一种激光剥离晶锭实时监测系统及方法

1.本发明属于激光加工过程的无损检测技术领域，特别是涉及一种激光剥离晶锭实时监测系统及方法。


背景技术：

2.激光剥离技术是一种新兴的晶锭剥离方法，首先将对加工材料具有较高透过率的高峰值功率脉冲激光聚焦在材料内部进行加工，材料在吸收激光能量后温度迅速升高，在内部密闭区域形成高温高压的环境氛围，进而形成激光诱导的内部改质层，再对改质层施加力的作用，使得晶片沿改质层从晶锭剥离。与传统的金刚石线切割晶锭方法相比激光剥离具有显著的优势，主要表现在减少剥离面损失、加工效率高从而提高产量，可提高剥离面的表面质量有利于下一工序的进行，并具有无废液污染、绿色环保等优点。
3.然而在激光剥离过程中，激光在材料内部加工过程非常复杂，目前存在加工机制不明确、加工过程难以实时监测而不能反馈加工状态、在加工过程中欠缺对内部改质结构的分类和表征等问题。为推动激光剥离技术的不断进步，上述存在的问题亟待解决，而声发射技术是一种动态无损检测方法，激光内部加工产生的声发射信号包含有丰富的信息，但声发射监测技术在激光内部加工领域还没有系统性的研究工作，如何利用声发射技术实时高效监测激光剥离晶锭时内部加工过程以及实现激光内部加工过程中的加工结构预判技术是当前亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种激光剥离晶锭实时监测系统及方法，从声发射信号的特征参数分析出发，得到声发射信号与激光诱导内部改质结构间的关系，用以实现激光剥离晶锭的激光内部加工过程中声发射信号监测及加工过程预判技术，解决了现有技术不具备系统性实时监测的难题。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种激光剥离晶锭实时监测系统，包括激光器、光阑、第一反射镜、衰减器、第二反射镜、第三反射镜、物镜、x-y-z三维移动平台、ccd成像系统、声发射传感器、前置放大器、数据采集卡、计算机；
7.所述激光器与计算机进行连接，且射出的激光依次通过所述光阑、第一反射镜、衰减器、第二反射镜、第三反射镜、物镜到达放置在所述x-y-z三维移动平台上的晶锭样件的上表面，所述ccd成像系统的照明光通过所述第三反射镜、物镜对所述x-y-z三维移动上的晶锭样件进行照明定焦，用以辅助所述激光器的光斑对准，所述声发射传感器依次通过所述前置放大器、数据采集卡与所述计算机相连，所述声发射传感器用于放置在晶锭样件上获取声发射信号并传输给所述计算机。
8.本发明还提供一种激光剥离晶锭实时监测方法，包括上述的激光剥离晶锭实时监测系统，通过激光剥离晶锭实时监测系统进行监测的步骤如下：
9.s1：将晶锭样件放置并固定在x-y-z三维移动平台上，并使ccd成像系统的照明焦点对准晶锭样件的上表面；
10.s2：将声发射传感器涂上耦合剂后放置在晶锭样件上表面距离待加工区域的4-8mm处；
11.s3：通过计算机对激光器的加工参数进行设置；
12.s4：启动激光器，其射出的光斑依据ccd成像系统的照明焦点进行对焦，以使光斑聚焦在晶锭样件内部的待加工区域；
13.s5：设置多种不同的激光单脉冲能量，其他激光加工参数保持不变，用上述多种不同的能量分别对晶锭样件内部的多个不同位置进行激光面扫描加工；同时利用声发射传感器同步采集声发射信号并上传到计算机进行处理分析，得到平均频率-幅值关联图和计数-持续时间关联图；
14.s6：激光加工完毕后对晶锭样件进行裂片处理，得到每种激光单脉冲能量进行内部改质加工后对应的截面形貌；
15.s7：根据每种激光单脉冲能量对应的截面形貌进行裂纹分析；
16.s8：将每种激光单脉冲能量的裂纹分析情况分别与相对应的平均频率-幅值关联图、计数-持续时间关联图进行联合观察，得到截面形貌与特征参数图之间的关联；
17.s9：通过步骤s8中平均频率-幅值关联图、计数-持续时间关联图与截面形貌的关联及对应的剥离效果，用以对晶锭的激光剥离过程进行实时监测以及对内部加工结构进行预判。
18.本发明先在晶锭样件上通过ccd成像系统进行定焦，然后放置好声发射传感器，设置好激光器的加工参数，并使其根据定焦位处进行对准，以保证光斑对准需要加工的位置，之后设置多种不同级别的激光单脉冲能量分别对样品的多个不同区域进行激光面扫描加工，以使声发射传感器得到相应的特征参数图(平均频率-幅值关联图、计数-持续时间关联图)在计算机中进行显示，然后对加工完的样品进行裂片处理，得到多种能量对应的截面形貌，并对每一种能量的截面形貌进行分析裂纹情况，结合截面形貌的分析，得到截面形貌与特征参数图之间的关联，发现了声发射信号的分布特点可对激光剥离的加工过程进行实时监测和对内部加工进行预判。
19.其中，本发明中的声发射信号主要是激光在晶锭样件内部作用时产生熔化重凝、等离子体等物理现象，并伴随着微裂纹开裂引起内部压力变化而产生。
20.其中，激光器的加工参数不同形成形貌差异较大的改质结构，相对应的信号分布也表现出较大差异，可利用这些特征用于激光剥离晶锭时内部加工结构的预判。
21.进一步，步骤s5中，设置的三种不同的激光单脉冲能量分别为6.9μj、11.6μj和16.2μj；
22.且三种不同的能量对晶锭样件内部的不同位置进行三次激光面扫描加工的过程如下：
23.在上一个面结构加工完成之后距离加工区域移动0.3mm进行下一个面结构的加工。
24.进一步，步骤s7中，根据截面形貌进行裂纹分析的过程如下；
25.根据脉冲能量6.9μj对应的第一截面形貌，观察到晶锭样件仅在最上层爆点之间
形成横向拓展裂纹，且裂纹搭接完整，这对于需要沿着横向裂纹上下的剥离是有益的；
26.根据脉冲能量11.6μj对应的第二截面形貌，观察到晶锭样件除了最上层爆点之间形成横向拓展裂纹之外，下方的爆点之间也存在横向裂纹，且横向爆点的裂纹搭接不完整；
27.根据脉冲能量16.2μj对应的第三截面形貌，观察到晶锭样件的截面形成了双层的横向裂纹；
28.由于第二、第三截面形貌的横向裂纹面不均匀，会造成剥离时的剥离力不均匀以及剥离后的剥离面平整度降低，所以对于激光剥离的效果是不利的。
29.进一步，步骤s8中，获得截面形貌与特征参数图之间的关联的过程如下：
30.当激光单脉冲能量为6.9μj时，激光内部改质结构对剥离有利，与之相对应的声发射信号特征中，平均频率-幅值关联图表现为纵向的散点分布，计数-持续时间关联图则表现为沿着线性的散点分布，其持续时间分布在250μs以下，此时的声发射信号的分布特点可作为有利于激光剥离的加工判断；
31.当激光单脉冲能量为11.6μj时，激光内部改质结构对剥离不利，与之相对应的声发射信号特征中，平均频率-幅值关联图表现为纵向的密集点分布，计数-持续时间关联图则表现为沿着线性的密集点分布，其持续时间分布在350μs以下，此时的声发射信号的分布特点可作为不利于激光剥离的加工判断；
32.当激光单脉冲能量为16.2μj时，激光内部改质结构对剥离不利，与之相对应的声发射信号特征中，平均频率-幅值关联图表现为横向的密集点分布，计数-持续时间关联图则表现为持续时间分布在550μs以下的线性密集点分布，此时的声发射信号的分布特点可作为不利于激光剥离的加工判断。
33.进一步，步骤s4中，当ccd成像系统的照明焦点位于晶锭样件的上表面后，通过x-y-z三维移动平台在z轴方向上移100μm使得激光器的光斑聚焦在晶锭样件内部，由于晶锭样件的自聚焦效应，光斑实际聚焦位置不与x-y-z三维移动平台的上移距离重合，则此时光斑实际聚焦在晶锭样件内部的330μm深度处。
34.进一步，步骤s1中，启动ccd成像系统，使其自带的照明光依次经第三反射镜、物镜的折射到达晶锭样件的上表面，并调节x-y-z三维移动平台的位置使ccd成像系统的视野画面能清晰观察到样件的上表面。
35.进一步，步骤s2中，使用胶带或夹具使声发射传感器的位置固定，并对声发射传感器设置好信号采集的通道参数，通道参数设置为：
36.信号增益40db，采集门槛35db，采样率5mhz，采样长度4k，根据晶锭样件的材料特性，声发射定时参数采用非金属材料的推荐值，峰值定义时间50μs、撞击定义时间200μs以及撞击闭锁时间300μs。
37.进一步，步骤s3中，激光器为红外超快激光器，其加工参数设置为：
38.发射激光波长为1030nm，脉冲宽度290fs-15ps，激光频率范围为0.1-610khz，激光经物镜(7)的聚焦作用后其聚焦光斑直径为2μm。
39.进一步，步骤s5中的其他激光加工参数为：激光扫描单线长度3mm、线搭接间距45μm、扫线数量10、扫描速度2mm/s、激光脉宽15ps、重复频率1khz。
40.本发明的有益效果如下：
41.(1)本发明将声发射检测技术引入激光剥离晶锭的激光内部加工过程，建立声发
射信号特征与加工结构间的关系，可对激光剥离加工过程进行监测并做出加工结构预判断，提供了一种新的用于激光剥离晶锭的监测方法。
42.(2)本发明所提供的基于声发射技术的激光剥离晶锭实时监测方法，探测能量来源于材料本身，对被检测的材料没有应力和辐射损伤，并且信号呈现通俗易懂，信号处理简单，对加工过程易于判断。
43.(3)本发明所提供的基于声发射技术的激光剥离晶锭实时监测方法现场操作简易，可对激光剥离加工过程进行评价，所监测激光剥离的对象可不局限于晶锭的内部加工，还可对如蓝宝石、氮化镓、硅等其他透明材料激光剥离过程进行监测。
附图说明
44.图1为本发明激光剥离晶锭实时监测系统的示意图；
45.图2为晶锭样品在6.9μj下的平均频率-幅值关联图；
46.图3为晶锭样品在11.6μj下的平均频率-幅值关联图；
47.图4为晶锭样品在16.2μj下的平均频率-幅值关联图；
48.图5为晶锭样品在6.9μj下的计数-持续时间关联图；
49.图6为晶锭样品在11.6μj下的计数-持续时间关联图；
50.图7为晶锭样品在16.2μj下的计数-持续时间关联图；
51.图8为晶锭样品在6.9μj下的第一截面形貌；
52.图9为晶锭样品在11.6μj下的第二截面形貌；
53.图10为晶锭样品在16.2μj下的第三截面形貌。
54.图中：激光器1、光阑2、第一反射镜3、衰减器4、第二反射镜5、第三反射镜6、物镜7、晶锭样件8、x-y-z三维移动平台9、ccd成像系统10、声发射传感器11、前置放大器12、数据采集卡13、计算机14。
具体实施方式
55.附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
56.实施例1：
57.如图1所示，先搭建一种用于实施激光剥离晶锭实时监测方法的系统，该系统包括激光器1、光阑2、第一反射镜3、衰减器4、第二反射镜5、第三反射镜6、物镜7、x-y-z三维移动平台9、ccd成像系统10、声发射传感器11、前置放大器12、数据采集卡13、计算机14；
58.其中，激光器1与计算机14进行连接，且射出的激光依次通过光阑2、第一反射镜3、衰减器4、第二反射镜5、第三反射镜6、物镜7到达放置在x-y-z三维移动平台9上的晶锭样件8的上表面，ccd成像系统10通过第三反射镜6、物镜7对x-y-z三维移动9上的晶锭样件8进行照明定焦，用以辅助激光器1的光斑对准，声发射传感器11依次通过前置放大器12、数据采集卡13与计算机14相连，声发射传感器11用于放置在晶锭样件8上进行获取声发射信号传输给计算机14。
59.本实施例还所提供的一种基于声发射技术的激光剥离晶锭实时监测方法，包括上述的系统，利用该系统进行监测的步骤如下：
60.s1：将晶锭样件8放置并固定在x-y-z三维移动平台9上，启动ccd成像系统10，使其自带的照明光依次经第三反射镜6、物镜7的折射到达晶锭样件8的上表面，以使晶锭样件8的上表面出现照明焦点，并调节x-y-z三维移动平台9的位置使ccd成像系统10的视野画面能清晰观察到样件的上表面；
61.s2：设置声发射传感器11，将声发射传感器11涂上耦合剂后放置在晶锭样件8上表面距离待加工区域的4-8mm处，此时可使用胶带或夹具使声发射传感器11的位置固定，对声发射传感器11设置好信号采集的通道参数；
62.s3：通过计算机对激光器的加工参数进行设置；
63.s4：启动激光器1，使其发出激光束，依次通过光阑2、第一反射镜3、衰减器4、第二反射镜5、第三反射镜6和物镜7到达晶锭样件8的上表面形成光斑，当ccd成像系统10的照明焦点位于晶锭样件8的上表面后，通过x-y-z三维移动平台9在z轴方向上移100μm使得激光器1的光斑聚焦在晶锭样件8内部，由于晶锭样件8的自聚焦效应，光斑实际聚焦位置不与x-y-z三维移动平台9的上移距离重合，则此时光斑实际聚焦在晶锭样件8内部的330μm深度处；
64.s5：改变激光器1的激光单脉冲能量，包括6.9μj、11.6μj和16.2μj三种，其他激光加工参数保持不变；用上述三种不同的能量分别对晶锭样件8内部的三个不同位置进行激光面扫描加工，在上一个面结构加工完成之后距离加工区域移动0.3mm进行下一个面结构的加工；同时利用声发射传感器11同步采集声发射信号并上传到计算机14进行处理分析，得到平均频率-幅值关联图和计数-持续时间关联图，根据两种关联图随激光单脉冲能量的变化确定激光剥离时的内部改质结构的效果和质量；
65.s6：激光加工完毕后对晶锭样件8进行裂片处理，得到每种激光单脉冲能量进行内部改质加工后对应的截面形貌，包括第一截面形貌、第二截面形貌及第三截面形貌；
66.s7：根据每种激光单脉冲能量对应的截面形貌进行裂纹分析；
67.如图8所示，根据脉冲能量6.9μj对应的第一截面形貌，观察到晶锭样件8仅在最上层爆点之间形成横向拓展裂纹，且裂纹搭接完整，这对于需要沿着横向裂纹上下的剥离是有益的；
68.如图9所示，根据脉冲能量11.6μj对应的第二截面形貌，观察到晶锭样件8除了最上层爆点之间形成横向拓展裂纹之外，下方的爆点之间也存在横向裂纹，且横向爆点的裂纹搭接不完整；
69.如图10所示，根据脉冲能量16.2μj对应的第三截面形貌，观察到晶锭样件8的截面形成了双层的横向裂纹；
70.由于第二、第三截面形貌的横向裂纹面不均匀，会造成剥离时的剥离力不均匀以及剥离后的剥离面平整度降低，所以对于激光剥离的效果是不利的；
71.s8：将每种激光单脉冲能量的裂纹分析情况分别与相对应的平均频率-幅值关联图、计数-持续时间关联图进行联合观察，得到截面形貌与特征参数图之间的关联，可知：
72.当激光单脉冲能量为6.9μj时，激光内部改质结构对剥离有利，与之相对应的声发射信号特征中，平均频率-幅值关联图表现为纵向的散点分布，如图2所示，计数-持续时间
关联图则表现为沿着线性的散点分布，其持续时间分布在250μs以下，如图5所示，此时的声发射信号的分布特点可作为有利于激光剥离的加工判断；
73.当激光单脉冲能量为11.6μj时，激光内部改质结构对剥离不利，与之相对应的声发射信号特征中，平均频率-幅值关联图表现为纵向的密集点分布，如图3所示，计数-持续时间关联图则表现为沿着线性的密集点分布，其持续时间分布在350μs以下，如图6所示，此时的声发射信号的分布特点可作为不利于激光剥离的加工判断；
74.当激光单脉冲能量为16.2μj时，激光内部改质结构对剥离不利，与之相对应的声发射信号特征中，平均频率-幅值关联图表现为横向的密集点分布，如图4所示，计数-持续时间关联图则表现为持续时间分布在550μs以下的线性密集点分布，如图7所示，此时的声发射信号的分布特点可作为不利于激光剥离的加工判断；
75.s9：通过步骤s8中平均频率-幅值关联图、计数-持续时间关联图与截面形貌的关联及对应的剥离效果，用以对晶锭的激光剥离过程进行实时监测以及对内部加工结构进行预判。
76.本发明先在晶锭样件8上通过ccd成像系统10进行定焦，然后放置好声发射传感器11，设置好激光器1的加工参数，并使其根据定焦位处进行对准，以保证光斑对准需要加工的位置，之后设置三种不同的激光单脉冲能量分别对样品的三个不同区域进行激光面扫描加工，以使声发射传感器11得到相应的特征参数图(平均频率-幅值关联图、计数-持续时间关联图)在计算机14中进行显示，然后对加工完的样品进行裂片处理，得到三种能量对应的截面形貌，并对每一种能量的截面形貌进行分析裂纹情况，结合截面形貌的分析，得到截面形貌与特征参数图之间的关联，发现了声发射信号的分布特点可对激光剥离的加工过程进行实时监测和对内部加工进行预判。
77.其中，本发明中的声发射信号主要是激光在晶锭样件8内部作用时产生熔化重凝、等离子体等物理现象，并伴随着微裂纹开裂引起内部压力变化而产生。
78.其中，激光器1的加工参数不同形成形貌差异较大的改质结构，相对应的信号分布也表现出较大差异，可利用这些特征用于激光剥离晶锭时内部加工结构的预判。
79.在本实施例中，晶锭样件8包括碳化硅晶锭、硅晶锭、蓝宝石晶锭等，本实施例所应用的样品具体为碳化硅晶锭。
80.在本实施例中，可设置多于三种激光单脉冲能量进行激光加工以得到对应的截面形貌和关联图，本实施例只是列举三种差距较大的能量作表示，并不对此进行限定，可根据实际需要设置不同的激光单脉冲能量。
81.在本实施例中，步骤s5中将获得的声发射信号并上传到计算机14进行处理分析，得到平均频率-幅值关联图和计数-持续时间关联图这一过程原理对于本领域技术人员是公知的，可采用常用的图表软件(例如excel)进行关联图的形成，将声发射信号的数据输入到图表软件中，以使其根据数据的纵横坐标进行制作形成图表即可。
82.在本实施例中，声发射传感器11的通道参数设置为：信号增益40db，采集门槛35db，采样率5mhz，采样长度4k；根据晶锭样件的材料特性，声发射定时参数采用非金属材料的推荐值：峰值定义时间50μs、撞击定义时间200μs以及撞击闭锁时间300μs。
83.在本实施例中，声发射传感器11采用nano-30单端谐振式声发射传感器，所涂耦合剂为凡士林。
84.在本实施例中，激光器1为红外超快激光器，其发射激光波长为1030nm，脉冲宽度290fs-15ps，激光频率范围为0.1-610khz，激光经物镜7的聚焦作用后其聚焦光斑直径为2μm。
85.在本实施例中，晶锭样件8尺寸为10mm
×
10mm
×
0.5mm，其si面经过化学机械抛光处理，粗糙度≤1nm，激光从si面入射。
86.在本实施例中，步骤s5中的其他激光加工参数为：激光扫描单线长度3mm、线搭接间距45μm、扫线数量10、扫描速度2mm/s、激光脉宽15ps、重复频率1khz。
87.实施例2：
88.本实施例与实施例1相似，所不同之处在于，在步骤s5中，可对激光器1的脉冲数进行改变，分别设置脉冲数n＝20、50、100、200、500、800，保持其他加工参数不变(具体为激光脉宽15ps、重复频率1khz、单脉冲能量19μj)。对样品上的六处区域分别进行激光多脉冲打点加工，同时采用声发射传感器11对同步采集的声发射幅值信号和波形、频谱信号进行处理，得到幅值历程图和波形、频谱图随脉冲数的变化反映激光内部多脉冲点改质加工状态的演变过程。并且在加工完毕后对样品进行裂片处理，也得到每个脉冲数对应的截面形貌。
89.在不同激光脉冲数下，通过上述幅值历程图与对应的截面形貌进行对比，可证明此时的声发射信号的幅值与内部多脉冲点改质加工状态的演变过程可形成对应关系。
90.当脉冲数在100以内时，改质区域的高度快速增加，脉冲数大于100后改质区域的高度相较迟缓上升直至达到表面。从对应检测的幅值历程图得到出在脉冲数100以内幅值上升趋势快，最高幅值在44db；脉冲数大于100后幅值历程平缓，而当激光已在样品表面烧蚀时，相应的幅值最高达到48db，且随后激光脉冲持续作用直至在表面形成烧蚀凹坑时，幅值最高仍然为48db，因此声发射的幅值信号特征可作为激光内部加工演变过程的表征。
91.为更好地利用声发射信号反映不同激光加工状态的区别和联系，分别选取脉冲数20以内和脉冲数500以上的声发射信号分析对应内部加工和表面加工的原始波形和频谱。当脉冲数在20以内时，其波形分布范围在-5～5mv内，波形振荡时间为200μs左右，频谱的峰值在0.2mv左右；当脉冲数在500以上时，其波形分布范围扩大至-25～25mv，波形振荡时间增加至近500μs，其频谱的峰值也升高至1mv左右。说明激光在不同加工状态时的声发射信号存在显著的差异性，证明可采用声发射信号的波形和频率对加工状态进行预判。
92.根据上述脉冲数与截面形貌的对应关系，结合出现的幅值信号和波形、频谱特征，通过分析声发射幅值信号与加工效果的关系，并结合内部或表面加工时的波形、频谱差异，证明声发射技术可用于监测激光内部加工过程中加工状态的预判。
93.实施例3：
94.本实施例与实施例1相似，所不同之处在于，在步骤s5中，可对激光器1的重复频率进行改变，分别设置重复频率f＝1、100、200，保持其他加工参数不变(具体为激光脉宽15ps、脉冲数50、单脉冲能量15.2μj)。对样品上的三处区域分别进行激光多脉冲打点加工，同时采用声发射传感器11对同步采集的声发射幅值信号和频率信号进行处理，得到幅值历程图和平均频率-幅值关联图与内部点改质加工结构形成的对应关系。并且在加工完毕后对样品进行裂片处理，也得到每个重复频率对应的截面形貌。
95.在不同重复频率下，通过上述幅值历程图和平均频率-幅值关联图与对应的截面形貌进行对比，从图中可得三个截面形貌的信号点分布在不同区域，而重复频率较高的两
个截面形貌出现信号点重叠的现象，即不同的结构表现为不同的信号分布，而相似的结构即使在激光加工参数不同时仍表现出相似的信号分布，证明声发射信号的聚类特征与内部改质结构密切相关。
96.所以上述分析再次证明不同类型的改质结构其声发射信号的聚类特征均与内部改质结构密切相关，可利用声发射信号对不同类型的内部改质结构分别进行分类和表征，实现激光内部加工过程中声发射信号监测及加工结构预判。
97.显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。