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Aluminium based micro mirrors exposed to UV laser light – in situ performance and degradation
(2014)
The present thesis characterises aluminium based micro mirrors exposed to UV laser light. Such micro mirrors, used in highly integrated spatial light modulators, can for example be used as programmable masks in DUV micro lithography. Therefore they are sensitive to any performance loss arising from material degradation or changes in the mirror curvature. The key question addressed in this thesis is the investigation of the in situ curvature change, which means characterisation during a real laser irradiation. For this purpose a measuring station was designed, combining a phase-shift interferometer, an optical microscope and the laser irradiation of the sample at 248nm. The Phase-shift interferometry technique used is a very sensitive contactless optical measurement principle, which allows a resolution of the sample surface in the single-digit nanometer range.
A multitude of irradiation tests were performed to describe the change of mirror curvature as a function of different irradiation parameters such as the pulse energy, the laser repetition rate or the ambient atmosphere. The most significant effect was detected by the variation of the applied pulse energy, which was in the range of 10⁻⁵J/cm²-10⁻²J/cm². A general conclusion was that a minimum energy of 10⁻⁵J/cm² at a repetition rate of 1kHz is required to detect any laser induced change of the mirror curvature. At higher energy levels two characteristic behaviours can be distinguished. Up to a level of 10⁻³J/cm² the mirrors show a permanent concave bowing in the range of λ/100. A further increase of the pulse energy causes an accumulating bowing in the opposite direction (convex) of λ/10 within some ten million laser pulses. However this convex bowing partially relaxes after the irradiation is stopped.
Another aspect of the thesis was the determination of laser induced material degradation. For this purpose irradiated mirrors were investigated by means of different devices and analytical techniques such as atomic force microscopy (AFM), reflectometry and transmission electron microscopy (TEM). The AFM analysis showed a slight increase of surface roughness and a directional change of the grain size. As a result of the TEM analysis it turned out that arrangement and shape of the grains seems not to have changed. But after the irradiation the growth of a porous oxide layer up to 20nm on the upper mirror surface was noticed.
Finally different hypotheses are proposed to explain the mechanisms behind the observed concave and convex bowing at particular pulse energies. In this connection it is assumed that the mirrors at pulse energies larger than 10⁻³J/cm² do not show a static bowing at all. It is rather assumed that the mirror bow oscillates with the laser repetition rate.
Eine wichtige Aufgabe der Werkstoffwissenschaft ist die Verbesserung von Materialeigenschaften. Besonders bei Hochleistungsmaterialien, die extremen Belastungen ausgesetzt sind, finden kontinuierlich Weiterentwicklungen statt. Dabei ist es von wirtschaftlichem Interesse, die Lebensdauer von Bauteilen durch hochwertige Beschichtungen zu verlängern und damit Kosten zu sparen. Dünne Schichten eignen sich besonders gut, da sie durch ihre speziellen Eigenschaften die Eigenschaften des Grundmaterials an der Oberfläche ergänzen und es so gegen äußere Einflüsse, wie Verschleiß, Korrosion oder Oxidation, schützen. Die vorliegende Arbeit widmet sich daher nanostrukturierten Cr2AlC-Dünnschichten und der Verbesserung ihrer Eigenschaften. Diese Schichten werden durch verschiedene Sputterverfahren hergestellt. Die beiden Herstellungsverfahren Gleichstrom-Magnetronsputtern und High Power Impulse Magnetron Sputtering (HIPIMS) werden im Rahmen dieser Arbeit verglichen. Homogene Schichten wurden durch ein gesintertes Cr2AlC-Target auf Substrate der Nickelbasislegierung IN718 aufgetragen. Dabei wurde der Einfluss der Prozessparameter Kammerdruck, Substrattemperatur und BIAS-Spannung auf das Plasma, die Schichtentwicklung und den daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften der erzeugten Schichten untersucht. Um zu zeigen, dass die Ergebnisse außerhalb des Forschungskontextes reproduzierbar sind, wurde eine Beschichtungsanlage industriellen Maßstabes verwendet. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass durch das HIPIMS-Verfahren, im Vergleich zum Gleichstrom-Magnetronsputtern, der Metallionenanteil auf etwa 70 % erhöht und die Ionenenergien erheblich gesteigert werden. Dies führt zu Änderungen von Schichtmorphologie und Schichteigenschaften. Beide Sputterverfahren eignen sich generell zur Herstellung von Cr2AlC-Schichten in einer industriellen Beschichtungsanlage. Durch Variation der Herstellungsparameter lassen sich unterschiedliche Gefüge, Eigenspannungszustände und Texturen einstellen. Dadurch werden Haftfestigkeit und Erosionsbeständigkeit der Schicht erheblich verbessert.