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MIT開發(fā)出一種創(chuàng)新的薄鏡面及晶圓精確成型制造方法 

這項由美國國家航空航天局（NASA）資助的光刻技術(shù)有望為光學應用帶來新突破。

帶有蝕刻應力校正圖案的硅反射鏡

過去幾十年來，太空望遠鏡、X射線反射鏡和顯示面板等需要依賴輕量化、高精度光學系統(tǒng)的技術(shù)取得了長足的進步，但更先進的發(fā)展卻受到了一些看似簡單的挑戰(zhàn)的限制。例如，這些光學系統(tǒng)中所必需的具有微結(jié)構(gòu)的反射鏡和面板的表面，可能會因為表面涂層材料應力而變形，從而降低光學質(zhì)量。傳統(tǒng)的光學制造方法難以滿足嚴格的形狀要求。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，麻省理工學院（MIT）卡夫利天體物理與空間研究所（Kavli Institute for Astrophysics and Space Research）空間納米技術(shù)實驗室（SNL）的研究人員Youwei Yao、Ralf Heilmann和Mark Schattenburg以及最近剛畢業(yè)的博士Brandon Chalifoux針對上述挑戰(zhàn)設(shè)計出了一種新方法。

研究科學家Yao作為主要作者，在 Optica 的一篇論文中介紹了一種重塑薄面板的新方法——消除了變形材料。薄面板成形通常用于高階的復雜系統(tǒng)，如半導體制造過程中的可變形反射鏡或晶圓展平工藝，這一創(chuàng)新意味著未來的生產(chǎn)將更加精確、可擴展且更經(jīng)濟。

研究人員提出了三種類型的介觀結(jié)構(gòu)，依靠精確圖案化，完全控制整個襯底背面的應力狀態(tài)。

更廣泛的應用

Yao及其團隊相信，這些更薄、更容易變形的表面可以用于更廣泛的應用，如增強現(xiàn)實（AR）設(shè)備，以及能夠用更低成本送入太空的更大的望遠鏡。Yao說：“利用應力使光學或半導體表面變形并不是什么新鮮事物，但通過應用現(xiàn)代光刻技術(shù)，我們可以克服現(xiàn)有方法的許多挑戰(zhàn)?！?/p>

該團隊的研究成果基于Brandon Chalifoux的研究，他現(xiàn)在是亞利桑那大學的助理教授。作為機械工程博士學位研究的一部分，Chalifoux與該團隊合作開發(fā)了一種數(shù)學模型，將表面應力狀態(tài)與薄面板變形聯(lián)系起來。

在這種新方法中，Yao開發(fā)了一種新的應力模式排布，以精確控制總體應力。首先在光學表面襯底背面涂上一層由二氧化硅等材料制成的高應力薄膜。新的應力模式通過平版印刷到薄膜中，這樣研究人員就可以在特定區(qū)域改變材料的特性。

在不同區(qū)域選擇性地處理薄膜涂層，可以控制應力和張力在表面上的施加位置。由于光學表面和涂層是粘合在一起的，因此控制涂層材料也會相應地重塑光學表面。

高級研究科學家、空間納米技術(shù)實驗室主任Schattenburg說：“我們不是為了重塑形狀而增加應力，而是通過精心設(shè)計的幾何結(jié)構(gòu)（如點或線），在特定方向上選擇性地消除應力。這是一種在反射鏡中的某個位置釋放目標應力的特定方式，進而可以彎曲材料?！?/p>

校正太空鏡

自2017年以來，SNL團隊與NASA戈達德航天飛行中心（GSFC）合作開發(fā)了一種工藝，以改善涂層應力引起的X射線望遠鏡的反射鏡變形。這項研究起源于一個為NASA的Lynx下一代X射線望遠鏡任務打造X射線反射鏡的項目，該項目需要數(shù)萬個高精度反射鏡。

“我在GSFC的團隊自2001年以來一直在制造和鍍膜薄型X射線反射鏡?！盙SFC X射線光學組組長William Zhang說，“隨著技術(shù)的進步，X射線反射鏡的質(zhì)量在過去幾十年中不斷提高，涂層引起的變形已經(jīng)成為一個日益嚴重的問題?！?/p>

Yao及其團隊開發(fā)了一種光刻應力圖案化方法，成功地結(jié)合了幾種不同的技術(shù)，以在制造X射線反射鏡時出色的消除變形。

在取得初步成功后，該團隊決定將該工藝擴展到更廣泛的應用領(lǐng)域，例如鏡面和薄型襯底的自由成形，不過，他們遇到了一個重大障礙?！安恍业氖?，為GSFC開發(fā)的工藝只能精確控制單一類型的表面應力，即所謂的‘等雙軸’，或旋轉(zhuǎn)均勻應力?！盋halifoux說。

（a）在圖案化過程之前（S形）和之后（平面形）測量的晶圓表面。（b）用于平整晶圓表面的25個單元的顯微鏡圖像。（c）兩個單元之間區(qū)域的顯微鏡圖像。

“等雙軸應力狀態(tài)只能實現(xiàn)表面的碗狀局部彎曲，無法糾正‘薯片或馬鞍形’變形。要實現(xiàn)表面彎曲的任意控制，需要控制所謂的‘表面應力張量’中的所有三項?！盋halifoux說。

為了實現(xiàn)對應力張量的完全控制，Yao和他的團隊進一步開發(fā)了這項技術(shù)，最終發(fā)明出被他們稱為應力張量介觀結(jié)構(gòu)（STM）的技術(shù)，這是一種排列在薄型襯底背面的準周期單元，由疊加在應力涂層上的格柵組成。

Yao說：“通過在每個單元中旋轉(zhuǎn)格柵的方向并改變選定區(qū)域的面積分數(shù)，應力張量場的所有三個分量都可以通過一個簡單的圖案化過程同時控制。”

該團隊花了兩年多的時間開發(fā)這個概念?！拔覀冊谶@個過程中遇到了一系列困難。”Schattenburg說，“具有納米精度硅晶圓的自由成型需要計量學、力學和制造學的協(xié)同作用。

通過將實驗室在表面計量和微加工方面的數(shù)十年經(jīng)驗，與研究生開發(fā)的薄板建模和優(yōu)化工具相結(jié)合，該團隊得以展示了一種通用的襯底形狀控制方法，并且，該方法不僅限于碗狀表面彎曲。

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