Plavené, overflow-downdraw a broušeně leštěné substráty: drsnost, rovinnost a odchylka tloušťky

Plavené sklo je ohněm leštěné, ale vlnité; overflow downdraw tvaruje bez kontaktu obou stran; broušení a leštění dávají řiditelnou rovinnost. Článek srovnává tři cesty substrátu na škálách rovinnosti, zvlnění a drsnosti, odhaduje úhel klínu z odchylky tloušťky a požadavek mezery pro proximity expozici a nastiňuje výběr substrátu pro kódové kotouče.

Průhledná skleněná deska o nominální tloušťce 1 mm může pocházet z floatu, overflow downdraw nebo broušení-a-leštění. Povrchové stavy se liší: některé jsou hladké na nanometry, ale přes desku mírně prohnuté, jiné jsou rovné, ale potřebují další krok, a ceny se liší. Klíčem výběru je škála zvlnění: říci «jak rovný je povrch» vždy znamená «přes jaké laterální okno». Článek umístí tři typy substrátu na společný předpokládaný model spektra povrchu a porovná je s požadavky kódového kotouče a proximity expozice.

Obrázek 1 – Simulované povrchové profily tří procesů: pozorovací okno se zmenšuje ze 100 mm na 50 μm; vlevo profil a P–V v okně, vpravo P–V proti šířce okna (předpokládané spektrum, příklad)

Odkud tři povrchy pocházejí

Plavené sklo se roztáhne do pásu na lázni roztaveného cínu; horní strana vzniká povrchovým napětím a ohněm leštěním a je hladká na nanometry, ale podél směru tažení zůstávají dlouhovlnná zvlnění; stranu v kontaktu s cínem řeší článek o cínové straně v této knihovně. Při overflow downdraw stékají dva proudy skla po stranách přepadového žlabu a u kořene se spojí v desku, jejíž vnější strany se nedotýkají žádného tvarovacího dílu; tenčí desky často používají tuto cestu. Broušení a leštění zarovnají obě strany existující skleněné desky a pak je vyleští, čímž odstraní podpovrchové poškození blízko povrchu (viz článek o broušení v této knihovně); tvar určuje plocha brusného talíře a proces leštění.

Podle škály: rovinnost, zvlnění, drsnost

Podle prostorové vlnové délky se zvlnění často dělí do tří pásem: nad asi 10 mm rovinnost (tvar), 0,1–10 mm zvlnění, kratší drsnost. Příklad (předpoklad): float tvar rms 10 μm, zvlnění 40 nm, drsnost 0,7 nm; overflow downdraw 8, 15 nm, 0,3 nm (volná tenká deska); broušeně leštěné 0,8 μm, 5 nm, 0,4 nm. Z tohoto spektra plyne P–V v každém okně (Obrázek 1 vpravo):

Pozorovací okno	Float	Overflow downdraw	Broušeně leštěné
100 mm	asi 19 μm	asi 18 μm	asi 1,5 μm
2 mm	asi 0,15 μm	asi 0,055 μm	asi 0,019 μm
50 μm	asi 2,9 nm	asi 1,0 nm	asi 1,4 nm

Tři čtení. Za prvé, P–V téže desky klesá při zmenšení okna o několik řádů, proto «P–V = …» musí vždy uvést okno a filtrování. Za druhé, na velkých škálách je broušeně leštěné nejrovnější; na maloskalové drsnosti je overflow downdraw nejnižší, protože není mechanické obrábění; všechny tři drsnosti třídy nm dávají při 850 nm v infračervené oblasti zanedbatelné rozptylové ztráty (viz článek o drsnosti a rozptylu v této knihovně). Za třetí, v příkladu je zvlnění floatu vyšší než overflow downdraw, ale rozdíl se mění se šarží; rozsahy na Obrázku 2 jsou jen řády velikosti.

Obrázek 2 – Příkladové rozsahy čtyř povrchových metrik (logaritmická osa): drsnost tří je blízká; rovinnost a odchylka tloušťky se liší o jeden až dva řády

Vliv zvlnění na průchod lze odhadnout: amplituda 0,05 μm, vlnová délka 5 mm, maximální sklon 2π·a/λ ≈ 63 μrad ≈ 13″; lom na jedné straně odkloní asi (n−1)krát, tedy řád 30 μrad, na 1 mm čtecí mezeře jen 0,03 μm posuvu – zanedbatelné.

Odchylka tloušťky a úhel klínu

Odchylka tloušťky dělá z desky klín: 20 μm rozdílu na 100 mm je úhel klínu 0,2 mrad (41″); procházející paprsek se odkloní asi (n−1)krát, tedy 0,1 mrad, na 1 mm čtecí mezeře jen asi 0,1 μm. U inkrementálních kódových kotoučů je vliv malý, ale u celé desky jako difrakční mřížky, dlouhých optických drah nebo skládaných desek je třeba jej ověřit zvlášť; broušeně leštěné desky mají obvykle odchylky jen řádu 1–3 μm.

Požadavky na kódové kotouče a proximity expozici

Při proximity expozici zůstává mezi maskou a substrátem mezera g; difrakce rozšiřuje rozlišitelnou šířku čáry s rostoucí mezerou. Běžný empirický tvar (faktor 1–1,5 podle procesu) je:

b_min ≈ 1,5·√(λ·(g + z/2))

kde b je šířka čáry vzorů se stejnými čarami a mezerami (poloviční perioda) a z tloušťka rezistu, zde 1 μm. Při 365 nm dávají g = 10, 20, 30, 50 μm b_min asi 2,9, 4,1, 5,0, 6,4 μm. Pro cílovou periodu 8 μm (poloviční perioda 4 μm) nesmí mezera překročit asi 19 μm a musí platit přes celou desku.

Při nastavené mezeře 12 μm a tvarovém P–V 20 μm (příklad float) běží místní mezera od 12 do 32 μm a b_min stoupá z asi 3,2 μm na 5,2 μm, nad cíl 4 μm; broušeně leštěná deska s P–V 1,5 μm zůstává na 3,2–3,4 μm (Obrázek 3, bez zohlednění vakuového upnutí). Tenká deska přitažená na vakuový upínač se zlepší, ale potřebuje dost ohebnosti a rovný upínač.

Obrázek 3 – Vlevo: b_min proximity expozice proti mezeře; vpravo: rozsah b_min v desce pro tři substráty při nastavené mezeře 12 μm

Úvahy o výběru

Typ kódového kotouče (příkladové prahy)	Preferovaná volba
Perioda ne pod několika desítkami μm; kontaktní nebo projekční expozice; čtecí mezera nad 0,3 mm	Float stačí; sledovat cínovou stranu a žíhání
Perioda 10–20 μm; proximity expozice; mezera 10–30 μm	Overflow downdraw nebo broušeně leštěné, podle P–V a upínače
Perioda pod asi 8 μm; difrakční nebo odrazové snímání	Broušeně leštěné, se specifikacemi rovinnosti a odchylky tloušťky třídy μm

Technické poznámky

Rovinnost, zvlnění a drsnost ve specifikaci musí nést šířku okna a metodu filtrování, jinak je nelze srovnávat.
Drsnost (třída nm) u skleněných substrátů zřídka je problém; jsou jím rovinnost a odchylka tloušťky.
U proximity expozice nejprve z cílové šířky čáry zpětně spočítat dovolenou mezeru, pak požadovat, aby tvarové P–V v desce bylo jen zlomkem této mezery.
Volný tvar tenkých desek závisí na zbytkovém napětí a vlastní hmotnosti; při příjmu měřit na pevném uložení.
U broušeně leštěných desek ověřit, že podpovrchové poškození bylo odstraněno; sražení hrany a čistota patří také do specifikace.
Před výběrem porovnat rozsahy tohoto článku s měřicími protokoly; rozdíly mezi šaržemi a dodavateli mohou dosáhnout několika násobků.

Shrnutí

Plavené, overflow-downdraw a broušeně leštěné substráty mají všechny drsnost třídy nm; co je skutečně odděluje, je rovinnost a odchylka tloušťky na škále 100 mm: v příkladu je broušeně leštěné P–V asi 1,5 μm, volné float a overflow desky asi 20 μm. Požadavek mezery proximity expozice z toho dělá rozdíl šířky čáry – volit substrát podle cílové periody, ne říkat abstraktně «musí být rovný».

Překlad čínského originálu (0568). ENC7 – výrobce kódových kotoučů (poptávka) · Odborné články · https://enc7.com