单体大尺寸高精度全息光栅制造技术综述

单体大尺寸高精度全息光栅制造技术综述 Review of monomeric large-size and high precision holographic planar grating manufacturing technology corresp first-author E-mail： wang-lj66@mail.tsinghua.edu.cn E-mail： wang-lj66@mail.tsinghua.edu.cn 王磊杰（1988-），男，河南周口人，博士，助理研究员，硕士生导师，2010年于中国矿业大学（北京）获得学士学位，2016年于清华大学获得博士学位，主要研究方向为基于扫描干涉光刻的大尺寸光栅制造技术、超精密光栅干涉编码器位移测量技术和超精密激光干涉仪位移测量技术。E-mail： wang-lj66@mail.tsinghua.edu.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=19370042&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=19370044&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=19370043&type= 22.01332855 32.00402451 王磊杰 （1988-），男，河南周口人，博士，助理研究员，硕士生导师，2010年于中国矿业大学（北京）获得学士学位，2016年于清华大学获得博士学位，主要研究方向为基于扫描干涉光刻的大尺寸光栅制造技术、超精密光栅干涉编码器位移测量技术和超精密激光干涉仪位移测量技术。E-mail： wang-lj66@mail.tsinghua.edu.cn wang-lj66@mail.tsinghua.edu.cn 张　鸣（1993-），男，吉林扶余人，博士，副研究员， 1996年于北京科技大学获得学士学位，1999年于中国运载火箭研究院13所获得硕士学位，2005年于清华大学获得博士学位，主要从事高端光刻机超精密工件台的研究，涉及超精密工件台系统及结构设计、超精密制造工艺、高性能驱动、超精密测量及超精密环境保障等核心领域。E-mail： zhangming@mail.tsinghua.edu.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=19370045&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=19370047&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=19370046&type= 22.01332855 32.00399780 张　鸣 （1993-），男，吉林扶余人，博士，副研究员， 1996年于北京科技大学获得学士学位，1999年于中国运载火箭研究院13所获得硕士学位，2005年于清华大学获得博士学位，主要从事高端光刻机超精密工件台的研究，涉及超精密工件台系统及结构设计、超精密制造工艺、高性能驱动、超精密测量及超精密环境保障等核心领域。E-mail： zhangming@mail.tsinghua.edu.cn zhangming@mail.tsinghua.edu.cn 清华大学机械工程系 摩擦学国家重点实验室&精密超精密制造装备及 控制北京市重点实验室 ，北京 100084 清华大学机械工程系 摩擦学国家重点实验室&精密超精密制造装备及 控制北京市重点实验室 ，北京 100084 State Key Laboratory of Tribology & Beijing Key Lab of Precision/Ultra-precision Manufacturing Equipments and Control， Department of Mechanical Engineering， Tsinghua University， Beijing 100084， China State Key Laboratory of Tribology & Beijing Key Lab of Precision/Ultra-precision Manufacturing Equipments and Control， Department of Mechanical Engineering， Tsinghua University， Beijing 100084， China 单体大尺寸高精度全息平面光栅是高端浸没式光刻机、惯性约束核聚变等高端装备和重大工程的核心器件，制造难度极高。本文综述了单体大尺寸高精度全息平面光栅的主要制造技术，介绍了基于单次大尺寸干涉光刻技术和干涉光刻步进拼接技术的单体大尺寸高精度全息平面光栅制造技术的研究进展以及存在的问题，并着重对基于扫描干涉光刻技术的单体大尺寸高精度全息光栅制造技术的研究进展进行论述。最后，总结了大尺寸高精度平面光栅制造技术——扫描干涉光刻技术的发展趋势。 Monomeric large-size planar gratings with high accuracy are a key optical element in semiconductor lithography tooling， inertial confinement fusion， and other applications. However， such gratings are extremely difficult to fabricate. The technologies used for manufacturing high-accuracy monomeric large-size planar gratings are reviewed in this paper. The main manufacturing technologies are introduced， and their advantages as well as disadvantages are discussed. The research progress and the existing challenges associated with single large-aperture interference lithography and stepping interference lithography are discussed. The research progress with regard to scanning beam interference lithography （SBIL）， which is the most promising manufacturing technology for monomeric large-size planar gratings， is reviewed as a highlight. Finally， the development trend of SBIL technology is summarized. 全息平面光栅 扫描干涉光刻 条纹锁定 栅距/方向/相位控制 planar grating manufacturing scanning beam interference lithography stripe lock grid pitch /direction/phase control 1 引　言 1 作为高端浸没式光刻机 ［ 1 1 ］ 、惯性约束核聚变激光驱动装置 ［ 2 2 ］ 和高能激光光谱合束 ［ 3 3 ］ 等的核心器件，单体大尺寸高精度全息光栅具有重要的应用。长期以来，我国在大尺寸高精度全息光栅制造技术上与欧美发达国家存在一定的差距，这严重制约了我国193ArF浸没式步进扫描光刻机、惯性约束核聚变激光驱动装置等的发展。当前欧美发达国家的光栅制造公司正在挑战1.5 m尺寸单体全息光栅的制造，届时人类在制造全息光栅方面将迈向更高的水平。这类大尺寸高精度全息平面光栅的制造通常需要极为精密的专用设备，如大口径全息干涉曝光装置/扫描干涉光刻机、弯月面涂胶机和专用离子刻蚀机等。因此，不论是从满足国家重大需求还是从提升我国全息光栅制造水平的角度来说，研究大尺寸高精度全息平面光栅制造技术及专用设备具有重要意义。 面向大尺寸高精度全息光栅制造技术，本文概述了光栅主要制造技术，综述了基于全息干涉光刻技术的大尺寸全息光栅制造技术及其研究进展，然后，详细论述了最具优势的扫描干涉光刻机的国内外研究进展，最后总结了扫描干涉光刻技术的未来发展趋势，为未来基于扫描干涉光刻技术的大口径高精度全息光栅制造技术发展提供参考。 2 光栅主要制造技术 1 光栅制造技术主要分为机械刻划技术 ［ 4 4 ］ 、全息激光直写技术 ［ 5 5 ］ 和全息干涉光刻技术 ［ 6 6 ］ 。 机械刻划技术的基本原理是利用金刚石刀具在基板上刻划槽线实现光栅的加工。由于单次刻划槽线较为窄小，在进行大尺寸高槽线密度刻划时需要很长的刀具行程，刻划效率较低。此外，刻划过程中金刚石刀具磨损会导致槽型及占空比的变化从而影响光栅的制造精度。因此，机械刻划技术在大面积、高槽线密度、高精度平面光栅的加工上技术优势不明显。 全息激光直写技术的基本原理是利用微米级口径光束通过步进扫描曝光基底的方式实现光栅掩模加工，后续通过显影、离子刻蚀等工艺实现光栅的制造 ［ 5 5 ］ 。由于光束直径较小，加工效率非常低，故该技术难以实现大面积高线密度平面光栅的加工。近年来，上海光机所周常河研究组提出了基于扫描达曼光刻的并行激光直写技术 ［ 5 5 ］ 。该技术利用达曼光栅同时产生32组明暗相间的亚波长级光点，能够大幅提高大面积光栅的加工效率。虽然该技术仍处于原理探索阶段，但却为激光直写技术在大尺寸光栅的加工上提供了新的思路，未来具有加工大面积高精度光栅的潜力。 干涉光刻技术（Interference Lithography，IL）的基本原理是利用双光束夹角干涉形成微纳干涉图形（如 图1 图1 所示），通过干涉图形曝光涂有光刻胶的基底，经显影、刻蚀、镀膜等工艺实现光栅的制造。 干涉图形的尺寸取决于光束尺寸，干涉图形的周期取决于光束的波长和入射角。如波长 λ =355 nm的曝光光源，入射角 θ =30°，两光束形成的干涉图形周期 Λ =355 nm，1 mm的光束内将产生2 817条干涉条纹。该技术通过干涉图形的单次曝光、步进拼接或者扫描拼接，可在较短的时间内完成较大面积光栅的制造，是目前大面积光栅高效高精度加工的主要技术手段。 3 干涉光刻技术 1 目前，基于干涉光刻技术的单体大尺寸高精度全息平面光栅制造技术主要包括单次大尺寸干涉光刻技术 ［ 7 7 - 8 8 7-8 ］ 、干涉光刻步进拼接技术 ［ 9 9 - 15 15 9-15 ］ 和干涉光刻扫描拼接技术 ［ 16 16 - 38 38 16-38 ］ 。 3.1　单次大尺寸干涉光刻技术 2 单次大尺寸干涉光刻技术的基本原理是利用空间滤波器和大尺寸准直透镜放大准直光束，以获取良好的大尺寸微纳干涉图形（如 图2 图2 所示），继而通过曝光基底实现大尺寸微纳干涉图形的转移，后续通过显影、离子刻蚀等工艺实现大尺寸高精度光栅的制造 ［ 7 7 - 8 8 7-8 ］ 。 目前，国内外主要有美国劳伦斯利福摩尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory， LLNL）、法国堀场公司、苏州大学等在使用该技术制造激光聚变大尺寸脉冲压缩光栅。LLNL制作了直径为940 mm的全息光栅，堀场公司制作了1 015 mm×575 mm光栅并计划开展1 500 mm光栅的制作。苏州大学、中国科技大学等的联合团队也已制作出1 400 mm×420 mm光栅并应用于惯性约束聚变装置中。上述研究机构和公司制造的大口径平面光栅已陆续向诸如美国国家点火装置、法国兆焦工程和中国激光约束聚变等装置批量提供光栅。 该技术的优点是大尺寸加工效率高。然而，由于需要利用大尺寸透镜进行光束准直，其光栅制造口径受限于准直透镜的口径。大尺寸高精度准直透镜的加工制造难度及设备要求之高不亚于同等尺寸光栅的制造，这是大尺寸干涉光刻技术未来向米级甚至更大尺寸光栅制造拓展的主要瓶颈。 3.2　干涉光刻步进拼接技术 2 干涉光刻步进拼接技术是一种重要的大尺寸光栅制造技术，主要分为基于参考光栅的干涉光刻拼接技术和基于潜相光栅的干涉光刻拼接技术。 基于参考光栅的干涉光刻拼接技术最初由St Petersburg Nuclear Physics Institute 的Turukhano提出，用于制造长条光栅 ［ 9 9 ］ 。苏州大学也提出了基于参考光栅的拼接方法，用于制造脉冲压缩光栅 ［ 10 10 ］ 。该方法的主要问题在于参考光栅与基板的相对漂移会降低拼接精度。 为了降低参考光栅与基板间的相对漂移，Napier等人提出了一种基于潜像光栅的拼接方法，用于制造光纤光栅 ［ 11 11 ］ 。清华大学光栅与测量实验室在该技术上做了探索性研究，形成了较为完善的拼接光栅制作体系 ［ 12 12 - 16 16 12-16 ］ ，并利用中等口径的干涉图形通过多次步进拼接方式实现大尺寸平面光栅的曝光，如 图3 图3 （a）所示。为了利用该技术实现光栅的高精度曝光拼接，该研究组提出了一系列的拼接精度保障技术，如基于潜像光栅 ［ 12 12 - 16 16 12-16 ］ 的干涉图形相位锁定技术等。 虽然该技术已拼接出了近百毫米量级的光栅，但在面向米级高精度光栅的高效制造时仍面临诸多工程问题。此外，该技术会导致两次重叠曝光区域存在接缝，接缝区域与普通曝光区域的衍射是不同的 ［ 16 16 ］ ，如 图3 图3 （b）所示。严格意义上来讲，该方法拼接出来的光栅并非单体大尺寸光栅。因此，如何消除接缝也是该技术在面向单体大尺寸平面光栅制造上亟待解决的问题。 3.3　扫描干涉光刻技术 2 扫描干涉光刻技术（Scanning Beam Interference Lithography，SBIL）是MIT空间纳米技术实验室（Space Nanotechnology Lab，SNL）提出的一种大尺寸高精度全息光栅制造技术 ［ 17 17 - 21 21 17-21 ］ ，其基本方案如 图4 图4 所示。该技术利用工作台承载基底相对于约1 mm尺寸的微纳干涉图形做步进扫描运动，实现大尺寸光栅的拼接。理论上，工作台的运动行程决定着光栅的制造尺寸，增加工作台运动行程即可实现更大尺寸光栅的制造，故该技术具有米级甚至更大尺寸光栅制造的潜力。该技术的关键与精妙之处在于三点：一是利用小口径经济的光学元件获取了纳米级精度的干涉图形；二是采用高效并行的扫描拼接方式，获得了非常高的加工效率；三是利用高速高精度的干涉图形移相锁定系统抑制干涉图形的相位漂移和移相补偿工作台的运动误差，以实现纳米级的拼接精度。 基于SBIL，MIT的研究人员研制出了扫描干涉光刻机的样机——Nanoruler。它主要由干涉曝光分系统、干涉图形相位锁定分系统、工作台及其激光干涉仪位移测量分系统、光束位姿自动对准分系统、光束位姿锁定分系统、波前测量分系统、周期测量分系统、隔振分系统和环境控制分系统等构成，结构极为复杂、机器重复精度极高，可达±2.9 nm（3 σ ， Λ =400 nm）。Nanoruler可在20 min内完成300 mm硅片光栅的曝光拼接 ［ 21 21 ］ ，如 图5 图5 所示。 此外，MIT基于该机器提出了一种多普勒扫描的曝光模式 ［ 22 22 ］ 。相比平行扫描的曝光模式，多普勒扫描具有曝光速度和相位平均的优势。例如，在制造径向啁啾光栅上，相比离散的步进轨迹和相位平均的平行扫描曝光，多普勒扫描模式因连续轨迹和幅值加权的相位平均而具有更快的曝光速度和更好的相位平均结果。由于Nanoruler采用反射式干涉成像光路方案和迭代式自动对准光路方案，Nanoruler难以实现干涉图像周期和方向的实时调整和控制，从而很大程度上影响了Nanoruler的加工效率、维护成本、加工精度和加工范围。具体表现如下： （1）加工效率方面：面向不同周期光栅加工需求时，干涉光路需要调整以实现干涉图像周期和焦平面调整，机器的光学系统需要大幅调整；而机器的光学系统大幅调整难度非常高、调整流程非常复杂耗时，严重影响了机器加工不同栅距光栅的效率。 （2）维护成本方面：在加工不同周期光栅时，设备需要专业人员进行调整维护，这大大增加了机器维护成本。 （3）加工精度方面：运动台相对于干涉图像的偏航运动误差会导致光栅曝光误差。由于Nanoruler大行程重载运动台偏航运动误差的控制难度非常大，加之Nanoruler干涉图像的方向不能实时调整，从而导致难以补偿运动台偏航运动误差所带来的光栅制造误差，影响光栅的加工精度。 （4）加工范围方面：由于Nanoruler难以实现干涉图像周期的实时调整，从而难以加工连续变周期的啁啾光栅，其加工范围受到了限制。 考虑到上述几方面因素，MIT与PGL公司合作研制了用于商业生产的二代机器——Nanoruler II ［ 23 23 - 24 24 23-24 ］ 。Nanoruler II产品机采用了新的优化光路方案，可实现干涉图形周期、方向和相位的实时调整控制，大幅提高了光栅的制造精度、效率和种类，降低了维护成本。 图6 图6 所示为Nanoruler II产品机的光路方案。光路方案整体仍采用3个声光调制器，其中AOM-1、AOM-2的负一级衍射光主要用于干涉成像，AOM-1和AOM-2的部分负一级衍射光分别与AOM-3的负一级衍射光分成的两束光形成外差相位测量。但是光路方案在干涉成像光路和相位测量干涉仪光路上具有较大的变动，具体如下： （1）透镜投影干涉成像光路方案：分别在两个平凸透镜（L-1-U和L-1-R）的焦点处布置两个万向镜座GM1和GM2（每个万向镜座均可实现面内/面外两个自由度转角的解耦调节），在两个平凸透镜另一侧布置分光镜BS-1，在BS-1的下方布置BS-2，并在BS-2的下方布置平凸透镜L-2，L-1-U/L-1-R与L-2采用共轭布置，则在L-2的焦点处形成干涉图像。当GM-1和GM-2均调节面内角度时，仅引起两干涉光面内夹角的变化，可在不离焦的前提下实现干涉图像的周期调节；当GM-1和GM-2均调节面外角度时，仅引起两干涉光束相对法平面夹角的变化，可在不离焦的前提下实现干涉图像的方向调节。更进一步，万向镜座GM-1和GM-2采用高速高分辨率的压电陶瓷进行驱动，则可实时控制干涉图像的周期和方向，从而实现运动台偏航运动误差的实时补偿和连续变周期光栅的制造。 （2）相位测量干涉仪光路方案：利用BS-2分出部分光束经偏振分光镜PBS-1和PBS-2后作为PM-1和PM-2的测量光束；在平凸透镜L-3的焦点处布置万向镜座GM-3，在平凸透镜L-3的另外一侧布置胶合镜组（偏振分光镜PBS-1、四分之一波片-平面反射镜QWP-M、角锥镜CC），AOM3的负一级衍射光经GM-3、平凸透镜L-3和胶合镜组后分为两束光，并经PBS-2透射后作为PM-1和PM-2的参考光束；当实时调整GM-1和GM-2时，入射至PM-1和PM-2的测量光束位置将发生平移，同时，同步调整GM-3，则可保持入射至PM-1和PM-2的参考光束与测量光束同步平移，从而保持较高的外差信号水平，最终实现高精度的相位锁定精度。 目前，PGL公司利用该设备已为日本LEFX项目批量制造了910 mm×420 mm的脉冲压缩光栅产品，光栅制造精度达1 740 line/mm±50×10 - 6［ 25 25 ］ ，如 图7 图7 （b）所示。目前，PGL公司正在进行设备升级，以期获取1.3~1.5 m的制造能力。 虽然该设备已经制作出最大尺寸为910 mm×400 mm的光栅，但未来随着光栅制造尺寸向米级甚至更大量级扩展，因扫描干涉光刻机采用干涉图像外差相位测量方案和双频激光干涉仪的位移测量方案导致系统精度对环境波动极为敏感，这会严重影响光栅的制造精度。同时，扫描干涉光刻机包括工作台电机、声光调制器及双频激光器等诸多热源，在长达米级的范围内难以实现上述严苛的环境控制指标。因此，干涉图像外差相位测量方案和双频激光干涉仪的高环境敏感性是制约扫描干涉光刻机未来制造米级光栅的主要技术瓶颈。 此外，SBIL技术也延伸至大尺寸高分辨率回转对称周期性微结构器件的制造。德国斯图加特大学提出了一种回转扫描拼接的SBIL系统， 图8 图8 所示为该系统的原理图 ［ 26 26 ］ 。该系统主要由精密回转台和带条纹锁定及位移测量干涉仪的干涉曝光成像模块构成，可用于加工圆形光栅编码器码盘、菲涅尔透镜等器件。对于500~1 250 nm的干涉条纹周期，该系统的条纹锁定误差达5 nm，这为制造低相位畸变回转对称周期结构提供了精度保障。 国内开展扫描光刻技术研究的主要有中科院长春光机所、清华大学光栅与测量实验室、清华大学IC装备实验室和中科院上海光机所等单位。中科院长春光机所是国内较早开展扫描干涉场曝光系统研究的单位之一，已研制出了扫描干涉场曝光系统样机，并利用该样机制造出了尺寸为80 mm×90 mm的一维全息平面光栅样品 ［ 27 27 - 30 30 27-30 ］ ，如 图9 图9 所示。目前，该单位已完成了1.5 m扫描干涉场曝光系统的研制。面向低杂散光脉冲压缩光栅的应用需求，清华大学光栅与测量实验室开展了基于多普勒扫描的宽光束扫描拼接方式的研究，并实现了40 mm×40 mm一维低杂散光光栅制造 ［ 31 31 ］ 。 面向大尺寸高精度二维计量光栅的应用需求，清华大学IC装备实验室针对SBIL技术开展了多年的研究，在扫描干涉光刻机关键技术研究 ［ 32 32 - 37 37 32-37 ］ 的基础上研制出了SBIL样机，如 图11 图11 所示。该样机主要采用新型零差移频式条纹锁定系统和光栅尺位移测量系统技术方案，该技术方案缩短了光路长度，可大大提高系统的环境鲁棒性，从而降低系统对环境控制精度的需求，为未来米级甚至更大尺寸光栅制造设备提供了解决方案。基于扫描干涉光刻机样机完成了10.16 cm（4 inch）二维硅片光栅的曝光，如 图12 图12 所示。 中科院上海光机所开展了激光直写技术（SBIL技术）的研究 ［ 38 38 ］ ，研制了全息光栅激光直写系统，如 图13 图13 （a）所示。区别于扫描干涉光刻机，该全息光栅直写系统中无干涉图形相位锁定系统进行相位锁定和运动台运动误差补偿，基本依靠超高精度大负载高速运动平台和超高精度环境控制进行光栅的大面积曝光拼接，机器精度对环境的敏感性非常高。然而，面向亚米级甚至米级光栅制造时，即使在极为精密的环境控制系统中，该系统也难以实现大负载高速运动平台的十纳米级甚至纳米级运动精度和纳米级条纹稳定精度，因此该系统方案难以实现制造目标。目前，该机构基于所研制的全息光栅激光直写系统，曝光出了25 mm×25 mm的二维光栅掩模，如 图13 图13 （b）所示。 综上所述，虽然国内已在SBIL技术上取得较为丰硕的成果，但在设备和工艺水平上与国外仍存在较大的差距，仍需要付诸更多的研究和工程实践。 4 结　论 1 相比其他制作单体大尺寸高精度平面光栅技术，SBIL具有成本低、效率高、精度高和加工尺寸大等优点，是当前最具潜力的大尺寸高精度光栅制作技术。SBIL技术及装备未来的主要发展趋势如下： （1）基于透镜投影成像的干涉图像周期、方向和相位的实时调整控制技术，以实现光栅的制造精度、效率和种类的大幅提高及维护成本的下降。 （2）基于环境鲁棒性的光栅尺位移测量系统的工件台位移测量系统和零差移频式条纹锁定系统，以提高系统精度的环境鲁棒性，不但为米级及以上尺寸的高精度光栅制造提供了可行的技术方案，也可以通过该方案降低亚米级光栅制造系统对环境控制的要求，从而降低系统成本。 （3）基于回转拼接的扫描干涉光刻系统，用于制造圆形光栅、菲涅尔波带片等。 参考文献 CASTENMILLER T ， DE MAST FVAN ， DE KORT T ， et al . 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