Сверхточная ионно-пучковая обработка поверхности оптических элементов из монокристаллического кремния

В Институте физики микроструктур РАН – филиале ИПФ РАН – разработана методика создания формы поверхности различных рентгенооптических элементов из монокристаллического кремния для мощных источников синхротронного излучения 4-го поколения (СКИФ, Россия и ESRF, Франция). Сложность задачи обусловлена малой длиной волны рентгеновского излучения, сравнимой с размером атома. Формообразование осуществляется методом прецизионной ионно-пучковой обработки. Методика основана на использовании ускоренных ионов с энергией, достаточной для аморфизации приповерхностного слоя кремния. При таких энергиях подавляется развитие шероховатости поверхности при ионном распылении, более того, может происходить и сглаживание вплоть до атомарного уровня (размах высот на поверхности не превышает 1 нм).

Для реализации метода сотрудниками ИФМ РАН была разработана уникальная установка ионно-пучкового травления, которая позволяет осуществлять ионные полировку, коррекцию формы и асферизацию. Сканирование пучком осуществляется согласно специально разработанному алгоритму, который не только не уступает мировым аналогам, но и в некоторых моментах его превосходит. Управляемый компьютером 5D столик совместно с тремя источниками ускоренных ионов собственной разработки позволяют удалять с поверхности материал на размерах в доли миллиметра и на глубину в доли нанометра (несколько атомов).

Методика обработки монокристаллического кремния позволила начать изготавливать оптику для сверхмощных источников рентгеновского излучения со сверхмалыми размерами рентгеновского пучка (синхротроны 3+ и 4-го поколения, а также лазеры на свободных электронах). В том числе для Российских установок класса MegaScience: строящиеся синхротроны СКИФ (Сибирский Кольцевой Источник Фотонов) в Новосибирске и СИЛА – СИнхротрон-ЛАзер (Протвино), а также источник рентгеновского излучения на базе лазерного петаваттного комплекса PEARL в ИПФ РАН (Нижний Новгород). Появление столь мощных источников рентгеновского излучения с малым размером зондирующего пучка позволило приступить к решению задач в области физики сверхвысоких давлений (исследуется малая область – доли мкм, между двух алмазных наковален), в материаловедении (исследования малых и сверхлокальных примесей, глубокое изучение структуры и состава материала), в физике взрывов и так далее.

Наиболее перспективным материалом для подложек рентгеновских зеркал и элементов кристаллов-монохроматора на данном этапе считается монокристаллический кремний, который по своим физико-механическим и теплофизическим свойствам превосходит многие другие материалы (карбид кремния, ситалл, кварц), уступая лишь монокристаллическому алмазу.

В рамках глубокого исследования процессов ионного распыления образцов из монокристаллического кремния обнаружено, что существует пороговая энергия (порядка 500 эВ) бомбардирующих поверхность ионов аргона, ниже которой шероховатость поверхности существенно увеличивается с образованием причудливого рельефа (гребни, ямки и т.п., см. рис. 2б). При бόльших энергиях шероховатость остаётся на уровне единиц ангстрем (~10-10 м) и даже наблюдается её сглаживание (рис. 2в). Для объяснения обнаруженного эффекта образцы, подвергшиеся ионно-пучковой обработке, исследовались методом комбинационного рассеяния. Исследование показало появление аморфной фазы (рис. 2а). Аморфизация приповерхностного слоя приводит к тому, что образец начинает вести себя не как кристаллическая материал, а как аморфный, для которых неоднократно наблюдались эффекты ионной полировки.

Обнаруженный эффект позволяет использовать ионно-пучковое травление для формирования рентгенооптических элементов из монокристаллического кремния, что увеличит возможности современных и перспективных источников рентгеновского излучения.

Метод уже нашёл применение. В рамках международной кооперации с модернизированным в 2019 г. до 4-го поколения European Synchrotron Radiation Facility (ESRF, Гренобль, Франция) был изготовлен кристалл-монохроматор из монокристаллического Si (110) для линии Nuclear Resonance Beamline (ID18) (энергия фотонов 7–80 кэВ). Форма поверхности кристалла по параметру RMS была улучшена более чем в 40 раз от исходных RMS=110 нм (рис. 2г) до RMS=2,7 нм (рис. 2д), а шероховатость с σeff = 2,5 нм до σeff = 0,20 нм. Элемент позволил получить монохроматизированный пучок размером не более 10,0x5,0 мкм².

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 21-72-30029.

Авторский коллектив:

М.С. Михайленко, А.Е. Пестов, М.В. Зорина, Н. Кумар, И.В. Малышев, Н.Н. Салащенко, А.К. Чернышев, Н.И. Чхало.

Метод опубликован:

1. М.С. Михайленко и др., Журнал технической физики, 92(8), 1219–1223 (2022).
2. M.S. Mikhailenko et al., Applied Optics, 61(10), 2825–2833 (2022).
3. A.K. Chernyshev et al., Applied Optics, 61(33), 9879–9887 (2022).
4. N. Kumar et al., Nuclear Instruments & Methods B, 534, 97–102 (2023).