近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納光學(xué)與技術(shù)課題組王沛教授和魯擁華副教授在大量程納米位移光學(xué)感測研究方面取得重要進展。課題組利用光學(xué)超表面（metasurface）設(shè)計了一種簡捷的光場偏振態(tài)空間編碼，結(jié)合精巧的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，發(fā)展了一種大量程（百微米量級）、高靈敏（亞納米）、簡捷實用的位移感測技術(shù)。

納米精度的高靈敏位移測量對于半導(dǎo)體制造、精密加工和先進成像等領(lǐng)域都具有關(guān)鍵性作用。以半導(dǎo)體制造為例，不同層光刻圖案的疊對誤差對提升產(chǎn)品良率具有重要的作用。一般要求疊對誤差測量技術(shù)（overlay metrology）的精度優(yōu)于光刻線條寬度的五分之一。因此，對于10納米以下節(jié)點的半導(dǎo)體制造工藝必須發(fā)展納米及亞納米的位移感測技術(shù)。

以往的研究表明，利用納米光學(xué)天線的定向散射光場可以實現(xiàn)亞納米位移感測的技術(shù)指標(biāo)。課題組在先前的研究中也分別提出了硅納米天線對（OE， 26 ： 1000-1011， 2018）、表面等離激元天線對（PRL， 124， 243901， 2020）的技術(shù)方案。但是基于光學(xué)天線散射的感測方法通常只有百納米的量程，且存在信噪比低的問題，給疊對誤差測量等位移感測的實際應(yīng)用帶來較為苛刻的限制。

在這項研究工作中，課題組利用光學(xué)超表面獨特的位相和偏振調(diào)控能力，將空間位置信息編碼在光場的偏振取向上，并通過精巧的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計讓光場兩次經(jīng)過超表面結(jié)構(gòu)，從而將超表面相對于光束的橫向位移信息轉(zhuǎn)化為讀出光強信息。由于超表面結(jié)構(gòu)可以在亞波長精度上調(diào)控光場的偏振和位相分布，從而可以極大提高偏振空間編碼的梯度，進而提高位移感測的靈敏度。

實驗測試證明，這一偏振編碼超表面系統(tǒng)的位移感測精度可以達到100皮米（圖1）。進一步，課題組通過移相方法實現(xiàn)了測量范圍的周期性延拓，并消除了感測靈敏度的“死區(qū)”，偏振編碼超表面系統(tǒng)的感測量程可以拓展到200微米以上。

圖1.偏振編碼超表面位移感測系統(tǒng)示意圖和實驗結(jié)果

與基于光學(xué)天線散射的納米位移感測技術(shù)不同，這項研究工作在保持亞納米的位移感測精度的同時，極大地拓展了感測的量程，而且，通過光強讀出位移信息，具有可工程化、簡單可靠且精度高的特點，為其在疊對誤差測量等位移感測領(lǐng)域的實際應(yīng)用帶來便捷。

光電子科學(xué)與技術(shù)安徽省重點實驗室的臧昊峰、席錚特任教授和張植宇為該論文的共同第一作者，魯擁華副教授和王沛教授為共同通訊作者。該工作得到了科技部重點研發(fā)項目、國家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金和先進激光技術(shù)安徽省實驗室主任基金的經(jīng)費資助。