一种键合晶体及其加工方法与流程

本发明涉及晶体加工领域，具体的，涉及一种键合晶体的加工方法，以及利用该方法加工的方法，该方法能够提供一种简单、可控、高效、成本低的键合加工方法。

背景技术：

1、掺钕钒酸钇（nd:yvo4）已被广泛应用于高功率二极管泵浦全固态激光器，但nd:yvo4晶体的热学性能，如导热系数，也比nd:yag晶体低，在使用过程中会发生热透镜效应。在连续或高频重复使用中，由于其较大的吸收率，nd:yvo4晶体发生局部过热，在热应力的作用下破裂，影响其在高功率固体激光器中的应用。而使用nd:yvo4/yvo4键合晶体作为激光工作介质，可以实现键合面处有效的热传导，改善激光介质内的温度分布，减小热应力以及改善光束质量。传统的键合工艺主要分为清洁活化、光胶和热处理三个步骤，如图1所示。对活化后键合面的洁净度要求高，而且在热处理过程中，键合表面的气体难以扩散出去。

2、专利cn106252206a中提供了一种yag激光键合晶体加工方法，并用于生产大面积yag键合晶体。但该方法中涉及到：1.擦拭晶体；2.真空环境光胶保压；3.采用气氛保护热处理；4.热处理过程中对晶体表面恒定施加压力。这些工艺流程对设备和人员操作要求高，上下夹具操作繁琐、易造成夹持面破坏，也拉高了键合晶体的制作成本。并且，该专利也并未对“大截面”作定义。

3、专利cn115747970a中提供了一种nd:yvo4/yvo4键合晶体的加工方法，但其要对键合端面进行融化，这很难保证键合面平整，对局部控温要求也很高，在生长过程中会产生新的包络和生长纹，很难保证晶体的内部质量，这也变相拉高了键合晶体的加工成本。

4、杨宏志在《nd:yvo4/yvo4晶体的热键合及其激光性质的研究》中提供了一种键合方法，即使用化学试剂清洁晶体表面后进行光胶，再在常规气氛中进行热处理。这种键合方法对于4mm×4mm截面以下的晶体可行，但对于截面较大（4mm×4mm及其以上）尺寸的晶体键合，若未将光键合表面的水汽蒸发完全就进行光胶，则在热处理中键合面的残余气体无法从界面溢出，易造成键合面气泡、开胶。

5、akira sugiyama在《improved direct bonding method of nd:yvo4 and yvo4laser crystals》中也提供了一种键合方法，但该方法涉及到1.清洁好的晶体表面进行ar离子刻蚀活化，2.光胶好的晶体在真空烧结炉中进行热处理。这也同样需要专门的设备，对键合工艺要求高，键合晶体加工成本高。

6、专利cn108823639a中提供了一种铒钇共掺磷酸盐玻璃er:yb:glass复合晶体制备方法，其涉及到清洁、活化、光胶和常压热处理。但本领域技术人员知道大截面键合，键合面需要干净且不能有太多的水汽残留，活化后的键合面结合强度高，若无真空环境或者给键合面加力挤压，在热处理过程中键合面间的水汽无法从键合面逃逸，造成键合面出现麻点气泡、开胶。因此，仅使用该专利所提供的步骤是无法制备出所宣称的成品。

7、因此，如何能够在减少简化工艺流程的同时，保持已有的晶体键合效果和质量，提高了键合晶体的产能和成品率，成为现有技术亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种键合晶体及其加工方法，在保证已有晶体质量的同时，采用清洁、光胶、热处理键合的方式生产键合晶体，减少、简化了工艺流程，减小了工艺对设备和人员操作的要求，提高了键合晶体的产能和成品率，降低键合晶体的生产加工成本。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种键合晶体的加工方法，包括如下步骤：

4、粗加工步骤s110：对于需要键合的两种晶体基片，从胚料通过定向、切割、磨砂、抛光的方式，加工成所需尺寸；

5、超声波清洗步骤s120：利用清洗剂对待键合晶体基片，放置在超声波清洗槽内进行超声波清洗，清洗完成后进行甩干；

6、预键合步骤s130：将清洗后的待键合晶体基片放置在光胶靠体上，并一同放在控温加热板上加热烘烤5min至10min，而后给晶体施加推力，使两个键合面接触并吸附，完成光胶；

7、热处理步骤s140：将预键合后的晶体放置在马弗炉中进行热处理，保温后随炉冷却至室温，取出；

8、精加工步骤s150：采用粗磨或滚圆，将晶体整形至所需要的尺寸，再采用抛光的方式对通光面进行修整。

9、可选的，在粗加工步骤s110中，所需尺寸包括一定的预留量，待键合晶体基片的键合面为正方形，其键合面光洁度达到10/5，平整度＜λ/10，粗糙度达到0.3nm至0.6nm。

10、可选的，在超声波清洗步骤s120中，所述的超声波清洗用的清洗剂由乙醇和乙醚按照1:1的体积份进行混合，或者是使用ph值为6-7的有机酸溶液，清洗槽的温度为30℃至40℃；所述的超声波清洗使用的超声波频率为40khz，清洗剂区的清洗时长为2至4min，去离子水区的清洗时长为15min至25min。

11、可选的，所述控温加热板的温度为95℃至120℃,但考虑到在热光胶操作中，操作人员受洁净要求所限，只能配备乳胶手套和无尘布，隔热效果有限。因此，综合考虑水汽去除和人员安全操作，优选100℃至110℃。

12、可选的，在热处理步骤s140中，所述热处理的升温速率为0.2℃/min至0.5℃/min，温度为590℃至1600℃，其中yvo4晶体优选590℃至610℃，yag优选1180℃至1200℃；保温时长为100h至160h，其中yvo4优选150h至160h，yag优选100h至110h。

13、可选的，在精加工步骤s150中，所述粗磨整形，将晶体截面整形为h×w的矩形，其中，h∈[2，6]，w∈[2，6]，尺寸单位为mm。

14、可选的，在精加工步骤s150中，所述滚圆，将晶体截面尺寸整形到直径为d的圆，其中，d∈[2，5]，尺寸单位为mm。

15、本发明进一步公开了一种使用上述加工方法加工的键合晶体，其特征在于：所述的键合晶体基片可以为任意掺钕浓度的钒酸钇（nd:yvo4）与纯钒酸钇（yvo4），或者是钇铝石榴石（yag）与任意浓度的掺钕钇铝石榴石（nd:yag）或任意浓度的掺铬钇铝石榴石（cr:yag）。

16、综上，本发明具有如下优点：

17、（1）采用超声波清洗，避免了人员手动擦拭的不确定性，达成批量清洗，减少人员投入和对人员经验的依赖，提高了晶体表面的清洁度，减少光胶后的不良品率，降低生产成本。

18、（2）无需进行专门的活化，如等离子清洗、刻蚀或者化学表面活化，降低了制作工艺的技术难度和成本，且避免了因结合力强而使残留气体无法逃逸导致键合面起泡、开胶的问题。

19、（3）采用热光胶的方法，能够有效去除键合面超声波清洗后的水汽等残留，使其在大气环境中热处理也能避免键合面出现起泡、开胶的现象，提高产品的良品率。

20、（4）相较于真空烧结炉，采用马弗炉热处理，能够最大程度的缩减热处理的成本，不需要额外采购特殊设备，如真空泵组，且对腔室环境也无特殊要求。

21、（5）与现有技术的清洁、物理活化、光胶、热处理的工艺流程得到的键合晶体相比，本发明提供的加工方法，得到的同尺寸截面的键合晶体，其键合面的抗剪切力基本相同，约为145n；由于未采用活化，采用本专利的方法得到的键合晶体，其键合面在肉眼观察下的透光程度更好。

22、（6）本发明的加工方法，能够降低键合生产门槛，能够通过简单、可控、高效、成本低的键合加工方法，生产出性能达到客户使用要求的加工产品。