CN112979170B - 一种激光辅助的化学腐蚀加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光辅助的化学腐蚀加工方法。该激光辅助的化学腐蚀加工方法包括以下步骤：将石英玻璃基片的待加工面浸入碱性腐蚀液中；将激光聚焦于石英玻璃基片的待加工面与碱性腐蚀液接触的界面处；通过激光焦点与石英玻璃基片的相对位移，使激光焦点在目标区域内扫描进行加工；将加工后的石英玻璃基片从碱性腐蚀液中取出后，进行清洗。本发明通过激光的局部加热，然后利用碱性腐蚀液将局部的石英材料腐蚀去除，从而形成特定结构。本发明加工方法能通过对目标区域材料的有效去除实现石英玻璃基片上精细结构的加工。

Description

一种激光辅助的化学腐蚀加工方法

技术领域

本发明涉及石英玻璃加工领域，具体涉及一种激光辅助的化学腐蚀加工方法。

背景技术

石英玻璃材料具有优良的光学性质和无疲劳、低迟滞的力学特性，被广泛的应用于精密光学器件、仪器仪表和生物传感器等领域。

石英玻璃是典型的硬脆型材料，通常采用机械加工、激光加工、化学加工等技术方法进行特定石英玻璃结构的加工，用于透镜、基板、微机电系统等。

机械加工是传统的硬脆材料加工方法，通常利用磨削作用实现材料的去除，完成铣削、磨抛、划片、倒角、打孔等，其主要的问题是加工面存在明显的亚表层损伤，并且难以实现小尺寸微结构的加工；激光加工可以实现切割或刻蚀加工，但材料融化会形成残渣，气化刻蚀后也会形成亚表层损伤缺陷，影响结构完整性并存在残余应力；化学加工无论是湿法还是干法均需要利用特定的掩膜进行保护，以实现目标区域的材料去除并构成所需的结构，掩膜制作和去除涉及成膜、光刻等技术，工序较多，成本较高。

因此在现有技术中，针对石英玻璃基片上精细结构的加工存在材料损伤大，操作较复杂等不足。

发明内容

为解决以上至少之一的技术问题，本发明提供一种激光辅助的化学腐蚀加工方法，能通过对目标区域材料的有效去除实现石英玻璃基片上精细结构的加工。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种激光辅助的化学腐蚀加工方法，包括以下步骤：

将石英玻璃基片的待加工面浸入碱性腐蚀液中；

将激光聚焦于石英玻璃基片的待加工面与碱性腐蚀液接触的界面处；

通过激光焦点与石英玻璃基片的相对位移，使激光焦点在目标区域内扫描进行加工；

将加工后的石英玻璃基片从碱性腐蚀液中取出后，进行清洗。

在本发明的化学腐蚀加工方法中，通过激光的局部加热，然后利用碱性腐蚀液将局部的石英材料腐蚀去除，从而形成特定结构，是一种激光辅助的化学腐蚀加工方法。碱性腐蚀液常温下不会腐蚀石英玻璃，只有在高温下才能与石英玻璃反应生成硅酸钠(水玻璃)。激光作用于加工面后，可以使局部加热产生腐蚀作用，激光的启停相当于腐蚀反应的开关。

现有技术中有使用酸性腐蚀液辅助激光切割对难加工材料(如不锈钢)进行加工的方法，其具体是在激光切割过程中利用酸性腐蚀液喷射至加工处，将激光加工产生的不能被辅助气体吹走的熔渣冲蚀掉，从而降低了加工的表面粗糙度，提高加工质量。

本发明的激光辅助的化学腐蚀加工方法与此相比，具有以下不同点：1)本发明中的激光起到在化学腐蚀加工的辅助加热作用，并非激光直接进行切割加工，因此没有辅助气体，就不存在辅助气体将腐蚀液吹散的可能；2)本发明中的激光只起到局部加热的作用，因此没有腐蚀液存在的情况下，激光无法单独加工，而以上现有技术中没有腐蚀液，激光也可以单独加工，结合化学腐蚀后改善了激光加工的质量；3)本发明的腐蚀液为碱性腐蚀液，碱性腐蚀液常温下不会腐蚀石英玻璃，只有在高温下才能与石英玻璃反应生成硅酸钠(水玻璃)，激光作用于加工面后，可以使局部加热的部位产生腐蚀作用，激光的启停相当于腐蚀反应的开关；而以上现有技术中使用的是酸性腐蚀液，如氢氟酸等，酸性腐蚀液在常温下即可与石英玻璃反应，加热只能改变反应速率，无法实现腐蚀反应的启停，在酸性腐蚀液中，只要与腐蚀液接触，即能被腐蚀，在无掩模的情况下无法实现针对特定区域的加工；本发明石英玻璃加工面浸入碱性腐蚀液后，不会被腐蚀，只有激光扫描的区域才能发生腐蚀反应，从而实现针对特定区域的加工。

在本发明的一个优选方案中，所述碱性腐蚀液为KOH溶液或NaOH溶液。

进一步优选地，所述KOH溶液或NaOH溶液的浓度为10mol/L-15mol/L。

在本发明的一个优选方案中，优选地，所述碱性腐蚀液恒温20℃-25℃，可确保激光作用后的升温一致性。

在本发明的一个优选方案中，优选地，将石英玻璃基片的待加工面浸入碱性腐蚀液中，同时，非加工面置于碱性腐蚀液外；激光透过非加工面聚焦于石英玻璃基片的待加工面与碱性腐蚀液接触的界面处。

在本发明的激光辅助的化学腐蚀加工方法中，石英玻璃基片也可以完全浸入碱性腐蚀液，此时无论激光直接聚焦于待加工面，还是透过非加工面聚焦于待加工面，激光均需要通过碱性腐蚀液，激光穿过水溶液会被液体吸收，使液体气化、挥发、受热对流等，作用于加工面后不易实现受控的局部加热，从而难以实现稳定的加工。因此加工的稳定性效果会较差一些。

同样的，相对于本优选方案，激光也可以不透过非加工面聚焦于石英玻璃基片的待加工面与碱性腐蚀液接触的界面处。当待加工面浸入碱性腐蚀液中，非加工面置于碱性腐蚀液外时，激光不透过非加工面聚焦时，则需要穿过碱性腐蚀液才能聚焦于待加工面与碱性腐蚀液接触的界面处；此时，由于激光穿过水溶液会被液体吸收，使液体气化、挥发、受热对流等，作用于加工面后不易实现受控的局部加热，从而难以实现稳定的加工。因此加工的稳定性效果也会较差一些。

在本发明的一个优选方案中，优选地，石英玻璃基片在浸入碱性腐蚀液前，用丙酮超声清洗5min-10min并干燥处理，以确保待加工玻璃基片表面清洁。

在本发明的一个优选方案中，优选地，所述激光由激光器发射后经过扩束镜、反射镜后，用聚焦镜聚焦于待加工的石英基片与碱性腐蚀液接触的界面处。

优选地，所述激光为二氧化碳激光或1064nm的光纤激光。进一步的，由于石英玻璃对1064nm的光纤激光的吸收率低，不利于局部加热；因此，更优选地，所述激光为二氧化碳激光。

当所述激光为二氧化碳激光时，优选地，所述二氧化碳激光的模式为TEM00，波长为10.6μm；所述聚焦焦距为10cm-15cm；激光焦点平均功率密度为1000W/cm²-1500W/cm²；以使激光焦点所在的加工部位的温度达到约300℃至400℃，促使腐蚀反应的产生。本领域技术人员理解的，当所述激光为1064nm的光纤激光等其他激光时，根据加工需要选择具体的模式、焦距和功率密度等参数。

在本发明的一个优选方案中，优选地，激光焦点在目标区域内扫描进行加工时，扫描的路径为平行线或螺旋线。进一步的，由于采用平行线可加工图形灵活，加工部位间距固定，加工面一致性较好，更优选地，激光焦点在目标区域内扫描进行加工时，扫描的路径为平行线。

当扫描的路径为平行线时，平行线的间距、扫描速度等参数根据需求的加工面的质量和加工效率确定优选参数，采用优选参数有利于提高加工面不同部位的一致性。优选地，所述平行线的间距为0.05mm-0.2mm，扫描速度为0.02mm/s-0.1mm/s；每次扫描后将激光焦点向非加工面方向移动0.005mm-0.01mm，进行重复扫描，直至达到预订加工深度；具体扫描次数根据目标区域的加工深度确定。

在本发明的一个优选方案中，优选地，对加工后的石英玻璃基片进行清洗包括：依次用去离子水和丙酮进行清洗，清洗方法包括超声清洗、喷淋、漂洗中的一种或两种以上。

本发明的方案是结合激光进行的化学腐蚀加工，激光起到局部加热的作用，没有腐蚀液存在的情况下，激光无法单独加工，没有激光加热，碱性腐蚀液常温下也不会腐蚀石英玻璃，只有两者结合，才能产生刻蚀作用。

本发明与现有技术相比的有益效果：

1)本发明与传统的激光加工相比，没有熔化和气化现象，因此没有随之形成的熔渣和气化重凝的残余物，没有激光热加工造成的显著地残余应力，也没有超快激光冷加工造成的亚表层损伤，加工去除的材料直接在碱性腐蚀液中溶解，因此加工出的石英结构更完整，表面与内部的加工缺陷更少；

2)本发明与传统的化学蚀刻加工相比，不需要使用掩膜保护非目标区域，减少了掩膜制造和图形化等复杂流程；利用激光能量与方向的高度可控性，通过控制温度参数，调节石英玻璃与碱性腐蚀液的反应，实现石英玻璃基片上局部区域材料的腐蚀去除，与传统的掩膜保护下的氢氟酸腐蚀相比，加工速率的可控性更高。

附图说明

图1为优选实施例中的激光辅助的化学腐蚀加工方法的流程图。

图2为优选实施例中的石英玻璃基片安放和激光装置示意图。

图3为优选实施例中的目标区域加工路径示意图。

图4为优选实施例中加工后的石英玻璃表面。

附图标记说明：

1-碱性腐蚀液；

2-石英玻璃基片；

3-激光器；

4-扩束镜；

5-反射镜；

6-聚焦镜；

7-待加工面；

8-非加工面；

9-目标区域；

10-扫描路径。

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对本发明做进一步的说明。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。

本发明在此提供一个优选实施例进行说明，其流程图如图1所示，该激光辅助的化学腐蚀加工方法通过以下步骤实现：

第一步：配制碱性腐蚀液

配制浓度为15mol/L的NaOH溶液。

第二步：安放基片

将石英玻璃基片2用丙酮超声清洗5min并干燥处理后，将石英玻璃基片2的待加工面7浸入碱性腐蚀液1中，非加工面8置于碱性腐蚀液1外，如图2所示，并将碱性腐蚀液1恒温25℃。

第三步：激光局部加热

激光器3发射的激光经过扩束镜4、反射镜5后，用聚焦镜6聚焦于待加工的石英基片与碱性腐蚀液接触的界面处。所述激光为二氧化碳激光，模式为TEM00，波长为10.6μm；所述聚焦焦距为15cm，平均功率密度为1500W/cm²。

第四步：加工目标区域

通过激光焦点与石英玻璃基片2的相对位移，使激光焦点在目标区域9内扫描，扫描路径10为平行线，如图3所示，平行线的间距为0.05mm，扫描速度为0.1mm/s，每次扫描后将激光焦点向非加工面8方向移动0.005mm，进行重复扫描10次，达到加工深度。

第五步：清洗基片

将加工后的石英玻璃基片2从碱性腐蚀液1中取出后，依次用去离子水和丙酮进行超声清洗5min，加工后的石英玻璃表面如附图4所示，可见通过本发明的激光辅助的化学腐蚀加工方法加工的石英玻璃表面较平整，无裂纹崩碴等缺陷，疖瘤等缺陷较少，可以满足石英玻璃精细结构的加工。

在本优选实施例中，将碱液替换为KOH溶液得到的效果是一样的，并且碱液的浓度在10mol/L-15mol/L范围内，恒温20℃-25℃范围内，均可实现以上目的，得到加工表面光滑的石英玻璃基片。将激光条件在以下范围内调整也可以实现目的：聚焦焦距为10cm-15cm；激光焦点平均功率密度为1000W/cm²-1500W/cm²。

此外，本发明还尝试了将图2中石英玻璃基片全部浸入碱性腐蚀液中，激光照样透过非加工面聚焦在待加工面和碱性腐蚀液的交界处，或者将石英玻璃基片待加工面直接朝上完全浸入碱性腐蚀液中，激光直接聚焦在待加工面和碱性腐蚀液的交界处；这两种方式中，激光均穿过一定的碱性腐蚀液，由于激光穿过水溶液会被液体吸收，使液体气化、挥发、受热对流等，作用于加工面后不易实现受控的局部加热，从而难以实现稳定的加工，得到的加工区域表面没有图4中的效果好，但是相较于现有技术中的加工方法，得到的加工表面粗糙度仍然有所降低。

同样的，将图2中的激光从下往上穿过溶液聚焦在待加工面和碱性腐蚀液的交界处时，得到的加工区域表面也没有图4中的效果好，但是相较于现有技术中的加工方法，得到的加工表面粗糙度仍然有所降低。

以上未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

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)

1.一种激光辅助的化学腐蚀加工方法，其特征在于，该激光辅助的化学腐蚀加工方法包括以下步骤：

将石英玻璃基片用丙酮超声清洗5 min-10 min并干燥处理；

将石英玻璃基片的待加工面浸入恒温20℃ - 25℃的碱性腐蚀液中；

将激光聚焦于石英玻璃基片的待加工面与碱性腐蚀液接触的界面处；

通过激光焦点与石英玻璃基片的相对位移，使激光焦点在目标区域内扫描进行加工，扫描的路径为平行线或螺旋线，其中，所述扫描的路径为平行线时，每次扫描后将激光焦点向非加工面方向移动0.005 mm - 0.01 mm，进行重复扫描，直至达到预订加工深度；

将加工后的石英玻璃基片从碱性腐蚀液中取出后，进行清洗。

2.根据权利要求1所述的激光辅助的化学腐蚀加工方法，其特征在于，所述碱性腐蚀液为KOH溶液或NaOH溶液。

3.根据权利要求2所述的激光辅助的化学腐蚀加工方法，其特征在于，所述KOH溶液或NaOH溶液的浓度为10 mol/L - 15 mol/L。

4.根据权利要求1所述的激光辅助的化学腐蚀加工方法，其特征在于，将石英玻璃基片的待加工面浸入碱性腐蚀液中，同时，非加工面置于碱性腐蚀液外；激光透过非加工面聚焦于石英玻璃基片的待加工面与碱性腐蚀液接触的界面处。

5.根据权利要求1所述的激光辅助的化学腐蚀加工方法，其特征在于，所述激光由激光器发射后经过扩束镜、反射镜后，用聚焦镜聚焦于待加工的石英基片与碱性腐蚀液接触的界面处。

6.根据权利要求1或5所述的激光辅助的化学腐蚀加工方法，其特征在于，所述激光为二氧化碳激光或1064 nm的光纤激光。

7. 根据权利要求1或5所述的激光辅助的化学腐蚀加工方法，其特征在于，所述激光为二氧化碳激光，模式为TEM00，波长为10.6 μm；聚焦焦距为10 cm - 15 cm；激光焦点平均功率密度为1000 W/cm² - 1500 W/cm²。

8.根据权利要求1所述的激光辅助的化学腐蚀加工方法，其特征在于，所述扫描的路径为平行线时，所述平行线的间距为0.05 mm - 0.2 mm，扫描速度为0.02 mm/s - 0.1 mm/s。

9.根据权利要求1所述的激光辅助的化学腐蚀加工方法，其特征在于，对加工后的石英玻璃基片进行清洗包括：依次用去离子水和丙酮进行清洗，清洗方法包括超声清洗、喷淋、漂洗中的一种或两种以上。

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