JP7040671B1

JP7040671B1 - 半導体レーザ検査装置及び半導体レーザ検査方法

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Publication number: JP7040671B1
Application number: JP2021524967A
Authority: JP
Inventors: 洋平見上; 哲宏深尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-12-03
Filing date: 2020-12-03
Publication date: 2022-03-23
Anticipated expiration: 2040-12-03
Also published as: WO2022118444A1; CN117054841A; US20230273241A1; JPWO2022118444A1; CN116529859A

Abstract

第１の加熱冷却器（１）に半導体レーザ素子（２）を載せる。第２の加熱冷却器（３）の上にプローブホルダ（４）が取り付けられている。測定用プローブ（８）がプローブホルダ（４）の先端に固定されている。微動台（９）が第２の加熱冷却器（３）及びプローブホルダ（４）を動かして測定用プローブ（８）の先端を半導体レーザ素子（２）に当てる。検査装置（１０）が測定用プローブ（８）を介して半導体レーザ素子（２）に検査信号を入力する。

Description

本開示は、半導体レーザ素子にプローブを当てて半導体レーザ素子の特性を検査する半導体レーザ検査装置及び半導体レーザ検査方法に関する。

加熱冷却器を備えた治具にダイシングされた半導体レーザ素子を載せ、プローブを当てて特性検査を行う。加熱又は冷却された半導体レーザに常温のプローブを当てると、その温度差によって半導体レーザ素子の特性が変動し、測定ばらつきが生じる。これに対して、半導体ウエハを検査する際に加熱装置でプローブを加熱してウエハと同じ温度にする技術が提案されている。これにより、半導体ウエハから熱が奪われるのを防止し、測定ばらつきを抑えることができる。また、プローブが接触した際にプローブの変形を抑制し接触を安定化させることができる。

しかし、従来は加熱装置がプローブとは分離されて設けられていたため、検査実施後にプローブを加熱装置により再び加熱する必要があった。これに対して、プローブに加熱装置を取り付けた検査装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

日本特開平１０－９０３４５号公報

プローブを冷却しようとすると、プローブにペルチェ素子を設置する必要がある。一般的なペルチェ素子のサイズは１０ｍｍ×１０ｍｍ以上である。半導体検査には使用されるプローブのサイズは一般的に直径１ｍｍ、長さ２０～３０ｍｍ程度である。このため、一般的なペルチェ素子を設けるスペースはプローブの近傍には存在しない。これよりも小型のペルチェ素子の場合、ペルチェ素子に電流を流す被覆付きの配線を外に出すことが困難になる。仮にプローブにペルチェ素子を設置した場合、それらを支持する支持部品が発熱するため、水冷等の冷却機構も必要になる。しかし、支持部品には直径数ｍｍ程度の穴しか開けられず、微量の冷却水しか通すことができないため、十分な冷却は不可能である。従って、プローブを冷却することができず、プローブを当てる際に半導体レーザ素子の特性が変動するのを防ぐことができなかった。

本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的はプローブを当てる際に半導体レーザ素子の特性が変動するのを防ぐことができる半導体レーザ検査装置及び半導体レーザ検査方法を得るものである。

本開示に係る半導体レーザ検査装置は、半導体レーザ素子を載せる第１の加熱冷却器と、第２の加熱冷却器と、前記第２の加熱冷却器の上に取り付けられたプローブホルダと、前記プローブホルダの先端に固定された測定用プローブと、前記第２の加熱冷却器及び前記プローブホルダを動かして前記測定用プローブの先端を前記半導体レーザ素子に当てる微動台と、前記測定用プローブを介して前記半導体レーザ素子に検査信号を入力する検査装置と、前記半導体レーザ素子の出射光の波長を測定する波長計と、前記第１の加熱冷却器の設定温度に対して前記第２の加熱冷却器の温度を変化させた場合に前記測定用プローブを当てた時の前記半導体レーザ素子の出射光の前記波長の時間変動が極小になる温度を求め、この求めた温度に前記第２の加熱冷却器を設定する制御部とを備えることを特徴とする。

本開示では、第１の加熱冷却器に半導体レーザ素子を載せ、第２の加熱冷却器の上にプローブホルダが取り付けられている。第１の加熱冷却器及び第２の加熱冷却器は温度を高温側だけなく低温側にも制御できるため、半導体レーザ素子と測定用プローブの温度を近づけることができる。これにより、測定用プローブを当てる際に半導体レーザ素子の特性が変動するのを防ぐことができる。

実施の形態１に係る半導体レーザ検査装置を示すブロック図である。実施の形態２に係る半導体レーザ検査装置を示すブロック図である。図２の破線で囲んだ領域Ａを拡大した側面図である。実施の形態２に係る半導体レーザ検査装置の変形例を示すブロック図である。実施の形態３に係る半導体レーザ検査装置を示すブロック図である。図５の破線で囲んだ領域Ａを拡大した側面図である。実施の形態４に係る半導体レーザ検査装置を示すブロック図である。実施の形態５に係る半導体レーザ検査装置を示すブロック図である。測定用プローブの設定温度に対する半導体レーザ素子の出射光の波長の時間変動を測定した図である。実施の形態６に係る半導体レーザ検査方法を説明するためのブロック図である。実施の形態７に係る半導体レーザ検査方法を説明するためのブロック図である。

実施の形態に係る半導体レーザ検査装置及び半導体レーザ検査方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体レーザ検査装置を示すブロック図である。加熱冷却器１は、半導体レーザ素子２を載せるステージである。加熱冷却器３の上にプローブホルダ４が取り付けられている。加熱冷却器１及び加熱冷却器３は、温度を高温側だけでなく低温側にも制御可能なペルチェ素子などを有する。

温度センサ５が加熱冷却器１に内蔵され、加熱冷却器１の温度を測定する。温度センサ６が加熱冷却器３に内蔵され、加熱冷却器３の温度を測定する。本実施の形態では、制御部７が温度センサ５，６の測定結果に基づいて加熱冷却器１と加熱冷却器３の温度を同じ値に設定する。

測定用プローブ８がプローブホルダ４の先端に固定されている。微動台９が加熱冷却器３及びプローブホルダ４を上下方向及び水平方向に動かし、加熱冷却器１に載せられた半導体レーザ素子２に測定用プローブ８の先端を当てる。

検査装置１０は信号発生器１１、ＬＤ駆動電源１２及びバイアスティ１３を有する。信号発生器１１から出力される変調信号とＬＤ駆動電源１２から出力される一定電圧はバイアスティ１３で結合されて検査信号となる。検査装置１０は測定用プローブ８を介して半導体レーザ素子２に検査信号を入力する。この検査信号により半導体レーザ素子２を駆動させて半導体レーザ素子２の特性検査を行う。

なお、室温２５℃未満で測定を行う際は測定用プローブ８又は半導体レーザ素子２に結露が発生し、特性値の変動又は測定中のショートが発生する恐れがある。このため、装置全体をアクリル等で作成された箱で囲い、乾燥空気又はＮ_２を充填することにより結露を防止する必要がある。

本実施の形態では、加熱冷却器１に半導体レーザ素子２を載せ、加熱冷却器３の上にプローブホルダ４が取り付けられている。加熱冷却器１及び加熱冷却器３は温度を高温側だけなく低温側にも制御できるため、半導体レーザ素子２と測定用プローブ８の温度を近づけることができる。これにより、測定用プローブ８を当てる際に半導体レーザ素子２の特性が変動するのを防ぐことができる。

また、制御部７は加熱冷却器１と加熱冷却器３の温度を同じ値に設定する。この状態で測定用プローブ８を半導体レーザ素子２に当てて測定を行うことにより、測定用プローブ８を当てた際に半導体レーザ素子２から熱が流入又は流出するのを防ぐことができる。この結果、半導体レーザ素子２の特性が変動して測定ばらつきが生じるのを防ぐことができる。

また、従来の検査装置では、測定を行うたびに測定用プローブを加熱冷却器まで移動させプローブの先端を加熱冷却する必要があった。これに対して、本実施の形態では、加熱冷却器３がプローブホルダ４を介して測定用プローブ８を加熱冷却できるため、加熱冷却のために測定用プローブ８を移動させる必要がない。

また、測定用プローブと加熱器が一体になった従来の検査装置は温度を低温側に制御することはできなかった。そして、プローブの近傍にはペルチェ素子及び水冷等の冷却機構を設けるスペースを確保できなかった。これに対して、本実施の形態では、加熱冷却器３の上にプローブホルダ４を取り付けている。これにより、加熱冷却器３がプローブホルダ４を介して測定用プローブ８を冷却することができる。

また、測定用プローブ８は数十ＧＨｚの高周波を通すため、インピーダンスを整合させる必要がある。このため、測定用プローブ８のプローブ針の設計に自由度が無く、測定用プローブ８を加熱冷却器３から半導体レーザ素子２まで伸ばすことが非常に難しく、プローブホルダ４を介する必要がある。従って、加熱冷却器３と測定用プローブ８の先端の温度差が極力小さいほうが半導体レーザ素子２との温度差を小さくすることができる。そこで、プローブホルダ４の材料として、熱伝導率が２００［Ｗ／ｍ・Ｋ］より高い銅、アルミニウムなどを用いることが望ましい。

実施の形態２．
図２は、実施の形態２に係る半導体レーザ検査装置を示すブロック図である。実施の形態１の加熱冷却器１の代わりに、断熱材１４の上に設けた薄い金属板１５に半導体レーザ素子２を載せて測定を行う。バネ１６の一端が金属板１５の上面に接続され、バネ１６の他端がプローブホルダ４の下面に接続されている。このバネ１６が金属板１５とプローブホルダ４を熱的に結合する。その他の構成は実施の形態１と同様である。

図３は図２の破線で囲んだ領域Ａを拡大した側面図である。金属板１５の上面にネジなどでバネ受け１７が固定されている。バネ固定部品１８がプローブホルダ４の下面に接触している。バネ固定部品１８にはバネ固定ピン１９が取り付けられている。バネ１６がバネ固定ピン１９に取り付けられている。バネ１６がバネ固定ピン１９に強く固定され、熱が伝わりやすくなるようバネ固定ピン１９の外形とバネ１６の内径はできるだけ近づけるのが望ましい。バネ固定部品１８にバネ１６を取り付けた状態で、バネ１６の先端をバネ受け１７に差し込む。この状態で、バネ固定部品１８の上にプローブホルダ４を載せる。

プローブホルダ４からの熱を金属板１５に伝える必要がある。このため、バネ１６、バネ受け１７、バネ固定ピン１９、バネ固定部品１８は、何れも熱伝導率が２００［Ｗ／ｍ・Ｋ］より高い金属製であることが望ましく、同じ線膨張率とするため同じ材料であることが望ましい。

バネ固定部品１８とプローブホルダ４の間は固定されていないため、バネ固定部品１８がプローブホルダ４に接触した状態で、測定用プローブ８を高さ方向だけでなく水平方向にも動かすことができる。可動性を考慮しプローブホルダ４の下面とバネ固定部品１８の接触部を鏡面仕上げにし、潤滑油を塗布してもよい。熱伝導性を考慮して接触部に熱伝導グリスを塗布してもよい。バネ１６が横に飛び出さないようにするため、バネ受け１７の深さを深くし、バネ固定ピン１９の一部が常にバネ受け１７に入った状態にしておくことが望ましい。

本実施の形態では、加熱冷却器３の上にプローブホルダ４が取り付けられ、バネ１６が金属板１５とプローブホルダ４を熱的に結合する。従って、１個の加熱冷却器３から測定用プローブ８と金属板１５に熱を伝えることにより、半導体レーザ素子２と測定用プローブ８の温度を近づけることができる。これにより、測定用プローブ８を当てる際に半導体レーザ素子２の特性が変動するのを防ぐことができる。

図４は、実施の形態２に係る半導体レーザ検査装置の変形例を示すブロック図である。実施の形態２の断熱材１４の代わりに、金属板１５の下面の四隅に支柱２０が取り付けられている。金属板１５の下面が中空となっている。支柱２０の材料は樹脂又はセラミックなど熱が伝わりにくいものが望ましい。この場合でも上述の効果を得ることができる。

実施の形態３．
図５は、実施の形態３に係る半導体レーザ検査装置を示すブロック図である。実施の形態１の加熱冷却器３の代わりに、断熱材２１の上にプローブホルダ４が取り付けられている。微動台９は断熱材２１及びプローブホルダ４を上下方向及び水平方向に動かす。バネ１６の一端が加熱冷却器１の上面に接続され、バネ１６の他端がプローブホルダ４の下面に接続されている。このバネ１６が加熱冷却器１とプローブホルダ４を熱的に結合する。その他の構成は実施の形態１と同様である。

図６は図５の破線で囲んだ領域Ａを拡大した側面図である。加熱冷却器１の上面にネジなどでバネ固定部品１８が固定されている。バネ固定部品１８にはバネ固定ピン１９が取り付けられている。バネ１６がバネ固定ピン１９に取り付けられている。バネ１６がバネ固定ピン１９に強く固定され、熱が伝わりやすくなるようバネ固定ピン１９の外形とバネ１６の内径はできるだけ近づけるのが望ましい。プローブホルダ４の下面にバネ受け１７が接触している。バネ固定部品１８にバネ１６を取り付けた状態で、バネ１６の先端をバネ受け１７に差し込む。この状態で、バネ受け１７の上にプローブホルダ４を載せる。

加熱冷却器１からの熱を測定用プローブ８に伝える必要がある。このため、バネ１６、バネ受け１７、バネ固定ピン１９、バネ固定部品１８は、何れも熱伝導率が２００［Ｗ／ｍ・Ｋ］より高い金属製であることが望ましく、同じ線膨張率とするため同じ材料であることが望ましい。プローブホルダ４は、熱伝導率が２００［Ｗ／ｍ・Ｋ］より高い金属製であり、実施の形態２よりもサイズを小さくして熱容量を小さくすることにより測定用プローブ８に熱を伝えやすくすることが望ましい。

バネ受け１７とプローブホルダ４の間は固定されていないため、バネ受け１７がプローブホルダ４に接触した状態で、測定用プローブ８を高さ方向だけでなく水平方向にも動かすことができる。可動性を考慮しプローブホルダ４の下面とバネ受け１７の接触部を鏡面仕上げにし、潤滑油を塗布してもよい。熱伝導性を考慮して接触部に熱伝導グリスを塗布してもよい。バネ１６が横に飛び出さないようにするため、バネ受け１７の深さを深くし、バネ固定ピン１９の一部が常にバネ受け１７に入った状態にしておくことが望ましい。

本実施の形態では、バネ１６が、半導体レーザ素子２を載せる加熱冷却器１とプローブホルダ４を熱的に結合する。従って、加熱冷却器１からバネ１６とプローブホルダ４を介して測定用プローブ８に熱を伝えることにより、半導体レーザ素子２と測定用プローブ８の温度を近づけることができる。これにより、測定用プローブ８を当てる際に半導体レーザ素子２の特性が変動するのを防ぐことができる。

実施の形態４．
図７は、実施の形態４に係る半導体レーザ検査装置を示すブロック図である。プローブホルダ４又は測定用プローブ８に設けられた穴に温度センサ２２が取り付けられている。温度センサ２２は測定用プローブ８の温度を測定する。

半導体レーザ素子２の検査を開始する前に以下のように加熱冷却器３の温度を予め調整する。制御部７は、加熱冷却器１と加熱冷却器３を、製品検査を行う温度Ｔ℃に設定し、安定化させる。この状態で温度センサ６が加熱冷却器３の温度を測定し、温度センサ２２がプローブホルダ４の温度を測定する。温度センサ６の測定温度から温度センサ２２の測定温度を引いた値をαとする。制御部７は、加熱冷却器１の温度をＴに設定し、加熱冷却器３の温度をＴ＋αに設定し直す。

これにより、測定用プローブ８の温度がＴ℃となるため、半導体レーザ素子２の温度を設定する加熱冷却器１の設定温度と一致させることが可能である。従って、実施の形態１よりも半導体レーザ素子２と測定用プローブ８の温度を近づけることができる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。なお、測定時に温度センサ２２で測定された温度は使用しないため、加熱冷却器３の設定温度の調整が完了した後は温度センサ２２を取り外してもよい。

実施の形態５．
図８は、実施の形態５に係る半導体レーザ検査装置を示すブロック図である。半導体レーザ素子２の出射光の波長を測定する波長計２３が実施の形態１の構成に追加されている。半導体レーザ素子２の検査を開始する前に以下のように加熱冷却器３の温度を予め調整する。

加熱冷却器１の設定温度Ｔに対して、加熱冷却器３の温度をＴ－１０℃からＴ＋１０℃まで１℃刻みで変化させる。各温度において、測定用プローブ８を当てた際の半導体レーザ素子２の出射光の波長の時間変動を測定する。図９は、測定用プローブの設定温度に対する半導体レーザ素子の出射光の波長の時間変動を測定した図である。横軸は、測定用プローブ８の設定温度である。縦軸は、測定用プローブ８を当てた時の半導体レーザ素子２の出射光の波長の時間変動の絶対値である。波長の時間変動は放物線を描き、極小点を持つ。

次に、波長の時間変動が極小となる温度をＴ’とすると、加熱冷却器３の温度をＴ’－１℃からＴ’＋１℃まで０．１℃刻みで変化させ、波長の時間変動を取得する。この測定で波長の時間変動が極小となる温度Ｔ’’が求まる。制御部７は、この求めた温度Ｔ’’に加熱冷却器３を設定する。

加熱冷却器３を温度Ｔ’’に設定した状態で波長の時間変動が極小になるということは、半導体レーザ素子２と測定用プローブ８の温度が一致していることを意味する。上記の調整を行うことにより、半導体レーザ素子２と測定用プローブ８の温度を近づけることができる。これにより、測定用プローブ８を当てる際に半導体レーザ素子２の特性が変動するのを防ぐことができる。

実施の形態６．
図１０は、実施の形態６に係る半導体レーザ検査方法を説明するためのブロック図である。金属板１５の上に載せたレーザ素子の出射光の波長を測定する波長計２３が実施の形態２の構成に追加されている。半導体レーザ素子２の検査を開始する前に以下のように加熱冷却器３の温度を予め調整する。

金属板１５の上に、予め波長と温度の関係が分かっている温度設定用レーザ素子２４を載せ、加熱冷却器３の温度を変えながら温度設定用レーザ素子２４の出力光の波長を波長計２３で測定し、所望の温度に対応する波長になった時点で加熱冷却器３の温度を固定する。

温度設定用レーザ素子２４を金属板１５から取り外した後、加熱冷却器３の温度を固定した状態で金属板１５に半導体レーザ素子２を載せる。そして、実施の形態２と同様に、測定用プローブ８の先端を半導体レーザ素子２に当てて半導体レーザ素子２の検査を行う。これにより半導体レーザ素子２を検査する温度条件に精度よく合わせることが可能である。その他の構成及び効果は実施の形態２と同様である。

実施の形態７．
図１１は、実施の形態７に係る半導体レーザ検査方法を説明するためのブロック図である。加熱冷却器１の上に載せたレーザ素子の出射光の波長を測定する波長計２３が実施の形態３の構成に追加されている。半導体レーザ素子２の検査を開始する前に以下のように加熱冷却器１の温度を予め調整する。

加熱冷却器１の上に、予め波長と温度の関係が分かっている温度設定用レーザ素子２４を載せ、加熱冷却器１の温度を変えながら温度設定用レーザ素子２４の出力光の波長を波長計２３で測定し、所望の温度に対応する波長になった時点で加熱冷却器１の温度を固定する。

温度設定用レーザ素子２４を加熱冷却器１から取り外した後、加熱冷却器１の温度を固定した状態で加熱冷却器１に半導体レーザ素子２を載せる。そして、実施の形態３と同様に、測定用プローブ８の先端を半導体レーザ素子２に当てて半導体レーザ素子２の検査を行う。これにより半導体レーザ素子２を検査する温度条件に精度よく合わせることが可能である。その他の構成及び効果は実施の形態３と同様である。

１第１の加熱冷却器、２半導体レーザ素子、３第２の加熱冷却器、４プローブホルダ、５，６，２２温度センサ、７制御部、８測定用プローブ、９微動台、１０検査装置、１５金属板、１６バネ、２０支柱、２３波長計、２４温度設定用レーザ素子

Claims

半導体レーザ素子を載せる第１の加熱冷却器と、
第２の加熱冷却器と、
前記第２の加熱冷却器の上に取り付けられたプローブホルダと、
前記プローブホルダの先端に固定された測定用プローブと、
前記第２の加熱冷却器及び前記プローブホルダを動かして前記測定用プローブの先端を前記半導体レーザ素子に当てる微動台と、
前記測定用プローブを介して前記半導体レーザ素子に検査信号を入力する検査装置と、
前記半導体レーザ素子の出射光の波長を測定する波長計と、
前記第１の加熱冷却器の設定温度に対して前記第２の加熱冷却器の温度を変化させた場合に前記測定用プローブを当てた時の前記半導体レーザ素子の出射光の前記波長の時間変動が極小になる温度を求め、この求めた温度に前記第２の加熱冷却器を設定する制御部とを備えることを特徴とする半導体レーザ検査装置。
前記プローブホルダの熱伝導率は２００Ｗ／ｍ・Ｋより高いことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ検査装置。