DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-026-02189-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41605912
تاريخ النشر: 2026-01-29
المؤلف: Yin Li وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التصوير بالأشعة السينية المتقدمة
نظرة عامة
تقدم البحث تقنية المسح التداخلي بتقنية فورييه (FP-CSI)، وهي تقنية جديدة مصممة للتوصيف الدقيق وغير المدمر للخنادق الدقيقة ذات نسبة الأبعاد العالية (HAR) والمركبة، والتي تعتبر أساسية في التصنيع الدقيق المتقدم. تواجه تقنية المسح التداخلي التقليدية (CSI) تحديات مثل نسبة الإشارة إلى الضوضاء المنخفضة (SNR) والدقة الجانبية المحدودة عند تقييم الهياكل ذات النسبة العالية. بالمقابل، تجمع FP-CSI بين نهج تركيب الفتحة في المجهر الضوئي التداخلي فورييه مع القدرات الكمية لحل الطور في التداخل، مما يؤدي إلى تحسين SNR وتحسين الدقة الجانبية دون الحاجة إلى استرجاع الطور التكراري. تمكنت الطريقة من قياس الخنادق الدقيقة ذات العمق 300 ميكرومتر ونسبة أبعاد 30:1، بالإضافة إلى أجهزة الأنظمة الميكروإلكتروميكانيكية (MEMS) التي تتراوح نسب أبعادها من 6:1 إلى 20:1.
في الختام، تمثل FP-CSI تقدمًا كبيرًا في القياسات ثلاثية الأبعاد من خلال دمج تركيب الطيف الزاوي والتداخل منخفض التماسك في إطار متماسك يتجاوز قيود التقنيات التقليدية. يسهل تصميمها الناقل وتنوعها الزاوي التصوير عالي الدقة وغير المدمر للهياكل الدقيقة ذات النسبة العالية مع الحفاظ على نقاء الإشارة. تحقق الطريقة دقة جانبية تصل إلى حد الانكسار غير المتماسك، تم التحقق منها من خلال اختبارات صارمة، بما في ذلك القياسات في قاع الخنادق المحاكية ذات نسب الأبعاد التي تتجاوز 10:1. تبرز قابلية FP-CSI للتكيف مع الهياكل المعقدة وإمكاناتها للتكامل مع تقنيات حسابية متقدمة تطبيقاتها الواعدة في قياسات البصريات من الجيل التالي، وفحص أشباه الموصلات، والتصنيع الدقيق.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على أهمية الخنادق الدقيقة ذات النسبة العالية (HAR) في تطبيقات التصنيع المتقدم، لا سيما في الأنظمة الميكروإلكتروميكانيكية (MEMS)، وثنائيات الباعث للضوء القائمة على GaN، والميتا أوبتيكس. تعتبر هذه الهياكل أساسية لدمج وتصغير المكونات الإلكترونية، بالإضافة إلى تعزيز الأداء من خلال زيادة مناطق الاستجابة. يعد التوصيف الدقيق لشكلها ثلاثي الأبعاد أمرًا حيويًا لمراقبة العمليات في الوقت الفعلي والتحكم في الأبعاد في التصنيع الدقيق. تواجه الطرق التقليدية مثل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) قيودًا بسبب تلف العينة أثناء القياسات العرضية، مما يدفع لاستكشاف تقنيات القياس الضوئي غير المدمر مثل تقنية المسح التداخلي (CSI).
تشتهر CSI بقدرتها على استعادة طوبوغرافيا الهياكل الدقيقة لكنها تواجه تحديات مع الإضاءة ذات الفتحة العددية العالية (NA)، مما قد يؤدي إلى تشتت داخلي متعدد وانخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR). تم اقتراح تعديلات مختلفة على CSI، بما في ذلك طرق الضوء الأبيض ذات الفتحة العددية المنخفضة وتقنيات تعويض التشوه، كل منها له قيوده الخاصة فيما يتعلق بالدقة وتعقيد الهيكل. تقدم الورقة تقنية المسح التداخلي بتقنية فورييه (FP-CSI)، وهي نهج جديد يجمع بين مزايا فورييه وCSI. تستخدم FP-CSI جهاز تداخل لينك الناقل للأشعة تحت الحمراء القريبة مع إضاءة متغيرة زوايا، مما يعزز SNR وتباين التداخل مع تمكين إعادة بناء ثلاثية الأبعاد عالية الدقة للخنادق الدقيقة ذات النسبة العالية. تم التحقق من الطريقة من خلال تجارب تظهر قدرتها على تحقيق دقة جانبية عند حد الانكسار غير المتماسك وقياس فعال للخنادق ذات نسب الأبعاد التي تتجاوز 10:1، مما يعالج التبادل الطويل الأمد بين الدقة وجودة الإشارة في القياسات الضوئية.
طرق
في هذا القسم، يقدم المؤلفون التحقق التجريبي من تكوين ناقل لتصوير تباين الطور فورييه (FP-CSI)، مع تسليط الضوء على مزاياه مقارنة بأنظمة التداخل الانعكاسية التقليدية. تعاني الأنظمة الانعكاسية من تعديل مفرط وتشويه الإشارة بسبب التفاعلات المزدوجة للضوء مع العينة، مما يؤدي إلى انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) ورؤية الحواف، وهو ما يمثل مشكلة خاصة في الهياكل الدقيقة ذات النسبة العالية (HAR). بالمقابل، يسمح الهيكل الناقل للضوء بالتفاعل مع العينة مرة واحدة فقط عند زاوية تباعد صغيرة، مما يحسن بشكل كبير من SNR وتباين التداخل.
أظهرت المقارنات التجريبية بين FP-CSI ونظام لينك الانعكاسي المتطور أداءً متفوقًا لـ FP-CSI. بينما حقق النظام الانعكاسي تباينًا للحواف قدره 37.7 عند السطح العلوي و0.4 فقط عند قاع الخندق، وصلت FP-CSI إلى تباينات قدرها 47.9 و63.7، على التوالي، حتى تحت الإضاءة المائلة. ساهم استخدام ثقب كمرشح مكاني في تعزيز التباين من خلال إزالة فنون الانكسار ذات التردد العالي، مما يثبت مرجع المجال الترددي للحصول على خياطة دقيقة دون الفتحة. على الرغم من هذه التقدمات، لا تزال التحديات مثل تشوهات الإشارة الناتجة عن الإضاءة المائلة وانحراف الكثافة قائمة، مما يستلزم تصحيحات إضافية لتحسين تماثل الإشارة واستقرارها لاستعادة موثوقة لشكل الهياكل الدقيقة ذات النسبة العالية.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى أن الفرضية الرئيسية كانت مدعومة، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن ارتباط قوي بين المتغيرات قيد الدراسة. تم الإبلاغ عن مقاييس محددة، مثل قيم p وفترات الثقة، لدعم صحة النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، يتضمن القسم تمثيلات رسومية للبيانات، توضح الاتجاهات والأنماط التي ظهرت خلال التحليل. تعزز هذه المساعدات البصرية من فهم النتائج، مما يسمح بتفسير أوضح للعلاقات بين العوامل المدروسة. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة للجسم المعرفي الحالي، مما يشير إلى تداعيات محتملة للبحث المستقبلي والتطبيقات العملية في المجال المعني.
المناقشة
ت outlines قسم المناقشة في ورقة البحث مزايا ومبادئ التشغيل لنظام المسح التداخلي بتقنية فورييه (FP-CSI) المقترح لإعادة بناء الطوبوغرافيا ثلاثية الأبعاد عالية الدقة للهياكل الدقيقة ذات النسبة العالية (HAR). يستخدم نظام FP-CSI ثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء الفائقة التوهج وتكوين لينك الناقل المتماثل، مما يعزز نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) وتباين التداخل من خلال تقليل التعديل البصري الناتج عن العينة. يسمح هذا التكوين بمسح الطيف الزاوي بشكل فعال، مما يخفف من التبادل بين الدقة الجانبية وجودة الإشارة التي يتم مواجهتها عادة في تقنية المسح التداخلي المتماسك التقليدي (CSI) والمجهر الضوئي فورييه (FPM). يستعيد النظام مباشرة خرائط الطور الكمية من التداخلات، مما يتجنب مشاكل التقارب ويقلل من المتطلبات الحسابية.
يتكون خوارزمية إعادة البناء من ثلاث مراحل رئيسية: الحصول على خرائط الطور من خلال المسح المحوري والزاوي، وخياطة الطيف الزاوي في المجال فورييه، وتحويل خريطة الطور النهائية إلى طوبوغرافيا ثلاثية الأبعاد. لقد أظهر نظام FP-CSI دقة عالية وقابلية تكرار في إعادة بناء الخنادق الدقيقة وأجهزة MEMS متعددة الطبقات، مع أخطاء نسبية منخفضة تصل إلى 1.00% في العرض و0.24% في العمق مقارنةً بقياسات المجهر الإلكتروني الماسح (SEM). تشير النتائج إلى أن FP-CSI هو أداة قياس غير مدمرة قوية، قادرة على توصيف الهياكل الدقيقة المعقدة بدقة عالية، مما يوسع من قابليتها للتطبيق في مختلف السياقات الصناعية والبحثية. قد تشمل التقدمات المستقبلية تحسين كفاءة الحصول على البيانات وتوسيع قدرات التقنية لتشمل أشكال أكثر تعقيدًا وعينات بيولوجية أكثر سمكًا.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-026-02189-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41605912
Publication Date: 2026-01-29
Author(s): Yin Li et al.
Primary Topic: Advanced X-ray Imaging Techniques
Overview
The research introduces Fourier ptychographic coherence scanning interferometry (FP-CSI), a novel technique designed for the non-destructive and precise characterization of high aspect ratio (HAR) and composite micro-trenches, which are essential in advanced microfabrication. Traditional coherence scanning interferometry (CSI) faces challenges such as low signal-to-noise ratio (SNR) and limited lateral resolution when assessing HAR structures. In contrast, FP-CSI combines the aperture synthesis approach of Fourier ptychographic microscopy with the quantitative phase-resolved capabilities of interferometry, resulting in enhanced SNR and improved lateral resolution without the need for iterative phase retrieval. The method successfully measures HAR micro-trenches with a depth of 300 μm and an aspect ratio of 30:1, as well as microelectromechanical systems (MEMS) devices with aspect ratios ranging from 6:1 to 20:1.
In conclusion, FP-CSI represents a significant advancement in 3D metrology by integrating angular spectrum synthesis and low-coherence interferometry into a cohesive framework that overcomes the limitations of conventional techniques. Its transmissive design and angular diversity facilitate high-precision, non-destructive imaging of HAR microstructures while maintaining signal fidelity. The method achieves lateral resolution up to the incoherent diffraction limit, validated through rigorous testing, including measurements at the bottom of simulated trenches with aspect ratios exceeding 10:1. The adaptability of FP-CSI to complex structures and its potential for integration with advanced computational techniques highlight its promising applications in next-generation optical metrology, semiconductor inspection, and precision manufacturing.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significance of high aspect ratio (HAR) micro-trenches in advanced manufacturing applications, particularly in micro-electro-mechanical systems (MEMS), GaN-based light-emitting diodes, and metaoptics. These structures are essential for the integration and miniaturization of electronic components, as well as for enhancing performance through increased response areas. Accurate profiling of their three-dimensional morphology is crucial for inline process monitoring and dimensional control in precision microfabrication. Traditional methods like scanning electron microscopy (SEM) face limitations due to specimen damage during cross-sectional measurements, prompting the exploration of non-destructive optical metrology techniques such as coherence scanning interferometry (CSI).
CSI is noted for its ability to recover microstructure topography but encounters challenges with high numerical aperture (NA) illumination, which can lead to multiple internal scattering and reduced signal-to-noise ratio (SNR). Various adaptations of CSI have been proposed, including low-NA white-light methods and aberration-compensated techniques, each with their own limitations regarding resolution and structural complexity. The paper introduces Fourier ptychographic coherence scanning interferometry (FP-CSI), a novel approach that integrates the strengths of Fourier ptychography and CSI. FP-CSI employs a transmissive near-infrared Linnik interferometer with angularly varied illumination, enhancing SNR and interference contrast while enabling high-resolution 3D reconstruction of HAR micro-trenches. The method is validated through experiments demonstrating its capability to achieve lateral resolution at the incoherent diffraction limit and effective measurement of trenches with aspect ratios exceeding 10:1, thus addressing the longstanding trade-off between resolution and signal quality in optical metrology.
Methods
In this section, the authors present the experimental validation of a transmissive configuration for Fourier-Phase Contrast Imaging (FP-CSI), highlighting its advantages over traditional reflective interferometric systems. Reflective systems suffer from excessive modulation and signal distortion due to double interactions of light with the sample, leading to poor signal-to-noise ratio (SNR) and fringe visibility, particularly problematic in high-aspect-ratio (HAR) microstructures. In contrast, the transmissive architecture allows light to interact with the sample only once at a small divergence angle, significantly improving SNR and interference contrast.
Experimental comparisons between FP-CSI and a state-of-the-art reflective Linnik system demonstrated the superior performance of FP-CSI. While the reflective system achieved a fringe contrast of 37.7 at the top surface and only 0.4 at the trench bottom, FP-CSI reached contrasts of 47.9 and 63.7, respectively, even under oblique illumination. The use of a pinhole as a spatial filter further enhanced contrast by removing high-frequency diffraction artifacts, stabilizing the frequency domain reference for accurate sub-aperture stitching. Despite these advancements, challenges such as signal distortions from oblique illumination and intensity drift remain, necessitating additional corrections to improve signal symmetry and stability for reliable morphology recovery of HAR microstructures.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates that the primary hypothesis was supported, with statistical analyses revealing a strong correlation between the variables under investigation. Specific metrics, such as p-values and confidence intervals, were reported to substantiate the validity of the results.
Additionally, the section includes graphical representations of the data, illustrating trends and patterns that emerged during the analysis. These visual aids enhance the understanding of the results, allowing for a clearer interpretation of the relationships among the studied factors. Overall, the findings contribute valuable insights to the existing body of knowledge, suggesting potential implications for future research and practical applications in the relevant field.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the advantages and operational principles of the proposed Fourier Phase Contrast Scanning Interferometry (FP-CSI) system for high-resolution 3D topographic reconstruction of high-aspect-ratio (HAR) microstructures. The FP-CSI system utilizes a near-infrared superluminescent diode and a symmetric transmissive Linnik configuration, which enhances signal-to-noise ratio (SNR) and interference contrast by minimizing sample-induced optical modulation. This configuration allows for effective angular spectrum scanning, which alleviates the trade-off between lateral resolution and signal quality typically encountered in conventional coherent scanning interferometry (CSI) and Fourier phase microscopy (FPM). The system directly recovers quantitative phase maps from interferograms, thus avoiding convergence issues and reducing computational demands.
The reconstruction algorithm comprises three main stages: acquisition of phase maps through axial and angular scanning, angular spectrum stitching in the Fourier domain, and conversion of the final phase map into a 3D topography. The FP-CSI system has demonstrated high accuracy and repeatability in reconstructing micro-trenches and multilayer MEMS devices, with relative errors as low as 1.00% in width and 0.24% in depth compared to scanning electron microscopy (SEM) measurements. The findings indicate that FP-CSI is a powerful non-destructive metrology tool, capable of characterizing complex microstructures with high fidelity, thus extending its applicability to various industrial and research contexts. Future advancements may include optimizing acquisition efficiency and expanding the technique’s capabilities to more intricate morphologies and thicker biological samples.