圖1.拼接曝光加工系統

衍射光柵廣泛應用于精密測量、激光脈沖壓縮、光譜分析等領域。干涉光刻作為一種無掩膜曝光光刻方法，在衍射光柵加工制造方面具有高效率、高靈活度的優勢。但干涉光刻加工的光柵尺寸在原理上受到曝光系統光束口徑的限制，而增大光路系統中光學元件的口徑具有現實困難。面對該難題，光學曝光拼接的方法被提出，該方法通過對單次曝光區域進行移動拼接，進而拓寬光柵的尺度。曝光拼接技術需要基于穩定、精準的外部參考來實現全局對準，基于外部參考光柵的方法是兼具高精度、高魯棒性的對準方法。然而，目前在參考光柵曝光拼接領域，尚無在平面兩個正交方向上全局對準的方法。

針對上述問題，清華大學深圳國際研究生院李星輝團隊提出了基于參考光柵全局對準的干涉光刻拼接曝光方法與系統，為衍射光柵制造中的口徑擴展提供了思考和借鑒。

研究中搭建的拼接曝光加工系統，如圖1(a)所示，曝光區域使用雙光束干涉產生，如圖1(b)所示。拼接過程中需要保證基底上的各個曝光區域中的條紋連續，應在拼接曝光時對拼接誤差進行監測。本文中提出的拼接加工方法，使用兩塊參考光柵分別監測x和y兩個方向移動后的拼接誤差，以完成曝光光刻的面積在整個平面上進行拓展。兩束曝光光束經過參考光柵衍射后，其兩束衍射光會發生干涉產生參考條紋，而拼接誤差會被放大至宏觀尺度并反映在參考條紋中，通過得到的誤差信息，即可對其進行補償。此處使用了兩塊參考光柵，其中一塊參考光柵與基底分離，另一塊參考光柵與基底相連隨基底移動。改變曝光區域在基底上的位置時，一個方向通過移動光束位置來完成，如圖1(c)所示，另一個方向上通過移動基底來完成，如圖1(d)所示。

拼接曝光加工流程如圖2所示，其中在同一行上拼接時，使用參考光柵GR1產生的參考條紋進行條紋鎖定，如圖2(a)-(c)所示，這時通過移動反射鏡來改變曝光區域位置。在換行拼接時，需要通過鎖定參考光柵GR2產生的參考條紋后，重新記錄參考光柵GR1的初始參考條紋，如圖2(d)-(e)所示，換行通過移動基底來改變曝光區域位置。

圖2.拼接曝光加工流程

團隊基于上述加工系統和方法進行了3×3區域的拼接光柵加工。該研究開展了兩個樣品加工實驗進行對比，樣品1與樣品2分別如圖3(a)與圖3(f)所示。其中，加工樣品1時，補償拼接誤差，而樣品2不補償拼接誤差。使用菲索干涉儀對其衍射波面進行測量，菲索干涉儀產生的干涉條紋圖樣如圖3(b)與3(g)所示，樣品1的干涉條紋在整個區域中連續性較好，而樣品2的干涉條紋可以明顯看到很多區域不連續。圖3(c)與圖3(h)分別為其-1級衍射波面，圖3(d)與圖3(i)為其基底不平整度，去除基底影響后，衍射波面如圖3(e)與圖3(j)所示。樣品1的PV值為0.125λ，RMS值為0.023λ，樣品2的PV值為0.621λ，RMS值為0.105λ。

圖3.拼接曝光加工光柵

進一步地，使用原子力顯微鏡(AFM)對樣品1中3×3區域的每個曝光區域隨機選擇一個點進行AFM測量，其槽型如圖4所示。首先以較低分辨率進行較大面積的掃描，再以高分辨率進行小面積的掃描。圖5為AFM測量結果的截面圖，各區域槽型具有較好的一致性。

圖4. 原子力顯微鏡測量結果

圖5.AFM截面

為探究接縫兩側區域的相位連續性和接縫情況，團隊使用超景深顯微鏡對樣品1拼接接縫處進行觀察，如圖6所示。其中紅色線為方便展示而添加的等間距平行線，用作參考，可以看到在拼接接縫上下或左右兩區域中的拼接條紋與參考線有較高重合度。值得注意的是，在較多以表面衍射為主的應用中，光柵柵線相位的一致性是需要首要保障的，對于接縫物理尺寸的控制，將會在未來工作中進一步探究。

圖6.顯微鏡結果

相關研究成果以“激光干涉光刻陣列全局對準參考策略”(Global Alignment Reference Strategy for Laser InterferenceLithography Pattern Arrays)為題，于3月4日發表于《微系統與納米工程》(Microsystems & Nanoengineering)。

清華大學深圳國際研究生院副教授李星輝為論文通訊作者，清華大學深圳國際研究生院2021級碩士生高翔為論文第一作者。其他貢獻者包括清華大學深圳國際研究生院2023級博士生李婧雯和2021級碩士生鐘子健。項目得到國家自然科學基金和深圳市高等院校穩定支持計劃的支持。

審核編輯 黃宇