芯片正在改变这个行业

植根于经典精密机械的光学和由微电子小型化定义的半导体（曾经是截然不同的行业，如今在创新的前沿日益重叠。这种融合并非巧合。相反，它是共同的技术挑战和制造技术相互融合的结果，部分原因是光学元件的要求超越了传统加工方法的极限。为了满足这些严格的要求，制造商越来越多地采用最初为半导体制造工艺建立的技术。

日益增多的应用需要兼顾两个领域的优势，这是这一蓬勃发展的重叠领域的另一个决定性因素。半导体制造是工艺标准化、材料创新和纳米级精度的既定驱动力。如今，随着这些能力向光学制造领域前沿发展，制造商们正在将其应用于开发解决方案。这些解决方案涵盖了从太空望远镜的自由曲面透镜到光子集成电路 (PIC) 中的纳米结构表面——这些解决方案作为可扩展的高性能电信和高级数据处理解决方案，正日益受到青睐。

此外，自适应光学和元光学正在重新定义光束控制和波前整形，能够在紧凑的外形尺寸内以前所未有的精度实现光的动态控制。

半导体与精密光学之间界限的模糊在材料和技术方面也显而易见。例如，传统上用于电力电子和恶劣及极端环境应用的碳化硅 (SiC) 正在被探索用于高性能光学器件。这种材料具有良好的热稳定性和机械稳定性，体现了材料科学领域日益增长的交叉融合。广义上，材料科学正在通过先进晶体、非线性光学材料和超材料进行扩展。这些领域的进步各自有助于增强波长覆盖范围、光学效率和耐用性。

同时，尽管精密光学位于价值链的下游，远离那些已被证明具有变革意义的关键技术领域，但制造技术正在推动精密光学的向上增长。亚波长光刻、原子层沉积和超快激光加工领域的突破，直接推动了处于科学、工业和国防前沿的精密光学和光子学的发展。这些制造方法使得生产具有纳米级精度的光学元件成为可能，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元件提供动力。

举个具体的例子，光刻技术以前纯粹存在于芯片制造商的领域。如今，它已成为创建亚波长光学结构的基础技术。即使是半导体驱动的学科，例如统计过程控制、先进计量和化学机械平面化，也正在为光学制造带来实用性，提高日益复杂的元件几何形状的质量和良率。

这些跨行业的实施并非孤立的调整。它们反映了光学和半导体设计、制造和精炼方式的更深层次的重新整合。从塑造每个半导体节点的光刻光学元件到超越晶圆厂和望远镜镜面生产的抛光材料，制造商正在重新划分这两个行业之间的界限。随着精度、规模和复杂性将这两个领域推向极限，它们共同的挑战正在催生出共同的解决方案。

然而，挑战依然存在，尤其是在热管理、经济高效的量产以及与现有电子系统的集成方面。然而，精密光学和光子学的发展轨迹无疑是向上的。

实现先进光学元件所需的表面质量是制造过程中最苛刻的步骤之一。由于表面精度、光滑度和形状保真度要求极高，因此它面临着一系列复杂的挑战。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、太空望远镜和干涉仪中。要达到这样的规格，需要高度可控的环境、先进的计量技术和精密的抛光技术。

磁流变抛光、离子束加工和计算机控制抛光等技术在生产中日益成为标准。此外，熔融石英、蓝宝石和氟化钙等不同材料对抛光工艺的反应也不同。避免亚表面损伤或应力诱导的双折射成为一项挑战，通常需要在生产阶段采用定制方法和/或使用不同的材料。

缺陷控制，尤其是防止抛光残留物和亚表面污染，也同样重要。抛光剂的微小残留物，例如氧化铈颗粒，可能会嵌入光学元件表面，并在高功率激光照射下充当吸收点。这种缺陷会显著降低激光诱导损伤阈值，并可能导致灾难性的光学元件故障。多项研究表明，抛光悬浮液和抛光垫会产生碳或磨料残留物，可能需要进行等离子后处理来去除这些污染物并恢复激光诱导损伤阈值。

如今，随着光学元件的几何形状和应用日益复杂，保持均匀的去除率、避免边缘效应以及实现一致的表面质量的挑战也日益严峻。自由曲面和非球面的日益普及更加剧了这一挑战。这些光学元件的几何形状尤其对传统的抛光方法构成挑战，因为它们具有非旋转对称的轮廓、更严格的公差和更严苛的功能要求。

因此，精密抛光不再是一门艺术，而是一门科学。它比以往任何时候都更需要对材料特性、刀具动力学和工艺适应性有深入的理解。

在此背景下，中空间频率误差的出现代表着一个尤为持久的挑战。

中空间频率误差是指空间波长通常在0.12至5毫米之间的表面不规则性，介于低频形状偏差和高频粗糙度之间。通常，子孔径抛光或确定性精加工工艺是引入这些中空间频率纹波的原因。在这些加工过程中，重复的刀具路径或振荡的刀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形状测量中，但会通过引发衍射、增加散射或降低斯特列尔比来降低光学系统的性能，尤其是在高分辨率成像或高功率激光应用中。

为了控制这些影响，制造商正在实施伪随机刀具路径，加入专用的平滑步骤，并使用基于功率谱密度的计量技术来监测整个抛光和/或精加工过程中的中频成分。这些策略对于提供不仅满足整体形状要求，而且满足下一代光学系统所需的局部表面质量的光学元件至关重要。

在最初为微电子技术开发的多种工艺中，原子层沉积 (ALD) 已成为光学行业的标准，如今该技术已能够制造具有纳米级精度和复杂几何形状的光学元件。它广泛用于现代光学镀膜，能够在原子级精确控制厚度的情况下沉积保形、无针孔的薄膜。该方法对于在具有复杂几何形状的光学元件上生产高性能抗反射镀膜、干涉滤光片和耐用保护层具有很高的价值。

此外，这些镀膜还具有出色的均匀性、环境耐久性和极低的光学损耗——所有这些都是高功率激光光学元件和集成光子电路等先进光子学应用的关键特性。因此，光学系统正变得更加紧凑、高效和集成，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。

精密计量是半导体行业进步的另一个领域，它推动了从晶圆检测到光学元件质量测量等先进光学元件严格规范所需的改进。许多用于半导体行业的技术现已广泛应用于评估光学基底和涂层的表面粗糙度、形状精度和材料均匀性。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。

这些测试和测量方法提供纳米到亚纳米的分辨率，使制造商能够检测并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。随着光学元件尺寸不断缩小、复杂度不断提升，尤其是在PIC和自由曲面光学元件领域，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，光学制造商可以保持严格的公差，并提高整个生产周期的产量、质量和可重复性。

半导体级计量、原子级涂层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世界技术。在加速发展的增强现实和混合现实领域，这一点尤为明显，在该领域，对超紧凑、高性能光学系统的需求与半导体创新直接交织在一起。从根本上说，随着显示技术尺寸的缩小，计算能力不断增强，用户期望也不断提高。对满足纳米级公差、同时保持轻便、耐用和可扩展性的光学器件的需求变得至关重要。Meta

的 Orion 眼镜就是这种融合的一个显著例子，它突显了半导体驱动的精密技术如何赋能新一代可穿戴光学器件。Orion 增强现实平台将 Micro-LED 投影仪集成到定制的 SiC 光学元件中，在超轻巧的外形中实现了卓越的微型化和光学清晰度。该系统结合了新一代显示技术、眼动和手部追踪以及人工智能界面——所有这些都依赖于最初在半导体制造过程中试验和改进的精密光学工程。Orion 原型同样提供了明确的证据，证明亚毫米级组件对准、先进涂层和晶圆级公差已经超越了洁净室的范畴，成为面向消费者的设备性能的基础。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。

诸如 Meta 的 Orion 原型机之类的先锋系统，体现了微电子与精密光学之间界限的消融。如上所述，这种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——它们同样体现在微观层面，即表面的成型、抛光和完善。

即使是半导体耗材（例如抛光垫和研磨液）的进步，也常常能够在精密光学领域创造直接价值。例如，杜邦的 IC1000 产品是市场上最受欢迎的半导体器件制造抛光垫之一。该产品可实现一致的平面化，并将缺陷率和整体平面度损失降至最低，使其成为化学机械平面化工艺中广泛使用的解决方案。

精密光学行业用户可以将这些优良特性应用于球面和非球面的超精密抛光。

当然，这些技术进步带来的好处是双向的；精密光学元件在光刻技术中发挥着关键作用，推动着电子元件的持续微型化。同样，高性能光学系统对于以卓越的精度聚焦和引导深紫外和极紫外光也至关重要。这些光学元件必须在高能量负荷下保持均匀性和稳定性，同时实现衍射极限性能，以分辨小于 10 纳米的特征。

材料、涂层和计量方面的创新一直是提升光学性能的关键，使芯片制造商能够突破摩尔定律的界限。现在，随着半导体节点进一步缩小，对光刻光学系统的要求将变得更加严格，使得精密光学成为未来电子制造的基础技术。

这种跨学科创新延伸到了磨料领域。氧化铈过去一直用于半导体的介电平面化，目前正在进行再设计，以适应光学级应用，因为这些应用对表面完整性和清洁度至关重要。

在大多数情况下，光学零件所需的形状和形态是在生产过程中实现的，需要进行最终抛光以改善表面质量和几何形状，并避免扭曲所需的光学形态。最终抛光操作中使用的仪器通常是刚性工具，在其上施加薄抛光垫（称为花瓣垫或箔）。

最终抛光操作中使用的抛光垫材料通常是聚氨酯类材料，在制造过程中赋予材料随机孔隙结构。这种随机孔隙结构最初是为了帮助浆料输送以增加材料去除率1 而开发的。

然而，不一致的孔隙结构限制了垫材料在表面质量和抛光部件间一致性方面的性能。在这种情况下，需要通过高度控制的孔隙结构来实现抛光过程中更好的一致性。

这一挑战只是半导体和精密光学器件结合所带来的众多挑战之一。为了满足这一需求，有厂商推出了一种聚氨酯材料解决方案，该解决方案可以生成传统花瓣抛光垫无法实现的复杂 3D 形状，尤其适用于涉及大半径的操作。这种 3D 形状与计算机数控或主轴抛光工具配合使用，可以在其使用寿命内进行多次修整、再生或修改。

然而，并非所有变化都是立竿见影的。例如，氧化铈基抛光浆料在含硅玻璃的抛光中非常常见，这种玻璃通常用于精密光学器件。氧化铈磨料的粒径通常约为 1 微米，可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的要求不断提高，需要改进包括抛光浆料和抛光垫在内的工艺解决方案。

半导体制造和光学制造之间的融合已不再是理论上的。它已经重塑了精密组件的设计、加工和抛光方式。最初只是行业间有限的知识转移，如今已发展成为更深层次的结构性协调，其中为半导体行业开发的材料、计量和工艺控制正在解决光学领域长期存在的挑战。

这种整合并非一个行业吸收另一个行业，而是对纳米精度、一致性和可扩展性的共同追求。随着光学器件的形状和功能日趋复杂，以及半导体向更小的节点和更集成的系统迈进，这两个领域之间的重叠只会扩大。从先进的抛光垫和二氧化铈悬浮液到原子级涂层和亚纳米计量，下一代光学器件的构建模块越来越多地受到半导体级思维的影响。

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