激光是20世紀(jì)以來，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”、“奇異的光”。它的亮度約為太陽光的100億倍。六十年前，美國年輕的物理學(xué)家梅曼成功研制了人類歷史上第一臺激光器——紅寶石激光器，每年的5月16日，激光的誕生日，被定為“國際光日”。目前，激光已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)與日常生活。 伴隨全球半導(dǎo)體市場的升級，國內(nèi)設(shè)備廠商也迎來新的發(fā)展機(jī)遇。半導(dǎo)體設(shè)備作為國產(chǎn)化的核心領(lǐng)域，對于中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈安全具有重大意義。近年來，多重因素影響下，本土設(shè)備廠商驗(yàn)證與導(dǎo)入速度也在加快。其中 “切割”領(lǐng)域成為關(guān)注亮點(diǎn)之一。尤其是晶圓切割，激光的發(fā)展將進(jìn)一步助力我國半導(dǎo)體國產(chǎn)化進(jìn)程。
什么是激光切割
早在上世紀(jì) 70 年代，激光就被首次用于切割。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，激光切割更被廣泛應(yīng)用于鈑金，塑料、玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體以及紡織品、木材和紙質(zhì)等材料加工。 激光切割作為一種精密的加工方法，幾乎可以切割所有的材料，包括薄金屬板的二維切割或三維切割、石墨烯、碳纖維等薄膜材料以及碳化硅、金剛石等硬脆難加工材料。尤其是這幾年激光切割在精密加工和微加工領(lǐng)域的應(yīng)用獲得實(shí)質(zhì)的增長。 激光切割的簡介和分類 激光切割是由激光器所發(fā)出的水平激光束經(jīng)45°全反射鏡變?yōu)榇怪毕蛳碌募す馐蠼?jīng)透鏡聚焦，在焦點(diǎn)處聚成一極小的光斑，光斑照射在材料上時，使材料很快被加熱至汽化溫度，蒸發(fā)形成孔洞，隨著光束對材料的移動，并配合輔助氣體（有二氧化碳?xì)怏w，氧氣，氮?dú)獾龋┐底呷刍膹U渣，使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的（如0.1 mm左右）切縫，完成對材料的切割。主要分為汽化切割、熔化切割、氧氣切割、劃片與控制斷裂等幾大類。目前常見的激光光源有五大類，氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器、光纖激光器和染料激光器。其中在工業(yè)加工領(lǐng)域最常使用的就是CO2激光器和光纖激光器。 激光切割的原理 激光切割是利用經(jīng)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、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)將工件割開。激光切割屬于熱切割方法之一。許多參數(shù)都會影響激光切割過程，其中一些取決于激光器和機(jī)床的技術(shù)性能，而另一些是變化的。例如偏振度、焦點(diǎn)直徑、焦點(diǎn)位置、激光功率、切割速度、工作模式、氣體純度和氣壓…… 激光切割中常用的激光光源 在激光切割中常用到的幾種光源，光纖（紅光）、紫光（紫外）、綠光，不同的光源應(yīng)用于不同的材料，跟據(jù)需加工材料的特性、材料的厚度、加工質(zhì)量要求以及對激光光束質(zhì)量、熱影響要求越高的，對激光波段的吸收不一樣，選用的激光切割機(jī)也會不同。比如說在切割鋁基板、銅基板、陶瓷基板采用的是紅外光纖激光器，與傳統(tǒng)的金屬激光切割一樣，也是一次性成型，采用的是固定聚焦頭模式，通常稱為準(zhǔn)直聚焦頭。而切割玻纖布基板、復(fù)合基板、紙基板、樹脂基板等材料時候采用的是紫外或綠光激光器，通過振鏡掃描的模式一層層掃描剝離，形成切割。 光纖（紅光） 光纖的波長為1064nm，具有高穩(wěn)定性，而且精度高、運(yùn)行速度快、加工成本低，激光功率更大，同時熱影響也更大。可切割材料的種類多，適合大件產(chǎn)品的加工； 光纖適用材料：不銹鋼板、鋁基板、陶瓷基板、銅基板、PCB、陶瓷片、碳鋼、鋁合金、黃銅、紫銅、酸洗板、鍍鋅板、硅鋼板、電解板、鈦合金、錳合金等，適用于各種金屬類材料切割； 綠光 綠光采用的是532nm波段激光，綠光相對光纖激光要稍好，熱影響較小。它的光斑很小，焦距更短，屬于冷加工模式，在精密切割加工方面有著不可代替的作用，尤其在線路板、玻璃，陶瓷，珠寶，眼鏡等行業(yè)常常可以看到他們的身影。 綠光適用材料：覆蓋膜、FPC軟板、PCB軟硬板、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，這個波長的產(chǎn)品屬于全能型的，它的光斑也很小，紫外激光是破壞材料分子鍵的加工模式熱影響最小。由于特殊的UM波長，在傳統(tǒng)加工領(lǐng)域有這個全能的稱號，激光打標(biāo)，激光切割，激光焊接都可以看到他的身影，光纖激光坐不了的，它可以做，C02不能加工的它也可以，在超波切割方面表現(xiàn)更是不俗，針對金屬產(chǎn)品的微細(xì) 超薄切割方面可以做到無毛刺，整齊平滑，速度快捷，能耗低廉等優(yōu)勢。 紫光適用材料：覆蓋膜、FPC軟板、PCB軟硬板、FPC輔材、超薄金屬、陶瓷、高分子材料、樹脂、硅片、PET/PI/PP膜、膠膜、銅箔、防爆膜、電磁膜、索尼膠等各類柔性薄膜……
激光加工金剛石
激光解決金剛石的“硬脆”加工難題
金剛石，作為一種重要的“碳材料”，具有寬光譜透射性、低熱膨脹系數(shù)、高機(jī)械強(qiáng)度，高耐熱沖擊熱性，低散射，高激光誘導(dǎo)損傷閾值，低吸收，高拉曼增益系數(shù)和高導(dǎo)熱性等優(yōu)異特性的結(jié)合，為光學(xué)應(yīng)用（如激光）提供了卓越的優(yōu)勢。 與此同時，金剛石具有高硬度、高耐磨性、高導(dǎo)熱率等特性，在硬質(zhì)刀具、高功率光電散熱、光學(xué)窗口以及人造鉆石等領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用。另外，金剛石半導(dǎo)體具有優(yōu)于其他半導(dǎo)體材料的出色特性，因此被譽(yù)為“終極功率半導(dǎo)體”。基于業(yè)界長期的研發(fā)活動，如今金剛石半導(dǎo)體已經(jīng)開始逐步邁向?qū)嵱没Ｈ欢饎偸鳛橛泊嚯y加工材料的典型代表，目前，切割金剛石的主要方式有水刀切割、電火花切割和激光切割。 激光切割的過程為脈沖激光與金剛石表面的二級作用，光子以雙光子或多光子的方式與金剛石晶格作用，首先高功率激光束使材料聚焦處表面發(fā)生石墨化，之后石墨化的表面在下一束脈沖激光的作用下石墨化表面升華。從原理上可以看出，激光切割具有較其他方式獨(dú)特的優(yōu)勢，即無接觸式加工、效率高、切縫小、熱影響區(qū)域小等優(yōu)點(diǎn)，是最理想的金剛石加工方法之一。
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