İnce Aynalar ve Silikon Yonga Plakaları için Düşük Maliyetli, Yüksek Hassasiyetli Üretim Yöntemi
Uzay teleskopları, X-ışını aynaları ve ekran panelleri gibi hafif, yüksek hassasiyetli optik sistemlere dayanan teknolojiler, son birkaç on yılda önemli ölçüde gelişti, ancak daha gelişmiş ilerleme, görünüşte basit zorluklarla sınırlandı.
Örneğin, bu optik sistemlerde gerekli olan mikro yapılı aynaların ve plakaların yüzeyleri, gerilmiş yüzey kaplama malzemeleri tarafından bozulabilir ve optik kaliteyi bozabilir. Bu, özellikle geleneksel optik üretim yöntemlerinin zorlu şekil gereksinimlerini karşılamakta zorlandığı uzay optiği gibi ultra hafif optik sistemler için geçerlidir.
Şimdi, MIT’nin Kavli Astrofizik ve Uzay Araştırmaları Enstitüsü bünyesindeki Uzay Nanoteknoloji Laboratuvarı’ndan (SNL) MIT araştırmacıları Youwei Yao, Ralf Heilmann ve Mark Schattenburg ve 2019’da doktora programından mezun Brandon Chalifoux, bu bariyerin üstesinden gelmek
için yeni yöntemler geliştirdiler.
Araştırma bilimcisi ve makalenin baş yazarı olan Yao, Optica’nın 20 Nisan sayısında yayınlanan bir makalede, İnce plaka malzemelerini bozulmayı ortadan kaldıracak ve araştırmacıların yüzeyleri
ihtiyaç duyabilecekleri kesin ve karmaşık şekillere daha keyfi bir şekilde bükmelerini sağlayacak şekilde yeniden şekillendirmeye yönelik yeni yaklaşımlarını açıklıyor.
İnce plaka şekillendirme, tipik olarak, yarı iletken üretimi sırasında deforme olabilen aynalar veya yonga plakası düzleştirme işlemleri gibi yüksek seviyeli, karmaşık sistemler için kullanılır, ancak bu yenilik, gelecekteki üretimin daha hassas, ölçeklenebilir ve ucuz olacağı anlamına gelir.
Yao ve ekibin geri kalanı, bu daha ince ve daha kolay deforme olabilen yüzeylerin, artırılmış gerçeklik başlıkları ve daha düşük maliyetle uzaya gönderilebilen daha büyük teleskoplar gibi daha geniş uygulamalarda faydalı olabileceğini hayal ediyor.
Yao, “Optik veya yarı iletken yüzeyleri deforme etmek için stres kullanmak yeni değil, ancak modern litografik teknolojiyi uygulayarak mevcut yöntemlerin birçok zorluğunun üstesinden gelebiliriz” dedi.
Ekibin çalışması, şu anda Arizona Üniversitesi’nde yardımcı doçent olan Brandon Chalifoux’nun araştırmasına dayanıyor. Chalifoux, makine mühendisliği doktorasının bir parçası olarak, yüzey gerilimi durumlarını ince plakaların deformasyonlarıyla ilişkilendirmek için matematiksel bir
formalizm geliştirmek için daha önceki makalelerde ekiple birlikte çalıştı.
Bu yeni yaklaşımda Yao, genel stresi tam olarak kontrol etmek için yeni bir stres kalıpları düzenlemesi geliştirdi. Optik yüzeyler için alt tabakalar ilk olarak arka tarafta silikon dioksit gibi malzemelerden yapılmış ince yüksek gerilimli film tabakaları ile kaplanır. Araştırmacıların malzemenin özelliklerini belirli alanlarda değiştirebilmeleri için yeni stres desenleri filme litografik olarak basılmıştır.
Film kaplamanın farklı alanlarda seçici olarak işlenmesi, yüzey boyunca stres ve gerilimin uygulandığı yerleri kontrol eder. Optik yüzey ve kaplama birbirine yapıştırıldığından, kaplama
malzemesinin manipüle edilmesi optik yüzeyi de buna göre yeniden şekillendirir. Kıdemli araştırma bilimcisi ve Uzay Nanoteknoloji Laboratuvarı direktörü Schattenburg, “Bir şekil oluşturmak için stres eklemiyorsunuz, noktalar veya çizgiler gibi özenle tasarlanmış geometrik yapılarla seçici olarak belirli yönlerdeki stresi kaldırıyorsunuz” dedi.
“Bu, aynadaki tek bir yerde hedef gerilimi azaltmanın belirli bir yolu ve daha sonra malzemeyi bükebilir.” Uzay Aynalarını Düzeltmekten Gelen Bir Fikir 2017’den beri SNL ekibi, kaplama stresinin neden olduğu X-ışını teleskop aynalarının şekil bozulmasını düzeltmek adına bir süreç geliştirmek için NASA Goddard Uzay Uçuş Merkezi (GSFC) ile birlikte çalıştı.
Araştırma, NASA’nın on binlerce yüksek hassasiyetli ayna gerektiren Lynx yeni nesil X-ray teleskop görev konsepti için X-ışını aynaları inşa etme projesinden kaynaklandı. X-ışınlarını odaklama görevi nedeniyle, X-ışınlarını verimli bir şekilde toplamak için aynalar çok ince olmalıdır.
Bununla birlikte, aynalar inceldikçe sertliklerini hızla kaybederler ve X-ışınlarını yansıtmak
amacıyla ön yüzünde kaplanmış nanometre kalınlığında bir iridyum tabakası yansıtıcı kaplamalarından kaynaklanan stres tarafından kolayca bozulurlar.
GSFC’de X-ray optik grup lideri William Zhang, “GSFC’deki ekibim 2001’den beri ince X-ışını aynaları yapıyor ve kaplıyor” diyor. “Teknolojik ilerlemelerin ardından son birkaç on yılda X-ışını aynalarının kalitesi sürekli olarak arttığından, kaplamaların neden olduğu bozulma giderek daha ciddi bir sorun haline geldi.” Yao ve ekibi, grup tarafından yapılan X-ışını aynalarına uygulandığında bozulmanın mükemmel şekilde giderilmesini sağlamak için birkaç
farklı tekniği başarıyla birleştiren bir litografik stres desenleme yöntemi geliştirdi.
Bu ilk başarının ardından ekip, süreci aynaların ve ince alt tabakaların serbest biçimli şekillendirilmesi gibi daha genel uygulamalara genişletmeye karar verdi, ancak büyük
bir engelle karşılaştılar. Chalifoux, “Ne yazık ki, GSFC için geliştirilen süreç, “eş-eksenli” veya rotasyonel olarak tek biçimli stres olarak adlandırılan tek bir yüzey stresi türünü tam olarak kontrol edebilir, diyor.
“Eşibiaksiyel gerilim durumları, patates cipsi veya eyer şekli bozulmalarını düzeltemeyen,
yalnızca yüzeyin çanak benzeri yerel bükülmesini sağlayabilir. Yüzey bükülmesinin keyfi kontrolünü elde etmek, “yüzey gerilme tensörü” olarak adlandırılan üç terimin tümünün kontrolünü gerektirir.
Yao ve ekibi, stres tensörünün tam kontrolünü elde etmek için teknolojiyi daha da geliştirdi ve sonunda stres tensör mezoyapıları (STM’ler) dedikleri şeyi icat etti. Bunlar, gerilimli kaplamalar üzerine bindirilmiş ızgaralardan oluşan, ince substratların arka yüzeyi üzerine dizilmiş yarı-periyodik hücrelerdir. Yao, “Her birim hücrede ızgaranın yönünü döndürerek ve seçilen alanların alan fraksiyonunu değiştirerek, stres tensör alanının üç bileşeninin tümü aynı anda basit bir modelleme işlemiyle kontrol edilebilir” diye açıkladı.
Ekip, bu konsepti geliştirmek için iki yıldan fazla zaman harcadı. Schattenburg, “Süreçte bir dizi zorlukla karşılaştık” dedi. “Silikon levhaların nanometre hassasiyetinde serbest biçimli şekillendirilmesi, bir metroloji, mekanik ve üretim sinerjisi gerektirir.
Laboratuvarın onlarca yıllık yüzey metrolojisi ve mikrofabrikasyon deneyimini lisansüstü öğrenciler tarafından geliştirilen ince plaka modelleme ve optimizasyon araçlarıyla birleştirerek, yalnızca çanak benzeri yüzey bükme ile sınırlı olmayan genel bir alt tabaka şekli kontrol yöntemini gösterebildik.”
Birçok Uygulama için Umut Verici Bir Teknik Bu yaklaşım, ekibin, kaplaması bozulmuş X-ışını aynalarını düzeltmenin ilk görevinin ötesinde yeni uygulamalar hayal etmesini sağladı.
Çalışmaya dahil olmaya, Northwestern Üniversitesi’nde makine mühendisliği profesörü olan
Jian Cao, “Geleneksel yöntemler kullanılarak ince plakalar oluştururken, yöntemlerin çoğu, ikincil bozulmaya ve işlemden sonra geri esnemeye yol açan parazitik veya artık gerilimler oluşturduğundan, kesin olmak zordur” dedi.
“Ancak STM stres bükme yöntemi oldukça kararlı, bu da özellikle optikle ilgili uygulamalar için kullanışlı.” Yao ve meslektaşları da gelecekte stres tensörlerini dinamik olarak kontrol etmeyi umuyorlar. Yao, “Uyarlanabilir optik teknolojisinde kullanılan ince aynaların piezoelektrikle
çalıştırılması uzun yıllardır geliştirme aşamasındadır, ancak çoğu yöntem stresin yalnızca bir bileşenini kontrol edebilir” diye açıkladı.
“Eğer STM’leri ince, piezo tahrikli plakalar üzerinde modelleyebilirsek, bu teknikleri optiğin
ötesine, mikro elektronik ve yumuşak robotik üzerinde çalıştırma gibi ilginç uygulamalara kadar genişletebiliriz.”
Bu çalışma NASA tarafından finanse edilmiştir.
Kaynak: https://news.mit.edu/2022/mit-scientists-develop-low-costhigh- precision-fabrication-method-thin-mirrors-and-silicon-0420
