从芯片到镜片：半导体技术如何重塑精密光学制造？

曾经在两条平行轨道上发展的光学和半导体产业，如今正以深刻且颠覆性的方式交汇融合。

传统光学根植于经典精密机械，而半导体则定义于微电子小型化。这两个曾经截然不同的领域，如今在技术创新的最前沿交集日益增多。这种融合并非偶然，它源于共同面临的技术挑战和制造技术的相互借鉴。部分驱动力来自于光学元件的要求已逐渐超越传统加工方法的极限。为满足这些严苛要求制造商们正越来越多地采用原本为半导体制造开发的技术。

同时，越来越多同时需要两大领域优势的应用场景，也定义了这一新兴的融合趋势。半导体制造业是工艺标准化、材料创新和纳米级精度的标杆。如今，随着这些能力向光学制造前沿迁移，制造商正利用它们开发解决方案，范围从太空望远镜的自由曲面透镜，到光量子集成电路（PICs）中的纳米结构表面——后者正作为可扩展的高性能解决方案，在电信和先进数据处理领域广受青睐。此外，自适应光学和超表面光学正在重新定义光束控制和波前整形，得以在紧凑的尺寸内以前所未有的精度动态控制光。

材料与技术的跨界交融

半导体与精密光学之间的界限在材料和技术上也日益模糊。例如，传统上用于功率电子和恶劣环境应用的碳化硅（SiC），正在被探索用于高性能光学领域。这种材料具有良好的热稳定性和机械稳定性，体现了材料科学中日益增长的跨界融合。 材料科学正通过先进晶体、非线性光学材料和超材料不断扩展。这些进展都有助于增强波长覆盖范围、光学效率和耐久性。

同时，尽管制造技术在价值链上的位置看似低于其服务的尖端科技领域，但它正有力地推动着精密光学的向上发展。亚波长光刻、原子层沉积和超快激光加工等领域的突破，直接催生了处于科学、工业和国防前沿的精密光学与光子学技术。这些制造方法能够以纳米级精度生产光学元件，为超灵敏传感器、高功率激光系统以及用于量子计算和激光雷达的紧凑型光学组件提供支持。

一个具体的例子是光刻技术，它曾纯粹属于芯片制造商的领域，如今却已成为制造亚波长光学结构的基础技术。即便是统计过程控制、先进计量学和化学机械平坦化（CMP）等半导体驱动学科，也正在为光学制造带来实用价值，在日益复杂的元件几何形状上同时提高质量和良率。

这些跨行业应用不仅仅是孤立的适应，它们反映了光学和半导体在设计、制造和精炼方式上更深层次的重组。从塑造每个半导体节点的光刻光学，到超越晶圆厂和望远镜镜片生产的抛光材料，制造商正在重新划定这两个行业之间的界限。当精度、规模和复杂性将两个领域都推向极限时，它们共同的挑战正在锻造出共同的解决方案。

当然，挑战依然存在，尤其是在热管理、成本效益化大规模生产以及与现有电子系统集成方面。然而，精密光学和光子学的发展轨迹无疑是向上的。

精密抛光：从“技艺”走向“科学”

在先进光学制造中，获得所需的表面是要求最严苛的步骤之一。由于对表面精度、光滑度和形状保真度的要求极其苛刻，它涉及一系列复杂的挑战。即使是纳米级的微小缺陷也容易降低光学性能，尤其是在高功率激光系统、太空望远镜和干涉测量仪器中。达到这些规格要求高度受控的环境、先进的计量技术和复杂的抛光技术。

磁流变抛光、离子束修形和计算机控制抛光等技术在生产中日益成为标准。此外，不同的材料（如熔融石英、蓝宝石和氟化钙）对抛光过程的反应也不同。避免亚表面损伤或应力诱导双折射成为挑战，通常在生产此阶段需要定制方法和/或特殊材料。

缺陷控制，特别是防止抛光残留物和亚表面污染，同样至关重要。抛光化合物的微小残留物（如氧化铈颗粒）可能会嵌入光学表面，并在高功率激光照射下成为吸收点，从而显著降低激光诱导损伤阈值，并可能导致灾难性的光学故障。多项研究表明，抛光悬浮液和垫可能会带来碳或磨料残留物，可能需要进行等离子体后处理以去除这些污染物并恢复激光诱导损伤阈值。

如今，随着光学元件在几何形状和应用上变得更加复杂，保持均匀去除率、避免边缘效应和实现一致表面质量的挑战显著增加。尤其是在自由曲面和非球面变得越来越普遍的情况下，这进一步加剧了挑战。这些光学元件的几何形状，特别是其非旋转对称的轮廓、更严格的公差和更苛刻的功能要求，对传统抛光方法构成了挑战。

因此，精密抛光正越来越从一种“技艺”转变为一门“科学”。它比以往任何时候都更需要深入理解材料行为、工具动力学和工艺适应性。

在此背景下，中频误差（Mid-Spatial Frequency Errors） 的出现代表了一个特别持久的挑战。

中频误差指的是空间波长通常在0.12毫米至5毫米之间的表面不规则性，介于低频面形偏差和高频粗糙度之间。通常，亚孔径抛光或确定性修形工艺是引入这些中频波纹的原因。在这些过程中，重复的工具路径或振荡的工具运动会产生周期性的表面结构。这些特征可能不会出现在标准的面形测量中，但会通过引起衍射、增加散射或降低斯特列尔比（Strehl ratio）来降低光学系统性能，尤其是在高分辨率成像或高功率激光应用中。

为消除这些影响，制造商正在实施伪随机工具路径、加入专门的 smoothing 平滑步骤，并使用基于功率谱密度（PSD）的计量技术来监控整个抛光/修形过程中的中频成分。这些策略对于交付不仅满足全局形状要求、而且满足下一代光学系统所需局部表面质量的光学元件至关重要。

涂层与计量技术：半导体技术的赋能

在最初为微电子开发、如今用于制造具有纳米级精度和复杂几何形状的光学元件的众多工艺中，原子层沉积（ALD） 已成为光学行业的标准。它被广泛用于现代光学镀膜，能够在原子级别精确控制厚度，沉积出保形、无针孔的薄膜。

此外，这些涂层具有优异的均匀性、环境耐久性和极低的光学损耗——所有这些对于高功率激光光学和集成光子电路等先进光子学应用都至关重要。因此，光学系统正变得更加紧凑、高效和集成化，为光子计算、先进传感和高分辨率成像等领域开辟了新的可能性。

经典玻璃光学元件制造工艺流程，从成型到最终抛光。

精密计量是半导体行业进步推动满足先进光学元件严格规格需求（从晶圆检测到光学元件质量测量）的另一个领域。许多为半导体行业部署的技术现已广泛用于评估光学基板和涂层的表面粗糙度、面形精度和材料均匀性。这些技术包括干涉测量法、白光轮廓测量法、散射测量法以及光学和原子力显微镜。

这些测试与测量方法提供纳米至亚纳米级的分辨率，使制造商能够检测和纠正可能影响光学性能的缺陷。这在微光学制造中至关重要。随着光学元件尺寸持续缩小、复杂性不断增加（尤其是在光子集成电路和自由曲面光学中），对高通量、非接触式和自动化计量解决方案的需求将激增。通过利用半导体检测技术的速度、精度和可扩展性，光学制造商得以保持严格的公差，并提高生产周期中的良率、质量和可重复性。

增强现实（AR）：融合技术的现实典范

半导体级计量、原子级镀膜和精密光学的融合不仅仅是理论上的——它已经在改变连接数字世界和物理世界的现实技术。这一点在加速发展的增强现实（AR）和混合现实（MR）领域最为明显，其对超紧凑、高性能光学系统的需求直接与半导体创新相交汇。

本质上，随着显示技术缩小、计算能力增长以及用户期望上升，对满足纳米级公差同时保持轻量化、耐用和可扩展的光学元件的需求变得至关重要。

Meta的Orion眼镜是这种融合的一个突出例子，凸显了半导体驱动的精度如何催生新一代可穿戴光学设备。Orion增强现实平台将MicroLED投影仪集成到定制的碳化硅（SiC）光学元件中，在超轻巧的外形下实现了卓越的小型化和光学清晰度。该系统结合了下一代显示技术、眼动和手部追踪以及人工智能驱动的界面——每一项都依赖于最初在半导体制造中试验和完善的精密光学工程。Orion原型同样清楚地证明，亚毫米级的元件对准、先进镀膜和晶圆级公差已经走出洁净室，支撑着面向消费者的设备性能。

Orion目前仍处于原型阶段。尽管如此，它仍然让我们看到了未来的景象：日常设备将需要与最先进的半导体晶圆厂同样精准的光学和材料精度。未来，光学和微电子学科将深度交织，共同面临的挑战包括微型化、热管理和系统集成。。

跨学科协作实现高性能

像Meta的Orion原型这样的开创性系统，像Meta的Orion原型这样的开创性系统，体现了微电子学和精密光学之间界限的消融。如前所述，同样的融合也正在改变支撑先进制造的材料和耗材。事实上，精密工具不仅限于系统级的突破——它们同样在微观层面被锻造出来，在那里表面被成型、抛光和完美化。

即使是半导体耗材（如抛光垫和抛光液）的进步，也常常能在精密光学领域创造直接价值。例如，杜邦公司的IC1000产品是半导体器件制造市场上最受欢迎的抛光垫之一。该产品能实现一致的平坦化，并表现出极低的缺陷率和全局平坦度损失，使其成为化学机械平坦化（CMP）工艺中广泛使用的解决方案。

精密光学行业的用户可以利用这些同样优异的特性进行球面和非球面的超精密抛光。例如，Pureon公司将杜邦的产品进行调整，推出了一种使用相同专有聚氨酯混合物、且厚度足以支持对这些元件进行超精密抛光的产品——IC OPTIC Puck。该产品还可机加工，可以成形为最终光学元件的镜像形状，从而实现高度保形的接触并在抛光过程中改善表面控制。

当然，此类进步带来的好处是双向的；精密光学在光刻中扮演着关键角色，使电子元件的持续小型化成为可能。同样，高性能光学系统对于以超高精度聚焦和导向深紫外（DUV）和极紫外（EUV）光至关重要。这些光学元件必须在高能量负载下保持均匀性和稳定性，同时实现衍射极限性能以解析小于10纳米的特征。

材料、镀膜和计量学的创新对提升光学性能、推动芯片制造商突破摩尔定律界限至关重要。如今，随着半导体节点进一步缩小，对光刻中光学系统的要求将变得更加严格，这使得精密光学成为未来电子制造的基础技术。

这种跨学科创新也延伸至磨料。历史上用于半导体电介质平坦化的氧化铈（Cerium Oxide），如今正为表面完整性和清洁度至关重要的光学级应用进行重新设计。Pureon的氧化铈基悬浮液产品线体现了这种技术转移；这些产品配方旨在满足高性能光学制造的特定需求，提供稳定的化学行为、狭窄的粒径分布和高纯度成分。通过在去除率和表面质量之间提供平衡，这些产品能在熔融石英、光学玻璃和晶体基板等材料上实现亚埃级粗糙度的超光滑表面。这种级别的控制对于高功率激光光学、空间仪器和先进干涉测量系统等应用至关重要，因为即使纳米级的残留物或缺陷也会影响性能或缩短元件寿命。

持续的挑战与解决方案

在大多数情况下，光学元件所需的形状和面形在生成过程中实现，而最终抛光则用于改善表面质量和几何形状，并避免扭曲所需的光学面形。最终抛光操作中使用的工具通常是刚性成形工具，其上会贴附一层薄的抛光垫（称为花瓣垫或箔片）。

最终抛光操作中使用的抛光垫材料通常是聚氨酯类材料，其在制造过程中被赋予了随机孔结构。这种随机孔结构最初是为了帮助输送抛光液以增加材料去除率而开发的。

然而，不一致的孔结构限制了垫材在表面质量和抛光部件一致性方面的性能。在这种情况下，需要通过高度受控的孔结构来实现抛光过程一致性的改善。

这个挑战仅仅是半导体与精密光学结合所凸显的众多挑战之一。为了帮助应对这一挑战，Pureon推出了一种聚氨酯材料解决方案，该方案可以加工成复杂的三维形状，这是传统花瓣垫无法实现的，特别是在涉及陡峭半径的操作中。这种3D形状与计算机数控（CNC）或主轴抛光工具结合使用，在其使用寿命期内可以进行多次修整、再生或修改。

当然，并非所有变化都能立即实现。例如，氧化铈基抛光浆料在含硅玻璃（精密光学常用材料）的抛光中无处不在。氧化铈磨料通常约为1微米，能为许多应用提供卓越的表面质量。

然而，随着技术进步和应用需求对此类光学表面提出更高要求，需要改进包括抛光浆料和垫在内的工艺解决方案。Pureon旨在通过开发一种小于100纳米的氧化铈基抛光浆料来应对这一挑战，以满足精密光学对终极表面质量的需求。这一发展凸显了行业需要超越传统光学浆料制造的界限，并且必须与半导体领域的突破相结合以开发解决方案。

共精密时代：总结

半导体制造和光学制造之间的融合不再是理论上的。它已经在重塑精密元件的设计、加工和抛光方式。最初始于行业间有限的知识转移，现已演变成更深层次的结构性整合：为半导体行业开发的材料、计量和过程控制技术正在解决光学领域长期存在的挑战。

这种整合不是一个行业吞并另一个行业，而是对纳米级精度、一致性和可扩展性的共同追求。随着光学在形状和功能上变得更加复杂，以及半导体朝着更小的节点和更集成的系统推进，两个领域之间的重叠只会扩大。从先进的抛光垫和氧化铈悬浮液，到原子级镀膜和亚纳米计量，下一代光学器件的构建模块正日益受到半导体级思维的影响。

文章来源：photonics，作者Ravi Bollina 是 Pureon 的首席销售官兼执行董事会成员。

Pureon Group是全球领先的高科技材料表面加工解决方案供应商，总部位于瑞士，在中国苏州市设有生产基地。文章图片均由Pureon提供。