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.