[發明專利]一種毫米厚度石英玻璃的高質量切割方法

在審

• 申請號: 202210853959.4
• 申請日: 2022-07-13
• 公開（公告）號: CN115178892A
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發明（設計）人: 胡友旺;王亞龍;孫小燕;龍超;鄭皓寧
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: B23K26/38
• 分類號: B23K26/38;B23K26/60;B23K26/70;B23K26/0622
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本發明提出一種毫米厚度石英玻璃的高質量切割方法，充分利用飛秒激光可突破衍射極限的指定位置處極小范圍進行高精度加工，并具有空間分辨率高等特點，通過控制激光通量和聚焦條件，主要為飛秒激光進給方式、激光功率、掃描速度以及單次進給量，應用優選的工藝參數的飛秒激光對石英玻璃進行改性加工，再結合超聲波輔助HF化學溶液對改性后樣品進行選擇性刻蝕的方法，實現對毫米厚度石英玻璃的高質量切割。該方法適用于厚度≤1000μm的石英玻璃的切割，使得加工后樣品的陡直度可達89°以上，接近理想的角度，邊緣崩邊尺寸小于2μm，斷面粗糙度小于0.5μm，該切割方法具有一定的適用性、可重復性，且能保證加工質量的一致性。

技術領域

本發明屬于微機械加工領域，尤其涉及一種毫米厚度熔融石英玻璃切割方法。

背景技術

石英玻璃作為一種綜合性能出眾的材料，由于其良好的物理化學特性，在許多工業領域得到了廣泛的應用。作為一種透明材料，極好的透光性令其通常用于照明和光學元件行業；石英玻璃的溫度穩定性和優異的抗輻射性使其在航空航天工業中起到重要作用；目前對石英玻璃需求量較大的行業就是半導體行業和光纖通訊行業，其主要作為關鍵性輔助性材料被應用。而由于石英玻璃具有熱膨脹系數低、內部阻尼損耗低和良好的力學性能等特性，其可用作精密彈性材料，逐漸被用于制造柔性加速度計、諧振式陀螺儀等慣性導航系統中的核心部件。且隨著微電子機械系統(MEMS)的不斷發展，石英玻璃在微電子器件領域有著廣闊的應用前景，故其在微器件加工制造中的應用引起了許多科研機構的關注。

為了滿足實際項目要求，需要將整體成形后的石英玻璃毛坯加工成特定形狀，尤其是帶靈敏度放大結構的振動陀螺中的諧振子，需要保證其核心器件的高度三維對稱性，切割加工的質量將直接決定陀螺的性能上限。同時由于石英玻璃的高脆性和低斷裂強度，采用合適的加工方法以保證器件的表面完整性和結構可靠性是必需的。現常見的切割石英玻璃的技術主要有：金剛石砂輪研磨、磨料水射流加工、等離子體刻蝕、飛秒激光直接燒蝕等等。然而，金剛石砂輪和磨料水射流法切割熔融石英的切割質量較低，切割斷面粗糙度不能滿足高精度加工的要求；離子束刻蝕石英可以獲得較高的粗糙度，但難以保證切割斷面的陡直度；其他一些方法不靈活且操作復雜，不適合將石英玻璃切割成復雜形狀。相比之下，飛秒激光直接燒蝕對石英玻璃的切割具有一定的適用性且能保證高精度，因飛秒激光屬于超短脈寬激光，可實現對硬脆性透明介質的“冷加工”，但不可避免的是不同的應用場景對石英基板的厚度有不同的要求，現有的飛秒激光直接燒蝕切割主要集中在厚度約200微米的石英玻璃上，而針對較大厚度樣品的高質量切割解決方案較少。因此對于實現毫米厚度的石英玻璃的高質量切割工藝問題亟待解決。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明的目的是提供一種毫米厚度石英玻璃的高質量切割方法，充分利用飛秒激光光束成高斯分布，可透過透明介質聚焦到材料內部的任何位置，實現在激光聚焦區域非常小范圍內與材料的相互作用，即在突破衍射極限的指定位置處進行高精度加工，并具有空間分辨率高等特點，通過控制激光通量和聚焦條件，應用飛秒激光對石英玻璃進行改性加工，再結合超聲波輔助HF化學溶液對改性后樣品進行選擇性刻蝕的方法，實現對毫米厚度石英玻璃的高質量切割，使得樣品加工后的陡直度可達89°以上，邊緣崩邊尺寸小于2μm，斷面粗糙度小于0.5μm，該切割方法具有一定的適用性、可重復性，且能保證加工質量的一致性。

(二)技術方案

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明涉及一種毫米厚度石英玻璃的高精度切割方法，該方法適用于厚度≤1000μm的石英玻璃的切割。通過控制飛秒激光對石英玻璃的改性加工工藝參數，主要為飛秒激光進給方式、激光功率、掃描速度以及單次進給量，再結合超聲波輔助HF溶液對樣品進行刻蝕，進而實現厚度為1000μm及以下的石英玻璃的高質量切割。

一種毫米厚度石英玻璃的高精度切割方法，包括以下步驟：