CN100397585C - 半导体激光用单晶晶片 - Google Patents

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Abstract

提供通过光学式的定位方式提高以劈开面作为基准的调合掩模图形时的精度及可以实现提高工序合格率的半导体激光单晶晶片。提供一种半导体激光用单晶晶片，将由劈开形成取向平面的晶片的表面用高硬度的研磨布且在适当地按压晶片压力及研磨速率下，使晶片表面的中心部与外周部的研磨速率相同地研磨，从而使其成为具有劈开面上的棱线部的弧度变小的、小于等于40μm的取向平面部。

Description

半导体激光用单晶晶片
技术领域
本发明涉及半导体激光用单晶晶片，特别涉及其形成取向平面的劈开面的棱线部的断面形状。
背景技术
半导体晶片被作为基板用于肖特基势垒栅场效应晶体管(MESFET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)、异质接合双极晶体管(HBT)、其他激光二极管(LD)或发光二极管(LED)等装置。这些元件的能动层是在由半导体晶片制造的镜面晶片的表面上通过分子束外延成长(MBE)、有机金属气相外延成长(MOVPE)法及离子渗入法等形成。
制造该镜面晶片时，首先，将结晶锭按照规定的厚度切薄，切出晶片。将该切薄的晶片用#800～#3000的氧化铝研磨粉研磨除去沟槽痕迹，提高平坦性。  然后，作为研磨液使用次亚氯酸系水溶液、或次亚氯酸系水溶液和砂粒(二氧化硅、氧化铝、锆)的混合液，或者用表面具有多孔质层的研磨布，通过机械化学研磨精制成镜面，即进行所谓抛光。其次，按规定的方法将该镜面洗净，使其干燥。干燥后的镜面晶片放入晶片皿或晶片盒存放。
另一方面，化合物半导体晶片在被用于半导体激光等时，因为需要其共振面有良好的平坦度、因为判别结晶方位或调合位置、重合焦点等原因，作为该基准面有劈开面的情况。特别是用于激光的产品的取向平面(OF部)或导向平面(IF部)为劈开式的。这是为了在制作半导体激光二极管时，在晶片上形成外延层后，有必要正确地沿劈开面切出芯片，以在劈开面上形成的取向平面或导向平面为基准，调和角度。
该OF部的劈开面的形成过程如图4所示，图4(A)中，将单晶结晶锭切薄，得到具有OF部1a、IF部1b的薄晶片1后，用金刚石笔如图4(B)所示在晶片表面或背面刻上短痕2，并在那里施加应力，如图4(C)所示在点线3的位置上切割而得。其后，通过留下劈开面并将切割时的凹凸除去得到平面(图4(D))来形成良好的劈开面4(OF劈开面)，从而得到规定的半导体激光用单晶晶片5。
图5表示用上述半导体激光用单晶晶片5制造半导体激光二极管(LD)芯片6工序的概要。这里以GaAs单晶晶片作为代表例。该LD芯片6如图5(b)～(e)所示，经过(1)外延成长、(2)形成条纹构造、(3)形成电极、(4)形成激光条(劈开端面条码)、(5)形成芯片(切割成片)、(6)芯片组装各工序制造而成。
在半导体激光二极管上将构成共振器的光导波路做入半导体结晶中。该光导波路是宽度为数μm，长为数百μm的细长形状，在LD芯片的两端形成反射镜。对具有(100)面表面的GaAs单晶晶片，使其导波路的长度方向在与取向平面(OF：<011>面)相垂直的方向上形成。该反射镜是通过III-V族化合物半导体工程特有的“劈开”而自动形成的。
这样，在制造半导体激光芯片时，在GaAs单晶晶片上以[011]方向的劈开面为基准，与之垂直劈开切出的芯片来作为共振面使用。因此，在形成掩模图形时，确保劈开面和掩模图形的平行性是非常重要的，通常是用显微镜来调合OF劈开面与掩模图形的位置。
另外，作为形成取向平面自身的技术，到目前为止是用光学的方法来调合角度，例如在用显微镜来调合角度时，因为取向平面部的断面形状成为曲线，从表面看到的状态下，在取向平面部调合显微镜观察像的焦点变得困难，角度调合的精度不好，为了调合图形时便于调合焦点，提出了一种具有在取向平面部不实施取面，在只对侧面作了机械加工的半导体晶片(参照特开2000-068171号公报)、或通过单晶锭的圆筒切削工程形成取向平面后，测定取向平面的结晶方位的误差，通过机械加工修正上述误差的取向平面部的半导体晶片(参照特开2001-351836号公报)。
发明内容
但是，特开2000-068171号公报、特开2001-351836号公报没有涉及上述抛光与由此在晶片外周部的OF劈开部得到的端面弧度的关系。这里所谓“端面弧度”是指图6所示的OF劈开面4的棱线部(镜面7和OF劈开面4的棱角)的圆弧，表示从镜面7开始沿劈开面4测量的OF劈开面4上的弯曲部与平坦面部的边缘为止的长度D。
根据本发明人的研究，发现如下问题：由于抛光对表面所作镜面的精密研磨条件不稳定。例如，研磨液的旋转流入不均匀的话，就会发生晶片的贴片的定盘面内的研磨速率不稳定。另外向定盘粘贴的晶片张数不同，从而引起晶片的加工压力发生变化。由于这种研磨条件的不稳定，在包括OF劈开部的晶片外周部导致端面弧度(D＞40μm，参照图6)，因此掩模图形调合时显微镜与OF劈开面的焦点重合变得困难，定位精度降低。
本发明的目的是解决上述课题，提供通过光学式的定位(alignment)方式提高以劈开面作为基准的调合掩模图形时的精度及可以实现提高工序合格率的半导体激光单晶晶片。
为了达到上述目的，本发明为如下结构。
权利要求项1的发明涉及半导体激光用单晶晶片，其特征在于，将由劈开形成取向平面的晶片表面用高硬度的研磨布并且在适当地按压晶片压力及研磨速率下，使晶片表面的中心部与外周部以相同的研磨速率研磨，从而使其具有在劈开面上的棱线部的弧度变小的取向平面部。
权利要求项2的发明的特征在于，在权利请求项1所记载的半导体激光用单晶晶片中，上述研磨布的硬度以Asker-C为基准为75～79，按压晶片压力为80～50g/cm2，及研磨速率为4～2μm/min。
权利请求项3的发明的特征在于，在权利请求项1或2所记载的半导体激光用单晶晶片中，形成的上述取向平面的劈开面上的棱线部的弧度小于等于40μm。
权利请求项4的发明的特征在于，在权利请求项1或2所记载的半导体激光用单晶晶片中，形成的上述取向平面的劈开面上的棱线部的弧度小于等于20μm。
权利请求项5的发明的特征在于，在权利请求项1至4的任意一项所记载的半导体激光用单晶晶片中，上述半导体激光用单晶晶片的材质为III-V族或II-IV族化合物半导体。
在对DVD、CD用LD组件要求质量、降低价格的进程中，由图形的错位引起的合格率降低成为问题。调查原因后发现，在从晶片表面看到的外周部约250μm范围的端面弧度对合格率有较大的影响。特开2000-068171号公报、特开2001-351836号公报中没有在微观层面进行说明，没有规定研磨条件，所以在机械研磨中控制缩小外周部的250μm部的弧度是困难的，在现在的LD芯片的制造工艺过程中，有可能引起合格率的降低。
为了解决上述定位精度低下的问题，本发明可以提供一种半导体激光用单晶晶片，其作为半导体晶片的结构，OF劈开部的棱线部的弧度为小于等于40μm。另外为了提高定位精度，使劈开部的棱线部的弧度更小，最好将其控制在小于等于20μm。
作为用于半导体激光的晶片形状，因为本发明提供的是一种OF劈开部的棱线部的弧度例如为小于等于40μm和小的半导体激光用单晶晶片，可以通过使用此晶片，用光学式的定位方式提高调合掩模图形时的精度及实现提高制造LD芯片工序的合格率。
附图说明
图1表示本发明所涉及的无定位不良的半导体激光用单晶晶片的端面弧度的状态，(a)为平面图，(b)为劈开面上的棱线部部分的扩大图。
图2是半导体激光用单晶晶片的研磨工序的示意图。
图3是本发明的实施例1、2及比较例的表示图，表示改变研磨的3个条件研磨的晶片的劈开面的端面弧度和外延成长后不良定位的发生几率。
图4是表示形成半导体激光用单晶晶片的劈开面工序的示意图。
图5表示一般的半导体激光用单晶晶片的形状和由该晶片制造LD芯片的工序。
图6表示现有技术所涉及的发生定位不良的半导体激光用单晶晶片的端面弧度的状态，(a)为平面图，(b)为劈开面上的棱线部部分的扩大图。
其中，
1薄晶片
1aOF部
1bIF部
2短痕(切痕)
3点线
4劈开面
5半导体激光用单晶晶片
6LD芯片
7镜面
8研磨布
9定盘
10晶片保持盘
11研磨床
12驱动轴
具体实施方式
以下在图示的实施方式的基础上对本发明进行说明。
图1表示本发明无定位不良的半导体激光用单晶晶片的端面弧度的状态，图2表示晶片的研磨工序中加工压力与端面弧度的关系。
现有技术中，由于抛光对表面所作镜面的精密研磨条件不稳定，在包括OF劈开部的晶片外周部导致端面弧度(D＞40μm，参照图6)，掩模图形调合时显微镜与劈开面的焦点重合变得困难，定位精度降低。调查该抛光的研磨条件与端面弧度的关系后发现，作为发生端面弧度的机理，(1)研磨布的硬度、(2)研磨速率、(3)研磨按压压力这3点对晶片外周部的端面弧度的形状影响很大。
这里，用于抛光的研磨装置，如图2所示，具有上面粘贴了研磨布8的可旋转定盘9和带有与该定盘9对面设置的晶片保持盘10的研磨床11，研磨时从研磨液供给管向研磨布8上供给研磨液，同时用保持蜡(晶片粘接剂)在保持盘10的保持面上保持多个半导体激光用单晶晶片5，对该研磨床11加压，将晶片表面向研磨布8按压研磨。另外，12为研磨床11的驱动轴。
上述研磨装置中，一般来说，如图2(a)所示，研磨液从晶片外周部流入进行研磨，所以各半导体激光用单晶晶片5的外周部的研磨速率有增大的倾向。但是，发明人发现了对于上述研磨条件的3个要素，作为研磨布8采用高硬度的研磨布，使对半导体激光用单晶晶片5施加的按压力均匀，使对晶片的按压压力、研磨速率最佳，从而可以控制各半导体激光用单晶晶片5的中心部与外周部的研磨速率。另外，如图2(b)所示，成功地开发了可以控制晶片外周的OF劈开面上端面弧度D使D≤40μm的技术。另外，图2(c)对晶片的按压压力较大，所以半导体激光用单晶晶片5的中心变薄。
即，对由劈开形成取向平面的半导体激光用单晶晶片5的表面，用高硬度的研磨布8且在最佳的晶片按压压力及研磨速率下研磨使晶片表面的中心部与外周部以相同的研磨速率进行研磨，可以得到在OF劈开面4上具有棱线部的弧度(端面弧度D)变小的取向平面部的半导体激光用单晶晶片。
具体的研磨条件，例如以Asker-C为基准为75～79，晶片按压压力为80～50g/cm2及研磨速率为4～2μm/min。
在半导体激光用单晶晶片的OF劈开面的部分，为了调合光学膜片的位置，因为显微镜对调合焦点的精度要求较高，抛光时比现有技术要求更高的晶片平坦度、也就是说所要求的精度是OF劈开面与镜面7间形成准确的直角。这里，上述的3个参数作为最佳值，研磨布8的硬度以Asker-C为基准为75～79，晶片按压压力为80～50g/cm2及研磨速率为4～2μm/min时，OF劈开面4的端面弧度可控制在小于等于40μm。其中特别是可以达到研磨布8的硬度以Asker-C为基准为79，晶片按压压力为50g/cm2及研磨速率为2μm/min时，OF劈开面4的端面弧度D可控制在小于等于20μm。这样，通过光学式的定位方式可提高掩模图形的调合合格率至98～100％。
以下，说明本发明的实施例。
如图3所示，关于上述3个参数(研磨布的硬度，研磨速率，研磨按压压力)，比较例1、实施例1、实施例2分别改变研磨条件，制成直径为7.62cm(3英寸)的n型GaAs基板构成的半导体激光用单晶晶片，对各晶片的OF劈开面的端面弧度D的关系进行了研究。另外，在得到的半导体激光用单晶晶片的镜面上用MOVPE法使AlGaAs系能动层成长，观察LD芯片时的定位不良率。其结果如图3所示。
比较例的研磨条件是研磨布8的硬度以Asker-C为基准为71(作为研磨布来说较软)，晶片按压压力为100g/cm2(高加压压力)及研磨速率为5μm/min(高研磨速率)。这时OF劈开面4的端面弧度D为超过45μm的形状，定位不良率较大为40～60％。
与此相比，实施例1的研磨条件是研磨布8的硬度以Asker-C为基准为75(研磨布硬度中等)，晶片按压压力为80g/cm2(加压压力中等)及研磨速率为4μm/min(研磨速率中等)，这时OF劈开面4的端面弧度D为30～35μm的小形状，定位不良率较小，为5～10％。
实施例2的研磨条件是研磨布8的硬度以Asker-C为基准为79(研磨布硬度较硬)，晶片按压压力为50g/cm2(加压压力中等)及研磨速率为2μm/min(研磨速率慢)，这时OF劈开面4的端面弧度D为15～20μm的小形状，定位不良率不足1％。
从上述结果可知，如果端面弧度D超过45～50μm，则定位不良率增大，端面弧度控制在20μm以下时，定位不良率有降低到1％以下的倾向。
另外，上述实施方式中，作为半导体激光用单晶晶片举一个III-V族化合物半导体GaAs晶片的例子进行了说明，但本发明并不限于此，还可适用于InP、GaN等其他III-V族、II-IV族化合物半导体晶片。

Claims (4)

1.半导体激光用单晶晶片的制造方法，其特征在于，将由劈开形成取向平面的晶片表面用硬度以Asker-C为基准为75～79的研磨布，并且在80～50g/cm2的晶片压力及4～2μm/min的研磨速率下，使晶片表面的中心部与外周部以相同的研磨速率研磨，从而使其具有在劈开面上的棱线部的弧度变小的取向平面部。
2.根据权利要求1所记载的半导体激光用单晶晶片的制造方法，其特征在于，形成上述取向平面的劈开面上的棱线部的弧度小于等于40μm。
3.根据权利要求1所记载的半导体激光用单晶晶片的制造方法，其特征在于，形成上述取向平面的劈开面上的棱线部的弧度小于等于20μm。
4.根据权利要求1至3的任意一项所记载的半导体激光用单晶晶片的制造方法，其特征在于，上述半导体激光用单晶晶片的材质为III-V族或II-IV族化合物半导体。
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