半导体激光器芯片减薄、抛光工艺研究

半导体激光器芯片减薄、抛光工艺研究

摘要

目前在砷化镓半导体激光器的制备中，需要将衬底减薄到一定程度，衬底存在电阻，会产生发热现象，减薄后的衬底背面存在表面损伤层，导致减薄后的外延片变形且容易碎裂，从而影响成品率。因此，需要通过减薄工艺，降低芯片欧姆接触的电阻，减少器件发热；经过抛光工艺，去除上述表面损伤层，消除残余应力，最终达到半导体激光器性能的提高。

本文首先建立了减薄与抛光中颗粒的微极性模型，然后对垂直缓进给减薄进行了改进，并做了力学和运动学的分析，提出了减薄采用摇摆式垂直切身进给原理，抛光采取化学机械抛光原理，再加上工艺的优化可以改善半导体激光器芯片的质量。最终通过实验验证了用该理论和工艺制作砷化镓半导体激光器芯片是有一定技术支持的。

该实验采用的仪器是英国Logitech公司的PM5型研磨与化学机械抛光设备，利用台阶仪，探针机检测实验结果，并进行比较，给出综合评价结果。

关键字：半导体激光器 砷化镓芯片 减薄抛光 化学机械抛光 欧姆电阻

1．1引言

从半导体激光器(LD)的诞生以来，由于半导体激光器的众多优点，其发展步伐非常迅速，现在生活的很多方面都能见到半导体激光器身影。LD有很多的优点，比如说：物美价廉、简单小巧、对外界要求低、调制方便、使用寿命长等。因此在军事领域中半导体激光器也得到了广泛应用。

目前半导体硅已经研究的非常深入了，而砷化镓化合物作为其“后辈”也得到了广泛的研究。由于砷化镓材料可以实现光电集成，而且自身具有硅和锗没有的属性，因此它被广泛应用在光伏、通信和超高速集成电路等领域。砷化镓器件大多数属于进行表面加工器件，即砷化镓晶片作为器件制造的基底，因此砷化镓的表面质量直接影响器件的性能、成品率和寿命。

目前在半导体激光器的制备中，需要将外延片的厚度从几百微米以上减薄至一百微米附近或者更薄。由于减薄后的外延片表面存在损伤层，而表面的残余应力也使其容易弯曲和变形，这样在后续工艺中可能导致其破碎，进而降低了器件的成品率。所以，在对芯片进行减薄后，应该对芯片的表面用抛光工艺处理，这样就可以达到减小或消除残余应力，去除或减小表面损伤层的目的。正是由于以上的要求，提高芯片减薄和抛光的效率，改善其质量就变得非常重要。

本文是对GaAs半导体激光器芯片进行了减薄抛光工艺的研究。经过减薄工艺降低芯片欧姆接触的电阻，减少器件发热，经过抛光工艺，使芯片表面粗糙度减小，提高金属附着层，最终实现了半导体激光器性能的提高。

本文首先通过目前常用的减薄、抛光技术的比较，确定了实验所需的技术，我们发现对于半导体激光器芯片的减薄与抛光来说，为了减少芯片的热效应，提高其附着性和成品率，采用摇摆式垂直切深进给减薄和化学机械抛光的理论与方法比较适用。

其次本文对其建立了数学模型，并做了理论分析，用减薄机和抛光机进行了对比实验，并分析夹具压力，研磨料的颗粒度，研磨垫和抛光垫的转速，抛光液的化学性质等对晶面粗糙度、残余应力、厚度的一致性和均匀性的影响，并验证了理论的准确性。最后分析了这些因素对激光器芯片欧姆电阻的影响，通过这些因素的比对，确定了最佳的减薄、抛光工艺。

第2章半导体激光器原理及其芯片工艺

2．1半导体激光器概况

半导体激光器又叫激光二极管，目前在光电子器件中应用最为广泛。早在上个世纪末，半导体激光器大批量应用于音响CD演放器。从那之后，半导体的材料生长技术迅速发展、产品的生产效率得到了显著提高，与此同时其性价比大大提升，半导体激光器的应用渐渐在各个方面都得到了体现，诸如光驱驱动、激光打印、可擦除光存储驱动、光纤通信、条型码扫描、娱乐表演，以及军事航空应用(比如照明器、军训模拟装置、测距装置等)。不管是什么产品，其开发必须与市场导向相一致，半导体激光器也不例外。比如说在军事应用、数字通信和计算机应用领域都和市场规律相适应，其市场和技术的发展持续保持高速增长的势头。半导体激光器的芯片外延生长技术，由早期的LPE发展到现在普遍采用的MOCVD和MBE，外延材料也随之由体材料演变到量子阱或超晶格的能带工程材料。工作温度、响应频率、阈值电流、输出功率等半导体激光器的一些主要性能参数大幅度改进，新型器件多种多样。面为了达到大容量的信息存储，宽带化的信息传输，高速化的信息处理，以及武器装备的高精度和小型化，借助于一系列先进技术半导体激光器将会继续高速发展。以GaAs为衬底外延制作而成的半导体激光器非常实用，是目前市场上用量最大的器件，其波长在635．-．980 nm之间。

2．1．1半导体激光器原理

激光是一种相干光辐射，具有高亮度，好的单色性和方向性，能量密度高等特点。作为新一代激光器，半导体激光器以其独特的优势、广泛的应用空间和迅猛的发展速度成为了激光器的重要组成部分。其原理为在半导体激光器的p-n结内注入大量的非平衡载流子，并在p-n结两端施加正向偏压使其反转分布，产生大量高能的光子从而产生足够大的光增益，再通过激光器前后两个解理面作为谐振腔端面是受激辐射在其

中多次反馈进而产生激光。

半导体的发展主要经历了三个阶段，早期材料单一结构单一的同质结激光器；材料上加以改进的单异质结、双异质结激光器；材料及结构都有较大改进的量子阱、量子点以及量子级联激激光器，这类激光器是现阶段的研究热门。激光器器件的可靠性大大提升，在连续运作下寿命可达百万小时，阈值电流密度从开始的十万级降至现在的百级，输出功率可覆盖毫瓦至百瓦级别；输出波长的覆盖范围很宽，可由中远红外至紫外。由于半导体激光器具有轻便小巧，效率高和易集成等独特优点，在各领域都有着很大的应用潜力，因此引起了广大科研人员的高度重视。

1986年，Yablouovitch等人基于应变原理并结合上述结构，提出了应变量子阱的结构假设。构成势垒与阱的两种材料会存在一定程度的晶格失配，因此在材料生长过程中两种材料衔接处会产生压应变或张应变，载流子的各项特性都会发生变化。为了减小阈值电流密度、提高光增益，就需要将材料厚度控制在临界值以内，否则有源层内会出现大量缺陷，反而降低了激光器的效率。针对这种情况，科研人员尝试在在势垒

中施加一定的反作用应变进行补偿，以防止总应变量过大而产生不良影响；同时量子阱数目不再受到材料厚度临界值的限制，从而使得量子阱激光器的结构有了更自由的设计空间，激光器整体性能也会得到进一步提高。

2．1．2半导体激光器制造工艺

首先，制造器件必须选择好衬底。与形成异质结材料的晶格相匹配这是必须考虑到的(当然有时也加缓冲层)；要选定生长面的晶向或偏离一定角度；要有一定的掺杂浓度；在内部和表面的缺陷密度要低、表面平整、光亮、无划痕；要有适当的厚度用来保证芯片具有足够的机械强度。

其次是外延生长，作为制造半导体激光器中的重要核心芯片工艺，它的好坏直接会导致最终器件的优劣和成品率的高低。一般常用的外延生长工艺包括：MOCVD、LPE、MBE等技术。

再次是掩膜。就是在经过光刻后，沉积Si02或Si3N4薄膜，用Si02或Si3N4薄膜在扩散或腐蚀时起到掩蔽作用。这是半导体常规工艺。由于材料的不同，在不同温度下产生的热腐蚀效应不同，而在低温的条件下则会减小或者消除这种效应，正因为如此，沉积薄膜一般都是在低温条件下进行的。

第四是腐蚀，这一步十分关键，它分干法腐蚀和湿法腐蚀两类，各有自己的适用范围。在设计每个激光器时，它的结构和选用的材料都会根据要求的不同有所差异，腐蚀就是在材料和结构不同的情况下，为了得到所要求各种形状的加工工艺。常用化学刻蚀法来得到形状各异的V形、正梯形、倒梯形沟槽，或凸起的脊形条、台阶(特别精细的结构除外)。为了达到对侧模的控制，需要对腐蚀后的器件再次进行外延生长，这样就形成了折射率导引激光器。干法腐蚀主要用做微小尺寸的精细刻蚀。扩散技术是半导体器件制造中采用十分普遍的通用工艺，占有重要地位。它可以改变半导体材料的电学和光学性质，从而得到所需要的材料。

然后是芯片的减薄与抛光。这步具体是通过研磨和抛光工艺，减小芯片欧姆接触的电阻和减少器件发热，去除上述表面损伤层和消除残余应力。

欧姆接触的制备又称电极制作，看起来简单但却是半导体激光器制造中非常关键的工艺步骤。器件工作时的产生热量的大小和功率转换效率的大小都与欧姆接触工艺好坏有关。尽管目前对GaAs、InP系列的n型、P型材料的欧姆接触都已有成熟的工艺，但面对开拓很多新波长范围的激光器，起过高的欧姆接触电阻率是需要克服的障碍。

解理技术是将加工好的器件芯片分解为单一管芯的需要手工操作技术很强的工艺。在具有管芯的衬底减薄后，用金刚石刀或解理机在晶体解理面方向适当用力切压就能得到完全平行的F-P腔面。再用金刚石划片刀和锯垂直于镜面切割出所设计的单个管芯。然后通过测试，筛选出良好管芯并焊接到管壳的热沉上，再用热压焊或者超声球焊机键合上金丝电极。最后进行耦合封装就可以得到实际所需的半导体激光器件。

2．2半导体芯片减薄技术概述

半导体芯片减薄是一种去除半导体芯片表面材料的加工方法。通常是用研磨技术进行芯片的减薄，具体是利用涂敷或压嵌在研具上的磨料颗粒，通过研具与芯片在一定压力下的相对运动对m-r表面进行的精整加工。半导体芯片减薄包括如下要求。

2．2．1 提高芯片的散热性能要求

在IC电路中通电情况下，由于芯片衬底材料及互联金属层存在电阻，芯片会发生热效应。在芯片工作过程中，热效应会导致芯片背面内应力的产生。芯片热量持续的产生会使各金属层之间的热差异性加剧，芯片内应力会进一步增加。芯片损坏、破碎的主要原因之一就是内应力的增加。因此，通过减薄工艺，可以减小芯片电阻，提高芯片的热扩散效率，将芯片损坏率降到最低，进而提高了集成电路的可靠性和成品率。

2．2．2 I C电路制造工艺的要求

划片工艺集成电路制造工艺中不可或缺的一步，而经过减薄工艺之后的晶片就变得更为容易分离，这对于提高芯片的划片质量和成品率是非常有利的。与此同时，在其它集成电路制造领域(比如太阳能电池和多芯片封装等)，超薄化(厚度小于1001ma)的芯片是这些领域必不可少的，而且需求会逐渐增大。由于不能直接制造出超薄芯片，所以必须对晶片进行减薄才能获得超薄晶片。但是由于每个芯片封装形式和大小的要

求有所不同，为了能确保芯片的厚度大小特性，也只有通过减薄工艺才能得到。所以减薄工艺是必不可少的手段。

2．2．3减薄后芯片的优点

在芯片表面电路制作结束以后，为了达到所要求的厚度，需要对芯片背面进行减薄即对芯片背面材料进行研磨减薄。减薄以后的芯片包括以下方面的优点：

第一，减小电阻，提高散热效率。随着半导体行业的迅速发展，其结构变得更为小型化、复杂化、集成化。由于超薄的芯片可以减少热量的产生，可以提高芯片的性能和寿命，现在超薄已逐渐成为芯片厚度的发展趋势。

第二，减小了导通电阻，增强了欧姆接触。在外延片、键合片领域要求结合面不能有气缝，连接必须牢固，这样减薄工艺就显得特别重要。不然，其一会影响芯片接触电阻；其二，芯片会在应用中由于气体的热膨胀而破碎。

第三，提高了机械性能。芯片机械性能经过减薄的会得到显著提高，越薄的芯片柔韧性越好，进而在受到外力冲击时引起的应力也就越小。

第四，提高了电气性能。在叠层封装方面，厚度越薄的晶片，芯片与芯片之间的连线将越短，进而减小了器件导通电阻和信号延迟时间，从而提高了器件性能。

第五，扩展了芯片的应用范围。减薄后的芯片有的会特别薄，这些芯片有的还能弯曲，因此，在数字存储和电脑硬件等领域得到了广泛应用。

2．3几种超精密减薄技术阳1

2．3．1磁流体研磨

上个世纪八十年代中期Kordonski发明了磁流体研磨技术。磁流体研磨是在外磁场的作用下利用磁流体本身所具有的液体流动性和磁性，来保持磨料与器件之间产生的相对运动，进而达到研磨和平坦化器件表面的一种精加工新技术。

具体来说它是用泵驱动含有去离子水、铁粉、磨粒和经处理过的磁流体，并稳定循环。其在有磁力作用地方表现为固态形式，而在其他地方表现为液态形式。磁流体的这两种形态会在循环中交替出现。由于磁流体粘度影响材料的去除量，因此通过不断地监控可对其粘度控制在在±l％范围内，因而它还是一种可控的加工方法。现在磁流体研磨主要在精密机械加工和信息机械加工领域得到广泛应用。

2．3．2弹性发射加工

弹性发射加工(Elastic EmissionMachine，EEM)是由Mori和TsuwaOol发明的一种超精密研磨方法。用这种方法加工后的器件可以获得较高的表面质量。他们建立了弹性发射加工理论并分析了在器件表面以原子级去除材料可行性，其加工原理如图2．4所示。该技术是将器件浸在磨料中，这样磨料会附着并作用于器件表面，使得器件表层原子与其充分混合。由于表面两层原子的结合能较低，当磨料被去除时，表面的两层原子会分开，从而在精度上达到对原子的弹性破坏，进而实现材料表面的超精密加工。而观察所加工器件表面的方法有许多种，比如光干涉测量、SEM测量等，用这些方法观察证明了EEM加工后的器件表面具有完美几何形状和表面形状。

通过研究，Moil等得到的结果是：与化学刻蚀不同，器件在EEM加工中的化学作用是发生在研磨颗粒表面。加工后器件表面层无塑性变形，而且不产生晶格转位等缺陷，由于这些优势使得EEM技术广泛应用于半导体材料的纳米级表面加工方面。

2．3．3动压浮起平面研磨

动压浮起平面研磨是在对器件研磨时不会与其接触，其工作原理如图2．5所示。一般该原理的研磨盘都有斜槽，油液会浸没研磨盘表面，器件会由于研磨盘的旋转的产生的动压力和油液的浮力而浮起，而油液中的磨料这时会对器件进行研磨。动压浮起平面研磨能够加工出没有端面塌边及变形缺陷而且粗糙度较低的器件。因此，半导体基片、结晶体和玻璃基片的研磨经常用这种方式，并且可以多片同时进行加工。

2．3．4超声波研磨

超声波研磨原理如图。其过程是：在超声波发生器工作时，产生的高频电振荡会在换能器的作用下转变为机械振荡，之后机械振荡的振幅会因为变幅杆的作用增大，变幅杆与器件需要用恰当的连接杆将连接，这样器件会随超声波发生器共同高频的振动。当研具或器件受到超声振动时，器件表面会被研高频振动的磨料冲击，使得前几步留下的变质层得以去除，并形成新的变质层，进而对器件表面进行研磨。

2．3．5 电解磁力研磨

电解磁力研磨是把器件安放到磁极中，然后在磁性磨料中放入适量的电解液，在磁场力的作用下，磁性磨料形对器件表面施加相当量的压力，器件和磨料会在主轴的带动下发生相对运动，从而达到磨料对器件的研磨。与此同时，由于器件接正极，在外电场的作用下，器件表面会发生电化学反应，器件表面凸出部分会被迅速溶解。器件表面会在电解和研磨共同作用下被快速的平坦化。电解磁力研磨原理如图2．7所示。

2．3．6精密砂带研磨

精密砂带研磨是采用微小研磨料砂带，以磨料振动冲击滑擦器件表面的一种复合式精密加工，适用于研磨各种曲面。精密砂带研磨工作原理如图2．8所示。

2．3．7砂轮约束磨粒喷射

砂轮约束磨粒喷射是将磨料直接喷射到器件的一种平坦化加工，如图2．9所示。作为磨粒流束边界的约束的条件，研磨颗粒会在高速旋转砂轮的带动下对器件进行充分的研磨，这样就可得到一种既保持高的表面形状特性，又能得到较低表面粗糙度的无缺陷的器件，从而实现高效、高质量的表面精密平坦化加工要求。砂轮约束磨粒喷射加工是在器件研磨完成以后，将研磨料和流体介质的混合液喷射到工作区，同时砂轮停止切入进给。当磨料喷射到砂轮和器件间的缝隙时，会形成三维速度场和压力场，磨粒流体可以在砂轮旋转和速度场、流体压力、离心力的共同作用下得到能量，在接触区达到对器件表面的精密加工。

2．3．8垂直缓进给减薄原理

垂直缓进给(Creep．Feed)减薄原理是在晶片直径完全被研磨垫覆盖的情况下研磨晶片，在达到要求厚度以后，研磨垫轴作定期垂直进给运动。这样重复许多次以后，最后实现对晶片的减薄要求。

Creep-Feed减薄原理是由立轴圆(矩)台式端面磨床原理衍化而来的。具体来说是，减薄机的研磨垫作主动旋转，工作台旋转作圆周进给(往复)运动，在这种重复的研磨运动下对器件的加工。这种研磨垫主轴可以连续研磨器件并作间歇的垂直进给运动，这就要求其速度比较慢。这就是为什么该原理称为垂直缓进给减薄原理。而本文就是对此原理进行的改进。

2．4半导体抛光技术概述

抛光是以器件获得光滑镜面为目的，利用磨料颗粒和抛光仪器或着另外一些抛光材料对器件表面进行修饰精加工的一种方法。目前，传统的抛光方法仍在广泛应用，包括机械抛光、化学抛光和电解抛光。由于传统的抛光方法技术存在着不同的缺点，这就导致了新型的抛光技术的发展(比如纳米抛光技术和化学机械抛光技术)。在器件的表面精密加工方面，这些技术得到了广泛的应用。

2．5几种抛光技术

2．5．1机械抛光

机械抛光主要是在抛光机上进行的机械研磨加工方法。一般抛光机是由一个电动机和一个或两个被带动的抛光盘组成。用不同材料的抛光布辅在抛光盘上。常用的抛光布有帆布、绒布、粗呢、细呢或着丝绸。常用的抛光液通常是A1203、Si02或MgO等粉末在水中的悬浮液。样品的待抛面在抛光时应当用适当的压力均匀、平整地压在抛光盘上，一边抛光盘旋转，一边样品在盘的边缘和中心做持续的径向往复运动。这样磨痕就会因为磨面和抛光液的相互磨削滚压作用而消除，最后得到光亮的表面。

机械抛光的成本低，操作简单，但是相比其它抛光，其效率低，抛光的表面不均匀，抛光时间难掌握，因此适宜小面积的表面处理。

2．5．2化学抛光

化学抛光是用化学试剂作用于样品，对其表层溶解过程。换言之是为了消除磨痕、浸蚀整平，用化学试剂对样品表面凹凸不平区域的选择性溶解作用一种方法。化学抛光也有溶解腐蚀的作用，可以显示样品的金相组织，所以在经化学抛光后的样品可以直接在显微镜下观察。一般的抛光液是将过氧化氢、次氯酸、氢氟酸、蒸馏水等按照要求的比例搭配混合而成的。

化学抛光的设备较为简单，容易操作，而且可以对形状比较复杂的器件进行处理，但是化学抛光所用溶液的调整和再生比较困难，在应用上受到限制，而且化学抛光操作过程中，硝酸散发出大量黄棕色有害气体，对环境污染非常严重。

2．5．3 电解抛光

图2．10为电解抛光示意图。电解抛光是在特定的电解液和恰当的电流密度下待抛光器件的阳极首先发生溶解的原理进行抛光的一种电解加工。该装置有正极和负极，

直流电源的正极与器件相接作为阳极，直流电源的负极与耐电解液腐蚀的导电材料相接作为阴极。阳极和阴极不能离得太近，而且需要浸入电解液。

通常电解液成分组成包括水、氧化性酸和溶媒。电解液的主要成分是氧化性酸；溶媒是用来冲淡酸液，并溶解在抛光过程中磨面所产生的薄膜。

电解抛光之后的器件内外色泽一致，光泽持久，表面抗腐蚀性强，并且可以加工硬、软质材料及其形状复杂和细小的零件。其生产效率高，成本低廉，抛光后的表面不会产生变质层，无残余应力，并可改善原有的应力层。但是由于电解抛光在抛光前较为复杂且电解液的强腐蚀性不好处理、使用寿命短和通用性较差，其应用范围受到了一定的限制。

2．5．4纳米抛光

纳米抛光即等离子纳米抛光，是在特有的在数控自动化设备中进行的。等离子体即物质的第四态，是使气态粒子部分电离的一种电磁气态放电现象。一般被电离的气体有原子、分子、原子团、离子和电子。电子会在高温高压下脱离原子核，这样原子核就变成了一个带正电的离子，等离子态就是这些离子的集合。等离子态有着很大的能量，当待抛光的器件和等离子和摩擦时，瞬时会使器件表面达到光滑亮泽的效果。

由于纳米抛光抛光液所用的氧化物硬度强，粒径小，所以抛光时不会产生划痕，与其它方法比较抛光效果更好。抛光后的器件表面既光亮美观又色泽鲜艳持久，而且起到清洁器件与磨具的作用防止器件的锈蚀。同时能软化器件表面这样就可以加速磨削，减少磨具对器件的冲击，进而改善了器件条件。但由于纳米抛光是新兴的一种抛光方式，还有很多问题需要解决。

2．5．5化学机械抛光

不同于传统的机械抛光和化学抛光，化学机械抛光CMP(Chemical Mechanical．Polishing)是依靠抛光液中磨粒的机械研磨作用和氧化剂的化学腐蚀作用，完成对器件表面的精密平坦化，进而克服了由单一机械抛光和化学抛光造成的表面损伤、抛光速度慢、表面粗糙度和厚度一致性差的缺点，CMP抛光效果如图2．11所示。本文抛光技术就是运用的摇摆式化学机械抛光技术并对其进行了优化

4．2减薄实验讨论

4．2．1磨料的选择

具体实验方法如下：

先用酒精反复擦拭玻璃板，待玻璃板干净无灰尘之后，将石蜡放到玻璃板上进行加热；待石蜡融化以后，将砷化镓衬底片粘贴到玻璃板上，如图所示；石蜡凝固后用厚度测量仪测出粘片后砷化镓衬底片边界和中心点的厚度，如图所示。然后取6组该样品并编号，分别用颗粒直径为0．13umSi02、3um的A1203粉和9um的A1203粉按照1：3的比例与去离子水混合。在减薄压力为200g／cm2、研磨垫转速为25RPM、室内

温度为20摄氏度的情况下分别用上述研磨液对砷化镓晶片进行30分钟的减薄，并对芯片的厚度和粗糙度进行测量，进而计算出TTv和MRR，这样重复做2回，最终确定了理想的减薄磨料。

我们得到的结论是在条件相同的情况下，颗粒直径越大，其微极性效应也就越大，进而材料的去除率越高。由于半导体激光器芯片减薄要求要有高的材料去除率和好的均匀一致性，所以我们选择了3um A1203的研磨粉。虽然用3um A1203粉的研磨粉进行减薄后的芯片能得到较好的TTV值，但是其去除速率仍然不能满足要求。为了同时达到较高的去除速率和均匀一致性，实验采取了粗磨和细磨搭配的工艺，先用9um A1203粉进行粗磨，待其快要到达理想厚度时，再用3um A1203粉进行少许细磨。这样就满足了半导体激光器芯

片减薄的要求。

以看到，随着减薄压力的增加，晶片表面粗糙度随之减小，压力是粗糙度的递减函数。不过，也可以看到，减薄压力在250g／cm2左右的时候，其表面粗糙度变化幅度较小。虽然压力在大于250g／cm2的时候，其粗糙度变化更小，但是由于压力过大，容易导致晶片被压碎，为了满足高速减薄和高成品率的要求，粗磨减薄压力在250g／cm2左右比较合适。

4．3本章小结

本章主要对半导体激光器芯片(材料为砷化镓)的减薄工艺进行了研究。首先对几种常用的减薄的研磨料进行了实验，通过对实验的分析，发现选用3um和9um的A1203粉研磨液比较合适。其次，不同减薄压力和减薄机转速下的芯片粗糙度进行了分析，并对其表面进行了SEM观测。最后本文发现，砷化镓芯片减薄的压力最好在250g／cm2左右，抛光机转速最好在30RPM，在这种条件下，芯片的表面特性比较理想，对以后的抛光工艺做好了铺垫。

5．2．1抛光垫的选取

实验室现有三种材质抛光垫，分别为聚氨酯、合成革和磨砂革(图5．1)。聚氨酯抛光垫的抛光速率较高，但易产生抛光雾；合成革抛光垫耐酸碱腐蚀，适用于化学机械抛光，但在过去的实验中发现效果并不理想。本文实验选用对于半导体材料晶片抛光效果较好的磨砂革抛光垫，其对酸碱的腐蚀也有一定耐受性，材质柔软，不易划伤抛光表面。

5．2．2抛光料的选取

化学机械抛光的抛光料主要包括抛光磨料和氧化剂。磨料不仅有机械研磨的作用，而且还要运输抛光液和废料的作用。抛光速率的大小和好坏也与磨料颗粒的大小、分布的均一性有关。磨料颗粒的直径一般在几十纳米，而且均一性要好。颗粒度大且均一性不好的磨料会引起芯片表面的抛光速率和所受压力分布的不均匀，影响抛光效果。一般情况下都是用A1203作为化学机械抛光中的磨料，可用来对半导体芯片和金属表面的抛光。常见的氧化铝CMP磨料包括Y．A1203和Q-A1203。由于Y．A1203比a．A1203的排列分散且稀松富有弹性，若用y．A1203作为磨料话，可降低芯片表面的损伤。除了这些有点外，Y．A1203还有活性强，吸附的功能，所以，若Y—A1203作为磨料，可以起到传送抛光料和去除废液和废料的作用。基于以上优点，y．A1203常用作化学机械抛光抛光液中的磨料。

而采用NaCl0溶液的氧化剂和y-A1203抛光磨料体系的抛光液，可使得芯片在抛光后获得令人满意的总厚度变化，而且最后得到的芯片厚度的一致性与表面均匀性良好，是优选的抛光液材料。

5．2．3抛光压力对芯片粗糙度以及残余应力的影响

实验方案、

取6片细磨后的砷化镓晶片，在室温下，使其分别在100 g／cm2、150 g／cm2、200g／cm2、250 g／cm2、3009／cm2、350 g／cm2的压力下进行抛光，抛光液使用实验室现有的含有NaCIO和氧化铝粉的化学机械抛光液，抛光时间均为2min，记录材料去除厚度。抛光后用去离子水冲洗，吹干，保存时尽量隔绝空气，并尽快利用台阶仪测试表面粗糙度，并用扫描电镜观测里其中三个具有代表性的样品，分析其产生的原因，最终得出较合适的抛光压力。

5．3本章小结

本章主要是对半导体激光器芯片抛光工艺的研究，首先对抛光垫和抛光液进行了优选，然后分析了抛光压力、抛光转速对芯片表面粗糙度和残余应力的影响，最后分析了粗粗度和残余应力对欧姆电阻的影响。本文发现对于砷化镓芯片，抛光压力和抛光转速对粗糙度来讲并非是越大越好，而残余应力的大小都是随着压力和转速的增加而增加的，欧姆电阻会随着粗糙度和残余应力的增加而增加。结果发现抛光压力控制在200．300g／cm2，抛光转速控制在30-40RPM之间最后的到的芯片质量较好。最后通过以上工艺的优化，使得芯片表面最终的粗糙度小于5nm和残余应力小于5MPa，欧姆电阻的大小也得到了进一步的降低。这也验证了，本文的理论和工艺优化对于半导体激光器的芯片加工来说是非常有益的。

第6章 结论与展望

本文是对传统的芯片减薄和抛光技术进行了改进，提出了摇摆式垂直切身进给减薄和摇摆式化学机械抛光的理论，并对这些工艺进行改进与优化，实现对结果的可控。本文所用的衬底片为砷化镓晶片，最终使得芯片厚度在100um以下、表面粗糙度为5nm以下、残余应力在-5MPa以下，欧姆电阻也得到了进一步的降低，和传统的方法

比实现了器件性能的提高。研究内容与结论如下：

一、在减薄工艺中，采取粗磨和精磨的工艺搭配，可以有效的提高减薄后芯片表面的质量。实验中选取了0．13um二氧化硅、9um和3um的氧化铝粉进行减薄，结果发现采用9um和3um的氧化铝进行的粗磨和精磨的工艺搭配，其去除速率较高，而且得到的表面均匀一致性就好。而在减薄压力和速率的选择上，通过在不同条件下的对比实验，结果发现对于砷化镓半导体激光器芯片，在室温条件其减薄压力250g／cm2，减薄机转速在30RPM的状态下芯片可以得到较好的表面质量和均匀一致性。

二、在抛光工艺中，选取NaOCl溶液和A1203粉的混合液作为抛光剂优于其它搭配。室温下，抛光压力在200-300g／cm2之间，抛光转速在30—40RPM之间可以获得芯片表面良好的粗糙度和较低的残余应力，也验证了颗粒微极性模型和CMP中优先吸附的理论模型。后续电极制作中欧姆电阻的数量级也降低到了10-6以下，进而降低了半导体激光器工作中会产生的热量。

本文虽然对砷化镓半导体激光器的制作提供了一些技术支持，但是由于实验条件有限和现有理论的不完善，在半导体激光器芯片减薄、抛光工艺中还有很多需要解决的问题。比如说不能同时控制抛光液的PH值和在抛光结束的同时清洗抛光后芯片上的残留抛光液等等。相信随着半导体激光器芯片工艺的向前发展，这些问题在理论和技术上都会得到很快的解决。

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