隨著半導體制造、精密光學加工及大型光學系統(tǒng)的發(fā)展，納米級定位技術(shù)已成為現(xiàn)代工業(yè)與科研中的關(guān)鍵技術(shù)。光柵干涉測量因其高分辨率、多自由度和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢，被廣泛應用于高精度位移測量領(lǐng)域。然而傳統(tǒng)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(tài)運行和長期測量中的穩(wěn)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(qū)域與透射式絕對編碼區(qū)域，以實現(xiàn)亞納米級精度的絕對式測量。研究成果以“納米級定位跨尺度結(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）。

為應對混合光柵在結(jié)構(gòu)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(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，實現(xiàn)了跨三個數(shù)量級尺度結(jié)構(gòu)的高精度共層制造。

研究團隊構(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)，通過動態(tài)的相位鎖定，實現(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)加工過程中不同圖案區(qū)域的方向一致性，研究團隊設(shè)計了具備對準標記的掩模版，對準標記在干涉光路中產(chǎn)生衍射參考條紋，通過相機記錄，并依據(jù)參考條紋的狀態(tài)判斷曝光干涉條紋的方向，通過光路中的高精度調(diào)節(jié)系統(tǒng)對曝光干涉場的狀態(tài)進行反饋控制。此外，研究還設(shè)計了差異化區(qū)域加工策略，通過選擇性沉積與刻蝕工藝，分別實現(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)建復雜多功能光學編碼器件提供了工藝基礎(chǔ)。

研究團隊對加工樣品進行了系統(tǒng)的表征與測試。在實驗樣品中，納米級線寬的周期性結(jié)構(gòu)具有長達11mm的連續(xù)區(qū)域。通過對多個區(qū)域進行原子力顯微鏡（AFM）測量，結(jié)果顯示微結(jié)構(gòu)尺寸高度一致，充分驗證了干涉光刻在大尺寸范圍內(nèi)實現(xiàn)高一致性微納結(jié)構(gòu)制備方面的顯著優(yōu)勢。將該樣品集成于干涉測量系統(tǒng)后，實驗實現(xiàn)了在3000μm范圍內(nèi)優(yōu)于1nm的位移分辨率與±0.4 nm的測量重復性，同時具備絕對定位能力，展現(xiàn)出優(yōu)異的測量性能。

圖1.混合光柵的設(shè)計原則和定位原理

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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、圖案可擴展性與系統(tǒng)集成度等方面均表現(xiàn)出顯著優(yōu)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。

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(wěn)定支持計劃等的資助。

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