Light | 高深宽比微结构测量：傅里叶叠层扫描干涉术

高深宽比微沟槽是许多微纳器件制造中的关键几何单元，其三维形貌直接影响器件性能，也决定了工艺监控与良率管理是否“看得见、管得住”。现实生产中，扫描电子显微镜等方法往往需要截面处理，难以做到无损、可重复、在线的常态化检测。因此，面向此类结构的无损光学三维测量，一直是精密制造与半导体检测领域的核心需求。

在众多光学测量方案中，相干扫描干涉具有较高的轴向分辨率，被视为无损三维形貌测量的重要技术之一。但当目标变成又深又窄的微沟槽时，光在结构内部会产生更复杂的散射与衍射，干涉条纹会变弱，信噪比（有效信号相对噪声的强弱指标）随之下降。由此面临一个长期矛盾：为了让信号更“干净”，往往需要牺牲成像细节；而想要更高的横向分辨率（区分相邻细节的能力），又容易让结构底部的信号进一步变差。

为打破“信号质量与分辨能力相互牵制”的困境，团队提出傅里叶叠层扫描干涉术：一种以透射式干涉结构为基础、通过角度扫描获取多视角信息，并在频域进行信息融合的新型干涉测量框架。论文指出，传统反射式干涉装置中，光会与样品发生多次交互，容易带来更强的调制与失真。傅里叶叠层扫描干涉术改为透射式准平行照明，从源头上减少累积调制。随后，系统在不同入射角下采集干涉信息，将其转为定量相位（可用于量化起伏的相位图），再在傅里叶域完成子孔径拼接。这种流程不依赖传统傅里叶叠层中常见的迭代相位恢复，提高了算法稳定性，也提升了工程可用性。

透射式框架减少了高深宽比结构带来的累积调制，提升干涉条纹可见度，使底部区域的相位提取更可靠。这一改动把“信号先站稳”放在第一位，为后续提升分辨能力留出了空间。

不同入射角对应不同空间频率信息。通过角度扫描，系统获得更完整的频率覆盖。在傅里叶域对各子孔径信息进行拼接与融合，让重建的横向分辨率接近衍射极限，同时不牺牲高深宽比结构底部的条纹质量。

与仅记录强度的成像策略相比，扫描干涉可以直接获得定量相位信息。同时，频域融合阶段避免了复杂迭代流程，降低了对噪声与初值的敏感性。

论文展示了该方法对高深宽比微沟槽及多层MEMS器件的三维形貌重建能力。此外，利用定制的相位分辨率靶标验证了系统在高深宽比微结构底部仍能保持接近衍射极限的细节辨识能力。

图1：给出了FP-CSI的系统构型与工作原理：通过改变入射角，逐步记录不同频率信息

图2：展示了核心重建流程：多角度干涉采集、相位提取、频域拼接，再转化为三维形貌

图3. 给出了典型微沟槽结构的三维重建示例

图4：给出了多层MEMS器件的三维重建示例

图5：相位靶标与模拟高深宽比微沟槽测量场景，证明该框架在高深宽比微结构底部仍可维持较高的横向细节分辨能力

研究团队指出，傅里叶叠层扫描干涉术尤其适用于需要无损三维形貌评估的半导体与精密制造场景，可作为复杂微结构过程监控与质量控制的测量参考。由于该框架采用透射式工作模式，它更适合在样品具备透过条件、且工艺尚未进入金属化等不透明阶段时开展检测。在工程化方面，论文讨论了用更快速的照明角度调制、采集控制优化与计算加速来缩短采集与重建时间，并给出了进一步扩展到更复杂形貌结构的路径。

Li, Y., Yuan, Q., Huo, X. et al. Fourier ptychographic coherence scanning interferometry for 3D morphology of high aspect ratio and composite micro-trenches. Light Sci Appl 15, 93 (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41377-026-02189-6