本文導讀

• 一、VCESEL與氧化孔徑：光通信核心器件的工藝命脈

• 二、氧化孔徑臺階：決定VCESEL性能的關鍵參數

• 三、傳統氧化孔徑測量方法的三大短板

• 四、Zeta-20白光共聚焦輪廓儀：非接觸式3D測量方案

• 五、應用場景：從臺階高度到缺陷檢測的覆蓋

• 六、方案總結與常見問題

磷化銦（InP）是制造高速光模塊中EML激光器、PIN探測器等核心光芯片的基礎襯底材料。在InP基光芯片中，垂直腔面發射激光器（VCSEL，又稱VCESEL）是短距離光通信和3D傳感領域的關鍵器件。在VCSEL的制造流程中，氧化孔徑的形成和測量是決定器件性能的核心工藝環節。氧化孔徑的臺階高度和表面形貌，直接影響器件的閾值電流、輸出功率和可靠性。優尼康科技代理的KLA Zeta-20白光共聚焦輪廓儀為非接觸式3D表面形貌測量提供了精準、高效的解決方案。

一、VCESEL與氧化孔徑：光通信核心器件的工藝命脈

垂直腔面發射激光器（VCSEL）是一種半導體激光二極管，其激光發射方向垂直于芯片表面，與傳統的邊發射激光器（如DFB激光器）形成互補。VCSEL廣泛應用于數據中心短距離光互連、3D傳感（如人臉識別）、激光雷達等領域。

在VCSEL的制造過程中，氧化工藝是極為關鍵的一步。通過濕法氧化技術，將AlAs/AlGaAs層中的Al選擇性氧化為Al?O?，形成一個由氧化物包圍的電流注入窗口——即氧化孔徑。氧化孔徑的直徑通常僅為數微米至十余微米，其尺寸直接決定了VCSEL的閾值電流、微分電阻和輸出功率等核心性能參數。Zeta-20白光共聚焦輪廓儀能夠精確測量這一微小結構的臺階高度和形貌。

行業背景：氧化工藝時間短，氧化孔徑尺寸小（通常不到10μm），工藝稍控制不佳即可能導致整個工藝流程失敗，造成報廢。精確測量和控制氧化孔徑的尺寸與形貌，是VCSEL量產良率保障的關鍵。Zeta-20輪廓儀正是為此類精密測量需求而設計。

二、氧化孔徑臺階：決定VCESEL性能的關鍵參數

氧化孔徑對VCSEL性能的影響體現在多個層面：

• 閾值電流：氧化孔徑越小，電流注入區域越集中，閾值電流越低，但孔徑過小會增加電阻和熱阻，影響高頻性能。

• 輸出功率：氧化孔徑的尺寸和形狀決定激光器的模場分布和輸出效率。

• 可靠性：氧化層臺階的形貌和均勻性影響器件的長期穩定性和壽命。

在VCSEL器件結構中，氧化層臺階的臺階高度反映了氧化層與未氧化層之間的結構差異，是評估氧化工藝質量的重要指標。同時，表面粗糙度直接影響器件的散射損耗和光學性能。Zeta-20以其亞納米級Z軸分辨率，能夠精準獲取這些關鍵參數。

三、傳統氧化孔徑測量方法的三大短板

盡管氧化孔徑如此重要，但傳統的測量方法在精度、效率和可操作性上存在明顯局限。

3.1 紅外CCD顯微鏡：影像對比度不足，誤差大

傳統方法主要依賴紅外CCD顯微鏡進行光學影像量測。但當光學影像對比較差時，氧化孔徑的量測結果會有較大的誤差，提高了不良品出貨的風險。對于直徑僅數微米的氧化孔，影像邊緣的模糊會引入顯著的測量偏差。

3.2 掃描電子顯微鏡（SEM）：破壞性檢測，無法全檢

SEM斷面分析可以獲得高精度的氧化孔徑形貌圖像，但需要破壞樣品（解理或切割），制樣流程復雜、耗時長。這種破壞性檢測只能用于工藝開發階段的抽檢，無法作為產線的日常監控手段。

3.3 共同局限：無法滿足產線高頻次監控需求

上述兩種方法的共同問題是測量速度慢、操作復雜、或精度不足。在VCSEL產線快速擴張的背景下，產線需要的是無損、快速、可高頻次重復的3D形貌測量方案。Zeta-20白光共聚焦輪廓儀正是為解決這些問題而推出的產品。

四、Zeta-20白光共聚焦輪廓儀：非接觸式3D測量方案

針對VCSEL氧化孔徑輪廓臺階測量的特殊需求，KLA旗下Zeta-20白光共聚焦輪廓儀提供了基于非接觸式光學技術的3D表面形貌測量方案。

4.1 工作原理：ZDot技術 + 多模式光學系統

Zeta-20采用ZDot技術，通過點陣共聚焦方式同時采集高分辨率3D數據和樣品表面真彩色無限遠焦點圖像。系統通過變化焦點高度，逐點獲取表面高度信息，重構出完整的3D形貌。

此外，Zeta-20集成了六種不同的光學量測技術：

• ZDot：共聚焦模式，同時采集3D數據和真彩圖像

• ZXI：白光干涉測量，適用于Z向分辨率高的廣域測量

• ZIC：干涉對比，適用于亞納米級粗糙度表面的定量分析

• ZSI：剪切干涉測量，提供高分辨率Z向圖像

• ZFT：集成寬帶反射計，測量膜厚度和反射率

• AOI：自動光學檢測，量化樣品表面缺陷

4.2 Zeta-20的核心優勢

• 非接觸式測量，零損傷風險：基于光學原理，不接觸樣品表面，對脆性的半導體材料零損傷。

• 高精度臺階高度測量：臺階高度測量范圍覆蓋納米級至毫米級，Z軸分辨率可達亞納米級。

• 粗糙度分析：可測量從光滑到非常粗糙表面的粗糙度和波紋度，粗糙度分辨率達亞納米級。

• 多模式靈活應對復雜樣品：支持透明/不透明、高/低反射率、光滑/粗糙表面等各種樣品類型。

• 全自動測量：支持測量序列和圖案識別功能，可自動完成多點測量和圖像拼接，適合量產環境。

• 缺陷檢測：可捕獲大于1μm的缺陷，并支持KLARF文件導航進行缺陷復檢。

4.3 主要技術參數

測量項目       | 技術指標

-----------+-----------------------------------

臺階高度       | 納米級至毫米級

粗糙度（Ra/Rq） | 亞納米級分辨率

薄膜厚度       | 30nm - 100μm（透明薄膜）

缺陷檢測       | 可捕獲 >1μm 的缺陷

最大樣品尺寸     | Φ150mm

測量模式       | ZDot / ZXI / ZIC / ZSI / ZFT / AOI

五、應用場景：從臺階高度到缺陷檢測的覆蓋

Zeta-20在VCSEL器件測量中的應用遠不止氧化孔徑臺階高度一項。以下是典型的應用場景：

VCSEL器件全流程測量能力：

• 氧化孔徑臺階高度：精準獲取氧化層與未氧化層之間的臺階高度，評估氧化工藝質量

• 表面粗糙度：量化芯片表面粗糙度，評估散射損耗對光學性能的影響

• 芯片翹曲與應力：3D翹曲和2D薄膜應力分析，評估晶圓級均勻性

• 缺陷檢測與復檢：自動檢測大于1μm的缺陷，并進行3D形貌復檢

• 膜厚測量：30nm至100μm透明薄膜厚度測量，適用于鈍化層等薄膜監控

Zeta-20在VCSEL和光通信器件領域的測量能力已被多家頭部光芯片企業驗證。作為KLA旗下Zeta產品的中國區代理，優尼康科技為國內客戶提供從設備銷售、技術支持到售后服務的全流程支持，確?？蛻裟軌虺浞职l揮Zeta-20的測量能力。

六、方案總結與常見問題

VCSEL氧化孔徑的輪廓臺階測量，是保障器件性能和量產良率的關鍵環節。 從“低精度目檢/破壞性抽檢"到“非接觸式高精度全檢"的升級，正在成為行業的主流趨勢。Zeta-20白光共聚焦輪廓儀通過ZDot共聚焦技術和多模式光學系統，為磷化銦InP基底VCSEL產業鏈提供了從臺階高度、粗糙度到缺陷檢測的3D形貌測量方案。

以下是根據實際客戶咨詢整理的常見問題：

問：VCESEL的氧化孔徑臺階是什么？為什么要測量它？

答：VCESEL（垂直腔面發射激光器）的氧化孔徑是通過濕法氧化工藝在AlAs/AlGaAs層中形成的電流注入窗口，其直徑通常不到10μm。氧化孔徑的尺寸直接決定器件的閾值電流、微分電阻和輸出功率等關鍵性能參數。臺階高度反映了氧化層的結構和器件表面形貌，對器件的光學特性和可靠性有重要影響。

問：傳統氧化孔徑測量方法有哪些局限？

答：傳統方法主要依賴紅外CCD顯微鏡進行光學影像量測，但當光學影像對比較差時，量測結果會有較大誤差。此外，氧化工藝時間短、孔徑尺寸?。?lt;10μm），工藝稍控制不佳即可能導致整個工藝流程失敗，傳統方法難以滿足高精度和高效率的測量需求。

問：Zeta-20白光共聚焦輪廓儀如何實現VCESEL輪廓臺階測量？

答：Zeta-20采用ZDot技術，通過點陣共聚焦方式同時采集高分辨率3D數據和樣品表面真彩色圖像。系統通過分析臺階高度和表面紋理，可精準獲取氧化孔徑臺階高度（納米級至毫米級）和表面粗糙度數據。整個過程非接觸、非破壞性，適合VCESEL這類精密器件的測量需求。

問：Zeta-20的測量精度和速度如何？

答：Zeta-20的Z軸分辨率可達亞納米級，臺階高度測量范圍覆蓋納米級至毫米級，粗糙度測量可達亞納米分辨率。系統支持自動測量序列和圖像拼接功能，可快速完成全晶圓或特定區域的輪廓掃描，適用于研發和量產環境。

問：Zeta-20能測量哪些類型的樣品？

答：Zeta-20支持多種樣品類型，包括透明和不透明材料、低反射率到高反射率表面、光滑到粗糙紋理。其多模式光學系統（ZDot、ZXI白光干涉、ZIC干涉對比、ZSI剪切干涉、ZFT膜厚光譜、AOI自動缺陷檢測）可應對不同測量場景。

問：Zeta-20與Filmetrics膜厚儀有什么區別？如何選擇？

答：Filmetrics膜厚儀專注于薄膜厚度的快速、精準測量，基于光譜反射干涉原理，適合氧化硅、光刻膠等透明薄膜的厚度檢測。Zeta-20白光共聚焦輪廓儀則側重于3D表面形貌、臺階高度、粗糙度和缺陷檢測，適用于需要獲取微觀三維結構的場景。兩者互補使用，可覆蓋從膜厚到形貌的全維度檢測需求。優尼康科技同時代理這兩類產品，可為客戶提供一站式測量方案。

關于優尼康科技

優尼康科技成立于2012年，是KLA旗下Filmetrics光反射膜厚儀及Zeta光學輪廓儀中國區代理，專注精密薄膜測量與3D表面形貌檢測領域。已服務多家頭部光芯片企業，覆蓋InP襯底制備、VCSEL器件開發到芯片測試全流程。