一种法拉第旋光片面型改善的加工方法与流程

本发明涉及晶体生长加工，具体涉及一种法拉第旋光片面型改善的加工方法。

背景技术：

1、法拉第旋光片是运用法拉第效应的一种光功能元件，主要运于光隔离器、光环行器等激光系统中，其面型精度直接决定光隔离器的隔离度、插入损耗等核心性能，对光通信系统的稳定性至关重要。随着ai产业的快速发展，云计算、大数据中心、算力中心的持续扩容，全球数据量呈现几何级增长，带动光通信器件的产量和技术迭代速度显著提升，市场对光通信器件的精度要求也同步提高。光隔离器作为光通信器件的核心组成部分，设置于光源与其他光传输组件之间，仅允许朝向光传输组件的光正向通过，选择性阻挡朝向光源的反射光，避免反射光干扰光源稳定性。当前法拉第旋光片的通用规格为11mm×11mm×0.35mm，径厚比高达30:1，属于典型的超薄光学平片的晶片，其加工流程普遍采用“切割-研磨-抛光”的传统工艺。

2、传统加工采用古典平面抛光法，使用平面玻璃底模和上盘模，通过光学蜡将晶片成盘固定后研磨抛光。该工艺存在以下根本性缺陷：

3、法拉第旋光片在液相外延生长和切割过程中已形成固有的残余应力分布，表现为初始的轻微翘曲。而超薄法拉第旋光片的研磨加工过程是一个厚度持续减薄的过程：从切割后初始厚度约0.6-0.8mm，经由研磨、抛光至最终厚度0.4mm，减薄率高达40%及以上。随着厚度减薄、刚度下降，晶片内部的“回弹力”越来越大，但底模的平面约束不允许其释放。加工开始时，晶片的形变量，也即面型pv值普遍低于0.5λ（λ=632.8nm），加工完成后，一旦解除约束（下盘），储存的应力瞬间释放，导致面型剧烈反弹，形变量普遍达3-5λ，远超≤2λ的合格线。

4、而现有技术仅能通过调整蜡的软硬度、微调压力来被动缓解形变，但无法从根本上解决应力释放问题，合格率长期徘徊在60%左右。

5、中国专利cn119260587a公开的一种高面形质量的碲锌镉晶片加工方法中，该方法首先需要对晶片进行化学腐蚀去除晶片双面的损伤层应力，其次使用金刚石砂轮对晶片生长面进行研磨，研磨后对晶片重新固定后再进行抛光，最后进行化学抛光。其利用磨抛过程中产生的损伤层应力去“中和”化学抛光的塌边现象，以求提升碲锌镉晶片生产过程中的面形控制水平；但是其应力来源是加工过程的副作用，具有不可控、不均匀、与材料去除量强相关的特点，属于一种被动补偿。它仍然无法解决由晶体本征残余应力导致的全局性面型翘曲问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种法拉第旋光片面型改善的加工方法，能够解决现有平面抛光工艺无法适配超薄法拉第旋光片，存在面型形变量超标的问题，具有降低法拉第旋光片变形量，改善其面型精度，提升其合格率的优点。

2、为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

3、一种法拉第旋光片面型改善的加工方法，包括如下步骤：

4、s1、获取特定尺寸、材质的晶片的固有翘曲曲率t和翘曲方向：

5、准备若干与待加工晶片尺寸和材质相同的待测晶片，对各待测晶片进行双面平面抛光，测量加工后待测晶片的翘曲矢高（用于换算成固有翘曲曲率t）和翘曲方向；

6、s2、根据固有翘曲曲率t和翘曲方向制备曲面抛光模具：

7、制备曲面上盘模和曲面底模，曲面底模宽度尺寸≥曲面上盘模宽度尺寸*3倍，将曲面上盘模的曲面工作面设置为曲率r1=-t，方向与所述翘曲方向相反，将曲面底模的曲面工作面设置为r2=+t，方向与所述翘曲方向相同；

8、s3、采用双面异步加工方法对待加工晶片进行批量加工：

9、s31、对晶片进行表面清洗预处理；

10、s32、采用平面抛光模具对晶片第一面进行平面抛光加工；

11、s33、采用曲面抛光模具对晶片第二面进行曲面抛光加工：

12、s331、第二面上盘：准备步骤s2中制备的曲面上盘模，在曲面上盘模的曲面工作面上阵列地间隔摆放若干第一面加工完成后的晶片；采用光胶上盘，使用保护漆将晶片加工完成的第一面朝向并固定在曲面上盘膜的曲面工作面上，强制晶片产生一个与固有翘曲t完全反向的弹性预变形；

13、s332、第二面抛光：将步骤s2中制备的曲面底模安装于抛光设备工作台，将上盘好的曲面上盘模固定于定位工装，使曲面底模和曲面上盘模两者凹凸面相对，令曲面底模的凹面工作面接触曲面上盘模上晶片凸起的第二面表面，控制曲面底模工作面和曲面上盘模上晶片之间距离≤2μm；使晶片贴合在曲面底模上；采用三段式渐进抛光：先粗抛，再半精抛，最后精抛，抛光过程中，磨料粒度逐级减小，压力逐级降低；

14、s333、第二面下盘：加工完成，解除晶片与曲面上盘模的粘结约束后，晶片在固有残余应力作用下回弹并与预变形相抵消，最终获得两面抛光完成且整体平整的成品晶片。

15、进一步的，步骤s1中，采用传统平面抛光工艺将若干待测晶片加工为目标厚度的成品；用激光干涉仪测量，获得各成品双面平面加工后的翘曲矢高和翘曲方向，并计算平均翘曲矢高s0，根据公式曲率半径=（晶片的1/2内径尺寸）/sinθ，tanθ=矢高/（晶片的1/2内径尺寸），将其换算为所述的固有翘曲曲率t。

16、进一步的，所述传统平面抛光工艺包括：第一面抛光时，采用光学蜡上盘固定，第二面抛光时，采用光胶上盘，并使用光胶保护漆保护；光学蜡配比为硬蜡:软蜡=3:1；两个面分别先粗抛30min，磨面为聚氨酯或者20000目砂轮，抛光压力70n，转速200r/min；再精抛45min，磨面为沥青，抛光压力50n，转速80r/min；抛光液采用如下：粗抛时为粒径5μm的钻石粉溶液，精抛为0.25μm的胶体sio2。

17、进一步的，步骤s32中，所述平面抛光加工包括如下步骤：

18、s321、第一面上盘：准备平面抛光模具的平面上盘模，在平面上盘模的工作面上均匀涂覆厚度0.01mm-0.05mm的光学蜡作为粘结剂；在平面上盘模的工作面涂抹的光学蜡上阵列摆放待加工的晶片，令晶片待加工的第一面远离上盘模，所述阵列采用环形阵列，相邻晶片间距范围控制在1mm-2mm，保留抛光液流入通道；将摆好盘的平面上盘模放入烘箱中进行固化，令晶片被蜡刚性的粘结在平面上盘模上；

19、s322、第一面抛光：将摆好盘的平面上盘模安装到定位工装，配合抛光设备工作台，采用三段式渐进抛光：先粗抛，再半精抛，最后精抛，磨料粒度逐级减小，压力逐级降低；在各阶段之间充分清洗，同时，压力随粒度减小逐级降低；

20、s323、第一面下盘：第一面抛光完成后，将平面上盘模取下然后加热软化光学蜡，取出第一面抛光完成后的晶片，清洗后获得第一面抛光后的晶片。

21、进一步的，所述三段式渐进抛光包括如下步骤：

22、第一阶段，粗抛，磨料选用4μm-8μm的钻石粉，磨面为20000目砂轮，压力50n-80n，转速200r/min-300r/min，时间25min-50min；

23、第二阶段，半精抛，磨料选用1μm-2μm的钻石粉，磨面为聚氨酯，压力30n-50n，转速100r/min-150r/min，时间20min-50min；

24、第三阶段，精抛，磨料选用0.25μm-0.5μm的sio2液，磨面为沥青，压力10n-30n，转速20r/min-50r/min，时间40min-90min。

25、进一步的，所述待加工晶片的尺寸为11mm×11mm×0.62mm；所述固有翘曲曲率t=-885m，翘曲方向为凹面向上；第一面加工完后晶片厚度在0.524mm-0.525mm；所述成品晶片的尺寸厚度在0.355mm-0.356mm。

26、进一步的，所述平面抛光加工与曲面抛光加工的加工量比例为1：1。

27、进一步的，所述步骤s331中的阵列采用环形阵列，相邻晶片间距范围控制在1mm-2mm

28、采用上述技术方案后，本发明由于发现特定尺寸和材质的晶片采用平面抛光后存在单一方向翘曲以及一定翘曲曲率的自然翘曲现象，因此基于此通过实验获得了该晶片的固有翘曲曲率和翘曲方向，再创造性的根据该固有翘曲曲率制备获得曲面抛光模具，然后利用具有特定曲率工作面的底模与上盘模，主动对晶片施加一个方向相反的预变形，随着加工进行、厚度减薄，晶片的自然翘曲趋势逐渐显现，恰好与预变形相互抵消。当厚度达到目标值时，预变形与自然翘曲达到平衡，下盘后晶片呈现平坦状态。

29、以此，可以实现成盘面型的精准可控，进而将超薄法拉第旋光片的形变量控制在允许范围，改善产品面型精度，提升产品合格率。

30、本发明方法制备获得的所述晶片径厚比≥30:1；加工后晶片面型pv值≤2λ，表面粗糙度ra≤0.5nm。产品合格率≥99%。