自2017年Apple（蘋果）公司的旗艦手機整合以來，VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）已成為智能手機3D傳感應用的核心元件。不僅蘋果的競爭對手——安卓陣營智能手機廠商在大力發(fā)展基于VCSEL的創(chuàng)新應用，來自汽車領(lǐng)域的新增長動力，也有望進一步推動VCSEL的大規(guī)模量產(chǎn)，VCSEL的爆炸式增長序幕才剛剛拉開。根據(jù)Yole最近發(fā)布的《VCSEL技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和市場趨勢》報告，2017年VCSEL市場營收達到了約3.3億美元，預計未來5年的復合年增長率將高達48％以上。
據(jù)麥姆斯咨詢介紹，VCSEL應用從數(shù)據(jù)通信時代向3D傳感時代的轉(zhuǎn)變，可能會對與VCSEL相關(guān)的專業(yè)制造產(chǎn)生重大影響。在此背景下，Yole固態(tài)照明技術(shù)與市場分析師Pierrick Boulay近期采訪了Oxford Instruments（牛津儀器公司）技術(shù)寫作負責人Stephanie Baclet，與其探討了當前與VCSEL制造相關(guān)的挑戰(zhàn)。
Pierrick Boulay（以下簡稱PB）：您好，請您先做一下自我介紹，您的工作職責，以及牛津儀器的主要業(yè)務？
Stephanie Baclet（以下簡稱SB）：我是Stephanie Baclet，目前負責牛津儀器公司的技術(shù)寫作。我與光電子器件制造商緊密合作，將它們對器件的要求，轉(zhuǎn)化為等離子處理產(chǎn)品的納米制造要求。我曾作為高級應用工程師專注于新產(chǎn)品的推出以及各種技術(shù)的處理開發(fā)，如LED、激光二極管和衍射光學元件等。
牛津儀器等離子技術(shù)，是納米級特征、納米層和納米結(jié)構(gòu)可控生長應用的蝕刻和沉積等離子工藝解決方案領(lǐng)先供應商。這些解決方案基于等離子體、離子束和原子層沉積和蝕刻核心技術(shù)。我們的產(chǎn)品范圍覆蓋了從用于高通量生產(chǎn)加工的批量盒式處理平臺，到用于研發(fā)的緊湊型獨立系統(tǒng)。
牛津儀器PlasmaPro100 Polaris MMX
PB：與VCSEL制造工藝相關(guān)的主要挑戰(zhàn)有哪些？牛津儀器如何攻克？
SB：器件的性能和特性，始終是其設(shè)計和制造中多種元素影響的綜合結(jié)果。因此，建立正確的工藝流程并在控制容差內(nèi)執(zhí)行每個工藝步驟，對于高可靠制造至關(guān)重要。對于VCSEL，我會說出光孔徑是其設(shè)計的一個關(guān)鍵因素，因為它直接定義了激光器的關(guān)鍵參數(shù)，例如閾值電壓。
目前，出光孔徑的大小一部分由mesa diameter（臺面直徑）以及Al（鋁）含量和氧暴露決定，因此需要很好地控制每一個因素以獲得期望的孔徑。總的來說，這3個因素正是VCSEL制造的主要挑戰(zhàn)所在，亦即VCSEL技術(shù)要求堆疊層內(nèi)Al含量良好控制的外延結(jié)構(gòu)，臺面結(jié)構(gòu)的可靠制造，以及具有嚴密流動控制的氧化爐。
3D傳感等應用推動了市場對VCSEL的大規(guī)模需求，因此行業(yè)關(guān)注VCSEL良率的最大化，以及將VCSEL制造技術(shù)推向150mm平臺。牛津儀器提供處理VCSEL臺面以及其他幾種激光元件的解決方案。我們已經(jīng)與VCSEL制造商合作多年，牛津儀器在設(shè)計III-V族材料等離子處理解決方案方面的專業(yè)積累，使我們能夠在100mm和150mm晶圓平臺實現(xiàn)最高良率的制造解決方案。
此外，納米加工領(lǐng)域正在不斷發(fā)展。諸如原子層沉積和原子層蝕刻等技術(shù)實現(xiàn)了新的器件架構(gòu)，并使器件性能最大化。我們一直在不斷改進我們的解決方案組合，以最大限度地提高客戶的器件性能。
制造過程中最具挑戰(zhàn)的工藝步驟
PB：蝕刻工藝似乎是VCSEL制造過程中的關(guān)鍵步驟之一，你能解釋一下為什么嗎？
SB：臺面蝕刻工藝在幾個方面對VCSEL的性能至關(guān)重要。首先是側(cè)壁的質(zhì)量，臺面?zhèn)缺谑茄趸に囬_始的地方。必須要有一個平滑而干凈的表面，以使孔徑均勻地形成。由于還需要控制臺面的剖面角，而這會根據(jù)加工策略產(chǎn)生一定的粗糙度，因此，這是一個挑戰(zhàn)。另外，對于標準GaAs/AlGaAs（砷化鎵/砷化鋁鎵）DBR（分布布拉格反射鏡）結(jié)構(gòu)，AlGaAs中存在的Al也會在每對層之間引入選擇性蝕刻。
蝕刻步驟的另一個關(guān)鍵是如何定義截止層。如果不能在外延疊層內(nèi)的目標截止層停止蝕刻，則在形成出光孔時會導致不需要的層的氧化。控制蝕刻工藝停止的位置，不僅取決于終點控制技術(shù)的準確性，還取決于整個晶圓上蝕刻速率的均勻性。顯然，所有這些因素在大晶圓尺寸下將變得更加難以控制。
PB：可以使用哪類工具來控制不同的制造工藝？您能介紹一下嗎？
SB：對于等離子工藝解決方案步驟，有控制工藝本身的工具，例如自動終點控制技術(shù)，然后還有控制設(shè)備的工具。隨著化合物制造的日趨成熟，硅行業(yè)使用多年的許多方法將開始出現(xiàn)在VCSEL制造領(lǐng)域，例如 SECS/GEM（半導體通信協(xié)議）和工廠自動化。這些將推動良率的提高，并降低VCSEL主流應用所需要的擁有成本。牛津儀器等離子技術(shù)已經(jīng)在多個客戶的產(chǎn)線實施了SECS/GEM，并為VCSEL制造的下一階段做好了充分準備。
RIE反應離子蝕刻系統(tǒng)
PB：為什么從晶圓到晶圓保持相同的生產(chǎn)一致性如此困難？
SB：VCSEL的一大優(yōu)勢是能夠制造陣列以擴大功率。然而，為了用單個電輸入驅(qū)動VCSEL陣列，理想情況下陣列中的每個VCSEL需要具有相同的光電特性。例如，您需要陣列中的所有VCSEL具有相同的閾值電壓，這樣它們可以同時開啟。當在脈沖條件下運行時，這將變得更加重要。因此，總體而言，對生產(chǎn)一致性的要求非常嚴格。目前，良率很大程度上取決于外延片的良率。外延結(jié)構(gòu)的復雜性和厚度對外延片制造商來說是一個挑戰(zhàn)。DBR結(jié)構(gòu)必須非常厚才能獲得所需要的反射率，因此，50多層的堆疊層以及整個晶圓區(qū)域的Al含量都需要精確控制。
PB：數(shù)據(jù)通信和消費類、汽車領(lǐng)域3D傳感應用的VCSEL有哪些主要區(qū)別？
SB：數(shù)據(jù)通信是VCSEL最開始的應用。如今，光學互連和光學HDMI（高清多媒體接口）電纜等應用仍然極具吸引力。對于這些應用，激光器波長通常為850nm多模發(fā)射，在大芯片上以mW（毫瓦）范圍的低功率運行。由于這類激光器是在高頻下調(diào)制的，因此通常專為低電寄生而設(shè)計。在手勢識別等3D傳感應用中，激光波長通常在940nm量級，并且通常是為更高功率運行而設(shè)計的陣列。根據(jù)應用的不同，LiDAR（激光雷達）應用的VCSEL功率約為10~50W，手勢識別的功率約為0.5W。陣列密度和孔徑大小可根據(jù)功率要求進行調(diào)整。
PB：您對未來五年的VCSEL應用有何期待？
SB：隨著良率的提高和成本的降低，我們應該會看到越來越多的應用選擇VCSEL作為光源。紅外光源是物聯(lián)網(wǎng)、智能家居或手勢識別等最激動人心的應用的核心。這些應用將逐漸成為我們?nèi)粘Ｉ钪械某Ｒ?guī)應用，是VCSEL的完美應用領(lǐng)域。不過，這并不是說VCSEL將成為紅外光源的唯一解決方案，VCSEL將成為那些要求緊湊尺寸、高光束穩(wěn)定性和低功耗應用的首選技術(shù)。