OFC2026 - VCSEL 量產技術與工藝控制深度解析 - WIN Semiconductors (穩懋半導體)

3天前
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在 AI 算力需求與 3D 感測技術持續噴發的 2026 年，垂直共振腔面射型雷射 (VCSEL) 已成為數據中心短距傳輸 (SR) 與消費電子感測的核心組件。作為全球最大的 III-V 族半導體晶圓代工廠，穩懋半導體 (WIN Semiconductors) 在 OFC 2026 揭示了其如何透過精準的製程控制與先進工藝開發，支撐起年產量數百萬片的 VCSEL 商業版圖。

穩懋半導體的代工版圖與 VCSEL 戰略地位

穩懋目前擁有 3 座晶圓廠，6 吋 GaAs 月產能達 43K 片，4 吋 InP 則約為 800 片。2024 年其營收達 5.3 億美元，並持續投入約 11% 的營收於研發。其商業模式採「純代工服務」(Pure Play Foundry)，提供從外延生長 (Epitaxial Growth)、晶圓製造到光學檢測與測試的一站式服務。

在 VCSEL 領域，穩懋自 2006 年開始投入 MOCVD 外延生長，至今已累計產出超過 200 萬片外延片。這份龐大的數據基礎，使其具備了極高的工藝穩定度與良率控制能力。

核心技術解析：VCSEL 量產的三大關鍵製程控制

穩懋副總裁 Hung-Pin Xiao 指出，VCSEL 製造中最重要的挑戰在於如何在大規模生產中保持高度的一致性。以下是其量產工藝的三大核心指標：

1. 溝槽蝕刻 (Trench Etching)：精確度 +/- 0.2 um

溝槽蝕刻的目的是暴露高鋁含量層以進行氧化。為了改善高溫下的熱特性，部分設計會在 N-side DBR 中加入 100% 鋁含量層，這使得蝕刻深度的控制變得極其嚴苛。

數據指標： 透過終點檢測模式 (Endpoint Detection Mode)，穩懋能將溝槽蝕刻深度的變異控制在 +/- 0.2 um 以內。
工藝升級： 穩懋開發了新的 POR 配方，將側壁 Footing 從約 3 對 DBR 降低至 1 對以下，大幅提升了片內均勻性 (<3\%) 。

2. 氧化製程 (Oxidation)：定義光學孔徑

氧化製程決定了 VCSEL 的光學孔徑 (OA) 大小，直接影響光電性能。

試點策略 (Pilot Strategy)： 穩懋在每一批次 (EPI Run) 中先選取一片進行氧化，根據結果微調其餘晶圓的氧化時間。
控制精度： 此策略確保了晶圓間的 OA 尺寸誤差同樣維持在+/- 0.2 um的高水準。

3. 氮化矽 (SiNx) 厚度控制：變異度 +/- 0.2 um

氮化矽厚度影響鏡面損耗 (Mirror Loss)、光子壽命 (Photon Lifetime) 以及元件的高速調變性能。

數據指標： 穩懋利用前饋配方系統 (Feed-forward Recipe System)，將厚度變異控制在 +/- 0.2 um以內。

先進技術開發：從 100G 到 1.6T 的布局

針對下一代數據中心與自動駕駛需求，穩懋展示了多項前瞻製程：

高可靠度氧化配方： 在 150 degC、電流密度 21kA/cm2 的過應力測試中，優化後的配方在 500 小時老化測試後幾乎無性能衰減，滿足車用感測需求。
先進微細加工：
- LOCAP 製程： 增加 PBO 厚度以降低焊盤電容 (Pad Capacitance)，提升傳輸速率。
- DUV 光柵 (Grating)： 用於偏振控制 (Polarization Control) 。
- 微透鏡 (Micro lens)： 在襯底背面開發，用於光束準直 (Light Collimation) 。

外延研究：N-type vs. SI 襯底

穩懋的研究證實，在半絕緣 (SI) 襯底上生長厚 N-buffer 層與在傳統 N-type 襯底上生長的 VCSEL，在 LIV 特性與 500 小時可靠度上表現相當。這為未來更靈活的電路集成提供了技術依據。

Simple Tech Trend 觀點：工藝控制即是核心門檻

在 2026 年的光通訊市場，當大家都在討論 1.6T 或更高速度的系統架構時，穩懋的演講提醒了產業：底層材料與製程的極致控制，才是量產成本與可靠度的終極防線。

量產數據的領先地位： 超過 200 萬片的外延片生產經驗，讓穩懋在 SPC (統計製程控制) 系統上擁有競爭對手難以跨越的門檻。
應對 AI 算力集群： 隨著 AI 集群對 400G/800G 短距光纖連結的需求激增，VCSEL 的高溫穩定性成為關鍵。穩懋針對 150 degC 環境優化的氧化配方，正是瞄準了 AI 伺服器內部的高熱環境需求。
從感測轉向傳輸的技術遷移： 穩懋靈活運用在消費電子 (Face ID) 積累的量產經驗，快速導入到 Datacom 領域。這種跨市場的規模效應，使其在 6 吋 GaAs 成本結構上極具優勢。