激光精密加工技術(shù)在促進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新升級的同時，也推動了光學(xué)、物理、化學(xué)、材料、生命科學(xué)等前沿交叉學(xué)科的發(fā)展。北京航空航天大學(xué)大型金屬構(gòu)件增材制造國家工程實驗室管迎春教授課題組綜述了激光精密加工技術(shù)在空天、醫(yī)療、半導(dǎo)體晶圓制造等領(lǐng)域研究現(xiàn)狀，聚焦北航激光團(tuán)隊激光精密加工方向最新研究成果，并展望未來發(fā)展趨勢。

　　金屬增材構(gòu)件激光精密拋光

　　金屬激光增材技術(shù)為具有輕量化、難加工特征的航空航天關(guān)鍵構(gòu)件提供了高性能、低成本、快速、柔性等制造策略。然而，金屬增材構(gòu)件表面通常存在粉末黏結(jié)、飛濺等缺陷，嚴(yán)重惡化空天工況下疲勞壽命、傳動精度及裝配穩(wěn)定性等性能。傳統(tǒng)機(jī)械或化學(xué)方法難以滿足日趨復(fù)雜的表面光整需求。激光拋光以非接觸、柔性、綠色、高效等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)雜金屬增材構(gòu)件表面光整方面具有顯著優(yōu)勢。

　　德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所Kumstel團(tuán)隊[1]研究了工藝參數(shù)對金屬拋光效果的影響，揭示了激光拋光基本原理;香港理工大學(xué)Wang團(tuán)隊[2]發(fā)現(xiàn)激光拋光可明顯細(xì)化增材鈷鉻合金表面微觀組織，提高其耐腐蝕性能。

　　北航激光團(tuán)隊多年專注研究激光精密拋光裝備及工藝，研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的復(fù)雜金屬構(gòu)件激光精密拋光樣機(jī)，開發(fā)了專用拋光工藝，重點(diǎn)突破了大拐點(diǎn)、復(fù)雜曲面、內(nèi)壁等光整瓶頸，結(jié)合原位實時在線監(jiān)測、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等智能化新方法，實現(xiàn)金屬增材構(gòu)件表面粗糙度(Ra)由>5 μm降低至<0.05 μm，孔隙率降低了>60%，疲勞壽命提高了>20%。與此同時，激光拋光細(xì)化晶粒，均勻顯微組織組分，進(jìn)一步提高了機(jī)械力學(xué)性能(圖1)。

　　圖1 激光精密拋光。(a)機(jī)理分析: (a-1)構(gòu)件的溫度場分布, (a-2)熔池溫度, (a-3)熔池流動, (a-4)元素偏析抑制機(jī)理; (b)拋光工藝實施: (b-1)拋光策略規(guī)劃, (b-2)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型, (b-3)增材曲面工件拋光, (b-4)增材牙科植入物拋光; (c)激光拋光表面質(zhì)量: (c-1)激光拋光表面與原始表面SEM圖像, (c-2)激光拋光表面的激光掃描共聚焦(CLSM)圖像, (c-3)原始增材件表面 CLSM 圖像, (c-4)原始增材件橫截面孔隙率的計算機(jī)斷層掃描 (CT) 圖像; (c-5)拋光件橫截面孔隙率的 CT 圖像; (d)拋光層組織和性能: (d-1)拋光層截面, (d-2)拋光層組織透射電子顯微鏡 (TEM) 圖像, (d-3)拋光構(gòu)件壓縮屈服強(qiáng)度

　　金屬-復(fù)材激光高強(qiáng)連接

　　“為減輕每一克重量而奮斗，一克重量比金貴”。航空航天飛行器減重需求促使輕質(zhì)復(fù)合材料在空天飛行器制造中的占比顯著增加，金屬與復(fù)合材料之間的高性能連接成為關(guān)鍵技術(shù)問題。傳統(tǒng)機(jī)械連接和膠接等方法存在重量增加、接頭強(qiáng)度低等問題。

　　德國亞琛大學(xué)klotzbach團(tuán)隊[3]利用連續(xù)激光在低碳鋼表面制備微結(jié)構(gòu)，使低碳鋼與玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺聚合物接頭剪切強(qiáng)度提高至20 MPa以上。清華大學(xué)單際國教授團(tuán)隊[4]研究了激光連接過程中連接界面附近氣泡缺陷的形成機(jī)理。

　　北航激光團(tuán)隊提出了激光異質(zhì)連接新方法，在金屬與復(fù)合材料連接界面形成了互鎖結(jié)構(gòu)，避免了熔融樹脂凝固收縮缺陷，將鈦合金與碳纖維復(fù)材接頭強(qiáng)度提高到60 MPa以上，顯著高于目前文獻(xiàn)報道，且接頭具有良好耐候性，反復(fù)冷熱交替等模擬工況下不影響連接效果。

　　超快激光一站式制備功能表面

　　復(fù)雜、嚴(yán)酷的服役環(huán)境對新型空天飛行器結(jié)構(gòu)件性能提出高要求的同時，也對飛行器零部件提出了增升、減阻、隱身、防冰、自清潔等功能需求。利用超快激光微納加工技術(shù)制備功能表面近年來備受關(guān)注。

　　美國羅徹斯特大學(xué)Guo團(tuán)隊[6]利用飛秒激光在鈦、銅等金屬表面制備分層微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，明顯降低金屬表面在紅外波段的反射率。清華大學(xué)鐘敏霖團(tuán)隊[7]利用超快激光-熱氧化復(fù)合工藝在銅表面制備了接觸角達(dá)160°三級微納米超疏水結(jié)構(gòu)，有效延遲結(jié)冰形核時間。西安交通大學(xué)梅雪松團(tuán)隊[8]結(jié)合皮秒激光誘導(dǎo)和化學(xué)修飾，在鈦合金表面制備微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了200-2600 nm寬波段范圍內(nèi)平均反射率達(dá)4.12%。

　　北航激光團(tuán)隊發(fā)明了一站式多功能表面超快激光裝備和工藝，無需多步驟制備及后續(xù)修飾(圖2)。在不銹鋼等金屬材料表面制備耐磨持久超疏水抗結(jié)冰功能微納結(jié)構(gòu)，接觸角>159°，結(jié)冰時間延遲8小時以上，并具備良好的自清潔功能;在鈷合金、鈦合金等難加工金屬表面分別制備減反和減阻功能微納結(jié)構(gòu)，在綠光-近紅外寬波譜范圍內(nèi)反射率降至10%以下，空氣減阻率達(dá)11.73%。

　　圖2 超快激光制備金屬疏水防冰功能表面。(a-1) 金屬微納結(jié)構(gòu)電鏡圖片, (a-2) 微柱結(jié)構(gòu)三維形貌圖, (a-3) 超疏水表面水滴, (a-4) 水滴動態(tài)下落-反彈過程; (a-5) 疏水表面上下擠壓水滴動態(tài)過程;(b)超疏水功能微納結(jié)構(gòu)設(shè)計機(jī)理; (c-1)磨損疏水表面電鏡圖, (c-2)超疏水表面熱穩(wěn)定性, (c-3)超疏水表面延遲結(jié)冰表現(xiàn)(−8.5±0.5℃)

　　超快激光智能鉆骨

　　人口老齡化、社會生活方式轉(zhuǎn)變等因素導(dǎo)致骨科疾病發(fā)病率逐年上升，我國每年骨科創(chuàng)傷病例高達(dá)2000萬例。骨科臨床手術(shù)需要進(jìn)行骨組織鉆孔，傳統(tǒng)的機(jī)械鉆骨易造成骨孔壁粗糙、微裂紋等缺陷，術(shù)后愈合效果不佳。超快激光具有脈寬短、脈沖能量高、熱損傷低等優(yōu)勢，有效降低骨鉆孔過程的消融閾值，避免骨組織碳化和熱機(jī)械開裂，提高鉆孔精度。

　　美國德克薩斯大學(xué)Kang 團(tuán)隊[9]研究了不同環(huán)境對長脈沖激光消融牛脛骨的影響。結(jié)果顯示，液體與干燥環(huán)境骨消融速率相當(dāng)，且無碳化跡象，而水霧環(huán)境提高了骨消融速率。福建師范大學(xué)謝樹森團(tuán)隊[10]研究發(fā)現(xiàn)在骨組織表面施加薄水層，激光鉆骨切口形狀更加規(guī)則、干凈，熱損傷更低。

　　北航激光團(tuán)隊提出了氣/水輔助冷卻超快激光鉆骨方法，一方面有效消除了熱效應(yīng)對鉆骨質(zhì)量的負(fù)面影響，另一方面有效減少骨屑?xì)埩?，大大降低了術(shù)中骨殘留導(dǎo)致炎癥概率。在此基礎(chǔ)上，北航激光團(tuán)隊采取精密運(yùn)動平臺與高速全數(shù)字振鏡協(xié)同連動新方法，成功實現(xiàn)了接近臨床手術(shù)的直徑<2 mm、深度>5 mm的大孔徑骨加工，去除率達(dá)0.99 mm3/s(現(xiàn)有文獻(xiàn)最高指標(biāo))，孔壁表面完整，加工質(zhì)量良好，并在鉆骨基礎(chǔ)上對孔壁進(jìn)行改性，有效增強(qiáng)了骨再生功能(圖3)。

　　圖3 高效率超快激光加工骨孔分析。(a-1)~(a-3)骨孔三維形貌; (b-1)~(b-3)骨屑; (c-1)~(c-3)骨孔SEM 圖像; (d-1)~(d-3)骨孔組織學(xué)圖像

　　幾秒種的激光過度輻照就可能導(dǎo)致鉆孔位置的骨下軟組織發(fā)生損傷，為實現(xiàn)高安全性臨床鉆骨，北航激光團(tuán)隊基于激光鉆骨過程特征光信號，研發(fā)了原位實時在線監(jiān)測模塊，實現(xiàn)了激光聚焦位置精確控制(圖4)。

　　圖4 激光鉆骨信號監(jiān)測。(a)等離子體光譜; (b)二次諧波光譜; (c)光譜特征波段放大圖

　　超快激光助力國產(chǎn)晶圓制造

　　隨著大規(guī)模集成電路集成化程度不斷提高，大尺寸晶圓需求量急劇增加，對晶圓研拋設(shè)備提出了更高要求。目前，國內(nèi)外均采用機(jī)械切割和化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)結(jié)合方法，最終實現(xiàn)襯底原子級平坦化。然而，晶圓制造過程中大部分核心裝備和耗材依賴進(jìn)口，是“卡脖子”清單關(guān)鍵組成部分，制約著我國集成電路產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，危及國家及人民的信息安全。

　　日本東北大學(xué)Yan團(tuán)隊[11]通過激光輻照，將多晶硅層轉(zhuǎn)化為單晶硅，硅層表面粗糙度均方根(RMS)由12nm 降至8nm。廣東工業(yè)大學(xué)謝小柱團(tuán)隊[12]利用飛秒激光改性碳化硅晶圓，有效提高CMP效率。北航激光團(tuán)隊積極響應(yīng)國家信息安全重大需求，開拓創(chuàng)新，陸續(xù)提出了面向半導(dǎo)體晶圓制造的激光減薄和激光改性兩種新方法，助力國產(chǎn)晶圓制造。

　　北航激光團(tuán)隊研發(fā)了激光減薄技術(shù)，將硅晶圓厚度由199 μm減至102 μm，熱影響區(qū)控制在1 μm以內(nèi)，未引入損傷層，對晶圓力學(xué)、電學(xué)等性能無損傷。與此同時，為消除晶圓切割片加工痕跡和表面損傷層，北航激光團(tuán)隊研發(fā)了激光研磨新技術(shù)，將切割片表面粗糙度(Ra)由 0.4 μm降至0.075 μm，顯著去除表面機(jī)械切割痕跡，將表面應(yīng)力由原始拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，有效抑制裂紋萌生和擴(kuò)展，未引入新?lián)p傷層，對電學(xué)性能等無影響。

　　圖5 激光改性硅晶圓。(a)激光改性硅表面及粗糙度; (b)三維形貌圖：(b-1)激光改性單晶硅表面, (b-2)原始單晶硅表面; (c)激光改性單晶硅表面X 射線光電子能譜圖; (d)激光改性單晶硅表面X射線衍射能譜圖; (e)激光改性單晶硅表面拉曼能譜圖; (f)激光改性單晶硅電流-電壓曲線

　　總結(jié)與展望

　　激光精密加工技術(shù)具有應(yīng)用場景廣泛、加工材料多樣化、易于實現(xiàn)智能化等優(yōu)點(diǎn)，顯著提高加工精度和質(zhì)量。為更好服務(wù)于產(chǎn)業(yè)升級，提高我國高附加值產(chǎn)品智能制造水平，基于本文提及的相關(guān)研究方向，以下三個方面有待進(jìn)一步研究與探討：

　　•激光精密加工零部件長期服役性能驗證與技術(shù)迭代;

　　•超快激光體內(nèi)鉆孔和傷口愈合技術(shù)驗證;

　　•激光制造晶圓技術(shù)如何進(jìn)入國產(chǎn)化先進(jìn)制程生產(chǎn)線。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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