大量程納米位移傳感器的微納加工制造*

許 卓，楊 杰，王 成，陳東紅，丑修建

(中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原030051)

0 引 言

納米位移測量技術和器件是納米數控機床、極大規模集成電路等超精密高端制造裝備的核心技術和關鍵功能部件［1］，是實現高端制造、半導體、航空航天等領域納米制造的保證。目前，大量程納米位移測量傳感器大多采用光柵技術。日本Sony 公司利用光波干涉技術研制的BS78 光柵，柵距0.137 9 μm，在40 mm 量程范圍內精度為±40 nm，經過電子細分以后的分辨34 pm［2］，代表了當前的國際最高水平。具2011 年權威數據顯示，在我國，直線光柵尺1 000 mm量程范圍內最高精度達到了±3 μm［3］。但光柵尺測量基準是按空間均分的光柵刻線［4］，通過對柵線的計數而得到位移量。光柵測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，對于微納加工的技術要求也就越高［5］。隨著測量精度要求的不斷提高，光刻技術受光波波長和光學衍射極限的限制，光柵柵距最高只能達到微米亞微米量級［6，7］，這就對進一步提高測量精度提出了新的挑戰。

時柵傳感器利用一種“不用刻線尺而實現精密位移測量”的新方法，由我國自主研發的以“時間量測量空間量”新型測量儀器［8］，其研究思路已經被證實可行，并在2009 年研制出了精度為±500 nm 的直線式時柵樣機［9］。劉小康教授等人利用仿真軟件已針對在不同參數下傳感器的電場分析并進行設計優化，證明在200 mm 范圍內，傳感器的精度可以達到±300 nm［10］。為實現納米尺度的高精度測量，本文提出大量程納米時柵傳感器的微納加工的新方法，以期利用時間尺度來提高空間尺度分辨力和精度。

1 納米時柵加工

電場式納米時柵傳感器是采用交變電場耦合［9］方式，利用比相電路解算出實際的位移量。由于動定尺之間受到電場的非線性影響，經過仿真實驗分析［10］得到當時柵線寬為0.48 mm，電極間隔寬度為0.02 mm，動定尺之間的間距為0.04 mm 時，可以實現納米時柵傳感器的高精度測量。

目前，應用于生產的光刻技術已經進入納米時代，微納加工技術是以最小線寬衡量其加工水平，45 nm 工藝已經量產，32 nm 的量產光刻技術與其他工藝設備已經成熟［11］。納米時柵線寬要求是20 μm，故現有光刻技術是完全可以達到線寬加工要求。但是，由于國內對于大量程的微納加工技術水平限制，傳統曝光方法無法實現大量程納米時柵傳感器的微納制造，國內現有的曝光技術無法實現200 mm量程的微納加工，本文采用高精度自動拼接曝光技術實現對200 mm 的精細刻度標尺的圖形轉移，即先進行定尺一部分圖形的轉移，完成后再將該部分淹沒版擋住完成另一部分圖形的轉移，最終實現高精度拼接曝光完成定尺圖形化。利用152.4mm×152.4 mm×6.4 mm 的鉻版設計出掩模版(如圖1(a))并在一張玻璃基材進行樣片加工，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。根據電場式納米時柵傳感器的工作原理［12］，為正弦輸出的行波信號將動尺尺電極設計為具有周期性結構形狀類似于正弦的圖形(如圖3 所示)。

圖1 時柵傳感器加工方法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，需添加過渡層保證器件的測試效果。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 左右實現光刻膠的玻璃，完成電極加工樣機加工后，為了避免出現圖形氧化的問題，在樣機的上表面進行貼膜處理如圖4(e)所示。圖(f)所示的就是圖形轉移后定尺電極的局部示意圖。

圖4 時柵加工流程圖Fig 4 Processing flow of time grating

在設計方案中(圖1(b))一片基板上分布有8 組定動尺樣片，所以，加工的成品也是幾組樣機在一起的，因此，需要進行劃片，由于外邊框切割精度為0.05 mm，因此，切割時盡量將邊框切大，使得劃片操作不會影響樣片的大小和測試精度。同時，為方便實驗測試，設計了寬0.02 mm 的縫隙。圖5 為微納加工的時柵傳感器的實物圖形。

圖5 時柵傳感器樣機Fig 5 Prototype of time grating sensor

2 形貌與性能測試

2.1 形貌測試

圖6、圖7 分別表示在掃描電子顯微鏡下觀察加工好的時柵樣機尺寸和表面形貌;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 與所設計的尺寸有些差距，但這些加工誤差是加工操作過程中不可避免的。圖6(c)所表示的是動尺加工圖形，在顯微鏡下可以看出正弦形弧形與設計的基本一致。

圖6 時柵尺寸圖形Fig 6 Size of time grating

圖7 電極的平整度測試Fig 7 Test of electrode flatness

圖7 中選擇時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 性能測試

圖8 所示，在一個周期內誤差曲線，從圖中可以看出在200 mm 量程范圍內，誤差峰值在約在500 nm，符合納米時柵傳感器設計要求。因此，電場式納米時柵位移傳感器的設計是可靠的。

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

3 結 論

本文針對大量程電場式直線納米時柵傳感器樣片的加工，提出了自動拼接曝光方式，實現200mm納米時柵的圖形轉移，加工出品質符合設計要求的時柵傳感器樣片。初步形成了一種大尺寸圖形結構的制造方法，并通過實驗測試該時柵樣機輸出波形，驗證方案的可行性，同時也為進一步研究納米位移測量技術提供了技術支持，為大量程微納加工提出了新的思路。

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