胡柳平，陈 燕，冯建华，陆云波，江成平

（深圳市吉祥云科技有限公司，广东深圳 518000）

硅、玻璃、陶瓷和石英等金属易碎产品，由于低膨胀、高强度、高硬度以及良好的光电特性。而常规的金属切削工艺，如金刚石砂轮切削、金属预热喷涂和超声波表面处理，则由于产生的残余应力裂缝、碎裂、边缘破碎和微裂纹，已不能适应导体领域对低成本、高精度和高效率产品的需求。在此基础上，研究了对脆性金属材料的非接触加工、微热裂纹处理、间隙工艺、无碎片处理和柔性工艺，认为激光微处理技术是进行脆性金属材料精细处理的核心技术。

1 分离脆性材料的激光微细加工技术

1.1 激光烧蚀切割技术

脆性金属材料的激光烧蚀切割，是利用激光束产生的大密度热能在短时间内熔融并气化，进而再利用激光束的运动形成渣块而产生凹槽的激光烧蚀分离过程。所以，它被广泛用来切削薄而脆的金属材料。但是，对脆性或断裂材料的激光烧蚀却很易在缺口处产生热裂纹，材料硬度明显下降。在高能激光功率和低切削速度下，材料表面不存在裂纹，不能充分反映切削工艺参数对切削质量的影响。研究人员仍在经历激光烧蚀切割的无缝疲劳，通过脉冲激光或多通道切割减少和消除裂纹的方法。然而，如果激光功率与切割表面材料磨损产生的边缘裂纹和熔渣一样高，切割质量将降低。由于激光能量密度高，基板上仍保留有一层固化层，这会影响凹槽边缘的形状。高脉冲激光器价格昂贵，高加工成本的多通道切割会降低单通道激光器的切割性能，但切割速度大大降低，工业应用前景不容乐观。通过使用两台同步激光器（一台低功率散焦激光器加热脆性材料形成狭缝尖端，另一台聚焦激光器沿狭缝切割脆性材料），可以有效提高激光作用范围的温度均匀性，它可以减少裂缝的形成，在150 W 以下切割厚度为2.54 mm 的陶瓷时，切割速度增加到6.86 mm/s。采用最佳激光切割参数，氧气切割厚度为95 mm 的陶瓷板，并运用回归分析技术，构建了激光加工参数、材料厚度与间隙宽度之间的关系数学模型。结果显示，由于激光输出功率过大，曲线剪切时的温度梯度过大。认为热应力才是形成切向断裂的最主要因素。到目前为止，中国国内对激光切割工艺参数和切削产品质量的研究已获得了部分成果，但激光切割关键技术仍处在实验室研发阶段，切削产品质量仍亟待进一步提高，特别是断裂的产生与消除机制。

以往的研究表明，激光切割裂纹的主要原因是材料过热、激光烧蚀聚合和基体污染。激光分离脆性材料作为一种新的脆性材料切割方法，被称为无缝切割。激光烧蚀和水浴切割硅片过程中产生的激光烧蚀在准分子激光（ARF 激光器）中具有短波长和短脉冲，但对切割脆性金属材料基本没有热作用。把普通的球面镜片转换成普通镜片，极大地提高了激光切削的效率。但是，这个技术的不足之处在于准分子激光器昂贵，加工成本昂贵。

1.2 激光诱导张应力控制裂纹技术

19世纪70年代，Lumley 等人最早提出了使用激光诱导应力法来抑制断裂扩展和分离脆性材料的观点。通过利用在激光范围内快速升温和冷却形成的拉伸应力，人们可以更有效地沿着激光的传播路线剥离陶瓷等脆性材料。实验中所用的激光能量远低于烧蚀激光和划痕激光，而且切割速率也相当快。所以，在脆性金属材料处理中具有很大的应用前景。为逐步减小激光功率，降低热损伤范围，增加分离速率，人们利用水冷式系统促进了脆性材料的冷却，以便于形成更大的拉伸应力。这就给利用激光控制裂纹扩展和剥离工艺的研制带来了新的活力。而从那时起，取得了专利权，以提高控制激光热裂纹以分离脆性材料的效率。激光通过预热曲线、超声波和气动装置分离脆性材料。通过超声波热裂纹扩展控制，实现了20 mm 厚玻璃的分离。通过研究微裂纹扩展规律，控制激光诱导的拉伸应力和脆性材料的分离，将该方法应用于切割陶瓷材料，并用激光形成预切槽或预切槽。分离后的陶瓷端部没有裂纹和碎片，非常光滑。激光功率在50 W 的情况下，由于切割速度太低1～3mm/s，无法有效分离LCD 玻璃，如图1所示，通过水冷系统和弯矩将三个点应用到LCD 玻璃上。由于三点弯曲力矩将液晶玻璃板沿厚度方向弯曲至规定偏差，因此在激光散焦加热玻璃板之前，表面上提前产生拉伸应力。当在激光扫描过程中的热膨胀形成压缩应力后，在激光加热区中经过水冷喷嘴的迅速冷却。在这种情形下，由于激光加热区的高速冷却和凝聚会形成拉应力。而通过水冷系统控制微裂纹的延伸和分裂，得到了液晶玻璃的最大边缘质量。在激光输出功率为50 W 时，最大的剪切速率约为115 mm/s，而玻璃的分裂曲线也是不对称的。原因是在曲线的拐角处存在应力聚集现象，这就成为了断裂扩展中的一条分支线。为理解并控制在玻璃激光切削中断裂的产生过程，使用了有限元分析软件构建了玻璃激光切削的数值模拟。目前，还没有通过微裂纹扩展曲线来测量脆性金属材料的剪切拉伸应力，这也是一个很适合于线性激光切割的模式。

图1 激光分离LCD玻璃示意图

1.3 激光剥离技术

宽带隙导体切割主要应用在光二极体和激光高压二极管等光电子器件中，由于GaN 衬底有很大的晶格差别，因此异质外延发展晶态结构中的大密度位错误差，对GamN 的光电特性有很大影响。主要介绍了GaN 基电子器件的散热特性；另外，在制备Gan器件的电极也非常困难。近年来，由于采用激光束工艺生产的大面积GaN 薄膜，受到了人们普遍重视。

到目前为止，已成功应用激光束带技术在GaN衬底上产生（1000）个区域。基于同样的原理，多晶硅薄膜低温转移技术在液晶显示器玻璃基板上的应用，从有源到廉价的塑料薄膜，已成为近年来的研究热点。钻孔和其他设备使用准分子激光器在低于425 ℃的温度下将低温多晶硅膜从玻璃基板上分离，然后，把晶体管转移薄膜粘接在水溶性 粘合剂的初始转移基板上。在准分子激光器的薄膜晶体管被准分子激光器辐射时，在其与初始衬底的边界处溶解，并且薄膜晶体管和初始衬底完全脱离。在带有水不溶性胶粘剂的覆层晶体管数量的末端，用酒精丙酮等有机溶剂消除水溶性 粘合剂，可以实现对结晶薄膜和二次转移基板之间的剥离，即由晶体薄膜到塑料层基板之间的剥离过程。由于橡胶薄膜和玻璃基板的完全不同，化学腐蚀能力受到限制。而且和传统CMOS 工艺的相容性也不好。所以，研制人员把工作重心放到了金属箔上。而近年来，不锈钢材料薄板以其优异的耐液体和气渗透性，及其在900℃和快速退火高温下保持形状的能力，而引起了广泛重视。制备了不锈钢材料薄膜迁移率的效应。但因为多晶硅电池覆膜在高温下的热膨胀系数不同于不锈钢覆膜，所以假设掺氢非晶硅覆膜更适合于不锈钢材料覆膜。然而，在金属箔上生产有源液晶薄膜晶体管也带来了金属污染的问题。因此，降低金属污染、提高设备可靠性是制造低启动电压、高迁移率金属薄膜晶体管的瓶颈。

2 激光分离脆性材料改进措施

2.1 存在的问题与改进措施

在激光切削过程中，余孔材料中的微裂纹通常很难观测到。而目前对裂缝产生机制的研究仍停留于定性描述上，由于能重复使用的切削速率相对较小。随着激光能量从水中的吸收，在水下切削时会引起激光功率上升，从而损害了设备的工作性能。因此激光诱导拉伸应力控制微裂纹的技术扩展，为脆性金属材料的无缝切削创造了一个新方式。同时由于切削速度降低，还需要一种更复杂的在线裂纹检测系统，所以若要进行脆性材料的快捷高效剥离，尤其是要掌握脆性材料的激光分离机理，通过构建各种脆性材料激光剥离数据库，就必须深入研究脆性材料的可加工性与失效机制，为构建有限元模型提出了合理的参考。通过构建对实际剥离流程的三维仿真，从根本上有效缓解了使用最佳的加工参数精密加工脆性材料时工作效率低、产品质量低、生产成本高的状况，并实现了对激光作用区加热温度的即时检测系统和裂纹在线检测系统。激光链工艺已被认为是生产大规模GaN 薄膜的一个有效的无破坏性和自支撑技术，同时激光和GaN共同作用对表面粗糙度和光电特性的影响也值得进一步研究。当Gan 进行激光剥离后，尤其当Gan 变脆、凹陷后，更易于断裂。所以，保证GaN 的安全性成为重大的支撑，GaN 成为制备研究中的重点课题。优化工艺，如均匀的能量密度以及高于阈值的激光束能量密度，可以来避免在GalN 覆膜中的断裂。当用激光扫描蓝宝石系统的GalN 层表面时，聚砜树脂可以用来降低对GalN 层界面因压力而产生的温度变化。矽层或玻璃版可以以特定速度和柔性 粘合剂（如丙烯酸胶）粘接。同时，矽或玻璃板也能够对GaN层表面提供支持，从而提高了GaN 层的表面完整性。利用塑料薄膜低温切割技术生产多晶硅薄膜晶体管存在三个问题。其次，由于掺杂剂在低温下没有完全激活，塑料薄膜在加热时容易膨胀，并且无法通过光刻形成精确的电路图案。

2.2 激光分离技术的展望

不同的激光加工技术各有优缺点。与国外相比，我国在脆性材料激光分离方面的投资和研究还有很大差距。因此，为了提高我国半导体工业的制造水平，有必要加强脆性材料激光分离的研究。近年来，短波长、短脉冲激光的发展降低了激光对材料的热效应，实现了低温成型，实现了材料的无害化、无裂纹剥落。脆性材料的激光分离仍处于实验室研究阶段，其广泛应用还有很长的路要走。然而，根据科学家们的联合研究，激光分离技术将CAD/CAM 技术与机器人技术相结合，打开在微生物芯片和微电子系统领域的独特空间。

3 结束语

脆性材料的高硬度、高脆性和低断裂韧性增加了加工难度，切削是加工脆性材料的一个重要过程。其主要要求是高质量、高效率、低成本、狭窄的切割空间（材料利用率高）和无环境污染。由于应用的需要，切割设备和切割技术的研究受到了广泛关注。沿着激光切割的对称性，材料的温度场和应力场是对称的，并沿对称线导出最大温度和最大拉伸应力。

在激光扫描的材料区域，温度迅速上升到最大值。此时，材料处于热膨胀和压缩应力状态。在远离激光点的地方，由于热传导和对流，材料的温度迅速下降，材料从快速膨胀变为收缩，产生巨大的拉伸应力。不同的热源条件会影响温度场、电压场和连续切削条件。如果温度场和电压场的参数不同，则它们与激光场的参数相同。随着厚度的增加，温度降低，最大拉伸应力减小。如果速度不变，激光功率与材料厚度成正比，而在激光功率不变的情况下，激光连续切割速度范围与材料厚度成反比。