增強(qiáng)藍(lán)寶石激光背向濕式刻蝕率的加工裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型是一種增強(qiáng)藍(lán)寶石激光背向濕式刻蝕率的加工裝置。其中加工裝置包括保護(hù)裝置、激光束、透鏡組、容器、限制層，容器所設(shè)中空腔體內(nèi)裝設(shè)有工作液體，工件放置在工作液體的表面并與工作液體接觸，保護(hù)裝置裝設(shè)在工件的頂面，限制層裝設(shè)在工件的下方，激光束通過透鏡組照射在工件的背面。本實(shí)用新型在保證藍(lán)寶石表面加工質(zhì)量較好的情況下，又具有較高的材料去除率。本實(shí)用新型加工中碎屑容易被液體帶走，激光燒蝕的熱效應(yīng)小，加工區(qū)域無重凝層，加工質(zhì)量好；激光誘導(dǎo)空化效應(yīng)引起微射流增強(qiáng)效應(yīng)，增強(qiáng)了藍(lán)寶石等透明材料的激光刻蝕率，可實(shí)現(xiàn)材料表面的微結(jié)構(gòu)和成形切割加工。本實(shí)用新型操作簡單，方便實(shí)用，具有較高的加工速率。
【專利說明】增強(qiáng)藍(lán)寶石激光背向濕式刻蝕率的加工裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型是一種用于對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行切割、鉆孔和制造表面微結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)藍(lán)寶石激光背向濕式刻蝕率的加工裝置，屬于藍(lán)寶石激光背向濕式刻蝕的加工裝置的創(chuàng)新技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]藍(lán)寶石單晶具有硬度高(莫氏硬度為9)、熔點(diǎn)高(2030 °C)、耐磨性好、高溫下(1000 °C)仍能夠保持化學(xué)穩(wěn)定、透過率高等良好綜合性能，被譽(yù)為“新光源革命”的基礎(chǔ)材料，是第三代半導(dǎo)體材料GaN最重要的產(chǎn)業(yè)化襯底，市場需求正以每年40%的速度迅速增力口。藍(lán)寶石已廣泛應(yīng)用在電子信息、國防和醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域。
[0003]激光背向濕式刻蝕加工時(shí)，采用對(duì)激光有較好吸收的溶液作為工作液體，激光透過樣件入射到材料背面——液體接觸區(qū)域，液體受到激光能量的誘導(dǎo)會(huì)產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而在材料背面產(chǎn)生沉積層，沉積層對(duì)激光有很高的吸收率，有利于吸收能量而導(dǎo)致材料去除。此外液體對(duì)加工區(qū)域有冷卻和清洗作用，所以具有加工后工件的熱影響區(qū)小、加工質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。與激光正面蝕刻加工方法相比，它有效地克服了液膜厚度難以控制，激光能量穿過液膜容易損失，加工過程產(chǎn)生的碎屑不易排出等缺點(diǎn)，可以用于制造藍(lán)寶石表面微結(jié)構(gòu)和切割。但在切割較厚藍(lán)寶石時(shí)，隨著切割深度的增加，液體不能及時(shí)上溢到已經(jīng)形成的切口位置而繼續(xù)沉積，導(dǎo)致加工效率降低甚至難以加工。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的目的在于考慮上述問題而提供一種在保證藍(lán)寶石表面加工質(zhì)量較好的情況下，又具有較高的材料去除率的增強(qiáng)藍(lán)寶石激光背向濕式刻蝕率的加工裝置。
[0005]本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:本實(shí)用新型的增強(qiáng)藍(lán)寶石激光背向濕式刻蝕率的加工裝置，包括有保護(hù)裝置、激光束、透鏡組、容器、限制層，其中容器所設(shè)中空腔體內(nèi)裝設(shè)有工作液體，工件放置在工作液體的表面并與工作液體接觸，保護(hù)裝置裝設(shè)在工件的頂面，限制層裝設(shè)在工件的下方，激光束通過透鏡組照射在工件的背面。
[0006]上述工作液體為能發(fā)生激光誘導(dǎo)光化學(xué)沉積的質(zhì)量濃度為I?25%范圍內(nèi)可調(diào)的CuSO4溶液或者CuSO4混合溶液。
[0007]上述透鏡組包括有掃描振鏡聚焦透鏡組和反射聚焦透鏡組。
[0008]本實(shí)用新型由于采用的結(jié)構(gòu)使得激光背向濕式加工方法中碎屑容易被液體帶走，激光燒蝕的熱效應(yīng)小，加工區(qū)域無重凝層，加工質(zhì)量好；激光誘導(dǎo)空化效應(yīng)引起微射流增強(qiáng)效應(yīng)，增強(qiáng)了藍(lán)寶石等透明材料的激光刻蝕率，可以實(shí)現(xiàn)材料表面的微結(jié)構(gòu)和成形切割加工。
[0009]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)及積極效果是:本實(shí)用新型充分利用了激光在聚焦處誘導(dǎo)光化學(xué)反應(yīng)與激光誘導(dǎo)空化效應(yīng)的協(xié)同作用，調(diào)節(jié)工件和限制層之間距離到一定的值，使激光空化作用形成的沖擊波和微射流最有利于在工件背面產(chǎn)生光化學(xué)沉積層，從而有效地提高了激光對(duì)材料的去除率。同時(shí)，微射流對(duì)切口的沖擊作用，帶走了加工過程產(chǎn)生的碎屑，避免了重凝層的生成，有效地提高了表面質(zhì)量。此外，本實(shí)用新型中的保護(hù)裝置，有效地防止了加工過程中液體上溢甚至噴濺到工件上表面吸收激光后破壞工件上表面，同時(shí)還可以減小切割瞬間產(chǎn)生的壓力差，防止工件產(chǎn)生裂紋。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了藍(lán)寶石的高效率高質(zhì)量的加工，是一種設(shè)計(jì)巧妙，性能優(yōu)良，方便實(shí)用，加工成本低的強(qiáng)藍(lán)寶石激光背向濕式刻蝕
率的加工裝置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是增強(qiáng)藍(lán)寶石激光背向濕式刻蝕率的加工方法及裝置的示意圖；
[0011]圖2是激光誘導(dǎo)空泡形成的微射流沖擊工件待加工表面示意圖；
[0012]圖3是保護(hù)裝置在切穿后防止液體上溢、飛濺示意圖。
[0013]在圖中:1、工作液體；2、工件；3、保護(hù)裝置；4、激光束；5、透鏡組；6、容器；7、沉積層；8、微射流；9、空泡;10、限制層。
【具體實(shí)施方式】
[0014]實(shí)施例:
[0015]本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、2、3、4所示，本實(shí)用新型的強(qiáng)藍(lán)寶石激光背向濕式刻蝕率的加工裝置，包括有保護(hù)裝置3、激光束4、透鏡組5、容器6、限制層10，其中容器6所設(shè)中空腔體內(nèi)裝設(shè)有工作液體1，工件2放置在工作液體I的表面并與工作液體I接觸，保護(hù)裝置3裝設(shè)在工件2的頂面，限制層10裝設(shè)在工件2的下方，激光束4通過透鏡組5照射在工件2的背面。
[0016]上述工作液體I為能發(fā)生激光誘導(dǎo)光化學(xué)沉積的質(zhì)量濃度為I?25%范圍內(nèi)可調(diào)的CuSO4溶液或者CuSO4混合溶液。本實(shí)施例中，上述工作液體I為質(zhì)量濃度15%的CuSO44溶液或者CuSO4混合溶液。
[0017]本實(shí)施例中，上述CuSO4溶液是將硫酸銅晶體充分溶解于去離子水中，形成硫酸銅水溶液。
[0018]本實(shí)施例中，上述CuSO4混合溶液是在硫酸銅水溶液中加入絡(luò)合劑、還原劑和PH調(diào)節(jié)劑形成的混合溶液。
[0019]本實(shí)施例中，上述絡(luò)合劑為氨水或三乙醇胺，還原劑為甲醛或次磷酸鈉，PH調(diào)節(jié)劑為氫氧化鈉。
[0020]本實(shí)施例中，上述限制層10為玻璃限制層或者為其他對(duì)紅外激光透明的材料。
[0021]上述激光束4為脈沖紅外激光；上述激光束4的激光波長范圍780?2526 nm ;上述激光脈寬為大于等于20 ns ;上述激光能量密度范圍I?200 J/cm2 ;上述激光頻率范圍O?50 kHz ;上述激光掃描速度范圍0.1?50 mm/s ;上述激光掃描次數(shù)I?50次。本實(shí)施例中，產(chǎn)生激光束4的激光器的波長為1064 nm、脈寬為80 ns、能量密度為58 J/cm2、頻率為2 kHZ，掃描速度為15 mm/s、掃描次數(shù)為5。
[0022]上述限制層10與工件2之間的距離調(diào)節(jié)范圍為0.3?5.0mm ;上述保護(hù)裝置3對(duì)入射激光透明，并且固定在工件3的上表面；上述激光頭與工件2發(fā)生X/Y/Z方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式有兩種:a)安裝工件2的工作臺(tái)能沿著Z向直線運(yùn)動(dòng)，透鏡組5內(nèi)的振鏡沿著X/Y方向掃描山)激光頭固定不動(dòng)，工作臺(tái)沿著X/Y/Z方向直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，其中X/Y兩軸聯(lián)動(dòng)；上述激光的焦點(diǎn)作用在透明工件2的背面，即工件2與液體接觸的區(qū)域，通過調(diào)節(jié)工作臺(tái)Z方向的位置實(shí)現(xiàn)。
[0023]本實(shí)用新型強(qiáng)藍(lán)寶石激光背向濕式刻蝕率的加工裝置的加工方法，包括以下步驟:
[0024]I)將待加工的透明藍(lán)寶石工件2放置在工作液體I的表面并與工作液體I接觸；
[0025]2)在工件2下方裝設(shè)限制層10，調(diào)節(jié)工件2和限制層10之間的距離；
[0026]3)在工件2的頂面設(shè)置一個(gè)保護(hù)裝置3，其作用為:a)防止液體因工件被切穿產(chǎn)生噴濺；b)保護(hù)裝置對(duì)工件施加一定的壓應(yīng)力，可以減小切割瞬間產(chǎn)生的壓力差，從而防止工件產(chǎn)生裂紋；
[0027]4)激光器發(fā)出的激光束4通過透鏡組5聚焦在工件2與工作液體I接觸的區(qū)域，聚焦處發(fā)生激光誘導(dǎo)光化學(xué)反應(yīng)和激光誘導(dǎo)空化效應(yīng)；本實(shí)施例中，產(chǎn)生激光束4的激光器的波長為1064 nm、脈寬為80 ns、能量密度為58 J/cm2、頻率為2 kHZ，其中焦點(diǎn)位置通過工作臺(tái)沿Z方向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)；
[0028]5)工作臺(tái)固定不動(dòng)，透鏡組5中的振鏡沿X/Y方向掃描，掃描速度為15 mm/s、掃描次數(shù)為5，對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行直線切割；激光誘導(dǎo)液體產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)，在透明工件2的背面形成沉積層7，沉積層7增強(qiáng)了材料對(duì)激光的吸收率，材料吸收能量導(dǎo)致溫度升高，達(dá)到熔點(diǎn)或者汽化點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的去除；
[0029]6)激光誘導(dǎo)的空泡9塌陷時(shí)形成指向工件背面的高速微射流8，高速微射流與切槽的底部充分接觸，工件背面發(fā)生光化學(xué)沉積。高速微射流8的沖擊作用會(huì)促進(jìn)工件背面發(fā)生光化學(xué)沉積。在一定范圍內(nèi)，減小工件和限制層的距離，微射流8的沖擊作用不斷增強(qiáng)，工件背面發(fā)生光化學(xué)沉積增強(qiáng)，材料的激光刻蝕率得到提高；本實(shí)施例中，調(diào)節(jié)工件2和限制層10的距離到0.43 mm，微射流8的沖擊作用增強(qiáng)，工件2背面發(fā)生光化學(xué)沉積加快，加工后切槽深度為12 ym;同樣的激光加工參數(shù)下，沒有限制層時(shí)，激光背向濕式刻蝕藍(lán)寶石的切槽深度只有8.8 ym,材料的激光刻蝕率提高了 36%。
[0030]7)產(chǎn)生激光束4的激光頭與工件2發(fā)生沿著Χ/Υ/Ζ方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在脈沖激光的作用下，實(shí)現(xiàn)材料的表面微結(jié)構(gòu)和成形切割加工。
[0031]最后應(yīng)當(dāng)說明的是，以上內(nèi)容僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而非對(duì)本實(shí)用新型保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行的簡單修改或者等同替換，均不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種增強(qiáng)藍(lán)寶石激光背向濕式刻蝕率的加工裝置，其特征在于包括有保護(hù)裝置、激光束、透鏡組、容器、限制層，其中容器所設(shè)中空腔體內(nèi)裝設(shè)有工作液體，工件放置在工作液體的表面并與工作液體接觸，保護(hù)裝置裝設(shè)在工件的頂面，限制層裝設(shè)在工件的下方，激光束通過透鏡組照射在工件的背面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)藍(lán)寶石激光背向濕式刻蝕率的加工裝置，其特征在于透鏡組包括有掃描振鏡聚焦透鏡組和反射聚焦透鏡組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1至2任一項(xiàng)所述的增強(qiáng)藍(lán)寶石激光背向濕式刻蝕率的加工裝置，其特征在于上述限制層為玻璃限制層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的增強(qiáng)藍(lán)寶石激光背向濕式刻蝕率的加工裝置，其特征在于上述限制層與工件之間的距離調(diào)節(jié)范圍為0.3?5.0mm ;上述保護(hù)裝置對(duì)入射激光透明，并且固定在工件的上表面；上述激光頭與工件發(fā)生X/Y/Z方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式有兩種:a)安裝工件的工作臺(tái)能沿著Z向直線運(yùn)動(dòng)，透鏡組中的掃描振鏡聚焦透鏡組工作，掃描振鏡沿著X/Y方向掃描山)激光頭固定不動(dòng)，透鏡組中的反射聚焦透鏡組工作，工作臺(tái)沿著X/Y/Z方向直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，其中X/Y兩軸聯(lián)動(dòng)；上述激光的焦點(diǎn)作用在透明工件的背面，即工件與液體接觸的區(qū)域，通過調(diào)節(jié)工作臺(tái)方向的位置實(shí)現(xiàn)。
【文檔編號(hào)】B23K26/362GK203437818SQ201320267412
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月16日
【發(fā)明者】謝小柱, 魏昕, 胡偉, 苑學(xué)瑞, 胡滿鳳, 高勛銀 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)