MIT開(kāi)發(fā)出一種創(chuàng)新的薄鏡面及晶圓精確成型制造方法
MIT開(kāi)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(xiàng)由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）資助的光刻技術(shù)有望為光學(xué)應(yīng)用帶來(lái)新突破。
帶有蝕刻應(yīng)力校正圖案的硅反射鏡
過(guò)去幾十年來(lái)，太空望遠(yuǎn)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(xué)系統(tǒng)的技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但更先進(jìn)的發(fā)展卻受到了一些看似簡(jiǎn)單的挑戰(zhàn)的限制。例如，這些光學(xué)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(huì)因?yàn)楸砻嫱繉硬牧蠎?yīng)力而變形，從而降低光學(xué)質(zhì)量。傳統(tǒng)的光學(xué)制造方法難以滿足嚴(yán)格的形狀要求。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，麻省理工學(xué)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(shí)驗(yàn)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(duì)上述挑戰(zhàn)設(shè)計(jì)出了一種新方法。
研究科學(xué)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(fù)雜系統(tǒng)，如半導(dǎo)體制造過(guò)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(lái)的生產(chǎn)將更加精確、可擴(kuò)展且更經(jīng)濟(jì)。
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(gè)襯底背面的應(yīng)力狀態(tài)。
更廣泛的應(yīng)用
Yao及其團(tuán)隊(duì)相信，這些更薄、更容易變形的表面可以用于更廣泛的應(yīng)用，如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）設(shè)備，以及能夠用更低成本送入太空的更大的望遠(yuǎn)鏡。Yao說(shuō)：“利用應(yīng)力使光學(xué)或半導(dǎo)體表面變形并不是什么新鮮事物，但通過(guò)應(yīng)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)。”
該團(tuán)隊(duì)的研究成果基于Brandon Chalifoux的研究，他現(xiàn)在是亞利桑那大學(xué)的助理教授。作為機(jī)械工程博士學(xué)位研究的一部分，Chalifoux與該團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)發(fā)了一種數(shù)學(xué)模型，將表面應(yīng)力狀態(tài)與薄面板變形聯(lián)系起來(lái)。
在這種新方法中，Yao開(kāi)發(fā)了一種新的應(yīng)力模式排布，以精確控制總體應(yīng)力。首先在光學(xué)表面襯底背面涂上一層由二氧化硅等材料制成的高應(yīng)力薄膜。新的應(yīng)力模式通過(guò)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(yīng)力和張力在表面上的施加位置。由于光學(xué)表面和涂層是粘合在一起的，因此控制涂層材料也會(huì)相應(yīng)地重塑光學(xué)表面。
高級(jí)研究科學(xué)家、空間納米技術(shù)實(shí)驗(yàn)室主任Schattenburg說(shuō)：“我們不是為了重塑形狀而增加應(yīng)力，而是通過(guò)精心設(shè)計(jì)的幾何結(jié)構(gòu)（如點(diǎn)或線），在特定方向上選擇性地消除應(yīng)力。這是一種在反射鏡中的某個(gè)位置釋放目標(biāo)應(yīng)力的特定方式，進(jìn)而可以彎曲材料?！?/p>
校正太空鏡
自2017年以來(lái)，SNL團(tuán)隊(duì)與NASA戈達(dá)德航天飛行中心（GSFC）合作開(kāi)發(fā)了一種工藝，以改善涂層應(yīng)力引起的X射線望遠(yuǎn)鏡的反射鏡變形。這項(xiàng)研究起源于一個(gè)為NASA的Lynx下一代X射線望遠(yuǎn)鏡任務(wù)打造X射線反射鏡的項(xiàng)目，該項(xiàng)目需要數(shù)萬(wàn)個(gè)高精度反射鏡。
“我在GSFC的團(tuán)隊(duì)自2001年以來(lái)一直在制造和鍍膜薄型X射線反射鏡?！盙SFC X射線光學(xué)組組長(zhǎng)William Zhang說(shuō)，“隨著技術(shù)的進(jìn)步，X射線反射鏡的質(zhì)量在過(guò)去幾十年中不斷提高，涂層引起的變形已經(jīng)成為一個(gè)日益嚴(yán)重的問(wèn)題?！?/p>
Yao及其團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種光刻應(yīng)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(shí)出色的消除變形。
在取得初步成功后，該團(tuán)隊(duì)決定將該工藝擴(kuò)展到更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，例如鏡面和薄型襯底的自由成形，不過(guò)，他們遇到了一個(gè)重大障礙。“不幸的是，為GSFC開(kāi)發(fā)的工藝只能精確控制單一類型的表面應(yīng)力，即所謂的‘等雙軸’，或旋轉(zhuǎn)均勻應(yīng)力?！盋halifoux說(shuō)。
（a）在圖案化過(guò)程之前（S形）和之后（平面形）測(cè)量的晶圓表面。（b）用于平整晶圓表面的25個(gè)單元的顯微鏡圖像。（c）兩個(gè)單元之間區(qū)域的顯微鏡圖像。
“等雙軸應(yīng)力狀態(tài)只能實(shí)現(xiàn)表面的碗狀局部彎曲，無(wú)法糾正‘薯片或馬鞍形’變形。要實(shí)現(xiàn)表面彎曲的任意控制，需要控制所謂的‘表面應(yīng)力張量’中的所有三項(xiàng)?！盋halifoux說(shuō)。
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力張量的完全控制，Yao和他的團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了這項(xiàng)技術(shù)，最終發(fā)明出被他們稱為應(yīng)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(zhǔn)周期單元，由疊加在應(yīng)力涂層上的格柵組成。
Yao說(shuō)：“通過(guò)在每個(gè)單元中旋轉(zhuǎn)格柵的方向并改變選定區(qū)域的面積分?jǐn)?shù)，應(yīng)力張量場(chǎng)的所有三個(gè)分量都可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的圖案化過(guò)程同時(shí)控制?！?/p>
該團(tuán)隊(duì)花了兩年多的時(shí)間開(kāi)發(fā)這個(gè)概念?！拔覀?cè)谶@個(gè)過(guò)程中遇到了一系列困難。”Schattenburg說(shuō)，“具有納米精度硅晶圓的自由成型需要計(jì)量學(xué)、力學(xué)和制造學(xué)的協(xié)同作用。
通過(guò)將實(shí)驗(yàn)室在表面計(jì)量和微加工方面的數(shù)十年經(jīng)驗(yàn)，與研究生開(kāi)發(fā)的薄板建模和優(yōu)化工具相結(jié)合，該團(tuán)隊(duì)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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