焦平面陣列（FPA）因其高度的積分、魯棒性和強大的動態(tài)適應(yīng)性，在偏振成像領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。制造FPA的關(guān)鍵在于制造陣列各向異性亞波長光柵。傳統(tǒng)技術(shù)如納米印刻和基于掩膜的光刻依賴高精度模板，限制了靈活性，而電子束光刻等直接寫入方法則難以滿足大面積制造的效率要求。

最近，清華深圳國際研究生院李星輝副教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊在焦平面超像素陣列的光刻制造方面取得了新進展，為中紅外偏振成像系統(tǒng)的關(guān)鍵部件制造提供了新穎解決方案。

針對中紅外偏振成像應(yīng)用，團隊提出了單周期接觸-干涉混合光刻技術(shù)。該方法使用不含細光柵條紋結(jié)構(gòu)的窗罩，對干涉光刻產(chǎn)生的干涉條紋進行分割和修剪。采用四步曝光工藝，生成34微米×34微米超像素陣列的潛條紋圖案，覆蓋范圍為20毫米×20毫米。每個超像素陣列包含四個不同方向和800納米周期的光柵，圖案通過顯影、蝕刻和涂層的單一周期傳輸。

在這一技術(shù)路徑上，為了減少掩膜與基板間隙對干涉條紋質(zhì)量的影響，研究團隊使用有限差分時域（FDTD）模擬分析間隙大小和間隙填充介質(zhì)對干涉條紋的影響。選擇甘油作為折射率匹配材料填補縫隙，并使用提拔階段控制10微米以內(nèi)的縫隙，顯著抑制了對條紋質(zhì)量的不良影響。

為解決分級曝光時疊加比對問題，團隊基于顯微成像技術(shù)開發(fā)了亞微米精度比對方案，并構(gòu)建了專用比對觀測平臺。該方法在掩膜上使用雙區(qū)域周期條紋標記，實現(xiàn)遮罩與基底之間的頂點對齊。

研究人員還制作了定制顯微鏡物鏡，以精確觀察掩膜上專門設(shè)計的周期線標記與光柵基底頂點圖案之間的對齊。基于該系統(tǒng)，團隊成功實現(xiàn)了分級光刻的亞微米疊加對準，有效避免了不同光柵區(qū)域之間的串擾。制造樣品經(jīng)過系統(tǒng)化的表面形態(tài)特征分析和光學(xué)性能測試。

掃描電子顯微鏡（SEM）用于表征樣品表面的六個區(qū)域，這些區(qū)域均表現(xiàn)出良好的條紋質(zhì)量和覆蓋比對精度。采用傅里葉變換紅外（FTIR）光譜儀測量光學(xué)透射率和偏振消光比。結(jié)果顯示，在3μm–15μm中紅外波段，TM偏振光的最大透射率達到50%，偏振消光比為20 dB。

所提的混合光刻技術(shù)在制造中等復(fù)雜度、多周期結(jié)構(gòu)（如焦平面亞波長陣列）方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，具備強大的工程應(yīng)用潛力和重要的研究價值。這些成果以《單周期接觸-干涉混合光刻法用于陣列象限微偏振結(jié)構(gòu)可擴展制造》為題發(fā)表在頂級工程期刊《極限制造》上。

圖1：焦平面陣列的結(jié)構(gòu)與工作原理

圖2：混合光刻的制造工藝

圖3 |本研究提出的混合光刻系統(tǒng)：

（a）激光干涉光刻系統(tǒng);

（b） 基底-遮罩姿態(tài)調(diào)整平臺;

（c）波前分段干涉光刻系統(tǒng)及基板掩膜級;

（d） 具備對準能力的掩膜設(shè)計

圖4：焦平面光柵陣列的表征與光學(xué)測試