用於太空望遠鏡、X 光鏡和顯示面板的輕量級高精度光學技術，已於過去幾十年裡取得了長足發展。然而更先進的進展，卻一直受到看似簡單的障礙的限制。比如這些光學系統中必須放入具有微結構的鏡板，但其表面塗層材料可能在應力作用下發生形變，結果導致光學質量被降低。對於空間光學等超輕型光學系統來說，典型光學工藝就是難以生產出滿足其嚴格要求的形狀。

蝕刻到矽鏡熱氧化層中的應力校正圖案（圖自：Youwei Yao）

好消息是，來自麻省理工學院（MIT）Kavli 天體物理與空間研究所旗下空間納米技術實驗室（SNL）的一支研究團隊，剛剛提出了一種能夠化解這種尷尬的新設計。

MIT 研究員Youwei Yao、Ralf Heilmann、Mark Schattenburg、以及最近畢業的19 級博士生Brandon Chalifoux，在4 月14 日出版的《Optica》光學期刊上提到了一種具有應力校正圖案的矽鏡。

研究一作Youwei Yao 解釋了他們是如何通過新方法來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複雜星裝

研究配圖- 1：刻入矽襯底的光柵線/ TOx 塗層/ 形變測量

薄板成型常用於高級複雜系統，例如半導體製造過程中的可變形反射鏡或晶圓展平工藝。不過得益於MIT 的創新工藝，未來生產將能夠更加精確、實惠、且可擴展。

雖然利用應力或半導體表面形變早已不是什麼新鮮事，但MIT 這次卻用上了更現代的光刻技術。

研究團隊指出，這些更薄、更容易變形的表面，可用於從增強現實（AR）頭顯、到更實惠的大號太空望遠鏡等更廣泛的目的。

研究配圖- 2：產生三葉形變的設計部分/ 25 個製造用單元顯微圖像/ 形變測量

據悉，這項研究成果，建立在現亞利桑那大學助理教授Brandon Chalifoux 的研究基礎之上。

作為早期機械工程博士學位論文的一部分，他與MIT 研究團隊合作開發了一種數學模式，以將表面應力狀態與薄板的變形聯繫起來。

Yao 開發了一種新的壓力模式排列，並將之用於精確控制。首先是在光學表面基板的背部，塗上一層由薄薄的二氧化矽等材料製成的高應力薄膜。

研究配圖- 3：晶圓表面圖案化前後的S 形/ 平面測量

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

由於光學表面與塗層是粘合在一起的，因此通過操縱塗層材料，也會相應地重塑光學表面。空間納米技術實驗室高級研究科學家兼主任Schattenburg 補充道：

我們並未通過增加壓力來塑造形狀，而是通過精心設計的幾何結構（如點或線）來選擇性地消除特定方向上的壓力—— 而且這只是在鏡中單個位置釋放目標應力、以彎曲材料的一種特定方法。

研究配圖- 4：測量形變與表面輪廓的Zernike 係數

自2017 年以來，SNL 團隊一直在與NASA 戈達德太空飛行中心（GSFC）合作開發一種工藝，以糾正由塗層應力引起的X 射線望遠鏡的鏡面形狀失真。

該研究起源於NASA 為Lynx 的下一代X 射線望遠鏡任務概念而打造的反射鏡項目，其中需要用到數万個高精度的反射鏡。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迅速失去剛性、同時極易因反射塗層的應力而變形—— 後者是具有納米級厚度、用於反射X 射線的銥層。

研究配圖- 5：背面圖案化的II 型介觀結構產生的100mm 矽晶片三葉形變

隨著技術進步，X 射線鏡的品質已在過去幾十年中被不斷提升。然而塗層導致的失真，也成為了一個日益嚴重的問題。

為此，Yao 與同僚們開發出了一種光刻應力圖案化方法，並且成功地結合了幾種不同的技術。實驗表明，在用於他們製造的X 射線鏡時，該技術可極其出色的消除失真。

在取得初步成功之後，MIT 團隊決定將該工藝拓展到更常見的應用場景—— 比如鏡面和薄基板的自由成型。

研究配圖- 6：III 型細觀結構的顯微圖像

期間他們遇到了一個較大的障礙，即為GSFC 開發的工藝，僅能精確控制單一類型的表面應用—— 所謂的等雙軸（equibiaxial）或旋轉均勻（rotationally uniform）應力。

Chalifoux 解釋稱，該狀態只能實現表面的碗狀局部彎曲，而不能糾正薯片或馬鞍形變。要達成對錶面彎曲的任意控制，還需要全面掌控三項表面應力張量（Surface stress tensor）。

為此，MIT 團隊進一步開發了這項技術，最終發明了所謂的英里張量介觀結構（簡稱STM）—— 這是一種排列在薄基板背面、且疊加在應力圖層上的準週期單元。

研究配圖- 7：測量變形與表面輪廓的Zernike 係數

Youwei Yao 解釋到：“通過在每個晶胞中旋轉光柵的方向、並改變選定區域的面積分數，即可通過簡單的圖案化過程、同時控制應力張量場的所有三個分量”。

最終研究團隊花了整整兩年多的時間來深入開發這一概念，並且攻克了一系列難題。Schattenburg 指出：“具有納米級精度的矽晶片的自由成型，需要計量、力學和製造這三方面的通力協作”。

在此之前，研究人員已在實驗室裡耗費了數十年的時間，以積累表面計量和微細加工等經驗。然後結合研究生開發的薄板建模與優化工具，最終拿出了這套不僅限於碗狀表面彎曲的通用基板形狀控制方法。