变周期扫描干涉曝光中的曝光条纹形成与条纹参数控制方法研究

Variable-period scanning beam interference lithography (VP-SBIL) can fabricate variable-line-spacing grating. Compared with the traditional fabrication methods, VP–SBIL has relatively high production efficiency, and it’s more suitable for large-size grating fabrication. The methods of exposure fringe formation and parameters control for the fringe in the equal period SBIL are inapplicable to VP-SBIL. In order to break the blockade of foreign technology, the methods of exposure fringe formation, the fringe geometric parameters (period and direction) and phase controlling in VP-SBIL are studied in the project. The mathematical model of the aberrations of the optical system effect on the exposure contract is established. An optimum design method for the optical system of the exposure fringe formation is studied. An indirect measure method for geometric parameters based on auxiliary fringe is set up. From the inversion of the model between regulating parameters and measuring parameters, the components for geometric parameters measurement and adjustment can be aligned. A geometric parameters dynamic adjustment method combining the coordinate trajectory following of the coherent beams with the feedback control is proposed. The regularity of the geometric parameter changes effect on the stitching exposure is explored. The mathematical model of the phase-locking reference aiming at optimizing exposure performance is built, and the theory of phase-locking in VP-SBIL is refined. The research results of the project provide theoretical support for VP-SBIL, which have great significance to promote advanced fabrication level of variable-line-spacing and special grating.

变周期扫描干涉曝光方法（VP-SBIL）可实现变栅距光栅制作，与传统方法相比，具有制作效率较高、适于大面积光栅制作的特点。目前等周期SBIL中的曝光条纹形成及其参数控制方法不适用于VP-SBIL。为打破国外技术封锁，本项目对VP-SBIL中的曝光条纹形成、条纹几何参数（周期、方向）及相位控制方法展开研究。建立光学系统像差对曝光对比度影响数学模型，研究基于数学模型的条纹形成光学系统优化设计方法。构建辅助条纹，建立几何参数间接测量方法。由调整与测量参数之间的作用模型反演，进行几何参数测量调整元件的精密装调。探索相干光束坐标轨迹跟随与反馈控制相结合的几何参数动态调整方法。揭示几何参数变化对拼接曝光的影响规律，以优化曝光性能为目标建立相位锁定参考值模型，完善VP-SBIL相位锁定理论。本项目的研究成果为VP-SBIL的建立提供理论支持，对提升变栅距光栅及特种光栅先进制造水平具有重要意义。

变周期扫描干涉曝光方法（VP-SBIL）可实现变栅距光栅制作，与传统方法相比，具有制作效率较高、光栅栅距控制灵活、适于大面积光栅制作等特点。VP-SBIL系统组成复杂，涉及的曝光条纹形成、光学参数调控等相关理论及方法，长期由美国掌控。为提升我国变栅距光栅的先进制造水平，本项目对变周期扫描干涉曝光中的曝光条纹形成与条纹参数控制方法展开研究。建立了光学系统像差对曝光性能影响的数学模型，完成了光学系统的优化设计。为实现曝光条纹参数的精密控制，建立了曝光条纹周期差频测量方法。构建扫描干涉曝光量监测方法，提升曝光参数可控性。开展了变周期扫描干涉曝光量数学建模研究，探索条纹参数调整方法及其与光栅刻槽密度之间的作用规律。以优化曝光性能为目标建立了相位锁定参考值模型，完善了VP-SBIL相位锁定理论。研究了光栅衍射波前主动控制理论，为仪器像差校正及元件缺陷修正提供了新途径。搭建实验系统进行变栅距光栅样片的制作。主要研究结果及关键数据包括：曝光条纹生成光学系统的球差对曝光对比度具有较大影响，光栅基底位于近轴光束焦面处可降低这种影响，平凸透镜的相干区域宽度占比可达到90%，采用优化设计低球差透镜可获得更优的性能。曝光条纹周期差频测量方法具有更高的抗干扰特性和稳定性，测量重复性σ达到4.5ppm，满足变周期扫描曝光条纹周期测量精度要求。建立的曝光量监测方法可实现扫描干涉曝光量的监测，并确定最佳的工作台扫描速度。利用所建立的相位锁定参考值模型，光栅刻槽函数系数理论相对误差优于1×10-4，曝光对比度优于0.99，满足变栅距光栅制作需求。采用建立的扫描干涉曝光光栅衍射波前主动控制方法，实现了1λ正弦变化的波前调控光栅制作。利用实验系统完成了中心波长1800l/mm、尺寸80mm×80mm变栅距光栅样片制作，测试结果表明光栅栅距分布满足设计值。本项目的研究成果为VP-SBIL的建立提供理论支持，对于提升我国变栅距光栅的先进制造水平，为大型同步辐射线装置、高能激光装置等提供核心光栅器件具有重要意义。