CC BY
9
УДК 29.31.26
DOI: 10.33764/2618-981X-2021 -8-223 -228
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ ДИФРАКТОМЕТРИИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПОГРЕШНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Руслан Владимирович Шиманский
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 1, младший научный сотрудник, тел. (383) 333-30-91, е-mail: shimansky@iae.nsk.su
Андрей Юрьевич Костяничников
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, проспект К. Маркса, 20, студент, тел. (913) 063-85-74, е-mail: akostyanichnikov@gmail.com
Роман Игоревич Куц
Новосибирский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2, Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 1, техник-программист, тел. (953) 890-39-36, e-mail: r.i.kuts@mail.ru
Дмитрий Александрович Белоусов
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 1, младший научный сотрудник, тел. (383) 330-79-31, е-mail: BelousovDA@iae.nsk.su
Виктор Павлович Корольков
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, заместитель директора по научной работе, тел. (383) 333-10-65, e-mail: korolkov@iae.nsk.su
Работа посвящена экспериментальному исследованию эффективности метода измерения погрешностей изготовления компьютерных синтезированных голограмм с использованием специализированных меток. Каждая метка представляет собой две совмещенный дифракционные решетки с одинаковыми скважностью и периодом, первая из которых записывается до записи, а вторая - в процессе формирования структуры голограммы. Для определения погрешности записи применялся метод оптической дифрактометрии. Представлены результаты экспериментального исследования зависимости дифракционной эффективности метки от взаимного смещения частей микрорешеток. Экспериментально смоделирована погрешность изготовления синтезированной голограммы, возникающая в процессе длительной записи дифракционного оптического элемента.
Ключевые слова: прямая лазерная запись, лазерная записывающая система, дифракционный оптический элемент, погрешность изготовления, дифракционная эффективность
APPLICATION OF OPTICAL DIFFRACTOMETRY FOR THE ERROR MONITORING OF MANUFACTURING OF PRECISION OPTICAL ELEMENTS
Ruslan V. Shimansky
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Аkademik Koptyug Prospect, Novosibirsk, 630090, Russia, Junior Researcher, phone: (383) 333-30-91, е-mail: shimansky@iae.nsk.su
Andrey Yu. Kostyanichnikov
Novosibirsk State University, 2, Pirogova St., Novosibirsk, 630090, Russia, Student, phone: (913) 063-85-74, e-mail: akostyanichnikov@gmail.com
Roman I. Kuts
Novosibirsk National Research State University, 2, Pirogova St., Novosibirsk, 630090, Russia, Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Аkademik Koptyug Prospect, Novosibirsk, 630090, Russia, Technician-Programmer, phone: (953) 890-39-36, e-mail: r.i.kuts@mail.ru
Dmitriy A. Belousov
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Аkademik Koptyug Prospect, Novosibirsk, 630090, Russia, Junior Researcher, phone: (383) 330-79-31, е-mail: BelousovDA@iae.nsk.su
Victor P. Korolkov
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Аkademik Koptyug Prospect, Novosibirsk, 630090, Russia, Deputy Director, phone: (383) 333-10-65, e-mail: korolkov@iae.nsk.su
The work is devoted to an experimental study of the effectiveness of the method for measuring errors in manufacturing of computer-generated synthesized holograms using specialized marks. Each mark represents two aligned diffraction gratings with the same duty cycle and period, the first of which is formed before writing, and the second is formed in the process of forming the structure of the hologram. To determine the writing error, the method of optical diffractometry was used. The results of an experimental study of dependence of diffraction efficiency of the mark on the mutual displacement of parts of the microgratings are presented. The error manufacturing of a synthesized hologram arising during long-term writing of a diffractive optical element has been simulated experimentally.
Keywords: direct laser wtiting, laser wtiting system, diffractive optical element, manufacturing error, diffraction efficiency
Контроль точности изготовления прецизионных синтезированных структур или дифракционных оптических элементов (ДОЭ) является актуальной задачей, в особенности для их применения при интерферометрических измерениях асферических поверхностей [1]. Погрешности изготовления прецизионных структур влияют на искажения формируемого волнового фронта. Воздействие внутренних и внешних факторов на систему записи (сдвиг подложки, температурный дрейф, изменение атмосферного давления и т.п.), возникающее в процессе изготовления структуры ДОЭ, приводит к отклонениям формируемой структуры на подложке от расчетной.
В ИАиЭ СО РАН была разработана и используется прецизионная круговая лазерная записывающая система (КЛЗС) CLWS300IAE, оптимизированная для записи прецизионных синтезированных структур [2]. В настоящее время КЛЗС используются в ряде научных и промышленных организаций России, Германии, Китая [3-5]. Несмотря на высокую скорость сканирования в КЛЗС, время записи ДОЭ больших размеров может достигать десяти часов и более. В течение этого времени абсолютная погрешность позиционирования записывающего пучка по всему полю ДОЭ не должна превышать 10 нм.
Для осуществления контроля погрешностей изготовленного ДОЭ по двум координатам было предложено формировать специальные координатные метки в виде дифракционных микрорешеток [6]. Данные метки состоят из двух частей. Одна из них формируется до записи ДОЭ. Вторая часть записывается одновременно с основной дифракционной структурой в выделенных небольших окнах в области ДОЭ. Для определения погрешности изготовления ДОЭ как по радиальной, так и по угловой координате, метки наносятся попарно, а направления штрихов периодических решеток в них ортогональны. Сдвиг между первой и второй частью марок позволяет определить погрешность изготавливаемого ДОЭ по обеим координатам. Данный метод контроля погрешности записи может использоваться как на системах с круговой системой сканирования, так и на X- Y системах лазерной записи.
Существует несколько топологий координатных меток. В нашей работе мы рассматриваем смешанную двухкоординатную метку, топология которой позволяет использовать метод оптической дифрактометрии. Смешанная двухкоорди-натная метка представляет собой две совмещенные дифракционные решетки (рис. 1) с одинаковыми шириной штриха (Ж) и периодом (Р). Одна из решеток записывается до записи основной структуры элемента, а вторая непосредственно в процессе записи, с заранее заданной величиной смещения относительно первой (С). Для определения оптимального смещения было проведено математическое моделирование.
Моделирование [6] показало, что при увеличении смещения между центрами линий решетки смешанной двухкоординатной метки дифракционная эффективность для первого порядка уменьшается, в то время как для второго - увеличивается. Существует такое оптимальное смещение С, при котором эффективность обоих порядков совпадает. Оптимальное смещение может использоваться во время записи второй части метки и будет соответствовать отсутствию погрешности в структуре синтезированной голограммы.
Неоптимальное смещение записанных решеток друг относительно друга будет приводить к перераспределению интенсивностей дифрагированного излучения между дифракционными порядками. Таким образом, измерив интенсивности дифракционных порядков при освещении сформированной двухкоординатной метки пробным лазерным пучком, можно определить величину смещения решеток друг относительно друга, которая будет соответствовать погрешности структуры по одной из координат.
Рис. 1. Геометрия амплитудной
решетки: P - период каждой из решеток; W - ширина линии; ё' - смещение одной решетки относительно другой
Целью данной работы было экспериментально проверить результаты математического моделирования и показать применимость метода, сформировав координатные метки с различными значениями смещения d', смоделировав различную степень ошибки позиционирования реальной записывающей системы.
Для нанесения микрорешеток смешанным методом на пленке хрома использовалась установка Х-У лазерного нанолитографа с длиной волны записывающего излучения 405 нм и диаметром пятна ~350 нм [7]. Для достижения режима термохимического окисления была определена критическая мощность лазерного излучения, ниже которой структуры образуются именно посредством термохимии. Были записаны тестовые структуры с различной мощностью излучения в пределах от 30 до 0 мВт. После записи тестовые структуры подверглись травлению с использованием селективного травителя хрома [8]. Таким образом была оопределена мощность, равная 10 мВт, выше которой наблюдался режим прожига, а не термохимического окисления хрома. В дальнейшем запись микрорешеток проводилась при мощности 9 мВт.
Микрорешетки с периодом Р = 5 мкм были сформированы методом непрерывной лазерной записи со скоростью 1,64 мм/с. Каждый штрих решетки состоял из двух проходов лазерного пятна с шагом 0,25 мкм. Ширина такого штриха равнялась ~1 мкм. При этом, значение смещения С изменялось от 1,5 до
С целью измерения дифракционной эффективности меток использовался метод оптической дифрактометрии, для применения которого был собран оптический стенд на основе схемы, приведенной на рис. 2. Лазерный пучок с длиной волны 633 нм вертикально падает на линзу (Р = +10 см) фокусируется на образце с нанесенными на него тестовыми микрорешетками. Диаметр пятна в перетяжке ~100 мкм. Образец расположен на подвижном Х-У столе, в котором выточено окно для прохождения дифракционных порядков. С помощью измерителя мощности регистрируется интенсивность первого и второго порядков.
На рис. 3,а приведены результаты моделирования [6] зависимости дифракционной эффективности от величины сдвига между микрорешетками для разных ширин линий (квадраты - 1.,3 мкм, круги - 1, мкм, треугольники - 0,9 мкм). Пары кривых для каждой ширины линии пересекаются около оптимального значения смещения Сор1 = 1,75 мкм.
На рисунке 3,б показаны полученные в рамках данной работы экспериментальные результаты измерения эффективностей первого и второго дифракционных порядков от величины смещения. Видно, что пересечение двух кривых происходит при смещении сГор1 ~ 1,7 мкм. Результат экспериментальной работы
2,3 мкм с шагом 0,2 мкм.
6
Рис. 2. Оптическая схема для дифрактометрии: 1 - лазер; 2 - зеркало; 3 - линза; 4 - образец; 5 - Х-У стол; 6 - измеритель мощности
показывает высокую корреляцию с математическим моделированием, что доказывает возможность применения метода смешанных координатных меток для контроля погрешности изготовления дифракционных оптических элементов.
0.08 0,070.06-, 3 0,05 я 0,04-
щ
С 0,03 0.02 -0.01 0,00
1 порядок
2 порядок
• «
• А
* м
А?
■ч
0,05 0,04 = 0,03
аз
Й 0,02
0,01 о
1.0 1.2 1,4 1,6 1,8 2.0 2.2 2.4
с!', |ЛГП
а)
1 порядок
2 порядок
1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 <3', цт
б)
Рис. 3. Зависимости дифракционной эффективности от смещения между центрами линий решетки: а) расчетная; б) экспериментальная
Очевидное преимущество метода - количественная оценка точности позиционирования структур ДОЭ с использованием оптического эффекта интерференции. Однако, как показал эксперимент, недостатком метода является требование к точности измерения эффективности порядков. Погрешность в измерении дифракционной эффективности в 5% приведет к ошибке определения погрешности позиционирования на значение ~100 нм. Такая погрешность измерения не достаточна для контроля точности изготовляемых ДОЭ для реальных задач. Несмотря на перспективность данного метода, необходимо значительно увеличить точность измерительного стенда и подобрать оптимальные параметры записи координатных меток.
Данная работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект № 17-19-01721-П). В исследованиях использовано оборудование ЦКП «Спектроскопия и оптика» ИАиЭ СО РАН.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шиманский Р. В., Полещук А. Г., Корольков В. П., Черкашин В. В. Методы увеличения точности нанопозиционирования в системах синтеза дифракционной оптики // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2015. 5, № 1. С. 65-70.
2. Ведерников В. М., Вьюхин В. Н., Кирьянов В. П. и др. Прецизионный фотопостроитель для синтеза оптических элементов // Автометрия. 1981. № 3. С. 3-16.
3. Казанский Н. Л. Исследовательский комплекс для решения задач компьютерной оптики // Компьютерная оптика. 2006. № 29. С. 58-77.
4. Annual report 2013/2014 / Institut fur Technische Optik Universit'at Stuttgart. Stuttgart, 2014. P. 3.
5. Duoshu W., Luo C., Xiong Y. et al. Fabrication technology of the centrosymmetric continuous relief diffractive optical elements // Phys. Procedia. 2011. 18. P. 95-99.
6. Shimansky R.V., Nasyrov R.K., and Belousov D.A. Measuring fabrication errors of computer-generated holograms using embedded microgratings // Proc. SPIE 11551, Holography, Diffractive Optics, and Applications X, 115510L.
7. Korolkov V P, Kuts R.I., Malyshev A.I., Matochkin A.E., Shimansky R.V., Dry method for the formation of reflective phase DOEs using direct laser writing on thin Zr films // Proc. SPIE 11551, Holography, Diffractive Optics, and Applications X, 115511O.
8. . В. П. Коронкевич, А. Г. Полещук, Е. Г. Чурин, Ю. И. Юрлов, Селективное травление экспонированных лазером тонких пленок хрома, Письма в ЖТФ, 1985, том 11, выпуск 3, 144-148.
© Р. В. Шиманский, А. Ю. Костяничников, Р. И. Куц, Д. А. Белоусов, В. П. Корольков, 2021
