半導(dǎo)體激光器芯片減薄、拋光工藝的思考

段小晉

摘要：在半導(dǎo)體激光器芯片加工方面，采用傳統(tǒng)的芯片減薄和拋光技術(shù)難以滿足芯片加工要求?；谶@種情況，文章提出采用搖擺式垂直切深進(jìn)給晶片減薄工藝和化學(xué)機(jī)械拋光工藝進(jìn)行半導(dǎo)體激光器芯片加工。從工藝效果來(lái)看，采用這些工藝技術(shù)進(jìn)行神化鎵芯片加工，可以得到厚度在100fxm以下，表面粗糙度在5nm以下的芯片，所以能夠較好地滿足半導(dǎo)體激光器芯片加工要求。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光器；芯片減溥；拋光工藝

在生產(chǎn)半導(dǎo)體激光器的過(guò)程中，需將外延片厚度控制在100jim以內(nèi)，以滿足設(shè)備的裝備加工要求。但經(jīng)過(guò)減薄后，芯片容易因表面殘余應(yīng)力的產(chǎn)生而出現(xiàn)變彎的情況，將給后續(xù)加工帶來(lái)較大困難，所以還要對(duì)芯片表面進(jìn)行拋光減少芯片表面損傷層，進(jìn)而使芯片加工質(zhì)量得到提高。因此，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)半導(dǎo)體激光器芯片減薄、拋光工藝的分析，以便更好地進(jìn)行半導(dǎo)體激光器的加工。

1 半導(dǎo)體激光器芯片減薄工藝分析

1.1 工藝技術(shù)問(wèn)題分析

所謂的芯片減薄，其實(shí)就是采用研磨等方法去除半導(dǎo)體芯片表面材料的一種工藝技術(shù)，需要在研具上進(jìn)行磨料顆粒的涂覆或壓嵌，然后利用研具與芯片間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)芯片表面的精整加工。就目前來(lái)看，在半導(dǎo)體芯片減薄加工方面，可以采用垂直緩進(jìn)給減薄技術(shù)，使研具沿著主軸進(jìn)行垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而利用減薄機(jī)的進(jìn)給作用對(duì)器件凸出部分進(jìn)行磨削。對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行受力分析可以發(fā)現(xiàn)，在磨削面積增大的情況下，芯片上所受磨削力可以劃分為軸向力和切向力。而對(duì)半導(dǎo)體芯片進(jìn)行磨削，其軸向力為切向力的4倍，所以將給磨削力和深度帶來(lái)較大的限制，以至于芯片的磨削效率和質(zhì)量不高。但近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器芯片開(kāi)始向著超薄化的方向發(fā)展，因此采用以往減薄工藝己經(jīng)無(wú)法滿足芯片加工需求。

1.2 新工藝的采用

針對(duì)半導(dǎo)體激光器芯片減薄問(wèn)題，搖擺式垂直切深進(jìn)給晶片減薄工藝得以被提出。從原理上來(lái)看，該技術(shù)對(duì)原有的減薄工藝進(jìn)行了改進(jìn)，能夠利用電機(jī)控制研磨盤(pán)進(jìn)行主動(dòng)旋轉(zhuǎn)，然后利用夾具帶動(dòng)芯片和磨輪一同進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并且旋轉(zhuǎn)方向相同，以實(shí)現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。而在磨輪和芯片之間，則會(huì)產(chǎn)生相互作用力，進(jìn)而使芯片得到減薄[1]。在磨削加工過(guò)程中，夾具會(huì)以固定的角度進(jìn)行搖擺，從而產(chǎn)生扇形搖擺。與此同時(shí)，磨削主軸會(huì)實(shí)現(xiàn)垂直均勻緩向進(jìn)給，所以能夠獲得更高的減薄效率，并且使芯片的磨削受力得到減小。因此，采取該種工藝技術(shù)能夠使芯片表面損傷得到減小，從而使芯片減薄效率和質(zhì)量同時(shí)得到提高。

2 半導(dǎo)體激光器芯片拋光工藝分析

2.1 工藝技術(shù)問(wèn)題分析

在芯片拋光方面，過(guò)去多采用機(jī)械拋光或化學(xué)拋光方法進(jìn)行芯片拋光。利用機(jī)械拋光方法，就是利用機(jī)械對(duì)芯片表面進(jìn)行研磨，以達(dá)到對(duì)芯片進(jìn)行拋光的目的。在加工的過(guò)程中，需要使用含有氧化鋁、氧化硅等粉末的懸浮液，并使待拋面以適當(dāng)?shù)膲毫ζ秸旁趻伖獗P(pán)上[2]。在拋光盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，芯片也會(huì)進(jìn)行徑向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。而在拋光液和抹面的磨削滾壓作用下，芯片上的磨痕將被消除。但是，該種拋光技術(shù)存在效率低和表面不均勻的問(wèn)題，并且難以掌握拋光時(shí)間。采用化學(xué)拋光技術(shù)，就是利用化學(xué)試劑對(duì)芯片表層進(jìn)行溶解，從而使芯片磨痕得到消除。利用該方法，可以對(duì)芯片表面進(jìn)行選擇性溶解，即利用化學(xué)試劑對(duì)凹凸不平的表面進(jìn)行溶解腐蝕。但是，采用該種拋光技術(shù)很難進(jìn)行化學(xué)溶液的調(diào)整和再生，并且會(huì)產(chǎn)生大量的環(huán)境污染物。

2.2 新工藝的采用

針對(duì)半導(dǎo)體激光器芯片拋光存在的問(wèn)題，化學(xué)機(jī)械拋光工藝得以被提出。利用該種工藝技術(shù)，能夠利用化學(xué)試劑的腐蝕作用和機(jī)械研磨作用對(duì)芯片表面進(jìn)行拋光，所以能夠使過(guò)去存在的拋光問(wèn)題得到解決[3]。從原理上來(lái)看，利用該技術(shù)需要使拋光盤(pán)保持一定的角速度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，并使芯片夾具以同樣的方向和固定角速度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。而在工作臺(tái)上，則設(shè)置有浸滿拋光液的拋光墊，所以芯片在壓在拋光墊上的同時(shí)，其表面會(huì)得到拋光液的均勻覆蓋。所以在拋光墊與芯片之間，將形成由化學(xué)試劑和磨粒構(gòu)成的拋光液薄膜。在芯片轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，其將同時(shí)發(fā)生化學(xué)氧化和機(jī)械研磨作用，從而得到表面的精加工。與其他拋光方式相比較，采用該種拋光方式能夠?qū)崿F(xiàn)全局拋光[4]。而拋光率與摩擦系數(shù)和薄膜厚度有著直接的關(guān)系，所以芯片表面凸出部分的材料去除率要更高，因此芯片將隨著拋光時(shí)間的延長(zhǎng)而呈現(xiàn)出表面逐漸平坦的現(xiàn)象。

3 半導(dǎo)體激光器芯片減薄、拋光工藝效果

3.1 工藝方案

為驗(yàn)證半導(dǎo)體激光器芯片減薄、拋光工藝效果，還要采用搖擺式垂直切深進(jìn)給晶片減薄工藝和化學(xué)機(jī)械拋光工藝嘗試進(jìn)行GaAs晶片的加工。在對(duì)芯片進(jìn)行減薄加工時(shí)，米用的是PM5型研磨設(shè)備，使用的研磨料為3|im的氧化鋁粉和0.13|im的二氧化硅粉。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，還要先對(duì)研磨料進(jìn)行確定，然后確定研磨壓力和轉(zhuǎn)速。完成半導(dǎo)體激光芯片減薄后，還要對(duì)其進(jìn)行拋光處理，并對(duì)拋光料、拋光壓力和拋光轉(zhuǎn)速進(jìn)行確定。使用臺(tái)階儀，則能完成樣品粗糙度的測(cè)量，從而得到最優(yōu)的工藝技術(shù)參數(shù)。

3.2 參數(shù)確定

分析GaAs晶片減薄加工過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，使用顆粒直徑更小的Si02$進(jìn)行芯片加工，能夠使芯片表面TTV值接近零。出現(xiàn)這種情況，主要是由于顆粒直徑越小，芯片表面與顆粒接觸就更加充分，所以芯片表面的研磨將更加精細(xì)。所以在實(shí)際進(jìn)行芯片減薄加工時(shí)，還與功能選擇顆粒直徑較小的研磨料。而在減薄壓力逐漸發(fā)生變化的情況下，芯片表面粗糙度也將逐漸減小[5]。但在減薄壓力達(dá)到250g/cm2后，粗糙度變化并不明顯。所以，可以將減薄壓力控制在250g/cm2左右。調(diào)整減薄轉(zhuǎn)速可以發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，芯片粗糙度呈現(xiàn)出先減小后增大的發(fā)展趨勢(shì)。而在減薄機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到30RPM的條件下，可以獲得最小的粗糙度。在芯片拋光的過(guò)程中，使用NaCIO為氧化劑，并分別利用a-Al203和y-Al203作為拋光料進(jìn)行測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)采用Y-A1203為拋光料能夠獲得更好的拋光效果，所以還要將y-Al203當(dāng)成是拋光液的材料。而在拋光壓力逐漸增加的情況下，芯片表現(xiàn)粗糙度呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢(shì)。在拋光壓力達(dá)到250g/cm2時(shí)，芯片表面粗糙度最小，化學(xué)拋光作用和機(jī)械拋光作用能夠達(dá)到平衡。此外，在改變拋光轉(zhuǎn)速的情況下，隨著拋光轉(zhuǎn)速的增加，芯片表面粗糙度呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢(shì)。在拋光轉(zhuǎn)速達(dá)到35RPM左右時(shí)，芯片表面粗糙度較小。

3.3 工藝效果

通過(guò)測(cè)試分析，可以確定半導(dǎo)體激光器砷化鎵芯片加工的最佳工藝技術(shù)條件，即選用0.13pm的二氧化硅粉為研磨料，并將減薄壓力和減薄機(jī)轉(zhuǎn)速分別控制在250g/cm2和30RPM左右，然后選用y-Al203為拋光料，將拋光壓力和拋光轉(zhuǎn)速分別控制在250g/cm2和35RPM左右。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，得到的芯片厚度在100以下，表面粗糙度在5nm以下，能夠滿足半導(dǎo)體激光器的芯片加工要求[6]。因此在半導(dǎo)體激光器芯片加工時(shí)，可以嘗試采用搖擺式垂直切深進(jìn)給晶片減薄工藝和化學(xué)機(jī)械拋光工藝。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，在半導(dǎo)體激光器芯片加工的過(guò)程中，采用搖擺式垂直切深進(jìn)給晶片減薄工藝和化學(xué)機(jī)械拋光工藝進(jìn)行半導(dǎo)體激光器芯片加工，能夠更好地滿足芯片加工效率和加工質(zhì)量要求。在實(shí)際進(jìn)行加工生產(chǎn)的過(guò)程中，通過(guò)加強(qiáng)減薄壓力和機(jī)械轉(zhuǎn)速的控制，并加強(qiáng)拋光壓力和轉(zhuǎn)速的控制，則能使芯片加工效果得到有效控制，從而得到厚度在100以下，表面粗糙度在5nm以下的芯片。因此，相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，該種工藝技術(shù)也將在半導(dǎo)體激光器加工領(lǐng)域獲得較好的應(yīng)用前景。

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