清華大學李星輝團隊在跨尺度結構混合光刻制備技術領域取得重要進展

9月16日，隨著半導體制造、精密光學加工及大型光學系統的發展，納米級定位技術已成為現代工業與科研中的關鍵技術。光柵干涉測量因其高分辨率、多自由度和結構緊湊等優勢，被廣泛應用于高精度位移測量領域。然而傳統增量式光柵雖具高精度，卻缺乏絕對位置標記，限制了其在動態運行和長期測量中的穩定性。

為此，清華大學深圳國際研究生院李星輝課題組提出融合絕對編碼的混合光柵方案，在同一基底上集成反射式增量編碼區域與透射式絕對編碼區域，以實現亞納米級精度的絕對式測量。

為應對混合光柵在結構尺度上跨越納米級（~500nm）至毫米級（~1.5mm）線寬的加工需求，研究團隊提出并實現了一種的混合光刻策略。該策略以掩模光刻和干涉光刻為核心，通過多步曝光流程，在同一基底上構建周期性納米結構與非周期性微米圖案，實現了跨三個數量級尺度結構的高精度共層制造。

研究團隊構建了可多自由度調節的干涉曝光系統，集成了雙光束干涉曝光及高精度條紋鎖定系統，通過動態的相位鎖定，實現區域內的高一致性圖案加工。為確保跨尺度結構加工過程中不同圖案區域的方向一致性，研究團隊設計了具備對準標記的掩模版，對準標記在干涉光路中產生衍射參考條紋，通過相機記錄，并依據參考條紋的狀態判斷曝光干涉條紋的方向，通過光路中的高精度調節系統對曝光干涉場的狀態進行反饋控制。此外，研究還設計了差異化區域加工策略，通過選擇性沉積與刻蝕工藝，分別實現反射型周期結構與透射型非周期結構的功能分區，為構建復雜多功能光學編碼器件提供了工藝基礎。

研究團隊對加工樣品進行了系統的表征與測試。在實驗樣品中，納米級線寬的周期性結構具有長達11mm的連續區域。通過對多個區域進行原子力顯微鏡（AFM）測量，結果顯示微結構尺寸高度一致，充分驗證了干涉光刻在大尺寸范圍內實現高一致性微納結構制備方面的顯著優勢。將該樣品集成于干涉測量系統后，實驗實現了在3000μm范圍內優于1nm的位移分辨率與±0.4?nm的測量重復性，同時具備絕對定位能力，展現出優異的測量性能。

圖1.混合光柵的設計原則和定位原理

圖2.混合光柵的加工流程

圖3.混合光柵的表征

研究提出的混合光刻策略在工藝通用性、圖案可擴展性與系統集成度等方面均表現出顯著優勢，為復雜光學元件的高精度制造提供了有效路徑，具有良好的工程應用前景和重要的研究價值。

研究成果以“納米級定位跨尺度結構混合光刻加工”（Cross-Scale Structures Fabrication via Hybrid Lithography for Nanolevel Positioning）為題，于8月26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2023級博士生李婧雯為論文第一作者，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。合作者包括清華大學深圳國際研究生院2021級博士生汪盛通。研究得到國家自然科學基金與深圳市高等院校穩定支持計劃等的資助。