CN115178892A - 一种毫米厚度石英玻璃的高质量切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种毫米厚度石英玻璃的高质量切割方法，充分利用飞秒激光可突破衍射极限的指定位置处极小范围进行高精度加工，并具有空间分辨率高等特点，通过控制激光通量和聚焦条件，主要为飞秒激光进给方式、激光功率、扫描速度以及单次进给量，应用优选的工艺参数的飞秒激光对石英玻璃进行改性加工，再结合超声波辅助HF化学溶液对改性后样品进行选择性刻蚀的方法，实现对毫米厚度石英玻璃的高质量切割。该方法适用于厚度≤1000μm的石英玻璃的切割，使得加工后样品的陡直度可达89°以上，接近理想的角度，边缘崩边尺寸小于2μm，断面粗糙度小于0.5μm，该切割方法具有一定的适用性、可重复性，且能保证加工质量的一致性。

Description

一种毫米厚度石英玻璃的高质量切割方法

技术领域

本发明属于微机械加工领域，尤其涉及一种毫米厚度熔融石英玻璃切割方法。

背景技术

石英玻璃作为一种综合性能出众的材料，由于其良好的物理化学特性，在许多工业领域得到了广泛的应用。作为一种透明材料，极好的透光性令其通常用于照明和光学元件行业；石英玻璃的温度稳定性和优异的抗辐射性使其在航空航天工业中起到重要作用；目前对石英玻璃需求量较大的行业就是半导体行业和光纤通讯行业，其主要作为关键性辅助性材料被应用。而由于石英玻璃具有热膨胀系数低、内部阻尼损耗低和良好的力学性能等特性，其可用作精密弹性材料，逐渐被用于制造柔性加速度计、谐振式陀螺仪等惯性导航***中的核心部件。且随着微电子机械***(MEMS)的不断发展，石英玻璃在微电子器件领域有着广阔的应用前景，故其在微器件加工制造中的应用引起了许多科研机构的关注。

为了满足实际项目要求，需要将整体成形后的石英玻璃毛坯加工成特定形状，尤其是带灵敏度放大结构的振动陀螺中的谐振子，需要保证其核心器件的高度三维对称性，切割加工的质量将直接决定陀螺的性能上限。同时由于石英玻璃的高脆性和低断裂强度，采用合适的加工方法以保证器件的表面完整性和结构可靠性是必需的。现常见的切割石英玻璃的技术主要有：金刚石砂轮研磨、磨料水射流加工、等离子体刻蚀、飞秒激光直接烧蚀等等。然而，金刚石砂轮和磨料水射流法切割熔融石英的切割质量较低，切割断面粗糙度不能满足高精度加工的要求；离子束刻蚀石英可以获得较高的粗糙度，但难以保证切割断面的陡直度；其他一些方法不灵活且操作复杂，不适合将石英玻璃切割成复杂形状。相比之下，飞秒激光直接烧蚀对石英玻璃的切割具有一定的适用性且能保证高精度，因飞秒激光属于超短脉宽激光，可实现对硬脆性透明介质的“冷加工”，但不可避免的是不同的应用场景对石英基板的厚度有不同的要求，现有的飞秒激光直接烧蚀切割主要集中在厚度约200微米的石英玻璃上，而针对较大厚度样品的高质量切割解决方案较少。因此对于实现毫米厚度的石英玻璃的高质量切割工艺问题亟待解决。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种毫米厚度石英玻璃的高质量切割方法，充分利用飞秒激光光束成高斯分布，可透过透明介质聚焦到材料内部的任何位置，实现在激光聚焦区域非常小范围内与材料的相互作用，即在突破衍射极限的指定位置处进行高精度加工，并具有空间分辨率高等特点，通过控制激光通量和聚焦条件，应用飞秒激光对石英玻璃进行改性加工，再结合超声波辅助HF化学溶液对改性后样品进行选择性刻蚀的方法，实现对毫米厚度石英玻璃的高质量切割，使得样品加工后的陡直度可达89°以上，边缘崩边尺寸小于2μm，断面粗糙度小于0.5μm，该切割方法具有一定的适用性、可重复性，且能保证加工质量的一致性。

(二)技术方案

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种毫米厚度石英玻璃的高精度切割方法，该方法适用于厚度≤1000μm的石英玻璃的切割。通过控制飞秒激光对石英玻璃的改性加工工艺参数，主要为飞秒激光进给方式、激光功率、扫描速度以及单次进给量，再结合超声波辅助HF溶液对样品进行刻蚀，进而实现厚度为1000μm及以下的石英玻璃的高质量切割。

一种毫米厚度石英玻璃的高精度切割方法，包括以下步骤：

步骤1：搭建飞秒激光加工***。整个***主要由飞秒激光器、上位机、光阑、反射镜、光门、物镜、三维运动平台以及CCD相机组成。飞秒激光从激光器出来依次经过光阑、三个反射镜、光门，最后经过物镜垂直聚焦到样品上。加工时飞秒激光光路保持不动，通过运动平台承载石英玻璃与激光焦点作相对移动的方式对样品进行加工。飞秒激光器、光门以及三维运动平台均与上位机建立通讯，并可在上位机中进行控制和调整参数。该***搭建完成后进行光路准直。

步骤2：石英玻璃样品预处理。为了保证石英玻璃表面的清洁度，避免灰尘等干扰飞秒激光与样品的相互作用。将石英玻璃分别放在纯水、无水乙醇中用超声波清洗机进行清洗足够时间，然后用氮气吹干。再将干净的样品放置于步骤1中加工***的载物台上完成样品装夹。

步骤3：石英玻璃及飞秒激光焦点定位。在给予充足照明的条件下，调节CCD相机的视野和焦距，可以清晰地观察采集到石英玻璃的图像；通过上位机调大飞秒激光器的发出激光的能量，激光光束经过物镜聚焦后形成空气电离点，CCD相机能采集到空气电离点的光斑图像，光斑中心即为飞秒激光焦点。即可根据相机采集到的图像观察和确定样品和激光焦点的位置，控制运动平台带着样品移动至合适位置，并设定为激光加工起始点。

步骤4：设置加工参数，将加工路径程序化。通过控制三维运动平台带着石英玻璃与飞秒激光作相对运动，调整进给方式、飞秒激光功率、扫描速度以及单次进给量，获得飞秒激光对石英玻璃改性加工的最佳参数：采用自下而上的进给方式、激光功率为20mW、扫描速度为400μm/s、单次进给量为10μm。结合加工参数，把石英玻璃的切割路径转化为三维运动平台的组合运动，并将其程序化集成到上位机的控制软件中。执行程序即可完成飞秒激光对石英玻璃的改性加工。

步骤5：超声波辅助化学刻蚀。把步骤4中飞秒激光改性后的石英玻璃放置于装有一定浓度的HF溶液的容器中，将该容器放置于超声波清洗机里，设定合适的参数后开启，经过一定时间后，即可完成石英玻璃的切割。

步骤6：切割后石英玻璃后处理。将切割断开的石英玻璃样品分别放在纯水、无水乙醇中用超声波清洗机进行清洗足够时间，然后用氮气吹干。选用专门设备对清洗干净的样品的相关指标进行测量，用以表征切割质量。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

(1)本发明利用飞秒激光光束可透过透明介质在材料内部任何位置进行作用，作用范围可控制在极小的聚焦区域内，且空间分辨率高等特点，基于三维高精度运动平台，采用自下而上的进给方式对石英玻璃进行改性加工，可以适用于较大厚度范围的石英玻璃，具有一定的适用性和可重复性。

(2)本发明通过调整飞秒激光功率、扫描速度以及单次进给量改变激光通量和聚焦条件实现对石英玻璃的改性加工，再结合超声波辅助HF溶液对改性后石英玻璃的选择性刻蚀的方法，实现对石英玻璃的切割，可以使得加工后样品的陡直度接近理想角度，边缘崩边尺寸和断面粗糙度都较小，并能保证加工质量的一致性。

(3)本发明中搭建的加工***中应用CCD相机作为成像模块，方便观察和确定石英玻璃和飞秒激光焦点的位置，保证加工起始点的准确性，同时可以避免操作人员直视激光，具有一定的安全保护作用。且通过控制三维运动平台实现加工，可将加工路径程序化，操作方便。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例中提供的石英玻璃切割方法基本原理图；

图2为本发明实施例中提供的飞秒激光加工***示意图；

图3为本发明实施例中提供的超景深显微镜测量切割石英玻璃的陡直度；

图4为本发明实施例中提供的超景深显微镜测量切割石英玻璃的边缘崩边；

图5为本发明实施例中提供的光学轮廓仪测量切割石英玻璃的断面粗糙度。

图例说明：

1：飞秒激光器；2：光阑；3：反光镜；4：反光镜；5：反光镜；6：光门；7：物镜；8：三维运动平台；9：CCD相机；10：控制器；11：上位机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，一种毫米厚度石英玻璃的高质量切割方法，此方法适用于厚度≤1000μm的石英玻璃的切割。其基本原理是通过控制飞秒激光通量，并按照切割路径对石英玻璃进行激光扫描，完成改性加工，再结合超声辅助HF溶液对改性后的石英玻璃进行选择性化学刻蚀，进而实现对石英玻璃的高质量切割。

一种毫米厚度石英玻璃的高质量切割方法，包括以下步骤：

步骤1：搭建飞秒激光加工***。整体加工***如图2所示，飞秒激光器选用高重频飞秒激光器，激光波长为1030nm，重复频率1kHz～1MHz可调，脉宽为235fs，本发明设定飞秒激光器重复频率10kHz，激光光束最大的输出功率为2.06W。光路布置通过光阑、三个反光镜、光门实现，可以充分利用实验空间，并调整光阑和反光镜对飞秒激光进行准直，光门可控制光路的通断。飞秒激光光束经过10X(NA＝0.25)物镜可聚焦在样品上，而样品装夹在三维直线运动平台的载物台上，平台运动精度可达到0.1μm，运动平台承载样品与飞秒激光焦点作相对运动，从而实现加工。CCD相机起到辅助定位以及观察的作用。其中高重频飞秒激光器、光门、三维运动平台以及CCD相机均与上位机建立通讯，可在上位机中对几种核心设备进行操作和控制。

步骤2：石英玻璃预处理。采用的石英玻璃为熔融石英玻璃，SiO₂含量为99.99％，上下表面为边长尺寸10mm的正方形，厚度≤1000μm的石英玻璃基板样品。将熔融石英玻璃分别放在纯水、无水乙醇中用超声波清洗机进行清洗5min，然后用浓度99.9％的氮气将清洗后的样品吹干，再将干净的样品装夹在步骤1中加工***的载物台上，主要采用粘合剂进行粘接。

步骤3：石英玻璃及飞秒激光焦点定位。这里使用卤素灯提供充足照明，调节CCD相机的视野和焦距，可以清晰地观察采集到熔融石英玻璃的图像；通过上位机中的软件将飞秒激光器的发出激光的能量调至较大，激光光束经过物镜聚焦后形成空气电离点，CCD相机能采集到空气电离点的光斑图像，光斑中心即为飞秒激光焦点。即可根据相机采集到的图像观察和确定熔融石英玻璃和激光焦点的位置，控制运动平台带着熔融石英玻璃移动，使得飞秒激光焦点相对运动至距离下样品下表面10μm的位置，并设定为激光加工起始点。

步骤4：设置加工参数，将加工路径程序化。通过控制三维运动平台带着石英玻璃与飞秒激光作相对运动，并在上位机中调整飞秒激光进给方式、飞秒激光功率、扫描速度以及单次进给量，获得飞秒激光对石英玻璃改性加工的最佳参数：采用自下而上的进给方式、激光功率为20mW、扫描速度为400μm/s、单次进给量为10μm。结合加工参数，把对熔融石英玻璃的切割路径转化为三维运动平台的组合运动，并应用C++高级编程语言将其程序化集成到上位机的控制软件中。执行程序即可完成飞秒激光对石英玻璃的改性加工。

步骤5：超声波辅助化学刻蚀。把步骤4中飞秒激光改性后的石英玻璃放置于装有5％浓度的HF溶液的容器中，将该容器放置于超声波清洗机里，设定超声波功率为80W，超声波频率40kHz，经过10min时间的超声波辅助化学刻蚀后，即可完成石英玻璃的切割。

步骤6：切割后石英玻璃后处理。将切割断开的熔融石英玻璃样品分别放在纯水、无水乙醇中用超声波清洗机进行清洗5min，然后用氮气吹干。选用专门设备对清洗干净的样品的相关指标进行测量，用以表征切割质量。对于切割完成后的1000μm厚度熔融石英玻璃，使用超景深显微镜对其边缘崩边尺寸和断面陡直度进行测量，结果如下图3和图4所示；而测量样品断面的粗糙度，使用光学表面轮廓仪进行表征，结果如下图5所示。应用以上加工参数和方法对厚度为300μm和1000μm的熔融石英玻璃进行切割，测得的相关质量指标对比结果如下表1所示。

表1：300μm和1000μm厚度熔融石英玻璃切割质量

样品厚度/μm	陡直度/°	边缘崩边尺寸/μm	断面粗糙度/nm
				300	89.6	1.6	326.833
1000	89.7	1.8	497.569

本实施例的有益效果为：如上表所示，应用本发明提出的对石英玻璃的切割方法和工艺参数，可实现对300μm和1000μm厚度的熔融石英玻璃的切割，且能保证完整切割，不需要进行后续机械力施加的操作，减少了样品切割后的应力集中，且能保证切割质量，陡直度均能达到接近理想的90°，边缘崩边尺寸也能小于2μm，断面粗糙度可小于0.5μm，该工艺将飞秒激光对透明介质改性加工，与化学溶液选择性刻蚀技术结合起来，通过控制飞秒激光功率、进给方式、扫描速度以及单次进给量这几项加工参数，实现了对毫米厚度石英玻璃的高质量切割，具有一定的适用性和可重复性，可应用于微机械加工领域，在微器件制造方面有广阔的应用前景。

Claims (3)

1.一种毫米厚度石英玻璃的高质量切割方法，通过控制激光通量和聚焦条件，主要为飞秒激光进给方式、激光功率、扫描速度以及单次进给量，应用优选的工艺参数的飞秒激光对石英玻璃进行改性加工，再结合超声波辅助HF化学溶液对改性后样品进行选择性刻蚀的方法，实现对毫米厚度石英玻璃的高质量切割。

2.一种毫米厚度石英玻璃的高质量切割方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：搭建飞秒激光加工***。整个***主要由飞秒激光器、上位机、光阑、反射镜、光门、物镜、三维运动平台以及CCD相机组成。飞秒激光从激光器出来依次经过光阑、三个反射镜、光门，最后经过物镜垂直聚焦到样品上。飞秒激光器、光门以及三维运动平台均与上位机建立通讯，并可在上位机中进行控制和调整参数。该***搭建完成后进行光路准直。

步骤2：石英玻璃样品预处理。将石英玻璃分别放在纯水、无水乙醇中用超声波清洗机进行清洗足够时间，然后用氮气吹干。再将干净的样品放置于步骤1中加工***的载物台上完成样品装夹。

步骤3：石英玻璃及飞秒激光焦点定位。在给予充足照明的条件下，调节CCD相机的视野和焦距，可以清晰地观察采集到石英玻璃的图像；通过上位机调大飞秒激光器的发出激光的能量，激光光束经过物镜聚焦后形成空气电离点，CCD相机能采集到空气电离点的光斑图像，光斑中心即为飞秒激光焦点。根据相机采集到的图像观察和确定样品和激光焦点的位置，控制运动平台带着样品移动至合适位置，并设定为激光加工起始点。

步骤4：设置加工参数，将加工路径程序化。通过控制三维运动平台带着石英玻璃与飞秒激光作相对运动，调整进给方式、飞秒激光功率、扫描速度以及单次进给量，获得飞秒激光对石英玻璃改性加工的最佳参数：采用自下而上的进给方式、激光功率为20mW、扫描速度为400μm/s、单次进给量为10μm。结合加工参数，把石英玻璃的切割路径转化为三维运动平台的组合运动，并将其程序化集成到上位机的控制软件中。执行程序完成飞秒激光对石英玻璃的改性加工。

步骤5：超声波辅助化学刻蚀。把步骤4中飞秒激光改性后的石英玻璃放置于装有一定浓度的HF溶液的容器中，将该容器放置于超声波清洗机里，设定合适的参数后开启，经过一定时间后完成石英玻璃的切割。

步骤6：切割后石英玻璃后处理。将切割断开的石英玻璃样品分别放在纯水、无水乙醇中用超声波清洗机进行清洗足够时间，然后用氮气吹干。选用专门设备对清洗干净的样品的相关指标进行测量，用以表征切割质量。

3.根据权利要求2所述的一种毫米厚度石英玻璃的高质量切割方法，其特征在于，具体实施该方法，包括如下步骤：

步骤1：搭建飞秒激光加工***。飞秒激光器选用高重频飞秒激光器，激光波长为1030nm，重复频率1kHz～1MHz可调，脉宽为235fs，本发明设定飞秒激光器重复频率10kHz，激光光束最大的输出功率为2.06W。光路布置通过光阑、三个反光镜、光门实现，可以充分利用实验空间，并调整光阑和反光镜对飞秒激光进行准直，光门可控制光路的通断。飞秒激光光束经过10X(NA＝0.25)物镜可聚焦在样品上，而样品装夹在三维直线运动平台的载物台上，平台运动精度可达到0.1μm，运动平台承载样品与飞秒激光焦点作相对运动，从而实现加工。CCD相机起到辅助定位以及观察的作用。其中高重频飞秒激光器、光门、三维运动平台以及CCD相机均与上位机建立通讯，可在上位机中对几种核心设备进行操作和控制。

步骤2：石英玻璃预处理。采用的石英玻璃为熔融石英玻璃，SiO₂含量为99.99％，上下表面为边长尺寸10mm的正方形，厚度≤1000μm的石英玻璃基板样品。将熔融石英玻璃分别放在纯水、无水乙醇中用超声波清洗机进行清洗5min，然后用浓度99.9％的氮气将清洗后的样品吹干，再将干净的样品装夹在步骤1中加工***的载物台上，主要采用粘合剂进行粘接。

步骤3：石英玻璃及飞秒激光焦点定位。这里使用卤素灯提供充足照明，调节CCD相机的视野和焦距，可以清晰地观察采集到熔融石英玻璃的图像；通过上位机中的软件将飞秒激光器的发出激光的能量调至较大，激光光束经过物镜聚焦后形成空气电离点，CCD相机能采集到空气电离点的光斑图像，光斑中心即为飞秒激光焦点。即可根据相机采集到的图像观察和确定熔融石英玻璃和激光焦点的位置，控制运动平台带着熔融石英玻璃移动，使得飞秒激光焦点相对运动至距离下样品下表面10μm的位置，并设定为激光加工起始点。

步骤4：设置加工参数，将加工路径程序化。通过控制三维运动平台带着石英玻璃与飞秒激光作相对运动，并在上位机中调整飞秒激光进给方式、飞秒激光功率、扫描速度以及单次进给量，获得飞秒激光对石英玻璃改性加工的最佳参数：采用自下而上的进给方式、激光功率为20mW、扫描速度为400μm/s、单次进给量为10μm。结合加工参数，把对熔融石英玻璃的切割路径转化为三维运动平台的组合运动，并应用C++高级编程语言将其程序化集成到上位机的控制软件中。执行程序即可完成飞秒激光对石英玻璃的改性加工。

步骤5：超声波辅助化学刻蚀。把步骤4中飞秒激光改性后的石英玻璃放置于装有5％浓度的HF溶液的容器中，将该容器放置于超声波清洗机里，设定超声波功率为80W，超声波频率40kHz，经过10min时间的超声波辅助化学刻蚀后，即可完成石英玻璃的切割。

步骤6：切割后石英玻璃后处理。将切割断开的熔融石英玻璃样品分别放在纯水、无水乙醇中用超声波清洗机进行清洗5min，然后用氮气吹干。对于切割完成后的熔融石英玻璃，使用超景深显微镜对其边缘崩边尺寸和断面陡直度进行测量；而测量样品断面的粗糙度，使用光学表面轮廓仪进行表征。

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