CN108422109A - 一种可控椭圆度微孔的激光加工装置与激光加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可控椭圆度微孔的激光加工装置，包括用以向下发射激光束、且能够沿Z轴方向移动的激光装置，还包括：设于所述激光装置下方、用以放置待加工工件的底板；连接于所述底板底部、用以供所述底板沿X轴方向旋转的倾斜装置；连接于所述倾斜装置底部、用以供所述倾斜装置沿Z轴旋转的旋转装置。本发明还公开了一种可控椭圆度微孔的激光加工方法。上述激光加工装置，实现了在工件上可形成完全可控椭圆度的微孔，其操作简单且成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，特别涉及一种可控椭圆度微孔的激光加工装置与激光加工方法。
背景技术
激光打孔技术是一种以激光束为热源，采用热去除方法对材料进行分离的技术。在激光打孔的过程中，激光器输出高功率的脉冲激光束聚焦在工件表面，材料被迅速加热到熔化及汽化的温度，随后在材料气体急剧膨胀的反冲压力和高压辅助气体压力的共同作用下，工件上熔融状态的液体被挤出孔外，并在后续脉冲激光作用下持续上述过程，材料不断去除，因而可用此方法来打孔和切割工件。控制激光束在工件表面的相对运动，可以制备出所需的几何形状的通孔或者盲孔。
微孔广泛存在于微流控芯片、生物芯片及微电子器件中，常用于控制各类型的化学反应、筛选异常细胞、基因检测、电学通道等各类重要应用场合。但是，由于精确检测、控制反应等功能的需要，要求制备出所需椭圆度的微孔。例如，在高速通信领域，加工出高双折射光子晶体光纤上的椭圆孔可大大地改善光纤传输性能；在微流控芯片上，加工出的椭圆孔可实现芯片中流体的各种生物、化学、物理反应和处理。因此，亟需提出一种可控椭圆度微孔的激光加工装置及方法。
中国专利CN107627038A、美国专利US20130175243A1提出使反射镜动态旋转以此改变输入光束的倾斜角从而调节微孔椭圆度。然而，由于棱镜和聚焦镜等激光传输装置的几何限制，导致改变光束的倾斜角有限，无法制备出完全可控椭圆度的微孔。同时，调节反射镜会影响激光光束质量从而增加打孔椭圆度可控难度。设备过于复杂，反射镜的频繁移动也会造成效率降低。美国专利US7842901B2提出转动尺寸调节光楔以此改变输入光束的倾斜角从而调节微孔圆度。然而，尺寸调节光楔等激光元件需要完成绕中心轴恒速转动和自身上下转动的复合运动，导致控制难度加大和误差累积等问题，无法完全可控微孔椭圆度。
综上所述，现有的方法虽然在一定程度上可调节孔的椭圆度，但存在装置复杂、操作困难等缺点，并不能做到完全可控。因此，如何通过更加简单、便捷的装置和方法来进行激光打孔，并对微孔的椭圆度完全可控成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可控椭圆度微孔的激光加工装置与激光加工方法，实现了在工件上可形成完全可控椭圆度的微孔，其操作简单且成本低廉。
为实现上述目的，本发明提供一种可控椭圆度微孔的激光加工装置，包括用以向下发射激光束、且能够沿Z轴方向移动的激光装置，还包括：
设于所述激光装置下方、用以放置待加工工件的底板；
连接于所述底板底部、用以供所述底板沿X轴方向旋转的倾斜装置；
连接于所述倾斜装置底部、用以供所述倾斜装置沿Z轴旋转的旋转装置。
相对于上述背景技术，本发明提供的激光加工装置，通过精确调节底板的倾斜角度从而精确控制激光束相对于工件表面的入射角，加工出所需椭圆度的微孔。打孔过程中保证了激光器激光稳定传递输出，有效地提高了激光照射质量，进而减小了激光打孔的系统误差；与此同时，通过倾斜装置和旋转装置的角度调节，能够在工件的任意位置和方向上打孔，进而实现椭圆度可控的微孔阵列的高效加工。
优选地，还包括：
连接于所述旋转装置底部、用以供所述旋转装置分别沿X轴方向和Y轴方向移动的X轴驱动装置和Y轴驱动装置。
优选地，所述倾斜装置能够沿X轴方向旋转的角度范围为±60°，所述旋转装置能够沿Z轴旋转360°。
优选地，还包括控制台，所述控制台连接于所述激光装置、所述倾斜装置、所述旋转装置、所述X轴驱动装置和所述Y轴驱动装置，且能够分别调节所述激光装置射出的激光参数、沿X轴方向的旋转角度、沿Z轴方向的旋转角度、沿X轴方向的移动距离和沿Y轴方向的移动距离。
如此设置的激光加工装置，通过操作台的程序控制，提高了激光打孔的可重复性，保证了每次反应参数的一致，增强了对批量加工质量的可控性。
优选地，所述激光装置包括：
用以产生激光的激光源；
用以接收所述激光源产生的激光、并对激光进行参数调节的光学系统；
与所述激光源和所述光学系统两者相连、用以同步驱动上述两者沿Z轴方向移动的Z轴移动平台。
优选地，所述底板具有用以定位工件的限位槽，所述限位槽通过管路连接于真空泵，实现对工件的真空吸附。
本发明还提供一种利用上述任意一项所述的可控椭圆度微孔的激光加工装置进行的激光加工方法，包括：
将清洗并干燥后的待加工工件放置于底板；
根据所需加工的微孔的椭圆度e以及孔型轮廓调节所述倾斜装置和所述旋转装置，实现对激光束相对于待加工工件的表面的入射角α的调节；
利用对焦后的所述激光装置进行激光打孔；
将加工完毕后的工件进行清洗。
通过上述提供的激光加工方法，创新性地克服了激光只能加工出圆孔或者不可控不规则孔的这一限制，通过精确调节底板的倾斜角度从而精确控制激光束相对于工件表面的入射角，并通过驱动三维运动装置和旋转装置，从而可以在工件任意位置和方向上加工任意椭圆度的盲孔或通孔阵列。本发明装置简单，无需改变激光光路，加工的孔径大小、形状和深度均可控，在激光加工技术、微流控器件及电子制造领域具有极大的应用价值。
优选地，所述将清洗并干燥后的待加工工件放置于底板具体为：
将硅片材质的待加工工件放置于浓度为18％～22％的丙酮溶液中；
利用超声清洗器将放置于浓度为18％～22％的丙酮溶液中的待加工工件进行25分钟～35分钟的超声清洗，用以去除待加工工件表面的有机杂质；
将经过超声清洗的待加工工件放置于无水乙醇溶液中；
利用超声清洗器将放置于无水乙醇溶液中的待加工工件进行25分钟～35分钟的超声清洗，用以去除待加工工件表面的无机杂质；
利用去离子液体将经过超声清洗的待加工工件冲洗干净；
利用氮气将冲洗干净的待加工工件进行干燥。
优选地，所述根据所需加工的微孔的椭圆度调节所述倾斜装置和旋转装置，实现对激光束相对于待加工工件的表面的入射角α的调节具体为：
根据所需加工的微孔的孔型轮廓以及椭圆度e的公式确定所需加工的微孔的最大直径dmaximum和最小直径dminimum；
根据确定的最大直径dmaximum和最小直径dminimum调节所述倾斜装置和所述旋转装置的旋转角度，以实现调节激光束相对于待加工工件的表面的入射角α。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的可控椭圆度微孔的激光加工装置的结构示意图；
图2为图1中的底板倾角为正的结构示意图；
图3为图1中的底板倾角为零的结构示意图；
图4为图1中的底板倾角为负的结构示意图；
图5为利用本发明的可控椭圆度微孔的激光加工方法得到的微孔的SEM图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1至图5，图1为本发明实施例所提供的可控椭圆度微孔的激光加工装置的结构示意图；图2为图1中的底板倾角为正的结构示意图；图3为图1中的底板倾角为零的结构示意图；图4为图1中的底板倾角为负的结构示意图；图5为利用本发明的可控椭圆度微孔的激光加工方法得到的微孔的SEM图。
本发明提供的一种可控椭圆度微孔的激光加工装置，主要包括激光装置1、底盘装置2、驱动装置3、真空装置4和操作台5；其中，激光装置1设置于底盘装置2的上方，并分别通过电气连接于操作台5；激光装置1包括激光源11、光学系统12和Z轴移动平台13。
激光源11包括平面激光脉冲器和激光束产生组件；光学系统12包括全反射镜、扩束镜、整形镜片、扫描振镜和激光出镜罩121等光学部件；全反射镜，用以对激光束进行位置和角度调节；扩束镜，用以对激光束的直径进行扩展并减少激光束的发散角；整形镜片，用以光斑能量分布整形，基于傅里叶方法将高斯光束整形成平顶光束；扫描振镜包括X、Y扫描电机、驱动器及信号接口板；信号接口板通过电气连接于操作台，在操作台控制下输出一个伺服信号控制振镜偏转；Z轴移动平台13包括Z轴伺服电机和Z轴导轨；Z轴伺服电机设置于Z轴导轨做直线运动，通过连接支架与光学系统12连接，用以光学系统12在Z轴方向的直线移动，如说明书附图1所示。上述激光装置1的具体设置方式以及原理还可以参考现有技术，本文将不再赘述。
针对底盘装置2，其主要包括底板21、倾斜装置22和旋转装置23；倾斜装置22设置于旋转装置23上方，倾斜装置22通过伺服电机驱动内部精密齿轮齿条装置，从而带动底板21倾斜，通过电气连接于操作台5；旋转装置23由旋转伺服电机产生旋转运动，通过电气连接于操作台5；驱动装置3设置于底盘装置2的下方，其包括X轴驱动装置31和Y轴驱动装置32，还包括用于控制Y轴驱动装置32和X轴驱动装置31启停的控制器，并分别通过电气连接于操作台5；X轴驱动装置31用于驱动底盘装置2在X轴方向直线移动；Y轴驱动装置32用于驱动底盘装置2在Y轴方向直线移动；操作台可以5包括可视化的PLC屏幕和集成PLC控制系统，作为集成控制平台。
本发明提供一种可控椭圆度微孔的激光加工装置，创新性地克服了激光只能加工出圆孔或者不可控不规则孔的这一限制，通过精确调节底板的倾斜角度从而精确控制激光束相对于工件表面的入射角，并通过驱动三维运动装置和旋转装置，从而可以在工件任意位置和方向上加工任意椭圆度的盲孔或通孔阵列。本发明装置简单，无需改变激光光路，仅仅改变工件位置，且加工的孔径大小、形状和深度均可控，在激光加工技术、微流控器件及电子制造领域具有极大的应用价值。
为了实现工件相对于底板21的位置固定，底板21具有用以定位工件的限位槽，限位槽通过管路连接于真空泵4，实现对工件的真空吸附。限位槽可以为圆槽，圆槽通过气管连接于真空泵4，用于固定工件，如说明书附图1所示。
除此之外，倾斜装置22的倾斜角度为±60度，旋转装置23能够沿Z轴旋转360°。其中，旋转装置23可以包括回转支撑装置和旋转伺服电机；回转支撑装置设置于驱动装置上端，并通过若干连接杆于竖直方向上连接于倾斜装置；旋转伺服电机设置于回转支撑装置底端。说明书附图2至附图4示出了调节底板21的三者情形。
针对控制台5，其连接激光装置1、倾斜装置22、旋转装置23、X轴驱动装置31和Y轴驱动装置32，能够分别调节激光装置1射出的激光参数、沿X轴方向的旋转角度、沿Z轴方向的旋转角度、沿X轴方向的移动距离和沿Y轴方向的移动距离；如上文可知，控制台5对于上述调节方式均可参考现有技术，本文对此并未作出实质改进。
本发明还提供一种可控椭圆度微孔的激光加工装置进行的激光加工方法，应用了上述任意一项实施例中的激光加工装置，其具体步骤包括：
将清洗并干燥后的待加工工件放置于底板21；
根据所需加工的微孔的椭圆度e以及孔型轮廓调节倾斜装置22和旋转装置23，实现对激光束相对于待加工工件的表面的入射角α的调节；
利用对焦后的激光装置1进行激光打孔；
将加工完毕后的工件进行清洗。
针对“将清洗并干燥后的待加工工件放置于底板21”具体为：
将硅片材质的待加工工件放置于浓度为18％～22％的丙酮溶液中；
利用超声清洗器将放置于浓度为18％～22％的丙酮溶液中的待加工工件进行25分钟～35分钟的超声清洗，用以去除待加工工件表面的有机杂质；
将经过超声清洗的待加工工件放置于无水乙醇溶液中；
利用超声清洗器将放置于无水乙醇溶液中的待加工工件进行25分钟～35分钟的超声清洗，用以去除待加工工件表面的无机杂质；
利用去离子液体将经过超声清洗的待加工工件冲洗干净；
利用氮气将冲洗干净的待加工工件进行干燥。
针对“根据所需加工的微孔的椭圆度调节倾斜装置22和旋转装置23，实现对激光束相对于待加工工件的表面的入射角α的调节”具体为：
根据所需加工的微孔的孔型轮廓以及椭圆度e的公式确定所需加工的微孔的最大直径dmaximum和最小直径dminimum；
根据确定的最大直径dmaximum和最小直径dminimum调节倾斜装置22和旋转装置23的旋转角度，以实现调节激光束相对于待加工工件的表面的入射角α。
简单来说，其加工步骤为：
首先：打孔前清洗。将工件置于丙酮溶液并超声处理，以去除工件表面的有机杂物；接着，将工件置于无水乙醇并超声处理，以去除工件表面的无机杂物；然后，将工件依次用去离子水冲洗、用氮气干燥；
然后：利用上述激光加工设备，启动并初始化设备，调试装置参数。根据微孔所需的椭圆度，调节倾斜装置从而调节底板倾斜角α，即可改变激光束相对于工件表面的入射角；根据所需的孔型轮廓，调节旋转装置和驱动装置，即可改变光斑的位置；将清洗后所得到的工件固定在底板上，根据预先设计的参数输入操作台并激光打孔；
接着，将得到的工件使用化学方法清洗，将工件置于丙酮溶液并超声处理，以去除工件表面的有机杂物；接着，将工件置于无水乙醇并超声处理，以去除工件表面的无机杂物；然后，将工件依次用去离子水冲洗、用氮气干燥；
而后，通过上述步骤得到的工件终检，完成激光打孔工艺；对系统的数据进行保存，以备该激光打孔流程的多次调用。
根据椭圆度计算公式：
其中，上述工件为聚酰亚胺等有机聚合物薄膜；在上述激光打孔的过程中，再配合上激光装置的开启或关闭(即控制光闸的开启或关闭)，便可加工出所需椭圆度的微孔。具体为，在打孔的过程中，若激光光斑轨迹运动至事先设计的孔型轮廓之内时，激光装置保持开启，当运动至该孔型轮廓之外时，激光装置保持关闭，便可加工出事先设计的所需椭圆度的微孔。
在上述激光打孔的过程中，再配合上Z轴伺服平台的平移(即控制离焦量的正负)，便可在待加工的工件上加工出带锥度的所需椭圆度的微孔，该锥度的倾角大小由Z轴伺服平台线性平移的量所决定。
本文给出一种在10cm×10cm硅片上加工椭圆微孔的具体实施方式：
步骤1：打孔前清洗。将尺寸为10cm×10cm的硅片工件置于浓度为20％的丙酮溶液中，并放入超声清洗器内30分钟进行超声处理，以去除工件表面的有机杂物；接着，将工件置于无水乙醇溶液中，并放入超声清洗器内30分钟进行超声处理，以去除工件表面的无机杂物；然后，将工件从溶液中取出，用大量去离子水将其冲洗干净；再用氮气流中进行干燥。干燥后取出备用；
步骤2：结合使用的一种可控椭圆度微孔的激光加工装置，启动并初始化设备，调试激光装置1、底盘装置2、驱动装置3、真空装置4和操作台5，使其处于初始化的准备状态；调试装置参数。根据微孔所需的椭圆度e，上述公式，调节倾斜装置调节底板倾角的正负从而调节底板倾斜角α，即可改变激光束相对于工件表面的入射角；如说明书附图2至4所示；根据所需的孔型轮廓，确定孔最大直径dmaximum和孔最小直径dminimum，调节旋转装置和驱动装置，即可改变光斑在工件硅片的位置；将步骤1得到的工件固定在底板上，根据预先设计的参数输入操作台5；
步骤3：使用皮秒紫外激光器，设置激光功率为80W，频率为600KHz，调节Z轴伺服平台13进行对焦使焦点落在工件上，进行激光打孔；
步骤4：将步骤3得到的工件使用化学方法清洗，将工件置于浓度为20％的丙酮溶液中，并放入超声清洗器内30分钟进行超声处理，以去除工件表面的有机杂物；接着，将工件置于无水乙醇溶液中，并放入超声清洗器内30分钟进行超声处理，以去除工件表面的无机杂物；然后，将工件从溶液中取出，用大量去离子水将其冲洗干净；再用氮气流中进行干燥；
步骤5：将步骤4得到的工件终检，完成激光打孔工艺；如附图图5所示；对系统的数据进行保存，以备该激光打孔流程的多次调用。其中，附图5为加工后的SEM图，SEM是扫描电子显微镜的英文缩写，附图5示出了经本发明的激光加工方法得到的微孔经过扫描电子显微镜后的示意图；其中，附图5为采用了型号为TM3030(日立台式电镜)进行扫描后的示意图。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本发明所提供的可控椭圆度微孔的激光加工装置与激光加工方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种可控椭圆度微孔的激光加工装置，包括用以向下发射激光束、且能够沿Z轴方向移动的激光装置(1)，其特征在于，还包括：
设于所述激光装置(1)下方、用以放置待加工工件的底板(21)；
连接于所述底板(21)底部、用以供所述底板(21)沿X轴方向旋转的倾斜装置(22)；
连接于所述倾斜装置(22)底部、用以供所述倾斜装置(22)沿Z轴旋转的旋转装置(23)。
2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，还包括：
连接于所述旋转装置(23)底部、用以供所述旋转装置(23)分别沿X轴方向和Y轴方向移动的X轴驱动装置(31)和Y轴驱动装置(32)。
3.根据权利要求2所述的激光加工装置，其特征在于，所述倾斜装置(22)能够沿X轴方向旋转的角度范围为±60°，所述旋转装置(23)能够沿Z轴旋转360°。
4.根据权利要求2或3所述的激光加工装置，其特征在于，还包括控制台(5)，所述控制台(5)连接于所述激光装置(1)、所述倾斜装置(22)、所述旋转装置(23)、所述X轴驱动装置(31)和所述Y轴驱动装置(32)，且能够分别调节所述激光装置(1)射出的激光参数、沿X轴方向的旋转角度、沿Z轴方向的旋转角度、沿X轴方向的移动距离和沿Y轴方向的移动距离。
5.根据权利要求4所述的激光加工装置，其特征在于，所述激光装置(1)包括：
用以产生激光的激光源(11)；
用以接收所述激光源(11)产生的激光、并对激光进行参数调节的光学系统(12)；
与所述激光源(11)和所述光学系统(12)两者相连、用以同步驱动上述两者沿Z轴方向移动的Z轴移动平台(13)。
6.根据权利要求4所述的激光加工装置，其特征在于，所述底板(21)具有用以定位工件的限位槽，所述限位槽通过管路连接于真空泵(4)，实现对工件的真空吸附。
7.一种利用上述权利要求1至6任意一项所述的可控椭圆度微孔的激光加工装置进行的激光加工方法，其特征在于，包括：
将清洗并干燥后的待加工工件放置于底板(21)；
根据所需加工的微孔的椭圆度e以及孔型轮廓调节所述倾斜装置(22)和所述旋转装置(23)，实现对激光束相对于待加工工件的表面的入射角α的调节；
利用对焦后的所述激光装置(1)进行激光打孔；
将加工完毕后的工件进行清洗。
8.根据权利要求7所述的激光加工方法，其特征在于，所述将清洗并干燥后的待加工工件放置于底板(21)具体为：
将硅片材质的待加工工件放置于浓度为18％～22％的丙酮溶液中；
利用超声清洗器将放置于浓度为18％～22％的丙酮溶液中的待加工工件进行25分钟～35分钟的超声清洗，用以去除待加工工件表面的有机杂质；
将经过超声清洗的待加工工件放置于无水乙醇溶液中；
利用超声清洗器将放置于无水乙醇溶液中的待加工工件进行25分钟～35分钟的超声清洗，用以去除待加工工件表面的无机杂质；
利用去离子液体将经过超声清洗的待加工工件冲洗干净；
利用氮气将冲洗干净的待加工工件进行干燥。
9.根据权利要求7所述的激光加工方法，其特征在于，所述根据所需加工的微孔的椭圆度调节所述倾斜装置(22)和旋转装置(23)，实现对激光束相对于待加工工件的表面的入射角α的调节具体为：
根据所需加工的微孔的孔型轮廓以及椭圆度e的公式确定所需加工的微孔的最大直径dmaximum和最小直径dminimum；
根据确定的最大直径dmaximum和最小直径dminimum调节所述倾斜装置(22)和所述旋转装置(23)的旋转角度，以实现调节激光束相对于待加工工件的表面的入射角α。
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