激光解决金刚石的“硬脆”加工难题！助力半导体设备国产化进程

    激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”、“奇异的光”。它的亮度约为太阳光的100亿倍。六十年前，美国年轻的物理学家梅曼成功研制了人类历史上第一台激光器——红宝石激光器，每年的5月16日，激光的诞生日，被定为“国际光日”。目前，激光已经广泛应用于工业生产与日常生活。

伴随全球半导体市场的升级，国内设备厂商也迎来新的发展机遇。半导体设备作为国产化的核心领域，对于中国半导体产业链安全具有重大意义。近年来，多重因素影响下，本土设备厂商验证与导入速度也在加快。其中 “切割”领域成为关注亮点之一。尤其是晶圆切割，激光的发展将进一步助力我国半导体国产化进程。

激光切割

什么是激光切割

早在上世纪 70 年代，激光就被首次用于切割。在现代工业生产中，激光切割更被广泛应用于钣金，塑料、玻璃、陶瓷、半导体以及纺织品、木材和纸质等材料加工。

激光切割作为一种精密的加工方法，几乎可以切割所有的材料，包括薄金属板的二维切割或三维切割、石墨烯、碳纤维等薄膜材料以及碳化硅、金刚石等硬脆难加工材料。尤其是这几年激光切割在精密加工和微加工领域的应用获得实质的增长。

激光切割的简介和分类

激光切割是由激光器所发出的水平激光束经45°全反射镜变为垂直向下的激光束，后经透镜聚焦，在焦点处聚成一极小的光斑，光斑照射在材料上时，使材料很快被加热至汽化温度，蒸发形成孔洞，随着光束对材料的移动，并配合辅助气体（有二氧化碳气体，氧气，氮气等）吹走熔化的废渣，使孔洞连续形成宽度很窄的（如0.1 mm左右）切缝，完成对材料的切割。主要分为汽化切割、熔化切割、氧气切割、划片与控制断裂等几大类。目前常见的激光光源有五大类，气体激光器、固体激光器、半导体激光器、光纤激光器和染料激光器。其中在工业加工领域最常使用的就是CO2激光器和光纤激光器。

激光切割的原理

激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。激光切割属于热切割方法之一。许多参数都会影响激光切割过程，其中一些取决于激光器和机床的技术性能，而另一些是变化的。例如偏振度、焦点直径、焦点位置、激光功率、切割速度、工作模式、气体纯度和气压……

激光切割中常用的激光光源

在激光切割中常用到的几种光源，光纤（红光）、紫光（紫外）、绿光，不同的光源应用于不同的材料，跟据需加工材料的特性、材料的厚度、加工质量要求以及对激光光束质量、热影响要求越高的，对激光波段的吸收不一样，选用的激光切割机也会不同。比如说在切割铝基板、铜基板、陶瓷基板采用的是红外光纤激光器，与传统的金属激光切割一样，也是一次性成型，采用的是固定聚焦头模式，通常称为准直聚焦头。而切割玻纤布基板、复合基板、纸基板、树脂基板等材料时候采用的是紫外或绿光激光器，通过振镜扫描的模式一层层扫描剥离，形成切割。

光纤（红光）

光纤的波长为1064nm，具有高稳定性，而且精度高、运行速度快、加工成本低，激光功率更大，同时热影响也更大。可切割材料的种类多，适合大件产品的加工；

光纤适用材料：不锈钢板、铝基板、陶瓷基板、铜基板、PCB、陶瓷片、碳钢、铝合金、黄铜、紫铜、酸洗板、镀锌板、硅钢板、电解板、钛合金、锰合金等，适用于各种金属类材料切割；

绿光

绿光采用的是532nm波段激光，绿光相对光纤激光要稍好，热影响较小。它的光斑很小，焦距更短，属于冷加工模式，在精密切割加工方面有着不可代替的作用，尤其在线路板、玻璃，陶瓷，珠宝，眼镜等行业常常可以看到他们的身影。

绿光适用材料：覆盖膜、FPC软板、PCB软硬板、PET/PI/PP等柔性薄膜、超薄玻璃、陶瓷基板等材料精密切割；

紫外（紫光）

紫外采用的是355nm波段激光，这个波长的产品属于全能型的，它的光斑也很小，紫外激光是破坏材料分子键的加工模式热影响最小。由于特殊的UM波长，在传统加工领域有这个全能的称号，激光打标，激光切割，激光焊接都可以看到他的身影，光纤激光坐不了的，它可以做，C02不能加工的它也可以，在超波切割方面表现更是不俗，针对金属产品的微细 超薄切割方面可以做到无毛刺，整齐平滑，速度快捷，能耗低廉等优势。

紫光适用材料：覆盖膜、FPC软板、PCB软硬板、FPC辅材、超薄金属、陶瓷、高分子材料、树脂、硅片、PET/PI/PP膜、胶膜、铜箔、防爆膜、电磁膜、索尼胶等各类柔性薄膜……

 

激光加工金刚石

 

激光解决金刚石的“硬脆”加工难题

金刚石，作为一种重要的“碳材料”，具有宽光谱透射性、低热膨胀系数、高机械强度，高耐热冲击热性，低散射，高激光诱导损伤阈值，低吸收，高拉曼增益系数和高导热性等优异特性的结合，为光学应用（如激光）提供了卓越的优势。

与此同时，金刚石具有高硬度、高耐磨性、高导热率等特性，在硬质刀具、高功率光电散热、光学窗口以及人造钻石等领域有着很好的应用。另外，金刚石半导体具有优于其他半导体材料的出色特性，因此被誉为“终极功率半导体”。基于业界长期的研发活动，如今金刚石半导体已经开始逐步迈向实用化。然而，金刚石作为硬脆难加工材料的典型代表，目前，切割金刚石的主要方式有水刀切割、电火花切割和激光切割。

激光切割的过程为脉冲激光与金刚石表面的二级作用，光子以双光子或多光子的方式与金刚石晶格作用，首先高功率激光束使材料聚焦处表面发生石墨化，之后石墨化的表面在下一束脉冲激光的作用下石墨化表面升华。从原理上可以看出，激光切割具有较其他方式独特的优势，即无接触式加工、效率高、切缝小、热影响区域小等优点，是最理想的金刚石加工方法之一。