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1.5米扫描干涉场曝光系统

2021-04-08

 

激光惯性约束核聚变的实现是解决人类能源危机的重要途径之一,作为实现惯性约束核聚变的关键,超强超快脉冲激光的获取是其重点研究与发展的技术领域。目前高功率激光系统中的皮秒输出主要依赖于啁啾脉冲放大系统(Chirped Pulse Amplification,CPA),脉冲压缩光栅(Pulse Compression Gratings,PCG)是CPA技术中获取高能量短脉冲激光的核心光学元件。依据现阶段所制作光栅的损伤阈值,增大衍射光栅的尺寸成为提高光通量的重要方式。在精密仪器领域,精密位移测量技术的测量精度与量程代表制造水平的高低。光栅位移测量系统以光栅作为量尺,以光栅的栅距为测量基准,光栅刻槽对环境的敏感度低,且不会随测量距离的增加而变大,有效降低了测量对环境的要求。德国、日本等国在该领域具有绝对优势,但是国外的供应商不对中国供应高精度的测量系统与测量光栅元件。
制作大尺寸全息光栅的传统方式是静态干涉场曝光法,主要通过空间滤波器和大口径准直透镜放大光束尺寸来获取大口径的干涉图形,继而在光刻胶上曝光实现图形转移,后续采用显影、离子束刻蚀等工艺实现大口径高精度光栅的制造。若要曝光光束尺寸达到米级,则需两组米级口径非球面透镜来满足高质量曝光波面和像差匹配的要求,然而米级口径透镜的材料获取和加工难度却非常高。在此基础上,MIT提出不受透镜尺寸限制的扫描曝光法,来制作米级尺寸全息光栅。
面向高能拍瓦激光输出技术、激光惯性约束核聚变研究及高端光刻机产业等战略高科技领域对大尺寸全息光栅的迫切需求,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所在国家重大科研仪器设备研制专项的支持下,于2013年开始研制“1.5米扫描干涉场曝光系统”(项目批准号:61227901),其技术指标是具备以步进扫描多线光刻方式制作500 mm×1 500 mm全息光栅的能力。经过7年的攻关,项目团队攻克了长程重载工作台超精密定位、曝光干涉场超精密测量及相位锁定等10余项关键技术,研制出具有制作650 mm×1 700 mm单体无拼缝全息光栅能力的扫描干涉场曝光系统(图1、图2),超越了该领域当前国际技术水平,打破了美国PGL公司长期垄断,刷新了其扫描曝光系统NanorulerⅡ保持的600 mm×920 mm的记录。
项目组在国家重大科研仪器设备研制专项“1.5 米扫描干涉场曝光系统”研制过程中,围绕单体大尺寸全息光栅制作的一系列核心物理原理和技术问题开展前沿探索和技术攻关,取得了系列重要研究成果、技术创新和突破。突破了长行程、重载荷、纳米精度定位技术难点,并提出了长行程、重载荷、纳米精度定位系统的结构优化设计技术,设计制作了具有优良振动衰减特性、低热膨胀特性和精密加工特性的花岗岩定导轨,解决了高比刚度氧化铝陶瓷材料的烧结、研磨、钻孔等技术和工艺难题,制作了一致性高的氧化铝陶瓷动导轨组件。采用现场边精研、边检测、边装调的工艺方案,实现了装调过程中的误差补偿和误差修正,提高了工作台的总体输出精度。采用摩擦驱动形式(具有优良低速性能)和多级控制策略,实现了双层工作台的纳米精度定位与速度稳定性控制。X向工作台载重量达到1 347 kg,导轨有效行程达到1 700 mm,导轨直线性优于0.1″,定位精度优于50 nm;Y向工作台载重量达到278 kg,导轨有效行程达到650 mm,速度稳定性优于1%。突破扫描干涉场干涉条纹相位精密测量与锁定技术,针对干涉条纹相位测量精度低、抗干扰能力差的问题,提出采用对称测量法,利用四合一棱镜实现对干涉条纹相位的外差精密测量。创建扫描干涉场动态相位锁定参考值模型,包含扫描曝光过程中造成干涉条纹相位无法匹配的全部误差因素,扩展了已有模型的涵盖范围。提出外差相位数据高速采集方法,建立硬件及以太网高速互联的分布式控制系统进行协同控制,对曝光过程中干涉条纹相位误差进行动态补偿,相位锁定精度优于3 nm(1σ@555.5 nm),保证了光栅刻线的精准拼接。同时,攻克了长行程位移纳米精度测量技术、扫描干涉场干涉条纹周期精密测量技术、高精度激光光束对准技术、光束姿态控制调整技术、基于基准光栅的外差型干涉条纹方向调整方法、干涉场相位非线性度精密控制技术、工作台位移与测量镜面形同步在线测量技术、测量镜及基底面形造成的光栅衍射波前畸变补偿技术、大尺寸光刻胶涂覆技术等10余项基础问题和关键技术。
该项目负责人为中国科学院长春光学精密机械与物理研究所巴音贺希格研究员,项目总经费8 300万元,执行周期为2013年1月1日至2019年12月31日。研制的仪器设备包括1台1.5米扫描干涉场曝光系统及4台制作全息光栅所需的辅助工艺设备,辅助工艺设备包括光栅基底清洗设备、匀胶机、烘烤机和显影设备。项目组围绕1.5米扫描干涉场曝光系统研制取得了一批研究成果,发表论文29篇,获授权发明专利13项(在扫描曝光光路中精确调整干涉条纹方向的方法,ZL201310693376.0;一种用于扫描干涉场曝光系统的光束姿态调整方法,ZL201711302638.0等)。
项目实施过程中培养博士研究生15人、硕士研究生1人,在读博士研究生3人、硕士研究生4人,培养研究员3人、副研究员3人,形成了一支优秀的大尺寸全息光栅研制团队。建成了1.5米扫描干涉场曝光实验室、大尺寸基底清洗匀胶实验室、大尺寸全息光栅显影实验室、小型快速扫描干涉场曝光实验室、特种用途单晶硅透射光栅刻蚀实验室等5个实验室。另外,依托1.5米扫描干涉场曝光系统设备及技术应用,承担了国家自然科学基金应急管理项目1项、国家自然科学基金青年科学基金项目2项、中国科学院关键核心技术攻关项目1项、吉林省科技发展计划项目1项、吉林省科技发展计划优秀青年人才基金项目2项、广东省重点研发计划项目1项。
2020年8月,国家重大科研仪器设备研制专项“1.5 米扫描干涉场曝光系统”项目顺利通过验收,全面完成了项目的研制任务,成功研制出“1.5米扫描干涉场曝光系统”。该设备的各项工作性能均达到或超过了任务书指标,多项技术指标达到国际领跑水平。项目的顺利实施与验收,标志着我国打破国外长期垄断,具备了独立制作米级单体无拼缝全息光栅的能力,对高能激光、可控核聚变、高端光刻等领域的技术与产业创新具有重大的战略意义。