安立光器件开发史 |（二）制程技术的变迁

  ICC讯 本系列文章介绍安立传感与器件公司(Anritsu Sensing &Devices Company)的产品开发历史。 1964年东京奥运会之后的日本经济高速增长时期，通信需求大幅增加。日本電信電話公社(NTT的前身)决定建设光纤传输网络，标志着光通信时代的开始。因此，安立传感与器件公司的前身开始开发用于光网络测量仪器的关键器件，如半导体激光器和高速混合集成电路。安立传感器件公司今天的许多产品都继承了这一时期的产品基础。本系列文章介绍了安立传感器件公司开发的器件的历史。

  第一篇阅读：安立光器件开发史 |（一）半导体激光器开发的黎明期

  第三篇阅读：安立光器件开发史 |（三）激光器芯片研发进展

  (2)制程技术的变迁

  光器件一般具有层状结构，其中长波长复合半导体作为有源层夹在包层中间。为了提高性能和可靠性，改进在衬底上形成的晶体材料的质量以及精确地使有源层与衬底的晶格匹配是非常重要的。LD激光波长由有源层InGaAsP元件的比例决定，其厚度约为0.1μm。因此，早期的一个关键问题是如何在没有缺陷的衬底上生长具有合适成分和晶格的薄半导体层。

  晶体生长设备

  液相外延

  液相外延(LPE)是一种沉淀生长方法，这种方法是让衬底材料与熔融半导体材料接触。首先，使用在高温下溶解的半导体生长溶液来安排生长序列。再者，滑动基板以便基板与熔融溶液接触。当温度逐渐降低时，未溶解在溶液中的半导体材料会沉淀在半导体衬底上。当半导体层达到所需厚度时，滑动衬底通过下一个半导体溶液，并重复相同的过程。层厚度由溶液中的温降速率和保持时间控制。

  液相外延生长设备示意图

  半导体层的成分和发射光波长由溶液中元素的比例决定。因此，测量溶液贮存器中每种材料的重量就非常重要。这就需要使用电子天平进行精确调整。由于材料在溶解后不会立即均匀地分布在溶液中，所以在使用前需等待每种材料完全溶解，成为均质溶液中。

  LPE方法使用的设备相对简单，具有生成与衬底晶格匹配高的优点。该设备由安立公司于1975年引进，用于大量产品的开发，例如安立光脉冲测试仪的LDs。由于复杂多层结构且难以生长厚度小于0.1μm，并且受限于基板的尺寸。而今天，我们已经过渡到气相外延方法。

  气相外延

  LPE方法，生长晶体的原料以液态形式供应，而气相外延(VPE)，原料以蒸气形式供应。

  VPE方法有许多新的技术，包括热解化学反应方法和真空沉积等物理方法在衬底上形成半导体晶体。但无论方法如何变化，它们都可以实现高精度生长均匀晶体。前者通常称为金属有机化学气相沉积(MOCVD)，而后者称为分子束外延(MBE)。最近的LDs有源层是具有由单原子层组成的多层半导体的量子阱结构，这大大提高了性能。

  MOCVD方法在正常大气或低压环境下进行，进料为有机金属的气体原料;气体原料在加热基板上热解来实现半导体层的生长。通过改变气体原料的比例可以形成各种晶体，由于可以支持多个晶圆的生长，这种方法被广泛使用。

  MOCVD设备示意图

  分子束外延(MBE)是一种将原材料加热并在高真空中蒸发成光束，直接在衬底上生长晶体的方法。薄膜成分由原材料的气相沉积量控制，并且随着薄膜的生长可以评估质量，这种方法有利于生长精确的单原子薄膜。

  后期处理

  在完成晶体生长和形成电极后，晶圆被分割成单独的LD芯片。

  抛光光学器件的有源层仅有几微米，但基板通常约为300至400-μm，因此基板存在未使用的区域。如果该区域在开始时太薄，就很难进行后期处理。将生长的晶圆抛光至约120μm的厚度，然后进一步精细抛光至约100μm。如果过度抛光，晶圆可能会弯曲和断裂。

  形成电极该工艺将金基(Gold-based)金属和金(Au)附着到半导体晶片的多层上。起初，由金属气相沉积在两侧形成没有电极的区域。如果制造材料、涂层方法和退火(加热)存在瑕疵，则可能导致电阻增加。

  切割

  电极成型后，通过切割工艺将晶圆分割成LD芯片。一般来说，矿物和晶体具有一种叫做解理的性质，它们可以沿着原子键较弱的平面分裂，从而形成一个平坦光滑的表面。化合物半导体晶体的晶圆分割使用这种解理特性。将晶圆生长面朝下放置并覆盖薄膜后，通过特殊刀片，以一定角度沿切割面分割晶圆。重复此过程将芯片切割至所需尺寸。

  切割示意图

  键合

  先利用脉冲电流测试方法对LD芯片进行故障检测。再将测试通过的芯片安装到散热片上称为键合，其中LD芯片焊接在连接到铜散热片上的金刚石子底座(下图)。

  LD芯片bonding 示意图

  现在，键合使用自动化处理，直接连接到陶瓷散热器，这是由于购买了图案焊接掩模而成为可能。