научная статья по теме ПОЛУЧЕНИЕ И МЕТРОЛОГИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ СВЕРХГЛАДКИХ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Физика

Текст научной статьи на тему «ПОЛУЧЕНИЕ И МЕТРОЛОГИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ СВЕРХГЛАДКИХ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 8, с. 5-8

УДК 53.087

ПОЛУЧЕНИЕ И МЕТРОЛОГИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ СВЕРХГЛАДКИХ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

© 2015 г. Ю. А. Вайнер1, М. В. Зорина1, А. Е. Пестов1, 4, Н. Н. Салащенко1, Н. И. Чхало1, *, В. Ермаков2, С. И. Канорский2, С. В. Кузин2, С. В. Шестов2, И. Л. Струля3

Институт физики микроструктур РАН, 603950 Нижний Новгород, Россия 2Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, 119991 Москва, Россия

3ОАО "Композит", 141070Королев, Россия 4Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия *Е-таИ: chkhalo@ipm.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 05.08.2014 г.

Обсуждаются основные проблемы измерения шероховатости сверхгладких поверхностей для рент-генооптики и подход, развиваемый авторами для метрологии и получения оптических элементов с дифракционным качеством отражающих поверхностей. Приводятся последние данные по шероховатостям, полученные при полировании плавленого кварца.

Ключевые слова: оптические подложки, шероховатость, атомно-силовая микроскопия, рассеяние, рентгеновское излучение.

БО1: 10.7868/80207352815080156

ВВЕДЕНИЕ

Для обеспечения дифракционного качества изображений рентгенооптических систем необходимы подложки с неровностями (шероховатостями) поверхности по параметру корня квадратного из среднеквадратического отклонения (rms) на уровне 0.1—0.2 нм в трех основных спектральных диапазонах пространственных частот: низкочастотном (неровности с латеральными размерами 1 мм—1 м); среднечастотном (1 мкм—1 мм) и высокочастотном (1 нм—1 мкм) [1]. Дополнительным требованием к подложкам является сохранение стабильности формы и шероховатости поверхности на исходном уровне в процессе эксплуатации. Так как речь идет об ангстремных точностях, а поверхности подвергаются воздействию различных тепловых факторов, то класс материалов сильно ограничен материалами с минимальными коэффициентами теплового линейного расширения. Это различные марки плавленого кварца с температурным коэффициентом линейного расширения в диапазоне 10-7 К-1 и оптические керамики ситалл, Ze-rodur и ULE, чьи температурные коэффициенты лежат в области 10-8 К-1 [1, 2]. Данная работа посвящена изучению плавленого кварца.

В работе рассматриваются два основных аспекта проблемы создания подложек, удовлетворяющих выше перечисленным требованиям. Первый аспект связан с развитием адекватных методов измерений шероховатости и второй - с совершенствованием методов полирования поверхностей.

ИЗМЕРЕНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ

В [3, 4] подробно изучалась проблема измерений шероховатости сверхгладких оптических поверхностей. В частности, было показано, что при изучении сверхгладких поверхностей интерферометрия белого света дает противоречивые результаты. Основные причины этого анализируются в [5]. Поэтому в рамках данной работы для изучения шероховатостей применялись только методы диффузного рассеяния рентгеновского излучения (ДРРИ) [6] и атомно-силовая микроскопия (АСМ). Диффузное рассеяние рентгеновского излучения с длиной волны ~0.1 нм позволяет надежно изучать шероховатость плоских образцов в диапазоне пространственных частот 10—2—1 мкм-1, для АСМ этот диапазон составляет 10-1—102 мкм-1. Откуда следует, что в спектре измеряемых частот имеется "дыра" в диапазоне 10—3— 10—2 мкм-1. В рамках данной работы эта проблема не обсуждается и все экспериментальные данные по шероховатости приводятся для диапазона пространственных частот 10—2—102 мкм-1.

Эффективная шероховатость определяется из соотношения

2

^eff

J PSD(v)dv,

(1)

пространственные частоты; PSD(v) (power spectral density) — функция спектральной мощности

V

где vmin и vmax — минимальная и максимальная

ВАИНЕР и др.

(а)

10—5 10-6 10—7 Q 10-8 * 10—9 10—10

-ACM, 40 х 40 мкм, ст = 0.74 нм

-ACM, 2 х 2 мкм, ст = 0.40 нм

_._ДРРИ, ст = 0.72 нм сте1г = 1.02 нм

X

I I I 11 III_I_I I I 11 III_I_I I I 11 III

0.01 0.1 1 10 100 Пространственная частота, мкм-1

(в)

10-6 10-7

к

Q 10-8

Рч

10-9

10

-10

ACM, 2 х 2 мкм, ст = 0.24 нм ACM, 40 х 40 мкм, ст = 0.27 нм

j..........I..........I..........i.........

0.01 0.1 1 10 Пространственная частота, мкм-1

10-6 10-7

s

« 10-8 Q 10—9

Рч

10-10

10

11

ACM, 40 х 40 мкм, ст = 0.74 нм ACM, 2 х 2 мкм, ст = 0.36 нм

_i.........

........I.......

0.01 0.1 1 10 Пространственная частота, мкм-1

(г)

10-6

10-7

^ 10-8 км

10-9

о

^ 1 А

Рч 10-10

10

10

11

-12

.ДРРИ, ст = 0.16 нм ACM, 40 х 40 мкм, ст = 0.15 нм ACM, 2 х 2 мкм, ст = 0.10 нм стей- = 0.24 нм

М

\

_|_I I I 11 III_I_I I I 1111|_I_I I I 11 III_I_I I I 11II

100

0.01 0.1 1 10 Пространственная частота, мкм-1

Рис. 1. Функции спектральной мощности шероховатостей (PSD), измеренные для кварцевых подложек с сильно различающимися эффективными шероховатостями af а — 1.02 нм; б — 0.71 нм; в — 0.54 нм и г — 0.24 нм. Измерения выполнены методами АСМ и ДРРИ.

6

шероховатостей, характеризующая вклад частоты v в общую шероховатость поверхности и представляющая собой фурье-преобразование автокорреляционной функции шероховатостей.

Учитывая тот факт, что на результаты измерений АСМ большое влияние оказывают геометрические размеры зонда, состояние исследуемой поверхности (электризация, поверхностные загрязнения) и нелинейность пьезосканера, в наибольшей степени проявляющаяся на "больших" кадрах, то адекватность этого метода была проверена с помощью ДРРИ, основанного на хорошо изученных законах рассеяния рентгеновского излучения шероховатыми поверхностями. На рис. 1а—г приведены функции спектральной мощности шероховатостей (PSD), измеренные для кварцевых подложек с сильно различающимися эффективными шероховатостями. Сплошными линиями приведены данные АСМ, линии с символами — данные ДРРИ. Из рисунка видно, что данные АСМ и ДРРИ хорошо совпадают в области средних пространственных частот.

Рассеивающая способность вещества в жестком рентгеновском диапазоне мала, и на практике не удается продвинуться в высокочастотную область шероховатостей. Поэтому, чтобы подтвердить данные АСМ в этой области методом ДРРИ, нами был разработан специальный рефлектометр с рабочей длиной волны 13.5 нм. Благодаря светосильному монохроматору, мощной рентгеновской трубке, вакуумной камере и эффективному однофотонному детектору рентгеновского излучения (квантовая эффективность регистрации на длине волны 13.5 нм около единицы) удается снимать угловые зависимости диффузного рассеяния с динамическим диапазоном интенсивности до восьми порядков [7]. Полученная этим методом Р8Э-функция (линия с полыми кружками) хорошо совпадает с результатами измерений методами ДРРИ и АСМ (рис. 2). Некоторое отличие в интеграле примерно на 20% объясняется отличием оптических констант кремния в области 13.5 нм от табличных значений. Таким образом, адекватность АСМ данных в диапазоне пространственных частот шероховатостей

ПОЛУЧЕНИЕ И МЕТРОЛОГИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ

10-5 1

10—6 г

3 10-7 г

3м 1

к 10-8 г

м 1

о" 10-9 г

т :

Рч 10-10 г

10—11 г

10—12 1

0.01

::-ДРРИ, X = 13.5 нм ■ —ДРРИ, X = 0.154 нм

-ACM, 40 х 40 мкм

-ACM, 2 х 2 мкм

_1..........I..........I..........i.........

0.1 1 10 100 Пространственная частота, мкм-1

Рис. 2. Функции спектральной мощности шероховатостей (PSD) кварцевой подложки; X — длина волны зондового пучка.

10 10—9

£ ю-10

Рч

-40 х 40 мкм, ст = 0.077 нм 2 х 2 мкм, ст = 0.065 нм

10—

"III

0.1 1 10 Пространственная частота, мкм—1

Рис. 3. Функции спектральной мощности шумов АСМ.

7

10—2—102 мкм-1 была подтверждена методом ДРРИ, тем самым было исключено влияние других факторов на результаты измерений с помощью АСМ, помимо шероховатости исследуемой поверхности.

Еще одним источником погрешности измерений, который наиболее сильно проявляется при изучении сверхгладких подложек, является собственный шум АСМ. Источниками шума являются механические вибрации, тепловые колебания зонда, шумы электроники. Спектральная плотность мощности шумов определялась следующим образом. Зонд подводился к поверхности, и проводилось фиктивное сканирование типичных кадров 2 х 2 и 40 х 40 мкм в моде, когда зонд оставался неподвижным. Восстановленная кривая спектральной плотности мощности шумов приведена на рис. 3. Так как шумы, характеризуемые стп08, и шероховатость поверхности а8цЬ — статистически независимые случайные величины, то эффективная (измеряемая экспериментально) шероховатость сте(Г записывается в виде суммы квадратов этих величин. В этом случае для восстановления плотности мощности шероховатостей поверхности можно воспользоваться следующей формулой:

2

^eff

2 + 2 ^sub +

= I (PSDsub(v) + PSDnois(v))iv.

(2)

Из формулы видно, что Р8Э-функции шероховатости и шума аддитивно складываются. Как следует из рисунка, эффективный шум АСМ на кадре 2 х 2 мкм составил 0.065 нм, а на кадре 40 х х 40 мкм — 0.077 нм. Во всем диапазоне пространственных частот, где проводились исследования, шум АСМ стпо18 = 0.11 нм. Масштаб эффекта примерно такой: если в эксперименте измеряемая величина сте(Г = 0.3 нм, то из (2) следует, что ошибка измерений составляет менее 10%. Если сте5 = 0.2 нм, то ошибка уже превышает 20%.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Традиционная технология глубокого шлифования—полирования (ГШП), когда на каждой последующей стадии механической обработки производится съем материала на глубину, равную двум размерам зерна абразива, примененного на предыдущей стадии, обеспечивает эффективную шероховатость на уровне 1.2—1.5 нм (верхние кривые на рис. 4). Следующим шагом является химико-механическая полировка. После применения химико-механической полировки PSD-функ-ции упали во всем спектральном диапазоне примерно на порядок (нижние кривые, рис. 4), а эффективная шероховатость снизилась до 0.36 нм. При этом шероховатость в высокочастотном диапазоне составила около 0.1 нм, соответственно, в средних частотах — 0.26 нм. Для сравнения, в [8] приведены результаты измерений кварцевой подложки от компании General Optics, у которой эффективная шероховатость составила около 0.24 нм, при этом в средних частотах — 0.14 нм, т.е. почти в два раза меньше,

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