ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 7, с. 93-96
УДК 543.453
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТИ В ИФМ РАН
© 2015 г. А. А. Ахсахалян*, А. Д. Ахсахалян, Д. Г. Волгунов, М. В. Зорина,
М. Н. Торопов, Н. И. Чхало
Институт физики микроструктур РАН, 630950 Нижний Новгород, Россия *Е-таП: akh@ipm.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 19.12.2014 г.
Рассмотрены несколько оптических методов измерения формы зеркальной поверхности. Указаны их достоинства, недостатки и области применения. Приведены результаты измерений этими методами одного и того же сферического зеркала. Получено хорошее совпадение результатов измерений.
Ключевые слова: фокусирующие рентгеновские зеркала, зеркала для мягкого и жесткого рентгеновского излучения, интерферометрия, интерферометр с дифракционной волной, интерферометр Talysurf CCI 2000.
Б01: 10.7868/80207352815070033
ВВЕДЕНИЕ
Одним из основных направлений деятельности отдела многослойной рентгеновской оптики ИФМ РАН является разработка технологии изготовления фокусирующих рентгеновских зеркал. Одной из важнейших характеристик, определяющих разрешение и светосилу таких зеркал, служит точность формы изготовленной поверхности. В последнее время в институте успешно развиваются две методики травления: ионного [1, 2] и реактивного ионно-лучевого [3, 4]. Обе методики позволяют исправлять форму поверхности зеркал с точностью до единиц и даже долей нанометра. Следовательно, точность изготовления поверхностей практически полностью определяется точностью их измерения.
В отделе ведется работа по изготовлению зеркал для мягкого (X > 3.1 нм) и жесткого рентгеновского излучения. Для мягкого излучения форма зеркал, как правило, является осесиммет-ричной, причем среднеквадратичное отклонение формы поверхности от расчетной для многих применений не должно превышать 0.3—0.5 нм. Такая точность характерна для задач проекционной нанолитографии, рентгеновской микроскопии и других. Основным методом аттестации формы элементов и волновых деформаций оптических систем является интерферометрия. Метод основан на анализе интерференционной картины, возникающей в результате интерференции двух волн, отраженных от исследуемой и эталонной
поверхностей. При использовании эталонной поверхности трудно достичь указанной точности измерений формы оптических поверхностей, поскольку сама эталонная поверхность может искажать волновой фронт. Для того чтобы избавиться от использования эталонов и для повышения точности измерений, были разработаны и изготовлены интерферометры с дифракционной волной сравнения [5].
Для жесткого излучения в основном применяются зеркала цилиндрической формы с направляющей в форме параболы или эллипса и составленные из таких зеркал системы Киркпат-рика—Байеза (К—Б). Для измерения таких поверхностей разработаны и изготовлены два измерительных стенда на базе триангуляционных методик.
Кроме цилиндрических зеркал, большой интерес в жесткой области представляют зеркала в форме эллипсоида или параболоида вращения, которые могут значительно превосходить системы К—Б по светосиле. Для измерений формы поверхности зеркал вращения наиболее перспективной является методика измерений на интерференционном микроскопе Talysurf CCI 2000 [6].
В работе кратко описаны все указанные методики, отмечены их достоинства и недостатки. Приведены результаты измерений формы поверхности сферы всеми методами.
CCD-детектор
т
А
/
Источник света
/
V
/
Светоделитель
Объектив микроскопа
Пьезоэлектрический ] НН ' ИнтеРфеРометР привод 1_ЦН МираУ
_ПГ —■
Т
Образец
Рис. 2. Схема интерферометра Talyserf CCI 2000.
Рис. 1. Схема оптических стендов 1 (а) и 2 (б): 1 — лазер; 2 — поворотное зеркало; 3 — образец; 4 — детектор; В — база прибора; у — угол поворота зеркала; у — локальный угол наклона касательной; СО — угол поворота образца: X^ — положение отраженного пучка; X— ордината поверхности.
ПРИБОРЫ ЛУЧЕВОЙ ОПТИКИ
На рис. 1 представлены схемы двух похожих, но несколько отличающихся измерительных стендов, основанные на триангуляционных методах. В первом приборе (рис. 1а) излучение лазера 1, отражаясь от поворотного зеркала 2, фокусируется на поверхности неподвижного образца 3. С помощью детектора 4 (фотодиод), перемещающегося с шагом 0.025 мм вдоль оси хл, определяется положение отраженного пучка, соответствующее максимуму его интенсивности, Ха. Зная зависимость Ха от угла поворота зеркала у и величину базы прибора В = 2 м, рассчитывают зависимость локального угла наклона касательной у от ординаты поверхности X. Точность измерений Ду = 5 х х 10-5рад.
Схема работы второго стенда представлена на рис. 1б. Излучение лазера 1, отражаясь от поворотного зеркала 2, фокусируется на поверхности образца 3. Образец поворачивается на поворотном столике до такого угла ю, при котором максимум излучения попадает в детектор 4. Детектор состоит из призмы и двух фотодиодов, включен-
ных по схеме вычитания. Призма делит падающий пучок на два пучка, каждый из которых попадает на свой фотодиод. Центру пучка соответствует нулевой сигнал (интенсивность на каждом фотодиоде одинакова). Снимая зависимость ю от у, рассчитывают зависимость локального угла наклона касательной у от ординаты поверхности X. Применение такого детектора позволило почти полностью исключить ложное считывание положения максимума из-за дрейфа во времени лазерной интенсивности. Кроме того, во втором приборе примерно в два раза повышена точность отсчета углов у и ю. Эти два фактора позволили повысить точность измерений до Ду = 1.5 х 10-5 рад.
Оба прибора позволяют проводить измерения профиля выпуклых и вогнутых цилиндрических, сферических и асферических поверхностей с радиусами кривизны от 0.5 м до бесконечности. Размер измеряемых образцов L = 100 мм.
ИНТЕРФЕРОМЕТР TALYSURF CCI 2000
Интерференционный микроскоп Talysurf CCI 2000 измеряет форму поверхности в поле зрения 0.9 х 0.9 мм с точностью 0.5 нм. Схема микроскопа представлена на рис. 2. Опорный луч отражается от нижнего светоделителя, от контрольной плоскости и возвращается светоделителем через объектив в CCD-детектор (матрица 1024 х 1024). Зондирующий луч, отражаясь от исследуемого образца, также направляется в детектор. Объектив перемещается по вертикали с помощью пье-зодвигателя, и на каждом шаге снимается интерференционная картина на детекторе. По совокупности этих картин восстанавливается трехмерная
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ
95
карта поверхности образца с глубиной рельефа до 100 мкм. Для измерения рельефа протяженных объектов прибор был дооснащен датчиком, позволяющим измерять положения столика образца с точностью 1 мкм [6]. Общий рельеф получается путем сшивки отдельных участков поверхности. Точность измерения рельефа при сшивке падает с увеличением длины образца и составляет М ~ 10 нм на длине образца Ь = 20 мм и М ~ 100 нм на длине образца Ь = 80 мм. Прибор позволяет анализировать поверхности любых типов (выпуклые, вогнутые, седлообразные) и вычислять радиусы кривизны в двух направлениях начиная с Я = 1 мм до бесконечности. Это позволяет анализировать поверхности вращения для зеркал жесткого диапазона, в которых эти радиусы отличаются на три порядка (Я1 ~ 5 мм, Я2 ~ 5 м).
ИНТЕРФЕРОМЕТР С ДИФРАКЦИОННОЙ ВОЛНОЙ СРАВНЕНИЯ
Для аттестации вогнутых сферических и слабо асферических поверхностей в ИФМ РАН был разработан интерферометр с дифракционной волной сравнения, у которого в качестве источника эталонной сферической волны используется одномодовое оптическое волокно с зауженной до субволновых размеров выходной апертурой. Оптическая схема интерферометра с дифракционной волной сравнения в режиме изучения вогнутых сферических и слабо асферических поверхностей приведена на рис. 3. Исследуемая деталь и регистрирующая система облучаются эталонным сферическим фронтом. Отраженный от исследуемой детали свет фокусируется на поверхности зеркала 7 и, отражаясь от него, направляется в регистрирующую систему, где интерферирует с эталонным фронтом. Координаты экстремумов интерференционной картины определяют на исследуемой поверхности точки равной фазы (в пределах полосы) и отличающиеся на п в случае нахождения координат минимумов и максимумов, либо 2п, когда определяются только минимумы либо максимумы интерференционной картины. Типичное число таких "результативных" точек достигает 2000. Далее по этому набору точек проводится аппроксимация всей поверхности полиномами Цернике. Подробности об особенностях работы интерферометра, включая схемы изучения различных типов оптики, можно найти в [7].
Главные достоинства этого метода следующие. Во-первых, отсутствует эталонная поверхность, а аберрации эталонного фронта и эффекты регистрирующей оптики, влияющие на точность измерений, измеряются методом Юнга по интерфе-
Рис. 3. Оптическая схема интерферометра с дифракционной волной сравнения: 1 — лазер; 2 — оптоволокно; 3 — модуль осветителя; 4 — исследуемая деталь; 5 — регистрирующая система; 6 — источник эталонной сферической волны; 7 — зеркало.
ренции волн от двух источников сферической волны [8]. Во-вторых, в процессе измерений все элементы прибора остаются неподвижными, тем самым исключаются какие-либо ошибки, связанные с перемещениями элементов, например нелинейностью пьезоприводов, как в случае с интерферометрами белого света.
ИЗМЕРЕНИЕ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТИ СФЕРЫ
Для сравнения различных методик на всех представленных приборах были проведены измерения формы поверхности одного и того же образца — вогнутой сферы радиусом R = 1200 мм. Результаты измерений всеми представленными методами приведены на рис. 4. Как и ожидалось, измерения с использованием интерферометра с дифракционной волной сравнения имеют наилучшую точность (AY < 1 нм). Из них видно, что в центре сферы наблюдается провал глубиной примерно 10 нм, а края приподняты, по сравнению с расчетом, на такую же величину. Эти особенности частично проявляются при измерениях на стенде 2 и с использованием интерферометра Talysurf. Точность измерений на этих приборах сопоставима и р
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.