[发明专利]利用飞秒激光在玻璃内部直写微机械零件的方法

说明书

技术领域

本发明涉及飞秒激光加工，特别是一种利用飞秒激光在玻璃内部直写微机械零件的方法。

背景技术

微机电系统，英文简称MEMS，是随着半导体集成电路技术和超精密机械加工技术发展起来的一门超精密技术。目前，除了在半导体行业外，还在微流体芯片和生物化学等前沿领域有着广泛的应用。微机械作为微机电系统重要的组成部分，对其加工的传统方法是半导体行业广泛采用的光刻技术，它在材料表面微机械制备上已经具有很成熟的工艺。然而对于三维立体微机械的加工还需要层叠和熔接等复杂步骤，更重要的是光刻并不能在材料内部制备微机械，所以本质上光刻方法并不是真正的三维微加工技术。

飞秒激光具有加工精度高、热效应小、损伤阈值低和可以对透明材料实现三维微加工的优点，为我们提供了一种全新的制备大规模和复杂微结构的方法。飞秒激光能通过非线性吸收过程对玻璃进行局域改性，从而具有高分辨的三维加工能力。当前利用飞秒激光微加工主要有三种方法：

（1）辅助水或其它液体的飞秒激光微加工技术；

（2）飞秒激光辐照石英玻璃后直接使用氢氟酸腐蚀（参见文献：A. Marcinkevicius, S. Juodkazis,et al. , Opt. Lett., 2001, 26(5): 277-279.）；

（3）飞秒激光辐照光敏玻璃后对样品进行焙烧，腐蚀，退火等后期处理（参见文献:Sugioka, Y. Cheng, et al., Appl. Phys. A, 2005, 81: 1-10.）。

使用以上方法加工的微纳结构长度有限，仅为几个毫米，不具有大尺度三维加工的实用性。而且，后期处理过程比较复杂，会使最终产品的合格率降低。在玻璃内部加工微结构,目前报导的只有飞秒激光辐照后氢氟酸腐蚀的方法（参见文献：Shigeki Matsuo,Satoshi Kiyama,et al., APPLIED PHYSICS LETTERS 93, 051107 ，2008.），但是这种腐蚀的方法存在很多问题。第一,加工结构的长度有限，仅为几个毫米；第二，腐蚀深度有限，导致微机械嵌入玻璃内部深度受限；第三，腐蚀精度影响加工精度，而且很难控制，无法精确控制微机械的整体形貌；第四，氢氟酸腐蚀的后期处理方法，不安全而且有污染。这些问题极大地限制了腐蚀方法在微机电系统等领域的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有激光微加工技术在玻璃内部制作微机械长度受限、深度受限、加工精度低和后期处理步骤复杂的问题，提供一种利用飞秒激光在玻璃内部直写微机械零件的方法，该方法具有简单、快速、高精度的特点，可在玻璃芯片内部实现较复杂的微机械结构。

本发明的具体技术方案如下：

一种利用飞秒激光在玻璃内部直写微机械零件的方法，其特点在于包括下列步骤：

（1）飞秒激光直写：

①飞秒激光直写装置安装：将可编程三维位移平台固定在奥利巴斯BX51研究级显微镜的载物台上，所述的可编程三维位移平台的正中位置开有一个方形孔用于放置载玻片，该方形孔正下方是显微镜的透射照明光源，在该显微镜的正上方固定一台CCD探测器，所述的可编程三维位移平台与CCD探测器均与计算机相连，把多孔玻璃样品固定在透明样品槽内，在该透明样品槽内加入去离子水，将多孔玻璃样品完全浸没，将所述透明样品槽粘结在所述的载玻片上，将载玻片固定在可编程三维位移平台的方形孔区域；

②飞秒激光通过一组反射元件进入所述的显微镜，经油浸显微物镜聚焦在所述的多孔玻璃内部，手动粗调所述的载物台使油浸显微物镜的前端部分浸没在去离子水中，再进一步细调使所述的CCD探测器对多孔玻璃样品上表面的成清晰像；再计算机通过控制程序使可编程三维位移平台向正上方移动一个距离，该距离就是飞秒激光经过油浸显微物镜聚焦后在多孔玻璃样品内部的加工深度；

③按照待加工微机械零件预先编写的加工程序驱动所述的可编程三维位移平台运动的同时，启动飞秒激光光束对所述多孔玻璃样品进行辐照加工，具体操作过程如下：

按照设计尺寸在所述多孔玻璃样品内部适当深度选择微机械零件的成形区域，首先在所述的成形区域两侧直写两条引水通道；

然后，将所述的飞秒激光聚焦在引水通道与成形区域的连接处，计算机启动所述编程序驱动平台带动多孔玻璃样品进行精确三维移动，使样品相对飞秒激光的焦点产生精确三维相对运动，所述飞秒激光在成形区域的进行扫描加工，而不辐照微机械的结构区域，微机械零件的结构区域将不被所述飞秒激光烧蚀得以保留；