Udvikling af en lavpris, højpræcisionsfremstillingsmetode til tynde spejle og siliciumwafers

Teknologier, der er afhængige af lette optiske systemer med høj præcision, såsom rumteleskoper, røntgenspejle og displaypaneler, har udviklet sig betydeligt i løbet af de sidste årtier, men mere avancerede fremskridt er blevet begrænset af tilsyneladende simple udfordringer. For eksempel kan overfladerne på spejle og plader med mikrostrukturer, der er nødvendige i disse optiske systemer, blive forvrænget af belastede overfladebelægningsmaterialer, hvilket forringer optikkvaliteten. Dette gælder især for ultralette optiske systemer, såsom rumoptik, hvor traditionelle optiske fremstillingsmetoder kæmper for at opfylde krævende formkrav.

Nu har MIT-forskere Youwei Yao, Ralf Heilmann og Mark Schattenburg fra Space Nanotechnology Laboratory (SNL) inden for MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, samt nyuddannet Brandon Chalifoux Ph.D., udtænkt nye metoder til at arbejde forbi. denne barriere.

I et papir, der vises i udgaven af ​​Optica den 20. april , Yao, en forsker og papirets hovedforfatter, forklarer deres nye tilgang til at omforme tyndpladematerialer på en måde, der eliminerer forvrængning og gør det muligt for forskere at bøje overflader mere vilkårligt til de præcise og komplekse former, de måtte have brug for. Tyndpladeformning bruges typisk til komplekse systemer på højt niveau, såsom deformerbare spejle eller wafer-udfladningsprocesser under halvlederfremstilling, men denne innovation betyder, at fremtidig produktion vil være mere præcis, skalerbar og billig. Yao og resten af ​​teamet forestiller sig, at disse tyndere og lettere deformerbare overflader kan være nyttige i bredere applikationer, såsom augmented reality-headset og større teleskoper, der kan sendes ud i rummet til en lavere pris. "At bruge stress til at deformere optiske eller halvlederoverflader er ikke nyt, men ved at anvende moderne litografisk teknologi kan vi overvinde mange af udfordringerne ved eksisterende metoder," siger Yao.

Holdets arbejde bygger på forskning fra Brandon Chalifoux, som nu er adjunkt ved University of Arizona. Chalifoux arbejdede sammen med teamet på tidligere artikler for at udvikle en matematisk formalisme til at forbinde overfladespændingstilstande med deformationer af tynde plader, som en del af hans doktorgrad i maskinteknik.

I denne nye tilgang har Yao udviklet et nyt arrangement af stressmønstre til præcis kontrol af generel stress. Underlag til optiske overflader belægges først på bagsiden med tynde lag højspændingsfilm, lavet af materialer som siliciumdioxid. Nye spændingsmønstre er litografisk trykt ind i filmen, så forskere kan ændre materialets egenskaber i specifikke områder. Selektiv behandling af filmbelægningen i forskellige områder kontrollerer, hvor stress og spænding påføres på tværs af overfladen. Og fordi den optiske overflade og belægningen er klæbet sammen, omformer manipulation af belægningsmaterialet også den optiske overflade i overensstemmelse hermed.

"Du tilføjer ikke stress for at lave en form, du fjerner selektivt stress i specifikke retninger med omhyggeligt designede geometriske strukturer, såsom prikker eller linjer," siger Schattenburg, seniorforsker og direktør for Space Nanotechnology Laboratory. "Det er bare en bestemt måde at give et mål spændingsaflastning på et enkelt sted i spejlet, som så kan bøje materialet."

En idé fra korrigering af rumspejle

Siden 2017 har SNL-teamet arbejdet sammen med NASA Goddard Space Flight Center (GSFC) for at udvikle en proces til at korrigere formforvrængning af røntgen-teleskopspejle forårsaget af belægningsspænding. Forskningen stammer fra et projekt med at bygge røntgenspejle til NASA's Lynx næste generation af røntgenteleskopmissionskoncept, som kræver titusindvis af højpræcisionsspejle. På grund af opgaven med at fokusere røntgenstråler skal spejlene være meget tynde for at samle røntgenstråler effektivt. Spejle mister dog hurtigt stivhed, når de fortyndes, og bliver let forvrænget af spændingen fra deres reflekterende belægninger - et nanometer tykt iridiumlag belagt på forsiden med det formål at reflektere røntgenstråler.

"Mit team hos GSFC har lavet og belagt tynde røntgenspejle siden 2001," siger William Zhang, gruppeleder for røntgenoptik hos GSFC. "Da kvaliteten af ​​røntgenspejle er blevet kontinuerligt forbedret i de sidste årtier efter teknologiske fremskridt, er forvrængning forårsaget af belægninger blevet et stadig mere alvorligt problem." Yao og hans team udviklede en litografisk stressmønstermetode, der med succes kombinerede flere forskellige teknikker, for at opnå fremragende fjernelse af forvrængning, når de blev anvendt på røntgenspejle lavet af gruppen.

Efter denne indledende succes besluttede holdet at udvide processen til mere generelle applikationer, såsom friformsformning af spejle og tynde underlag, men de mødte en stor hindring. "Desværre kan den proces, der er udviklet til GSFC, kun kontrollere en enkelt type overfladespænding, den såkaldte 'equibiaxial' eller rotationsmæssigt ensartet spænding," siger Chalifoux. "Equibiaxiale spændingstilstande kan kun opnå skållignende lokal bøjning af overfladen, som ikke kan korrigere kartoffel-chip- eller sadelformforvrængninger. For at opnå vilkårlig kontrol af overfladebøjning kræves kontrol af alle tre led i den såkaldte 'overfladespændingstensor'."

For at opnå fuld kontrol over stresstensoren videreudviklede Yao og hans team teknologien og opfandt til sidst det, de kalder stresstensor-mesostrukturer (STM'er), som er kvasi-periodiske celler opstillet på bagsiden af ​​tynde substrater, sammensat af gitre overlejret på stressede belægninger. "Ved at rotere gitterets orientering i hver enhedscelle og ændre arealfraktionen af ​​udvalgte områder, kan alle tre komponenter i spændingstensorfeltet styres samtidig med en simpel mønsterproces," forklarer Yao.

Holdet brugte mere end to år på at udvikle dette koncept. "Vi stødte på en række vanskeligheder i processen," siger Schattenburg. "Fri-form formgivning af silicium wafers med nanometer præcision kræver en synergi af metrologi, mekanik og fremstilling. Ved at kombinere laboratoriets årtiers erfaring inden for overflademetrologi og mikrofabrikation med graduate-student-udviklede tyndplade modellering og optimeringsværktøjer, var vi i stand til at demonstrere en generel substratformkontrolmetode, der ikke er begrænset til kun skållignende overfladebøjning."

En lovende teknik til mange applikationer

This approach enabled the team to imagine new applications beyond the initial task of correcting coating-distorted X-ray mirrors. "When forming thin plates using traditional methods, it is difficult to be precise because most of the methods generate parasitic or residual stresses which lead to secondary distortion and spring-back after processing," says Jian Cao, a professor of mechanical engineering at Northwestern University, who was not involved with the work. "But the STM stress-bending method is quite stable, which is especially useful for optics-related applications."

Yao and his colleagues are also expecting to control stress tensors dynamically in the future. "Piezoelectric actuation of thin mirrors, which is used in adaptive optics technology, has been under development for many years, but most methods can only control one component of the stress," Yao explains. "If we can pattern STMs on thin, piezo-actuated plates, we would be able to extend these techniques beyond optics to interesting applications such as actuation on microelectronics and soft robotics." + Udforsk yderligere

Precision mirrors poised to improve sensitivity of gravitational wave detectors

This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation and teaching.