CN107570876A - 一种激光诱导koh化学反应刻蚀和切割蓝宝石的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种激光诱导KOH化学反应刻蚀和切割蓝宝石的加工方法，属于特种加工领域。本发明涉及到的加工方法主要有四个步骤：(1)在蓝宝石表面均匀覆盖一层KOH粉体；(2)确定激光刻蚀蓝宝石的激光系统参数及工艺参数；(3)确定激光扫描路径和扫描速度后，激光束按照扫描路径进行蓝宝石的刻蚀；(4)若为蓝宝石的切割，则沿着刻槽方向掰开，若为蓝宝石的刻蚀，则省略该步骤。该方法主要利用熔融KOH腐蚀蓝宝石和激光烧蚀蓝宝石两种刻蚀方法结合起来，从而进行蓝宝石的高去蚀率刻蚀，并在该方法的基础上利用控制裂纹法切割实现蓝宝石薄板的切割。本发明所提供的方法，可在蓝宝石表面上刻蚀出较复杂的二维刻槽，由于该加工方法的刻蚀机理是以化学反应腐蚀蓝宝石为主，故能够实现在较低裂损情况下实现高去蚀率，也可以实现蓝宝石薄板较高质量的直线切割。

Description

一种激光诱导KOH化学反应刻蚀和切割蓝宝石的加工方法
技术领域：
本发明涉及一种激光诱导KOH化学反应刻蚀和切割蓝宝石的加工方法，属于特种加工的应用领域。
背景技术：
单晶蓝宝石是一种多功能晶体材料，除了具有优良的物理性能。化学性能和光学性外，其还具有透光性好，熔点高，硬度高，电绝缘性优良，热传导性良好，化学性能稳定等特性，在国防、超导、光电子、微电子领域具有广泛的应用。无论是用于国防领域的红外探测器的蓝宝石窗口，还是用于LED行业的蓝宝石基片，对蓝宝石的加工精度(面型精度、尺寸精度等)和表面加工完整性提出了很高的要求。传统游离磨料研磨、化学机械抛光蓝宝石加工工艺，其加工效率低，加工成本高，加工精度不稳定，很难实现自动化等缺点制约了蓝宝石晶体加工技术的发展。因此，研究和开发一种新型高效低损伤蓝宝石加工工艺尤为重要。
激光刻蚀技术是一种无接触、无切削力、热影响小的加工方法，它具有加工质量优、效率高、加工范围广、清洁、经济效益好、易于实施自动化控制、能实现柔性加工和智能加工等特点，解决了传统加工工艺无法解决的难题。目前用于蓝宝石加工的有超短脉冲激光和普通脉冲紫外激光，其中超短脉冲激光刻蚀蓝宝石存在去蚀率非常低下的问题，仅仅适用于精密加工，而普通脉冲紫外激光刻蚀蓝宝石，一般采用激光诱导等离子体刻蚀法和激光背部湿法刻蚀两种方法，其中激光诱导等离子体体法难以避免崩边和裂纹等损伤现象的产生，激光背部湿法刻蚀蓝宝石同样存在去蚀率极其低下的问题。本方通过激光诱导KOH化学反应刻蚀蓝宝石，通过将化学腐蚀刻蚀和激光烧蚀刻蚀两种方法结合起来的方法，极大的提高了加工的效率和刻蚀的去蚀率，由于该方法的主要是以化学腐蚀为主，故该方法得到的刻槽表面光滑，刻蚀无明显的崩边、裂纹等损伤现象，通过计算机软件Smart MC软件编程或者绘图功能可以实现在蓝宝石表面刻蚀出任意较复杂的二维图形；此外，通过上述方法在蓝宝石薄板上进行规则图形的较深的刻槽，可以利用控制裂纹法沿着刻槽的方向掰开蓝宝石，可以实现质量较好的蓝宝石切割。
发明内容：
为了克服激光刻蚀蓝宝石的低去蚀率问题，实现在保持低损伤的情况下保证高去蚀率，实现较蓝宝石薄板较高质量的切割。
本发明所述一种激光诱导KOH化学反应刻蚀和切割蓝宝石的加工方法，该方法包括：
(1)在蓝宝石表面均匀覆盖一层KOH粉体；
(2)确定激光刻蚀蓝宝石的激光系统参数及工艺参数；
(3)确定激光扫描路径和扫描速度，激光束按照加工路径进行加工；
(4)若为蓝宝石的切割，则沿着蓝宝石薄板表面的刻槽方向掰开；若为蓝宝石的刻蚀，则省略此步骤。
在本发明中，蓝宝石试样片在激光束扫描后其截面的微观形貌为“V”形槽，激光束加工扫描次数为一次或者多次。
在本发明中，激光脉冲宽度为0.5～1.7ms，激光的电流强度为150～250A，距离蓝宝石上表面的离焦量为2mm，脉冲重复频率在30～60Hz，激光扫描速度为0.2～1.0mm/s。
在本发明中，KOH粉体的目数高于60目，覆盖层厚度为0.2～2mm。
在本发明中，激光开始加工的过程中，要通低压辅助空气，主要是为了吹除刻蚀过程中产生的熔渣、碎屑等，从而其避免影响加工效果。
工作原理：
(1)蓝宝石的主要成分为Al2O3，能够与熔融的KOH发生化学反应，生成KAlO2，化学反应方程式如方程式(1)，而KOH的高能激光束的辐射下，由于光热效应KOH粉体自身温度会瞬间升高，当温度超过其熔点380℃，低于其沸点1324℃时，KOH粉体会转变为熔融状，此时即实现蓝宝石的刻蚀；
Al2O3+2KOH→2KAlO2+H2O (1)
(2)在蓝宝石表面覆盖一层KOH粉体能够有效阻止激光直接透过蓝宝石，使得更多的激光能作用在蓝宝石上表面，有利于激光烧蚀蓝宝石；
(3)在以上两种刻蚀原理的共同作用下，实现蓝宝石的刻蚀，刻蚀机理主要以化学腐蚀作用为主；
(4)蓝宝石的切割方法基于控制裂纹法。
本发明具有的有益效果：
(1)该发明中，工艺简单，操作简单，成本低廉；
(2)该发明中，使用激光诱导KOH化学反应刻蚀蓝宝石，即通过化学腐蚀的方法刻蚀蓝宝石，能够有效避免激光直接刻蚀难以避免的热影响区域对刻蚀质量的影响；
(3)该发明中，由于是通过激光束辐射在光热效应作用下将激光能量转化为热量，使得KOH在瞬间转变为熔融态，从而与蓝宝石发生化学反应实现刻蚀，另一方面，蓝宝石上表面的覆盖的KOH粉体能够有效阻止激光束直接透过蓝宝石，故更多的激光束作用在蓝宝石上表面，当辐射区域的温度超过了蓝宝石熔点2050℃时发生烧蚀，熔化的蓝宝石会被辅助空气吹除去蚀；在化学腐蚀和激光烧蚀双重作用下去蚀率得到了极大的提高，该方法的去蚀率相对于传统的化学腐蚀剂腐蚀，不仅加工效率有了极大的提高，而且去蚀率也得到了极大的提高，相对于激光直接刻蚀蓝宝石的去蚀率也有了极大的提高；
(4)该发明中，由于激光束的光斑直径仅为0.5mm，故激光束辐射范围非常小，激光束辐射区域的温度会骤然升高，故在激光束光斑辐射区域的KOH粉体的温度会骤然上升，从而转变为熔融态，而激光束辐射周边区域的温度相对于辐射中心处的温度低很多，由于化学反应速率与温度有极大的关系，激光束辐射中心的温度极高，故化学反应速率相对于周边区域高很对，故在短时间内，在激光束的辐射作用下，熔融的KOH能够实现精确的腐蚀，在激光烧蚀的协同作用下能够实现较精确的刻蚀。
(5)该发明中，可以通过计算机编程软件smart MC编程或者绘图，数控工作台执行，实现任意二维图形的刻蚀。
附图说明：
图1为本发明加工方法所需的装置结构图。
其中1.激光加工平台；2.蓝宝石薄片试样3.KOH粉体覆盖层4.辅助气体空气；5.聚焦镜；6.激光束；7.反射镜；8.激光头。
图2为本发明实施一种激光诱导KOH化学反应刻蚀和切割蓝宝石的加工方法流程图。
图3为本发明实施的激光扫描路径为环型路径。
其中：1、扫描路径开始点；2、扫描路径结束点
具体实施方式：
为了使本发明的技术方案能够更加清晰地表示出来，下面结合附图，选择合理的激光系统工艺参数，对本发明作进一步说明。
请参阅图2，一种激光诱导KOH化学反应刻蚀和切割蓝宝石的加工方法，包括：
(1)在蓝宝石表面覆盖一层KOH粉体：
首先将KOH粉体进行研磨，要求目数大于60目，将研磨好的KOH粉体覆盖到蓝宝石试样上表面，覆盖层厚度为0.2mm至2mm。
蓝宝石试样尺寸为30×30×2mm3，把蓝宝石固定在工作台上的合理位置，使得加工位置恰好为蓝宝石片的正中心。
(2)确定激光刻蚀蓝宝石的激光系统工艺参数：
正常启动空气开关和激光器开光，激光器为500W的Nd3+：YAG激光器，把激光脉冲宽度调为0.5～1.7ms，激光的电流强度为150～250A，距离蓝宝石上表面的离焦量为2mm，脉冲重复频率在30～60HZ，激光扫描速度为0.5～1.5mm/s。
(3)确定激光扫描速度和扫描路径，激光束按照路径进型扫描加工：
选择激光刻蚀的扫描速度为0.7mm/s，扫描路径为圆弧，如图3所示圆弧型路径具体为：激光从外向内扫描，外围圆弧扫描结束则关闭激光，再横向进给一个行间距，然后开启激光重新进行扫描加工，如此重复进行，直至扫描结束。
(4)若为蓝宝石的切割，则沿着刻槽方向掰开，若为蓝宝石的刻蚀，则略过此步骤：
需要说明的是，一般情况下，该加工方法进行蓝宝石的切割，仅限于简单的直线型切割。
(5)加工过程结束。
通过上述步骤可以方便的完成蓝宝石片的刻蚀凹槽加工，通过激光诱导KOH化学反应刻蚀蓝宝石，在保证无明显崩边和裂纹等裂损现象的情况下，极大的提高了加工效率以及刻蚀率；通过上述步骤切割蓝宝石，得到的切割边缘比较平整。
以上所述仅表达了本发明的一种实施方式，其表述比较详细，但是不可以理解为对本发明专利范围的限制，需要说明的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作任何形式的修改，因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种激光诱导KOH化学反应刻蚀和切割蓝宝石的加工方法，其特征在于，包括：(1)在蓝宝石表面均匀覆盖一层KOH粉体；(2)确定激光刻蚀蓝宝石的激光系统参数及工艺参数；(3)确定激光扫描路径和扫描速度后，激光束按照扫描路径进行刻蚀加工；(4)若为蓝宝石薄板的切割，则沿着蓝宝石薄板表面的刻槽方向掰开；若为蓝宝石的刻蚀，则省略此步骤。
2.根据权利要求1所述的激光诱导KOH化学反应刻蚀和切割蓝宝石的加工方法，其特征在于，激光加工刻蚀蓝宝石之前，在蓝宝石上表面均匀覆盖一层经过研磨的KOH粉体，KOH粉体的目数大于60目。
3.根据权利要求1所述的激光诱导KOH化学反应刻蚀和切割蓝宝石的加工方法，其特征在于，进行蓝宝石薄板的切割首先通过激光诱导KOH化学反应在蓝宝石表面刻蚀出较深的刻槽，然后沿着这条刻槽掰开。
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