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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.
Im heutigen Bereich der Analytik spielen optische Verfahren eine wichtige Rolle und kommen in unterschiedlichsten Anwendungen zum Einsatz. Vorteilhaft ist dabei die berührungslose und zerstörungsfreie Messung mit Licht, die die Analyse von kritischen Substanzen deutlich vereinfacht. Die optische Spektroskopie nimmt dabei einen wichtigen Teil der Analytik ein. Speziell die Nah-Infrarot (NIR)-Spektroskopie im Wellenlängenbereich von 780 nm bis 3000 nm weist zahlreiche Anwendungen auf, die von chemischen Reaktionen und Prozessanalysen, der Untersuchung von Polymeren und Textilien, der Qualitätskontrolle von Früchten und Samen bis in die Medizintechnik reichen. Die hierfür verwendeten NIR-Spektrometer sind überwiegend als Spektrografen ausgelegt, wobei das dispersive Element fest eingebaut ist und das Spektrum über ein Galliumarsenid basiertes Diodenarray vermessen wird. Diodenarrays im NIR-Bereich sind kostenintensiv, tragen allerdings maßgeblich zur spektralen Auflösung der Spektrografen bei. Ein alternativer Ansatz ergibt sich durch Monochromatoren mit einem beweglichen dispersiven Element, wobei das Spektrum zeitabhängig über den Detektor streicht. Dadurch ist nur eine Einzeldiode als Detektor ausreichend. Die spektrale Auflösung ist in diesem Fall allerdings eine Funktion der zeitabhängigen Position des dispersiven Elements, die mit hoher Präzision kontrolliert und bestimmt werden muss. In Kombination mit schnellen Messzeiten eines Spektrums im Millisekunden-Bereich, ist eine makroskopische Realisierung sehr aufwendig. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich alternativ mit der Herstellung und Charakterisierung eines mikromechanischen NIR-Beugungsgitters, durch das ein neuartiges, miniaturisiertes NIR-Spektrometer, basierend auf einer Monochromator-Konfiguration, realisiert werden konnte. Das Beugungsgitter basiert dabei auf einem resonant schwingenden Mikrospiegel, der als mikroelektromechanisches System (MEMS) mittels siliziumbasierter, oberflächennaher Volumen-mikromechanik hergestellt wurde. Dabei konnte durch den Einsatz des mikromechanischen Beugungsgitters ein äußerst kompaktes und robustes NIR-Spektrometer (10 x 8 x 7,5 cm³) entwickelt werden, das als Monochromator-System einen deutlichen Kostenvorteil gegenüber derzeitigen NIR-Spektrografen erzielen kann. Erforderlich war hierbei, die Anforderungen an das mikromechanische Beugungsgitter zwingend an den Randbedingungen des NIR-Spektrometers zu spiegeln und mit Ihnen in Übereinstimmung zu bringen. Durch eine gezielte Dimensionierung und Optimierung der mechanischen und optischen Eigenschaften des mikromechanischen Beugungsgitters, zu der unter anderem die Größe, Beugungseffizienz, Schwingungsfrequenz, Schwingungsstabilität, Schockfestigkeit und ein Verfahren zur Detektion des zeitabhängigen Torsionswinkels gehörte, konnte eine spektrale Auflösung des NIR-Spektrometers von unter 10 nm bei einem Wellenlängenbereich von 900 – 2500 nm erreicht werden. Gleichzeitig wurden 3 verschiedene Gitterstrukturen zur Maximierung der Beugungseffizienz untersucht, erfolgreich hergestellt und vermessen.