[发明专利]绿光和紫外光激光抛光蓝宝石的复合工艺方法

说明书

技术领域

本发明是一种绿光和紫外光激光抛光蓝宝石的复合工艺方法，属于激光抛光蓝宝石的工艺方法的创新技术。

背景技术

蓝宝石单晶是一种优秀的多功能材料，具有硬度高、熔点高、透光性好、电绝缘性优异、化学性能稳定等特点。在光学方面，蓝宝石单晶以其良好的透光性和耐磨性等特点而用于高能激光器的反射镜窗口，同时，它也是红外制导武器的关键材料之一。在电子学方面，它能作异质外延生长的半导体材料或金属材料的基片，如用于半导体硅的外延基片以及半导体GaN的外延衬底材料等。作为半导体衬底材料，蓝宝石晶片表面质量直接影响半导体材料外延质量、器件性能参数及产品成品率，所以，如何保证蓝宝石表面质量成为制造技术领域中的关键问题。由于蓝宝石单晶属于三方晶系离子晶体，是典型的难加工硬脆材料。目前，蓝宝石主要采用机械抛光、化学机械抛光等方法进行加工，这些传统的接触式抛光方法，往往会在材料的去除过程产生脆性破坏等问题，抛光后蓝宝石表面往往存在表面划痕、凹坑和次表面裂纹等缺陷，化学抛光表面还可能出现抛光雾斑，难以获得高质量的光学表面，且抛光效率和成品率低。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种可显著提高抛光效率和提高成品率的绿光和紫外光激光抛光蓝宝石的复合工艺方法。

本发明的技术方案是：本发明绿光和紫外光激光抛光蓝宝石的复合工艺方法，其包括有如下步骤：

1)用绿光激光扫描抛光蓝宝石晶片的表面；

2)再用紫外光激光抛光绿光激光抛光过的蓝宝石晶片的表面。

上述绿光激光和紫外光激光为脉冲式激光。

上述绿光激光波长λ为532nm，能量密度为3～20J/cm²，脉宽10ns  。

上述紫外光激光波长为266～355nm，能量密度为3～20J/cm²，大于等于脉宽10ns。

上述绿光激光及紫外光激光的光束入射角为0～80°。

上述光束入射角是光束与蓝宝石晶片表面法线方向的夹角。

本发明由于采用先用绿光激光抛光、再用紫外光激光精密抛光的复合工艺方法，本发明采用脉冲绿光激光(波长λ为532nm)抛光代替传统的研磨，借助激光辐射的蓝宝石表面产生的光热耦合作用，以蒸发、熔融等形式为主去除材料，并伴有微小破碎和光化学作用机制材料去除，获得微观凸峰以曲面为主的宏观上较平整表面；抛光效率高，抛光后的表面微观不平和缺陷在后续抛光加工过程中容易去除；采用脉冲紫外光激光(波长λ为266-355nm)精密抛光绿光激光抛光过的蓝宝石表面，利用紫外光光子能量高、材料的吸收率高、加工过程热影响小等特点，以蓝宝石辐射表面“单光子吸收”或“多光子吸收”等方式吸收激光光子能量后，其化学键被打断或者晶格结构被破坏的光化学的为主冷抛光形式，微量去除蓝宝石表面微观不平，获得微观平整表面，并且可降低甚至消除热对蓝宝石材料的影响，获得低表面粗糙度和亚表面损伤程度的抛光表面。本发明能够实现蓝宝石晶片高效率高质量的抛光，是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的绿光和紫外光激光抛光蓝宝石的复合工艺方法。

具体实施方式

实施例：

本发明绿光和紫外光激光抛光蓝宝石的复合工艺方法，其包括有如下步骤：

1)用绿光激光扫描抛光蓝宝石晶片的表面；

2)再用紫外光激光抛光绿光激光抛光过的蓝宝石晶片的表面。

本实施例中，上述绿光激光和紫外光激光为脉冲式激光。上述绿光激光及紫外光激光的光束入射角为0～80°，光束入射角是光束与蓝宝石晶片表面法线方向的夹角。

上述绿光激光抛光工艺参数为：波长λ为532nm，能量密度为3～20J/cm²，脉宽10ns。本实施例中，绿光激光波长λ为532nm，能量密度为7.2J/cm²，脉宽10ns，激光光束入射角为60°，激光光束扫描速度为5mm/s。蓝宝石经过绿光激光的一次扫描抛光后，其表面粗糙度降低为R_a0.54μm，且抛光表面以熔融去除特征为主，同时存在少量的蒸发气泡，以及少数的微观断裂裂口和极少数晶格破坏形成的微小孔。熔融去除材料的区域可见凸峰融化的熔渣填入到波谷，使表面变得光滑。

绿光激光扫描抛光过的蓝宝石表面再采用紫外光激光扫描抛光一次。紫外光激光抛光工艺参数为：紫外光激光波长为266～355nm，能量密度为3～20J/cm²，脉宽大于等于10ns。本实施例中，波长λ为355nm，能量密度为19.1J/cm²，脉宽25ps，激光光束入射角为70°，激光光束扫描速度为0.6mm/s。蓝宝石再经过紫外光激光一次扫描抛光后，其表面粗糙度降低为R_a0.08μm，蓝宝石表面以晶格破坏导致的组织细化和部分微小孔为主，并伴有少量凸峰融化的熔渣填入到波谷使表面变得光滑的特征。