隨著半導(dǎo)體制造、精密光學(xué)加工及大型光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展，納米級(jí)定位技術(shù)已成為現(xiàn)代工業(yè)與科研中的關(guān)鍵技術(shù)。光柵干涉測(cè)量因其高分辨率、多自由度和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于高精度位移測(cè)量領(lǐng)域。然而傳統(tǒng)增量式光柵雖具高精度，卻缺乏絕對(duì)位置標(biāo)記，限制了其在動(dòng)態(tài)運(yùn)行和長(zhǎng)期測(cè)量中的穩(wěn)定性。

為此，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院李星輝課題組提出融合絕對(duì)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(qū)域與透射式絕對(duì)編碼區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)亞納米級(jí)精度的絕對(duì)式測(cè)量。研究成果以“納米級(jí)定位跨尺度結(jié)構(gòu)混合光刻加工”（Cross-Scale Structures Fabrication via Hybrid Lithography for Nanolevel Positioning）為題，于8月26日發(fā)表于《微系統(tǒng)與納米工程》（Microsystems & Nanoengineering）。

為應(yīng)對(duì)混合光柵在結(jié)構(gòu)尺度上跨越納米級(jí)（~500nm）至毫米級(jí)（~1.5mm）線寬的加工需求，研究團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)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(guò)多步曝光流程，在同一基底上構(gòu)建周期性納米結(jié)構(gòu)與非周期性微米圖案，實(shí)現(xiàn)了跨三個(gè)數(shù)量級(jí)尺度結(jié)構(gòu)的高精度共層制造。

研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了可多自由度調(diào)節(jié)的干涉曝光系統(tǒng)，集成了雙光束干涉曝光及高精度條紋鎖定系統(tǒng)，通過(guò)動(dòng)態(tài)的相位鎖定，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的高一致性圖案加工。為確保跨尺度結(jié)構(gòu)加工過(guò)程中不同圖案區(qū)域的方向一致性，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了具備對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的掩模版，對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記在干涉光路中產(chǎn)生衍射參考條紋，通過(guò)相機(jī)記錄，并依據(jù)參考條紋的狀態(tài)判斷曝光干涉條紋的方向，通過(guò)光路中的高精度調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)曝光干涉場(chǎng)的狀態(tài)進(jìn)行反饋控制。此外，研究還設(shè)計(jì)了差異化區(qū)域加工策略，通過(guò)選擇性沉積與刻蝕工藝，分別實(shí)現(xiàn)反射型周期結(jié)構(gòu)與透射型非周期結(jié)構(gòu)的功能分區(qū)，為構(gòu)建復(fù)雜多功能光學(xué)編碼器件提供了工藝基礎(chǔ)。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)加工樣品進(jìn)行了系統(tǒng)的表征與測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)樣品中，納米級(jí)線寬的周期性結(jié)構(gòu)具有長(zhǎng)達(dá)11mm的連續(xù)區(qū)域。通過(guò)對(duì)多個(gè)區(qū)域進(jìn)行原子力顯微鏡（AFM）測(cè)量，結(jié)果顯示微結(jié)構(gòu)尺寸高度一致，充分驗(yàn)證了干涉光刻在大尺寸范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高一致性微納結(jié)構(gòu)制備方面的顯著優(yōu)勢(shì)。將該樣品集成于干涉測(cè)量系統(tǒng)后，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了在3000μm范圍內(nèi)優(yōu)于1nm的位移分辨率與±0.4 nm的測(cè)量重復(fù)性，同時(shí)具備絕對(duì)定位能力，展現(xiàn)出優(yōu)異的測(cè)量性能。

圖1.混合光柵的設(shè)計(jì)原則和定位原理

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圖2.混合光柵的加工流程

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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(kuò)展性與系統(tǒng)集成度等方面均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，為復(fù)雜光學(xué)元件的高精度制造提供了有效路徑，具有良好的工程應(yīng)用前景和重要的研究?jī)r(jià)值。

清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2023級(jí)博士生李婧雯為論文第一作者，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。合作者包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2021級(jí)博士生汪盛通。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金與深圳市高等院校穩(wěn)定支持計(jì)劃等的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41378-025-01021-2