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碳化硅（SiC）作为一种具有优异物理和化学性质的半导体材料，在电力电子、航空航天、新能源汽车等领域展现出巨大的应用潜力。高质量、大面积的SiC外延生长是实现高性能SiC器件制造的关键环节。然而，SiC外延生长过程对温度、气氛、衬底质量等因素极为敏感，因此需要设计一种高效、稳定的高温大面积碳化硅外延生长装置及处理方法，以满足工业生产的需求。 装置结构 高温大面积碳化硅外延生长装置主要由以下几个部分组成：密闭工作室、石墨反应腔室、加热组件、进气装置、出气装置以及托盘系统。 密闭工作室 密闭工作室由不锈钢材料制成，具有较高的强度和耐腐蚀性。工作室内部形成一个密闭的空间，用于进行SiC外延生长实验。工作室的底部、顶部和侧壁均设有水冷结构，以保持实验过程中的温度稳定。 石墨反应腔室 石墨反应腔室位于密闭工作室内部，用于承载SiC衬底并进行外延生长。反应腔室采用石墨材料制作，具有良好的耐高温性能和化学稳定性。反应腔室内部设有一个托盘槽，用于放置托盘系统。 加热组件 加热组件位于石墨反应腔室的外围，用于提供SiC外延生长所需的高温环境。加热组件可以采用铜螺线管射频加热线圈或其他高效的加热方式，以确保反应腔室内的温度均匀分布。 进气装置和出气装置 进气装置和出气装置分别位于石墨反应腔室的前后两端，用于引入反应气体和排出尾气。进气装置包括进气器、进气器底盘和进气通道，可以确保反应气体均匀进入反应腔室。出气装置则包括出气器、出气器底盘和出气通道，用于收集并排出尾气。 托盘系统 托盘系统用于承载SiC衬底，并可以方便地放入和取出反应腔室。托盘系统包括方形托盘和旋转托盘，方形托盘上设有托盘槽，可以放置多个旋转托盘。旋转托盘上则设有旋转托盘槽，用于放置SiC衬底。这种设计不仅提高了外延生长的均匀性，还方便了样品的取放和更换。 处理方法 高温大面积碳化硅外延生长装置的处理方法主要包括以下几个步骤： 放置衬底 首先，将需要加工的SiC衬底进行清洗和预处理，确保表面干净、平整。然后，将清洗完毕的SiC衬底放入旋转托盘中，再将旋转托盘放入方形托盘中。最后，将方形托盘放入反应腔室的托盘槽内。 抽真空 关闭密闭工作室的进样门和备用门，打开真空泵进行抽真空作业，使反应腔室达到预定的真空度。这一步骤可以排除反应腔室内的空气和杂质，为后续的外延生长创造有利的条件。 加热 通过进气装置向反应腔室通入载气（如氩气），并打开加热电源，使加热组件对反应腔室进行加热。加热过程中需要控制加热速率和温度分布，以确保反应腔室内的温度均匀且达到所需的生长温度。 外延生长 待反应腔室达到所需生长温度后，通过进气装置向反应腔室通入反应气体（如硅烷和碳氢化合物），使SiC进行外延生长。外延生长过程中需要控制反应气体的流量、压力和温度等参数，以获得高质量的外延层。 降温和取样 待SiC外延生长完毕后，关闭反应气体和加热电源，让反应腔室自行降温。降温过程中需要保持反应腔室内的真空状态，以避免杂质污染。降温完成后，打开进样门并移开尾气收集器，取出方形托盘和SiC样品。 优点与应用 高温大面积碳化硅外延生长装置及处理方法具有以下优点： 结构简单、易于加工和维护； 工作室采用水冷不锈钢结构，具有较高的强度和耐腐蚀性； 加热组件采用高效的加热方式，可以确保反应腔室内的温度均匀分布； 进气装置和出气装置设计合理，可以确保反应气体均匀进入反应腔室并排出尾气； 托盘系统方便灵活，可以承载多个SiC衬底进行外延生长。 该方法在SiC器件制造领域具有广泛的应用前景，可以用于生产高质量的SiC外延片，满足电力电子、航空航天、新能源汽车等领域对高性能SiC器件的需求。 结论 高温大面积碳化硅外延生长装置及处理方法是一种高效、稳定的技术，可以满足工业生产对高质量SiC外延片的需求。通过优化装置结构和处理方法，可以进一步提高SiC外延生长的均匀性和质量，推动SiC技术的进一步发展。随着SiC技术的不断进步和应用领域的拓展，高温大面积碳化硅外延生长装置及处理方法将在更广泛的领域发挥重要作用。 高通量晶圆测厚系统 高通量晶圆测厚系统以光学相干层析成像原理，可解决晶圆/晶片厚度TTV（Total Thickness Variation，总厚度偏差）、BOW（弯曲度）、WARP（翘曲度），TIR（Total Indicated Reading 总指示读数，STIR（Site Total Indicated Reading 局部总指示读数），LTV（Local Thickness Variation 局部厚度偏差）等这类技术指标。 高通量晶圆测厚系统，全新采用的第三代可调谐扫频激光技术，相比传统上下双探头对射扫描方式；可一次性测量所有平面度及厚度参数。 灵活适用更复杂的材料，从轻掺到重掺 P 型硅 (P++)，碳化硅，蓝宝石，玻璃，铌酸锂等晶圆材料。 重掺型硅（强吸收晶圆的前后表面探测） 粗糙的晶圆表面，（点扫描的第三代扫频激光，相比靠光谱探测方案，不易受到光谱中相邻单位的串扰噪声影响，因而对测量粗糙表面晶圆） 低反射的碳化硅(SiC)和铌酸锂(LiNbO3)（通过对偏振效应的补偿，加强对低反射晶圆表面测量的信噪比） 绝缘体上硅（SOI)和MEMS，可同时测量多层结构，厚度可从μm级到数百μm级不等。 1，可用于测量各类薄膜厚度，厚度最薄可低至 4 μm ，精度可达1nm。 2，可调谐扫频激光的“温漂”处理能力，体现在极端工作环境中抗干扰能力强，一改过去传统晶圆测量对于“主动式减震平台”的重度依赖，成本显著降低。 3，灵活的运动控制方式，可兼容2英寸到12英寸方片和圆片测量。

碳化硅（SiC）作为新一代半导体材料，因其出色的物理和化学性质，在电力电子、微波器件、高温传感器等领域展现出巨大的应用潜力。然而，SiC外延晶片在生产过程中可能会引入微量的金属杂质，这些杂质对器件的性能和可靠性有着至关重要的影响。因此，开发高效、准确的检测方法以监控SiC外延晶片表面的痕量金属含量，对于保证产品质量和推进SiC技术的进一步发展具有重要意义。 检测原理 检测碳化硅外延晶片表面痕量金属的方法主要基于电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）。ICP-MS是一种高灵敏度的痕量元素分析技术，它利用电感耦合等离子体作为离子源，将样品中的元素转化为离子，并通过质谱仪进行分离和检测。由于ICP-MS具有极低的检出限和宽广的线性范围，因此非常适合用于SiC外延晶片表面痕量金属的检测。 方法步骤 样品准备 首先，将待测的SiC外延晶片进行彻底清洗，以去除表面的污染物。清洗后，使用非金属真空吸笔将晶片固定，确保在后续步骤中不会引入额外的金属杂质。 提取液配制 配制适量的提取液，通常包括硝酸和超纯水的混合液。硝酸的体积分数应根据具体情况进行调整，一般在2%~10%之间。提取液的选择和配制对于后续的检测结果至关重要。 样品处理 将配制好的提取液均匀滴在SiC外延晶片的表面，然后使用真空吸笔轻轻晃动晶片，使提取液全面均匀地覆盖整个晶片表面。保持一定的时间，使提取液与晶片表面的金属杂质充分反应。 溶液收集 使用微移液器将反应后的溶液收集到洁净的样品瓶中，用于后续的ICP-MS检测。注意在收集过程中避免任何可能的金属污染。 ICP-MS检测 将收集到的溶液注入ICP-MS仪器中，进行痕量金属的检测。在检测过程中，需要调整仪器的参数，如冷却气、辅助气、雾化气的流量，以及碰撞反应池中的气体种类和流量，以优化检测性能。 数据分析 根据ICP-MS仪器输出的数据，绘制校准曲线，计算待测金属元素的质量浓度，并进而计算出晶片表面的金属元素含量。 注意事项 在整个检测过程中，需要严格控制实验环境，包括温度、湿度和洁净度，以减少外界因素对检测结果的影响。 使用的实验容器和工具必须经过严格的清洗和干燥处理，以避免金属污染。 提取液的选择和配制应根据待测金属元素的种类和含量进行调整，以获得最佳的检测结果。 ICP-MS仪器的参数设置需要根据实际情况进行优化，以获得最佳的灵敏度和准确性。 应用与展望 检测碳化硅外延晶片表面痕量金属的方法在半导体材料的质量控制中具有重要意义。通过该方法，可以及时发现和去除金属杂质，提高SiC外延晶片的质量和可靠性。随着SiC技术的不断发展，该方法将在更广泛的领域得到应用，如电力电子器件、微波通信、高温传感器等。同时，随着检测技术的不断进步，未来有望开发出更加高效、准确的检测方法，以满足SiC技术发展的需求。 结论 检测碳化硅外延晶片表面痕量金属的方法是基于电感耦合等离子体质谱法的一种高效、准确的技术。通过严格控制实验条件、优化仪器参数和数据分析方法，可以实现SiC外延晶片表面金属杂质的准确检测。该方法在半导体材料的质量控制中具有广泛的应用前景，对于推动SiC技术的进一步发展具有重要意义。 高通量晶圆测厚系统 高通量晶圆测厚系统以光学相干层析成像原理，可解决晶圆/晶片厚度TTV（Total Thickness Variation，总厚度偏差）、BOW（弯曲度）、WARP（翘曲度），TIR（Total Indicated Reading 总指示读数，STIR（Site Total Indicated Reading 局部总指示读数），LTV（Local Thickness Variation 局部厚度偏差）等这类技术指标。 高通量晶圆测厚系统，全新采用的第三代可调谐扫频激光技术，相比传统上下双探头对射扫描方式；可一次性测量所有平面度及厚度参数。 灵活适用更复杂的材料，从轻掺到重掺 P 型硅 (P++)，碳化硅，蓝宝石，玻璃，铌酸锂等晶圆材料。 重掺型硅（强吸收晶圆的前后表面探测） 粗糙的晶圆表面，（点扫描的第三代扫频激光，相比靠光谱探测方案，不易受到光谱中相邻单位的串扰噪声影响，因而对测量粗糙表面晶圆） 低反射的碳化硅(SiC)和铌酸锂(LiNbO3)（通过对偏振效应的补偿，加强对低反射晶圆表面测量的信噪比） 绝缘体上硅（SOI)和MEMS，可同时测量多层结构，厚度可从μm级到数百μm级不等。 1，可用于测量各类薄膜厚度，厚度最薄可低至 4 μm ，精度可达1nm。 2，可调谐扫频激光的“温漂”处理能力，体现在极端工作环境中抗干扰能力强，一改过去传统晶圆测量对于“主动式减震平台”的重度依赖，成本显著降低。 3，灵活的运动控制方式，可兼容2英寸到12英寸方片和圆片测量。

随着碳化硅（SiC）材料在电力电子、航空航天、新能源汽车等领域的广泛应用，高质量、大面积的SiC外延生长技术变得尤为重要。8英寸SiC晶圆作为当前及未来一段时间内的主流尺寸，其外延生长室的结构设计直接关系到外延层的质量和生产效率。本文将详细介绍一种8英寸单片高温碳化硅外延生长室的结构及其特点。 结构概述 8英寸单片高温碳化硅外延生长室结构主要由以下几个部分组成：外延生长室、硬质保温层、导气管连接器、上游导气管和下游导气管。这些部分共同协作，确保在高温条件下实现高质量、大面积、均匀的SiC外延生长。 外延生长室 外延生长室是整个结构的核心部分，由感应加热材料制成，内部形成一个矩形腔室。该腔室中设有一个承载槽，用于装载8英寸的SiC晶片托盘。外延生长室的两侧分别设置有贯通矩形腔室的进气口和出气口，用于引入和排出反应气体。 特别地，外延生长室的上盖和底盘均呈矩形，并具有矩形腔道，且其四周壁厚度相等。这种设计不仅利于提高感应加热效率，还能消除因接触不良而形成的局部“热点”，改善上盖与底盘的温度均匀性。在被加热后，矩形腔室内的温度均匀，达到“热壁”功效，特别适合于大面积、高质量的SiC外延生长。 硬质保温层 硬质保温层紧密包裹在外延生长室的外围，以减少热辐射和热量损失，确保外延生长室在高温下稳定工作。保温层对应外延生长室的进气口和出气口处分别设置有通孔，这些通孔的尺寸小于进气口和出气口的尺寸，以保证密封性能，提高保温功效。 导气管连接器 导气管连接器设于外延生长室的进气口处，并伸出于硬质保温层外。它用于连接上游导气管，将反应气体引入外延生长室。导气管连接器内形成有矩形腔道，其截面形状及面积与外延生长室中矩形腔室的截面形状及面积均相同，以确保反应气体均匀分布。 上游导气管 上游导气管套接于导气管连接器上，用于引导反应气体在进入外延生长室之前呈层流状态。这种设计可以确保反应气体在外延生长室内的均匀分布，提高外延层的质量。上游导气管同样呈矩形，具有与外延生长室矩形腔室相同的截面形状及面积。 下游导气管 下游导气管设于外延生长室的出气口处，并伸出于硬质保温层外，用于引导尾气排出。下游导气管同样呈矩形，但其截面面积大于外延生长室中矩形腔室的截面面积，以确保尾气顺畅排出。 工作原理 在使用时，将SiC晶片置于托盘上，并将托盘放置于外延生长室的承载槽内。反应气体从上游导气管流入，经过导气管连接器后进入外延生长室的矩形腔室中。在一定的高温生长条件下，反应气体在矩形腔室中发生化学反应，通过扩散、吸附、分解、脱附、再扩散等一系列过程，在位于托盘内的SiC晶片表面进行SiC外延层的生长。尾气经下游导气管排出，经过一定生长时间，完成SiC外延生长。 优点 温度均匀：由于外延生长室采用矩形腔室设计，且四周壁厚度相等，使得温度分布更加均匀，提高了外延层的质量。 高填充率：上游导气管的设计使得反应气体在进入外延生长室之前呈层流状态，确保了反应气体的均匀分布，提高了外延层的填充率。 易于维护：外延生长室结构安装简单，易进行清洁处理，使用起来更加方便。 应用广泛：不仅可用于8英寸单片SiC外延生长，还可通过替换托盘，用于6英寸单片SiC外延生长以及2片和/或3片4英寸SiC外延生长。 结论 8英寸单片高温碳化硅外延生长室结构以其独特的矩形腔室设计、硬质保温层的保温效果、导气管连接器的均匀进气以及上下游导气管的顺畅排气，确保了高质量、大面积的SiC外延生长。这种结构不仅提高了外延层的质量和填充率，还使得设备易于维护和清洁，具有广泛的应用前景。随着SiC材料在各个领域的广泛应用，这种高效、稳定的外延生长室结构将成为未来SiC器件制造的重要基础。 高通量晶圆测厚系统 高通量晶圆测厚系统以光学相干层析成像原理，可解决晶圆/晶片厚度TTV（Total Thickness Variation，总厚度偏差）、BOW（弯曲度）、WARP（翘曲度），TIR（Total Indicated Reading 总指示读数，STIR（Site Total Indicated Reading 局部总指示读数），LTV（Local Thickness Variation 局部厚度偏差）等这类技术指标。 高通量晶圆测厚系统，全新采用的第三代可调谐扫频激光技术，相比传统上下双探头对射扫描方式；可一次性测量所有平面度及厚度参数。 灵活适用更复杂的材料，从轻掺到重掺 P 型硅 (P++)，碳化硅，蓝宝石，玻璃，铌酸锂等晶圆材料。 重掺型硅（强吸收晶圆的前后表面探测） 粗糙的晶圆表面，（点扫描的第三代扫频激光，相比靠光谱探测方案，不易受到光谱中相邻单位的串扰噪声影响，因而对测量粗糙表面晶圆） 低反射的碳化硅(SiC)和铌酸锂(LiNbO3)（通过对偏振效应的补偿，加强对低反射晶圆表面测量的信噪比） 绝缘体上硅（SOI)和MEMS，可同时测量多层结构，厚度可从μm级到数百μm级不等。 1，可用于测量各类薄膜厚度，厚度最薄可低至 4 μm ，精度可达1nm。 2，可调谐扫频激光的“温漂”处理能力，体现在极端工作环境中抗干扰能力强，一改过去传统晶圆测量对于“主动式减震平台”的重度依赖，成本显著降低。 3，灵活的运动控制方式，可兼容2英寸到12英寸方片和圆片测量。

一、引言 沟槽结构碳化硅的外延填充方法是指通过在碳化硅衬底上形成的沟槽内填充高质量的外延层，以实现器件的电学和热学性能要求。这一过程中，不仅要保证外延层的填充率，还要避免空洞和缺陷的产生，从而确保器件的稳定性和可靠性。 二、外延填充方法 1. 实验准备 在进行外延填充之前，首先需要通过实验确定外延生长和刻蚀的工艺参数。这通常包括使用与待填充的碳化硅正式片具有相同沟槽结构的生长实验片和刻蚀实验片进行试验。 生长实验片：用于确定外延生长工艺参数，包括氢气流量、反应室生长压力、生长温度、硅氢比和碳硅比等。通过调整这些参数，可以得到沟槽台面和沟槽底部的外延沉积速率。 刻蚀实验片：用于确定氯化氢刻蚀工艺参数，包括反应室刻蚀压力和氯氢比等。这些参数决定了沟槽台面和沟槽底部的刻蚀速率。 2. 正式片的外延填充 在完成实验准备后，将含沟槽结构的碳化硅正式片置于外延系统反应室内的石墨基座上，并按照以下步骤进行外延填充： 外延生长：向反应室通入硅源和碳源，并根据沟槽结构层的掺杂类型，通入n型或p型掺杂源。根据生长实验片确定的外延生长工艺参数，开始外延生长。通过控制生长时间，可以控制沟槽底部的沉积厚度。 压力降低：生长结束后，关闭硅源和碳源，保持氢气流量不变，快速降低反应腔压力。 氯化氢刻蚀：根据刻蚀实验片确定的刻蚀工艺参数，向反应室通入氯化氢气体，通过氯化氢辅助氢气刻蚀去除沟槽结构台面上的外延层，同时改善槽内外延层表面质量。 重复生长与刻蚀：重复上述外延生长和氯化氢刻蚀的步骤，直至达到所需的厚度要求，即完成沟槽结构的外延填充。 抛光去除多余外延层：开腔取片后，通过抛光去除多余的外延层，以获得平整的表面。 三、具体工艺参数 生长工艺参数：氢气流量为60~120L/min，反应室生长压力为200~400mbar，生长温度为1600~1700℃，硅氢比小于0.08%，碳硅比为0.6~1.3。 刻蚀工艺参数：反应室刻蚀压力为80~400mbar，氯氢比≥1%。 四、方法优势 高填充率：通过精确控制外延生长和刻蚀的工艺参数，可以大幅提高高深宽比沟槽结构的外延填充率。 无空洞：该方法能够有效避免沟槽结构中空洞的出现，提高器件的可靠性和稳定性。 节省成本：通过优化工艺参数，可以减少碳化硅晶片的使用量和断面SEM检测的次数，从而降低工艺成本。 五、结论 沟槽结构碳化硅的外延填充方法是碳化硅器件制造过程中的关键环节。通过精确控制外延生长和刻蚀的工艺参数，可以实现高填充率、无空洞的外延填充，从而提高器件的性能和可靠性。这一方法不仅适用于碳化硅器件的制造，也为其他高性能半导体材料的器件制造提供了借鉴和参考。 高通量晶圆测厚系统 高通量晶圆测厚系统以光学相干层析成像原理，可解决晶圆/晶片厚度TTV（Total Thickness Variation，总厚度偏差）、BOW（弯曲度）、WARP（翘曲度），TIR（Total Indicated Reading 总指示读数，STIR（Site Total Indicated Reading 局部总指示读数），LTV（Local Thickness Variation 局部厚度偏差）等这类技术指标。 高通量晶圆测厚系统，全新采用的第三代可调谐扫频激光技术，相比传统上下双探头对射扫描方式；可一次性测量所有平面度及厚度参数。 灵活适用更复杂的材料，从轻掺到重掺 P 型硅 (P++)，碳化硅，蓝宝石，玻璃，铌酸锂等晶圆材料。 重掺型硅（强吸收晶圆的前后表面探测） 粗糙的晶圆表面，（点扫描的第三代扫频激光，相比靠光谱探测方案，不易受到光谱中相邻单位的串扰噪声影响，因而对测量粗糙表面晶圆） 低反射的碳化硅(SiC)和铌酸锂(LiNbO3)（通过对偏振效应的补偿，加强对低反射晶圆表面测量的信噪比） 绝缘体上硅（SOI)和MEMS，可同时测量多层结构，厚度可从μm级到数百μm级不等。 1，可用于测量各类薄膜厚度，厚度最薄可低至 4 μm ，精度可达1nm。 2，可调谐扫频激光的“温漂”处理能力，体现在极端工作环境中抗干扰能力强，一改过去传统晶圆测量对于“主动式减震平台”的重度依赖，成本显著降低。 3，灵活的运动控制方式，可兼容2英寸到12英寸方片和圆片测量。

人工智能（AI）技术的快速发展对数据处理和传输提出了前所未有的挑战。在深度学习、自然语言处理和计算机视觉等AI应用中，训练和学习需要巨大的数据量传递和交互。2023年GPT-4模型所需训练的参数量有1.8万亿，要完成这么大的数据量的运算，需要上万个GPU同时工作。如此庞大的数据传输对于传统铜缆而言是个巨大的挑战，因此光模块在数据传输中发挥着非常重要的作用。光模块在AI和数据中心中负责数据的转换，将1bit的电信号转为光信号，把1bit的光信号转为电信号。400G模块，能转换0.4T bit，800G光模块，转换0.8T bit，以GPT-4的训练参数计算，完成一次计算所需要调用的光模块数量就可能多达数万。而随着大模型的不断进化和训练参数的急速增加，对光模块的需求量只多不少。 AI场景对光模块的故障率要求 因为训练数据量大，所以AI场景架构采用GPU运算更合适，这与传统的数据中心的服务器类型有所区别。CPU是串行运算，通常有较少的核心（一般在2到32个核心之间），每个核心都非常强大，适合执行复杂的单线程任务，适用于传统数据中心的串行结构。GPU是并行运算，拥有大量的核心（数百到数千个），每个核心较简单，适合执行大量的并行任务，因此更适用数据量超大的AI场景。传统的数据中心结构，是基于串行方式的，对时延的要求虽然很看重，但不像AI场景中对时延的苛刻要求。并行任务的结果就是成千上万的并行数据要传输，整个数据的完成是以时延最大，最慢的那个bit为准的。其他再快也不行。 光模块的故障率比传统的电学芯片的要高很多很多，光模块选择热插拔，也是因为光学器件的故障率很高，用热插拔方便维修和更换。传统的数据中心，光模块对于故障率的要求比传统通信更宽松，少量的故障并不会影响到整体的运行传输，所以遇到光模块故障后及时更换就可以了。但对于基于AI的这种场景就不适用，大数据量的并行计算，而且不是实时保存的。如果有任何一个数据传错了，那么整体要重来，重新计算一遍。中国移动也曾提到当前人工智能中主流万卡集群的GPU网络每月最大会发生上千次闪断，其中34%是与网络相关。其中每年大概会有60次左右的光模块故障导致的训练中断，而且故障定位也通常会需要数天到数十天之久。所以光模块失效率高会导致大的丢包率和维护成本，从而给设备服务商带来巨大的运营压力。因此在AI场景中对光模块可靠性的要求非常苛刻。 图1 AI大模型中丢包率导致训练所需时间增长 AI场景光模块的可靠性问题 综上所述，对于传统数据中心而言，一般会把可靠性的要求放宽，是因为通常在实际部署中，数据中心的树形网络结构是配置了冗余的，从而这此前提下放宽了对模块故障率的要求。冗余越大，有更多的节点可以实现业务传输，光模块的失效率略大一些是不影响整体通信的。因此传统数据中心的光模块，有很长一段时间，是非气密封装，因为非气密封装，故障率会高一些，但成本也会下降很多。 但AI大模型与传统数据中心不同，AI场景所采用的并行计算，如上一节所讲，对故障零容忍，对光模块的稳定性要求极高。因此，非气密封装已经不能满足可靠性要求了，各家厂商又开始使用气密封装降低失效率。光模块中产生的可靠性问题主要是光器件失效引起的，包括激光器、探测器和其他元器件，其中激光器失效最高。阿里曾经做过统计，在光模块众多的元器件中，超过90%以上的失效是与激光器相关的。 图2 阿里统计的光模块各元件失效占比统计 光模块自身已经面临非常高的可靠性风险了，然而光模块从400G、800G发展到1.6T，模块功耗随着芯片功率、射频损耗，DSP补偿等迅速增加，功耗增加提高了光模块实际的工作温度，同样也使得光模块寿命急速缩短，可靠性急剧下降。光模块温度升高，激光器芯片的发光效率降低，废热更大，也会带来可靠性风险。 图3 功耗增加机柜温度升高可靠性下降 现行可供参考的可靠性标准如GR-468，一方面从标准提出到现在已有二十余年时间，另一方面该标准是作为通信用光电子器件的可靠性标准，对AI场景并不适用。近年来，大模型使用方以及光模块厂商都对光器件提出了更严格的可靠性要求。在2023年CIOE上，阿里提出了自身对于光芯片可靠性的认证要求，要求光模块FIT小于125，即有1000个光模块在工作，5年后，只允许5个出现故障。同时也对激活能Ea，和n做了限定，限定激活能 Ea=0.35，n=0。老化公式的n，是加速压力的指数，可以是电流，温度，或者湿度，关键取决于芯片设计里哪个因素的影响最大。以电流为例，如果n按照3取值，老化电流是工作电流的1.5倍，得出激光器工作寿命是10年。如果相同条件下n取为0，那么寿命就只有3年了。Ea和n都取最小值，会得到很小的加速系数，最终会计算出很大的FIT值，这样一来对可靠性的要求就更为苛刻了。 图4 可靠性中加速系数计算公式 如何提升光模块可靠性 光模块的可靠性重点关注的就是激光器。激光器从发光原理、制造工艺来看，降低优化的程度有限，并不能完全达到电芯片的尺度，近期内也不会有颠覆性的技术改良大幅提高可靠性。对于光模块的可靠性控制重点还是在实际使用时的早期失效和随机失效，早期失效可以通过选用一定参数的加速老化进行剔除，老化的条件，时间都需要通过科学的计算，避免老化时间过短剔除不到位或者时间过长降低产品寿命。对于随机失效，目前有些方案如finisar等公司采用的备份激光器，通过增加多组激光器作为备用降低失效率，一个坏了立刻切到另一个好的激光器去工作，但是增加一组备份，成本、空间、功耗，又增加了很多难度。海思设计过一种智能光模块，通过实时监控光模块多种参数状态，采用大数据训练主动对光模块做预警，提前判断光模块即将失效，这要求厂家对自身产品数据要有十分全面的掌握。 广电计量光电器件可靠性分析 光模块市场近两年随着AI浪潮的出现展现出了广阔的想象空间，但也给光模块的可靠性带来了更高的挑战。过去厂家不重视模块的可靠性，缺乏对产品的失效评估，而现在解决产品可靠性问题，将会是占领用户市场，打通产品从送样到批量供货的关键。 广电计量是国内第一家完成激光发射器、探测器全套AEC-Q102车规认证的国有第三方上市检测机构，具备VCSEL、LED、APD、SPAD等激光器和探测器批次性验证试验能力，具有丰富的光电器件可靠性验证经验。在人才队伍上，形成以博士、专家为核心的光电器件测试分析团队，可以协助客户定制可靠性评估方案，建立准确的产品失效模型，满足客户在可靠性、失效分析领域的认证检测需求。 广电计量半导体服务优势 工业和信息化部“面向集成电路、芯片产业的公共服务平台” 工业和信息化部“面向制造业的传感器等关键元器件创新成果产业化公共服务平台” 国家发展和改革委员会“导航产品板级组件质量检测公共服务平台” 广东省工业和信息化厅“汽车芯片检测公共服务平台” 江苏省发展和改革委员会“第三代半导体器件性能测试与材料分析工程研究中心” 上海市科学技术委员会“大规模集成电路分析测试平台” 在集成电路及SiC领域是技术能力最全面、知名度最高的第三方检测机构之一，已完成MCU、AI芯片、安全芯片等上百个型号的芯片验证，并支持完成多款型号芯片的工程化和量产。 在车规领域拥有AEC-Q及AQG324全套服务能力，获得了近50家车厂的认可，出具近400份AEC-Q及AQG324报告，助力100多款车规元器件量产。