KR20130121896A - 레이저 특성화 처리 시스템 및 방법 - Google Patents

레이저 특성화 처리 시스템 및 방법 Download PDF

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펭 시에
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Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼로부터 분리되는 반도체 바 상의 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들을 자동으로 특성화 처리하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 상기 시스템은 회절 각도 범위를 통해 회절 격자를 회전시키는 회전 스테이지 상에 장착된 회절 격자; 회절 격자의 표면과 수직으로 배향되고 회전 스테이지 상에 장착된 조정 미러; 레이저 분석기; 및 레이저 바 위치 선정 스테이지를 포함한다. 위치 선정 스테이지는 상기 스테이지 상의 레이저 바의 레이저 칩 각각을 한번에 한 칩씩 회절 격자와 정렬시키기 위해 자동으로 이동하고, 그 결과, 레이저 바의 레이저 칩으로부터 발광된 레이저 빔의 일부는 레이저 방출을 잠그기 위해 격자의 제 1 차 회절에 의해 동일한 레이저 칩으로 다시 반사되고, 조정 미러에 의해 반사된 나머지 레이저 빔은 레이저 분석기에 의해 수신되고 특성화 처리된다. 각각의 레이저 운송에 있어서, 회전 스테이지는 레이저 칩에 의해 방출된 레이저 빔에 대해 회절 각도 범위를 통하여 회절 격자를 회전시키기 위해 자동으로 회전되고, 레이저 분석기는 스펙트럼, 파워 또는 공간 모드 등의 레이저 광학 속성을 각각의 회절 각도에서 자동으로 특성화 처리한다.

Description

레이저 특성화 처리 시스템 및 방법{LASER CHARACTERIZATION SYSTEM AND PROCESS}
본 발명은 반도체 레이저의 특성화 처리(characterization)에 대한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 외부 캐비티 반도체 레이저의 특성화 처리에 관한 것, 특히 바(bar)로부터 개별적인 칩 각각을 분리 및 장착하기 전에, 레이저 칩들의 바에서 각각의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 자동적인 테스트 및 특성화 처리에 관한 것이다.
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 35 U.S.C.§ 119 하에 2010년 12월 2일에 출원된 미국 가출원 제61/419,042호의 우선권 주장 출원이며, 상기 미국 가출원의 내용은 참조로서 본원에 전반적으로 의존되고 병합된다.
양자 종속 레이저(quantum cascade laser, QCL)는 MIR(mid-infrared) 및 FIR(far-infrared) 파장 범위에서, 예를 들면, 약 3 ㎛ 내지 약 15 ㎛의 파장 범위에서 주로 발광하는 유니폴라 반도체 레이저 유형이다. 외부 캐비티 양자 종속 레이저(external cavity quantum cascade laser, EC-QCL)는 양자 종속 게인 블록(quantum cascade gain block)(예를 들면, 일 면 상에 반사 방지 코팅이 있는 레이저 칩)과 외부 캐비티를 결합한 레이저 시스템이다. 외부 캐비티는 시준 렌즈 및 회절 격자 미러(또는 간단한 회절 격자)를 통상적으로 포함하다. 조정 가능한 외부 캐비티 반도체 다이오드 레이저용 공통 리트로 구성(common Littrow configuration)에 있어서, 양자 종속 게인 블록으로부터 발광된 광은 레이저 방출을 달성하기 위해 제 1 차 회절에서 회절 격자에 의해 반사되고, 다시 본래 빔 경로를 따라 양자 종속 게인 블록으로 다시 간다. 상기와 같은 레이저 시스템은 격자 미러(grating mirror)의 격자 각도(또는 리트로 각도)에 의해 판별된 단일 파장에서 레이저 방출을 할 수 있도록 통상적으로 주의 깊게 설계된다. 격자 각도는 양자 종속 게인 블록으로부터 발광된 광 빔의 경로의 축과 회절 격자에 대해 수직을 이룬 연장 축 사이의 각도이다. 회절 격자가 회전 또는 피봇할 시에, 격자 각도는 변화게 되고, EC-QCL에 의해 생성된 레이저 빔의 레이저 방출 파장도 변하게 된다. 그러므로, EC-QCL 레이저 시스템의 레이저 방출 파장은 격자 미러를 회전시킴으로써, 특정 범위 내에서 조정될 수 있다. 레이저 방출 파장이 조정될 수 있는 범위는 파라미터들, 예를 들면, 양자 종속 게인 블록의 게인 프로파일, 게인 블록의 면 상의 반사 방지(anti-reflective, AR) 코팅, 게인 블록과 외부 캐비티 간의 연결 효율, 및 격자 미러의 제 1 차 회절의 반사율에 의해 판별된다.
EC-QCL은 mid-IR 분광학(spectroscopy) 및 분자 감지(molecular sensing)에서 다수의 적용물을 찾아내는 단일 주파수 mid-IR 복사의 상대적으로 폭 넓은 스펙트럼 가변성을 제공한다. EC-QCL 게인 미디어 파라미터들의 특성화 처리 및 최적화 처리(optimization), 예를 들면 레이저의 조정 범위 및 전기 속성의 특성화 처리는 EC-QCL 개선 및 설계에 있어 가장 중요한 역할을 한다. EC-QCL 구성에서 QCL 게인 미디어의 제조, 특성화 처리 및 선택에 대한 종래의 방법은 다음과 같은 여러 개의 스테이지를 필요로 한다: 1) 웨이퍼의 설계, 성장, 및 처리, 2) 단일 EC-QCL 칩들로 웨이퍼 절단 및 분리, 3) 칩 다이 접착/장착, 4) 칩 면 코팅(하나씩), 5) 개별적인 EC-QCL 칩 테스트, 특성화 처리 및 최적의 게인 미디어 선택. 스테이지 #1이 보통 가장 좋은 산업 표준에 최적화되는 반면, 스테이지 #2 내지 스테이지 #5의 처리는 통상적으로 수동적으로 실행되며, 높은 볼륨의 산업 제조 및 R&D 환경(research and development environments)에서는 실행하기가 어려운 면이 있다. 개별적인 EC-QCL 칩 각각의 분리, 장착, 테스트 및 특성화 처리는 복잡한 레이저 - 캐비티 정렬을 실행하기에, 상당한 시간과 양호한 자격을 갖춘 오퍼레이터를 필요로 한다. 그러므로, 레이저 칩들의 특성화 처리는 비용이 많이 들고, 시간 소모적이며, 노동 집약적 처리이다.
제조 최초 스테이지에서, 예를 들면, 상술된 스테이지 #2 내지 스테이지 #5 중 하나 이상 전에, EC-QCL 및 다른 유형의 외부 캐비티(EC) 레이저 칩들의 테스트 및 특성화 처리에 대한 방법 및 시스템이 필요하고, 이러한 방법 및 시스템은 스테이지 #2 내지 스테이지 #5에서 소요된 소모 시간 및 노력을 제거하고, 보다 효율적이고 비용면에서 경제적인 레이저 테스터 및 특성화 처리 방법을 제공한다.
본원에서 기술된 바와 같이, 일 실시예는, 반사 방지(AR) 및/또는 고 반사(HR) 코팅된 외부 캐비티 레이저 바들(40 개의 QC 게인 블록들을 구비함)을 개별적인 레이저 칩들/다이오드들로 분리하기 전에, 상기 외부 캐비티 레이저 바들의 완전 자동화 테스트 및 특성화 처리를 실행하는 시스템 및 방법을 제공한다. 본원의 시스템 및 방법은 조정 처리 동안 빔 조정이 없고 탈출되지 않은 출력 레이저 빔의 안정적인 광학 축을 확보한다. 본원의 시스템 및 방법은 또한 정확하고, 자동적인 레이저-캐비티 정렬 및/또는 특성화 처리를 안정적인 외부 캐비티 설계에 제공한다. 한번에 양자 종속 레이저 칩의 일 면에만 접근함으로써, 출력 레이저 복사에 대한 제 2 시준 렌즈의 정렬에 대한 문제점이 방지되고, 이는 서로 다른 길이의 도파관을 가진 양자 종속 레이저들 경우에 특히나 이점을 준다.
추가적인 특징 및 이점은 다음의 상세한 설명에서 기술될 것이고, 다음의 상세한 설명, 청구항 및 첨부된 도면을 포함한 본원에 개시된 바와 같이, 이와 같은 설명은 기술 분야의 통상의 기술자에게 있어 부분적으로 손쉽게 명확해질 수 있거나, 기술 분야의 통상의 기술자라면 실시예를 시행함으로써 인식될 것이다.
이해하여야 하는 바와 같이, 상술된 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두는 단지 예시일 뿐이며, 청구항의 특성 및 특징을 이해시키려는 개요 또는 구성을 제공하려는 의도를 갖는다. 첨부된 도면은 추가적인 이해를 제공하기 위해 포함되고, 이러한 명세서의 일부에 병합되고 그 일부를 구성하기도 한다. 도면은 하나 이상의 실시예(들)를 나타내고, 상세한 설명과 함께 다양한 실시예의 원리 및 동작을 설명하는 기능을 한다.
도 1은 형성된 QCL 칩들의 행을 가진 웨이퍼로부터 절단된 QCL 레이저 칩들의 바의 개략적인 사시도;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 바 테스트(laser bar testing) 및 특성화 처리 시스템의 실시예의 개략적인 도면;
도 3은 도 3의 레이저 바 테스트 및 특성화 처리 시스템의 기능적인 블럭도;
도 4는 도 2 및 3의 시스템에서 사용되는 레이저 바 진공 척 고정구(laser bar vacuum chuck fixture)의 실시예의 개략적인 사시도;
도 5는 도 2 및 3의 시스템에서 사용되는 외부 캐비티 모듈(EC 모듈)의 실시예의 개략적인 사시도;
도 6은 도 5의 EC 모듈에서 회전 스테이지 상의 회절 격자 및 조정 미러의 정렬의 개략적인 도면;
도 7은 도 5의 EC 모듈에서 회전 스테이지의 회전 축과 회절 격자와의 정렬의 개략적인 도면;
도 8은 도 5의 EC 모듈에서 회절 격자 및 회전 스테이지와 시준 렌즈와의 정렬의 개략적인 도면;
도 9는 도 5의 EC 모듈에서 시준 렌즈와 QCL 칩과의 정렬의 개략적인 도면;
도 10은 도 2 및 3의 시스템에서 레이저 칩으로부터 빔과 도 5의 EC 모듈의 격자 각도에서의 회절 격자와의 정렬의 개략적인 도면;
도 11은 도 2 및 3의 시스템에 의해 특징이 지어진 바와 같이, 3.5 ㎛에서 동작되는 EC-QCL 칩에 대한 EC 스펙트럼 가변성(spectral tunability) 및 임계 전류 스펙트럼을 보여주는 도면;
도 12는 도 2 및 3의 시스템에 의해 특징이 지어진 바와 같이, 동일한 바 상에서 선택된 EC-QCL 칩들에 대한 임계 전류 대 격자 각도를 보여주는 도면; 및
도 13은 도 2 및 3의 시스템에 의해 특징이 지어진 바와 같이, 동일한 바 상에서 선택된 양자 종속 레이저의 조정 스펙트럼을 보여주는 일련의 도면이다.
이제 참조는, 첨부된 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예(들)에 대해서는 단지 예로서, 상세하게 만들어질 것이다. 가능하다면, 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 부분을 제시하기 위해 도면 전체에 걸쳐 사용될 것이다.
본원은, 레이저 칩들을 개별적인 레이저 칩들로 분리하거나 차후 처리 또는 테스트 및 특성화 처리에 대한 개별적인 칩들의 장착을 하기 전에, 반도체 웨이퍼로부터 절단된 바 상에서 복수의 레이저 칩들의 자동적인 정렬, 테스트 및 특성화 처리에 대한 시스템 및 방법을 제공한다. 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 반도체 웨이퍼(10)는 복수의 행들에서 형성된 복수의 레이저 칩들(3)을 가진다. 도 1에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(10)는 웨이퍼로부터 레이저 칩들의 개별적인 행들을 분리하기 위해, 즉, 어레이된 복수의 레이저 칩들(3)을 가진 반도체 물질의 개별적인 바들(1)("레이저 바들")을 웨이퍼로부터 분리하기 위해 절단된다. 레이저 칩들은 레이저 바들(1)의 길이를 따라 평행하게 I 형으로 어레이된 40 개의 QCL 페브리-페로트 캐비티 도파관 레이저 칩들(Fabry-Perot cavity waveguide laser chips) 또는 게인 블록들(gain blocks)일 수 있다. 레이저 바(1)의 일 측 상의 절단면(cleaved facet)(5)에는 도파관의 일측 말단 상의 HR(highly-reflective) 코팅이 제공될 수 있고, 레이저 바의 타 측 상의 절단면(7)에는 도파관의 타측 말단 상의 (AR) 코팅이 제공될 수 있다. 비-코팅된 칩들은 본원에서 기술된 시스템 및 방법으로 테스트될 수도 있다.
레이저 바(1) 상에서 반도체 레이저 칩들(3)의 자동 정렬, 테스트 및 특성화 처리에 대한 시스템의 일 실시예는, 이제 도 2 및 3을 참조하여 기술될 것이다. 본원의 실시예에 따른 레이저 특성화 처리 시스템은 레이저 바 위치 선정 스테이지 모듈(PS 모듈)(100) 및 외부 캐비티 모듈(EC 모듈)(200)을 포함한다. PS 모듈(100)은 레이저 칩들(3)을 하나하나 EC 모듈과 정렬시키기 위해, 외부 캐비티(EC) 모듈(200)에 대해 제어 방식으로 레이저 바(1)를 이동시키도록 구성된다. EC 모듈은 PS 모듈 상에 레이저 칩들에 대해 제어된 방식으로 회절 격자(diffraction grating)(210)를 회전 또는 피봇하기 위해 차례 차례로 구성된다. 시준 렌즈(collimating lens)(212)는 EC 모듈과 정렬된 레이저 칩(3)으로부터 발광된 광(L)을 시준하여, 시준된 광 빔(B1)을 회절 격자(210)로 포커싱하기 위해 PS 모듈(200)과 EC 모듈 사이에 위치한다. 시준 렌즈는 EC 모듈(200)의 사전 정렬된 부분일 수 있다. 시준 렌즈(212)는 AR-코팅이 된 고속 (f-수 f#≤1) 비구면 렌즈일 수 있고, 구면 수차(spherical aberrations)를 제거하기 위해 보정될 수 있고, 높은 발산 빔의 보정을 위해 특히 설계될 수 있다. 단지 일 예로, 시준 렌즈(212)는 3 내지 12 ㎛의 파장에 대해 설계된 1″의 직경, f/0.6, Ge, AR-코팅된 렌즈일 수 있다. 시준 렌즈는 선형 운동(linear motion)을 제공하기 위해 기술 분야에서 공지된 이동 스테이지(translation stage) 또는 렌즈 정렬 모듈, 예를 들면 종래의 3D 이동 스테이지 상에 장착될 수 있다. 스테이지에는 레이저 광학 정렬의 필요에 따라 렌즈(212)를 위치 선정하는, 원격으로 제어되는 피에조 모터들이 갖추어져 있는 것이 바람직할 수 있다.
본원의 일 실시예에서 전체 시스템은 진공 기밀 하우징(미도시) 내에 밀봉될 수 있고, 이로써, 시준 렌즈(212)를 정렬시키는 간단한 방식은 자동식 이동 가능한 스테이지(238) 또는 다른 렌즈 위치 선정 메커니즘을 이용하는 것이다. 시준 렌즈가 하우징 내에 있지 않은 실시예에서, 수동 조정을 포함한 조정의 다른 모드들도 사용될 수 있다.
본원의 일 실시예에 따라서, PS 모듈(100)은 진공 척(110), 위치 선정 스테이지(120), 및 전자 프로브(130)를 포함할 수 있다. 진공 척(110)은 위치 선정 스테이지(120) 상에서 특성화 처리되는 레이저 바(1)를 정확하게 장착하기 위해 위치 선정 스테이지(120)의 상부 상에 장착된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 진공 홀들(112)의 행은 진공 척의 평면 상부 표면(113)에서 제공되고 EC 모듈(200)을 향하는 진공 척의 에지와 평행하고 인접하는 레이저 바 장착 스테이션을 형성한다. 공기는 장착 스테이션(예를 들면, 진공 홀들 상의 척의 상부 표면) 상에 위치한 레이저 바(1)의 하부 표면 상에서 흡입을 생성하기 위해 진공 홀들(vacuum holes)을 통해 인출되어 척 상의 장착 스테이션 적소에 레이저 바를 고정시킨다. 한 쌍의 정확하게 위치된 정렬 받침대들(alignment abutments)(115, 116) 및 정확하게 위치된 위치 선정 받침대(117)는 진공 척의 상부 표면으로부터 연장된다. 정렬 받침대들(115, 116)은 위치 선정 스테이지(120) 및 EC 모듈에 대해 레이저 바(1)를 사전 정렬하기 위해 레이저 바(1)의 AR 코팅 에지(7)의 마주하는 말단들과 맞닿는다. 위치 선정 받침대(117)는 척(110) 상에서 레이저 바를 횡 방향으로 사전 위치시키기 위해 레이저 바의 일측 말단에 맞닿는다. 정렬 받침대들은 판으로 도시되었지만, 인식할 수 있는 바와 같이, 정렬 받침대들은 핀들 또는 다른 구조일 수 있다. 이와 유사하게, 위치 선정 받침대(116)는 핀으로 도시될 수 있지만, 판 또는 다른 구조일 수 있다. 대안적으로, 정렬 및 위치 선정 받침대들 대신에, 정확하게 형성되어 위치한 위치 선정 슬롯이 위치 선정 스테이지 상에서 수용하고 정렬하고 그리고 위치시키기 위해 척의 상부 표면에 정확하게 형성될 수 있다. 어느 경우이든, 진공 홀들(112)의 행은 위치 선정 슬롯의 하부에서 제공될 수 있다. 진공 척(110)은, 레이저 바(1)를 냉각하여 레이저 바를 실질적으로 일정한 온도로 유지시키기 위해, 전도성 물질, 예를 들면, 구리로 형성되어 열전 냉각기(thermoelectric cooler, TEC) 모듈(150)로 온도를 제어할 수 있다. 대안적으로, 냉각 유닛, 예를 들면 냉장고로부터의 냉각 유체는 TEC 대신에 척에 구비되기 위해 냉각제 통로(coolant passages)를 통하여 순환될 수 있다.
위치 선정 스테이지(120)는, 위치 선정 스테이지의 운동을 정확하게 제어하고 자동 테스트 및 특성화 처리를 위한 EC 모듈(200)과 레이저 바 상의 개별적인 레이저 칩들(3)과의 자동적인 정렬을 위해 컴퓨터 또는 제어기(160)에 연결된다. 예를 들면, 위치 선정 스테이지(120)는 정확성이 있는 6 개 축-이동 스테이지, 예를 들면 6 개 축의 육각류(hexapod), 예를 들면, Physik Instrumente(PI) GmbH에서 나온 PI F-206.S HexAlign™일 수 있다. 6 개 축-육각류 위치 선정 스테이지는 EC 모듈(200)에 대해 레이저 바(1) 상에 개별적인 레이저 칩들(3)을 반복적으로 위치 및 정렬시키기 위해 레이저 바(1)의 정확한 이동 및 회전을 제공한다.
전자 프로브(electronic probe)(130)는 동력식 프로브 조종기(motorized probe manipulator)(132)에 의해 위치 선정 스테이지(120)(또는 척(110)) 상에 장착된다. 프로브 조종기(132)는 레이저 칩을 활성화시키는 EC 모듈과 정렬되는 레이저 바(1) 상의 레이저 칩(3) 상부와 전기 접촉 및 비-접촉하도록 전자 프로브(130)의 자동적인 이동을 위해 제어기(160)에 의해 제어된다. 레이저 칩은 전도성 진공 척(110)을 통하여 전기적으로 접지된다. 대안적으로, 전기적인 접촉은 레이저 바 상에 레이저 칩들을 접촉 및 접지시키기 위해 장착 스테이션의 진공 척의 상부 표면(113) 상에 제공될 수 있다. 전자 프로브(130)는 레이저 바 상에 개별적인 레이저 칩 각각에 접촉 및 비-접촉하도록, 프로브의 자동적인 이동을 위해 하나 이상의 동력식 마이크로 스테이지들에 의한 스테이지 상에서 장착될 수 있다. 예를 들면, 전자 프로브는 2 개의 동력식 마이크로 스테이지 상에 장착될 수 있고, 하나의 마이크로스테이지는 레이저 칩으로부터 레이저 칩으로 레이저 바를 따라 수평 x 방향으로 이동하고, 하나의 마이크로 스테이지는 선택된 레이저 칩과 맞닿음 및 분리를 실행하는 수직 z 방향으로 이동한다. 예를 들면, 프로브 조종기는 National Aperture, Inc에서 나온 2 개의 MM-3M 동력식 마이크로-미니™ 스테이지들을 포함할 수 있다. 프로브 조종기는 진공 척(110)과 함께 위치 선정 스테이지(120) 상에 공동 위치하고, 그 결과 전자 프로브(130)는 위치 선정 스테이지(120)가 EC 모듈(200)과 레이저 칩(3)을 정렬시키기 위해 이동될 시에 진공 척(110) 상의 레이저 바(1)와 함께 이동한다.
본원의 일 실시예에 따른 외부 캐비티("EC") 모듈(200)은 도 2, 3 및 5에 개략적으로 도시된다. EC 모듈(200)은 회절 격자 유닛을 형성하기 위해 회전 스테이지(230) 상에 사전 정렬된 회절 격자(210) 및 빔 조정 미러(beam steering mirror)(220)를 포함한다. 회절 격자(210) 및 빔 조정 미러(220)는 수직으로 배향된 회전 스테이지(230) 상에서 서로 직각으로 장착된다. 회전 스테이지(230)는 장착 스테이션에서 진공 척(110) 상에 장착된 레이저 바에서 테스트받는 레이저 칩에 대해 회절 격자(210) 및 빔 조정 미러(220)를 회전시키는 수평 회전 축(232)을 가진다. 회절 격자(210) 및 빔 조정 미러(220)는 서로 직각으로 장착되고, 그 결과 출력 빔(B2)은 그의 궤도에 실질적으로 변동 없이 남아 있게 되고 회절 격자가 특성화 처리 중에 회전될 시에 "탈출(walk-off)"하지 않는다.
레이저 분석기(140)는 출력 빔(B2)을 수신 및 분석하기 위해, 그리고 빔의 공간 분포를 프로파일하기 위해 위치한다. 레이저 분석기(140)는 레이저 칩들의 스펙트럼 특성화 처리를 위한 FTIR(Fourier Transfer Infrared spectrometer)일 수 있거나, 사용자 필요에 기반하여, 격자 분광계(grating spectrometer), M^2 (빔 품질) 측정 시스템, 간단한 역률계, 편광계, 간섭계 등의 다른 광학 테스트 장비일 수 있다. 분석기에 의해 검출된 광 신호는 잡음 제거를 개선시키는 락-인 증폭기(lock-in amplifier)(170)에 의해 복조될 수 있다.
회절 격자(210)는 원하는 파장 영역에 대해 블레이즈된(blazed) 괘선 반사 회절 격자(ruled reflective diffraction)를 포함하여(이에 제한되지 않음), 적합한 해상력 및 효율을 가진 적합한 반사 격자일 수 있다. 적합한 격자의 예는 300 grooves/mm을 가진 5.4 ㎛의 파장에 대해 블레이즈된 괘선 회절 격자이다. 이와 마찬가지로, 조정 미러(220)는 넓은 파장 범위 내에 높은 반사율을 제공할 수 있는 금, 은 또는 알루미늄으로 코팅된 미러들을 포함하여(이에 제한되지 않음), 적합한 반사 표면을 포함할 수 있다.
회전 스테이지는 지지 프레임(234) 상에 장착될 수 있고, 지지 프레임은 컬럼(column)(도 5에서 미도시) 또는 다른 지지 구조 상에서 Z 방향으로 수직 방향으로 조정 가능하게 장착될 수 있다. 회전 스테이지(230)는 회전 스테이지(230)의 수평 경사를 조정하기 위해 경사 스테이지(tilt stage)(240)를 통해 지지 프레임(234) 상에 장착될 수 있고, 그러므로 진공 척(110) 상에 장착되어 테스트받는 레이저 칩에 대해 회절 격자(210) 및 빔 조정 미러(220)의 경사를 조정할 수 있다. 경사 스테이지의 피봇 축은 격자 회전 스테이지(230)의 회전 축에 대해 수직을 이루어야 한다. 시준 렌즈는 렌즈 위치 선정 메커니즘(238)을 통해 지지 프레임(234)으로부터 연장된 암(236) 상에 장착될 수 있고, 그 결과 시준 렌즈는 진공 척(110) 상에 장착되어 테스트되는 레이저 칩(3)과 회절 격자(210) 사이에 정확하게 위치할 수 있다. 적합한 구동 장치들, 예를 들면 스텝퍼 모터들(stepper motors)은 이하에서 보다 상세하게 기술한 바와 같이, EC 모듈을 정렬시키기 위해 회전 스테이지(232) 및 경사 스테이지(240)를 회전시켜서, 제어기(160)의 자동 제어 하에 또는 수동 제어 하에 지지 프레임(234)을 컬럼 상에 이동시키는데 사용될 수 있다.
외부 캐비티 레이저들에서 외부 캐비티의 조정 자유도(degrees of freedom f adjustment)가 다수 개 있다. 레이저 바(1) 상의 레이저 칩들(3)과 EC 모듈(200)과의 신뢰 가능한 정렬을 실행하고 칩들(3)의 전체 조정 범위 내에서 EC 모듈의 우수한 연결을 확보하기 위해서, EC 모듈의 소자들은 주의 깊게 사전 정렬되어야 한다. 시준 렌즈가 EC 모듈의 부분인 본원의 실시예들에서, 다음의 EC 모듈 사전-정렬 요건들은 만족되어야 한다.
제 1 EC 모듈 사전-정렬 요건. 도 7에 도시된 바와 같이, 회절 격자(210)는 회전 스테이지(230) 상에 장착되어야 하고, 그 결과 회절 격자(210)의 그루브들(grooves)(242)은 회전 스테이지(230)의 회전 축(232)(또는 회전 축(232))에 평행하게 정렬된다. 그렇지 않으면, 반사 및 회절 빔은 회절 격자가 회전할 시에 레이저 광학 축과 일치하지 않을 것이다.
제 2 EC 모듈 사전-정렬 요건. 도 2 및 도 6에 도시된 바와 같이, 회절 격자(210) 및 빔 조정 미러(220)는 회전 스테이지(230) 상에 장착되어야 하고, 그 결과 회절 격자(210) 및 조정 미러(220)의 표면들에 의해 정의된 2 개의 평면들은 서로 직각으로 배향되고, 이러한 2 개의 표면들의 교차 지점은 회전 스테이지(230)의 회전 축(232)과 일치하게 된다. 그렇지 않으면, 출력 빔(B2)은 회절 격자가 파장 특성화 처리 동안 회전될 될 시에 "탈출"할 것이다.
제 3 EC 모듈 사전-정렬 요건. 도 8에 도시된 바와 같이, 경사 스테이지(240)의 배향 및/또는 시준 렌즈(210)의 위치는 조정되어야 하고, 그 결과 회전 축(232)은 시준 렌즈의 축(244)(렌즈 축(212))에 수직으로 배향된다. 그렇지 않으면, 특성화 처리된 레이저 칩(3)을 향해 다시 반사된 회절 빔은, 회절 격자가 파장 특성화 처리 동안 회전할 시에 탈출할 것이고, 레이저 칩(3)과 EC와의 연결 효율을 떨어트릴 것이다.
EC 모듈 사전-정렬 요건이 충족되면, EC 모듈의 소자들의 정렬은 영구적으로 고정될 수 있고, 그 결과 EC 모듈은 추가 레이저 특성화 처리를 위해 적합하게 정렬된 상태로 남아 있게 된다.
만약 이전에 장착되어 있지 않았다면, 정렬된 EC 모듈은 이제 컬럼 또는 다른 지지 구조(미도시) 상에 장착되고, 그 결과 EC 모듈은 PS 모듈을 향하여 인접하게 위치한다. 이루려는 레이저 특성화 처리가 된 레이저 칩(3)의 레이저 도파관/게인 블록으로 반사 회절 빔이 다시 적당하게 연결되기 위해서, 2 개의 EC 모듈 - PS 모듈 정렬 요건들이 충족되어야 한다.
제 1 EC 모듈 - PS 모듈 정렬 요건. 도 9에 도시된 바와 같이, 위치 선정 스테이지(120)의 위치 및 배향 및/또는 컬럼 상의 EC 모듈(200)의 수직 위치는 조정되어야 하고, 그 결과 레이저 바의 제 1 말단 상에서 특성화 처리가 되는 제 1 레이저 칩(3)으로부터 발광된 광 빔 축(248)(또는 간단하게 빔 축(248))은 시준 렌즈의 렌즈 축(244)과 정렬되어 일치된다.
제 2 EC 모듈 - PS 모듈 정렬 요건. 도 10에 도시된 바와 같이, 회전 스테이지는 조정/회전되어야 하고, 그 결과 회절 격자(210)의 표면은 격자 각도 또는 리트로 각도(Littrow angle)(θ)로 광 빔(B1)에 대해 배향된다. 제 1 및 제 2 EC 모듈 - PS 모듈 정렬 요건들 또는 단계들은 시스템이 특정 레이저 바 구성에 대해 우선적으로 초기화될 시에 수동 사전-정렬을 필요로 할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 방법에서 레이저 바(1) 상의 칩들(3)을 특성화 처리하기 위해, EC 모듈 영역의 구성 요소들은 사전 정렬되고 EC 모듈은 상술된 바와 같이 PS 모듈과 사전 정렬된다. 시스템은 이제 레이저 바 상의 레이저 칩들을 특성화 처리하기 전에 자동으로 정렬될 준비를 이제 한다. 시스템을 자동으로 하기 위해, 우선, 전자 프로브(130)는 정렬 받침대들(115, 116) 및 위치 선정 받침대(117) 위로 이격되어 이동된다. 그 후, 레이저 바(1)는 진공 척(110)의 상부 표면(113) 상의 장착 스테이션에 위치하고, 이때 레이저 바의 AR 코팅면(7)은 정렬 받침대들(115, 116)과 접촉하고 레이저 바의 말단은 위치 선정 받침대(117)에 접촉한다. 레이저 바의 크기 및 유형은 제어기에 입력되고, 이때 제어기는 레이저 바 상의 레이저 칩들을 자동으로 위치, 정렬 및 분석하기 위해 사전 프로그램화된다. 레이저 바(1)는 예를 들면, 40 개의 EC-QCL 레이저 칩들(C1, C2, C3… C40)의 바일 수 있다. 인식할 수 있는 바와 같이, 본원의 시스템 및 방법은 다른 유형의 레이저를 테스트 및 특성화 처리하기 위해 사용될 수 있다. 진공 척의 진공이 사전에 턴 온되지 않은 경우, 진공은 이제 턴 온되되, 진공 척 상의 적소에 레이저 바를 유지시키기 위해 턴 온된다. 특성화 처리되는 격자 각도(θ)의 소기의 범위, 즉 최소 및 최대 격자 각도, 및 격자 각도의 증분 수(n)(θ1, θ2, … θn) 역시 제어기에 입력된다. 테스트받는 격자 각도(θ) 범위는 레이저 칩 게인 프로파일의 폭에 의해 판별된다. 예를 들면, 4.5 ㎛ 내지 4.7 ㎛의 레이저 조정 범위에 있어서, 테스트받는 격자 각도 범위는 약 2 도 내지 3 도로 브랙 방정식(Bragg equation)으로부터 계산될 수 있다. 테스트받는 격자 각도(θ)의 증분 수(n)는 여유가 있는 한 총 최대 특성화 처리 시간에 기반하여 선택될 수 있다. 예를 들면, 증분 수(n)는 15 또는 20으로 설정될 수 있다.
제어 소프트웨어는 각각의 레이저 칩(3)의 실제 특성화 처리 전에, 자동-정렬 절차가 각각의 레이저 칩(C1, C2, C3… Cn)에 대해 최적의 외부 캐비티 연결 위치 및 정렬을 찾기 위해 실행되도록 설계될 수 있다. EC 모듈 및 PS 모듈의 사전-정렬 동안 이미 행해지지 않은 경우, 제어기는 격자 각도(θ)로 회절 격자(210)를 배향시키기 위해 회전 스테이지(230)를 회전시키고, 제 1 레이저 칩(C1)을 맞은 편에 위치 및 정렬시켜 회절 격자(210)와 정렬을 이루도록 이동 및 회전시킨다. 제어기는 또한 레이저 바(1) 상의 제 1 레이저 칩(3)(C1)과 접촉하도록 전자 프로브(130)를 이동시킨다. 그 후, 제어기는 제 1 레이저 칩(C1)을 활성화시키기 위해 펄스 모드로 제 1 레이저 칩(C1)을 동작시킨다. 광 신호 또는 출력 빔(B2)은 레이저 분석기(140)에 의해 검출된다. 레이저 분석기는 빔의 공간 분배를 프로파일화하기 위해 사용될 수 있다. 레이저 분석기는 락-인 증폭기(170)에 의해 복조될 수 있다. 출력 빔(B2)의 광 파워에 비례하는 분광계의 락-인 출력은 제어기에 의한 위치 선정 스테이지(120)의 자동 이동으로 인해 자동으로 정렬하기 위해 제어기(160)로 다시 공급된다.
제 1 레이저 칩(C1)이 EC 모듈과 정렬되어 정확하게 위치되고 배향되도록 PS 모듈과 EC 모듈과의 최종적인 자동-정렬은 다음과 같이 실행될 수 있다. 제어기는 미리 판별된 운동 범위, 예를 들면, 통상적으로 x 및 z 방향으로 약 +/- 25 ㎛의 이동(총 이동 범위는 약 50 ㎛임) 내에서 위치 선정 스테이지(120)를 이동시키는 반면, 발광된 빔(B2)의 파워는 레이저 분석기(140)에 의해 모니터링된다. 사용자는, y 위치마다 x 및 z 자동-정렬을 동시에 실행하는 동안, 미리 판별된 운동 범위 내에서 y 방향으로 위치 선정 스테이지(120)를 이동시킴으로써, 빔 시준 품질의 자동-조정을 추가로 실행하도록 선정할 수 있다. 이는 예를 들면, y 방향으로 통상적으로 약 +/- 10 ㎛의 이동을 포함할 수 있다. 제어기는, 제 1 레이저 칩에 의해 발광됨 빔(B2)의 파워가 제 1 레이저 칩(C1)에 대한 정렬된 위치로 메모리에 가장 크게 입력되는 위치 선정 스테이지의 위치를 기록한다.
제 1 레이저 칩(C1)이 최적으로 정렬되면, 시스템은 제 1 레이저 칩을 테스트 및 특성화 처리하기 위해 준비된다. 그러나, 시스템은 잔류한 레이저 칩들(C2, C3... Cn) 각각에 대해 사전 정렬된 위치를 선택적으로 자동으로 우선 판별할 수 있다. 잔류한 레이저 칩들 각각에 대해 사전-정렬된 위치를 판별하기 위해서, 제어기는 전자 프로브를 비활성화시키고, 레이저 바로부터 전자 프로브를 후퇴시키며, 그리고 EC 모듈과 마지막 레이저 칩(Cn)이 사전-정렬되는 위치로 위치 선정 스테이지를 이동시킨다. 그 후, 제어기는 마지막 레이저 칩(Cn)을 펄스 모드에서 동작시키고, 이전에 기술한 바와 같이, 마지막 레이저 칩(Cn)을 EC 모듈에 정확하게 위치 및 정렬시키고 마지막 레이저 칩(Cn)에 대해 최적으로 정렬된 위치를 제어기의 메모리에 저장하기 위해, 위치 선정 스테이지(120)를 이동시킨다. 바의 양쪽 말단에서 제 1 및 마지막 레이저 칩들에 대해 최적으로 정렬된 위치가 판별되고 메모리에 저장되면, 바 상의 다른 레이저 칩들 모두의 사전-정렬된 위치는 제어기에 의해 계산되고 메모리에 저장된다. 레이저 바의 배향은 제 1 및 마지막 칩들에 대한 판별된 최적의 위치를 기반으로 하여 조정될 수 있다. 이러한 정보를 이용하여, 시스템은 레이저 바 상의 개별적인 레이저 칩 각각을 특성화 처리하기 위해 준비된다.
시스템의 사전-정렬 및 정렬, 예를 들면 레이저 바 상의 제 1 및 마지막 레이저 칩들의 위치 및 PS 모듈의 최종적인 정렬 모두는 자동으로 실행될 수 있다. 대안적으로, 초기 과정의 속도를 높이기 위해, 사전-정렬은 제 1 및 마지막 레이저 칩들(C1 및 Cn)을 EC 모듈로 수동으로 사전-정렬시킴으로써 위치 선정 스테이지에 의해 수동으로 실행될 수 있고, 이때 제어기는 제 1 및 마지막 레이저 칩들을 EC 모듈과 최종적으로 정확하게 사전 정렬되는 것을 실행하고, 이들의 위치를 메모리에 저장한다.
판별되고 메모리에 저장된 레이저 칩들 각각의 위치를 이용하여, 시스템은 이제 레이저 바 상의 개별적인 레이저 칩 각각을 특성화 처리하기 위해 준비된다. 각각의 레이저 칩의 테스트 및 특성화 처리는 다음과 같이 실행된다. 제어기는 제 1 레이저 칩을 EC 모듈과 정렬시키기 위해, 제 1 레이저 칩(C1)에 대해 정렬된 위치로 위치 선정 스테이지(120)를 이동시킨다. 그 후, 제어기는 레이저 바(1) 상의 제 1 레이저 칩(C1)을 접촉하도록 전자 프로브(130)를 이동시킨다. 그 후, 제어기는 제 1 레이저 칩(C1)을 활성화시키기 위해 제 1 레이저 칩(C1)을 펄스 모드에서 동작시킨다. 제어기는 제 1 레이저 칩을 EC 모듈과 정확하게 정렬시키기 위해 자동으로 사전 정렬되는 절차에 기술된 것과 동일한 방법인, 자동적인 최종 정렬 체크를 다시 실행할 수 있다. 그 후, 제어기는 4.500 ㎛로 레이저를 방출하고 300 grooves/mm 격자를 내기 위해 최소 격자 각도(θ1)로, 예를 들면, 42.45 도의 격자 각도로 회절 격자(210)를 배향시키기 위해, 회전 스테이지(230)를 회전시키고 펄스 모드에서 제 1 레이저 칩(C1)을 동작시킨다.
우선, 레이저 칩으로 공급된 전류는 레이저를 방출하기에 필요한 임계치 전류를 발견하기 위해 증가된다. 출력 빔이 (락-인 증폭기로부터의) 광 출력 파워 판독을 사용하여 검출될 시에, 공급된 전류는 제 1 레이저 칩(C1)에 대한 임계치 전류로서 메모리에 저장된다. 출력 빔(B2)의 광 신호는 레이저 분석기(140)에서 검출되고, 분광계는 락-인 증폭기(170)에 의해 복조된다. 그 후, 출력 빔(B2)의 파장은 레이저 분석기에 의해 판별되고 최소 격자 각도(θ1)에서의 제 1 레이저 칩의 파장으로서 메모리에 기록된다. 그 후, 회절 격자는 제 2 격자 각도(θ2)로 점차적으로 회전되고, 제 2 격자 각도(θ2)에서 제 1 레이저 칩(C1)에 대한 출력 빔의 파장 및 임계치 전류는 동일한 방식으로 판별되고 메모리에 저장된다. 이러한 방법은 θ1부터 θn 까지 회절 격자 각도 각각에 대해 반복되고, 이때 각각의 격자 각도(θ1 내지 θn)에서의 제 1 레이저 칩의 파장 및 임계치 전류가 메모리에 저장된다.
제 1 레이저 칩이 완전하게 특성화 처리가 되면, 전자 프로브(130)는 제 1 레이저 칩(C1)으로부터 철수되고, 제어기는 제 2 레이저 칩(C2)을 EC 모듈과 사전-정렬하기 위해 위치 선정 스테이지를 이동시킨다. 그 후, 전자 프로브는 제 2 레이저 칩(C2)과 접촉하도록 이동되고, 제 2 레이저 칩은 제 1 레이저 칩에 대해 이전에 기술된 것과 동일한 방식으로 자동 정렬되고 특성화 처리가 되며, 그리고 격자 각도 각각에서의 제 2 레이저 칩의 임계치 전류 및 파장은 메모리에 저장된다. 정렬 및 특성화 처리 방법은 각각의 레이저 칩(C1 내지 Cn)에 대해 반복되고, 각각의 격자 각도에서의 레이저 칩 각각에 대한 파장 및 임계치 전류는 메모리에 저장된다.
도 11은 개별적인 레이저 칩에 대해 검출된 임의적인 유닛의 세기(수직 바 및 좌측 수직 축에 의해 도시됨) 및 임계치 전류(점으로 우측 수직 축에 의해 도시됨)의 대표적인 도면으로서, 파장 또는 파수(wavenumber)(수평 축)에 대한 도면이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 특성화 처리가 된 레이저 칩들의 임계치 전류는 격자 각도 또는 파장에 대해 도시될 수 있고 임계치 전류-파장 곡선 부류를 만들기 위해 연결될 수 있다. 도 12는 동일한 도파관 파라미터로 레이저에 대해 단지 선택된 곡선을 도시한다. 조정 범위 밖에서 관측된 일정한 임계치 전류는 외부 캐비티 모드 레이저 방출에 있어 불충분한 피드백을 나타낸다. FP(Fabry Perot) 모드에서 레이저를 방출하는 것이 바람직할 수 있는데, 이는 FP 모드가 게인이 가장 높고 그러므로 보다 나은 피드백을 제공하는 게인 곡선 중심에 있기 때문이다. 프로그램은 4 개의 서로 다른 파일에 데이터 모두를 저장할 수 있다. 각각의 레이저 칩에 대한 조정 범위 내에서 모든 스펙트럼을 포함하는 모든 측정 파라미터 및 스펙트럼 데이터 모두를 저장하는 제 1 파일. 각각의 레이저에 대해 레이저 임계치 대 격자 각도에 대한 데이터를 저장하는 제 2 파일. 각각의 레이저 칩에 대한 모든 LI 곡선용 제 3 파일. 각각의 레이저 칩에 대한 정렬 위치를 저장하는 제 4 파일. 데이터는 마이크로소프트 엑셀 또는 추가 데이터를 처리할 수 있는 이와 유사한 소프트웨어 상에서 분석 및 조종될 수 있다.
도 13은 단일 레이저 바 내에서 7 개의 4.6 ㎛ 양자 종속 레이저들로부터 동일한 줄무늬 폭을 가진 레이저 바 상의 선택된 레이저 칩들에 대해 특성화 처리가 된 파장 조정 스펙트럼을 도시한다. 레이저 바는 예를 들면, 서로 다른 줄무늬 폭의 테스트 및 평가에 있어 줄무늬 폭의 선택 범위를 통하여 하나의 칩으로부터 다음의 칩까지 주기적으로 변화되는 줄무늬 폭을 가진 40 개의 레이저로 구성된 EC-QCL 레이저의 바일 수 있다. 각각의 레이저 칩의 조정 가능성은 격자 각도에 대한 조정 스펙트럼 또는 임계치 전류 변화 모두를 사용하여 특성화 처리될 수 있다. 예를 들면, 조정 스펙트럼 또는 임계치 전류 변화는 본원에서 기술된 바와 같이 도시화될 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 각각의 수직 바에서 각각의 레이저 스펙트럼은 서로 다른 격자 각도(θ1 내지 θn)로 레이저를 방출하는 단일 모드에 해당한다. 레이저 방출 파장은 격자 미러가 회전될 시에 이동(또는 조정)된다. 레이저 칩은 레이저가 단일 모드(도 11의 도면의 수평 축 상에서 가장 긴 레이저 파장 및 가장 짧은 레이저 파장의 파장(또는 파수) 차이로부터 판별될 수 있음) 내에서 레이저를 방출할 수 있는 가장 폭이 큰 파장 범위(θ)에서 조정될 수 있다. 예를 들면, 도 11에서, 특성화 처리되는 레이저 칩 #28은 약 120 cm-1의 파수(약 2900 cm-1 내지 약 2780 cm-1)에서 조정될 수 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 레이저 #13의 조정 가능성은 레이저 #33의 조정 가능성보다 크다. 레이저가 외부 캐비티 모드(보통 단일 모드)에서 레이저를 방출할 시에, 레이저 임계치는 FP(Fabry-Perot) 모드에서의 레이저 방출의 임계치보다 작다.
도 11에 도시된 바와 같이, 각각의 흑색 점은 각각의 파장(서로 다른 격자 각도)에서 레이저 방출 임계치에 해당한다. 동일한 x-좌표(파수)에서 스펙트럼이 없는 흑색 점이 일부 있다. 이는 레이저가 외부 캐비티 모드 대신에 F-P 모드에서 이러한 파수/격자 각도에서 레이저를 방출함을 의미하는데, 이는 이러한 점들이 동일한 레벨에 있는 이유이기도 하다. 레이저의 조정 범위는 임계치 전류가 F-P 모드에서의 임계치 전류보다 낮은 영역 내에 있다. 그러므로, (격자 각도 또는 파수/파장에 대한) 임계치 전류의 TI 곡선을 볼 시에; 특성화 처리가 된 레이저 칩 각각의 조정 가능성은 판별될 수 있다. 예를 들면, 도 12로부터, 레이저 칩들(#35 및 #25)의 조정 가능성이 레이저 칩들(#20, #10, #5)의 조정 가능성보다 크다는 것을 알 수 있고, 이때 레이저 칩들(#20, #10, #5)은 레이저 칩들(#35 및 #25)보다 좁은 곡선의 딥(dip)을 가진다. 가장 작은 조정 범위에는 레이저 칩 #15가 속하고, 레이저 칩 #15는 도 12에서 화살표(15)에 도시된 바와 같이, 약 93 cm-1의 폭을 가진 가장 좁은 딥을 가진다. 반면 가장 큰 조정 범위에는 레이저 칩 #35가 속하고, 레이저 칩 #35의 가장 폭이 넓은 딥은 화살표(35)에 도시된 바와 같이 약 159 cm-1의 폭을 가진다. 이러한 정보를 이용하여, 다이싱(dicing), 서브-마운팅(sub-mounting), 와이어-본딩(wire-bonding) 등의 처리 및 각각의 장치에 대한 테스트를 거치지 않고 EC-QCL에 대하여 우수한 레이저 칩들을 사전-선택할 수 있다. 조정 범위가 또한 각각의 레이저 면 상의 AR 코팅의 품질에 의해 판별되기 때문에, 바 내에서 AR 코팅 균일성을 포함한 성능 균일성도 동시에 검사될 수 있다.
EC-QCL에 대한 우수한 레이저 칩들의 사전-선택은 다이싱, 서브-마운팅, 와이어-본딩 등의 처리 및 각각의 장치에 대한 테스트를 거치지 않고 본원에 기술된 시스템에 의해 제공된다. 조정 범위가 또한 각각의 레이저 면 상의 AR 코팅의 품질에 의해 판별되기 때문에, 바 내에서 AR 코팅 균일성을 포함한 성능 균일성도 본원에 기술된 바와 같이 시스템을 사용하여 동시에 검사될 수 있다.
본원에서 기술된 바와 같이 시스템을 사용하여, 외부 캐비티가 고의로 정렬되지 않을 경우, 레이저 칩들 모두는 F-P 모드에서 레이저를 방출할 것이다. 그 후, 시스템의 기본적인 기능을 실행하고 모든 레이저 칩의 레이저 방출 파장 모두를 측정할 수 있다. 절차는 자동이기 때문에, 모든 레이저 바들을 하나의 웨이퍼로부터 스캔할 수 있다. 그러므로, 웨이퍼 내에서 레이저 방출 파장을 맵핑할 수 있다. 이는 웨이퍼 제조 처리를 개선하기 위해 유용한 정보 피드백을 활성 게인 영역 설계자들, 제조자(growers)에게 제공할 것이다.
본원은, 자동적인 외부 캐비티(EC) 레이저 칩 테스트 및 특성화 처리 시스템, 그리고 레이저 바 상의 다수의 레이저 칩들을 외부 캐비티에 자동 연결을 실행할 수 있고 나아가 서로 다른 격자 각도에서 EC-QCL 칩들의 임계치 전류, 방출 스펙트럼 및 전기 파라미터들의 완전한 특성화 처리를 자동으로 처리할 수 있는 방법을 제공한다. 본원에 기술된 시스템은 레이저 바를 칩들로의 다이싱 필요성 없이 EC 구성에서 최적의 게인 칩들을 선택하고 EC-QCL 동작을 위해 맞춤 장착되는 직접적이고 효율적인 방식을 제공한다. 그 결과, 본원에서 기술된 시스템은 EC QCL 시스템에 대해 우수한 QC 칩들을 선택하는데 필요한 노동 비용을 크게 감소시키는데. 그 이유는 다음과 같다: (1) 테스트가 레이저 바 상에 실행되어, 이로써 노동 집약적인 처리, 예를 들면, 다이싱, 서브-마운팅, 와이어-본딩은 테스트 전에 방지되고, (2) 시스템은 완전하게 자동화되어 그 결과 시스템이 유사한 레이저 바들에서 모든 칩들을 테스트하기 위해 설정되면 어떠한 노동도 추가될 필요가 없기 때문이다. 본원의 다양한 실시예들은 다음 예시를 고려할 시에 이해될 것이다.
예시:
본원에 기술된 시스템은 Corning Inc에서 개발 및 제조된 여러 개의 서로 다른 QCL 게인 칩들을 테스트하기 위해 사용된다. 단일 바 상의 40 개의 레이저의 완전한 특성화 처리에 필요한 총 시간은 EC 정렬, 나아가 스펙트럼 및 전기 측정을 포함하여 약 8 시간이다. 총 측정 시간은 레이저 분석기 분광계 및 LI 곡선 기록에 필요한 시간에 의해 대부분 제한된다.
시스템은 중심 파장이 3.5 ㎛인 짧은 파장 QCL 게인 구조의 특성화 처리에 사용된다. 시스템은 Corning Inc에 제조된 4 개의 서로 다른 QCL 바들을 테스트하는데 사용된다.
시스템에 의해 수집된 LI 곡선의 부류에 기반하여, 검출된 임계치 전류는 도 12에 도시된 바와 같이, EC에 연결된 모든 레이저 방출 칩들에 있어 테스트된 격자 각도에 관해 나타내었다. 도 12는 동일한 도파관 파라미터를 가진 레이저 칩들(#5, #10, #15, #20, #25, #35)에 대해 단지 선택된 곡선을 도시하고, 웨이퍼에 걸친 처리 균질성 및 면 코팅의 품질을 평가하는 것을 가능케 한다. 조정 범위의 양 측면 상에서 관측된 일정 임계치 전류는 EC 모드 레이저 방출의 불충분한 피드백을 나타내고, 그 결과 레이저 방출은 Fabry Perot 모드로서 게인 곡선의 중심에서 일어난다. 양쪽 말단들에서의 평평한 섹션보다 낮은 임계치 전류의 전체 범위는 각 칩에 대한 EC 조정 범위를 나타낸다. 도 11은 선택된 칩에 대하여 스펙트럼 및 전기 특성화 처리 데이터를 보여준다. 각각의 격자 위치에서 수집된 스펙트럼 데이터와 임계치 곡선과의 비교는 감소된 임계치 영역과 EC 모드 조정 범위 간의 관계성을 확인시켜준다.
본원에 기술된 EC 레이저 테스트 및 특성화 처리 시스템은 레이저 바 상에서 각각의 EC-QCL, 또는 다른 유형의 EC 레이저 칩들을 외부 캐비티에 자동으로 연결시키고, 임계치 전류를 자동으로 측정하며, 그리고 개별적인 레이저 칩 각각의 서로 다른 격자 각도에서 스펙트럼 및 LI 곡선을 조정할 수 있되, 운영자에 의한 수동 조정의 모든 필요성이 없이 조정할 수 있다. 바(40 개의 레이저)를 위한 총 자동 테스트 시간은 스펙트럼 및 LI 곡선 측정을 포함하여 약 8 시간일 수 있고, 단지 스펙트럼 측정에만 약 4 시간일 수 있다. 여겨지는 바와 같이, 처리 시간은 본원에서 기술된 것보다 빠른 장비, 예를 들면 Bristol Instrument의 파장계를 사용하면 개선될 수 있다.
기술 분야의 통상의 기술자에게 명백한 바와 같이, 다양한 변형 및 변화는 본 발명의 권리 범위 및 기술 사상을 벗어남 없이 구현될 수 있다. 예를 들면, 진공 척은 EC 모듈과 관련한 다수의 축에서 이동 움직임을 위해 위치 선정 스테이지 상에 장착된 것으로 본원에서 기술 및 제시되었다. 인식할 수 있는 바와 같이, 본원의 모든 실시예들에서, EC 모듈은 척에 관련된 다수의 축의 이동 움직임을 위한 위치 선정 스테이지 상에 장착될 수 있고, 상기 척은 고정될 수 있다.

Claims (22)

  1. 반도체 웨이퍼로부터 분리되는 반도체 바 상의 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들을 특성화 처리하는 시스템에 있어서,

    (A) 외부 캐비티 모듈(EC 모듈)로서,
    (1) 회전 축을 가진 회전 스테이지;
    (2) 상기 회전 스테이지 상에 장착된 회절 격자; 및
    (3) 상기 회절 격자의 표면과 수직으로 배향된 조정 미러의 표면을 가진 회전 스테이지 상에 장착된 조정 미러;를 포함한 외부 캐비티 모듈(EC 모듈);

    (B) 레이저 칩들의 바(레이저 바)를 수용하는 척으로서,
    이때 상기 EC 모듈은 상기 척에 인접하게 위치하고, 그 결과 상기 척 상에 수용된 레이저 바의 레이저 칩으로부터 발광된 빔은 상기 회절 격자와 교차하고, 제 1 차 회절 빔은 상기 회절 격자에 의해 반사되어 상기 레이저 칩으로 다시 되돌아감으로써 상기 레이저 칩은 레이저를 방출하며, 그리고 상기 레이저 칩으로부터 발광된 레이저 빔은 출력 빔으로서 상기 회절 격자 및 조정 미러에 반사되는 척;

    (C) 다수의 축을 가진 위치 선정 스테이지를 제어하는 컴퓨터로서,
    이때 상기 위치 선정 스테이지는, 다수의 축을 따라 상기 EC 모듈 또는 척 중 하나를 이동시키기 위해 상기 위치 선정 스테이지 상에 장착된 EC 모듈 또는 척 중 하나를 가진 컴퓨터; 및

    (D) 컴퓨터 기반 제어기로서,
    (1) 상기 위치 선정 스테이지를 자동으로 이동시켜서, 상기 척 상에 장착된 레이저 바의 레이저 칩을 상기 EC 모듈과 정렬시키며; 그리고
    (2) 상기 정렬된 레이저 칩을 동작시켜 레이저 빔을 방출하는 컴퓨터 기반 제어기를 포함하는, 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 특성화 처리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 특성화 처리 시스템은:
    (E) 상기 출력 빔을 수신하고 특성화 처리하기 위해 상기 조정 미러 맞은 편에 위치한 레이저 분석기를 더 포함하며,
    상기 컴퓨터 기반 제어기는 상기 레이저 분석기로부터 신호를 수신하고, 상기 출력 빔을 특성화 처리하는 것을 특징으로 하는, 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 특성화 처리 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 척을 향한 회절 격자의 표면은 상기 회절 격자의 표면에 형성된 복수의 평행 회절 그루브들을 가지며, 그리고
    상기 회절 격자는 상기 회전 스테이지 상에 장착되고, 이때 상기 회절 그루브들은 상기 회전 축과 평행하게 배향되는 것을 특징으로 하는, 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 특성화 처리 시스템.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는 격자 각도의 범위를 통해 상기 회절 격자를 회전시키기 위해 상기 회전 스테이지를 자동으로 더 회전시키고, 선택된 격자 각도에서 상기 출력 빔을 특성화 처리하는 레이저 분석기로부터 나온 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는, 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 특성화 처리 시스템.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회절 격자의 표면에 의해 정의된 평면과 상기 조정 미러의 표면에 의해 정의된 평면의 교차 지점에 의해 정의된 축은 상기 회전 축과 일치하는 것을 특징으로 하는, 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 특성화 처리 시스템.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 특성화 처리 시스템은:
    렌즈 축을 가진 시준 렌즈를 더 포함하며, 그리고
    이때 상기 시준 렌즈는 상기 척과 상기 회절 격자 사이에 위치하고, 그 결과 상기 척 상에 수용된 레이저 바의 칩에 의해 발광된 빔은, 상기 회절 격자의 표면과 교차하는 시준 빔으로 시준되고,
    상기 시준 렌즈는, 상기 렌즈 축이 상기 회전 축에 대해 수직을 이루도록 배향되는 것을 특징으로 하는, 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 특성화 처리 시스템.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 척은 전도성 물질로 형성된 것을 특징으로 하는, 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 특성화 처리 시스템.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 특성화 처리 시스템은:
    상기 척의 온도를 제어 및 유지하는 온도 제어 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 특성화 처리 시스템.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 특성화 처리 시스템은:
    전자 프로브를 더 포함하며, 그리고
    이때 상기 전자 프로브는 레이저 칩에 전류가 공급되는 레이저 칩 상부와 전기적으로 접촉 및 비-접촉하기 위해, 상기 척에 대해 이동 가능하게 장착되어 상기 제어기의 제어 하에 이동하며, 상기 칩은 전도성 척을 통하여 접지되는 것을 특징으로 하는, 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 특성화 처리 시스템.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 특성화 처리 시스템은:
    전자 프로브를 더 포함하며, 그리고
    이때 상기 전자 프로브는 레이저 칩에 전류가 공급되는 척 상에 수용되어 테스트받는 레이저 바 상의 레이저 칩 상부와 전기적으로 접촉 및 비-접촉하기 위해, 상기 위치 선정 스테이지 상에 이동 가능하게 장착되어 상기 제어기의 제어 하에 이동하는 것을 특징으로 하는, 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 특성화 처리 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 특성화 처리 시스템은:
    상기 위치 선정 스테이지 상에 장착되고 상기 제어기에 의해 제어되는 프로브 조종기를 더 포함하며, 그리고
    상기 전자 프로브는 상기 척에 수용된 레이저 바의 개별적인 레이저 칩들과 맞닿음 및 분리를 실행하기 위해, 상기 프로브 조종기 상에 장착됨으로써 상기 프로브의 이동을 위한 하나 이상의 축에서 이동하는 것을 특징으로 하는, 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 특성화 처리 시스템.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위치 선정 스테이지는 정확한 6 개의 축 이동 스테이지인 것을 특징으로 하는, 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 특성화 처리 시스템.
  13. 반도체 웨이퍼로부터 분리된 반도체 바(레이저 바) 상의 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들을 자동으로 특성화 처리하는 방법에 있어서,

    (B) 회절 격자와, 상기 회절 격자의 표면과 수직으로 배향되어 장착된 조정 미러로 형성된 회절 유닛을 제공하는 단계;

    (C) 회절 격자 유닛과 정렬되도록 레이저 바를 자동으로 위치시키는 단계로서, 척 상에 수용된 레이저 바의 선택된 레이저 칩으로부터 발광된 빔은 회절 격자와 교차하고, 제 1 차 회절 빔은 상기 회절 격자에 의해 반사되어 상기 선택된 레이저 칩으로 다시 되돌아감으로써 상기 선택된 레이저 칩은 레이저를 방출하며, 그리고 상기 선택된 레이저 칩으로부터 발광된 레이저 빔은 상기 회절 격자 및 조정 미러에 반사되고, 그 결과 안정적인 출력 빔은 출력 빔으로서 상기 조정 미러에 반사되는 위치 단계;

    (D) 상기 선택된 레이저 칩이 레이저를 방출하도록 상기 선택된 레이저 칩에 전류를 공급하는 단계; 및

    (E) 상기 출력 빔을 특성화 처리하는 단계를 포함하는, 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 자동 특성화 처리 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 (E) 단계는:
    (E1) 상기 선택된 레이저 칩이 레이저 방출을 할 때까지, 상기 선택된 레이저 칩에 전류를 증가시켜 공급하고, 상기 선택된 레이저 칩이 레이저를 방출하도록 하는 전류를 상기 선택된 레이저 칩의 임계치 전류로서 판별하는 단계; 또는
    (E2) 상기 선택된 레이저 칩이 레이저 방출을 하도록 상기 선택된 레이저 입에 전류를 공급하고, 상기 출력 빔의 파장을 결정하는 단계; 중 하나 이상에 의해 더 특성화 처리되는 것을 특징으로 하는, 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 자동 특성화 처리 방법.
  15. 청구항 13 또는 청구항 14에 있어서,
    상기 (E) 단계는:
    격자 각도의 범위를 통하여 상기 회절 격자를 회전시키기 위해 회절 유닛을 자동으로 회전시키고, 상기 (E1) 단계 또는 (E2) 단계 중 하나 이상을 선택된 격자 각도에서 실행하는 단계에 의해 더 특성화 처리되는 것을 특징으로 하는, 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 자동 특성화 처리 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 (E) 단계는:
    복수의 선택된 격자 각도(θ1 내지 θn)를 통하여 회절 격자 미러를 점차적으로 회전시키기 위해 회절 유닛을 점차적으로 회전시키는 단계; 및
    회절 각도(θ1 내지 θn) 각각에서:
    (1) 상기 선택된 레이저 칩이 레이저 방출하도록 상기 선택된 레이저 칩에 전류를 공급하는 단계; 및
    (2) 각각의 회절 각도에서 레이저 분석기를 이용하여 출력 빔의 파장을 판별하는 단계에 의해 더 특성화 처리되는 것을 특징으로 하는, 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 자동 특성화 처리 방법.
  17. 청구항 13 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 자동 특성화 처리 방법은 상기 (E) 단계 후에:
    (F) 회절 유닛에 대해 레이저 바를 이동시킴으로써, 상기 레이저 바 상에서 다음으로 선택된 레이저 칩들은 상기 회절 유닛과 정렬되며, 상기 다음으로 선택된 레이저 칩을 위해 상기 (E) 단계를 실행하는 단계; 및
    (G) (a) 상기 레이저 바 상의 모든 레이저 칩들이 특성화 처리되거나, 또는 (b) 상기 레이저 바 상의 선택된 레이저 칩들 군이 특성화 처리될 때까지, 상기 (F) 단계를 반복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 자동 특성화 처리 방법.
  18. 청구항 13 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (C) 단계는 컴퓨터로 제어된 이동 스테이지 상에 장착된 척에 레이저 바를 장착시킴으로써 실행되는 것을 특징으로 하는, 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 자동 특성화 처리 방법.
  19. 청구항 15 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (E) 단계에서, 회절 유닛은 회전 축을 중심으로 하여 회전되고, 상기 회절 유닛은 상기 회절 유닛 상에 상기 회절 격자를 배향시킴으로써 사전-정렬되고, 그 결과 상기 회절 격자의 표면에 형성된 복수의 평행 회절 그루브들은 회전 축에 평행하게 배향되는 것을 특징으로 하는, 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 자동 특성화 처리 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 회절 유닛은 상기 회절 격자의 표면에 의해 정의된 평면과 상기 조정 미러의 표면에 의해 정의된 평면의 교차 지점에 의해 정의된 축을 상기 회전 축과 일치하도록 배향시킴으로써, 사전 정렬되는 것을 특징으로 하는, 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 자동 특성화 처리 방법.
  21. 청구항 19 또는 청구항 20에 있어서,
    상기 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 자동 특성화 처리 방법은
    렌즈 축을 가진 시준 렌즈를 더 포함하며, 그리고
    이때 상기 시준 렌즈는 상기 척과 상기 회절 격자 사이에 위치하고, 그 결과 상기 척 상에 수용된 레이저 바의 칩에 의해 발광된 빔은, 상기 회절 격자의 표면과 교차하는 시준 빔으로 시준되고,
    상기 회절 유닛은 상기 위치 선정 스테이지와 사전-정렬되고, 그 결과 레이저의 선택된 레이저 칩은 상기 시준 렌즈 및 상기 EC 모듈과 정렬되는 것을 특징으로 하는, 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 자동 특성화 처리 방법.
  22. 청구항 13 내지 청구항 21 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (C) 단계는:
    선택된 레이저 칩을 회절 격자 유닛과 대략적으로 사전-정렬시키는 단계;
    특정 운동 범위 내에서 수평 및 수직 방향으로 상기 척 또는 상기 회절 격자 유닛 중 하나를 자동으로 이동시키는 단계;
    출력 빔의 파워를 모니터링하고, 상기 출력 빔의 파워가 가장 크도록 하는 위치 선정 스테이지의 위치를 상기 선택된 레이저 칩을 위한 정렬 위치로 식별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 복수의 외부 캐비티 반도체 레이저 칩들의 자동 특성화 처리 방법.
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