Ilmuwan MIT mengembangkan metode fabrikasi berbiaya rendah dan presisi tinggi untuk cermin tipis dan wafer silikon » MIT Physics

Teknik fotolitografi baru bisa menjadi pengubah permainan manufaktur untuk aplikasi optik.

Teknologi yang bergantung pada ringan, sistem optik presisi tinggi, seperti teleskop ruang angkasa, cermin sinar-X, dan panel layar, telah berkembang secara signifikan selama beberapa dekade terakhir, tetapi kemajuan yang lebih maju telah dibatasi oleh tantangan yang tampaknya sederhana. Misalnya, permukaan cermin dan pelat dengan struktur mikro yang diperlukan dalam sistem optik ini dapat terdistorsi oleh bahan pelapis permukaan yang tertekan, menurunkan kualitas optik. Hal ini terutama berlaku untuk sistem optik ultra-ringan, seperti optik ruang, di mana metode fabrikasi optik tradisional berjuang untuk memenuhi persyaratan bentuk yang tepat.

Sekarang, peneliti MIT Youwei Yao, Ralf Heilmann, dan Mark Schattenburg dari Space Nanotechnology Laboratory (SNL) dalam Kavli Institute for Astrophysics and Space Research MIT, serta lulusan baru Brandon Chalifoux PhD ’19, telah menemukan metode baru untuk mengatasi ini penghalang.

Dalam sebuah makalah yang muncul di edisi 20 April dari optik, Yao, seorang ilmuwan riset dan penulis utama makalah ini, menjelaskan pendekatan baru mereka untuk membentuk kembali bahan pelat tipis dengan cara menghilangkan distorsi dan memungkinkan peneliti membengkokkan permukaan lebih sewenang-wenang ke dalam bentuk yang tepat dan kompleks yang mungkin mereka butuhkan. Pembentukan pelat tipis biasanya digunakan untuk sistem tingkat tinggi dan kompleks, seperti cermin yang dapat dideformasi atau proses perataan wafer selama pembuatan semikonduktor, tetapi inovasi ini berarti produksi masa depan akan lebih presisi, terukur, dan murah. Yao dan anggota tim lainnya membayangkan bahwa permukaan yang lebih tipis dan lebih mudah berubah bentuk ini dapat berguna dalam aplikasi yang lebih luas, seperti headset augmented reality dan teleskop yang lebih besar yang dapat dikirim ke luar angkasa dengan biaya lebih rendah. “Menggunakan tekanan untuk mengubah bentuk permukaan optik atau semikonduktor bukanlah hal baru, tetapi dengan menerapkan teknologi litografi modern, kami dapat mengatasi banyak tantangan dari metode yang ada,” kata Yao.

BACA JUGA :  Siswa sekolah menengah ini memiliki peringatan tentang remaja dan media sosial

Pekerjaan tim dibangun berdasarkan penelitian Brandon Chalifoux, yang sekarang menjadi asisten profesor di University of Arizona. Chalifoux bekerja dengan tim pada makalah sebelumnya untuk mengembangkan formalisme matematika untuk menghubungkan keadaan tegangan permukaan dengan deformasi pelat tipis, sebagai bagian dari gelar doktornya di bidang teknik mesin.

Dalam pendekatan baru ini, Yao telah mengembangkan susunan pola stres baru untuk mengendalikan stres umum secara tepat. Substrat untuk permukaan optik pertama kali dilapisi di bagian belakang dengan lapisan tipis film tegangan tinggi, terbuat dari bahan seperti silikon dioksida. Pola tegangan baru dicetak secara litografis ke dalam film sehingga peneliti dapat mengubah sifat material di area tertentu. Perlakuan selektif lapisan film di area yang berbeda mengontrol di mana tegangan dan tegangan diterapkan di seluruh permukaan. Dan karena permukaan optik dan pelapis saling menempel, memanipulasi bahan pelapis juga membentuk kembali permukaan optik yang sesuai.

“Anda tidak menambahkan tekanan untuk membuat suatu bentuk, Anda secara selektif menghilangkan stres dalam arah tertentu dengan struktur geometris yang dirancang dengan hati-hati, seperti titik atau garis,” kata Schattenburg, ilmuwan peneliti senior dan direktur Space Nanotechnology Laboratory. “Itu hanya cara tertentu untuk memberikan penghilang stres target di satu tempat di cermin yang kemudian dapat menekuk material.”

Sebuah ide dari mengoreksi cermin luar angkasa

Sejak 2017, tim SNL telah bekerja dengan NASA Goddard Space Flight Center (GSFC) untuk mengembangkan proses untuk memperbaiki distorsi bentuk cermin teleskop sinar-X yang disebabkan oleh tegangan lapisan. Penelitian ini bermula dari proyek pembuatan cermin sinar-X untuk konsep misi teleskop sinar-X generasi berikutnya Lynx NASA, yang membutuhkan puluhan ribu cermin presisi tinggi. Karena tugas memfokuskan sinar-X, cermin harus sangat tipis untuk mengumpulkan sinar-X secara efisien. Namun, cermin kehilangan kekakuan dengan cepat saat menipis, menjadi mudah terdistorsi oleh tekanan dari lapisan reflektifnya — lapisan iridium setebal nanometer yang dilapisi di sisi depan untuk tujuan memantulkan sinar-X.

BACA JUGA :  Menggunakan Model Bidomain Mekanik untuk Menganalisis Perilaku Biomekanik Kardiomiosit

“Tim saya di GSFC telah membuat dan melapisi cermin tipis sinar-X sejak 2001,” kata William Zhang, pemimpin kelompok optik sinar-X di GSFC. “Karena kualitas cermin sinar-X terus meningkat dalam beberapa dekade terakhir setelah kemajuan teknologi, distorsi yang disebabkan oleh pelapis telah menjadi masalah yang semakin serius.” Yao dan timnya mengembangkan metode pola tegangan litografi, yang berhasil menggabungkan beberapa teknik berbeda, untuk mencapai penghilangan distorsi yang sangat baik ketika diterapkan pada cermin sinar-X yang dibuat oleh kelompok tersebut.

Setelah keberhasilan awal ini, tim memutuskan untuk memperluas proses ke aplikasi yang lebih umum, seperti pembentukan cermin bentuk bebas dan substrat tipis, tetapi mereka menemui kendala besar. “Sayangnya, proses yang dikembangkan untuk GSFC hanya dapat secara tepat mengontrol satu jenis tegangan permukaan, yang disebut tegangan ‘ekuibiaksial,’ atau seragam rotasi,” kata Chalifoux. “Status tegangan ekuibiaksial hanya dapat mencapai tekukan permukaan lokal seperti mangkuk, yang tidak dapat memperbaiki distorsi bentuk keripik kentang atau sadel. Untuk mencapai kontrol sewenang-wenang dari pembengkokan permukaan memerlukan kontrol ketiga istilah dalam apa yang disebut ‘tensor tegangan permukaan.’”

Untuk mencapai kontrol penuh dari tensor tegangan, Yao dan timnya mengembangkan teknologi lebih lanjut, akhirnya menemukan apa yang mereka sebut mesostruktur tegangan tensor (STM), yang merupakan sel kuasi-periodik yang tersusun di permukaan belakang substrat tipis, terdiri dari kisi-kisi yang ditumpangkan pada lapisan stres. “Dengan memutar orientasi kisi di setiap sel satuan dan mengubah fraksi area dari area yang dipilih, ketiga komponen medan tensor tegangan dapat dikontrol secara bersamaan dengan proses pola sederhana,” jelas Yao.

Tim menghabiskan lebih dari dua tahun mengembangkan konsep ini. “Kami mengalami serangkaian kesulitan dalam prosesnya,” kata Schattenburg. “Pembentukan wafer silikon bentuk bebas dengan presisi nanometer membutuhkan sinergi metrologi, mekanika, dan fabrikasi. Dengan menggabungkan pengalaman laboratorium selama puluhan tahun dalam metrologi permukaan dan fabrikasi mikro dengan alat pemodelan dan pengoptimalan pelat tipis yang dikembangkan oleh mahasiswa pascasarjana, kami dapat mendemonstrasikan metode kontrol bentuk substrat umum yang tidak terbatas hanya pada pembengkokan permukaan seperti mangkuk.”

BACA JUGA :  Otto Schmitt dan Model Bidomain

Teknik yang menjanjikan untuk banyak aplikasi

Pendekatan ini memungkinkan tim untuk membayangkan aplikasi baru di luar tugas awal mengoreksi cermin sinar-X yang terdistorsi lapisan. “Saat membentuk pelat tipis menggunakan metode tradisional, sulit untuk menjadi tepat karena sebagian besar metode menghasilkan tegangan parasit atau sisa yang menyebabkan distorsi sekunder dan pegas kembali setelah pemrosesan,” kata Jian Cao, seorang profesor teknik mesin di Universitas Northwestern , yang tidak terlibat dalam pekerjaan. “Tetapi metode pembengkokan tegangan STM cukup stabil, yang sangat berguna untuk aplikasi yang berhubungan dengan optik.”

Yao dan rekan-rekannya juga berharap untuk mengendalikan tensor stres secara dinamis di masa depan. “Aktuasi piezoelektrik dari cermin tipis, yang digunakan dalam teknologi optik adaptif, telah dikembangkan selama bertahun-tahun, tetapi sebagian besar metode hanya dapat mengontrol satu komponen tegangan,” jelas Yao. “Jika kita dapat membuat pola STM pada pelat tipis yang digerakkan oleh piezo, kita akan dapat memperluas teknik ini di luar optik hingga aplikasi yang menarik seperti aktuasi pada mikroelektronika dan robotika lunak.”

Pekerjaan ini didanai oleh NASA.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *