CN114486926B - 半导体激光芯片失效分析方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种半导体激光芯片失效分析方法。其中，所述方法包括：去除半导体激光芯片的衬底，直至露出所述半导体激光芯片的外延层；通过显微镜的暗场模式观察所述外延层，分析得出失效部位。由于无需专门设备，仅使用显微镜即可解决激光芯片失效模式分析问题，从而降低了高功率半导体激光芯片失效分析成本；并且，显微镜是常用工具，不像专门设备，操作简单，无需专业技术人员即可操作，降低了高功率半导体激光芯片失效的门槛。并且，通过显微镜的暗场模式来直接观察所述外延层，保持了对失效区域高质量的成像，对推动高功率半导体激光芯片各项性能指标的研究有重要作用。
Description
技术领域
本申请涉及半导体激光技术领域，特别是涉及一种半导体激光芯片失效分析方法。
背景技术
高功率半导体激光芯片由于具有体积小、寿命长、波长范围广、光功率密度高和电光转化效率高等一系列优点。在激光泵浦、材料加工、激光显示、医疗美容、激光测距和激光雷达领域都有重要应用，已是光电领域核心基础芯片之一。
为了不断提高高功率半导体激光芯片光束质量、出光功率和可靠性等各项性能指标，对失效芯片的失效模式分析和失效机理研究是重要的研究课题。
高功率半导体激光芯片较常见的失效模式是光学灾变损伤(COD)，COD一般主要包括光学灾变镜面损伤(COMD)和光学灾变材料体损伤(COBD)。部分COMD和COBD无法通过芯片外观检查来确认。现有的该种失效分析一般会借助专门失效分析设备进行分析，如微区电致发光图像(EL mapping)、电子束诱导感生电流(EBIC)、光致发光图像(PL)等。然而，这些设备的造价很高，提高了研究高功率半导体激光芯片的成本及研究门槛。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种半导体激光芯片失效分析方法，不需要使用专门失效分析设备进行分析，降低了分析成本。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种半导体激光芯片失效分析方法，所述方法包括：去除半导体激光芯片的衬底，直至露出所述半导体激光芯片的外延层；通过显微镜的暗场模式观察所述外延层，分析得出失效部位。
其中，所述去除半导体激光芯片的衬底，直至露出所述半导体激光芯片的外延层，包括：将所述衬底进行蚀刻处理。
其中，在所述将所述衬底进行蚀刻处理之前，还包括：将所述衬底进行预处理至预设的厚度。
其中，在所述将所述衬底进行蚀刻处理之前，还包括：对所述预处理后的衬底进行调节至任意位置的厚度均相同。
其中，在所述对所述预处理后的衬底进行调节至任意位置的厚度均相同中，包括：将所述预处理后的衬底的厚度进行分析，获得最小厚度及各处与最小厚度的厚度差；对所述预处理后的衬底存在厚度差的表面处进行研磨、抛光、或研磨和抛光处理，直至所述衬底任意位置的厚度均与最小厚度相同。
其中，在所述对所述预处理后的衬底进行调节至任意位置的厚度均相同中，包括：对所述预处理后的衬底的表面进行平面度检测；根据所述平面度检测的结果，对所述预处理后的衬底的表面进行研磨、抛光、或研磨和抛光处理，直至所述衬底任意位置的厚度均与最小厚度相同。
其中，在所述将所述衬底进行预处理至预设的厚度中，包括：将所述衬底进行研磨、抛光、或研磨和抛光处理，直至所述衬底的厚度至预设厚度。
其中，所述研磨处理包括：使所述衬底的表面在研磨盘上做圆周运动。
其中，所述抛光处理包括：使所述衬底的表面在抛光盘上做圆周运动。
其中，在所述去除半导体激光芯片的衬底，直至露出所述半导体激光芯片的外延层之前，还包括：去除所述半导体激光芯片的n面电极引线和n面金属电极。
其中，所述去除半导体激光芯片n面金属电极，包括：通过研磨去除所述半导体激光芯片n面金属电极。
其中，所述通过显微镜的暗场模式观察所述外延层，分析得出失效部位，包括：通过金相显微镜的摄像头在屏幕上对所述外延层成像；通过调节所述金相显微镜的光强和焦距，以得到所述外延层的图像；检查所述外延层的图像，分析得出失效部位。
本申请的有益效果是：本申请采用了去除半导体激光芯片的衬底，通过显微镜的暗场模式来观察所述外延层，以此分析得出失效部位的方法。由于无需专门设备，仅使用显微镜即可解决激光芯片失效模式分析问题，从而降低了高功率半导体激光芯片失效分析成本；并且，显微镜是常用工具，不像专门设备，操作简单，无需专业技术人员即可操作，降低了高功率半导体激光芯片失效的门槛。并且，通过显微镜的暗场模式来直接观察所述外延层，保持了对失效区域高质量的成像，对推动高功率半导体激光芯片各项性能指标的研究有重要作用。
附图说明
为了更清楚地说明发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
图1是本申请提供的半导体激光芯片封装组件的正视图；
图2是本申请提供的半导体激光芯片封装组件的俯视图；
图3是本申请提供的半导体激光芯片结构示意图；
图4是本申请提供的半导体激光芯片失效分析方法一实施例的流程图；
图5是本申请提供的半导体激光芯片失效分析方法二实施例的流程图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例一
请参阅图1至图4，图1是半导体激光芯片封装组件的正视图；图2是半导体激光芯片封装组件的俯视图；图3是半导体激光芯片结构示意图。
具体来说，请参阅图1至图3，半导体激光芯片202包括依次层叠设置的p面金属电极301、激光芯片外延层302、激光芯片衬底303、n面金属电极304。
图4是本申请半导体激光芯片202失效分析方法的第一实施方式示意图。本申请提供的半导体激光芯片202失效分析方法，用于对半导体激光芯片202进行失效分析，特别是对倒装封装的半导体激光芯片202失效进行分析。
请参阅图4，本申请提供的对于上述半导体激光芯片202的失效分析包括如下步骤：
S11：去除半导体激光芯片202的衬底303，直至露出所述半导体激光芯片202的外延层302。
由于外延层302是半导体激光芯片202的核心，是决定芯片性能和成品率的关键。半导体激光芯片202中的外延层302的光强最强，且半导体激光芯片202首先失效的是光强最强的地方，即外延层302是最主要的失效部位。因此，半导体激光芯片202失效，多数是由于外延层302，特别是外延层302的其中某个部位失效。基于此，本方法即是通过分析外延层302来分析半导体激光芯片202失效的原因。根据半导体激光芯片202的结构来看，外延层302并不是直接裸露在外的。因此，需要进行处理而露出外延层302。然而，由于p面金属电极301是一层厚度很薄的金属，如果选择去除p面金属电极301而露出外延层302极易不小心损伤外延层302。一般来说，选择除去衬底303而露出外延层302。
在一些实施例中，去除衬底303采用的是蚀刻方法。更为具体的，蚀刻可为干法蚀刻或者湿法蚀刻。
可以理解地，由于湿法蚀刻是使用选择性蚀刻液去除衬底303。因此，在一些具体的实施例中。在蚀刻之后，需要对蚀刻后的半导体激光芯片202进行清洗，从而除去蚀刻时附着在半导体激光芯片202上的化学药品或蚀刻剂。清洗之后，进一步包括：对半导体激光芯片202进行干燥处理，如：氮气吹干或烘干。
在另外一个具体的实施方式中，采用感应耦合等离子体反应离子刻蚀(ICP-RIE)技术。具体地，先将半导体激光芯片202放入ICP-RIE设备，再根据制成需要调整ICP-RIE设备参数，对半导体激光芯片202的衬底303进行蚀刻，直至半导体激光芯片202的衬底303被完全蚀刻，露出所述外延层302；或者用ICP-RIE设备蚀刻衬底303到预设厚度，再用选择性蚀刻液完全去除衬底303。
S12：通过显微镜的暗场模式观察所述外延层302，分析得出失效部位。
显微镜的暗场模式就是采用特殊方法不让直射光进入物镜的镜头，而是先让直射光经过暗视野聚光镜后改变途径，使其斜向射入外延层302。外延层302的表面产生反射或衍射光进入物镜形成印衬在黑暗背景下的明亮图像，从而通过观察符合预设条件的所述外延层302表面的明亮图像来分析得出失效部位。
在一个具体的实施例中，上述显微镜可以选用金相显微镜。具体地，将金相显微镜调至暗场模式；通过金相显微镜的镜头在屏幕上对所述外延层302成像；通过调节所述金相显微镜的光强和焦距，以得出清晰的所述外延层302的图像；检查所述外延层302的图像，分析得出失效部位。
具体来说，一般情况下，半导体激光芯片202都需要进行贴片处理。举例来说，请参阅图1至图3，当使用倒装贴片技术对半导体激光芯片202进行封装时，p面金属电极301用焊料贴在热沉201上，以用于给半导体激光芯片202散热。热沉201还设有引脚，该引脚通过n面电极引线203与n面金属电极304连接。
由此可见，在一个具体的实施例中，当半导体激光芯片202倒装时，n面金属电极304和衬底303覆盖在外延层302上，且不与热沉201焊接。因此，需对n面金属电极304进行处理才露出衬底303，从而方便对衬底303进行处理。具体地，当使用本申请提供的方法来对倒装的半导体激光芯片202进行失效分析时，在上述步骤S11之前，需要依次去除n面电极引线203和n面金属电极304。
更为具体地，用尖头不锈钢镊子拆除半导体激光芯片202的n面电极引线203，确保芯片202不受额外损伤；然后通过研磨去除半导体激光芯片202的n面金属电极304。
需要说明的是，在另外一个具体的实施例中，当使用正装贴片技术封装的半导体激光芯片202时，则是n面金属电极304用焊料贴在热沉201上，热沉201的引脚通过p面电极引线(图未示)与p面金属电极304连接。此种情况下，衬底303位于n面金属电极304与外延层302之间；并且外延层302的表面覆盖的是p面金属电极301。由于p面金属电极301是一层厚度很薄的金属，如果选择直接去除p面金属电极301而露出外延层302极易不小心损伤外延层302。因此，在这种情况下，当使用本申请提供的方法来对正装的半导体激光芯片202进行失效分析时，在上述步骤S11之前，去除p面电极引线；取下半导体激光芯片202，再将取下的半导体激光芯片202倒装在热沉201上。
实施例2
请参阅图5，图5是本申请半导体激光芯片202失效分析方法的第二实施方式流程示意图，具体的方法包括如下步骤：
S21：将热沉201固定在石英基板上。
由于半导体激光芯片202的体积较小，不方便进行后续对衬底303的处理。具体地，在进行对衬底303处理之前，可以将半导体激光芯片202组件中的热沉201固定在石英基板上。这样将半导体激光芯片202与石英基板连接，增大了操作过程中可接触的面积，增加了操作的方便性。
S22：去除半导体激光芯片202的n面电极引线203和n面金属电极304。
具体来说，一般情况下，半导体激光芯片202都需要进行贴片处理。举例来说，请参阅图1至图3，当使用倒装贴片技术对半导体激光芯片202进行封装时，p面金属电极301用焊料贴在热沉201上，以用于给半导体激光芯片202散热。热沉201还设有引脚，该引脚通过n面电极引线203与n面金属电极304连接。
此时，n面金属电极304和衬底303覆盖在外延层302上，且不与热沉201焊接。因此，需先处理n面金属电极304才可露出衬底303，从而方便对衬底303进行处理。具体地，当使用本申请提供的方法来对倒装的半导体激光芯片202进行失效分析时，在步骤S23之前，需要依次去除n面电极引线203和n面金属电极304。
更为具体地，用尖头不锈钢镊子拆除半导体激光芯片202的n面电极引线203，确保芯片202不受额外损伤；然后通过研磨去除半导体激光芯片202的n面金属电极304。
S23：将衬底303进行预处理至预设的厚度。
衬底303的厚度，会影响后续对其进行蚀刻处理的效果和快慢。将衬底303的厚度处理至预设的厚度，会减少后续蚀刻处理的时间，同时增加了本方案的精确性。在一些实施例中，所述预处理可为将所述衬底303进行研磨、抛光、或研磨和抛光处理，直至所述衬底303的厚度至预设厚度。其中，所述衬底303的预设厚度为100um以下，优选地，衬底303的预设厚度在不损坏外延层302的前提下越小越好，预设厚度越小，后续蚀刻衬底303所需时间越少，进一步地，蚀刻过程对外延层302的影响也越小。
在一些具体实施例中，可以通过研磨的方法将衬底303的厚度处理至预设厚度。具体地，在研磨盘上滴满研磨液，手持石英基板，半导体激光芯片202的衬底303表面接触研磨盘，使其做圆周运动。通过研磨去除半导体激光芯片202的部分衬底303，使之衬底303的厚度至预设的厚度。举例来说，在一个实施例中，衬底303的预设厚度为50um左右。通过这种方式可以减薄衬底303的厚度，使后续蚀刻的过程所需时间减少，可以将蚀刻过程对外延层302的影响降低。
可以理解的，在其它具体实施过程中，还可以通过抛光、或研磨和抛光处理，来使所述衬底303的厚度至预设厚度。举例来说，在一个实施例中，采用合适目数的砂纸对衬底303进行研磨和抛光处理，来使所述衬底303的厚度至预设厚度。
S24：对预处理后的衬底303进行调节至任意位置的厚度均相同。
在蚀刻过程选用的都是与衬底303反应，而不与外延层302反应的蚀刻液，且是各个方向同时进行的。如果衬底303各处的厚度不均匀，那么将会出现有的地方还在进行蚀刻衬底303，而有的地方衬底303已经蚀刻完成，蚀刻液开始与外延层302表面相接触。因此，外延层302与蚀刻液的接触时间会增加，可能会使本方案的分析结果受到影响。
在一个具体的实施例中，可以将所述预处理后的衬底303的厚度进行分析，获得厚度最小及各处与最小厚度的厚度差；对所述预处理后的衬底303存在厚度差的表面进行研磨、抛光、或研磨和抛光处理，直至所述衬底303任意位置的厚度均与最小厚度相同。
在另外一个具体的实施例中，可以对所述预处理后的衬底303的表面进行平面度检测；根据所述平面度检测的结果，对所述预处理后的衬底303的表面进行研磨、抛光、或研磨和抛光处理，直至所述衬底303任意位置的厚度均与最小厚度相同。
可以理解的是，步骤S24是为了进一步调整衬底303的厚度，以避免由于衬底303厚度不均匀导致后续处理中，衬底303厚度比较薄的位置过度处理而导致误差。因此，在一些实施例中，由于步骤S23也对衬底303的厚度进行处理，因此步骤S24并非必须的步骤。
S25：去除半导体激光芯片202的衬底303，直至露出所述半导体激光芯片202的外延层302。
由于外延层302是半导体激光芯片202的核心，是决定芯片性能和成品率的关键。半导体激光芯片202中的外延层302的光强最强，且半导体激光芯片202首先失效的是光强最强的地方，即外延层302是最主要的失效部位。因此，半导体激光芯片202失效，多数是由于外延层302，特别是外延层302的其中某个部位失效。基于此，本方法即是通过分析外延层302来分析半导体激光芯片202失效的原因。根据半导体激光芯片202的结构来看，外延层302并不是直接裸露在外的。因此，需要进行处理而露出外延层302。然而，由于p面金属电极301是一层厚度很薄的金属，如果选择去除p面金属电极301而露出外延层302极易不小心损伤外延层302。一般来说，选择除去衬底303而露出外延层302。
在一些实施例中，去除衬底303采用的是蚀刻方法。更为具体的，蚀刻可为干法蚀刻或者湿法蚀刻。
可以理解地，由于湿法蚀刻是使用选择性蚀刻液去除衬底303。因此，在一些具体的实施例中。在蚀刻之后，需要对蚀刻后的半导体激光芯片202进行清洗，从而除去蚀刻时附着在半导体激光芯片202上的化学药品或蚀刻剂。清洗之后，进一步包括：对半导体激光芯片202进行干燥处理，如：氮气吹干或烘干。
在另外一个具体的实施方式中，采用感应耦合等离子体反应离子刻蚀(ICP-RIE)技术。具体地，先将半导体激光芯片202放入ICP-RIE设备，再根据制成需要调整ICP-RIE设备参数，对半导体激光芯片202的衬底303进行蚀刻，直至半导体激光芯片202的衬底303被完全蚀刻，露出所述外延层302；或者用ICP-RIE设备蚀刻衬底303到预设厚度，再用选择性蚀刻液完全去除衬底303。
S26：通过显微镜的暗场模式观察所述外延层302，分析得出失效部位。
显微镜的暗场模式就是采用特殊方法不让直射光进入物镜的镜头，而是先让直射光经过暗视野聚光镜后改变途径，使其斜向射入外延层302。外延层302的表面产生反射或衍射光进入物镜形成印衬在黑暗背景下的明亮图像，从而通过观察符合预设条件的所述外延层302表面的明亮图像来分析得出失效部位。
在一个具体的实施例中，上述显微镜可以选用金相显微镜。具体地，将金相显微镜调至暗场模式；通过金相显微镜的镜头在屏幕上对所述外延层302成像；通过调节所述金相显微镜的光强和焦距，以得出清晰的所述外延层302的图像；检查所述外延层302的图像，分析得出失效部位。
本申请采用了去除半导体激光芯片202的衬底303，通过显微镜的暗场模式来观察所述外延层302，以此分析得出失效部位的方法。由于无需专门设备，仅使用显微镜即可解决激光芯片失效模式分析问题，从而降低了高功率半导体激光芯片失效分析成本；并且，显微镜是常用工具，不像专门设备，操作简单，无需专业技术人员即可操作，降低了高功率半导体激光芯片失效的门槛。并且，通过显微镜的暗场模式来直接观察外延层302，保持了对失效区域高质量的成像，对推动高功率半导体激光芯片各项性能指标的研究有重要作用。
以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种半导体激光芯片失效分析方法，其特征在于，所述方法包括：
依次去除半导体激光芯片的n面金属电极及衬底，直至露出所述半导体激光芯片的外延层；具体包括：
首先去除所述半导体激光芯片的n面金属电极；然后，将所述衬底进行预处理至预设的厚度，并对预处理后的衬底进行调节至任意位置的厚度均相同；之后，将调节至任意位置的厚度均相同的所述衬底进行蚀刻处理，以去除所述衬底；
通过显微镜的暗场模式观察所述外延层，分析得出失效部位；其中，
所述通过显微镜的暗场模式观察所述外延层，分析得出失效部位，包括：
通过金相显微镜的摄像头在屏幕上对所述外延层成像；
通过调节所述金相显微镜的光强和焦距，以得到所述外延层的图像；
检查所述外延层的图像，分析得出失效部位。
2.根据权利要求1所述的失效分析方法，其特征在于，在所述对所述预处理后的衬底进行调节至任意位置的厚度均相同中，包括：
将所述预处理后的衬底的厚度进行分析，获得最小厚度及各处与最小厚度的厚度差；
对所述预处理后的衬底存在厚度差的表面处进行研磨、抛光、或研磨和抛光处理，直至所述衬底任意位置的厚度均与最小厚度相同。
3.根据权利要求1所述的失效分析方法，其特征在于，在所述对所述预处理后的衬底进行调节至任意位置的厚度均相同中，包括：
对所述预处理后的衬底的表面进行平面度检测；
根据所述平面度检测的结果，对所述预处理后的衬底的表面进行研磨、抛光、或研磨和抛光处理，直至所述衬底任意位置的厚度均与最小厚度相同。
4.根据权利要求1所述的失效分析方法，其特征在于，在所述将所述衬底进行预处理至预设的厚度中，包括：
将所述衬底进行研磨、抛光、或研磨和抛光处理，直至所述衬底的厚度至预设厚度。
5.根据权利要求2-4任一项所述的失效分析方法,其特征在于，所述研磨处理包括：使所述衬底的表面在研磨盘上做圆周运动；
所述抛光处理包括：使所述衬底的表面在抛光盘上做圆周运动。
6.根据权利要求1-4任一项所述的失效分析方法，其特征在于，在所述去除半导体激光芯片的n面金属电极之前，还包括：
去除所述半导体激光芯片的n面电极引线。
7.根据权利要求6所述的失效分析方法，其特征在于，所述去除半导体激光芯片n面金属电极，包括：
通过研磨去除所述半导体激光芯片n面金属电极。
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