MIT开发出一种创新的薄镜面及晶圆精确成型制造方法
2022-04-30 14:53:59   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

这项由美国国家航空航天局（NASA）资助的光刻技术有望为光学应用带来新突破。

带有蚀刻应力校正图案的硅反射镜

过去几十年来，太空望远镜、X射线反射镜和显示面板等需要依赖轻量化、高精度光学系统的技术取得了长足的进步，但更先进的发展却受到了一些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结构的反射镜和面板的表面，可能会因为表面涂层材料应力而变形，从而降低光学质量。传统的光学制造方法难以满足严格的形状要求。

据麦姆斯咨询报道，麻省理工学院（MIT）卡夫利天体物理与空间研究所（Kavli Institute for Astrophysics and Space Research）空间纳米技术实验室（SNL）的研究人员Youwei Yao、Ralf Heilmann和Mark Schattenburg以及最近刚毕业的博士Brandon Chalifoux针对上述挑战设计出了一种新方法。

研究科学家Yao作为主要作者，在Optica的一篇论文中介绍了一种重塑薄面板的新方法——消除了变形材料。薄面板成形通常用于高阶的复杂系统，如半导体制造过程中的可变形反射镜或晶圆展平工艺，这一创新意味着未来的生产将更加精确、可扩展且更经济。

研究人员提出了三种类型的介观结构，依靠精确图案化，完全控制整个衬底背面的应力状态。

更广泛的应用

Yao及其团队相信，这些更薄、更容易变形的表面可以用于更广泛的应用，如增强现实（AR）设备，以及能够用更低成本送入太空的更大的望远镜。Yao说：“利用应力使光学或半导体表面变形并不是什么新鲜事物，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。”

该团队的研究成果基于Brandon Chalifoux的研究，他现在是亚利桑那大学的助理教授。作为机械工程博士学位研究的一部分，Chalifoux与该团队合作开发了一种数学模型，将表面应力状态与薄面板变形联系起来。

在这种新方法中，Yao开发了一种新的应力模式排布，以精确控制总体应力。首先在光学表面衬底背面涂上一层由二氧化硅等材料制成的高应力薄膜。新的应力模式通过平版印刷到薄膜中，这样研究人员就可以在特定区域改变材料的特性。

在不同区域选择性地处理薄膜涂层，可以控制应力和张力在表面上的施加位置。由于光学表面和涂层是粘合在一起的，因此控制涂层材料也会相应地重塑光学表面。

高级研究科学家、空间纳米技术实验室主任Schattenburg说：“我们不是为了重塑形状而增加应力，而是通过精心设计的几何结构（如点或线），在特定方向上选择性地消除应力。这是一种在反射镜中的某个位置释放目标应力的特定方式，进而可以弯曲材料。”

校正太空镜

自2017年以来，SNL团队与NASA戈达德航天飞行中心（GSFC）合作开发了一种工艺，以改善涂层应力引起的X射线望远镜的反射镜变形。这项研究起源于一个为NASA的Lynx下一代X射线望远镜任务打造X射线反射镜的项目，该项目需要数万个高精度反射镜。

“我在GSFC的团队自2001年以来一直在制造和镀膜薄型X射线反射镜。”GSFC X射线光学组组长William Zhang说，“随着技术的进步，X射线反射镜的质量在过去几十年中不断提高，涂层引起的变形已经成为一个日益严重的问题。”

Yao及其团队开发了一种光刻应力图案化方法，成功地结合了几种不同的技术，以在制造X射线反射镜时出色的消除变形。

在取得初步成功后，该团队决定将该工艺扩展到更广泛的应用领域，例如镜面和薄型衬底的自由成形，不过，他们遇到了一个重大障碍。“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‘等双轴’，或旋转均匀应力。”Chalifoux说。

（a）在图案化过程之前（S形）和之后（平面形）测量的晶圆表面。（b）用于平整晶圆表面的25个单元的显微镜图像。（c）两个单元之间区域的显微镜图像。

“等双轴应力状态只能实现表面的碗状局部弯曲，无法纠正‘薯片或马鞍形’变形。要实现表面弯曲的任意控制，需要控制所谓的‘表面应力张量’中的所有三项。”Chalifoux说。

为了实现对应力张量的完全控制，Yao和他的团队进一步开发了这项技术，最终发明出被他们称为应力张量介观结构（STM）的技术，这是一种排列在薄型衬底背面的准周期单元，由叠加在应力涂层上的格栅组成。

Yao说：“通过在每个单元中旋转格栅的方向并改变选定区域的面积分数，应力张量场的所有三个分量都可以通过一个简单的图案化过程同时控制。”

该团队花了两年多的时间开发这个概念。“我们在这个过程中遇到了一系列困难。”Schattenburg说，“具有纳米精度硅晶圆的自由成型需要计量学、力学和制造学的协同作用。

通过将实验室在表面计量和微加工方面的数十年经验，与研究生开发的薄板建模和优化工具相结合，该团队得以展示了一种通用的衬底形状控制方法，并且，该方法不仅限于碗状表面弯曲。

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