一种石英晶体的激光刻蚀加工方法技术

本发明专利技术公开一种石英晶体的激光刻蚀加工方法，具体包括如下步骤：选择激光、准备控制软件、设计加工图纸、激光刻蚀、加工后处理和检测，同时，结合对各步骤条件的限定，设计出了一种加工石英晶体的方法，该加工方法可有效的将石英晶体加工成各种形状，且可对石英晶体进行减薄加工，减薄后的石英晶体厚度薄，对应的基频频率高，且加工后的石英晶体强度好，该加工方法简单，加工精度高，对石英晶体加工的尺寸精度可控制在±5μm内。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及石英晶体加工领域。更具体地，涉及一种石英晶体的激光刻蚀加工方法。
技术介绍
石英晶体材料，尤其是α石英，因其具有压电效应特性，可制成石英晶体谐振器、石英晶体振荡器、石英晶体滤波器等元器件产品，广泛应用于电子产品中。随着电子产品向高频化、功能化方向发展，对高基频晶体片和异型晶体片的加工需求越来越迫切。石英晶体硬度为莫氏硬度7，硬度大，且性脆、易破碎，是典型的硬脆材料。有别于各向同性的石英玻璃(又称：熔融石英)材料，石英晶体具有各向异性，热膨胀系数、导热性、弹性、光折射率等各方向差别很大，硬度也更大，因此相比较石英玻璃，对石英晶体的加工难度更大。现有的石英晶体材料加工方法有物理研磨、化学腐蚀、离子刻蚀等。石英晶体材料的特性是频率与厚度成反比，厚度越薄，频率越高。对高频石英晶体片，采用物理研磨工艺加工石英晶体片时，一般只能采取整片研磨，晶体片厚度只能达到40μm左右，频率为40MHz左右，若频率再高，则晶体片的厚度太薄，进行加工时极易破碎；采用化学腐蚀工艺加工石英晶体片时，如果将晶体片整体减薄，频率只能达到80MHz左右，晶体片厚度为20μm左右，若频率再高，则晶体片的厚度将薄到难以满足机械强度要求；采用涂覆保护掩膜对石英晶体片进行局部化学腐蚀减薄，由于晶体片尺寸小，存在工艺难度大、精度难以保证的问题；采用离子刻蚀对石英晶体片进行局部减薄，存在投资大、工艺复杂、周期长、频率控制难度大的问题，难以实现产品化。对异型石英晶体片，物理研磨无法实现；采用化学腐蚀或离子刻蚀，工艺过程非常复杂，加工难度很大，表面防护难以彻底，腐蚀出的截面粗糙，尺寸精度差，性能和可靠性较低，而且成本高，周期长。因此，需要提供一种新型石英晶体加工方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种石英晶体的激光刻蚀加工方法，该加工方法使用皮秒激光器加工石英晶体，可对石英晶体进行减薄加工，减薄后的石英晶体厚度可达到6um或更薄，对应的基频频率达到280MHz以上，且加工后的石英晶体强度好，同时，该加工方法可以将石英晶体加工成各种形状，且该加工方法简单，加工精度高，对石英晶体加工的尺寸精度可控制在±5μm内。为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案：一种石英晶体的激光刻蚀加工方法，使用激光刻蚀的方法加工石英晶体，包括以下步骤：准备激光：选择激光器，所述激光器能激发脉冲宽度为5ps～20ps的短脉冲激光；选择激光脉冲重复频率为10kHz～500kHz，激光器的输出功率为10mW～3W；选择激光器的控制模式；准备控制软件：开启激光加工控制软件；激光焦点校正，进行激光焦距搜寻与校正，使激光焦点与在线观测镜头的焦点在同一高度；镜头对正，进行在线观测镜头焦点与聚焦振镜焦点的补偿，使振镜中心与在线观测镜头的视场中心重合；设计加工图纸：根据所需加工的形状，在激光加工控制软件中设计加工图纸；保存加工图纸并导入激光加工控制软件的工作区；激光刻蚀：设置激光束扫描速度为10mm/s～1000mm/s；加工方式选择为逐层加工方式；将待加工石英晶体放入夹具中固定好，将夹具固定于加工平台上；操纵在线观测镜头上下移动，使其聚焦于待加工石英晶体的表面；操纵在线观测镜头左右移动，使其精确定位在设计图纸规定的待加工位置；操纵激光器，将待加工石英晶体移至振镜加工位置；打开激光闸门，对待加工石英晶体进行加工，进行一次加工；一次加工完毕后，关闭激光闸门，操纵激光器，将已进行一次加工的晶体移至在线观测镜头的观测位置，利用在线观测镜头观察本次加工效果；重复上述激光刻蚀步骤，直至加工效果达到加工要求，完成对石英晶体的加工；加工后处理和检测：将夹具从加工平台上取下，将加工后的石英晶体从夹具中取出，进行清洗和表面处理，得到成品，检测成品精度。优选地，所述激光器可选自型号为LumeraRapid的激光器；优选地，准备激光步骤中，所述激光器的控制模式选自internal(内部触发)、external(外部触发)或Windows(软件触发)控制模式，更优选地，激光器的控制模式选自Windows控制模式。优选地，设计加工图纸步骤中，所述设计加工图纸的设计参数包括：选择图纸中心、加工线条、线条间距和设计图形尺寸。进一步的，图形中心可选择图形起始点、中心点等。激光加工是逐条线条加工，一般线条可选竖线、横线、圆形等。线条间距会影响到加工质量和加工后的表面质量，线条间距越小，加工后表面质量越好，但效率越低。由于激光加工时平台不动。激光束移动，加工线条较长时，在加工区的边缘，尺寸会发生变化，设计图纸时应予以考虑。设计切割线宽度时，应考虑激光束发散角。优选地，激光刻蚀步骤中，所述逐层加工方式的进给次数为2～10次。优选地，加工后处理和检测步骤中，所述清洗是指使用超声波、无水乙醇或等离子清洗清洗石英晶体；所述表面处理是指采用含氟化物的腐蚀液对石英晶体进行表面腐蚀，腐蚀温度为50～55℃；优选地，所述含氟化物的腐蚀液选自饱和氟化氢铵溶液。优选地，加工后处理和检测步骤中，所述成品的厚度可低至6μm以下。优选地，激光脉冲重复频率为50kHz～320kHz，激光器的输出功率为300mW～1W，激光束扫描速度为50mm/s～250mm/s。优选地，激光脉冲重复频率为50kHz～200kHz，激光器的输出功率为300mW～900mW，激光束扫描速度为50mm/s～150mm/s。优选地，所述方法的加工尺寸精度为±5μm，厚度精度可以达到±0.5μm，表面粗糙度可以达到200nm。本专利技术中，激光束扫描速度与加工效率、加工后表面质量有关；逐层加工时，当加工深度较小时，可以选择聚焦振镜焦点高度不变，加工深度较大时，焦点随着加工深度逐渐下降。本专利技术的有益效果如下：1、本专利技术解决了传统石英晶体片加工方法如机械研磨、化学腐蚀、离子刻蚀无法加工超薄晶体片或难以保证机械强度及精度要求或工艺复杂难以产品化的问题。2、本专利技术针对石英晶体的硬脆材料特性，采用超短脉冲激光对石英晶体片进行刻蚀。通过超短脉冲激光与材料相互作用产生的多光子电离、雪崩电离以及局部微爆三种物理效应，结合激光束在介电材料传播过程中的自聚焦效应，实现对石英晶体等透明介电材料的精细加工。与长脉冲激光通过热效应对材料进行烧蚀加工不同，超短脉冲激光加工可以实现本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石英晶体的激光刻蚀加工方法，其特征在于，使用激光刻蚀的方法加工石英晶体，包括以下步骤：准备激光：选择激光器，所述激光器能激发脉冲宽度为5ps～20ps的短脉冲激光；选择激光脉冲重复频率为10kHz～500kHz，激光器的输出功率为10mW～3W；选择激光器的控制模式；准备控制软件：开启激光器的激光加工控制软件；激光焦点校正，使激光焦点与在线观测镜头的焦点在同一高度；镜头对正，使振镜中心与在线观测镜头的视场中心重合；设计加工图纸：在激光加工控制软件中，根据所需加工的形状，设计加工图纸；激光刻蚀：设置激光束扫描速度为10mm/s～1000mm/s；加工方式选择为逐层加工方式；将在线观测镜头聚焦于待加工石英晶体的表面；将在线观测镜头定位在设计图纸规定的待加工位置；将待加工石英晶体移至振镜加工位置，对待加工石英晶体进行一次加工；一次加工完毕后，观察加工效果；重复上述激光刻蚀步骤，直至加工效果达到加工要求，完成对石英晶体的加工；加工后处理和检测：取出加工完后的石英晶体，对石英晶体进行清洗和表面处理，得到成品，检测成品精度。

【技术特征摘要】
1.一种石英晶体的激光刻蚀加工方法，其特征在于，使用激光刻蚀的方
法加工石英晶体，包括以下步骤：
准备激光：
选择激光器，所述激光器能激发脉冲宽度为5ps～20ps的短脉冲激光；
选择激光脉冲重复频率为10kHz～500kHz，激光器的输出功率为10mW
～3W；
选择激光器的控制模式；
准备控制软件：
开启激光器的激光加工控制软件；
激光焦点校正，使激光焦点与在线观测镜头的焦点在同一高度；
镜头对正，使振镜中心与在线观测镜头的视场中心重合；
设计加工图纸：
在激光加工控制软件中，根据所需加工的形状，设计加工图纸；
激光刻蚀：
设置激光束扫描速度为10mm/s～1000mm/s；加工方式选择为逐层加工方
式；
将在线观测镜头聚焦于待加工石英晶体的表面；
将在线观测镜头定位在设计图纸规定的待加工位置；
将待加工石英晶体移至振镜加工位置，对待加工石英晶体进行一次加工；
一次加工完毕后，观察加工效果；
重复上述激光刻蚀步骤，直至加工效果达到加工要求，完成对石英晶体
的加工；
加工后处理和检测：
取出加工完后的石英晶体，对石英晶体进行清洗和表面处理，得到成品，
检测成品精度。
2.根据权利要求1所述的石英晶体的激光刻蚀加工方法，其特征在于，
准备激光步骤中，所述激光器的控制模式选自Windows控制模式。
3.根据权利要求1所述的石英晶体的激光刻蚀加工方法，其特征在于，<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王作羽，叶林，周伟平，郑文强，崔巍，睢建平，段友峰，刘小光，牛磊，
申请(专利权)人：北京无线电计量测试研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11