您是否拥有较高体积的光子设备的合适的流程工具?

博客|3月11日,2021年

由于对数据的爆炸性需求,光子学市场的增长前景 - 特别是在全球留在家庭经济中 - 以及云计算和物联网应用中的兴起。根据YoleDéveloppement,到2025年,数据传输市场将近20​​20级,数据通信(年度增长24%)和电信(14%的年度增长)作为主要驱动因素。

在过去五年中,在数据中心的前所未有的投资将继续在数据库空间中占据主导地位。根据IDC和Seagate的说法,2019年的数据消耗将从大约44岁到2025年增加到175TB。此外,生成的大部分数据都需要实时处理。

对于Datacom和电信,光信号传输可实现更快的网络。这是推动对光子装置的需求,特别是磷化铟·缘发射激光器(INP鳗)处的1.3 / 1.5微米波长;砷化镓垂直腔表面发射激光器(GaAs Vcsels)在850nm;和光电探测器。具有优异均匀性的高性能和可靠的设备对这些应用至关重要。多种技术在使可靠的大批量制造规模展示来发挥关键作用。本文讨论了在高卷中制造光子仪设备所需的先进过程,以及当今的过程工具需要发生的事情。

为什么MOCVD事项:效率和可靠性

功率转换效率(PCE)和可靠性是半导体激光器的两个重要参数。金属有机化学气相沉积(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,以实现最佳PCE,并受以下影响:

  • 材料的质量。激光是由mocvd合成的材料制成的,材料的质量越好,外部效率越高。
  • 接口清晰度。由于复合半导体包括许多不同材料层,因此MOCVD系统必须使得层之间最尖锐的界面。
  • 背景掺杂和记忆效应。如果在其生长的MOCVD反应器不清洁,则来自现有层的过量杂质或材料可以在腔室中徘徊并结合;例如,碳可以渗透N型铝GaAs(Algaas)层,降低导电性。

系列抵抗必须低,以实现最高的PCE。这也需要高界面清晰度,以及低记忆效果。因此,当在层之间切换气体源和掺杂剂材料时,反应器应该完全疏散先前的材料,使得新层可以在彼此顶部生长,没有重叠。如果这不是正确完成的,则可以随之而来的设备性能问题。

此外,建立最高可靠性装置需要高质量的材料,具有低背景浓度和高迁移率。MOCVD增长定义了材料质量,界面和背景杂质,因此对设备可靠性非常关键。

MOCVD均匀性至关重要
更高的数据流量驱动更多的通道,因此越来越紧密地均匀。当前100GB光学接口规格调用用于使用25Gbps的四个激光器,每个激光器在不同颜色中发出不同的波长,以便检测器可以区分它们。

Datacom使用粗波分复用(CWDM),其基于通道之间的20nm间距。但是,随着数据量继续增加,将需要更多的通道,因此间距将更紧密。另一方面,电信使用致密波分复用(DWDM),其中 - 通道间距为0.8nm,以适应大量通道和可调性要求,这反过来又驱动更严格的均匀性和产量需求。

例如,在3英寸的InP基板上,通常用于Datacom激光器,在晶片内的波长均匀性的要求是σ<1.5nm(或〜9nm)。因此,为了实现100%产率,晶片上的所有波长的设备必须在9nm内,具有20nm间距。

精心设计的MOCVD反应器可实现高性能和均匀的光学器件。相反,设计不良的MOCVD反应器导致器件性能差,横跨晶片的设备特性(如波长)的大变化,导致产量低,成本高。虽然MOCVD处理后可以创建其自己的屈服损失问题,但精心设计的反应堆提供了最高的变化量,因此最高的屈服性能。

满足鳗鱼的HVM要求
在尺度呼叫中生产EEL器件,可用于高性能,低维护工具,可以为多个设备,具有不同结构,波长和材料的层,在多个广告系列和预防性维护(PM)循环中,为多个设备增长。热稳定性和运行的可重复性对于生产连续性和高产量也至关重要。

所有这些都需要精心设计的反应堆,没有漂移,最小的食谱调整和易于维护,快速下午恢复。性能应在食谱中以及在转换到新的设备制作计划时以及回合之间的一致性,这应该在运行之间没有停机时间快速完成。该工具应全面提供原位测量并控制两个关键元件,以确保反应堆稳定性:

  • 助焊剂(气体)交付.对于用于制造设备的每个源的磁通控制器通过实时传送控制能够随时间进行过程稳定性。
  • 温度.为了实现晶格匹配、掺杂和成分均匀性,以及消除运行过程中的漂移,发射补偿温度控制是必要的。无论是在运行中还是在运行之间,缺乏最佳的温度均匀性将导致低产量或需要不断调整配方。

雷竞技官方网址Veeco的高批量制造或光子设备的解决方案
雷竞技官方网址Veeco对MOCVD过程挑战的解决方案是Lumina®MoCVD平台,其最先进的批量MOCVD系统,专为在Datacom /电信应用程序所需的卷中创建高性能下一代光子学设备。Lumina平台可在直径为200mm的晶片上沉积高质量的砷化物(ASP)外延层。在Lumina平台的核心,是TurboDisc®反应堆,专门设计用于具有业界最高均匀性和最低缺陷的外延结构。

设计用于快速发展和大容量制造(HVM)斜坡,涡轮机技术能够实现均匀的薄膜生长。在反应器中,烷基和氢化物以具有层流的喷射器的交替图案分布,而前体分离以避免过早混合和寄生化学。这防止了反应器壁或喷射器中的不需要的材料沉积,从而消除了反应器漂移。仅通过硬件的物理几何来确定气体分布,而不是通过过程调谐,从而允许宽的处理窗口。

反应器的垂直喷射和高速旋转的圆盘一起快速地“拉”下气体,然后由真空泵通过硅片载体下方的排气将腔室抽出。所有这些都发生得很快,因此气体只短暂地驻留在腔室中,而不会在沉积面之外停留或覆盖区域。所得到的材料具有鲜明的界面,没有背景掺杂或记忆效应。

典型的配方时间为VCSELS的4.5小时,较薄的EEL或微LED为2.5小时。正常运行时间平均在PM之间超过300个运行,可以在不到一个班次(大约四个小时)以零恢复时间 - 一个快速烘烤的情况下进行,并且可以恢复生产。数据表示在两次运行中的PM恢复为±0.2nm波长重复性,没有PM后调节或配方调整。

结果展示性能
实际运行结果下划线强调了Lumina的高性能和可重复性。例如,3英寸晶片上电信Q1300 Bulk InGaASP VCSEL的典型Lumina运行几乎相同的平均波长(1324和1325nm超过2次运行),σ平均为1.24nm,跳转范围为±0.5nm,以及3英寸晶片的晶片波长均匀性(1σ)。

此外,该系统超过VCSEL HVM均匀度规格的要求。对于用于3D感测的典型7×6英寸940nm Vcsel,它可以在晶片内平均值σ<0.12%;晶圆到晶片均匀性小于+/- 0.5nm;在晶圆内的内部产量高于98%。

湿蚀刻技术:温和的方法
如今,许多设备制造商使用干蚀刻技术来模式INP激光器等电信设备的MESA和波导结构。

在提供精确的工艺性能的同时,干蚀刻趋于损害潜在的外延层和负面影响性能。湿法蚀刻提供了一种温和的方法来模式没有损坏的设备。然而,难以使用烧杯或台式湿法蚀刻技术运行大容量工艺。需要高批量生产的湿蚀刻系统来提供可重复的工艺性能。生产客户的关键特性是蚀刻稳定性,均匀性和端点检测。

蚀刻稳定性
用于蚀刻的典型的湿凳或烧杯方法可以遭受化学降解和蚀刻不稳定性。在下图中,蓝线显示出八小时的典型化学降解,导致蚀刻速率不稳定。塑壳具有化学尖峰特征(绿线),其周期性地增加蚀刻剂化学以保持化学浓度并稳定蚀刻速率。


蚀刻不均匀性
果削平台具有双曲线臂扫描功能,允许用户控制臂速,因为它在晶圆上分配蚀刻剂。下图显示了用户如何操纵ARM扫描配置文件以优化晶片上的蚀刻轮廓。与烧杯或湿凳相比,玻璃坯可以实现不均匀性<3%。

端点检测
检测刻蚀过程何时完成对最小化过刻蚀、减少化学用量和增加生产能力至关重要。雷竞技官方网址Veeco的端点系统可以监测晶圆的颜色变化,并通过颜色变化检测端点。下图为InGaAs衬底上InP蚀刻的端点检测扫描图。端点扫描显示RGB信号随着InP层被蚀刻而改变。当InP被移除,InGaAs达到时,这些信号稳定下来。

WaferEtch平台提供了可重复、大批量生产的关键功能。

用于鳗鱼二极管寿命的离子束溅射
随着亚马逊和Facebook等公司投资超越数据中心,需要更快的Datacom网络的需求正在增加,以适应云使用。5G网络承诺提供保持数据流动所需的通信速度。5G骨干不仅包括无线,而且还包括光纤通信,这对于互联网和城市块宏小区之间的小区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保持低成本。这导致了低成本DWDM滤波器(100和50 GHz),具有低插入损耗和高隔离,同时保持宽通带(ITU规格)。包含> 100层的带通滤波器沉积高厚度精度的交替的高和低折射率材料有助于满足这些挑战性要求。

在不同的前沿,鳗鱼二极管材料连续暴露于自我产生的激光损伤和不可预测的环境条件。因此,维持电信和数据传播应用中的鳗鱼二极管寿命的关键要求是高激光诱导的损伤阈值(LIDT)和薄膜稳定性,无论环境条件如何。

离子束溅射(IBS)产生环境稳定的近堆积密度膜,具有抗埃级表面粗糙度和低膜缺陷。还可以进行抗反射涂层(具有R〜0.01%或更高)和高反射​​涂层(R〜99.9%或更高),具有优异的光学性质。如果使用的IBS平台具有能够在低能量和各种气体物种下运行的辅助源,并且在进一步加工之前可以有效地先加入GaAs和InP等能量敏感材料。在沉积前,在沉积前的激光棒两侧的钝化将使它们免于暴露于环境氧气的不利影响。所得到的鳗鱼二极管具有最佳的LIDT值(超过140 j / cm2)。

几十年来,Veeco的卫星雷竞技官方网址离子束溅射平台一直是市场上的Go-Equipment,用于合成DWDM应用的带通滤波器。通过激光光学监测补充,通过生产运行的持续时间(高达48小时的涂布时间),该系统能够高度高精度精度。挑战100 GHz过滤器的所得产量可以单一运行超过10,000 mm2,使其成为DWDM过滤器制造商的高利润投资。新翼型5G平台可用于合成用于电信应用的过滤器(除其他光应用),包括DWDM,CWDM,LANWDM,分束器等。

结论
从复合半导体材料的制造光子学器件,高于足够高的卷以满足今天的数据中心需要呼叫独特的流程功能和正确的工具来执行它们。光子仪设备制造商正在转向先进的MOCVD,湿蚀刻和离子束溅射工艺,以提高器件的性能,可靠性,效率和产量。成功应用这些过程需要正确的工具集。雷竞技官方网址Veeco提供全套套件,专为成功的光子学设备HVM而设计。

最近的帖子

雷竞技官方网址Veeco是驱动硬盘制造到新的生产力水平的行业领导者。

离子束刻蚀在射频滤波处理中的应用

阅读更多

您是否拥有较高体积的光子设备的合适的流程工具?

阅读更多

单晶片湿蚀刻工具的应用特定演变

阅读更多

5G推出:过渡行业

阅读更多

我们的团队已准备好帮忙