Beitrag zur Mikrostrukturierung von fotostrukturierbarem Glas mittels UV-Laserstrahlung

Brokmann, Ulrike GND

Abstract The rationale of this PhD dissertation is the systematic elaboration of interaction parameters of UV-laser radiation with photosensitive glass. Photochemical modifications in the photo-sensitive glass can be used for geometrical micro structurization processes using UV-laser radiation. A directly writing-exposure-method is used to perform irradiations. All parameters concerning exposure and micro structurization processes are systematically investigated and discussed. A short introduction includes all necessary information concerning the used glasses, exposure processes and micro structurization outlines basically required for further understanding of the topics. Subsequent sections describe the characterization of the used photosensitive glass prior to exposure. The photo form process consisting of: 1st: UV-laser exposure by 3 different laser types (3??Nd:YAG solid-state laser, XeCl- and KrF-excimer laser), 2nd: thermally induced partial crystallization in exposed areas, and 3rd: dissolution of partially crystallized by wet chemical etching processes is systematically investigated in respect to exposure and other process determining parameters. The fundamental progress in knowledge is given by the description of radiation induced modifications in photo structurable glass to optical properties and consequential structure modifications in partial crystallized areas of thermal treated samples. Samples were investigated with UV-VIS spectrometry, REM, TEM- and HREM, AFM as well as optical microscopic techniques. Regarding the irradiation process, four major processes were identified to be the most likely pathways for the formation of color centers: formation of (Ce3+)+ excitons, stimulated states of polyvalent elements (Sb, Sn), non-bridging-oxygens and formation of silver-nano-clusters inside the glass matrix. Irradiated samples crystallized during a subsequent thermal treatment were investigated in respect to their crystallized areas (crystallization depth, lateral geometry, crystal size and crystal network). After the final photo structurization step (etching), etch rate ratios were determined in dependence of exposure parameters. Results in the present study and potential fields of application for the systematically investigated photo structurization process are briefly discussed.

Wird ein fotosensibles Glas mit UV-Laserstrahlung belichtet, so können fotochemische Gefügemodifizierungen im Glas für einen geometrischen Mikrostrukturierungsprozess nach dem Fotoformverfahren genutzt werden. Für ein verbessertes Prozessverständnis erfolgt anhand einer direkt-schreibenden Belichtungsmethode die systematische Untersuchung des Einflusses von Belichtungsparametern auf Kenngrößen des Mikrostrukturierungsprozesses . Nach einer kurzen Einführung erfolgt die Darstellung der zum Verständnis notwendigen Grundlagen zum Fotoformverfahren, zur UV-Laser-Belichtung und zum verwendeten fotostrukturierbaren Glas. Der Hauptteil der Arbeit widmet sich der Analyse des Einflusses der Belichtungsparameter auf die 3 Prozessschritte des Fotoformverfahrens: UV-Laser-Belichtung (KrF- und XeCl-Excimerlaserstrahlung und (3w)Nd:YAG Festkörperlaserstrahlung), partielle Kristallisation durch Temperung und geometrische Mikrostrukturierung durch nasschemisches Ätzen. Der grundlegende Erkenntnisfortschritt besteht in der Beschreibung strahlungsinduzierter Gefügemodifizierungen auf optische Eigenschaften des Glases und den daraus folgenden Strukturveränderungen in partiell kristallisierten Bereichen getemperter Proben. UV-Laser-belichtete Proben wurden mittels UV-VIS-Spektroskopie, TEM-, HREM-, REM- und AFM-Analyse sowie optischer Lichtmikroskopie untersucht. Die wesentlichen Ergebnisse sind: infolge UV-Laser-Belichtung erfolgt die Bildung von angeregten Zuständen an Ce3+-Ionen, Farbzentren an polyvalenten Elementen (Zinn, Antimon) und Trennstellensauerstoffen sowie Ag-Nanopartikel im Glas. Aus der Belichtung resultierende Gefügemodifizierungen beeinflussen die Größe einzelner Kristalle und deren Vernetzung, die Kristallisationstiefe und die laterale Ausdehnung kristallisierter Bereiche. Das Ätzratenverhältnis wird maßgeblich vom Grad der Vernetzung der einzelnen Kristalle bestimmt. In einem abschließenden Kapitel wird der Einfluss von Belichtungsparametern auf die Glasmikrostrukturierung anhand strukturierter Gräben für die Belichtung mit XeCl-Excimerlaserstrahlung diskutiert. Die potentiellen Anwendungsfelder für das vorgestellte Verfahren liegen auf den Gebieten der Mikrosensorik, -aktuatorik, -mechanik, -optik, -fluidtechnik und nicht zuletzt der Mikroreaktionstechnik

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Brokmann, Ulrike: Beitrag zur Mikrostrukturierung von fotostrukturierbarem Glas mittels UV-Laserstrahlung. 2005.

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