激光輔助水射流加工砷化鎵晶片微槽的實(shí)驗(yàn)研究

摘要：

對(duì)干激光、低壓水射流輔助激光和激光輔助水射流技術(shù)加工砷化鎵晶片微槽進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，激光輔助水射流技術(shù)適合加工砷化鎵材料，它能夠加工出晶片表面無污染、大深度、小熱影響區(qū)寬度、大深寬比的高質(zhì)量微槽，加工表面微觀形貌均勻、微裂紋少，優(yōu)于其他兩種加工方式。實(shí)驗(yàn)研究了激光輔助水射流加工砷化鎵晶片微槽的切割性能，結(jié)果表明，加工參數(shù)（激光脈沖能量、水射流壓力、加工速度、水射流傾斜角度、焦平面位置和加工次數(shù)）對(duì)微槽深度、微槽寬度和材料去除率具有顯著影響。微槽深度、微槽寬度和材料去除率隨著激光脈沖能量的增大而增大，隨著水射流壓力的增大而減小，材料去除率隨著加工速度的增大而顯著增大。

關(guān)鍵詞：激光輔助水射流；微槽；砷化鎵晶片；工藝參數(shù)

中圖分類號(hào)：TG664

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.006

An Experimental Investigation of Laser Assisted Waterjet Microgrooving of GaAs Wafers

DUAN Lingyun1，3 HUANG Chuanzhen2，1 LIU Dun1 YAO Peng1 LIU Hanlian1

1.School of Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan，250061

2.School of Mechanical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei，066004

3.Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer Co.，Ltd.，Shanghai，200245

Abstract： Comparative experiments of dry laser， low-pressure waterjet assisted laser and laser assisted waterjet processing microgrooves of GaAs wafers were conducted. The results show that laser assisted waterjet processing is suitable for processing GaAs materials， which may process high quality microgrooves without contamination on the wafer surfaces， large depth， small heat affected zone width and large depth to width ratio. And the micromorphologies of the machined surfaces are uniform with few microcracks， which are better than the other two methods. The cutting performance of laser assisted waterjet microgrooving of GaAs wafers was studied experimentally. The results show that the processing factors（laser pulse energy， waterjet pressure， processing speed， waterjet inclination angle， focal plane position， and processing times）have significant influences on microgroove depth， microgroove width and material removal rate. The microgroove depth， microgroove width and material removal rate increase with increasing laser pulse energy， decrease with increasing waterjet pressure， and the material removal rate increases significantly with increasing processing speed.

Key words： laser assisted waterjet； microgroove； gallium arsenide（GaAs） wafer； processing parameter

收稿日期：2022-03-28

基金項(xiàng)目：

濟(jì)南市科技局自主培養(yǎng)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2019GXRC009）

0 引言

砷化鎵（GaAs）是應(yīng)用廣泛的化合物半導(dǎo)體。與硅相比，砷化鎵具有更高的電阻率和電子遷移率，可用于生產(chǎn)集成電路、紅外探測(cè)器、微波設(shè)備和高速數(shù)字電路［1］。晶圓的劃切是指將印有集成電路的晶圓分割為獨(dú)立的方形芯片這一重要的工序，劃切質(zhì)量直接影響半導(dǎo)體芯片的工作性能［2］。

目前砷化鎵晶片通常采用金剛石砂輪劃切［3］。高速旋轉(zhuǎn)的金剛石砂輪對(duì)晶片進(jìn)行磨削，劃切過程中會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力和崩邊、裂片等缺陷［4］。劃切設(shè)備屬于高、精、尖設(shè)備，一般價(jià)格不菲，且劃切工藝主要損耗品金剛石砂輪價(jià)格昂貴。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，為節(jié)約成本，提高生產(chǎn)效率，芯片之間的預(yù)留間隙越來越小，晶圓厚度降低至100 μm以下，而由于砷化鎵高脆性的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的金剛石砂輪劃切技術(shù)將不再可行。

激光劃切是目前劃切技術(shù)的研究熱點(diǎn)，激光具有無接觸應(yīng)力、易實(shí)現(xiàn)高精度控制、不需冷卻液和無刀具磨損等優(yōu)點(diǎn)［5］，但由于激光與材料的熱效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生熱影響區(qū)和微裂紋缺陷，使得晶圓有效使用面積減小，若微裂縫延伸至芯片的保護(hù)范圍，則會(huì)影響芯片的性能［6-7］。通過合理選擇脈沖寬度、波長(zhǎng)和激光強(qiáng)度可有效減小熱效應(yīng)。FORNAROLI等［8］使用皮秒激光進(jìn)行500 μm厚度硅晶片的劃切實(shí)驗(yàn)，得到17 μm的劃切寬度，劃切速度為2.5 mm/s。但是常見的超短脈沖激光如皮秒激光和飛秒激光等設(shè)備較昂貴。水導(dǎo)激光、隱形激光和激光熱裂法是用于晶片劃切的非傳統(tǒng)激光劃切技術(shù)［9-11］。DUSHKINA等［9］對(duì)硅、砷化鎵、鍺等半導(dǎo)體晶圓進(jìn)行了水導(dǎo)激光和金剛石砂輪切割對(duì)比實(shí)驗(yàn)，水導(dǎo)激光比金剛石砂輪切割效率高，切割速度快，而且切縫邊緣光滑，沒有微裂紋和細(xì)小毛刺，但是水導(dǎo)激光要求同軸的水射流不能發(fā)生噴水崩解和水霧化，加工精度由水射流直徑?jīng)Q定，限制了加工精度的提高，此外，激光和同軸水射流的耦合對(duì)中裝置十分復(fù)雜［12-13］。YU等［14］進(jìn)行了隱形激光和金剛石砂輪切割硅片的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，隱形激光幾乎無切縫寬度，可有效提高單位面積晶片的芯片產(chǎn)量，切割過程幾乎無損傷且清潔無污染。但是隱形激光只能加工激光可以穿透的材料，后續(xù)需要使用裂片裝置使芯片分離開來。HAUPT等［15］進(jìn)行了激光熱裂法切割硅晶片的實(shí)驗(yàn)，獲得了較為理想的切割效果，但是激光熱裂法的切割軌跡容易發(fā)生偏移。

20世紀(jì)末，TANGWARODOMNUKUN等［16］提出了一種新型的激光-水射流復(fù)合微細(xì)加工技術(shù)，后來也稱為激光輔助水射流加工技術(shù)。水射流傾斜后置與激光束共同作用于材料表面，用來去除被激光加熱的材料，同時(shí)起冷卻作用以減少熱損傷。激光輔助水射流加工技術(shù)已被證明適用于硬脆材料的微細(xì)加工，成功應(yīng)用于硅、鍺、碳化硅的微槽加工和氮化硅陶瓷的微銑削加工［16-19］，相比于傳統(tǒng)激光加工，激光輔助水射流技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，切口平整，熱影響區(qū)小，表面質(zhì)量好。激光輔助水射流技術(shù)在晶片劃片加工領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，因此有必要將其應(yīng)用于硬脆半導(dǎo)體材料砷化鎵的微細(xì)加工。研究激光輔助水射流加工砷化鎵晶片微槽的可行性和切割性能，有助于該技術(shù)在晶片劃切加工中的應(yīng)用，為砷化鎵晶片的劃切加工提供一種新方法。

本文對(duì)干激光、低壓水射流輔助激光和激光輔助水射流加工砷化鎵晶片微槽進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)加工后的微槽形貌、截面輪廓、微觀形貌、熱影響區(qū)寬度和深寬比進(jìn)行了對(duì)比分析評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)研究了激光輔助水射流加工砷化鎵晶片微槽的切割性能，研究加工參數(shù)（激光脈沖能量、水射流壓力、加工速度、水射流傾斜角度、焦平面位置和加工次數(shù)）對(duì)微槽深度、微槽寬度和材料去除率的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)材料為直徑5.08 cm（2 inch）、厚度350 μm、表面粗糙度Ra為 0.5 nm的非摻雜砷化鎵晶片，由北京特博萬德科技有限公司提供，其常溫性能參數(shù)如表1所示［20］。微槽是在（100）晶面上沿〈110〉方向進(jìn)行微加工的，在進(jìn)行加工之前，對(duì)工件在乙醇溶液和去離子水中依次進(jìn)行10 min的超聲波清洗。

激光輔助水射流加工的實(shí)驗(yàn)裝置由帶有光學(xué)元件的納秒脈沖光纖激光器、加壓空氣驅(qū)動(dòng)的水射流泵、精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和復(fù)合切割頭四部分組成，實(shí)驗(yàn)裝置的原理如圖1所示。激光器發(fā)射的脈沖激光為波長(zhǎng)1064 nm、脈沖寬度200 ns、頻率100 kHz、最大平均功率100 W的隨機(jī)偏振高斯光束。水射流泵可以提供最大為40 MPa的水射流壓力。復(fù)合切割頭在精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制下，可以在一個(gè)300 mm×300 mm方形區(qū)域內(nèi)進(jìn)行加工運(yùn)動(dòng)，精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的靈敏度為1 μm。

激光輔助水射流復(fù)合切割頭裝置及基本參數(shù)如圖2所示。圖2a為復(fù)合切割頭，由激光頭、傾斜的水射流噴嘴和三軸精密平臺(tái)組成。水射流噴嘴固定在三軸精密平臺(tái)上，三軸精密平臺(tái)可以調(diào)節(jié)水射流噴嘴相對(duì)于激光的傾斜角度和位置，精度為1 μm。圖2b所示為加工過程中的基本參數(shù)，焦點(diǎn)平面和工件表面之間的距離用焦平面位置fpp表示，如果數(shù)值為負(fù)數(shù)，則表示焦點(diǎn)在工件表面以下。根據(jù)文獻(xiàn)［21-22］的研究，將噴嘴靶距x0和水射流偏置距離xw分別設(shè)定為1 mm和0.5 mm的固定值較合適。相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)和預(yù)先設(shè)定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。加工后的微槽由三維激光顯微鏡（Keyence VK-X200）和掃描電子顯微鏡（JSM-6701F）進(jìn)行觀察和測(cè)量。

2 實(shí)驗(yàn)方案

采用加工后的微槽寬度W、微槽深度H和材料去除率υr評(píng)估激光輔助水射流加工微槽的質(zhì)量。用三維激光顯微鏡（Keyence VK-X200）測(cè)量微槽深度、微槽寬度和微槽橫截面積。材料去除率υr可表示為

υr=Acv（1）

式中，Ac為微槽橫截面積；v為加工速度。

一般認(rèn)為材料發(fā)生了物理化學(xué)性質(zhì)變化的材料區(qū)域?yàn)闊嵊绊憛^(qū)，本研究采用微槽兩側(cè)邊緣凸起區(qū)域的寬度之和表征熱影響區(qū)寬度。熱影響區(qū)寬度、微槽深度和微槽寬度等特征如圖3所示。

引入激光脈沖能量來考慮激光平均功率的影響，激光脈沖能量Ep為

Ep=Plf（2）

式中，Pl為激光平均功率；f為激光脈沖頻率。

為研究工藝參數(shù)對(duì)微槽寬度W、微槽深度H和材料去除率υr的影響，采用了6個(gè)可變的工藝參數(shù)，即激光脈沖能量Ep、水射流壓力pw、加工速度v、水射流傾斜角度θ、焦平面位置fpp和加工次數(shù)n進(jìn)行全因子實(shí)驗(yàn)。將全因子實(shí)驗(yàn)分成兩組，兩組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案分別見表3和表4。在第一組中采用了激光脈沖能量Ep、水射流壓力pw、加工速度v、水射流傾斜角度θ的4個(gè)水平，焦平面位置fpp和加工次數(shù)n采用單水平取值。在第二組中，焦平面位置fpp和加工次數(shù)n采用4水平設(shè)計(jì)，激光脈沖能量Ep、水射流壓力pw采用第一組中的最大值和最小值，加工速度v和水射流傾斜角度θ則取單一水平，第二組實(shí)驗(yàn)?zāi)苡行骄拷蛊矫嫖恢胒pp和加工次數(shù)n對(duì)微槽深度和微槽寬度的影響。當(dāng)加工次數(shù)超過1時(shí)，原來的材料去除率計(jì)算式（式（1））將不再適用，因此只研究加工次數(shù)為1的條件下，工藝參數(shù)對(duì)材料去除率的影響。

本文共進(jìn)行320次實(shí)驗(yàn)（第一組256次，第二組64次），以保證分析結(jié)果的客觀性。對(duì)每個(gè)微槽幾何特征進(jìn)行三次測(cè)量，包括微槽深度、微槽寬度和橫截面積，取其平均值作為最終測(cè)量結(jié)果。

在進(jìn)行全因子實(shí)驗(yàn)之前，先對(duì)干激光、低壓水射流輔助激光和激光輔助水射流加工砷化鎵晶片微槽進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)方案如表5所示，其他未提及的實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定與表2中給出的相同。

3 結(jié)果與分析

3.1 對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)得到了不同激光脈沖能量條件下干激光、低壓水射流輔助激光和激光輔助水射流加工砷化鎵晶片的微槽，選取激光脈沖能量為0.09 mJ和0.15 mJ條件下三種加工方式得到的微槽形貌進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖4所示。

在0.09 mJ的較低激光脈沖能量條件下，三種加工方式得到的微槽形貌如圖4a、圖4b、圖4c所示。干激光加工得到的微槽表面存在白色重鑄層，微槽兩側(cè)顏色發(fā)生了明顯變化，不存在材料飛濺，表明材料被加熱到高于熔點(diǎn)1511 K，在微槽兩側(cè)形成了熱影響區(qū)；低壓水射流輔助激光加工得到的微槽形狀不規(guī)則，表明流動(dòng)的低壓水射流層對(duì)激光能量形成了干擾，同時(shí)影響了熔融物質(zhì)的分布；激光輔助水射流加工得到的微槽寬度相比其他兩種加工方式更大，但是與低壓水射流輔助激光相比差別較小。

在0.15 mJ的較高激光脈沖能量條件下，三種加工方式得到的微槽形貌如圖4d、圖4e、圖4f所示。干激光加工后的微槽表面存在明顯的熔化和重鑄特征，表明材料被加熱到遠(yuǎn)高于熔點(diǎn)1511 K，熔融材料受到激光中心點(diǎn)附近的材料氣化產(chǎn)生的反沖作用力，發(fā)生飛濺或被推擠到微槽兩側(cè)并重新沉積，造成明顯污染；低壓水射流輔助激光加工得到的微槽附近表面存在少量熔融顆粒造成的污染，微槽的邊緣是不規(guī)則的，這是因?yàn)樵诩庸み^程中，低壓水射流用來清洗和冷卻工件，激光加熱產(chǎn)生的熔融材料一部分冷卻后固化在微槽表面形成重鑄層，一部分凝固成固體顆粒并被水射流帶走；激光輔助水射流加工得到的微槽附近表面清潔無污染，微槽與未加工表面的分界邊緣平直，熱影響區(qū)寬度很小，表明激光輔助水射流技術(shù)在較高激光脈沖能量條件下能有效去除被激光加熱的材料，加工得到的微槽熱損傷小，加工質(zhì)量明顯優(yōu)于其他兩種加工方式。

在0.15 mJ激光脈沖能量條件下，相比其他兩種加工方式，激光輔助水射流加工得到的微槽具有最大的深度和最小的加工寬度（微槽寬度和熱影響區(qū)寬度之和），分別為68.946 μm和56.820 μm，如圖5所示。低壓水射流輔助激光和

激光輔助水射流加工得到的微槽寬度都遠(yuǎn)大于焦點(diǎn)直徑27.5 μm，但激光輔助水射流加工得到的微槽寬度更小，因?yàn)橄啾扔诘蛪核淞鬏o助激光，激光輔助水射流技術(shù)能夠更有效地沖擊去除微槽底部的受熱材料，使激光中心在材料表面的作用點(diǎn)更低于未加工表面，因此在微槽寬度方向的熱量傳導(dǎo)更少，加工得到的微槽寬度更小，微槽深度也更大。

三種加工方式在0.21 mJ的激光脈沖能量水平下加工得到的微槽形貌及局部放大圖見圖6。干激光在0.21 mJ的激光脈沖能量水平下加工得到的微槽表面存在大量的塊狀和顆粒狀殘留物堆積，微槽內(nèi)形成了明顯的大孔洞，微槽表面存在大量微裂紋，如圖6a所示。這是因?yàn)樵诟杉す饧庸み^程中，激光的熱效應(yīng)使材料熔化，熔化的材料在凝固過程中存在熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生［23］。

低壓水射流輔助激光在0.21 mJ的激光脈沖能量水平下加工得到的微槽表面材料不均勻，存在大量錐形凸起，堆積材料上存在許多微孔，如圖6b所示。微孔是砷化鎵材料在高溫下分解和砷蒸氣逸出而留下的［24］。在加工過程中，低壓水射流起到冷卻作用，并去除了其中一部分熱分解產(chǎn)物。

激光輔助水射流在0.21 mJ的激光脈沖能量水平下加工得到的微槽附近存在熱影響區(qū)，微槽表面材料分布較均勻，沒有大量材料堆積，在微槽底部存在一些細(xì)小的裂紋，但裂紋的數(shù)量明顯要少于其他兩種加工方式，如圖6c所示。這是因?yàn)椋阂环矫妫す庵行牡母邷睾?.21 mJ的高激光脈沖能量造成熱應(yīng)力產(chǎn)生從而導(dǎo)致微裂紋；另一方面歸因于砷化鎵的高脆性、易解理的材料特性。

在常溫下，砷化鎵材料性能穩(wěn)定，但在高于900 K的溫度下會(huì)發(fā)生熱分解和氧化行為，化學(xué)反應(yīng)式為［20］

GaAs=Ga+As↑（3）

4Ga+3O2=2Ga2O3（4）

對(duì)未加工表面和圖6c中激光輔助水射流加工得到的微槽壁面進(jìn)行EDS元素分析，得到的EDS圖譜見圖7。由圖7a可知，未加工表面As元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52.6%，圖7b中激光輔助水射流加工后微槽壁面As元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小到48.2%，出現(xiàn)了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.9%的O元素，可以證明在加工過程中存在熱分解和氧化行為。

在干激光加工過程中，溫度高于熔點(diǎn)的材料由高溫等離子體或氣化去除，而在低壓水射流輔助激光加工過程中，熔化的材料由流動(dòng)的低壓水射流去除。激光輔助水射流加工砷化鎵晶片微槽表面存在重鑄層和熔化特性，加工過程中存在熱分解和氧化行為。因此在激光輔助水射流加工砷化鎵晶片過程中，材料被激光加熱到高于熔點(diǎn)而熔化，并伴隨熱分解和氧化行為，大部分熔化的材料和分解產(chǎn)物被高壓水射流去除，小部分重新凝固在加工表面。盡管如此，激光輔助水射流技術(shù)仍有效地減少了激光熱效應(yīng)對(duì)高脆性材料砷化鎵的熱損傷。有待進(jìn)一步對(duì)激光輔助水射流加工砷化鎵材料加工過程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬和理論研究，以確定材料的去除機(jī)理。

熱影響區(qū)寬度可以用來評(píng)價(jià)激光加熱對(duì)材料的熱損傷程度，而加工微槽的深寬比可以用來評(píng)價(jià)加工技術(shù)對(duì)窄縫或微槽的加工能力。三種不同的加工方式下，激光脈沖能量對(duì)熱影響區(qū)寬度和深寬比的影響如圖8所示。激光輔助水射流加工砷化鎵晶片微槽的熱影響區(qū)寬度是最小的，遠(yuǎn)小于其他兩種加工方式，且隨著激光脈沖能量的增大而增大，如圖8a所示。在較小的0.09 mJ激光脈沖能量條件下，激光輔助水射流加工所得微槽的深寬比與其他兩種加工方式相比相差不大，但隨著激光脈沖能量的增大而急劇增大，如圖8b所示。因此，與其他兩種加工方法相比，激光輔助水射流技術(shù)加工得到的微槽熱損傷最小，加工窄縫或微槽的加工能力最強(qiáng)。

根據(jù)上述對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析，在激光輔助水射流加工砷化鎵晶片微槽的加工過程中，水射流可以有效沖擊去除微槽深度方向的熔融材料，使微槽深度明顯增大，加工過程中存在熱分解和氧化行為。激光輔助水射流技術(shù)適合加工砷化鎵材料，它能夠加工出晶圓表面無污染、大深度、小熱影響區(qū)寬度、大深寬比的高質(zhì)量微槽，加工表面微觀形貌均勻，微裂紋少，表面質(zhì)量?jī)?yōu)于其他兩種加工方式。

3.2 水射流的冷卻作用和沖擊作用

根據(jù)流動(dòng)特性，傾斜沖擊的水射流在工件表面分為壁面射流區(qū)、射流沖擊區(qū)和自由射流區(qū)。在不同射流區(qū)域，入射的激光穿透的水膜厚度不同，如圖9所示。

當(dāng)水射流相對(duì)于激光的偏置距離不同時(shí)，被激光穿透的水膜厚度hw為［25］

hw=

（d02cosθ-xw）tan（90°-θ）

"""-d02cosθ≤xw≤d02cosθ-0.1d0tanθ0.1d0" xwgt;d02cosθ-0.1d0tanθ（5）

全因子實(shí)驗(yàn)中的水射流偏置距離設(shè)定為0.5 mm的固定值，激光作用在壁面射流區(qū)，因此激光穿透的水膜厚度約為30 μm，幾乎不受水射流壓力和水射流傾斜角度的影響。

壁面射流區(qū)的強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)hf為［26］

hf=kwNuwL（6）

Nuw=0.037Re4/5wPr1/3（7）

Rew=pwv0Lμ（8）

v0=2pwρw（9）

式中，kw為水的熱導(dǎo)率；Nuw為壁面射流區(qū)水的努塞爾數(shù)；Rew為壁面射流區(qū)水的雷諾數(shù)；Pr為水的普朗特?cái)?shù)；ρw為水的密度；v0為壁面射流速度；L為壁面射流區(qū)特征長(zhǎng)度；μ為水的運(yùn)動(dòng)黏度。

因此，隨著水射流壓力的增大，壁面射流區(qū)的射流流速增大，壁面射流區(qū)水的雷諾數(shù)和努塞爾數(shù)增大，最終導(dǎo)致強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)增大。壁面射流區(qū)水射流對(duì)工件表面的最大切應(yīng)力τmax為［27］

τmax=0.5ρwv20Ajξ（θ）（10）

式中，Aj為圓形射流的截面面積；ξ（θ）為關(guān)于水射流傾斜角度θ的函數(shù)，在θ=35°時(shí)取得最大值，在全因子實(shí)驗(yàn)的40°～52°的水射流傾斜角度取值范圍內(nèi)遞減。

因此，當(dāng)其他條件不變，水射流壓力增大時(shí)，壁面射流區(qū)的射流流速增大，進(jìn)而使最大切應(yīng)力增大。當(dāng)其他條件不變，水射流傾斜角度在40°～52°范圍內(nèi)增大時(shí)，壁面射流區(qū)的最大切應(yīng)力減小。

3.3 工藝參數(shù)對(duì)微槽深度的影響

全因子實(shí)驗(yàn)得到的激光輔助水射流工藝參數(shù)對(duì)微槽深度的影響如圖10所示。水射流壓力和激光脈沖能量對(duì)微槽深度的影響如圖10a所示。由圖10a可見，隨著水射流壓力的增大，微槽深度減小。一方面，根據(jù)式（10），隨著水射流壓力的增大，水射流對(duì)壁面射流區(qū)的切應(yīng)力增大，水射流沖擊作用增強(qiáng)，導(dǎo)致微槽深度增大，

另一方面，根據(jù)式（6）～式（9），水射流壓力增大會(huì)使射流層的雷諾數(shù)增大，從而使強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)增大，冷卻作用增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致微槽深度減小。因此，當(dāng)水射流對(duì)材料去除的冷卻作用大于沖擊作用時(shí)，隨著水射流壓力增大，微槽深度減小。此外，由圖10a可見，隨著激光脈沖能量的增大，微槽深度增大。由高斯分布移動(dòng)熱源Q（x，y，z，t）表達(dá)式［28］

Q（x，y，z，t）=

I0exp（-8［（x-vt）2+y2］d2f）α·

exp（-αz）g（t）（1-Rf）（1-Rw）（1-Aw）（11）

I0=8Epπτpd2f（12）

式中，I0為激光焦斑中心點(diǎn)能量密度；α為材料對(duì)激光的吸收系數(shù)；g（t）為激光脈沖的波形周期函數(shù)，可視為階躍脈沖周期函數(shù)；Rf為材料對(duì)激光的反射系數(shù)；Rw為水對(duì)激光的反射系數(shù)；Aw為水對(duì)激光的吸收系數(shù)；τp為脈沖寬度；df為焦點(diǎn)直徑。

可知，在其他參數(shù)不變時(shí)，隨著激光脈沖能量的增大，激光加熱區(qū)域在深度方向上會(huì)更深，更多的材料被軟化，從而形成更深的微槽。

水射流傾斜角度和加工速度對(duì)微槽深度的影響如圖10b所示。由圖10b可見，微槽深度隨著水射流傾斜角度的增大而減小。根據(jù)式（10），水射流傾斜角度越大，壁面射流區(qū)的最大切應(yīng)力越小，導(dǎo)致微槽深度越小。此外，由圖10b可見，隨著加工速度的增大，微槽深度減小，為了描述兩個(gè)相鄰的脈沖激光束在工件表面的重疊程度，引入量綱一脈沖重疊率Op，表達(dá)式［29］為

Op=1-vfdb（13）

db=df1+（4λfppπd2f）2（14）

式中，f為激光脈沖頻率；db為工件表面激光束直徑；df為焦點(diǎn)直徑；λ為激光波長(zhǎng)；fpp為焦平面位置。

由式（10）可知，隨著加工速度的增大，脈沖重疊率減小，單位距離材料吸收的激光脈沖數(shù)量減少，微槽深度減小。

焦平面位置對(duì)微槽深度的影響如圖10c所示，當(dāng)焦點(diǎn)剛好在工件上表面時(shí)，微槽深度取最大值，隨著焦平面位置向上或向下移動(dòng)，微槽深度減小，這是因?yàn)楫?dāng)焦點(diǎn)剛好在工件上表面時(shí)，激光束和水射流之間的重疊圓臺(tái)體積是最小的，能量損失最小。在0.21 mJ的高激光脈沖能量下，焦平面位置對(duì)微槽深度的影響規(guī)律更為明顯，這是因?yàn)樵诟呒す饷}沖能量下加工得到的微槽深度更大，隨著焦平面位置向上或向下移動(dòng)，未聚焦的激光要穿透更大體積的水才能輻射到材料表面，浪費(fèi)的激光能量比例更大，導(dǎo)致微槽深度減小更多。

加工次數(shù)對(duì)微槽深度的影響如圖10d所示，其影響規(guī)律在0.12 mJ和0.21 mJ的激光脈沖能量水平下有所不同。在較低的0.12 mJ脈沖能量條件下，微槽深度隨著加工次數(shù)的增加而增大，這是因?yàn)榈?次加工后微槽深度較小，在隨后的多次加工過程中，激光穿透的水體積很小，能量損失小，大部分激光能量作用于材料表面，使微槽深度增大。在0.21 mJ的高激光脈沖能量條件下，第2次加工后微槽深度最大，后續(xù)加工深度反而變小，這是因?yàn)樵诟呒す饷}沖能量下，即使第2次加工過程中經(jīng)過能量損失后到達(dá)材料表面的能量還是足夠多的，在加熱和熔化去除后，微槽深度增大明顯。在第3次和第4次加工過程中，由于微槽已經(jīng)很深，未聚焦的激光束半徑很大，在水射流的作用下，微槽側(cè)壁的材料被加熱軟化并擠壓到微槽底部，使微槽深度減小。

在0.18 mJ激光脈沖能量和不同水射流壓力下加工得到的微槽3D輪廓如圖11所示。由圖11可見，微槽深度隨著水射流壓力的增大而略有減小，但在13 MPa較高水射流壓力下加工所得微槽表面沒有大量材料堆積，加工質(zhì)量得到了改善。

在0.21 mJ的激光脈沖能量和13 MPa的水射流壓力下不同加工次數(shù)得到的截面輪廓如圖12所示。由圖12可見，在第2次加工后微槽深度最大，后續(xù)加工微槽深度反而減小，微槽寬度隨著加工次數(shù)的增加而明顯增大，微槽的截面輪廓從深V形變成開口較大的寬V形。

3.4 工藝參數(shù)對(duì)微槽寬度的影響

全因子實(shí)驗(yàn)得到的激光輔助水射流工藝參數(shù)對(duì)微槽寬度的影響如圖13所示。水射流壓力和激光脈沖能量對(duì)微槽寬度的影響如圖13a所示。由圖13a可見，水射流壓力對(duì)微槽寬度的影響不明顯。根據(jù)式（6）～式（9），隨著水射流壓力的增大，水射流的冷卻作用增強(qiáng)，使激光加熱區(qū)域在寬度方向上更窄，導(dǎo)致微槽寬度減小，然而，根據(jù)式（10），水射流壓力的增大會(huì)增大壁面射流區(qū)的最大切應(yīng)力，水射流對(duì)材料的沖擊作用增強(qiáng)，導(dǎo)致微槽寬度增大；因此，在水射流壓力增大帶來的冷卻作用和沖擊作用的共同作用下，水射流壓力對(duì)微槽寬度的影響不明顯。此外，由圖13a可見，微槽寬度隨著激光脈沖能量的增大而增大，這是因?yàn)檩^高的激光脈沖能量使激光加熱區(qū)域在寬度方向上更寬，因此加工得到的微槽寬度增大。

水射流傾斜角度和加工速度對(duì)微槽寬度的影響如圖13b所示。由圖13b可見，微槽寬度幾乎不受水射流傾斜角度的影響。根據(jù)式（5），水射流傾斜角度增大對(duì)壁面射流區(qū)激光穿透的水膜厚度幾乎沒有影響，因此激光脈沖能量分布保持不變，微槽寬度也保持不變。此外，由圖13b可見，微槽寬度隨著加工速度的增大沒有明顯變化，這也是因?yàn)榧庸に俣葲]有改變激光脈沖能量在寬度方向的分布。

焦平面位置對(duì)微槽寬度的影響如圖13c所示，在較低和較高的激光脈沖能量條件下，焦平面位置對(duì)微槽寬度的影響規(guī)律不同。在0.12 mJ的較低激光脈沖能量條件下，焦點(diǎn)剛好處于工件上表面時(shí)，激光光斑直徑最小，加工得到的微槽寬度也是最小的，激光光斑直徑隨著焦平面的向上或向下移動(dòng)而有一定程度的增大，從而導(dǎo)致微槽寬度增大。而當(dāng)使用0.21 mJ的較高激光脈沖能量時(shí)，高激光脈沖能量對(duì)微槽寬度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過焦平面位置改變帶來的影響，因此微槽寬度幾乎保持不變。

加工次數(shù)對(duì)微槽寬度的影響如圖13d所示，微槽寬度隨著加工次數(shù)的增加而增大，這是因?yàn)樵诙啻渭庸さ倪^程中，微槽寬度遠(yuǎn)大于焦點(diǎn)直徑，激光的熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量從微槽底部傳遞到微槽側(cè)壁，側(cè)壁材料受熱后被水射流沖擊去除，微槽寬度增大。多次加工的輪廓變化如圖12所示，微槽寬度隨著加工次數(shù)的增加而明顯增大。

在4 MPa和13 MPa的水射流壓力下，不同激光脈沖能量條件下加工得到的微槽俯視圖見圖14。由圖14可見，在較大的激光脈沖能量條件下，微槽寬度較大，

在較高的水射流壓力條件下微槽寬度幾乎不變，但微槽的邊界更加平直。

不同加工速度條件下得到的微槽俯視圖見圖15。由圖15可見，在較小的加工速度下，微槽與未加工表面的邊界是清晰平直的。在較高的加工速度下，如16 mm/s，微槽與未加工表面的邊界清晰度變差。微槽在加工速度方向上存在一定程度的彎曲，這是由設(shè)備在較高的加工速度下精度降低導(dǎo)致的。

3.5 工藝參數(shù)對(duì)材料去除率的影響

全因子實(shí)驗(yàn)得到的激光輔助水射流工藝參數(shù)對(duì)材料去除率的影響如圖16所示。

水射流壓力和激光脈沖能量對(duì)材料去除率的影響如圖16a所示。由圖16a可見，材料去除率隨著水射流壓力的增大而減小，這是因?yàn)樵龃笏淞鲏毫?huì)使微槽深度減小，而微槽寬度幾乎不變，所以微槽的橫截面積減小。根據(jù)式（1），在加工速度不變的條件下，微槽橫截面積減小會(huì)導(dǎo)致材料去除率減小，此外，由圖16a可見，材料去除率隨著激光脈沖能量的增加而增大，這是因?yàn)楦呒す饷}沖能量使微槽深度和寬度都增大，微槽橫截面積增加，進(jìn)而使材料去除率增大。

水射流傾斜角度和加工速度對(duì)材料去除率的影響如圖16b所示。由圖16b可見，材料去除率隨著水射流傾斜角度的增大而減小，這是因?yàn)樗淞鲀A斜角度的增大對(duì)微槽寬度的影響很小，

因此水射流傾斜角度對(duì)材料去除率的影響與其對(duì)微槽深度的影響規(guī)律一致。此外，由圖16b可見，材料去除率隨著加工速度增大而增大，這是因?yàn)樵诩庸み^程中，加工速度影響激光的脈沖重疊率，而不影響單個(gè)脈沖的能量分布。盡管較高的加工速度減小了微槽深度，但微槽寬度幾乎沒有變化，導(dǎo)致微槽的橫截面積減小較少。根據(jù)式（1），材料去除率是橫截面積與加工速度的乘積，加工速度的增大彌補(bǔ)了橫截面積的減小，因此材料去除率隨著加工速度增大而增大。

激光焦平面位置對(duì)材料去除率的影響如圖16c所示。由圖16c可見，材料去除率在焦平面位置為0時(shí)取得最大值，隨著焦平面向上或向下移動(dòng)而減小，這是因?yàn)楫?dāng)焦平面剛好在工件表面時(shí)，微槽深度最大，微槽寬度最小，但是此時(shí)微槽寬度與焦平面處于其他位置時(shí)差別不大，因此微槽截面面積取得最大值，進(jìn)而材料去除率也是最大的。所以當(dāng)焦平面向上或向下移動(dòng)時(shí)，材料去除率減小。在高激光脈沖能量條件下，材料去除率隨著焦平面位置的改變而明顯減小。

4 結(jié)論

（1）激光輔助水射流技術(shù)適合加工砷化鎵材料，它能夠加工出晶圓表面無污染、大深度、小熱影響區(qū)寬度、大深寬比的高質(zhì)量微槽，加工表面微觀形貌均勻、微裂紋少，優(yōu)于干激光和低壓水射流輔助激光加工技術(shù)。

（2）微槽深度隨著激光脈沖能量的增大而增大，隨著水射流壓力、水射流傾斜角度和加工速度的增大而減小，當(dāng)焦點(diǎn)正好在工件上表面時(shí)，微槽深度取得最大值。微槽深度并不總是隨著加工次數(shù)的增加而增大，在0.21 mJ的高激光脈沖能量下，微槽深度在第2次加工后最大，此后隨著加工次數(shù)的增加微槽深度反而減小。

（3）微槽寬度隨著激光脈沖能量和加工次數(shù)的增加而增大，幾乎不受水射流壓力、水射流傾斜角度和加工速度的影響，當(dāng)焦點(diǎn)正好在工件上表面時(shí)取得最小值。

（4）材料去除率隨著激光脈沖能量和加工速度的增大而顯著增大，隨著水射流壓力和水射流傾斜角度的增大而減小，前者的影響較小。當(dāng)焦點(diǎn)正好在工件上表面時(shí)，材料去除率取得最大值。

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（編輯 王艷麗）

作者簡(jiǎn)介：

段凌云，男，1997年生，碩士研究生。研究方向?yàn)榧す廨o助水射流超精密加工。E-mail：duanlingyuner@163.com。

黃傳真（通信作者），男，1966年生，教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)楦咝Ь芗庸ぁ⑻沾傻毒吲c結(jié)構(gòu)陶瓷、磨料水射流與特種激光加工、微納制造、增材制造等。E-mail：huangchuanzhen@ysu.edu.cn。