自2017年Apple（蘋果）公司的旗艦手機整合以來，VCSEL（垂直腔面發射激光器）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展基于VCSEL的創新應用，來自汽車領域的新增長動力，也有望進一步推動VCSEL的大規模量產，VCSEL的爆炸式增長序幕才剛剛拉開。根據Yole最近發布的《VCSEL技術、產業和市場趨勢》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。
據麥姆斯咨詢介紹，VCSEL應用從數據通信時代向3D傳感時代的轉變，可能會對與VCSEL相關的專業制造產生重大影響。在此背景下，Yole固態照明技術與市場分析師Pierrick Boulay近期采訪了Oxford Instruments（牛津儀器公司）技術寫作負責人Stephanie Baclet，與其探討了當前與VCSEL制造相關的挑戰。
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，轉化為等離子處理產品的納米制造要求。我曾作為高級應用工程師專注于新產品的推出以及各種技術的處理開發，如LED、激光二極管和衍射光學元件等。
牛津儀器等離子技術，是納米級特征、納米層和納米結構可控生長應用的蝕刻和沉積等離子工藝解決方案領先供應商。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。我們的產品范圍覆蓋了從用于高通量生產加工的批量盒式處理平臺，到用于研發的緊湊型獨立系統。
牛津儀器PlasmaPro100 Polaris MMX
PB：與VCSEL制造工藝相關的主要挑戰有哪些？牛津儀器如何攻克？
SB：器件的性能和特性，始終是其設計和制造中多種元素影響的綜合結果。因此，建立正確的工藝流程并在控制容差內執行每個工藝步驟，對于高可靠制造至關重要。對于VCSEL，我會說出光孔徑是其設計的一個關鍵因素，因為它直接定義了激光器的關鍵參數，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制造的主要挑戰所在，亦即VCSEL技術要求堆疊層內Al含量良好控制的外延結構，臺面結構的可靠制造，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的大規模需求，因此行業關注VCSEL良率的最大化，以及將VCSEL制造技術推向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。我們已經與VCSEL制造商合作多年，牛津儀器在設計III-V族材料等離子處理解決方案方面的專業積累，使我們能夠在100mm和150mm晶圓平臺實現最高良率的制造解決方案。
此外，納米加工領域正在不斷發展。諸如原子層沉積和原子層蝕刻等技術實現了新的器件架構，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的工藝步驟
PB：蝕刻工藝似乎是VCSEL制造過程中的關鍵步驟之一，你能解釋一下為什么嗎？
SB：臺面蝕刻工藝在幾個方面對VCSEL的性能至關重要。首先是側壁的質量，臺面側壁是氧化工藝開始的地方。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，而這會根據加工策略產生一定的粗糙度，因此，這是一個挑戰。另外，對于標準GaAs/AlGaAs（砷化鎵/砷化鋁鎵）DBR（分布布拉格反射鏡）結構，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鍵是如何定義截止層。如果不能在外延疊層內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，然后還有控制設備的工具。隨著化合物制造的日趨成熟，硅行業使用多年的許多方法將開始出現在VCSEL制造領域，例如 SECS/GEM（半導體通信協議）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已經在多個客戶的產線實施了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
PB：為什么從晶圓到晶圓保持相同的生產一致性如此困難？
SB：VCSEL的一大優勢是能夠制造陣列以擴大功率。然而，為了用單個電輸入驅動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。外延結構的復雜性和厚度對外延片制造商來說是一個挑戰。DBR結構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域的Al含量都需要精確控制。
PB：數據通信和消費類、汽車領域3D傳感應用的VCSEL有哪些主要區別？
SB：數據通信是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制的，因此通常專為低電寄生而設計。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計的陣列。根據應用的不同，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功率要求進行調整。
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。紅外光源是物聯網、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日常生活中的常規應用，是VCSEL的完美應用領域。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、高光束穩定性和低功耗應用的首選技術。