您是否有适当的流程工具用于高批量制造光子设备？
博客|2021年3月11日
由于对数据的爆炸需求（尤其是在全球居家经济中）以及云计算和物联网应用程序的增长，因此光子学市场的增长前景是有希望的。根据YoleDévelopment的数据，到2025年，数据传输市场将几乎翻一番，其数据通信（24％的年增长）和电信（年增长率为14％）作为主要驱动因素。
在过去五年中，对数据中心的空前投资将继续主导Datacom领域的增长。根据IDC和Seagate的数据，数据消费将从2019年的44个trabytes增长到2025年的175TB。此外，生成的许多数据都需要实时处理。
对于Datacom和电信，光信号传输启用了更快的网络。这推动了对光子设备的需求增加，尤其是在1.3/1.5微米波长下发射激光器（INP EELS）的需求；砷化甘氨酸垂直腔表面发射激光器（GAAS VCSEL）在850nm处；和光电检测器。高性能和具有出色均匀性的可靠设备对于这些应用至关重要。多种技术在大规模启用可靠的大容量制造方面起着关键作用。本文讨论了在高卷中制造光子设备所需的高级流程，以及当今过程工具实现这一目标所需的内容。
为什么MOCVD重要：效率和可靠性
半导体激光器至关重要的两个主要参数是功率转换效率（PCE）和可靠性。金属有机化学蒸气沉积（MOCVD）影响PCE的两个关键方面：外部效率和串联电阻。
外部效率必须高才能达到最佳PCE，并且受到以下影响：
- 材料质量。激光由MOCVD合成的材料制成，材料的质量越好，外部效率越好。
- 界面清晰度。由于复合半导体包含许多不同材料层，因此MOCVD系统必须使层之间最鲜明的界面。
- 背景掺杂和内存效果。如果结构生长的MOCVD反应器不干净，则过量的杂质或先前层的材料可能会徘徊在腔室中并掺入；例如，碳可能会渗入N型铝制GAA（藻类）层，从而降解电导率。
串联电阻必须低才能达到最高的PCE。这还需要高界面清晰度以及低记忆效果。因此，当气源和掺杂材料在层之间切换时，反应器应完全撤离先验的材料，以便可以在彼此之间生长新层而不会重叠。如果操作不正确，则可能会出现设备性能的问题。
此外，构建最高的可靠性设备需要具有低背景浓度和高机动性的高质量材料。MOCVD增长定义了材料质量，接口和背景杂质，因此对于设备可靠性至关重要。
MOCVD均匀性至关重要
较高的数据流量驱动更多的通道，因此，波长均匀的均匀性。当前的100GB光学接口规范要求使用25Gbps的四个激光器，每个激光器以不同的颜色发射不同的波长，以便检测器可以区分它们。
Datacom使用粗波长度多路复用（CWDM），该多路复用（CWDM）基于通道之间的20nm间距。但是，随着数据量继续增加，需要更多的渠道，因此间距将变得更加紧密。另一方面，电信使用密集波长的多路复用（DWDM），其中频道间距为0.8nm，以适应大量的通道和可调性要求，这又驱动了更为严格的均匀性和收益率需求。
例如，在3英寸INP底物上，通常用于Datacom激光器，晶片内波长均匀性的要求为σ<1.5nm（OR〜9nm范围）。因此，要实现100％的产率，晶圆上的所有设备的所有波长都必须在9nm之内，间距为20nm。
精心设计的MOCVD反应器可实现高性能和均匀的光学设备。相反，设计较差的MOCVD反应器导致设备性能不佳，并且跨晶片和奔跑的设备特性（例如波长）的变化很大，从而导致低收率和高成本。尽管MOCVD后处理可以造成自己的产量损失问题，但设计良好的反应堆可提供最高的设备性能，其变化量最小，因此是最高的收益率。
满足HVM对鳗鱼的要求
按比例生产鳗鱼设备需要使用高性能，低维护的工具，该工具可以在多个活动以及跨预防性维护（PM）周期内为具有不同结构，波长和材料的多个设备生长层。热稳定性和运行重复性对于生产连续性和高产量也至关重要。
所有这些都需要一个精心设计的反应器，没有漂移，最小的配方调整以及快速恢复后的维护易于维护。在更改为新的设备生产计划时，配方之间以及配方之间的性能应保持一致，该计划应快速完成，而在两次运行之间没有停机时间。该工具应提供全面的原位测量并控制两个关键要素，以确保反应堆稳定性：
- 通量（气）输送。使用用于制造设备的每个源的通量控制器，可以通过实时交付控制来实现过程稳定性。
- 温度。发射率补偿的温度控制对于晶格匹配，掺杂和组成均匀性是必需的，并消除了运行的过程漂移。在运行之间或之间缺乏最佳温度均匀性，将导致低收率或需要恒定配方调谐。
VEECO的大量制造或光子设备的解决方案
VEECO对MOCVD流程挑战的解决方案是其最先进的批次MOCVD系统Lumina®MOCVD平台，专门用于在Datacom/Telecom应用程序所需的卷中创建高性能下一代光子学设备。Lumina平台可以在直径200mm的晶状体上沉积高质量的砷化磷化物（ASP）外延层。Lumina平台的核心是TurboDisc®反应堆，该反应堆专为具有行业最高统一性和最低缺陷的外延结构而设计。
TurboDISC技术专为快速开发和大量制造（HVM）坡道而设计，可实现均匀的薄膜增长。在反应堆中，烷基和氢化物分布在层流流的整个注射器上分布，而前体则分离，以避免过早混合和寄生化学。这样可以防止反应器壁或喷油器中不需要的材料沉积，从而消除了反应器漂移。气体分布仅由硬件的物理几何形状而不是通过过程调整确定，从而允许宽阔的过程窗口。
反应堆的垂直注入和高速旋转圆盘一起工作以快速“将”气体“拉下”，然后通过真空泵通过晶圆载体下方的排气管撤离腔室。所有这些都很快发生，因此天然气仅在腔室中短暂地驻留，而无需在沉积平面之外徘徊或涂层区域。所得的材料具有尖锐的接口，没有背景掺杂或记忆效果。
VCSELS的典型配方时间约为4.5小时，而较薄的鳗鱼或微型培养时间为2.5小时。正常运行时间平均在PM之间进行300多次运行，PM可以在不到一个班次（大约四个小时）的情况下执行零恢复时间 - 一台快速烘烤，并且可以重新恢复生产。数据表明，两次运行中的PM恢复为±0.2nm波长的可重复性，没有PM后调节或配方调整。
结果展示了性能
实际运行结果强调了Lumina的高性能和可重复性。例如，典型的Lumina运行Q1300 Bulk Ingaasp VCSEL，用于3英寸电信的电信，在2次运行时产生了几乎相同的平均波长（1324和1325nm），平均值为1.24nm，运行范围为±0.5nm，±0.5nm，以及3英寸晶圆的磁力内波长均匀性（1σ）。
此外，该系统超出了VCSEL HVM均匀性规范的要求。对于典型的7×6英寸940nm VCSEL，用于3D传感，它在磁带σ<0.12％的情况下提供平均值；晶圆到晶体的均匀性小于+/- 0.5nm；并且保水器的产量高于98％。
湿蚀刻技术：一种更温和的方法
如今，许多设备制造商使用干蚀刻技术来对INP激光器等电信设备的台面和波导结构进行模型。
在提供精确的过程性能的同时，干蚀刻倾向于损害下面的外延层并对性能产生负面影响。湿蚀刻提供了一种更温和的方法来对设备进行图案，而不会受到损坏。但是，很难使用烧杯或台式湿蚀刻技术运行大量的过程。需要大量生产值得湿蚀刻系统来提供可重复的过程性能。生产客户的关键功能是蚀刻稳定性，均匀性和端点检测。
蚀刻稳定性
一种典型的湿板或烧杯方法可能会遭受化学降解和蚀刻不稳定性的困扰。在下图中，蓝线在八个小时内显示出典型的化学降解，导致蚀刻速率不稳定。Waferetch平台具有化学尖峰特征（绿线），可定期增加蚀变化学以保持化学浓度并稳定蚀刻速率。
蚀刻不均匀
Waferetch平台具有双曲线臂扫描功能，使用户可以控制手臂速度，因为它可以在整个晶圆上分配蚀变。下图显示了用户如何操纵ARM-SCAN轮廓以优化晶片上的蚀刻配置文件。与烧杯或湿长凳相比，Waferetch的非均匀性<3％。
端点检测
检测蚀刻过程何时完成对于最大程度地减少过度蚀刻，减少化学使用并增加吞吐量至关重要。Veeco的端点系统监视晶片的颜色变化，并通过颜色更改检测端点。下图显示了INGAS底物上INP蚀刻的端点检测扫描。端点扫描显示RGB信号随着INP层的蚀刻而发生变化。这些信号随后稳定下来，因为去除INP并达到INGAAS。
Waferetch平台提供了关键功能，以实现可重复的大量生产。
离子光束溅射的鳗鱼二极管寿命
随着像亚马逊和Facebook这样的公司投资超大数据中心以适应云使用情况，对更快的数据网络的需求正在增加。5G网络有望提供保持数据流动所需的通信速度。5G主链不仅包括无线的，还包括光纤通信，这对于通过互联网和城市障碍物之间的细胞塔之间的数据交换至关重要。
实现广泛的5G电信基础设施的挑战之一是使成本降低。这导致需要低成本DWDM滤波器（100和50 GHz），并保持低插入损失和高隔离，同时保持宽的传球频段（根据ITU规格）。带有> 100层交替的高和低索引材料的带通滤波器以高厚度精确地存放有助于满足这些具有挑战性的要求。
在不同的方面，鳗鱼二极管材料不断暴露于自生激光损伤和不可预测的环境条件下。因此，无论环境条件如何，在电信和数据附件应用中保持鳗鱼二极管寿命的关键要求是高激光诱导的损坏阈值（LIDT）和膜稳定性。
离子束溅射（IBS）会产生具有逆境水平的表面粗糙度和低膜缺陷的环境稳定的近型密度膜。抗反射涂层（r〜0.01％或更高）和具有出色光学特性的高反射涂层（R〜99.9％或更好）。如果所使用的IBS平台具有能够在低能能和各种气体物种下运行的辅助源，则可以在进一步加工之前有效地将能量敏感的材料（例如GAAS和INP）进行预修。在沉积之前，原位清洁和钝化激光条的两侧将使它们免于暴露于环境氧气的不利影响。所得的EEL二极管具有最佳的LIDT值（超过140 J/cm2）。
几十年来，Veeco的旋转离子光束溅射平台一直是用于DWDM应用程序合成频段通滤波器市场中的首选设备。该系统补充了激光光学监测，可以使高层厚度精确度以及在生产过程中（高达48小时的涂层时间）的高过程稳定性。挑战100 GHz过滤器的最终收益率在一次运行中可能超过10,000 mm2，这是DWDM过滤器制造商的高利润投资。新的Spector 5G平台可用于合成电信应用程序（包括DWDM，CWDM，LANWDM，Beam Splitter等）的过滤器（除其他光学应用程序）。
结论
从化合物半导体材料的制造光子设备中，足以满足当今数据中心的量，要求一套独特的过程功能和正确的工具来执行它们。Photonics设备制造商正在转向高级MOCVD，湿蚀刻和离子束溅射过程，以提高设备的性能，可靠性，效率和产量。这些过程的成功应用需要正确的工具集。Veeco提供了一套完整的解决方案，为成功的HVM光子设备设计。