MIT开发出适用于薄镜和硅晶片的低成本、高精度制造方法

用于太空望远镜、X 光镜和显示面板的轻量级高精度光学技术，已于过去几十年里取得了长足发展。然而更先进的进展，却一直受到看似简单的障碍的限制。比如这些光学系统中必须放入具有微结构的镜板，但其表面涂层材料可能在应力作用下发生形变，结果导致光学质量被降低。对于空间光学等超轻型光学系统来说，典型光学工艺就是难以生产出满足其严格要求的形状。

蚀刻到硅镜热氧化层中的应力校正图案（图自：Youwei Yao）

好消息是，来自麻省理工学院（MIT）Kavli 天体物理与空间研究所旗下空间纳米技术实验室（SNL）的一支研究团队，刚刚提出了一种能够化解这种尴尬的新设计。

MIT 研究员 Youwei Yao、Ralf Heilmann、Mark Schattenburg、以及最近毕业的 19 级博士生 Brandon Chalifoux，在 4 月 14 日出版的《Optica》光学期刊上提到了一种具有应力校正图案的硅镜。

研究一作 Youwei Yao 解释了他们是如何通过新方法来重塑薄板材料以消除形变，从而研究人员能够更加随心所欲地将表面弯曲成他们可能需要的精确且复杂星装

研究配图 - 1：刻入硅衬底的光栅线 / TOx 涂层 / 形变测量

薄板成型常用于高级复杂系统，例如半导体制造过程中的可变形反射镜或晶圆展平工艺。不过得益于 MIT 的创新工艺，未来生产将能够更加精确、实惠、且可扩展。

虽然利用应力或半导体表面形变早已不是什么新鲜事，但 MIT 这次却用上了更现代的光刻技术。

研究团队指出，这些更薄、更容易变形的表面，可用于从增强现实（AR）头显、到更实惠的大号太空望远镜等更广泛的目的。

研究配图 - 2：产生三叶形变的设计部分 / 25 个制造用单元显微图像 / 形变测量

据悉，这项研究成果，建立在现亚利桑那大学助理教授 Brandon Chalifoux 的研究基础之上。

作为早期机械工程博士学位论文的一部分，他与 MIT 研究团队合作开发了一种数学模式，以将表面应力状态与薄板的变形联系起来。

Yao 开发了一种新的压力模式排列，并将之用于精确控制。首先是在光学表面基板的背部，涂上一层由薄薄的二氧化硅等材料制成的高应力薄膜。

研究配图 - 3：晶圆表面图案化前后的 S 形 / 平面测量

待新的应力图案被平板印刷到薄膜上，研究人员便可在特定区域改变材料的特性。进而选择性地处理不同区域的薄膜涂层，以控制在表面施加应力与张力的位置。

由于光学表面与涂层是粘合在一起的，因此通过操纵涂层材料，也会相应地重塑光学表面。空间纳米技术实验室高级研究科学家兼主任 Schattenburg 补充道：

我们并未通过增加压力来塑造形状，而是通过精心设计的几何结构（如点或线）来选择性地消除特定方向上的压力 —— 而且这只是在镜中单个位置释放目标应力、以弯曲材料的一种特定方法。

研究配图 - 4：测量形变与表面轮廓的 Zernike 系数

自 2017 年以来，SNL 团队一直在与 NASA 戈达德太空飞行中心（GSFC）合作开发一种工艺，以纠正由涂层应力引起的 X 射线望远镜的镜面形状失真。

该研究起源于 NASA 为 Lynx 的下一代 X 射线望远镜任务概念而打造的反射镜项目，其中需要用到数万个高精度的反射镜。因其需要聚焦 X 射线，所以反射镜必须极其薄，才能有效地收集 X 射线。

尴尬的是，镜子很容易在变薄时迅速失去刚性、同时极易因反射涂层的应力而变形 —— 后者是具有纳米级厚度、用于反射 X 射线的铱层。

研究配图 - 5：背面图案化的 II 型介观结构产生的 100mm 硅晶片三叶形变

随着技术进步，X 射线镜的品质已在过去几十年中被不断提升。然而涂层导致的失真，也成为了一个日益严重的问题。

为此，Yao 与同僚们开发出了一种光刻应力图案化方法，并且成功地结合了几种不同的技术。实验表明，在用于他们制造的 X 射线镜时，该技术可极其出色的消除失真。

在取得初步成功之后，MIT 团队决定将该工艺拓展到更常见的应用场景 —— 比如镜面和薄基板的自由成型。

研究配图 - 6：III 型细观结构的显微图像

期间他们遇到了一个较大的障碍，即为 GSFC 开发的工艺，仅能精确控制单一类型的表面应用 —— 所谓的等双轴（equibiaxial）或旋转均匀（rotationally uniform）应力。

Chalifoux 解释称，该状态只能实现表面的碗状局部弯曲，而不能纠正薯片或马鞍形变。要达成对表面弯曲的任意控制，还需要全面掌控三项表面应力张量（Surface stress tensor）。

为此，MIT 团队进一步开发了这项技术，最终发明了所谓的英里张量介观结构（简称 STM）—— 这是一种排列在薄基板背面、且叠加在应力图层上的准周期单元。

研究配图 - 7：测量变形与表面轮廓的 Zernike 系数

Youwei Yao 解释到：“通过在每个晶胞中旋转光栅的方向、并改变选定区域的面积分数，即可通过简单的图案化过程、同时控制应力张量场的所有三个分量”。

最终研究团队花了整整两年多的时间来深入开发这一概念，并且攻克了一系列难题。Schattenburg 指出：“具有纳米级精度的硅晶片的自由成型，需要计量、力学和制造这三方面的通力协作”。

在此之前，研究人员已在实验室里耗费了数十年的时间，以积累表面计量和微细加工等经验。然后结合研究生开发的薄板建模与优化工具，最终拿出了这套不仅限于碗状表面弯曲的通用基板形状控制方法。