научная статья по теме ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА ТАНДЕМНОЙ НИЗКОКОГЕРЕНТНОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФОРМЫ АСФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Физика

Текст научной статьи на тему «ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА ТАНДЕМНОЙ НИЗКОКОГЕРЕНТНОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФОРМЫ АСФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 8, с. 16-19

УДК 53.082.54

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА ТАНДЕМНОЙ НИЗКОКОГЕРЕНТНОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФОРМЫ АСФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

© 2015 г. А. А. Ахсахалян, А. Д. Ахсахалян, П. В. Волков*, А. В. Горюнов, А. Ю. Лукьянов, Л. А. Суслов, А. Д. Тертышник

Институт физики микроструктур РАН, 603950 Нижний Новгород, Россия *Е-таИ: volkov@ipmras.ru Поступила в редакцию 11.12.2014 г.

Экспериментально продемонстрирована возможность построения профилометра на основе низкокогерентного тандемного интерферометра. Предложена методика, позволяющая избежать ошибок, связанных с колебаниями сканирующего устройства.

Ключевые слова: низкокогерентный тандемный интерферометр, профилометр, асферические зеркала рентгеновского диапазона, измерения по трехзондовой методике.

Б01: 10.7868/$020735281508003Х

ВВЕДЕНИЕ

Проблема измерения профиля протяженных (50—300 мм) асферических поверхностей с точностью 8И < 100 нм важна для многих областей науки и техники. В частности, эта проблема весьма актуальна при изготовлении рентгеновских зеркал. Развитые в ИФМ РАН на сегодняшний день методы травления позволяют "доводить" форму поверхности до расчетной с точностью до долей нанометра [1—3]. Поэтому качество изготовления поверхности фокусирующих рентгеновских зеркал полностью определяется точностью измерения их формы.

Существующие в настоящий момент времени методы измерений обладают рядом ограничений. Например, методика интерферометрии с дифракционной волной сравнения, имеющая рекордную точность порядка 0.5 нм, пригодна для измерения только сферических или слабо асферических поверхностей [4, 5]. Применение доступных коммерческих интерференционных микроскопов ограничено малым рабочим полем [6]. Использование триангуляционных методик [7] и рентгеновской методики [8] не обеспечивает достаточной точности измерений.

Метод низкокогерентной тандемной интерферометрии представляется весьма перспективным, поскольку имеет высокую точность измерений (порядка единиц нм) и позволяет одновременно использовать для измерений несколько зондов. Кроме того, метод является бесконтактным. В данной работе представлены первые результаты

использования этого метода для измерения профиля поверхностей.

Идея низкокогерентного тандемного интерферометра состоит в следующем. Два последовательно связанных интерферометра (линии задержки), имеющие разность длин плеч соответственно Ь1 и Ь2, освещаются широкополосным источником с малой длиной когерентности ЬсоЬ (рис. 1). Интерференция на выходе устройства наблюдается в двух случаях: 1) разность длин плеч одного из интерферометров меньше длины когерентности Х1,2 < £соЬ; 2) разность разностей длин плеч двух интерферометров меньше длины когерентности |Х1—Х2| < ЬсоЬ. Первый интерферометр (измерительный) позволяет контролируемо перестраивать разность и длин плеч, а в качестве второго выступает зазор, образованный торцом оптического волокна и исследуемой поверхностью рентгеновского зеркала. При сканировании задержки Ь1 в первом интерферометре на выходе схемы формируется интерференционный сигнал, состоящий из двух пиков. Первый пик соответствует нулевой разности длин плеч опорного интерферометра (Ь1 = 0, выполнено первое условие), а второй пик соответствует моменту совпадения оптических толщин интерферометра и зазора (Ь1 = Ь2, выполнено второе условие). Таким образом, зная разность хода измерительного интерферометра Ь1 в момент времени, соответствующий максимуму второго интерференционного пика, получаем толщину зазора. Более подробное описание работы низкокогерентного тандемного интерферометра можно найти в [9—11].

Рис. 1. Оптическая схема низкокогерентного тандемного интерферометра: SLD — источник света с малой длиной когерентности (суперлюминесцентный диод); BS — делитель света 50 : 50; М — зеркало; F — оптическое волокно; PD — фотоприемник; S — исследуемое зеркало.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Схема экспериментальной установки изображена на рис. 2. Исследуемая поверхность устанавливалась на сканирующее устройство, управляемое компьютером. Перемещение осуществлялось с помощью шагового двигателя. Минимальный шаг сканирования составлял 5 мкм. Измеряемыми параметрами являлись расстояния А, 2,3 от исследуемой поверхности (образца) до торцов одно-модовых оптических волокон, по которым зондирующее излучение направлялось на образец. По ним же отраженный от образца свет возвращался обратно в интерферометр для анализа. Профиль поверхности получался в процессе сканирования образца относительно зонда вдоль интересующего сечения. Однако возникает проблема плоско-параллельности движения сканирующего устройства, поскольку любые отклонения от плоскопараллельного движения приведут к изменению расстояния между оптическим зондом и исследуемой поверхностью. В результате истинный профиль поверхности будет искажен. К аналогичному результату приведут вибрации и тепловой дрейф подвеса оптического зонда.

Указанная проблема частично разрешается за счет применения дифференциальной (двухзондо-вой) методики, которая состоит в одновременном измерении величины зазора в двух достаточно близких точках. Такая схема позволяет исключить влияние вертикальных перемещений столика. Профиль поверхности восстанавливается путем интегрирования разности величин зазоров в двух зондах.

Для устранения влияния угловых колебаний столика необходимо добавить еще один зонд. Одновременное измерение зазора в трех достаточно близких точках (трехзондовая методика) позволяет вычислить вторую производную от профиля поверхности, который затем восстанавливается за счет двойного интегрирования. При этом каче-

ство сканирующего устройства перестает влиять на результаты измерений.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Были исследованы три образца. Первый — "плоская" поверхность, второй — специально изготовленное цилиндрическое зеркало, третий — "канавка", изготовленная методом реактивного ионно-лучевого травления.

На рис. 3 приведены усредненные результаты измерений "плоской" поверхности по двух- и трехзондовой методике. Усреднение проведено по 50 точкам, что соответствует треку длиной 250 мкм. На рис. 4 приведены результаты измерений той же поверхности по однозондовой методике за вычетом постоянного тренда, связанного с отклонением зонда от направления нормали к исследуемой поверхности. На рис. 4 также приведены результаты трех серий вычислений профиля "плоской" поверхности, полученные из измере-

сканирования

Рис. 2. Схема экспериментальной установки: НКТИ — низкокогерентный тандемный интерферометр; ПК — компьютер; 1, 2, 3 — волоконно-оптические зонды.

18

АХСАХАЛЯН и др.

175.5 175.0

м 174.5

S

^ 174.0 173.5 173.0

0

4 6 x, мм

464.0 463.5

м

463.0 « С,

462.5^3 462.0

п 0.2

461.5

10

w 0

-0.2

10

Рис. 3. Результат измерения профиля "плоской" поверхности по двухзондовой (2) и трехзондовой (1) методике. Слева по вертикальной оси отложена величина (!>1 — Б^) (двухзондовая методика), справа — величина (Бз — Б2) + (^1 — Б2) (трехзондовая методика).

Рис. 4. Восстановленный профиль "плоской" поверхности. Серии кривых 1 и 2 — результат вычислений, сделанных на основе измерений по трехзондовой (из второй производной) и двухзондовой (из первой производной) методике соответственно; серия кривых 3 — результат измерений по однозондовой методике.

чз

-0.0274 г

0.0275

0.0276

0.0277

0.0278

0

10

15 20 x, мм

25

30

0

-0.5

-1.0

-1.5

м -2.0

M

м -2.5

-3.0

-3.5

-4.0

-4.5

7.0

7.5

8.0

8.5

Рис. 5. Отклонение производной профиля поверхности цилиндрического зеркала от заданного значения: у'т — результат измерений; у'а — заданный профиль; кривая 1 — результат измерений триангуляционным методом; кривая 2 — результат измерений с помощью низкокогерентной тандемной интерферометрии.

Рис. 6. Результаты измерений профиля канавки, выполненные с помощью различных методов: 1 — интерференционный микроскоп белого света Та^шТ; 2 — трехзондовая схема измерений; 3 — профилометр; 4 — двухзондовая схема измерений.

1

2

8

0

2

4

8

x, мм

3

5

x, мм

ний по двух- и трехзондовой методике. Видна хорошая воспроизводимость данных, найденных по каждой из методик. В "однозондовом" профиле присутствуют колебания с характерным периодом 1 мм, равным одному обороту микрометрического винта, толкающего предметный столик. Также наблюдаются вертикальные "прыжки" сканирующего устройства. Профиль поверхности, восстановленный по двухзондовой методике, получен в результате интегрирования данных, приведенных на рис. 2, с учетом расстояния между зондами й12 = 5.06 мм. Видно, что "прыжок" сканирующего устройства в области 8 мм сильно сглаживается при интегрировании. Профиль поверхности, восстановленный по трехзондовой

методике, получен в результате двойного интегрирования данных, приведенных на рис. 3, с учетом расстояния между зондами d12 = 5.06 мм и d23 = 5.07 мм. Видно, что колебания сканирующего устройства не повлияли на результаты измерений.

На рис. 5 приведены результаты измерений профиля поверхности цилиндрического зеркала, сделанные с помощью низкокогерентного тандемного интерферометра по трехзондовой методике и триангуляционным методом. Последний в настоящее время используется в ИФМ РАН в качестве основного при измерениях формы асферических зеркал рентгеновского диапазона [6].

На рис. 6 приведены результаты измерений профиля канавки, изготовленной плазменным травлением на плоской поверхности кремниевой пластины. Измерения проводились по двух- и трехзондовой методике, а также с помощью контактного профилометра модели 130 (завод "Про-тон-МИЭТ") и интерференционного микроскопа белого света Та1узиг!-СС1 2000. В обоих случаях (рис. 5 и 6) полученные результаты хорошо согласуются друг с другом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты измерений профиля трех различных образцов показали хорошее соответствие данных, полученных с помощью предлагаемого метода, данным, найденным с применением стандартных методик. Таким образом, экспериментально продемонстрирована возможность построения профилометра на основе низкокогерентного тан-д

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»