本文围绕衍射光栅的制造展开，介绍了干涉光刻在其加工中的应用及面临的问题，详细阐述了清华大学深圳国际研究生院李星辉团队提出的基于参考光栅全局对准的干涉光刻拼接曝光方法与系统，还展示了实验成果，并提及相关研究成果的发表情况。
在当今的科技领域中，衍射光栅扮演着极为重要的角色，它被广泛应用于精密测量、激光脉冲压缩、光谱分析等众多关键领域。而干涉光刻作为一种无掩膜曝光光刻方法，在衍射光栅的加工制造方面展现出了独特的优势，它具有高效率、高灵活度的特点，能够在一定程度上满足生产的需求。
然而，干涉光刻并非十全十美。在原理上，其加工的光栅尺寸受到曝光系统光束口径的限制。而且，想要增大光路系统中光学元件的口径，在实际操作中存在着诸多现实困难。为了解决这一难题，科研人员提出了光学曝光拼接的方法。这种方法的核心是通过对单次曝光区域进行移动拼接，从而拓宽光栅的尺度。其中，曝光拼接技术需要基于稳定、精准的外部参考来实现全局对准，基于外部参考光栅的方法则是一种兼具高精度、高鲁棒性的对准方法。但遗憾的是，目前在参考光栅曝光拼接领域，还没有在平面两个正交方向上全局对准的方法。
面对这一现状，清华大学深圳国际研究生院李星辉团队挺身而出，提出了基于参考光栅全局对准的干涉光刻拼接曝光方法与系统。这一创新性的成果，为衍射光栅制造中的口径扩展提供了新的思考方向和借鉴方案。
在研究过程中，团队搭建了拼接曝光加工系统。从图1（a）中可以看到该系统的整体架构，曝光区域是通过双光束干涉产生的，具体如图1（b）所示。在拼接过程中，为了保证基底上各个曝光区域中的条纹连续，需要在拼接曝光时对拼接误差进行监测。该团队提出的拼接加工方法，使用两块参考光栅分别监测x和y两个方向移动后的拼接误差，以此来完成曝光光刻的面积在整个平面上的拓展。两束曝光光束经过参考光栅衍射后，其两束衍射光会发生干涉产生参考条纹，而拼接误差会被放大至宏观尺度并反映在参考条纹中，通过得到的误差信息，就可以对其进行补偿。这里使用的两块参考光栅，一块与基底分离，另一块与基底相连并随基底移动。在改变曝光区域在基底上的位置时，一个方向通过移动光束位置来完成，如图1（c）所示，另一个方向则通过移动基底来完成，如图1（d）所示。
图2.拼接曝光加工流程
基于上述加工系统和方法，团队进行了3×3区域的拼接光栅加工。他们开展了两个样品加工实验进行对比，样品1与样品2分别如图3（a）与图3（f）所示。在加工样品1时，对拼接误差进行了补偿，而样品2则不补偿拼接误差。之后，使用菲索干涉仪对其衍射波面进行测量，菲索干涉仪产生的干涉条纹图样如图3（b）与3（g）所示。可以明显看到，样品1的干涉条纹在整个区域中连续性较好，而样品2的干涉条纹有很多区域不连续。图3（c）与图3（h）分别为其 -1级衍射波面，图3（d）与图3（i）为其基底不平整度，去除基底影响后，衍射波面如图3（e）与图3（j）所示。经过测量，样品1的PV值为0.125λ，RMS值为0.023λ，样品2的PV值为0.621λ，RMS值为0.105λ。
图4. 原子力显微镜测量结果
图5.AFM截面
图6.显微镜结果
为了探究接缝两侧区域的相位连续性和接缝情况，团队使用超景深显微镜对样品1拼接接缝处进行观察，如图6所示。图中的红色线是为了方便展示而添加的等间距平行线，用作参考。从图中可以看到，在拼接接缝上下或左右两区域中的拼接条纹与参考线有较高重合度。需要注意的是，在较多以表面衍射为主的应用中，光栅栅线相位的一致性是需要首要保障的，而对于接缝物理尺寸的控制，团队表示将会在未来工作中进一步探究。
相关研究成果以“激光干涉光刻阵列全局对准参考策略”（Global Alignment Reference Strategy for Laser InterferenceLithography Pattern Arrays）为题，于3月4日发表于《微系统与纳米工程》（Microsystems & Nanoengineering）。该论文的通讯作者是清华大学深圳国际研究生院副教授李星辉，第一作者是清华大学深圳国际研究生院2021级硕士生高翔。其他贡献者还包括清华大学深圳国际研究生院2023级博士生李婧雯和2021级硕士生钟子健。此项目得到了国家自然科学基金和深圳市高等院校稳定支持计划的支持。
清华大学深圳国际研究生院李星辉团队针对干涉光刻加工光栅尺寸受光束口径限制的问题，提出基于参考光栅全局对准的干涉光刻拼接曝光方法与系统。通过搭建系统、开展实验对比等方式验证了该方法的有效性，且研究成果已发表。这一成果为衍射光栅制造中的口径扩展提供了新思路，未来还将对接缝物理尺寸控制进行进一步研究。
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