用于太空望遠(yuǎn)鏡、X 光鏡和顯示面板的輕量級(jí)高精度光學(xué)技術(shù)，已于過(guò)去幾十年里取得了長(zhǎng)足發(fā)展。然而更先進(jìn)的進(jìn)展，卻一直受到看似簡(jiǎn)單的障礙的限制。比如這些光學(xué)系統(tǒng)中必須放入具有微結(jié)構(gòu)的鏡板，但其表面涂層材料可能在應(yīng)力作用下發(fā)生形變，結(jié)果導(dǎo)致光學(xué)質(zhì)量被降低。對(duì)于空間光學(xué)等超輕型光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，典型光學(xué)工藝就是難以生產(chǎn)出滿足其嚴(yán)格要求的形狀。

蝕刻到硅鏡熱氧化層中的應(yīng)力校正圖案（圖自：Youwei Yao）

好消息是，來(lái)自麻省理工學(xué)院（MIT）Kavli 天體物理與空間研究所旗下空間納米技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（SNL）的一支研究團(tuán)隊(duì)，剛剛提出了一種能夠化解這種尷尬的新設(shè)計(jì)。

MIT 研究員 Youwei Yao、Ralf Heilmann、Mark Schattenburg、以及最近畢業(yè)的 19 級(jí)博士生 Brandon Chalifoux，在 4 月 14 日出版的《Optica》光學(xué)期刊上提到了一種具有應(yīng)力校正圖案的硅鏡。

研究一作 Youwei Yao 解釋了他們是如何通過(guò)新方法來(lái)重塑薄板材料以消除形變，從而研究人員能夠更加隨心所欲地將表面彎曲成他們可能需要的精確且復(fù)雜星裝

研究配圖 - 1：刻入硅襯底的光柵線 / TOx 涂層 / 形變測(cè)量

薄板成型常用于高級(jí)復(fù)雜系統(tǒng)，例如半導(dǎo)體制造過(guò)程中的可變形反射鏡或晶圓展平工藝。不過(guò)得益于 MIT 的創(chuàng)新工藝，未來(lái)生產(chǎn)將能夠更加精確、實(shí)惠、且可擴(kuò)展。

雖然利用應(yīng)力或半導(dǎo)體表面形變?cè)缫巡皇鞘裁葱迈r事，但 MIT 這次卻用上了更現(xiàn)代的光刻技術(shù)。

研究團(tuán)隊(duì)指出，這些更薄、更容易變形的表面，可用于從增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）頭顯、到更實(shí)惠的大號(hào)太空望遠(yuǎn)鏡等更廣泛的目的。

研究配圖 - 2：產(chǎn)生三葉形變的設(shè)計(jì)部分 / 25 個(gè)制造用單元顯微圖像 / 形變測(cè)量

據(jù)悉，這項(xiàng)研究成果，建立在現(xiàn)亞利桑那大學(xué)助理教授 Brandon Chalifoux 的研究基礎(chǔ)之上。

作為早期機(jī)械工程博士學(xué)位論文的一部分，他與 MIT 研究團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)發(fā)了一種數(shù)學(xué)模式，以將表面應(yīng)力狀態(tài)與薄板的變形聯(lián)系起來(lái)。

Yao 開(kāi)發(fā)了一種新的壓力模式排列，并將之用于精確控制。首先是在光學(xué)表面基板的背部，涂上一層由薄薄的二氧化硅等材料制成的高應(yīng)力薄膜。

研究配圖 - 3：晶圓表面圖案化前后的 S 形 / 平面測(cè)量

待新的應(yīng)力圖案被平板印刷到薄膜上，研究人員便可在特定區(qū)域改變材料的特性。進(jìn)而選擇性地處理不同區(qū)域的薄膜涂層，以控制在表面施加應(yīng)力與張力的位置。

由于光學(xué)表面與涂層是粘合在一起的，因此通過(guò)操縱涂層材料，也會(huì)相應(yīng)地重塑光學(xué)表面?？臻g納米技術(shù)實(shí)驗(yàn)室高級(jí)研究科學(xué)家兼主任 Schattenburg 補(bǔ)充道：

我們并未通過(guò)增加壓力來(lái)塑造形狀，而是通過(guò)精心設(shè)計(jì)的幾何結(jié)構(gòu)（如點(diǎn)或線）來(lái)選擇性地消除特定方向上的壓力 —— 而且這只是在鏡中單個(gè)位置釋放目標(biāo)應(yīng)力、以彎曲材料的一種特定方法。

研究配圖 - 4：測(cè)量形變與表面輪廓的 Zernike 系數(shù)

自 2017 年以來(lái)，SNL 團(tuán)隊(duì)一直在與 NASA 戈達(dá)德太空飛行中心（GSFC）合作開(kāi)發(fā)一種工藝，以糾正由涂層應(yīng)力引起的 X 射線望遠(yuǎn)鏡的鏡面形狀失真。

該研究起源于 NASA 為 Lynx 的下一代 X 射線望遠(yuǎn)鏡任務(wù)概念而打造的反射鏡項(xiàng)目，其中需要用到數(shù)萬(wàn)個(gè)高精度的反射鏡。因其需要聚焦 X 射線，所以反射鏡必須極其薄，才能有效地收集 X 射線。

尷尬的是，鏡子很容易在變薄時(shí)迅速失去剛性、同時(shí)極易因反射涂層的應(yīng)力而變形 —— 后者是具有納米級(jí)厚度、用于反射 X 射線的銥層。

研究配圖 - 5：背面圖案化的 II 型介觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的 100mm 硅晶片三葉形變

隨著技術(shù)進(jìn)步，X 射線鏡的品質(zhì)已在過(guò)去幾十年中被不斷提升。然而涂層導(dǎo)致的失真，也成為了一個(gè)日益嚴(yán)重的問(wèn)題。

為此，Yao 與同僚們開(kāi)發(fā)出了一種光刻應(yīng)力圖案化方法，并且成功地結(jié)合了幾種不同的技術(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，在用于他們制造的 X 射線鏡時(shí)，該技術(shù)可極其出色的消除失真。

在取得初步成功之后，MIT 團(tuán)隊(duì)決定將該工藝拓展到更常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景 —— 比如鏡面和薄基板的自由成型。

研究配圖 - 6：III 型細(xì)觀結(jié)構(gòu)的顯微圖像

期間他們遇到了一個(gè)較大的障礙，即為 GSFC 開(kāi)發(fā)的工藝，僅能精確控制單一類型的表面應(yīng)用 —— 所謂的等雙軸（equibiaxial）或旋轉(zhuǎn)均勻（rotationally uniform）應(yīng)力。

Chalifoux 解釋稱，該狀態(tài)只能實(shí)現(xiàn)表面的碗狀局部彎曲，而不能糾正薯片或馬鞍形變。要達(dá)成對(duì)表面彎曲的任意控制，還需要全面掌控三項(xiàng)表面應(yīng)力張量（Surface stress tensor）。

為此，MIT 團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了這項(xiàng)技術(shù)，最終發(fā)明了所謂的英里張量介觀結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱 STM）—— 這是一種排列在薄基板背面、且疊加在應(yīng)力圖層上的準(zhǔn)周期單元。

研究配圖 - 7：測(cè)量變形與表面輪廓的 Zernike 系數(shù)

Youwei Yao 解釋到：“通過(guò)在每個(gè)晶胞中旋轉(zhuǎn)光柵的方向、并改變選定區(qū)域的面積分?jǐn)?shù)，即可通過(guò)簡(jiǎn)單的圖案化過(guò)程、同時(shí)控制應(yīng)力張量場(chǎng)的所有三個(gè)分量”。

最終研究團(tuán)隊(duì)花了整整兩年多的時(shí)間來(lái)深入開(kāi)發(fā)這一概念，并且攻克了一系列難題。Schattenburg 指出：“具有納米級(jí)精度的硅晶片的自由成型，需要計(jì)量、力學(xué)和制造這三方面的通力協(xié)作”。

在此之前，研究人員已在實(shí)驗(yàn)室里耗費(fèi)了數(shù)十年的時(shí)間，以積累表面計(jì)量和微細(xì)加工等經(jīng)驗(yàn)。然后結(jié)合研究生開(kāi)發(fā)的薄板建模與優(yōu)化工具，最終拿出了這套不僅限于碗狀表面彎曲的通用基板形狀控制方法。

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