Статья Технология Обзор

Технология лазерной полировки сапфиров

Сапфировые стёкла на сегодня – это важнейший элемент как микроэлектроники, так и лазерного приборостроения, и даже часовой, аэрокосмической, оборонной промышленности. Это основа для выращивания GaN-слоёв в синих и белых LED, лазерных диодах, мощных транзисторах. Поверхность должна быть атомарно гладкой, иначе эпитаксия не получится качественной. Защитные окна датчиков, смотровые иллюминаторы, медицинские импланты и инструменты. Здесь важны и оптическая чистота, и отсутствие микродефектов, которые могут стать концентраторами напряжений. Даже сенсоры смартфонов зачастую изготавливаются с применением полированного сапфирового стекла.

Сапфир — один из самых твёрдых материалов (9 по шкале Мооса, уступает только алмазу), поэтому традиционная механическая или химико-механическая полировка сложна, дорога и рискованна (может вызвать микротрещины). Высочайшие требования к поверхности сапфировых изделий может удовлетворить лазерная полировка, которая обширно используется по всему миру в последние годы.

Лазер (обычно ультрафиолетовый на 355 нм – пико-, фемто- или наносекундный) локально испаряет тончайший слой материала (нанометры–микроны) и доводить шероховатость поверхности до необходимого значения.

Рис. 1 – Процесс лазерной полировки поверхности

Рис. 2 – Отполированное сапфировое стекло

Физика процесса лазерной полировки

Сама по себе физика процесса схожа с привычными процессами лазерной гравировки/маркировки, то есть с простой абляцией поверхности материала. Разница лишь в том, что в случае с сапфиром подбирается длина волны 355 нм (УФ), так как сапфир прозрачен в видимом и ИК диапазоне, его запрещённая зона очень широкая. Несмотря на то, что энергии 355 нм фотона всё ещё недостаточно для однофотонного поглощения, трёхфотонное поглощение возможно и является достаточно эффективным.

Схема стандартной абляции выглядит следующим образом: лазерный имульс высокой пиковой мощности, поглощаясь поверхностью материала, передаёт ей количество энергии, которого хватает на практически мгновенную ионизацию материала. Количество жидкой фазы при такой обработке минимально, что хорошо сказывается на качестве финальной поверхности.

Рис. 3 – процесс лазерной абляции

Так же, как и при любой другой лазерной абляции, во время обработки сапфира, молекулы в зоне обработки разрушаются и высвобождается плазма, несущая в себе как твёрдые, так и жидкие частицы.

Области применения технологии

Остановимся более подробно на областях реального применения технологии лазерной полировки сапфира:

1. Подложки для светодиодной и микроэлектронной промышленности

Одним из наиболее массовых применений сапфира является использование его в качестве подложечного материала для эпитаксиального роста нитридных полупроводников (GaN, AlGaN), применяемых в производстве светодиодов и лазерных диодов.

Качество поверхности подложки напрямую определяет:

1) плотность дислокаций в эпитаксиальном слое,

2) однородность роста,

3) эффективность излучающих структур,

4) выход годных изделий.

Ультрафиолетовая лазерная полировка может использоваться как этап финишной обработки подложек для снижения шероховатости и устранения дефектов после предварительного шлифования.

2. Оптические элементы для лазерной техники и фотоники

Сапфир широко применяется в качестве конструкционного и оптического материала для работы в экстремальных условиях благодаря высокой прочности и оптической прозрачности в широком диапазоне длин волн (от УФ до среднего ИК).

Полированные сапфировые элементы используются в:

1) лазерных окнах и защитных входных апертурах,

2) высокомощных оптических системах,

3) элементах резонаторов твердотельных лазеров,

4) оптических подложках для тонкоплёночных покрытий.

Для таких применений критически важны:

- минимальное рассеяние света,

- отсутствие микротрещин,

- низкая шероховатость поверхности.

Лазерная полировка на 355 нм может быть особенно эффективна для локального улучшения поверхности без механического контакта и введения абразивных загрязнений.

3. Инфракрасные и высокопрочные защитные окна

Сапфир является одним из основных материалов для изготовления защитных окон и куполов, применяемых в:

1) инфракрасных системах наблюдения,

2) аэрокосмических сенсорах,

3) военной оптике,

4) высокотемпературных смотровых окнах.

В данных условиях материал подвергается:

- термическим нагрузкам,

- механическому износу,

- воздействию агрессивных сред.

Применение лазерной полировки позволяет формировать гладкие поверхности с уменьшенным количеством дефектов, что повышает долговечность и снижает вероятность разрушения при эксплуатации.

4. Прецизионные механические и трибологические компоненты

Благодаря высокой твёрдости и износостойкости сапфир используется в прецизионных механических узлах:

1) подшипниках высокой точности,

2) направляющих элементах,

3) опорах гироскопов,

4) деталях часовой промышленности.

В таких системах качество поверхности определяет:

- коэффициент трения,

- устойчивость к износу,

- долговечность узла.

Лазерная полировка может применяться для уменьшения шероховатости и улучшения трибологических характеристик без применения механических абразивов.

5. Микрообработка и производство MEMS-структур

Сапфир всё чаще используется в микроэлектромеханических системах (MEMS) и микрооптических компонентах. Здесь требуется обработка на микронном и субмикронном уровне.

Ультрафиолетовые лазеры обеспечивают:

→ малый размер фокального пятна,

→ высокую локальность воздействия,

→ возможность формирования микроструктур и гладких поверхностей.

Таким образом, лазерная полировка может быть интегрирована в процессы изготовления микроканалов, оптических элементов на подложке и прецизионных микроустройств.

6. Обработка сапфировых экранов и защитных покрытий

Сапфировые стекла применяются в качестве защитных экранов в потребительской электронике (например, часы, смартфоны, датчики). Для таких изделий требуется высокая оптическая прозрачность и отсутствие поверхностных дефектов.

Лазерная полировка может использоваться как:

метод устранения микродефектов после резки,
этап финишного сглаживания,
технология локального ремонта поверхности.

Использование наносекундного УФ источника для полировки сапфира

Здесь будет представлен обзор статьи из журнала «International Journal of Optics» под авторством X. Wei, X. Z. Xie, W. Hu, J. F. Huang. Статья посвящена разработке и исследованию технологии лазерной полировки сапфировых подложек с использованием Q-модулированного ультрафиолетового лазера с длиной волны 355 нм и наносекундными импульсами. Одна из главных целей статьи – показать, что даже используя более дешевые наносекундные УФ лазеры (порядка 10 000 USD) вместо дорогостоящих пико- и фемтосекундных, можно добиться необходимого качества поверхности сапфира

Рис. 4 – схема комплекса для полировки

Система лазерной полировки включала УФ-лазер (длина волны 355 нм, мода TEM00, средняя мощность 2 Вт, длительность импульса 20 нс, частота повторения до 100 кГц, скорость сканирования до 700 мм/с, фокусное пятно 14 мкм), оптическую систему, рабочий стол с компьютерным управлением и фокусирующую f-theta линзу. Угол падения лазерного луча регулировался наклоном рабочего стола.
Были подготовлены три типа образцов сапфира с различным исходным состоянием поверхности:

Образец A — механически притёртая поверхность (60×40×2 мм, Ra = 0,75 мкм)
Образец B — распиленная поверхность (18×10×1,5 мм, Ra = 1,1 мкм)
Образец C — поверхность, обработанная зелёным лазером 532 нм (60×40×2 мм, Ra = 1,5 мкм)

Рис. 5 – поверхности образцов до полировки

Качество полировки оценивалось по шероховатости поверхности Ra (профилометр MarSurf XR20) и топографии поверхности (сканирующий электронный микроскоп).

1. Влияние энергии лазерного импульса

При увеличении энергии импульса шероховатость Ra сначала уменьшается (при энергии ниже 0,056 мДж), а затем увеличивается (при энергии выше 0,056 мДж). Это объясняется сменой доминирующего механизма удаления материала: при малой энергии материал удаляется совместным действием термического и фотохимического механизмов (наблюдаются субмикропоры, ямки абляции, микроплавление), при высокой энергии доминирует термическое воздействие, приводящее к образованию микротрещин из-за быстрой рекристаллизации. Оптимальная энергия импульса — около 0,056 мДж.

Рис. 6 – поверхности образцов после полировки импульсами 0,064 и 0,044 мДж соответственно

2. Влияние частоты повторения импульсов

При низкой частоте (10 кГц) энергия отдельного импульса высока, что приводит к избыточному удалению материала и появлению глубоких борозд. Наилучший результат достигнут при 30 кГц — баланс между термическим и фотохимическим воздействием. При частоте 50 кГц и выше энергия импульса становится слишком малой для эффективного удаления материала, и шероховатость практически не изменяется по сравнению с исходной.

Рис. 7 – поверхности на 10 и 50 кГц соответственно

3. Влияние скорости сканирования

Скорость сканирования определяет время взаимодействия лазера с материалом. При низкой скорости (10 мм/с) происходит полное плавление поверхности с последующей быстрой рекристаллизацией, что вызывает микротрещины и ямки — поверхность получается очень грубой. Оптимальная скорость — 90 мм/с, при которой достигнута минимальная шероховатость Ra = 0,27 мкм с гладкой и плотной поверхностью. При скоростях выше 90 мм/с шероховатость снова возрастает из-за малого коэффициента перекрытия фокусного пятна.

Рис. 8 – Поверхности на 10, 50 и 90 мм/сек соответственно

4. Влияние угла падения луча

С увеличением угла падения фокусное пятно становится эллиптическим, площадь облучения увеличивается, а плотность энергии несколько снижается. При этом выпуклые участки поверхности удаляются легче, чем вогнутые, что способствует уменьшению шероховатости. Наблюдается тенденция к снижению Ra при увеличении угла до 50°. Углы более 50° не исследовались из-за ограничений экспериментальной установки.

5. Влияние схемы сканирования

Исследовано пять схем: однопроходное сканирование в одном направлении (A), сканирование с поворотом на 90° (B), с поворотом на 75° (C), двойное сканирование в одном направлении (D), двойное с поворотом на 90° (E). Наилучший результат дала схема A (однопроходная). Многократное сканирование удаляет как выпуклые, так и вогнутые участки, создавая глубокие борозды, что увеличивает шероховатость. При перекрёстном сканировании меньший угол пересечения даёт лучший результат.

6. Влияние исходного состояния поверхности

Механически притёртая поверхность (образец A) показала наибольшее снижение шероховатости — на 50%. Это на 36% больше, чем для образца, обработанного зелёным лазером, и на 20% больше, чем для распиленного образца. Вывод: чем ниже исходная шероховатость, тем эффективнее УФ-лазерная полировка, что делает её более подходящей для прецизионной обработки.

Авторы установили, что наилучшее качество поверхности (снижение Ra с 0,74 до 0,2 мкм) достигается при следующих условиях: длительность импульса 20 нс, энергия импульса 0,056 мДж, частота повторения 30 кГц, скорость сканирования 90 мм/с, угол падения 50°, однопроходная схема сканирования (паттерн A), для механически притёртой поверхности.

Заключение

Обзор технологии даёт однозначный ответ – использование лазеров для полировки сапфира является наиболее предпочтительным, в отличие от технологий механической или химической полировки, которые не дадут нужного результата.

Работа демонстрирует, что наносекундный УФ-лазер с длиной волны 355 нм может эффективно полировать сапфировые подложки, значительно снижая шероховатость поверхности. Ключевым является баланс между термическим и фотохимическим механизмами удаления материала — избыточная энергия приводит к микротрещинам, недостаточная — к неэффективной обработке. Использование доступных наносекундных лазеров вместо дорогих фемто- и пикосекундных открывает путь к промышленному внедрению технологи

Автор: Майский К. К. ООО «ОКБ «БУЛАТ»

Литература

Park, H. A novel process for the generation of pristine sapphire surfaces / H. Park, H. M. Chan // Thin Solid Films. — 2002. — Vol. 422, No. 1–2. — P. 135–140.
Guo, X. Development of sapphire polishing technology / X. Guo, X. Wei, X. Xie // Mechanical & Electrical Engineering Technology. — 2006. — Vol. 35, No. 9. — P. 76–78.
Li, Z. Energy accumulation effect and parameter optimization for fabricating of high-uniform and large-area period surface structures induced by femtosecond pulsed laser / Z. Li, P. Li, J. Fan, R. Fang, D. Zhang // Optics and Lasers in Engineering. — 2010. — Vol. 48, No. 1. — P. 64–68.
Sohn, I.-B. Femtosecond laser ablation of polypropylene for breathable film / I.-B. Sohn, Y.-C. Noh, S.-C. Choi, D.-K. Ko, J. Lee, Y.-J. Choi // Applied Surface Science. — 2008. — Vol. 254, No. 16. — P. 4919–4924.
Folwaczny, M. Polishing and coating of dental ceramic materials with 308 nm XeCL excimer laser radiation / M. Folwaczny, A. Mehl, C. Haffner, R. Hickel // Dental Materials. — 1998. — Vol. 14, No. 3. — P. 186–193.
Udrea, M. Laser polishing of optical fiber end surface / M. Udrea, H. Orun, A. Alacakir // Optical Engineering. — 2001. — Vol. 40, No. 9. — P. 2026–2030.
Shao, T. M. An approach to modelling of laser polishing of metals / T. M. Shao, M. Hua, H. Y. Tam, E. H. M. Cheung // Surface and Coatings Technology. — 2005. — Vol. 197, No. 1. — P. 77–84.
Wei, X. Influence of the condition parameters on UV pulsed laser polishing of sapphire wafer / X. Wei, X. Guo, X. Xie // Proceedings of the 8th Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO/Pacific Rim '09). — 2009.