半導體激光器芯片減薄、拋光工藝的思考

段小晉

摘要：在半導體激光器芯片加工方面，采用傳統的芯片減薄和拋光技術難以滿足芯片加工要求。基于這種情況，文章提出采用搖擺式垂直切深進給晶片減薄工藝和化學機械拋光工藝進行半導體激光器芯片加工。從工藝效果來看，采用這些工藝技術進行神化鎵芯片加工，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體激光器芯片加工要求。

關鍵詞：半導體激光器；芯片減溥；拋光工藝

在生產半導體激光器的過程中，需將外延片厚度控制在100jim以內，以滿足設備的裝備加工要求。但經過減薄后，芯片容易因表面殘余應力的產生而出現變彎的情況，將給后續加工帶來較大困難，所以還要對芯片表面進行拋光減少芯片表面損傷層，進而使芯片加工質量得到提高。因此，還應加強對半導體激光器芯片減薄、拋光工藝的分析，以便更好地進行半導體激光器的加工。

1 半導體激光器芯片減薄工藝分析

1.1 工藝技術問題分析

所謂的芯片減薄，其實就是采用研磨等方法去除半導體芯片表面材料的一種工藝技術，需要在研具上進行磨料顆粒的涂覆或壓嵌，然后利用研具與芯片間的相對運動實現芯片表面的精整加工。就目前來看，在半導體芯片減薄加工方面，可以采用垂直緩進給減薄技術，使研具沿著主軸進行垂直往復運動，從而利用減薄機的進給作用對器件凸出部分進行磨削。對這一過程進行受力分析可以發現，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。而對半導體芯片進行磨削，其軸向力為切向力的4倍，所以將給磨削力和深度帶來較大的限制，以至于芯片的磨削效率和質量不高。但近年來，隨著半導體技術的發展，半導體激光器芯片開始向著超薄化的方向發展，因此采用以往減薄工藝己經無法滿足芯片加工需求。

1.2 新工藝的采用

針對半導體激光器芯片減薄問題，搖擺式垂直切深進給晶片減薄工藝得以被提出。從原理上來看，該技術對原有的減薄工藝進行了改進，能夠利用電機控制研磨盤進行主動旋轉，然后利用夾具帶動芯片和磨輪一同進行旋轉，并且旋轉方向相同，以實現相對運動。而在磨輪和芯片之間，則會產生相互作用力，進而使芯片得到減薄[1]。在磨削加工過程中，夾具會以固定的角度進行搖擺，從而產生扇形搖擺。與此同時，磨削主軸會實現垂直均勻緩向進給，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，采取該種工藝技術能夠使芯片表面損傷得到減小，從而使芯片減薄效率和質量同時得到提高。

2 半導體激光器芯片拋光工藝分析

2.1 工藝技術問題分析

在芯片拋光方面，過去多采用機械拋光或化學拋光方法進行芯片拋光。利用機械拋光方法，就是利用機械對芯片表面進行研磨，以達到對芯片進行拋光的目的。在加工的過程中，需要使用含有氧化鋁、氧化硅等粉末的懸浮液，并使待拋面以適當的壓力平整放在拋光盤上[2]。在拋光盤轉動的過程中，芯片也會進行徑向往復運動。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，該種拋光技術存在效率低和表面不均勻的問題，并且難以掌握拋光時間。采用化學拋光技術，就是利用化學試劑對芯片表層進行溶解，從而使芯片磨痕得到消除。利用該方法，可以對芯片表面進行選擇性溶解，即利用化學試劑對凹凸不平的表面進行溶解腐蝕。但是，采用該種拋光技術很難進行化學溶液的調整和再生，并且會產生大量的環境污染物。

2.2 新工藝的采用

針對半導體激光器芯片拋光存在的問題，化學機械拋光工藝得以被提出。利用該種工藝技術，能夠利用化學試劑的腐蝕作用和機械研磨作用對芯片表面進行拋光，所以能夠使過去存在的拋光問題得到解決[3]。從原理上來看，利用該技術需要使拋光盤保持一定的角速度進行轉動，并使芯片夾具以同樣的方向和固定角速度進行轉動。而在工作臺上，則設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，其表面會得到拋光液的均勻覆蓋。所以在拋光墊與芯片之間，將形成由化學試劑和磨粒構成的拋光液薄膜。在芯片轉動的過程中，其將同時發生化學氧化和機械研磨作用，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實現全局拋光[4]。而拋光率與摩擦系數和薄膜厚度有著直接的關系，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間的延長而呈現出表面逐漸平坦的現象。

3 半導體激光器芯片減薄、拋光工藝效果

3.1 工藝方案

為驗證半導體激光器芯片減薄、拋光工藝效果，還要采用搖擺式垂直切深進給晶片減薄工藝和化學機械拋光工藝嘗試進行GaAs晶片的加工。在對芯片進行減薄加工時，米用的是PM5型研磨設備，使用的研磨料為3|im的氧化鋁粉和0.13|im的二氧化硅粉。在實驗的過程中，還要先對研磨料進行確定，然后確定研磨壓力和轉速。完成半導體激光芯片減薄后，還要對其進行拋光處理，并對拋光料、拋光壓力和拋光轉速進行確定。使用臺階儀，則能完成樣品粗糙度的測量，從而得到最優的工藝技術參數。

3.2 參數確定

分析GaAs晶片減薄加工過程可以發現，使用顆粒直徑更小的Si02$進行芯片加工，能夠使芯片表面TTV值接近零。出現這種情況，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。所以在實際進行芯片減薄加工時，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。調整減薄轉速可以發現，隨著轉速的增加，芯片粗糙度呈現出先減小后增大的發展趨勢。而在減薄機轉速達到30RPM的條件下，可以獲得最小的粗糙度。在芯片拋光的過程中，使用NaCIO為氧化劑，并分別利用a-Al203和y-Al203作為拋光料進行測試，可以發現采用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，芯片表現粗糙度呈現出先減小后增加的趨勢。在拋光壓力達到250g/cm2時，芯片表面粗糙度最小，化學拋光作用和機械拋光作用能夠達到平衡。此外，在改變拋光轉速的情況下，隨著拋光轉速的增加，芯片表面粗糙度呈現出先減小后增加的趨勢。在拋光轉速達到35RPM左右時，芯片表面粗糙度較小。

3.3 工藝效果

通過測試分析，可以確定半導體激光器砷化鎵芯片加工的最佳工藝技術條件，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轉速分別控制在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速分別控制在250g/cm2和35RPM左右。經過驗證，得到的芯片厚度在100以下，表面粗糙度在5nm以下，能夠滿足半導體激光器的芯片加工要求[6]。因此在半導體激光器芯片加工時，可以嘗試采用搖擺式垂直切深進給晶片減薄工藝和化學機械拋光工藝。

4 結語

通過分析可以發現，在半導體激光器芯片加工的過程中，采用搖擺式垂直切深進給晶片減薄工藝和化學機械拋光工藝進行半導體激光器芯片加工，能夠更好地滿足芯片加工效率和加工質量要求。在實際進行加工生產的過程中，通過加強減薄壓力和機械轉速的控制，并加強拋光壓力和轉速的控制，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，相信隨著相關技術的發展，該種工藝技術也將在半導體激光器加工領域獲得較好的應用前景。

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