[发明专利]一种适用于任意曲面透明介电材料的激光湿法蚀刻方法

说明书

本发明提出了一种适用于任意曲面透明介电材料的激光湿法蚀刻方法，具体步骤为：将柔性掩膜贴附于待刻蚀材料背面，所述掩膜表面设有开口，将对激光具有吸收性的液体充满掩膜开口作为吸收薄膜；使激光从材料正面入射，聚焦于待刻蚀材料与吸收薄膜交界面；当待刻蚀材料达到加工所需深度，停止激光照射，移除掩膜。激光由材料正面入射，穿过透明材料和掩膜，仅在材料背面吸收液体薄膜与材料界面处被吸收，进而引起材料移除。本发明中的待刻蚀材料表面蚀刻形貌由掩膜开口形状和尺寸决定。本发明适用于具有平面或曲面表面的透明材料表面微结构成型。

技术领域

本发明涉及激光湿法蚀刻技术，具体而言涉及一种适用于任意曲面透明介电材料的激光湿法蚀刻方法。

背景技术

机械抛光是典型的光学材料表面低粗糙度、高精度加工的传统加工技术。由于该技术采用抛光工具与材料表面的接触式抛光，对于非球面曲面的抛光存在困难，并且随着待加工表面积增大加工精度随之下降。通过采用不同尺寸抛光头组合的方式，或者借助束能技术(例如离子束抛光)，可以实现复杂曲面抛光。但是，小尺寸抛光工具在大面积待加工表面的应用会降低加工精度；另外，局部矫正抛光有可能改变材料表面局部的物理、化学性质。

通常采用束能技术实现超光滑表面加工和高精度表面局部整形，例如等离子体抛光和离子束抛光。专利US5811021A提供了一种方法，通过采用小于待加工微结构特征尺寸的等离子体射流实现材料表面微结构成型。但是，该方法依赖于移动等离子源实现特定加工区域的定位。由于等离子源具有一定的重量，移动惯性将影响加工定位精度；另外，可用于等离子体加工的材料的表面结构尺寸，将受到等离子源几何尺寸的限制。专利WO2002062111A2提供了一种基于离化反应气体与材料表面化学反应的等离子体抛光方法，该方法极大程度地减少了表面缺陷的产生。但是，该方法涉及到的加工工艺复杂，操作难度较大。

可以通过光刻和电子束蚀刻的方法，实现类似熔融石英等无机透明材料表面微结构成型。但是，这些方法需要首先制备高精度掩膜，再通过湿法或干法蚀刻等复杂的工艺手段实现材料表面掩膜形态的复刻。通过激光与等离子体相结合的方法，可以控制材料移除效率。通过激光烧蚀固体材料，同样可以实现材料表面微结构成型。相关研究表明，激光烧蚀是一个包含热力耦合和化学反应的复杂过程；并且，激光烧蚀加工区域具有较高的表面粗糙度。

由于透明材料对于激光能量的吸收率较低，并且实现激光烧蚀需要达到一定的激光功率密度阈值，通过激光实现透明材料表面微结构成型存在一定的困难。已有研究表明，对于紫外波段的纳秒激光，类似熔融石英等无机透明材料的单脉冲烧蚀阈值高达数十J/cm²；而对于红外波段的纳秒激光，该类材料的单脉冲烧蚀阈值高达数百J/cm²。

专利DE19912879A1提供了一种方法，通过待加工材料背面的液体吸收层增加材料表面对于激光的吸收率，从而实现透明材料的激光烧蚀，即激光诱导背面湿法蚀刻技术(LIBWE)。该方法通常采用紫外波段的纳秒激光，液体吸收层可采用有机溶液，并通过增加吸收染料的方法提高激光吸收率。该方法可用于熔融石英、蓝宝石等透明光学材料的表面微结构成型。作用激光从材料正面入射，透过材料在材料背面与液体吸收层交界面被吸收。造成材料背面激光作用区域温度迅速升高，产生材料的熔融、气化，并伴随有气泡脉动和冲击波辐射，最终实现材料背面蚀刻成型。由于激光作用区域附近液体将发生化学分解，分解产物会不可避免地沉积于蚀刻区域的材料表面。一方面，这将造成材料表面的各向异性移除；另一方面，由于有机溶液的分解，液体化学成分和物理性质发生改变，这将不利于连续、各向同性的材料移除。另外，激光作用产生的含有有机溶液分解产物的气泡有可能附着于蚀刻区域，从而阻断有机溶液与材料的进一步接触，即阻碍了蚀刻深度的增加。进一步，气泡脉动和冲击波辐射在材料表面产生的反冲压力有可能造成表面缺陷。值得一提的是，当材料移除率强烈依赖于激光单脉冲能量时，激光能量波动将造成材料移除率的显著改变，从而降低蚀刻精度。