日本大阪大学：金刚石激光加工新成果

金刚石因其优异的导热、电学与光学性能，在高功率器件、热沉及红外窗口等领域具有广阔应用前景。然而，其极高硬度和脆性也使大尺寸衬底的高精度加工极具挑战。

近年来，纳秒激光预处理结合等离子体辅助抛光（PAP）逐渐成为主流技术路线：前者用于快速去除低频形貌起伏，后者实现原子级表面精修。但激光属于典型的热烧蚀过程，不可避免在材料表面形成热影响区，这一结构对后续抛光效率与最终表面质量具有关键影响。

近日，日本大阪大学在《Diamond & Related Materials》发表题为《Physical properties and polishing characteristics of laser induced heat affected zone on diamond surfaces》的研究论文。围绕激光加工后金刚石表面热影响区（HAZ）的结构特征及其抛光行为展开了系统研究，为金刚石高效精密加工提供了重要理论支撑。

研究团队采用1064 nm、110 ns脉冲的纳秒激光系统（功率12 W，扫描速度400 mm/s，线间距10 µm），在5 mm×5 mm的CVD单晶金刚石（001）表面进行轮廓加工。为增强吸收，先沉积约100 nm金膜，激光后表面残留石墨层，再通过氧等离子体刻蚀（400 °C、200 W、10 min）暴露HAZ。

研究表明，激光诱导的HAZ并非简单单层结构，而是由“损伤层—过渡层—本体金刚石”构成的分层体系。其中，最表层损伤层厚度约为数百纳米，晶体结构明显退化；其下为厚度约2.9 μm的过渡层，晶体质量随深度逐渐恢复；再向内则为未受影响的本体金刚石区域。

值得关注的是，该研究给出了一个具有重要工程意义的结论：一旦表层损伤层被去除，过渡层的晶体结构可以完全恢复至接近本征状态。抛光后表面拉曼峰恢复至无应力位置，峰宽显著收窄，说明过渡层中的晶格畸变主要为弹性变形而非不可逆损伤。这意味着，真正需要重点控制和去除的，仅是表层数百纳米范围内的损伤层。

基于上述认识，激光+PAP复合工艺的优化路径也逐渐清晰。一方面，通过合理控制激光能量、扫描参数与热输入，可降低HAZ厚度及损伤程度；另一方面，利用PAP对损伤层进行高效剥离，并实现后续精密修复，可显著提升整体加工效率。已有研究表明，该复合工艺可将大尺寸单晶金刚石的抛光时间从约200小时缩短至30余小时，展现出较强的产业应用潜力。

总体来看，该工作系统揭示了激光诱导热影响区的结构本质及其在抛光过程中的演化规律，将过去被视为“不可避免副作用”的HAZ转变为“可调控加工单元”。随着金刚石在半导体散热、高功率电子器件等领域应用的持续拓展，对加工损伤与界面质量的精细控制将愈发关键，而围绕HAZ的深入研究无疑将成为推动金刚石工程化应用的重要一环。

图1. (a) 激光系统照片，(b) 激光脉冲持续时间，以及 (c) 用于在金刚石表面制备激光诱导热影响区（HAZ）的烧蚀实验所采用的扫描模式。(d) 激光系统示意图。

图2. 在SCD表面制备激光诱导热影响区：(a) 初始5毫米SCD基板，(b) 镀金表面，(c) 激光烧蚀后的表面，以及(d) 等离子体刻蚀去除石墨层并显露顶部表面的热影响区。