脈沖綠激光劃切藍寶石基片的工藝參量研究

謝小柱，高勛銀，陳蔚芳，魏 昕，胡 偉

（1.廣東工業大學機電工程學院，廣州510006；2.南京航空航天大學機電學院，南京210016；3.江蘇省精密與微細制造技術重點實驗室，南京210016）

脈沖綠激光劃切藍寶石基片的工藝參量研究

謝小柱1，高勛銀1，陳蔚芳2，3，魏 昕1，胡 偉1

（1.廣東工業大學機電工程學院，廣州510006；2.南京航空航天大學機電學院，南京210016；3.江蘇省精密與微細制造技術重點實驗室，南京210016）

為了提高劃切藍寶石的成品率和劃切效率，研究了脈沖綠激光（波長532nm）的偏振性、脈沖激光能量、激光焦點位置、掃描速率、掃描次數等工藝參量對藍寶石基片劃切質量的影響。結果表明，脈沖綠激光劃切藍寶石基片時，掃描方向平行于入射面線偏振方向，焦點位置為負離焦50μm，可以獲得良好的微劃槽；脈沖激光能量增加，劃槽深度和寬度增加；掃描速率增加，切槽深度減小，劃槽寬度先增加后減小；掃描次數增加，劃槽深度和寬度增加。這些結果對合理選擇激光劃切藍寶石基片工藝參量以獲得較好質量的刻槽有一定幫助。

激光技術；激光劃切；藍寶石；532nm激光；工藝參量研究

引 言

藍寶石具有高耐磨性、高硬度、熱傳導性和電絕緣性優良、化學穩定等優異的物理、化學特點，是重要的光學元件和半導體襯底材料，廣泛應用于工業、國防和科研等領域［1］。由于藍寶石是硬脆材料，傳統的機械加工存在易產生裂紋、碎片、分層、崩邊、邊緣破裂和刀具易磨損等缺陷，又由于藍寶石化學穩定性較好，使得傳統的化學加工方法對其難以加工。然而激光劃切技術是一種高速度、高質量的劃切方法，對藍寶石晶片進行劃切，不僅具有加工速度快、窄切槽、斷面光滑、切口平行度好、表面粗糙度小，而且可以對任意圖形進行劃切，具有自化動程度高、容易實現自動化、非接觸加工、高材料適用性等特點。通常用于藍寶石基片劃切的激光器主要有紫外波長和準分子激光器，但此類激光器成本較高；超短脈沖激光的光子能量損失大，目前所能提供的頻率也就只有幾千赫茲，故總體上其效率較低；且在加工區域周圍形成無規則的納米晶體形態和納米裂紋［2］和在作用區域表面形成波紋［3-4］；由于藍寶石對1064nm YAG基頻激光的吸收率較低，故很難加工又存在熱效應明顯，重凝嚴重現象［5-6］；激光功率更大的CO2激光對藍寶石基片熱應力破壞較為嚴重，不適于加工藍寶石。激光劃切主要考慮劃切效率和劃切質量，劃切過程產生的濺射熔凝物、熱影響區和裂紋都影響到劃切質量。技術成熟的Nd∶YAG二倍頻調Q脈沖激光器具有輸出波長短、輸出穩定和能量損失小等特點，更有利于聚焦、材料吸收和光纖傳輸。調Q脈沖具有高峰值功率、窄脈沖和高重復頻率等特點，可以微米級去除表面材料，高效獲得藍寶石基片微細切槽和精確的控制斷裂，在藍寶石基片劃切行業應用前景廣闊。故本文中利用脈沖532nm激光加工平臺，對藍寶石基片的劃切工藝規律進行研究。

1 實驗材料與方法

1.1 試驗材料

藍寶石樣件為重慶四聯公司生產的光學級c-面（0001）藍寶石基片，其尺寸為50.8mm×430μm（直徑×厚度），拋光面的表面粗糙度為0.1nm及擦痕/麻點比為60∶40。

1.2 試驗方法

本實驗的加工裝置如圖1所示，實驗中采用的激光器是Lightwave公司的Series 210G綠光激光器，激光先后經過能量調節器和擴束鏡（1倍～8倍可調）來分別調節脈沖能量和擴大輸出激光光斑直徑。隨后被45°反射鏡反射后的激光通過焦距為50mm的聚焦鏡來獲得束腰直徑約為16μm的聚焦光斑，激光光斑位置通過一同軸CCD攝像頭來進行實時監測和可視化。脈沖快門開關、移動平臺在x，y和z（用于調整焦點位置）3個方向上的位移和在x-y平面內的旋轉運動都由電腦PC控制器控制，其主要技術參量見表1。

由于附著在表面的污染物會影響藍寶石對激光的吸收率，造成實驗結果不準確；并且劃切后的劃槽周圍沉積有重凝層和碎屑，不利于劃槽微結構的觀測與尺寸的測量。因此，實驗前對樣件依次進行丙酮超聲波清洗和去離子水水清洗和無塵環境下烘干環節的處理；實驗后則需要更加嚴格的清洗：KOH溶液超聲清洗5min→丙酮溶液超聲清洗5min→酒精溶液超聲清洗5min→去離子水超聲清洗5min→無塵環境下烘干。劃槽表面和斷面的微觀形貌通過光學顯微鏡（Zxiss AX10）進行觀察。

2 試驗結果與討論

2.1 偏振性對劃槽的影響

在激光劃切過程中，偏振性不僅影響藍寶石對激光的吸收率［7］，而且影響劃槽的斷面形狀［8］。因此，試驗采用沿著平行于入射面和垂直于入射面方向分別對藍寶石進行劃切。圖2為不同偏振性對激光劃切溝槽尺寸的影響曲線。

從圖中可知，當脈沖激光能量為150μJ、掃描速率小于4mm/s時，掃描方向平行于入射面線偏振方向。相比垂直于入射面線偏振方向的劃槽，寬度較窄、深度較深；當速率大于4mm/s的時候，平行于入射面線偏振方向仍然產生劃槽，但垂直于入射面線偏振方向沒有劃槽痕跡。平行于入射面線偏振方向的吸收率要大于垂直于入射面線偏振光的吸收率［7］，且當平行于入射面偏振方向時，劃切前沿中心處的吸收率最大，而垂直時劃切前沿的邊緣吸收率最大［9］，這是由于在V型槽形成以后，p波（電矢量平行于光束速度矢量）吸收區域消失，s波（電矢量垂直于光束速度矢量）占優勢，則限制了切割深度，因而產生平行于入射面偏振方向比垂直于入射面偏振方向的劃槽窄而深的現象。但是當速率變大的時候，脈沖重疊率減小，輸入激光能量減小，再加上吸收率不高，垂直于入射方向沒有材料去除。當脈沖能量增加到400μJ的時候，其變化規律仍然一致，但由于激光能量入射較大，垂直于入射方向即使當速率大于4mm/s的時候仍有材料去除。

2.2 脈沖激光能量對劃槽的影響

圖3是脈沖能量對劃槽的尺寸的影響關系圖和掃描速率為1mm/s、掃描次數為1、不同脈沖能量的切劃槽剖面光學顯微鏡圖。從圖3可以看出，在相同掃描速率下，劃槽深度與脈沖能量之間存在近似線性關系；劃槽寬度同樣隨著脈沖能量增加而增大，但增加的趨勢逐漸變緩，這是由于隨著單脈沖能量的增加，激光與材料作用時的有效熱輸入增加。同時看出，不同掃描速率時的加工效果不同，這是由于掃描速率影響了激光材料間作用時間（有效脈沖數），且掃描速率越小，造成的熱積累效應越明顯，脈沖能量變化對槽深的影響也就越明顯。脈沖能量增加，材料去除率增加，同時熱擴散距離越大，造成劃槽寬度和深度都增加。本實驗中采用的納秒激光的峰值能量密度較小，未能達到飽和值，所以試驗中并沒有出現傳統理論上的劃槽深度飽和現象［10］。

圖4為不同激光密度對劃槽表面質量的影響，可以看出槽寬隨著脈沖能量增加而有所增加，且表面質量更好。這是由于高能量提供了更多能量給熔化材料，以便其蒸發去除，而不沉積在槽表面。

2.3 離焦量對劃槽尺寸的影響

離焦量不僅影響到作用在藍寶石的光斑直徑和能量密度，而且影響到材料的去除速率。圖5是焦點位置對劃槽尺寸的影響。焦平面在工件上表面上方稱為正離焦，焦平面在工件上表面下方稱為負離焦。當激光為正離焦時，隨著焦平面與藍寶石上表面間距的增加，光斑直徑變大，激光能量減小，因此劃槽深度減小，劃槽寬度緩慢增加；反之，光斑直徑變小，脈沖激光能量密度大，所得切槽窄而深。焦點位于加工表面下方時，上下范圍都在焦深范圍之內，更有利于材料去除，所以切槽最窄最深的位置位于焦平面以下即負離焦的加工效果優于正離焦。但如果負離焦的離焦量過大，則會降低材料的去除［11］，負離焦同樣存在光斑直徑變大造成槽寬增大的現象。從圖5可以看出，隨著離焦量從負離焦到正離焦變化的過程中，槽深急劇增加，在離焦量為-50μm時，槽深達到最大后又急劇減小。因此，取得合理的離焦量可以得到較高的加工效率和理想的劃槽質量。

從圖6可以看出，隨著樣件與焦平面間距增加，劃槽表面質量有所提高。這是由于離焦的劃槽更寬熔，化材料更易移除劃槽，而不容易粘連在槽內/槽壁。負聚焦類似于隱形劃切技術，將激光聚焦在樣件內部并在聚焦位置形成帶狀隱性切割層（多晶層/高位錯密度層和微裂紋/孔洞）［12］。由圖6可知，負離焦時劃槽邊緣有較為明顯熔化材料重凝，即材料去除機理不同，這可能是由于激光器和材料的特性不同。

2.4 掃描速率對劃槽的影響

圖7是不同掃描速率對激光劃切溝槽尺寸的影響曲線。隨著速率增加，單位時間內輸入的激光能量減小，材料去除量減小，槽深和槽寬總體上都會減小；劃槽寬度卻是隨著掃描速率的增加先增加后減小，轉折點是4mm/s附近。從圖7a中劃槽的剖面的觀測得知，低速時的劃槽更深，熔化材料也更多，這要求蒸發或者以反沖壓致液體移除形式去除所需要的能量更多，所以這些材料更多的沉積于槽底，不是沉積于劃槽邊緣；當速率增大時，單位時間輸入能量降低，材料濺射力不足，會有大量的熔凝物沉積在劃槽周圍，這樣增加劃槽寬度尺寸，故產生與圖7b中掃描速率為4mm/s時的槽寬增加現象。掃描速率提高，切割寬度略有減小，這是因為隨著掃描速率的提高，激光束與材料交互作用時間變短，實際輸入的激光能量減少，使得熱傳導與擴散效應變小，因而切縫寬度減小。同時發現，光斑疊加比越高，劃槽邊緣越整齊。因此，低掃描速率時可以獲得深劃槽和更好劃切質量。但劃切速率決定了生產效率，在保證劃切質量的前提下，盡量提高劃切速率，從而提高生產率，降低加工成本。

脈沖激光劃槽可以簡單地看為一系列脈沖孔的疊加，如果相鄰的兩個脈沖孔相互鏈接則可以形成槽。由圖8可知，脈沖的重疊程度越高，劃槽邊緣的質量越好。脈沖的重疊程度可由下式［13］表示：

式中，v為掃描速率，r為切縫寬度的一半，f為重復頻率。

由（1）式可知，當重復頻率f和切縫寬度r不變，掃描速率v越低，越接近100%，重疊度越高，切縫越平直（如圖8a所示）；反之，切縫不連續（如圖8e所示）。

2.5 掃描次數對劃槽的影響

掃描次數對劃槽尺寸的影響如圖9所示，可以看出槽寬和槽深都隨著掃描次數增加而增加。這是由于單脈沖能量遠遠大于燒蝕閾值，每一次掃描都會去除一定材料，所以槽寬和槽深都有一定程度增加，并且前續系列脈沖使材料產生熱累積和熱致缺陷降低了材料的燒蝕閾值，導致了劃槽的深度隨掃描次數的增加而增加。劃槽深度的增加，正離焦量也隨之增加，激光能量密度就會越來越小，所以深度不會無限增加，而是趨近飽和［14］。寬度的增加是由于熔凝物沉積造成的，低掃描次數時的劃槽較淺，熔化材料較為容易通過蒸發形式去除，而反沖壓排出液體的去除形式不那么明顯，故重凝較少。掃描次數的增加使得槽深變深，熔化材料蒸發去除所需要的能量更多；同時由于能量在槽內傳播時的衰減（槽壁吸收及離焦等），槽底熔化材料實際接收的能量被減少，使得熔化材料不能及時被蒸發，在反沖壓的作用下流動至劃槽邊緣，從而出現較多重凝。

3 結 論

（1）劃槽在偏振性平行于入射面時和負離焦于50μm時可以獲得較深的劃槽，但是離焦后光斑直徑變大，劃槽稍寬于處于焦平面位置。

（2）槽深隨著脈沖能量和掃描次數增加而近似線性增加；掃描次數轉為有效脈沖數后，有效脈沖數與劃槽深度都先迅速增加，而后增加趨勢減緩；隨著掃描速率增加而槽深近似反比例減少，并且掃描速率通過影響脈沖的重疊比來影響劃槽的表面質量。

（3）掃描速率與脈沖能量對劃槽的槽壁質量有重要影響，而掃描次數主要對劃槽尺寸有影響；高脈沖能量可以獲得更深劃槽，但可能會導致槽邊緣重凝過多；低掃描速率可以獲得較好質量，但降低了劃切效率。

故三者只有通過合理搭配才能獲得較好的尺寸及質量。

［1］ REA E C，Jr.Scribing of thin sapphire substrates with a 266nm Q-switched solid-state laser［J］.Proceedings of the SPIE，2004，5339：231-240.

［2］ JUODKAZIS S，NISHIMURA K，MISAWA H.In-bulk and surface structuring of sapphire by femtosecond pulses［J］.Applied Surface Science，2007，253（15）：6539-6544.

［3］ QI L，NISHII K，YASUI M，et al.Femtosecond laser ablation of sapphire on different crystallographic facet planes by single and multiple laser pulses irradiation［J］.Optics and Lasers in Engineering，2010，48（10）：1000-1007.

［4］ ASHKENASI D，ROSENFELD A，VAREL H，et al.Laser processing of sapphire with picosecond and sub-picosecond pulses［J］.Applied Surface Science，1997，120（1/2）：65-80.

［5］ HAN J，LI C，ZHANG M，et al.An investigation of long pulsed laser induced damage in sapphire［J］.Optics&Laser Technology，2009，41（3）：339-344.

［6］ CHANG Q L，LIANG W W，HONG B Z，et al.Analysis of fracture surface for sapphire cut by long pulse laser［J］.Journal of Synthetic Crystals，2010，39（4）：996-1001.

［7］ HE G T，WEI X，XIE X Zh，et al.Experimental measurement of absorptivity of sapphire at 532nm laser radiation［J］.Laser Technology，2011，35（1）：54-57（in Chinese）.

［8］ XIE X Zh，WEI X，HU W.Effect of linear polarized CO2lasers on cut kerfs of nonmetallic material［J］.Laser Technology，2008，32（4）：399-401（in Chinese）.

［9］ READY J F.LIA handbook of laser materials processing［M］.New York，USA：Springer-Verlag，2001：425-470.

［10］ BOVATSEK J M，PATEL R S.Highest-speed dicing of thin silicon wafers with nanosecond-pulse 355nm q-switched laser source using line-focus fluence optimization technique［J］.Proceedings of the SPIE，2010，7585：75850.

［11］ XIE X Zh，LI L J，WEI X，et al.Evaporative front of laser cutting PMMA［J］.Chinese Journal of Lasers，2008，35（6）：924-930（in Chinese）.

［12］ HUANG F M，XIE X Zh，WEI X H，et al.Newly developed techniques for laser dicing wafer［J］.Laser Technology，2012，36（3）：293-297（in Chinese）.

［13］ LI X Y，ZENG X Y，LIU Y，et al.Study of YAG laser cutting process with stainess steel sheet［J］.Chinese Journal of Lasers，2011，A28（12）：1125-1129（in Chinese）.

［14］ IWAI Y，MIZUNO T，ARAI T，et al.Scribing characteristics of ceramics with Nd∶YLF laser［J］.Proceedings of the SPIE，2003，5063：509-513.

Study on scribing parameters of sapphire substrate with pulse green laser

XIE Xiaozhu1，GAO Xunyin1，CHEN Weifang2，3，WEI Xin1，HU Wei1
（1.School of Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China；2.College of Mechanical Engineering，Nanjing University of Aeronauties and Astronauties，Nanjing 210016，China；3.Jiangsu Key Laboratory of Precision and Micro-manufacturing Technology，Nanjing 210016，China）

To improve the yield rate and scribing efficiency of sapphire substrate，the effect of polarization direction，laser power，focus position，cutting speed，scanning times on the scribing quality of sapphire substrate with pulse green laser（λ=532nm）was studied.The results show that narrow and deep grooves can be obtained when the polarization direction is parallel to the incidence plane and the laser focus position is negative defocus 50μm when scribing sapphire substrate with pulse green laser.The groove depth and width increase while the pulse laser power increases.The groove depth decreases and the groove width increases at first and then decreases with the increase of the scanning speed.The groove depth and width increase with the increase of the scanning times.The results are helpful for selection of reasonable laser scribing technical parameters to achieve optimal groove performance.

laser technique；laser scribing；sapphire；532nm laser；process parameters study

TN249

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2014.05.012

1001-3806（2014）05-0632-06

國家自然科學基金資助項目（50805027）；廣東省自然科學基金資助項目（S2013010014070）；江蘇省精密與微細制造技術重點實驗室開放基金資助項目

謝小柱（1975-），男，副教授，博士，主要從事激光加工、精密加工技術等方面的研究。

E-mail：xiaozhuxie@gdut.edu.cn

2013-10-11；

2013-10-31