安立光器件開發(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)品開發(fā)歷史。 1964年東京奧運會之后的日本經(jīng)濟(jì)高速增長時期，通信需求大幅增加。日本電信電話公社(NTT的前身)決定建設(shè)光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)志著光通信時代的開始。因此，安立傳感與器件公司的前身開始開發(fā)用于光網(wǎng)絡(luò)測量儀器的關(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發(fā)的器件的歷史。

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

  第三篇閱讀：安立光器件開發(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)，其中長波長復(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，早期的一個關(guān)鍵問題是如何在沒有缺陷的襯底上生長具有合適成分和晶格的薄半導(dǎo)體層。

  晶體生長設(shè)備

  液相外延

  液相外延(LPE)是一種沉淀生長方法，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)體生長溶液來安排生長序列。再者，滑動基板以便基板與熔融溶液接觸。當(dāng)溫度逐漸降低時，未溶解在溶液中的半導(dǎo)體材料會沉淀在半導(dǎo)體襯底上。當(dāng)半導(dǎo)體層達(dá)到所需厚度時，滑動襯底通過下一個半導(dǎo)體溶液，并重復(fù)相同的過程。層厚度由溶液中的溫降速率和保持時間控制。

  液相外延生長設(shè)備示意圖

  半導(dǎo)體層的成分和發(fā)射光波長由溶液中元素的比例決定。因此，測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)備相對簡單，具有生成與襯底晶格匹配高的優(yōu)點。該設(shè)備由安立公司于1975年引進(jìn)，用于大量產(chǎn)品的開發(fā)，例如安立光脈沖測試儀的LDs。由于復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)且難以生長厚度小于0.1μm，并且受限于基板的尺寸。而今天，我們已經(jīng)過渡到氣相外延方法。

  氣相外延

  LPE方法，生長晶體的原料以液態(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。但無論方法如何變化，它們都可以實現(xiàn)高精度生長均勻晶體。前者通常稱為金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)，而后者稱為分子束外延(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實現(xiàn)半導(dǎo)體層的生長。通過改變氣體原料的比例可以形成各種晶體，由于可以支持多個晶圓的生長，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可以評估質(zhì)量，這種方法有利于生長精確的單原子薄膜。

  后期處理

  在完成晶體生長和形成電極后，晶圓被分割成單獨的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)域在開始時太薄，就很難進(jìn)行后期處理。將生長的晶圓拋光至約120μm的厚度，然后進(jìn)一步精細(xì)拋光至約100μm。如果過度拋光，晶圓可能會彎曲和斷裂。

  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，通過切割工藝將晶圓分割成LD芯片。一般來說，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。將晶圓生長面朝下放置并覆蓋薄膜后，通過特殊刀片，以一定角度沿切割面分割晶圓。重復(fù)此過程將芯片切割至所需尺寸。

  切割示意圖

  鍵合

  先利用脈沖電流測試方法對LD芯片進(jìn)行故障檢測。再將測試通過的芯片安裝到散熱片上稱為鍵合，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，鍵合使用自動化處理，直接連接到陶瓷散熱器，這是由于購買了圖案焊接掩模而成為可能。