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仪表网 研发快讯】衍射光栅广泛应用于精密测量、激光脉冲压缩、光谱分析等领域。干涉光刻作为一种无掩膜曝光光刻方法，在衍射光栅加工制造方面具有高效率、高灵活度的优势。但干涉光刻加工的光栅尺寸在原理上受到曝光系统光束口径的限制，而增大光路系统中光学元件的口径具有现实困难。面对该难题，光学曝光拼接的方法被提出，该方法通过对单次曝光区域进行移动拼接，进而拓宽光栅的尺度。曝光拼接技术需要基于稳定、精准的外部参考来实现全局对准，基于外部参考光栅的方法是兼具高精度、高鲁棒性的对准方法。然而，目前在参考光栅曝光拼接领域，尚无在平面两个正交方向上全局对准的方法。
针对上述问题，清华大学深圳国际研究生院李星辉团队提出了基于参考光栅全局对准的干涉光刻拼接曝光方法与系统，为衍射光栅制造中的口径扩展提供了思考和借鉴。
研究中搭建的拼接曝光加工系统，如图1(a)所示，曝光区域使用双光束干涉产生，如图1(b)所示。拼接过程中需要保证基底上的各个曝光区域中的条纹连续，应在拼接曝光时对拼接误差进行监测。本文中提出的拼接加工方法，使用两块参考光栅分别监测x和y两个方向移动后的拼接误差，以完成曝光光刻的面积在整个平面上进行拓展。两束曝光光束经过参考光栅衍射后，其两束衍射光会发生干涉产生参考条纹，而拼接误差会被放大至宏观尺度并反映在参考条纹中，通过得到的误差信息，即可对其进行补偿。此处使用了两块参考光栅，其中一块参考光栅与基底分离，另一块参考光栅与基底相连随基底移动。改变曝光区域在基底上的位置时，一个方向通过移动光束位置来完成，如图1(c)所示，另一个方向上通过移动基底来完成，如图1(d)所示。
图1.拼接曝光加工系统
拼接曝光加工流程如图2所示，其中在同一行上拼接时，使用参考光栅GR1产生的参考条纹进行条纹锁定，如图2(a)-(c)所示，这时通过移动反射镜来改变曝光区域位置。在换行拼接时，需要通过锁定参考光栅GR2产生的参考条纹后，重新记录参考光栅GR1的初始参考条纹，如图2(d)-(e)所示，换行通过移动基底来改变曝光区域位置。
图2.拼接曝光加工流程
团队基于上述加工系统和方法进行了3×3区域的拼接光栅加工。该研究开展了两个样品加工实验进行对比，样品1与样品2分别如图3(a)与图3(f)所示。其中，加工样品1时，补偿拼接误差，而样品2不补偿拼接误差。使用菲索干涉仪对其衍射波面进行测量，菲索干涉仪产生的干涉条纹图样如图3(b)与3(g)所示，样品1的干涉条纹在整个区域中连续性较好，而样品2的干涉条纹可以明显看到很多区域不连续。图3(c)与图3(h)分别为其-1级衍射波面，图3(d)与图3(i)为其基底不平整度，去除基底影响后，衍射波面如图3(e)与图3(j)所示。样品1的PV值为0.125λ，RMS值为0.023λ，样品2的PV值为0.621λ，RMS值为0.105λ。
图3.拼接曝光加工光栅
进一步地，使用原子力
显微镜(AFM)对样品1中3×3区域的每个曝光区域随机选择一个点进行AFM测量，其槽型如图4所示。首先以较低分辨率进行较大面积的扫描，再以高分辨率进行小面积的扫描。图5为AFM测量结果的截面图，各区域槽型具有较好的一致性。
图4. 原子力显微镜测量结果
图5.AFM截面
为探究接缝两侧区域的相位连续性和接缝情况，团队使用超景深显微镜对样品1拼接接缝处进行观察，如图6所示。其中红色线为方便展示而添加的等间距平行线，用作参考，可以看到在拼接接缝上下或左右两区域中的拼接条纹与参考线有较高重合度。值得注意的是，在较多以表面衍射为主的应用中，光栅栅线相位的一致性是需要首要保障的，对于接缝物理尺寸的控制，将会在未来工作中进一步探究。
图6.显微镜结果
相关研究成果以“激光干涉光刻阵列全局对准参考策略”(Global Alignment Reference Strategy for Laser InterferenceLithography Pattern Arrays)为题，于3月4日发表于《微系统与纳米工程》(Microsystems & Nanoengineering)。
清华大学深圳国际研究生院副教授李星辉为论文通讯作者，清华大学深圳国际研究生院2021级硕士生高翔为论文第一作者。其他贡献者包括清华大学深圳国际研究生院2023级博士生李婧雯和2021级硕士生钟子健。项目得到国家自然科学基金和深圳市高等院校稳定支持计划的支持。
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