圖1.拼接曝光加工系統(tǒng)

衍射光柵廣泛應(yīng)用于精密測量、激光脈沖壓縮、光譜分析等領(lǐng)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(yōu)勢。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。面對該難題，光學(xué)曝光拼接的方法被提出，該方法通過對單次曝光區(qū)域進(jìn)行移動拼接，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)的外部參考來實(shí)現(xiàn)全局對準(zhǔn)，基于外部參考光柵的方法是兼具高精度、高魯棒性的對準(zhǔn)方法。然而，目前在參考光柵曝光拼接領(lǐng)域，尚無在平面兩個正交方向上全局對準(zhǔn)的方法。

針對上述問題，清華大學(xué)深圳國際研究生院李星輝團(tuán)隊(duì)提出了基于參考光柵全局對準(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。拼接過程中需要保證基底上的各個曝光區(qū)域中的條紋連續(xù)，應(yīng)在拼接曝光時(shí)對拼接誤差進(jìn)行監(jiān)測。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(jìn)行拓展。兩束曝光光束經(jīng)過參考光柵衍射后，其兩束衍射光會發(fā)生干涉產(chǎn)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(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。改變曝光區(qū)域在基底上的位置時(shí)，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(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)通過移動反射鏡來改變曝光區(qū)域位置。在換行拼接時(shí)，需要通過鎖定參考光柵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，換行通過移動基底來改變曝光區(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。該研究開展了兩個樣品加工實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(shí)，補(bǔ)償拼接誤差，而樣品2不補(bǔ)償拼接誤差。使用菲索干涉儀對其衍射波面進(jìn)行測量，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)對樣品1中3×3區(qū)域的每個曝光區(qū)域隨機(jī)選擇一個點(diǎn)進(jìn)行AFM測量，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樣品1拼接接縫處進(jìn)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(qū)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(yīng)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(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)深圳國際研究生院2021級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)深圳國際研究生院2023級博士生李婧雯和2021級碩士生鐘子健。項(xiàng)目得到國家自然科學(xué)基金和深圳市高等院校穩(wěn)定支持計(jì)劃的支持。

審核編輯 黃宇