圖1.接觸-干涉混合光刻加工流程

分焦平面陣列因具備高集成度、高魯棒性和高動態(tài)適應(yīng)性等優(yōu)勢，在偏振成像領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。制造分焦平面陣列的關(guān)鍵在于制備陣列化的各向異性亞波長光柵。近日，清華大學(xué)深圳國際研究生院李星輝副教授團(tuán)隊(duì)在分焦面超像素陣列光刻制造領(lǐng)域取得新進(jìn)展，為中紅外偏振成像系統(tǒng)的關(guān)鍵器件制備提供了新方案。

圖2.本研究提出的混合光刻加工系統(tǒng)

針對中紅外偏振成像場景，研究團(tuán)隊(duì)提出單循環(huán)接觸-干涉混合光刻技術(shù)。該技術(shù)采用不包含光柵精細(xì)條紋結(jié)構(gòu)的窗口掩膜，對干涉光刻產(chǎn)生的條紋進(jìn)行分區(qū)裁剪，通過四步曝光法，在20mm×20mm的區(qū)域曝光出34μm×34μm超像素陣列的潛像條紋，其中每個陣列包含四個不同方向的800nm周期光柵，并通過單循環(huán)的顯影、刻蝕、鍍膜等工藝，實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移。

圖3.分焦平面光柵陣列結(jié)構(gòu)表征

研究團(tuán)隊(duì)使用有限差分時域，分析模擬了間隙大小及間隙填充介質(zhì)對干涉條紋的作用，選用折射率匹配材料對間隙進(jìn)行填充，抑制掩膜與基底間隙造成的干涉條紋質(zhì)量下降。同時，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了基于顯微成像技術(shù)的亞微米級精度對準(zhǔn)觀察平臺，使用掩膜板上的雙區(qū)域周期性條紋標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)掩膜與基底頂點(diǎn)的對準(zhǔn)，成功實(shí)現(xiàn)了分步光刻套刻對準(zhǔn)，避免了不同線柵區(qū)域的串?dāng)_。

研究團(tuán)隊(duì)對加工樣品進(jìn)行了系統(tǒng)的表面形貌表征與光學(xué)性能測試，掃描電子顯微鏡(SEM)表征結(jié)果顯示，所加工面積內(nèi)表現(xiàn)出良好的條紋質(zhì)量和套刻對準(zhǔn)精度;基于傅里葉紅外光譜儀的光學(xué)透過性能和偏振消光比表明，在3μm-15μm的中紅外波段內(nèi)該超像素陣列的子像素對TM光的最大透過率達(dá)到了50%，偏振消光比達(dá)到20dB。研究提出的混合光刻技術(shù)在加工諸如分焦平面亞波長陣列等中等復(fù)雜度多周期結(jié)構(gòu)方面具有顯著優(yōu)勢。

研究成果以“用于可擴(kuò)展制造陣列象限微偏振器結(jié)構(gòu)的單循環(huán)接觸干涉混合光刻技術(shù)”(Single-cycle contact-interference hybrid lithography for scalable fabrication of arrayed quadrant micro-polarizer structures)為題，于2025年12月15日發(fā)表于《極端制造》(International Journal of Extreme Manufacturing)。

清華大學(xué)深圳國際研究生院2021級博士生陸天石、2021級碩士生鄧富元為論文共同第一作者，李星輝為論文通訊作者。論文其他作者還包括清華大學(xué)深圳國際研究生院2023級碩士生魏雨楓、2022級碩士生曾郅鵬。研究得到國家自然科學(xué)基金與深圳市高等院校穩(wěn)定支持計劃等的資助。

審核編輯 黃宇