[发明专利]一种半导体材料初始解理裂纹长度计算方法

说明书

本发明设计一种半导体材料初始解理裂纹长度计算方法，包括：首先根据半导体材料晶胞结构确定最佳解理晶向，其次计算该晶向关键材料力学参数(弹性模量和泊松比)及断裂韧性，最后结合应力强度因子与断裂韧性公式获得最佳解理晶向初始解理裂纹长度。

技术领域

本发明涉及一种半导体材料初始解理裂纹长度计算方法，属于半导体光电子器件工艺技术领域。

背景技术

随着半导体、光电技术的飞速发展，半导体激光器因其具有高效、体积小、成本低且可靠性高等一系列优势，被广泛应用于数据通信、激光医学和激光加工等领域。半导体材料电子迁移率高且为直接带隙，以其为衬底材料的谐振腔面作为半导体激光器关键组成部分，对半导体激光器的性能与可靠性有着重要的影响。

同时机械解理、具有高效性和良好的普适性，目前逐渐成为激光器谐振腔面制备的重要方法之一。解理是当材料受到定向机械应力的作用时，沿平行的一个或几个平面裂开，这些开裂的平面称为解理面。但现有的解理加工过程中常伴随着解理面损伤等技术缺陷，造成解理后腔面形成波纹形裂纹、有效解理尺寸过小等问题，一定程度上限制了其在激光器的适用范围。为了进一步掌握谐振腔面解理加工机理，提升解理加工质量，推动超精密解理加工技术的发展，计算不同半导体材料的解理晶向以及该晶向的初始解理裂纹长度则显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体材料初始解理裂纹长度计算方法，由于不同半导体材料的晶胞结构不同且材料力学参数具有明显的各向异性，同时考虑到解理设备中变角度划片刀对初始解理裂纹长度的影响，准确计算同时满足上述多种需求的最佳解理加工晶向的初始解理裂纹长度，填补了解理加工的理论研究的空白。

为了实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

步骤1：确定解理晶向。结合半导体材料晶胞结构，计算不同材料各晶面的面间距以得到最佳解理晶向(即面间距最大的晶面所对应的晶向)，面间距d表示为：

式中：ρ为体密度(即晶胞单位体积内所包含原子数目)；N为单位晶格面积内所包含的原子数目；A和B分别为单位晶格的长和宽。

步骤2：计算初始解理裂纹长度。

(1)法向线载荷P(x)。在解理加工的划片工序中，由于划片刀头为四棱锥形状，实际上刀头与工件之间载荷呈现为三角形的均布载荷。同时以刀头尖端与工件接触点为原点O建立二维直角坐标系，得到法向载荷P(x)为：

式中：L为刀头轮廓对角线长度的一半；θ为刀头顶角；P为预设法向载荷。

(2)刀头与工件投影接触面积A_s。基于棱锥形刀头接触面积经验公式，结合划片工序中的加工方法以及刀头转角，接触面积A_s表示为：

式中：n为拟合系数；ω为刀头偏转角度。

(3)计算各向异性材料关键力学参数。基于广义胡克定律，单位晶胞中材料的弹性模量E和泊松比μ分别由公式(4)和(5)计算得出。