激光背向湿式蚀刻加工蓝宝石过程中光诱导气泡和微射流流场分布研究

【摘要】蓝宝石具有硬度高、熔点高、耐磨性好、高温下化学稳定性好,光学穿透带很宽等优良性能,是第三代半导体材料GaN最重要的产业化衬底,也是制作智能手机摄像头、保护屏等零部件的新材料,在工业、军事、科研高科技领域已得到了广泛应用。激光背向湿式蚀刻加工具有热影响区域小、加工质量好等优点,适合于对透明材料打孔、划槽、切割,具有良好的应用前景。激光背向湿式蚀刻加工过程中光致气泡及微射流对加工有很大影响,液层高度设定在一定值时可以增强对蓝宝石的蚀刻率,所以有必要探讨如何主动利用微射流来辅助增强激光蚀刻加工效果。本文对硫酸铜溶液中激光背向湿式蚀刻加工蓝宝石过程中光诱导气泡和微射流流场分布进行了理论和实验研究。首先,总结了激光湿式背向蚀刻蓝宝石的意义及存在的问题、并介绍了国内外对激光诱导气泡实验和模拟仿真方面的研究现状；其次,实验研究了加工过程中光诱导气泡及微射流特性；再次,模拟仿真了不同液膜厚度条件下激光背向蚀刻蓝宝石时激光诱导气泡动态特性和流场分布情况,并结合实验研究结果对光致气泡、微射流对蓝宝石加工的影响进行了预测。最后,根据预测结果进行了验证实验,并揭示了微射流增强效应的机理,实验得到了加工质量较好的微流道。主要研究方法和结论如下：(1)通过高速摄影仪观测液层高度H分别为10mm,3.75mm、2.5mm、1.25mm和0.45mm时激光背向湿式加工蓝宝石过程中光致气泡动态特性及周围流场分布。并在此基础上探讨了激光脉冲能量密度、溶液浓度对光诱导空泡动态特性的影响,随后研究了加工过程中光致气泡的行为。结果表明：液层高度为0.45mm时,气泡在Y轴方向受到的限制最大；液层高度相同时,气泡能达到的最大体积随激光能量密度增大和硫酸铜溶液浓度的增大而增大；气泡能达到的最大体积与液层高度是影响气泡动态特性的关键因素。激光烧蚀加工时,当液层高度较小时,垂直向下的射流撞击限制层会反射形成两股支流,与气泡左右两边倾斜向下的两股射流相互作用,液体对流加快,有利于将集聚在液流中热量带到加工部位,减小蒸汽泡的形成,提高加工质量；激光进行线性扫描时,由于射流冲击刻槽前沿后射流强度减小,与激光移动方向相同的射流强度明显小于与激光移动方向相反的射流强度。(2)理论研究了激光诱导产生气泡的机理,探索了激光与气泡间的内在联系,并利用FLUENT软件模拟仿真了不同液层高度下激光背向蚀刻蓝宝石时气泡和流场分布情况。结果表明：随着液层高度的减小,气泡在激光入射方向的最大直径减小,气泡较易在水平方向最大直径处出现凹陷。H=0.45mm流场分布情况与H=10mmm时流场分布情况的区别在于：在气泡膨胀的初始阶段,有高速液流冲击指向加工的蓝宝石工件；在膨胀过程中,分布在气泡与蓝宝石加工工件之间的液体比在其他液层高度下的液流受到的挤压更大；在气泡的塌陷过程中,微射流形成于气泡左右两端,倾斜作用于待加工蓝宝石表面。H=0.45mm的流场分布有利于液体在工件表面产生沉积层。此外,液层高度较小时,气泡在塌陷过程中出现的最大压强明显大于其它情况,这有利于冲击去除软化的蓝宝石材料,由此推测,液层高度减小到一定值时可以增加材料的去除率,提高激光背向蚀刻蓝宝石的质量。(3)采用单因素法分别利用扫描速度、扫描次数、液体浓度这些参数进行了激光蚀刻蓝宝石表面沟槽的工艺实验研究和表面微结构的制造。采用激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜SEM检测加工后表面形貌尺寸,利用能谱分析功能(EnergyDispersiveSpectrometer,EDS)检测不同液层高度下加工蓝宝石材料表面的沉积层含量。结果表明：蓝宝石的蚀刻深度随着扫描次数的增大、溶液浓度的增大、液层高度的减小而增大,由光学显微镜图片和SEM检测图片可知,蓝宝石在液层高度H=0.45mm条件下加工比在液层高度H=10mm条件下加工的质量略好。由工件表面-液体接触面温度分布情况可知,在固液接触面的液体的温度低于蓝宝石的熔点,材料在单个激光脉冲作用下被直接去除的几率较小,前几个脉冲作用主要是激活材料表面,并在材料表面产生沉积层,沉积层可以增加对激光的吸收,材料温度达到熔点后被去除。EDS成分检测结果表明,随着液层高度的减小,刻槽表面沉积层的含量在各部位都有所增加,沉积层含量与样件对激光能量的吸收有关,所以减小液层高度可以有效的利用光致气泡动力学特性和气泡周围流场来增强蓝宝石的蚀刻率。
【作者】胡满凤；
【导师】谢小柱；
【作者基本信息】广东工业大学，机械制造及其自动化，2014，硕士
【关键词】激光背向湿式蚀刻；高速摄影技术；模拟仿真；光致气泡；微射流；

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