半导体激光器芯片减薄、拋光工艺的思考

    段小晋

    摘要：在半导体激光器芯片加工方面，采用传统的芯片减薄和抛光技术难以满足芯片加工要求。基于这种情况，文章提出采用摇摆式垂直切深进给晶片减薄工艺和化学机械抛光工艺进行半导体激光器芯片加工。从工艺效果来看，采用这些工艺技术进行神化镓芯片加工，可以得到厚度在100fxm以下，表面粗糙度在5nm以下的芯片，所以能够较好地满足半导体激光器芯片加工要求。

    关键词：半导体激光器；芯片减溥；抛光工艺

    在生产半导体激光器的过程中，需将外延片厚度控制在100jim以内，以满足设备的装备加工要求。但经过减薄后，芯片容易因表面残余应力的产生而出现变弯的情况，将给后续加工带来较大困难，所以还要对芯片表面进行拋光减少芯片表面损伤层，进而使芯片加工质量得到提高。因此，还应加强对半导体激光器芯片减薄、抛光工艺的分析，以便更好地进行半导体激光器的加工。

    1 半导体激光器芯片减薄工艺分析

    1.1 工艺技术问题分析

    所谓的芯片减薄，其实就是采用研磨等方法去除半导体芯片表面材料的一种工艺技术，需要在研具上进行磨料颗粒的涂覆或压嵌，然后利用研具与芯片间的相对运动实现芯片表面的精整加工。就目前来看，在半导体芯片减薄加工方面，可以采用垂直缓进给减薄技术，使研具沿着主轴进行垂直往复运动，从而利用减薄机的进给作用对器件凸出部分进行磨削。对这一过程进行受力分析可以发现，在磨削面积增大的情况下，芯片上所受磨削力可以划分为轴向力和切向力。而对半导体芯片进行磨削，其轴向力为切向力的4倍，所以将给磨削力和深度带来较大的限制，以至于芯片的磨削效率和质量不高。但近年来，随着半导体技术的发展，半导体激光器芯片开始向着超薄化的方向发展，因此采用以往减薄工艺己经无法满足芯片加工需求。

    1.2 新工艺的采用

    针对半导体激光器芯片减薄问题，摇摆式垂直切深进给晶片减薄工艺得以被提出。从原理上来看，该技术对原有的减薄工艺进行了改进，能够利用电机控制研磨盘进行主动旋转，然后利用夹具带动芯片和磨轮一同进行旋转，并且旋转方向相同，以实现相对运动。而在磨轮和芯片之间，则会产生相互作用力，进而使芯片得到减薄[1]。在磨削加工过程中，夹具会以固定的角度进行摇摆，从而产生扇形摇摆。与此同时，磨削主轴会实现垂直均匀缓向进给，所以能够获得更高的减薄效率，并且使芯片的磨削受力得到减小。因此，采取该种工艺技术能够使芯片表面损伤得到减小，从而使芯片减薄效率和质量同时得到提高。

    2 半导体激光器芯片抛光工艺分析

    2.1 工艺技術问题分析

    在芯片拋光方面，过去多采用机械抛光或化学拋光方法进行芯片抛光。利用机械抛光方法，就是利用机械对芯片表面进行研磨，以达到对芯片进行拋光的目的。在加工的过程中，需要使用含有氧化铝、氧化硅等粉末的悬浮液，并使待抛面以适当的压力平整放在抛光盘上[2]。在抛光盘转动的过程中，芯片也会进行径向往复运动。而在抛光液和抹面的磨削滚压作用下，芯片上的磨痕将被消除。但是，该种拋光技术存在效率低和表面不均匀的问题，并且难以掌握抛光时间。采用化学抛光技术，就是利用化学试剂对芯片表层进行溶解，从而使芯片磨痕得到消除。利用该方法，可以对芯片表面进行选择性溶解，即利用化学试剂对凹凸不平的表面进行溶解腐蚀。但是，采用该种抛光技术很难进行化学溶液的调整和再生，并且会产生大量的环境污染物。

    2.2 新工艺的采用

    针对半导体激光器芯片拋光存在的问题，化学机械抛光工艺得以被提出。利用该种工艺技术，能够利用化学试剂的腐蚀作用和机械研磨作用对芯片表面进行抛光，所以能够使过去存在的抛光问题得到解决[3]。从原理上来看，利用该技术需要使拋光盘保持一定的角速度进行转动，并使芯片夹具以同样的方向和固定角速度进行转动。而在工作台上，则设置有浸满抛光液的抛光垫，所以芯片在压在抛光垫上的同时，其表面会得到拋光液的均匀覆盖。所以在拋光垫与芯片之间，将形成由化学试剂和磨粒构成的拋光液薄膜。在芯片转动的过程中，其将同时发生化学氧化和机械研磨作用，从而得到表面的精加工。与其他抛光方式相比较，采用该种拋光方式能够实现全局抛光[4]。而拋光率与摩擦系数和薄膜厚度有着直接的关系，所以芯片表面凸出部分的材料去除率要更高，因此芯片将随着拋光时间的延长而呈现出表面逐渐平坦的现象。

    3 半导体激光器芯片减薄、抛光工艺效果

    3.1 工艺方案

    为验证半导体激光器芯片减薄、抛光工艺效果，还要采用摇摆式垂直切深进给晶片减薄工艺和化学机械抛光工艺尝试进行GaAs晶片的加工。在对芯片进行减薄加工时，米用的是PM5型研磨设备，使用的研磨料为3|im的氧化铝粉和0.13|im的二氧化硅粉。在实验的过程中，还要先对研磨料进行确定，然后确定研磨压力和转速。完成半导体激光芯片减薄后，还要对其进行拋光处理，并对拋光料、拋光压力和拋光转速进行确定。使用台阶仪，则能完成样品粗糙度的测量，从而得到最优的工艺技术参数。

    3.2 参数确定

    分析GaAs晶片减薄加工过程可以发现，使用颗粒直径更小的Si02$进行芯片加工，能够使芯片表面TTV值接近零。出现这种情况，主要是由于颗粒直径越小，芯片表面与颗粒接触就更加充分，所以芯片表面的研磨将更加精细。所以在实际进行芯片减薄加工时，还与功能选择颗粒直径较小的研磨料。而在减薄压力逐渐发生变化的情况下，芯片表面粗糙度也将逐渐减小[5]。但在减薄压力达到250g/cm2后，粗糙度变化并不明显。所以，可以将减薄压力控制在250g/cm2左右。调整减薄转速可以发现，随着转速的增加，芯片粗糙度呈现出先减小后增大的发展趋势。而在减薄机转速达到30RPM的条件下，可以获得最小的粗糙度。在芯片拋光的过程中，使用NaCIO为氧化剂，并分别利用a-Al203和y-Al203作为拋光料进行测试，可以发现采用Y-A1203为抛光料能够获得更好的拋光效果，所以还要将y-Al203当成是抛光液的材料。而在抛光压力逐渐增加的情况下，芯片表现粗糙度呈现出先减小后增加的趋势。在拋光压力达到250g/cm2时，芯片表面粗糙度最小，化学拋光作用和机械拋光作用能够达到平衡。此外，在改变拋光转速的情况下，随着抛光转速的增加，芯片表面粗糙度呈现出先减小后增加的趋势。在抛光转速达到35RPM左右时，芯片表面粗糙度较小。

    3.3 工艺效果

    通过测试分析，可以确定半导体激光器砷化镓芯片加工的最佳工艺技术条件，即选用0.13pm的二氧化硅粉为研磨料，并将减薄压力和减薄机转速分别控制在250g/cm2和30RPM左右，然后选用y-Al203为抛光料，将抛光压力和拋光转速分别控制在250g/cm2和35RPM左右。经过验证，得到的芯片厚度在100以下，表面粗糙度在5nm以下，能够满足半导体激光器的芯片加工要求[6]。因此在半导体激光器芯片加工时，可以尝试采用摇摆式垂直切深进给晶片减薄工艺和化学机械拋光工艺。

    4 结语

    通过分析可以发现，在半导体激光器芯片加工的过程中，采用摇摆式垂直切深进给晶片减薄工艺和化学机械抛光工艺进行半导体激光器芯片加工，能够更好地满足芯片加工效率和加工质量要求。在实际进行加工生产的过程中，通过加强减薄压力和机械转速的控制，并加强抛光压力和转速的控制，则能使芯片加工效果得到有效控制，从而得到厚度在100以下，表面粗糙度在5nm以下的芯片。因此，相信随着相关技术的发展，该种工艺技术也将在半导体激光器加工领域获得较好的应用前景。

    [参考文献]

    [1]张志军，李爱社，刘云，等.VL020回流炉中半导体激光器芯片In焊接研究[J].半导体技术，2012（6）：474-478.

    [2]刘勇，李錦华，周雷，等.高速半导体激光器同轴封装工艺误差分析[J].中国电子科学研究院学报，2015（6）：652-656，661.

    [3]王昭，雷军，谭昊，等.基于mini-bar的二极管激光器焊接实验研究[J].强激光与粒子束，2016（8）：15-18.

    [4]木瑞强，刘军，曹玉生.硅片减薄技术研究[J].电子与封装，2010（3）：9-13.

    [5]李攀，白满社，邢云云，等LiNbO_3芯片的无损边缘抛光实验[J].应用光学，2014（6）：1069-1074.

    [6]金波.基于研磨抛光切片技术的芯片结构观察研究[J].微电子学，2012（4）：588-591，595.