金剛石，俗稱鉆石，作為自然界已知最硬的物質(zhì)（莫氏硬度10級(jí)），憑借其卓越的熱導(dǎo)率、化學(xué)惰性、寬光譜透光性，成為眾多高精尖應(yīng)用場(chǎng)景中的理想材料，比如超高精度微切削刀具、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、高精度光柵以及極端環(huán)境電子器件。

然而，金剛石的極致硬度也使其被冠以“最難加工”材料的惡名。隨著合成技術(shù)的發(fā)展，這一挑戰(zhàn)變得更加復(fù)雜。

PART 01

金剛石材料的多樣性與加工挑戰(zhàn)

目前人造鉆石的制備方法主要為：高壓高溫法 (HPHT) 和化學(xué)氣相沉積法 (CVD)。雖然能創(chuàng)造出與天然鉆石具有相同化學(xué)和物理特性的材料，但不同的制備方法，導(dǎo)致材料性能差異顯著，直接影響后續(xù)的加工方案。

比如CVD鉆石，生長(zhǎng)純度更高，具有非導(dǎo)電特性，這使得依賴材料導(dǎo)電性的傳統(tǒng)電火花加工方法完全不適用。更棘手的是金剛石的熱敏性，加工時(shí)容易開裂。傳統(tǒng)加工方法熱影響大、易引發(fā)微裂紋，更難以加工復(fù)雜的幾何特征。

PART 02

飛秒激光：突破金剛石鉆孔瓶頸的顛覆性技術(shù)

2013 年，超短脈沖激光鉆孔技術(shù)在柴油噴射噴嘴的科研工作榮獲德國未來獎(jiǎng)。此后，該技術(shù)不斷發(fā)展，不斷開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。飛秒激光鉆孔本質(zhì)是利用 10⁻¹⁵秒級(jí)超短脈沖的非線性吸收效應(yīng)，將能量瞬間聚焦于材料表面，通過多光子電離直接氣化物質(zhì)，而非傳統(tǒng)的熱熔融去除。

納秒/皮秒激光因脈沖持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)（10⁻⁹、-10⁻¹² 秒）導(dǎo)致熱擴(kuò)散深度達(dá)微米級(jí)、引發(fā)金剛石內(nèi)部石墨化相變和重鑄層嚴(yán)重。飛秒激光的作用時(shí)間遠(yuǎn)小于電子 - 晶格熱化時(shí)間（10⁻¹² 秒），能量在擴(kuò)散前已完成材料去除，這種機(jī)制最大限度地減少了熱損傷，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高質(zhì)量的加工效果。單色科技自研的飛秒激光精密制孔設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)在金剛石片上加工直徑幾十至幾百微米的直通孔，精度±2μm，真圓度達(dá)98％，且無毛刺、微裂紋等傳統(tǒng)缺陷。

PART 03

飛秒激光鉆孔核心優(yōu)勢(shì)

憑借對(duì)飛秒激光鉆孔方法的深刻理解和技術(shù)應(yīng)用，我們將飛秒激光的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到極致。

1、納米級(jí)表面粗糙度：

飛秒激光的“冷加工”“非接觸”特性，可最大程度降低工件變形、開裂或碎裂風(fēng)險(xiǎn)，加工后的孔壁光滑，表面粗糙度可達(dá)納米級(jí)別。同時(shí)，飛秒激光是一種相對(duì)清潔的工藝，加工后產(chǎn)生的碎屑極少，幾乎無需復(fù)雜的后處理，這對(duì)昂貴的金剛石材料尤為寶貴。

2、卓越的真圓度：

真圓度是衡量孔加工質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，指工件同一橫截面內(nèi)的實(shí)際輪廓與理想圓的偏離程度，屬于孔徑公差的一種。在半導(dǎo)體工藝中，無論是光刻掩模版的通孔，還是高深寬比的刻蝕引導(dǎo)孔，若孔的真圓度不足，會(huì)導(dǎo)致金屬沉積不均勻，影響電路導(dǎo)通精度。

單色科技五軸飛秒激光異形孔成型設(shè)備孔徑精度可達(dá)±1.5μm。結(jié)合高精度的環(huán)鉆和螺旋鉆孔技術(shù)，激光束沿孔的預(yù)設(shè)圓周進(jìn)行精確切割，直至旋進(jìn)鉆孔，在整個(gè)鉆孔過程中，改變光束的入射角，以補(bǔ)償激光鉆孔的自然錐度。通過這種方式,可以鉆出完美的直通孔，實(shí)現(xiàn)極高的真圓度。

(a)沖擊激光微鉆孔和(b)環(huán)鉆激光微鉆孔加工出的微孔

PART 04

結(jié)語

飛秒激光精密鉆孔技術(shù)以其熱影響小、精度高、靈活性強(qiáng)以及以及不依賴材料導(dǎo)電性的綜合優(yōu)勢(shì)，成功打破了金剛石等硬脆材料的加工瓶頸，可拓展至碳化硅、氮化鎵、藍(lán)寶石等第三、第四代半導(dǎo)體材料，為精密器件、先進(jìn)光學(xué)、量子技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展開辟全新的應(yīng)用路徑。

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