随着人工智能领域的不断发展，新型材料在高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件中的应用日益受到关注。金刚石禁带宽度达5 eV，是当前单质半导体材料中带隙最宽的材料，同时具有高击穿电场、大饱和载流子速度、高载流子迁移率和底介电常数等优异电学性质，有望成为第四代半导体材料。不过由于其硬度极大，传统工艺无法同时满足加工精度和加工效率，因此它也被称之为“最难加工”的材料。目前针对金刚石的加工方式主要有电火花加工，磨料水射流加工、机械加工以及激光加工等，其中，激光加工成本低，可重复性好，能够高效可控地对金刚石进行加工，加工精度可以达到微米级别甚至纳米尺度。

金刚石激光加工的原理

金刚石是一种由纯碳元素组成的晶体，具有极强的稳定性和极高的硬度，因此在激光加工过程中，金刚石不会直接升华或发生化学刻蚀，而是先要经历金刚石向石墨相的转变过程，以此降低其加工难度，最后材料再吸收激光能量而加热并蒸发(或升华)。在此过程中，脉冲长度对于金刚石加工的质量有着很大的影响。通常根据激光脉冲长度和被加工材料原子晶格碰撞之间的大小的关系可分为“热加工”和“冷加工”两类。

当激光与金刚石作用时，电子和其晶格之间发生热传递，所谓“热加工”，即使用脉冲长度较长的激光（即脉冲持续时间较长）时，电子中沉积的激光能量在激光脉冲照射材料的时间内就传给晶格，从而引起材料的加热并达到热平衡状态，存在明显的热效应。而冷加工则相反，其激光脉冲宽度小于电子声子相互作用的时间尺度，电子中沉积的激光能量来不及传给离子，激光脉冲辐照就已经结束。此时离子的温度比较低，并没有明显的热效应。

激光热加工vs冷加工

金刚石的电子和空穴的弛豫时间分别 为1.5 ps和1.4 ps，通常利用微秒激光和纳秒激光都会存在较大的热影响区，通常适用于粗加工。而皮秒和飞秒则为冷加工，能够用于金刚石的精密加工，不过其加工效率也相对较低。因此，在实际加工过程中需要优化激光工艺参数，使得加工过程中保证较高材料去除速率的同时，减少加工样品中热影响区的产生，提升加工表面的质量。

目前激光在金刚石材料加工中的应用研究主要集中 在激光切割、激光打孔、微槽道加工以及激光平整化上。不同的加工应用对于激光技术有着不同的要求

高准直切缝和小切缝锥度的形成、超厚金刚石板材的加工及热影响区、缺陷等是目前金刚石激光切割中需要解决的关键问题。因此采用短脉冲和超短脉冲激光技术，同时保证激光束焦点位置及激光束移动位置的精确控制和新型激光加工方法的开发是未来金刚石激光切割技术发展的重点。

控制微孔精度（孔径、孔深、孔壁质量）和避免材料损伤是金刚石激光打 孔的关键。因此更为精准的激光聚焦技术是金刚石激光打孔的最基本要求。

在金刚石基材料表面直接加工微通道，可将热源的热量迅速传递给冷却液，是超高热流散热领域的研究热点。金刚石微通道结构的关键是加工出具有高准直度、表面质量良好的凹槽，在金刚石材料的各种去除加工类方法中，激光加工已经得到了较广泛的应用。此外，在进行大面积微槽加工时，保证整体微槽道深度的一致性是加工过程中应关注的要点。

激光加工的金刚石微通道表面与截面形貌（来源：参考文献2）

激光平整化是利用激光以一定角度照射金刚石表面并以特定路径进行扫描，能够实现金刚石表面进行快速去除。通常来说，激光垂直照射金刚石表面，材料去除效率较低，而以较大的入射角度能获得较好的表面粗糙度，不过，为达到金刚石加工的阈值能量，随着激光入射角度的增大，所需的入射激光能量也应当进一步提高，目前角度范围一般选在75°~85°之间。

金刚石的高硬度使得其无法采用传统的线切割方法完成切片，而激光剥离利用特定波长的脉冲激光透过材料表面在材料内部聚焦，在焦点区域产生较高的能量密度，形成多光子吸收，使得材料内所需深度形成改质层，有利于剥离工艺中形 成确定的晶体断裂位置，从而提升了剥离过程的可控 性与晶片的厚度一致性。为了使其加工过程不破坏金刚石基底材料，往往要求对激光能量的精确控制。

大族半导体结合激光隐切技术和超快激光器开发的激光切片（QCB技术）新技术

近年来，为了满足金刚石等透明硬质材料的加工 需求，研究人员基于传统激光加工方法开发了各种混合激光加工技术。包括水导激光加工、水助激光加工、混合激光加工方法等。

水导激光加工是一种由微细水射流引导激光进行加工的技术。当激光通过一个压力调制的水腔时，将激光束聚焦在一个极小的喷嘴上，从喷嘴中喷出极细的高压水柱，由于水与空气的界面处发生全反射现象，激光会被约束在微细的水射流中，并过水射流进行传导和聚焦，从而通过高压水射流引导激光在加工材料表面进行加工。

与干式激光切割相 比，使用水导激光加工时大部分能量可以消耗在水中，同时还能带走多余残渣，有效地减少了热影响区和热残余应力，防止材料内部的热损伤，同时，由于激光被限制在水束 内从而延伸了激光的焦点，提高轴向加工的加工效 率。因此水导激光对金刚石加工有很好的适用性，尤其是应用于加工金刚石微通道结构上。不过由于激光功率在水中会发生衰减，因此水导激光并不太适合打深孔，此外，水导激光还要求具有更细的稳定水射流，来保证加工精度。

水导激光技术原理

与水导激光不同，激光液相烧蚀法利用脉冲激光对浸没在液体中的靶样品进行烧蚀，直接在液相环境中制备出微纳米结构，其关键是通过水的冷却作用，减少激光加工过程中产生的热量，除此之外还具有隔绝空气、减少碎屑堆积等优势。不过，在该技术中，激光束易受碎片和悬浮在水中的气泡的影响而散射，且液体层吸收也会导致激光能量的较大损失，。因此，需要精确控制液体层厚度，如引入水喷雾从而形成超薄高速流动水膜，来保障材料结构表面质量均匀性和加工精确度。

水下激光加工原理（来源： 高能束加工技术及应用）

当前的激光加工方法大多以单一脉宽形式进行，其存在由激光本征特点决定的各种限制。如上述所说的微秒激光和纳秒激光导致材料有较大的热影响区，而飞秒和皮秒则存在效率低下的问题，难以进行 高效加工，因此可考虑采用两种或两种以上波长或脉冲长度的激光来对金刚石进行加工，如利用激光进行金刚石表面抛光时，可先采用纳秒或微秒激光进行粗加工，再利用飞秒或皮秒激光进一步降低其表面粗糙度。

此外，也可结合不同激光方式对金刚石进行加工，如利用CO₂激光进行局 部加热，再水导激光对加热区进行快速淬火，从而完成聚晶金刚石板材的切割，可以以高于其他切割技术的速度完成高效加工。然而，混合激光技工通常装置比较复杂，同时对加工样品限制性较大，一般用于有特殊需求的高端应用。

人工智能的极速发展使得金刚石的应用越来越广泛，如作为衬底或作为散热材料。不过其极高的硬度为其加工带来了很大挑战，而激光技术以其非接触、可控性强、精度高等特点，在金刚石材料的加工中展现出独特的优势。而由于激光抛光金刚石总伴随着热应力等问题，因此，如何平衡好加工效率与加工质量，发展新型混合激光加工技术是解决加工损伤问题的关键。

参考文献：

1、叶盛,赵上熳,邢忠福,等.激光技术在金刚石加工中的研究及应用进展[J].红外与激光工程.

2、邓世博,夏永琪,吴明涛,等.金刚石基材料及其表面微通道制备技术在高效散热中的应用[J].金刚石与磨料磨具工程.