CN113828943B - 一种玻璃基板的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种玻璃基板的加工方法，包括：(1)沉积碳化硅层；(2)预加热处理：将含有所述碳化硅层的玻璃基板转移至预热腔中，维持预加热温度60～180s，且预加热温度为600～800℃；(3)激光脉冲打孔；(4)抛光清洗。本发明通过在玻璃基板上预先沉积一层碳化硅薄膜，利用碳化硅薄膜高导热系数以及低热膨胀系数的特性，同时配合预加热处理，使激光诱导的瞬态应力大幅削弱，从而使打孔后玻璃基板上的裂纹和缺陷显著降低；同时，该方法能够很好的控制得到预期厚度的玻璃基板，避免了传统浸蚀方式所带来的不确定性损失。

Description

一种玻璃基板的加工方法
技术领域
本发明涉及玻璃加工技术领域，特别是一种玻璃基板的加工方法。
背景技术
随着工业的发展，以玻璃为代表的透明硬脆材料的微加工越来越重要，其中玻璃深孔加工是工艺和制造的难点。由于硬脆材料在加工孔的过程中，容易碎裂，如传统机械加工钻孔方式，非常容易使得整个材料裂开，有着成品率相对较低、污染严重、加工时间长以及加工精度差等缺点；而激光加工由于其效率高、精度高等优点逐渐成为微加工的主流加工方式。在使用激光打孔技术加工上述关键零部件的深孔尤其是通孔时，锥度和深径比是衡量孔的重要质量指标，锥度越大说明所加工的孔的质量越差，深径比越大越难加工。
传统的激光打孔方法在对玻璃这类脆性材料进行加工时，往往会在孔的周围以及孔的内壁上形成较多裂纹，这是由于激光在烧蚀过程中，形成较强的温度梯度，诱导产生瞬态应力和残余应力，从而造成了打孔后裂纹的产生。现有技术中，为了消除激光烧蚀后所产生的裂纹和缺陷，通常在激光打孔后用强碱溶液对玻璃片的打孔区域进行浸蚀，将激光烧蚀后所产生的裂纹和缺陷在浸蚀后变得平整，使最终玻璃基板上的裂纹减少。然而上述现有方法在处理后往往还会残留较多的裂纹和缺陷，其原因在于，现有方法并未从根本上解决或削弱激光诱导产生瞬态应力和残余应力而导致裂纹产生这一问题；同时，化学浸蚀的方式也会对玻璃基板产生不确定性的减薄损失。故需要提出一种新的激光打孔手段用于解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种玻璃基板的加工方法，用于解决现有技术针对激光诱导裂纹产生未有较好处理手段的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种玻璃基板的加工方法，包括如下步骤：
(1)沉积碳化硅层：采用激光化学气相沉积法，在玻璃基板上待打孔的区域处沉积碳化硅层；
(2)预加热处理：将含有碳化硅层的玻璃基板转移至，维持预加热温度60～180s，且预加热温度为600～800℃；
(3)激光脉冲打孔：在预加热温度条件下，采用脉冲激光依次贯穿碳化硅层和玻璃基板，完成打孔；
(4)抛光清洗：激光脉冲打孔后，对碳化硅层打磨抛光，并用清洗剂洗净，得到打孔的玻璃基板。
其中，步骤(1)具体包括：将玻璃基板置于冷壁式激光化学气相沉积反应器的反应腔中，并抽至真空；向反应腔内通入碳源气体和氢气，维持真空度在10～1000Pa范围内，用连续激光辐照玻璃基板表面，至预设沉积温度辐照5～10s后迅速撤去激光并停止通入碳源气体和氢气气体，形成碳化硅层。
优选的，碳源气体为六甲基二硅烷。
优选的，碳源气体的流量为5～15sccm。
优选的，氢气的流量为2～4sccm。
优选的，预设沉积温度为1050～1150℃。
优选的，连续激光的波长为900～1500nm。
优选的，步骤(3)中，采用CO2激光器发射脉冲激光，其功率密度为0.5～20kW，脉冲持续时间为0.01～0.11ms。
优选的，步骤(4)中，清洗剂包括脂肪醇聚氧乙烯醚、硅酸钠、甲基甘氨酸钾和乙醇，脂肪醇聚氧乙烯醚、硅酸钠、甲基甘氨酸钾和乙醇的质量比为(1～2)：(1～2)：(2～5)：80。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种玻璃基板的加工方法，通过在玻璃基板上预先沉积一层碳化硅薄膜，利用碳化硅薄膜高导热系数以及低热膨胀系数的特性，同时配合预加热处理，使激光诱导的瞬态应力大幅削弱，从而使打孔后玻璃基板上的裂纹和缺陷显著降低；同时，该方法能够很好的控制得到预期厚度的玻璃基板，避免了传统浸蚀方式所带来的不确定性损失。
附图说明
图1是本发明中玻璃基板的加工方法一实施方式的工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，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，均属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1是本发明中玻璃基板的加工方法一实施方式的工艺流程图，本发明中玻璃基板的加工方法包括如下步骤：
S1，沉积碳化硅层：采用激光化学气相沉积法，在玻璃基板上待打孔的区域处沉积碳化硅层。本步骤中，将玻璃基板置于冷壁式激光化学气相沉积反应器的反应腔中，并抽至真空；向反应腔内通入碳源气体和氢气，维持真空度在10～1000Pa范围内，用连续激光辐照玻璃基板表面，至预设沉积温度辐照5～10s后迅速撤去激光并停止通入碳源气体和氢气气体，形成一层薄薄的碳化硅层；由于沉积碳化硅所需温度较高，所以激光辐照时间需要严格控制，辐照不能过长，否则会使玻璃基板开始出现软化，从而影响后续打孔效果。由于采用激光化学气相沉积法在玻璃基板表面沉积形成碳化硅层时，原有的单晶硅表面会有一定的损失并与所形成的碳化硅紧密结合，但这种表面损失是可控的，通过合理调控反应气体的流量、激光波长、激光辐照时长以及预设沉积温度，能够对损失的单晶硅厚度精确控制；故可以采用比预期打孔玻璃基板稍厚的玻璃基板作为原料，并通过调节上述工艺参数，使反应后能够获得预期的后期，具体工艺参数可根据实际需求进行适应性设置。
本实施方式中，碳源气体为六甲基二硅烷，碳源气体的流量优选为5～15sccm，氢气的流量优选为2～4sccm，预设沉积温度优选为1050～1150℃，连续激光的波长优选为900～1500nm。
S2，预加热处理：将含有碳化硅层的玻璃基板转移至预热腔中，并维持预加热温度60～180s，且预加热温度为600～800℃。本步骤中，在完成步骤S1后，对预热腔抽真空，并将含有碳化硅层的玻璃基板转移预热腔中，至预加热温度600～800℃，并维持60～180s，在预热腔中完成预加热处理步骤。
S3，激光脉冲打孔：在预加热温度条件下，采用脉冲激光依次贯穿碳化硅层和玻璃基板，完成打孔。本步骤中，采用CO2激光器发射脉冲激光，其功率密度为0.5～20kW，脉冲持续时间为0.01～0.11ms。
S4，抛光清洗：激光脉冲打孔后，对碳化硅层打磨抛光，并用清洗剂洗净，得到打孔的玻璃基板。本步骤中，清洗剂包括脂肪醇聚氧乙烯醚、硅酸钠、甲基甘氨酸钾和乙醇，脂肪醇聚氧乙烯醚、硅酸钠、甲基甘氨酸钾和乙醇的质量比为(1～2)：(1～2)：(2～5)：80。
下面通过具体实施例对上述玻璃基板的加工方法的效果和机理进行对比分析。
实施例1
本实施例对玻璃基板的打孔步骤具体如下：
(1)将玻璃基板置于冷壁式激光化学气相沉积反应器的反应腔中，并抽至真空度小于20Pa；向反应腔内通入六甲基二硅烷气体和氢气，六甲基二硅烷气体的流量为10sccm，氢气的流量为2sccm，维持真空度在10～1000Pa范围内，用1150nm连续激光辐照玻璃基板表面，至预设沉积温度辐照8s后迅速撤去激光并停止通入碳源气体和氢气气体，形成碳化硅层。
(2)在完成步骤(1)后，对预热腔抽真空至真空度小于20Pa，并将含有碳化硅层的玻璃基板转移预热腔中，至预加热温度700℃，并维持80s，在反应腔中完成预加热处理步骤。
(3)在预加热温度条件下，采用CO2激光器发射脉冲激光依次贯穿碳化硅层和玻璃基板，装置功率密度为0.5～20kW，脉冲持续时间为0.01～0.11ms，采用脉冲激光，完成打孔。
(4)步骤(3)完成后，对碳化硅层打磨抛光，磨去碳化硅层并保留玻璃基板；将脂肪醇聚氧乙烯醚、硅酸钠、甲基甘氨酸钾和乙醇以1：2：3：80的质量比配制成清洗剂，用清洗剂对抛光的玻璃基板进行洗净，得到打孔的玻璃基板。
对比例1
该对比例相比于实施例1，去掉了沉积碳化硅层步骤和预加热处理步骤，直接用脉冲激光对玻璃基板进行打孔。
对比例2
该对比例相比于实施例1，仅去掉了沉积碳化硅层步骤，对玻璃基板进行预加热处理，其他步骤及参数与实施例1保持一致。
对比例3
该对比例相比于实施例1，仅去掉了预加热处理步骤，沉积碳化硅层后自然降温至室温进行激光打孔，其他步骤及参数与实施例1保持一致。
对比例4
该对比例相比于实施例1，仅将预加热处理步骤中预加热温度改为900℃，其他步骤及参数与实施例1保持一致。
沿脉冲激光发射方向，将上述实施例1和对比例1～3的最终所获得玻璃基板入口孔和出口孔两处的表面形貌状况进行统计对比。其结果如表1所示，可以看出，实施例1相比于对比例1～4不管是入口孔处还是出口孔处，玻璃基板打孔后两面的裂纹都明显减少，说明本发明方法能够有效解决激光打孔产生裂纹的问题。
其中，实施例1相对于对比例2来说，多沉积碳化硅层，利用碳化硅薄膜高导热系数以及低热膨胀系数的特性，在脉冲激光先射入到碳化硅层时，对热量进行了一定吸收，使其到达玻璃基板表面时的温度梯度降低，同时低热膨胀也对玻璃基板上裂纹的产生和蔓延起到抑制作用；所以对比例2在没有碳化硅的条件下，入口孔处所产生温度梯度较大，裂纹较多，而出口处由于温度梯度在激光贯穿过程中温度梯度有一定降低，且有预加热处理的作用，使得出口孔处裂纹相对较少。
其中，实施例1相对于对比例3来说，多进行了预加热处理，利用预热处理使玻璃基板在脉冲激光贯穿时的基础温度提高，从而使打孔时玻璃基板表面时的温度梯度降低，使激光诱导的瞬态应力大幅削弱；所以对比例3在预热处理的条件下，入口孔处由于有碳化硅层的作用，使裂纹相对较少，但出口处由于玻璃基板基础温度较低，仍表现出了较多裂纹。
其中，对比例4相对于实施例1来说，预加热温度超出了本发明的限定范围，此时玻璃基板开始产生一定的软化，这对激光打孔是不利的，所以在实验中对比例4打孔后的玻璃基板两面仍具有少量裂纹，这也说明了要得到裂纹少形貌好的玻璃基板打孔件，需要对上述预加热温度进行严格限定。
表1
是否沉积碳化硅层 是否预加热处理 玻璃基板入口孔处形貌 玻璃基板出口孔处形貌
实施例1 是 是 无明显裂纹 无明显裂纹
对比例1 否 否 有较多裂纹 有较多裂纹
对比例2 否 是 有较多裂纹 有较少裂纹
对比例3 是 否 有较少裂纹 有较多裂纹
对比例4 是 是 有较少裂纹 有较少裂纹
区别于现有技术的情况，本发明提供了一种玻璃基板的加工方法，通过在玻璃基板上预先沉积一层碳化硅薄膜，利用碳化硅薄膜高导热系数以及低热膨胀系数的特性，同时配合预加热处理，使激光诱导的瞬态应力大幅削弱，从而使打孔后玻璃基板上的裂纹和缺陷显著降低；同时，该方法能够很好的控制得到预期厚度的玻璃基板，避免了传统浸蚀方式所带来的不确定性损失。
需要说明的是，以上各实施例均属于同一发明构思，各实施例的描述各有侧重，在个别实施例中描述未详尽之处，可参考其他实施例中的描述。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种玻璃基板的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）沉积碳化硅层：采用激光化学气相沉积法，在玻璃基板上待打孔的区域处沉积碳化硅层；
（2）预加热处理：将含有所述碳化硅层的玻璃基板转移至预热腔中，维持预加热温度60~180s，且预加热温度为600~800℃；
（3）激光脉冲打孔：在所述预加热温度条件下，采用脉冲激光依次贯穿所述碳化硅层和玻璃基板，完成打孔；
（4）抛光清洗：所述激光脉冲打孔后，对所述碳化硅层打磨抛光，并用清洗剂洗净，得到打孔的玻璃基板；
所述步骤（1）具体包括：将玻璃基板置于冷壁式激光化学气相沉积反应器的反应腔中，并抽至真空；向反应腔内通入碳源气体和氢气，维持真空度在10~1000Pa范围内，用连续激光辐照玻璃基板表面，至预设沉积温度辐照5~10s后迅速撤去激光并停止通入碳源气体和氢气，形成碳化硅层。
2.根据权利要求1中所述的玻璃基板的加工方法，其特征在于，所述碳源气体为六甲基二硅烷。
3.根据权利要求1中所述的玻璃基板的加工方法，其特征在于，所述碳源气体的流量为5~15sccm。
4.根据权利要求1中所述的玻璃基板的加工方法，其特征在于，所述氢气的流量为2~4sccm。
5.根据权利要求1中所述的玻璃基板的加工方法，其特征在于，所述预设沉积温度为1050~1150℃。
6.根据权利要求1中所述的玻璃基板的加工方法，其特征在于，所述连续激光的波长为900~1500nm。
7.根据权利要求1中所述的玻璃基板的加工方法，其特征在于，所述步骤（3）中，采用CO2激光器发射所述脉冲激光，其功率密度为0.5~20kW，脉冲持续时间为0.01~0.11ms。
8.根据权利要求1中所述的玻璃基板的加工方法，其特征在于，所述步骤（4）中，所述清洗剂包括脂肪醇聚氧乙烯醚、硅酸钠、甲基甘氨酸钾和乙醇，所述脂肪醇聚氧乙烯醚、硅酸钠、甲基甘氨酸钾和乙醇的质量比为（1~2）：（1~2）：（2~5）：80。
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