賴科銘，閻秋生，謝小柱，彭清發(fā)，趙 朋

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 510006）

襯底材料是IC 芯片的重要組成部分，以藍(lán)寶石、單晶碳化硅為代表的襯底材料具有高脆性、高硬度以及低斷裂韌性等特性，傳統(tǒng)工藝方法加工效率低、成本高，產(chǎn)生加工表面和亞表面損傷（劃痕、微裂痕、殘余應(yīng)力等缺陷）影響襯底基片性能及芯片服役性能[1]。藍(lán)寶石作為化學(xué)性能穩(wěn)定的光電功能材料，可以經(jīng)受雨蝕、霉菌、光照以及鹽霧的侵蝕，是航空器關(guān)鍵窗口 （如光電窗口、雷達(dá)窗口、光電吊艙以及三光合一窗口）的首選材料，所以航空器對(duì)光學(xué)級(jí)藍(lán)寶石晶體需求量巨大；藍(lán)寶石作為L(zhǎng)ED 氮化鎵外延層生長(zhǎng)的主要襯底材料之一，超高亮度的LED 要求藍(lán)寶石襯底材料達(dá)到理想狀態(tài)，即晶格完整，無(wú)任何缺陷[2]；對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)中的光學(xué)元件而言，加工過程中殘留的表面損傷會(huì)影響到鏡面的通光強(qiáng)度，殘留在光學(xué)元件的表面損傷受熱影響而進(jìn)一步擴(kuò)展，造成鏡面強(qiáng)度降低而導(dǎo)致鏡面變形，甚至最后有可能導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)失效。

為提高襯底材料拋光效率以及表面質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了復(fù)合拋光技術(shù)方法。Deng 等[3]使用等離子輔助拋光方法，利用常壓下水蒸氣等離子體改性晶體表面，并使用軟磨料去除晶體改性層，從而得到平坦的原子級(jí)表面，其方法對(duì)提高拋光效率有效果，但是拋光過程需要損耗大量的能量。Wang 等[4]在碳化硅晶體上開展飛秒激光輔助化學(xué)機(jī)械拋光研究，深入研究了飛秒激光改性碳化硅表面輔助CMP 拋光機(jī)理，發(fā)現(xiàn)飛秒激光誘導(dǎo)碳化硅表面產(chǎn)生非晶層與氧化層，當(dāng)采用適當(dāng)飛秒激光加工參數(shù)時(shí)，可以有效提高化學(xué)機(jī)械拋光的拋光效率，同時(shí)獲得表面質(zhì)量良好的碳化硅晶體，但是在化學(xué)機(jī)械拋光過程中使用化學(xué)藥品會(huì)造成環(huán)境污染，并且在化學(xué)機(jī)械拋光后需要對(duì)材料進(jìn)行復(fù)雜的清洗工序，以去除材料表面殘留的化學(xué)反應(yīng)物，才能保證晶片表面質(zhì)量[5–6]。

本課題團(tuán)隊(duì)基于磁流變效應(yīng)研發(fā)了集群磁流變拋光技術(shù)，綜合了電磁學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)，利用磁流變粒子在磁場(chǎng)的作用下形成磁鏈串，運(yùn)用集群原理由多點(diǎn)磁極形成的磁流變微磨頭構(gòu)成拋光盤，磨料被約束在磁性連串之間處于半固著狀態(tài)，通過拋光盤與工件表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生拋光作用，實(shí)現(xiàn)無(wú)損傷、高效率超光滑平坦加工[7]。鄭坤[8]針對(duì)藍(lán)寶石使用動(dòng)磁場(chǎng)磁流變拋光技術(shù)，拋光8h 將Ra7nm 的晶體表面降到Ra0.5853nm 的光滑表面。但是，針對(duì)藍(lán)寶石和碳化硅等超硬材料仍存在拋光效率低、拋光均勻性差等問題，為此，本課題組提出利用飛秒激光輔助集群磁流變拋光技術(shù)。飛秒激光具有極短脈沖持續(xù)時(shí)間、高脈沖頻率以及高通量等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過激光束將能量在極短時(shí)間內(nèi)釋放出來[9]，可以考慮用于襯底材料的改性預(yù)處理，利用飛秒激光特性和加工表面損傷層材料性能，通過材料局部熔化、氣化等方式首先去除材料表面損傷層[10]。將飛秒激光與磁流變拋光相結(jié)合可以發(fā)揮二者優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)高效率材料去除和無(wú)損傷表面。本研究以藍(lán)寶石襯底材料為加工對(duì)象，開展了飛秒激光輔助集群磁流變拋光試驗(yàn)研究，通過分析飛秒激光輔助下集群磁流變拋光藍(lán)寶石表面材料去除效率和表面性能的影響規(guī)律，基于表面物性檢測(cè)探究了飛秒激光輔助集群磁流變拋光機(jī)理，研究了藍(lán)寶石等超硬襯底材料高效高性能拋光新方法。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)使用的飛秒激光微加工系統(tǒng)試驗(yàn)裝置如圖1所示，飛秒激光系統(tǒng)分別由激光光源，衰減器，偏振鏡，反射鏡M1、M2和M3，擴(kuò)束鏡，掃描振鏡以及激光掃描場(chǎng)鏡組成。選用LIGHTCONVERSION 公司的PHAROS–15W 激光器作為激光系統(tǒng)光源，激光束的主要技術(shù)參數(shù)：波長(zhǎng)515nm，脈寬290fs，最大單脈沖能量200μJ，重復(fù)頻率0～600kHz，理論聚焦光斑直徑約為22μm，掃描振鏡焦距f=100mm，擴(kuò)束鏡1.5×，激光衰減功率12.5%?？稍谒{(lán)寶石晶片表面實(shí)現(xiàn)掃描改性等精細(xì)加工，采用橫向掃描運(yùn)動(dòng)方式，配合適當(dāng)飛秒激光參數(shù)以及掃描運(yùn)動(dòng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體表面改性[11]。

圖1 飛秒激光加工系統(tǒng)試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental setup for femtosecond laser processing system

圖2是藍(lán)寶石晶片拋光的集群磁流變拋光試驗(yàn)裝置，磁性粒子和磨料形成的微磨頭在動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)作用下，動(dòng)態(tài)保持磁鏈串形態(tài)，保持拋光盤上柔性拋光墊性能穩(wěn)定，并在梯度磁場(chǎng)作用下，非磁性的磨料被不斷擠壓向柔性拋光墊頂端移動(dòng)，在與加工表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)材料微量去除，從而獲得超光滑平坦表面。

圖2 集群磁流變拋光試驗(yàn)裝置Fig.2 Cluster magnetorheological polishing experimental setup

1.2 試驗(yàn)方法及工藝參數(shù)

試驗(yàn)使用的飛秒激光能量分布呈現(xiàn)高斯分布，其光斑直徑為22μm，從理論上講，不同激光掃描時(shí)間會(huì)影響到材料去除深度以及晶片表面形貌，為了分析不同激光參數(shù)對(duì)藍(lán)寶石晶片加工效果，試驗(yàn)采用的飛秒激光加工參數(shù)和集群磁流變拋光工藝參數(shù)如表1和2 所示。圖3是試驗(yàn)用藍(lán)寶石晶片原始表面，試樣直徑φ37mm，表面粗糙度Ra0.174μm。通過掃描方式實(shí)現(xiàn)對(duì)試件加工表面全覆蓋。藍(lán)寶石晶片試樣激光加工后材料表面存在材料碎屑，不利于其表面形貌的觀察，所以需要采用拋光剝層的方式來觀察飛秒激光輔助集群磁流變拋光的材料去除過程。

表1 飛秒激光加工參數(shù)Table 1 Femtosecond laser machining parameters

圖3 藍(lán)寶石原始形貌Fig.3 Original morphology of sapphire

2 結(jié)果與討論

2.1 原始藍(lán)寶石晶片集群磁流變拋光

圖4是未經(jīng)激光處理藍(lán)寶石晶片集群磁流變拋光加工表面形貌變化，可見，隨著集群磁流變拋光加工時(shí)間的增加，加工表面粗糙度減小，從拋光加工表面創(chuàng)成過程來看，未經(jīng)激光預(yù)處理的藍(lán)寶石晶片表面材料去除效率較低，經(jīng)過240min 拋光后可以獲得較為光滑的加工表面，但藍(lán)寶石表面還存在一些較深的凹坑。

圖4 未經(jīng)激光預(yù)處理藍(lán)寶石表面隨加工時(shí)間變化的形貌圖Fig.4 Morphology of sapphire surface with processing time without laser pretreatment

2.2 飛秒激光掃描速度對(duì)拋光效果的影響

圖5是不同飛秒激光掃描速度預(yù)處理后藍(lán)寶石晶片集群磁流變拋光加工表面形貌隨加工時(shí)間的變化，可見，隨著集群磁流變拋光加工時(shí)間的增加，加工表面粗糙度都會(huì)減小，從拋光加工表面創(chuàng)成過程來看，飛秒激光預(yù)處理對(duì)于藍(lán)寶石晶片集群磁流變拋光有顯著改善效果，在適當(dāng)?shù)娘w秒激光掃描速度（100mm/s）預(yù)處理后可以獲得良好加工表面。當(dāng)飛秒激光掃描速度為120mm/s 和140mm/s 時(shí)， 藍(lán)寶石呈現(xiàn)凹凸不平的表面形貌，在經(jīng)過拋光加工120min 后，可以觀察到這些明顯的凹坑不是僅存在于單獨(dú)的激光掃描軌跡上，而是連續(xù)跨越了多個(gè)激光掃描軌跡，這應(yīng)該是藍(lán)寶石原本就存在的凹坑；當(dāng)掃描速度為80mm/s 時(shí)，在激光掃描軌跡上存在著間斷不連續(xù)的小凹坑；而當(dāng)掃描速度為100mm/s 時(shí)，激光處理表面較為平整，可見在適當(dāng)掃描速度下飛秒激光預(yù)處理加工可以改善藍(lán)寶石晶片表面。

表2 集群磁流變拋光工藝參數(shù)Table 2 Polishing process parameters

圖5 激光預(yù)處理藍(lán)寶石集群磁流變拋光加工表面形貌隨加工時(shí)間變化Fig.5 Laser pretreatment sapphire cluster magnetorheological polishing surface morphology changes with processing time

不同飛秒激光掃描速度對(duì)加工表面粗糙度和材料去除率的影響如表3所示 ，可知，激光預(yù)處理會(huì)造成藍(lán)寶石晶片表面粗糙度增大，而且激光掃描速度越小激光處理后的表面粗糙度越大，但集群磁流變拋光后的加工表面粗糙度均低于未經(jīng)過飛秒激光處理的藍(lán)寶石試件，最低達(dá)到Ra4.1nm，飛秒激光處理后試件集群磁流變拋光加工材料去除率均顯著提高1 倍以上，但隨激光掃描速度提高集群磁流變拋光材料去除率在下降。

表3 不同激光掃描速度對(duì)加工效果的影響Table 3 Effect of different laser scanning speed on machining effect

飛秒激光的掃描速度會(huì)影響激光對(duì)工件表面單位面積的作用時(shí)間，進(jìn)而影響到藍(lán)寶石晶片表面形貌。掃描速度達(dá)到120mm/s 以上時(shí)激光束與工件表面接觸時(shí)間短，工件表面接收的光子數(shù)量減少，導(dǎo)致光斑前沿熔化速度跟不上，或者出現(xiàn)激光光斑分離的現(xiàn)象，并且激光掃描速度過快，導(dǎo)致藍(lán)寶石表面去除深度不足，不能完全去除藍(lán)寶石的損失層，從而導(dǎo)致殘留劃痕和凹坑。當(dāng)飛秒激光加工時(shí)，藍(lán)寶石表面會(huì)產(chǎn)生熔化、沸騰和蒸發(fā)等現(xiàn)象[12]，掃描速度過低（80mm/s）時(shí)，激光在工件表面的作用時(shí)間就會(huì)隨之增加，激光光斑重疊程度增大致使單位時(shí)間內(nèi)工件表面吸收的光子數(shù)增多，出現(xiàn)能量積聚過大，導(dǎo)致更為劇烈的庫(kù)侖爆炸，藍(lán)寶石表面產(chǎn)生的溶化、沸騰、蒸發(fā)等現(xiàn)象也會(huì)變得更加劇烈[13]，材料去除量也隨之增加，產(chǎn)生過深燒蝕坑[14]。圖6為掃描速度為100mm/s 的飛秒激光對(duì)藍(lán)寶石表面處理前后以及拋光后的三維表面形貌，為保證藍(lán)寶石晶片激光處理較好效果，確定適當(dāng)?shù)娘w秒激光掃描速度為100mm/s。

圖6 飛秒激光對(duì)藍(lán)寶石表面處理前后以及拋光后的三維表面形貌Fig.6 Three-dimensional surface morphology of sapphire before and after femtosecond laser treatment and polishing

3 飛秒激光輔助集群磁流變拋光加工材料去除機(jī)理分析

藍(lán)寶石晶體表面飛秒激光加工痕跡邊緣掃描電鏡形貌如圖7所示，對(duì)未經(jīng)過飛秒激光加工的藍(lán)寶石表面以及經(jīng)過飛秒激光加工的藍(lán)寶石表面進(jìn)行對(duì)比觀察可見，飛秒激光改性表面呈現(xiàn)一種微孔疏松結(jié)構(gòu)，這是由于飛秒激光通過多光子吸收產(chǎn)生光化學(xué)作用去除藍(lán)寶石表面材料形成的表面細(xì)化組織[15]。如圖8所示，從未經(jīng)過飛秒激光加工的藍(lán)寶石表面和經(jīng)過飛秒激光加工的藍(lán)寶石表面的X 射線衍射檢測(cè)結(jié)果對(duì)比來看，藍(lán)寶石表面經(jīng)過飛秒激光加工前后，其衍射峰位置沒有明顯變化，說明飛秒激光改性沒有帶來明顯的宏觀應(yīng)力，所以晶面間距沒有產(chǎn)生明顯的變化。衍射峰強(qiáng)度在飛秒激光加工后有所降低，并且B處（2θ≈77°）在飛秒激光改性后沒有發(fā)現(xiàn)明顯的衍射峰，而未經(jīng)過飛秒激光加工的藍(lán)寶石表面在A處（2θ≈77°）有著明顯的衍射峰，這應(yīng)是晶格化學(xué)鍵被破壞導(dǎo)致的結(jié)果，說明飛秒激光加工后藍(lán)寶石表面結(jié)晶度變差，藍(lán)寶石經(jīng)過飛秒激光多光子吸收，導(dǎo)致晶體晶態(tài)轉(zhuǎn)變成非晶態(tài)物質(zhì)，是無(wú)序系統(tǒng)。在固體物理學(xué)中,無(wú)序概念意味著晶體的對(duì)稱性遭到破壞[16]。主要原因是飛秒激光加工后藍(lán)寶石表面產(chǎn)生非晶化和微晶化，藍(lán)寶石表面受飛秒激光照射會(huì)在數(shù)飛秒的短時(shí)間內(nèi)融化晶體，隨后的快速冷卻導(dǎo)致晶體快速生長(zhǎng)，其間會(huì)形成一些晶核，隨著熱量的快速釋放，晶核進(jìn)行晶體生長(zhǎng)得到微晶化結(jié)構(gòu)，沒有形成晶核的區(qū)域則形成非晶化結(jié)構(gòu)[17]，如圖9所示。衍射峰峰寬在飛秒激光改性后也并沒有發(fā)生明顯變化，所以飛秒激光加工并沒有產(chǎn)生明顯的微觀應(yīng)力。這是因?yàn)轱w秒激光具有超短脈沖激光，可以對(duì)工件實(shí)現(xiàn)“冷加工”，避免明顯的熱損傷。同時(shí)從圖10 和11 可以看出，經(jīng)過飛秒激光加工后，鋁元素和氧元素的化學(xué)鍵結(jié)合能沒有發(fā)生明顯的變化，相對(duì)強(qiáng)度有所減小，表明飛秒激光掃描的表面化學(xué)成分并沒有發(fā)生明顯變化。

圖7 SEM 下飛秒激光改性表面與原始表面對(duì)比Fig.7 Comparison between femtosecond laser modified surface and original surface under SEM

圖8 藍(lán)寶石晶片表面的XRD 檢測(cè)結(jié)果Fig.8 XRD test results of raw laser surface and femtosecond laser processing surface of sapphire

圖9 激光誘導(dǎo)非晶化微晶化原理圖Fig.9 Laser induced amorphous microcrystallization schematic

圖10 藍(lán)寶石未經(jīng)激光加工表面XPS 檢測(cè)圖Fig.10 XPS test chart of sapphire surface without laser machining

圖11 藍(lán)寶石飛秒激光改性表面XPS 檢測(cè)圖Fig.11 XPS detection diagram of sapphire femtosecond laser modified surface

藍(lán)寶石晶片表面經(jīng)過飛秒激光預(yù)處理和未經(jīng)激光預(yù)處理表面集群磁流拋光加工材料去除模型如圖12 所示，飛秒激光可以利用其超短脈沖激光在理論上對(duì)襯底材料實(shí)現(xiàn)“冷”加工[18]，飛秒激光輻照引起的熱損傷更趨于表面，從而避免體內(nèi)熱損傷[19]?？梢岳蔑w秒激光“冷”去除將硬脆光電材料由于線鋸切割產(chǎn)生的表面損傷在一道工序中去除，并且經(jīng)過飛秒激光加工后由于硬脆材料的不同會(huì)產(chǎn)生氧化層和非晶層[20]，非晶相由于原子無(wú)序而具有較低的彈性模量，導(dǎo)致材料表面硬度下降[21]，從而有利于提高下一道集群磁流變拋光中的材料去除效率并獲得平坦化的加工表面，同時(shí)飛秒激光加工導(dǎo)致的微孔疏松結(jié)構(gòu)有利于提高集群磁流變拋光去除效率以及降低磨料的磨損情況[22]。未經(jīng)飛秒激光預(yù)處理藍(lán)寶石晶片表面通過集群磁流變拋光加工時(shí)，磨料需要直接去除原始硬度材料，不但材料去除率低而且加工表面粗糙度降低過程緩慢。

圖12 飛秒激光輔助藍(lán)寶石磁流變拋光原理圖Fig.12 Femtosecond laser assisted sapphire magnetorheological polishing schematic

4 結(jié)論

（1）飛秒激光預(yù)處理對(duì)藍(lán)寶石晶片集群磁流變拋光效果影響明顯，可以有效提高材料去除率和降低加工表面粗糙度，工藝方法有效可行。

（2）藍(lán)寶石晶片經(jīng)過飛秒激光預(yù)處理后集群磁流變拋光材料去除率可以提高1 倍以上，當(dāng)飛秒激光掃描速度為100mm/s 時(shí)，集群磁流變拋光藍(lán)寶石晶片表面粗糙度可以達(dá)到Ra4.1nm，飛秒激光輔助藍(lán)寶石集群磁流變拋光可以得到良好的加工效果。

（3）飛秒激光輔助藍(lán)寶石集群磁流變拋光加工機(jī)理是飛秒激光誘導(dǎo)藍(lán)寶石晶片原始粗糙表面產(chǎn)生的微孔疏松結(jié)構(gòu)以及飛秒激光燒蝕形成的藍(lán)寶石表面微晶化和非晶化使藍(lán)寶石晶片表面硬度下降，利于磨料微量去除，提高了超光滑平坦化加工效果。