サブオングストロームの面粗さをどう測定するか?

レーザーシステムにおけるスループットの向上や損失低減に向けた継続的かつ揺るぎない進歩には,とりわけ高出力レーザーや短波長を使用する場合において,散乱を最小限に抑える光学部品が要求される。表面粗さを極めて低いレベルに抑えることによってこの要求を満たすオプティクスは「スーパーポリッシュ」と表現されることがある。今のところ「スーパーポリッシュ」についての業界標準はないが,エドモンド・オプティクスはppmレベルの散乱に対して光学面を1オングストローム(10-10m)RMS未満の面粗さにまで研磨する加工法を開発した。

スーパーポリッシュされたオプティクスは,ガス分析用のキャビティリングダウンシステムやレーザージャイロスコープのように欠陥の少ないオプティクスを必要とする高感度レーザーアプリケーションに最適だ。この高度に制御された表面
は,イオンビームスパッタリング(IBS)などの低損失コーティング技術を補完するものでもある(詳細を見る)。

● サブオングストロームの面粗さをどう測定するか?

Figure 1: 一般的な測定デバイスの対応空間周波数には重複する範囲がある。

すべての計測デバイスには,測定可能な固有の空間周波数(Spatial Frequency)範囲がある。Figure 1は,表面粗さの測定によく用いられる3つの測定技法で重複する空間周波数範囲を表している。3つの技法とは,従来型の光学干渉法,白色光干渉法(White Light Interferometry; WLI),および原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscopy; AFM)である。

異なる空間周波数範囲は,異なるタイプの表面誤差に対応する。周波数のこうしたグループは,その境界を明確に定義していないものの,特定周波数範囲をカバーする領域と通常理解されている。従来のHe-Neレーザーを用いた干渉計は,形状誤差として知られる典型的なゼルニケ多項式に関連した低空間周波数を測定するのに適している。この方法は,WLIの中空間周波数範囲とわずかに重複するが,WLIはうねり(waviness)として知られるより細かいレベルの表面誤差を測定するのにより適している。

この範囲では,誤差が散乱と性能低下に影響を及ぼし始める。WLIとAFMのどちらでも面粗さを測定できるが,重要になる空間周波数グループはそのアプリケーションに依存する。目視および長波長のアプリケーションは,一般に2,000サイクル/mm未満で測定され,この場合はWLIを用いることができる。AFMは,面の一部分をより詳細に確認するのに適しており,UVアプリケーションに必要な高空間周波数を測定するのに必要となる。

より高い空間周波数範囲の機器を使用することは,通常実視野がより小さくなるというトレードオフをもたらす。AFMは,サブオングストロームの表面を直接測定するのに用いることができるが,実視野と感度が小さいため,製造現場での面粗さ測定よりも実験室での使用により適している。

エドモンド・オプティクスは,AFMとWLI間のデータ相関,および後者からのピーク性能を確保する手順を用いて,WLIが製造現場でスーパーポリッシュ面のサブオングストロームのRMS面粗さを計測するための効果的なツールにできることを確証した。サブオングストロームの面粗さ計測の詳細については,SPIE会議の議事録で確認することができる(詳細を見る)。

● スーパーポリッシュオプティクスはどのように作られる?

Table 1:水浸研磨がRMS面粗さを>7Åから<1Åに低減することを証明した。詳細は,当社のSPIE会議議事録を参照。

従来の減法的光学研磨は,初期段階の研削および研磨過程によって引き起こされた損傷を除去するために,より細かい研磨剤を漸進的に用いる反復プロセスだ。どれほど細かい研磨剤が使用されたとしても,砥粒研磨した場合の表面下損傷は当然の結果である。表面および表面下の損傷箇所は,面粗さやエネルギー吸収を増加させるため,エネルギー散乱の増加とともに,熱の発生やシステム効率の低下を引き起こす。散乱は面粗さの自乗に比例する。

しかしながら,エドモンド・オプティクスで用いられるスーパーポリッシュのプロセスは,焦点を機械研磨プロセスからスラリー,ガラス,研磨ラッピング間の化学反応に移すことで,表面下損傷を完全に排除する。損傷はベイルビー層で起こるため,機械的作用は,基板から損傷の原因を除去するためにのみ使用される。石英ガラスに水溶性はない。ベイルビー層は研磨中に形成される石英層で,水酸化イオンの拡散によって変化し,一旦形成されると基板をさらなる変化から保護するのに役立つ。

サブオングストロームの面粗さをもつオプティクスは,スラリーで水和されたラッピングを光学部品と同じ温度に保つ水浸研磨を利用して製作される。化学反応を促進するために温度とpH値の両方が高度に制御される一方,表面張力が汚染物質に対する障壁を形成する。エドモンド・オプティクスの水浸研磨加工に関する詳細は,別のSPIE会議議事録で確認できる(詳細を見る)。

● エドモンド・オプティクスのスーパーポリッシュオプティクス

エドモンド・オプティクスは,サブオングストロームのスーパーポリッシュ面が,合成石英から作られた平面や球面オプティクスで繰り返し達成可能であることを実証した。表面には製造工程で残された目に見える損傷がなく,測定可能な表面下損傷もなかった(Table 1)。

スーパーポリッシュ面は,イオンビームスパッタリング(IBS)などの低損失コーティング技術を補完する。それは,このコーティングが巧みに蒸着されれば,性能はそのガラス基板の面粗さによって通常制限されるためだ。エドモンド・オプティクスでは,特注のスーパーポリッシュオプティクスに対応している。また,在庫販売品として以下の製品をラインナップしている。

IBS レーザーミラー
スーパーポリッシュ レーザーウインドウ基板