CN113699488A - 一种半导体激光器芯片腔面的镀膜方法 - Google Patents

一种半导体激光器芯片腔面的镀膜方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于半导体激光器端面镀膜技术领域，具体涉及一种半导体激光器芯片腔面的镀膜方法，包括如下步骤：1）对待镀膜的芯片进行Bar条解理，夹条，并快速放进蒸发镀膜设备内，抽真空；2）对芯片的出光腔面进行离子源预清洗处理；3）在芯片的出光腔面上镀高增透膜系，高增透膜系至少包括第一Al层和第一AlOX层；具体是先镀Al层，然后利用离子源通入O2进行氧化处理；4）对芯片的背光腔面进行离子源预清洗处理；5）在芯片的背光腔面上镀高反膜系，反膜系至少包括第二Al层和第二AlOX层；先镀Al层，然后利用离子源通入O2进行氧化处理。本发明在芯片前后腔面镀Al层并进行部分氧化，达到保护激光半导体腔面的效果，进而避免腔面因氧化造成的可靠性问题。

Description

一种半导体激光器芯片腔面的镀膜方法
技术领域
本发明属于半导体激光器端面镀膜技术领域，具体涉及一种半导体激光器芯片腔面的镀膜方法。
背景技术
为了提升半导体激光器芯片的使用寿命，提高产品的可靠性能力，需要对芯片的前后腔面进行镀膜处理，实现对腔面的保护以及通过腔面不同膜层特性，实现对于激光器阈值的降低和功率的提升目的；尤其是随着目前高速率芯片在掺杂时普遍采用InGaAlAs结构，Al在空气中极易氧化，解理形成的腔面受到氧化后极易形成氧化物缺陷，导致激光器在运行过程中容易在缺陷处形成热量堆积，对腔面的膜层质量造成影响，增大了膜层失效风险，直接导致激光器性能不稳定，产品可靠性能力变差，直接影响产品使用寿命；同时，对于含Al结构的芯片而言，其腔面膜系的结构，膜层的形貌好坏，以及其稳定的光学性能都是直接影响激光器芯片的重要因素，它可以让芯片的性能可靠性更加稳定，耐冲击更强，出光更加平稳，寿命更长。
因此有必要设计一种可以保护半导体激光器芯片腔面并提升其可靠性的镀膜方法，以克服上述问题。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种半导体激光器芯片腔面的镀膜方法，在芯片前后腔面采用镀Al层并进行部分氧化的膜系结构，利用Al层良好的耐腐蚀和抗氧化性能，当它直接与腔面接触时，能起到很好的保护作用，从而达到保护激光半导体腔面的效果，进而避免腔面因氧化造成的可靠性问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为一种半导体激光器芯片腔面的镀膜方法，包括如下步骤：
1）对待镀膜的芯片进行Bar条解理，夹条，并快速放进蒸发镀膜设备内，抽真空；
2）对芯片的出光腔面进行离子源预清洗处理；
3）在芯片的出光腔面上镀高增透膜系，所述高增透膜系至少包括依次镀覆在所述出光腔面上的第一Al层和第一AlOX层；具体是先镀Al层，然后利用离子源通入O2进行氧化处理；
4）对芯片的背光腔面进行离子源预清洗处理；
5）在芯片的背光腔面上镀高反膜系，所述高反膜系至少包括依次镀覆在所述背光腔面上的第二Al层和第二AlOX层；具体是先镀Al层，然后利用离子源通入O2进行氧化处理。
进一步地，步骤3）和步骤5）中，先镀的Al层的厚度为7~9nm。
进一步地，步骤3）和步骤5）中，利用离子源通入O2进行氧化处理的时间为100s。
进一步地，步骤3）中，所述高增透膜系还包括依次镀覆在所述第一AlOX层上的第一Al2O3层和TiO2层。
进一步地，步骤5）中，所述高反膜系还包括依次镀覆在所述第二AlOX层上的第二Al2O3层、第一Si层、第三Al2O3层和第二Si层。
进一步地，步骤3）和步骤5）中，采用E-Gun蒸发镀膜，工艺条件为：离子源能量为120V/4A，离子源气体为Ar气，Al镀率为3A/s-5A/s。
进一步地，步骤3）和步骤5）中，镀Al层时蒸发镀膜设备腔体内保持50℃以下。
进一步地，步骤2）和步骤4）中，离子源预清洗处理具体为：待真空度达到2.0-5.0×10-6Torr时，使用Hall离子源通入氩气，离子源阳极电压控制为100-150V，阳极电流控制为3-5A，处理时间为150-300s。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明在出光腔面和背光腔面形成的Al层及其氧化层，不仅在激光器芯片的腔面附着力好，而且膜层致密性好，膜层形貌好，能够有效进行腔面保护，防止产品因腔面氧化而带来的可靠性问题；
（2）本发明通过先在腔面镀较厚的Al层，然后使用O离子对Al层表面进行渗氧氧化，形成AlOX，通过固定渗氧工艺时间和离子源能量，调整Al层厚度以达到工艺要求，实现稳定的工艺控制和可重复性，有效解决现有电子枪蒸发工艺在膜层较薄时膜层厚度难以控制以及均一性和重复性难以保证的问题；
（3）本发明通过Al层渗氧工艺能对产品腔面起到极佳的保护作用，得到形貌较好的端面膜层，使整个膜系的性能更加稳定，起到隔绝水气以及氧气渗透腔面的作用，进而提升激光器芯片的使用寿命和可靠性能力，对产品的长期老化性能和抗静电ESD能力有较好的改善作用；
（4）本发明出光腔面的高增透膜系可以满足产品-40°~85°的光谱稳定性，增加芯片的使用范围；
（5）本发明的膜系对1270m-1650nm波段均适用；
（6）本发明在镀膜前对腔面进行离子源预清洗处理，离子束的清洗作用，可以有效的去除基片物理吸附的各种杂质，同时能去除腔面表面因氧化形成的缺陷；并且由于离子束的低能量特性，在进行有效清洁的同时，也不会对芯片腔面造成损伤，影响到其性能和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明出光端高增透膜系的膜层示意图；
图2为Al层渗氧示意图；
图3为不同实验条件长期老化结果对比图；
图4为有无Al层渗氧工艺的SEM形貌对比图；
图5为不同实验条件老化后静电击伤ESD能力对比图；
图6为不同Al层厚度对产品性能影响图；
图7为不同Al层厚度对产品静电击伤ESD性能影响图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图2所示，本发明实施例提供一种半导体激光器芯片腔面的镀膜方法，包括如下步骤：
1）对待镀膜的芯片进行Bar条解理，夹条，在夹条过程中需减少Bar条在空气中的暴露时间，并快速放进蒸发镀膜设备内，抽真空；
2）对芯片的出光腔面进行离子源预清洗处理；
3）在芯片的出光腔面上镀高增透膜系，所述高增透膜系至少包括依次镀覆在所述出光腔面上的第一Al层和第一AlOX层；具体是先镀7~9nm厚的Al层，镀Al层时蒸发镀膜设备腔体内保持常温（50℃以下），然后利用离子源通入O2进行100s氧化处理，在其表面形成第一AlOX层；
4）对芯片的背光腔面进行同样时间的离子源预清洗处理；
5）在芯片的背光腔面上镀高反膜系，所述高反膜系至少包括依次镀覆在所述背光腔面上的第二Al层和第二AlOX层；具体是先镀7~9nm厚的Al层，镀Al层时蒸发镀膜设备腔体内保持常温（50℃以下），然后利用离子源通入O2进行100s氧化处理，在其表面形成第二AlOX层。
本实施例采用渗氧工艺在出光腔面和背光腔面形成的Al层及其氧化层，由于Al层外端被氧化形成AlOX，在实现对腔面极佳的保护作用的同时，不会因为Al层对芯片性能造成影响，同时Al层具备良好的膜层附着力，优异的机械强度和较好的化学稳定性，也进一步提高膜系的可靠性；且前后腔面均镀Al层及其氧化层，效果更加。
本实施例在出光腔面和背光腔面上先镀的Al层厚度在7-9m之间，厚度过厚会直接导致光在激光器无法正常发出，直接影响激光器性能参数；厚度过薄，会导致Al层被完全氧化，形成Al2O3，导致腔面保护效果不佳，影响到整体膜系透过率和膜层可靠性，进而影响激光器性能和可靠性。
作为本发明实施例的优化方案，所述高增透膜系还包括依次镀覆在所述第一AlOX层上的第一Al2O3层和TiO2层。
作为本发明实施例的优化方案，所述高反膜系还包括依次镀覆在所述第二AlOX层上的第二Al2O3层、第一Si层、第三Al2O3层和第二Si层。
作为本发明实施例的优化方案，步骤3）和步骤5）中，采用E-Gun蒸发镀膜，工艺条件为：离子源能量为120V/4A，离子源气体为Ar气，Al镀率为3A/s-5A/s。本发明的Al膜层在进行蒸镀时镀率不能过低，在3A/s-5A/s最佳，同时利用离子束镀膜进行改善膜层质量；蒸发速率的大小，直接影响到膜层的结构和质量，当沉积速率慢时，临界核少，生长慢，吸附原子在平均滞留时间内，能充分地沿表面移动，在适合生长的位置，形成岛状结构，并捕获飞来的分子、原子再继续生长成膜，但是这些膜的颗粒粗大，间隙很多；当沉积速率快时，临界核多，很快地普遍生长成颗粒，但颗粒不大，容易连接成致密的薄膜，提高沉积速率，膜料中含残余气体的量相对减少，对膜层的污染也就减小，所以我们对Al层的沉积速率要求在3A/s-5A/s；对于离子束辅助镀膜，在辅助沉积过程中，由于荷能离子对膜层粒子的动量传递，增加了膜料离子的能量和迁移率，是膜层中的柱状结构被破坏，空隙被填充，提高薄膜的聚集密度，从而改善膜系光谱性能的稳定性和镀膜工艺的稳定性。
作为本发明实施例的优化方案，步骤2）和步骤4）中，离子源预清洗处理具体为：待真空度达到2.0-5.0×10-6Torr时，使用Hall离子源通入氩气，离子源阳极电压控制为100-150V，阳极电流控制为3-5A，处理时间为150-300s。本实施例采用该工艺条件对芯片的出光腔面和背光腔面进行等离子预清洗处理，实现镀膜前状态极好的端面情况，同时也不会对芯片的腔面造成损伤。
以下为结合具体实验对本发明的验证过程详细举例说明，激光器衬底为InGaAlAs，使用波段为1310nm的DFB激光器。
实施例1
一种半导体激光器芯片腔面的镀膜方法，包括如下步骤：
1）对待镀膜的芯片进行Bar条解理，夹条，并快速放进蒸发镀膜设备内（保证产品在解理后尽可能短时间暴露在空气之中），抽真空，保证高真空环境，减少工艺杂质气体，提升产品表面活性；
2）对芯片的出光腔面进行离子源预清洗处理；具体工艺为：待设备内真空度达到2.5×10-6Torr时，使用Hall离子源通入氩气，离子源阳极电压控制为120V，阳极电流控制为4A，中和电流控制为260mA，处理时间为200s；采用该工艺条件进行等离子处理，达到极佳的腔面表面清洁效果，并且不会造成芯片腔面的损伤；
3）在芯片的出光腔面上镀高增透膜系，所述高增透膜系包括依次镀覆在所述出光腔面上的第一Al层、第一AlOX层、第一Al2O3层和TiO2层，如图1所示；具体是先电子束蒸发镀8nm厚的Al层，镀Al层时蒸发镀膜设备腔体内保持常温，然后利用离子源通入O2进行100s氧化处理，在其表面形成第一AlOX层，接着镀第一Al2O3层和TiO2层，形成Al/AlOX/Al2O3/TiO2的高增透膜系；其中，蒸发过程中离子源辅助能量为120V/4A，离子源中和电流控制为260mA；
4）在芯片镀完出光腔面后，对芯片的背光腔面进行同样时间的离子源预清洗处理，清洗工艺同步骤2）；
5）在芯片的背光腔面上镀高反膜系，所述高反膜系包括依次镀覆在所述背光腔面上的第二Al层、第二AlOX层、第二Al2O3层、第一Si层、第三Al2O3层和第二Si层；具体是先电子束蒸发镀8nm厚的Al层，镀Al层时蒸发镀膜设备腔体内保持常温，然后利用离子源通入O2进行100s氧化处理，在其表面形成第二AlOX层，接着镀第二Al2O3层、第一Si层、第三Al2O3层和第二Si层，形成Al/AlOX/Al2O3/Si/Al2O3/Si的高反膜系。其中，蒸发过程中离子源辅助能量为120V/4A，离子源中和电流控制为260mA。
实施例2
对实验的产品进行长期老化性能测试，实验分为四组，四组实验产品的制作方法同实施例1，不同之处在于：
实验一为实验组：出光腔面和背光腔面均采用Al层渗氧工艺，其中出光腔面的膜系结构为Al/AlOX/Al2O3/TiO2，背光腔面的膜系结构为Al/AlOX/Al2O3/Si/Al2O3/Si，芯片随机挑选20pcs；
实验二为对照组：出光腔面采用Al层渗氧工艺，其中出光腔面的膜系结构为Al/AlOX/Al2O3/TiO2，背光腔面的膜系结构为Al2O3/Si/Al2O3/Si，芯片随机挑选20pcs；
实验三为对照组：背光腔面采用Al层渗氧工艺，其中出光腔面的膜系结构为Al2O3/TiO2，背光腔面的膜系结构为Al/AlOX/Al2O3/Si/Al2O3/Si，芯片随机挑选20pcs；
实验四为对照组：出光腔面和背光腔面均未采用Al层渗氧工艺，其中出光腔面的膜系结构为Al2O3/TiO2，背光腔面的膜系结构为Al2O3/Si/Al2O3/Si，芯片随机挑选20pcs；
测试方法：将四组实验的产品进行To封装后，放入老化箱进行老化，实验条件为：老化温度为100℃，电流为100mA，老化时间为1008h；
老化实验主要对比经过长时间老化后不同实验组失效比例，以此来验证不同实验组对产品老化性能的影响，如图3所示。从四组实验老化结果可以看出，短期老化时间内，四组实验均无差别，随着老化时间的延长，实验组一明显更有优势，同时，只对其中一端腔面采用Al层渗氧工艺也要优于无Al层渗氧工艺对照组；由此可见，Al层渗氧工艺在改善产品长期老化性能方面有相当明显的作用；
实施例3
对实验的产品进行SEM形貌分析，实验分两组，两组组实验产品的制作方法同实施例1，不同之处在于：
实验一为实验组：出光腔面和背光腔面均采用Al层渗氧工艺，其中出光腔面的膜系结构为Al/AlOX/Al2O3/TiO2，背光腔面的膜系结构为Al/AlOX/Al2O3/Si/Al2O3/Si，芯片随机挑选20pcs；
实验二为对照组；出光腔面和背光腔面均未采用Al层渗氧工艺，其中出光腔面的膜系结构为Al2O3/TiO2，背光腔面的膜系结构为Al2O3/Si/Al2O3/Si，芯片随机挑选20pcs；
在每组实验中经过测试，外观分选正常的芯片中，随机挑选，对芯片的出光端和背光端进行SEM形貌分析，如图4所示。从外观形貌可以看出，有Al层渗氧工艺的实验，出光腔面和背光腔面形貌明显优于正常对照组，膜层无明显大颗粒状，整体的粗糙度有明显改善，表面光滑平整，而正常对照组表面形貌粗糙，晶粒粗大，膜层的柱状晶结构明显，由此可见，采用Al层渗氧工艺能有效对腔面起到保护作用，防止腔面出现氧化异常，提高产品可靠性性能。
实施例4
对实验的产品进行老化后ESD静电击伤实验，实验分为四组，四组实验产品的制作方法同实施例1，不同之处在于：
实验一为实验组：出光腔面和背光腔面均采用Al层渗氧工艺，其中出光腔面的膜系结构为Al/AlOX/Al2O3/TiO2，背光腔面的膜系结构为Al/AlOX/Al2O3/Si/Al2O3/Si，芯片随机挑选20pcs；
实验二为对照组：出光腔面采用Al层渗氧工艺，其中出光腔面的膜系结构为Al/AlOX/Al2O3/TiO2，背光腔面的膜系结构为Al2O3/Si/Al2O3/Si，芯片随机挑选20pcs；
实验三为对照组：背光腔面采用Al层渗氧工艺，其中出光腔面的膜系结构为Al2O3/TiO2，背光腔面的膜系结构为Al/AlOX/Al2O3/Si/Al2O3/Si，芯片随机挑选20pcs；
实验四为对照组；出光腔面和背光腔面均未采用Al层渗氧工艺，其中出光腔面的膜系结构为Al2O3/TiO2，背光腔面的膜系结构为Al2O3/Si/Al2O3/Si，芯片随机挑选20pcs；
测试方法：将四组实验的产品进行To封装后，放入老化箱进行老化，实验条件为：老化温度为100℃，电流为100mA，老化时间为72h；将老化后的产品进行ESD测试，电压起始400V，以100V每档依次增加，模仿静电击伤，随着电压升高，产品开始失效，主要表现为Ith变化超过10%为失效，实验结果如图5所示。可以看出，采用Al层渗氧工艺的实验一在1200V均能保证无异常，1300V开始出现90%良率，之后开始失效增加，而正常对比实验组600V无法100%全部通过。由此可见，采用Al层渗氧工艺能大幅提升产品的抗静电能力。
实施例5
验证不同Al层厚度对产品性能影响，实验分为十组，十组实验产品的制作方法同实施例1，不同之处在于：
实验一：在芯片出光腔面和背光腔面均镀上厚度为4nm的Al层并进行100S的氧化处理，其中出光腔面的膜系结构为Al/AlOX/Al2O3/TiO2，背光腔面的膜系结构为Al/AlOX/Al2O3/Si/Al2O3/Si，将镀膜完成的产品送去解个，测试，确认整体性能良率；
实验二至实验十分别为将Al层厚度控制在5nm，6nm，7nm，8nm，9nm，10nm，11nm，12nm，13nm，其余条件不变化，镀膜完成后，将产品送去解个，测试，确认每组实验的整体良率；
将每组实验内测试合格产品，每批次进行To封装20只，进行72h老化后ESD测试，电压起始400V，以100V每档依次增加，模仿静电击伤，实验结果如图6和图7所示。
从图6可以看出，随着Al层厚度的增加，产品整体良率在先保持整体平稳，而后聚集下降；在Al层厚度在4-10nm之间时，产品整体良率有着比较好的一个表现，表明膜系整体透过处于逐渐优化阶段；当厚度超过10nm后，整体良率急剧下降，甚至无良率，表明Al厚度过后时，会导致激光器无法正常发光。从图7可以看出，在Al层厚度超过10nm后，产品可靠性性能较差，这与前面性能变差规律一致；综上可以得出，将Al层厚度控制在7nm-9nm之间会得到一个比较好的性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种半导体激光器芯片腔面的镀膜方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）对待镀膜的芯片进行Bar条解理，夹条，并快速放进蒸发镀膜设备内，抽真空；
2）对芯片的出光腔面进行离子源预清洗处理；
3）在芯片的出光腔面上镀高增透膜系，所述高增透膜系至少包括依次镀覆在所述出光腔面上的第一Al层和第一AlOX层；具体是先镀Al层，然后利用离子源通入O2进行氧化处理；
4）对芯片的背光腔面进行离子源预清洗处理；
5）在芯片的背光腔面上镀高反膜系，所述高反膜系至少包括依次镀覆在所述背光腔面上的第二Al层和第二AlOX层；具体是先镀Al层，然后利用离子源通入O2进行氧化处理。
2.如权利要求1所述的一种半导体激光器芯片腔面的镀膜方法，其特征在于：步骤3）和步骤5）中，先镀的Al层的厚度为7~9nm。
3.如权利要求1所述的一种半导体激光器芯片腔面的镀膜方法，其特征在于：步骤3）和步骤5）中，利用离子源通入O2进行氧化处理的时间为100s。
4.如权利要求1所述的一种半导体激光器芯片腔面的镀膜方法，其特征在于：步骤3）中，所述高增透膜系还包括依次镀覆在所述第一AlOX层上的第一Al2O3层和TiO2层。
5.如权利要求1所述的一种半导体激光器芯片腔面的镀膜方法，其特征在于：步骤5）中，所述高反膜系还包括依次镀覆在所述第二AlOX层上的第二Al2O3层、第一Si层、第三Al2O3层和第二Si层。
6.如权利要求1所述的一种半导体激光器芯片腔面的镀膜方法，其特征在于：步骤3）和步骤5）中，采用E-Gun蒸发镀膜，工艺条件为：离子源能量为120V/4A，离子源气体为Ar气，Al镀率为3A/s-5A/s。
7.如权利要求1所述的一种半导体激光器芯片腔面的镀膜方法，其特征在于：步骤3）和步骤5）中，镀Al层时蒸发镀膜设备腔体内保持50℃以下。
8.如权利要求1所述的一种半导体激光器芯片腔面的镀膜方法，其特征在于：步骤2）和步骤4）中，离子源预清洗处理具体为：待真空度达到2.0-5.0×10-6Torr时，使用Hall离子源通入氩气，离子源阳极电压控制为100-150V，阳极电流控制为3-5A，处理时间为150-300s。
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