[发明专利]一种光学玻璃的高深宽比微结构加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学玻璃微结构加工和刻蚀技术。

背景技术

随着大规模集成电路制造技术的发展，微型机械完成了从单元到系统的发展，并成功的应用到了光学领域形成了一个新型的热点-微光机电系统MOEMS(Micro-Optic-Electro-Mechanical-System)，并且已经在很多方面得到了应用。由于MOEMS需要进行各种光学检测，这样就需要应用到大量的透明材质，光学玻璃首当其选。目前光学玻璃在MEMS(微机电系统)、MOEMS以及生物芯片中得到了大量应用，除了对硅材料有需求外，各种各样的以光学玻璃做基础材料的新型MEMS器件应运而生，现有的高深宽比刻蚀技术用于光学玻璃微结构加工存在以下问题：现有的技术多数是用干法刻蚀直接来加工高深宽比结构，多用于加工硅晶体等各向异性的结构，而对于光学玻璃这种各向同性的材料，很难控制其加工参数；除此之外，这种干法刻蚀加工方法成本较高，不适合大规模生产加工；而现有的湿法刻蚀技术来刻蚀光学玻璃加工微结构，在这种各向同性的材料上很难加工出具有较高的深宽比的微结构，这就就需要开发专门用于光学玻璃的高深宽比加工技术。

发明内容

本发明的目的是通过研究不同压头对于光学玻璃微结构形状及全息特征的影响，找到机械压痕方法与刻蚀工艺条件之间的关系，提供一种采用机械和传统化学刻蚀相结合的光学玻璃高深宽比微结构加工方法。

为达到上述目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种光学玻璃的高深宽比微结构加工方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)取光学玻璃片作为样品，在其一面用显微硬度计制作规则排列的二维压痕，每个压痕的四个对角线有四条放射线形裂缝，这个放射形裂缝就是用于制作高深宽比的显微结构；

(2)用石蜡将玻璃片样品周边包裹起来，只留下有压痕的地方不被包裹；

(3)配制BOE溶液，即HF和NH₄F的混合溶液待用，其中NH₄F和HF的体积浓度比是6∶1；

(4)将包裹有石蜡的玻璃片样品进行超声清洗，干燥后放在盛有BOE溶液的培养皿中，使BOE溶液淹没玻璃片样品，并将培养皿放入25℃恒温水浴中进行腐蚀至少10分钟后取出；

(5)重复步骤(4)直至获得所需要深宽比裂缝的微结构。

上述方法中，所述的超声清洗为三次，第一次用去离子水25℃水浴超声清洗5分钟；第二次用丙酮25℃的水浴超声清洗5分钟；第三次用无水乙醇25℃水浴超声清洗5分钟。所述的干燥采用氮气吹干。

本发明的优点是：

1、结合了机械加工和化学刻蚀方法来制作高精光学玻璃高深宽比微结构，方法快捷，可操作性强。

2、可以根据加工方法的不同选取，即显微压痕压头形状的选取，压痕的不同排列形状来制作不同的压痕阵列，产生不同的裂纹阵列，将这些具有高深宽比结构的裂纹阵列应用到其适合的微制造领域。

3、将湿法刻蚀方法应用到各向同性光学玻璃表面的高深宽比微结构的制作当中，这样比起以往的干法刻蚀方法大大降低了加工成本，再结合机械加工，有进一步增强了本发明的可控性。

本发明适合于在K9玻璃基底上加工较细、较深(数百微米)的微通道显微结构，由于具有良好的微加工性能和比较廉价的价格倍受青睐。但本发明不限于K9玻璃，还可用于制作脆性光学材料等的微米和纳米尺度的微结构，这些微结构可广泛应用于微波技术、传感器、光学元件等场合。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明方法的压痕示意图。其中：(a)图为维氏正四棱锥形压痕阵列示意图(两行)；(b)图为努普压痕阵列示意图。

图2为光学显微镜下放大1000倍的用4.903N的力制作出的压痕照片。

图3为包裹有石蜡的玻璃样品(四个压痕裸露)。

图4为图2的压痕力度为4.903N，保荷时间为10s的压痕经40分钟腐蚀后裂纹的激光共聚焦测量照片。

图5为图4腐蚀后压痕用激光共聚焦测得的三维示意图。

图6为图1的阵列压痕经过30分钟腐蚀后的形状。

具体实施方式