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(qiáng)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(yù)熱噴涂和超聲波表面處理，則由于產(chǎn)生的殘余應(yīng)力裂縫、碎裂、邊緣破碎和微裂紋，已不能適應(yīng)導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)Φ统杀?、高精度和高效率產(chǎn)品的需求。在此基礎(chǔ)上，研究了對(duì)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(rèn)為激光微處理技術(shù)是進(jìn)行脆性金屬材料精細(xì)處理的核心技術(shù)。

1 分離脆性材料的激光微細(xì)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(shí)間內(nèi)熔融并氣化，進(jìn)而再利用激光束的運(yùn)動(dòng)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(duì)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(duì)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(huì)影響凹槽邊緣的形狀。高脈沖激光器價(jià)格昂貴，高加工成本的多通道切割會(huì)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(yīng)用前景不容樂觀。通過使用兩臺(tái)同步激光器（一臺(tái)低功率散焦激光器加熱脆性材料形成狹縫尖端，另一臺(tái)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(shí)，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(yùn)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(xué)模型。結(jié)果顯示，由于激光輸出功率過大，曲線剪切時(shí)的溫度梯度過大。認(rèn)為熱應(yīng)力才是形成切向斷裂的最主要因素。到目前為止，中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)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(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，切削產(chǎn)品質(zhì)量仍亟待進(jìn)一步提高，特別是斷裂的產(chǎn)生與消除機(jī)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(zhǔn)分子激光（ARF 激光器）中具有短波長(zhǎng)和短脈沖，但對(duì)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(gè)技術(shù)的不足之處在于準(zhǔn)分子激光器昂貴，加工成本昂貴。

1.2 激光誘導(dǎo)張應(yīng)力控制裂紋技術(shù)

19世紀(jì)70年代，Lumley 等人最早提出了使用激光誘導(dǎo)應(yīng)力法來抑制斷裂擴(kuò)展和分離脆性材料的觀點(diǎn)。通過利用在激光范圍內(nèi)快速升溫和冷卻形成的拉伸應(yīng)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(shí)驗(yàn)中所用的激光能量遠(yuǎn)低于燒蝕激光和劃痕激光，而且切割速率也相當(dāng)快。所以，在脆性金屬材料處理中具有很大的應(yīng)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(jìn)了脆性材料的冷卻，以便于形成更大的拉伸應(yīng)力。這就給利用激光控制裂紋擴(kuò)展和剝離工藝的研制帶來了新的活力。而從那時(shí)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(yù)熱曲線、超聲波和氣動(dòng)裝置分離脆性材料。通過超聲波熱裂紋擴(kuò)展控制，實(shí)現(xiàn)了20 mm 厚玻璃的分離。通過研究微裂紋擴(kuò)展規(guī)律，控制激光誘導(dǎo)的拉伸應(yīng)力和脆性材料的分離，將該方法應(yīng)用于切割陶瓷材料，并用激光形成預(yù)切槽或預(yù)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(gè)點(diǎn)應(yīng)用到LCD 玻璃上。由于三點(diǎn)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(yīng)力。當(dāng)在激光掃描過程中的熱膨脹形成壓縮應(yīng)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(huì)形成拉應(yīng)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(shí)，最大的剪切速率約為115 mm/s，而玻璃的分裂曲線也是不對(duì)稱的。原因是在曲線的拐角處存在應(yīng)力聚集現(xiàn)象，這就成為了斷裂擴(kuò)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(kuò)展曲線來測(cè)量脆性金屬材料的剪切拉伸應(yīng)力，這也是一個(gè)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(dǎo)體切割主要應(yīng)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(cuò)誤差，對(duì)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(yīng)用激光束帶技術(shù)在GaN襯底上產(chǎn)生（1000）個(gè)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(yīng)用，從有源到廉價(jià)的塑料薄膜，已成為近年來的研究熱點(diǎn)。鉆孔和其他設(shè)備使用準(zhǔn)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(zhǔn)分子激光器的薄膜晶體管被準(zhǔn)分子激光器輻射時(shí)，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(jī)溶劑消除水溶性 粘合劑，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xué)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(yīng)。但因?yàn)槎嗑Ч桦姵馗材ぴ诟邷叵碌臒崤蛎浵禂?shù)不同于不銹鋼覆膜，所以假設(shè)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(shè)備可靠性是制造低啟動(dòng)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(jìn)措施

2.1 存在的問題與改進(jìn)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(cè)到。而目前對(duì)裂縫產(chǎn)生機(jī)制的研究仍停留于定性描述上，由于能重復(fù)使用的切削速率相對(duì)較小。隨著激光能量從水中的吸收，在水下切削時(shí)會(huì)引起激光功率上升，從而損害了設(shè)備的工作性能。因此激光誘導(dǎo)拉伸應(yīng)力控制微裂紋的技術(shù)擴(kuò)展，為脆性金屬材料的無縫切削創(chuàng)造了一個(gè)新方式。同時(shí)由于切削速度降低，還需要一種更復(fù)雜的在線裂紋檢測(cè)系統(tǒng)，所以若要進(jìn)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(jī)理，通過構(gòu)建各種脆性材料激光剝離數(shù)據(jù)庫(kù)，就必須深入研究脆性材料的可加工性與失效機(jī)制，為構(gòu)建有限元模型提出了合理的參考。通過構(gòu)建對(duì)實(shí)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(shí)工作效率低、產(chǎn)品質(zhì)量低、生產(chǎn)成本高的狀況，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光作用區(qū)加熱溫度的即時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)和裂紋在線檢測(cè)系統(tǒng)。激光鏈工藝已被認(rèn)為是生產(chǎn)大規(guī)模GaN 薄膜的一個(gè)有效的無破壞性和自支撐技術(shù)，同時(shí)激光和GaN共同作用對(duì)表面粗糙度和光電特性的影響也值得進(jìn)一步研究。當(dāng)Gan 進(jìn)行激光剝離后，尤其當(dāng)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(diǎn)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(dāng)用激光掃描藍(lán)寶石系統(tǒng)的GalN 層表面時(shí)，聚砜樹脂可以用來降低對(duì)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(shí)，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(gè)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(shí)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(diǎn)。與國(guó)外相比，我國(guó)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(guó)半導(dǎo)體工業(yè)的制造水平，有必要加強(qiáng)脆性材料激光分離的研究。近年來，短波長(zhǎng)、短脈沖激光的發(fā)展降低了激光對(duì)材料的熱效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了低溫成型，實(shí)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(shí)驗(yàn)室研究階段，其廣泛應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。然而，根據(jù)科學(xué)家們的聯(lián)合研究，激光分離技術(shù)將CAD/CAM 技術(shù)與機(jī)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(lǐng)域的獨(dú)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(gè)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(yīng)用的需要，切割設(shè)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(duì)稱性，材料的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)是對(duì)稱的，并沿對(duì)稱線導(dǎo)出最大溫度和最大拉伸應(yīng)力。

在激光掃描的材料區(qū)域，溫度迅速上升到最大值。此時(shí)，材料處于熱膨脹和壓縮應(yīng)力狀態(tài)。在遠(yuǎn)離激光點(diǎn)的地方，由于熱傳導(dǎo)和對(duì)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(yīng)力。不同的熱源條件會(huì)影響溫度場(chǎng)、電壓場(chǎng)和連續(xù)切削條件。如果溫度場(chǎng)和電壓場(chǎng)的參數(shù)不同，則它們與激光場(chǎng)的參數(shù)相同。隨著厚度的增加，溫度降低，最大拉伸應(yīng)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。