封面 | 双管齐下：X射线散射技术，破解复杂纳米结构三维计量难题

封面解读

封面形象地展示了复杂三维纳米结构在不同X射线几何模式下的联合探测过程。天蓝色的光束以极小的掠入射角照射二层堆叠光栅表面并发生反射（用橙红色光束表示，代表GISAXS技术），同时穿透光栅截面（用深蓝色光束表示，代表GTSAXS技术）。后方空间中，蓝色的弧形布拉格衍射斑点与垂直竖线光斑交织重叠。由此隐喻了本研究的核心：通过联合反射与透射两种互补的X射线散射机制，施加正交的几何约束，从而打破单一测量模式下的参数强耦合，实现纳米结构三维形貌的高精度重构。

文章来源：张思宇, 陈修国, 张家豪, 邓定选, 钟海硕, 刘世元. 联合GI-SAXS和GT-SAXS的纳米结构关键尺寸测量方法（特邀）[J]. 光学学报（网络版）, 2026, 3(11): 1113001. 

01

研究背景

在先进集成电路制造中，对复杂纳米结构的关键尺寸及三维形貌进行快速、非破坏性的精确测量具有重要意义。随着半导体制程节点持续演进，晶体管与互连结构的特征尺寸逐步逼近原子尺度，复杂的三维多层堆叠架构，让芯片制造对高精度几何计量技术的依赖度大幅提升。传统的扫描电子显微镜 (SEM) 和原子力显微镜 (AFM) 难以完全满足生产线的在线、大规模计量需求，而光学关键尺寸测量 (OCD) 在面对高深宽比复杂结构时，往往受限于波长导致的灵敏度下降与参数耦合问题。

X射线散射凭借短波长和高穿透性，已成为纳米结构非接触表征的重要手段。然而，在掠入射小角X射线散射(GISAXS)下，折射效应等动力学效应增加了散射机理的复杂性。不同结构模型可能对应相似的GISAXS图样，导致数据反演非唯一性；特别是在测量多层埋藏结构及侧壁角时，参数间强相关使得不确定度显著放大。

02

联合GISAXS和GTSAXS测量研究

华中科技大学刘世元团队创新提出一种在统一参数化模型框架下联合掠入射小角X射线散射（GISAXS）和掠入射透射小角X射线散射（GTSAXS）的纳米结构测量新方案。该方法的核心逻辑在于利用两种散射几何在结构灵敏度上的天然互补性：GISAXS 能够通过全反射条件下的倏逝波增强效应，获取高灵敏度的表面法向形貌信息（如高度、侧壁角等）；而GTSAXS则能避开复杂的动力学效应干扰，更直接地探测基底平面内的横向有序性与晶格周期。

图1 基于联合分析的参数重构流程图

联合测量框架的关键在于构建协同评价函数，强制要求两组独立测量的散射数据满足同一套几何结构参数约束X（如半径、高度、侧壁角等）。在反演算法层面，本研究采用了协方差矩阵自进化算法（CMA-ES）进行高效的全局参数寻优，并以优化结果为起点，利用马尔科夫链-蒙特卡洛（MCMC）采样策略对形貌参数进行严谨的不确定度量化分析。

图2 不同方位角下各散射阶次散射峰强度拟合对比图

为了验证该方案的有效性，研究团队针对一维周期二层堆叠梯形光栅与二维周期圆台阵列开展了对比研究。反演结果显示，单一GISAXS模式在处理高深宽比或多层堆叠结构时，由于倒易空间覆盖有限，容易陷入局部最优，导致反演结果偏离真值；而联合分析策略通过引入透射模式的横向约束，有效打破了参数间的强耦合。

图3 一维周期二层堆叠梯形光栅结构参数后验分布采样散点图

图4 二维周期圆台阵列结构参数后验分布采样散点图

实验数据定量评估表明，相比于传统单一测量方法，联合反演得到的结构参数与参考真值更为接近，且参数的置信区间显著收窄，证明了该方法在提升形貌重构精度与稳健性方面具有显著优势。

03

后续工作展望

随着集成电路制造工艺向3 nm及更先进节点迈进，纳米结构的几何复杂性（如三维异构、多层埋藏等）对量测技术提出了更严苛的挑战。本研究提出的联合X射线散射测量方法，从物理层面增加了几何约束，成功解决了反演问题的多解性难题，为复杂纳米结构的高精度、在线无损计量提供了一种工业可行的解决方案。

今后，团队将继续深耕X射线关键尺寸（XCD）计量领域，探索该技术在3D NAND、GAA 晶体管等尖端半导体器件表征中的应用，致力于研发符合国际前沿技术标准的高通量精密量测装备。

团队简介

华中科技大学精密仪器研究中心（团队负责人：国家杰青刘世元教授）依托华中科技大学机械科学与工程学院、光学与电子信息学院、集成电路学院等单位，面向集成电路制造、纳米制造、原子级制造等先进制造过程中的在线测量检测需求，致力于计算测量、计算成像、计算光刻等基础理论与关键技术研究，并开展相应精密仪器设备研制与应用研究，特别是探索非接触、无损、高效的光学和极短波长测量检测技术，旨在实现制造过程和制造工艺的可操纵性、可预测性、可重复性和可扩展性。

科学编辑 | 张思宇; 陈修国

编辑 | 王晓琰

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