深圳国际研究生院李星辉团队在跨尺度结构混合光刻制备技术领域取得重要进展
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清华新闻网9月16日电 随着半导体制造、精密光学加工及大型光学系统的发展，纳米级定位技术已成为现代工业与科研中的关键技术。光栅干涉测量因其高分辨率、多自由度和结构紧凑等优势，被广泛应用于高精度位移测量领域。然而传统增量式光栅虽具高精度，却缺乏绝对位置标记，限制了其在动态运行和长期测量中的稳定性。
为此，清华大学深圳国际研究生院李星辉课题组提出融合绝对编码的混合光栅方案，在同一基底上集成反射式增量编码区域与透射式绝对编码区域，以实现亚纳米级精度的绝对式测量。
为应对混合光栅在结构尺度上跨越纳米级（~500nm）至毫米级（~1.5mm）线宽的加工需求，研究团队提出并实现了一种的混合光刻策略。该策略以掩模光刻和干涉光刻为核心，通过多步曝光流程，在同一基底上构建周期性纳米结构与非周期性微米图案，实现了跨三个数量级尺度结构的高精度共层制造。
研究团队构建了可多自由度调节的干涉曝光系统，集成了双光束干涉曝光及高精度条纹锁定系统，通过动态的相位锁定，实现区域内的高一致性图案加工。为确保跨尺度结构加工过程中不同图案区域的方向一致性，研究团队设计了具备对准标记的掩模版，对准标记在干涉光路中产生衍射参考条纹，通过相机记录，并依据参考条纹的状态判断曝光干涉条纹的方向，通过光路中的高精度调节系统对曝光干涉场的状态进行反馈控制。此外，研究还设计了差异化区域加工策略，通过选择性沉积与刻蚀工艺，分别实现反射型周期结构与透射型非周期结构的功能分区，为构建复杂多功能光学编码器件提供了工艺基础。
研究团队对加工样品进行了系统的表征与测试。在实验样品中，纳米级线宽的周期性结构具有长达11mm的连续区域。通过对多个区域进行原子力显微镜（AFM）测量，结果显示微结构尺寸高度一致，充分验证了干涉光刻在大尺寸范围内实现高一致性微纳结构制备方面的显著优势。将该样品集成于干涉测量系统后，实验实现了在3000μm范围内优于1nm的位移分辨率与±0.4 nm的测量重复性，同时具备绝对定位能力，展现出优异的测量性能。
图1.混合光栅的设计原则和定位原理
图2.混合光栅的加工流程
图3.混合光栅的表征
研究提出的混合光刻策略在工艺通用性、图案可扩展性与系统集成度等方面均表现出显著优势，为复杂光学元件的高精度制造提供了有效路径，具有良好的工程应用前景和重要的研究价值。
研究成果以“纳米级定位跨尺度结构混合光刻加工”（Cross-Scale Structures Fabrication via Hybrid Lithography for Nanolevel Positioning）为题，于8月26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2023级博士生李婧雯为论文第一作者，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。合作者包括清华大学深圳国际研究生院2021级博士生汪盛通。研究得到国家自然科学基金与深圳市高等院校稳定支持计划等的资助。
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