[发明专利]一种激光诱导KOH化学反应刻蚀和切割蓝宝石的加工方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种激光诱导KOH化学反应刻蚀和切割蓝宝石的加工方法，属于特种加工的应用领域。

背景技术：

单晶蓝宝石是一种多功能晶体材料，除了具有优良的物理性能。化学性能和光学性外，其还具有透光性好，熔点高，硬度高，电绝缘性优良，热传导性良好，化学性能稳定等特性，在国防、超导、光电子、微电子领域具有广泛的应用。无论是用于国防领域的红外探测器的蓝宝石窗口，还是用于LED行业的蓝宝石基片，对蓝宝石的加工精度(面型精度、尺寸精度等)和表面加工完整性提出了很高的要求。传统游离磨料研磨、化学机械抛光蓝宝石加工工艺，其加工效率低，加工成本高，加工精度不稳定，很难实现自动化等缺点制约了蓝宝石晶体加工技术的发展。因此，研究和开发一种新型高效低损伤蓝宝石加工工艺尤为重要。

激光刻蚀技术是一种无接触、无切削力、热影响小的加工方法，它具有加工质量优、效率高、加工范围广、清洁、经济效益好、易于实施自动化控制、能实现柔性加工和智能加工等特点，解决了传统加工工艺无法解决的难题。目前用于蓝宝石加工的有超短脉冲激光和普通脉冲紫外激光，其中超短脉冲激光刻蚀蓝宝石存在去蚀率非常低下的问题，仅仅适用于精密加工，而普通脉冲紫外激光刻蚀蓝宝石，一般采用激光诱导等离子体刻蚀法和激光背部湿法刻蚀两种方法，其中激光诱导等离子体体法难以避免崩边和裂纹等损伤现象的产生，激光背部湿法刻蚀蓝宝石同样存在去蚀率极其低下的问题。本方通过激光诱导KOH化学反应刻蚀蓝宝石，通过将化学腐蚀刻蚀和激光烧蚀刻蚀两种方法结合起来的方法，极大的提高了加工的效率和刻蚀的去蚀率，由于该方法的主要是以化学腐蚀为主，故该方法得到的刻槽表面光滑，刻蚀无明显的崩边、裂纹等损伤现象，通过计算机软件Smart MC软件编程或者绘图功能可以实现在蓝宝石表面刻蚀出任意较复杂的二维图形；此外，通过上述方法在蓝宝石薄板上进行规则图形的较深的刻槽，可以利用控制裂纹法沿着刻槽的方向掰开蓝宝石，可以实现质量较好的蓝宝石切割。

发明内容：

为了克服激光刻蚀蓝宝石的低去蚀率问题，实现在保持低损伤的情况下保证高去蚀率，实现较蓝宝石薄板较高质量的切割。

本发明所述一种激光诱导KOH化学反应刻蚀和切割蓝宝石的加工方法，该方法包括：

(1)在蓝宝石表面均匀覆盖一层KOH粉体；

(2)确定激光刻蚀蓝宝石的激光系统参数及工艺参数；

(3)确定激光扫描路径和扫描速度，激光束按照加工路径进行加工；

(4)若为蓝宝石的切割，则沿着蓝宝石薄板表面的刻槽方向掰开；若为蓝宝石的刻蚀，则省略此步骤。

在本发明中，蓝宝石试样片在激光束扫描后其截面的微观形貌为“V”形槽，激光束加工扫描次数为一次或者多次。

在本发明中，激光脉冲宽度为0.5～1.7ms，激光的电流强度为150～250A，距离蓝宝石上表面的离焦量为2mm，脉冲重复频率在30～60Hz，激光扫描速度为0.2～1.0mm/s。

在本发明中，KOH粉体的目数高于60目，覆盖层厚度为0.2～2mm。

在本发明中，激光开始加工的过程中，要通低压辅助空气，主要是为了吹除刻蚀过程中产生的熔渣、碎屑等，从而其避免影响加工效果。

工作原理：

(1)蓝宝石的主要成分为Al₂O₃，能够与熔融的KOH发生化学反应，生成KAlO₂，化学反应方程式如方程式(1)，而KOH的高能激光束的辐射下，由于光热效应KOH粉体自身温度会瞬间升高，当温度超过其熔点380℃，低于其沸点1324℃时，KOH粉体会转变为熔融状，此时即实现蓝宝石的刻蚀；

Al₂O₃+2KOH→2KAlO₂+H₂O(1)

(2)在蓝宝石表面覆盖一层KOH粉体能够有效阻止激光直接透过蓝宝石，使得更多的激光能作用在蓝宝石上表面，有利于激光烧蚀蓝宝石；

(3)在以上两种刻蚀原理的共同作用下，实现蓝宝石的刻蚀，刻蚀机理主要以化学腐蚀作用为主；

(4)蓝宝石的切割方法基于控制裂纹法。

本发明具有的有益效果：

(1)该发明中，工艺简单，操作简单，成本低廉；

(2)该发明中，使用激光诱导KOH化学反应刻蚀蓝宝石，即通过化学腐蚀的方法刻蚀蓝宝石，能够有效避免激光直接刻蚀难以避免的热影响区域对刻蚀质量的影响；