激光分離脆性材料的研究

胡柳平，陳 燕，馮建華，陸云波，江成平

（深圳市吉祥云科技有限公司，廣東深圳 518000）

硅、玻璃、陶瓷和石英等金屬易碎產(chǎn)品，由于低膨脹、高強度、高硬度以及良好的光電特性。而常規(guī)的金屬切削工藝，如金剛石砂輪切削、金屬預熱噴涂和超聲波表面處理，則由于產(chǎn)生的殘余應力裂縫、碎裂、邊緣破碎和微裂紋，已不能適應導體領域?qū)Φ统杀尽⒏呔群透咝十a(chǎn)品的需求。在此基礎上，研究了對脆性金屬材料的非接觸加工、微熱裂紋處理、間隙工藝、無碎片處理和柔性工藝，認為激光微處理技術(shù)是進行脆性金屬材料精細處理的核心技術(shù)。

1 分離脆性材料的激光微細加工技術(shù)

1.1 激光燒蝕切割技術(shù)

脆性金屬材料的激光燒蝕切割，是利用激光束產(chǎn)生的大密度熱能在短時間內(nèi)熔融并氣化，進而再利用激光束的運動形成渣塊而產(chǎn)生凹槽的激光燒蝕分離過程。所以，它被廣泛用來切削薄而脆的金屬材料。但是，對脆性或斷裂材料的激光燒蝕卻很易在缺口處產(chǎn)生熱裂紋，材料硬度明顯下降。在高能激光功率和低切削速度下，材料表面不存在裂紋，不能充分反映切削工藝參數(shù)對切削質(zhì)量的影響。研究人員仍在經(jīng)歷激光燒蝕切割的無縫疲勞，通過脈沖激光或多通道切割減少和消除裂紋的方法。然而，如果激光功率與切割表面材料磨損產(chǎn)生的邊緣裂紋和熔渣一樣高，切割質(zhì)量將降低。由于激光能量密度高，基板上仍保留有一層固化層，這會影響凹槽邊緣的形狀。高脈沖激光器價格昂貴，高加工成本的多通道切割會降低單通道激光器的切割性能，但切割速度大大降低，工業(yè)應用前景不容樂觀。通過使用兩臺同步激光器（一臺低功率散焦激光器加熱脆性材料形成狹縫尖端，另一臺聚焦激光器沿狹縫切割脆性材料），可以有效提高激光作用范圍的溫度均勻性，它可以減少裂縫的形成，在150 W 以下切割厚度為2.54 mm 的陶瓷時，切割速度增加到6.86 mm/s。采用最佳激光切割參數(shù)，氧氣切割厚度為95 mm 的陶瓷板，并運用回歸分析技術(shù)，構(gòu)建了激光加工參數(shù)、材料厚度與間隙寬度之間的關(guān)系數(shù)學模型。結(jié)果顯示，由于激光輸出功率過大，曲線剪切時的溫度梯度過大。認為熱應力才是形成切向斷裂的最主要因素。到目前為止，中國國內(nèi)對激光切割工藝參數(shù)和切削產(chǎn)品質(zhì)量的研究已獲得了部分成果，但激光切割關(guān)鍵技術(shù)仍處在實驗室研發(fā)階段，切削產(chǎn)品質(zhì)量仍亟待進一步提高，特別是斷裂的產(chǎn)生與消除機制。

以往的研究表明，激光切割裂紋的主要原因是材料過熱、激光燒蝕聚合和基體污染。激光分離脆性材料作為一種新的脆性材料切割方法，被稱為無縫切割。激光燒蝕和水浴切割硅片過程中產(chǎn)生的激光燒蝕在準分子激光（ARF 激光器）中具有短波長和短脈沖，但對切割脆性金屬材料基本沒有熱作用。把普通的球面鏡片轉(zhuǎn)換成普通鏡片，極大地提高了激光切削的效率。但是，這個技術(shù)的不足之處在于準分子激光器昂貴，加工成本昂貴。

1.2 激光誘導張應力控制裂紋技術(shù)

19世紀70年代，Lumley 等人最早提出了使用激光誘導應力法來抑制斷裂擴展和分離脆性材料的觀點。通過利用在激光范圍內(nèi)快速升溫和冷卻形成的拉伸應力，人們可以更有效地沿著激光的傳播路線剝離陶瓷等脆性材料。實驗中所用的激光能量遠低于燒蝕激光和劃痕激光，而且切割速率也相當快。所以，在脆性金屬材料處理中具有很大的應用前景。為逐步減小激光功率，降低熱損傷范圍，增加分離速率，人們利用水冷式系統(tǒng)促進了脆性材料的冷卻，以便于形成更大的拉伸應力。這就給利用激光控制裂紋擴展和剝離工藝的研制帶來了新的活力。而從那時起，取得了專利權(quán)，以提高控制激光熱裂紋以分離脆性材料的效率。激光通過預熱曲線、超聲波和氣動裝置分離脆性材料。通過超聲波熱裂紋擴展控制，實現(xiàn)了20 mm 厚玻璃的分離。通過研究微裂紋擴展規(guī)律，控制激光誘導的拉伸應力和脆性材料的分離，將該方法應用于切割陶瓷材料，并用激光形成預切槽或預切槽。分離后的陶瓷端部沒有裂紋和碎片，非常光滑。激光功率在50 W 的情況下，由于切割速度太低1～3mm/s，無法有效分離LCD 玻璃，如圖1所示，通過水冷系統(tǒng)和彎矩將三個點應用到LCD 玻璃上。由于三點彎曲力矩將液晶玻璃板沿厚度方向彎曲至規(guī)定偏差，因此在激光散焦加熱玻璃板之前，表面上提前產(chǎn)生拉伸應力。當在激光掃描過程中的熱膨脹形成壓縮應力后，在激光加熱區(qū)中經(jīng)過水冷噴嘴的迅速冷卻。在這種情形下，由于激光加熱區(qū)的高速冷卻和凝聚會形成拉應力。而通過水冷系統(tǒng)控制微裂紋的延伸和分裂，得到了液晶玻璃的最大邊緣質(zhì)量。在激光輸出功率為50 W 時，最大的剪切速率約為115 mm/s，而玻璃的分裂曲線也是不對稱的。原因是在曲線的拐角處存在應力聚集現(xiàn)象，這就成為了斷裂擴展中的一條分支線。為理解并控制在玻璃激光切削中斷裂的產(chǎn)生過程，使用了有限元分析軟件構(gòu)建了玻璃激光切削的數(shù)值模擬。目前，還沒有通過微裂紋擴展曲線來測量脆性金屬材料的剪切拉伸應力，這也是一個很適合于線性激光切割的模式。

圖1 激光分離LCD玻璃示意圖

1.3 激光剝離技術(shù)

寬帶隙導體切割主要應用在光二極體和激光高壓二極管等光電子器件中，由于GaN 襯底有很大的晶格差別，因此異質(zhì)外延發(fā)展晶態(tài)結(jié)構(gòu)中的大密度位錯誤差，對GamN 的光電特性有很大影響。主要介紹了GaN 基電子器件的散熱特性；另外，在制備Gan器件的電極也非常困難。近年來，由于采用激光束工藝生產(chǎn)的大面積GaN 薄膜，受到了人們普遍重視。

到目前為止，已成功應用激光束帶技術(shù)在GaN襯底上產(chǎn)生（1000）個區(qū)域。基于同樣的原理，多晶硅薄膜低溫轉(zhuǎn)移技術(shù)在液晶顯示器玻璃基板上的應用，從有源到廉價的塑料薄膜，已成為近年來的研究熱點。鉆孔和其他設備使用準分子激光器在低于425 ℃的溫度下將低溫多晶硅膜從玻璃基板上分離，然后，把晶體管轉(zhuǎn)移薄膜粘接在水溶性 粘合劑的初始轉(zhuǎn)移基板上。在準分子激光器的薄膜晶體管被準分子激光器輻射時，在其與初始襯底的邊界處溶解，并且薄膜晶體管和初始襯底完全脫離。在帶有水不溶性膠粘劑的覆層晶體管數(shù)量的末端，用酒精丙酮等有機溶劑消除水溶性 粘合劑，可以實現(xiàn)對結(jié)晶薄膜和二次轉(zhuǎn)移基板之間的剝離，即由晶體薄膜到塑料層基板之間的剝離過程。由于橡膠薄膜和玻璃基板的完全不同，化學腐蝕能力受到限制。而且和傳統(tǒng)CMOS 工藝的相容性也不好。所以，研制人員把工作重心放到了金屬箔上。而近年來，不銹鋼材料薄板以其優(yōu)異的耐液體和氣滲透性，及其在900℃和快速退火高溫下保持形狀的能力，而引起了廣泛重視。制備了不銹鋼材料薄膜遷移率的效應。但因為多晶硅電池覆膜在高溫下的熱膨脹系數(shù)不同于不銹鋼覆膜，所以假設摻氫非晶硅覆膜更適合于不銹鋼材料覆膜。然而，在金屬箔上生產(chǎn)有源液晶薄膜晶體管也帶來了金屬污染的問題。因此，降低金屬污染、提高設備可靠性是制造低啟動電壓、高遷移率金屬薄膜晶體管的瓶頸。

2 激光分離脆性材料改進措施

2.1 存在的問題與改進措施

在激光切削過程中，余孔材料中的微裂紋通常很難觀測到。而目前對裂縫產(chǎn)生機制的研究仍停留于定性描述上，由于能重復使用的切削速率相對較小。隨著激光能量從水中的吸收，在水下切削時會引起激光功率上升，從而損害了設備的工作性能。因此激光誘導拉伸應力控制微裂紋的技術(shù)擴展，為脆性金屬材料的無縫切削創(chuàng)造了一個新方式。同時由于切削速度降低，還需要一種更復雜的在線裂紋檢測系統(tǒng)，所以若要進行脆性材料的快捷高效剝離，尤其是要掌握脆性材料的激光分離機理，通過構(gòu)建各種脆性材料激光剝離數(shù)據(jù)庫，就必須深入研究脆性材料的可加工性與失效機制，為構(gòu)建有限元模型提出了合理的參考。通過構(gòu)建對實際剝離流程的三維仿真，從根本上有效緩解了使用最佳的加工參數(shù)精密加工脆性材料時工作效率低、產(chǎn)品質(zhì)量低、生產(chǎn)成本高的狀況，并實現(xiàn)了對激光作用區(qū)加熱溫度的即時檢測系統(tǒng)和裂紋在線檢測系統(tǒng)。激光鏈工藝已被認為是生產(chǎn)大規(guī)模GaN 薄膜的一個有效的無破壞性和自支撐技術(shù)，同時激光和GaN共同作用對表面粗糙度和光電特性的影響也值得進一步研究。當Gan 進行激光剝離后，尤其當Gan 變脆、凹陷后，更易于斷裂。所以，保證GaN 的安全性成為重大的支撐，GaN 成為制備研究中的重點課題。優(yōu)化工藝，如均勻的能量密度以及高于閾值的激光束能量密度，可以來避免在GalN 覆膜中的斷裂。當用激光掃描藍寶石系統(tǒng)的GalN 層表面時，聚砜樹脂可以用來降低對GalN 層界面因壓力而產(chǎn)生的溫度變化。矽層或玻璃版可以以特定速度和柔性 粘合劑（如丙烯酸膠）粘接。同時，矽或玻璃板也能夠?qū)aN層表面提供支持，從而提高了GaN 層的表面完整性。利用塑料薄膜低溫切割技術(shù)生產(chǎn)多晶硅薄膜晶體管存在三個問題。其次，由于摻雜劑在低溫下沒有完全激活，塑料薄膜在加熱時容易膨脹，并且無法通過光刻形成精確的電路圖案。

2.2 激光分離技術(shù)的展望

不同的激光加工技術(shù)各有優(yōu)缺點。與國外相比，我國在脆性材料激光分離方面的投資和研究還有很大差距。因此，為了提高我國半導體工業(yè)的制造水平，有必要加強脆性材料激光分離的研究。近年來，短波長、短脈沖激光的發(fā)展降低了激光對材料的熱效應，實現(xiàn)了低溫成型，實現(xiàn)了材料的無害化、無裂紋剝落。脆性材料的激光分離仍處于實驗室研究階段，其廣泛應用還有很長的路要走。然而，根據(jù)科學家們的聯(lián)合研究，激光分離技術(shù)將CAD/CAM 技術(shù)與機器人技術(shù)相結(jié)合，打開在微生物芯片和微電子系統(tǒng)領域的獨特空間。

3 結(jié)束語

脆性材料的高硬度、高脆性和低斷裂韌性增加了加工難度，切削是加工脆性材料的一個重要過程。其主要要求是高質(zhì)量、高效率、低成本、狹窄的切割空間（材料利用率高）和無環(huán)境污染。由于應用的需要，切割設備和切割技術(shù)的研究受到了廣泛關(guān)注。沿著激光切割的對稱性，材料的溫度場和應力場是對稱的，并沿對稱線導出最大溫度和最大拉伸應力。

在激光掃描的材料區(qū)域，溫度迅速上升到最大值。此時，材料處于熱膨脹和壓縮應力狀態(tài)。在遠離激光點的地方，由于熱傳導和對流，材料的溫度迅速下降，材料從快速膨脹變?yōu)槭湛s，產(chǎn)生巨大的拉伸應力。不同的熱源條件會影響溫度場、電壓場和連續(xù)切削條件。如果溫度場和電壓場的參數(shù)不同，則它們與激光場的參數(shù)相同。隨著厚度的增加，溫度降低，最大拉伸應力減小。如果速度不變，激光功率與材料厚度成正比，而在激光功率不變的情況下，激光連續(xù)切割速度范圍與材料厚度成反比。