论文《光电子产业基础能力建设研究》-仁创编译转载
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摘要：“新基建”为光电子产业的进一步发展提供了难得的机遇，光电子产业自身的发展应首先加强基础研发能力建设。文章描述了化合物半导体光电子器件的外延生长、薄膜淀积、光刻、键合等主要工艺制程的特点;分析了光电子产业中智能制造、数字化制造、分散化制造、绿色制造等能力建设趋势。
关键词：新基建;光电子技术产业;外延生长;光刻;智能制造;数字化制造;分散化制造;绿色制造
随着数字经济的到来，数字技术与网络技术深度融合，数据正呈指数型增长，新型基础设施(简称“新基建”)是数字世界的“高速公路网络”，主要包含5G网络、数据中心、人工智能、工业互联网和物联网等。“新基建”中的数据传输主要依赖光纤网络承载，光电子器件是光纤网络的关键元器件，但目前国内总体呈现出“应用强，技术弱，市场厚，利润薄”的结构。“新基建”为光电子产业的进一步发展提供了难得的机遇，光电子产业自身的发展应首先加强基础能力建设，可基于光电子器件制造工艺的特点，结合智能制造、数字化制造、分散化制造、绿色制造等现代制造业发展趋势进行建设，提高光电子器件研发与产业化生产能力。
1光电子器件主要制程特点
光电子器件利用半导体光电效应实现光电/电光转换等功能，是光纤网络中的关键元器件。它主要采用以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等为代表的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体晶圆材料，这些材料具有直接带隙、高电子迁移率等特点[1]，目前已得到广泛应用。与硅(Si)等单质元素半导体相比较，GaAs，InP等化合物半导体材料具有高温易分解(As或P)、晶圆易脆、不耐酸碱、含毒性As废物等特点。因此，应结合其自身特点进行光电子器件的外延生长、薄膜淀积、光刻等主要晶圆制程能力建设。
1.1外延
光电子器件晶圆外延工艺方法主要有液相外延(LPE)、分子束外延(MBE)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等，分别在液体、超高真空或流动气体中进行外延材料生长。LPE和MOCVD工作在近平衡状态，既可正向生长材料，也可反向去除材料，而MBE则更趋于物理沉积过程。相比较而言，LPE难以制作有源器件的超薄层量子阱结构，而MBE的超高真空要求则导致材料生长周期长，效率较低。光子集成等光电子器件的外延材料生长主要涉及三个方面：(1)要求具备量子阱、量子线、量子点等低维外延材料生长能力，纳米量级超薄层外延材料需要控制界面原子迁移与置换效应，避免界面缓变;(2)进行相移光栅等掩埋材料生长，光栅在升温过程中，由于磷元素的挥发会造成光栅的热蚀和变形，从而影响器件性能。设备的快速升温能力是影响光栅等外延材料完整性的重要因素;(3)对接生长技术：独立地对不同晶圆区域分别进行优化设计和外延材料对接生长，对接生长材料质量不仅与生长参数相关，而且与生长前界面的形貌也有直接关系。在外延材料生长的工艺实现方式上，将MBE高精度薄层材料控制与MOCVD大批量处理能力结合应用可实现Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体复杂结构材料生长。随着光电子器件及其外延材料技术的发展，建立Si基InP，Si基GaAs等大失配异质外延技术能力是趋势之一。
1.2绝缘钝化薄膜
光电子器件晶圆工艺的芯片表面绝缘钝化介质薄膜的制备主要采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、原子层沉积(ALD)等。PECVD目前已广泛使用，其淀积速率快，但沉积工艺温度高，台阶覆盖及间隙填充能力较差;ALD技术是化学气相沉积法的一种，在速率可控的条件下，通过前驱体气体和反应气体选择性地脉冲进入反应腔室，在晶圆表面发生物理和化学吸附或发生表面饱和反应，以单原子膜的形式一层一层地沉积在晶圆表面，其沉积速率较PECVD慢。PECVD用于激光器、探测器等光电子器件工艺过程中生长SiNx，SiO2，SiNxOy等单层或多层介质钝化薄膜。随着器件向高速、高饱和功率、光子集成等方向发展，晶圆表面淀积的薄膜种类、数量越来越多，厚度越来越厚。为降低多层薄膜在不同工作环境(温度、湿度、辐射剂量、工作时间)下的应力，要求PECVD淀积的介质膜应力较小，在高温、腐蚀等应力施加过程中膜层不能存在破裂或损伤。PECVD设备目前主要分为射频电源(RF)PECVD、感应耦合(ICP)PECVD等类型，其中ICP-PECVD在低温淀积方面较有优势，但成膜面积受ICP源尺寸限制，目前以单片式居多;基于平板放电的RF-PECVD结构技术成熟，应用最为广泛，在目前市场上占有率最高。随着光电子器件结构的复杂化，可采用PECVD，ALD等多种工艺方法相结合来实现晶圆表面钝化介质薄膜的制备。
1.3光学薄膜
光学镀膜设备采用的主要技术有等离子辅助淀积(PAD)、离子束溅射(IBS)、等离子辅助反应磁控溅射(PARMS)、电子回旋辅助溅射(ECR-RS)。在原理上，PARMS和IBS成膜质量较好，获得的薄膜堆积密度接近块状材料，常用于高端精密光学镀膜领域;PAD淀积膜层质量稍差，主要用于通用光学薄膜加工;ECR-RS在日本已开始少量应用。光电探测器的入光面与激光器腔面需要覆盖高质量光学薄膜，目前光学镀膜设备主要有电子束蒸发、反应磁控溅射、离子束溅射等。其中，电子束蒸发应用时间较长，已发展得比较成熟;反应磁控溅射是目前精密光学镀膜领域正在兴起的技术，采用离子源配合磁控溅射的方式，可沉积质量非常高的光学薄膜，膜层质量基本和离子束溅射相同，镀膜速率一般高于离子束溅射。可综合考虑膜层质量、束流损伤等因素进行光电子器件光学薄膜制程设备的选用。
1.4金属薄膜
光电子器件芯片引出电极的金属薄膜通常采用电子束蒸发(E-beamEvaporation)和磁控溅射(MagnetronSputtering)两种方式制作，两种工艺方式都经历了30余年的发展，技术成熟度较高电子束蒸发形成的金属原子能量一般在1～5eV，低能量对芯片表面的损伤较小，但电子束蒸发制作的金属电极受限于蒸汽发散角，台阶覆盖比较低，侧壁的金属层厚度较薄，与侧壁的结合力较差，在后续工艺中易出现断裂或裂缝，影响芯片电极的可靠性。磁控溅射形成的金属原子能量一般在10～100eV，比电子束蒸发的高一个量级，形成的金属膜层致密度远优于电子束蒸发，且磁控溅射过程中金属原子在定向离子与磁场的共同作用下可在芯片微结构的表面实现无差别覆盖，对于台阶、沟槽等图形结构，包覆性较好，台阶覆盖比最高可达0.7以上。光电子器件芯片的金属薄膜制程可综合考虑台阶覆盖性、表面离子损伤及粘附性等因素选择相应的金属薄膜设备。
1.5光刻
光刻是半导体光电器件晶圆制程的一项重要工艺，主要用于光刻图形转移，定义出器件芯片的功能区，光刻机的性能是决定整条工艺线水平的关键因素之一。化合物光电子器件主要光刻工艺方式有：接触式光刻、投影式光刻、电子束直写等。接触式光刻是发展最早，也是最常见的曝光方式，它采用1∶1的方式复印掩模版上的图形。这类光刻机结构简单，价格便宜，发展也较成熟，缺点是分辨率不高，通常最高为1μm左右。此外，在每次曝光过程中，接触式光刻都需要将光刻板与晶圆紧密压合在一起，从而造成晶圆的应力损伤和掩模版污染。投影式光刻设备结构复杂，价格昂贵，但分辨率高、无应力损伤、不沾污掩模版、重复性好。据调查显示，投影式光刻机占整个光刻设备市场份额的70%以上。投影式光刻机又分为步进式和扫描式，由于扫描投影分辨率不高，因此20世纪80年代中后期就逐步被步进式投影光刻机所取代。步进投影光刻机采用缩小投影镜头，缩小比例一般有4∶1，5∶1，10∶1等，是目前的主流方式。但投影式光刻设备生产厂家太少(主要有ASML和尼康)，从设计到工艺都主要针对IC工艺制程，一般适用于20.32cm(8inch)以上晶圆工艺，化合物半导体晶圆尺寸一般为5.08～10.16cm(2～4inch)，需对设备传输机构等进行改装。化合物半导体的光栅制作还采用电子束直写、深紫外曝光和纳米压印等。电子束直写精度高，但曝光速度慢;深紫外曝光一般专用于光栅及周期性图形的曝光制作，分辨率可达50nm，工艺简单，且曝光均匀，重复性好;纳米压印适用于大批量光栅制作，但其精度较电子束直写和深紫外曝光低。光电子器件光刻工艺设备选用时，可根据器件性能与批产能力要求，复合利用投影光刻、电子束直写、纳米压印等工艺。
1.6晶圆键合与解键合
晶圆键合包括临时键合和永久键合两类。临时键合是将待加工晶圆通过介质材料临时键合(粘接)到基片上，形成键合对，工艺完成后再解键合，将键合对分离;永久键合是将两个晶圆直接通过致密化学键键合在一起，键合后两个晶圆不分离。化合物半导体光电子器件芯片较多采用双面工艺，在晶圆正反两面进行半导体工艺，为优化串联电阻、散热等性能，晶圆减薄到至少200μm以内，激光器晶圆甚至需要减薄到100μm。InP，GaAs化合物半导体晶圆易脆，7.62cm(3inch)以上薄片晶圆一般采用临时键合方式支撑完成减薄后的工艺转移，待工艺完成后，再解键合分离晶圆。化合物半导体晶圆与载片临时键合后，一般还需进行光刻、干法刻蚀、湿法腐蚀、镀膜等工艺，在键合介质及工艺条件选用过程中应兼顾后续背面工艺中的机械挤压、摩擦、腐蚀、离子束轰击，以及真空挤压、高温等工艺环境。解键合主要有机械提拉剥离解键合、激光汽化解键合、加热滑动解键合三种工艺方式。机械提拉剥离解键合工艺适合于硅片等柔性材料，利用卷曲变形将晶圆与基片分离，对InP和GaAs等脆性晶圆存在一定的损伤应力;激光汽化解键合是非机械式解键合，碎片率低，但易产生碳化的残余键合介质附着在晶圆上，增加清洗难度;加热滑动解键合比较适合于InP和GaAs等脆性材料。目前，化合物半导体一般采用临时键合及加热滑动解键合工艺，随着光子集成技术的发展，InP，GaAs等化合物半导体与硅等晶圆材料的异质永久键合将成为趋势之一。
2基于“新基建”的光电子器件制程能力建设
2.1基于智能制造的能力建设
制造活动与工业化进程和产业革命紧密相联，先后经历了机械化、电气化和信息化三个阶段，现在正处于智能化发展的第四个阶段[2]。全球制造业正处于产业升级过程中，各国根据自身制造业基础能力，提出了不同的发展规划，力争站到智能制造最高点。美国发布“先进制造业伙伴计划”，德国发布“工业4.0战略计划实施建议”，日本提出“社会5.0战略”，英国提出“工业2050战略”，法国提出“未来工业计划”，韩国提出“制造业创新3.0计划”[3]。中国于2015年提出了“中国制造2025”，是中国制造强国“三步走”战略的第一个10年行动纲领，是我国工业化的首要驱动力，是信息化带动工业化的主战场[4]。智能制造是全球制造业未来的发展趋势，是经济发展的新型驱动力。在我国的制造强国战略研究报告中，智能制造被认为是制造技术与数字技术、智能技术及新一代信息技术的融合，是面向产品全生命周期的具有信息感知、优化决策、执行控制功能的制造系统，旨在高效、优质、柔性、清洁、安全、敏捷地制造产品和服务用户[2]。当前智能制造主要集中在信息感知、智能控制、智能决策、工业大数据分析等核心关键环节[5]。“新基建”将加快信息基础设施建设，为智能制造提供了机遇。基于化合物半导体的光电子器件制造工艺智能化程度相对较低，应结合“人、机、料、法、环”五大生产要素，提升生产线智能化制造水平。智能制造的关键技术体现在赛博物理系统(Cyber-PhysicalSystems，CPS)、基于物联网的先进感知技术、基于大数据的智能生产调度与优化技术及基于云制造的智能服务技术等方面[6]。基于“新基建”的5G网络环境与智能感知，光电子器件基础能力建设具有智能化制造的外部环境条件，在大数据分析基础上的智能决策将助推新产品研发加速，以及质量管控水平的提升与管理的精细化，从而使光电子器件产业向“微笑曲线”更高端发起挑战，获取更高利润率。
2.2基于数字化的制造能力建设
数字化是智能制造的基础，智能制造分为三个阶段：数字化制造(第一代)、数字化网络化制造(第二代)、数字化网络化智能化制造(新一代)[7]。智能制造首先要对装备进行数字化赋能，对装备在生产运行过程中产生的大数据进行综合分析利用，借助大数据与人工智能等技术，突破人脑的思维限制，开展影响因素更多、关系更错综复杂的分析，进行更精准的预测，指导产品和工艺的改进及管理决策的优化。随着5G网络的部署及传感技术的发展，数据采集变得越来越容易，设备与设备之间、设备与人员之间、人员与产品之间将可以进行实时数字信息传输，实现虚拟计算与现实世界的连接，并颠覆制造流程。基于透明化的数据信息流，数据工厂制造过程将变得更加协调。光电子器件制程融合了微电子学、材料学、现代控制技术、精密机械、计算技术等诸多学科的高新技术，其制造装备可进行数字化赋能，面向5G网络进行信息连接与控制，通过实时管控在线工艺数据，实现质量大数据统计控制与产业化工艺效率的提升。
2.3基于5G网络的分散化制造能力建设
5G提供了生产要素连接与大数据实时交换的网络基础，可通过虚拟化技术将资源能力“云化”，对生产要素进行5G赋能，使其具备成为5G网络格点的能力，并建立分散网络化制造系统，实现产品全生命周期各环节跨地区、跨企业、跨部门的业务协同[8]，使产业链资源得以充分利用。通过分散化制造，把更广时空域的应用需求、设计研发、生产交付等联结成一个整体，缩短需求响应时间，提高制程管控与产业链资源利用能力，确保竞争优势。目前，同其他制造业一样，光电子器件产业链资源配置与利用也存在不均衡现象，部分企业资源短缺，而一些企业资源大量闲置，各生产要素资源“孤岛”未能有效利用。基于5G网络的分散化制造模式可很好地利用更广时空域的厂房、设备、人力等生产要素资源。光电子器件基础能力建设可基于“新基建”，在整个产业链进行生产要素资源配置规划，使光电子产业更好地发展，社会资源实现更充分的利用。
作者：韩国忠 单位：重庆声光电有限公司
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