微纳悬浮颗粒与光诱导微射流辅助激光背面湿式切割蓝宝石基片的机理和方法研究

Aiming for achieving of form dicing, reducing the processing surface damage and processing cost of sapphire substrates, a new laser-induced backside wet dicing method assisted by micro-nano suspended particles and laser-induced microjet is provided. Tunable pulsed fiber laser with high beam quality is employed to dice the sapphire substrate with high quality surface by comprehensive consideration of photochemistry, hydrodynamics and thermodynamics. Firstly, we develop the working solution with micro-nano suspended particles and analyze the reaction mechanism. Secondly, we conduct the study on the enhancement effects by laser-induced bubbles and microjet，the influence on the laser wet dicing by the micro-fluids pressure & acoustic-optical signals through on-line detection, and the theoretical model of laser interaction with multiple layer materials. Finally, we analyze the laser-induced backside wet dicing technical rules and optimize the laser wet dicing technology system. The immanent mechanism of enchainment effects on the laser dicing assisted by micro-nano suspended particles and laser-induced microjet are revealed. Research results are favorable for forming the theoretical basis of laser micro-processing and providing technique support for electronic & information industry.

针对蓝宝石基片成形切割难、易损伤和成本高等问题，本项目提出一种微纳悬浮颗粒与光诱导微射流辅助激光背面湿式切割蓝宝石基片的新方法。采用光束质量好和脉宽可调谐的脉冲光纤激光器，综合运用激光诱导光化学、激光诱导微射流的冲击及激光热的协同作用，获得高效加工的高质量表面，实现对蓝宝石基片的成形切割。研究微纳悬浮颗粒工作液体的制备及其作用机制，研究激光诱导气泡和微射流增强效应产生的作用机理，检测激光背面湿式切割过程的声发射与微射流压力信号及其对加工过程影响机制，研究激光背面湿式切割蓝宝石的材料去除机理模型，研究低损伤激光背面湿式成形切割工艺机制，优化激光背面湿式切割工艺系统，揭示微纳颗粒与光诱导微射流辅助增强激光背面湿式切割效果的内在机制。项目的研究成果为形成一种新的激光微细加工方法和理论奠定基础，为我国电子信息产业发展提供技术支持。

项目针对蓝宝石基片成形切割难、易损伤和成本高等问题，提出一种微纳悬浮颗粒与光诱导微射流辅助激光背面湿式切割蓝宝石基片的新方法。采用波长1064nm的MOPA脉冲光纤激光器，工作液体由硫酸铜、次磷酸钠、氨水和PH调节剂组成，微纳颗粒来源于化学反应过程。实验和模拟仿真了激光诱导气泡动态特性和流场分布情况，激光诱导产生的温和气泡主要是由于激光辐照微米悬浮颗粒而产生的，其持续时间和最大尺寸小于硫酸铜溶液。沉积层的形成主要基于激光诱导的光化学反应，其成分为硫酸铜、氢氧化铜和氧化铜。含有微纳悬浮颗粒的工作液体可以提高蓝宝石对激光的吸收率，促进沉积层的形成，微射流及其冲击作用可以使得微纳颗粒充分悬浮，带走加工产生的碎屑、更新加工作区域的工作液体，起到辅助增强的作用。建立了激光与蓝宝石--沉积层--液层的多介质层物理模型，考虑了热物理参数随温度变化、相变和潜热的影响。创新性的采用高频动态压力检测法检测到激光背向湿式刻蚀过程中的压力信号，获得了激光诱导产生的空泡和压力特性与蓝宝石基片加工质量的关系，压力源主要是等离子体冲击波产生的压力以及空泡脉动过程产生的压力，脉冲压力幅值的大小主要取决于激光能量密度，而激光频率主要影响脉冲压力的时域特性。声发射信号的参数特征分析显示激光背面刻蚀蓝宝石时，声发射事件少，幅度较大，能量计数比较大，撞击计数较小。当部分刻穿时，声发射事件逐渐增多，幅度减小，能量计数基本降为零，撞击计数开始大幅增加。研究了脉冲宽度、能量密度、扫描速度、扫描路径、磁力搅拌速度等参数对刻槽尺寸以及刻槽表面形貌的影响规律，综合运用激光诱导光化学、激光诱导微射流的冲击及激光热的协同作用，采用优化的激光背面湿式切割工艺参数实现了蓝宝石基片的成形微细切割，研究成果还拓展应用到玻璃等其他透明材料，实现了硬脆透明材料的微细切割、微细图案、微电路、微流控的应用。