一种适用于任意曲面透明介电材料的激光湿法蚀刻方法与流程

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。

专利102005055174b3提供了一种libwe技术，通过使用例如镓、水银等液态金属作为液体吸收介质，该方法将适用于从紫外到红外的宽光谱范围的激光光源。尤其在红外波段，液态金属对激光具有高的吸收率。因此，该方法尤其适用于仅对红外波段透明材料的湿法蚀刻。但是，使用液态金属作为吸收介质的不利因素主要是，材料移除率将比使用有机溶液作为吸收介质的技术高一个数量级。

专利de10328534a1提供了一种被称为表面吸附层激光刻蚀技术(lesal)的激光刻蚀方法，通过材料与反应气体或蒸汽持续相互作用，在待加工材料背面不断生成吸收薄膜。使得从材料正面入射的激光在背面吸收薄膜界面被材料吸收，从而实现材料移除。此种方法的蚀刻效率很低，因此可以实现高精度表面成型。并且，材料背面吸收薄膜厚度很小，于是不会造成高压气泡的生成，即材料受到的反冲压力很小。但是，每个激光脉冲作用后，新生成吸收薄膜的速度很低。另外，该方法需要在可控的体积内实现反应气体或蒸汽与材料的持续接触，因此对加工工艺提出了很高的要求。

专利de10328559b4提出通过衍射光学元件改变激光光斑形态和能量分布，进而通过lesal和libwe技术，在材料背面实现特定形态、深度均匀的微结构蚀刻。但是，由于激光光束需要从材料正面入射，并穿透材料到达背面，材料正面微结构、材料内部结构和缺陷、以及材料本身曲率和表面边界等因素，都会改变设定好的光斑形态和能量分布。另外，对于激光光斑形态和能量分布的调节，受到衍射光学元件光学和物理特性的限制。

技术实现要素：

本发明的目的在于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。

实现本发明的技术解决方案为：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：

步骤1、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；

步骤2、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；

步骤3、当待刻蚀材料达到加工所需深度，停止激光照射，移除掩膜。

优选地，步骤2中待刻蚀材料与吸收薄膜交界面处的激光焦斑面积大于掩膜开口面积。

优选地，步骤1中液体对所用波长激光的吸收率为掩膜的10倍。

优选地，所述掩膜在0.25μm到2.5μm的宽光谱范围内透明。

本发明蚀刻仅发生在液体吸收薄膜与待刻蚀材料交界的区域，而液体吸收薄膜形态、大小和厚度由预先贴附于材料表面的掩膜决定，进而通过掩膜形态决定蚀刻形貌。柔性掩膜的厚度由待刻蚀材料决定，以能够贴附在待刻蚀材料表面为限定。对于平面、球面、非球面材料，掩膜与待刻蚀材料间无气泡缝隙，并且无褶皱。将掩膜帖附于待刻蚀材料背面后，通过连接掩膜开口与液体储存槽的管道将吸收液体注入掩膜开口。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明仅通过简单光学元件将激光导向材料后表面的不同位置，避免了激光波前畸变；2)本发明蚀刻形貌不会受到光学系统衍射极限的限制，蚀刻结构可小于激光光斑尺寸；3)本发明无需采用短焦距聚焦系统和投射元件来实现小尺寸结构蚀刻；4)本发明不会受到材料本身曲率和表面边界等因素的影响。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1为适用于任意曲面透明介电材料的激光湿法蚀刻方法示意图。

图2为本发明所用掩膜的结构示意图。

图3为实施例1中应用于具有弯曲表面材料的实验示意图。

具体实施方式

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：

步骤1、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；

步骤2、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；

步骤3、当待刻蚀材料达到加工所需深度，停止激光照射，移除掩膜。

进一步的实施例中，步骤2中待刻蚀材料与吸收薄膜交界面处的激光焦斑面积大于掩膜开口面积。

进一步的实施例中，步骤1中液体对所用波长激光的吸收率为掩膜的10倍。

进一步的实施例中，所述掩膜在0.25μm到2.5μm的宽光谱范围内透明。

本发明采用柔性掩膜，适用于平面、曲面材料表面微结构蚀刻。本发明采用对激光吸收性的液体作为吸收液，填充掩膜开口。例如，对于1064nm激光，吸收液可选用cuso4溶液、酒石酸钾钠(k-na-tartrate)溶液、naoh溶液、甲醛溶液；对于532nm激光，吸收液可选用丙酮溶液、苯溶液、苏丹红4号ccl4溶液、刚果红(congored)水溶液；对于从可见光到红外波段的宽光谱范围激光，吸收液可选用液态金属，如镓、水银、镓铟合金。通过单脉冲或多脉冲激光作用，能够实现材料表面数nm到数μm的微结构成型。利用毛细作用，通过掩膜上连通液体储存槽与开口的管道将吸收液体注入掩膜开口。掩膜开口可具有各种形态和尺寸，例如，圆形、方形和其他形状。本发明适用于对作用激光透明的材料。

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

如图1～图3所示，以激光诱导的熔融石英平板背面湿法蚀刻为例详细描述本发明的技术方案，具体为：

(1)蚀刻光源为波长1064nm、脉宽约20ns、最高重频10hz的nd:yag激光器4，待加工材料为直径5cm、厚1mm熔融石英平板2。

(2)掩膜为直径4cm、厚15μm柔性聚酰亚胺薄膜(polyimide)，中心为边长15μm方形开口。

(3)掩膜贴附于待刻蚀材料背面1，掩膜材料对1064nm激光具有低的吸收率。

(4)掩膜开口中充满水银液体作为吸收液3，对1064nm激光具有吸收性。

(5)激光从待刻蚀材料正面入射，聚焦于待刻蚀材料与吸收液界面处，激光焦斑直径35μm，焦斑大于掩膜开口面积。

(6)单个激光脉冲作用后，与吸收液相接触的材料发生移除，在材料背面形成与掩膜开口形貌一致的深度大于10nm的蚀刻坑。与此同时，吸收液体有所减少。

(7)重复(5)(6)直到达到加工深度要求，激光作用结束，移除掩膜。

(8)通过试纸擦拭清洁材料背面残留的吸收液。