安立光器件開(kāi)發(fā)史 |（二）制程技術(shù)的變遷

  ICC訊 本系列文章介紹安立傳感與器件公司(Anritsu Sensing &Devices Company)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)歷史。 1964年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)之后的日本經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)時(shí)期，通信需求大幅增加。日本電信電話(huà)公社(NTT的前身)決定建設(shè)光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)志著光通信時(shí)代的開(kāi)始。因此，安立傳感與器件公司的前身開(kāi)始開(kāi)發(fā)用于光網(wǎng)絡(luò)測(cè)量?jī)x器的關(guān)鍵器件，如半導(dǎo)體激光器和高速混合集成電路。安立傳感器件公司今天的許多產(chǎn)品都繼承了這一時(shí)期的產(chǎn)品基礎(chǔ)。本系列文章介紹了安立傳感器件公司開(kāi)發(fā)的器件的歷史。

  第一篇閱讀：安立光器件開(kāi)發(fā)史 |（一）半導(dǎo)體激光器開(kāi)發(fā)的黎明期

  第三篇閱讀：安立光器件開(kāi)發(fā)史 |（三）激光器芯片研發(fā)進(jìn)展

  (2)制程技術(shù)的變遷

  光器件一般具有層狀結(jié)構(gòu)，其中長(zhǎng)波長(zhǎng)復(fù)合半導(dǎo)體作為有源層夾在包層中間。為了提高性能和可靠性，改進(jìn)在襯底上形成的晶體材料的質(zhì)量以及精確地使有源層與襯底的晶格匹配是非常重要的。LD激光波長(zhǎng)由有源層InGaAsP元件的比例決定，其厚度約為0.1μm。因此，早期的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是如何在沒(méi)有缺陷的襯底上生長(zhǎng)具有合適成分和晶格的薄半導(dǎo)體層。

  晶體生長(zhǎng)設(shè)備

  液相外延

  液相外延(LPE)是一種沉淀生長(zhǎng)方法，這種方法是讓襯底材料與熔融半導(dǎo)體材料接觸。首先，使用在高溫下溶解的半導(dǎo)體生長(zhǎng)溶液來(lái)安排生長(zhǎng)序列。再者，滑動(dòng)基板以便基板與熔融溶液接觸。當(dāng)溫度逐漸降低時(shí)，未溶解在溶液中的半導(dǎo)體材料會(huì)沉淀在半導(dǎo)體襯底上。當(dāng)半導(dǎo)體層達(dá)到所需厚度時(shí)，滑動(dòng)襯底通過(guò)下一個(gè)半導(dǎo)體溶液，并重復(fù)相同的過(guò)程。層厚度由溶液中的溫降速率和保持時(shí)間控制。

  液相外延生長(zhǎng)設(shè)備示意圖

  半導(dǎo)體層的成分和發(fā)射光波長(zhǎng)由溶液中元素的比例決定。因此，測(cè)量溶液貯存器中每種材料的重量就非常重要。這就需要使用電子天平進(jìn)行精確調(diào)整。由于材料在溶解后不會(huì)立即均勻地分布在溶液中，所以在使用前需等待每種材料完全溶解，成為均質(zhì)溶液中。

  LPE方法使用的設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，具有生成與襯底晶格匹配高的優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)備由安立公司于1975年引進(jìn)，用于大量產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，例如安立光脈沖測(cè)試儀的LDs。由于復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)且難以生長(zhǎng)厚度小于0.1μm，并且受限于基板的尺寸。而今天，我們已經(jīng)過(guò)渡到氣相外延方法。

  氣相外延

  LPE方法，生長(zhǎng)晶體的原料以液態(tài)形式供應(yīng)，而氣相外延(VPE)，原料以蒸氣形式供應(yīng)。

  VPE方法有許多新的技術(shù)，包括熱解化學(xué)反應(yīng)方法和真空沉積等物理方法在襯底上形成半導(dǎo)體晶體。但無(wú)論方法如何變化，它們都可以實(shí)現(xiàn)高精度生長(zhǎng)均勻晶體。前者通常稱(chēng)為金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)，而后者稱(chēng)為分子束外延(MBE)。最近的LDs有源層是具有由單原子層組成的多層半導(dǎo)體的量子阱結(jié)構(gòu)，這大大提高了性能。

  MOCVD方法在正常大氣或低壓環(huán)境下進(jìn)行，進(jìn)料為有機(jī)金屬的氣體原料;氣體原料在加熱基板上熱解來(lái)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體層的生長(zhǎng)。通過(guò)改變氣體原料的比例可以形成各種晶體，由于可以支持多個(gè)晶圓的生長(zhǎng)，這種方法被廣泛使用。

  MOCVD設(shè)備示意圖

  分子束外延(MBE)是一種將原材料加熱并在高真空中蒸發(fā)成光束，直接在襯底上生長(zhǎng)晶體的方法。薄膜成分由原材料的氣相沉積量控制，并且隨著薄膜的生長(zhǎng)可以評(píng)估質(zhì)量，這種方法有利于生長(zhǎng)精確的單原子薄膜。

  后期處理

  在完成晶體生長(zhǎng)和形成電極后，晶圓被分割成單獨(dú)的LD芯片。

  拋光光學(xué)器件的有源層僅有幾微米，但基板通常約為300至400-μm，因此基板存在未使用的區(qū)域。如果該區(qū)域在開(kāi)始時(shí)太薄，就很難進(jìn)行后期處理。將生長(zhǎng)的晶圓拋光至約120μm的厚度，然后進(jìn)一步精細(xì)拋光至約100μm。如果過(guò)度拋光，晶圓可能會(huì)彎曲和斷裂。

  形成電極該工藝將金基(Gold-based)金屬和金(Au)附著到半導(dǎo)體晶片的多層上。起初，由金屬氣相沉積在兩側(cè)形成沒(méi)有電極的區(qū)域。如果制造材料、涂層方法和退火(加熱)存在瑕疵，則可能導(dǎo)致電阻增加。

  切割

  電極成型后，通過(guò)切割工藝將晶圓分割成LD芯片。一般來(lái)說(shuō)，礦物和晶體具有一種叫做解理的性質(zhì)，它們可以沿著原子鍵較弱的平面分裂，從而形成一個(gè)平坦光滑的表面?；衔锇雽?dǎo)體晶體的晶圓分割使用這種解理特性。將晶圓生長(zhǎng)面朝下放置并覆蓋薄膜后，通過(guò)特殊刀片，以一定角度沿切割面分割晶圓。重復(fù)此過(guò)程將芯片切割至所需尺寸。

  切割示意圖

  鍵合

  先利用脈沖電流測(cè)試方法對(duì)LD芯片進(jìn)行故障檢測(cè)。再將測(cè)試通過(guò)的芯片安裝到散熱片上稱(chēng)為鍵合，其中LD芯片焊接在連接到銅散熱片上的金剛石子底座(下圖)。

  LD芯片bonding 示意圖

  現(xiàn)在，鍵合使用自動(dòng)化處理，直接連接到陶瓷散熱器，這是由于購(gòu)買(mǎi)了圖案焊接掩模而成為可能。