CN114981941A - 光探针、探针卡、测定系统以及测定方法 - Google Patents

Abstract

光探针由芯部和配置于芯部的外周的包层部构成，光信号所入射的入射面是曲率半径(R)的曲面。使用光信号的辐射角(γ)、以不透过包层部的方式在芯部中传播的光信号的入射面处的有效入射半径(Se)、光信号的入射面的入射点处的芯部的折射率(n(r))及入射点处的折射角(β)，曲率半径(R)和入射点处的中心半角(ω)满足以下关系：R＝Se/sin(ω)，ω＝±sin^‑1({K2²/(K1²+K2²)}^1/2)。其中，K1＝n(r)×cos(β)‑cos(γ/2)，K2＝n(r)×sin(β)‑sin(γ/2)。

Description

光探针、探针卡、测定系统以及测定方法

技术领域

本发明涉及一种在光半导体元件的特性测定中使用的光探针、测定系统以及测定方法。

背景技术

使用硅光子技术来在晶圆上形成以电信号和光信号为输入输出信号的光半导体元件。为了在光半导体元件形成于晶圆的状态下测定光半导体元件的特性，使用具有传播电信号的电探针和传播光信号的光探针的测定系统来将光半导体元件与测试器等测定装置进行连接。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭62-31136号公报

专利文献2：日本特开昭60-64443号公报

发明内容

发明要解决的问题

在使用了光探针的测定方法中，有时在光探针的来自光半导体元件的光信号所入射的入射面与光半导体元件之间产生的位置偏差、在光探针的中心轴与来自光半导体元件的光信号的光轴之间产生角度偏移。入射于光探针的光信号的功率会由于该位置偏差、角度偏移发生变动，从而使测定出的光信号的输出的稳定性受损。由于这样的变动因素等，在使用光探针进行的测定中存在测定精度下降的问题。

鉴于上述问题点，本发明的目的在于提供一种能够在晶圆状态下短时间短且高精度地测定光半导体元件的光探针、探针卡、测定系统以及测定方法。

用于解决问题的方案

根据本发明的一个方式，提供一种光信号所入射的入射面是曲率半径的曲面的光探针。在使用光信号的辐射角γ、以不透过包层部的方式在芯部中传播的光信号的在入射面处的有效入射半径Se、光信号的入射面的入射点处的芯部的折射率n(r)、以及入射点处的折射角β时，入射面的曲率半径R和入射点处的中心半角ω满足以下关系：R＝Se/sin(ω)，ω＝±sin^-1({K2²/(K1²+K2²)}^1/2)。其中，K1＝n(r)×cos(β)-cos(γ/2)，K2＝n(r)×sin(β)-sin(γ/2)。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种能够在晶圆状态下短时间、高精度且稳定地测定光半导体元件的光探针、探针卡、测定系统以及测定方法。

附图说明

图1是表示第一实施方式所涉及的光探针的结构的示意图。

图2是表示最大工作距离的情况下的光探针的结构的示意图。

图3是表示光探针的中心轴与光信号的光轴之间的偏差的例子的示意性的俯视图。

图4是表示倾斜角的例子的示意图。

图5是表示入射端为平面的平面光探针的结构的示意图。

图6是表示使用平面光探针测定出的入射强度图案的例子的曲线图。

图7是表示光探针的入射面的曲率半径与入射面处的数值孔径之间的关系的曲线图。

图8是表示入射面的曲率半径与入射角比率之间的关系的曲线图。

图9是表示光信号的辐射半角与包层入射角之间的关系的曲线图。

图10是表示入射强度图案的例子的曲线图。

图11是改变了光信号的光轴相对于光探针的中心轴的位置的情况下的入射强度图案的构想图。

图12是表示改变了工作距离时的入射强度图案的变化的曲线图。

图13是表示入射面的曲率半径与有效入射半径之间的关系的曲线图。

图14是表示入射面的曲率半径与入射稳定距离之间的关系的曲线图。

图15是表示入射面的曲率半径与最大工作距离之间的关系的曲线图。

图16是表示入射于光探针的光信号的损耗特性的曲线图。

图17是表示使用了第一实施方式所涉及的光探针的测定系统的结构例的示意图。

图18是表示使用了第一实施方式所涉及的光探针的测定方法的例子的流程图。

图19是表示第二实施方式所涉及的光探针的结构的示意图。

图20是表示第三实施方式所涉及的光探针的结构的示意图。

具体实施方式

接着，参照附图对本发明的实施方式进行说明。在以下的附图的记载中，对相同或类似的部分标注了相同或类似的附图标记。但是，需要留意的是，附图是示意性的。另外，以下所示的实施方式例示出用于将本发明的技术构思具体化的装置、方法，本发明的实施方式并不用于将构成部件的构造、配置等限定为下述的构造、配置等。本发明的实施方式能够在权利要求书中施加各种变更。

(第一实施方式)

如图1所示，本发明的第一实施方式所涉及的光探针10接收从光半导体元件20输出的光信号L。光探针10具有由芯部111和配置于芯部111的外周的包层部112构成的折射率分布型的光波导。芯部111的折射率比包层部112的折射率大。图1示出光探针10的包括光信号L所入射的入射面100的一个端部。入射面100是曲率半径R固定的凸球面。

在图1中，芯半径Cr是芯部111的半径。另外，探针半径Dr是包括包层部112的光探针10的半径。光探针10能够采用光纤、将光纤与透镜组合而成的结构等。例如，能够利用渐变折射率型(GI型)光纤来制造光探针10。

在图1中，将光探针10的芯部111的中心轴C10和光信号L的光轴C20的延伸方向设为Z方向。另外，将与Z方向垂直的平面设为XY平面，将图1的纸面的左右方向设为X方向，将与纸面垂直的方向设为Y方向。

光半导体元件20例如为垂直腔面发射激光器(VCSEL)等。光半导体元件20与光探针10光学连接，从光半导体元件20输出的光信号L入射于光探针10。

光探针10和光半导体元件20沿Z方向相距工作距离WD地配置。工作距离WD设定在使得光探针10能够接收到从光半导体元件20输出的光信号L的范围。即，以使光信号L的在入射面100处的入射范围处于比芯部111的外缘更靠内侧的位置的方式设定工作距离WD。在此，光信号L的入射范围设为光信号L以峰值的1/e²以上的强度行进的方向的范围。

如图1所示，从光半导体元件20输出辐射角为γ的光信号L。光信号L以在入射面100处的光信号L的入射范围的端部即入射点Q处与曲率半径方向形成折射角β的方式在芯部111中行进。将入射点Q处的入射面100的中心半角设为ω。

在图1中，将辐射角为γ的光信号L的在入射面100处的入射范围的直径表示为入射直径Sd，将入射范围的半径表示为入射半径Sr。使用光信号L的辐射角γ，通过以下的式(1)来表示入射直径Sd：

Sd＝2×WD×tan(γ/2)…(1)

在图2中示出光探针10的入射面100与光半导体元件20之间的距离为所能取得的最大的工作距离WD(下面，称为“最大工作距离WDm”。)的状态。如图2所示，将最大工作距离WDm的情况下的辐射半角设为α。在为最大工作距离WDm且中心轴C10与光轴C20一致的情况下，中心半角ω最大。下面，将最大的中心半角ω称为“最大中心半角ωm”。

在测定光信号L的情况下，需要考虑光探针10与光半导体元件20的在XY平面中的位置偏差。在图3中示出光探针10的中心轴C10与光信号L的光轴C20由于位置偏差而沿X方向产生了偏移的状态。

在图3中，用有效入射半径Se来表示以不透过包层部112的方式在芯部111中传播的光信号L的在入射面100处的入射区域。另外，在图3中示出光信号L的入射半径Sr。如果入射半径Sr的范围包含在由有效入射半径Se规定的范围内，则即使光探针10与光半导体元件20之间存在位置偏差也能够抑制光探针10中的光信号L的传输损耗。在图3中，将使得不产生光信号L的传输损耗的、中心轴C10与光轴C20之间的位置的距离表示为“入射稳定距离Ds”。

另外，如图4所示，在光探针10的中心轴C10与光信号L的光轴C20不平行、中心轴C10与光轴C20以倾斜角ζ交叉的情况下，在光探针10中也会产生光信号L的入射变动。如在后文中详细地叙述的那样，根据光探针10，即使在产生了倾斜角ζ的情况下也能够抑制入射变动。

下面，说明对光信号L的辐射角的测定。通过将工作距离WD设为固定并使光半导体元件20相对于入射面100在X方向、Y方向上相对地移动，能够得到表示入射强度与移动距离之间的关系的特性(下面，称为“入射强度图案”。)。首先，说明使用图5所示的入射面100为平面的光探针(下面，称为“平面光探针”。)进行的入射强度图案的测定。

图5所示的平面光探针使用芯径Cd为2×Cr、数值孔径NA为sin(αf)的光纤。光信号L入射于入射面100的入射直径Sd为2×Sr。另外，根据平面光探针的数值孔径NA，辐射角γ与入射容许半角αf的关系为γ<2αf(αf＝sin^-1(NA))。

在辐射角为γ的光信号L入射于平面光探针的入射面100的情况下，在芯部111的内部行进的光信号L以π/2-β的入射角入射于芯部111与包层部112的边界面。使用从中心轴C10起的径向上的距离r处的芯部111的折射率n(r)，用式(2)来定义折射角β：

β＝sin^-1(sin(γ/2)/n(r))…(2)

用以下的式(3)来表示折射率n(r)：

n(r)＝n(c)×(1-(A^1/2×r)²/2)…(3)

在此，n(c)是中心轴C10处的芯部111的折射率，A^1/2是芯部111的折射率分布常数。

另外，分别用式(4)、式(5)来表示芯半径Cr的位置处的芯部111的边界折射率n(rc)和边界折射角β(rc)：

n(rc)＝n(c)×(1-(A^1/2×Cr)²/2)…(4)

β(rc)＝sin^-1{sin(γ/2)/n(rc)}…(5)

在折射角β为边界折射角β(rc)以上的情况下，光信号L不在芯部111内反射传播，而是透过并辐射到包层部112。因此，在芯部111中传播的光信号L衰减。

接下来，说明对光信号L的辐射角的测定。通过在工作距离WD固定的状态下使光半导体元件20在XY平面上相对于入射面100相对地移动，关于光信号L得到表示入射强度与移动距离之间的关系的入射强度图案。

图6示出在工作距离WD分别为20μm、50μm、100μm、150μm、200μm的各情况下使光半导体元件20相对于平面光探针的入射面100移动时的、光信号L的入射强度P的入射强度图案。随着工作距离WD变大，入射面100处的从中心轴C10到光信号L的外缘的距离(下面，称为“移动距离D”。)也会变大。此外，图6是使辐射角γ为17.6°的光信号L入射于芯半径Cr为44.5μm、数值孔径NA为0.29的平面光纤的入射面100的图。

如图6所示，在工作距离WD较小的情况下，入射强度P的入射强度图案为梯形。随着工作距离WD变大，入射强度P的峰值减小，入射强度图案的形状接近高斯形状。根据图6所示的入射强度图案，在工作距离WD为100μm以上的情况下，存在针对移动距离D的、入射强度P的峰值的衰减变大的倾向。

根据入射强度图案来设定使得入射直径Sd(Sd＝2×Sr)与芯径Cd(Cd＝2×Cr)大致相等的工作距离WD。根据图6所示的入射强度图案，使得入射强度P的峰值不减小且入射强度图案的形状成为大致高斯形状的情况是WD＝150μm的情况，这是使平面光探针的芯部111的外缘与光信号L的外缘大致一致的条件。在该情况下，根据图6，使得入射强度P为峰值的1/e²的XY平面的1/e²移动距离De为De＝4×Sr＝112μm。因而，关于使得入射强度P为峰值的1/e²的1/e²辐射角γe，式(6)成立：

tan(γe/2)＝De/(4×WD)＝0.187…(6)

根据式(6)，γe＝2×tan^-1(De/(4×WD))＝21.2°。

另外，使得入射强度P为峰值的1/2的1/2移动距离Dh为77.5μm。因而，关于使得入射强度P为峰值的1/2的1/2辐射角γh，式(7)成立：

tan(γh/2)＝Dh/(4×WD)＝0.129…(7)

根据式(7)，γh＝2×tan^-1(Dh/(4×WD))＝14.7°。

如上所述，能够根据入射面100与光半导体元件20的在与中心轴C10垂直的XY平面上的相对的移动距离同光信号L的入射强度之间的关系，来计算光信号L的辐射角。

另一方面，使用远场图案(Far Field Pattern：FFP)测定器等测量器得到的辐射角的测量值(下面，简称为“测量值”)为γe＝21.2°、γh＝17.6°。在光半导体元件20为VCSEL的情况下，入射强度P的入射强度图案大致接近梯形，不为高斯形状。因此，测量到较小的使得入射强度P为峰值的1/2的1/2辐射角γh。

接着，说明利用入射面100为曲率半径R的曲面的光探针10进行的辐射角的测定。在此，将光探针10的入射面100处的数值孔径NA设为sin(α)。在光探针10的入射面100处，根据斯涅尔定律，以下的式(8)的关系成立：

sin(α+ωm)＝n(r)×sin(β+ωm)…(8)

根据式(8)，得到以下的式(9)：

α＝sin^-1(n(r)×sin(β+ωm)}-ωm…(9)

在芯径Cd的端部，ωm＝Cr/R。

因而，能够得到入射面100的曲率半径R与光信号L的辐射半角α之间的关系。辐射半角α也是入射于入射面100的光信号L的容许入射半角，当辐射角γ超过2×α时，光信号L从芯部111与包层部112的边界透过并朝向包层部112辐射，从而衰减并产生传输损耗。

在图7中示出使用NA＝0.29、芯径Cd＝89μm的光纤和使用NA＝0.275、芯径Cd＝62.5μm的光纤的情况下的曲率半径为R的入射面100处的数值孔径(下面，称为“入射数值孔径RNA”。)的关系。

如图7所示，曲率半径R越小，则光探针10的入射数值孔径RNA越大。例如，在使用NA＝0.29的光纤构成曲率半径R为145μm的光探针10的情况下，RNA＝0.5、γ＝60°成为光信号L的入射边界条件。“入射边界条件”是使光信号L以不透过包层部112的方式在芯部111中传播的条件。另一方面，在使用NA＝0.275的光纤构成曲率半径R为145μm的光探针10的情况下，RNA＝0.4、γ＝48°成为入射边界条件。

如果光信号L的辐射角γ处于α≥γ/2的关系，则在光信号L入射于光探针10的芯部111之后，光信号L不透过包层部112，在芯部111内几乎无衰减地传播。通过像这样将入射面100设为曲面，与入射面100为平面的光探针相比，能够抑制传输损耗，即使所入射的光信号L的辐射角γ大，也能够入射。因而，尤其在光信号L的辐射角γ大的情况下，将入射面100设为曲面是有效的。也就是说，在光信号L的辐射角γ大的情况下，能够通过设定曲率半径R来调整光探针10的入射边界条件。

在光探针10沿X方向向纸面的左方向移动了入射稳定距离Ds的情况下，在光探针10的入射面100中式(10)成立：

sin(γ/2+ω)＝n(r)×sin(β+ω)…(10)

在此，根据关于在光探针10中使用的光波导(例如光纤)的数值孔径NA的关系

式β＝sin^-1(NA/n(r))，得到式(11)：

ω＝±sin^-1({K2²/(K1²+K2²)}^1/2)…(11)

在式(11)中，系数K1和系数K2为以下值：

K1＝n(r)×cos(β)-cos(γ/2)

K2＝n(r)×sin(β)-sin(γ/2)

另外，在有效入射半径Se与光探针10的芯半径Cr一致的情况下，在使用工作距离WD为最大工作距离WDm的情况下的容许光信号L入射于光探针10的辐射半角α时，曲率半径R满足式(12)的关系，用(13)来表示中心半角ω：

R≥Cr/sin(ω)…(12)

ω＝±sin^-1({K2²/(K1²+K2²)}^1/2)…(13)

在此，WDm＝Cr/tan(α)。在式(13)中，系数K1和系数K2是以下值：

K1＝n(r)×cos(β)-cos(α)

K2＝n(r)×sin(β)-sin(α)

在此，α＝sin^-1{n(r)×sin(β+ω)}-ω。在所测定的光半导体元件的光信号L的辐射角γ已知的情况下，能够以2α≥γ的方式设定α、ω，并能够设定入射面100的曲率半径R。

在光探针10移动了入射稳定距离Ds的情况下，以下的式(14)～式(16)成立：

Se＝R×sin(ω)…(14)

Ds＝Se-Sr…(15)

Sr＝WD×tan(γ/2)…(16)

在此，Cr≥Se>Sr≥0，R≥Dr。曲率半径R越大，则有效入射半径Se越大，工作距离WD越小，则入射半径Sr越小。通过将入射稳定距离Ds设定得大，即、将有效入射半径Se设定得大且将入射半径Sr设定得小，能够增大用于测定出光信号L的稳定特性的、光探针10的中心轴C10与光信号L的光轴C20的位置偏差的容许值。根据式(14)，关于曲率半径R得到以下的式(17)：

R＝Se/sin(ω)…(17)

在图8中，关于通过入射面100后的光信号L的在芯部111与包层部112的边界面处的入射角(下面，称为“包层入射角θ”。)，示出光探针10与平面光探针的入射角比率Ir同曲率半径R之间的关系。在此，作为平面光探针的包层入射角θ1、曲率半径R的光探针10的包层入射角θ2，入射角比率Ir＝θ2/θ1。此外，在平面光探针中，曲率半径R无限大，入射角比率Ir为1。

如图8所示，曲率半径R越小，则入射角比率Ir越小、包层入射角θ越小。因此即使存在光信号L的光轴C20相对于光探针10的中心轴C10的角度变化，曲率半径R越小，则越不易产生光信号L在光探针10的芯部111中传播时的变动。例如，在将光探针10阵列状地排列而成的光探针阵列中，在X方向或Y方向上产生微小的倾斜角ζ，包层入射角θ发生变动，但由于光探针10中的入射面100为曲面，包层入射角θ变小了。因此，即使光轴C20相对于中心轴C10的角度由于产生倾斜角ζ而发生变动，包层入射角θ也充分地收敛于使光信号L透过包层部112而衰减的包层入射临界角θ(rc)以下，不易产生包层部112辐射所引起的衰减。因此，能够抑制由倾斜角ζ引起的、光信号L在芯部111内传播时所产生的变动。

图9是将入射面100为平面的情况下和入射面100为100μm、125μm、150μm的曲率半径R的曲面的情况下的、包层入射角θ与容许光信号L的入射的辐射半角α之间的关系进行了比较的结果。在图9中，包层入射临界角θ(rc)是包层入射角θ的临界角，在包层入射角θ为包层入射临界角θ(rc)以上的情况下，光信号L透过包层部112而衰减。根据图9的曲线图也可知的是：通过将入射面100设为曲面，能够针对光信号L的辐射角γ减小包层入射角θ。另外，在曲率半径R较小的情况下，包层入射角θ有变小的倾向。因而，如图9所示，在入射面100为曲面的情况下，包层入射角θ相对于作为临界角的包层入射角θ(rc)足够小。因此，通过将入射面100设为曲面，即使光信号L的入射角由于倾斜角ζ而在入射面100处产生角度偏移，也能够抑制光信号L的衰减。

图10是将光探针10的入射面100的曲率半径R为70μm、74μm、80μm的情况下和入射面100为平面的情况下的、工作距离WD为100μm时的入射强度图案的实测值进行了比较的曲线图。图10所示的曲线图的横轴是移动距离D。根据图10，曲率半径R越小，则入射强度P越大。这是因为，入射光的包层入射角根据曲率半径R而变小，从而不易产生包层部辐射所引起的衰减。与此相对地，在入射面100为平面的情况下，与入射面100为球面的情况相比，入射强度图案的强度较低，入射强度图案的两肩变圆，平缓地衰减。

图11是在固定的工作距离WD的情况下使光信号L的光轴C20的位置相对于光探针10的中心轴C10在X方向或Y方向上变化了距离Dxy的情况下的入射强度图案的构想图。基于距离Dxy的变化的入射强度图案为大致梯形。入射强度图案的入射强度P＝1的平坦部是与+方向及-方向的入射稳定距离Ds相当的入射稳定范围。在该入射稳定范围内，即使产生位置偏差，入射强度P也不会变化，能够得到稳定的入射强度。用Dw＝2(Se+Sr)、Dp＝2(Se-Sr)＝2Ds来表示使光信号L的至少一部分入射于光探针10的芯部111的入射移动范围Dw以及入射稳定范围Dp。

在入射面100为平面的情况下，Se＝Cr。因而，通过以下的式(18)、式(19)分别计算使得不产生传输损耗的X方向的辐射角γx和Y方向的辐射角γy：

γx＝2×tan^-1(Srx/WD)…(18)

γy＝2×tan^-1(Sry/WD)…(19)

在此，Cr≥Se>Sr≥0。

图12表示使工作距离WD发生了50～200μm的变化时的入射强度图案的变化。在此，使用了入射面100的曲率半径R为70μm的光探针10。在光半导体元件20为VCSEL的情况下，远场图案为梯形的强度分布，使得强度为峰强度的1/2的1/2辐射角γh大致为强度分布的平均值的辐射角。因此，有效入射半径Se、入射半径Sr也能够视为表示入射强度平均值的轨迹。在图11中，根据Se-Sr＝Dp/2、Se+Sr＝Dw/2，得到Se＝1/4×(Dw+Dp)、Sr＝1/4×(Dw-Dp)。根据图12，Dp＝40(μm)、Dw＝80(μm)。根据上式，求出Se＝30(μm)、Sr＝10(μm)。在WD＝100μm的情况下，γh＝2×tan^-1(Sr/WD)＝2×tan^-1(10/100)＝11.4°。当设为1/2辐射角γh与1/e²辐射角γe处于比例关系时，根据入射强度图案，能够得到γe＝2×(De/Dh)tan^-1(γh)＝2×(66/56)tan^-1(10/100)＝13.5°。

然而，在如本测定那样WD＝100～200(μm)的情况下，测定值不是远场图案，而是更接近缩小后的近场图案的值，因此成为相对于根据测量值测定出的值γe＝21.2°、γh＝17.6°偏离后的值。因而，需要进行校正来得到远场图案值。

在根据这样的入射强度图案得到的值与根据测量值得到的值之间存在差异的情况下，能够进行以下那样的处理来减小差异。

当使用作为测量值的辐射角γ时，tan(γh/2)＝Sr/cWD。在此，使得入射强度P为峰值的1/2的条件是Sr＝10μm、γh＝17.6°，因此，tan(17.6°/2)＝Sr/cWD＝10/cWD＝0.155，由此，cWD＝64.5μm。在此，cWD＝Sr/tan(γ/2)是根据辐射角的测量值得到的工作距离(下面，称为“假定工作距离”。)。

使用假定工作距离cWD，如以下那样求出1/e²辐射角γe和1/2辐射角γh：

γe＝2×(De/Dh)×tan^-1(Sr/(cWD))

γh＝2×tan^-1(Sr/(cWD))

因而，使用实际测定出的1/e²移动距离De、1/2移动距离Dh的值来求出X方向和Y方向的各方向的辐射角γe、γh。例如，以基准VCSEL的辐射角为基准，根据与作为基准的辐射角的差异来设定辐射角。通过这样，能够根据测量值更准确地设定辐射角。

图13是表示入射面100的曲率半径R与有效入射半径Se之间的关系的理论值的曲线图。在图13中示出了在光探针10中使用的光纤的数值孔径NA为0.29的情况和数值孔径NA为0.275的情况。能够根据式(17)求出曲率半径R与有效入射半径Se之间的关系。

通过使有效入射半径Se与芯径Cd一致，能够最大限度地利用有效入射半径Se来抑制位置偏差所引起的传输损耗。为了使有效入射半径Se与芯径Cd一致，根据图13中的条件Se＝Cr＝44.5μm，在NA＝0.29、芯半径Cr＝44.5μm的光探针10中，将曲率半径R设定在155μm的附近即可。另外，根据条件Se＝Cr＝31.3μm，在NA＝0.275、芯半径Cr＝31.3μm的光探针10中，将曲率半径R设定在127μm的附近即可。

图14是表示在光探针10中分别使用NA＝0.275和NA＝0.29的光纤的情况下的、能够得到稳定的入射强度的入射稳定距离Ds与曲率半径R之间的关系的曲线图。图14所示的×标记标出了NA＝0.29的情况下的实测值。如图14所示，曲率半径R越大，则入射稳定距离Ds越大。另外，光探针10中使用的光纤的芯径Cd(＝2×Cr)越大，则入射稳定距离Ds越大。在芯半径Cr＝44.5μm的情况下，入射稳定距离Ds能够设定至大致±30μm。在芯半径Cr＝31.3μm的情况下，入射稳定距离Ds能够设定至大致±15μm。

图15是表示入射面100的曲率半径R与最大工作距离WDm之间的关系的曲线图。在芯半径Cr＝44.5μm、曲率半径R＝155μm的情况下，最大工作距离WDm略小于300μm。在芯半径Cr＝31.3μm、曲率半径R＝125μm的情况下，最大工作距离WDm约为200μm左右。在使用光探针10时，设定为WD≤WDm。

图16是表示WD＝100μm的情况下的、入射于光探针10的光信号L的损耗特性的曲线图。图16所示的曲线图的横轴是移动距离D。当将使得损耗变动为0.1dB以内的移动距离D设为入射稳定距离Ds时，根据图16，在R＝75μm的情况下，入射稳定距离Ds为±15μm。另外，在R＝93μm的情况下，入射稳定距离Ds为±20μm。在R＝116μm的情况下，入射稳定距离Ds为±20μm以上。另一方面，入射面100为平面的情况下的入射稳定距离Ds为±17μm。根据以上，通过将入射面100设为曲面，入射稳定距离Ds发生变化，曲率半径R越大，则入射稳定距离Ds越大。

如以上所说明的那样，第一实施方式所涉及的光探针10具有式(17)所示的曲率半径R＝Se/sin(ω)以及式(11)所示的中心半角ω＝±sin^-1({K2²/(K1²+K2²)}^1/2)的特性。由此，以使入射稳定距离Ds成为大的范围的方式设定光探针10的入射面100的曲率半径R。由此，能够抑制与位置偏差、倾斜角ζ相应的入射变动，使光信号L稳定地入射于光探针10。其结果是，根据使用光探针10对光半导体元件20进行的测定，即使光探针10与光半导体元件20的在XY平面中产生位置偏差、倾角ζ，也能够抑制入射于光探针10的入射面100的光信号L的传输损耗。

另外，通过使光探针10和光半导体元件20在XY平面中相对地移动会使光信号L的入射范围处于芯部111的内部的适当的工作距离WD，能够使光信号L稳定地入射于光探针10的入射面100。因此，能够根据通过改变光探针10与光半导体元件20的、在X方向和Y方向上的相对距离而分别得到的光信号L的入射强度图案，来测定光半导体元件20的X方向的辐射角γx和Y方向的辐射角γy。通过使光探针10分别在X方向和Y方向上向±方向移动，来测定光信号L的入射强度图案。而且，如上述所说明的那样，能够根据入射强度图案来求出1/e²辐射角γe和1/2辐射角γh。此外，即使光探针10的入射面100是平面，使用光信号L的入射强度图案求出辐射角的方法也是有效的。

另外，可以将多个图1所示的光探针10进行排列来构成多芯的光探针阵列。例如，将n个光探针10排列成一列来构成光探针组，将m个该光探针组进行排列来构成将n×m个光探针10阵列状地配置而成的光探针阵列。通过使用由与多个光半导体元件20分别对应的光探针10构成的光探针阵列，能够同时测定阵列状地配置于晶圆200的多个光半导体元件20。由此，能够缩短形成于晶圆200的光半导体元件20的总测定时间。

在图17中示出使用了上述的光探针阵列的测定系统的结构例。图17所示的测定系统具备光探针头15和电探针头35，该光探针头15保持将光探针10阵列状地配置而成的光探针阵列，该电探针头35保持将多个电探针30进行排列而构成的电探针阵列。作为电探针30，例如使用悬臂型、垂直针型、垂直弹簧型等。光探针10和电探针30分别沿X方向等间隔地配置。光探针10和电探针30与沿X方向同样地也沿Y方向等间隔地配置，但省略图示。

图17所示的测定系统用于进行形成于晶圆200的多个光半导体元件20的特性测定。光半导体元件20阵列状地形成于搭载于载置台50的晶圆200的主面。例如，针对一个光半导体元件20成对地配置有光探针10和电探针30。像这样，针对一个光半导体元件20构成包括光探针10和电探针30的一个探针单元。探针单元与形成于晶圆200的光半导体元件20的配置对应地配置。此外，在图17中，例示性地示出构成一个测定单元的光探针10和电探针30的个数各为一个的情况。但是，测定单元所包括的光探针10和电探针30的个数能够根据光半导体元件20的结构、测定内容来任意地设定。

光探针头15通过光探针驱动装置41的控制在Z方向上移动。由此，能够对光探针10的入射面100与光半导体元件20之间的沿着Z方向的距离进行微调整。另外，电探针头35通过电探针驱动装置42的控制在Z方向上移动。由此，能够对电探针30的前端与光半导体元件20之间的沿着Z方向的距离进行微调整。

通过利用载置台驱动装置43使载置台50移动，能够实现光探针头15及电探针头35与光半导体元件20之间的X方向及Y方向上的位置对准。并且，通过利用载置台驱动装置43使载置台50以Z方向为中心旋转，能够在以Z方向为中心的旋转方向(下面，称为“Z旋转方向”。)上调整光探针10及电探针30相对于光半导体元件20的位置。

此外，可以使载置台50的位置固定，使光探针头15和电探针头35在X、Y、Z的各方向上移动。即，可以通过光探针驱动装置41及电探针驱动装置42来调整光探针10及电探针30相对于光半导体元件20的相对位置。

如上所述，根据图17所示的测定系统，能够进行光探针10及电探针30与光半导体元件20的位置对准。此外，可以将测定系统构成为能够独立地控制光探针头15的位置和电探针头35的位置。此外，还可以使用使光探针头15和电探针头35固定、使载置台50在X、Y、Z方向上运动以及绕Z方向旋转来控制光探针头15、电探针头35以及光半导体元件20的位置的方法。像这样，能够使用各种调整方法来进行光探针10及电探针30与光半导体元件20的位置对准。

经由图17所示的测定系统进行电信号和光信号的传播，来进行光半导体元件20的测定。即，从省略了图示的测试器输出的电信号被经由配置于电探针头35的连接端子(省略图示)发送到电探针30。例如，在光半导体元件20是形成于半导体基板的VCSEL的情况下，利用电探针30向配置于VCSEL的上表面的电信号端子施加电信号，由此VCSEL输出光信号L。光信号L被光探针10接收到。

光探针10与具有光电转换模块45及电连接端子46的光电转换部47连接。光半导体元件20输出的光信号L传播到与光探针10光学连接的光电转换模块45。光电转换模块45将光信号L转换为电信号，并将转换后的电信号输出到电连接端子46。电连接端子46与省略图示的测试器电连接，将从光信号L进行光电转换所得到的电信号从电连接端子46发送到测试器。

光电转换模块45能够使用通过光电检测器等将光信号L转换为电信号的类型、通过衍射光栅型器件将光信号L进行分光并根据其衍射角方向来检测波长变动的类型。能够根据测定用途来区分使用光电转换模块45的类型。另外，也能够将光信号L在到达光电转换模块45之前进行分支，并同时进行多种测定。通过使用光电转换部47在光探针头15的附近对光探针10的输出进行光电转换，能够实现测定系统的简化、测定时间的高速化、测定值的重复再现性的提高。像这样，能够使用具备光探针10和用于保持光探针10的光探针头15的探针卡来进行光半导体元件20的测定。

使用图17所示的测定系统对光半导体元件20进行的测定例如按图18所示的流程图那样执行。下面，参照图18对光半导体元件20的测定方法的例子进行说明。

首先，在步骤S10中，进行光探针10及电探针30与光半导体元件20的位置对准。而且，沿Z方向改变使电探针30与光半导体元件20的相对位置，将电探针30的前端与光半导体元件20的电信号端子连接。在该状态下，通过电探针30向光半导体元件20施加电信号，由此光半导体元件20输出光信号L。

然后，在步骤S20中，测定光信号L的光强度。即，使光探针头15在Z方向上移动，来以使得成为规定的工作距离WD的方式配置光探针10。而且，通过光电转换模块45对由光探针10接收到的光信号L进行光电转换，并监视光信号L的光输出。此时，控制光探针10的位置，以使来自光半导体元件20的光信号L的输出为最大。而且，将光探针10固定于光信号L的光输出为最大的位置。在该状态下，测定来自光探针10的光信号L。通过这样，得到光信号L的光强度。

接着，在步骤S30中，将工作距离WD保持固定并改变光探针10与光半导体元件20的相对位置，来获取入射强度图案。然后，在步骤S40中，根据入射强度图案来测定光信号L的辐射角γ。

重复进行上述的测定，直至针对例如形成于晶圆200的全部的光半导体元件20的测定结束为止。此外，在上文中说明了测定光信号L的光强度和辐射角的特性的例子，但也可以测定光信号L的除了光强度、辐射角以外的分光特性、各温度特性等，这是不言而喻的。另外，测定这些特性的顺序是任意的。

通过使用利用式(17)来设定了入射面100的曲率半径R的光探针10，即使在使用将多个光探针10排列而成的光探针阵列进行的测定中，也能够通过光探针10稳定地接收光信号L。也就是说，通过使用光探针阵列，即使光探针10与形成于晶圆200的各光半导体元件20的相对位置在XY平面上单独地变化，也能够使各光半导体元件20的光信号L稳定地入射于入射面100。因此，能够使用光探针阵列同时测定多个光半导体元件20各自的入射强度图案。也就是说，能够针对形成于晶圆200的光半导体元件20同时测定X方向的辐射角γx、Y方向的辐射角γy。

在以往的辐射角的测定方法中，无法对晶圆状态的光半导体元件20进行光信号L的辐射角的测定，要在将光半导体元件20芯片化后通过布线将其安装于基板上，然后使用光束分析仪、FFP测定器等来进行辐射角的测定。即，需要将芯片化后的光半导体元件20安装于基板或将其模块化，来对光半导体元件20单独地测定光信号L的辐射角。因此，辐射角的测定费时费力。另外，由于单独地测定光半导体元件20，因此测定需要花工夫，难以对所有的光半导体元件20进行测定。另外，在对一部分光半导体元件20进行抽样检查的情况下，存在无法判定其它光半导体元件20是否良好的问题。因此，在以往的测定方法中，无法实现成品率的改善。

与此相对地，根据图17所示的测定系统，通过使用光探针10来构成多芯的光探针阵列，能够针对晶圆状态的多个光半导体元件20统一地测定光信号L的辐射角。因此，能够抑制测定时间。另外，能够对全部的光半导体元件20进行检查，从而能够提高成品率。

如以上所说明的那样，根据第一实施方式所涉及的光探针10，通过调整入射面100的曲率半径R，能够扩大入射稳定距离Ds＝Se-Sr。因此，能够在固定的工作距离WD的情况下在XY平面上改变光探针10与光半导体元件20的相对距离，从而在X方向和Y方向上分别获取光信号L的入射强度图案。也就是说，能够使用在X方向上获取到的入射强度图案来计算X方向的辐射角γx，使用在Y方向上获取到的入射强度图案来计算Y方向的辐射角γy。而且，能够在X方向和Y方向上分别求出1/e²辐射角γe和1/2辐射角γh。由此，例如能够针对远场图案为椭圆形状的光信号L测定辐射角。

另外，在光探针10中，入射稳定距离Ds大，且能够抑制倾斜角ζ所引起的入射变动。因此，在利用将光探针10排列而成的光探针阵列、通过一次位置对准来测定形成于晶圆200的多个光半导体元件20的情况下，即使光探针10与光半导体元件20产生位置偏移、角度偏移，也能够抑制入射变动。也就是说，能够使来自光半导体元件20的光信号L以稳定的状态入射于各个光探针10。

并且，由于能够在晶圆状态下进行光半导体元件20的强度测定、辐射角的测定，因此能够简化光半导体元件20的测定工艺，大幅地缩短测定时间。此时，可以在与光探针阵列相分别的基板上阵列状地配置电探针30，也可以为将光探针阵列与电探针阵列一体化后的结构。但是，在光探针阵列与电探针阵列为一体构造的情况下，电探针30在与光半导体元件20的电信号端子接触的状态下在X方向、Y方向、Z方向上移动。因此，电探针30采用具有可变形的应变弹性特性的形状、配合材料、结构，以使得即便使电探针30在与电信号端子接触的状态下运动，电探针30与电信号端子的接触状态也不会变化，从而能够将电信号稳定地提供到电信号端子。

(第二实施方式)

如图19所示，第二实施方式所涉及的光探针10具有将第一区域101与第二区域102连结而成的结构。第一区域101的一个端面为入射面100，第一区域101的另一个端面与第二区域102的端面接合。第一区域101与第二区域102的中心轴C10一致。

形成有入射面100的第一区域101具有与在第一实施方式中所说明的光探针10相同的结构。即，第一区域101的入射面100是以满足式(17)和式(11)的关系的方式设定了曲率半径R、中心半角ω的曲面。例如，在第一区域101中使用GI型光纤。

例如如下那样制造图19所示的光探针10。首先，将作为第一区域101的大口径的GI型光纤与作为第二区域102的标准口径的GI型光纤的端面彼此进行熔接连接。而且，将大口径的GI型光纤切割成第一区域101的规定长度。之后，进行加工以使大口径的GI型光纤的端面成为曲率半径R。

第一区域101的长度T设定为使得光信号L在第一区域101与第二区域102的边界处聚焦即可。在使用了GI光纤的情况下，设为T＝2π×P/A^1/2。在此，P为节距长度，以一节距为一周期。A^1/2是折射率分布常数，是由基于中心轴C10与包层部112的折射率得到的相对折射率差Δ、芯半径Cr决定的常数。假设在P＝0.27的情况下，T＝0.54π/A^1/2。因而，当为了将第一区域101与第二区域102的边界的附近设为光信号L的焦点位置而设为WD＝0.46π×n(c)/A^1/2时，从光半导体元件20起到第一区域101与第二区域102的边界为止的合计距离为半周期的0.5P。由此，光信号L在第一区域101与第二区域102的边界的附近的位置处聚焦，光信号L入射于与第一区域101熔接连接的第二区域102的芯内部。

另外，如图19所示，第一区域101的芯半径Cr1及探针半径Dr1可以与第二区域102的芯半径Cr2及探针半径Dr2不同。在图19所示的光探针10中，第一区域101与第二区域102的包层部112的厚度相等，且第二区域102的直径比第一区域101的直径小。即，第一区域101的芯半径Cr比第二区域102的芯半径Cr2大。例如，可以在第一区域101中使用大口径的GI型光纤、在第二区域102中使用标准口径的GI型光纤来构成光探针10。通过在第二区域102中使用标准口径的GI型光纤的结构，能够将光探针10的端部与使用了标准芯径的光纤的光电路用部件、耦合器、光开关等连接来实现低损耗的多输入光电路。

(第三实施方式)

在图20所示的第三实施方式所涉及的光探针10中用于增大芯部111的折射率的添加物在从入射面100起沿中心轴C10的固定长度U的范围内扩散。图20所示的光探针10具有从入射面100起到长度U为止的第一区域101、以及与第一区域101连结的第二区域102。例如，将使用了芯径Cd为通常的50μm或62.5μm的光纤的第一区域101加热到1200～1400℃左右。由此，将存在于第二区域102的芯部111内的使折射率增大的例如锗(Ge)等物质扩散到第一区域101。

通过将用于使折射率增大的物质添加到第一区域101，光信号L的半径方向上的传播区域增大。其结果是，入射面100的芯径Cd扩大到80μm～100μm左右。由此，光信号L的入射面100处的入射区域扩大，能够使公差特性提高。在该情况下，通过扩大芯径Cd，中心轴C10处的芯部111的折射率n(c)减少。因此，数值孔径NA减小，能够通过入射面100的曲率半径R来调整NA的值。

通过如上述那样使用通常的光纤来构成光探针10，分支电路、光开关等光学电路系统的元件与光探针10的连接变得容易。因而，能够在光学测定系统中容易地操作光探针10。

(其它实施方式)

如上述那样通过实施方式记载了本发明，但不应理解为构成本公开的一部分的论述及附图用于限定本发明。本领域技术人员根据本公开应能够明确各种替代实施方式、实施例以及运用技术。

例如，在上文中对使用了折射率分布型的光纤的光探针10进行了说明，但也可以使用阶跃折射率型的光纤来构成光探针10。

另外，作为等间隔地设置的光波导构造，通过将入射面100整形为曲率半径R形状的构造、或者安装有具有相同形状功能的透镜的构造也能够等效地实现。

像这样，本发明当然包括在此未记载的各种实施方式等。

附图标记说明

10：光探针；15：光探针头；20：光半导体元件；30：电探针；35：电探针头；41：光探针驱动装置；42：电探针驱动装置；43：载置台驱动装置；50：载置台；100：入射面；111：芯部；112：包层部；200：晶圆。

Claims (14)

1.一种光探针，其特征在于，由芯部和配置于所述芯部的外周的包层部构成，所述光探针的、来自光半导体元件的光信号所入射的入射面是曲率半径R的曲面，

使用所述光信号的辐射角γ、以不透过所述包层部的方式在所述芯部中传播的所述光信号的所述入射面处的有效入射半径Se、所述光信号的所述入射面的入射点处的所述芯部的折射率n(r)、以及所述入射点处的折射角β，所述曲率半径R和所述入射点处的中心半角ω满足以下关系：

R＝Se/sin(ω)，

ω＝±sin^-1({K2²/(K1²+K2²)}^1/2)，

其中，

K1＝n(r)×cos(β)-cos(γ/2)

K2＝n(r)×sin(β)-sin(γ/2)。

2.根据权利要求1所述的光探针，其特征在于，

使用在所述有效入射半径Se与所述光探针的芯半径Cr相等、并且所述光半导体元件与所述入射面之间的距离为所能取得的最大工作距离的情况下的所述光信号的辐射半角α，所述曲率半径R满足以下关系：

R≥Cr/sin(ω)，

其中，

K1＝n(r)×cos(β)-cos(α)

K2＝n(r)×sin(β)-sin(α)

α＝sin^-1{n(r)×sin(β+ω)}-ω。

3.根据权利要求2所述的光探针，其特征在于，

最大工作距离WDm为Cr/tan(α)，

工作距离WD满足WD≤WDm的关系。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的光探针，其特征在于，

所述光探针是将第一区域与第二区域连结而成的结构，该第一区域与所述入射面连接，该第二区域的所述芯部的直径比所述第一区域的所述芯部的直径小。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的光探针，其特征在于，

用于增大所述芯部的折射率的添加物在从所述入射面起沿中心轴的固定长度的范围内扩散。

6.一种探针卡，其特征在于，具备：

根据权利要求1至5中的任一项所述的光探针；以及

光探针头，其保持所述光探针。

7.一种测定系统，其特征在于，具备：

根据权利要求1至5中的任一项所述的光探针；

光探针头，其保持所述光探针；

光探针驱动装置，其控制所述光探针头的位置；

电探针头，其保持电探针，该电探针向所述光半导体元件发送电信号；以及

电探针驱动装置，其控制所述电探针头的位置，

其中，针对一个所述光半导体元件构成包括所述光探针和所述电探针的一个探针单元。

8.根据权利要求7所述的测定系统，其特征在于，

构成有将所述光探针阵列状地配置所得到的光探针阵列，

所述光探针头保持所述光探针阵列。

9.一种测定方法，其特征在于，是使用根据权利要求1至5中的任一项所述的光探针的测定方法，在所述测定方法中，

在所述光半导体元件与所述入射面之间的工作距离固定的状态下，使所述光半导体元件相对于所述光探针相对地移动，并获取表示所述光信号的入射强度与移动距离之间的关系的入射强度图案，

使用所述入射强度图案来计算所述光信号的辐射角。

10.根据权利要求9所述的测定方法，其特征在于，

使用工作距离WD以及使得所述入射强度为峰值的1/e²的移动距离De，并使用以下的式子来计算使得所述入射强度为峰值的1/e²的1/e²辐射角γe：

γe＝2×tan^-1(De/(4×WD))。

11.根据权利要求9或10所述的测定方法，其特征在于，

使用工作距离WD以及使得所述入射强度为峰值的1/2的移动距离Dh，并使用以下的式子来计算使得所述入射强度为峰值的1/2的1/2辐射角γh：

γh＝2×tan^-1(Dh/(4×WD))。

12.根据权利要求9所述的测定方法，其特征在于，

使用所述光信号的至少一部分入射于所述光探针的所述芯部的入射移动范围Dw、以及作为所述入射强度图案的平坦部的入射稳定范围Dp，所述有效入射半径Se和所述光信号的入射半径Sr满足以下的关系：

Se＝1/4×(Dw+Dp)，

Sr＝1/4×(Dw-Dp)，

使用使得所述入射强度为峰值的1/e²的移动距离De、以及使得所述入射强度为峰值的1/2的移动距离Dh，并使用以下的关系式来计算使得所述入射强度为峰值的1/e²的1/e²辐射角γe以及使得所述入射强度为峰值的1/2的1/2辐射角γh：

γe＝2×De/Dh×tan^-1(Sr/WD)，

γh＝2×tan^-1(Sr/WD)。

13.根据权利要求9至12中的任一项所述的测定方法，其特征在于，

通过测量器来测量针对作为基准的所述光半导体元件使用所述光探针时的所述辐射角γ，

根据所述测量器的测量值来计算假定工作距离cWD，

使用所述假定工作距离和所述移动距离来计算所述光信号的所述辐射角。

14.根据权利要求9至13中的任一项所述的测定方法，其特征在于，

在与所述光信号的光轴的延伸方向垂直的XY平面上使所述光半导体元件分别在X方向和Y方向上移动，

使用在所述X方向上获取到的所述入射强度图案，来计算所述X方向的所述辐射角，

使用在所述Y方向上获取到的所述入射强度图案，来计算所述Y方向的所述辐射角。

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