Elastic and viscoelastic deformation of glass plates by excimer laser induced stresses and patterned silicon suboxide films

by Clemens Martin Beckmann
Doctoral thesis
Date of Examination:2021-09-16
Date of issue:2021-10-28
Advisor:Dr. Jürgen Ihlemann
Referee: Prof. Dr. Apl. Alexander Apl. Egner
Referee:Prof. Dr. Hans Christian Hofsäss
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8883

 

 

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Name:ediss_deformation_glass_excimer_beckmann_2021.pdf
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Abstract

English

A mechanically stressed film can cause a bending of the underlying substrate. Usually, the substrate deforms elastically, but in special cases a plastic or viscous deformation can be observed. Such deformations are mostly unwanted. However, methods have been developed by several people to specifically deform plate-like substrates via the generation of plane stress components inside a near-surface region, and by this to correct errors in the surface topography of thin optical components (figure correction). It was also proposed to make use of the viscous deformation of a glass substrate due to a stressed film for forming of optical components. Excimer lasers are applied in precise structuring of glass surfaces and patterning of dielectric films on glass substrates. In this thesis, I report on the deformations and stresses in two systems related to the application of an ArF excimer laser (193 nm, 20 ns). The first system consists of sheets of the borosilicate glass Schott D263M. When irradiated, a large tensile stress is generated in a surface-near region. From the deformation of the samples, I measured the integrated stress in dependence on the irradiation parameters, its long-term temporal evolution and the stress distribution in direction normal to the surface. I show that antibiaxial plane-stress components can be generated by irradiation with a line pattern. I performed a proof of principle for an application of the laser induced stresses in figure correction. The results also demonstrate the relevance of long-term thermal stresses in excimer laser ablation of glasses. The second system consists of continuous or laser patterned thin films of a substoichiometric silicon oxide on plate-like substrates of vitreous silica. Annealing of the samples at a temperature close to the glass transition causes a large viscous deformation of the substrates, which is determined by the film pattern. I measured the deformation for different film patterns and for different atmospheres during annealing. By comparison to the results of a finite element simulation and analytic calculations, I show that the deformation can be understood by analogy to the case of an elastic substrate and stresses due to the oxidation of the film. The results pave the way for an application for forming of plates by a patterned film.
Keywords: glass; D263; borosilicate; fused silica; vitreous silica; suprasil; laser; excimer; ablation; rear-side ablation; backside ablation; film stress; thermal stress; temperature gradient mechanism; laser forming; elastic deformation; viscoelastic deformation; viscous flow; substoichiometric silicon oxide; silicon suboxide; silicon-rich silicon oxide; oxidation; figure correction; stress shaping; reflective optics; finite element

German

Eine mechanisch vorgespannte Schicht kann eine signifikante Verformung des darunterliegenden Substrats verursachen. Üblicherweise handelt es sich hierbei um eine elastische Verformung, aber unter bestimmten Umständen kann auch eine plastische oder viskose Verformung des Substrats beobachtet werden. In den meisten Fällen ist diese Verformung unerwünscht. Allerdings wurden auch Methoden zur gezielten Verformung von Substraten entwickelt, die auf dem Einbringen von ebenen Spannungskomponenten in eine oberflächennahe Schicht basieren. Hierdurch können Formfehler von optischen Komponenten korrigiert werden. Es wurde auch vorgeschlagen, die viskose Verformung eines Glassubstrats aufgrund einer strukturierten Spannungsschicht zu nutzen, um eine angestrebte Oberflächentopographie zu erhalten. Excimerlaser werden zur präzisen Strukturierung von Glasoberflächen und dünnen dielektrischen Schichten auf Glassubstraten eingesetzt. In dieser Arbeit berichte ich über die Verformungen und Spannungen in zwei Systemen mit Bezug zur Anwendung eines ArF-Excimerlasers (193 nm, 20 ns). Beim ersten System handelt es sich um dünne Platten aus dem Borosilikatglas Schott D263M. Durch Bestrahlung wird eine starke Zugspannung in einen oberflächennahen Bereich der Proben eingebracht. Über die Verformung der Proben habe ich die integrierte Spannung in Abhängigkeit von den Bestrahlungsparametern, das Langzeitverhalten der integrierten Spannung und die Spannungsverteilung in Richtung senkrecht zur Oberfläche gemessen. Ich zeige, dass antibiaxiale Spannungskomponenten mittels Bestrahlung mit einem Linienmuster eingebracht werden können. Und ich zeige die Möglichkeit auf, die eingebrachten Spannungen zur Formkorrektur von Glassubstraten zu nutzen. Die Ergebnisse betonen auch die Bedeutung von dauerhaften thermischen Spannungen in der Bearbeitung von Gläsern mit Excimerlasern. Beim zweiten System handelt es sich um kontinuierliche oder laserstrukturierte dünne Schichten aus einem substöchiometrischen Siliziumoxid auf plattenartigen Quarzglassubstraten. Tempern der Proben bei Temperaturen nahe der Glasübergangstemperatur führt zu einer starken viskosen Verformung der Substrate, deren Ausprägung von der Schichtstruktur abhängt. Ich habe die Verformung für unterschiedliche Schichtstrukturen und Atmosphären gemessen. Durch Vergleich mit Finite Elemente Simulationen und analytischen Berechnungen zeige ich, dass die Verformung in Analogie zum Verhalten eines elastischen Substrats und durch Spannungen, die durch die Oxidation der Schicht entstehen, verstanden werden kann. Die Ergebnisse zeigen die Möglichkeit eines neuen Verfahrens zur Formung von Glasplatten über eine strukturierte Spannungsschicht auf.
 
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