自2017年Apple（蘋(píng)果）公司的旗艦手機(jī)整合以來(lái)，VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）已成為智能手機(jī)3D傳感應(yīng)用的核心元件。不僅蘋(píng)果的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手——安卓陣營(yíng)智能手機(jī)廠(chǎng)商在大力發(fā)展基于VCSEL的創(chuàng)新應(yīng)用，來(lái)自汽車(chē)領(lǐng)域的新增長(zhǎng)動(dòng)力，也有望進(jìn)一步推動(dòng)VCSEL的大規(guī)模量產(chǎn)，VCSEL的爆炸式增長(zhǎng)序幕才剛剛拉開(kāi)。根據(jù)Yole最近發(fā)布的《VCSEL技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)趨勢(shì)》報(bào)告，2017年VCSEL市場(chǎng)營(yíng)收達(dá)到了約3.3億美元，預(yù)計(jì)未來(lái)5年的復(fù)合年增長(zhǎng)率將高達(dá)48％以上。

　　據(jù)麥姆斯咨詢(xún)介紹，VCSEL應(yīng)用從數(shù)據(jù)通信時(shí)代向3D傳感時(shí)代的轉(zhuǎn)變，可能會(huì)對(duì)與VCSEL相關(guān)的專(zhuān)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(chǎng)分析師Pierrick Boulay近期采訪(fǎng)了Oxford Instruments（牛津儀器公司）技術(shù)寫(xiě)作負(fù)責(zé)人Stephanie Baclet，與其探討了當(dāng)前與VCSEL制造相關(guān)的挑戰(zhàn)。

　　Pierrick Boulay（以下簡(jiǎn)稱(chēng)PB）：您好，請(qǐng)您先做一下自我介紹，您的工作職責(zé)，以及牛津儀器的主要業(yè)務(wù)？

　　Stephanie Baclet（以下簡(jiǎn)稱(chēng)SB）：我是Stephanie Baclet，目前負(fù)責(zé)牛津儀器公司的技術(shù)寫(xiě)作。我與光電子器件制造商緊密合作，將它們對(duì)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(jí)應(yīng)用工程師專(zhuān)注于新產(chǎn)品的推出以及各種技術(shù)的處理開(kāi)發(fā)，如LED、激光二極管和衍射光學(xué)元件等。

　　牛津儀器等離子技術(shù)，是納米級(jí)特征、納米層和納米結(jié)構(gòu)可控生長(zhǎng)應(yīng)用的蝕刻和沉積等離子工藝解決方案領(lǐng)先供應(yīng)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(tái)，到用于研發(fā)的緊湊型獨(dú)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(jì)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(gè)工藝步驟，對(duì)于高可靠制造至關(guān)重要。對(duì)于VCSEL，我會(huì)說(shuō)出光孔徑是其設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵因素，因?yàn)樗苯佣x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(tái)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(gè)因素以獲得期望的孔徑?？偟膩?lái)說(shuō)，這3個(gè)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(tái)面結(jié)構(gòu)的可靠制造，以及具有嚴(yán)密流動(dòng)控制的氧化爐。

　　3D傳感等應(yīng)用推動(dòng)了市場(chǎng)對(duì)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(tái)。牛津儀器提供處理VCSEL臺(tái)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(jì)III-V族材料等離子處理解決方案方面的專(zhuān)業(yè)積累，使我們能夠在100mm和150mm晶圓平臺(tái)實(shí)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(shí)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(jìn)我們的解決方案組合，以最大限度地提高客戶(hù)的器件性能。

　　制造過(guò)程中最具挑戰(zhàn)的工藝步驟

　　PB：蝕刻工藝似乎是VCSEL制造過(guò)程中的關(guān)鍵步驟之一，你能解釋一下為什么嗎？

　　SB：臺(tái)面蝕刻工藝在幾個(gè)方面對(duì)VCSEL的性能至關(guān)重要。首先是側(cè)壁的質(zhì)量，臺(tái)面?zhèn)缺谑茄趸に囬_(kāi)始的地方。必須要有一個(gè)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(tái)面的剖面角，而這會(huì)根據(jù)加工策略產(chǎn)生一定的粗糙度，因此，這是一個(gè)挑戰(zhàn)。另外，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)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(huì)在每對(duì)層之間引入選擇性蝕刻。

　　蝕刻步驟的另一個(gè)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(biāo)截止層停止蝕刻，則在形成出光孔時(shí)會(huì)導(dǎo)致不需要的層的氧化?？刂莆g刻工藝停止的位置，不僅取決于終點(diǎn)控制技術(shù)的準(zhǔn)確性，還取決于整個(gè)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(lèi)工具來(lái)控制不同的制造工藝？您能介紹一下嗎？

　　SB：對(duì)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(dòng)終點(diǎn)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(kāi)始出現(xiàn)在VCSEL制造領(lǐng)域，例如 SECS/GEM（半導(dǎo)體通信協(xié)議）和工廠(chǎng)自動(dòng)化。這些將推動(dòng)良率的提高，并降低VCSEL主流應(yīng)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(gè)客戶(hù)的產(chǎn)線(xiàn)實(shí)施了SECS/GEM，并為VCSEL制造的下一階段做好了充分準(zhǔn)備。

　　RIE反應(yīng)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(shì)是能夠制造陣列以擴(kuò)大功率。然而，為了用單個(gè)電輸入驅(qū)動(dòng)VCSEL陣列，理想情況下陣列中的每個(gè)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(shí)開(kāi)啟。當(dāng)在脈沖條件下運(yùn)行時(shí)，這將變得更加重要。因此，總體而言，對(duì)生產(chǎn)一致性的要求非常嚴(yán)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(fù)雜性和厚度對(duì)外延片制造商來(lái)說(shuō)是一個(gè)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(gè)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(fèi)類(lèi)、汽車(chē)領(lǐng)域3D傳感應(yīng)用的VCSEL有哪些主要區(qū)別？

　　SB：數(shù)據(jù)通信是VCSEL最開(kāi)始的應(yīng)用。如今，光學(xué)互連和光學(xué)HDMI（高清多媒體接口）電纜等應(yīng)用仍然極具吸引力。對(duì)于這些應(yīng)用，激光器波長(zhǎng)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(yùn)行。由于這類(lèi)激光器是在高頻下調(diào)制的，因此通常專(zhuān)為低電寄生而設(shè)計(jì)。在手勢(shì)識(shí)別等3D傳感應(yīng)用中，激光波長(zhǎng)通常在940nm量級(jí)，并且通常是為更高功率運(yùn)行而設(shè)計(jì)的陣列。根據(jù)應(yīng)用的不同，LiDAR（激光雷達(dá)）應(yīng)用的VCSEL功率約為10~50W，手勢(shì)識(shí)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(jìn)行調(diào)整。

　　PB：您對(duì)未來(lái)五年的VCSEL應(yīng)用有何期待？

　　SB：隨著良率的提高和成本的降低，我們應(yīng)該會(huì)看到越來(lái)越多的應(yīng)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(shì)識(shí)別等最激動(dòng)人心的應(yīng)用的核心。這些應(yīng)用將逐漸成為我們?nèi)粘Ｉ钪械某Ｒ?guī)應(yīng)用，是VCSEL的完美應(yīng)用領(lǐng)域。不過(guò)，這并不是說(shuō)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(yīng)用的首選技術(shù)。