垂直腔面發射激光器（VCSEL）的氧化孔徑（Oxidation Aperture）是其關鍵結構之一，直接影響器件的電流限制、光學模式及熱穩定性。準確測量氧化孔徑尺寸（通常3-30μm）對VCSEL的研發與量產很重要。然而，由于氧化層位于多層外延結構內部，傳統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、系統組成（紅外相機、紅外物鏡、自動分析軟件），并結合蘇州卡斯圖電子有限公司的MIR100近紅外顯微鏡，分析該技術的優勢、挑戰及解決方案。
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通常基于GaAs/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 測量系統組成
近紅外顯微鏡測量VCSEL氧化孔徑的關鍵組件包括：
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（區分氧化/非氧化區域）
5. 孔徑計算：采用小二乘橢圓擬合，輸出直徑、圓度等參數。
3.2 卡斯圖MIR100的優化方案
- 共焦成像技術：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，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. 技術優勢與局限性
4.1 優勢（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）
無法穿透多層結構
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，但無法測內部結構
設備成本
中等（$80k-$450k）
高（$200k-$500k）
低（$10k-$50k）
適用場景
量產監控、研發
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）
- 解決方案：相位對比成像（增強邊緣信號）。
5. 實際應用案例
5.1 量產檢測（卡斯圖MIR100在某VCSEL廠商的應用）
- 檢測目標：氧化孔徑尺寸（8±0.5μm）
- 測量結果：
- 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 研發階段應用
通過MIR100測量不同氧化工藝的VCSEL，發現：
- 氧化時間與孔徑尺寸呈線性關系（R2=0.98），驗證工藝可控性。
- 孔徑均勻性（晶圓級Mapping）可優化反應室氣流設計。
6. 未來發展趨勢
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. 多模態集成：結合光致發光（PL）和熱成像，實現表征。
7. 結論
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