武汉理工大学的学者在国际期刊 Optics and Laser Technology 上发表了文章 Investigation on high-aspect-ratio micro-holes manufacturing in Al2O3 ceramics using femtosecond laser and 5-axis galvanometer scanner。
氧化铝陶瓷因具有优良的力学、热学与电学性能，已成为半导体、航空航天及生物医学等领域关键部件的重要候选材料。其中，半导体静电吸盘通常需要加工大量直径约 100 μm、深度约 1 mm 的高深径比微孔，以实现气体流量调控与热管理功能。微孔质量直接影响晶圆定位精度、热变形控制和器件制造良率，因此高精度、高效率制造氧化铝陶瓷高深径比微孔具有明确的工程需求与研究价值。飞秒激光加工依托非接触式能量输入与超短脉冲特性，可在降低热影响损伤的同时实现材料去除。然而，氧化铝陶瓷的高散射特征及深孔加工中的能量衰减、等离子体屏蔽和孔壁锥度控制问题，使其几何精度与加工效率仍面临挑战。基于此，本文提出飞秒激光与五轴振镜扫描器相结合的动态扫描与姿态控制策略，用以实现低损伤、高精度和高效率的高深径比微孔制造。
Laser & Electron Beam Processing
本研究以 99% 纯度氧化铝陶瓷为对象，围绕目标微孔尺寸 D = 100 μm、H = 1 mm 建立了飞秒激光钻孔实验体系。实验系统由激光光学模块、数据采集模块和高精度运动模块组成，激光波长为 1030 nm，脉宽为 250 fs，并采用五轴振镜实现光束偏转与焦点调控。研究首先考察脉冲能量与重复频率对材料去除及损伤缺陷的影响；随后分析激光偏转角、阿基米德螺旋线间距、重复扫描次数等动态扫描与姿态控制参数对孔壁锥度、入口及出口几何精度的作用；最后讨论层数与扫描速度对加工效率和孔形质量的协同影响。实验结果表明，脉冲能量 45.64 μJ 与重复频率 200 kHz 能够在保证材料有效、完整去除的同时抑制重铸层、裂纹和表面沉积等损伤。激光偏转角是孔壁锥度控制的关键变量，在 0° 至 8° 的研究范围内，3° 偏转角可实现入口直径与出口直径近似一致的直壁结构。进一步地，5 μm 阿基米德螺旋线间距与 40 次重复扫描能够使微孔圆度低于 5 μm，并使孔径接近 100 μm。在效率方面，200 层分层加工与 100 mm/s 扫描速度将单孔加工时间优化至 119.34 s，同时保持较好的几何质量。
Laser & Electron Beam Processing
图 1 展示了动态扫描与姿态控制策略。该策略首先通过 CCD 相机与位移传感器完成加工位置对准，再依据目标微孔直径与光斑能量分布定义平面扫描路径；随后将工件厚度均匀分层，并在每一层上扩展阿基米德螺旋扫描路径。五轴振镜在扫描过程中同步调节光束姿态，使光束轴线与微孔轴线保持设定偏转角，从而将二维路径控制与三维光束姿态调控耦合起来。
图 2 揭示了脉冲能量对微孔入口损伤缺陷的影响。低脉冲能量条件下，局部能量积累不足，导致材料去除不完全并形成重铸层；当脉冲能量提高至 45.64 μJ 时，微孔边缘较为清晰，尽管表面存在少量沉积，但整体损伤得到控制；当脉冲能量进一步增大至 60.78 μJ 时，非均匀熔融和强烈喷溅会诱发不规则形貌、表面碎屑及扩展裂纹。该结果说明激光强度参数既决定材料去除能力，也控制热-机械耦合作用引发的损伤程度。
图 3 阐释了激光偏转角对孔壁锥度的调控机制。当偏转角较小时，孔壁局部呈正锥形，出口直径小于入口直径；当偏转角为 3° 时，横向烧蚀与纵向烧蚀达到相对平衡，入口与出口尺寸趋于一致，形成直壁微孔；当偏转角继续增大时，局部过度去除易引起负锥形或阶梯状特征。该现象表明，通过光束姿态控制可以削弱深孔内等离子体衰减效应，并改善能量在孔壁方向上的分布。
图 4 反映了不同分层数与扫描速度条件下入口和出口直径的变化规律。随着扫描速度由 50 mm/s 提高至 100 mm/s，微孔直径保持相对稳定；当速度进一步提高至 125 mm/s 或 150 mm/s 时，单位路径能量输入不足，入口与出口直径均出现下降。分层数从 100 增至 200 或 300 时，孔径一致性明显改善，但过多层数会延长加工时间。因此，200 层与 100 mm/s 的组合在几何质量和加工效率之间取得较优平衡。
图 4. 不同分层数与扫描速度下的入口和出口直径。
Laser & Electron Beam Processing
本研究面向氧化铝陶瓷高深径比微孔制造，建立了飞秒激光与五轴振镜扫描器协同的动态扫描与姿态控制方法。研究表明，激光强度参数是低损伤去除的基础，其中 45.64 μJ 脉冲能量和 200 kHz 重复频率可兼顾有效材料去除与损伤抑制。动态扫描和姿态调控则是提高几何精度的核心，其中 3° 激光偏转角能够在研究范围内形成直壁孔结构，5 μm 螺旋线间距与 40 次重复扫描可获得圆度低于 5 μm、孔径接近 100 μm 的微孔。
在加工效率方面，层数与扫描速度需要与孔形质量协同优化。200 层分层加工和 100 mm/s 扫描速度可将单孔加工时间控制在 119.34 s，并维持较好的入口和出口几何一致性。总体而言，该方法为半导体静电吸盘等氧化铝陶瓷部件的大规模微孔制造提供了低损伤、高精度和较高效率的工艺路径。但文章亦指出，该策略仍依赖复杂离线路径规划，且材料去除的内在机制有待进一步深入研究；未来可围绕在线路径生成、微槽及各向异性孔等复杂微结构加工开展扩展研究。
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DOI：10.1016/j.optlastec.2026.115644
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