CN105522281A - 一种石英晶体的激光刻蚀加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种石英晶体的激光刻蚀加工方法，具体包括如下步骤：选择激光、准备控制软件、设计加工图纸、激光刻蚀、加工后处理和检测，同时，结合对各步骤条件的限定，设计出了一种加工石英晶体的方法，该加工方法可有效的将石英晶体加工成各种形状，且可对石英晶体进行减薄加工，减薄后的石英晶体厚度薄，对应的基频频率高，且加工后的石英晶体强度好，该加工方法简单，加工精度高，对石英晶体加工的尺寸精度可控制在±5μm内。
Description
技术领域
本发明涉及石英晶体加工领域。更具体地，涉及一种石英晶体的激光刻蚀加工方法。
背景技术
石英晶体材料，尤其是α石英，因其具有压电效应特性，可制成石英晶体谐振器、石英晶体振荡器、石英晶体滤波器等元器件产品，广泛应用于电子产品中。随着电子产品向高频化、功能化方向发展，对高基频晶体片和异型晶体片的加工需求越来越迫切。石英晶体硬度为莫氏硬度7，硬度大，且性脆、易破碎，是典型的硬脆材料。有别于各向同性的石英玻璃(又称：熔融石英)材料，石英晶体具有各向异性，热膨胀系数、导热性、弹性、光折射率等各方向差别很大，硬度也更大，因此相比较石英玻璃，对石英晶体的加工难度更大。
现有的石英晶体材料加工方法有物理研磨、化学腐蚀、离子刻蚀等。石英晶体材料的特性是频率与厚度成反比，厚度越薄，频率越高。对高频石英晶体片，采用物理研磨工艺加工石英晶体片时，一般只能采取整片研磨，晶体片厚度只能达到40μm左右，频率为40MHz左右，若频率再高，则晶体片的厚度太薄，进行加工时极易破碎；采用化学腐蚀工艺加工石英晶体片时，如果将晶体片整体减薄，频率只能达到80MHz左右，晶体片厚度为20μm左右，若频率再高，则晶体片的厚度将薄到难以满足机械强度要求；采用涂覆保护掩膜对石英晶体片进行局部化学腐蚀减薄，由于晶体片尺寸小，存在工艺难度大、精度难以保证的问题；采用离子刻蚀对石英晶体片进行局部减薄，存在投资大、工艺复杂、周期长、频率控制难度大的问题，难以实现产品化。
对异型石英晶体片，物理研磨无法实现；采用化学腐蚀或离子刻蚀，工艺过程非常复杂，加工难度很大，表面防护难以彻底，腐蚀出的截面粗糙，尺寸精度差，性能和可靠性较低，而且成本高，周期长。
因此，需要提供一种新型石英晶体加工方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石英晶体的激光刻蚀加工方法，该加工方法使用皮秒激光器加工石英晶体，可对石英晶体进行减薄加工，减薄后的石英晶体厚度可达到6um或更薄，对应的基频频率达到280MHz以上，且加工后的石英晶体强度好，同时，该加工方法可以将石英晶体加工成各种形状，且该加工方法简单，加工精度高，对石英晶体加工的尺寸精度可控制在±5μm内。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种石英晶体的激光刻蚀加工方法，使用激光刻蚀的方法加工石英晶体，包括以下步骤：
准备激光：
选择激光器，所述激光器能激发脉冲宽度为5ps～20ps的短脉冲激光；
选择激光脉冲重复频率为10kHz～500kHz，激光器的输出功率为10mW～3W；
选择激光器的控制模式；
准备控制软件：
开启激光加工控制软件；
激光焦点校正，进行激光焦距搜寻与校正，使激光焦点与在线观测镜头的焦点在同一高度；
镜头对正，进行在线观测镜头焦点与聚焦振镜焦点的补偿，使振镜中心与在线观测镜头的视场中心重合；
设计加工图纸：
根据所需加工的形状，在激光加工控制软件中设计加工图纸；
保存加工图纸并导入激光加工控制软件的工作区；
激光刻蚀：
设置激光束扫描速度为10mm/s～1000mm/s；加工方式选择为逐层加工方式；
将待加工石英晶体放入夹具中固定好，将夹具固定于加工平台上；
操纵在线观测镜头上下移动，使其聚焦于待加工石英晶体的表面；
操纵在线观测镜头左右移动，使其精确定位在设计图纸规定的待加工位置；
操纵激光器，将待加工石英晶体移至振镜加工位置；
打开激光闸门，对待加工石英晶体进行加工，进行一次加工；
一次加工完毕后，关闭激光闸门，操纵激光器，将已进行一次加工的晶体移至在线观测镜头的观测位置，利用在线观测镜头观察本次加工效果；
重复上述激光刻蚀步骤，直至加工效果达到加工要求，完成对石英晶体的加工；
加工后处理和检测：
将夹具从加工平台上取下，将加工后的石英晶体从夹具中取出，进行清洗和表面处理，得到成品，检测成品精度。
优选地，所述激光器可选自型号为LumeraRapid的激光器；
优选地，准备激光步骤中，所述激光器的控制模式选自internal(内部触发)、external(外部触发)或Windows(软件触发)控制模式，更优选地，激光器的控制模式选自Windows控制模式。
优选地，设计加工图纸步骤中，所述设计加工图纸的设计参数包括：选择图纸中心、加工线条、线条间距和设计图形尺寸。
进一步的，图形中心可选择图形起始点、中心点等。激光加工是逐条线条加工，一般线条可选竖线、横线、圆形等。线条间距会影响到加工质量和加工后的表面质量，线条间距越小，加工后表面质量越好，但效率越低。由于激光加工时平台不动。激光束移动，加工线条较长时，在加工区的边缘，尺寸会发生变化，设计图纸时应予以考虑。设计切割线宽度时，应考虑激光束发散角。
优选地，激光刻蚀步骤中，所述逐层加工方式的进给次数为2～10次。
优选地，加工后处理和检测步骤中，所述清洗是指使用超声波、无水乙醇或等离子清洗清洗石英晶体；所述表面处理是指采用含氟化物的腐蚀液对石英晶体进行表面腐蚀，腐蚀温度为50～55℃；优选地，所述含氟化物的腐蚀液选自饱和氟化氢铵溶液。
优选地，加工后处理和检测步骤中，所述成品的厚度可低至6μm以下。
优选地，激光脉冲重复频率为50kHz～320kHz，激光器的输出功率为300mW～1W，激光束扫描速度为50mm/s～250mm/s。
优选地，激光脉冲重复频率为50kHz～200kHz，激光器的输出功率为300mW～900mW，激光束扫描速度为50mm/s～150mm/s。
优选地，所述方法的加工尺寸精度为±5μm，厚度精度可以达到±0.5μm，表面粗糙度可以达到200nm。
本发明中，激光束扫描速度与加工效率、加工后表面质量有关；逐层加工时，当加工深度较小时，可以选择聚焦振镜焦点高度不变，加工深度较大时，焦点随着加工深度逐渐下降。
本发明的有益效果如下：
1、本发明解决了传统石英晶体片加工方法如机械研磨、化学腐蚀、离子刻蚀无法加工超薄晶体片或难以保证机械强度及精度要求或工艺复杂难以产品化的问题。
2、本发明针对石英晶体的硬脆材料特性，采用超短脉冲激光对石英晶体片进行刻蚀。通过超短脉冲激光与材料相互作用产生的多光子电离、雪崩电离以及局部微爆三种物理效应，结合激光束在介电材料传播过程中的自聚焦效应，实现对石英晶体等透明介电材料的精细加工。与长脉冲激光通过热效应对材料进行烧蚀加工不同，超短脉冲激光加工可以实现相对意义上的“冷”加工，大大减弱和消除了热效应带来的负面影响，加工的边缘整齐和准确；超短脉冲激光与物质相互作用时是多光子过程，可以突破衍射极限，加工精度高。
3、本发明的加工方法与常见的石英晶体片加工方法相比，具有加工范围广、热效应小、刻蚀精度高、可靠性高、可进行特殊形状加工、可图形化加工、可微观微细加工、自动化程度高、可控性强的优势，可以实现对石英晶体加工深槽、打孔、切割石英晶体、加工石英晶体为音叉等特殊外形、对石英晶体进行整体或局部逐层减薄。加工后尺寸精度可以达到±5um，减薄厚度精度可以达到±0.5um，表面粗糙度可以达到200nm。减薄后的石英晶体片厚度可以达到6um或更薄，对应的基频频率达到280MHz以上。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出激光刻蚀石英晶体示意图。
图2示出实施例1中的高基频石英晶体片示意图。
图3示出实施例2中的石英音叉晶体片示意图。
图1中，1-控制系统，2-皮秒激光源，3-脉冲选取模块，4-倍频模块，5-光学校准模块，6-反射镜，7-聚焦振镜，8-工作台。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
利用激光在尺寸5.00mm×2.55mm×0.100mm、表面粗糙度为200nm的石英晶体片上局部减薄，得到如图2所示的2.500mm×1.800mm×0.006mm的凹槽底壁，包括以下步骤：
准备激光：
选择可激发脉冲宽度5ps～20ps短脉冲激光的激光器；
激光脉冲重复频率选为160kHz，激光器的输出功率选为800mW；
激光器的控制模式选为windows(软件触发)控制模式，将激光闸门控制权交给激光加工控制软件；
准备控制软件：
开启激光加工控制软件；
激光焦点校正，进行激光焦距搜寻与校正，使激光焦点与观测镜头的焦点在同一高度；
镜头对正，进行观测镜头焦点与聚焦振镜焦点的水平方向上得补偿，使聚焦振镜中心与观测镜头的视场中心重合；
设计加工图纸：
在激光加工控制软件中设计加工图纸，选定图形中心点为图纸中心；
选定加工线条横线；
选定线条间距为3um；
设计图形尺寸：线条长2.510mm，宽度为1.806mm(3um×602)；
导入图纸，保存设计图纸，并将其导入激光加工控制软件的工作区；
激光刻蚀：
设定激光束扫描速度为200mm/s；
选择逐层加工方式，控制激光焦点随着加工深度逐渐下降；
设定逐层加工控制参数，逐层进给量为10um，进给次数为7次；
将待加工石英晶体放入夹具中固定好，将夹具固定于加工平台上；
操纵观测镜头上下移动，使其聚焦于待加工石英晶体的表面；
操纵观测镜头左右移动，使其精确定位在设计图纸规定的待加工位置；
操纵激光器，将待加工石英晶体移至聚焦振镜加工位置；
打开激光闸门，对石英晶体进行加工；
加工完毕后，关闭激光闸门，操纵激光器，将已进行加工的晶体片移至激光器的观测镜头的观测位置，利用观测镜头观察加工效果；
重复前述步骤，直至加工效果达到加工要求，完成对石英晶体的加工；
加工后处理和检测：
加工完毕后将夹具从加工平台上取下，将加工后的石英晶体从夹具中取出；
使用无水乙醇冲洗石英晶体；
恒温50℃下采用饱和氟化氢铵溶液对石英晶体进行表面腐蚀；得到成品。
得到的凹槽底壁晶体片凹面厚度为6μm，晶体片频率可以达到280MHz。经检测，加工后减薄区域尺寸精度可以达到±5μm，厚度精度可以达到±0.5μm，表面粗糙度可以达到200nm。
实施例2
利用激光在尺寸11.00mm×10.00mm×0.20mm的石英晶体片上实现如图3所示音叉，包含3.000mm×0.200mm×0.200mm的槽孔。包括以下步骤：
准备激光：
选择激光器，激光器可激发脉冲宽度5ps～20ps的激光；
脉冲重复频率为200kHz，激光器的输出功率选为900mW；
激光器的控制模式选为windows(软件触发)控制模式；
准备控制软件：
开启激光加工控制软件；
激光焦点校正，进行激光焦距搜寻与校正，使激光焦点与观测镜头的焦点在同一高度；
镜头对正，进行观测镜头焦点与聚焦振镜焦点的水平方向上得补偿，使聚焦振镜中心与观测镜头的视场中心重合；
设计加工图纸：
在激光加工控制软件中设计加工图纸，选定图形中心点为图纸中心；
选定加工线条为横线和竖线；
选定线条间距为5μm。
设计图形尺寸：音叉槽孔线条长3.015mm，宽度为0.205mm(5μm×41)，音叉切割线条宽度0.100mm(5μm×20)。
导入图纸，保存设计图纸，并将其导入激光加工控制软件的工作区；
激光刻蚀：
设定激光束扫描速度为100mm/s；
选择逐层加工方式，控制激光焦点随着加工深度逐渐下降；
设定逐层加工控制参数，逐层进给量为20μm，进给次数为9次；
将待加工石英晶体片放入夹具中固定好，将夹具固定于加工平台上；
操纵观测镜头上下移动，使其聚焦于待加工石英晶体的表面；
操纵观测镜头左右移动，使其精确定位在设计图纸规定的待加工位置；
操纵激光器，将待加工石英晶体移至聚焦振镜加工位置；
打开激光闸门，对石英晶体进行加工；
加工完毕后，关闭激光闸门，操纵激光器，将已进行加工的晶体移至激光器的观测镜头的观测位置，利用观测镜头观察加工效果；
重复前述步骤，直至加工效果达到加工要求，完成对石英晶体的加工；
加工后处理和检测：
加工完毕后将夹具从加工平台上取下，将加工后的石英晶体从夹具中取出；
使用超声波清洗石英晶体；
恒温50℃下采用饱和氟化氢铵溶液对石英晶体进行表面腐蚀；得到成品。
经检测，加工后成品尺寸精度可以达到±5μm。
实施例3
重复实施例1，区别在于，脉冲重复频率为50kHz，激光器的输出功率为300mW，激光束扫描速度为50mm/s。
实施例4
重复实施例1，区别在于，脉冲重复频率为200kHz，激光器的输出功率为900mW，激光束扫描速度为150mm/s。
实施例5
重复实施例2，区别在于，脉冲重复频率为50kHz，激光器的输出功率为300mW，激光束扫描速度为50mm/s。
实施例6
重复实施例2，区别在于，脉冲重复频率为320kHz，激光器的输出功率为1000mW，激光束扫描速度为250mm/s。
对比实施例1
采用如公开号为：102785025A的中国发明专利中公开的用飞秒激光增强化学刻蚀制备大规模微透镜阵列的方法加工本发明中的待加工石英晶体，工艺方法复杂，效率很低，本发明中的皮秒激光加工石英晶体的效率是飞秒激光的几十上百倍。且由于石英晶体的硬度比石英玻璃大得多，对热和应力的耐受程度却更敏感，能应用在石英玻璃上的加工工艺不能简单类比应用到石英晶体的加工上。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (9)
1.一种石英晶体的激光刻蚀加工方法，其特征在于，使用激光刻蚀的方法加工石英晶体，包括以下步骤：
准备激光：
选择激光器，所述激光器能激发脉冲宽度为5ps～20ps的短脉冲激光；
选择激光脉冲重复频率为10kHz～500kHz，激光器的输出功率为10mW～3W；
选择激光器的控制模式；
准备控制软件：
开启激光器的激光加工控制软件；
激光焦点校正，使激光焦点与在线观测镜头的焦点在同一高度；
镜头对正，使振镜中心与在线观测镜头的视场中心重合；
设计加工图纸：
在激光加工控制软件中，根据所需加工的形状，设计加工图纸；
激光刻蚀：
设置激光束扫描速度为10mm/s～1000mm/s；加工方式选择为逐层加工方式；
将在线观测镜头聚焦于待加工石英晶体的表面；
将在线观测镜头定位在设计图纸规定的待加工位置；
将待加工石英晶体移至振镜加工位置，对待加工石英晶体进行一次加工；
一次加工完毕后，观察加工效果；
重复上述激光刻蚀步骤，直至加工效果达到加工要求，完成对石英晶体的加工；
加工后处理和检测：
取出加工完后的石英晶体，对石英晶体进行清洗和表面处理，得到成品，检测成品精度。
2.根据权利要求1所述的石英晶体的激光刻蚀加工方法，其特征在于，准备激光步骤中，所述激光器的控制模式选自Windows控制模式。
3.根据权利要求1所述的石英晶体的激光刻蚀加工方法，其特征在于，设计加工图纸步骤中，所述设计加工图纸的设计参数包括：选择图纸中心、加工线条、线条间距和设计图形尺寸。
4.根据权利要求1所述的石英晶体的激光刻蚀加工方法，其特征在于，激光刻蚀步骤中，所述逐层加工方式的进给次数为2～10次。
5.根据权利要求1所述的石英晶体的激光刻蚀加工方法，其特征在于，加工后处理和检测步骤中，所述清洗是指使用超声波、无水乙醇或等离子清洗清洗石英晶体；所述表面处理是指采用含氟化物的腐蚀液对石英晶体进行表面腐蚀，腐蚀温度为50～55℃；优选地，所述含氟化物的腐蚀液选自饱和氟化氢铵溶液。
6.根据权利要求1所述的石英晶体的激光刻蚀加工方法，其特征在于，加工后处理和检测步骤中，所述成品的厚度可低至6μm以下。
7.根据权利要求1所述的石英晶体的激光刻蚀加工方法，其特征在于，激光脉冲重复频率为50kHz～320kHz，激光器的输出功率为300mW～1W，激光束扫描速度为50mm/s～250mm/s。
8.根据权利要求1所述的石英晶体的激光刻蚀加工方法，其特征在于，激光脉冲重复频率为50kHz～200kHz，激光器的输出功率为300mW～900mW，激光束扫描速度为50mm/s～150mm/s。
9.根据权利要求1所述的石英晶体的激光刻蚀加工方法，其特征在于，所述方法的加工尺寸精度为±5μm，厚度精度可以达到±0.5μm，表面粗糙度可以达到200nm。
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