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CN112404745A - 一种薄片晶体器件切割面的超快激光平整方法 - Google Patents

一种薄片晶体器件切割面的超快激光平整方法 Download PDF

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孙超
何魁魁
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AVIC Intelligent Measurement Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种薄片晶体器件切割面的超快激光平整方法。该方法包括:将薄片晶体放置在工作台上定位夹紧,利用超快激光切割所述薄片晶体;切割完成后,更换长焦激光镜头,将切割好的薄片晶片翻转180度;调节所述超快激光与切割后的被加工晶片的相对位置,通过位移传感器观察激光光丝使得激光光丝的上表面位于待切割面的下方N微米;将激光在所述待切割面上投射的光斑与切割边缘外切,从边缘向晶片内部切进M微米,进入初始加工位,采用包络扫描法对切割面进行修整。本发明能够解决薄片晶体切割面表面粗糙度、垂直度以及平面度较差的问题。

Description

一种薄片晶体器件切割面的超快激光平整方法
技术领域
本发明涉及薄片晶体器件切割面平整领域,特别是涉及一种薄片晶体器件切割面的超快激光平整方法。
背景技术
随着技术的更新迭代以及晶体材料应用的不断深入,对晶体材料的加工精度提出更高要求。例如,在传感领域,一些晶体材料被用作传感元件,为了提高传感器的灵敏度,晶体材料需要涂覆相关的敏感材料以提高传感器的灵敏度,而敏感材料的牢固程度关乎到传感器的传感精度和寿命,敏感材料的牢固程度与晶体材料的表面粗糙度密切相关。晶体材料的加工精度主要涉及晶体加工面的表面粗糙度、平面度以及垂直度。到目前为止,由于超快激光形状以及能量分布造成晶体切割时切割面在表面粗糙度、平面度以及垂直度等指标上还不能达到覆膜要求。
超快激光是激光领域重要的发展方向之一,作为一种新兴的技术手段,超快激光在精密微细加工方面应用较为广泛,超快激光一般是指皮秒激光或飞秒激光,理论上,当激光脉冲宽度达到皮秒或飞秒量级,可以在很大程度上避免对分子热运动的影响,产生更少的热影响,超快激光产生的超短脉冲与材料相互作用时间极短,不会给周围材料带来热影响。超快激光多应用在超精加工领域。
当下,晶体切割面的平整方法多集中在抛光上,通用的抛光技术以手工研磨和磁流体抛光为主,手工研磨和磁流体抛光均属于接触性抛光技术,手工研磨尽管可以获得较高的加工质量,但是受限于工人的技术水平并且劳动强度大,且加工面的平面度,垂直度无法保证;磁流体抛光是一种应用广泛的非金属材料的抛光加工方法,但是在实际应用过程中,磁流体抛光技术对晶体材料冲击较为严重,往往在被加工表面产生崩边、裂纹等缺陷。因此亟需找到一种集表面粗糙度、平面度以及垂直度融合为一体的加工方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种薄片晶体器件切割面的超快激光平整方法,能够解决薄片晶体切割面表面粗糙度、垂直度以及平面度较差的问题。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种薄片晶体器件切割面的超快激光平整方法,包括:
将薄片晶体放置在工作台上定位夹紧,利用超快激光切割所述薄片晶体;
切割完成后,更换长焦激光镜头,将切割好的薄片晶片翻转180度;
调节所述超快激光与切割后的被加工晶片的相对位置,通过位移传感器观察激光光丝,使得激光光丝的上表面位于待切割面的下方N微米;
将激光在所述待切割面上投射的光斑与切割边缘外切,从边缘向晶片内部切进M微米,进入初始加工位,采用包络扫描法对切割面进行修整。
可选地,所述薄片晶体采用石英、铌酸锂、碳化硅和蓝宝石薄片。
可选地,所述薄片晶体厚度不大于0.8mm。
可选地,所述超快激光包括皮秒激光和飞秒激光。
可选地,所述长焦距镜头的焦距范围为180μm至650μm。
可选地,所述超快激光的单位脉冲能量范围为40μJ至100μJ。
可选地,所述超快激光的重复频率范围为10KHZ至20KHZ。
可选地,所述超快激光的扫描速度为250μm/s。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
本发明应用超快激光对薄型晶体器件切割面进行平整加工,该方法改变了以往薄型晶体器件切割面修整用抛光加工的局限,有效克服了单一抛光加工仅能保证表面粗糙度不能保证平面度和垂直度的问题,可以同时兼顾表面粗糙度、平面度、垂直度三项指标。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种薄片晶体器件切割面的超快激光平整方法流程图
图2为本发明一种薄片晶体器件切面的超快激光平整示意图;
图3为圆弧轨迹包络法示意图;
图4为锯齿形轨迹包络法示意图;
图5为本发明一种薄片晶体器件切面的超快激光平整方法的工装示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种薄片晶体器件切割面的超快激光平整方法,能够解决薄片晶体切割面表面粗糙度、垂直度以及平面度较差的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明一种薄片晶体器件切割面的超快激光平整方法流程图。如图1所示,一种薄片晶体器件切割面的超快激光平整方法,包括:
步骤101:将薄片晶体放置在工作台上定位夹紧,利用超快激光切割所述薄片晶体。
步骤102:切割完成后,更换长焦激光镜头,将切割好的薄片晶片翻转180度。晶片初加工完成后,需要更换长焦的激光镜头,开展后续对侧切面表面形貌的修整。
步骤103:调节所述超快激光与切割后的被加工晶片的相对位置,通过位移传感器观察激光光丝,使得激光光丝的上表面位于待切割面的下方N微米。
N的数值由镜头的焦深与加工要求确定,由于激光光束横截面的振幅遵循高斯分布,为了满足加工面的垂直度要求,需试验确定最佳的初始焦平面位置。在镜头焦深确定的情况下,N是一个定值,不是一个范围,不同的镜头N的数值不同,无法给出数值范围。
步骤104:将激光在所述待切割面上投射的光斑与切割边缘外切,从边缘向晶片内部切进M微米,进入初始加工位,采用包络扫描法对切割面进行修整。图2为本发明一种薄片晶体器件切面的超快激光平整示意图。
M的数值由被加工工件的材质与加工要求确定,M为激光光斑与切割边缘的距离,理论上M数值越小,加工后的粗糙度越小,表面质量越好。在加工要求确定的情况下,M也是一个定值,不是一个范围。
所述薄片晶体采用石英、铌酸锂、碳化硅和蓝宝石等薄片晶体材料。所述薄片晶体厚度不大于0.8mm。
所述超快激光包括皮秒激光和飞秒激光。所述的皮秒激光即脉冲宽度为皮秒的激光,皮秒,即1皮秒=10-12秒;所述的飞秒激光即脉冲宽度为飞秒的激光,飞秒,即1飞秒=10-15秒。超快激光可以在激光震荡时获得很高震荡密度的激光能量,而且在加工过程中很少产生碎屑积聚现象。
所述长焦距镜头的焦距范围为180μm至650μm。具体参数由加工材料类型以及其厚度和初始形貌综合确定。
所述超快激光的单位脉冲能量范围为40μJ至100μJ,重复频率范围为10KHZ至20KHZ,扫描速度为250μm/s。完成所有晶体切面的扫描后,降低激光焦平面高度30-60μm(Z-),进入下一个扫描循环,通常侧切面精修的总循环次数约为3次。具体参数由加工材料类型以及其厚度和初始形貌综合确定。
所述包络法包括两种情况,一种是如果激光设备允许扫描方向和激光光束方向做圆弧插补运动的情况下,该方法是让扫描方向配合激光光束方向做圆弧插补运动,同时叠加扫描方向的直线运动,即圆弧轨迹包络法;另一种是激光设备无法实现扫描方向与激光光束方向的圆弧插补运动的情形,这时,将选择扫描方向的直线运动配合激光方向的上下往复运动,即锯齿形轨迹包络法。图3为圆弧轨迹包络法示意图;图4为锯齿形轨迹包络法示意图。
综上,本发明应用超快激光对薄型晶体器件切割面进行平整加工。该方法改变了以往薄型晶体器件切割面平整用抛光加工的局限,有效克服了单一抛光加工仅能保证表面粗糙度不能保证平面度和垂直度的问题,可以同时兼顾表面粗糙度、平面度、垂直度三项指标。
实施例1:
本发明公开了一种薄片晶体器件切割面的超快激光平整方法。其包括以下步骤:
步骤1:将薄片晶片1通过磁石3和垫铁4固定在工作台5上,以B面为定位基准面,所述工作台5为X-Y二维运动工作台。图5为本发明一种薄片晶体器件切面的超快激光平整方法的工装示意图。
步骤2:使用超快激光2将晶片1切割,将切割开的晶片翻转180度即选取A面为定位基准面,固定夹紧。
步骤3:将激光镜头改换成长焦距镜头,调节晶片与激光束的相对位置,通过观察激光光丝,使得激光光丝的上表面位于B面的下方N微米左右,并将晶片待切割面外切于激光光丝,然后切入M微米。
步骤4:根据加工需要选取合适的切入量,调节激光脉冲能量、扫描次数、扫描速度,并将晶片侧面凸出的边缘外切于激光光丝,从边缘向晶片内部切进M微米;扫描处理的完成主要是激光束形状及扫描路径所形成的包络面对切割面进行处理,每次扫描完成后降低焦平面位置15-30μm(根据晶片厚度不同调整),再进行下一个扫描循环,一般3次循环可完成精修工序。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种薄片晶体器件切割面的超快激光平整方法,其特征在于,包括:
将薄片晶体放置在工作台上定位夹紧,利用超快激光切割所述薄片晶体;
切割完成后,更换长焦激光镜头,将切割好的薄片晶片翻转180度;
调节所述超快激光与切割后的被加工晶片的相对位置,通过位移传感器观察激光光丝,使得激光光丝的上表面位于待切割面的下方N微米;
将激光在所述待切割面上投射的光斑与切割边缘外切,从边缘向晶片内部切进M微米,进入初始加工位,采用包络扫描法对切割面进行修整。
2.根据权利要求1所述的基于自适应最大线性邻域选择的降维方法,其特征在于,所述薄片晶体采用石英、铌酸锂、碳化硅和蓝宝石薄片。
3.根据权利要求1所述的基于自适应最大线性邻域选择的降维方法,其特征在于,所述薄片晶体厚度不大于0.8mm。
4.根据权利要求1所述的基于自适应最大线性邻域选择的降维方法,其特征在于,所述超快激光包括皮秒激光和飞秒激光。
5.根据权利要求1所述的基于自适应最大线性邻域选择的降维方法,其特征在于,所述长焦距镜头的焦距范围为180μm至650μm。
6.根据权利要求1所述的基于自适应最大线性邻域选择的降维方法,其特征在于,所述超快激光的单位脉冲能量范围为40μJ至100μJ。
7.根据权利要求1所述的基于自适应最大线性邻域选择的降维方法,其特征在于,所述超快激光的重复频率范围为10KHZ至20KHZ。
8.根据权利要求1所述的基于自适应最大线性邻域选择的降维方法,其特征在于,所述超快激光的扫描速度为250μm/s。
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