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(shí)具有高擊穿電場(chǎng)、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(shí)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(duì)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(duì)金剛石進(jìn)行加工，加工精度可以達(dá)到微米級(jí)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(huì)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(zhǎng)度對(duì)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(zhǎng)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(shí)，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(zhǎng)度較長(zhǎng)的激光（即脈沖持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)）時(shí)，電子中沉積的激光能量在激光脈沖照射材料的時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(huì)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(duì)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(shí)，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(duì)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(shí)保證激光束焦點(diǎn)位置及激光束移動(dòng)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(shí)，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(zhǎng)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(duì)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(gè)壓力調(diào)制的水腔時(shí)，將激光束聚焦在一個(gè)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(huì)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(shí)大部分能量可以消耗在水中，同時(shí)還能帶走多余殘?jiān)?，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(shí)，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(duì)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(huì)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(duì)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(shì)。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(huì)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(dòng)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(zhǎng)或脈沖長(zhǎng)度的激光來對(duì)金剛石進(jìn)行加工，如利用激光進(jìn)行金剛石表面拋光時(shí)，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(duì)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(duì)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(shí)對(duì)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(shì)。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.