飞秒激光金刚石精密钻孔：当最锋利的“光”遇上最坚硬的“石”

金刚石，俗称钻石，作为自然界已知最硬的物质（莫氏硬度10级），凭借其卓越的热导率、化学惰性、宽光谱透光性，成为众多高精尖应用场景中的理想材料，比如超高精度微切削刀具、微机电系统（MEMS）、高精度光栅以及极端环境电子器件。

然而，金刚石的硬度也使其被冠以“最难加工”材料的恶名。随着合成技术的发展，这一挑战变得更加复杂。

金刚石材料的多样性与加工挑战

目前人造钻石的制备方法主要为：高压高温法 (HPHT) 和化学气相沉积法 (CVD)。虽然能创造出与天然钻石具有相同化学和物理特性的材料，但不同的制备方法，导致材料性能差异显著，直接影响后续的加工方案。

比如CVD钻石，生长纯度更高，具有非导电特性，这使得依赖材料导电性的传统电火花加工方法完全不适用。更棘手的是金刚石的热敏性，加工时容易开裂。传统加工方法热影响大、易引发微裂纹，更难以加工复杂的几何特征。

飞秒激光：突破金刚石钻孔瓶颈的颠覆性技术

2013 年，超短脉冲激光钻孔技术在柴油喷射喷嘴的科研工作荣获德国未来奖。此后，该技术不断发展，不断开辟新的应用领域。飞秒激光钻孔本质是利用 10⁻¹⁵秒级超短脉冲的非线性吸收效应，将能量瞬间聚焦于材料表面，通过多光子电离直接气化物质，而非传统的热熔融去除。

纳秒/皮秒激光因脉冲持续时间长（10⁻⁹、-10⁻¹² 秒）导致热扩散深度达微米级、引发金刚石内部石墨化相变和重铸层严重。飞秒激光的作用时间远小于电子 - 晶格热化时间（10⁻¹² 秒），能量在扩散前已完成材料去除，这种机制更大限度地减少了热损伤，从而能够实现高精度、高质量的加工效果。单色科技自研的飞秒激光精密制孔设备，可实现在金刚石片上加工直径几十至几百微米的直通孔，精度±2μm，真圆度达98％，且无毛刺、微裂纹等传统缺陷。

飞秒激光钻孔核心优势

凭借对飞秒激光钻孔方法的深刻理解和技术应用，我们将飞秒激光的优势发挥到。

1、纳米级表面粗糙度：

飞秒激光的“冷加工”“非接触”特性，可更大程度降低工件变形、开裂或碎裂风险，加工后的孔壁光滑，表面粗糙度可达纳米级别。同时，飞秒激光是一种相对清洁的工艺，加工后产生的碎屑极少，几乎无需复杂的后处理，这对昂贵的金刚石材料尤为宝贵。

2、卓越的真圆度：

真圆度是衡量孔加工质量的关键指标，指工件同一横截面内的实际轮廓与理想圆的偏离程度，属于孔径公差的一种。在半导体工艺中，无论是光刻掩模版的通孔，还是高深宽比的刻蚀引导孔，若孔的真圆度不足，会导致金属沉积不均匀，影响电路导通精度。

单色科技五轴飞秒激光异形孔成型设备孔径精度可达±1.5μm。结合高精度的环钻和螺旋钻孔技术，激光束沿孔的预设圆周进行切割，直至旋进钻孔，在整个钻孔过程中，改变光束的入射角，以补偿激光钻孔的自然锥度。通过这种方式,可以钻出完美的直通孔，实现极高的真圆度。

(a)冲击激光微钻孔和(b)环钻激光微钻孔加工出的微孔

结语

飞秒激光精密钻孔技术以其热影响小、精度高、灵活性强以及以及不依赖材料导电性的综合优势，成功打破了金刚石等硬脆材料的加工瓶颈，可拓展至碳化硅、氮化镓、蓝宝石等第三、第四代半导体材料，为精密器件、先进光学、量子技术等领域的发展开辟了全新的应用路径。