清華新聞網(wǎng)3月19日電 衍射光柵廣泛應(yīng)用于精密測(cè)量、激光脈沖壓縮、光譜分析等領(lǐng)域。干涉光刻作為一種無(wú)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(yōu)勢(shì)。但干涉光刻加工的光柵尺寸在原理上受到曝光系統(tǒng)光束口徑的限制，而增大光路系統(tǒng)中光學(xué)元件的口徑具有現(xiàn)實(shí)困難。面對(duì)該難題，光學(xué)曝光拼接的方法被提出，該方法通過(guò)對(duì)單次曝光區(qū)域進(jìn)行移動(dòng)拼接，進(jìn)而拓寬光柵的尺度。曝光拼接技術(shù)需要基于穩(wěn)定、精準(zhǔn)的外部參考來(lái)實(shí)現(xiàn)全局對(duì)準(zhǔn)，基于外部參考光柵的方法是兼具高精度、高魯棒性的對(duì)準(zhǔn)方法。然而，目前在參考光柵曝光拼接領(lǐng)域，尚無(wú)在平面兩個(gè)正交方向上全局對(duì)準(zhǔn)的方法。
針對(duì)上述問(wèn)題，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院李星輝團(tuán)隊(duì)提出了基于參考光柵全局對(duì)準(zhǔn)的干涉光刻拼接曝光方法與系統(tǒng)，為衍射光柵制造中的口徑擴(kuò)展提供了思考和借鑒。
研究中搭建的拼接曝光加工系統(tǒng)，如圖1（a）所示，曝光區(qū)域使用雙光束干涉產(chǎn)生，如圖1（b）所示。拼接過(guò)程中需要保證基底上的各個(gè)曝光區(qū)域中的條紋連續(xù)，應(yīng)在拼接曝光時(shí)對(duì)拼接誤差進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本文中提出的拼接加工方法，使用兩塊參考光柵分別監(jiān)測(cè)x和y兩個(gè)方向移動(dòng)后的拼接誤差，以完成曝光光刻的面積在整個(gè)平面上進(jìn)行拓展。兩束曝光光束經(jīng)過(guò)參考光柵衍射后，其兩束衍射光會(huì)發(fā)生干涉產(chǎn)生參考條紋，而拼接誤差會(huì)被放大至宏觀尺度并反映在參考條紋中，通過(guò)得到的誤差信息，即可對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)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(dòng)。改變曝光區(qū)域在基底上的位置時(shí)，一個(gè)方向通過(guò)移動(dòng)光束位置來(lái)完成，如圖1（c）所示，另一個(gè)方向上通過(guò)移動(dòng)基底來(lái)完成，如圖1（d）所示。
圖1.拼接曝光加工系統(tǒng)
拼接曝光加工流程如圖2所示，其中在同一行上拼接時(shí)，使用參考光柵GR1產(chǎn)生的參考條紋進(jìn)行條紋鎖定，如圖2（a）-（c）所示，這時(shí)通過(guò)移動(dòng)反射鏡來(lái)改變曝光區(qū)域位置。在換行拼接時(shí)，需要通過(guò)鎖定參考光柵GR2產(chǎn)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(guò)移動(dòng)基底來(lái)改變曝光區(qū)域位置。
圖2.拼接曝光加工流程
團(tuán)隊(duì)基于上述加工系統(tǒng)和方法進(jìn)行了3×3區(qū)域的拼接光柵加工。該研究開(kāi)展了兩個(gè)樣品加工實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)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(shí)，補(bǔ)償拼接誤差，而樣品2不補(bǔ)償拼接誤差。使用菲索干涉儀對(duì)其衍射波面進(jìn)行測(cè)量，菲索干涉儀產(chǎn)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(gè)區(qū)域中連續(xù)性較好，而樣品2的干涉條紋可以明顯看到很多區(qū)域不連續(xù)。圖3（c）與圖3（h）分別為其-1級(jí)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(jìn)一步地，使用原子力顯微鏡（AFM）對(duì)樣品1中3×3區(qū)域的每個(gè)曝光區(qū)域隨機(jī)選擇一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行AFM測(cè)量，其槽型如圖4所示。首先以較低分辨率進(jìn)行較大面積的掃描，再以高分辨率進(jìn)行小面積的掃描。圖5為AFM測(cè)量結(jié)果的截面圖，各區(qū)域槽型具有較好的一致性。
圖4. 原子力顯微鏡測(cè)量結(jié)果
圖5.AFM截面
為探究接縫兩側(cè)區(qū)域的相位連續(xù)性和接縫情況，團(tuán)隊(duì)使用超景深顯微鏡對(duì)樣品1拼接接縫處進(jìn)行觀察，如圖6所示。其中紅色線(xiàn)為方便展示而添加的等間距平行線(xiàn)，用作參考，可以看到在拼接接縫上下或左右兩區(qū)域中的拼接條紋與參考線(xiàn)有較高重合度。值得注意的是，在較多以表面衍射為主的應(yīng)用中，光柵柵線(xiàn)相位的一致性是需要首要保障的，對(duì)于接縫物理尺寸的控制，將會(huì)在未來(lái)工作中進(jìn)一步探究。
圖6.顯微鏡結(jié)果
相關(guān)研究成果以“激光干涉光刻陣列全局對(duì)準(zhǔn)參考策略”（Global Alignment Reference Strategy for Laser InterferenceLithography Pattern Arrays）為題，于3月4日發(fā)表于《微系統(tǒng)與納米工程》（Microsystems & Nanoengineering）。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副教授李星輝為論文通訊作者，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2021級(jí)碩士生高翔為論文第一作者。其他貢獻(xiàn)者包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2023級(jí)博士生李婧雯和2021級(jí)碩士生鐘子健。項(xiàng)目得到國(guó)家自然科學(xué)基金和深圳市高等院校穩(wěn)定支持計(jì)劃的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41378-025-00889-4
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
