金刚石微槽的激光蚀除技术研究

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金刚石作为第三代超宽禁带半导体材料,力学性能优秀,热导性良好,室温热膨胀系数小,对于大部分激光波段具有很好的透过性,由于金刚石的这些特性,在加工金刚石时激光是很好的方法。水导激光加工可以延展激光的焦点,提高其沿轴向加工的效率,同时热影响区面积小、加工过程无熔渣;飞秒激光脉宽极短,加工时作用区域内电子温度瞬间升高,电子变成等离子态并以喷射的方式脱离,因此热影响极小,加工表面质量很高,为满足金刚石微槽的高质量加工要求,本文对两种激光加工方法在金刚石微槽加工中的应用进行了研究。首先,本文根据傅里叶热传导理论和热弹塑性理论,研究了水导激光加工中的材料去除过程,考虑了水射流的对流换热作用的影响,建立了纳秒激光与水射流耦合加工的有限元仿真模型,对金刚石的水导激光加工进行了仿真研究。其次,本文模拟了金刚石材料蚀除过程中温度场与应力场的变化,通过仿真分析了水导激光的加工效果随脉冲数、激光输出功率、水射流直径的变化规律,并进行水导激光划槽随扫描次数与激光功率变化的实验探究。然后,本文进行了飞秒激光的打孔实验探究,同时求解了对于波长为515nm的飞秒激光加工金刚石的烧蚀阈值。还研究了飞秒激光划槽、多道扫描划槽的规律,发现随着扫描速度的增加,多道扫描划槽的深度与宽度小幅度下降,但扫描间隔大、且扫描速度过快时,槽道会出现明显的搭接痕迹。最后,本文对比分析了水导激光加工与飞秒激光加工的加工效果,采取把两种加工方法结合对金刚石微槽进行加工,即使用飞秒激光对于水导激光加工后的微槽进行修饰,修饰后,槽面的形貌规则,粗糙度相关的Ra与Rz指标均下降。且修饰的效果随扫描速度的减小而增强,在扫描速度为0.5mm/s-1mm/s时修饰的效果良好,Ra值可达到1.2μm左右。
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