垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的氧化孔徑（Oxidation Aperture）是其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，直接影響器件的電流限制、光學模式及熱穩(wěn)定性。準確測量氧化孔徑尺寸（通常3-30μm）對VCSEL的研發(fā)與量產(chǎn)很重要。然而，由于氧化層位于多層外延結(jié)構(gòu)內(nèi)部，傳統(tǒng)光學顯微鏡難以穿透，而SEM等破壞性方法無法用于在線檢測。

近紅外顯微鏡（NIR Microscopy） 憑借其對半導體材料的穿透能力，成為VCSEL氧化孔徑測量的理想工具。本文將深入探討其測試原理、系統(tǒng)組成（紅外相機、紅外物鏡、自動分析軟件），并結(jié)合蘇州卡斯圖電子有限公司的MIR100近紅外顯微鏡，分析該技術(shù)的優(yōu)勢、挑戰(zhàn)及解決方案。

2. 近紅外顯微鏡測量VCSEL氧化孔徑的原理

2.1 光學穿透機制

VCSEL通?；贕aAs/AlGaAs材料體系，其氧化層（AlO?）位于多層DBR（分布式布拉格反射鏡）之間。近紅外光（700-2500nm）在該波段具有以下特性：

- GaAs在>1100nm波長下吸收率降低，允許光穿透數(shù)微米深度。

- AlO?與AlGaAs的折射率差異（Δn≈0.2-0.5），在近紅外波段形成高對比度反射信號。

- 紅外相機（如InGaAs傳感器）捕捉反射圖像，并通過算法提取氧化孔徑邊緣。

2.2 測量系統(tǒng)組成

近紅外顯微鏡測量VCSEL氧化孔徑的關(guān)鍵組件包括：

1. 紅外光源（1300-1550nm激光或LED）

2. 紅外物鏡（長工作距離、高NA值，如20X NA=0.4）

3. 紅外相機（InGaAs或Ge基傳感器，分辨率1-5μm/pixel）

4. 自動測量分析軟件（邊緣檢測、閾值分割、尺寸計算）

以蘇州卡斯圖MIR100近紅外顯微鏡為例：

- 紅外物鏡：采用高NA紅外優(yōu)化物鏡，確保高分辨率和穿透深度。

- 紅外相機：配備高靈敏度InGaAs相機，信噪比（SNR）>60dB。

- 軟件分析：集成自動孔徑測量算法，支持批量檢測和SPC統(tǒng)計。

3. 近紅外顯微鏡測量解決方案

3.1 標準測量流程

1. 樣品放置：VCSEL芯片無需制樣，直接置于載物臺。

2. 光學對焦：通過紅外相機實時成像，調(diào)整Z軸到氧化層清晰可見。

3. 圖像采集：多波長掃描（如1300nm/1550nm）優(yōu)化對比度。

4. 圖像處理：

- 平場校正（消除光照不均）

- 邊緣增強（Sobel/Canny算子）

- 閾值分割（區(qū)分氧化/非氧化區(qū)域）

5. 孔徑計算：采用小二乘橢圓擬合，輸出直徑、圓度等參數(shù)。

3.2 卡斯圖MIR100的優(yōu)化方案

- 共焦成像技術(shù)：減少多層反射干擾，提升信噪比。

- 自動對焦算法：基于圖像清晰度評價函數(shù)，確保測量一致性。

- 批量測量模式：支持晶圓級Mapping檢測，每小時可測>1000顆芯片。

4. 技術(shù)優(yōu)勢與局限性

4.1 優(yōu)勢（對比SEM、可見光顯微鏡）

對比維度

近紅外顯微鏡（MIR100）

SEM

可見光顯微鏡

測量方式

非破壞性

破壞性（需切割）

無法穿透多層結(jié)構(gòu)

分辨率

0.5-1μm

<10nm

受衍射限制（~0.3μm）

測量速度

秒級（適合在線檢測）

分鐘級（需抽真空）

快，但無法測內(nèi)部結(jié)構(gòu)

設(shè)備成本

中等（$80k-$450k）

高（$200k-$500k）

低（$10k-$50k）

適用場景

量產(chǎn)監(jiān)控、研發(fā)

實驗室失效分析

表面形貌觀察

4.2 局限性及解決方案

1. 分辨率限制（~0.5μm）

- 解決方案：采用超分辨率算法（如深度學習去卷積）。

2. 多層DBR干擾

- 解決方案：多波長融合成像（如MIR100支持1300nm/1550nm雙波段掃描）。

3. 邊緣模糊（氧化過渡區(qū)）

- 解決方案：相位對比成像（增強邊緣信號）。

5. 實際應(yīng)用案例

5.1 量產(chǎn)檢測（卡斯圖MIR100在某VCSEL廠商的應(yīng)用）

- 檢測目標：氧化孔徑尺寸（8±0.5μm）

- 測量結(jié)果：

- 平均測量值：8.12μm

- 標準差：±0.18μm（CPK>1.67）

- 效益：

- 不良率降低30%

- 檢測效率提升5倍（相比SEM）

5.2 研發(fā)階段應(yīng)用

通過MIR100測量不同氧化工藝的VCSEL，發(fā)現(xiàn)：

- 氧化時間與孔徑尺寸呈線性關(guān)系（R2=0.98），驗證工藝可控性。

- 孔徑均勻性（晶圓級Mapping）可優(yōu)化反應(yīng)室氣流設(shè)計。

6. 未來發(fā)展趨勢

1. 更高分辨率：近場光學（Nano-IR）突破衍射空間。

2. 智能化分析：AI自動分類缺陷（如氧化不均勻、孔徑變形）。

3. 多模態(tài)集成：結(jié)合光致發(fā)光（PL）和熱成像，實現(xiàn)表征。

7. 結(jié)論

近紅外顯微鏡（如卡斯圖MIR100）憑借其非破壞性、高精度、效率快的特點，已成為VCS