制造激光二極管基座的激光燒蝕工藝和激光二極管單元的制作方法
【專利說明】制造激光二極管基座的激光燒蝕工藝和激光二極管單元
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請是2011年6月17日遞交的PCT/US2011/104901的部分繼續申請并且要求其部分優先權，將其全部合并在此作為參考。
技術領域
[0003]本發明涉及大規模生產激光二極管單元的方法，每一個激光二極管單元均包括平面基座和安裝在平面基座上的激光二極管，所述方法使用大功率脈沖激光器，該大功率脈沖激光器可操作來以時間和成本有效的方式來燒蝕基座的金屬化層的所需表面區域，而不會形成毛刺。
【背景技術】
[0004]大功率半導體激光器在各種領域具有廣泛的應用，包括軍事和工業領域。在半導體器件制造中實現的快速進步部分地可以歸因于平面技術，根據平面技術，使用由光致抗蝕劑制成的掩模將單片襯底分割為多個半導體器件。
[0005]大功率激光二極管的進步通常可以歸因于二極管激光器性能的改進以及全部基于平面技術的封裝架構的優化。大功率激光器的主要特征(例如最大有用輸出功率、波長、壽命)不但受到二極管或半導體結構本身的限制，而且強烈地受到包括熱沉或基座的結構和制造方法在內的封裝的質量影響。眾所周知，封裝工藝對大功率二極管激光器的生產成本貢獻較大，大約大于50%。因此，激光二極管封裝必須是節約成本的。包括底座制造在內的封裝技術當前無疑是非常活躍的研究和開發領域。
[0006]眾所周知，激光二極管的操作特性和壽命強烈地受到結溫的影響。在大電流情況下操作的邊發射激光二極管要求將散熱器放置于器件有源區和金屬載體封裝之間。當高密度設置時，散熱變得更加嚴格。為了使這一問題的嚴重性最小化，典型地將具有高導熱性的薄膜金屬用于熱沉。必須仔細地選擇材料并且進行組合以便提供所需的拓撲形狀，并且必須仔細地設計金屬的組合。因此，連同節約成本的封裝技術，當功率密度增加時，高可靠性基座應該配置為確保對于溫度變化敏感的有源器件的穩定性。
[0007]參考圖1，制造基座的典型工藝包括形成底座10。底座可以配置有襯底載體12，襯底載體通常由導熱陶瓷材料制成，例如氧化鈹(BeO)或氮化鋁(AlN)。另外，將金屬子層14涂鍍到襯底12上，并且將頂部金屬子層18沉積到金屬子層14上。金屬子層組合起來配置為朝著載體12散熱并且提供擴散阻擋。等距間隔開的焊接條16施加至頂部金屬層18并且典型地由金/錫合金(“AuSn”)制成，焊接條16將結構10耦接至如下所述在將底座10分割為多個基座25之后提供的激光二極管。然后對結構10進行處理以在相反極性的電接觸部之間提供多個絕緣槽20。隨后，沿切割線22將底座10切割成多個均勻的基座25。最后，將激光二極管焊接至相應的基座。
[0008]在通過切割鋸片將底座10切割成基座之前，應沿切割線22并且沿相應區域A和B中的隔離槽20去除金屬層14。否則，在鋸片(未示出)將結構10切割成基座25的同時可能形成多個毛刺，這是不可接受的，因為毛刺可能影響一個或多個激光二極管或芯片24的所需定位。
[0009]金屬層14和18的去除通過光刻來實現，并且包括使用由光敏材料或光致抗蝕劑制成的光掩模。將掩模施加至表面并且進行處理，使得在金屬層的表面上形成光致抗蝕劑圖像。為了將這種圖像轉移到這一層，典型地使用兩種傳統的刻蝕方法:濕法刻蝕和離子銑削。濕法刻蝕是迅速的，并且因此是節約成本的。然而在這一工藝期間，因為多個金屬子層在不同的溫度下熔化，導致了切割邊緣不是平坦的，這最終導致激光二極管24的傾斜定位，其中一條邊，例如發光邊，在比相對的二極管端所在的平面高的平面中延伸。傾斜定位可能嚴重地影響二極管的操作。另一個不希望的結果是形成底切。底切進而不利地影響進一步的對準操作。離子干法刻蝕可以提供銳利的平坦豎直邊緣。然而，這種技術是緩慢的。例如，刻蝕15-30微米的金屬層典型地需要約三十(30)小時。在大規模生產中，這種較長的工藝是無法接受的昂貴。
[0010]在兩種技術中，當將光致抗蝕劑涂覆到相對多孔的金屬表面時，光致抗蝕劑污損了表面。表面的清潔可能不會完全成功。如果表面不能完全去除光致抗蝕劑，后續的技術工序可能不會有效。例如，焊接材料可能與光致抗蝕劑相互作用，這不利地影響襯底和激光二極管之間的耦合。
[0011]對于上述技術共同的是應該注意:一旦金屬去除工藝開始，就非常難以控制其參數。例如，為了隨后將單片平面底座切割為多個基座而去除金屬材料并非總是要求去除所有的金屬子層。相反，形成隔離槽要求完全去除金屬層。在光刻工藝期間無法操控與這兩種技術相關聯的參數當然會導致與激光二極管的生產相關聯的相對較高成本。
[0012]因此，需要一種制造激光二極管基座的改進方法。
[0013]還需要一種節約成本并且注重質量的方法，用于從用作激光二極管底座的多層結構的表面去除金屬。
【發明內容】
[0014]所公開的方法基于脈沖激光器的使用，脈沖激光器操作為照射待處理的底座表面，以便去除所需表面區域內的金屬層。換句話說，與以上公開的光刻技術不同，本公開教導了通過激光器燒蝕基座的表面。激光燒蝕允許基座制造工藝有效并且節約成本。
[0015]優選而非必要，激光器配置為照射金屬表面的脈沖亞毫微秒光纖激光器。在切割線和隔離槽的區域中執行金屬的照射。由激光燒蝕產生的邊緣是干凈、銳利且平坦的。
[0016]根據本發明的一個方面，激光器操作為發射激光束，激光束具有如下特征:所需的脈沖重復速率、脈沖持續時間、峰值功率和波長。選擇束特征，使得燒蝕的金屬不會融化，而是汽化。否則，金屬滴可能在燒蝕區域周圍的表面上形成凸塊，這將危及激光二極管的所需平坦位置和/或產生電氣短路的可能性。
[0017]要照射的材料的厚度可以依賴于任務而改變。例如，照射用于隔離槽的金屬材料所要求的激光參數可能不同于沿切割線去除金屬材料所需要的參數。另外，操作激光器參數常常偏離所需參數或所選擇的參數。因此，本公開的另一方面涉及對激光二極管單元制造時使用的激光器的參數進行控制。
【附圖說明】
[0018]下面結合附圖詳細地討論所公開的工藝和裝配激光二極管單元的以上和其他特征和優勢，附圖中:
[0019]圖1是用于裝配激光二極管單元的典型熱沉的透視圖。
[0020]圖2是根據本公開配置的基座的透視圖。
[0021]圖3示出了圖2的基座表面上的燒蝕圖案。
[0022]圖4是表面區域根據所公開方法燒蝕的激光二極管單元的前視圖。
[0023]圖5是根據所公開方法制造的所公開激光二極管單元的透視圖。
[0024]圖6是示出了燒蝕深度隨脈沖重復速率變化的計算機繪制曲線。
[0025]圖7是示出了燒蝕深度隨線速度變化的計算機繪制曲線，其中脈沖激光器以線速度掃描待處理的表面(也稱作線性掃描速度)。
[0026]圖8是示出了燒蝕深度隨間距變化的計算機繪制曲線，間距即相鄰的平行激光路徑之間的距離。
[0027]圖9是示出了燒蝕深度隨脈沖持續時間變化的計算機繪制曲線。
[0028]圖10是示意性地示出了所公開方法的圖。
【具體實施方式】
[0029]現在詳細參考所公開的結構。附圖并非是精確繪制的，并且沒有示出半導體工業的普通技術人員公知的附加層。詞語“耦合”和類似術語不必表示直接連接，而是也包括通過中間元件的連接。
[0030]圖2示意性地示出了所公開的燒蝕工藝，其使用激光器52，激光器52優選地但并非必要地具有在毫微秒-亞毫微秒范圍內操作的脈沖光纖激光器結構。激光器52可操作為發射脈沖輸出，通過輸送光纖56將脈沖輸出輸送至激光頭54。激光器52的結構可以從固態、半導體、氣體和染料激光器中選擇，但是優選地是以范圍在幾百納米和約2微米之間的波長操作的光纖激光器。激光頭54和底座50相對于彼此可沿預定路徑位移，以便照射底座的所需區域內的金屬層，所需區域包括隔離槽58和切割線44。
[0031]所公開的激光照射工藝的效率取決于所選擇的多種參數，以便在可能的最短時間內將金屬層燒蝕至所需深度Dd，而不會在與燒蝕區域相鄰的表面上堆積金屬滴。取決于金屬和激光參數，可以形成或不形成這種堆積(本領域普通技術人員已知這是毛刺)。如果形成毛刺，則毛刺32與發射邊平行和垂直延伸，并且可能以多種不同方式不利地影響激光二極管單元的所需操作。毛刺32可以形成為具有超出底座50的表面一定距離的高度hb，所安裝的激光二極管的邊在所述表面處發光，毛刺可能干擾激光束的傳播，并且損壞底座50的平坦性。
[0032]激光器參數例如包括脈沖持續時間、脈沖重復速率、峰值功率和波長。下文中稱作工藝參數的其他參數同樣重要，并且可以包括:為照射所需深度的金屬層從而激光頭56應該完成的激光掃過次數；和圖案間隔，即，將待激光處理的區域的相對側相橋接的路徑中相鄰段之間的距離。
[0033]簡要地參照圖3，激光頭30的示例單次線性掃描限定在點S和F之間，并且覆蓋將要燒蝕的整個方形區域。圖案間隔Ds是路徑的相鄰平行線性段之間的距離。然而應該注意，路徑30可以具有本領域普通技術人員已知的多種圖案。如下所述，激光器和工藝參數的適當選擇允許以節約時間和成本的方式大規模生產高質量的激光二極管單元。根據底座50的幾何形狀和金屬的組合，調整所需參數。
[0034]回到圖2，底座50包括由BeO或AlN制成的陶瓷載體42。多層金屬序列例如包括載體42上相對較厚的銀(Ag)子層26。銀子層26相對于激光二極管底座制造中廣泛使用的金具有若干優勢。與金相比，銀具有較高的導熱性和較低的電阻率。因此，激光二極管使用時產生的熱有效地通過Ag子層26散出。另