本文是发表于 Journal of Manufacturing Processes（2025年7月22日在线发表，第151卷，623–654页）的一篇综述文章，题为 “Recent progress on laser-assisted machining for silicon carbide materials”（碳化硅材料激光辅助加工的最新进展）。作者为 Yi Ma 和通讯作者 Yingchun Guan，均来自 北京航空航天大学机械工程及自动化学院，其中 Yingchun Guan 同时隶属于 大型金属构件增材制造国家工程实验室。

该文属于类型b，即科学综述。文章系统梳理了激光辅助加工（laser-assisted machining, LAM）在碳化硅（silicon carbide, SiC）及其复合材料加工领域的研究进展、机理、工艺性能关联及优化策略。

文章首先指出，单晶碳化硅（特别是4H-SiC）作为第三代宽禁带半导体的核心材料，因其优异的物理化学性能，在高温、高功率、高频电子器件中具有不可替代的优势。然而，其高硬度和高脆性使传统加工方法（切割、磨削、抛光、刻蚀）面临效率低、损伤大、工具磨损严重等瓶颈。LAM通过激光诱导效应局部调控材料性能，从而优化后续机械或化学加工的效率和表面质量，被认为是一种极具前景的解决方案。

作者提出，当前研究存在两个关键不足：一是缺乏对材料本征性质与激光参数如何影响LAM结果的系统性理解；二是激光参数、材料改性结构和后续加工性能之间的定性或定量联系往往缺失。为此，该综述围绕三个主要方面展开：比较不同激光脉宽对单晶SiC和复合材料的作用效果并结合各向异性阐明材料去除机理的时间尺度演化；建立激光参数与结构改性或材料性能之间的定性关系；通过与常规加工方法的定性定量对比，辨识LAM的优势与局限并提出针对不同应用场景的优化策略。

文章的主体内容可分为三大部分。第一部分为激光与SiC相互作用的机理基础。对连续激光而言，光热效应主导，材料经历熔化、气化实现去除，但热扩散大，适于大面积均匀加热和低精度加工。纳秒激光则同时涉及光化学烧蚀和光热烧蚀，后者效率高但热影响区明显，表面会形成由氧化硅和再凝固SiC组成的分层重铸层，降低硬度并促进脆塑转变。超快激光（飞秒/皮秒）通过非线性吸收直接打断Si–C键，热扩散极小，实现“冷烧蚀”，并可在表面积累形成硅氧化物沉积层和激光诱导周期表面结构（laser-induced periodic surface structures, LIPSS），同时伴随表面非晶化。对于SiC基复合材料，纤维增强相的引入显著调制了烧蚀行为：纤维取向影响热流方向和烧蚀形貌，纤维/基体竞争性去除造成异质损伤，针刺纤维的轴向“热分流效应”促进基体更快烧蚀，而0°/90°纤维则因横向热阻导致纤维热解与基体剥落耦合失效。

第二部分详细综述了单晶SiC的激光辅助加工技术。在激光隐形加工（laser stealth processing）方面，文章区分了激光隐形切片（laser stealth slicing, LSS）和激光隐形划片（laser stealth dicing, LSD）。LSS利用脉冲激光在晶锭内部形成改性层和横向裂纹，实现低损耗、高效率切片。研究表明，红外皮秒激光因透射率高且兼具热与非热效应，适合形成稳定的高深宽比非晶改性层。晶体的各向异性显著影响分离质量：Si面改性比C面改性更易诱导结构变化，分离载荷更低；沿[1120]晶向改性有利于解理，而{1010}面因层间距较大而韧性较低，解理性能更好。多种辅助分离方法被开发出来，包括异步双脉冲分离、连续激光辅助分离、光化学分离、热辅助分离和超声辅助剥离，分离力可降至零，切片损耗最低可小于20 nm，6英寸晶圆切片时间可缩短至约18分钟。与金刚石线锯相比，LSS在材料损耗、亚表面损伤和效率方面优势显著。LSD则要求形成平行于激光传播方向的高深宽比改性层。通过调控单脉冲能量、脉宽、扫描速度和脉冲间隔，可优化改性层尺寸。孵化效应和多重聚焦效应对改性层扩展起重要作用。与传统金刚石刀片划片相比，LSD实现非接触、无应力分离，切缝宽度可小于3 μm，边缘崩裂显著减少，但侧壁粗糙度目前仍高于传统方法（sa约200–900 nm），需进一步优化。

在激光辅助抛光（laser-assisted polishing）方面，文章重点介绍了激光辅助化学机械抛光（laser-assisted CMP, LA-CMP）。激光预改性可形成软化层、氧化层和LIPSS结构，显著提高材料去除率（material removal rate, MRR）。长脉冲激光倾向于生成氧化重铸层，超快激光则生成非晶层与LIPSS。改性产物通过降低硬度（降幅可达48.6%）、提高表面能、增强亲水性和化学反应活性来促进CMP去除；微结构则通过扩大接触面积、改善压力分布、促进磨粒吸附和引导脆性断裂来提高效率。研究表明，LA-CMP的MRR可达9.22 μm/h，远超传统CMP的100–500 nm/h，同时表面粗糙度可低至ra = 0.0812 nm。氧气氛、平顶光束和交叉扫描策略能进一步优化改性均匀性和亚表面质量。

在激光辅助刻蚀（laser-assisted etching）方面，激光辅助干法刻蚀利用飞秒激光预改性，显著提高后续感应耦合等离子体（inductively coupled plasma, ICP）刻蚀速率，最大可提高117.18%，刻蚀速率最高达4.19 μm/s，用于制造传感器膜片等深盲孔结构。激光辅助化学刻蚀则结合飞秒激光改性与HF+HNO3溶液选择性去除改性产物，可制备高深宽比（25–40）的光栅槽和通孔，表面粗糙度可低至sa = 0.2 nm，且不引入杂质污染。此外，离子注入辅助激光加工通过降低带隙和促进光子吸收，可在较低能量密度下实现高质量加工。

第三部分综述了SiC基复合材料的LAM技术。传统磨削、铣削和车削加工复合材料时存在基体开裂、纤维拔出和界面脱粘等典型损伤模式。LAM技术分为同步和异步模式。同步式激光辅助磨削（laser-assisted grinding, LAG）在磨削区前方连续预热材料，但SiC复合材料高温强度仍高，热软化有限，且易导致金刚石工具石墨化。因此，异步策略如激光诱导烧蚀辅助磨削（laser-induced ablation-assisted grinding, LIAAG）和激光烧蚀预处理铣削受到更多关注。这些方法先在表面形成沟槽型或层状改性结构。超快激光倾向于形成沟槽结构，伴随SiO2松散氧化物沉积；连续激光则形成分层结构，由非晶硅氧化物颗粒和再结晶SiC组成。预改性可显著降低磨削力和磨削温度，减少工具磨损和表面损伤。

文章最后总结了LAM在SiC材料加工中的核心工艺路线，即“激光参数优化—改性结构设计—后续机械/化学加工协同优化”。作者指出，尽管LAM在效率提升、工具磨损降低和表面质量改善方面展现出巨大潜力，但仍面临若干挑战：实验室规模浅层改性与工业大面积加工需求不匹配；缺乏统一的评价标准；激光参数与加工结果之间的预测模型尚不完善。未来研究应关注激光减薄与CMP的一体化集成、晶圆级加工均匀性提升以及涵盖效率、精度和缺陷控制的综合性能指标体系建立。

该综述的价值在于：系统性地将激光-材料相互作用机理、改性结构演化规律与后续加工性能关联起来，提出了从机理到工艺的完整分析框架；通过大量定量数据对比LAM与传统加工方法，明确了LAM的技术优势与局限；并针对不同应用场景提出了优化策略和未来研究方向，为SiC及其复合材料在高端制造领域的工业化应用提供了理论指导和实践参考。