[发明专利]增强蓝宝石激光背向湿式刻蚀率的加工装置及加工方法

说明书

技术领域

本发明是一种用于对蓝宝石进行切割、钻孔和制造表面微结构的增强蓝宝石激光背向湿式刻蚀率的加工装置及加工方法，属于蓝宝石激光背向湿式刻蚀的加工装置及加工方法的创新技术。 

背景技术

蓝宝石单晶具有硬度高（莫氏硬度为9）、熔点高（2030 ^oC）、耐磨性好、高温下（1000 ^oC）仍能够保持化学稳定、透过率高等良好综合性能，被誉为“新光源革命”的基础材料，是第三代半导体材料GaN最重要的产业化衬底，市场需求正以每年40%的速度迅速增加。蓝宝石已广泛应用在电子信息、国防和医疗等多个领域。 

激光背向湿式刻蚀加工时，采用对激光有较好吸收的溶液作为工作液体，激光透过样件入射到材料背面——液体接触区域，液体受到激光能量的诱导会产生光化学反应，进而在材料背面产生沉积层，沉积层对激光有很高的吸收率，有利于吸收能量而导致材料去除。此外液体对加工区域有冷却和清洗作用，所以具有加工后工件的热影响区小、加工质量好等优点。与激光正面蚀刻加工方法相比，它有效地克服了液膜厚度难以控制，激光能量穿过液膜容易损失，加工过程产生的碎屑不易排出等缺点，可以用于制造蓝宝石表面微结构和切割。但在切割较厚蓝宝石时，随着切割深度的增加，液体不能及时上溢到已经形成的切口位置而继续沉积，导致加工效率降低甚至难以加工。 

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种在保证蓝宝石表面加工质量较好的情况下，又具有较高的材料去除率的增强蓝宝石激光背向湿式刻蚀率的加工装置。 

本发明的另一目的在于提供一种操作简单，方便实用，具有较高的加工速率的增强蓝宝石激光背向湿式刻蚀率的加工方法。 

本发明的技术方案是：本发明的增强蓝宝石激光背向湿式刻蚀率的加工装置，包括有保护装置、激光束、透镜组、容器、限制层，其中容器所设中空腔体内装设有工作液体，工件放置在工作液体的表面并与工作液体接触，保护装置装设在工件的顶面，限制层装设在工件的下方，激光束通过透镜组照射在工件的背面。 

上述工作液体为能发生激光诱导光化学沉积的质量浓度为1～25%范围内可调的CuSO₄溶液或者CuSO₄混合溶液。 

上述透镜组包括有扫描振镜聚焦透镜组和反射聚焦透镜组。 

本发明增强蓝宝石激光背向湿式刻蚀率的加工装置的加工方法，包括以下步骤： 

    1）将待加工的透明蓝宝石工件放置在工作液体的表面并与工作液体接触；

    2）在工件下方装设限制层，调节工件和限制层之间的距离；

    3）在工件的顶面设置一个保护装置，其作用为：a）防止液体因工件被切穿产生喷溅；b）保护装置对工件施加一定的压应力，可以减小切割瞬间产生的压力差，从而防止工件产生裂纹;

4）激光束通过透镜组聚焦在工件与工作液体接触的区域，聚焦处发生激光诱导光化学反应和激光诱导空化效应；

    5）激光诱导液体产生光化学反应，在透明样件的背面形成沉积层，沉积层增强了材料对激光的吸收率，材料吸收能量导致温度升高，达到熔点或者汽化点，实现对材料的去除；

    6）激光诱导的空泡塌陷时形成指向工件背面的高速微射流8，高速微射流的冲击作用会促进工件背面发生光化学沉积。在一定范围内，减小工件和限制层的距离，微射流的冲击作用不断增强，工件背面发生光化学沉积增强，材料的激光刻蚀率得到提高；

7）产生激光束的激光头与工件发生沿着X/Y/Z方向的相对运动，在脉冲激光的作用下，实现材料的表面微结构和成形切割加工。

本发明由于采用的结构使得激光背向湿式加工方法中碎屑容易被液体带走，激光烧蚀的热效应小，加工区域无重凝层，加工质量好；激光诱导空化效应引起微射流增强效应，增强了蓝宝石等透明材料的激光刻蚀率，可以实现材料表面的微结构和成形切割加工。