摘要:

研究论文 ● 开放获取阅读更多1. 文章导读

随着偏振成像技术在遥感，医疗诊断和基础科学研究等领域的广泛应用，偏振成像系统已成为现代成像领域的重点发展方向之一。分焦平面阵列因其高集成度、高鲁棒性和高动态适应性等优势，被广泛应用于偏振成像领域。制造分焦平面阵列的关键在于制备阵列化的各向异性亚波长光栅。

为此，针对中红外偏振成像场景，清华大学深圳国际研究生院李星辉课题组在《极端制造（英文）》期刊中发表了名为《面向阵列化四象限微偏振器可规模化制备的单循环接触‑干涉混合光刻》的文章，并入选为当期封面文章。该研究使用不包含光栅精细条纹结构的窗口掩膜，对干涉光刻产生的条纹进行分区裁剪，采用四步曝光法，在20mm×20mm的区域曝光出34μm×34μm的超像素阵列的潜像条纹，其中每个阵列包含四个不同方向的800nm周期光栅，并通过单循环的显影，刻蚀，镀膜等工艺实现图形转移。 2. 图文解析

图1（a）展示了使用亚波长分焦平面阵列实现偏振成像的原理，图1（b）则是该系统在加工以及工作过程中涉及的跨尺度结构。而图2则重点展示了本文中所使用的分步式混合光刻对于分焦平面阵列的加工方法。双光束的激光干涉光刻只能在整面上形成方向一致的光刻胶光栅，因此本研究引入掩模版，通过分步接触式曝光进行图案拼接，进而提高加工自由度。一方面，两种光刻方法的结合使得接触式曝光所使用的掩模版图案分辨率由栅线线宽降低至探测器像素尺度；另一方面，掩模版部分区域选通或阻光，起到了修剪激光干涉光刻所形成的栅线图案的作用。通过掩膜和基底的相对位移可以选择每次曝光的象限。而通过在光场中整体旋转掩膜与基底可以选择每个象限的栅线条纹方向。图3则展现了基于该原理搭建的光路系统示意图。

为了减小掩膜与基底间隙造成的干涉条纹质量的影响，研究团队使用有限差分时域法对与间隙大小及间隙中填充介质对干涉条纹的作用，选用丙三醇作为折射率匹配材料对间隙进行填充，并使用升降台控制间隙在10μm以内，大幅抑制了间隙对干涉条纹的不良影响。

为了实现分步曝光过程中的套刻对准问题，研究团队构建了出了一种基于显微成像技术的亚微米级精度的对准方案，并开发了对准观察平台。此方法使用掩膜板上的双区域周期性条纹标记，实现掩膜版与基底顶点的对准策略。此外，还构建了一个定制的显微物镜，用于精确观察掩模板上特制周期性线标记与光栅基板图案顶点之间的对准情况。使用该系统，研究团队成功实现了亚微米级的分步光刻的套刻对准，有效避免了不同线栅区域的串扰。

图4展示了研究团队对加工样品进行的系统的表面形貌表征，图5展现了其光学性能测试结果。首先使用扫描电子显微镜（SEM）对样品表面的六个区域进行表面形貌测试，其均表现出较好的条纹质量和套刻对准精度。使用傅立叶红外光谱仪对其光学透过性能和偏振消光比进行测试，测试表明在3μm-15μm的中红外波段，其任意子像素对TM光的最大透过率达到了50%，其偏振消光比达到20dB。

图1 分焦平面阵列的结构与原理。

图2 混合光刻的加工流程。

图3 加工系统及关键子系统：（a）光路系统原理图及实物图，（b）基板与掩膜相对位姿调整子系统,（c）包含微窗口阵列掩膜的洛埃镜曝光结构，（d）用于实现套刻对准的掩膜标记。

图4 分焦平面光栅阵列的结构形貌表征。

图5 分焦平面光栅阵列的光学测试。

3. 总结与展望

本文针对微偏振片阵列的设计与制作进行了研究，引入掩模版与激光干涉光刻相结合进行接触式光刻，从而实现不同取向光刻胶光栅图案的分区制作。该方法相比较于电子束直写以及分层制作等方式，仅需要短用时的四次曝光，一次非金属的刻蚀，一次薄膜金属沉积，使得制造工艺的复杂性显著降低，具有效率高、成本低的优势，具有大批量生产的潜能。本文提出的加工方法为加工诸如分焦平面阵列这样的跨尺度中等复杂度表面提出了一种新的解决方案。