碳化硅为第三代半导体核心材料凭借独特的耐高温、高导热、抗氧化、耐腐蚀等物理化学特性广泛用于新能源、军用雷达、航空航天等领域。其微槽加工主要用于微机电系统、微传感器和场效应晶体管等，可有效提高元器件在恶劣工况下的使役性能。但碳化硅作为典型的脆硬难加工材料，其微槽机械加工、化学蚀刻等传统加工方法常存在亚表面损伤、刀具寿命短、加工效率低等问题。因此，碳化硅微槽高效高质激光直接加工引起了学者的广泛关注。

　　但目前针对SiC材料，许多学者从飞秒激光作用下材料的结构转变和烧蚀形貌演变出发，研究了材料去除机理。同时，也有学者探究了激光加工参数对微槽加工尺寸和质量的影响。但是这些研究工作大多集中在红外波段，而绿光飞秒激光作用下，材料的去除机理和微槽表面创成机制仍鲜为人知。因此，本文采用515nm飞秒激光开展碳化硅加工特性研究，以进一步揭示飞秒激光作用下碳化硅材料去除和微沟槽形成机制，为碳化硅微槽的高质高效加工提供理论参考。

　　本文采用的设备为广东工业大学自主研制的绿光飞秒激光加工机床。其中绿光飞秒激光器波长为515nm，脉冲宽度为290fs，重复频率为0.1-610kHz，单脉冲能量为0-69.8μJ。加工系统配备的高速扫描振镜可准确控制激光束在二维平面内加工，扫描速度为0.01-3500mm/s，最大扫描范围为150×150mm，激光束聚焦后的光斑直径为25μm。实验所采用碳化硅材料是由北京天科合达半导体股份有限公司生产的双面抛光碳化硅晶片（4H-N型）。使用单晶硅材料是由晶芯电子科技有限公司生产的单面抛光单晶硅片（100晶向）。微槽采用振镜扫描直线方式加工成型，使用激光能量检测CCD(Thorlabs,BC106N-VIS/M)分析激光光束能量密度分布密度。利用场发射扫描电子显微镜(Hitachi SU8220)观测微槽表面形貌；使用OLYMPUS激光共聚焦显微镜(OLYMPUS, OLS4100)，观测微槽的三维形貌，测量微槽的宽度、深度及槽底表面粗糙度。

　　（1）如图1(a)所示碳化硅对绿光的吸光度约为0.5，是单晶硅对绿光吸光度（约为2.5）的五分之一。如图1（b），（c）所示，由图中曲线计算得出两种材料的绿光飞秒激光烧蚀阈值：碳化硅的烧蚀阈值为1.57J/cm2，单晶硅的烧蚀阈值为1.11J/cm2。

　　(a) 碳化硅和单晶硅的吸光度曲线; (d) 碳化硅烧蚀直径与能量密度拟合曲线; (c) 单晶硅烧蚀直径与能量密度拟合曲线（a）所示，随着单脉冲能量的增加，碳化硅微槽的深度呈非线性增加的变化趋势且增幅较小。如图2（b）所示，随单脉冲能量增加，单晶硅微槽的深度总体呈增大的变化趋势，增加幅度逐渐减小。此外，当脉冲重叠率从74%增至91%时，两种材料的深度增幅明显增加。

　　(a-b)不同脉冲重叠率下单脉冲能量对微槽深度的影响（Npass = 1 pass）; (c-d)不同单脉冲能量下扫描次数对微槽深度的影响（PO = 91%）

　　（3）图3（a）-（b）是扫描次数为1次时，在不同脉冲重叠率下，单晶硅和碳化硅微槽宽度随着单脉冲能量增加的变化规律。由图可知，随着单脉冲能量和脉冲重叠率的增大，两种材料的微槽的宽度都单调增加。此外，单晶硅微槽宽度的增幅大于碳化硅

　　(a-b)不同脉冲重叠率下单脉冲能量对微槽宽度的影响（Npass = 1 pass）; (c-d) 不同单脉冲能量下扫描次数变对微槽宽度的影响（PO = 91%）

　　（4）由图4（a）可知，随着单脉冲能量的增大，碳化硅微槽底部粗糙度先增大后趋于稳定。此外，微槽底部粗糙度随着脉冲重叠率的增加而减小。图9（b）展示了随着单脉冲能量增加，单晶硅微槽底部粗糙度先迅速增大后缓慢增加的变化规律。与碳化硅相反的是，单晶硅微槽底部粗糙度随脉冲重叠率的增加而增大。

　　(a-b)不同脉冲重叠率下单脉冲能量对微槽底部粗糙度的影响（Npass = 1 pass）; (c-d)不同单脉冲能量下扫描次数对微槽底部粗糙度的影响（PO = 91%）

　　（1）通过吸光度测试发现，碳化硅对绿光的吸光度约为0.5，是单晶硅对绿光的吸光度（约为2.5）的五分之一。碳化硅的绿光飞秒激光烧蚀阈值为1.57J/cm2，单晶硅的绿光飞秒激光烧蚀阈值为1.11J/cm2。

　　（2）在绿光飞秒激光作用下，碳化硅主要发生熔化和汽化。随着脉冲数的增加，作用表面逐渐形成改性区、熔化区和烧蚀区，并逐渐由凹坑演变为微孔。同时，微孔边缘会出现裂纹和破损等缺陷。

　　（3）碳化硅微槽成形要经历熔融、气化和崩边。随着单脉冲能量的增加，碳化硅微槽边缘会出现较为严重的破损现象。

　　（4）碳化硅微槽深度和宽度与单脉冲能量、光斑重叠率和扫描次数呈正相关。碳化硅微槽底部粗糙度与单脉冲能量成正相关，与光斑重叠率成负相关，受扫描次数变化的影响较小。此外，当单脉冲能量超过57uJ时，微槽边缘出现较为严重的崩边，导致测量值标准差增大。

　　郑李娟教授、王成勇教授主编的“十三五”国家重点出版物出版规划项目暨“国家出版基金重点支持项目”——现代切削刀具实用技术丛书，《印制电路板加工刀具》；

　　王成勇，教授、博士生导师，高性能工具全国重点实验室主任（广东工业大学），广东省微创手术器械设计与精密制造重点实验室主任，享受国务院政府特殊津贴专家，广东特支计划杰出人才、广东省五一劳动奖章获得者。兼任中国机械制造工艺协会副理事长、中国机械工程学会生产工程分会常务理事等，《CJME》、《机械工程学报》和《中国机械工程》等杂志编委、《工具技术》主编等；全国光辐射安全和激光设备标准化技术委员会第四届激光材料加工和激光设备分技术委员会(SAC/TC284/SC1)主任委员，全国刀具标准化技术委员会（TC91）委员，国家药品监督管理局医疗器械分类技术委员会医用软件专业组委员；首届教育部课程思政教学名师、教学团队与示范项目负责人、首批国家级一流本科课程负责人、兼任教育部机械类课程教指委委员、广东省本科高校机械类专业教指委主任委员，获广东省高校教学名师奖。长期从事高端数控装备与加工工艺、高端医疗器械研究。主持国家自然科学基金项目14项（其中重点项目3项，原创探索项目2项），授权国家发明专利163项，近五年成果转化金额近4000万；近五年在《CJME》、《机械工程学报》、《IJMTM》、《AFM》、《JMPT 》等发表高水平论文20余篇；作为第一完成人的成果获国家科学技术进步奖二等奖（2019年）、中国机械工业科学技术奖一等奖（2018年）、广东省科技进步奖一等奖（2020年，2014年）和广东省自然科学二等奖（2009），2021年获广东省丁颖科技奖；连续多年入选全球前2%顶尖科学家榜单。

　　郑李娟，广东工业大学机电工程学院副院长、教授、博士生导师、国家高层次青年人才、中国科协十届全委、广东五四青年奖章个人获得者，入选2024“强国青年科学家”引领计划、教育部课程思政教学名师。主持国家自然科学基金优秀青年基金、面上基金、青年基金项目、国家工信部邀标项目（校方负责人）、国家科技重大专项子课题等项目近20项。编写“十三五”国家重点出版物论著2部，在机械工程TOP期刊INT J MACH TOOL MANU、J MATER PROCESS TECH等发表SCI论文31篇，国内科技期刊论文25篇；授权发明专利63项，授权实用新型38项；参与制定行业标准1项，团体标准1项，企业标准7项；部分已在相关企业实现产业化获得良好社会经济效益。获国家科技进步二等奖（2019年）、中国机械工业科技奖一等奖（2018年）、广东省科技进步一等奖（2021年、2015年）等科技奖励。现任中国机械工程学会粤港澳青年会员工作站（生产工程领域）站长、广东省印制电子电路制造工程技术研究中心主任、广东省微创手术器械设计与精密制造重点实验室常务副主任；兼任中国机械制造工艺协会理事会常务理事、中国机械工业金属切削刀具技术协会青年工作委员会秘书长、中国机械工程学会生产工程分会委员会委员、极端制造分会委员、广东省青年科学家协会理事、广东省精准医学应用学会医工结合分会委员、广东省生物医学工程学会医疗器械分会委员，《机械科学与技术》、《金刚石与磨料磨具工程》、《硬质合金》等期刊编委，《机械工程学报》、《The International Journal of Extreme Manufacturing》《工具技术》、《机电工程技术》青年编委、《制造技术与机床》等期刊青年编委。

　　团队主要研究领域难加工材料高效精密绿色制造技术与装备，以及微创手术器械设计与精密制造等；涉及机械加工、金属与非金属增材制造、超声加工、激光加工、FIB加工、CT与图像识别与检测、手术辅助机器人等多个领域。

　　JME学院是由《机械工程学报》编辑部2018年创建，以关注、陪伴青年学者成长为宗旨，努力探索学术传播服务新模式。