水輔助激光刻蝕氧化鋁陶瓷的研究

孔令瑞，張 菲，段 軍，羅瑞峰，曾曉雁

(華中科技大學武漢光電國家實驗室，武漢430074)

引 言

氧化鋁陶瓷是目前世界上應用最為廣泛的陶瓷材料之一，在生物、電子等領域已成為不可或缺的材料［1-2］。然而，氧化鋁陶瓷存在著抗熱震性差和斷裂韌性低的缺點［3］，這使其在傳統(tǒng)機械加工中遇到較大困難。傳統(tǒng)的車削、銑削等加工方式無法適應現(xiàn)代科技對高精密復雜零件的加工要求。機械方法對氧化鋁陶瓷的切割、打孔等都被限制在直線型、較大尺寸以及簡單圖形等的加工，這限制了氧化鋁陶瓷在微納制造領域的應用。目前除了機械刻蝕加工的方法外，還有電火花加工、超聲波加工等方法。然而，陶瓷材料的電火花加工技術難度遠大于一般金屬材料，因為陶瓷材料具有較大的電阻率，超出電火花可加工范圍。超聲加工則存在效率低和工具磨損嚴重等問題［4］。近年來，隨著激光器件和加工技術的不斷發(fā)展，其應用領域逐步擴大到各種金屬和非金屬板材的加工，應用規(guī)模也迅速擴展，解決了許多傳統(tǒng)切削加工無法解決的問題［5］。紫外激光由于其波長短、光子能量大，易獲得較小聚焦光斑，可以直接破壞被加工聚合物材料的化學鍵來達到精微加工目的，實現(xiàn)“冷加工”的過程，因此在精密切割和微加工領域具有廣泛的應用［6］。然而紫外激光也不能完全避免熱效應的存在，陶瓷在受到高功率激光輻照后會出現(xiàn)由于氧化或者相變造成的發(fā)黑、變質層積累的現(xiàn)象，嚴重影響微加工的質量和精度。而水下輔助激光加工由于水的流動作用和隔絕空氣的作用對激光作用結果在一定程度上可以產(chǎn)生積極的影響。曾經(jīng)有學者對水下激光切割陶瓷、硅片等做過一些理論上的研究，在一定的條件下有助于提高切割質量［7-8］。目前對于水輔助激光刻蝕陶瓷方面的研究較少。作者在前人利用激光加工陶瓷材料的基礎上，采用紫外激光在水下進行了氧化鋁陶瓷的表面刻蝕方面的研究，對比了在水下與在空氣中刻蝕加工的結果，研究了激光參量對水下刻蝕的影響因素。

1 水下激光傳輸特性

圖1是純凈水對不同波長激光吸收的曲線［9］。橫坐標為激光的波長，縱坐標為吸收長度，吸收長度即激光被完全吸收所穿過的溶液長度。

Fig.1 Absorption curve with different wavelength laser of pure water

當激光射入水中時，水會吸收一部分激光而造成其能量的衰減，這可以由Lambert-Beer定律計算得到［10］:

式中，I0(λ)為傳輸前的激光初始輻照度，Ix(λ)為在液體中傳輸路程為x后的激光輻照度;μ(λ)為光束衰減系數(shù)，表示激光傳輸1m距離后能量衰減的對數(shù)值(自然對數(shù))，單位是 m－1。Δ =1/μ(λ)，Δ 為激光在溶液中的吸收長度，即激光被完全吸收穿過的溶液長度，則Beer-Lambert法則還可寫為:

由(2)式可以方便地估算出不同水深激光的衰減比例。從圖1中可以看出，對不同波長的激光，水的吸收長度Δ不同。對355nm紫外光的吸收長度約為5m，本文中采用的水深為5mm，此時紫外激光被吸收了約0.1%。相對于其它多數(shù)波長水對紫外激光的吸收率較小，因此紫外激光較適合做水下激光加工的光源。

2 實驗研究

2.1 實驗材料和設備

實驗中采用的激光加工設備為多功能紫外激光微加工系統(tǒng)。紫外激光加工系統(tǒng)主要由激光器、冷卻系統(tǒng)、紫外光學系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、CCD定位系統(tǒng)和機械系統(tǒng)構成。激光器是美國OPTOWAVE(光波)公司的AWave355系列355nm三倍頻全固態(tài)調(diào)Q紫外激光器，可以輸出納秒脈沖或者連續(xù)紫外波長，激光光斑為TEM00模式，光束質量因子M2＜1.1。激光平均功率為0 W～10W，脈沖寬度為10ns～40ns，重復頻率為10kHz～100kHz，出口光斑0.85mm，經(jīng)透鏡聚焦后的焦點光斑直徑約為10μm。使用振鏡掃描配合加工平臺X-Y-Z 3維運動方式，加工平面尺寸可達460mm×310mm。加工系統(tǒng)示意圖如圖2所示。實驗中所用材料為含氧化鋁質量分數(shù)大于0.96的陶瓷片，厚度為0.5mm，導熱系數(shù)為25W/(m·K)，絕緣強度為12kV/mm。

Fig.2 Schematic diagram of laser machining system

2.2 實驗研究內(nèi)容與方案

實驗主要研究在空氣中與水中刻蝕加工后氧化鋁陶瓷片的表面形貌以及激光主要參量對水下和空氣中刻蝕深度和質量的影響規(guī)律?？涛g圖形為1mm×0.5mm的矩形槽，采用線填充掃描加工，填充掃描線間距固定為5μm，激光聚焦平面位于氧化鋁陶瓷片表面上。在空氣中加工只需將氧化鋁陶瓷樣品放在加工平臺上直接按設定參量進行加工，如圖3a所示。而水輔助刻蝕加工需要燒杯及固定裝置，加工樣品放置如圖3b所示?？涛g結果采用Dektak150探針式臺階儀進行檢測，得出刻蝕深度以及粗糙度數(shù)據(jù)信息。采用維視圖像光電成像顯微鏡和Quanta 200掃描電子顯微鏡進行刻蝕區(qū)域表面微觀形貌的觀察與分析。

Fig.3 Schematic diagram of laser etching in air and In water a—in air b—in water

2.3 實驗結果

Fig.4 Effect of laser parameters on the etching depth D

本文中分別對激光刻蝕參量在水下和空氣中刻蝕氧化鋁陶瓷的深度影響規(guī)律進行了研究(如圖4所示)。主要的研究的參量有:水下光程、激光的脈沖能量密度、重復頻率和掃描速率。實驗中研究水下與空氣中加工對比時保證除了水的因素外其它參量完全一致。實驗中設定的參量變化范圍如下:水下光程為2mm～12mm;激光重復頻率為30kHz～100kHz;激光脈沖能量密度為 48.0J/cm2～85.5J/cm2;激光掃描速率為40mm/s～180mm/s。得到的數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。

由圖4a可知，在激光脈沖能量密度為78.5J/cm2、掃描速率為100mm/s和頻率為60kHz的條件下，刻蝕深度隨著水下光程的增加呈現(xiàn)下降的趨勢，這是因為水對激光的吸收作用所致。由第一部分的介紹可知，水下光程越大，激光損耗越大，而且水的散射作用也更加明顯，因此刻蝕去除便會降低。當水下光程為5mm不變時，無論水下和空氣中，激光刻蝕深度隨著激光脈沖能量密度的增加而增加(見圖4b)，隨著激光重復頻率的上升而下降(見圖4c)，隨著掃描速率的增加而下降(見圖4c)。顯然，激光脈沖能量密度的增加會使材料的去除率增加，而重復頻率增加會使激光的峰值功率下降導致刻蝕深度下降緣故，掃描速率的增加造成材料表面單位面積作用的激光脈沖數(shù)下降，去除效率也會下降。從對比實驗結果可知，在相同的激光刻蝕參量條件下，水下刻蝕的深度要比在空氣中刻蝕要大，如圖4b～圖4d中曲線對比所示。

Fig.5 Micrograph of etched samples

Fig.6 Scanning electron microscope picture of etched samples

利用顯微鏡和掃描電鏡分別對空氣中和水中的刻蝕樣品進行微觀形貌觀察，二者的對比照片如圖5和圖6所示。圖5中分別給出激光脈沖能量密度78.5J/cm2、掃描速率 100mm/s和頻率 60kHz 條件下，在空氣中(見圖5a)和在水深5mm(見圖5b)時進行激光刻蝕氧化鋁陶瓷結果顯微照片。從圖5a中可以明顯地發(fā)現(xiàn)加工區(qū)域出現(xiàn)發(fā)黑現(xiàn)象，且有較嚴重的殘渣重凝層。而在圖5b中則基本上沒有變色和殘渣重凝現(xiàn)象。

圖6為空氣中和水下激光刻蝕樣品的掃描電鏡照片。在圖6a中可以明顯地發(fā)現(xiàn)刻蝕底面較為粗糙，刻蝕痕跡明顯，有較多的殘渣重凝層。而在圖6b中的刻蝕底表面相對平整，無明顯刻蝕痕跡和殘渣重凝層。對圖6中樣品分別進行粗糙度的檢測發(fā)現(xiàn)，空氣中直接刻蝕后陶瓷表面平均粗糙度為7.53μm，而水下刻蝕的平均粗糙度為3.25μm。

3 實驗分析

3.1 激光刻蝕氧化鋁陶瓷機理分析

激光加工中材料的去除機制隨著激光波長的不同而有所不同。當激光波長較長時，由于光子能量較低，與材料相互作用機理是光熱作用，材料吸收激光光子能量后轉化為熱能而被熔化甚至汽化，通過激光脈沖本身壓力和材料汽化蒸發(fā)產(chǎn)生的反作用力來達到去除的目的。當激光波長較短時，在一定的條件下可以發(fā)生光化學作用。當光化學作用發(fā)生時，材料被去除機制是由激光直接破壞材料結合的分子鍵來實現(xiàn)。對于氧化鋁陶瓷來說，其分子鍵為共價鍵，鍵能值約為9.1eV，屬于絕緣體材料，而355nm紫外激光所放出的光子能量可由下式得出:

式中，E為單光子能量，h為普朗克常數(shù)，c為光在真空中的傳播速度，λ為激光的波長，ν為激光的頻率。將紫外激光波長355nm代入(3)式可知，紫外激光光子能量約為3.5eV。顯然，紫外激光單光子能量小于氧化鋁陶瓷的分子鍵能，不能直接破壞材料結合的分子鍵，理論上單個光子是不能發(fā)生光化學作用的。但BRANNON指出［11］，寬能帶的材料可能因為材料摻雜和自身缺陷的存在，在原來無法停留電子的能帶中產(chǎn)生新的能帶結構。這種新的能帶一般出現(xiàn)在靠近常規(guī)能帶的中間位值。其作用就如同在單晶硅中摻雜硼或磷充當受體，來幫助價電子吸收光子能量，從而激發(fā)到存在能帶中的“缺陷能帶”中做短暫停留，隨即再吸收第2個光子的能量，然后躍遷到導帶。這種因為吸收兩個以上的光子能量才能發(fā)生的反應，稱為“多光子吸收”。在多光子吸收過程中，材料分子必須同時或連續(xù)吸收多個光子才能發(fā)生斷裂。通常多光子現(xiàn)象是觀察不到的，只有當激光脈沖的功率密度足夠大時(I＞106W/cm2)，才可能出現(xiàn)比較明顯的多光子吸收現(xiàn)象［12］。本文中使用的紫外激光器功率可達10W，其光斑直徑約為10μm，其平均最大脈沖功率密度可達1.3×107W/cm2，峰值功率密度還要更高。故當紫外激光作用于氧化鋁陶瓷表面時，滿足產(chǎn)生多光子吸收條件，可以發(fā)生光化學作用實現(xiàn)材料的去蝕。

3.2 水輔助激光刻蝕與空氣中直接刻蝕對比分析

通過前面分析可知，紫外激光可以通過“多光子吸收”產(chǎn)生光化學作用實現(xiàn)材料的去除。然而在實際加工過程中，由于高功率密度激光的照射，在空氣中直接刻蝕時材料表面的溫度迅速升高，材料發(fā)生熔化或者氣化，此時材料主要實現(xiàn)的是光熱作用去除。有研究指出，氧化鋁陶瓷材料在2050K～2980K的熔化過程會引起氧化鋁陶瓷的晶相變化，形成黑色的變質層，并通過晶相分析可知，黑色變質層以α-Al2O3和γ-Al2O3混合相為主［13］。因此在空氣中直接加工氧化鋁陶瓷會由于陶瓷相變而產(chǎn)生發(fā)黑變質的現(xiàn)象，并且重凝層較為明顯，如圖5a所示。在水下進行刻蝕加工時，由物理學相關知識可知，水的比熱遠大于陶瓷材料，因此，水下加工時由于水的冷卻作用而使陶瓷材料表面的溫度很難達到其熔點，此時材料的去除方式應以光化學作用去除為主。此外，由于陶瓷在較低的溫度時難以發(fā)生相變，因而發(fā)黑變質現(xiàn)象也就可以避免(見圖5b)。同時，當激光在水下與材料相互作用時，會產(chǎn)生“空泡”這一物理現(xiàn)象。如果空泡周圍存在固體壁面，那么在潰滅階段還會形成指向靶面的高速射流。該高速射流所產(chǎn)生的沖擊力往往可達到兆帕的數(shù)量級［14］。由于空泡的產(chǎn)生與破裂，形成對材料基體的強沖擊作用，使因激光作用去蝕的材料迅速脫離，因此，提高了激光刻蝕深度，并且由于水的阻礙作用使去蝕后的材料無法重新黏附在基體表面，這樣既保證了刻蝕后的陶瓷表面不受殘渣重凝的影響，又可以加快材料的去蝕速率。

4 結論

(1)空氣中激光直接刻蝕氧化鋁陶瓷容是以光熱去除機制為主，易產(chǎn)生變質發(fā)黑現(xiàn)象和較多的殘渣重凝層，這是陶瓷在高溫狀態(tài)下出現(xiàn)的相變造成的。水輔助激光刻蝕加工后表面無發(fā)黑變質層的出現(xiàn)。

(2)水下激光刻蝕時，刻蝕深度隨激光參量的變化規(guī)律與空氣中直接刻蝕的變化趨勢基本一致，但水下刻蝕的深度比空氣中刻蝕深度大，表面粗糙度小。

(3)水下激光加工時降低了陶瓷表面的溫度，使激光刻蝕過程以光化學去除機制為主，避免了陶瓷的相變發(fā)黑現(xiàn)象。水下激光加工時空泡的產(chǎn)生與潰裂對材料形成較強的沖擊作用，使分解、熔化后的材料迅速脫離基體，防止其重凝。因此陶瓷表面刻蝕質量大幅改善，刻蝕深度也有所增加。

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