26.03.2019

Vertical Cavity Surface Emitting Laser - VCSEL-Technologie nimmt Fahrt auf

VCSEL ist eine der Zukunftstechnologien und steht für „Vertical Cavity Surface Emitting Laser“. Die Laserprodukte sind für neue Anwendungen, wie Infrarot-Beleuchtung, Annährungssensoren, hochauflösende Videoanzeigen, Atomuhren und Gesichtserkennungstechnik besonders interessant.

Gesichtserkennung – ein Beispiel aus dem Alltag

„Bei der Gesichtserkennung für mobile Endgeräte fungiert der VCSEL als Lichtquelle, die das Gesicht gleichmäßig mit infrarotem Licht ausleuchtet. Eine Kamera nimmt Bilder von signifikanten Merkmalen des Nutzers auf. Im Anschluss wird das im System hinterlegte Bild zur Entsperrung mit dem aufgenommenen verglichen – stimmen die beiden überein, wird das Gerät freigegeben. […] Der VCSEL-Chip kann wie ein LED-Chip ins Gehäuse geklebt werden und kommt bspw. als Array (bestehend aus mehreren hundert einzelnen Aperturen pro VCSEL-Chip) zum Einsatz.“ (Quelle: Photonik.de).

Massenproduktion von Laserprodukten möglich

Im Allgemeinen sind die Vorteile von VCSEL niedrige Kosten und optische Effektivität bei geringem Platzbedarf. Sie haben außerdem den Vorteil der Wellenlängenstabilität gegenüber der Temperatur. Darüber hinaus ist es möglich, einen VCSEL-Wafer mit einer Reihe von optischen Elementen zu kombinieren und dann diesen Verbundwafer zu zerteilen, anstatt die optischen Elemente für jeden VCSEL einzeln aufzubringen. Dies eröffnet die Möglichkeit einer kostengünstigen Massenproduktion von Laserprodukten. Ein weiterer entscheidender Vorteil von VCSEL gegenüber den kantenemittierenden Halbleiterlasern (z.B. Laserdioden) besteht darin, dass sie vor der Separation des Wafers getestet und charakterisiert werden können. Dadurch ist es möglich, Qualitätsprobleme frühzeitig zu erkennen.

VCSEL – Was ist das eigentlich?

VCSEL sind Halbleiterlaser, bei denen das emittierte Licht senkrecht zur Chipoberfläche austritt, daher der Name. Ein VCSEL entsteht aus einer komplexen Mehrschichtstruktur, die durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) auf das Substrat aufgebracht wird. Die epitaktischen Schichten beinhalten eine aktive Schicht, die die Photonen erzeugt, welche zwischen zwei Bragg-Reflektoren (DBRs) eingeschlossen sind. Die Bragg-Reflektoren fungieren als Spiegel und das Licht wird mehrmals durch die aktive Fläche hin und her reflektiert um die Amplifikation zu verbessern. In den meisten Fällen erzeugen VCSEL eine Ausgangsleistung im Bereich von 0,5-5 mW und die häufigsten Emissionswellenlängen liegen im Bereich von 750-980 nm, wie sie mit einem GaAs/AlGaAs-Materialsystem erzielbar sind.

Mit VCSEL-Arrays können zudem wesentlich höhere Leistungen erzeugt werden. Ein 2D-VCSEL-Array mit vielen tausend Emittern im Abstand von einigen zehn Mikrometern kann mehrere zehn Watt kontinuierlicher Strahlung abgeben und so mit Diodenbarren und sogar mit Diodenstapeln auf Basis von kantenemittierenden Halbleiterlasern konkurrieren. Die Ausgangsleistung kann durch Erhöhung der Anzahl der Emitter unkompliziert erhöht werden.

Moderne Messtechnik

Für diese unterschiedlichsten, anspruchsvollen Anwendungen sind Komplettlösungen am besten geeignet. Diese müssen Messanforderungen für die unterschiedlichsten Prozesse erfüllen und Standard-, Thinned- und Bond-Wafer sowie auch Filmframes verarbeiten. Darüber hinaus bietet der MicroProf® FS umfassende Messlösungen für die Überwachung verschiedener Verbindungshalbleitersubstrate wie GaAs, InP, SiC, GaN, ZnO und auch für transparente Materialien.

Die technische Lösung

Wir bieten ein vollautomatisches Wafermetrologiegerät MicroProf® FS für ein breites Anwendungsspektrum in verschiedenen Prozessschritten, wie z.B.

·         zur Messung von Waferdicke,

·         Bow und Stress in der Epi-Prozesskontrolle

·         sowie Defekt- und Haze-Mapping nach der Epitaxie mit hoher Empfindlichkeit gegenüber kritischen Sub-Mikrometerdefekten,

·         Bestimmung von kritischen Abmessungen (CD) und Ätztiefe,

·         Dicke von dielektrischen Schichten, Stufenhöhe und -breite von Metallisierungen,

·         Taper von Bond-Wafern und Defektprüfung von Klebeschichten,

·         TTV, Dicke, Rauheit und Roll-of-Amount (RoA) nach dem Waferschleifen und

·         Erfassung von Reflexionsspektren von Bragg-Reflektoren (DBRs).

Der MicroProf® FS bietet aufgrund seines modularen Multi-Sensor-Konzeptes hohe Flexibilität und Universalität. Damit ist er ideal geeignet, um eine Vielzahl von Messaufgaben bei der Herstellung von VCSELs durchzuführen. So können regelmäßig neue Materialien, wie in Forschungsprojekten untersucht und neueste nanowissenschaftliche Konzepte angepasst werden.

Die Basiskomponente

Die Basiskomponente ist der weltweit bewährte MicroProf® 300. Dieses Multi-Sensor-Messgerät ermöglicht sowohl die Messung von Wafern in verschiedenen Prozessschritten als auch - durch ein hybrides Messkonzept - die Genauigkeit der Messungen an Proben zu erhöhen, bei denen ein einzelner Sensor oder ein einzelnes Messprinzip einfach nicht ausreicht. Je nach Aufgabenstellung können dies Messungen mit unterschiedlichen Topographie- und (Schicht-)Dickensensoren sein, die durch ein einziges Rezept vollautomatisiert werden. Gesteuert durch die von FRT selbst entwickelte Software, kombinieren diese Sensoren automatisch verschiedene Informationen und erzeugen so neue Informationen, die nicht direkt zugänglich sind.

Die Software

Das Tool wird von der SEMI-konformen FRT Acquire Automation XT Software betrieben. Diese Software ermöglicht rezeptbasierte Messungen und vollständige Datenanalysen, einschließlich der automatisierten Bestimmung von VCSEL-Parametern. Wählen Sie die geeignete Messung und Auswertungsroutine für Ihre Messaufgabe aus einer Vielzahl von Paketen. Bei wiederkehrenden Strukturen kann Sie ein Layout-Wizard mit einer grafischen Benutzeroberfläche (GUI) beim Einlernen der Messpositionen unterstützen. Darüber hinaus ist optional eine Feinausrichtung der Proben über die Mustererkennung möglich.

Diese Software bietet umfassende Funktionen, von der manuellen Messung am Gerät bis hin zur vollautomatischen Messung mit Ein-Knopf-Bedienung und Integration in Produktionsleitsysteme, z.B. über eine SECS/GEM-Schnittstelle. Sie können verschiedene Messaufgaben mit unterschiedlichen Sensoren einfach konfigurieren, um nacheinander als Messsequenz ausgeführt werden. Dazu gehört auch die Ausführung von  Messung, Verarbeitung und Analyse mit intelligenten Algorithmen, Output und  Visualisierung der Ergebnisse in Form von Berichten und dem Export der Ergebnisse in verschiedene Datenformate. Darüber hinaus profitieren die Kunden von Probenstatistiken und einer Pass/Fail-Klassifizierung auf Wafer- und Die-Ebene.

Das perfekte Arbeitspferd

Mit einem Waferhandlingsystem innerhalb eines Equipment Front End Moduls (EFEM) und nahezu wartungsfreien Hardwarekomponenten bietet der MicroProf® FS einen hohen Durchsatz und ist das perfekte Arbeitspferd. Der MicroProf® FS ermöglicht es, mit dem schnellen Fortschritt der VCSEL-Industrie Schritt zu halten und die Investitionskosten schnell zu amortisieren.

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