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隨著人工智能領(lǐng)域的不斷發(fā)展，新型材料在高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件中的應(yīng)用日益受到關(guān)注。金剛石禁帶寬度達(dá)5 eV，是當(dāng)前單質(zhì)半導(dǎo)體材料中帶隙最寬的材料，同時具有高擊穿電場、大飽和載流子速度、高載流子遷移率和底介電常數(shù)等優(yōu)異電學(xué)性質(zhì)，有望成為第四代半導(dǎo)體材料。不過由于其硬度極大，傳統(tǒng)工藝無法同時滿足加工精度和加工效率，因此它也被稱之為“最難加工”的材料。目前針對金剛石的加工方式主要有電火花加工，磨料水射流加工、機(jī)械加工以及激光加工等，其中，激光加工成本低，可重復(fù)性好，能夠高效可控地對金剛石進(jìn)行加工，加工精度可以達(dá)到微米級別甚至納米尺度。

金剛石激光加工的原理

金剛石是一種由純碳元素組成的晶體，具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性和極高的硬度，因此在激光加工過程中，金剛石不會直接升華或發(fā)生化學(xué)刻蝕，而是先要經(jīng)歷金剛石向石墨相的轉(zhuǎn)變過程，以此降低其加工難度，最后材料再吸收激光能量而加熱并蒸發(fā)(或升華)。在此過程中，脈沖長度對于金剛石加工的質(zhì)量有著很大的影響。通常根據(jù)激光脈沖長度和被加工材料原子晶格碰撞之間的大小的關(guān)系可分為“熱加工”和“冷加工”兩類。

當(dāng)激光與金剛石作用時，電子和其晶格之間發(fā)生熱傳遞，所謂“熱加工”，即使用脈沖長度較長的激光（即脈沖持續(xù)時間較長）時，電子中沉積的激光能量在激光脈沖照射材料的時間內(nèi)就傳給晶格，從而引起材料的加熱并達(dá)到熱平衡狀態(tài)，存在明顯的熱效應(yīng)。而冷加工則相反，其激光脈沖寬度小于電子聲子相互作用的時間尺度，電子中沉積的激光能量來不及傳給離子，激光脈沖輻照就已經(jīng)結(jié)束。此時離子的溫度比較低，并沒有明顯的熱效應(yīng)。

激光熱加工vs冷加工

金剛石的電子和空穴的弛豫時間分別 為1.5 ps和1.4 ps，通常利用微秒激光和納秒激光都會存在較大的熱影響區(qū)，通常適用于粗加工。而皮秒和飛秒則為冷加工，能夠用于金剛石的精密加工，不過其加工效率也相對較低。因此，在實(shí)際加工過程中需要優(yōu)化激光工藝參數(shù)，使得加工過程中保證較高材料去除速率的同時，減少加工樣品中熱影響區(qū)的產(chǎn)生，提升加工表面的質(zhì)量。

目前激光在金剛石材料加工中的應(yīng)用研究主要集中 在激光切割、激光打孔、微槽道加工以及激光平整化上。不同的加工應(yīng)用對于激光技術(shù)有著不同的要求

高準(zhǔn)直切縫和小切縫錐度的形成、超厚金剛石板材的加工及熱影響區(qū)、缺陷等是目前金剛石激光切割中需要解決的關(guān)鍵問題。因此采用短脈沖和超短脈沖激光技術(shù)，同時保證激光束焦點(diǎn)位置及激光束移動位置的精確控制和新型激光加工方法的開發(fā)是未來金剛石激光切割技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。

控制微孔精度（孔徑、孔深、孔壁質(zhì)量）和避免材料損傷是金剛石激光打 孔的關(guān)鍵。因此更為精準(zhǔn)的激光聚焦技術(shù)是金剛石激光打孔的最基本要求。

在金剛石基材料表面直接加工微通道，可將熱源的熱量迅速傳遞給冷卻液，是超高熱流散熱領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。金剛石微通道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是加工出具有高準(zhǔn)直度、表面質(zhì)量良好的凹槽，在金剛石材料的各種去除加工類方法中，激光加工已經(jīng)得到了較廣泛的應(yīng)用。此外，在進(jìn)行大面積微槽加工時，保證整體微槽道深度的一致性是加工過程中應(yīng)關(guān)注的要點(diǎn)。

激光加工的金剛石微通道表面與截面形貌（來源：參考文獻(xiàn)2）

激光平整化是利用激光以一定角度照射金剛石表面并以特定路徑進(jìn)行掃描，能夠?qū)崿F(xiàn)金剛石表面進(jìn)行快速去除。通常來說，激光垂直照射金剛石表面，材料去除效率較低，而以較大的入射角度能獲得較好的表面粗糙度，不過，為達(dá)到金剛石加工的閾值能量，隨著激光入射角度的增大，所需的入射激光能量也應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步提高，目前角度范圍一般選在75°~85°之間。

金剛石的高硬度使得其無法采用傳統(tǒng)的線切割方法完成切片，而激光剝離利用特定波長的脈沖激光透過材料表面在材料內(nèi)部聚焦，在焦點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生較高的能量密度，形成多光子吸收，使得材料內(nèi)所需深度形成改質(zhì)層，有利于剝離工藝中形 成確定的晶體斷裂位置，從而提升了剝離過程的可控 性與晶片的厚度一致性。為了使其加工過程不破壞金剛石基底材料，往往要求對激光能量的精確控制。

大族半導(dǎo)體結(jié)合激光隱切技術(shù)和超快激光器開發(fā)的激光切片（QCB技術(shù)）新技術(shù)

近年來，為了滿足金剛石等透明硬質(zhì)材料的加工 需求，研究人員基于傳統(tǒng)激光加工方法開發(fā)了各種混合激光加工技術(shù)。包括水導(dǎo)激光加工、水助激光加工、混合激光加工方法等。

水導(dǎo)激光加工是一種由微細(xì)水射流引導(dǎo)激光進(jìn)行加工的技術(shù)。當(dāng)激光通過一個壓力調(diào)制的水腔時，將激光束聚焦在一個極小的噴嘴上，從噴嘴中噴出極細(xì)的高壓水柱，由于水與空氣的界面處發(fā)生全反射現(xiàn)象，激光會被約束在微細(xì)的水射流中，并過水射流進(jìn)行傳導(dǎo)和聚焦，從而通過高壓水射流引導(dǎo)激光在加工材料表面進(jìn)行加工。

與干式激光切割相 比，使用水導(dǎo)激光加工時大部分能量可以消耗在水中，同時還能帶走多余殘渣，有效地減少了熱影響區(qū)和熱殘余應(yīng)力，防止材料內(nèi)部的熱損傷，同時，由于激光被限制在水束 內(nèi)從而延伸了激光的焦點(diǎn)，提高軸向加工的加工效 率。因此水導(dǎo)激光對金剛石加工有很好的適用性，尤其是應(yīng)用于加工金剛石微通道結(jié)構(gòu)上。不過由于激光功率在水中會發(fā)生衰減，因此水導(dǎo)激光并不太適合打深孔，此外，水導(dǎo)激光還要求具有更細(xì)的穩(wěn)定水射流，來保證加工精度。

水導(dǎo)激光技術(shù)原理

與水導(dǎo)激光不同，激光液相燒蝕法利用脈沖激光對浸沒在液體中的靶樣品進(jìn)行燒蝕，直接在液相環(huán)境中制備出微納米結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵是通過水的冷卻作用，減少激光加工過程中產(chǎn)生的熱量，除此之外還具有隔絕空氣、減少碎屑堆積等優(yōu)勢。不過，在該技術(shù)中，激光束易受碎片和懸浮在水中的氣泡的影響而散射，且液體層吸收也會導(dǎo)致激光能量的較大損失，。因此，需要精確控制液體層厚度，如引入水噴霧從而形成超薄高速流動水膜，來保障材料結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量均勻性和加工精確度。

水下激光加工原理（來源： 高能束加工技術(shù)及應(yīng)用）

當(dāng)前的激光加工方法大多以單一脈寬形式進(jìn)行，其存在由激光本征特點(diǎn)決定的各種限制。如上述所說的微秒激光和納秒激光導(dǎo)致材料有較大的熱影響區(qū)，而飛秒和皮秒則存在效率低下的問題，難以進(jìn)行 高效加工，因此可考慮采用兩種或兩種以上波長或脈沖長度的激光來對金剛石進(jìn)行加工，如利用激光進(jìn)行金剛石表面拋光時，可先采用納秒或微秒激光進(jìn)行粗加工，再利用飛秒或皮秒激光進(jìn)一步降低其表面粗糙度。

此外，也可結(jié)合不同激光方式對金剛石進(jìn)行加工，如利用CO₂激光進(jìn)行局 部加熱，再水導(dǎo)激光對加熱區(qū)進(jìn)行快速淬火，從而完成聚晶金剛石板材的切割，可以以高于其他切割技術(shù)的速度完成高效加工。然而，混合激光技工通常裝置比較復(fù)雜，同時對加工樣品限制性較大，一般用于有特殊需求的高端應(yīng)用。

人工智能的極速發(fā)展使得金剛石的應(yīng)用越來越廣泛，如作為襯底或作為散熱材料。不過其極高的硬度為其加工帶來了很大挑戰(zhàn)，而激光技術(shù)以其非接觸、可控性強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)，在金剛石材料的加工中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。而由于激光拋光金剛石總伴隨著熱應(yīng)力等問題，因此，如何平衡好加工效率與加工質(zhì)量，發(fā)展新型混合激光加工技術(shù)是解決加工損傷問題的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)：

1、葉盛,趙上熳,邢忠福,等.激光技術(shù)在金剛石加工中的研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].紅外與激光工程.

2、鄧世博,夏永琪,吳明濤,等.金剛石基材料及其表面微通道制備技術(shù)在高效散熱中的應(yīng)用[J].金剛石與磨料磨具工程.