田龍 黃傳真 劉盾 姚鵬 劉含蓮 劉雪飛

摘要：氧化鎵（β-Ga2O3）是一種新型高性能半導(dǎo)體材料，由于其易解理、高脆性、導(dǎo)熱性差和各向異性等特點(diǎn)，在傳統(tǒng)的精密加工和激光加工過程中易產(chǎn)生微裂紋，這極大地制約了氧化鎵單晶的應(yīng)用。激光輔助水射流加工集成了激光加工效率高、精度高以及水射流加工不產(chǎn)生熱損傷的優(yōu)勢，能實(shí)現(xiàn)硬脆材料的近無熱損傷加工，在半導(dǎo)體晶圓加工領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。對激光輔助水射流微銑削單晶β-Ga2O3襯底進(jìn)行了全因素實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，工藝參數(shù)對微槽深度和微槽底部表面粗糙度具有顯著影響，通過工藝參數(shù)優(yōu)化，激光輔助水射流加工能獲得低表面損傷、底部平整且表面粗糙度低（Ra<1 μm）的微槽。

關(guān)鍵詞：氧化鎵襯底；激光輔助水射流；微銑削；表面粗糙度

中圖分類號：TG664

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.13.005

Experimental Study of Laser Assisted Water Jet Micromilling of Single Crystal β-Ga2O3 Substrates

TIAN Long1 HUANG Chuanzhen2 LIU Dun 1 YAO Peng 1 LIU Hanlian1 LIU Xuefei1

1.Center for Advanced Jet Engineering Technologies （CaJET），Key Laboratory of High-efficiency and Clean Mechanical Manufacture （Ministry of Education），National Experimental Teaching Demonstration Center for Mechanical Engineering （Shandong University），School of Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan，250061

2.School of Mechanical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei，066004

Abstract： Gallium oxide （β-Ga2O3） was a new type of high performance semiconductor material. Due to the characteristics of easy cleavage， high brittleness， poor thermal conductivity and anisotropy， the micro cracks

would be easily generated in traditional precision machining and laser machining， which greatly restricted the applications of gallium oxide single crystal. Laser-assisted water jet machining might combine the advantages of high efficiency and high precision of laser machining and no thermal damages of water jet machining， which might realize the near thermal damage free machining of hard and brittle materials， thus a good application prospect was obtained in the field of semiconductor wafer processing. All-factor experimental study of laser assisted water jet micro-milling of single crystal β-Ga2O3 substrates was carried out herein. Results show that the processing parameters have significant influences on the depth and the surface roughness of the bottom of the micro-groove. By optimizing the processing parameters， the micro-groove with low surface damage， flat bottom and low surface roughness （Ra<1 μm） may be obtained by the laser assisted water jet machining.

Key words：? gallium oxide substrate； laser assisted water jet； micro milling； surface roughness

收稿日期：2022-11-25

基金項(xiàng)目：

河北省全職引進(jìn)國家高層次創(chuàng)新型人才科研項(xiàng)目（2021HBQZYCXY004）

0 引言

氧化鎵（β-Ga2O3）作為新一代半導(dǎo)體材料，具有超寬禁帶、高擊穿電場強(qiáng)度、高紫外透過率、物化性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)［1］，可廣泛用于制作高壓功率器件、深紫外光電器件、高亮度 LED 半導(dǎo)體器件等［2-4］。目前單晶β-Ga2O3的主要精密加工技術(shù)是濕法刻蝕，有關(guān)激光加工β-Ga2O3的研究報(bào)道較少，但由于β-Ga2O3的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，因此刻蝕效率較低，無法實(shí)現(xiàn)材料的高效率加工，制約了單晶β-Ga2O3的應(yīng)用與發(fā)展。

WU等［5-6］對單晶氧化鎵進(jìn)行了納米壓痕/劃痕和微柱壓縮試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，隨著載荷的增大，（200）晶面上高密度的堆垛層錯(cuò)是誘發(fā)亞表面微裂紋產(chǎn)生的本質(zhì)原因，最終導(dǎo)致氧化鎵晶體沿（200）晶面發(fā)生滑移斷裂，揭示了氧化鎵單晶加工過程中極易解理破碎的原因。AHN等［7］研究了飛秒激光照射下氧化鎵單晶產(chǎn)生表面/亞表面損傷的臨界激光能量密度，研究表明超過能量密度臨界值的激光會在氧化鎵晶片表面照射區(qū)產(chǎn)生大量沿〈001〉晶向的微裂紋，揭示了氧化鎵單晶自身較差的導(dǎo)熱性能和較大的各向異性是導(dǎo)致晶片表面照射區(qū)沿固定方向產(chǎn)生微裂紋的原因。

激光微加工是一種可以方便地處理難加工材料的微加工技術(shù)，具有高精度、快速、無接觸力的特點(diǎn)［8-9］。激光微加工有多種變體，即用于制造微產(chǎn)品的微切割、微車削、微鉆孔和微銑削［9］。激光束銑削是應(yīng)用最廣泛的先進(jìn)加工工藝之一，它通過逐層燒蝕的方式去除材料［10］，重復(fù)多次以移除連續(xù)的材料層，并獲得所需的深度和預(yù)期的三維輪廓［11］。然而，除超短脈沖激光（脈寬小于10 ps） 基本無熱效應(yīng)外，其余激光大多表現(xiàn)出明顯的熱效應(yīng)［12］，加工時(shí)產(chǎn)生大范圍熱影響區(qū)，并易產(chǎn)生裂紋［13］。如果不采取額外的措施將熔化的材料帶走，已經(jīng)去除的材料極易重新固結(jié)在加工區(qū)附近，形成難以去除的重鑄層［14］。

針對上述問題，目前采用的兩種解決方式為激光輔助微銑削加工和激光與水復(fù)合加工。激光輔助微銑削加工是先通過激光加工去除部分工件材料，再通過微銑刀對工件進(jìn)行銑削加工。該加工方式可以減少加工過程中微銑刀的磨損從而提高微銑刀的壽命。HAO等［15］采用激光輔助微銑削加工技術(shù)在無氧銅上成功制備出長徑比2.5、寬度為0.2 mm、循環(huán)次數(shù)為30的S型槽。研究結(jié)果表明，與單向全槽微銑削加工相比，激光輔助微銑削加工可以提高表面質(zhì)量，即減少頂部毛刺的形成和減小底部和側(cè)壁表面粗糙度，同時(shí)刀具磨損量更小。XIA等［16］采用激光輔助微銑削加工技術(shù)對高硬度TiB2基陶瓷復(fù)合材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，在激光氧化誘導(dǎo)下材料氧化為疏松多孔的氧化物，氧化后的材料所需切削力極小，易被去除。

激光與水復(fù)合加工技術(shù)在加工過程中水能夠起到冷卻作用，縮小了激光加工的熱影響區(qū)，提高了激光加工質(zhì)量［17］。關(guān)于激光輔助水射流加工技術(shù)［18］，迄今為止已經(jīng)開展了有關(guān)單晶硅、單晶鍺、單晶碳化硅、單晶砷化鎵等半導(dǎo)體材料以及氧化鋁陶瓷、氮化硅陶瓷的微槽加工和氮化硅陶瓷的微銑削加工研究，研究表明該加工工藝可以獲得干凈、直邊和無熱損傷的微槽。激光輔助水射流復(fù)合加工可以綜合激光加工與水射流加工兩者的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)硬脆材料的近無損傷加工，在半導(dǎo)體晶圓加工領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。為了探究單晶β-Ga2O3襯底的高效率、高精度的近無損傷加工，本文研究了激光輔助水射流加工工藝參數(shù)對加工后β-Ga2O3微槽輪廓和槽底表面粗糙度的影響規(guī)律，尋找最優(yōu)的工藝參數(shù)來實(shí)現(xiàn)β-Ga2O3的無損傷加工，為單晶β-Ga2O3加工提供了一種低損傷的激光加工方法。在有效減輕熱效應(yīng)的前提下，充分發(fā)揮激光加工的優(yōu)勢。

1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)裝置

由于單晶β-Ga2O3易解理、高脆性和較大的各向異性，單晶β-Ga2O3在切片、研磨和拋光加工時(shí)，（001）晶面的單晶β-Ga2O3成品率較高，因此目前關(guān)于單晶β-Ga2O3的研究主要集中于（001）晶面的單晶β-Ga2O3。本次實(shí)驗(yàn)的材料為尺寸10 mm×10 mm、厚度500 μm、表面粗糙度Ra=75 nm的（001）非故意摻雜β-Ga2O3襯底。單晶β-Ga2O3襯底的性能參數(shù)如表1所示。由于單晶β-Ga2O3易沿晶體方向b發(fā)生解理，因此微銑削加工方向沿晶體方向b進(jìn)行加工。圖1是單晶β-Ga2O3襯底的實(shí)物圖，圖2是β-Ga2O3晶體方向示意圖［19］。

本研究采用的激光輔助水射流加工實(shí)驗(yàn)裝置由本研究團(tuán)隊(duì)自主研制，圖3是該裝置的原理圖，

圖4是該裝置的實(shí)物圖。該裝置由精密數(shù)控運(yùn)動系統(tǒng)、納秒光纖激光器與光學(xué)組件、水射流增壓單元和復(fù)合切割頭四部分組成。

該加工系統(tǒng)所采用的激光源為高斯光束，激光波長1064 nm、激光脈沖寬度10～350 ns、脈沖重復(fù)頻率100～1000 kHz、平均功率1～100 W。水射流增壓單元可以穩(wěn)定地為噴嘴提供0～40 MPa壓力的水射流，水射流噴嘴的出口內(nèi)徑尺寸為0.3 mm。精密數(shù)控運(yùn)動系統(tǒng)可以控制復(fù)合切割頭在300 mm×300 mm范圍內(nèi)進(jìn)行平面運(yùn)動，運(yùn)動精度達(dá)1 μm。復(fù)合切割頭由激光切割頭、水射流噴嘴和X-Y-Θ三軸調(diào)節(jié)平臺組成。水射流噴嘴通過固定支架安裝在三軸調(diào)節(jié)平臺上，水射流噴嘴與激光的相對位置可以通過三軸調(diào)節(jié)平臺進(jìn)行調(diào)節(jié)，精度0.01 mm。

在激光輔助水射流加工中，有8個(gè)主要工藝參數(shù)對加工效果有影響［18-22］，分別是激光平均功率P、激光脈沖頻率f、激光焦平面位置fpp、水射流壓力pw、噴嘴靶距Ls、水射流偏置距離xw、射流傾角θ以及掃描速度v，如圖5所示。而在微銑削加工中，加工次數(shù)n和橫向偏置距離x0對加工效果的影響較大。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究［20-24］和前期預(yù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表2所示，將噴嘴靶距Ls設(shè)定為0.6 mm，水射流偏置距離xw設(shè)定為0.5 mm，射流傾角θ設(shè)定為45°。微銑削后的氧化鎵微槽表面形貌通過基恩士激光顯微鏡（VK-X200）和場發(fā)射高溫掃描電鏡（JSM-7800F）進(jìn)行觀測。

為保證材料都是經(jīng)過激光軟化后由水射流沖擊去除，本次微銑削實(shí)驗(yàn)采用單向加工的路徑規(guī)劃，如圖6所示。

2 實(shí)驗(yàn)方案

為研究工藝參數(shù)對微槽深度H和微槽底部表面粗糙度Ra的影響，對表3、表4所示的7個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行全因素實(shí)驗(yàn)。根據(jù)因素種類將該實(shí)驗(yàn)分為兩組，第一組實(shí)驗(yàn)用于研究激光工藝參數(shù)對實(shí)驗(yàn)的影響規(guī)律（表3），第二組實(shí)驗(yàn)用于研究水射流與微銑削工藝參數(shù)對實(shí)驗(yàn)的影響規(guī)律（表4）。為排除偶然因素影響，每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，取3次實(shí)驗(yàn)的平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 激光輔助水射流加工參數(shù)對微槽深度的影響規(guī)律與分析

圖7a所示為激光脈沖頻率對槽深的影響規(guī)律。由圖可見，微槽深度總體上隨著激光脈沖頻率的增大而減小。當(dāng)激光脈沖頻率為189 kHz、激光平均功率為30 W時(shí)，由于β-Ga2O3較差的導(dǎo)熱性能和較大的各向異性，較大的激光能量使材料產(chǎn)生熱裂紋，并在水射流的沖擊下裂紋擴(kuò)展最終剝離材料表面，導(dǎo)致加工出的微槽深度較大，但微槽底部不平整。當(dāng)激光脈沖頻率為315 kHz和490 kHz時(shí)，槽深變化不明顯，低功率時(shí)在490 kHz的激光脈沖頻率下加工出的微槽較深，高功率時(shí)在315 kHz下加工出的微槽較深。在1000 kHz的激光脈沖頻率下僅在功率為30 W時(shí)能加工出微槽。

激光脈沖頻率的改變引起單個(gè)激光脈沖能量和激光脈沖重疊率的改變，激光脈沖能量Ep為

Ep=Pf（1）

脈沖重疊率PO為［25］

PO=1-（vfdb）（2）

db=df1+（4λfppπd2f）2（3）

式中，db為工件表面激光束直徑；df為焦點(diǎn)直徑；λ為激光波長。

根據(jù)式（1），隨著脈沖頻率的增大，激光脈沖能量減小。在1000 kHz的激光脈沖頻率下，激光脈沖能量小，因此需要在較大的激光平均功率下才能加工出微槽。根據(jù)式（2），隨著脈沖頻率的增大，脈沖重疊率增大。因此激光平均功率較低時(shí)，在315 kHz與490 kHz脈沖頻率下的激光脈沖能量相差較小，而在490 kHz脈沖頻率下的脈沖重疊率較高，因此加工出的微槽較深。而隨著激光平均功率的增大，兩種脈沖頻率下的激光脈沖能量差距增大，對槽深的影響逐漸高于脈沖重疊率，所以高功率時(shí)在315 kHz下加工出的微槽較深。

圖7b所示為激光焦平面位置對槽深的影響。由圖可見，激光焦平面位置為0時(shí)所加工出的微槽深度最大，激光焦平面位置上移和下移都會降低微槽深度。根據(jù)式（3），激光焦平面位置上移和下移都會引起工件表面激光束直徑的增大，從而使作用在工件表面上的激光能量密度減小，因此激光焦平面位置的上移和下移都會減小微槽深度。

圖7c所示為加工次數(shù)對槽深的影響。由圖可見，槽深隨著加工次數(shù)的增加而逐漸增大，增大幅度逐漸減小，趨于平緩。這是由于隨著加工次數(shù)的增加，作用在微槽底部的激光束直徑逐漸增大，同時(shí)未聚焦的激光束在穿過工件表面水層時(shí)會造成大量能量損失，因此隨著加工次數(shù)的增加，微槽深度逐漸趨于穩(wěn)定。

圖7d所示為激光平均功率對槽深的影響。由圖可見，隨著激光平均功率的增大，激光脈沖能量增大，能夠更有效地熔化材料，因此加工出的微槽深度明顯增大。

圖7e所示為水射流壓力對槽深的影響規(guī)律，由圖可見，隨著水射流壓力的增大，微槽深度減小。

水射流在加工過程中起著冷卻和去除的作用，冷卻作用可通過強(qiáng)制對流傳熱系數(shù)表征，去除作用可通過最大切應(yīng)力表征。

水射流的壁面射流區(qū)的強(qiáng)制對流傳熱系數(shù)hf為［26］

hf=kwNuwL（4）

Nuw=0.037Re45wPr13（5）

Rew=ρwv0Lμ（6）

v0=2pwρw（7）

式中，kw為水的熱導(dǎo)率；Nuw為壁面射流區(qū)水的努塞爾數(shù)；Rew為壁面射流區(qū)水的雷諾數(shù)；Pr為水的普朗特?cái)?shù)；ρw為水的密度；v0為壁面射流速度；L為壁面射流區(qū)特征長度；μ為水的運(yùn)動黏度。

壁面射流區(qū)水射流對工件表面的最大切應(yīng)力τmax為［27］

τmax=（0.5ρwv20Aj）ξ（θ）（8）

式中，Aj為圓形射流的橫截面積；ξ（θ）是關(guān)于水射流傾角θ的函數(shù)。

根據(jù)式（4）～式（7）可知，隨著水射流壓力的增大，壁面射流區(qū)水的雷諾數(shù)增大，壁面射流區(qū)水的努塞爾數(shù)增大，從而引起壁面射流區(qū)的強(qiáng)制對流傳熱系數(shù)增大，即水射流的冷卻作用增強(qiáng)，進(jìn)而使得微槽深度減小。

根據(jù)式（7）、式（8）可知，隨著水射流壓力的增大，壁面射流速度增大，所以水射流對工件表面的最大切應(yīng)力增大，使得微槽深度增大。

從水射流壓力對槽深的影響規(guī)律看，水射流的冷卻作用對槽深的影響大于水射流對工件表面最大切應(yīng)力的影響。

圖7f所示為掃描速度對槽深的影響規(guī)律。由圖可見，隨著掃描速度的增大，微槽深度減小。根據(jù)式（2）可知，隨著掃描速度的增大，脈沖重疊率減小，因此單位長度上作用在工件上的激光脈沖數(shù)量減少，微槽深度減小。

圖7g所示為橫向偏置距離對槽深的影響規(guī)律。由圖可見，隨著橫向偏置距離的增大，微槽深度減小。

橫向偏置距離的改變，實(shí)質(zhì)上引起了相鄰兩條加工軌跡之間的激光重疊率的變化，即軌跡重疊率的變化。軌跡重疊率TO為［28］

TO=1-x0db（9）

式中，x0為橫向偏置距離；db為工件表面激光束直徑。

根據(jù)式（9）可知，隨著橫向偏置距離的增大，軌跡重疊率減小，因此橫向單位長度上作用在工件上的激光脈沖數(shù)量減少，微槽深度減小。

3.2 激光輔助水射流加工參數(shù)對槽底表面粗糙度的影響規(guī)律與分析

圖8a所示為激光脈沖頻率對槽底表面粗糙度的影響。由圖可見，由于隨著脈沖頻率的增大，激光作用在工件上的時(shí)間減少，同時(shí)激光脈沖能量減小，因此表面粗糙度隨著激光脈沖頻率的增大而逐漸減小。

圖8b所示為激光焦平面位置對槽底表面粗糙度的影響。由圖可見，在激光功率較低時(shí)，激光焦平面位置的下移會減小所加工出微槽的表面粗糙度，激光焦平面位置的上移對表面粗糙度的影響不大。由于工件表面激光束直徑的增大，脈沖重疊率增大，因此加工出的微槽表面粗糙度較小。而在高激光平均功率下，激光焦平面位置下移后，作用在微槽底部的激光束直徑較小，因此微槽的表面粗糙度較大。

圖8c所示為加工次數(shù)對槽底表面粗糙度的影響。由圖可見，表面粗糙度隨著加工次數(shù)的增加而逐漸增大。在激光功率較低的情況下，加工次數(shù)對槽深和表面粗糙度的影響不大，但在激光功率為30 W時(shí)，加工1次的槽底表面粗糙度為1.2 μm左右，而加工2～4次的槽底表面粗糙度在4.5 μm以上。這是由于在第一次加工后工件表面產(chǎn)生了微裂紋，隨著加工次數(shù)的增大裂紋擴(kuò)展，最終在水射流的沖擊下發(fā)生脆性剝離，同時(shí)微槽底部的平整度會影響水射流的質(zhì)量，從而影響激光束的質(zhì)量，因此導(dǎo)致槽深和表面粗糙度急劇增大。

圖8d所示為激光平均功率對槽底表面粗糙度的影響。由圖可見，隨著激光平均功率的增大，熔融的材料增加，但由于水射流同時(shí)具有去除作用和冷卻作用，熔融材料沒有足夠的時(shí)間從熔化區(qū)逃逸出來，一部分熔化的氧化鎵被水射流沖走，另一部分在熔化后重新沉積為重鑄層，所以微槽的表面粗糙度明顯增大。

圖8e所示為水射流壓力對槽底表面粗糙度的影響規(guī)律。由圖可見，水射流對槽底表面粗糙度的影響較小。隨著水射流壓強(qiáng)的增大，表面粗糙度呈現(xiàn)先減小后增大再減小的規(guī)律。綜合水射流壓力對槽深和表面粗糙度的影響規(guī)律，水射流壓力選擇8 MPa較為合適。

圖8f所示為激光掃描速度對槽底表面粗糙度的影響規(guī)律。由圖可見，隨著掃描速度的增大，表面粗糙度減小。由于掃描速度的增大，激光熔融的材料能夠在水射流的作用下更加及時(shí)地去除，減少了重鑄層的產(chǎn)生，因此表面微槽粗糙度減小。

圖8g所示為橫向偏置距離對槽底表面粗糙度的影響規(guī)律。由圖可見，隨著橫向偏置距離的增大，表面粗糙度先減小后增大。由于橫向偏置距離增大，軌跡重疊率減小，作用在工件上的激光脈沖數(shù)量減少，熔融的材料減少，重鑄層較少，因此在橫向偏置距離較小時(shí)，

隨著橫向偏置距離的增大表面粗糙度減小。然而隨著橫向偏置距離的繼續(xù)增大，兩條相鄰加工軌跡中間出現(xiàn)了未加工的凸起，因此在橫向偏置距離為16 μm時(shí)，表面粗糙度出現(xiàn)了急劇增大的現(xiàn)象。

3.3 表面形貌和化學(xué)成分分析

根據(jù)3.1節(jié)和3.2節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，考慮激光輔助水射流各加工參數(shù)對微槽深度和槽底表面粗糙度的影響規(guī)律，對各加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，采用優(yōu)選后的工藝參數(shù)對單晶氧化鎵襯底進(jìn)行加工，并對比了它與納秒激光加工后的表面形貌和化學(xué)成分。優(yōu)選后的工藝參數(shù)為激光脈沖頻率f（490 kHz）、激光平均功率P（25W）、焦平面位置fpp（0）、加工次數(shù)n（3次）、水射流壓力pw（8 MPa）、掃描速度v（1 mm/s）、橫向偏置距離x0（10 μm）。通過激光共聚焦顯微鏡對采用優(yōu)選后的工藝參數(shù)加工的微槽進(jìn)行了微槽寬度和微槽側(cè)壁坡度測量。實(shí)驗(yàn)測得，微槽的平均寬度為180.402 μm（181.112 μm、179.692 μm、180.402 μm），在軌跡規(guī)劃中設(shè)定每次加工15條軌跡，每條軌跡的橫向偏置距離為10 μm，單條軌跡加工出的微槽為30 μm，即設(shè)定的微槽寬度為180 μm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之相符。微槽側(cè)壁的平均坡度為59°55′18″（56°52′59″、63°16′25″、59°36′29″），由于加工的氧化鎵微槽深度相對較淺，因此側(cè)壁的坡度并不太高，同時(shí)受微槽深度的影響較大，此情況在微槽深度增大后將會得到改善。

圖9所示為納秒激光加工單晶氧化鎵的表面形貌。由圖可知，納秒激光加工后的材料表面出現(xiàn)了大量的材料堆積，表面出現(xiàn)了大量的熔渣、微孔等缺陷。激光熔融的材料僅有少部分以汽化的方式去除，大部分重鑄在材料表面，從而導(dǎo)致加工出的表面質(zhì)量較差。

圖10所示為激光輔助水射流加工的表面形貌。由圖可見，激光輔助水射流加工后的微槽邊緣干凈平直，微槽底部平整，微槽底表面和側(cè)壁表面都不存在材料的堆積，幾乎不存在材料缺陷，表明在加工過程中激光熔融的材料能夠及時(shí)被水射流沖走。

對兩種加工方式獲得的加工表面和未加工表面進(jìn)行元素分析，EDS圖譜如圖11所示。由圖11可知，激光加工后材料表面C元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，納秒激光加工后C元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從7.5%增至54.3%，而激光輔助水射流加工后的材料表面C元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅增大了3.2%。根據(jù)激光輔助水射流的加工機(jī)理，本設(shè)備使用的是高斯激光，激光在照射到工件表面后，以光斑中心為原點(diǎn)向工件四周進(jìn)行熱量傳遞，熱量隨著離中心原點(diǎn)距離的增大而減小，進(jìn)一步導(dǎo)致溫度降低。由于激光能量較高，中心處的較高溫度使材料直接汽化去除。隨著距離的增大，溫度降低到材料無法汽化去除的溫度，但此處的溫度仍高于單晶氧化鎵的熔點(diǎn)，此處的材料處于熔融狀態(tài)，材料通過水射流沖擊去除。隨著距離的繼續(xù)增大，溫度降低到材料的熔點(diǎn)以下，此處的材料雖為固體狀態(tài)，但此處材料溫度仍較高，材料經(jīng)高溫軟化后的屈服強(qiáng)度減小，在水射流的沖擊力下，受剪切力的作用去除，因此加工后的材料表面在加工過程中并未達(dá)到材料熔點(diǎn)。在干激光加工中材料的溫度高于材料的熔點(diǎn)溫度，而且部分在加工過程中熔融的材料在冷卻后重新凝固在材料表面形成重鑄層，因此激光輔助水射流加工最終在表面留下的氧化鎵材料為未發(fā)生高溫化學(xué)反應(yīng)的氧化鎵材料。另一方面，在激光輔助水射流加工的過程中覆蓋在材料表面的水層能夠很好地隔離空氣，所以激光輔助水射流加工后材料表面的C元素增加不明顯。

4 結(jié)論

（1）激光輔助水射流加工技術(shù)能適用于加工單晶β-Ga2O3襯底。優(yōu)選參數(shù)后加工出的微槽表面干凈、熱影響區(qū)小，微槽底部平整、表面粗糙度小，微觀形貌均勻，不存在熔渣和微孔。

（2）微槽深度隨著加工次數(shù)和激光平均功率的增大而增大，隨著激光脈沖頻率、水射流壓力、掃描速度和橫向偏置距離的增大而減小，激光焦平面與工件表面重合時(shí)加工出的微槽深度最大。

（3）槽底表面粗糙度總體上隨著微槽深度的增大而增大。隨著水射流壓力的增大，表面粗糙度呈現(xiàn)先減小后增大再減小的變化規(guī)律，在8 MPa時(shí)表面粗糙度達(dá)到最小值。隨著橫向偏置距離的增大，表面粗糙度先減小后增大。

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（編輯 王旻玥）

作者簡介：

田 龍，男，1998年生，碩士研究生。研究方向?yàn)樘胤N加工。E-mail：2277892397@qq.com。

黃傳真（通信作者），男，1966年生，教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)楦咝Ь芗庸ぜ夹g(shù)、結(jié)構(gòu)陶瓷材料研制及應(yīng)用、新材料加工技術(shù)。E-mail：huangchuanzhen@ysu.edu.cn。