DE112020006529T5

DE112020006529T5 - Optische sonde, prüfkarte, messsystem und messverfahren

Info

Publication number: DE112020006529T5
Application number: DE112020006529.4T
Authority: DE
Inventors: Michitaka Okuta; Yuki Saito; Jukiya FUKUSHI
Original assignee: Micronics Japan Co Ltd
Current assignee: Micronics Japan Co Ltd
Priority date: 2020-01-14
Filing date: 2020-12-24
Publication date: 2022-11-03
Also published as: TW202134628A; CN114981941A; WO2021145182A1; TWI760049B; JP7426242B2; KR20220127827A; US20230038088A1; JP2021110677A

Abstract

Eine optische Sonde umfasst einen Kernteil und einen Mantelteil, der entlang eines Außenumfangs des Kernteils angeordnet ist, und hat eine Einfallsfläche mit einem Krümmungsradius R, durch die ein optisches Signal eintritt. Der Krümmungsradius R und ein halber Mittelpunktswinkel ω an einem Einfallspunkt des optischen Signals auf der Einfallsfläche erfüllen die folgenden Formeln unter Verwendung eines Abstrahlwinkels γ des optischen Signals, eines effektiven Einfallsradius Se des optischen Signals, das im Kernteil übertragen wird, ohne in den Mantelteil auf der Einfallsfläche einzudringen, eines Brechungsindex n(r) des Kernteils am Einfallspunkt und eines Brechungswinkels β am Einfallspunkt:R=Se/sin(ω)ω=±sin−1{[K22/(K12+K22)]1/2}wobeiK1=n(r)×cos(β)−cos(γ/2) und K2=n(r)×sin(β)×sin(γ/2).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die hier beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich auf eine optische Sonde, eine Prüfkarte, ein Messsystem und ein Messverfahren zur Messung der Eigenschaften optischer Halbleiterelemente.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Optische Halbleiterelemente, die elektrische Signale und optische Signale als Eingangs-/Ausgangssignale verwenden, werden auf einem Wafer unter Verwendung von Silizium-Photonik gebildet. Ein Messsystem mit elektrischen Sonden, die die elektrischen Signale übertragen, und optischen Sonden, die die optischen Signale übertragen, werden verwendet, um die optischen Halbleiterelemente mit einer Messvorrichtung wie einem Tester zu verbinden, um die Eigenschaften des auf dem Wafer gebildeten optischen Halbleiterelements zu messen.
LITERATURLISTE
PATENTLITERATUR

Patentliteratur 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung Veröffentlichungs-Nr. S62-31136
Patentliteratur 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung Veröffentlichungs-Nr. S60-64443

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHE AUFGABE
Das Messverfahren unter Verwendung der optischen Sonden kann eine Positionsabweichung (engl.: positional deflection) zwischen dem optischen Halbleiterelement und einer Einfallsfläche der optischen Sonde, durch die das optische Signal aus dem optischen Halbleiterelement eintritt, oder eine Winkelabweichung zwischen einer zentralen Achse der optischen Sonde und einer optischen Achse des optischen Signals aus dem optischen Halbleiterelement verursachen. Die Positionsabweichung und die Winkelabweichung lassen die Leistung des in die optische Sonde eingeleiteten optischen Signals schwanken, was zu einem Stabilitätsverlust bei der Ausgabe des gemessenen optischen Signals führt. Die Ursache für diese Schwankungen führt zu einer Verringerung der Messgenauigkeit bei der Messung unter Verwendung der optischen Sonde.
Als Antwort auf dieses Problem sieht die vorliegende Erfindung eine optische Sonde, eine Prüfkarte (engl.: probe card), ein Messsystem und ein Messverfahren vor, die in der Lage sind, optische Halbleiterelemente, die auf einem Wafer ausgebildet sind, innerhalb eines kurzen Zeitraums mit hoher Genauigkeit zu messen.
LÖSUNG DER AUFGABE
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht eine optische Sonde mit einer Einfallsfläche vor, die gekrümmt ist und einen Krümmungsradius aufweist, durch den ein optisches Signal eintritt. Der Krümmungsradius R und ein halber Mittelpunktswinkel ω (engl.: central half angle) an einem Einfallspunkt des optischen Signals auf der Einfallsfläche erfüllen die folgenden Formeln unter Verwendung eines Abstrahlwinkels γ (engl.: radiation angle) des optischen Signals, eines effektiven Einfallsradius Se (engl.: incident radius) des optischen Signals, das in einem Kernteil übertragen wird, ohne in einen Mantelteil auf der Einfallsfläche einzudringen, eines Brechungsindex n(r) des Kernteils am Einfallspunkt und eines Brechungswinkels β am Einfallspunkt: $R = Se / sin (ω)$
$ω = \pm {sin}^{- 1} {{[{K2}^{2} / ({K1}^{2} + {K2}^{2})]}^{1 / 2}}$
wobei $K1 = n (r) \times cos (γ/2) und K2 = n (r) \times sin (β) - sin (γ / 2) .$
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung kann die optische Sonde, die Prüfkarte, das Messsystem und das Messverfahren bereitstellen, die in der Lage sind, die auf einem Wafer gebildeten optischen Halbleiterelemente innerhalb eines kurzen Zeitraums mit hoher Genauigkeit zu messen.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration einer optischen Sonde gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
2 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration der optischen Sonde bei einem maximalen Arbeitsabstand zeigt.
3 ist eine schematische Draufsicht, die ein Beispiel für eine Abweichung zwischen einer zentralen Achse der optischen Sonde und einer optischen Achse eines optischen Signals zeigt.
4 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel für einen Neigungswinkel zeigt.
5 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration einer planaren optischen Sonde zeigt, bei der das Einfallsende eine ebene Fläche ist.
6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Einfallsintensitätsmuster bei der Messung mit der planaren optischen Sonde zeigt.
7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Krümmungsradius der Einfallsfläche der optischen Sonde und der numerischen Apertur der Einfallsfläche zeigt.
8 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Krümmungsradius der Einfallsoberfläche und einem Einfallswinkelverhältnis zeigt.
9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem halben Abstrahlwinkel des optischen Signals und dem Mantel-Einfallswinkel zeigt.
10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für das Muster der Einfallsintensität zeigt.
11 ist ein Bilddiagramm, das das Einfallsintensitätsmuster zeigt, wenn die Position der optischen Achse des optischen Signals in Bezug auf die zentrale Achse der optischen Sonde verschoben wird.
12 ist ein Diagramm, das die Änderung des Intensitätsmusters des einfallenden Lichtes bei Änderung des Arbeitsabstandes zeigt.
13 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Krümmungsradius der Einfallsoberfläche und einem effektiven Einfallsradius zeigt.
14 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Krümmungsradius der Einfallsoberfläche und einem stabilen Einfallsabstand zeigt.
15 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Krümmungsradius der Einfallsfläche und dem maximalen Arbeitsabstand zeigt.
16 ist ein Diagramm, das die Verlusteigenschaften des optischen Signals zeigt, das in die optische Sonde eingeführt wird.
17 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration eines Messsystems zeigt, welches optische Sonden gemäß der ersten Ausführungsform verwendet.
18 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für ein Messverfahren unter Verwendung der optischen Sonden gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
19 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration einer optischen Sonde gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
20 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration einer optischen Sonde gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die gleichen oder ähnlichen Elemente, die in den Zeichnungen dargestellt sind, werden im Folgenden mit den gleichen oder ähnlichen Bezugsziffern bezeichnet. Es sollte verstanden werden, dass die Zeichnungen als schematische Abbildungen dargestellt sind. Es sollte auch klar sein, dass die unten beschriebenen Ausführungsformen Vorrichtungen und Verfahren zur Verkörperung der technischen Idee der vorliegenden Erfindung veranschaulichen, jedoch nicht auf die hierin beschriebenen Strukturen oder Anordnungen der einzelnen Elemente beschränkt sind. Verschiedene Änderungen können an den jeweiligen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung im Sinne der beigefügten Ansprüche vorgenommen werden.
<Erste Ausführungsform>
Eine optische Sonde 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung empfängt ein optisches Signal L, das von einem optischen Halbleiterelement 20 ausgegeben wird, wie in 1 dargestellt. Die optische Sonde 10 hat einen optischen Wellenleiter mit abgestuftem Brechungsindex, der einen Kernteil 111 und einen entlang des äußeren Umfangs des Kernteils 11 angeordneten Mantelteil 112 umfasst. Der Kernteil 111 hat einen größeren Brechungsindex als der Mantelteil 112. 1 zeigt einen Endteil der optischen Sonde 10, das auf einer Seite eine Einfallsfläche 100 beinhaltet, durch die das optische Signal L eintritt. Die Einfallsfläche 100 ist eine konvexe Fläche mit einem konstanten Krümmungsradius R.
Der Kernteil 111 hat einen Kernradius Cr, wie in 1 gezeigt. Die optische Sonde 10 hat einen Sondenradius Dr einschließlich des Mantelteils 112. Die hier verwendete optische Sonde 10 kann eine optische Faser oder eine Kombination aus einer optischen Faser und einer Linse sein. Zur Herstellung der optischen Sonde 10 kann zum Beispiel eine optische Faser mit abgestuftem Brechungsindex (GI) verwendet werden.
1 definiert eine Z-Richtung, in der eine zentrale Achse C10 des Kernteils 111 der optischen Sonde 10 und eine optische Achse C20 des optischen Signals L verlaufen. 1 definiert auch eine ebene Fläche senkrecht zur Z-Richtung als X-Y-Ebene, definiert die Rechts-Links-Richtung des Blatts von 1 als X-Richtung und definiert die Richtung senkrecht zum Blatt als Y-Richtung.
Das hier verwendete optische Halbleiterelement 20 ist z. B. ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL, vertical-cavity surface-emitting laser). Das optische Halbleiterelement 20 und die optische Sonde 10 sind optisch miteinander verbunden, so dass das von dem optischen Halbleiterelement 20 ausgegebene optische Signal L in die optische Sonde 10 eintritt.
Die optische Sonde 10 und das optische Halbleiterelement 20 sind durch einen Arbeitsabstand WD in Z-Richtung getrennt voneinander angeordnet. Der Arbeitsabstand WD ist so eingestellt, dass die optische Sonde 10 das von dem optischen Halbleiterelement 20 ausgegebene optische Signal L empfangen kann. Mit anderen Worten, der Arbeitsabstand WD ist so eingestellt, dass der Einfallsbereich (engl.: incident range) des optischen Signals L auf der Einfallsfläche 100 auf der Innenseite der Außenkante des Kernteils 111 definiert ist. Der Einfallsbereich des optischen Signals L ist in einer Richtung definiert, in der das optische Signal L mit einer Intensität fortschreitet, die 1/e² oder mehr eines Spitzenwertes entspricht.
Wie in 1 dargestellt, wird das optische Signal L mit einem Abstrahlwinkel γ vom optischen Halbleiterelement 20 ausgegeben. Das optische Signal L bewegt sich im Kernteil 111 durch einen Einfallspunkt Q, der ein Rand des Einfallsbereichs des optischen Signals L auf der Einfallsfläche 100 ist, während es mit der Richtung des Krümmungsradius einen Brechungswinkel β bildet. Ein halber Mittelpunktswinkel der Einfallsfläche 100 am Einfallspunkt Q ist mit ω gekennzeichnet.
1 gibt den Durchmesser des optischen Signals L durch einen Einfallsdurchmesser Sd mit dem Abstrahlwinkel γ auf der Einfallsfläche 100 innerhalb des Einfallsbereichs an, und gibt den Radius innerhalb des Einfallsbereichs durch einen Einfallsradius Sr an. Der Einfallsdurchmesser Sd wird unter Verwendung des Abstrahlwinkels γ des optischen Signals L durch die folgende Formel (1) beschrieben: $Sd = 2 \times WD \times tan (γ/ 2)$
2 zeigt einen möglichen maximalen Arbeitsabstand WD zwischen der Einfallsfläche 100 der optischen Sonde 10 und dem optischen Halbleiterelement 20 (im Folgenden als „maximaler Arbeitsabstand WDm“ bezeichnet). Ein halber Abstrahlwinkel (engl.: radiation half angle) beim maximalen Arbeitsabstand WDm ist in 2 mit α bezeichnet. Der halbe Mittelpunktswinkel ω ist maximal, wenn die zentrale Achse C10 und die optische Achse C20 beim maximalen Arbeitsabstand WDm miteinander übereinstimmen. Der maximale halbe Mittelpunktswinkel ω, wie er hier verwendet wird, wird im Folgenden als „maximaler halber Mittelpunktswinkel ωm“ bezeichnet.
Bei der Messung des optischen Signals L ist eine Positionsabweichung zwischen der optischen Sonde 10 und dem optischen Halbleiterelement 20 in der X-Y-Ebene zu berücksichtigen. 3 zeigt einen Zustand, in dem die zentrale Achse C10 der optischen Sonde 10 und die optische Achse C20 des optischen Signals L aufgrund der Positionsabweichung in X-Richtung verschoben sind.
3 zeigt durch einen effektiven Einfallsradius Se den Einfallsbereich auf der Einfallsfläche 100 des optischen Signals L, das zum Kernteil 11 übertragen wird, ohne den Mantelteil 112 zu durchlaufen. 3 zeigt auch den Einfallsradius Sr des optischen Signals L. Wenn der Einfallsradius Sr innerhalb des durch den effektiven Einfallsradius Se definierten Bereichs liegt, kann ein Übertragungsverlust des optischen Signals L in der optischen Sonde 10 vermieden werden, wenn die Positionsabweichung zwischen der optischen Sonde 10 und dem optischen Halbleiterelement 20 verursacht wird. In 3 ist der Abstand zwischen der zentralen Achse C10 und der optischen Achse C20, der keinen Übertragungsverlust des optischen Signals L verursacht, als stabiler Einfallsabstand Ds bezeichnet.
Eine Einfallsabweichung (engl.: incident deviation) kann auch verursacht werden, wenn die zentrale Achse C10 der optischen Sonde 10 und die optische Achse C20 des optischen Signals L nicht parallel sind, sondern die zentrale Achse C10 und die optische Achse C20 sich unter einem Neigungswinkel ζ schneiden, wie in 4 dargestellt. Wie unten im Detail beschrieben, kann die optische Sonde 10 die Einfallsabweichung vermeiden, wenn es zu einem Neigungswinkel ζ kommt.
Im Folgenden wird eine Messung des Abstrahlwinkels des optischen Signals L beschrieben. Die Eigenschaften, die ein Verhältnis der Einfallsintensität (engl.: Incident intensity) in Bezug auf einen Bewegungsabstand zeigen (im Folgenden als „Einfallsintensitätsmuster“ (engl.: incident intensity pattern) bezeichnet), können erhalten werden, indem das optische Halbleiterelement 20 in der X-Richtung oder der Y-Richtung relativ zur Einfallsfläche 100 bewegt wird, während der Arbeitsabstand WD konstant gehalten wird. Zunächst wird die Messung des Einfallsintensitätsmusters unter Verwendung einer optischen Sonde, bei der wie in 5 dargestellt die Einfallsfläche 100 eben ist (im Folgenden als „planare optische Sonde“ bezeichnet) wird im Folgenden beschrieben.
Für die in 5 dargestellte planare optische Sonde wird eine optische Faser mit einem Kerndurchmesser Cd von 2 × Cr und einer numerischen Apertur NA von sin(αf) verwendet. Der Einfallsdurchmesser Sd des optischen Signals L, das in die Einfallsfläche 100 eintritt, ist durch 2 × Sr gegeben. Der Abstrahlwinkel γ und ein zulässiger Abstrahlradius αf erfüllen eine Beziehung von γ < 2αf gemäß der numerischen Apertur NA der planaren optischen Sonde (gegeben durch αf = sin^-1 (NA)).
Das optische Signal L, das den Abstrahlwinkel γ hat, wenn es in die Einfallsfläche 100 der planaren optischen Sonde eintritt und in das Innere des Kernteils 111 vordringt, wird an der Grenzfläche zwischen dem Kernteil 111 und dem Mantelteil 112 unter einem Einfallswinkel von π/2 - β emittiert. Der Brechungswinkel β wird unter Verwendung eines Brechungsindex n(r) des Kernteils 111 in einem Abstand r von der Zentralachse C10 in radialer Richtung durch die folgende Formel (2) angegeben: $β= {sin}^{- 1} [sin (γ/ 2) / n (r)]$
Der Brechungsindex n(r) ergibt sich aus der folgenden Formel (3): $n (r) = n (c) \times [1 - {(A^{1 / 2} \times r)}^{2} / 2]$
wobei n(c) der Brechungsindex des Kernteils 111 an der Mittelachse C10 ist und A^1/2 eine Konstante des abgestuften Brechungsindexes des Kernteils 111 ist.
Der Grenz-Brechungsindex n(rc) und der Grenz-Brechungswinkel β(rc) des Kernteils 111 an einer Stelle mit dem Kernradius Cr werden durch die folgenden Formeln (4) und (5) angegeben: $n (rc) = n (c) \times (1 - {(A^{1 / 2} \times Cr)}^{2} / 2)$
$β (rc) = {sin}^{- 1} [sin (γ/ 2) / n (rc)]$
Wenn der Brechungswinkel β der Grenz-Brechungswinkel β(rc) oder größer ist, durchdringt das optische Signal L und strahlt zum Mantelteil 112, ohne im Kernteil 111 reflektiert und übertragen zu werden. Das durch den Kernteil 111 übertragene optische Signal L ist dann abgeschwächt.
Im Folgenden wird eine Messung des Abstrahlwinkels des optischen Signals L beschrieben. Das optische Halbleiterelement 20 wird in Bezug auf die Einfallsfläche 100 in der X-Y-Ebene bewegt, wobei der Arbeitsabstand konstant gehalten wird, um das Einfallsintensitätsmuster des optischen Signals L zu erhalten, das eine Beziehung zwischen der Einfallsintensität und dem Bewegungsabstand zeigt.
6 zeigt das Einfallsintensitätsmuster der Einfallsintensität P des optischen Signals L, wenn das optische Halbleiterelement 20 in Bezug auf die Einfallsfläche 100 der planaren optischen Sonde bei jedem der Arbeitsabstände WD von 20 µm, 50 µm, 100 µm, 150 µm und 200 µm bewegt wird. Der Abstand von der Mittelachse C10 zur Außenkante des optischen Signals L auf der Einfallsfläche 100 (im Folgenden als „Bewegungsabstand D“ bezeichnet) wird größer, je größer der Arbeitsabstand WD ist. 6 zeigt einen Fall, in dem das optische Signal L mit dem Abstrahlwinkel γ von 17,6° dahin geleitet wird, in die Einfallsfläche 100 der planaren optischen Faser mit einem Kernradius Cr von 44,5 µm und einer numerischen Apertur NA von 0,29 einzudringen.
Wie in 6 gezeigt, hat das Muster der Einfallsintensität P eine trapezförmige Form, wenn der Arbeitsabstand WD klein ist. Der Spitzenwert der Einfallsintensität P nimmt ab, wenn der Arbeitsabstand WD größer wird, so dass das Muster der Einfallsintensität annähernd eine Gaußsche Kurve ist. Das in 6 gezeigte Einfallsintensitätsmuster weist darauf hin, dass die Abschwächung des Spitzenwerts der Einfallsintensität P dazu neigt mit dem Bewegungsabstand D zuzunehmen, wenn der Arbeitsabstand WD 100 µm oder mehr beträgt.
Der Arbeitsabstand WD wird so gewählt, dass der Einfallsdurchmesser Sd (Sd = 2 × Sr) und der Kerndurchmesser Cd (Cd = 2 × Cr) gemäß dem Einfallsintensitätsmuster im Wesentlichen gleich sind. Gemäß dem in 6 gezeigten Einfallsintensitätsmuster wird der Spitzenwert der Einfallsintensität P nicht verringert und die Form des Einfallsintensitätsmusters entspricht annähernd der Gaußschen Kurve, wenn WD = 150 µm ist, was die Bedingung ist, bei der die Außenkante des Kernteils 111 der planaren optischen Sonde im Wesentlichen mit der Außenkante des optischen Signals L übereinstimmt. Ein 1/e² Bewegungsabstand De auf der X-Y-Ebene, bei dem die Einfallsintensität P 1/e² des Spitzenwerts beträgt, ist durch De = 4 × Sr = 112 µm -502. Die folgende Formel (6) ist somit für einen 1/e² Abstrahlwinkel ye erfüllt, bei dem die Einfallsintensität P 1/e² des Spitzenwerts beträgt: $tan (γ e / 2) = De/ (4 \times WD) = 0,187$
Nach der Formel (6) ist die Beziehung von ye = 2 × tan^-1 (De / (4 × WD) = 21,2° erfüllt.
Ein 1/2 Bewegungsabstand Dh, bei dem die Einfallsintensität P 1/2 des Spitzenwertes ist, beträgt 77,5 µm. Die folgende Formel (7) ist somit für einen ½ Abstrahlwinkel γh erfüllt, bei dem die Einfallsintensität P 1/2 des Spitzenwertes beträgt: $tan (γ h / 2) = Dh/ (4 \times WD) = 0,129$
Nach der Formel (7) ist die Beziehung von γh = 2 × tan^-1 (Dh / (4 × WD) = 14,7° erfüllt.
Wie oben beschrieben, kann der Abstrahlwinkel des optischen Signals L entsprechend der Beziehung zwischen dem relativen Bewegungsabstand zwischen der Einfallsfläche 100 und dem optischen Halbleiterelement 20 auf der X-Y-Ebene senkrecht zur Zentralachse C10 und der Einfallsintensität des optischen Signals L berechnet werden.
Die mit Hilfe einer Messvorrichtung, z. B. eines FFP-Geräts (Far Field Pattern), gemessenen Werte der jeweiligen Abstrahlwinkel (im Folgenden einfach als „Messwert“ bezeichnet) lauten wie folgt: ye = 21,2° und γh = 17,6°. Handelt es sich bei dem optischen Halbleiterelement 20 um einen VCSEL, so entspricht das Einfallsintensitätsmuster P nicht der Gauß'schen Kurve, sondern entspricht im Wesentlichen einer Trapezform. Der 1/2 Abstrahlwinkel γh, bei dem die Einfallsintensität P 1/2 des Spitzenwerts beträgt, resultiert daher bei der Messung in einem kleinen Wert.
Als nächstes wird im Folgenden eine Messung des Abstrahlwinkels durch die optische Sonde 10 beschrieben, bei der die Einfallsfläche 100 eine gekrümmte Fläche mit einem Krümmungsradius R ist. Die numerische Apertur NA auf der Einfallsfläche 100 der optischen Sonde 10 ist definiert als sin(α). Die Beziehung der folgenden Formel (8) wird auf der Einfallsfläche 100 der optischen Sonde 10 gemäß dem Snellschen Gesetz erfüllt: $sin (α+ω m) = n (r) \times sin (β + ω m)$
Die folgende Formel (9) ergibt sich aus der Formel (8): $α = {sin}^{- 1} [n (r) \times sin (β + ω m)] - ω m$
Im Endbereich des Kerndurchmessers Cd ist die Beziehung ωm = Cr/R erfüllt.
So lässt sich die Beziehung zwischen dem Krümmungsradius R der Einfallsfläche 100 und dem halben Abstrahlwinkel α des optischen Signals L ermitteln. Der halbe Abstrahlwinkel α ist auch ein zulässiger halber Einfallswinkel des optischen Signals L, das auf die Einfallsfläche 100 trifft. Wenn der Abstrahlwinkel γ größer ist als 2×α, dringt das optische Signal L durch die Grenze zwischen dem Kernteil 111 und dem Mantelteil 112 ein und wird zum Mantelteil 112 emittiert und wird somit abgeschwächt, was zu einem entsprechenden Übertragungsverlust führt.
7 zeigt das Verhältnis der numerischen Apertur auf der Einfallsfläche 100 (im Folgenden als „numerische Einfallsapertur RNA“ bezeichnet) zum Krümmungsradius R der Einfallsfläche 100 für den Fall der Verwendung einer optischen Faser mit NA = 0,29 und dem Kerndurchmesser Cd = 89 µm und einer optischen Faser mit NA = 0,275 und dem Kerndurchmesser Cd = 62,5 µm.
Wie in 7 gezeigt, ist die numerische Einfallsapertur RNA der optischen Sonde 10 umso größer, je kleiner der Krümmungsradius R ist. Wenn zum Beispiel die optische Faser mit NA = 0,29 für die optische Sonde 10 mit dem Krümmungsradius R von 145 µm verwendet wird, erfüllen die Einfallsbedingungen des optischen Signals L RNA = 0,5 und γ = 60°. Der Ausdruck „Einfallsrandbedingungen“ bezieht sich auf die Bedingungen, unter denen das optische Signal L durch den Kernteil 111 übertragen wird, ohne in den Mantelteil 112 einzudringen. Wenn für die optische Sonde 10 eine optische Faser mit NA = 0,275 und einem Krümmungsradius R von 145 µm verwendet wird, erfüllen die Einfallsbedingungen für das optische Signal L RNA = 0,4 und γ = 48°.
Wenn der Abstrahlwinkel γ des optischen Signals L die Beziehung α ≥ γ/2 erfüllt, dringt das optische Signal L nach dem Eintritt in den Kernteil 11 der optischen Sonde 10 nicht in den Mantelteil 112 ein, sondern wird fast ohne Abschwächung durch den Kernteil 111 übertragen. Wie oben beschrieben, kann die gekrümmte Einfallsfläche 100 einen Übertragungsverlust vermeiden und es ermöglichen, dass das optische Signal L mit einem relativ großen Abstrahlwinkel γ durch sie eingestrahlt wird, verglichen mit dem Fall der Verwendung der optischen Sonde mit der flachen Einfallsfläche 100. Die Verwendung der gekrümmten Einfallsfläche 100 ist daher besonders effektiv, wenn der Abstrahlwinkel γ des optischen Signals L relativ groß ist. Wenn der Abstrahlwinkel γ des optischen Signals L groß ist, können nämlich durch die Einstellung des Krümmungsradius R die Einfallsrandbedingungen der optischen Sonde 10 angepasst werden.
Wenn die optische Sonde 10 in der X-Richtung, d.h. in der linken Richtung des Blattes, um den stabilen Einfallsabstand Ds bewegt wird, wird die folgende Formel (10) auf der Einfallsfläche 100 der optischen Sonde 10 erfüllt: $sin (γ/ 2 + ω) = n (r) \times sin (β + ω)$
Die folgende Formel (11) ergibt sich aus der Beziehung β = sin^-1 [NA/n(r)] in Bezug auf die numerische Apertur NA des für die optische Sonde 10 verwendeten Lichtleiters (z. B. einer optischen Faser): $ω = \pm {sin}^{- 1} {{[{K2}^{2} / ({K1}^{2} + {K2}^{2})]}^{1 / 2}}$
wobei der Koeffizient K1 und der Koeffizient K2 den jeweiligen Werten entsprechen, die die folgenden Formeln erfüllen: $K1=n (r) \times cos (β) - cos (γ/ 2)$
$K2=n (r) \times sin (β) - sin (γ/ 2) .$
Wenn der effektive Einfallsradius Se und der Kernradius Cr der optischen Sonde 10 miteinander übereinstimmen, erfüllt der Krümmungsradius R die Beziehung der folgenden Formel (12), und der halbe Mittelpunktswinkel ω wird durch die folgende Formel (13) unter Verwendung des halben Abstrahlwinkels α gegeben, bei dem das optische Signal L in die optische Sonde 10 eintreten kann, wenn der Arbeitsabstand WD der maximale Arbeitsabstand WDm ist: $R \geq Cr/sin (ω)$
$ω = \pm {sin}^{- 1} {{[{K2}^{2} / ({K1}^{2} + {K2}^{2})]}^{1 / 2}}$
wobei WDm = Cr/tan(α). Der Koeffizient K1 und der Koeffizient K2 in der Formel (13) entsprechen den jeweiligen Werten, die die folgenden Formeln erfüllen: $K1 = n (r) \times cos (β) - cos (α)$
$K2=n (r) \times sin (β) - sin (α)$
wobei α = sin^-1 [n(r) × sin(β + ω)] - ω. Wenn der Abstrahlwinkel γ des optischen Signals L aus dem zu messenden optischen Halbleiterelement bereits bekannt ist, werden die entsprechenden Werte α und ω so eingestellt, dass sie 2α ≥ γ erfüllen, um den Krümmungsradius R der Einfallsfläche 100 zu definieren.
Wenn die optische Sonde 10 um die stabile Einfallsstrecke Ds bewegt wird, sind die folgenden Formeln (14) bis (16) erfüllt: $Se = R \times sin (ω)$
$Ds = Se - Sr$
$Sr = WD \times tan (γ/ 2)$
wobei Cr ≥ Se > Sr ≥ 0 und R ≥ Dr. Der effektive Einfallsradius Se ist größer, wenn der Krümmungsradius R größer ist, und der Einfallsradius Sr ist kleiner, wenn der Arbeitsabstand WD kleiner ist. Wenn man den stabilen Einfallsabstand Ds groß einstellt, nämlich, indem man den effektiven Einfallsradius Se groß und den Einfallsradius Sr kleiner einstellt, kann der zulässige Wert der Positionsabweichung zwischen der zentralen Achse C10 der optischen Sonde 10 und der optischen Achse C20 des optischen Signals L größer sein, um die stabilen Eigenschaften des optischen Signals L zu messen. Die folgende Formel (17) für den Krümmungsradius R ergibt sich aus der Formel (14): $R = Se / sin (ω)$
8 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Krümmungsradius R und einem Einfallswinkelverhältnis Ir zwischen der optischen Sonde 10 und der planaren optischen Sonde in Bezug auf den Einfallswinkel des optischen Signals L auf die Grenzfläche zwischen dem Kernteil 111 und dem Mantelteil 112 nach dem Durchgang durch die Einfallsfläche 100 (im Folgenden als „Mantel-Einfallswinkel θ“ (engl.: clad incident angle) bezeichnet) zeigt. Das Einfallswinkelverhältnis Ir erfüllt die Beziehung Ir = θ2/θ1, wobei θ1 der Mantel-Einfallswinkel der planaren optischen Sonde ist und θ2 der Mantel-Einfallswinkel der optischen Sonde 10 mit dem Krümmungsradius R. Die planare optische Sonde hat den Krümmungsradius R, der unendlich ist, und das Einfallswinkelverhältnis Ir ist eins.
Wie in 8 gezeigt, ist das Einfallswinkelverhältnis Ir kleiner und der Mantel-Einfallswinkel θ ist kleiner, wenn der Krümmungsradius R kleiner ist. Das Auftreten von Fluktuationen bei der Übertragung des optischen Signals L im Kernteil 111 der optischen Sonde 10 wird daher verringert je kleiner der Krümmungsradius R ist, wenn es zu einer Änderung des Winkels der optischen Achse C20 des optischen Signals L in Bezug auf die zentrale Achse C10 der optischen Sonde 10 kommt. Ein Array optischer Sonden, bei dem mehrere optische Sonden 10 in einem Array angeordnet sind, führt beispielsweise dazu, dass ein winziger Neigungswinkel ζ in X- oder Y-Richtung dazu führt, dass sich der Mantel-Einfallswinkel θ ändert. Der Mantel-Einfallswinkel θ ist jedoch bei der optischen Sonde 10 mit der gekrümmten Einfallsfläche 100 klein und ausreichend kleiner als ein kritischer Mantel-Einfallswinkel θ(rc), bei dem das optische Signal L in den Mantelteil 112 eindringt und abgeschwächt wird, wenn sich der Winkel der optischen Achse C20 in Bezug auf die zentrale Achse C10 aufgrund des Neigungswinkels ζ ändert, so dass es nicht leicht zu einer Abschwächung durch die Emission des optischen Signals L in den Mantelteil 112 kommt. Das vermeidet die durch den Neigungswinkel ζ bedingte Schwankung der Übertragung des optischen Signals L im Kernteil 111.
9 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse des Vergleichs zwischen dem Fall, in dem die Einfallsfläche 100 eben ist, und dem Fall, in dem die Einfallsfläche 100 einen Krümmungsradius R von jeweils 100 µm, 125 µm und 150 µm aufweist, im Hinblick auf die Beziehung zwischen dem Mantel-Einfallswinkel θ und dem halben Abstrahlwinkel α, bei dem das optische Signal L eintreten darf, zeigt. Der in 9 dargestellte kritische Mantel-Einfallswinkel θ(rc) ist ein kritischer Winkel des Mantel-Einfallswinkel θ, und das optische Signal L dringt in den Mantelteil 112 ein und wird somit gedämpft, wenn der Mantel-Einfallswinkel θ gleich dem kritische Mantel-Einfallswinkel θ(rc) oder größer ist. Die in der Grafik in 9 dargestellten Ergebnisse zeigen, dass die gekrümmte Einfallsfläche 100 den Mantel-Einfallswinkel θ in Bezug auf den Abstrahlwinkel γ des optischen Signals L verringern kann. Außerdem wird der Mantelauftreffwinkel θ tendenziell kleiner, wenn der Krümmungsradius R kleiner ist. Der Mantelauftreffwinkel θ ist daher ausreichend kleiner als der Mantel-Einfallswinkel θ(rc), der der kritische Winkel ist, wenn die Einfallsfläche 100 gekrümmt ist, wie in 9 gezeigt. Durch die Verwendung der gekrümmten Einfallsfläche 100 kann die Abschwächung des optischen Signals L vermieden werden, wenn beim aus dem Kippwinkel ζ abgeleiteten Einfallswinkel des optischen Signals L auf die Einfallsfläche 100 eine Winkelabweichung verursacht wird.
10 ist ein Diagramm, das einen Vergleich der gemessenen Werte der Einfallsintensitätsmuster zeigt, wenn der Arbeitsabstand WD 100 µm beträgt, und zwar in jedem der Fälle, in denen die Einfallsfläche 100 der optischen Sonde 10 einen Krümmungsradius R von jeweils 70 µm, 74 µm und 80 µm hat, und in dem Fall, in dem die Einfallsfläche 100 eben ist. Die Abszissenachse im Diagramm in 10 gibt den Bewegungsabstand D an. Wie in 10 gezeigt, ist die Einfallsintensität P tendenziell größer, wenn der Krümmungsradius R kleiner ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Mantel-Einfallswinkel aufgrund des Krümmungsradius R verringert wird und die durch die Emission in den Mantelsteil verursachte Abschwächung somit vermieden wird. Im Gegensatz dazu ist die Intensität des Intensitätsmusters bei einer ebenen Einfallsfläche 100 geringer als bei einer konvexen Einfallsfläche 100, und die beiden Schultern des Einfallsintensitätsmusters sind zur sanften Abschwächung abgerundet.
11 ist ein Bilddiagramm des Einfallsintensitätsmusters in dem Fall, in dem die Position der optischen Achse C20 des optischen Signals L um einen Abstand Dxy von der zentralen Achse C10 der optischen Sonde 10 in der X-Richtung oder der Y-Richtung bei konstantem Arbeitsabstand WD bewegt wird. Das Einfallsintensitätsmuster, das in Verbindung mit der Änderung um den Abstand Dxy erzeugt wird, weist eine im Wesentlichen trapezförmige Form auf. Der flache Teil des Einfallsmusters bei der Einfallsintensität P = 1 liegt innerhalb eines stabilen Einfallsbereichs (engl.: incident stable range), der dem stabilen Einfallsabstand Ds in Plus- und Minus-Richtung entspricht. Die Einfallsintensität P ändert sich nicht, wenn die Positionsabweichung im stabilen Einfallsbereich verursacht wird, so dass man die stabile Einfallsintensität erhält. Der Einfallsbereich bei Bewegung Dw (engl.: incident moving range) und der stabile Einfallsbereich Dp, in welche zumindest ein Teil des optischen Signals L in den Kernteil 111 der optischen Sonde 10 eintritt, sind jeweils gegeben durch: Dw = 2(Se + Sr) und Dp = 2(Se - Sr) = 2Ds.
Wenn die Einfallsfläche 100 (engl.: incident surface) eben ist, ist die Beziehung Se = Cr erfüllt. Ein Abstrahlwinkel γx in X-Richtung und ein Abstrahlwinkel γy in Y-Richtung, bei denen kein Transmissionsverlust verursacht wird, werden jeweils nach den folgenden Formeln (18) und (19) berechnet: $γ x = 2 \times {tan}^{- 1} (Srx / WD)$
$γ y = 2 \times {tan}^{- 1} (Sry / WD)$
wobei $Cr \geq Se > Sr \geq 0 .$
12 ist ein Diagramm, das die Änderung des Einfallsintensitätsmusters zeigt, wenn der Arbeitsabstand WD in einem Bereich von 50 µm bis 200 µm geändert wird. 12 zeigt einen Fall der Verwendung der optischen Sonde 10, in dem der Krümmungsradius R auf der Einfallsfläche 100 70 µm beträgt. Handelt es sich bei dem optischen Halbleiterelement 20 um einen VCSEL, zeigt das Fernfeldmuster eine trapezförmige Intensitätsverteilung, und der 1/2 Abstrahlwinkel γh, bei dem die Intensität 1/2 der Spitzenintensität beträgt, ist der Abstrahlwinkel des Durchschnitts der Intensitätsverteilung. Es kann daher angenommen werden, dass der wirksame Einfallsradius Se und der Einfallsradius Sr eine Spur des Durchschnitts der Einfallsintensität zeigen. Nach 11 und den Beziehungen Se - Sr = Dp/2 und Se + Sr = Dw/2 sind die jeweiligen Radien Se und Sr gegeben durch Se = 1/4 × (Dw + Dp) und Sr = 1/4 × (Dw - Dp), wobei nach 12 Dp = 40 (µm) und Dw = 80 (µm). Die jeweiligen Radien Se und Sr ergeben sich somit nach den obigen Gleichungen wie folgt: Se = 30 (µm) und Sr = 10 (µm). Im Falle von WD = 100 µm ist die Beziehung γh = 2 × tan^-1 (Sr/WD) = 2 × tan^-1 (10/100) = 11,4° erfüllt. Wenn man annimmt, dass der 1/2 Abstrahlwinkel γh und der 1/e² Abstrahlwinkel ye entsprechend der Intensitätsverteilung proportional zueinander sind, wird die Beziehung ye = 2 × (De / Dh) tan^-1 (yh) = 2 × (66 / 56) tan^-1 (10/100) = 13,5° entsprechend dem Einfallsintensitätsmuster erfüllt.
Im Fall von WD = 100 bis 200 (µm) in der oben beschriebenen Messung ergibt der gemessene Wert jedoch nicht das Fernfeldmuster, sondern entspricht annäherungsweise einem schmaleren Nahfeldmuster und weicht von den entsprechenden Werten ye = 21,2° und γh = 17,6° ab, die sich aus dem gemessenen Wert ergeben. Die Korrektur muss daher durchgeführt werden, um den Wert für das Fernfeldmuster zu erhalten.
Wenn eine derartige Differenz zwischen dem aus dem Einfallsintensitätsmuster erhaltenen Wert und dem auf dem gemessenen Wert basierenden Wert entsteht, wird die unten beschriebene Verarbeitung durchgeführt, um die Differenz zu verringern.
Wenn der Abstrahlwinkel γ des Messwertes verwendet wird, ist die Beziehung tan(γh/2) = Sr / cWD erfüllt. Da die Bedingungen, die dazu führen, dass die Einfallsintensität P gleich der Hälfte des Spitzenwerts ist, die Beziehungen Sr = 10 µm und γh = 17,6° erfüllen, wird die Beziehung tan(17,6°/2) = Sr / cWD = 10 / cWD = 0,155 erfüllt, so dass sich cWD = 64,5 µm ergibt. Der Wert cWD = Sr/tan(γ/2) entspricht einem Arbeitsabstand, der sich aus dem gemessenen Wert des Abstrahlwinkels ergibt (im Folgenden als „angenommener Arbeitsabstand“ bezeichnet).
Der 1/e² Abstrahlwinkel ye und der 1/2 Abstrahlwinkel γh ergeben sich unter Verwendung des angenommenen Arbeitsabstandes cWD wie folgt: $γ e = 2 \times (De / Dh) \times {tan}^{- 1} [Sr / (cWD)]$
$γ h = 2 \times {tan}^{- 1} [Sr / (cWD)]$
Die jeweiligen Abstrahlwinkel ye und γh in X- und Y-Richtung ergeben sich somit aus den tatsächlich gemessenen Werten des 1/e² Bewegungsabstands De (engl.: moving distance) und des 1/2 Bewegungsabstands Dh. Beispielsweise werden die jeweiligen Abstrahlwinkel entsprechend einer Differenz zu einem Referenzabstrahlwinkel auf der Grundlage eines Abstrahlwinkels eines Referenz-VCSEL eingestellt. Dadurch können die jeweiligen Abstrahlwinkel auf der Grundlage des gemessenen Wertes genauer eingestellt werden.
13 ist ein Diagramm, das die theoretischen Werte der Beziehung zwischen dem Krümmungsradius R der Einfallsfläche 100 und dem effektiven Einfallsradius Se zeigt. 13 zeigt den Fall, in dem die numerische Apertur NA der für die optische Sonde 10 verwendeten optischen Faser 0,29 beträgt, und den Fall, in dem die numerische Apertur NA 0,275 beträgt. Die Beziehung zwischen dem Krümmungsradius R und dem effektiven Einfallsradius Se kann nach der Formel (17) ermittelt werden.
Durch die Angleichung des effektiven Einfallsradius Se und des Kerndurchmessers Cd kann der effektive Einfallsradius Se maximal ausgenutzt werden, um den durch die Positionsabweichung verursachten Transmissionsverlust zu vermeiden. Um den effektiven Einfallsradius Se und den Kerndurchmesser Cd einander anzugleichen, kann der Krümmungsradius R in der optischen Sonde 10 mit der numerischen Apertur NA = 0,29 und dem Kernradius Cr = 44,5 µm gemäß der in 13 dargestellten Bedingung Se = Cr = 44,5 µm auf etwa 155 µm eingestellt werden. Der Krümmungsradius R kann in der optischen Sonde 10 mit der numerischen Apertur NA = 0,275 und dem Kernradius Cr = 31,3 µm entsprechend der in 13 dargestellten Bedingung Se = Cr = 31,3 µm auch auf etwa 127 µm eingestellt werden.
14 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Krümmungsradius Rund dem stabilen Einfallsabstand Ds zeigt, bei der die stabile Einfallsintensität erhalten werden kann, wenn die optischen Fasern mit NA = 0,275 und NA = 0,29 für die optische Sonde 10 verwendet werden. Die in 14 gezeigten Symbole „×“ befinden sich an solchen Positionen, an denen die tatsächlichen Messwerte im Fall von NA = 0,29 eingezeichnet sind. Wie in 14 zu sehen ist, ist der stabile Abstand Ds umso größer, je größer der Krümmungsradius R ist. Außerdem erhöht sich der stabile Einfallsabstand Ds, wenn der Kerndurchmesser Cd (= 2 × Cr) der für die optische Sonde 10 verwendeten optischen Faser größer ist. Bei einem Kernradius Cr = 44,5 µm kann der stabile Einfallsabstand Ds auf etwa ± 30 µm eingestellt werden. Bei einem Kernradius Cr = 31,3 µm kann der stabile Einfallsabstand Ds auf ca. ± 15 µm eingestellt werden.
15 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Krümmungsradius R der Einfallsfläche 100 und dem maximalen Arbeitsabstand WDm zeigt. Im Falle des Kernradius Cr = 44,5 µm und des Krümmungsradius R = 155 µm liegt der maximale Arbeitsabstand WDm bei weniger als 300 µm. Bei einem Kernradius Cr = 31,3 µm und einem Krümmungsradius R = 125 µm liegt der maximale Arbeitsabstand WDm bei etwa 200 µm. Der maximale Arbeitsabstand WDm wird so eingestellt, dass bei Verwendung der optischen Sonde 10 die Beziehung WD ≤ WDm erfüllt ist.
16 ist ein Diagramm, das die Verlusteigenschaften des in die optische Sonde 10 eintretenden optischen Signals L im Fall von WD = 100 µm zeigt. Die Abszisse in dem in 16 gezeigten Diagramm zeigt den Bewegungsabstand D. Wie in 16 gezeigt, beträgt im Fall von R = 75 µm der stabile Einfallsabstand Ds ±15 µm, wenn der Bewegungsabstand D, bei dem die Verlustvariation innerhalb eines Bereichs von 0,1 dB liegt, als stabile Einfallsdistanz Ds definiert wird. Der stabile Einfallsabstand Ds im Fall von R = 93 µm beträgt ±20 µm. Der stabile Einfallsabstand Ds im Fall von R = 116 µm beträgt ±20 µm oder mehr. Der stabile Einfallsabstand Ds bei Verwendung der flachen Einfallsfläche 100 beträgt ±17 µm. Die Verwendung der gekrümmten Einfallsfläche 100 führt also dazu, dass der stabile Einfallsabstand Ds variiert, d.h., dass der stabile Einfallsabstand Ds sich weiter vergrößert, je größer der Krümmungsradius R ist.
Wie oben beschrieben, hat die optische Sonde 10 gemäß der ersten Ausführungsform die Eigenschaften bezüglich des Krümmungsradius R, der durch die Formel (17) gegeben ist: R = Se / sin(ω) und den durch die Formel (11) gegebenen halben Mittelpunktswinkel ω: ω = ± sin^-1 {[K2² / (K1² + K2² )]^1/2}. Der Krümmungsradius R der Einfallsfläche 100 wird also so eingestellt, dass der stabile Einfallsabstand Ds vergrößert wird. Dadurch verringert sich die Einfallsabweichung in Bezug auf die Positionsabweichung oder den Neigungswinkel ζ, so dass das optische Signal L stabil in die optische Sonde 10 eintreten kann. Bei der Messung des optischen Halbleiterelements 20 mit der optischen Sonde 10 kann somit der Transmissionsverlust des optischen Signals L, das in die Einfallsfläche 100 der optischen Sonde 10 eintritt, vermieden werden, wenn der Neigungswinkel ζ oder die Positionsabweichung zwischen der optischen Sonde 10 und dem optischen Halbleiterelement 20 in der X-Y-Ebene verursacht wird.
Wenn die optische Sonde 10 und das optische Halbleiterelement 20 in der X-Y-Ebene um den entsprechenden Arbeitsabstand WD, in dem der Einfallsbereich des optischen Signals L innerhalb des Kernteils 111 liegt, zueinander bewegt werden, kann das optische Signal L stabil in die Einfallsfläche 100 der optischen Sonde 10 eintreten. Der Abstrahlwinkel γx des optischen Halbleiterelements 20 in der X-Richtung und der Abstrahlwinkel γy des optischen Halbleiterelements 20 in der Y-Richtung können somit gemäß dem Einfallsintensitätsmuster des optischen Signals L gemessen werden, das so erhalten wird, dass der relative Abstand zwischen der optischen Sonde 10 und dem optischen Halbleiterelement 20 in jeder der X-Richtung und der Y-Richtung geändert wird. Das Einfallsintensitätsmuster des optischen Signals L wird so gemessen, dass die optische Sonde 10 sowohl in X-Richtung als auch in Y-Richtung in Plus-Minus-Richtung bewegt wird. Wie oben beschrieben, können der 1/e² Abstrahlwinkel ye und der 1/2 Abstrahlwinkel γh anhand des Einfallsintensitätsmusters ermittelt werden. Das Verfahren zur Ermittlung der jeweiligen Abstrahlwinkel unter Verwendung des Einfallsintensitätsmusters des optischen Signals L kann auch in dem Fall effektiv angewendet werden, in dem die Einfallsfläche 100 der optischen Sonde 10 eben ist.
In der vorliegenden Ausführungsform können die mehreren in 1 dargestellten optischen Sonden 10 so angeordnet werden, dass sie ein mehrkerniges optisches Sondenarray (engl.: multicore optical probe array) bilden. Zum Beispiel werden die m-fachen optischen Sondengruppen, die jeweils die n-fachen in einer Linie ausgerichteten optischen Sonden 10 enthalten, so angeordnet, dass sie ein optisches Sondenarray bilden, in dem die (n × m)-fachen optischen Sonden 10 in einem Array angeordnet sind. Durch die Verwendung des optischen Sondenarrays mit mehreren optischen Sonden 10, die so angeordnet sind, dass sie den jeweiligen optischen Halbleiterelementen 20 entsprechen, können die mehreren optischen Halbleiterelemente 20, die in einem Array auf einem Wafer 200 angeordnet sind, gleichzeitig gemessen werden. Dadurch kann die Gesamtdauer für die Messung der auf dem Wafer 200 gebildeten optischen Halbleiterelemente 20 reduziert werden.
17 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel für ein Messsystem mit der oben beschriebenen optischen Sondenarray zeigt. Das in 17 dargestellte Messsystem umfasst einen optischen Sondenkopf 15, der das optische Sondenarray hält, in dem die optischen Sonden 10 in einem Array angeordnet sind, und einen elektrischen Sondenkopf 35, der ein elektrisches Sondenarray hält, in dem eine Vielzahl von elektrischen Sonden 30 in einem Array angeordnet sind. Beispiele für die elektrischen Sonden 30, wie sie hier verwendet werden, sind ein Auslegertyp, ein vertikaler Nadeltyp und ein vertikaler Federtyp. Die optischen Sonden 10 und die elektrischen Sonden 30 sind jeweils in regelmäßigen Abständen in X-Richtung angeordnet. Obwohl nicht dargestellt, sind die optischen Sonden 10 und die elektrischen Sonden 30 auch in der Y-Richtung in regelmäßigen Abständen auf die gleiche Weise wie in der X-Richtung angeordnet.
Das in 17 dargestellte Messsystem wird zur Messung der Eigenschaften der mehreren auf dem Wafer 200 ausgebildeten optischen Halbleiterelemente 20 verwendet. Die optischen Halbleiterelemente 20 sind in einem Array auf der Hauptoberfläche des Wafers 200 angeordnet, der auf einem Tisch 50 (engl.: stage) montiert ist. Beispielsweise ist ein Paar aus der optischen Sonde 10 und der elektrischen Sonde 30 so angeordnet, dass sie jedem optischen Halbleiterelement 20 entsprechen. Eine einzelne Sondeneinheit, die die optische Sonde 10 und die elektrische Sonde 30 umfasst, ist daher so zusammengesetzt, dass sie jeweils einem optischen Halbleiterelement 20 entspricht. Die jeweiligen Sondeneinheiten sind so angeordnet, dass sie den jeweiligen optischen Halbleiterelementen 20 entsprechen, die auf dem Wafer 200 ausgebildet sind. Während 17 den Fall zeigt, in dem jede Sondeneinheit eine einzelne optische Sonde 10 und eine einzelne elektrische Sonde 30 enthält, wird die Anzahl der optischen Sonden 10 und der elektrischen Sonden 30, die in den jeweiligen Sondeneinheiten enthalten sind, in Abhängigkeit von der Konfiguration der optischen Halbleiterelemente 20 und dem Messinhalt passend bestimmt.
Der optische Sondenkopf 15 wird durch eine Antriebsvorrichtung für die optische Sonde 41 so gesteuert, dass er sich in Z-Richtung bewegt. Dies ermöglicht eine Feinjustierung des Abstandes zwischen den Einfallsflächen 100 der optischen Sonden 10 und den optischen Halbleiterelementen 20 in Z-Richtung. Der elektrische Sondenkopf 35 wird durch eine Antriebsvorrichtung für die elektrische Sonde 42 so gesteuert, dass er sich in der Z-Richtung bewegt. Dies ermöglicht eine Feinjustierung des Abstandes zwischen den Spitzenenden der elektrischen Sonden 30 und den optischen Halbleiterelementen 20 in Z-Richtung.
Die Ausrichtung des optischen Sondenkopfes 15 und des elektrischen Sondenkopfes 35 in Bezug auf die jeweiligen optischen Halbleiterelemente 20 in Richtung der X-Achse und der Y-Achse kann so erfolgen, dass der Tisch 50 durch eine Antriebsvorrichtung für den Tisch 43 bewegt wird. Der Tisch 50 wird von der Antriebsvorrichtung für den Tisch 43 um die Z-Richtung gedreht, so dass die Positionen der optischen Sonden 10 und der elektrischen Sonden 30 in Bezug auf die optischen Halbleiterelemente 20 in der Drehrichtung um die Z-Richtung (im Folgenden als „Z-Drehrichtung“ bezeichnet) eingestellt werden.
Der optische Sondenkopf 15 und der elektrische Sondenkopf 35 können jeweils in Richtung der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse bewegt werden, während die Position des Tisches 50 fixiert ist. Die Positionen der optischen Sonden 10 und der elektrischen Sonden 30 in Bezug auf die optischen Halbleiterelemente 20 können nämlich durch die Antriebsvorrichtung für die optischen Sonden 41 und die Antriebsvorrichtung für die elektrischen Sonden 42 eingestellt werden.
Wie oben beschrieben, kann das in 17 dargestellte Messsystem die Positionsausrichtung der optischen Sonden 10 und der elektrischen Sonden 30 in Bezug auf die optischen Halbleiterelemente 20 vornehmen. Das Messsystem kann so konfiguriert sein, dass die Position der optischen Sonde 15 und die Position der elektrischen Sonde 35 unabhängig voneinander geregelt werden. Alternativ kann der Tisch 50 in alle Richtungen der X-Achse, der Y-Achse, der Z-Achse und der Z-Drehrichtung bewegt werden, während der optische Sondenkopf 15 und der elektrische Sondenkopf 35 fixiert sind, um die jeweiligen Positionen des optischen Sondenkopfs 15, des elektrischen Sondenkopfs 35 und der jeweiligen optischen Halbleiterelemente 20 zu regulieren. Verschiedene Arten von Einstellverfahren können daher auf die Positionsausrichtung der optischen Sonden 10 und der elektrischen Sonden 30 in Bezug auf die optischen Halbleiterelemente 20 angewendet werden.
Die elektrischen Signale und die optischen Signale werden durch das in 17 dargestellte Messsystem übertragen, um die Messung der optischen Halbleiterelemente 20 durchzuführen. Insbesondere werden die elektrischen Signale, die von einem Prüfgerät (nicht dargestellt) ausgegeben werden, über Anschlussklemmen (nicht dargestellt), die im elektrischen Sondenkopf 35 vorgesehen sind, an die elektrischen Sonden 30 gesendet. Wenn es sich bei den jeweiligen optischen Halbleiterelementen 20 beispielsweise um VCSEL handelt, die in einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, werden die elektrischen Signale über die elektrischen Sonden 30 an elektrische Signalanschlüsse angelegt, die auf den Oberseiten der VCSELs angeordnet sind, so dass die VCSELs die optischen Signale L ausgeben. Die optischen Signale L werden dann von den jeweiligen optischen Sonden 10 empfangen.
Die jeweiligen optischen Sonden 10 sind mit einem photoelektrischen Wandler 47 (engl.: photoelectric converter) verbunden, der photoelektrische Wandlermodule 45 (engl.: photoelectric conversion modules) und einen elektrischen Anschlussterminal 46 (engl.: electrical connecting terminal) umfasst. Die von den optischen Halbleiterelementen 20 ausgegebenen optischen Signale L werden an die photoelektrischen Wandlermodule 45 übertragen, die optisch mit den optischen Sonden 10 verbunden sind. Die photoelektrischen Wandlermodule 45 wandeln die optischen Signale L in elektrische Signale um und geben die umgewandelten elektrischen Signale an den elektrischen Anschlussterminal 46 aus. Der elektrische Anschlussterminal 46 ist elektrisch mit dem Prüfgerät (nicht dargestellt) verbunden, so dass die aus den optischen Signalen L photoelektrisch umgewandelten elektrischen Signale vom elektrischen Anschlussterminal 46 an das Prüfgerät gesendet werden.
Die hier verwendeten photoelektrischen Wandlermodule 45 können ein Modultyp sein, der die optischen Signale L durch einen Photodetektor und ähnliches in elektrische Signale umwandelt, oder ein Modultyp, der die optischen Signale L durch eine Beugungsgittervorrichtung streut, um eine Änderung der Wellenlänge in ihrer Beugungswinkelrichtung zu erfassen. Die Art der zu verwendenden photoelektrischen Wandlermodule 45 kann passend in Abhängigkeit des Messzwecks bestimmt werden. Alternativ können die optischen Signale L vor den photoelektrischen Wandlermodulen 45 verzweigt werden, um gleichzeitig verschiedene Arten von Messungen durchführen zu können. Die photoelektrische Umwandlung der Ausgangssignale der optischen Sonden 10 an den dem optischen Sondenkopf 15 benachbarten Positionen unter Verwendung des photoelektrischen Wandlers 47 kann das Messsystem vereinfachen, die Messzeit beschleunigen und die wiederholte Reproduzierbarkeit der Messwerte verbessern. Die Messung der optischen Halbleiterelemente 20 kann unter Verwendung einer optischen Prüfkarte mit den oben beschriebenen optischen Sonden 10 und dem optischen Sondenkopf 15, der die optischen Sonden 10 hält, durchgeführt werden.
Die Messung der optischen Halbleiterelemente 20 unter Verwendung des in 17 dargestellten Messsystems wird beispielsweise gemäß dem in 18 gezeigten Flussdiagramm durchgeführt. Ein Beispiel für ein Verfahren zur Messung der optischen Halbleiterelemente 20 wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 18 beschrieben.
Zunächst wird in Schritt S10 die Positionsausrichtung der optischen Sonden 10 und der elektrischen Sonden 30 in Bezug auf die optischen Halbleiterelemente 20 durchgeführt. Die relativen Positionen zwischen den elektrischen Sonden 30 und den optischen Halbleiterelementen 20 werden dann in Z-Richtung so verändert, dass die Spitzenenden der elektrischen Sonden 30 mit den elektrischen Signalanschlüssen der optischen Halbleiterelemente 20 verbunden werden. Die elektrischen Signale werden über die in diesem Zustand befindlichen elektrischen Sonden 30 an die optischen Halbleiterelemente 20 angelegt, so dass die optischen Halbleiterelemente 20 die optischen Signale L ausgeben.
In Schritt S20 wird die optische Intensität der jeweiligen optischen Signale L gemessen. Insbesondere wird der optische Sondenkopf 15 in Z-Richtung bewegt, um die optischen Sonden 10 so einzustellen, dass sie einen vorgegebenen Arbeitsabstand WD haben. Die von den optischen Sonden 10 empfangenen optischen Signale L werden von den photoelektrischen Wandlermodulen 45 photoelektrisch umgewandelt, um die optischen Ausgänge der optischen Signale L zu überwachen. Die Positionen der optischen Sonden 10 an diesem Punkt werden so gesteuert, dass die Ausgaben der optischen Signale L von den optischen Halbleiterelementen 20 maximiert werden. Die optischen Sonden 10 werden an den Positionen fixiert, an denen die optischen Ausgänge der optischen Signale L maximal sind. Die optischen Signale L von den optischen Sonden 10 werden dann gemessen, um die optische Intensität der jeweiligen optischen Signale L zu erhalten.
In Schritt S30 werden die relativen Positionen zwischen den optischen Sonden 10 und den optischen Halbleiterelementen 20 verändert, wobei der Arbeitsabstand WD konstant gehalten wird, um das Einfallsintensitätsmuster zu erhalten. In Schritt S40 wird dann der Abstrahlwinkel γ der jeweiligen optischen Signale L entsprechend dem erhaltenen Einfallsintensitätsmuster gemessen.
Beispielsweise wird der oben beschriebene Messvorgang wiederholt, bis alle auf dem Wafer 200 gebildeten optischen Halbleiterelemente 20 gemessen sind. Während dieses Verfahren oben anhand des Falls der Messung der Eigenschaften der optischen Intensität und des Abstrahlwinkels der jeweiligen optischen Signale L illustriert wird, können natürlich auch andere Eigenschaften des optischen Signals L als die optische Intensität und der Abstrahlwinkel, wie z. B. spektrale Eigenschaften und verschiedene Arten von Temperatureigenschaften, gemessen werden. Die Reihenfolge der Messung dieser Eigenschaften kann nach Bedarf passend festgelegt werden.
Die Verwendung der optischen Sonden 10, bei denen der Krümmungsradius R der Einfallsfläche 100 gemäß der Formel (17) eingestellt ist, kann es ermöglichen, dass die optischen Signale L von den optischen Sonden 10 auch bei der Messung unter Verwendung des optischen Sondenarrays, in dem die mehreren optischen Sonden 10 angeordnet sind, stabil empfangen werden. Mit anderen Worten können die optischen Signale L von den jeweiligen optischen Halbleiterelementen 20 durch die Verwendung des optischen Sondenarrays stabil in die jeweiligen Einfallsflächen 100 eintreten, wenn die relativen Positionen zwischen den optischen Sonden 10 und den optischen Halbleiterelementen 20, die auf dem Wafer 200 ausgebildet sind, in der X-Y-Ebene unabhängig voneinander geändert werden. Durch die Verwendung des optischen Sondenarrays können somit gleichzeitig die jeweiligen Einfallsintensitätsmuster der mehreren optischen Halbleiterelemente 20 gemessen werden. Der Abstrahlwinkel γx in X-Richtung und der Abstrahlwinkel γy in Y-Richtung können nämlich gleichzeitig für die jeweiligen optischen Halbleiterelemente 20 auf dem Wafer 200 gemessen werden.
Da die konventionellen Methoden die Abstrahlwinkel der optischen Signale L von den jeweiligen optischen Halbleiterelementen 20 nicht im Waferzustand messen können, müssen die optischen Halbleiterelemente 20 zunächst in Chips geschnitten und dann auf einem Verdrahtungssubstrat verpackt werden, um die Abstrahlwinkel mit Hilfe eines Strahlprofilers oder einer FFP-Messvorrichtung zu messen. Bei den herkömmlichen Messverfahren müssen also die in Chips geschnittenen optischen Halbleiterelemente 20 auf dem Substrat verpackt oder modularisiert werden, um die Abstrahlwinkel der optischen Signale L für die jeweiligen optischen Halbleiterelemente 20 unabhängig voneinander zu messen. Dies erfordert einen hohen Arbeits- und Zeitaufwand für die Messung der Abstrahlwinkel. Da die optischen Halbleiterelemente 20 unabhängig voneinander gemessen werden, nimmt die Messung viel Zeit in Anspruch, und es ist schwierig, die Messung für alle optischen Halbleiterelemente 20 abzuschließen. Wenn ein Teil der optischen Halbleiterelemente 20 abgetastet und geprüft wird, kann die Qualität der übrigen optischen Halbleiterelemente 20 nicht untersucht werden. Die herkömmlichen Verfahren haben daher ein Problem die Ausbeute zu verbessern.
Im Gegensatz dazu verwendet das in 17 gezeigte Messsystem das Array aus mehreren optischen Sonden 10, um die Abstrahlwinkel der optischen Signale L für die mehreren optischen Halbleiterelemente 20 im Waferzustand gemeinsam zu messen. Dies kann die Messzeit verkürzen. Darüber hinaus können alle optischen Halbleiterelemente 20 geprüft werden, so dass die Ausbeute entsprechend verbessert werden kann.
Wie oben beschrieben, trägt die optische Sonde 10 gemäß der ersten Ausführungsform dazu bei, den stabilen Einfallsabstand Ds = Se - Sr zu vergrößern, indem der Krümmungsradius R der Einfallsfläche 100 angepasst wird. Dies erlaubt es, den relativen Abstands zwischen der optischen Sonde 10 und dem optischen Halbleiterelement 20 in der X-Y-Ebene bei konstantem Arbeitsabstand WD zu ändern, um das Einfallsintensitätsmuster des optischen Signals L sowohl in der X-Richtung als auch in der Y-Richtung zu erhalten. Nämlich kann der Abstrahlwinkel γx in X-Richtung anhand des in X-Richtung erhaltenen Einfallsintensitätsmusters berechnet werden und der Abstrahlwinkel γy in Y-Richtung kann anhand des in Y-Richtung erhaltenen Einfallsintensitätsmusters berechnet werden. Darüber hinaus können der 1/e² Abstrahlwinkel ye und der 1/2 Abstrahlwinkel γh jeweils in X- und Y-Richtung ermittelt werden. So können die Abstrahlwinkel des optischen Signals L gemessen werden, bei denen das Fernfeldmuster beispielsweise eine ovale Form hat.
Darüber hinaus hat die optische Sonde 10 einen großen stabilen Einfallsabstand Ds und kann die vom Neigungswinkel ζ ableitbare Einfallsabweichung vermeiden. Das optische Sondenarray, in dem die optischen Sonden 10 angeordnet sind, kann die Einfallsabweichung vermeiden, wenn eine Positionsverschiebung oder eine Winkelverschiebung zwischen den optischen Sonden 10 und den optischen Halbleiterelementen 20 verursacht wird, wenn die mehreren optischen Halbleiterelemente 20, die auf dem Wafer 200 ausgebildet sind, mit der einzelnen Positionierung gemessen werden. In jeder der optischen Sonden 10 kann es so ermöglicht werden, dass die optischen Signale L von den optischen Halbleiterelementen 20 in den stabilen Zustand eintreten.
Da die Intensität und der Abstrahlwinkel der jeweiligen optischen Halbleiterelemente 20 im Wafer-Zustand gemessen werden können, kann der Prozess der Messung der optischen Halbleiterelemente 20 vereinfacht werden, so dass die Messzeit stark reduziert wird. Die elektrischen Sonden 30 können in einem Array auf einem anderen Substrat getrennt von dem optischen Sondenarray angeordnet sein, oder das optische Sondenarray und das elektrische Sondenarray können kombiniert werden, um eine integrierte Struktur zu erhalten. Im Falle der Verwendung der integrierten Struktur des optischen Sondenarrays und des elektrischen Sondenarrays werden die elektrischen Sonden 30 in dem Zustand, in dem sie mit den elektrischen Signalanschlüssen der optischen Halbleiterelemente 20 verbunden sind, in der X-Richtung, der Y-Richtung und der Z-Richtung bewegt. Im Hinblick darauf verwendet man für die elektrischen Sonden 30 Form, Material und Struktur mit verformbaren und elastischen Dehnungseigenschaften, um die elektrischen Signale stabil an die elektrischen Signalanschlüsse zu liefern, ohne eine Änderung des Kontaktzustands zwischen den elektrischen Sonden 30 und den elektrischen Signalanschlüssen bei der Bewegung der in Kontakt mit den elektrischen Signalanschlüssen stehenden elektrischen Sonden 30 zu verursachen.
< Zweite Ausführungsform>
Die optische Sonde 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform hat eine Struktur, bei der ein erster Bereich 101 und ein zweiter Bereich 102 miteinander verbunden sind, wie in 19 dargestellt. Eine Endfläche des ersten Bereichs 101 dient als Einfallsfläche 100, und die andere Endfläche des ersten Bereichs 101 ist mit der Endfläche des zweiten Bereichs 102 verbunden. Die jeweiligen Mittelachsen C10 des ersten Bereichs 101 und des zweiten Bereichs 102 stimmen miteinander überein.
Der erste Bereich 101, der mit der Einfallsfläche 100 versehen ist, hat die gleiche Struktur wie die in der ersten Ausführungsform beschriebene optische Sonde 10. Die Einfallsfläche 100 des ersten Bereichs 101 ist eine gekrümmte Fläche, bei der der Krümmungsradius R und der halbe Mittelpunktswinkel ω so eingestellt sind, dass sie die Beziehungen gemäß der Formel (17) und der Formel (11) erfüllen. Für den ersten Bereich 101 wird z. B. eine GI-Lichtleitfaser (engl.: GI optical fiber) verwendet.
Die in 19 dargestellte optische Sonde 10 wird beispielsweise wie unten beschrieben hergestellt. Zunächst werden die jeweiligen Endflächen einer GI-Lichtleitfaser mit großem Durchmesser, die für den ersten Bereich 101 verwendet wird, und einer GI-Lichtleitfaser mit Standarddurchmesser, die für den zweiten Bereich 102 verwendet wird, verschmolzen, um miteinander verbunden zu werden. Die GI-Lichtleitfaser mit dem großen Durchmesser wird so geschnitten, dass sie die vorbestimmte Länge des ersten Bereichs 101 hat. Die Endfläche der GI-Lichtleitfaser mit dem großen Durchmesser wird dann so bearbeitet, dass sie den Krümmungsradius R aufweist.
Die Länge L des ersten Bereichs 101 kann so eingestellt werden, dass das optische Signal L auf die Grenze zwischen dem ersten Bereich 101 und dem zweiten Bereich 102 fokussiert wird. Die Länge T ist durch T = 2π × P/A^1/2 gegeben, wenn die GI-Faser verwendet wird, wobei P eine Pitchlänge (engl.:: pitch length) ist, bei der ein Pitch einer Periode entspricht, und A^1/2 eine Gradientenindexkonstante ist, die entsprechend einer normalisierten Indexdifferenz Δ zwischen den Brechungsindizes der zentralen Achse C10 und des Mantelteils 112 und dem Kerndurchmesser Cr definiert ist. Wenn die Pitchlänge P mit 0,27 angenommen wird, ist die Länge T durch T = 0,54π/A^1/2 gegeben. Um die fokussierte Position des optischen Signals L in etwa auf die Grenze zwischen dem ersten Bereich 101 und dem zweiten Bereich 102 festzulegen, entspricht der Gesamtabstand vom optischen Halbleiterelement 20 zur Grenze zwischen dem ersten Bereich 101 und dem zweiten Bereich 102 0,5 P, was der halben Periode im Fall von WD = 0,46π × n(c) /A^1/2 entspricht. Das optische Signal L wird also auf die Position in etwa auf die Grenze zwischen dem ersten Bereich 101 und dem zweiten Bereich 102 fokussiert, so dass das optische Signal L in das Innere des Kerns des zweiten Bereichs 102 eintritt, der mit dem ersten Bereich 101 verschmolzen und verbunden ist.
Wie in 19 dargestellt, können sich der Kernradius Cr1 und der Sondenradius Dr1 des ersten Bereichs 101 von dem Kernradius Cr2 und dem Sondenradius Dr2 des zweiten Bereichs 102 unterscheiden. Die in 19 dargestellte optische Sonde 10 hat eine Dicke des ummantelten Teils 112, die sowohl im ersten Bereich 101 als auch im zweiten Bereich 102 gleich ist, während der Durchmesser des zweiten Bereichs 102 kleiner ist als der Durchmesser des ersten Bereichs 101. Der Kernradius Cr1 des ersten Bereichs 101 ist größer als der Kernradius Cr2 des zweiten Bereichs 102. Zum Beispiel kann die GI-Lichtleitfaser mit einem großen Durchmesser für den ersten Bereich 101 verwendet werden, und die GI-Lichtleitfaser mit einem Standarddurchmesser kann für den zweiten Bereich 102 verwendet werden, um die optische Sonde 10 zusammenzustellen. Die Verwendung der GI-Lichtleitfaser mit dem Standarddurchmesser für den zweiten Bereich 102 kann es ermöglichen, dass der Endteil der optischen Sonde 10 mit einer optischen Schaltungskomponente, einem Koppler oder einem optischen Schalter, die eine Lichtleitfaser mit einem Standarddurchmesser verwenden, verbunden wird zur Implementierung einer optischen Schaltung mit mehreren Eingängen und reduziertem Verlust.
< Dritte Ausführungsform>
Die optische Sonde 10 gemäß einer dritten Ausführungsform, die in 20 dargestellt ist, weist eine Konfiguration auf, bei der ein Additiv, das den Brechungsindex des Kernteils 111 erhöht, auf einer konstanten Länge U entlang der zentralen Achse C10 von der Einfallsfläche 100 dispergiert ist. Die in 20 dargestellte optische Sonde 10 umfasst den ersten Bereich 101, der von der Einfallsfläche 100 so definiert ist, dass er die Länge U hat, und den zweiten Bereich 102, der mit dem ersten Bereich 101 verbunden ist. Beispielsweise wird der erste Bereich 101 unter Verwendung einer optischen Faser mit einem typischen Kerndurchmesser Cd von 50 µm oder 62,5 µm auf eine Temperatur von etwa 1200°C bis 1400°C erhitzt. Dadurch wird eine Substanz wie z.B. Germanium (Ge) dispergiert, die den Brechungsindex im Kernteil 111 des ersten Bereichs 101 in Richtung des ersten Bereichs 101 erhöht.
Die Zugabe der den Brechungsindex erhöhenden Substanz zum ersten Bereich 101 vergrößert den Übertragungsbereich des optischen Signals L in radialer Richtung. Dadurch vergrößert sich der Kerndurchmesser Cd der Einfallsfläche 100 auf etwa 80 µm bis 100 µm. Der Einfallsbereich des optischen Signals L auf der Einfallsfläche 100 wird somit vergrößert, um die Toleranzeigenschaften zu verbessern. Die Vergrößerung des Kerndurchmessers Cd senkt den Brechungsindex n(c) des Kernteils 111 an der Mittelachse C10. Die numerische Apertur NA wird dadurch verringert, so dass der Wert der numerischen Apertur NA durch den Krümmungsradius R der Einfallsfläche 100 geregelt wird.
Die Verwendung einer typischen optischen Faser für die optische Sonde 10, wie oben beschrieben, erleichtert die Verbindung zwischen der optischen Sonde 10 und einem Element in einem optischen Schaltungssystem, wie z.B. einer Abzweigschaltung und einem optischen Schaltkreis. Die optische Sonde 10 ist somit leicht im optischen Messsystem zu handhaben.
< Weitere Ausführungsformen>
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf die jeweiligen Ausführungsformen beschrieben wurde, soll die vorliegende Erfindung nicht auf die Beschreibungen und Zeichnungen, die Teil dieser Offenbarung sind, beschränkt werden. Verschiedene alternative Ausführungsformen, Beispiele und technische Anwendungen werden für den Fachmann gemäß dieser Offenbarung offensichtlich sein.
Zum Beispiel, während die jeweiligen Ausführungsformen oben so dargestellt sind, dass die optischen Sonde 10 eine Gradientenindex-Lichtleitfaser verwendet, kann stattdessen eine Stufenindex-Lichtleitfaser für die optische Sonde 10 verwendet werden. Die Verwendung einer Struktur mit einem Lichtleiter mit konstantem Spalt und einer Einfallsfläche 100 mit dem Krümmungsradius R oder einer Struktur, die mit einer Linse mit der gleichen Konfiguration und Funktion ausgestattet ist, kann ebenfalls äquivalente Effekte erzielen.
Es sollte klar sein, dass die vorliegende Erfindung verschiedene Ausführungsformen umfasst, die hier nicht dargestellt sind.
Bezugszeichenliste

10: OPTISCHE SONDE
15: OPTISCHER SONDENKOPF
20: OPTISCHES HALBLEITERELEMENT
30: ELEKTRISCHE SONDE
35: ELEKTRISCHER SONDENKOPF
41: ANTRIEBSVORRICHTUNG FÜR DIE OPTISCHE SONDE
42: ANTRIEBSVORRICHTUNG FÜR DIE ELEKTRISCHE SONDE
43: ANTRIEBSVORRICHTUNG FÜR DEN TISCH
50: TISCH
100: EINFALLSFLÄCHE
111: KERNTEIL
112: MANTELTEIL
200: WAFER

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP S6231136 [0002]
JP S6064443 [0002]

Claims

Optische Sonde mit einem Kernteil und einem Mantelteil, der entlang eines Außenumfangs des Kernteils angeordnet ist, wobei die optische Sonde eine Einfallsfläche aufweist, durch die ein optisches Signal von einem optischen Halbleiterelement eintritt, wobei die Einfallsfläche einen Krümmungsradius R aufweist, wobei der Krümmungsradius R und ein halber Mittelpunktswinkel ω an einem Einfallspunkt des optischen Signals auf der Einfallsfläche die folgenden Formeln erfüllen unter Verwendung eines Abstrahlwinkels γ des optischen Signals, eines effektiven Einfallsradius Se des optischen Signals, das im Kernteil übertragen wird, ohne in den Mantelteil auf der Einfallsfläche einzudringen, eines Brechungsindex n(r) des Kernteils am Einfallspunkt und eines Brechungswinkels β am Einfallspunkt: $R = Se / sin (ω)$
$ω = \pm {sin}^{- 1} {{[{K2}^{2} / ({K1}^{2} + {K2}^{2})]}^{1 / 2}}$
wobei $K1 = n (r) \times cos (β) - cos (γ/ 2) und K2=n (r) \times sin (β) - sin (γ/ 2)$
Optische Sonde nach Anspruch 1, wobei der Krümmungsradius R die folgende Formel erfüllt, unter Verwendung eines halben Abstrahlwinkels α des optischen Signals verwendet wird, wenn der effektive Einfallsradius Se und ein Kernradius Cr der optischen Sonde miteinander übereinstimmen, und ein Abstand zwischen dem optischen Halbleiterelement und der Einfallsfläche ein möglicher maximaler Arbeitsabstand ist: $R \geq Cr / sin (ω)$
wobei $\begin{array}{l} K1 = n (r) \times cos (β) - cos (α), K2 = n (r) \times sin (β) - sin (α), und α = {sin}^{- 1} \\ [n (r) \times sin (β + ω)] - ω . \end{array}$
Optische Sonde nach Anspruch 2, wobei: der maximale Arbeitsabstand WDm gleich Cr / tan(α) ist; und ein Arbeitsabstand WD WD ≤ WDm erfüllt.
Optische Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein erster Bereich, der mit der Einfallsfläche verbunden ist, und ein zweiter Bereich, der einen kleineren Durchmesser des Kernteils als der erste Bereich aufweist, miteinander verbunden sind.
Optische Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Additiv, das den Brechungsindex des Kernteils erhöht, auf einer vorbestimmten Länge entlang einer zentralen Achse von der Einfallsfläche dispergiert ist.
Eine Prüfkarte mit: der optischen Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5; und einem optischen Sondenkopf, der zum Halten der optischen Sonde konfiguriert ist.
Ein Messsystem mit: der optischen Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5; einem optischen Sondenkopf, der zum Halten der optischen Sonde konfiguriert ist; einer Antriebsvorrichtung für die optische Sonde, die so konfiguriert ist, dass sie eine Position des optischen Sondenkopfes steuert; einem elektrischen Sondenkopf, der zum Halten einer elektrischen Sonde konfiguriert ist, die ein elektrisches Signal an das optische Halbleiterelement überträgt; und eine Antriebsvorrichtung für die elektrische Sonde, die so konfiguriert ist, dass sie eine Position des elektrischen Sondenkopfes steuert, wobei eine einzelne die optische Sonde und die elektrische Sonde umfassende Sondeneinheit so angeordnet ist, dass sie zum einzelnen optischen Halbleiterelement korrespondiert.
Messsystem nach Anspruch 7, wobei: das System eine Vielzahl der optischen Sonden umfasst, um ein optisches Sondenarray zu implementieren, in dem die optischen Sonden in einem Array angeordnet sind; und der optische Sondenkopf das optische Sondenarray hält.
Messverfahren, das die optische Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5 verwendet, wobei das Verfahren umfasst: Bewegen des optischen Halbleiterelements in Bezug auf die optische Sonde, wobei ein Arbeitsabstand zwischen dem optischen Halbleiterelement und der Einfallsfläche konstant gehalten wird, um ein Einfallsintensitätsmuster zu erhalten, das indikativ für eine Beziehung einer Einfallsintensität des optischen Signals in Bezug auf einen Bewegungsabstand ist; und Berechnung des Abstrahlwinkels des optischen Signals unter Verwendung des Einfallsintensitätsmusters.
Messverfahren nach Anspruch 9, wobei ein 1/e² Abstrahlwinkel ye, bei dem die Einfallsintensität 1/e² eines Spitzenwerts ist, gemäß der folgenden Formel unter Verwendung eines Bewegungsabstands De, in dem die Einfallsintensität 1/e² des Spitzenwerts ist, und eines Arbeitsabstands WD berechnet wird: $γ e = 2 \times {tan}^{- 1} [De / (4 \times WD)] .$
Messverfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei ein 1/2 Abstrahlwinkel γh, bei dem die Einfallsintensität 1/2 eines Spitzenwertes beträgt, gemäß der folgenden Formel berechnet wird, wobei ein Bewegungsabstand Dh, bei dem die Einfallsintensität 1/2 des Spitzenwertes beträgt, und ein Arbeitsabstand WD verwendet werden: $γ h = 2 \times {tan}^{- 1} [Dh / (4 \times WD)] .$
Das Messverfahren nach Anspruch 9, wobei: der effektive Einfallsradius Se und ein Einfallsradius Sr des optischen Signals die folgenden Formeln erfüllen, wobei ein Einfallsbereich bei Bewegung Dw, in dem zumindest ein Teil des optischen Signals in den Kernteil der optischen Sonde eintritt, und ein stabiler Einfallsbereich Dp, der einem flachen Teil des Einfallsintensitätsmusters entspricht, verwendet werden: $Se = 1 / 4 \times (Dw + Dp)$
$Sr = 1 / 4 \times (Dw - Dp);$
und ein 1/e² Abstrahlwinkel ye, bei dem die Einfallsintensität 1/e² eines Spitzenwerts beträgt, und ein 1/2 Abstrahlwinkel γh, bei dem die Einfallsintensität 1/2 des Spitzenwerts beträgt, werden gemäß den folgenden Formeln berechnet, wobei ein Bewegungsabstand De, bei dem die Einfallsintensität 1/e² des Spitzenwerts beträgt, und ein Bewegungsabstand Dh, bei dem die Einfallsintensität 1/2 des Spitzenwerts beträgt, verwendet werden: $γ e = 2 \times De / Dh \times {tan}^{- 1} (Sr / WD)$
$γ h = 2 \times {tan}^{- 1} (Sr / WD)$
Das Messverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei: der Abstrahlwinkel γ von einer Messvorrichtung gemessen wird, wobei die optische Sonde für das als Referenz verwendete optische Halbleiterelement verwendet wird; ein angenommener Arbeitsabstand cWD entsprechend einem von der Messvorrichtung erhaltenen Messwert berechnet wird; und der Abstrahlwinkel des optischen Signals anhand des angenommenen Arbeitsabstands und des Bewegungsabstands berechnet wird.
Das Messverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei: das optische Halbleiterelement jeweils in einer X-Richtung und einer Y-Richtung auf einer X-Y-Ebene senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung einer optischen Achse des optischen Signals bewegt wird; der Abstrahlwinkel in X-Richtung unter Verwendung des in X-Richtung erhaltenen Einfallsintensitätsmusters berechnet wird; und der Abstrahlwinkel in Y-Richtung unter Verwendung des in Y-Richtung erhaltenen Einfallsintensitätsmusters berechnet wird.