纳米的世界：布勒莱宝光学HELIOS磁控溅射镀膜设备迎接半导体光学的挑战

MEMS 2023-04-18 00:01

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半导体光学的挑战

当下，半导体光学技术在我们的日常生活中已经随处可见，诸如智能手机的3D人脸识别、工业机器人、自动驾驶的激光雷达（LiDAR）等。无论在传统的通讯领域，还是新兴的人机交互、智能感知领域，都拥有无限发展的应用潜力。

对于半导体光学的制造环节来说，相比于传统封装，要在晶圆级别高度集成光学功能，这对磁控溅射真空镀膜技术提出更高的挑战。

有人曾这样形容磁控溅射技术——就像往平静的湖水里投入了石子溅起水花。磁控溅射真空镀膜技术是物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）的一种，其原理是：用带电粒子加速轰击靶材表面，发生表面原子碰撞并产生能量和动量的转移，使靶材原子从表面逸出并沉积在衬底材料上的过程。磁控溅射镀膜是生产具有不同复杂性和高均匀性膜层的有效技术。在晶圆级别高度集成光学功能的半导体封装工艺中，要求这些器件的像素尺寸低至几微米，并对颗粒污染具有极严格的标准。对直径12英寸的晶圆实现完全自动化生产加工，以满足半导体制造的要求。

布勒莱宝光学的HELIOS系列产品迎接了半导体光学的这一挑战，该系列真空溅射镀膜设备能够满足8英寸（HELIOS 800）和12英寸（HELIOS 1200）晶圆的光学镀膜要求。

纳米世界的新趋势

正在兴起的应用是高光谱成像（HSI）中，多个滤光片用于在单通道中实现多个颜色传感器的方案。与传统智能手机相机中使用的3个标准传感器（红、绿、蓝）相比，高光谱成像（HSI）相机可以为色彩感应增加深度，提高色彩质量。根据所需的光学性能，复杂的膜层设计可以达到数百层，总厚度达到50微米。高光谱成像（HSI）技术在食品品质检测中得到了应用，该技术可用于评估人眼感知之外的食物质量，帮助消费者更好的选择满意的食品。

另一个当下流行的光学传感器行业中，对于环境光传感器（ALS）或3D传感器等，会使用涉及SiO2、TiO2、HfO2、Al2O3、Nb2O5，Ta2O5或aSi:H等镀膜材料的光学干涉滤光片。环境光传感器需要至少一个能够检测可见光范围内的入射光子的滤光片。面部识别等3D传感器应用高度依赖于用作激发源的红外光（约940 nm），这意味着探测器必须配备高效的窄带红外滤光片。生物识别滤光片是3D传感器构成的核心器件，其主要原理就是通过特殊的光学膜系设计实现特定波段光的高透射或者高反射，帮助相应的产品完成生物信息的提取和筛选。

低角度漂移滤光片是完成3D成像的技术核心，也是制造难点。对生产这款滤光片的设备而言，首先要求超高的精度和稳定性，其次能解决效率和产能问题，并且具有随着滤光片技术指标的变化而不断改进的可能性。目前，布勒莱宝光学的设备拥有优于万分之一的控制精度——这些都是滤光片生产商所关心的。

布勒莱宝光学是专业的光学镀膜设备供应商，Helios系列能够提供3D摄像技术中的关键滤光片制作的解决方案，在技术指标方面，0到30度的波长漂移小于10nm，满足目前主流客户的批量生产要求。

微型化且高度集成化的晶圆加工趋势

在经历的了疫情的寒冬之后，全球半导体产业产值增速逐季下滑，但是随着市场逐步企稳，汽车电动智能化也迎来了增长，受后疫情时代消费回暖的影响，将持续拉升芯片的需求。

同时，晶圆加工微型化要求工艺朝着所有组件和光学器件的全面集成方向发展。针对在半导体环境中生产介质薄膜的不同需求，布勒莱宝光学扩展了原有的HELIOS磁控溅射系统产品系列，HELIOS 800型号可加工最大8英寸晶圆，HELIOS 1200型号可加工最大12英寸晶圆。该系列产品应用的范围极广，例如荧光显微检测，膜层总数达到200层，膜层总厚度20微米，最薄膜层厚度仅为4纳米，镀膜时间仅需要15小时。

HELIOS系列的核心是其独特的技术-等离子体辅助反应磁控溅射（PARMS）工艺与高精度在线测量控制系统（OMS光学监测系统）相结合。从2003年的首次面世，能够处理4英寸的基材镀膜开始，到2006年、2011年、2020年的3次技术升级，历经20年的积淀，现在HELIOS已然拥有更强大的能力——高效处理6英寸、8英寸甚至12英寸的基材镀膜，设备产能更是不断刷新。

作为HELIOS家族主推的两位成员，其特点显著：

一、生产效率高

等离子辅助反应式磁控溅射(PARMS)技术实现了生产的高速率、高产能，产品可控光学膜层厚度最高可达50微米，能够满足工艺多样性的需求。

二、控制精度高

布勒莱宝光学自研的LEYBOLD OPTICS OMS 5100光学监控系统，能够精准监测基片的光谱特征，产品可控膜层厚度最薄小于5纳米，膜层总数可达1000层。

三、产品高重复性

极高的控制精度，保证了HELIOS极高的工艺稳定性和重复性，镀膜产品质量稳定。

四、全自动化生产

设备智能控制，全自动上下料，保障洁净生产，从而保证更高的表面成膜质量。

凭借以上设备特性，HELIOS系列可以为上述所有应用生产各种复杂的滤光片，实现最高的重复性和均匀性。此外，HELIOS系列通过开发低温沉积工艺（与光刻胶工艺结合）和低颗粒度的工艺，进一步将该技术应用于半导体领域，从而提高晶圆级器件的良率。

此外，布勒莱宝光学进一步加强了与比利时微电子研究所（IMEC）的联合开发项目，在IMEC的8英寸晶圆制造洁净室内安装了HELIOS 800 Gen II，用于减少污染，降低颗粒水平的研究，以满足半导体制造更高的标准。通过这种合作，新的工艺和专有技术正在开发和跨技术转移，为高光谱成像（HSI）传感器领域的更多发展铺平了道路。布勒莱宝光学通过提供全面的解决方案脱颖而出，该解决方案可以集成到传统的半导体制程中，将光学和半导体技术结合在一起，这是前所未有的。

HELIOS的应用广泛

通过HELIOS系列，镀制的颜色滤光片能够帮助传感器感知周围环境光线变化，实现手机屏幕色温的自动调节; 镀制的多光谱滤光片能够同时感测多个不同波段的影像，帮助科学家分析土壤细微的区别; 镀制的近红外滤光片让激光雷达能够准确感知周边环境的变动，让驾驶更为便利安全; 镀制的荧光滤光片能够精准捕捉透射特异的荧光信号，让检测更为精准明确……

关于布勒莱宝光学

布勒莱宝光学（Bühler Leybold Optics），源自1850年的德国，专注真空技术已有170余年，是全球领先的高真空镀膜设备及薄膜技术服务商。自2012年纳入瑞士布勒集团，隶属于先进材料事业部。两大生产基地位于德国阿兹瑙及中国北京。自1979年进入中国市场，服务中国客户已有四十余年。

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