MITの科学者は開発能力が低い

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宇宙望遠鏡、X 線ミラー、ディスプレイ パネルなど、軽量で高精度の光学システムに依存する技術は、過去数十年にわたって大きく発展してきましたが、より高度な進歩は、一見単純な課題によって制限されてきました。 たとえば、これらの光学システムに必要な微細構造を備えたミラーやプレートの表面は、応力のある表面コーティング材料によって歪み、光学の品質を低下させる可能性があります。 これは、従来の光学製造方法では厳しい形状要件を満たすのが難しい宇宙光学などの超軽量光学システムに特に当てはまります。

現在、マサチューセッツ工科大学カブリ天体物理学・宇宙研究所内の宇宙ナノテクノロジー研究所（SNL）の研究者、ヤオ・ヨウウェイ氏、ラルフ・ハイルマン氏、マーク・シャッテンバーグ氏と、19年に卒業したばかりのブランドン・シャリフ博士が、この問題を乗り越えるための新しい方法を考案した。バリア。

Optica の 4 月 20 日号に掲載された論文の中で、研究科学者で論文の筆頭著者である Yao 氏は、歪みを排除し、研究者が表面をより任意に曲げて正確で正確な形状にできるようにする方法で薄板材料を再形成する新しいアプローチについて説明しています。複雑な形状が必要になる可能性があります。 薄板の成形は、通常、半導体製造時の変形可能ミラーやウェーハ平坦化プロセスなどの高度で複雑なシステムに使用されますが、この革新は、将来の生産がより正確で、拡張可能で、安価になることを意味します。 ヤオ氏とチームの残りのメンバーは、これらの薄くて変形しやすい表面は、拡張現実ヘッドセットや低コストで宇宙に送ることができる大型の望遠鏡など、より幅広い用途に役立つ可能性があると想像しています。 「応力を利用して光学面や半導体の表面を変形させることは新しいことではありませんが、最新のリソグラフィ技術を適用することで、既存の方法の課題の多くを克服できます」とヤオ氏は言います。

研究チームの研究は、現在アリゾナ大学の助教授であるブランドン・カリフー氏の研究に基づいている。 Chalifoux は、機械工学の博士号の一環として、初期の論文でチームと協力して、表面応力状態と薄板の変形を結び付ける数学的形式主義を開発しました。

この新しいアプローチで、ヤオ氏は一般的なストレスを正確に制御するためのストレス パターンの新しい配置を開発しました。 光学面用の基板は、まず、二酸化シリコンなどの材料で作られた高応力フィルムの薄い層で裏面をコーティングします。 新しい応力パターンがリソグラフィーによってフィルムに印刷されるため、研究者は特定の領域の材料の特性を変更できます。 さまざまな領域でフィルム コーティングを選択的に処理することで、表面全体に応力と張力がかかる場所を制御します。 また、光学面とコーティングは接着されているため、コーティング材料を操作すると、それに応じて光学面の形状も変更されます。

「形状を作るために応力を加えているのではなく、点や線などの慎重に設計された幾何学的構造によって特定の方向の応力を選択的に除去しているのです」と上級研究員で宇宙ナノテクノロジー研究所所長のシャッテンバーグ氏は言う。 「これは、ミラー内の 1 か所でターゲットの応力を緩和し、材料を曲げることができる特定の方法にすぎません。」

スペースミラーの修正からのアイデア

2017 年以来、SNL チームは NASA ゴダード宇宙飛行センター (GSFC) と協力して、コーティング応力によって生じる X 線望遠鏡ミラーの形状歪みを修正するプロセスを開発してきました。この研究は、NASA の Lynx 次世代 X 線望遠鏡ミッション コンセプト用の X 線ミラーを構築するプロジェクトに端を発しており、これには数万枚の高精度ミラーが必要です。 X 線を集束させるという役割があるため、ミラーは X 線を効率的に集めるために非常に薄くする必要があります。 しかし、ミラーは薄くなると急速に剛性を失い、反射コーティング（X 線を反射する目的で前面にコーティングされたナノメートルの厚さのイリジウム層）からの応力によって歪みやすくなります。

「GSFC の私のチームは 2001 年から薄い X 線ミラーの製造とコーティングを行っています」と GSFC の X 線光学グループ リーダーの William Zhang 氏は言います。 「技術の進歩に伴い、ここ数十年間で X 線ミラーの品質が継続的に向上するにつれて、コーティングによって生じる歪みはますます深刻な問題になっています。」 Yao氏と彼のチームは、いくつかの異なる技術をうまく組み合わせたリソグラフィー応力パターニング法を開発し、同グループが製造したX線ミラーに適用した場合に優れた歪み除去を達成した。

この最初の成功の後、チームはこのプロセスをミラーや薄い基板の自由形状成形など、より一般的なアプリケーションに拡張することを決定しましたが、大きな障害に遭遇しました。 「残念ながら、GSFC 用に開発されたプロセスでは、単一タイプの表面応力、いわゆる『等二軸』応力、または回転方向に均一な応力しか正確に制御できません」と Chalifoux 氏は言います。 「等二軸応力状態では、表面のお椀状の局所的な曲がりしか達成できず、ポテトチップや鞍型の歪みは修正できません。表面の曲がりを任意に制御するには、いわゆる「表面応力テンソル」の 3 つの項すべてを制御する必要があります。 「」

応力テンソルの完全な制御を達成するために、Yao と彼のチームは技術をさらに開発し、最終的に応力テンソル メソ構造 (STM) と呼ばれるものを発明しました。これは、薄い基板の裏面に配列された準周期セルであり、格子が重ね合わされて構成されています。ストレスのあるコーティング。 「各単位セル内の格子の向きを回転させ、選択した領域の面積率を変更することにより、応力テンソル場の 3 つの成分すべてを、単純なパターニング プロセスで同時に制御できます」と Yao 氏は説明します。

チームはこのコンセプトの開発に 2 年以上を費やしました。 「その過程で、私たちは一連の困難に遭遇しました」とシャッテンバーグ氏は言う。 「ナノメートルの精度でシリコンウェーハを自由形状に成形するには、計測学、力学、製造の相乗効果が必要です。研究室の数十年にわたる表面計測と微細加工の経験と、大学院生が開発した薄板モデリングおよび最適化ツールを組み合わせることで、お椀状の表面曲げに限定されない一般的な基板形状制御方法を実証します。」

多くの用途に有望な技術

このアプローチにより、チームはコーティングで歪んだ X 線ミラーを修正するという当初の作業を超えた新しい用途を想像できるようになりました。 ノースウェスタン大学機械工学教授のジャン・カオ氏は、「従来の方法で薄板を形成する場合、ほとんどの方法では寄生応力や残留応力が発生し、加工後に二次歪みやスプリングバックが発生するため、精度を高めるのが難しい」と話す。 、作品には関与していませんでした。 「しかし、STM 応力曲げ法は非常に安定しているため、光学関連のアプリケーションに特に役立ちます。」

Yaoらはまた、将来的には応力テンソルを動的に制御できると期待している。 「補償光学技術で使用される薄いミラーの圧電駆動は、長年にわたって開発が続けられてきましたが、ほとんどの方法では応力の 1 つの成分しか制御できません」とヤオ氏は説明します。 「薄い圧電駆動プレート上に STM をパターン化できれば、これらの技術を光学を超えて、マイクロエレクトロニクスやソフト ロボット工学の駆動などの興味深い用途に拡張できるでしょう。」

この研究は NASA から資金提供を受けました。

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