干光照射样品，散射光直接被探测器捕获，无需任何中间成像光学元件。然后，相位恢复算法应用于所采集数据以恢复图像。CDI已经被用来研究各种生物和材料系统。利用CDI来成像复杂的纳米结构表面很有潜力，但这需要进行反射式成像，这方面的研究要少得多。该论文之前现有的反射式研究仅限于垂直入射，该论文的工作代表了第一个非孤立物体，高保真，桌面极紫外相干反射成像。

03 原理方法

基本方法与效果如图1所示。将弯曲波前叠层成像与倾斜平面校正相结合：首先消除了对数值孔径，样本与角度的限制，使得一般的扩展物体可以在任何的入射角下反射成像；其次，使用强弯曲波前照射样品，通过减小动态范围，消除了遮挡零级光的需求，同时弯曲照明允许光束大小根据样本量变化，减轻对大量扫描位置的需求，也使得大视场成像时需要的扫描位置更少；反射成像得到的表面图像包含样品的定量振幅与相位信息，并且消除了非均匀照明以及扫描位置可能不准确的影响。

图1 基本原理方法

结合该论文补充材料说明实验过程与算法重建过程：

反射式叠层实验图如图2所示。将波长约为785 nm （脉冲能量1.5 mJ，脉冲持续时间22 fs，重复频率5 kHz）的掺钛蓝宝石激光光束耦合到一个长5 cm，内径200 μm，充满60 Torr氩气的空心波导中，由于高次谐波产生过程的相位匹配得很好，基本激光的明亮谐波在29.5 nm（27次谐波）中心波长附近产生，保证了相干性。剩余的基波激光与高谐波光束共线，使用两个硅反射镜（放置在785 nm光的布儒斯特角附近）和两个200 nm厚度的铝滤光片过滤掉。然后将极紫外光束通过放置在距离样品约1 m处的约1 mm可调孔径，去除外部的杂散光。然后通过一对Mg/SiC多层反射镜选择掺钛蓝宝石激光的第27次谐波。第一个反射镜是平面镜，第二个反射镜的曲率半径（ROC）为10 cm。这对反射镜将高次谐波产生光束以45°的入射角汇聚到样品上。焦点位置在样品后方300 μm处，使得高次谐波产生光束的波前在样品平面处具有很明显的曲率。

图2 反射式菲涅尔叠层成像实验装置。极紫外光束通过一个可调的约1 mm 的孔径传播；使用一对以29.5 nm 为中心并聚焦到样品上的多层反射镜选择单次谐波。散射光被直接放置在样品后的CCD收集。插图展示了通过叠层成像技术重建的高度轮廓。

样品由约30 nm的钛组成，在硅衬底上形成图案。衍射图像使用EUV敏感的CCD探测器接收（2048 × 2048，13.5 μm方形像素），探测器放置在距离物体67 mm的位置，并定向，使得探测器表面垂直于光束。将样品沿着光束轴线放置在焦点前300 μm处，使入射到样品上的光束直径约为10 μm。在十个相邻的3×3网格里的每个位置采集衍射图像，位置之间步长为2.5 μm。为防止重建出现周期性伪影，这些位置被随机化了至多1μm。

图3为该论文算法重建样品的大致步骤与过程。首先，该论文将采集到的90个衍射图像进行倾斜平面校正。校正后的图像采用标准ePIE算法与亚像素级扫描位置精度处理方法获得一个较为准确的探针猜测，过程如下：首先根据样品到焦点的距离为300 μm的先验知识计算一个探针的初始猜测，并且归一化，以包含与衍射图象中相同的能量，允许算法同时对探针与物体进行更新，20次迭代后，初始化物，并将探针猜测设为20次迭代后的结果，重启算法，使得物与探针都收敛到稳定解。随后，再次初始化物，探针猜测设置为获得的稳定解，将亚像素位置校正方法应用于ePIE，并利用探针的亚像素位移进行重叠约束，不允许算法更新探针，进行迭代，直至位置修正收敛至小于0.1像素。最后，使用稳定解探针作为探针初始猜测，使用已经修正后的扫描位置，重新初始化物的猜测，算法允许探针与物均更新，迭代200次，实现最终的重建。总重建时间约3.5小时。

图3 算法重建样品简要过程示意

04 结果分析

由图4(d)可以看到，钛纳米结构在SEM图像中看到的大部分缺陷都在叠层重建中重现。重建的过程也恢复了探针，该论文还确认了迭代恢复的探针与直接探测计算的探针有比较好的一致性：通过扫描焦点附近的5 μm针孔，将针孔作为探针，光束作为物进行重建恢复，重建后将其再传播到样品位置，并作倾斜平面校正计算，结果与算法重建的探针一致。同时该论文给出了CDI重建图像与SEM与AFM图像识别缺陷能力的对比，如图5所示。证明了CDI具有类似于SEM的振幅对比度，以及类似于AFM的相位/高度对比度。

为了计算样品的高度，该论文查阅资料，计算了不同区域的理论相变与理论反射率，并生成样品的高度图，如图6所示。AFM测量结果显示，钛特征的高度为32.7 nm，在误差范围内叠层成像结果与其完全一致。

该论文发现，对于更大的叠层采样网格，相邻探针保证足够的重叠率（60%-70%），只要起始猜测的相位曲率相差不超过实际的50%，算法会收敛到一致的结果，相比而言，对于初始猜测的要求放宽了许多。

图4 衍射数据与叠层重建图。（a）代表性衍射图样，取自90次扫描数据集，并按1/4幂缩放。（b）钛图案化硅样品的扫描电子显微镜（SEM）图像。注，SEM图像中圈出的大型缺陷是由于叠层成像测量之后的污染造成的。（c）HHG光束的重建振幅（阈值设定为5%）。插图显示重建相位（以模2Π的方式显示）。（d）部分（b）中显示物体的叠层重建图像。重建图被描述为复振幅，亮度代表反射振幅，色调代表重建的相位。钛纳米结构在SEM图像中看到的大部分缺陷都在叠层重建中重现。（b）-（d）共享（b）中比例尺。

图5 重建的CDI振幅和相位与SEM和AFM图像的视觉比较。（a）CDI重建振幅（b）CDI重建相位（c）SEM图像（d）AFM图像。缺陷1-5在所有图像中均可见，缺陷6与7仅在重建相位与AFM中可见。

图6 CDI与AFM的高度剖面比较。(a)基于叠层成像重建的物体三维轮廓;(b)基于AFM测量的物体三维轮廓。任何高于40 nm的特征都被阈值设置为40 nm进行3D渲染。(c) (a)和(b)所示高度剖面的直方图。直方图用于计算基于CDI和AFM测量结果的平均特征厚度：32.7 nm。

05 论文总结