激光背向濕式蝕刻加工藍(lán)寶石過程中光誘導(dǎo)氣泡和微射流流場分布研究.pdf

1、藍(lán)寶石具有硬度高、熔點(diǎn)高、耐磨性好、高溫下化學(xué)穩(wěn)定性好，光學(xué)穿透帶很寬等優(yōu)良性能，是第三代半導(dǎo)體材料GaN最重要的產(chǎn)業(yè)化襯底，也是制作智能手機(jī)攝像頭、保護(hù)屏等零部件的新材料，在工業(yè)、軍事、科研高科技領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用。激光背向濕式蝕刻加工具有熱影響區(qū)域小、加工質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，適合于對(duì)透明材料打孔、劃槽、切割，具有良好的應(yīng)用前景。激光背向濕式蝕刻加工過程中光致氣泡及微射流對(duì)加工有很大影響，液層高度設(shè)定在一定值時(shí)可以增強(qiáng)對(duì)藍(lán)寶石的蝕刻率，所

2、以有必要探討如何主動(dòng)利用微射流來輔助增強(qiáng)激光蝕刻加工效果。
　　本文對(duì)硫酸銅溶液中激光背向濕式蝕刻加工藍(lán)寶石過程中光誘導(dǎo)氣泡和微射流流場分布進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。首先，總結(jié)了激光濕式背向蝕刻藍(lán)寶石的意義及存在的問題、并介紹了國內(nèi)外對(duì)激光誘導(dǎo)氣泡實(shí)驗(yàn)和模擬仿真方面的研究現(xiàn)狀;其次，實(shí)驗(yàn)研究了加工過程中光誘導(dǎo)氣泡及微射流特性;再次，模擬仿真了不同液膜厚度條件下激光背向蝕刻藍(lán)寶石時(shí)激光誘導(dǎo)氣泡動(dòng)態(tài)特性和流場分布情況，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果對(duì)

3、光致氣泡、微射流對(duì)藍(lán)寶石加工的影響進(jìn)行了預(yù)測。最后，根據(jù)預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，并揭示了微射流增強(qiáng)效應(yīng)的機(jī)理，實(shí)驗(yàn)得到了加工質(zhì)量較好的微流道。主要研究方法和結(jié)論如下:
　　(1)通過高速攝影儀觀測液層高度H分別為10mm，3.75mm、2.5mm、1.25mm和0.45mm時(shí)激光背向濕式加工藍(lán)寶石過程中光致氣泡動(dòng)態(tài)特性及周圍流場分布。并在此基礎(chǔ)上探討了激光脈沖能量密度、溶液濃度對(duì)光誘導(dǎo)空泡動(dòng)態(tài)特性的影響，隨后研究了加工過程中光致氣

4、泡的行為。結(jié)果表明:液層高度為0.45mm時(shí)，氣泡在Y軸方向受到的限制最大;液層高度相同時(shí)，氣泡能達(dá)到的最大體積隨激光能量密度增大和硫酸銅溶液濃度的增大而增大;氣泡能達(dá)到的最大體積與液層高度是影響氣泡動(dòng)態(tài)特性的關(guān)鍵因素。激光燒蝕加工時(shí)，當(dāng)液層高度較小時(shí)，垂直向下的射流撞擊限制層會(huì)反射形成兩股支流，與氣泡左右兩邊傾斜向下的兩股射流相互作用，液體對(duì)流加快，有利于將集聚在液流中熱量帶到加工部位，減小蒸汽泡的形成，提高加工質(zhì)量;激光進(jìn)行線性掃描

5、時(shí)，由于射流沖擊刻槽前沿后射流強(qiáng)度減小，與激光移動(dòng)方向相同的射流強(qiáng)度明顯小于與激光移動(dòng)方向相反的射流強(qiáng)度。
　　(2)理論研究了激光誘導(dǎo)產(chǎn)生氣泡的機(jī)理，探索了激光與氣泡間的內(nèi)在聯(lián)系，并利用FLUENT軟件模擬仿真了不同液層高度下激光背向蝕刻藍(lán)寶石時(shí)氣泡和流場分布情況。結(jié)果表明:隨著液層高度的減小，氣泡在激光入射方向的最大直徑減小，氣泡較易在水平方向最大直徑處出現(xiàn)凹陷。H=0.45mm流場分布情況與H=10mm時(shí)流場分布情況的區(qū)別在

6、于:在氣泡膨脹的初始階段，有高速液流沖擊指向加工的藍(lán)寶石工件;在膨脹過程中，分布在氣泡與藍(lán)寶石加工工件之間的液體比在其他液層高度下的液流受到的擠壓更大;在氣泡的塌陷過程中，微射流形成于氣泡左右兩端，傾斜作用于待加工藍(lán)寶石表面。H=0.45mm的流場分布有利于液體在工件表面產(chǎn)生沉積層。此外，液層高度較小時(shí)，氣泡在塌陷過程中出現(xiàn)的最大壓強(qiáng)明顯大于其它情況，這有利于沖擊去除軟化的藍(lán)寶石材料，由此推測，液層高度減小到一定值時(shí)可以增加材料的去除率

7、，提高激光背向蝕刻藍(lán)寶石的質(zhì)量。
　　(3)采用單因素法分別利用掃描速度、掃描次數(shù)、液體濃度這些參數(shù)進(jìn)行了激光蝕刻藍(lán)寶石表面溝槽的工藝實(shí)驗(yàn)研究和表面微結(jié)構(gòu)的制造。采用激光共聚焦顯微鏡和掃描電子顯微鏡SEM檢測加工后表面形貌尺寸，利用能譜分析功能(EnergyDispersive Spectrometer，EDS)檢測不同液層高度下加工藍(lán)寶石材料表面的沉積層含量。結(jié)果表明:藍(lán)寶石的蝕刻深度隨著掃描次數(shù)的增大、溶液濃度的增大、液層高度

8、的減小而增大，由光學(xué)顯微鏡圖片和SEM檢測圖片可知，藍(lán)寶石在液層高度H=0.45 mm條件下加工比在液層高度H=10 mm條件下加工的質(zhì)量略好。由工件表面-液體接觸面溫度分布情況可知，在固液接觸面的液體的溫度低于藍(lán)寶石的熔點(diǎn)，材料在單個(gè)激光脈沖作用下被直接去除的幾率較小，前幾個(gè)脈沖作用主要是激活材料表面，并在材料表面產(chǎn)生沉積層，沉積層可以增加對(duì)激光的吸收，材料溫度達(dá)到熔點(diǎn)后被去除。EDS成分檢測結(jié)果表明，隨著液層高度的減小，刻槽表面沉積