КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2010, том 55, № 1, с. 143-148
ПОВЕРХНОСТЬ, ТОНКИЕ ПЛЕНКИ
УДК 538.9
ВЛИЯНИЕ РЕЛЬЕФА ПОДЛОЖКИ НА ФОРМИРОВАНИЕ МНОГОСЛОЙНОГО ПЛЕНОЧНОГО ПОКРЫТИЯ
© 2010 г. Ю. В. Грищенко**, М. Л. Занавескин**, А. Л. Толстихина*
*Институт кристаллографии РАН, Москва
E-mail: grishchenko@ns.crys.ras.ru **РНЦ "Курчатовский институт", Москва Поступила в редакцию 18.06.2009 г.
Представлены результаты исследований взаимосвязи рельефов подложек и нанесенных на них многослойных пленочных покрытий, используемых в кольцевых лазерных гироскопах. Исследования поверхностей проводились с помощью метода атомно-силовой микроскопии. Для анализа статистических свойств рельефа поверхности применен подход, в основе которого лежит сравнительный анализ функций спектральной плотности мощности шероховатости, рассчитанных для подложки и пленочного покрытия. Определена степень корреляции нанорельефов подложки и многослойного пленочного покрытия, а также установлено влияние шероховатости подложки на оптические характеристики наносимых на них зеркал.
ВВЕДЕНИЕ
Прогресс в ряде областей науки и техники определяется развитием технологий нанесения пленочных покрытий, спектр применения которых в настоящее время весьма широк. Так, для работы кольцевых лазерных гироскопов (КЛГ) необходимы многослойные интерференционные зеркальные покрытия оптического диапазона. Одним из критичных параметров, негативно влияющих на рабочие характеристики гироскопов, является рассеяние излучения на зеркальных элементах, которое происходит на шероховатостях границ раздела фаз каждого из слоев многослойного покрытия [1]. Поэтому для оптимизации технологического процесса получения покрытий необходимо установить связь между шероховатостью подложки, шероховатостью получаемого на ней зеркального покрытия и оптическими характеристиками КЛГ.
При комплексном исследовании зеркальных элементов КЛГ методами атомно-силовой микроскопии (АСМ), рентгеновского рассеяния и интегрального рассеяния света в [2] было установлено, что с ростом шероховатости подложки растет шероховатость внешней границы зеркального покрытия и увеличиваются суммарные све-топотери зеркал. В ходе работы был применен подход, основанный на сравнительном анализе функций спектральной плотности мощности поверхности (power spectral density — PSD) пленки и подложки. Этот метод ранее применялся для изучения многослойных зеркал ультрафиолетового и рентгеновского диапазонов [3, 4].
В настоящей работе продолжены начатые исследования, и основным методом выступает АСМ, позволяющая получать трехмерные изображения рельефа с разрешением порядка нанометров в латеральном направлении и порядка ангстрем — по высоте. Проследить за эволюцией наноразмерного рельефа поверхности при формировании многослойных зеркал оптического диапазона позволили расчет и сравнительный анализ функций спектральной плотности мощности шероховатости. PSD-функция описывает статистические свойства рельефа поверхности, что позволяет проводить сравнение соответствующих свойств рельефов подложки и наносимого на нее многослойного покрытия в различном масштабе линейных размеров.
МЕТОДИКА РАСЧЕТА
Данные АСМ представляют собой двумерную функцию топографии поверхности
z(p), Р - (x,y). (1)
По функции рельефа поверхности можно рассчитать автокорреляционную функцию
C(p) = (z(p + P ')z(p)) • (2)
Используя функцию (2), можно получить одномерную функцию PSD.
В случае изотропной поверхности проводится переход в полярные координаты
= Vx2 + y2, а = arctg—
(—)■
(3)
где р и а соответственно модуль и полярный угол радиуса вектора р. Далее автокорреляционная функция усредняется по углу
2п
C (р) = — fc( р, a )d а. 2п J
(4)
Косинусное преобразование Фурье одномерной автокорреляционной функции дает одномерную Р8Э-функцию
РВБ^) = ]со8(2П vp)C(p)dp, (5)
где V — пространственная частота, обратно пропорциональная расстоянию V = 1/ р.
Минимальное и максимальное значения пространственных частот, в которых рассчитывается Р8Э-функция для АСМ-изображения, определяются его линейным размером L и числом точек изображения N
±, v = *
L max L
(6)
Для расширения диапазона пространственных частот необходимо получить серию АСМ-изобра-жений. В этом случае область определения PSD-функции связана с возможностями метода АСМ: минимальная частота ограничивается максимально возможной площадью сканирования, максимальная частота связана с наилучшим разрешением, т.е. с геометрическими характеристиками зонда.
В случае анизотропной поверхности, т.е. когда рельеф имеет ярко выраженное выделенное направление, PSD-функцию можно рассчитать вдоль выбранного направления
PSD
1D
"(V) = ]С08(2™р) • С(р,аaniSotr)dp, (7)
где а а„10(г — угол, задающий направление расчета.
Зная Р8Э-функцию, можно вычислить эффективную среднеквадратичную шероховатость поверхности
СТ eff =
J PSDid(v)dv,
(8)
где диапазон пространственных частот принадлежит области определения восстановленной Р8Э-функции.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Образцы. Объектами исследования в настоящей работе были зеркальные элементы для КГЛ, представляющие собой полированные ситалло-вые подложки, на которые нанесены многослойные интерференционные покрытия.
Образцы ситалловых подложек, использованные в ходе работы, по типу подготовки поверхности можно разделить на три группы: к первой группе относятся подложки, прошедшие механи-
ческую полировку, ко второй — подложки, которые были подвержены химико-механической полировке, к третьей — подложки, прошедшие маг-нитореологическую полировку.
В результате различной обработки на поверхности ситалловых подложек наблюдалось три типа поверхностных наноструктур: стохастический рельеф, зернистая структура, а также рельеф, имеющий анизотропный характер.
Многослойные зеркальные покрытия наносились на подложки методом ионно-лучевого напыления и состояли из чередующихся слоев оксида титана и оксида кремния (TiO2/SiO2), общая толщина которых составляла 2 мкм.
Ситалловые подложки и многослойные зеркальные покрытия были изготовлены и предоставлены ФГУП НИИ "Полюс".
Атомно-силовая микроскопия. Исследования поверхности образцов осуществлялись на сканирующем зондовом микроскопе NTEGRA Prima (NT-MDT, Зеленоград). Использование емкостных датчиков в данном приборе для контроля перемещения пьезосканера позволяет уменьшать его нелинейности до 1.5%. Максимально возможная площадь сканирования составляет 80 х 80 мкм. АСМ-измерения проводились в прерывисто-контактном режиме с использованием кремниевых кантилеверов марки NSC11 фирмы MikroMasch, радиус закругления которых составлял 10 нм.
С целью повышения достоверности измерений прибор был размещен в чистом климатическом боксе TRACKPORE ROOM-02. Чистое помещение соответствует классу 8 ИСО (100000). Поддержание чистоты воздушной атмосферы и поверхности изучаемых объектов обеспечивается в течение необходимого для экспериментов временного периода. Управление климатическими параметрами окружающей среды, такими как температура и влажность, дает возможность устранять статический заряд с поверхности диэлектрических подложек и зеркальных покрытий [5]. Температура в боксе поддерживалась в диапазоне 25 ± 5°С с точностью ±0.05°C. Это позволило устранить ряд аппаратных искажений, обусловленных тепловыми дрейфами конструктивных элементов микроскопа.
Оптические измерения. Для определения качества зеркальных покрытий во ФГУП НИИ "Полюс" проведены измерения коэффициента интегрального рассеяния S на рабочей длине волны излучения 632.8 нм на базе интегрирующей сферы [6]. При этом коэффициент интегрального рассеяния определяется по формуле
Б = Р х 100%, Ро
где PS — мощность излучения, рассеянного от поверхности измеряемого образца, а P0 — мощность падающего лазерного излучения.
(9)
0
v
мкм 25
20
154
104
54
(a)
нм -10
мкм 25
20
15-
(б)
10
нм
10
15
20 мкм
10
Т
15
20 мкм
Рис. 1. АСМ-изображения поверхностей механически полированной ситалловой подложки (а) и нанесенного на нее зеркального покрытия (б).
4
8
3
6
2
4
1
5
2
0
0
0
0
0
5
0
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Для всех исследованных в работе ситалловых подложек и нанесенных на них многослойных пленочных покрытий были получены серии топографических изображений поверхности в диапазоне линейных размеров от 1 х 1 до 80 х 80 мкм. Далее по полученным изображениям с использованием формул (1—7) рассчитывались функции PSD, и проводился их сравнительный анализ.
На рис. 1 представлены АСМ-изображения поверхности механически полированной ситалловой подложки (а) и зеркального покрытия, нанесенного на эту подложку (б). Видно, что поверхности как подложки, так и зеркального покрытия имеют изотропный характер и поэтому расчет PSD-функций для них осуществлялся по формуле (5). На рис. 2 представлены PSD-функ-ции, рассчитанные для подложки и пленки.
Далее были исследованы поверхности пленочных покрытий, нанесенных на подложки, которые прошли химико-механическую полировку. В результате обработки происходило образование зернистой структуры на поверхности ситалловых подложек (рис. 3а). Однако на поверхности пленочного покрытия подобной зернистой структуры не наблюдается (рис. 3б). При этом поверхности подложки и зеркала, как и в случае поверхности со стохастическим рельефом, имеют изотропный характер, вследствие чего расчет PSD-функций проводился по формуле (5) (рис. 4).
Ситалловые подложки, прошедшие магнито-реологическую обработку, имели ярко выраженное выделенное направление (рис. 5а, 5в). Наносимое многослойное зеркальное покрытие, толщина которого достигает 2 мкм, сохраняет анизотропный характер (рис. 5б, 5г). В этом слу-
Рис. 2. Одномерные Р8В-функции механически полированной ситалловой подложки и нанесенного на нее зеркального покрытия.
чае расчет и сравнение Р8Б-функций подложки и пленки проводились параллельно (рис. 6а) и перпендикулярно (рис. 6б) выделенному направлению с помощью выражения (7).
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Подложки с различным типом нанорельефа были использованы для изучения влияния рельефа подложки на особенности формирования наносимого пленочного покрытия. Из представленных
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.