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Aluminium based micro mirrors exposed to UV laser light - in situ performance and degradation

 
: Mai, Alexander

:
Fulltext (PDF; )

Cottbus, 2014, X, 145 pp.
Cottbus, TU, Diss., 2014
URN: urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-31497
English
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer IPMS ()

Abstract
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 to 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.

 

Die vorliegende Arbeit behandelt die Charakterisierung Aluminium-basierter Mikrospiegel unter UV-Laserbestrahlung. Eben solche Mikrospiegel werden in hochintegrierten räumlichen Lichtmodulatoren verwendet und z.B. als programmierbare Masken in der DUV- Mikrolithographie eingesetzt. Entsprechend empfindlich verhalten sie sich gegenüber Verlusten ihrer Funktionseigenschaften z.B. durch Degradation des Spiegelmaterials oder Änderungen der Spiegeltopographie. Die Kernfrage dieser Arbeit ist die Untersuchung der in situ Krümmungsänderung unter Laserbestrahlung. Zu diesem Zweck wurde ein Messplatz entworfen. Dieser kombiniert ein phasenschiebendes Interferometer (PSI) mit optischem Mikroskop und Laserbestrahlung bei 248nm. PSI ist ein sehr empfindliches optisches Messprinzip und ermöglicht die Auflösung der untersuchten Oberfläche im einstelligen Nanometerbereich. Eine Vielzahl von Bestrahlungstests wurde durchgeführt, um die Krümmungsänderung der Spiegel in Abhängigkeit verschiedener Bestrahlungsparameter zu untersuchen. Der größte Effekt wurde bei der Variation der Laserpulsenergie (im Bereich 10-5J/cm2-10-2J/cm2) beobachtet. Hierbei hat sich gezeigt, das erste Änderungen der Krümmung bei Werten von 10-5J/cm2 detektiert wurden. Bei höheren Pulsenergien können zwei typische Verhaltensweisen unterschieden werden. Bis zu 10-3J/cm2 zeigen die Spiegel eine permanente konkave Krümmungsänderung von λ/100. Die weitere Erhöhung der Pulsenergie führt jedoch zu einer Änderung in entgegengesetzter Richtung (konvex). Diese summiert sich innerhalb einiger 10 Millionen Pulse zu Werten von λ/10 auf. Außerdem zeigt diese konvexe Krümmungsänderung eine teilweise Relaxation nach Beendigung der Bestrahlung.
Ein weiterer Aspekt der Arbeit war die Bestimmung möglicher laserinduzierter Alterung des Spiegelmaterials. Zu diesem Zweck sind bestrahlte und unbestrahlte Spiegel mittels verschiedener analytischer Techniken untersucht worden. Hierzu gehörten die Rasterkraftmikroskopie (AFM), die Reflektometrie und die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). Die AFM Messungen zeigten eine geringfügige Erhöhung der Oberflächenrauheit und eine richtungsabhängige Änderung der Korngröße. Die TEM Analysen haben gezeigt, dass sowohl Anordnung und Form der Körner keine deutliche Änderung aufweisen. Jedoch wurde bei bestrahlten Proben eine porösen Oxidschicht von bis zu 20nm auf der oberen Spiegelfläche detektiert.
Abschließend wurden verschiedene Hypothesen aufgestellt, um die Mechanismen der beobachteten konkaven und konvexen Krümmungsänderung zu erklären. In diesem Zusammenhang wird angenommen, dass Spiegel bei Pulsenergien oberhalb 10-3J/cm2 an sich keine statische Verkrümmung aufweisen. Vieles spricht für eine dynamische Änderung (Oszillation) der Krümmung mit der Laserwiederholrate.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-309279.html