1 引 言
藍(lán)寶石具有高耐磨性、高硬度和優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性、電絕緣性、化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)異的物理、化學(xué)特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于高端智能手機(jī)、平板電腦、平板電視等電子顯示行業(yè)領(lǐng)域。由于藍(lán)寶石是硬脆性材料，傳統(tǒng)的機(jī)械加工存在易產(chǎn)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(lán)寶石化學(xué)穩(wěn)定性較好，使得傳統(tǒng)的化學(xué)加工方法對其難以加工。然而激光切割技術(shù)是一種高速度、高質(zhì)量的切割方法，對藍(lán)寶石晶片進(jìn)行切割，不僅具有加工速度快、切口質(zhì)量好并且可以對任意圖形進(jìn)行切割。通常用于藍(lán)寶石切割的激光器主要有超短脈沖激光、Nd：YAG激光、紫外激光；皮秒、飛秒超短脈沖激光加工藍(lán)寶石熱影響區(qū)較小，但光子能量損失大，材料去除率低，且在加工區(qū)域周圍形成無規(guī)則的納米晶體形態(tài)和裂紋以及在作用區(qū)域表面形成波紋，并且加工設(shè)備成本較高；由于藍(lán)寶石對1070 nm Nd∶YAG紅外激光的吸收率很低，要加工藍(lán)寶石就需要提高激光能量密度，故很難加工且存在熱效應(yīng)明顯、重凝嚴(yán)重等現(xiàn)象；目前紫外激光( λ =355 nm)切割藍(lán)寶石基片時(shí)，由于激光功率較低且焦深較短，藍(lán)寶石去除率較低，只能通過多次切割的同時(shí)焦點(diǎn)位置不斷改變才能實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石的切割，這樣使得采用紫外激光器切割藍(lán)寶石的切割效率較低。光纖激光的穩(wěn)定性和光束質(zhì)量較好并且能量密度較大，對硬脆性材料和較厚板材切割相對于Nd∶YAG激光切割都有明顯的優(yōu)勢，采用光纖激光結(jié)合保護(hù)氣體對藍(lán)寶石晶片進(jìn)行切割，并對切割過程中工藝參數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行分析。
2 實(shí)驗(yàn)裝置和材料
實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，激光經(jīng)過光纖傳導(dǎo)到準(zhǔn)直鏡后通過聚焦鏡， 最終在焦平面獲得直徑為20μm的激光光斑；自動(dòng)控制系統(tǒng)控制移動(dòng)平臺(tái)能在X，Y方向移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)采用光纖激光器的脈寬為0.13~0.2 ms、波長為1070 nm、光斑直徑為20μm、重復(fù)頻率為0~5 kHz、能量密度變化范圍為0~2.4 × 10^5J/cm2、切割速度變化范圍為0~100 mm/s。加工采用N2作為輔助氣體，噴嘴直徑為2 mm。
實(shí)驗(yàn)樣件為光學(xué)級(jí)C-面(0001)藍(lán)寶石基片，直徑2 inches(1 inch=2.54 cm)、厚度0.31 mm。具體藍(lán)寶石基片的熱學(xué)性能參數(shù)見表1。
實(shí)驗(yàn)前對樣件依次進(jìn)行丙酮超聲波清洗和去離子水清洗和無塵環(huán)境下烘干環(huán)節(jié)處理；實(shí)驗(yàn)后同樣需要嚴(yán)格的清洗：先用KOH溶液超聲清洗5 min，然后依次用丙酮溶液、 無水乙醇、去離子水超聲清洗5 min，最后在無塵環(huán)境下烘干。激光切割樣件邊緣都是通過基恩士(VK-8700)三維(3D)彩色激光共聚焦顯微鏡進(jìn)行觀察。
3 結(jié)果與討論
3.1 激光能量密度對藍(lán)寶石加工質(zhì)量的影響
圖2表示的是激光能量密度對激光切割藍(lán)寶石崩邊尺寸的影響，激光重復(fù)頻率為1 kHz，切割速度為10 mm/s，輔助氣體為N2，氣壓為1 MPa，脈寬為0.13 ms，激光能量密度從5.6~11.3 ×10^3J/cm2變化。
從圖2可以看出，隨著激光能量密度的增加，藍(lán)寶石的正面崩邊尺寸和背面崩邊尺寸都有所增加，但是正面崩邊尺寸的變化較小，基本都在5 μm以下。圖3表示的是激光能量密度對藍(lán)寶石正面影響效果圖，從圖3可以看出正面加工形貌多存在鋸齒狀，主要是由于激光頻率較低造成光斑分離現(xiàn)象所致，改變鋸齒狀現(xiàn)象的途徑可通過改變激光切割速度和重復(fù)頻率對其進(jìn)行調(diào)整，并且在激光能量密度增加到一定大小時(shí)，正面崩邊尺寸達(dá)到飽和。這是因?yàn)楫?dāng)激光脈沖能量密度達(dá)到去除閾值后，鋸齒形狀逐漸趨近于光斑輪廓；能量密度繼續(xù)增加，在脈沖的作用時(shí)間內(nèi)，材料的熱擴(kuò)散以及等離子體的形成使得材料表面的去除量增加，形成的鋸齒有擴(kuò)大趨勢。
圖4表示的是激光能量密度對藍(lán)寶石背面崩邊影響效果圖。從圖4可以看出，激光能量密度越大，藍(lán)寶石背面的崩邊現(xiàn)象越明顯，崩邊尺寸越大，所以在保證藍(lán)寶石能被切穿的同時(shí)降低激光功率對藍(lán)寶石背面崩邊情況有一定改善，但是能量越小在背面存在的掛渣就越嚴(yán)重，且不易清除。若適當(dāng)增大激光能量可使得藍(lán)寶石背面熔融材料成為粉末狀，從而可以改變藍(lán)寶石背面切割效果，故激光能量密度在5.7~6.3 ×10^3J/cm2為最佳。
當(dāng)激光照射藍(lán)寶石表面時(shí)，透過保護(hù)氣體的高斯光斑使藍(lán)寶石表面迅速升溫，為了簡化藍(lán)寶石材料加熱過程的理論分析，熱模型進(jìn)行了以下假設(shè)，藍(lán)寶石是均勻且熱物理性質(zhì)各向同性的材料，藍(lán)寶石的光學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)與溫度無關(guān)，忽略傳熱過程中的輻射和對流，只考慮材料表面向內(nèi)的熱傳導(dǎo)，得到激光加熱和冷卻階段的溫度場分布，即加熱階段表面溫度變化規(guī)律如(1)和(2)式所示。
加熱階段：
和冷卻階段：
式中ierfc( )為高斯補(bǔ)誤差函數(shù)的一次積分值，τ為脈寬(s)，D為熱擴(kuò)散率(m2/s)，A為吸收率，k為熱導(dǎo)率(W/m/K)，t為時(shí)間(s)，F(xiàn)為激光功率密度(J/cm2)，z為遠(yuǎn)離上表面的距離(μm)。
在激光脈沖的起始段，激光作用于藍(lán)寶石表面，使得藍(lán)寶石的狀態(tài)發(fā)生一定的變化，改變了晶體表面的吸收系數(shù)，藍(lán)寶石對激光束能量的吸收迅速增加。當(dāng)表面溫度達(dá)到一定溫度時(shí)，藍(lán)寶石被熔化甚至氣化，藍(lán)寶石表面溫度隨時(shí)間變化如圖5所示。導(dǎo)致氣體溫度的迅速上升，甚至使氣體電離，經(jīng)計(jì)算實(shí)驗(yàn)采用的激光功率密度可到10^4J/cm2數(shù)量級(jí)。如圖5所示，在能量密度為1.24×10^4J/cm2，作用時(shí)間為7μs時(shí)就能達(dá)到藍(lán)寶石的熔點(diǎn)，在作用時(shí)間為14μs時(shí)達(dá)到藍(lán)寶石的氣化溫度，隨后對激光的吸收會(huì)使藍(lán)寶石基片表面產(chǎn)生局部的電離化，從而基片表面對激光的吸收系數(shù)增大，激光束能使周圍的保護(hù)氣體擊穿，瞬間產(chǎn)生等離子體，使晶體表面形成所謂的鑰匙孔形狀的損傷形貌。所以當(dāng)激光能量密度達(dá)到藍(lán)寶石氣化閾值后，通過增加激光功率來改變正面的鑰匙孔現(xiàn)象進(jìn)而減少鋸齒狀并不明顯。并且在強(qiáng)激光作用下形成一個(gè)充滿等離子體的鑰匙孔，在鑰匙孔中等離子體對激光的吸收率會(huì)大大增加，進(jìn)入孔中激光的能量基本上大部分被等離子體吸收。如果使用圖7中a部分對藍(lán)寶石進(jìn)行切割，在靠近藍(lán)寶石正面的鑰匙孔中，由于等離子體濃度較大，等離子體的高溫可使得藍(lán)寶石更多地去除，這也造成正面邊緣鋸齒狀變得嚴(yán)重，在背面邊緣處溫度過高， 熱應(yīng)力梯度過大，造成崩邊更加嚴(yán)重。
圖6 是激光切割藍(lán)寶石晶片斷口形貌圖，從圖6可以看出，在切縫底部出現(xiàn)鑰匙孔現(xiàn)象，并且鑰匙孔之間的間距相同，呈均勻分布。經(jīng)過計(jì)算，兩個(gè)鑰匙孔之間的間距為兩個(gè)脈沖的間距。
激光加工出的鑰匙孔尖端部分是熔渣形成部分，同時(shí)也是材料的熱應(yīng)力集中區(qū)，對于藍(lán)寶石試樣厚度大于鑰匙孔深度的情況下，深處的熱應(yīng)力會(huì)很大，使得藍(lán)寶石未切透的部分在熱應(yīng)力作用下開裂，若樣件輪廓為直線，會(huì)沿著切割線開裂，使得切割下表面非常光滑，崩邊較小甚至無崩邊，但是對于切割弧形輪廓樣件，則無法實(shí)現(xiàn)切割。需要適當(dāng)增大激光功率，使得鑰匙孔尖端超出藍(lán)寶石的下表面，且使用圖7中b部分對藍(lán)寶石進(jìn)行切割。
3.2 激光切割速度對藍(lán)寶石加工質(zhì)量的影響
圖8表示的是激光切割速度對激光切割藍(lán)寶石崩邊尺寸的影響，激光重復(fù)頻率為1 kHz；激光能量密度為6.3×10^3J/cm2；輔助氣體為N2；氣壓為1 MPa；脈寬為0.13 ms，切割速度為1~13 mm/s。由于激光重復(fù)頻率的限制，為避免切割邊緣存在鋸齒狀現(xiàn)象，降低激光加工速度，從而改變激光光斑重疊率。同時(shí)，考慮到前激光脈沖與藍(lán)寶石材料間的熱積累影響，故對激光切割速度對藍(lán)寶石加工質(zhì)量的影響進(jìn)行研究。切割速度直接影響了激光與材料間的相互作用時(shí)間。當(dāng)切割速度增加時(shí)，作用時(shí)間減小，材料的氣化量減少，故切割邊緣鋸齒狀隨著減小。
從圖8中看出，切割速度對藍(lán)寶石正背面崩邊尺寸均有一定的影響，在正面和背面崩邊尺寸上，整體趨勢為隨切割速度的增加，崩邊尺寸先減小后增加，這是由于切割速度影響光斑重疊率，光斑重疊率過高，激光脈沖在藍(lán)寶石表面的作用時(shí)間越長，熱積累越多，產(chǎn)生崩邊尺寸較大，光斑重疊率過低造成光斑近似分離，切割邊緣出現(xiàn)較大鋸齒狀。圖9為切割速度對藍(lán)寶石正面崩邊尺寸的影響。
從圖8和圖9中可以看出，由于切割速度在1~13 mm/s， 光斑重疊率激光的切割速度對正面崩邊的影響不大，在2~5μm之間。當(dāng)速度為6 mm/s時(shí)，正面崩邊尺寸最小為2.75μm，光斑重疊率為85%左右。圖10為切割速度對背面崩邊尺寸的影響，從圖10背面崩邊情況看，在切割速度為6 mm/s時(shí)背面崩邊在10 μm以下，故激光切割速度在5~7 mm/s為最佳。
3.3 重復(fù)頻率對藍(lán)寶石加工質(zhì)量的影響
圖11表示的是激光重復(fù)頻率對激光切割藍(lán)寶石崩邊尺寸的影響，輔助氣體壓力為1 MPa；激光能量密度為6.3×10^3J/cm2；輔助氣體為N2；切割速度為6 mm/s；脈寬為0.13 ms，由于重復(fù)頻率過高會(huì)使激光能量密度降低，當(dāng)降低到一定程度后，藍(lán)寶石的穿透性切割較為困難，作用時(shí)間影響材料受熱應(yīng)力的影響造成的崩邊現(xiàn)象。重復(fù)頻率較高，激光單脈沖能量將會(huì)降低，邊緣的熱積累減小，對藍(lán)寶石去除率有所降低，故重復(fù)頻率選為0.7~2.1 kHz。
從圖11中可以看出，重復(fù)頻率的變化，正面崩邊尺寸存在一定的小波動(dòng)，基本上在3~5μm；從圖12可以看出，背面崩邊影響較大，在重復(fù)頻率為1.8 kHz時(shí)，崩邊尺寸達(dá)到最低，達(dá)到5 μm左右，并且鋸齒狀切口得到改善。由于加工過程中，脈寬不變，當(dāng)重復(fù)頻率過高時(shí)，溫度積累過多，造成損傷擴(kuò)大化，進(jìn)而造成崩邊現(xiàn)象嚴(yán)重，故激光重復(fù)頻率在1.6~1.8 kHz為最佳。
3.4 輔助氣體壓力對藍(lán)寶石加工質(zhì)量的影響
由于激光的高能量，激光與輔助氣體相互作用，使得輔助氣體發(fā)生電離，而電離產(chǎn)生的一定量的等離子體會(huì)對激光產(chǎn)生等離子體屏蔽效應(yīng)，而屏蔽的效果與保護(hù)氣體的第一電離能存在著一定的關(guān)系，保護(hù)氣體的第一電離能越高，對激光的屏蔽效果越小。O2的第一電離能為13.618 eV，N2的第一電離能是14.53 eV；O2形成的等離子體對激光的屏蔽效應(yīng)較強(qiáng)，N2相對較低，因而藍(lán)寶石對激光的能量吸收較強(qiáng)，藍(lán)寶石表面的等離子的溫度高，激光與等離子體作用，使藍(lán)寶石晶體表面溫度過高迅速氣化甚至爆沸，脫離藍(lán)寶石基體并使藍(lán)寶石冷卻的液體回落到藍(lán)寶石表面形成粉末。
圖13表示的是輔助氣體壓力對激光切割藍(lán)寶石崩邊尺寸的影響，激光重復(fù)頻率為1.8 kHz；激光能量密度為6.3×10^3J/cm2；輔助氣體為N2；切割速度為6 mm/s；脈寬為0.13 ms，輔助氣體壓力變化范圍為0.6~1.0 MPa。
在輔助氣體為N2 的前提下，輔助氣體的壓力對切割效果也有明顯的影響，輔助氣體的壓力主要影響切割速度和掛渣量。適當(dāng)增大氣體壓力，由于氣流動(dòng)量增大，可提高排渣能力，進(jìn)而提高切割速度和切割質(zhì)量。圖14和圖15為輔助氣體壓力對藍(lán)寶石正面和背面加工質(zhì)量影響形貌圖。
從圖14和圖15可以看出，輔助氣體壓力越大，正面和背面的崩邊尺寸越少，且在背面的掛渣現(xiàn)象有一定的改善。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用較高的氣壓能獲得較好的切割質(zhì)量，這也與較多的激光切割薄板材料所需要的氣體壓力較高有關(guān)，但是不能過高，氣壓過高，會(huì)在藍(lán)寶石表面形成渦流，削弱氣流去除材料的能力，故輔助氣體壓力在0.9 MPa為最佳。
4 結(jié) 論
采用波長為1070 nm的光纖激光對藍(lán)寶石基片進(jìn)行切割加工，研究加工后的特征尺寸和微觀形貌，分析其加工機(jī)理以及不同工藝參數(shù)對藍(lán)寶石切割質(zhì)量的影響，得出以下結(jié)論：
1) 激光與N2相互作用，N2被擊穿以后形成等離子體；激光與等離子體的相互作用過程中，形成鑰匙孔現(xiàn)象；鑰匙孔的深度對藍(lán)寶石背面切割質(zhì)量影響較大；綜合考慮理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，激光能量密度選擇為 5.7~6.3×10^3J/cm2；
2) 根據(jù)激光切割速度與激光光斑重疊率的關(guān)系，以及對切割邊緣鋸齒狀的影響；重疊率較低時(shí)，光斑處于分離狀態(tài)，鋸齒狀較明顯，但是較小時(shí)，由于熱作用明顯導(dǎo)致崩邊較嚴(yán)重，所以切割速度為6 mm/s最佳；
3) 激光重復(fù)頻率較低時(shí)，激光與藍(lán)寶石的作用時(shí)間較長，背面崩邊嚴(yán)重，所以重復(fù)頻率選擇為1.8 kHz；
4) 在N2的輔助下，激光作用后在藍(lán)寶石下表面形成粉末碎屑，較易清除；輔助氣體的壓力對藍(lán)寶石背面掛渣量有較大影響，氣壓較小時(shí)，碎屑不易清除，氣壓較大時(shí)，容易形成渦流，不利于碎屑清除，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：輔助氣體壓力在0.9 MPa時(shí)為最佳。（作者：深圳光韻達(dá)光電科技股份有限公司 蔡志祥 高勛銀 楊 偉 孫智龍 葉玉梅）
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