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麻省理工学院开发出镜面和晶圆的新型制造方法

过去几十年来,依赖于空间望远镜、x射线反射镜和显示板等轻量化、高精度光学系统的技术取得了显著发展,但更先进的进展一直受到看似简单的挑战的限制。例如,这些光学系统中所必需的具有微观结构的镜面和平板的表面会因为受力的表面涂层材料而变形,从而降低光学质量。传统的光学制造方法很难满足严格的形状要求。

现在,麻省理工学院卡夫里天体物理学和空间研究所内的空间纳米技术实验室(SNL)的研究人员Youwei Yao、Ralf Heilmann和Mark Schattenburg,以及刚毕业的Brandon Chalifoux(19岁博士),已经设计了新的方法来克服这一障碍。

硅反射镜与应力校正模式蚀刻到热氧化层。图片来源:Youwei Yao/麻省理工学院

科学家Yao在《Optica》杂志上描述了以消除变形材料的方式重塑薄板的新方法,他是该论文的主要作者。薄板整形通常用于高层次的复杂系统,如可变形的镜面或半导体制造过程中的晶圆平整过程,但这项创新意味着未来的生产将更加精确、可扩展和廉价。

更广泛的应用

Yao和该团队的其他成员认为,这些更薄和更容易变形的表面可以在更广泛的应用中发挥作用,例如增强现实头盔和更大的望远镜,可以以更低的成本被送入太空。" Yao表示:"使用应力使光学或半导体表面变形并不新鲜,但通过应用现代光刻技术,我们可以克服现有方法的许多挑战。

该团队的工作建立在Brandon Chalifoux的研究之上。Chalifoux在早期的论文中与该团队合作,开发了一种数学形式,将表面应力状态与薄板的变形联系起来,作为他机械工程博士学位的一部分。在这种新方法中,Yao开发了一种新的应力模式排列,用于精确控制一般应力。光学表面的衬底首先在背面涂上由二氧化硅等材料制成的薄层高应力薄膜。新的应力图案被平版印刷到胶片上,这样研究人员就可以改变材料在特定区域的性能。

选择性地处理不同区域的薄膜涂层可以控制整个表面的应力和张力的位置。而且,由于光学表面和涂层粘在一起,操纵涂层材料也相应地重塑了光学表面。

高级研究科学家和空间纳米技术实验室主任Schattenburg说:“你不是在增加应力来制造一个形状,而是在特定的方向上有选择地消除应力,如点或线。这只是在镜面的一个区域给目标消除应力的某种方式,然后可以使材料弯曲。”

矫正空间镜面

自2017年以来,SNL团队与美国宇航局戈达德太空飞行中心(GSFC)合作,开发了一种纠正X射线望远镜镜面因涂层应力造成的形状扭曲的工艺。这项研究源于一个为NASA的Lynx下一代X射线望远镜任务概念建造X射线镜的项目,该项目需要数以万计的高精度镜面。

GSFC的X射线光学组负责人William Zhang说:“我在GSFC的团队自2001年以来一直在制造和涂覆薄的X射线镜。在过去几十年里,随着技术的进步,X射线反射镜的质量不断提高,由涂层引起的失真已成为日益扬中的问题"。

Yao和他的团队开发了一种光刻应力图案方法,成功地结合了几种不同的技术,在应用于该小组制作的X射线反射镜时,实现了出色的消除变形的效果。在取得这一初步成功后,该小组决定将这一工艺扩展到更普遍的应用中,如镜面和薄基板的自由成型,但他们遇到了一个主要障碍。Chalifoux说:“不幸的是,为GSFC开发的工艺只能精确控制单一类型的表面应力,即所谓的'等轴',或旋转均匀的应力。”

"等轴应力状态只能实现表面的碗状局部弯曲,这不能纠正薯片或马鞍形状的扭曲。要实现对表面弯曲的任意控制,需要控制所谓的'表面应力张量'中的所有三个项。"为了实现对应力张量的完全控制,Yao和他的团队进一步发展了这项技术,最终发明了他们所谓的应力张量中间结构(STM),这是排列在薄基板背面的准周期单元,由叠加在应力涂层上的光栅组成。“通过在每个单元格中旋转光栅的方向和改变选定区域的面积分数,应力张量场的所有三个组成部分都可以通过一个简单的图案化过程来同时控制。”Yao说。

该团队花了两年多的时间来开发这个概念。Schattenburg说:“我们在这个过程中遇到了一系列的困难,具有纳米级精度的硅片自由成型需要计量学、机械学和制造学的协同作用。通过将实验室在表面计量学和微细加工方面几十年的经验与研究生开发的薄板建模和优化工具相结合,我们能够展示一种通用的基片形状控制方法,该方法不仅限于碗状表面弯曲。”这项工作得到了美国国家航空航天局的资助。

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