砷化鎵解理加工的劃片過程仿真分析及工藝研究

摘要：

為有效提高砷化鎵（GaAs）基半導體激光芯片巴條諧振腔面解理加工質量，開展了一種新型點劃方式的劃片仿真分析及工藝實驗。建立GaAs劃片過程的有限元仿真模型，根據不同劃片工藝，研究劃片載荷及應力分布情況；開展解理工藝驗證實驗，分析解理面形貌特征，對劃片工藝進行驗證。研究結果表明，優化后的工藝方法（即由內向外點劃片）可有效降低劃片過程材料表面損傷程度，減少脆性斷裂現象，實驗結果與仿真結果具有較高的一致性。

關鍵詞：半導體激光器；諧振腔面；砷化鎵解理加工；有限元分析

中圖分類號：TN248.4

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2024.12.013

Simulation Analysis and Process Study of Scribing Processes for

GaAs Cleavage Processing

ZHANG Qingzheng1 JIANG Chen1 GAO Rui2 JIANG Jinxin1

1.School of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，

Shanghai，200093

2.State Key Laboratory of Ultra-precision Machining Technology，Department of Industrial

and Systems Engineering，The Hong Kong Polytechnic University，Hong Kong，999077

Abstract： In order to effectively improve the quality of GaAs-based semiconductor laser cavity mirrors， a new type of scribing method was proposed and carried out in simulation analysis and processing experiments. A finite element simulation model of the scribing processes of GaAs materials was established to optimize the existing processing methods and to investigate the distribution of scribing loads and stresses under different processes. A cleavage processing validation experiment was carried out to analyze the morphological characteristics of the cleavage surfaces. It is found that the optimized processing method， which involves scribing from the inside out， can effectively reduce the degree of material surface damages in the scribing processes and reduce the brittle fracture phenomenon. The experimental results were in high consistency with the simulation ones.

Key words： semiconductor laser; resonant cavity surface; GaAs cleavage processing; finite element analysis

收稿日期：2023-11-14

基金項目：國家自然科學基金（51475310）；機械系統與振動全國重點實驗室開放課題（MSV202315）

0 引言

半導體激光器自20世紀60年代誕生以來［1］，因其具有壽命長、體積小、光電轉化率高和可實現的波長范圍廣等特點［2-4］，被廣泛應用于激光醫療、航天、測距以及雷達等多個重要領域［5-7］，是目前產量最大的激光器。隨著半導體激光器的快速發展和廣泛應用，激光加工對半導體激光器的性能要求日漸提高，現有的加工工藝難以滿足半導體激光器核心部件的制造。諧振腔是激光器的一個重要零部件［8］，諧振腔的表面質量會對激光器的光源振蕩產生影響。砷化鎵（GaAs）晶體作為一種各向異性的半導體材料，被用作半導體激光器諧振腔的襯底基片［9-10］。現階段砷化鎵晶體解理加工過程中產生的微裂紋擴展和解理臺階是諧振腔加工的難點［11］，對解理加工的工藝進行優化可提高半導體激光器的運行可靠性。

為提高半導體激光器諧振腔面的加工質量，進而提高半導體激光器的穩定性和輸出功率，許多學者對解理加工的劃痕及裂紋擴展進行了研究。董康佳等［12］通過廣義胡克定律與壓痕試驗探究了砷化鎵力學性能的各向異性，發現［110］晶向是裂紋最容易擴展的晶向。SWEET等［13］發現（110）晶面的表面能較低，是適合裂紋擴展的面，容易形成光滑的解理面［14］。WASMER等［15］使用三種不同形狀的金剛石刀頭對砷化鎵進行了劃片實驗，研究了劃傷載荷與中位裂紋深度之間的關系，并發現在劃片過程中，首先產生中間裂紋，中間裂紋可以控制裂紋的擴展，是最有價值的裂紋，然后是橫向裂紋，最后是徑向裂紋［16］。MENG等［17］研究了金剛石刀頭的角度和位置對劃痕質量的影響，發現邊緣前傾的刀頭模型可減小亞表面的損傷程度。

目前解理加工的劃片過程主要采用通劃方式，但初始解理裂紋在后續裂片操作中不穩定地拓展會造成解理面災難性的損傷。為了進一步了解機械解理加工的機理，獲得高質量的解理面，本文針對現有工藝方法提出了兩種點劃的方式，然后通過ABAQUS有限元仿真分析了不同點劃方式對劃片過程的作用機制，隨后對砷化鎵展開一系列解理實驗，對比由內向外點劃和由外向內點劃方式下入刀口和出刀口形貌、加工表面損傷寬度以及解理面損傷特征。研究結果表明，由內向外點劃方式優于通劃和由外向內點劃兩種劃片方式，可以避免入刀口應力擴散導致的脆性斷裂現象，有效減小劃痕的損傷寬度。

1 解理加工原理

具有各向異性的晶體，在其特定晶向施加載荷可使其沿解理面斷裂［18］，形成光滑的加工面，晶體的這一特性稱為解理。解理加工是利用晶體的解理性質進行加工的一種方法，主要分為兩個步驟，首先是在劃片機上用金剛石刀頭沿工件特定方向對工件表面進行劃切，這一操作的目的是使工件亞表面產生初始解理裂紋，隨后翻轉工件，使用陶瓷刀在其劃痕背面施加垂直沖擊載荷，使初始解理裂紋在沖擊載荷的作用下擴展并最終斷裂，形成光滑的解理加工面，解理加工示意圖見圖1。

2 仿真分析

本文利用ABAQUS軟件對通劃、由外向內點劃和由內向外點劃三種劃片方式進行宏觀有限元分析。ABAQUS去除材料的原理為：模型因受力而使得內部應力增大從而產生變形，當變形量過大時單元失效，得到解理劃痕。三種劃片方式刀頭的移動路徑如圖2所示。

仿真時使用四棱錐刀頭，其尖端半徑為1 mm，尖端角度為45°，與工件表面成60°夾角。矩形工件尺寸為0.25 mm×0.15 mm×0.06 mm，為在不影響精度的前提下減小計算量，劃分網格時在主要劃片區域進行了網格細化，細化部分單元尺寸為1.5 μm，網格類型選取三維六面體網格，如圖3所示。金剛石刀頭相對GaAs材料的硬度較高，所以將有限元仿真中的金剛石刀頭設置為剛體；GaAs在常溫下硬度的各向異性會消失［19］，在宏觀尺度的仿真中各向異性影響較小。為簡化計算，GaAs材料彈性屬性設置為各向同性，均為［110］晶向，如表1所示。在工件底面設置完全固定約束，裝配時通過調整金剛石刀頭相對工件的位置控制劃片深度，并給金剛石刀頭施加沿圖2箭頭所示劃片方向的速度，使其對晶圓進行劃片加工。

3 實驗

劃片距離過長易造成劃片過程的不穩定和解理面的損傷，因此為得到高質量的解理面，對由內向外和由外向內兩種點劃方式進行實驗分析。圖4a和圖4b所示分別為解理設備劃片機和裂片機，由之前實驗的結果［20］可知，劃片速度對損傷寬度影響較小，故劃片速度均取30 mm/s，點劃長度均取0.6 mm。為保證實驗數據的可靠性，各加工條件均進行五次實驗。實驗采用10.16 cm（4英寸）、350 μm厚度的砷化鎵晶圓進行解理劃片，晶圓的（100）面經過了拋光，然后將晶圓切割成為10 mm×15 mm的矩形，通過藍膜真空吸附固定在解理劃片機的工作臺上，旋轉工作臺上的真空吸盤可調整劃片晶向，劃片機上安裝有與晶圓表面成60°傾斜角的四棱錐型金剛石刀，刀頭夾具可對劃片載荷進行調節；裂片采用傾角為60°、頂點曲率半徑為1.5 mm、長度為80 mm的陶瓷刀，夾具內置力傳感器，可實時測量下壓過程中Z方向的裂片載荷。

4 結果與討論

4.1 仿真結果

4.1.1 載荷分析

在解理加工劃片過程中，金剛石刀頭對工件施加的劃片載荷是一個值得研究的問題，ABAQUS有限元仿真可計算出整個劃片過程的實時載荷，方便通過劃片載荷來對劃片過程進行分析。在解理加工的劃片過程中，劃片深度和劃片速度會對初始裂紋產生影響，故對于三種劃片方式，本文分別進行了劃片速度和劃片深度的控制變量對比。基于解理加工的特點，劃片過程要保證直線度，垂直劃片的Y方向載荷為0，故本文僅考慮了X軸和Z軸的劃片載荷，即切向和法向載荷。

首先是通劃方法，即金剛石刀頭沿［110］晶向劃過整個材料表面。圖5所示為不同劃片深度下劃片載荷的控制變量對比，可以看到劃片深度越大，整體載荷越大，但劃片載荷的大小不穩定，曲線也無規律，其中，3 μm劃片深度下的載荷相對其他深度的載荷較為穩定。圖6所示為不同劃片速度下劃片載荷的控制變量對比。在劃片深度相同的情況下，不同的劃片速度并未導致總體載荷大小產生較大差距，其中切向載荷在20 N左右波動，法向載荷的波動基本在30～40 N，但劃片載荷仍不穩定，且無規律，所以不同的劃片速度對劃片載荷影響較小，其中，30 mm/s劃片速度下的載荷相對其他速度下載荷較為穩定。

由外向內點劃時，金剛石刀頭從晶圓邊緣沿［110］晶向向晶圓表面移動，使晶圓表面產生劃痕，但不移動到另一側邊緣，而是劃過一定距離后停止移動，使刀頭在不接觸晶圓邊緣的情況下離開晶圓表面。圖7所示為由外向內點劃時在不同劃片深度下劃片載荷的控制變量對比，圖8所示為由外向內點劃不同劃片速度下劃片載荷的控制變量對比，可以看到劃片載荷相較通劃十分穩定，沒有突變，并未出現類似通劃過程的不規律曲線，且劃片載荷隨劃片深度增大而增大，與劃片速度無明顯關系。

本文提出了一種由內向外點劃的方法，即先將金剛石刀頭壓到晶圓表面的定位點上，再向晶圓邊緣劃片的方式。圖9所示為由內向外點劃時在不同劃片深度下劃片載荷的控制變量對比，圖10所示為由內向外點劃時不同劃片速度下劃片載荷的控制變量對比。從圖9中可以得到，1 μm劃片深度下，金剛石刀頭下壓過程未出現下壓載荷的峰值，除此之外下壓過程中產生的下壓載荷可達劃片過程中劃片載荷的2～3倍，峰值可達110 N，更易于使晶圓產生初始損傷，可減少部分應力擴散，不容易破壞亞表面結構。在下壓過程結束后，金剛石刀頭開始沿［110］晶向移動，在晶圓表面留下劃痕，移動過程中，劃片載荷的波動比較平穩，變化較小，更加穩定。

對三種劃片方式進行綜合對比分析可以發現，通劃的劃片載荷相較另外兩種點劃方式不穩定，波動大。劃片過程中的載荷是決定劃痕質量的一個重要因素，不穩定的劃片載荷易導致劃痕出現側向伸展的裂紋，不利于高質量解理面的形成。由內向外點劃的方式在下壓過程更容易達到較大劃片載荷，劃片過程中載荷穩定，相比另外兩種金剛石刀頭直接接觸晶圓邊緣的劃片方式可以有效避免崩邊導致損傷增大的問題。相同劃片參數下采用由內向外的點劃方式更能減小劃痕的損傷寬度。

4.1.2 應力分析

晶圓上的應力是影響晶圓變形和損傷的原因。由圖1可知，由內向外點劃方式的入刀口在晶圓表面，不同于另外兩種劃片方式，對兩種入刀口的應力圖進行放大和剖面分析可以看到，金剛石刀頭和晶圓接觸時均會產生應力集中，最大應力基本相同。入刀口在晶圓邊緣時，如圖11a所示，應力沿邊緣擴散現象明顯，影響范圍大，亞表面受應力影響更易受到破壞，實際加工時更易產生大面積的脆性剝離現象，導致劃痕過程中出現更大的損傷，對解理面造成破壞。入刀口在晶圓表面時，如圖11b所示，刀尖與晶圓表面接觸，應力集中在接觸點，進行劃片操作時不易沿徑向擴散，對亞表面的影響也較小，劃片過程中應力集中在劃痕上有助于減小損傷寬度，提高劃痕和解理面質量。

除劃片載荷和入刀口應力對比以外，本文還對由內向外劃不同參數下的應力云圖及其剖面圖進行了對比分析，主要觀察應力沿Y方向和Z方向的分布以及劃片過程對劃痕周圍的影響寬度。圖12a和圖12b分別為20 mm/s和40 mm/s速度下的應力云圖，可以看到速度不同時，劃痕周圍的應力分布相似，應力影響的寬度與深度都相差較小，由此可見，從應力方面考慮解理劃片的損傷，速度這一因素對解理劃片的劃痕質量和損傷寬度影響較小。

但當劃片深度不同時，應力云圖中的應力影響寬度則相差較大，ABAQUS中單元變形量過大會導致單元失效從而被去除，圖13a和圖13b所示為劃片深度為1 μm和3 μm時的應力云圖，在劃片深度為1 μm時，劃片深度過淺未使單元的變形達到失效的臨界點，最大應力較小，劃痕位置的單元未被整體去除，導致了1 μm劃片深度顯示出了較大的影響范圍；劃片深度為3 μm時一部分單元失效，實際加工時產生的劃痕無論深度還是寬度均會增大，損傷寬度相較1 μm的劃片深度增大，故劃片時選擇較小深度可提高劃痕質量。

4.2 實驗結果

4.2.1 劃痕形貌對比分析

在半導體激光器制造過程中，劃痕的損傷寬度會對成品率產生影響［21］，由于砷化鎵晶圓為脆性材料，劃片過程中晶圓的入刀口和出刀口會有應力的突變，所以損傷和裂紋主要出現在入刀口和出刀口，下面主要對劃痕的入刀口和出刀口進行觀察和分析，中部穩定切削區域產生的損傷和裂紋相對較少。

圖14所示為不同劃片方式下施加不同載荷時的劃痕形貌，其中圖14a和圖14b為由外向內劃片方式在0.1 N和0.2 N載荷下的劃痕形貌，圖14c和圖14d為由內向外劃片方式在0.1 N和0.2 N載荷下的劃痕形貌。可以看到劃片下壓載荷增大時，劃痕寬度會增大，同時因為劃痕深度與下壓載荷正相關［22］，因此劃痕深度的增大也會導致整體裂紋和損傷寬度增大。由外向內劃片方式下，下壓載荷為0.1 N時，由于金剛石刀頭接觸工件的瞬間會產生較大的接觸力，入刀口形貌會出現大面積剝離損傷，而當下壓載荷達到0.2 N時，則會出現崩邊現象，嚴重影響劃痕和解理面的質量，這是因為刀頭的下壓載荷增大導致壓入工件過深，材料的去除變成了大面積的脆性斷裂。由內向外劃時，0.1 N的下壓載荷未導致剝離損傷，劃片形貌呈現為細長的劃痕，裂紋也較少，當下壓載荷增大到0.2 N時，出刀口也出現了崩邊的現象，但相較由外向內點劃方式，面積和拓展都較小，可見下壓載荷和劃片方式都是影響崩邊現象的因素，且相同下壓載荷下，由內向外點劃方式更易于通過裂片形成光滑無損傷的解理面。

除此之外，針對不同點劃方式進行不同劃片載荷下的最大損傷寬度綜合分析，得到了如圖15所示的各加工條件下的損傷寬度及其平均值。可以發現，相同加工條件下由內向外點劃方式得到的劃痕損傷寬度均比由外向內劃片方式小，且由外向內劃片方式下不同載荷所得的損傷寬度均存在較大的異常值，在0.15 N載荷條件下最大損傷寬度達到了74 μm，表明該劃片方式穩定性相對較差，易出現劃痕損傷過大的情況，不利于解理加工的成本控制。相比之下，在0.10～0.25 N的載荷下，由內向外點劃方式得到的最大損傷寬度相比由外向內點劃分別下降了64.2%、79.1%、7.1%和15.1%，可知在低載荷下由內向外點劃的方式可以更加有效地降低劃片的最大損傷寬度。綜上分析可知，解理加工應取由內向外劃片的方式，載荷較小時，可以有效減小劃痕的損傷寬度。

4.2.2 解理面形貌對比分析

圖16所示分別為掃描電子顯微鏡（SEM）拍攝的兩種點劃方式的解理面形貌，圖中藍色部分為未劃片區域，橙色部分為劃片區域。可以看到，劃片區域由于劃片過程中金剛石刀頭對晶圓表面和亞表面造成的破壞和損傷，

導致了許多解理臺階的出現，相比之下，未劃片區域的解理臺階很少，也更為平整，故點劃方式的未劃片區域解理面質量更高，也證實了點劃方式優于通劃方式。對比圖16a和圖16b可以發現，由內向外點劃方式得到的解理面上，劃片區域和未劃片區域解理臺階的數量相較由外向內點劃方式都是更少的。由此可見，采用由內向外點劃方式可使解理面的質量進一步得到提高，也有利于半導體激光器穩定工作。

5 結論

本文針對解理加工劃片過程中劃痕易產生損傷的現狀提出了一種由內向外的點劃方式，將ABAQUS有限元仿真與傳統劃片方式進行對比，設置了不同劃片速度和劃片深度，對金剛石刀頭的劃片載荷和晶圓表面及亞表面的應力進行了全面分析，并基于有限元仿真結果進行了相應的實驗驗證分析，得到了以下結論：

（1）本文提出的由內向外點劃方式可有效減小劃痕的最大損傷寬度，尤其是在0.10 N和0.15 N的低載荷情況下，最大損傷寬度相較由外向內點劃分別減小了64.2%和79.1%。

（2）所有劃片方式下，速度對劃痕質量的影響都較小，而下壓載荷對劃痕質量的影響較大，劃痕的最大損傷寬度隨載荷的增大而增大，且存在突變。

（3）綜合分析可知，解理加工劃片工序采用由內向外的點劃方式，取較小載荷，可有效減小劃痕的最大損傷寬度，提高解理面的質量。

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（編輯 王艷麗）

作者簡介：

張慶正，男，1999年生，碩士研究生。研究方向為解理加工。E-mail：zhangqz1214@163.com。

姜 晨（通信作者），男，1978年生，教授、博士研究生導師。研究方向為超精密加工及檢測技術。E-mail：jc_bati@163.com。