VCSEL火冒三丈，工艺优化有门道
苹果iPhone和iPad Pro引爆了VCSEL（垂直腔面发射激光器）在消费领域的应用，前赴后继的是自动驾驶汽车的激光雷达（LiDAR）应用，许多头部半导体企业和Tier 1大厂都不约而同投入研发，成果已初步显现。
从上世纪60年代诞生到现在，VCSEL从未引起人们这么大的关注。据Yole预测，汽车领域的激光雷达将是继苹果几年前引爆移动应用激光雷达市场之后，VCSEL的下一个典型应用场景，有望出现下一次飞跃。
VCSEL器件使用的材料不同，制造工艺也不一样，牛津仪器（Oxford Instruments）公司产品经理邓丽刚博士认为，VCSEL刻蚀工艺需要进一步优化，并找到一种最适合VCSEL生产需求的终点检测方式，才能生产出符合客户不同要求的VCSEL，从而满足各种应用的需求。
VCSEL工艺的流程
要优化VCSEL工艺，首先要了解VCSEL的流程，它包括外延材料生长、mesa刻蚀，直到器件制备、氧化、钝化，加上后续衬底打薄，还有抗反射膜（AR coating）等。牛津仪器主要针对橙色部分提供相应的工艺解决方案。
为什么要优化mesa刻蚀工艺？
邓博士认为，精确的mesa形貌和表面质量至关重要，关键在于精确控制其形貌，还有侧壁和表面光滑程度。在做器件刻蚀时，并不是单纯为了做出刻蚀的结果，而是希望刻蚀出来的器件能够很好的工作，其光学性质和电子性质都要没的说。
mesa几何结构对器件电光特性影响很大，首先，精确的P-mesa直径与器件的功率转换效率、阈值电流、光束质量和偏振模式有关，特别是会影响在什么情况下激发和每个激光束的质量和偏振模式；其次，形貌的精确控制有助于实现均匀电场和高效的器件隔离；第三，精确的P-mesa高度更适合客户设计，防止阻断电子注入到有源区使之损坏；第四，表面光洁度会影响串联电阻和阈值电流。
在刻蚀深度方面，不同客户会有不同要求，对工艺来说最重要的是重复性，保证每次都刻到同样的深度。除了刻蚀深度，还要选择低损伤刻蚀，保证不损伤有源层。
形貌也很重要，因为它会影响电场分布的均匀性以及绝缘方式。表面和侧壁不光滑、有残留就会增强其电阻值或击穿电流。以上都是需要在做工艺之前考虑的因素。
如何来优化mesa刻蚀工艺？
邓博士说，在刻蚀之前要先做掩模，其质量对下一步刻蚀非常关键。掩模设计支持形貌，通过适当的掩模选择和对工艺化学的理解，可以控制mesa形貌。
掩模的选择
选择的掩模材料不应该被刻蚀气体刻蚀掉，由于有离子轰击，并不意味着掩模在刻蚀中不会被刻掉一些。所以掩模的形状会影响mesa形貌。
对于VCSEL结构刻蚀，有些客户要求Sloped（倾斜）刻蚀，有些客户要求垂直刻蚀，需要分别对待。前者需要斜掩模，后者需要垂直掩模。
斜掩模和垂直掩模
mesa硬掩模（通过CVD生成的无机薄膜材料）刻蚀适用于mesa目标掩模形貌，可以控制在87°，以平衡钝化来确定坡度（profile angle）并保持侧壁光滑。要求表面光洁度优良，无残留，没有对砷化镓造成过度腐蚀。掩模回拉现象会导致掩模出现条纹。
掩模问题会导致侧壁粗糙
掩模的准备很重要，在掩模刻蚀中要调节好气体配比、功率、气压等；准备侧壁掩模时，如果掩模是锯齿状，就像复印机一样会将锯齿状图像复印到要刻蚀部分，造成侧壁粗糙，很难在后续刻蚀工艺优化中解决。
要想精准控制mesa形貌，首先是选择正确的气体，III–V族材料都是用氯基气体，如三氯化硼、四氯化硅等。只有主要刻蚀气体还不够，因为还需要控制形貌和刻蚀速率，需要加一些辅助气体，比如氩气、氮气等惰性气体，找到其平衡以后就可以控制刻蚀。另外还有VCSEL刻蚀中的基脚（footing）问题。
mesa形貌和角度控制
如果刻蚀基脚很大，就会有弯度，因为VCSEL的结构是DBR（分布式布拉格反射镜），层与层之间仅100至200nm厚，这意味着刻蚀会在不同点停在不同层上，有的停在GaAs层，有的停在AlGaAs层。这样就对下一步氧化或器件性能会有一些影响。所以在设计工艺优化时应该得到非常直的底部，降低基脚效应。
工艺参数对刻蚀有什么影响？
影响工艺的因素包括ICP（电感耦合等离子体）功率和RF（射频）功率，增加ICP功率就增加了离子浓度，这时化学反应主导；如果增加RF功率，就增加了离子能量，这时是物理反应主导。所以，化学反应主导时刻蚀速度增加。而在VCSEL工艺，速度不是一味增加。虽然刻蚀速率与ICP功率成线性关系，但是如果ICP太高，刻蚀速率会下降，这是因为可用的钝化离子太多，无法进一步提高刻蚀速率。随着ICP功率的增加，选择性降低。刻蚀速率随预期RF功率的增加而增加；随着RF功率的增加，选择性降低。
这是因为气体中不光是刻蚀气体，还有辅助气体，其作用是当离子浓度增时，辅助气体比例也增加，以阻止刻蚀速率进一步上升。由此可见，并非单纯用ICP功率就可以控制刻蚀速率，在刻蚀速率发生变化的同时，其他因素也会对刻蚀速率产生影响。RF功率相对比较简单，就是离子轰击，所以离子能量越大速率也越快，但是离子能量太大时，对器件的损伤比较大，所以选择合适的RF功率也很关键。
气体比率对形貌有什么影响呢？增加刻蚀气体流量，刻蚀速率和选择性都线性增加，但是，两者都增加对形貌有影响，比如主要刻蚀气体比较低时，其刻蚀形貌比较正（positive），在角落处会有凹进；增加主要刻蚀气体时，形貌就变得比较垂直了，但同时基脚也比较大，形貌也比较正了。主要刻蚀气体慢慢增加时就变成负（negative）了，说明化学反应占主导，如果气体比率比较低，会出现很多粗糙的地方，即侧壁比较粗糙；当比例正确时，可以得到非常光滑的侧壁，所以这些因素对调节工艺都有影响。
气体比率影响刻蚀形貌、表面质量和基脚
在工艺关键特性方面需要注意以下几点：
① 精心挑选气体组合，保证侧壁清洁，无工艺化学残留物；
②GaAs和AlGaAs之间的绝缘层只有100nm，要想得到光滑的侧壁，必须将它们的刻蚀速率保持在1:1，使DBR外延层中各层之间无选择性刻蚀；
③基脚低于3%，尽可能为零；
④纵断面控制，倾斜和垂直都可以，参考多个设计工艺；
⑤所有工艺优化都是在6英寸晶圆实现，均匀性小于±3%；
⑥符合行业标准，采用优化流程的马拉松测试。
为什么需要马拉松测试？
有了上述优化工艺，还需要进行马拉松测试，以进一步验证工艺的稳定性和重复性。测试运行了超过300小时，共加工1425片晶圆，累计刻蚀深度达7450μm。在测试过程中，从开始到最后的刻蚀速率变化在3%以内，体现了卓越的工艺再现性，包括可重复形貌和对CD（关键尺寸）的控制。基脚变化很低，在1%至2%。另外，还选取了一些任意点做了比较，看到系统从测试开始到最后形貌变化非常小，说明工艺重复性非常好。
马拉松测试数据
客户比较关心的问题是什么时候需要清洗腔体？腔体内的粒子水平如何？是不是上述工艺会使腔体很脏？根据工业标准，粒子水平应该是每平方厘米小于0.3（44个粒子）。通过马拉松测试监测了粒子情况，一共做了57盒（cassette），每盒中25个晶圆，每隔3个盒做一次粒子监测，从开始到结束，粒子水平小于15个，说明腔体很干净。
在优化过程中，不仅优化了刻蚀工艺，还优化了清洗工艺，可以保证300个小时不需要打开腔体，粒子水平很低。
腔体内粒子水平
终点检测怎样选择？
全自动化工艺流程检测（终点检测）是提高产能和保证产品质量的重要保证。很多客户经常问，到底应该用哪一种？是用激光还是用光谱？
终点检测是监测刻蚀过程的方法，一种是激光，监测不同层反射激光信号的强度以了解刻蚀深度。另一种是光谱，跟踪等离子体中气体粒子发出的光谱变化来监测刻蚀。
终点检测的两种方法
将激光束打到样品上，在计算机上会显示出刻蚀深度，重要的是光点要对着正确的位置，光斑在50μm左右，所以要求形体尺寸必须大于光斑，这样才能将光斑对准，保证监测准确。做VCSEL监测时，因为VCSEL是多层且有一层非常薄，所以用激光方式很不错。激光得到的信号图形非常漂亮，可以用激光监测什么地方停下了，还可以监测刻蚀过程。
激光终点检测
激光终点检测有两个波长：670和905。670对镓化砷、二氧化硅、氮化镓等材料比较敏感，另一些材料对905比较敏感。前者用670得到的信号非常完整。激光方式得到的是一个点的信息，如果均匀性好可以代表整个晶圆工艺。激光方式要每次手动调到正确的位置，被检尺寸要足够大。
激光反射法的局限性
光学发射光谱简称OES，用来监测腔体中等离子体的发光光谱。监测刻蚀气体时，如果发现气体量强度增加，即光谱强度增加，就知道刻完了；也可以监测其产生物，突然产生物信号变小，也说明刻蚀完了。
光学发射光谱检测
将OES用在VCSEL，如果基脚很大，说明腔体中既有镓的信号，又有铝的信号。两个信号混在一起变成一条直线，很难用作终点检测。但如果可以做到非常低的基脚，均匀性很好，就会得到很清晰的慢慢减弱的信号。
用OES检测VCSEL
对于VCSEL，OES和激光都可以用。OES的好处是可以监测整个晶圆的刻蚀情况，只需要一个点连接到腔体，不需要每次调整，可以实现全自动化过程。激光方式需要调整，但不管晶圆多大多小，都可以测量刻蚀深度，而OES对腔体中的物质信号强度有要求，信号要足够强，非常小的晶圆就不行，至少要大于1/2个2英寸晶圆。而对于VCSEL来说，基本上都是4英寸或6英寸，不存在这个问题，所以VCSEL生产推荐使用OES。特别是专门为VCSEL设计的刻蚀系统中，OES已是标配。
等离子体沉积很适合VCSEL
等离子体增强化学气相淀积（PECVD）应用很广，对VCSEL来说，有时做掩模要做很深刻蚀，且希望用硬掩模。由于氮化硅不和预期的气体发生反应，且不含氧，用PECVD方式做掩模沉积对刻蚀III-V材料有很高的选择性，所以很适合VCSEL。另外，VCSEL的阻挡层也可用PECVD方法形成，阻挡层需要非常好的电学隔离特性，击穿电压大于7MV/cm，以提供高可靠性。VCSEL器件中含铝量很高，钝化时不希望有任何氧成分进到器件中，所以在做钝化时，需要有阻挡层。
钝化、高效器件隔离
在用PECVD做沉积膜时，总会有一些缺陷，如果有氧气进入器件，就会影响性能。一种方法是在PECVD沉积后，再沉积一层薄薄的ALD层，以防潮气进入；另一种方法是再沉积一层PECVD，形成双层，封住缺陷的地方，形成保护。
未来VCSEL工艺需求与展望
时下，汽车激光雷达刚刚开始应用，邓博士认为，下一步需要关注的是工艺、材料和波长，现在的波长是800多或900nm，未来可能超过1300、1550nm，以满足对人眼安全和探测距离的要求。
另外，针对高功率要求，比如用多结替代现在的单结工艺；利用可寻址阵列技术提升激光雷达的效率；同时集成PD、驱动器、光学器件，以及波束成形与DOE（衍射光学元件），实现个性化功能。
激光雷达研发课题
除了VCSEL器件，业界还在研发PCSEL（表面发射半导体激光器）或一些新的新材料，也可能采用InP VCSEL。
她最后表示，从工艺上讲，PCSEL并不难，其挑战是光子晶体刻蚀，主要是如何从小片转到整个晶圆。另外，2019年斯坦福大学发表的最新材料GalnNAsSb，波长可以做到超过1.4μm。其成本和质量方面还是很有挑战的，需要关注刻蚀工艺，还有InP VCSEL，刻蚀也有一些挑战，需要有新的突破才行。
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