脉冲镀金在半导体激光器中的应用及工艺优化

吴 涛

(中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 半导体光电子技术研究室,江苏 苏州 215163)



·激光器技术·

脉冲镀金在半导体激光器中的应用及工艺优化

吴 涛

(中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 半导体光电子技术研究室,江苏 苏州 215163)

为提高半导体激光器芯片的焊接成功率以及器件的性能寿命,采用脉冲电镀技术在半导体激光器芯片P面沉积了厚金层,详细研究了镀金液pH值和电流通断比对镀金层组织形貌、表面粗糙度、内应力、沉积均匀性以及粘附力的影响规律。结果表明,表面粗糙度随pH值的升高或通断比的提高而增大。沉积均匀性随pH的增大先降低后升高,而随通断比的增大而变差。pH较大(> 10.0)或较小(< 8.5)时,镀金层粘附性均不理想。而通断比对镀金层的粘附性影响不大。不同条件下,金膜内应力均为张应力,大小为29～88 MPa。

激光器；薄膜；脉冲电镀；焊接；表面粗糙度；内应力

1 引 言

半导体激光器具有高效率、单色性好、体积小和价格低等优势,已被广泛应用于光纤激光器[1]、泵浦激光器[2]、材料加工[3]及医疗[4]等领域。半导体激光器外延片先通过光刻腐蚀形成脊型台面结构,再通过溅射或者蒸发方式在台面上沉积金属膜制作P面电极。在生产中,为了提高器件芯片的合格率以及激光器件的寿命,通常还需要在P面电极上沉积一层若干微米的金层。由于该层金膜较厚,一般采用电化学镀金方式来制备。电化学镀金按电镀溶液体系来分可以分为很多种,如氰化物体系[5]、亚硫酸盐体系[6]和乙二胺体系[7]等。按电镀模式分可以分为直流镀金和脉冲电镀。与直流电镀相比,脉冲电镀具有更优异的镀层性能[8]。

半导体激光器件对P面厚金层在表面形貌、粗糙度、厚度以及粘附性能等方面有着严格的要求。我们在研究中发现,镀金层表面粗糙度偏大即会造成焊接失败。镀金层组织疏松、粘附性不高也会影响器件的性能。本研究采用脉冲镀金法在激光器芯片上沉积厚金膜,详细研究了镀金液pH值和电流通断比对镀金层组织形貌、表面粗糙度、沉积速率、沉积均匀性以及粘附性能的影响规律。

2 实 验

半导体激光器外延片通过MOCVD生长得到。外延片依次在丙酮、甲醇和异丙醇中清洗。然后进行标准的光刻和腐蚀工艺制作脊型结构,之后沉积二氧化硅作为绝缘层。最后,采用磁控溅射镀膜法在晶片表面沉积欧姆金属层。激光器芯片的P面结构制备完成。以亚硫酸金钠盐体系为镀金液,采用脉冲电镀在激光器晶片表面沉积金膜。溶液金含量为10 g/L，电镀温度为50 ℃，峰值电流为200 mA，pH值为8.0～10.0，电流通断比为0.25～4。

镀金层组织形貌通过HITACHI S-4800场发射扫描电子显微镜来观察。表面粗糙度通过原子力显微镜来测定。镀金层的厚度由台阶仪来测定。镀金层的粘附性能采用Scratch & Tape方法来测试。内应力的测定方法如下：先用台阶仪测出圆片在电镀金膜前后的曲率半径,再通过Stoney公式计算出镀金层的应力[9]。

3 结果与分析

3.1 组织形貌分析

焊接时,若镀金层表面高低不平整不利于焊料与芯片的融合,容易发生焊料不沾现象。因此,我们希望得到的镀金层要尽可能均匀和平整。图1为不同pH和通断比条件下镀金层的SEM照片。随着pH升高,镀金层金粒径逐渐变大,表面变粗糙。在pH=9.5以下时,镀金层表面总体上都较均匀平整。但在pH达到10.0时,表面出现了大小不一的金颗粒,表面均匀平整性明显下降。此外,随着通断比提高,镀金层金颗粒变大,表面变得粗糙,表面均匀平整性下滑。在通断比为4∶1时,表面金颗粒晶界明显。

图1 不同pH和通断比条件下镀金层的SEM照片Fig.1 The SEM pictures of Au films deposited at different pH and on/off ratio

3.2 表面粗糙度分析

激光器芯片镀金层的表面粗糙度对芯片焊接工艺有着重大的影响。表面粗糙度稍微大一点即会造成焊接失败。因此,在生产中必须严格控制好镀金层的表面粗糙度,这样才能保证焊接工艺的成功率。图2为不同pH和不同通断比条件下芯片的表面粗糙度数值以及相应的焊接结果。从图可以看出,镀金层的表面粗糙度随pH值的升高而增大。这与SEM的分析结果相一致。在pH=10.0时,表面粗糙度达到28 nm,此时激光器芯片已焊接失败。此外,镀金层的表面粗糙度随通断比的增大而变大。电流通断比增大,有效电流密度提高,溶液中的亚硫酸金钠离子迁移速度加快,在溶液/晶片界面处所形成的金离子粒径就较大。因此,最终沉积得到的金粒径和表面粗糙度也相应会较大。在通断比为2∶1时,表面粗糙度为 24 nm,已出现焊接困难的情况。

(a)不同pH值

(b)不同通断比 图2 不同pH和通断比条件下芯片的表面粗糙度数值Fig.2 The surface roughness of Au films deposited at different pH and on/off ratio

3.3 沉积速率和均匀性分析

沉积速率影响到生产效率,而好的沉积均匀性可以提高材料的利用率。图3为不同pH和通断比条件下镀金层沉积速率和沉积均匀性变化图。从图3可知,沉积速率随pH的增大而变大。而沉积均匀性随pH的增大先降低后升高。该镀金液体系中的亚硫酸金钠盐在pH过高或过低时都会发生一定的分解,导致镀金液不稳定。这也是沉积均匀性在pH过高和过低条件下均不理想的原因。镀金层沉积速率随电流通断比的增加而变大。这是有效电流密度升高的缘故。而沉积均匀性随电流通断比的增大而变差。有效电流密度大,导致溶液中的金离子向晶片表面的迁移速度增大。在高电流密度作用下,晶

图3 不同pH和通断比条件下镀金层 沉积速率和沉积均匀性变化图Fig.3 The deposition rate and uniformity of Au films deposited at different pH and on/off ratio

片表面的金离子还没充分扩散均匀就被还原沉积到晶片表面。最终导致沉积均匀性较差。

3.4 粘附性能分析

镀金层与激光器芯片P面的结合强度会影响器件的性能和寿命。表1为不同条件下镀金层与激光器芯片的粘附性测试结果。从表1可以看出,镀金液pH值对镀金层的粘附性能有很大的影响。pH较大或较小时镀金层粘附性均不太理想,应以9.0～9.5为宜。而通断比对镀金层的粘附性影响不大。在pH=9.0不同通断比下均获得了粘附性能优良的镀金层。

表1 不同条件下镀金层与激光器芯片的粘附性测试Tab.1 The adhesion tests between chips and Au films deposited at different conditions

3.5 内应力分析

电化学镀金工艺直接影响镀金层内应力的存在形式和大小。在半导体器件制作过程中,必须控制好薄膜的应力。图4为不同条件下镀金层内应力的变化图。

图4 不同镀金条件下的金薄膜内应力变化图Fig.4 The intrinsic stress of Au films deposited at different conditions

从图4(a)曲线可知,该条件下镀金层内应力的存在形式为张应力,大小在29～66 MPa之间,且随溶液pH的升高而变大。从图4(b)可知,镀金层内应力随通断比的增大先降低后升高,内应力大小为43～88 MPa。薄膜内应力的形成较为复杂,影响因素也较多,包括生长机理、晶粒形貌演变以及杂质引入等。因此,很难确定各因素对镀金层最终内应力的贡献比例和影响规律[10]。早期的研究结果显示,亚硫酸盐体系的镀金层内应力一般在-100～100 MPa之间。

4 结 论

采用脉冲镀金法以亚硫酸金钠盐为体系在半导体激光器芯片沉积了金膜,研究了镀金液pH和电流通断比对镀金层组织形貌、表面粗糙度、粘附性、沉积均匀性及内应力的影响规律。表面粗糙度随pH值的升高或通断比的提高而增大。沉积均匀性随pH的增大先降低后升高,而随通断比的增大而变差。镀金层的粘附性能受pH的影响较大,而与通断比关系不大。pH较大(> 10.0)或较小(< 8.5)时,镀金层粘附性能均不太好。不同条件下的镀金层内应力均为张应力,大小为29～88 MPa。综上,最优的镀金条件为pH=9.0～9.5,电流通断比1∶(1～2)。

[1] LI Pingxue,ZHANG Xuexia,LIU Zhi.980 nm double-clad photonic crystal fiber laser[J].Laser & Infrared,2011,41(2):141-144.(in Chinese)

李平雪,张雪霞,刘志.980 nm双包层光子晶体光纤激光器[J].激光与红外,2011,41(2):141-144.

[2] LI Lin,TAN Rongqing,XU Cheng,et al.Theoretical and experimental study of diode pumped Rb vapor laser[J].Laser & Infrared,2013,43(10):1117-1120.(in Chinese)

李琳,谭荣清,徐程,等.半导体泵浦铷蒸气激光器理论与实验对比研究[J].激光与红外,2013,43(10):1117-1120.

[3] U Brauch,P Loosen,H Opower.High-power diode lasers for direct applications[J].Springer-Series,Topics in Applied Physics,2000,78:303-368.

[4] LIU Yunyan,PAN Jiaoqing,CHENG Chuanfu,et al.Application and key technologies of semiconductor laser in the detection of oxygen[J].Laser & Infrared,2011,41(5):501-505.(in Chinese)

刘云燕,潘教青,程传福,等.半导体激光器在氧气探测中的应用及关键技术[J].激光与红外,2011,41(5):501-505.

[5] Z W Liu,A C West.Modeling of galvanostatic pulse and pulsed reverse electroplating of gold[J].Electrochimica Acta,2011,56:3328-3333.

[6] D Kim,J Kim,G L Wang,et al.Nucleation and growth of intermetallics and gold clusters on thick tin layers in electroplating process[J].Mater.Sci.Eng.,A,2005,393:315-319.

[7] O N Vrublevskaya,T N Vorobeva,A V Vengura.Analysis of an electrolyte for gold plating by potentiometric titration[J].Journal of Analytical Chemistry,2007,62(9):889-893.[8] Y Lee,Y S Jo,Y Roh.Formation of nanometer-scale gaps between metallic electrodes using pulse/DC plating and photolithography[J].Mater.Sci.Eng.,C,2003,23:833-839.

[9] M Parvizian,F Rahimi-Ashtari,A Goodarzi,et al.Residual stress improvement of platinum thin film in Au/Pt/Ti/p-GaAs ohmic contact by RF sputtering power[J].Applied Surface Science,2012,260:77-79.

[10]S H Pu,A S Holmes,E M Yeatman.Stress in electroplated gold on silicon substrates and its dependence on cathode agitation[J].Microelectronic Engineering,2013,112:21-26.

Application and process optimization of pulse Au-plating in semiconductor laser

WU Tao

(Department of Semiconductor Optoelectronics Technology,Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology,Chinese Academy of Sciences,Suzhou 215163,China)

In order to increase the welding yield,the property and the life of semiconductor laser,thick Au films were deposited on the P-side of semiconductor laser chip by pulse electroplating technology.The effects of pH and on/off ratio of gold plating liquid on the morphology,surface roughness,intrinsic stress,uniformity and adhesion of the Au films were studied comprehensively.The results show that the surface roughness increases with the increase of pH or on/off ratio.The deposition uniformity firstly decreases then increases with the pH increasing from 8.0 to 10.0,while becomes worse with the increase of on/off ratio.The adhesions between the Au films and laser chips are not excellent when the pH is too high(> 10.0) or too low(< 8.5).However,the on/off ratio has a weak effect on the adhesion of Au films.The intrinsic stresses of Au films platted under different conditions are tensile with the range from 29 to 88 MPa.

laser;thin film;pulse plating;welding;surface roughness;intrinsic stress

1001-5078(2015)06-0631-04

吴 涛(1985-)，男，硕士，助理研究员，主要从事半导体激光器制备和应用方面的研究。E-mail：wut@sibet.ac.cn

2014-10-09;

2014-10-29

TN248.4;TQ153

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.06.007