激光加工是目前金剛石的主流加工方法，相較于傳統(tǒng)的機械加工形式，激光加工精度高、效率高、普適性強，因而在金剛石切割、微孔成型、微槽道加工及平整化等方面均得到廣泛應(yīng)用。文中闡述了金剛石激光加工原理，介紹了不同類型激光與金剛石材料相互作用機制，重點總結(jié)了近幾年多種激光加工金剛石模式的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了新型的激光加工方法的特點，探討了現(xiàn)階段激光技術(shù)在金剛石加工領(lǐng)域面臨的問題、挑戰(zhàn)及未來的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：金剛石；激光加工；激光切割；微孔成型；微槽道；激光平整化
金剛石是一種獨特的材料，能在多種極端環(huán)境滿足應(yīng)用要求，如表1所示。它在室溫下具有極高的導(dǎo)熱系數(shù)、硬度[1]、聲波速度和載流子遷移率[2]。金剛石在可見光譜范圍內(nèi)表現(xiàn)出高度的透明性，使其能被廣泛應(yīng)用于光學(xué)窗口[3]。同時，它還是優(yōu)良的絕緣體，在進行硼元素摻雜后也可以作為高質(zhì)量的p型半導(dǎo)體。此外，它還具有獨特的輻照穩(wěn)定性、化學(xué)惰性、生物相容性和許多其他重要特性，這決定了金剛石材料的諸多應(yīng)用。金剛石集多種優(yōu)秀的性能于一身，使其成為世界上最理想的材料之一，但同時它也被稱之為“最難加工”的材料，因為目前傳統(tǒng)工藝下不存在能夠同時滿足加工精度和加工效率的有效加工方法。隨著近年來化學(xué)氣相沉積 (Chemical Vapor Deposition, CVD) 技術(shù)的快速發(fā)展，在推動人工培育鉆石成本的迅速降低，促進 CVD 金剛石的廣泛應(yīng)用的同時，也對金剛石的精細加工也提出了迫切需求。針對金剛石的加工，目前研究人員已經(jīng)應(yīng)用了多種加工方法，包括電火花加工[4]，磨料水射流加工[5-6]，?機械加工[7-8] 以及激光加工[9] 等。在這些方法中，激光加工加工成本低，可重復(fù)性好，是一種高效可控的加工金剛石的方法[10]。早在 20 世紀 60 年代初就有關(guān)于激光加工金剛石的報道。目前在金剛石材料的激光加工研究中，主要用到的激光類型如表 2 所示。其脈沖頻率大多在 0.1 Hz~100 kHz 之間，最短的脈寬為飛秒尺度。在實際加工過程中通過選擇合適的激光波長、脈寬和功率等參數(shù)可以進行金剛石的高質(zhì)量及特殊形狀加工，其加工精度可以達到微米級別甚至納米尺度[11-13]。針對金剛石難加工、難成型的特點，結(jié)合激光先進加工技術(shù)，文中綜述了金剛石激光加工機理，對比不同類型的激光加工效果，同時對激光在金剛石切割、打孔、微槽道成型、激光平整化、激光剝離等方面的應(yīng)用研究進行總結(jié)，介紹了新型的激光加工技術(shù)，對金剛石激光加工技術(shù)未來的研究方向提出了設(shè)想。
金剛石在激光加工過程中發(fā)生的升華或化學(xué)刻蝕均不是直接發(fā)生的，而是首先要經(jīng)歷金剛石向石墨相的轉(zhuǎn)變過程，這種碳相的轉(zhuǎn)變是金剛石激光加工過程中的關(guān)鍵點之一，金剛石材料的石墨化行為降低了其加工難度[14]。
1917 年，基于量子理論愛因斯坦提出了一個嶄新的概念：在物質(zhì)與輻射場的相互作用中，構(gòu)成物質(zhì)的原子或分子可以在光子的激勵下產(chǎn)生光子的受激發(fā)射或吸收[15]，這為后續(xù)激光器的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。當外來光子的頻率滿足能級躍遷要求，就會使原子中處于高能級的電子在外來光子的激發(fā)下向低能級躍遷，并釋放與入射光子頻率、傳播方向、相位及偏振均相同的受激輻射光子[16]。Nd:YAG 晶體是典型的激光晶體，其結(jié)構(gòu)能級簡圖如圖 1 所示。
受激輻射光放大、集居數(shù)反轉(zhuǎn)以及滿足激光振蕩的臨界狀態(tài)是激光產(chǎn)生的三大條件[17]，而這對應(yīng)了激光器泵浦源、激光工作介質(zhì)和諧振腔三個基本組成結(jié)構(gòu)?；谏鲜黾す猱a(chǎn)生原理，激光是一種受激輻射相干光源，具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性的特點，具有極好的時間和空間控制性能。
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激光燒蝕 (又稱激光加工) 是通過激光束照射固體表面從而去除表面材料的過程。在低激光通量下，料吸收激光能量而加熱并蒸發(fā) (或升華)。影響激光與固體材料相互作用的因素較多，包括脈沖長度、長、激光功率、重復(fù)頻率、光束特征以及固體材料
的物理性質(zhì)等。在固體內(nèi)部，光可發(fā)生透射、反射和吸收，只有吸收的能量才能在固體內(nèi)部產(chǎn)生燒蝕作用，而反射和透射光影響燒蝕區(qū)域預(yù)熱體積的形狀及位置。激光能量在固體材料中的吸收受材料吸收系數(shù)影響，短脈沖和超短脈沖激光輻照在金剛石材料中的吸收特征存在巨大差異，見圖 2。對于無雜質(zhì)的單晶 金 剛 石 而 言 ， 僅 對 光 子 能 量 超 過 能 帶 間 隙5.4 eV) 存在有效吸收 (對應(yīng)波長為 229 nm[19])。然而，在實際的加工過程中，常使用 532 nm(綠光) 和1064 nm(近紅外) 激光進行加工，在理想情況下，這些波長的激光并不能被無雜質(zhì)的金剛石吸收，而金剛石的能帶結(jié)構(gòu)受其本征和非本征缺陷的強烈影響，包括晶界、晶體缺陷、非金剛石相以及摻雜原子等[20]。這些 缺 陷 還 會 使 金 剛 石 的 激 光 燒 蝕 閾 值 (ablation threshold) 降低，高濃度的缺陷對應(yīng)于低的燒蝕閾值，有利于激光加工。而對于超短脈沖激光輻照過程中發(fā)生的多光子吸收情況而言，電子可以吸收多個光子從而被激發(fā)，過程要求聚焦光束有高的時間光子密度和空間光子密度[22]。因束縛電子的電離勢遠大于激光單光子的能量，所以一般情況下不會釋放束縛電子，在激光強度高于 1012 W/cm2 時可以產(chǎn)生多光子電離，多光子電離可以釋放束縛電子，電子可以同時吸收多個光子的能量產(chǎn)生激發(fā)電子，激發(fā)電子與聲子的耦合導(dǎo)致晶格加熱，從而發(fā)生相爆炸[23]。湖南大學(xué)熊彪[24] 等于2019 年有過飛秒激光加工單晶金剛石錐形陣列的報道，如圖 3 所示，盡管金剛石對實驗使用的波長為1030 nm 激光有較好的透過性，但仍能通過多光子電離和缺陷增強等實現(xiàn)對高峰值功率的吸收。
燒蝕閾值還會隨著脈沖寬度和脈沖數(shù)變化，M.S.Komlenok[25] 對其進行了總結(jié)，如圖 4 所示。通常而言，更短的脈沖持續(xù)時間總會對應(yīng)著更小的燒蝕閾值。在激光加工過程中通常采用多個脈沖降低燒蝕表面區(qū)域處的燒蝕閾值，在長時間的多脈沖激光照射下，多脈沖的累積作用使得材料的光吸收系數(shù)逐漸增大，直到一次激光脈沖吸收的能量就足以將該類石墨狀缺陷的晶格鍵破壞，進而產(chǎn)生燒蝕效果[26]。同時，使金剛石在低能量密度的激光照射下出現(xiàn)石墨化，要增大脈沖數(shù)量，且單道脈沖能量越低，所需要的脈沖數(shù)量越多?；诖?，當前金剛石激光加工向著短波長、窄脈沖持續(xù)時間的方向努力發(fā)展。
金剛石是共價晶體，其一個 s 軌道和三個 p 軌道雜化形成四個能量相等且按正四面體排列的 sp3 雜化軌道，使電子承受最小的排斥力。在短脈沖激光照射下，金剛石溫度急劇升高，使得 C-C 共價鍵斷鍵重連，個碳原子四個外層價電子中的三個 2s，2px，2py 以p2 雜化軌道形式在同一平面內(nèi)通過 σ 鍵與三個碳原子形成共價單鍵，各軌道中心軸間成 120°夾角。另一個未參與雜化的 2 pz 軌道電子與此平面垂直，在π 軌道上形成不飽和的 π 鍵[27]，即發(fā)生了金剛石石墨化轉(zhuǎn)變。
激光加工金剛石時往往會引起金剛石透過率的降低，這種情況在使用長波長激光加工時更為明顯。激光造成的內(nèi)部損傷是造成此種情況的主要原因，不同脈沖持續(xù)時間的激光均能引起金剛石表面的光擊穿。John Smedley[28] 等在使用 266 nm 的皮秒激光器對多晶金剛石進行加工時能明顯觀察到內(nèi)部存在不透 明 缺 陷 ， 且 在 長 脈 沖 寬 度 (10 ns) 以 及 波 長532 nm) 條件下，多晶金剛石中激光誘導(dǎo)缺陷的尺寸和數(shù)量增加。T.V. Kononenko[29] 等對近紅外皮秒激光 (1030 nm；1 ps) 加工多晶金剛石進行研究，認為在金剛石表面石墨化和燒蝕開始之前，在金剛石的亞表層位置會發(fā)生單次或者多次的光擊穿，每次的擊穿效應(yīng)均會產(chǎn)生微米級別的石墨包裹體[30]。在此基礎(chǔ)上，他們提出了在加工之前預(yù)先于表面鍍制吸收層 (Ti 或者石墨) 以減少亞表面光擊穿的方法 (如圖 5 所示)，現(xiàn)對于脈沖持續(xù)時間較長 (10 ns) 的激光加工過程，而言，吸收層的存在能有效避免金剛石內(nèi)部加工損傷的出現(xiàn)，而對于短脈沖持續(xù)時間的激光加工過程則沒有明顯的效果。金剛石的光電性質(zhì)，包括光吸收和光子對電子的量子效率，在很大程度上取決于其固有的晶體結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)的存在。無雜質(zhì)的純金剛石晶體中的光電流可由紫外光輻照下的光子吸收引起，但由于實際金剛石內(nèi)部雜質(zhì)和缺陷的存在使得可見光也能造成光子吸收。這表明金剛石內(nèi)存在的缺陷能引起低能光吸收效應(yīng)，從而增加材料的光電導(dǎo)。激光與金剛石作用會帶來 NV 色心 (NitrogenVacancy color center, NV center) 的改變，近年來，利用超快激光誘導(dǎo)產(chǎn)生色心受到了越來越多的關(guān)注。華東師范大學(xué) Yan Liu[32] 等利用高能飛秒激光輻照高氮含量的人造金剛石，并在激光輻照位置探測到了NV 色心的產(chǎn)生。Vitali V. Kononenko[33] 等人于 2017提出了表面納米燒蝕制備 NV 色心的概念，其通過飛秒激光照射金剛石表面從而實現(xiàn) NV 色心的有效可控產(chǎn)生，如圖 6 所示。飛秒激光誘導(dǎo)的單 NV 色心與波導(dǎo)等光學(xué)元件進行集成應(yīng)用的相關(guān)工作也是目前激光加工研究的重要方向。
激光加工金剛石時，由于入射激光束的形狀、強度及偏振不同造成加工表面形貌的差異。當激光以較低能量密度入射時會立即在熱影響區(qū)內(nèi)出現(xiàn) sp2 石墨化現(xiàn)象，而在激光密度較高的入射激光作用下，根據(jù)入射激光束的脈寬該區(qū)域會迅速升華[34]。金剛石在線偏振激光輻照作用下，表面會產(chǎn)生周期性的表面結(jié)構(gòu)，Magdalena Forster[35] 等使用飛秒激光 (800 nm；60 fs) 加工氮摻雜的 Ib 型金剛石，在垂直于電場極化方 向 的 高 空 間 頻 率 激 光 誘 導(dǎo) 下 ， 形 成 了 周 期 為50 nm 和 200 nm 的周期性表面結(jié)構(gòu)。其中 50 nm 的周期性結(jié)構(gòu)來自金剛石的石墨化轉(zhuǎn)變，而 200 nm 周期性結(jié)構(gòu)仍由晶態(tài)金剛石組成。需要指出的是：激光加工金剛石表面產(chǎn)生的周期性結(jié)構(gòu)比入射激光波長小得多，相較于脈沖持續(xù)時間更長的納秒和皮秒激光而言，飛秒激光產(chǎn)生的周期性特征更小從而更適合用于納米光柵的加工。激光能量密度和脈沖數(shù)量也會對產(chǎn)生的納米周期性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，圖 7 是線偏振飛秒 激 光 (800 nm；125 fs) 在 接 近 金 剛 石 燒 蝕 閾 值(1.9 J/cm2) 的激光能量密度以及脈沖數(shù)為 3000 下照射金剛石樣品的表面形貌，在加工區(qū)域的邊緣存在規(guī)則的 170 nm 的周期性納米尺度光柵，當脈沖數(shù)量為8000 激光能量密度為 2.8 J/cm2時加工區(qū)域處的周期性結(jié)構(gòu)增大至 190 nm[36]。2021 年，Mastellone[37] 等利用延時交叉偏振飛秒激光脈沖序列在金剛石表面獲得了兩個超高頻結(jié)構(gòu)周期 (Λ≈λ/10≈80 nm) 的微納結(jié)構(gòu)，并探究了該結(jié)構(gòu)的形成機理，如圖 8 所示。
激光加工可以結(jié)合計算機數(shù)控系統(tǒng)、先進的光學(xué)系統(tǒng)以及高精度和自動化的工件定位，從而形成研制和生產(chǎn)加工中心[38]。將激光加工技術(shù)應(yīng)用于金剛石加工，可實現(xiàn)金剛石的高效、高精度加工。不同激光束類型作用于金剛石表面達到的加工效果存在巨大差異。
用于金剛石加工的激光可依據(jù)激光脈沖長度和原子晶格碰撞之間的大小關(guān)系分為“熱加工”和“冷加工”兩類[39]，最具代表性的為納秒激光和飛秒激光，兩種典型激光與電子、晶格的相互作用模型如圖 9 所示。對于金剛石而言，其電子和空穴的弛豫時間分別為 1.5 ps 和 1.4 ps[40]，激光與金剛石作用時電子和晶格之間發(fā)生熱傳遞，對于脈沖持續(xù)時間較長的納秒激光而言，其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到熱平衡狀態(tài)，見圖 9(a)，該過程中存在明顯的熱效應(yīng)，稱其為“熱加工”；而對于飛秒激光而言，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，故將其稱為“冷加工”，見圖 9(b)。微秒激光的脈寬較寬，通常適用于粗加工，在鎖模技術(shù)出現(xiàn)之前，激光脈沖大多在微秒與納秒量級，當前關(guān)于微秒激光直接加工金剛石的報道較少且大多關(guān)注后端的加工應(yīng)用領(lǐng)域。筆者課題組使用波長為1064nm的Nd:YAG型微秒精密激光切割機完成了金剛石微槽道，冷板等金剛石熱沉結(jié)構(gòu)的加工并多次在學(xué)術(shù)期刊上有過發(fā)表[9,41-42]。長脈寬的微秒激光在加工時伴隨著較為強烈的熱損傷，GregoryEberlea[43]等將微秒激光加工得到的聚晶金剛石(poly-crystallinediamond,PCD)復(fù)合材料與其它加工方法得到的結(jié)果進行了表征對比，如圖10所示。從圖10(e)中可以看出當使用微秒激光進行加工時，PCD復(fù)合材料中存在明顯的熱交換，與納秒激光不同，微秒激光的峰值功率在幾千瓦且脈沖持續(xù)時間長，導(dǎo)致存在較深的熱影響區(qū)，如圖熱影響區(qū)達到6.8μm。目前納秒激光占據(jù)了較大的市場分額，同時其具有穩(wěn)定性好，成本低，加工時間短等優(yōu)點，在企業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用[44]。通常而言，納秒激光燒蝕過程對樣品具有熱破壞性，宏觀上表現(xiàn)為加工產(chǎn)生較大的熱影響區(qū)。南京航空航天大學(xué)ZhenZhang[45]等人建立了三維移動納秒脈沖高斯激光燒蝕單晶金剛石的有限元模擬模型，并得到了不同掃描時間下單晶金剛石內(nèi)熱傳導(dǎo)及溫度分布，如圖11所示，該模型與實際結(jié)果有較好的匹配關(guān)系，模型具有良好的預(yù)測能力。日本慶應(yīng)義塾大學(xué)NozomiTakayama[46]將納秒激光加工(激光參數(shù)為脈寬15.6ns；頻率1kHz；波長532nm；光斑直徑85μm；最大輸出功率Pavg>1W)金剛石產(chǎn)生的缺陷分成四類(開裂、波紋、變形槽道以及碎屑沉積)，同時對各種缺陷的產(chǎn)生原因進行了解釋。裂紋是因為加工過程中急速的溫度變化引起；由于凹槽壁反射激光產(chǎn)生干涉而形成波紋；凹槽的變形及其與高斯激光的偏差是由于激光誘導(dǎo)等離子體增強吸收導(dǎo)致；而沉積的碎屑主要有兩種類型：圓形的石墨碳顆粒和較小的不規(guī)則金剛石顆粒。G.B.J.Cadot[47]等研究了不同激光通量加工后的金剛石拉曼光譜，見圖12，在較低的激光通量下，拉曼光譜存在1380cm-1以及1580cm-1兩個特征峰，表明低激光通量產(chǎn)生的石墨為大團簇形狀，對晶體結(jié)構(gòu)的干擾較小，隨著激光通量的增加，代表無序石墨結(jié)構(gòu)的D峰以及石墨G峰均寬化這表明晶格中缺陷數(shù)量隨之增加。T.V.Kononenko[48]等研究了輻照條件(脈沖持續(xù)時間、波長、激光強度和脈沖數(shù))對激光誘導(dǎo)石墨化層結(jié)構(gòu)和厚度的影響，對于納秒激光而言，脈沖寬度的減小將會導(dǎo)致石墨化層厚度的顯著減少。納秒激光切割金剛石時表面存在大量碎屑[10]，這些碎屑由具有不同結(jié)晶度的復(fù)雜石墨單元組成，且從表面到切縫中心分別為高取向石墨，波紋狀石墨以及納米晶體石墨。這進一步證明了金剛石加工過程中材料的去除機制是石墨化和隨后石墨化層的升華。皮秒激光加工既不同于納秒激光的熱平衡燒蝕，也不完全等于飛秒激光的冷加工，脈沖持續(xù)時間的顯著減小極大程度地降低了熱影響區(qū)帶來的損傷。溫邱玲[49]等人使用紅外皮秒激光(1064nm，15ps)加工CVD單晶金剛石微槽，發(fā)現(xiàn)僅在微槽的邊緣存在不規(guī)則微小崩邊和微裂紋，同時其激光燒蝕金剛石溫度場仿真結(jié)果也表明激光輻照能量主要分布在金剛石的表面，以熱傳導(dǎo)方式進入金剛石內(nèi)部的激光能量極少，這樣產(chǎn)生的熱影響區(qū)也是極小的。NozomiTakayama[50]等利用皮秒脈沖激光(1030nm，800ps)加工具有特殊結(jié)構(gòu)的單晶金剛石刀具，當激光參數(shù)為：激光通量15.3J/cm2，重復(fù)頻率100kHz，可以快速加工出無任何邊緣開裂的刀具。與納秒激光類似，皮秒激光與金剛石相互作用時也是通過表面石墨化進行，并且對加工后的金剛石微槽底部進行拉曼分析，如圖13所示，結(jié)果表明：隨著皮秒激光能量密度的增加，石墨峰出現(xiàn)了明顯的紅移[49]。SergeiM.Pimenov[51-53]等利用皮秒激光作用于金剛石內(nèi)部，觀察到金剛石內(nèi)部產(chǎn)生石墨化現(xiàn)象，如圖14所示，并基于此制備了石墨化的微結(jié)構(gòu)陣列，并研究了晶體取向?qū)ζっ爰す鉄g過程的影響。同時，他們在石墨化位置處發(fā)現(xiàn)了3H色心(一種自間隙相關(guān)的色心)、NV色心的產(chǎn)生，且NV色心的熒光由于激光體修飾過程有增強的現(xiàn)象。1981年，R.L.Fork[54]等人報道了第一臺脈沖持續(xù)時間小于0.1ps的超短脈沖激光器，經(jīng)過幾十年高速的發(fā)展，超快激光技術(shù)為金剛石的精細加工創(chuàng)造了機會。但飛秒激光器自身昂貴的造價及維護成本限制了加工方法的推廣，目前關(guān)于飛秒激光加工金剛石的研究大多停留在實驗室階段。在飛秒激光加工中，激光能量通過光誘導(dǎo)光學(xué)擊穿效應(yīng)作用于激光輻照區(qū)域，其中大量電子離化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)、相組成發(fā)生改變，對于金剛石而言則發(fā)生sp3相向sp2相的轉(zhuǎn)變，隨后發(fā)生照射區(qū)域的材料燒蝕。對于高質(zhì)量金剛石，因入射光子能量不足以引起電離，對于激光能量的吸收是非線性的[55]，此時要求激光脈沖中有極大的電場強度(109V/m，對應(yīng)的激光能量密度為5×1020W/m2)[56]。飛秒激光加工過程中極小的激光斑點及非線性效應(yīng)限制了加工區(qū)域，將其縮小至0.008μm3[57]。飛秒脈沖激光能在較低的平均功率(100mW)下產(chǎn)生極高的功率密度(可達數(shù)GW)如此高的功率密度能夠使金剛石晶格中的C-C共價鍵發(fā)生解離[58]。激光作用下的金剛石-石墨化轉(zhuǎn)變使得碳原子間距增加，使得態(tài)密度降低并改變固體的物理化學(xué)性質(zhì)。在極短的脈沖持續(xù)時間內(nèi)，最大程度地避免了熱影響區(qū)形成的可能，以最小的熱損傷精準加工金剛石表面結(jié)構(gòu)，如圖15所示[59]。相較于脈沖時間較長的皮秒激光和納秒激光而言，飛秒激光更適合于金剛石特殊形狀的精細加工，當然加工精度的提高是以犧牲加工速率為代價。Ogawa[60]等對紅外納秒激光和飛秒激光加工時的材料去除速率及加工表面質(zhì)量進行對比，如圖16所示，與納秒激光相比通過飛秒激光加工的表面質(zhì)量更高，但總體的材料去除速率較低。韓源[61]等也對飛秒激光(800nm；104fs)燒蝕速率進行了計算，當激光能量密度分別為14.2J/cm2和56.6J/cm2時，材料去除速度在掃描速度為1mm/s處達到最大值，對應(yīng)的材料去除速率分別為3.25×105μm3/s和1.7×105μm3/s，比微秒激光燒蝕速率低兩個數(shù)量級。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。當前金剛石CVD技術(shù)日漸成熟，金剛石加工問題逐漸成了金剛石應(yīng)用的主要限制性因素，激光加工憑借優(yōu)異的加工性能逐漸成為金剛石的主流加工方法。目前，切割金剛石的主要方式有水刀切割、電火花切割和激光切割，從原理出發(fā)，激光切割具有較其它方式獨特的優(yōu)勢，即無接觸式加工、效率高、切縫小、熱影響區(qū)小等優(yōu)點，是理想的加工金剛石方法。當前關(guān)于激光切割的研究主要集中在尋找窄切縫及大切深等方面，較小的切縫錐度使得切割損耗最小化。方向陽[62]等于2003年采用百微秒激光對金剛石膜進行加工得到了1mm的切割深度。王吉[63]等為了提高化學(xué)氣相沉積金剛石的切深，采用新型的聲光調(diào)制高重復(fù)頻率激光器對金剛石進行加工，研究了不同工藝參數(shù)對加工效果的影響，單向切深最大可達7.2mm。隨著金剛石切縫深度的增大，切割過程中發(fā)生的等離子體屏蔽效應(yīng)也逐步增強，這極大地限制了加工深度的進一步增加。J.K.Park[64]等提出在氬氣流中進行加工的方法，這有效地避免了材料-等離子體相互作用帶來的不利影響，但整體設(shè)備構(gòu)造較為復(fù)雜，成本較高。目前的研究尚未涉及大于10mm的超大深度的切割工藝。切縫錐度是衡量槽道深寬變化程度的參數(shù)，對于激光切割而言，較小的切縫錐度能夠保證材料利用率最大化。嚴壘[65]等對比了激光加工焦點位置對于切割錐度的影響，研究表明：將激光焦點置于金剛石膜表面進行切割時，切割面錐度最小。北京科技大學(xué)郭強[66]等針對PCD復(fù)合片的切割工藝進行了系統(tǒng)性試驗，研究了激光功率、切割速率、脈沖頻率及離焦量等工藝參數(shù)對切割質(zhì)量的影響，當激光功率為80W，切割速度為80mm/min，脈沖頻率為60Hz，獲得切縫寬度173.1μm，切縫單邊錐度為5.90°，粗糙度為0.65μm的優(yōu)良PCD復(fù)合片激光切割質(zhì)量。金剛石的高硬度和高導(dǎo)熱性對激光切割提出了高要求。高準直切縫的形成，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。而短脈沖和超短脈沖激光技術(shù)的發(fā)展將顯著降低熱影響區(qū)，提高切割精度，激光束的精確控制和新型激光加工方法的開發(fā)也是未來發(fā)展的重點。目前，國內(nèi)外用于金剛石微孔加工的方法主要有激光刻蝕和等離子刻蝕，后者對于大量微孔的同時制備有更好的適用性，但刻蝕工藝尚不成熟且難以完成深孔加工，激光加工金剛石成為了快速微孔成型的首選。B.Jeong[67]等使用自制的飛秒(1030nm；230fs)Yb：KGW激光進行金剛石微孔的加工，分析了脈沖能量和脈沖數(shù)對微孔孔徑、錐角及微孔質(zhì)量的影響。AidenA.Martin[68]等使用雙脈沖激光燒蝕硅球襯底上的金剛石材料以制備金剛石微孔，見圖17，微孔橫穿金剛石層于上表面呈現(xiàn)漏斗狀錐形，在表面和50%深度處測量的深寬比分別為8∶1和14.5∶1。但由于加工的金剛石薄膜厚度較薄(65μm)，對于實際加工的普適性不強。Natalie C.Golota[69]等使用納秒激光(532nm；20ns)對金剛石進行打孔實驗，在脈沖數(shù)為10000時最大深寬比為22∶1，通過進一步增大脈沖累積數(shù)量獲得的最大深寬比大于40∶1，如圖18所示。國內(nèi)也有多家單位進行了金剛石激光微孔成型的研究，西安交通大學(xué)王宏興[70]等研究了飛秒激光加工高深寬比微孔過程的結(jié)構(gòu)及元素演變，當激光曝光時間為100s，功率為60mW時，得到了深寬比為15∶1的微孔?？傮w而言，深寬比在12~15∶1的金剛石微孔加工報道較多，而使用飛秒激光或貝塞爾激光可以實現(xiàn)的深寬比高達500∶1[67-68,71]。筆者課題組董春燕[72]對不同激光功率下的金剛石微孔成型及缺陷特征進行研究，結(jié)果表明：當高功率激光照射時微孔外表面出現(xiàn)破損而內(nèi)表面出現(xiàn)明顯的條紋狀結(jié)構(gòu)，激光加工過程中對微孔內(nèi)表面的應(yīng)力影響大于微孔的邊緣位置。控制微孔精度和避免材料損傷是金剛石激光打孔的關(guān)鍵。更為精準的激光聚焦技術(shù)是提高孔徑形狀控制的直接手段。金剛石微槽道結(jié)構(gòu)能夠滿足航空航天、電子化工等領(lǐng)域?qū)ι嵝阅芊矫娴钠惹行枨?，激光加工是目前加工金剛石微槽道的主流方法?/span>微槽道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是切割加工出具有高準直度、表面質(zhì)量良好的凹槽。姜海濤[26]等在模擬仿真的基礎(chǔ)上探究了工藝參數(shù)對金剛石加工微槽尺寸影響的規(guī)律，在優(yōu)化工藝下成功加工出錐度小于3°的微流道結(jié)構(gòu)，如圖19所示。韋新宇[73]等使用紫外納秒激光在單晶CVD金剛石上加工微槽，經(jīng)過工藝參數(shù)的優(yōu)化可以加工出表面一致性好，邊緣完整，無裂紋和崩邊及微槽深度和表面寬度較大的金剛石微槽。黃建衡[74]等基于飛秒激光加工技術(shù)在高質(zhì)量多晶金剛石表面形成微結(jié)構(gòu)陣列，其槽寬為20μm，槽深達到45μm，這為實現(xiàn)X射線成像提供了光源器件。筆者課題組也致力于金剛石微槽道散熱制備與熱沉性能研究，齊志娜[41]使用高能激光束流燒蝕制備了超厚金剛石微通道，基于單相傳熱系統(tǒng)，金剛石微通道熱沉的導(dǎo)熱系數(shù)在5637.1~11447.2W/(m2·K)，這比相同形狀的鋁微通道熱沉高出了37%~73%，相對應(yīng)的轉(zhuǎn)化為熱沉中流體體積流量，金剛石熱沉的流量需求可降低40%。此外，筆者課題組凃軍磊[75]在齊志娜工作的基礎(chǔ)上制備了z型歧管式全金剛石微通道，同樣通過高能激光燒蝕分別制得分流基板和微槽基板，將其組裝構(gòu)成歧管式金剛石微通道，如圖20所示，進一步提高了金剛石散熱器件熱沉性能。
反觀國外，Mariusz Dudek[76]等人使用納秒激光器(355nm)加工出了帶有不同微觀結(jié)構(gòu)的多晶金剛石樣品，得到的微觀結(jié)構(gòu)幾何形狀精確，垂直度好，通道深，這再次證實了激光用于制造金剛石微流體器件的可行性。不同截面形狀的三維金剛石微槽的液固共軛熱傳數(shù)值分析結(jié)果表明，矩形微槽比三角形和梯形微槽有更好的傳熱性能[77]。但在進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關(guān)注的要點，Yasuhiro Okamoto[42]等提出了一種兩步掃描的方法并將其應(yīng)用于高質(zhì)量的單晶金剛石微形狀加工。Masataka Shinoda[78]等利用飛秒激光(800nm；120fs)在單晶金剛石表面加工出40nm寬，500nm深，0.3mm長的周期性微槽，其深寬比為12∶1，各微槽之間的平均槽距為(146±7)nm。傳統(tǒng)的機械研磨方法效率低，易造成環(huán)境污染且很難形成自動化工藝，當激光以較大角度入射金剛石表面并以特定路徑進行掃描時，也能對粗糙的金剛石表面進行快速去除，從而實現(xiàn)表面快速加工。目前有關(guān)激光研磨的研究主要集中在激光入射角度、材料去除速率以及加工表面粗糙度等方面。HuangangLiu[79]等人將激光束(355nm；25ns)垂直照射在單晶金剛石表面，試驗在接近燒蝕閾值的激光通量附近進行，在實現(xiàn)金剛石拋光的同時還保證了其較好的光學(xué)性質(zhì)，如圖21所示。激光垂直的入射角度需要兼顧離焦量和燒蝕閾值的大小關(guān)系，且材料去除速率較低，無法滿足高效平整化需求。在將激光應(yīng)用于激光平整化過程中，采取傾斜激光入射是一種提高加工效率與加工質(zhì)量的有效方法，徐峰[80]等探究了激光平整化過程中激光(1064nm；400ns)入射角度對加工質(zhì)量的影響，得出結(jié)論：較大的入射角度能獲得較好的表面粗糙度，但由于實驗裝置的限制，角度范圍只在0°~75°范圍內(nèi)進行，而未對更大的入射角度進行實驗。為達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應(yīng)當進一步提高。國外也有文獻報道更大的激光入射角度[81-82]，大多數(shù)的角度范圍選在75°~85°之間，更大的激光入射角度[83](90°)也有報道，但當入射角度超過某一定值后會由于“陰影效應(yīng)”在加工表面產(chǎn)生微秒級的周期性條紋[84]，限制加工表面粗糙度。相較于傳統(tǒng)的機械研磨平整化金剛石粗糙表面的方法，激光平整化最大的亮點是其極高的加工效率。筆者課題組梁軼凡等對機械研磨金剛石的去除速率進行了研究，隨著磨料粒徑的增大，研磨的材料去除速率也隨著增大，但即使使用粒徑60μm的金剛石粗粉進行研磨，所達到的去除速率也僅有0.2mm3/min。對比同組的李世諭[9]使用激光進行平整化加工，其材料去除速率提高一個數(shù)量級，達到1.1mm3/min。而使用飛秒激光進行加工時，其加工效率就低得多，Ogawa[60]等對比了納秒脈沖激光和飛秒脈沖激光加工聚晶金剛石的加工效果，試驗結(jié)果表明，飛秒激光加工在表面幾乎不產(chǎn)生石墨，去除速率僅有0.24mm3/min。激光平整化過程除了有較高的去除速率，其加工后表面粗糙度也是目前業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的重點之一。通常經(jīng)過激光平整化后金剛石表面粗糙度能降低至幾百納米，甚至在較小的測試范圍內(nèi)其粗糙度達到納米量級。S.Gloor[85]等通過ArF紫外準分子激光對自支撐320μm厚的金剛石進行拋光，如圖22所示，其粗糙度Ra為0.22μm(100μm×100μm)，在更小的測試區(qū)域內(nèi)粗糙度Ra降低至0.12μm(10μm×10μm)。HuagangLiu[79]使用355nm的納秒激光對CVD金剛石進行拋光，在測試范圍內(nèi)(20μm×20μm)粗糙度Ra可達到8.02nm。盡管激光平整化后金剛石表面粗糙度有明顯的降低，但和傳統(tǒng)的機械拋光達到的粗糙度仍存在較大差距。可以預(yù)見的是激光平整化將會取代傳統(tǒng)的機械研磨方式，但單一的激光源難以同時滿足加工效率與表面質(zhì)量要求，開發(fā)激光分步拋光方法或進一步改進激光控制系統(tǒng)和激光束質(zhì)量可能是未來的一個重要發(fā)展方向。為金剛石半導(dǎo)體化做戰(zhàn)略部署，需要開發(fā)金剛石薄晶圓制備方法。但金剛石晶圓的硬度遠遠超過硅，因此無法采用傳統(tǒng)的線切割方法完成切片。而離子注入因注入面積和儀器成本的制約在工業(yè)應(yīng)用和科學(xué)研究上受到限制。激光剝離技術(shù)是將激光精密加工技術(shù)與晶體剝離技術(shù)相結(jié)合，預(yù)先在晶體內(nèi)特定位置制造結(jié)合力較薄弱的改質(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[86]，這對于金剛石等高硬度、高脆性、高材料成本的單晶材料加工尤為重要。T.V.kononenko等發(fā)現(xiàn)可以利用紅外飛秒激光在金剛石內(nèi)部制備石墨微結(jié)構(gòu)[30]，并通過控制激光照射條件實現(xiàn)了長度為150μm，直徑為1.5μm的石墨線。這也是激光剝離金剛石晶圓的理論基礎(chǔ)，將飛秒激光斑點聚焦于在亞表層形成非金剛石相，再通過化學(xué)氣相沉積方式進行同質(zhì)外延生長增厚，最后通過電化學(xué)刻蝕剝離的方式實現(xiàn)金剛石薄膜與襯底分離。WangFei[87]等基于此方法將單晶金剛石從襯底中分離出來，實驗中飛秒激光處理后的金剛石截面如圖23所示，在金剛石內(nèi)部深度約為12μm處可以清晰的看到非金剛石條帶。飛秒激光加工技術(shù)提供了一種將生長的金剛石薄膜與其襯底分離的可能方法。但其加工過程需要在不破壞金剛石基底材料的情況下進行，這要求對激光能量的精確控制。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)。包括混合激光加工方法、水導(dǎo)激光加工及水助激光加工等。當前的激光加工方法大多以單一脈寬形式進行，其存在由激光本征特點決定的各種限制。例如，納秒、微秒激光加工效率高，但易產(chǎn)生熱影響區(qū)，易導(dǎo)致材料內(nèi)部開裂等情況；皮秒與飛秒激光雖能減少熱影響區(qū)的形成，但其加工效率存在較大限制，難以進行高效加工。單一脈沖的激光加工方法難以達到加工需求，多激光混合加工模式可能有更好效果。Dinesh Kalyanasundaram[88]等設(shè)計了CO2激光/水導(dǎo)激光的混合激光加工裝置，如圖24所示，利用CO2激光進行局部加熱；水導(dǎo)激光對加熱區(qū)進行快速淬火，從而完成聚晶金剛石板材的切割，試驗結(jié)果表明CO2激光/水導(dǎo)激光混合的激光加工方法能以高于其他切割技術(shù)的速度完成高效加工。MalsheAP[89]等在專利中提到采用兩種或兩種以上波長的激光來對金剛石膜表面進行拋光，即先用Nd：YAG激光或紅外光處理材料表面，使材料表面微結(jié)構(gòu)破壞，然后再用波長為193nm的激光處理結(jié)構(gòu)破壞后的金剛石膜表面，其加工效果相較于單獨的YAG激光處理更為理想。混合激光的加工方式能結(jié)合不同類型激光的優(yōu)勢，但通常裝置比較復(fù)雜，對加工樣品限制性較大。對于有特殊需求的高端應(yīng)用而言仍是未來發(fā)展的重要方向。水導(dǎo)激光加工是一種由微細水射流引導(dǎo)激光進行加工的技術(shù)。當激光以一定入射角從較高折射率的水射向空氣時，會發(fā)生全反射。與干式激光切割相比，使用水導(dǎo)激光加工時大部分能量消耗在水中而不是材料中。水射流冷卻切割邊緣，有效減少了熱影響區(qū)和熱殘余應(yīng)力，防止材料內(nèi)部的熱損傷。這樣的加工模式既通過水射流將激光傳輸至加工表面又帶走了多余的熱量與殘渣。同時，由于激光被限制在水束內(nèi)從而延伸了激光的焦點，提高軸向加工的加工效率。因此，水導(dǎo)激光對金剛石材料的微結(jié)構(gòu)具有較好的加工特性。近年來，國內(nèi)外學(xué)者采用水導(dǎo)激光對金剛石類透明硬脆的難加工材料開展了較為深入的研究。石廣豐[90]等對比了激光和水導(dǎo)激光對天然金剛石大的加工效果，在加工后的金剛石表面均能觀察到一層較薄的碳同素異構(gòu)體，但水導(dǎo)激光加工的表面僅存在一薄層石墨結(jié)構(gòu)，且產(chǎn)生的產(chǎn)于應(yīng)力小，微裂紋較少。A.Richmann[91]使用水導(dǎo)激光切割厚達3mm的藍寶石，實現(xiàn)了平行壁粗糙度小于0.5μm，切口寬度小于100μm的高質(zhì)量加工。其加工邊緣質(zhì)量高，曲率半徑小于20μm，且無任何切屑。QiaoHongchao[92]使用水導(dǎo)激光對單晶硅進行微結(jié)構(gòu)加工，切割最高縱橫比高達12.7，且很少出現(xiàn)局部斷邊。水導(dǎo)激光對金剛石加工有很好的適用性，但仍存在一些技術(shù)難點：更細的穩(wěn)定水射流和水中激光功率的衰減是兩個主要問題，此外水導(dǎo)激光打深孔也是一個難點。由于市場競爭和保密方面等問題，很少有關(guān)于此方面的文獻報道，尤其針對金剛石等超硬材料的水導(dǎo)激光加工的報道更為少見。水助激光與水導(dǎo)激光加工存在明顯的差異性，水助激光的關(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。M.Silvennoinen[93]等基于紅外飛秒激光對比了有無水輔助條件下的激光打孔和凹槽燒蝕效果，如圖25所示。實驗結(jié)果表明水助激光加工能更有效的進行孔燒蝕，同時燒蝕孔及周邊區(qū)域無碎片，保證了燒蝕質(zhì)量。在水助激光加工過程中，激光束受碎片和懸浮在水中的氣泡的影響而散射，同時水層的不連續(xù)性和不穩(wěn)定性均會惡化加工效果。為此，Tangwarodomnukun[94-95]等提出在薄而流動的水層中進行激光燒蝕。國內(nèi)研究人員基于此基本原理，提出在脈沖激光加工中引入水噴霧從而形成超薄高速流動水膜，并將其應(yīng)用于金剛石涂層刀具成功制備了微槽陣列(80μm寬槽陣列)和兩種復(fù)合微結(jié)構(gòu)(亞毫米尺度結(jié)構(gòu)和8μm寬槽陣列)。加工過程并沒有出現(xiàn)再沉積和涂層脫落等現(xiàn)象[96]。圖 25 在無 (a) 和有水噴霧 (b) 輔助的情況下，用激光在硅中進行燒蝕的掃描電鏡圖像。兩者都使用 1000 個脈沖，每個孔能量為2.2 J
雖然，液相激光燒蝕技術(shù)具有隔絕空氣、減少熱影響區(qū)、減少碎屑堆積等優(yōu)勢，但是液體層吸收會導(dǎo)致激光能量的較大損失。另外，液體層厚度難以精確控制造成結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量均勻性較差。表3總結(jié)了金剛石不同激光加工類型的加工效果，根據(jù)加工類型進行分類，一并總結(jié)了加工所使用的激光類型及工作亮點。激光加工作為一種高效的加工金剛石方法，近幾年收到業(yè)界人士的廣泛關(guān)注。但目前仍面臨一些挑戰(zhàn)。1)皮秒和飛秒激光加工金剛石的精度和質(zhì)量較高，但加工效率較低，而毫秒和納秒激光的脈沖持續(xù)時間較長，在加工過程中不可避免地形成熱影響區(qū)進而產(chǎn)生缺陷，無法滿足金剛石高質(zhì)量加工需求。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擁有質(zhì)量較高的加工表面，并進一步減少加工樣品中熱影響區(qū)的產(chǎn)生。2)激光拋光金剛石總伴隨著熱應(yīng)力及變形問題，尤其對于自支撐的大尺寸金剛石薄膜，在加工過程中由于熱量的累積以及材料去除過程中應(yīng)力的釋放不可避免地增加了金剛石晶圓的變形，給后續(xù)應(yīng)用及加工帶來困難。3)對于光學(xué)級及電子級的高質(zhì)量金剛石，激光加工會在金剛石表面或亞表層引入缺陷，惡化其光學(xué)及電學(xué)性能。激光加工損傷問題是目前限制激光加工金剛石領(lǐng)域擴展的關(guān)鍵點之一。雖然激光加工金剛石還存在許多問題，但未來激光加工仍會是金剛石加工領(lǐng)域的主要技術(shù)之一。激光加工技術(shù)也會更加成熟以滿足各種加工需求，并逐漸向高效、高精度、低損傷、高度集成及生產(chǎn)自動化方面發(fā)展。在可預(yù)見的未來，激光加工金剛石的應(yīng)用前景一定會越來越廣闊。文章名稱：激光技術(shù)在金剛石加工中的研究及應(yīng)用進展作者與單位：葉盛1，趙上熳1，邢忠福，1，2，彭志勇2，鄭字亭1，3，陳良賢1，劉金龍1，李成明1，魏俊俊1，31.北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院，北京100083；
2.天津津航技術(shù)物理研究所，天津 300308;
3.北京科技大學(xué) 順德創(chuàng)新學(xué)院，廣東 佛山 528399
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