激光輔助水射流加工砷化鎵晶片微槽的實驗研究

摘要：

對干激光、低壓水射流輔助激光和激光輔助水射流技術加工砷化鎵晶片微槽進行了對比實驗，結果表明，激光輔助水射流技術適合加工砷化鎵材料，它能夠加工出晶片表面無污染、大深度、小熱影響區寬度、大深寬比的高質量微槽，加工表面微觀形貌均勻、微裂紋少，優于其他兩種加工方式。實驗研究了激光輔助水射流加工砷化鎵晶片微槽的切割性能，結果表明，加工參數（激光脈沖能量、水射流壓力、加工速度、水射流傾斜角度、焦平面位置和加工次數）對微槽深度、微槽寬度和材料去除率具有顯著影響。微槽深度、微槽寬度和材料去除率隨著激光脈沖能量的增大而增大，隨著水射流壓力的增大而減小，材料去除率隨著加工速度的增大而顯著增大。

關鍵詞：激光輔助水射流；微槽；砷化鎵晶片；工藝參數

中圖分類號：TG664

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.006

An Experimental Investigation of Laser Assisted Waterjet Microgrooving of GaAs Wafers

DUAN Lingyun1，3 HUANG Chuanzhen2，1 LIU Dun1 YAO Peng1 LIU Hanlian1

1.School of Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan，250061

2.School of Mechanical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei，066004

3.Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer Co.，Ltd.，Shanghai，200245

Abstract： Comparative experiments of dry laser， low-pressure waterjet assisted laser and laser assisted waterjet processing microgrooves of GaAs wafers were conducted. The results show that laser assisted waterjet processing is suitable for processing GaAs materials， which may process high quality microgrooves without contamination on the wafer surfaces， large depth， small heat affected zone width and large depth to width ratio. And the micromorphologies of the machined surfaces are uniform with few microcracks， which are better than the other two methods. The cutting performance of laser assisted waterjet microgrooving of GaAs wafers was studied experimentally. The results show that the processing factors（laser pulse energy， waterjet pressure， processing speed， waterjet inclination angle， focal plane position， and processing times）have significant influences on microgroove depth， microgroove width and material removal rate. The microgroove depth， microgroove width and material removal rate increase with increasing laser pulse energy， decrease with increasing waterjet pressure， and the material removal rate increases significantly with increasing processing speed.

Key words： laser assisted waterjet； microgroove； gallium arsenide（GaAs） wafer； processing parameter

收稿日期：2022-03-28

基金項目：

濟南市科技局自主培養創新團隊項目（2019GXRC009）

0 引言

砷化鎵（GaAs）是應用廣泛的化合物半導體。與硅相比，砷化鎵具有更高的電阻率和電子遷移率，可用于生產集成電路、紅外探測器、微波設備和高速數字電路［1］。晶圓的劃切是指將印有集成電路的晶圓分割為獨立的方形芯片這一重要的工序，劃切質量直接影響半導體芯片的工作性能［2］。

目前砷化鎵晶片通常采用金剛石砂輪劃切［3］。高速旋轉的金剛石砂輪對晶片進行磨削，劃切過程中會產生機械應力和崩邊、裂片等缺陷［4］。劃切設備屬于高、精、尖設備，一般價格不菲，且劃切工藝主要損耗品金剛石砂輪價格昂貴。隨著電子技術的發展，為節約成本，提高生產效率，芯片之間的預留間隙越來越小，晶圓厚度降低至100 μm以下，而由于砷化鎵高脆性的特點，傳統的金剛石砂輪劃切技術將不再可行。

激光劃切是目前劃切技術的研究熱點，激光具有無接觸應力、易實現高精度控制、不需冷卻液和無刀具磨損等優點［5］，但由于激光與材料的熱效應會產生熱影響區和微裂紋缺陷，使得晶圓有效使用面積減小，若微裂縫延伸至芯片的保護范圍，則會影響芯片的性能［6-7］。通過合理選擇脈沖寬度、波長和激光強度可有效減小熱效應。FORNAROLI等［8］使用皮秒激光進行500 μm厚度硅晶片的劃切實驗，得到17 μm的劃切寬度，劃切速度為2.5 mm/s。但是常見的超短脈沖激光如皮秒激光和飛秒激光等設備較昂貴。水導激光、隱形激光和激光熱裂法是用于晶片劃切的非傳統激光劃切技術［9-11］。DUSHKINA等［9］對硅、砷化鎵、鍺等半導體晶圓進行了水導激光和金剛石砂輪切割對比實驗，水導激光比金剛石砂輪切割效率高，切割速度快，而且切縫邊緣光滑，沒有微裂紋和細小毛刺，但是水導激光要求同軸的水射流不能發生噴水崩解和水霧化，加工精度由水射流直徑決定，限制了加工精度的提高，此外，激光和同軸水射流的耦合對中裝置十分復雜［12-13］。YU等［14］進行了隱形激光和金剛石砂輪切割硅片的對比實驗，隱形激光幾乎無切縫寬度，可有效提高單位面積晶片的芯片產量，切割過程幾乎無損傷且清潔無污染。但是隱形激光只能加工激光可以穿透的材料，后續需要使用裂片裝置使芯片分離開來。HAUPT等［15］進行了激光熱裂法切割硅晶片的實驗，獲得了較為理想的切割效果，但是激光熱裂法的切割軌跡容易發生偏移。

20世紀末，TANGWARODOMNUKUN等［16］提出了一種新型的激光-水射流復合微細加工技術，后來也稱為激光輔助水射流加工技術。水射流傾斜后置與激光束共同作用于材料表面，用來去除被激光加熱的材料，同時起冷卻作用以減少熱損傷。激光輔助水射流加工技術已被證明適用于硬脆材料的微細加工，成功應用于硅、鍺、碳化硅的微槽加工和氮化硅陶瓷的微銑削加工［16-19］，相比于傳統激光加工，激光輔助水射流技術具有明顯的優勢，切口平整，熱影響區小，表面質量好。激光輔助水射流技術在晶片劃片加工領域具有良好的應用前景，因此有必要將其應用于硬脆半導體材料砷化鎵的微細加工。研究激光輔助水射流加工砷化鎵晶片微槽的可行性和切割性能，有助于該技術在晶片劃切加工中的應用，為砷化鎵晶片的劃切加工提供一種新方法。

本文對干激光、低壓水射流輔助激光和激光輔助水射流加工砷化鎵晶片微槽進行了對比實驗，對加工后的微槽形貌、截面輪廓、微觀形貌、熱影響區寬度和深寬比進行了對比分析評價。實驗研究了激光輔助水射流加工砷化鎵晶片微槽的切割性能，研究加工參數（激光脈沖能量、水射流壓力、加工速度、水射流傾斜角度、焦平面位置和加工次數）對微槽深度、微槽寬度和材料去除率的影響規律。

1 實驗材料和實驗裝置

實驗材料為直徑5.08 cm（2 inch）、厚度350 μm、表面粗糙度Ra為 0.5 nm的非摻雜砷化鎵晶片，由北京特博萬德科技有限公司提供，其常溫性能參數如表1所示［20］。微槽是在（100）晶面上沿〈110〉方向進行微加工的，在進行加工之前，對工件在乙醇溶液和去離子水中依次進行10 min的超聲波清洗。

激光輔助水射流加工的實驗裝置由帶有光學元件的納秒脈沖光纖激光器、加壓空氣驅動的水射流泵、精密運動控制系統和復合切割頭四部分組成，實驗裝置的原理如圖1所示。激光器發射的脈沖激光為波長1064 nm、脈沖寬度200 ns、頻率100 kHz、最大平均功率100 W的隨機偏振高斯光束。水射流泵可以提供最大為40 MPa的水射流壓力。復合切割頭在精密運動控制系統的控制下，可以在一個300 mm×300 mm方形區域內進行加工運動，精密運動控制系統的靈敏度為1 μm。

激光輔助水射流復合切割頭裝置及基本參數如圖2所示。圖2a為復合切割頭，由激光頭、傾斜的水射流噴嘴和三軸精密平臺組成。水射流噴嘴固定在三軸精密平臺上，三軸精密平臺可以調節水射流噴嘴相對于激光的傾斜角度和位置，精度為1 μm。圖2b所示為加工過程中的基本參數，焦點平面和工件表面之間的距離用焦平面位置fpp表示，如果數值為負數，則表示焦點在工件表面以下。根據文獻［21-22］的研究，將噴嘴靶距x0和水射流偏置距離xw分別設定為1 mm和0.5 mm的固定值較合適。相關實驗設備參數和預先設定的實驗參數如表2所示。加工后的微槽由三維激光顯微鏡（Keyence VK-X200）和掃描電子顯微鏡（JSM-6701F）進行觀察和測量。

2 實驗方案

采用加工后的微槽寬度W、微槽深度H和材料去除率υr評估激光輔助水射流加工微槽的質量。用三維激光顯微鏡（Keyence VK-X200）測量微槽深度、微槽寬度和微槽橫截面積。材料去除率υr可表示為

υr=Acv（1）

式中，Ac為微槽橫截面積；v為加工速度。

一般認為材料發生了物理化學性質變化的材料區域為熱影響區，本研究采用微槽兩側邊緣凸起區域的寬度之和表征熱影響區寬度。熱影響區寬度、微槽深度和微槽寬度等特征如圖3所示。

引入激光脈沖能量來考慮激光平均功率的影響，激光脈沖能量Ep為

Ep=Plf（2）

式中，Pl為激光平均功率；f為激光脈沖頻率。

為研究工藝參數對微槽寬度W、微槽深度H和材料去除率υr的影響，采用了6個可變的工藝參數，即激光脈沖能量Ep、水射流壓力pw、加工速度v、水射流傾斜角度θ、焦平面位置fpp和加工次數n進行全因子實驗。將全因子實驗分成兩組，兩組實驗設計方案分別見表3和表4。在第一組中采用了激光脈沖能量Ep、水射流壓力pw、加工速度v、水射流傾斜角度θ的4個水平，焦平面位置fpp和加工次數n采用單水平取值。在第二組中，焦平面位置fpp和加工次數n采用4水平設計，激光脈沖能量Ep、水射流壓力pw采用第一組中的最大值和最小值，加工速度v和水射流傾斜角度θ則取單一水平，第二組實驗能有效探究焦平面位置fpp和加工次數n對微槽深度和微槽寬度的影響。當加工次數超過1時，原來的材料去除率計算式（式（1））將不再適用，因此只研究加工次數為1的條件下，工藝參數對材料去除率的影響。

本文共進行320次實驗（第一組256次，第二組64次），以保證分析結果的客觀性。對每個微槽幾何特征進行三次測量，包括微槽深度、微槽寬度和橫截面積，取其平均值作為最終測量結果。

在進行全因子實驗之前，先對干激光、低壓水射流輔助激光和激光輔助水射流加工砷化鎵晶片微槽進行對比實驗，設計方案如表5所示，其他未提及的實驗參數設定與表2中給出的相同。

3 結果與分析

3.1 對比實驗結果

通過對比實驗得到了不同激光脈沖能量條件下干激光、低壓水射流輔助激光和激光輔助水射流加工砷化鎵晶片的微槽，選取激光脈沖能量為0.09 mJ和0.15 mJ條件下三種加工方式得到的微槽形貌進行對比分析，結果如圖4所示。

在0.09 mJ的較低激光脈沖能量條件下，三種加工方式得到的微槽形貌如圖4a、圖4b、圖4c所示。干激光加工得到的微槽表面存在白色重鑄層，微槽兩側顏色發生了明顯變化，不存在材料飛濺，表明材料被加熱到高于熔點1511 K，在微槽兩側形成了熱影響區；低壓水射流輔助激光加工得到的微槽形狀不規則，表明流動的低壓水射流層對激光能量形成了干擾，同時影響了熔融物質的分布；激光輔助水射流加工得到的微槽寬度相比其他兩種加工方式更大，但是與低壓水射流輔助激光相比差別較小。

在0.15 mJ的較高激光脈沖能量條件下，三種加工方式得到的微槽形貌如圖4d、圖4e、圖4f所示。干激光加工后的微槽表面存在明顯的熔化和重鑄特征，表明材料被加熱到遠高于熔點1511 K，熔融材料受到激光中心點附近的材料氣化產生的反沖作用力，發生飛濺或被推擠到微槽兩側并重新沉積，造成明顯污染；低壓水射流輔助激光加工得到的微槽附近表面存在少量熔融顆粒造成的污染，微槽的邊緣是不規則的，這是因為在加工過程中，低壓水射流用來清洗和冷卻工件，激光加熱產生的熔融材料一部分冷卻后固化在微槽表面形成重鑄層，一部分凝固成固體顆粒并被水射流帶走；激光輔助水射流加工得到的微槽附近表面清潔無污染，微槽與未加工表面的分界邊緣平直，熱影響區寬度很小，表明激光輔助水射流技術在較高激光脈沖能量條件下能有效去除被激光加熱的材料，加工得到的微槽熱損傷小，加工質量明顯優于其他兩種加工方式。

在0.15 mJ激光脈沖能量條件下，相比其他兩種加工方式，激光輔助水射流加工得到的微槽具有最大的深度和最小的加工寬度（微槽寬度和熱影響區寬度之和），分別為68.946 μm和56.820 μm，如圖5所示。低壓水射流輔助激光和

激光輔助水射流加工得到的微槽寬度都遠大于焦點直徑27.5 μm，但激光輔助水射流加工得到的微槽寬度更小，因為相比于低壓水射流輔助激光，激光輔助水射流技術能夠更有效地沖擊去除微槽底部的受熱材料，使激光中心在材料表面的作用點更低于未加工表面，因此在微槽寬度方向的熱量傳導更少，加工得到的微槽寬度更小，微槽深度也更大。

三種加工方式在0.21 mJ的激光脈沖能量水平下加工得到的微槽形貌及局部放大圖見圖6。干激光在0.21 mJ的激光脈沖能量水平下加工得到的微槽表面存在大量的塊狀和顆粒狀殘留物堆積，微槽內形成了明顯的大孔洞，微槽表面存在大量微裂紋，如圖6a所示。這是因為在干激光加工過程中，激光的熱效應使材料熔化，熔化的材料在凝固過程中存在熱應力，從而導致微裂紋的產生［23］。

低壓水射流輔助激光在0.21 mJ的激光脈沖能量水平下加工得到的微槽表面材料不均勻，存在大量錐形凸起，堆積材料上存在許多微孔，如圖6b所示。微孔是砷化鎵材料在高溫下分解和砷蒸氣逸出而留下的［24］。在加工過程中，低壓水射流起到冷卻作用，并去除了其中一部分熱分解產物。

激光輔助水射流在0.21 mJ的激光脈沖能量水平下加工得到的微槽附近存在熱影響區，微槽表面材料分布較均勻，沒有大量材料堆積，在微槽底部存在一些細小的裂紋，但裂紋的數量明顯要少于其他兩種加工方式，如圖6c所示。這是因為：一方面，激光中心的高溫和0.21 mJ的高激光脈沖能量造成熱應力產生從而導致微裂紋；另一方面歸因于砷化鎵的高脆性、易解理的材料特性。

在常溫下，砷化鎵材料性能穩定，但在高于900 K的溫度下會發生熱分解和氧化行為，化學反應式為［20］

GaAs=Ga+As↑（3）

4Ga+3O2=2Ga2O3（4）

對未加工表面和圖6c中激光輔助水射流加工得到的微槽壁面進行EDS元素分析，得到的EDS圖譜見圖7。由圖7a可知，未加工表面As元素質量分數為52.6%，圖7b中激光輔助水射流加工后微槽壁面As元素質量分數減小到48.2%，出現了質量分數為2.9%的O元素，可以證明在加工過程中存在熱分解和氧化行為。

在干激光加工過程中，溫度高于熔點的材料由高溫等離子體或氣化去除，而在低壓水射流輔助激光加工過程中，熔化的材料由流動的低壓水射流去除。激光輔助水射流加工砷化鎵晶片微槽表面存在重鑄層和熔化特性，加工過程中存在熱分解和氧化行為。因此在激光輔助水射流加工砷化鎵晶片過程中，材料被激光加熱到高于熔點而熔化，并伴隨熱分解和氧化行為，大部分熔化的材料和分解產物被高壓水射流去除，小部分重新凝固在加工表面。盡管如此，激光輔助水射流技術仍有效地減少了激光熱效應對高脆性材料砷化鎵的熱損傷。有待進一步對激光輔助水射流加工砷化鎵材料加工過程中的溫度場和應力場進行數值模擬和理論研究，以確定材料的去除機理。

熱影響區寬度可以用來評價激光加熱對材料的熱損傷程度，而加工微槽的深寬比可以用來評價加工技術對窄縫或微槽的加工能力。三種不同的加工方式下，激光脈沖能量對熱影響區寬度和深寬比的影響如圖8所示。激光輔助水射流加工砷化鎵晶片微槽的熱影響區寬度是最小的，遠小于其他兩種加工方式，且隨著激光脈沖能量的增大而增大，如圖8a所示。在較小的0.09 mJ激光脈沖能量條件下，激光輔助水射流加工所得微槽的深寬比與其他兩種加工方式相比相差不大，但隨著激光脈沖能量的增大而急劇增大，如圖8b所示。因此，與其他兩種加工方法相比，激光輔助水射流技術加工得到的微槽熱損傷最小，加工窄縫或微槽的加工能力最強。

根據上述對比實驗結果和分析，在激光輔助水射流加工砷化鎵晶片微槽的加工過程中，水射流可以有效沖擊去除微槽深度方向的熔融材料，使微槽深度明顯增大，加工過程中存在熱分解和氧化行為。激光輔助水射流技術適合加工砷化鎵材料，它能夠加工出晶圓表面無污染、大深度、小熱影響區寬度、大深寬比的高質量微槽，加工表面微觀形貌均勻，微裂紋少，表面質量優于其他兩種加工方式。

3.2 水射流的冷卻作用和沖擊作用

根據流動特性，傾斜沖擊的水射流在工件表面分為壁面射流區、射流沖擊區和自由射流區。在不同射流區域，入射的激光穿透的水膜厚度不同，如圖9所示。

當水射流相對于激光的偏置距離不同時，被激光穿透的水膜厚度hw為［25］

hw=

（d02cosθ-xw）tan（90°-θ）

"""-d02cosθ≤xw≤d02cosθ-0.1d0tanθ0.1d0" xwgt;d02cosθ-0.1d0tanθ（5）

全因子實驗中的水射流偏置距離設定為0.5 mm的固定值，激光作用在壁面射流區，因此激光穿透的水膜厚度約為30 μm，幾乎不受水射流壓力和水射流傾斜角度的影響。

壁面射流區的強制對流傳熱系數hf為［26］

hf=kwNuwL（6）

Nuw=0.037Re4/5wPr1/3（7）

Rew=pwv0Lμ（8）

v0=2pwρw（9）

式中，kw為水的熱導率；Nuw為壁面射流區水的努塞爾數；Rew為壁面射流區水的雷諾數；Pr為水的普朗特數；ρw為水的密度；v0為壁面射流速度；L為壁面射流區特征長度；μ為水的運動黏度。

因此，隨著水射流壓力的增大，壁面射流區的射流流速增大，壁面射流區水的雷諾數和努塞爾數增大，最終導致強制對流傳熱系數增大。壁面射流區水射流對工件表面的最大切應力τmax為［27］

τmax=0.5ρwv20Ajξ（θ）（10）

式中，Aj為圓形射流的截面面積；ξ（θ）為關于水射流傾斜角度θ的函數，在θ=35°時取得最大值，在全因子實驗的40°～52°的水射流傾斜角度取值范圍內遞減。

因此，當其他條件不變，水射流壓力增大時，壁面射流區的射流流速增大，進而使最大切應力增大。當其他條件不變，水射流傾斜角度在40°～52°范圍內增大時，壁面射流區的最大切應力減小。

3.3 工藝參數對微槽深度的影響

全因子實驗得到的激光輔助水射流工藝參數對微槽深度的影響如圖10所示。水射流壓力和激光脈沖能量對微槽深度的影響如圖10a所示。由圖10a可見，隨著水射流壓力的增大，微槽深度減小。一方面，根據式（10），隨著水射流壓力的增大，水射流對壁面射流區的切應力增大，水射流沖擊作用增強，導致微槽深度增大，

另一方面，根據式（6）～式（9），水射流壓力增大會使射流層的雷諾數增大，從而使強制對流傳熱系數增大，冷卻作用增強，進而導致微槽深度減小。因此，當水射流對材料去除的冷卻作用大于沖擊作用時，隨著水射流壓力增大，微槽深度減小。此外，由圖10a可見，隨著激光脈沖能量的增大，微槽深度增大。由高斯分布移動熱源Q（x，y，z，t）表達式［28］

Q（x，y，z，t）=

I0exp（-8［（x-vt）2+y2］d2f）α·

exp（-αz）g（t）（1-Rf）（1-Rw）（1-Aw）（11）

I0=8Epπτpd2f（12）

式中，I0為激光焦斑中心點能量密度；α為材料對激光的吸收系數；g（t）為激光脈沖的波形周期函數，可視為階躍脈沖周期函數；Rf為材料對激光的反射系數；Rw為水對激光的反射系數；Aw為水對激光的吸收系數；τp為脈沖寬度；df為焦點直徑。

可知，在其他參數不變時，隨著激光脈沖能量的增大，激光加熱區域在深度方向上會更深，更多的材料被軟化，從而形成更深的微槽。

水射流傾斜角度和加工速度對微槽深度的影響如圖10b所示。由圖10b可見，微槽深度隨著水射流傾斜角度的增大而減小。根據式（10），水射流傾斜角度越大，壁面射流區的最大切應力越小，導致微槽深度越小。此外，由圖10b可見，隨著加工速度的增大，微槽深度減小，為了描述兩個相鄰的脈沖激光束在工件表面的重疊程度，引入量綱一脈沖重疊率Op，表達式［29］為

Op=1-vfdb（13）

db=df1+（4λfppπd2f）2（14）

式中，f為激光脈沖頻率；db為工件表面激光束直徑；df為焦點直徑；λ為激光波長；fpp為焦平面位置。

由式（10）可知，隨著加工速度的增大，脈沖重疊率減小，單位距離材料吸收的激光脈沖數量減少，微槽深度減小。

焦平面位置對微槽深度的影響如圖10c所示，當焦點剛好在工件上表面時，微槽深度取最大值，隨著焦平面位置向上或向下移動，微槽深度減小，這是因為當焦點剛好在工件上表面時，激光束和水射流之間的重疊圓臺體積是最小的，能量損失最小。在0.21 mJ的高激光脈沖能量下，焦平面位置對微槽深度的影響規律更為明顯，這是因為在高激光脈沖能量下加工得到的微槽深度更大，隨著焦平面位置向上或向下移動，未聚焦的激光要穿透更大體積的水才能輻射到材料表面，浪費的激光能量比例更大，導致微槽深度減小更多。

加工次數對微槽深度的影響如圖10d所示，其影響規律在0.12 mJ和0.21 mJ的激光脈沖能量水平下有所不同。在較低的0.12 mJ脈沖能量條件下，微槽深度隨著加工次數的增加而增大，這是因為第1次加工后微槽深度較小，在隨后的多次加工過程中，激光穿透的水體積很小，能量損失小，大部分激光能量作用于材料表面，使微槽深度增大。在0.21 mJ的高激光脈沖能量條件下，第2次加工后微槽深度最大，后續加工深度反而變小，這是因為在高激光脈沖能量下，即使第2次加工過程中經過能量損失后到達材料表面的能量還是足夠多的，在加熱和熔化去除后，微槽深度增大明顯。在第3次和第4次加工過程中，由于微槽已經很深，未聚焦的激光束半徑很大，在水射流的作用下，微槽側壁的材料被加熱軟化并擠壓到微槽底部，使微槽深度減小。

在0.18 mJ激光脈沖能量和不同水射流壓力下加工得到的微槽3D輪廓如圖11所示。由圖11可見，微槽深度隨著水射流壓力的增大而略有減小，但在13 MPa較高水射流壓力下加工所得微槽表面沒有大量材料堆積，加工質量得到了改善。

在0.21 mJ的激光脈沖能量和13 MPa的水射流壓力下不同加工次數得到的截面輪廓如圖12所示。由圖12可見，在第2次加工后微槽深度最大，后續加工微槽深度反而減小，微槽寬度隨著加工次數的增加而明顯增大，微槽的截面輪廓從深V形變成開口較大的寬V形。

3.4 工藝參數對微槽寬度的影響

全因子實驗得到的激光輔助水射流工藝參數對微槽寬度的影響如圖13所示。水射流壓力和激光脈沖能量對微槽寬度的影響如圖13a所示。由圖13a可見，水射流壓力對微槽寬度的影響不明顯。根據式（6）～式（9），隨著水射流壓力的增大，水射流的冷卻作用增強，使激光加熱區域在寬度方向上更窄，導致微槽寬度減小，然而，根據式（10），水射流壓力的增大會增大壁面射流區的最大切應力，水射流對材料的沖擊作用增強，導致微槽寬度增大；因此，在水射流壓力增大帶來的冷卻作用和沖擊作用的共同作用下，水射流壓力對微槽寬度的影響不明顯。此外，由圖13a可見，微槽寬度隨著激光脈沖能量的增大而增大，這是因為較高的激光脈沖能量使激光加熱區域在寬度方向上更寬，因此加工得到的微槽寬度增大。

水射流傾斜角度和加工速度對微槽寬度的影響如圖13b所示。由圖13b可見，微槽寬度幾乎不受水射流傾斜角度的影響。根據式（5），水射流傾斜角度增大對壁面射流區激光穿透的水膜厚度幾乎沒有影響，因此激光脈沖能量分布保持不變，微槽寬度也保持不變。此外，由圖13b可見，微槽寬度隨著加工速度的增大沒有明顯變化，這也是因為加工速度沒有改變激光脈沖能量在寬度方向的分布。

焦平面位置對微槽寬度的影響如圖13c所示，在較低和較高的激光脈沖能量條件下，焦平面位置對微槽寬度的影響規律不同。在0.12 mJ的較低激光脈沖能量條件下，焦點剛好處于工件上表面時，激光光斑直徑最小，加工得到的微槽寬度也是最小的，激光光斑直徑隨著焦平面的向上或向下移動而有一定程度的增大，從而導致微槽寬度增大。而當使用0.21 mJ的較高激光脈沖能量時，高激光脈沖能量對微槽寬度的影響遠遠超過焦平面位置改變帶來的影響，因此微槽寬度幾乎保持不變。

加工次數對微槽寬度的影響如圖13d所示，微槽寬度隨著加工次數的增加而增大，這是因為在多次加工的過程中，微槽寬度遠大于焦點直徑，激光的熱效應產生的熱量從微槽底部傳遞到微槽側壁，側壁材料受熱后被水射流沖擊去除，微槽寬度增大。多次加工的輪廓變化如圖12所示，微槽寬度隨著加工次數的增加而明顯增大。

在4 MPa和13 MPa的水射流壓力下，不同激光脈沖能量條件下加工得到的微槽俯視圖見圖14。由圖14可見，在較大的激光脈沖能量條件下，微槽寬度較大，

在較高的水射流壓力條件下微槽寬度幾乎不變，但微槽的邊界更加平直。

不同加工速度條件下得到的微槽俯視圖見圖15。由圖15可見，在較小的加工速度下，微槽與未加工表面的邊界是清晰平直的。在較高的加工速度下，如16 mm/s，微槽與未加工表面的邊界清晰度變差。微槽在加工速度方向上存在一定程度的彎曲，這是由設備在較高的加工速度下精度降低導致的。

3.5 工藝參數對材料去除率的影響

全因子實驗得到的激光輔助水射流工藝參數對材料去除率的影響如圖16所示。

水射流壓力和激光脈沖能量對材料去除率的影響如圖16a所示。由圖16a可見，材料去除率隨著水射流壓力的增大而減小，這是因為增大水射流壓力會使微槽深度減小，而微槽寬度幾乎不變，所以微槽的橫截面積減小。根據式（1），在加工速度不變的條件下，微槽橫截面積減小會導致材料去除率減小，此外，由圖16a可見，材料去除率隨著激光脈沖能量的增加而增大，這是因為高激光脈沖能量使微槽深度和寬度都增大，微槽橫截面積增加，進而使材料去除率增大。

水射流傾斜角度和加工速度對材料去除率的影響如圖16b所示。由圖16b可見，材料去除率隨著水射流傾斜角度的增大而減小，這是因為水射流傾斜角度的增大對微槽寬度的影響很小，

因此水射流傾斜角度對材料去除率的影響與其對微槽深度的影響規律一致。此外，由圖16b可見，材料去除率隨著加工速度增大而增大，這是因為在加工過程中，加工速度影響激光的脈沖重疊率，而不影響單個脈沖的能量分布。盡管較高的加工速度減小了微槽深度，但微槽寬度幾乎沒有變化，導致微槽的橫截面積減小較少。根據式（1），材料去除率是橫截面積與加工速度的乘積，加工速度的增大彌補了橫截面積的減小，因此材料去除率隨著加工速度增大而增大。

激光焦平面位置對材料去除率的影響如圖16c所示。由圖16c可見，材料去除率在焦平面位置為0時取得最大值，隨著焦平面向上或向下移動而減小，這是因為當焦平面剛好在工件表面時，微槽深度最大，微槽寬度最小，但是此時微槽寬度與焦平面處于其他位置時差別不大，因此微槽截面面積取得最大值，進而材料去除率也是最大的。所以當焦平面向上或向下移動時，材料去除率減小。在高激光脈沖能量條件下，材料去除率隨著焦平面位置的改變而明顯減小。

4 結論

（1）激光輔助水射流技術適合加工砷化鎵材料，它能夠加工出晶圓表面無污染、大深度、小熱影響區寬度、大深寬比的高質量微槽，加工表面微觀形貌均勻、微裂紋少，優于干激光和低壓水射流輔助激光加工技術。

（2）微槽深度隨著激光脈沖能量的增大而增大，隨著水射流壓力、水射流傾斜角度和加工速度的增大而減小，當焦點正好在工件上表面時，微槽深度取得最大值。微槽深度并不總是隨著加工次數的增加而增大，在0.21 mJ的高激光脈沖能量下，微槽深度在第2次加工后最大，此后隨著加工次數的增加微槽深度反而減小。

（3）微槽寬度隨著激光脈沖能量和加工次數的增加而增大，幾乎不受水射流壓力、水射流傾斜角度和加工速度的影響，當焦點正好在工件上表面時取得最小值。

（4）材料去除率隨著激光脈沖能量和加工速度的增大而顯著增大，隨著水射流壓力和水射流傾斜角度的增大而減小，前者的影響較小。當焦點正好在工件上表面時，材料去除率取得最大值。

參考文獻：

［1］ 王建利， 牛沈軍， 蘭天平， 等. 砷化鎵材料［J］. 科技創新導報， 2010（32）：75-77.

WANG Jianli， NIU Shenjun， LAN Tianping， et al. Gallium Arsenide Material［J］. Science and Technology Innovation Herald， 2010（32）：75-77.

［2］ BROWN W. Introduction and Overview of Microelectronics Packaging［M］. 3rd ed. Piscataway：Wiley-IEEE Press， 2009：15-24.

［3］ CHEN S， TSAI C Z， WU E， et al. Study on the Effects of Wafer Thinning and Dicing on Chip Strength［J］. IEEE Transactions on Advanced Packaging， 2006， 29（1）：149-157.

［4］ LUO S Y， WANG Z W. Studies of Chipping Mechanisms for Dicing Silicon Wafers［J］. International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2008， 35：1206-1218.

［5］ GUPTA S， PECHOLT B， MOLIAN P. Excimer Laser Ablation of Single Crystal 4H-SiC and 6H-SiC Wafers［J］. Journal of Materials Science， 2011， 46（1）：196-206.

［6］ 吳煜， 張高峰. 聚晶金剛石的Nd：YAG激光切割與電火花線切割損傷分析［J］. 中國機械工程， 2010， 21（9）：1034-1039.

WU Yu， ZHANG Gaofeng. Damage Analysis of PDC Cutted by Nd：YAG Laser and WEDM［J］. China Mechanical Engineering， 2010， 21（9）：1034-1039.

［7］ 李海鷗， 韋春榮， 王曉峰， 等. 晶圓激光切割技術的研究進展［J］. 半導體技術， 2017， 42（8）：561-568.

LI Haiou， WEI Chunrong， WANG Xiaofeng， et al. Research Progress on Wafer Laser Cutting Technology［J］. Semiconductor Technology， 2017， 42（8）：561-568.

［8］ FORNAROLI C， HOLTKAMP J， GILLNER A. Dicing of Thin Si Wafers with a Picosecond Laser Ablation Process［J］. Physics Procedia， 2013， 41：603-609.

［9］ DUSHKINA N M， WAGNER F R， BOILLAT C， et al. Water Jet Guided Laser Versus Saw Dicing［C］∥Proceedings of SPIE. Washington D C：The International Society for Optical Engineering， 2003：75-85.

［10］ KUMAGAI M， UCHIYAMA N， OHMURA E， et al. Advanced Dicing Technology for Semiconductor Wafer-stealth Dicing［J］. IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing， 2007， 20（3）：259-265.

［11］ HAUPT O， SIEGEL F， SCHOONDERBEEK A， et al. Laser Dicing of Silicon：Comparison of Ablation Mechanisms with a Novel Technology of Thermally Induced Stress［J］. Journal of Laser Micro Nanoengineering， 2008， 3（3）：135-140.

［12］ 劉備. 基于微水導激光加工技術的研究［D］. 哈爾濱：哈爾濱工業大學， 2008．

LIU Bei. Study of Processing Technology Based on Laser-microjet［D］. Harbin：Harbin Institute of Technology， 2008.

［13］ 汪建新， 吳耀文， 張廣義， 等. 碳纖維增強復合材料水導激光切割試驗研究［J］. 中國機械工程， 2021， 32（13）：1608-1616.

WANG Jianxin， WU Yaowen， ZHANG Guangyi， et al. Experimental Research of CFRP Cutting by Using Water Jet Guided Laser Processing［J］. China Mechanical Engineering， 2021， 32（13）：1608-1616.

［14］ YU T， MATSUMOTO N， OYAIZU M， et al. Improvement of Laser Dicing Performance Ⅱ：Dicing Rate Enhancement by Multi Beams and Simultaneous Aberration Correction with Phase-only Spatial Light Modulator［J］. Proceedings of SPIE， 2013， 8608：860809-1-860809-9.

［15］ HAUPT O， SIEGEL F， SCHOONDERBEEK A， et al. Laser Dicing of Silicon：Comparison of Ablation Mechanisms with a Novel Technology of Thermally Induced Stress［J］. Journal of Laser MicroNanoengineering， 2008， 3（3）：135-140.

［16］ TANGWARODOMNUKUN V， WANG J， HUANG C Z， et al. An Investigation of Hybrid Laser-waterjet Ablation of Silicon Substrates［J］. International Journal of Machine Tools amp; Manufacture， 2012， 56：39-49.

［17］ ZHU Hao， WANG Jun， YAO Peng， et al. Heat Transfer and Material Ablation in Hybrid Laser-waterjet Microgrooving of Single Crystalline Germanium［J］. International Journal of Machine Tools amp; Manufacture， 2017， 116：25-39.

［18］ FENG S， HUANG C， WANG J， et al. Material Removal of Single Crystal 4H-SiC Wafers in Hybrid Laser-waterjet Micromachining Process［J］. Materials Science in Semiconductor Processing， 2018， 82：112-125.

［19］ WANG L， HUANG C， WANG J， et al. An Experimental Investigation on Laser Assisted Waterjet Micro-milling of Silicon Nitride Ceramics［J］. Ceramics International， 2017， 44（5）：5636-5645.

［20］ ADACHI S. Properties of GaAs［M］. Brisbane：INSPEC Publ.， 1990：513-528.

［21］ 馮少川. 單晶碳化硅晶片的激光-水射流復合近無損傷微細加工機理研究［D］. 濟南：山東大學， 2018.

FENG Shaochuan. Study on Near-damage-free Micromachining Mechanisms of Single Crystal Silicon Carbide Wafer Using Hybird Laser-waterjet［D］. Jinan：Shandong University， 2018.

［22］ 王良. 激光輔助水射流微細加工氮化硅陶瓷的去除機理與工藝研究［D］. 濟南：山東大學， 2017.

WANG Liang. Study on Material Removal Mechanism and Process for Micromachining Silicon Nitride Ceramic by Laser Assisted Waterjet［D］. Jinan：Shandong University， 2017.

［23］ FENG S， HUANG C， WANG J， et al. Investigation and Modelling of Hybrid Laser-waterjet Micromachining of Single Crystal SiC Wafers Using Response Surface Methodology［J］. Materials Science in Semiconductor Processing， 2017， 68：199-212.

［24］ QI H， WANG Q， ZHANG X， et al. Investigation on Damage Process of GaAs Induced by 1064 nm Continuous Laser［J］. Journal of Applied Physics， 2008， 103（3）：0331061-0331064.

［25］ TONG A Y. A Numerical Study on the Hydrodynamics and Heat Transfer of a Circular Liquid Jet Impinging onto a Substrate［J］. Numerical Heat Transfer， 2003， 44（1）：1-19.

［26］ BERGMAN T L， LAVINE A S， INCROPERA F P. Fundamentals of Heat and Mass Transfer［J］. Staff General Research Papers， 1996， 27：139-162.

［27］ TANGWARODOMNUKUN V， WANG J， HUANG C Z， et al. Heating and Material Removal Process in Hybrid Laser-waterjet Ablation of Silicon Substrates［J］. International Journal of Machine Tools amp; Manufacture， 2014， 79：1-16.

［28］ STEEN W M. Laser Material Processing［M］. 3rd ed. New York：Springer， 1991.

［29］ MESCHEDE D. Optics， Light and Lasers：the Practical Approach to Modern Aspects of Photonics and Laser Physics［J］. ChemPhysChem， 2005， 6：373-374.

（編輯 王艷麗）

作者簡介：

段凌云，男，1997年生，碩士研究生。研究方向為激光輔助水射流超精密加工。E-mail：duanlingyuner@163.com。

黃傳真（通信作者），男，1966年生，教授、博士研究生導師。研究方向為高效精密加工、陶瓷刀具與結構陶瓷、磨料水射流與特種激光加工、微納制造、增材制造等。E-mail：huangchuanzhen@ysu.edu.cn。