Excimer laser processing of BK7 and BGG31 glasses

Abstract

Large-area excimer laser processing of BK7 and BGG31 glasses was investigated for laser etching and laser-assisted metallization. Laser etching experiments were performed at wavelengths of 193, 248 and 308 nm and energy densities up to 5 J/cm² in various inert and reactive gases. The investigations revealed a good applicability of ArF excimer lasers for nondestructive laser etching of glass. The laser etching behavior is characterized by a characteristic threshold energy density of the order of 1 J/cm². Below this threshold laser etching is achieved only in reactive gases and is typically of the order of 0.1 nm/pulse. Above this specific threshold energy density the etch rate rapidly increases and is practically independent of the gas nature but depends more strongly on the gas pressure. In this ablation region the etch rate is of the order of 0.1 µm/pulse. A qualitative thermal model describing laser etching of glass in the ablation region is discussed. Laser-assisted metallization of glass surfaces has been achieved upon excimer laser irradiation of thin organometallic films on the glass surface and post-processing by electroless plating. Metallic nickel deposits showed a good adhesion and structures of a size between several 10 µm and a few millimeters were produced

Die großflächige Excimerlaserbearbeitung der Gläser BK7 und BGG31 wurde im Hinblick auf das lasergestützte Ätzen und die Metallisierung untersucht. Lasergestützte Ätzexperimente wurden bei den Wellenlängen 193, 248 und 308 nm mit Energiedichten bis zu 5 J/cm² in verschiedenen reaktiven und inerten Gasen durchgeführt. Die Untersuchungen haben gezeigt, daß die Gläser mit der Strahlung eines ArF-Excimerlasers zerstörungsfrei geätzt werden können. Das lasergestützte Ätzverhalten wird charakterisiert durch eine spezifische Energiedichteschwelle, die typischerweise von der Größenordnung 1 J/cm² ist. Unterhalb dieser Energiedichte wurde das lasergestützte Ätzen nur in reaktiven Gasen beobachtet mit einer Ätzrate von etwa 0,1 nm/Puls. Oberhalb dieser spezifischen Energiedichte nimmt die Ätzrate stark zu und wird vom eingesetzten Gas kaum beeinflußt. Sie hängt jedoch stärker vom Gasdruck ab. In diesem sogenannten Ablationsbereich ist die Ätzrate von der Größenordnung 0,1 µm/Puls. Zur Beschreibung des lasergestützten Ätzens im Ablationsbereich wird ein qualitatives thermisches Modell diskutiert. Die lasergestützte Metallisierung von Glasoberflächen wurde durch Excimerlaserbestrahlung von dünnen festen metallorganischen Schichten auf der Glasoberfläche und nachfolgende stromlose Metallisierung erzielt. Die erhaltenen metallischen Nickelabscheidungen zeigten eine gute Adhäsion bei Strukturbreiten zwischen einigen 10 µim und wenigen Millimetern.