[发明专利]脉冲激光脆性材料微加工方法及系统

说明书

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种脉冲激光脆性材料微加工方法及系统。

背景技术

激光直刻工艺具有分辨率高、不需要特制掩模就能实现图形转移等优点，因而在刻蚀加工领域获得广泛应用。

但是对于如硅、砷化镓、玻璃等脆性材料，目前的激光刻蚀工艺微孔或细线的深宽比一般只能达到1左右，普通电化学刻蚀此值更小。脆性材料大深宽比的刻蚀加工尚在研究中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脉冲激光脆性材料微加工方法，用高能量脉冲激光对水中的脆性材料进行微加工，微孔的深宽比超过1，甚至可达3。

本发明的另一目的在于提供一种脉冲激光脆性材料微加工系统，包括激光控制单元、脉冲激光器、工作台、容器，工件置于水中加工。

现有研究说明，高能量短脉冲激光对水中的工件加工时，其力效应对工件材料的去除主要是局部冲击作用。在超声加工工艺中，超声产生的冲击力对工件的冲击在方式和效果上都类似于压痕硬度实验中压头作用于脆性材料。超声波加工中的材料去除是靠极小磨料局部、瞬时的撞击作用。脉冲激光对水中的脆性材料工件的部分材料去除的力效应与之相类似。

首先基于脆性材料在载荷作用下的断裂机理，可建立水中高能量脉冲激光加工时力效应对脆性材料的去除率模型。材料去除率模型的建立如下：

裂纹的深度为C_h，C_h=ξ₃(F/H)^1/2            (1)

单个冲击力在一次撞击工件中所去除掉的材料体积为：

V=ξF2(KIC)3/2·H1/2---(2)]]>

式中，为一比例系数（ξ₂、ξ₃为常数），F为冲击力，K_IC为材料的断裂韧性，H为材料的维氏硬度。

定义单位时间内去除掉的材料体积为材料去除率M_V，则有：

MV=f·V=fξF2(KIC)3/2·H1/2---(3)]]>

由式(3)可见，水中高能脉冲激光加工脆性材料的去除率M_V与冲击频率f、冲击力F有关。