초저 표면 거칠기로 산란 최소화

레이저 시스템의 출력은 높이고 손실은 낮추려는 프로세스를 지속적으로 진행하려면, 특히 고출력 레이저 혹은 단파장을 사용 시 산란을 최소화하는 광학 부품이 필요합니다. 광학 표면의 거칠기를 극히 낮춤으로써 이와 같은 성능을 구현할 수 있는 광학을 주로 "초미세연마" 광학이라고 합니다. 광학 업계에 따르면 초미세연마 광학의 표면 거칠기를 표준화한 규정이 아직 존재하지 않지만 에드몬드 옵틱스는 백반분율(ppm) 정도의 저산란을 위해 RMS 표면 거칠기가 최소 1 옹스트롬(10^-10 m) 미만이 되도록 광학 표면을 연마하는 프로세스를 개발하였습니다. 초미세연마 광학은 기체 분석용 공동광자감쇠 시스템(cavity ring-down system), 레이저 자이로스코프, 저결함 광학을 필요로 하는 기타 시스템 등과 같이 민감도가 높은 레이저 용도에 사용하기 적합합니다. 이처럼 고도로 제어된 표면은 이온빔 스퍼터링(IBS)과 같이 저손실 코팅 기술을 보완하는 데 사용할 수 있습니다.

옹스트롬 미만의 표면 거칠기를 측정하는 방식은?

계측 장치는 각각의 기계마다 측정 가능한 공간 주파수의 범위를 가지고 있습니다. 그림 1은 표면 거칠기를 측정하는 데 주로 사용되는 3가지 기술(일반 간섭측정, 백색 간섭측정(WLI), 원자력 현미경(AFM))의 공간 주파수 범위가 어떻게 겹치는지를 보여줍니다.

그림 1: 공통 기기에서의 공간 주파수 범위가 역량에 따라 어떻게 겹치는지를 나타냄.¹

공간 주파수의 범위가 달라지면 해당 표면에서 일어나는 오류의 유형 역시 달라집니다. 이와 같은 주파수 그룹을 명확하게 나눌 수 있는 기준이 현재로서는 존재하지 않지만 일반적으로 특정 주파수의 범위를 포괄하는 정도로 이해할 수 있습니다. 기존의 HeNe 간섭계는 형상 오류로 알려진 전형적 저니케 다항식(Zernike polynomial)과 관련된 낮은 공간 주파수를 측정하는 데 이상적으로 사용됩니다. 이 간섭계는 WLI의 중간 공간 주파수와 다소 중복되지만 파상도(waviness)로 알려진 보다 미세한 수준의 표면 오류를 측정해야 하는 경우에는 여전히 WLI가 더 적합합니다. 단, 이러한 범위에서는 산란이 증가하고 성능이 저하하는 오류가 발생하기 시작합니다. 거칠기 측정에 있어 WLI와 AFM 둘 다 사용할 수 있지만, 주요 공간 주파수의 그룹은 어플리케이션에 따라 달라집니다. 시각 및 장파장 어플리케이션의 경우 WLI를 사용할 때 대개 2,000 cycles/mm 미만으로 측정이 이루어집니다. AFM은 표면을 상세히 관찰할 때 사용하기 적합하며 UV 어플리케이션에서와 같이 수치가 높은 공간 주파수를 측정할 때 필요할 수 있습니다.

공간 주파수가 더 높은 범위를 갖는 계측 기기를 사용하면 일반적으로 시야(FOV)가 작아지는 경향이 있습니다. AFM은 옹스트롬 미만의 표면을 직접 측정할 때 사용할 수 있지만 작은 시야와 민감도로 인해 생산 용도에서의 거칠기 측정보다는 실험실 용도에 더 적합합니다. AFM과 WLI 사이의 데이터 상관관계에 따라 WLI의 최대 성능 보장을 위한 절차를 거치면, 생산 용도에서 초미세연마 가공 표면의 RMS 표면 거칠기를 옹스트롬 미만으로 측정할 때 WLI가 더 효율적인 도구일 수 있음을 에드몬드 옵틱스의 자체 검증을 통해 확인되었습니다. 옹스트롬 미만의 표면 거칠기 계측에 관한 보다 자세한 사항은 당사의 SPIE conference proceedings에서 확인할 수 있습니다.²

초미세연마 광학의 제작 과정은?

기존의 감색 광학 연마기법(subtractive optical polishing)은 초기 단계의 연삭연마 공법에서 발생하는 손상을 없애기 위해 점진적으로 더 작은 연마재 입자(grit)를 사용해가며 이를 반복하는 과정을 일컫습니다. 사용하는 입자의 미세한 정도와 상관없이 표면의 하부에는 산발적 연마 과정에서 자연스러운 손상이 일어나게 됩니다. 이러한 손상 부위는 표면 및 표면 하부에 위치하여 표면 거칠기 및 에너지 흡수를 증가시켜 에너지의 산란을 증가시키는 동시에 열을 발생시키고 시스템의 효율성을 감소시킵니다. 이때 산란은 표면 거칠기의 제곱에 비례하여 발생합니다.

에드몬드 옵틱스에서 광학을 초미세 연마하기 위해 채택한 방식은 슬러리, 글래스, 연마 단계 사이에서 초점을 기계적 연마가 아닌 화학적 반응으로 이동시켜 표면 하부의 손상을 완전히 제거하도록 하는 것입니다. 기계적 작용은 베일비 층(Beilby layer)에서 반응하기 때문에 기판에 있는 요소들을 제거할 때만 사용됩니다. 실리카 글래스는 수분에 용해되지 않더라도 베일비 층은 연마 과정 중에 형성된 실리카 층으로서 일단 형성이 되면 기판에 더 이상 변화가 발생하지 않도록 보호 역할을 제공하며 수산화이온의 분산을 통해 개조가 가능합니다.³

옹스트롬 미만의 표면 거칠기를 가진 광학은 침수연마(submersion polishing) 공정을 거쳐 제조되며, 슬러리와 함께 수분을 공급하는 단계에서는 광학과 동일한 온도를 유지하게 됩니다. 온도 및 pH 레벨은 화학적 반응이 쉽게 일어나도록 고도로 제어되는 반면 표면 장력은 오염 물질을 막아주는 장벽을 형성합니다.⁴ 에드몬드 옵틱스의 침수연마 공정 개발에 관한 자세한 사항은 당사의 SPIE conference proceedings에서 확인할 수 있습니다.

에드몬드 옵틱스의 초미세연마 광학

에드몬드 옵틱스는 용융 실리카 소재의 평면 및 구형 광학으로 옹스트롬 미만의 초미세연마 표면을 반복적으로 구현할 수 있음을 증명하였습니다. 표면에는 제조 공정 중에 생길 수 있는 어떠한 잔여 구조물도 남지 않았으며 측정 가능한 표면 하부 손상도 관측되지 않았습니다(표 1).

표 1: RMS 표면 거칠기를 7Å 이상에서 1Å 미만으로 감소시키는 것이 입증된 침수연마 공법. 상세 내용은 당사 SPIE conference proceedings 참조.