1 引 言
藍寶石具有高耐磨性、高硬度和優(yōu)良的熱傳導性、電絕緣性、化學性能穩(wěn)定等優(yōu)異的物理、化學特點，被廣泛地應(yīng)用于高端智能手機、平板電腦、平板電視等電子顯示行業(yè)領(lǐng)域。由于藍寶石是硬脆性材料，傳統(tǒng)的機械加工存在易產(chǎn)生裂紋、碎片、分層、崩邊、邊緣破裂和刀具易磨損等缺陷，又由于藍寶石化學穩(wěn)定性較好，使得傳統(tǒng)的化學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，對藍寶石晶片進行切割，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行切割。通常用于藍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；由于藍寶石對1070 nm Nd∶YAG紅外激光的吸收率很低，要加工藍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、重凝嚴重等現(xiàn)象；目前紫外激光( λ =355 nm)切割藍寶石基片時，由于激光功率較低且焦深較短，藍寶石去除率較低，只能通過多次切割的同時焦點位置不斷改變才能實現(xiàn)藍寶石的切割，這樣使得采用紫外激光器切割藍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)合保護氣體對藍寶石晶片進行切割，并對切割過程中工藝參數(shù)的影響規(guī)律進行分析。
2 實驗裝置和材料
實驗裝置如圖1所示，激光經(jīng)過光纖傳導到準直鏡后通過聚焦鏡， 最終在焦平面獲得直徑為20μm的激光光斑；自動控制系統(tǒng)控制移動平臺能在X，Y方向移動。實驗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。
實驗樣件為光學級C-面(0001)藍寶石基片，直徑2 inches(1 inch=2.54 cm)、厚度0.31 mm。具體藍寶石基片的熱學性能參數(shù)見表1。
實驗前對樣件依次進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；實驗后同樣需要嚴格的清洗：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行觀察。
3 結(jié)果與討論
3.1 激光能量密度對藍寶石加工質(zhì)量的影響
圖2表示的是激光能量密度對激光切割藍寶石崩邊尺寸的影響，激光重復頻率為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頻率對其進行調(diào)整，并且在激光能量密度增加到一定大小時，正面崩邊尺寸達到飽和。這是因為當激光脈沖能量密度達到去除閾值后，鋸齒形狀逐漸趨近于光斑輪廓；能量密度繼續(xù)增加，在脈沖的作用時間內(nèi)，材料的熱擴散以及等離子體的形成使得材料表面的去除量增加，形成的鋸齒有擴大趨勢。
圖4表示的是激光能量密度對藍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，所以在保證藍寶石能被切穿的同時降低激光功率對藍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重，且不易清除。若適當增大激光能量可使得藍寶石背面熔融材料成為粉末狀，從而可以改變藍寶石背面切割效果，故激光能量密度在5.7~6.3 ×10^3J/cm2為最佳。
當激光照射藍寶石表面時，透過保護氣體的高斯光斑使藍寶石表面迅速升溫，為了簡化藍寶石材料加熱過程的理論分析，熱模型進行了以下假設(shè)，藍寶石是均勻且熱物理性質(zhì)各向同性的材料，藍寶石的光學和熱力學參數(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，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( )為高斯補誤差函數(shù)的一次積分值，τ為脈寬(s)，D為熱擴散率(m2/s)，A為吸收率，k為熱導率(W/m/K)，t為時間(s)，F(xiàn)為激光功率密度(J/cm2)，z為遠離上表面的距離(μm)。
在激光脈沖的起始段，激光作用于藍寶石表面，使得藍寶石的狀態(tài)發(fā)生一定的變化，改變了晶體表面的吸收系數(shù)，藍寶石對激光束能量的吸收迅速增加。當表面溫度達到一定溫度時，藍寶石被熔化甚至氣化，藍寶石表面溫度隨時間變化如圖5所示。導致氣體溫度的迅速上升，甚至使氣體電離，經(jīng)計算實驗采用的激光功率密度可到10^4J/cm2數(shù)量級。如圖5所示，在能量密度為1.24×10^4J/cm2，作用時間為7μs時就能達到藍寶石的熔點，在作用時間為14μs時達到藍寶石的氣化溫度，隨后對激光的吸收會使藍寶石基片表面產(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。所以當激光能量密度達到藍寶石氣化閾值后，通過增加激光功率來改變正面的鑰匙孔現(xiàn)象進而減少鋸齒狀并不明顯。并且在強激光作用下形成一個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大大增加，進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部分對藍寶石進行切割，在靠近藍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寶石更多地去除，這也造成正面邊緣鋸齒狀變得嚴重，在背面邊緣處溫度過高， 熱應(yīng)力梯度過大，造成崩邊更加嚴重。
圖6 是激光切割藍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)過計算，兩個鑰匙孔之間的間距為兩個脈沖的間距。
激光加工出的鑰匙孔尖端部分是熔渣形成部分，同時也是材料的熱應(yīng)力集中區(qū)，對于藍寶石試樣厚度大于鑰匙孔深度的情況下，深處的熱應(yīng)力會很大，使得藍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，則無法實現(xiàn)切割。需要適當增大激光功率，使得鑰匙孔尖端超出藍寶石的下表面，且使用圖7中b部分對藍寶石進行切割。
3.2 激光切割速度對藍寶石加工質(zhì)量的影響
圖8表示的是激光切割速度對激光切割藍寶石崩邊尺寸的影響，激光重復頻率為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，考慮到前激光脈沖與藍寶石材料間的熱積累影響，故對激光切割速度對藍寶石加工質(zhì)量的影響進行研究。切割速度直接影響了激光與材料間的相互作用時間。當切割速度增加時，作用時間減小，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，激光脈沖在藍寶石表面的作用時間越長，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。當速度為6 mm/s時，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 重復頻率對藍寶石加工質(zhì)量的影響
圖11表示的是激光重復頻率對激光切割藍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，由于重復頻率過高會使激光能量密度降低，當降低到一定程度后，藍寶石的穿透性切割較為困難，作用時間影響材料受熱應(yīng)力的影響造成的崩邊現(xiàn)象。重復頻率較高，激光單脈沖能量將會降低，邊緣的熱積累減小，對藍寶石去除率有所降低，故重復頻率選為0.7~2.1 kHz。
從圖11中可以看出，重復頻率的變化，正面崩邊尺寸存在一定的小波動，基本上在3~5μm；從圖12可以看出，背面崩邊影響較大，在重復頻率為1.8 kHz時，崩邊尺寸達到最低，達到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，當重復頻率過高時，溫度積累過多，造成損傷擴大化，進而造成崩邊現(xiàn)象嚴重，故激光重復頻率在1.6~1.8 kHz為最佳。
3.4 輔助氣體壓力對藍寶石加工質(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對激光產(chǎn)生等離子體屏蔽效應(yīng)，而屏蔽的效果與保護氣體的第一電離能存在著一定的關(guān)系，保護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，N2相對較低，因而藍寶石對激光的能量吸收較強，藍寶石表面的等離子的溫度高，激光與等離子體作用，使藍寶石晶體表面溫度過高迅速氣化甚至爆沸，脫離藍寶石基體并使藍寶石冷卻的液體回落到藍寶石表面形成粉末。
圖13表示的是輔助氣體壓力對激光切割藍寶石崩邊尺寸的影響，激光重復頻率為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。適當增大氣體壓力，由于氣流動量增大，可提高排渣能力，進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。實驗結(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，會在藍寶石表面形成渦流，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的光纖激光對藍寶石基片進行切割加工，研究加工后的特征尺寸和微觀形貌，分析其加工機理以及不同工藝參數(shù)對藍寶石切割質(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；鑰匙孔的深度對藍寶石背面切割質(zhì)量影響較大；綜合考慮理論與實驗結(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，光斑處于分離狀態(tài)，鋸齒狀較明顯，但是較小時，由于熱作用明顯導致崩邊較嚴重，所以切割速度為6 mm/s最佳；
3) 激光重復頻率較低時，激光與藍寶石的作用時間較長，背面崩邊嚴重，所以重復頻率選擇為1.8 kHz；
4) 在N2的輔助下，激光作用后在藍寶石下表面形成粉末碎屑，較易清除；輔助氣體的壓力對藍寶石背面掛渣量有較大影響，氣壓較小時，碎屑不易清除，氣壓較大時，容易形成渦流，不利于碎屑清除，實驗結(jié)果表明：輔助氣體壓力在0.9 MPa時為最佳。（作者：深圳光韻達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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