一种激光诱导化学蚀刻工艺及其装置的制作方法

1.本发明属于激光诱导化学蚀刻技术领域，具体涉及一种激光诱导化学蚀刻工艺及其装置。


背景技术：

2.近年来，玻璃被证实为众多快速发展的科学领域的首选材料，这不仅得益于其卓越的机械性能，还包括其在可见光及近红外条件下几乎透明，以及在各类酸碱溶剂中呈现的化学惰性，针对玻璃的各种精密加工方法已经被开发出来或在慢慢实现，而深孔加工则是其中比较困难和复杂的加工工艺。
3.现如今，针对玻璃的加工主要是依托于mems的加工技术，在玻璃表面均匀的涂布光刻胶或掩膜，通过曝光显影得到想要的图案，之后将工件置于酸性溶液中进行腐蚀，但是这种方式的加工效率很低只适用于微槽加工，无法形成深孔或复杂的三维结构，且依托于光刻胶和掩膜的化学刻蚀技术，制程复杂，并且需要造价昂贵的光刻胶和掩膜；玻璃的深孔加工目前常规使用的是激光旋切技术，但是该加工方法只能制造直径≥15μm的微孔，且由于激光在玻璃内部的热量累积使得孔的圆度难以保证，并且微孔的密集程度不能太高，否则将直接影响孔的质量甚至产生裂纹，同时激光旋切在加工密集孔时热效应还是非常明显，并且加工效率慢。


技术实现要素：

4.(1)要解决的技术问题
5.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种激光诱导化学蚀刻工艺及其装置，该激光诱导化学蚀刻工艺及其装置旨在解决现有技术下制程复杂、造价昂贵和加工密集孔时热效应明显，并且加工效率慢的技术问题。
6.(2)技术方案
7.为了解决上述技术问题，本发明提供了这样一种激光诱导化学蚀刻工艺，其步骤如下：
8.步骤一：将待处理的样品放在激光加工装置上，然后调整激光参数，对样品内部进行选择性的加工，激光加工后的区域会形成一个改性的区域，样品固定在夹具平台上，对于二维平面的图形加工，选用贝塞尔聚焦头组件加工，进行一次性的贯穿式加工，对于三维平面的加工，选用强聚焦头组件进行加工，对于所需形状的加工先从形状的底部开始，逐层往上扫描，进行三维改性雕刻；
9.步骤二：样品装入蚀刻夹具内，选择对样品本体材料的溶解度低且对激光加工后区域溶解度高的蚀刻液，将蚀刻液倒入化学蚀刻装置内，且蚀刻液的高度没过样品，调节超声波振子的功率和频率，并设定加热线圈的加热温度，通过超声波振子震动保证蚀刻液的均匀性，同时由于超声的空化作用，将进一步提升化学蚀刻的速率，步骤一中激光加工后形成一个改性的区域，此区域相对于未加工的区域，对于蚀刻液会显示出明显的溶解度的差
别，利用这个特性，从而得到最终需要的微小结构。
10.使用本技术方案的激光诱导化学蚀刻工艺及其装置时，步骤一：将待处理的样品放在激光加工装置上，通过夹具平台将样品固定，启动z轴直线模组对安装板的高度进行调节，安装板前端的强聚焦头组件和贝塞尔聚焦头组件随着安装板同步升降，从而适合不同厚度的样品，激光器的激光脉冲由偏转光路引导至强聚焦头组件或贝塞尔聚焦头组件，对于二维平面的图形加工，选用贝塞尔聚焦头组件加工，激光脉冲经第三反射镜反射后再次被第四反射镜反射，然后经第二扩束镜、第五反射镜、λ/4波片、可变光阑、光束整型装置、锥棱镜和第二物镜，对样品进行加工，十字直线模组带动夹具平台上的样品移动，进行一次性的贯穿式加工，对于三维平面的加工，选用强聚焦头组件进行加工，激光脉冲经第一反射镜反射至第二反射镜，被第二反射镜反射后经第一扩束镜、z-shifte、微扫描振镜和第一物镜对样品进行加工，对于所需形状的加工先从形状的底部开始，逐层往上扫描，进行三维改性雕刻然后调整激光参数，对样品内部进行选择性的加工，激光加工后的区域会形成一个改性的区域；
11.步骤二：取下盖板，将样品装入蚀刻夹具内，样品经导向块上的导向卡口插入底座上的限位卡口中，然后将盖板套在竖向支撑块外侧，在重力的作用，盖板向下，对样品上端进行固定，然后将支撑脚放入蚀刻内箱内，选择对样品本体材料的溶解度低且对激光加工后区域溶解度高的蚀刻液，将蚀刻液倒入化学蚀刻装置内，且蚀刻液的高度没过样品，调节超声波振子的功率和频率，并设定加热线圈的加热温度，通过超声波振子震动保证蚀刻液的均匀性，同时由于超声的空化作用，将进一步提升化学蚀刻的速率。
12.优选地，所述蚀刻液的选择优先但不限于氢氧化钾和氢氟酸。
13.一种激光诱导化学蚀刻装置，该装置用于处理如上述步骤一所述的激光改性操作，其包括有机架，所述机架上方从前往后依次设置有偏转光路和激光器，所述机架上端后侧固定连接有支架，所述支架上端固定连接有x轴直线模组，所述x轴直线模组前端安装有可沿x轴方向移动的z轴直线模组，所述z轴直线模组前端安装有可沿z轴移动的安装板，所述安装板前端从左往右依次安装有强聚焦头组件和贝塞尔聚焦头组件，所述机架上端中部安装有十字直线模组，所述十字直线模组上端安装有用于固定加工样品的夹具平台，所述强聚焦头组件包括第一反射镜，所述第一反射镜后端依次安装有第二反射镜、第一扩束镜、z-shifte、微扫描振镜和第一物镜，所述贝塞尔聚焦头组件包括第三反射镜，所述第三反射镜后端依次第四反射镜、第二扩束镜、第五反射镜、λ/4波片、可变光阑、光束整型装置、锥棱镜和第二物镜，所述偏转光路用于将激光器产生的激光脉冲引导至强聚焦头组件或贝塞尔聚焦头组件。
14.一种激光诱导化学蚀刻装置，该装置用于处理如上述步骤二所述的化学蚀刻操作，其包括有蚀刻外箱，所述蚀刻外箱内上侧安装有蚀刻内箱，所述蚀刻外箱内底部上端固定连接有等距分布且与所述蚀刻内箱下端贴合的超声波振子，所述蚀刻内箱夹层内设置有加热线圈，所述蚀刻内箱内放置有蚀刻夹具。
15.优选地，所述夹具平台采用夹持式或真空吸附式。
16.优选地，所述激光器为脉冲宽度在ns以下，包含ns的超快激光光源，不限波长范围、偏振状态、工作频率及脉冲能量，所述激光器的脉冲触发方式可以是单脉冲或是多脉冲连续触发。
17.优选地，所述光束整型装置为衍射光学元件或空间光调制器。
18.优选地，所述蚀刻夹具包括支撑脚，所述支撑脚和另一支撑脚上端固定连接有底座，所述底座上端固定连接有左右对称分布的竖向支撑块，所述竖向支撑块和另一竖向支撑块外下侧固定连接有导向块，所述竖向支撑块和另一竖向支撑块外上侧设置有可沿竖向移动的盖板，所述底座上端开设有等距分布的限位卡口，所述导向块上开设有与所述限位卡口相对应的导向卡口。
19.优选地，所述蚀刻夹具的材质为ptfe。
20.(3)有益效果
21.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的激光诱导化学蚀刻工艺及其装置，利用超快激光的超高峰值功率和超短光子材料作用时间而形成的非线性效应，来对样品内部进行选择性的加工，激光加工后的区域会形成一个改性的区域，此区域相对于未加工的区域，对于某些化学溶液会显示出明显的溶解度的差别，然后利用这个特性，可以将激光加工后的产品放在酸性或碱性溶液中进行选择性化学蚀刻，从而得到最终需要的微小结构，拥有贝塞尔聚焦或强聚焦两种聚焦方式，可以更好地对二维平面或三位平面的图形加工，制程简单，且降低了加工的成本，并且加工密集孔时不会产生明显的热效应，加工效率更快，并且不会产生裂纹，通过超声的震动保证蚀刻液的均匀性，同时由于超声的空化作用，将进一步提升化学蚀刻的速率，通过设置蚀刻夹具，可以防止样品在蚀刻的过程中浮起，确保蚀刻的全面性。
附图说明
22.图1为本发明处理工艺一种具体实施方式激光诱导化学蚀刻工艺的流程图；
23.图2为本发明处理工艺一种具体实施方式激光加工装置的立体结构示意图；
24.图3为本发明处理工艺一种具体实施方式化学蚀刻装置的立体结构示意图；
25.图4为本发明处理工艺一种具体实施方式化学蚀刻装置中蚀刻夹具的组装示意图；
26.图5为本发明处理工艺一种具体实施方式中激光加工装置的强聚焦头组件激光光路原理图；
27.图6为本发明处理工艺一种具体实施方式中激光加工装置的贝塞尔聚焦头组件激光光路原理图。
28.附图中的标记为：1、机架；2、偏转光路；3、激光器；4、支架；5、x轴直线模组；6、z轴直线模组；7、安装板；8、强聚焦头组件；81、第一反射镜；82、第二反射镜；83、第一扩束镜；84、z-shifte；85、微扫描振镜；86、第一物镜；9、贝塞尔聚焦头组件；91、第三反射镜；92、第四反射镜；93、第二扩束镜；94、第五反射镜；95、λ/4波片；96、可变光阑；97、光束整型装置；98、锥棱镜；99、第二物镜；10、十字直线模组；11、夹具平台；12、蚀刻外箱；13、蚀刻内箱；14、超声波振子；15、加热线圈；16、蚀刻夹具；161、支撑脚；162、底座；163、竖向支撑块；164、导向块；165、盖板；166、限位卡口；167、导向卡口。
具体实施方式
29.本具体实施方式是激光诱导化学蚀刻工艺，其工艺流程图如图1所示，其激光加工
装置的立体结构示意图如图2所示，其化学蚀刻装置立体结构示意图如图3所示，其步骤如下：
30.步骤一：将待处理的样品放在激光加工装置上，然后调整激光参数，对样品内部进行选择性的加工，激光加工后的区域会形成一个改性的区域，样品固定在夹具平台11上，对于二维平面的图形加工，选用贝塞尔聚焦头组件9加工，进行一次性的贯穿式加工，对于三维平面的加工，选用强聚焦头组件8进行加工，对于所需形状的加工先从形状的底部开始，逐层往上扫描，进行三维改性雕刻；
31.步骤二：样品装入蚀刻夹具16内，选择对样品本体材料的溶解度低且对激光加工后区域溶解度高的蚀刻液，将蚀刻液倒入化学蚀刻装置内，且蚀刻液的高度没过样品，调节超声波振子14的功率和频率，并设定加热线圈15的加热温度，通过超声波振子14震动保证蚀刻液的均匀性，同时由于超声的空化作用，将进一步提升化学蚀刻的速率，步骤一中激光加工后形成一个改性的区域，此区域相对于未加工的区域，对于蚀刻液会显示出明显的溶解度的差别，利用这个特性，从而得到最终需要的微小结构。
32.其中，蚀刻液的选择优先但不限于氢氧化钾和氢氟酸。
33.一种激光诱导化学蚀刻装置，该装置用于处理如上述步骤一的激光改性操作，其包括有机架1，机架1上方从前往后依次设置有偏转光路2和激光器3，机架1上端后侧固定连接有支架4，支架4上端固定连接有x轴直线模组5，x轴直线模组5前端安装有可沿x轴方向移动的z轴直线模组6，z轴直线模组6前端安装有可沿z轴移动的安装板7，安装板7前端从左往右依次安装有强聚焦头组件8和贝塞尔聚焦头组件9，机架1上端中部安装有十字直线模组10，十字直线模组10上端安装有用于固定加工样品的夹具平台11，强聚焦头组件8包括第一反射镜81，第一反射镜81后端依次安装有第二反射镜82、第一扩束镜83、z-shifte84、微扫描振镜85和第一物镜86，贝塞尔聚焦头组件9包括第三反射镜91，第三反射镜91后端依次第四反射镜92、第二扩束镜93、第五反射镜94、λ/4波片95、可变光阑96、光束整型装置97、锥棱镜98和第二物镜99，偏转光路2用于将激光器3产生的激光脉冲引导至强聚焦头组件8或贝塞尔聚焦头组件9。
34.一种激光诱导化学蚀刻装置，该装置用于处理如上述步骤二的化学蚀刻操作，其包括有蚀刻外箱12，蚀刻外箱12内上侧安装有蚀刻内箱13，蚀刻外箱12内底部上端固定连接有等距分布且与蚀刻内箱13下端贴合的超声波振子14，蚀刻内箱13夹层内设置有加热线圈15，蚀刻内箱13内放置有蚀刻夹具16。
35.其中，夹具平台11采用夹持式或真空吸附式，激光器3为脉冲宽度在ns以下，包含ns的超快激光光源，不限波长范围、偏振状态、工作频率及脉冲能量，激光器3的脉冲触发方式可以是单脉冲或是多脉冲连续触发。
36.同时，光束整型装置97为衍射光学元件或空间光调制器，蚀刻夹具16包括支撑脚161，支撑脚161和另一支撑脚161上端固定连接有底座162，底座162上端固定连接有左右对称分布的竖向支撑块163，竖向支撑块163和另一竖向支撑块163外下侧固定连接有导向块164，竖向支撑块163和另一竖向支撑块163外上侧设置有可沿竖向移动的盖板165，底座162上端开设有等距分布的限位卡口166，导向块164上开设有与限位卡口166相对应的导向卡口167。
37.另外，蚀刻夹具16的材质为ptfe。
38.该化学蚀刻装置中蚀刻夹具16的组装示意图如图4所示，其强聚焦头组件8的激光光路原理图如图5所示，其贝塞尔聚焦头组件9的激光光路原理图如图6所示。
39.使用本技术方案的激光诱导化学蚀刻工艺及其装置时，步骤一：将待处理的样品放在激光加工装置上，通过夹具平台11将样品固定，启动z轴直线模组6对安装板7的高度进行调节，安装板7前端的强聚焦头组件8和贝塞尔聚焦头组件9随着安装板7同步升降，从而适合不同厚度的样品，激光器3的激光脉冲由偏转光路2引导至强聚焦头组件8或贝塞尔聚焦头组件9，对于二维平面的图形加工，选用贝塞尔聚焦头组件9加工，激光脉冲经第三反射镜91反射后再次被第四反射镜92反射，然后经第二扩束镜93、第五反射镜94、λ/4波片95、可变光阑96、光束整型装置97、锥棱镜98和第二物镜99，对样品进行加工，十字直线模组10带动夹具平台11上的样品移动，进行一次性的贯穿式加工，对于三维平面的加工，选用强聚焦头组件8进行加工，激光脉冲经第一反射镜81反射至第二反射镜82，被第二反射镜82反射后经第一扩束镜83、z-shifte84、微扫描振镜85和第一物镜86对样品进行加工，对于所需形状的加工先从形状的底部开始，逐层往上扫描，进行三维改性雕刻然后调整激光参数，对样品内部进行选择性的加工，激光加工后的区域会形成一个改性的区域；
40.步骤二：取下盖板165，将样品装入蚀刻夹具16内，样品经导向块164上的导向卡口167插入底座162上的限位卡口166中，然后将盖板165套在竖向支撑块163外侧，在重力的作用，盖板165向下，对样品上端进行固定，然后将支撑脚161放入蚀刻内箱13内，选择对样品本体材料的溶解度低且对激光加工后区域溶解度高的蚀刻液，将蚀刻液倒入化学蚀刻装置内，且蚀刻液的高度没过样品，调节超声波振子14的功率和频率，并设定加热线圈15的加热温度，通过超声波振子14震动保证蚀刻液的均匀性，同时由于超声的空化作用，将进一步提升化学蚀刻的速率。