(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210853959.4 (22)申请日 2022.07.13 (71)申请人 中南大学 地址 410083 湖南省长 沙市岳麓区麓山 南 路932号 (72)发明人 胡友旺　王亚龙　孙小燕　龙超　 郑皓宁　 (51)Int.Cl. B23K 26/38(2014.01) B23K 26/60(2014.01) B23K 26/70(2014.01) B23K 26/0622(2014.01) (54)发明名称 一种毫米厚度石英玻璃的高质量切割方法 (57)摘要 本发明提出一种毫米厚度石英玻璃的高质 量切割方法， 充分利用飞秒 激光可突破衍射极限 的指定位置处极小范围进行高精度加工， 并具有 空间分辨率高等特点， 通过控制激光通量和聚焦 条件， 主要 为飞秒激光进给方式、 激光功率、 扫描 速度以及单次进给量， 应用优选的工艺参数的飞 秒激光对石英玻璃进行改性加工， 再结合超声波 辅助HF化学溶液对改性后样品进行选择性刻蚀 的方法， 实现对毫米厚度石英玻璃的高质量切 割。 该方法适用于厚度≤1000μm的石英玻璃 的 切割， 使得加工后样品的陡直度可达89 °以上， 接 近理想的角度， 边缘崩边尺寸小于2μm， 断面粗 糙度小于0.5μm， 该切割方法具有一定的适用 性、 可重复性， 且能保证加工质量的一 致性。 权利要求书2页 说明书4页 附图2页 CN 115178892 A 2022.10.14 CN 115178892 A 1.一种毫米厚度石英玻璃的高质量切割方法， 通过控制激光通量和聚焦条件， 主要为 飞秒激光进给方式、 激光功 率、 扫描速度以及单次进 给量， 应用优选的工艺参数的飞秒 激光 对石英玻璃进 行改性加工， 再结合超声波辅助HF化学溶液对改性后 样品进行选择性刻蚀的 方法， 实现对毫米厚度石英玻璃的高质量切割。 2.一种毫米厚度石英玻璃的高质量切割方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： 步骤1： 搭建飞秒激光加工系统。 整个系统主要由飞秒激光器、 上位机、 光阑、 反射镜、 光 门、 物镜、 三 维运动平台以及CCD相机组成。 飞秒 激光从激光器出来依次经过光阑、 三个反射 镜、 光门， 最后经过物镜垂直聚焦到样品上。 飞秒激光器、 光 门以及三维运动平台均与上位 机建立通讯， 并可在上位机中进行控制和调整参数。 该系统搭建完成后进行光路准 直。 步骤2： 石英玻璃样品预处理。 将石英玻璃分别放在纯水、 无水乙醇中用超声波清洗机 进行清洗足够时间， 然后用氮气吹干。 再将干净的样品放置于步骤1中加工系统的载物台上 完成样品装夹 。 步骤3： 石英玻璃及飞秒激光焦点定位。 在给予充足照明的条件下， 调 节CCD相机的视野 和焦距， 可以清晰地观察采集到石英玻璃的图像； 通过上位机调大飞秒激光器的发出激光 的能量， 激光光束 经过物镜聚焦后形成空气电离点， CCD相机能采集到空气电离点的光斑图 像， 光斑中心即为飞秒激光焦点。 根据相 机采集到的图像观察和确定样品和激光焦点的位 置， 控制运动平台带着 样品移动至合 适位置， 并设定为激光加工起始点。 步骤4： 设置加工参数， 将加工路径程序化。 通过控制三维运动平台带着石英玻璃与飞 秒激光作相对运动， 调整进给方式、 飞秒激光功率、 扫描速度以及单次进给量， 获得飞秒激 光对石英玻璃改性加工的最佳参数： 采用自下而上的进 给方式、 激光功 率为20mW、 扫描速度 为400 μm/s、 单次进给量为10 μm。 结合加工参数， 把石英玻璃的切割路径转化为三维运动平 台的组合运动， 并将其程序化集成到上位机的控制软件中。 执行程序完成飞秒激光对石英 玻璃的改性加工 。 步骤5： 超声波辅助化学刻蚀。 把步骤4中飞秒激光改性后的石英玻璃放置于装有一定 浓度的HF溶液的容器中， 将该容器放置于超声波清洗机里， 设定合适的参数后开启， 经过一 定时间后完成石英玻璃的切割。 步骤6： 切割后石英玻璃后处理。 将切割断开的石英玻璃样品分别放在纯水、 无水乙醇 中用超声波清洗机进行清洗足够时间， 然后用氮气吹干。 选用专门设备对清洗干净 的样品 的相关指标进行测量， 用以表征切割质量。 3.根据权利要求2所述的一种毫米厚度石英玻璃的高质量切割方法， 其特征在于， 具体 实施该方法， 包括如下步骤： 步骤1： 搭建飞秒激光加工系统。 飞秒激光器选用高重频飞秒激光器， 激光波长为 1030nm， 重复频率1kHz～1MHz可调， 脉宽为235fs， 本发明设定飞秒激光器重复频率10kHz， 激光光束最大的输出功 率为2.06W。 光路布置通过光阑、 三个反光镜、 光门实现， 可以充分利 用实验空间， 并调整光阑和反光镜对飞秒激光进 行准直， 光门可控制光路的通断。 飞秒 激光 光束经过10X(NA＝0.25)物镜可聚焦在样品上， 而样 品装夹在三维直线运动平台的载物 台 上， 平台运动精度可达到0.1μm， 运动平台承载样品与 飞秒激光焦点作相 对运动， 从而实现 加工。 CCD相机起到辅助定位以及观察的作用。 其中高重频飞秒 激光器、 光门、 三 维运动平台 以及CCD相机均 与上位机建立 通讯， 可在上位机中对几种核心设备进行操作和控制。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115178892 A 2步骤2： 石英玻璃预处理。 采用的石英玻璃为熔融石英玻璃， SiO2含量为99.99％， 上下表 面为边长尺寸10mm 的正方形， 厚度≤1000 μm 的石英玻璃基板样品。 将熔融石英玻璃分别放 在纯水、 无水乙醇中用超声波清洗机进行清洗5min， 然后用浓度99.9％的氮气将清洗后的 样品吹干， 再将干净的样品装夹在步骤1中加工系统的载物台上， 主要采用粘合剂进行粘 接。 步骤3： 石英玻璃及飞秒激光焦点定位。 这里使用卤素灯提供充足照明， 调 节CCD相机的 视野和焦距， 可以清晰地观察采集到熔融石英玻璃的图像； 通过上位机中的软件将飞秒激 光器的发出激光的能量调至较大， 激光光束 经过物镜聚焦后形成空气电离点， CCD相机能采 集到空气电离点的光斑图像， 光斑中心即为飞秒激光焦点。 即可根据相 机采集到的图像观 察和确定熔融石英玻璃和激光焦点的位置， 控制运动平台带着熔融石英玻璃移动， 使得飞 秒激光焦点相对运动至距离下样品下表面10 μm的位置， 并设定为激光加工起始点。 步骤4： 设置加工参数， 将加工路径程序化。 通过控制三维运动平台带着石英玻璃与飞 秒激光作相对运动， 并在上位机中调整飞秒激光进给方式、 飞秒激光功 率、 扫描速度以及单 次进给量， 获得飞秒激光对石英玻璃改性加工的最佳参数： 采用自下而 上的进给方式、 激光 功率为20mW、 扫描速度为400 μm/s、 单次进 给量为10 μm。 结合加工参数， 把对 熔融石英玻璃的 切割路径转化为三维运动平台的组合运动， 并应用C++高级编程语言将其程序化集成到上 位机的控制软件中。 执 行程序即可完成飞秒激光对石英玻璃的改性加工 。 步骤5： 超声波辅助化学刻蚀。 把步骤4中飞秒激光改性后的石英玻璃放置于装有5％浓 度的HF溶液的容器中， 将该容器放置于超声波清洗机里， 设定超声波功率为80W， 超声波频 率40kHz， 经过10min时间的超声 波辅助化学刻蚀后， 即可完成石英玻璃的切割。 步骤6： 切割后石英玻璃后处理。 将切割断开的熔融石英玻璃样品分别放在纯水、 无水 乙醇中用超声波清洗机进 行清洗5min， 然后用氮气吹干。 对于切割完成后的熔融石英玻璃， 使用超景深显微镜对其边缘崩边尺寸和断面陡直度进行测 量； 而测量样品断面的粗糙度， 使用光学表面轮廓仪进行表征。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115178892 A 3