許 卓，楊 杰，王 成，陳東紅，丑修建

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051)

0 引 言

納米位移測(cè)量技術(shù)和器件是納米數(shù)控機(jī)床、極大規(guī)模集成電路等超精密高端制造裝備的核心技術(shù)和關(guān)鍵功能部件［1］，是實(shí)現(xiàn)高端制造、半導(dǎo)體、航空航天等領(lǐng)域納米制造的保證。目前，大量程納米位移測(cè)量傳感器大多采用光柵技術(shù)。日本Sony 公司利用光波干涉技術(shù)研制的BS78 光柵，柵距0.137 9 μm，在40 mm 量程范圍內(nèi)精度為±40 nm，經(jīng)過(guò)電子細(xì)分以后的分辨34 pm［2］，代表了當(dāng)前的國(guó)際最高水平。具2011 年權(quán)威數(shù)據(jù)顯示，在我國(guó)，直線光柵尺1 000 mm量程范圍內(nèi)最高精度達(dá)到了±3 μm［3］。但光柵尺測(cè)量基準(zhǔn)是按空間均分的光柵刻線［4］，通過(guò)對(duì)柵線的計(jì)數(shù)而得到位移量。光柵測(cè)量的精度依賴于柵線制造的精度，光柵精度越高，要求刻畫的柵線越密，對(duì)于微納加工的技術(shù)要求也就越高［5］。隨著測(cè)量精度要求的不斷提高，光刻技術(shù)受光波波長(zhǎng)和光學(xué)衍射極限的限制，光柵柵距最高只能達(dá)到微米亞微米量級(jí)［6，7］，這就對(duì)進(jìn)一步提高測(cè)量精度提出了新的挑戰(zhàn)。

時(shí)柵傳感器利用一種“不用刻線尺而實(shí)現(xiàn)精密位移測(cè)量”的新方法，由我國(guó)自主研發(fā)的以“時(shí)間量測(cè)量空間量”新型測(cè)量?jī)x器［8］，其研究思路已經(jīng)被證實(shí)可行，并在2009 年研制出了精度為±500 nm 的直線式時(shí)柵樣機(jī)［9］。劉小康教授等人利用仿真軟件已針對(duì)在不同參數(shù)下傳感器的電場(chǎng)分析并進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，證明在200 mm 范圍內(nèi)，傳感器的精度可以達(dá)到±300 nm［10］。為實(shí)現(xiàn)納米尺度的高精度測(cè)量，本文提出大量程納米時(shí)柵傳感器的微納加工的新方法，以期利用時(shí)間尺度來(lái)提高空間尺度分辨力和精度。

1 納米時(shí)柵加工

電場(chǎng)式納米時(shí)柵傳感器是采用交變電場(chǎng)耦合［9］方式，利用比相電路解算出實(shí)際的位移量。由于動(dòng)定尺之間受到電場(chǎng)的非線性影響，經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析［10］得到當(dāng)時(shí)柵線寬為0.48 mm，電極間隔寬度為0.02 mm，動(dòng)定尺之間的間距為0.04 mm 時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)納米時(shí)柵傳感器的高精度測(cè)量。

目前，應(yīng)用于生產(chǎn)的光刻技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入納米時(shí)代，微納加工技術(shù)是以最小線寬衡量其加工水平，45 nm 工藝已經(jīng)量產(chǎn)，32 nm 的量產(chǎn)光刻技術(shù)與其他工藝設(shè)備已經(jīng)成熟［11］。納米時(shí)柵線寬要求是20 μm，故現(xiàn)有光刻技術(shù)是完全可以達(dá)到線寬加工要求。但是，由于國(guó)內(nèi)對(duì)于大量程的微納加工技術(shù)水平限制，傳統(tǒng)曝光方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)大量程納米時(shí)柵傳感器的微納制造，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的曝光技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)200 mm量程的微納加工，本文采用高精度自動(dòng)拼接曝光技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)200 mm 的精細(xì)刻度標(biāo)尺的圖形轉(zhuǎn)移，即先進(jìn)行定尺一部分圖形的轉(zhuǎn)移，完成后再將該部分淹沒(méi)版擋住完成另一部分圖形的轉(zhuǎn)移，最終實(shí)現(xiàn)高精度拼接曝光完成定尺圖形化。利用152.4mm×152.4 mm×6.4 mm 的鉻版設(shè)計(jì)出掩模版(如圖1(a))并在一張玻璃基材進(jìn)行樣片加工，其排列方式如圖1(b)所示。圖2 為200 mm 圖形拼接方式，圖中灰色為金屬引線部分，黑色為玻璃基材部分。根據(jù)電場(chǎng)式納米時(shí)柵傳感器的工作原理［12］，為正弦輸出的行波信號(hào)將動(dòng)尺尺電極設(shè)計(jì)為具有周期性結(jié)構(gòu)形狀類似于正弦的圖形(如圖3 所示)。

圖1 時(shí)柵傳感器加工方法Fig 1 Manufacture method of time grating sensor

圖2 定尺圖形Fig 2 Graph of fixed rule

如圖4 所示的加工流程，選用0.5 mm 厚的玻璃作為傳感器加工的基底，由于金屬Al 與玻璃基材的粘附性較差，因此，需添加過(guò)渡層保證器件的測(cè)試效果。圖中(a)表示為保證傳感器加工效果首先在濺射金屬Al 直線在基底上濺射Mo 作為過(guò)渡層，圖中(b)表示磁控濺射電極Al，其中Mo/Al 厚度為60 nm/600 nm。圖中(c)，(d)表示將濺射完成后的幾片在丙酮溶液中浸泡12 h 左右實(shí)現(xiàn)光刻膠的玻璃，完成電極加工樣機(jī)加工后，為了避免出現(xiàn)圖形氧化的問(wèn)題，在樣機(jī)的上表面進(jìn)行貼膜處理如圖4(e)所示。圖(f)所示的就是圖形轉(zhuǎn)移后定尺電極的局部示意圖。

圖4 時(shí)柵加工流程圖Fig 4 Processing flow of time grating

在設(shè)計(jì)方案中(圖1(b))一片基板上分布有8 組定動(dòng)尺樣片，所以，加工的成品也是幾組樣機(jī)在一起的，因此，需要進(jìn)行劃片，由于外邊框切割精度為0.05 mm，因此，切割時(shí)盡量將邊框切大，使得劃片操作不會(huì)影響樣片的大小和測(cè)試精度。同時(shí)，為方便實(shí)驗(yàn)測(cè)試，設(shè)計(jì)了寬0.02 mm 的縫隙。圖5 為微納加工的時(shí)柵傳感器的實(shí)物圖形。

圖5 時(shí)柵傳感器樣機(jī)Fig 5 Prototype of time grating sensor

2 形貌與性能測(cè)試

2.1 形貌測(cè)試

圖6、圖7 分別表示在掃描電子顯微鏡下觀察加工好的時(shí)柵樣機(jī)尺寸和表面形貌;圖6(a)，(b)所示的是定尺的電極寬度和電極間距，正如圖上所示實(shí)際圖形定尺極片寬度為477.4 μm，極片間間隔為24.03 μm 與所設(shè)計(jì)的尺寸有些差距，但這些加工誤差是加工操作過(guò)程中不可避免的。圖6(c)所表示的是動(dòng)尺加工圖形，在顯微鏡下可以看出正弦形弧形與設(shè)計(jì)的基本一致。

圖6 時(shí)柵尺寸圖形Fig 6 Size of time grating

圖7 電極的平整度測(cè)試Fig 7 Test of electrode flatness

圖7 中選擇時(shí)柵的部分觀察電極濺射平整度，灰色部分為鍍有金屬的極片，黑色部分為極片間間隔也就是基材，AB 段表示鍍有金屬的極片厚度情況，BC 段表示極片間間隔也就是基材，從圖中可以看出:AB 段表示的金屬電極層厚度是不均勻的，存在0.174 μm 基底平整度好。

2.2 性能測(cè)試

圖8 所示，在一個(gè)周期內(nèi)誤差曲線，從圖中可以看出在200 mm 量程范圍內(nèi)，誤差峰值在約在500 nm，符合納米時(shí)柵傳感器設(shè)計(jì)要求。因此，電場(chǎng)式納米時(shí)柵位移傳感器的設(shè)計(jì)是可靠的。

圖8 200 mm 量程誤差曲線Fig 8 Error curve in range of 200 mm

3 結(jié) 論

本文針對(duì)大量程電場(chǎng)式直線納米時(shí)柵傳感器樣片的加工，提出了自動(dòng)拼接曝光方式，實(shí)現(xiàn)200mm納米時(shí)柵的圖形轉(zhuǎn)移，加工出品質(zhì)符合設(shè)計(jì)要求的時(shí)柵傳感器樣片。初步形成了一種大尺寸圖形結(jié)構(gòu)的制造方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試該時(shí)柵樣機(jī)輸出波形，驗(yàn)證方案的可行性，同時(shí)也為進(jìn)一步研究納米位移測(cè)量技術(shù)提供了技術(shù)支持，為大量程微納加工提出了新的思路。

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