ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 8, с. 9-15
УДК 538.971
ПРЕЦИЗИОННАЯ АСФЕРИЗАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИОННО-ПУЧКОВЫМ ТРАВЛЕНИЕМ
© 2015 г. М. В. Зорина1, И. М. Нефедов1, 2, А. Е. Пестов1, 2, *, Н. Н. Салащенко1, С. А. Чурин1, 2, Н. И. Чхало1
Институт физики микроструктур РАН, 603950 Нижний Новгород, Россия 2Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия *Е-таП: aepestov@ipm.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 05.08.2014 г.
Разработаны ионно-пучковые методы формирования сверхгладких асферических оптических поверхностей из полированного плавленого кварца с точностью формы на уровне 3 нм по среднеквад-ратическому отклонению и среднеквадратической шероховатости поверхности порядка 0.2—0.3 нм в диапазоне пространственных частот 0.01—100 мкм-1.
Ключевые слова: ионное травление, коррекция формы, асферизация, изображающая рентгеновская оптика.
БО1: 10.7868/80207352815080193
ВВЕДЕНИЕ
Асферизация поверхности оптических элементов позволяет скомпенсировать геометрические аберрации и расширить поле зрения оптической системы. Одна асферическая поверхность в объективе способна заменить 2—3 сферических, что позволяет резко сократить число элементов системы. Это особенно принципиально для оптики мягкого рентгеновского (МР) и экстремального ультрафиолетового (ЭУФ) диапазона (длины волн 1—60 нм), поскольку увеличение числа отражающих поверхностей приводит к снижению суммарного коэффициента пропускания оптической системы (коэффициент отражения от одного зеркала заметно отличается от единицы). Кроме того, короткая длина волны накладывает жесткие требования на точность формы (гтз ~ 1 нм) и шероховатость (а ~ 0.2—0.3 нм) поверхности. Применение асферических поверхностей существенно расширяет возможности разработчика оптических систем, однако ограничивается сложностью их изготовления и контроля, так как традиционную технологию изготовления сферических поверхностей, основанную на притирании детали и инструмента, невозможно использовать из-за непостоянства радиуса кривизны детали. Использование полировальников с различным радиусом кривизны зачастую приводит еще и к развитию шероховатости поверхности в области средних пространственных частот (10-2—100 мкм-1), что недопустимо при разработке оптических систем дифракционного качества.
Сложность изготовления элементов рентгеновской оптики, отсутствие надежных методов контроля их формы поверхности и шероховатости сдерживают развитие изображающей рентгеновской оптики дифракционного качества. Методики контроля формы поверхности, развитые в Институте физики микроструктур РАН [1], а также шероховатости во всем диапазоне пространственных частот, отвечающих за формирование изображения и отражение [2], позволили применить методику ионно-пучковой коррекции [3] для формирования сложных асферических элементов.
СТЕНД ИОННО-ПУЧКОВОГО ТРАВЛЕНИЯ
Работа выполнена на стенде ионно-пучкового травления [4]. В приборе применяются источники ускоренных ионов с накальным катодом (КЛАН-103М, Платар, Москва), с холодным катодом (источник с фокусировкой ионного пучка, Ферри Ватт, Казань) и с высокочастотной плазмой (КЛАН-163М, Платар, Москва). Это позволяет работать в широком диапазоне энергий от 50 до 1500 эВ, а также применять различные типы газов, как инертных, так и химически активных, в том числе фторсодержащие соединения.
При работе с диэлектрическими материалами применяется дополнительный термокатод-нейтрализатор, установленный на выходе ионного источника, позволяющий полностью скомпенсировать заряд ионного пучка и проводить травление нейтральными атомами.
н 18
и
S
15
s
н
я, 12
и
н е 9
ч
в
се & 6
S 3
о
о
р о 0
M
и
200 400 600 800 Энергия ионов, эВ
1000
Рис. 1. Скорость травления 8Ю2 в зависимости от энергии ионов Аг+ (9пад = 90°, / = 0.3 А/см2).
Источники типа КЛАН имеют квазипараллельный пучок ускоренных ионов с апертурами 0150 мм (КЛАН-163М) и 90 х 60 мм (КЛАН-103М), а источник Ферри Ватт за счет сменных диафрагм позволяет получать ионный пучок до 2 мм в диаметре. Прибор оснащен пятиосным гониометром, обеспечивающим поворот детали под нужным углом к ионному пучку.
Гониометр позволяет проводить травление во всем диапазоне углов падения ионов на поверхность образца, в частности обеспечивает локальную нормаль к любой точке поверхности любой формы в точке падения пучка ионов и проводить сканирование ионным пучком поверхность образца (программное обеспечение позволяет задать матрицу координат и время экспозиции в точке).
КОНТРОЛЬ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ
Шероховатость поверхности условно разделяют на два диапазона: среднечастотные шероховатости и высокочастотные шероховатости. Средние пространственные частоты (MSFR, middle spatial frequency roughness, 10-2—1 мкм-1) приводят к рассеянию излучения на малые углы таким образом, что излучение остается в области изображения, но при этом уменьшается его контраст, и это снижает разрешающую способность изображающей оптики. Высокочастотные дефекты поверхности (HSFR, high spatial frequency roughness) с пространственными частотами от 1 до 102 мкм-1, на которых падающее излучение рассеивается на большие углы, приводят к уменьшению коэффициента отражения зеркал и, как следствие, к уменьшению коэффициента пропускания оптической системы в целом. Для обеспечения расчетного разрешения изображающей
схемы и качества многослойных отражающих покрытий в МР- и ЭУФ-диапазоне длин волн эффективная шероховатость поверхности во всем диапазоне пространственных частот должна быть на уровне 0.2—0.4 нм [5].
В рамках работы было изучено поведение шероховатости поверхности при заметных съемах материала (от 1 мкм и более) как в области средних (10-2—100 мкм-1), так и высоких (100—102 мкм-1) пространственных частот. В качестве исследуемых объектов использовались полированные пластины плавленого кварца марки КВ, прошедшие процедуру глубокой шлифовки-полировки. Кварц марки КВ — типичный материал подложек оптических элементов МР- и ЭУФ-диапазона длин волн.
Глубина травления измерялась по "свидетелю", часть поверхности которого закрывалась маской, в результате травления на поверхности "свидетеля" формировалась ступенька, высота которой измерялась с помощью интерференционного микроскопа Talysurf CCI 2000. Измерение среднеквадратической шероховатости поверхности проводилось методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) на микроскопе NT-MDT Solver P47-PRO (размеры кадров 2 х 2 мкм2—50 х 50 мкм2) и диффузного рассеяния мягкого рентгеновского излучения (РДР) с длиной волны 13.5 нм на лабораторном рефлектометре [6]. По результатам измерений строились PSD-функции в диапазоне пространственных частот 0.01—100 мкм-1, что позволило проанализировать влияние процессов травления на свойства поверхностей в области высоких и средних пространственных частот. PSD-функция (power spectral density) — функция спектральной плотности мощности шероховатости, интеграл под кривой — эффективная шероховатость поверхности в соответствующем диапазоне пространственных частот [7].
Изучение проводилось для ионов с энергией порядка 1 кэВ, во-первых, в силу заметно более высокой скорости распыления, что важно при съемах материала в единицы и десятки микрометров. Во-вторых, как можно видеть из графика (рис. 1), для энергий от 600 до 1000 эВ скорость травления изменяется слабо, что удобно с точки зрения контролируемости процесса, т.е. незначительное изменение параметров травления в ходе процесса не приведет к заметным ошибкам в количестве снимаемого материала.
Исследования показали, что при съемах материала от 1 мкм для образцов из полированного плавленого кварца марки КВ, прошедших стандартную процедуру глубокой шлифовки—полировки и обладающих исходной шероховатостью поверхности на уровне aeff= 0.25 нм в диапазоне
0
Q
Рч
10
10
10
10
10-
10-
10
Латеральный размер, мкм
1 0.1
0.01
1 10 Пространстенная частота, мкм-1
100
Рис. 2. PSD-функция поверхности полированного плавленого кварца (КВ) до и после травления атомами Ar (9пад = 90°), построенная по данным АСМ.
пространственных частот 10 2—102 мкм х, наблюдается сохранение шероховатости в области средних пространственных частот 10-2—100 мкм-1 и некоторое сглаживание шероховатости в области высоких пространственных частот 100-102 мкм-1 (рис. 2).
Графики, представленные на рис. 2, демонстрируют динамику шероховатости при обработке поверхности нейтрализованными ионами Аг с энергией 800 эВ, глубина травления 1 мкм. При увеличении съема материала дальнейших изменений не происходит.
Таким образом, показано, что ионно-пучковое травление ионами Аг+ с энергией порядка 1 кэВ позволяет сохранять шероховатость поверхности на атомарно-гладком уровне и проводить глубокую асферизацию поверхности элементов с последующим применением их в оптических системах дифракционного качества.
МЕТОДИКА АСФЕРИЗАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ (ОСЕСИММЕТРИЧНЫЙ ПРОФИЛЬ)
Глубокая асферизация (отклонение от ближайшей сферы более 30 мкм) в случае осесимметрич-ного профиля отклонения от ближайшей сферы
проводится с помощью широкоапертурных источников ускоренных ионов КЛАН-103М и КЛАН-163М (Платар, Москва) по схеме, представленной на рис. 3. Между источником ускоренных ионов и сферической заготовкой устанавливается диафрагма, через которую проводится травление. Форма диафрагмы подбирается таким образом, чтобы при вращении подложки позади диафрагмы на ее поверхности формировался требуемый профиль асферизации.
Процедуру асферизации можно разделить на следующие этапы:
1. Определяется распределение ионного тока в пучке. На рис. 4 представлены кривые распределения ионного тока для источника КЛАН-103М на расстоянии 300 мм от выходной апертуры (в плоскости падения ионов на поверхность образца).
2. Производится расчет формы диафрагмы (с учетом распределения ионного тока и заданного профиля отклонения формы поверхности от сферы).
3. Проводится проверка полученного профиля на плоских образцах, наложенных на "куклу" — деталь с таким же радиусом кривизны, как и у реальной заготовк
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.