KR20220016790A - 측정 시스템 및 측정 방법 - Google Patents

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쥬키야 후쿠시
토모카즈 사이토
토시나가 타케야
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가부시키가이샤 니혼 마이크로닉스
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Abstract

광 반도체 소자의 정확한 측정값을 안정적으로 측정할 수 있는 측정 시스템 및 측정 방법을 제공한다.
광 반도체 소자로부터 출력되는 출사광을 광 프로브의 입사 단면에서 수광하는 측정 방법이며, 출사광의 광축과 교차하는 평면을 따라서 광 반도체 소자와 광 프로브의 상대적인 위치를 변화시켜서 복수의 위치에서 출사광의 입사 강도를 각각 측정하여 상대적인 위치 변화와 입사 강도와의 관계를 나타내는 입사 강도 패턴을 취득한다.

Description

측정 시스템 및 측정 방법{MEASUREMENT SYSTEM AND MEASUREMENT METHOD}
본 발명은, 광 반도체 소자의 특성 측정에 사용되는 측정 시스템 및 측정 방법에 관한 것이다.
웨이퍼에 형성한 상태에서 광 반도체 소자의 특성을 측정하기 위해, 광 반도체 소자가 출력하는 출사광(出射光)을 전파(傳搬)하는 광 프로브를 갖는 측정 시스템을 이용해서 광 반도체 소자와 테스터와 등의 측정 장치를 접속한다. 광 반도체 소자의 정확한 특성을 얻기 위해서는 정확한 측정이 필요하다.
일본 특허공개공보 제2020-47889호
광 반도체 소자의 특성을 높은 정밀도로 측정하려면 측정 시스템에 의해 정확한 측정값을 안정적으로 취득해야 한다. 본 발명은, 광 반도체 소자의 정확한 측정값을 안정적으로 단시간에 측정할 수 있는 측정 시스템 및 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 광 반도체 소자로부터의 출사광의 광축(光軸)과 교차하는 평면을 따라서 광 반도체 소자와 광 프로브의 상대적인 위치를 변화시키는 측정 방법이 제공된다. 여러 위치에서 출사광의 입사 강도를 각각 측정하여, 상대적인 위치의 변화와 입사 강도의 관계를 나타내는 입사 강도 패턴을 얻는다.
본 발명에 의하면, 광 반도체 소자의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있는 측정 시스템 및 측정 방법을 제공할 수 있다.
도 1은, 제1의 실시형태에 따른 측정 시스템에 사용하는 광 프로브의 구성을 나타내는 모식도이고,
도 2는, 광 반도체 소자로부터의 출사광의 입사 범위와 유효 입사 범위의 위치를 나타내는 모식도이고,
도 3a는, 광 프로브의 입사 단면의 곡률 반경과 작동 거리의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 3b는, 광 프로브의 입사 단면의 곡률 반경과 유효 작동 거리의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 4는, 입사 강도 패턴의 취득 방법을 설명하기 위한 모식도 및 그래프이고,
도 5는, 입사 단면이 평면인 광 프로에 관해서 이동 거리와 입사 강도의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 6은, 입사 단면이 곡면인 광 프로브에 관해서 이동 거리와 입사 강도의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 7a는, VCSEL의 모식적인 평면도이고,
도 7b는, VCSEL의 모식적인 측면도이고,
도 8은, VCSEL의 입사 강도 패턴의 취득 방법을 설명하기 위한 모식도 및 그래프이고,
도 9는, 본 발명의 실시형태에 따른 측정 시스템의 구성을 나타내는 모식도이고,
도 10은, 본 발명의 실시형태에 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이고,
도 11은, 본 발명의 실시형태의 변형 예에 따른 측정 시스템의 구성을 나타내는 모식도이다.
이어서, 도면을 참조해서 본 발명의 실시 형태를 설명한다. 이하의 도면의 기재에 있어서, 동일 또는 유사한 부분에는 동일 또는 유사한 부호를 붙인다. 다만, 도면은 모식적인 것임에 유의해야 한다. 또한, 이하에 나타내는 실시형태는, 본 발명의 기술적 사상을 구체화하기 위한 장치나 방법을 예시하는 것이며, 본 발명의 실시형태는 구성 부품의 구조, 배치 등을 하기의 것에 특정하는 것이 아니다. 본 발명의 실시형태는, 특허청구의 범위에 있어서 다양한 변경을 가할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 측정 시스템은, 광 반도체 소자로부터 출력되는 출사광을 입사 단면(端面)에서 수광(受光)하는 광 프로브와, 광 프로브를 유지하는 광 프로브 헤드와, 광 프로브 헤드 및 광 반도체 소자 중 적어도 어느 것을 이동시키는 구동 장치를 구비한다. 구동 장치는, 출사광의 광축과 교차하는 평면을 따라서 광 반도체 소자와 광 프로브의 상대적인 위치를 변화시킨다. 실시형태에 따른 측정 시스템에서는, 여러 위치에서 출사광의 입사 강도를 각각 측정하여 상대적인 위치 변화와 입사 강도의 관계를 나타내는 입사 강도 패턴을 취득한다.
우선, 본 발명의 실시형태에 따른 측정 시스템에 사용하는 광 프로브(10)에 관해서, 도 1을 참조해서 설명한다. 광 프로브(10)는, 광 반도체 소자(20)에서 출력되는 출사광 L을 수광한다. 광 프로브(10)는, 코어부(11) 및 코어부(11)의 외주에 배치된 클래드(clad)부(12)에 의해 구성되는 굴절률 분포형의 광 도파로(導波路)를 갖는다. 코어부(11)의 굴절률은, 클래드부(12)의 굴절률보다도 크다. 도 1은, 출사광 L이 입사하는 입사 단면(100)을 포함한 광 프로브(10)의 한쪽의 단부(端部)를 나타낸다. 입사 단면(100)은, 일정한 곡률반경 R의 볼록구면(凸球面)이다.
도 1에서는, 광 프로브(10)의 코어부(11)의 중심축 C10 및 출사광 L의 광축 C20과 평행한 방향을 Z축 방향으로 하고 있다. 또한, Z축 방향에 수직인 평면을 XY평면으로 해서, 도 1의 지면의 좌우 방향을 X축 방향, 지면에 수직인 방향을 Y축 방향으로 하고 있다.
도 1에 있어서, 코어 반경 Cr은 코어부(11)의 반경이다. 또한, 프로브 반경 Dr는 클래드부(12)를 포함한 광 프로브(10)의 반경이다. 광 프로브(10)에는, 광 섬유나 광 섬유와 렌즈를 조합한 구성 등을 채용할 수 있다. 예를 들면, 그레이드인덱스형(GI형) 광 섬유를 이용해서 광 프로브(10)를 제조할 수 있다.
광 반도체 소자(20)는, 예를 들면 수직 공진기 면 발광 레이저(VCSEL)등이다. 광 반도체 소자(20)의 출사광 L을 출력하는 광 신호 단자(도시생략)와 광 프로브(10)의 입사 단면(100)은 광학적으로 접속하고, 광 반도체 소자(20)에서 출력한 출사광 L이 광 프로브(10)의 입사 단면(100)에 입사한다.
광 프로브(10)와 광 반도체 소자(20)는, Z축 방향을 따라서 작동 거리 WDr만큼 이격해서 배치되어 있다. 작동 거리 WDr는, 광 반도체 소자(20)에서 출력한 출사광 L을 광 프로브(10)가 수광할 수 있는 범위로 설정한다. 출사광 L의 입사 범위는, 예를 들면, 출사광 L이 피크 값의 1/e2이상의 강도로 진행하는 방향의 범위로도 해도 좋다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 광 반도체 소자(20)는, 방사각γ의 출사광 L을 출력한다. 광 프로브(10)의 입사 단면(100)에서의 출사광 L의 입사 범위의 반경(이하,「입사 범위 반경 Sr」이라 함)은, 이하의 식(1)으로 나타낸다:
Sr = WDr×tan(γ/2)…(1)
도 1에서, 출사광 L의 입사 단면(100)에서의 입사 범위를, 직경이 2Sr의 범위로서 나타내고 있다.
출사광 L이 코어부(11)와 클래드부(12)의 경계(이하에 있어서 「코어 경계」라고도 칭함)를 투과하지 않고서 코어부(11)를 전파하는 경우의, 입사 단면(100)에서의 입사 영역의 범위를, 「유효 입사 범위」라고 칭한다. 유효 입사 범위의 외연의 중심축 C10으로부터 거리를 「유효 입사 반경 Se」이라고 한다. 도 1에서, 광 프로브(10)의 유효 입사 범위를, 직경이 2Se의 범위로서 나타내고 있다. 도 1에서는, 입사 범위 반경 Sr과 유효 입사 반경 Se가 겹치는 경우를 예시적으로 나타내고 있다.
입사 단면(100)이 평탄한 경우, Se=Cd/2이다. 한편, 입사 단면(100)이 곡률 반경 R의 곡면인 경우, 유효 입사 범위는, 입사 단면(100)의 곡률 반경 R에 의존한다. 또한, 출사광 L의 입사 범위 반경 Sr은 작동 거리 WDr에 의존한다.
유효 입사 영역에 입사한 출사광 L은, 코어 경계를 넘지않고서, 광 프로브(10)의 코어부(11)의 내부를 전파한다. 한편, 출사광 L의 입사 범위의 전체가 유효 입사 영역의 내측으로 들어가지 않는 경우, 출사광 L의 적어도 일부가, 코어 경계에서 클래드부(12)로 진행한다. 즉, 출사광 L의 전파 손실이 발생한다.
입사 범위 반경 Sr이 유효 입사 반경 Se에 겹치는 유효 작동 거리 WDm에 있어서의 방사각 2α과, 입사 단면(100)의 개구수 NA는, α=sin-1(NA)의 관계이다. 작동 거리 WDr가 유효 작동 거리 WDm보다도 긴 경우, 방사각 2α과 방사각 γ는 γ<2α의 관계이다.
유효 작동 거리 WDm일 때에, 광축 C20과 이루는 각(이하, 「입사각」이라 함)이 α의 출사광 L에 관해서, 입사 단면(100)에서 이하의 관계식이 성립한다:
Se = R×sin(ω)
sin(α+ω) = nr×sin(β+ω)
A = nr×cos(β)-cos(α)
B = nr×sin(β)-sin(α)
A×sin(ω)+B×cos(ω) = 0
(A2 + B2)×sin2(ω) = B2
sin2(ω) = B2/(A2 + B2)
ω = ±sin-1(B2/(A2 + B2))1/2
상기의 관계식에서, ω는, 출사광 L의 입사 단면(100)의 외연에서의 중심 반각이다. β는 코어부(11) 내에서의 출사광 L의 굴절각이고, 코어부(11)를 전파 한 출사광 L은 코어 경계에 π/2-β의 각도로 입사한다. nr은, 출사광 L이 입사 한 위치에 있어서의 코어부(11)의 굴절률이다.
중심축 C10에서 ±Se의 범위인 유효 입사 영역에 입사하는 출사광 L에 관해서, 굴절각 β는, 이하의 식(2)으로 정의된다:
β = sin-1(sin(α0)/nr)… (2)
식(2)에서, α0는, 광 프로브(10)에 사용하는 광 섬유의 단면이 평면인 경우의 개구수를 NA0로 해서, α0 = sin-1(NA0)으로 나타낸다. 굴절률 nr과 중심축 C10에서의 코어부(11)의 굴절률 nc는, 이하의 식(3)의 관계이다:
nr = nc×(1-(C1/2×r)2/2)…(3)
식(3)에서, C1/2는 코어부(11)의 굴절률 분포 정수이며, r은 중심축 C10에서 출사광 L이 입사하는 위치까지의 반경 방향의 거리이다.
입사각 α가 클수록 굴절각 β도 크다. 굴절각 β가 일정한 임계각을 넘으면, 출사광 L의 적어도 일부는 코어부(11)를 반사 전파하지 않고서 클래드부(12)로 누설 진행한다. 그 경우, 출사광 L의 대부분은 클래드 외주부에서 방사 감쇠한다. 곡률 반경 R의 입사 단면(100)의 개구수 NA는, 굴절각 β가 임계각일때의 입사각 α와, NA = sin(α)의 관계이다.
이어서, 광 프로브(10)를 이용한 출사광 L의 측정 방법에 관해서 설명한다.
XY 평면에 있어서 광 프로브(10)에 대해서 광 반도체 소자(20)가 상대적으로 이동하면, 상대적인 위치의 변화(이하에 있어서, 「이동거리」라고도 칭함)에 의존하는 입사 강도의 패턴이 얻어진다. 즉, XY 평면을 따라서 광 반도체 소자(20)와 광 프로브(10)의 상대적인 위치를 변화시켜서 출사광 L의 입사 강도 P를 다른 위치에서 여러 번 측정한다. 이에 따라, 상대적인 위치의 변화와 입사 강도 P와의 관계를 나타내는 입사 강도 패턴을 취득할 수 있다.
예를 들면, 광 프로브(10)에 대해서 광 반도체 소자(20)를 이동시킨다. 그러나, 광 반도체 소자(20)에 대해서 광 프로브(10)를 이동시키는 경우도, 같은 입사 강도 패턴을 취득할 수 있다.
광 반도체 소자(20)를 X축 방향 또는 Y축 방향으로 이동시킨 경우에, 출사광 L의 적어도 일부가 광 프로브(10)에 입사하는 입사 범위 Dxy는, 도 2에 나타내는 2×(Se+Sr)이다. 그리고 또한, 입사 범위 Dxy가 2×(Se-Sr)에서는, 출사광 L 모두가 광 프로브(10)에 입사한다. 출사광 L 모두가 광 프로브(10)에 입사하는 경우에, 출사광 L의 입사 강도 패턴에 관해서 피크 값이 안정된 강도 특성이 얻어진다. 한편, 입사 범위 Dxy가 2×(Se-Sr)를 넘는 영역에서는, 광 프로브(10)에 입사한 뒤에 출사광 L이 감쇠한다.
도 3a 및 도 3b는, 입사 단면(100)의 곡률 반경 R과 유효 작동 거리 WDm의 관계, 및 곡률 반경 R과 작동 거리 WDr의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 3a는, 코어 반경 Cr=44.5μm, NA0=0.29의 광 섬유를 광 프로브(10)에 사용했을 경우와, 코어 반경 Cr=31.25μm, NA0=0.275의 광 섬유를 광 프로브(10)에 사용했을 경우의, 곡률 반경 R과 작동 거리 WD의 관계를 나타낸다.
도 3b는, 코어 지름 Cd=200, 600, 1000μm의 대구경(大口徑) 광 섬유를 광 프로브(10)에 각각 이용했을 경우의, 곡률 반경 R과 유효 작동 거리 WDm의 관계를 나타내는 그래프이다. 광 섬유의 개구수 NA0는 0.25이다.
유효 작동 거리 WDm는, 이하의 식(4)으로 나타내어진다:
WDm = Se/tan(α)…(4)
광 반도체 소자(20)의 출사광 L의 방사각 γ이, α≥γ/2의 관계를 충족하는 경우에, 입사 범위 반경 Sr과 유효 입사 반경 Se의 관계는, Se≥Sr이다. 이 경우의 작동 거리 WDr는, R≤Cd의 조건에서는, 이하의 식(5)으로 나타내어진다:
WDr = Se/tan(γ/2)…(5)
한편, R>Cd의 조건에서는, 작동 거리 WDr는 다음의 식(6)으로 나타내어진다 :
WDr = Sr/tan(γ/2)…(6)
따라서, 작동 거리 WD에 관해서 WDr>WDm의 관계이다.
작동 거리 WD를 유효 작동 거리 WDm보다도 길게, 작동 거리 WDr 근방에 설정함으로써, 작동 거리 WD가 유효 작동 거리 WDm의 경우보다도 광 반도체 소자(20)의 출사광 L의 입사 단면(100)에서의 입사 범위가 확장된다. 따라서, 출사광 L의 입사 강도 패턴의 변동의 영향, 광 프로브(10)에서의 반사 귀환광에 의한 영향, 광 프로브(10)의 입사 단면(100)의 형상의 왜곡의 영향 등의, 입사 강도 패턴의 변동의 영향이 완화된다. 그 결과, 이하에 설명하는 바와 같이, 출사광 L의 입사 강도가 안정되고, 또 입사 강도 패턴의 피크값이 평탄화한다.
도 4에, 광 프로브(10)와 광 반도체 소자(20)의 상대 위치를 X축 방향으로 변화시킨 경우의, 출사광 L의 입사 강도 패턴의 변화를 나타낸다.
도 4의 상단의 도면은, 광 프로브(10)의 입사 단면(100)의 주변 근방의 모식도이다. 도 4의 중간단 도면은, 출사광 L의 입사 범위 2Sr, 유효 입사 범위 2Se 및 광 프로브(10)의 코어부(11)의 직경 2Cr의 위치를 나타내는, Z축 방향에서 본 평면도이다. 도 4의 하단의 도면은, 입사 강도 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 4에 나타낸 입사 강도 패턴은, X축 방향을 따라서 광 반도체 소자(20)가 이동한 경우의, X축 방향의 이동 거리 Dx와 입사 강도 P의 관계를 나타낸다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 광 반도체 소자(20)의 이동 거리 Dx에 대한 광 프로브(10)의 입사 강도 패턴의 형상은, 입사 강도 P의 피크 값이 평탄한 부분을 갖는 사다리꼴 형상이다. 입사 강도 패턴에 있어서의 입사 강도 P가 피크 값인 이동 거리 Dx(이하, 「제1 이동 거리 Dxp」라 함)는, 식(7)으로 나타내어진다:
Dxp = 2×(Se-Sr)…(7)
또한, 입사 강도 패턴에서의 입사 강도 P가 0보다 큰 이동 거리 Dx(이하,「제2 이동 거리 Dx0」라 함)는, 식(8)로 나타내어진다 :
Dx0 = 2×(Se+Sr)…(8)
따라서, 제1 이동거리 Dxp 및 제2 이동 거리 Dx0를 측정하면, 이하의 식(9)및 식(10)을 이용해서 유효 입사 반경 Se와 입사 범위 반경 Sr을 산출할 수 있다 :
Se = (Dxp+Dx0)/4…(9)
Sr = (Dx0-Dxp)/4…(10)
또한, 입사 강도 P로서, 입사 강도 패턴의 ±(Se-Sr)의 범위에서의 입사 강도 P의 평균값을 사용하는 것이 바람직하다. 입사 강도 P의 평균값을 사용함으로써 측정값의 미세한 강도 변동을 취소하여, 입사 강도 P를 안정된 측정값으로서 사용할 수 있다. 이하에 있어서, 입사 강도 패턴의 소정의 범위에서의 입사 강도 P의 평균값을 「평균강도 Pa」라고 칭한다.
또한, 측정시의 작동 거리 WD를 이용해서, 방사각 γ는 식(11)을 이용해서 산출된다.
γ = 2×tan-1(Sr/WD)…(11)
실제로 측정되는 입사 강도 패턴의 형상은, 사다리꼴 형상에 대해, 어긋난 패턴 형상이 된다. 그러나, 실측 값을 바탕으로 근사(近似) 직선을 설정함으로써 제1 이동 거리 Dxp 및 제2 이동 거리 Dx0를 설정할 수 있다.
광 프로브(10)를 거치지 않고서, 예를 들면 광 파워 미터 등의 수광기를 이용해서 광 반도체 소자(20)의 출사광 L을 직접 측정한 입사 강도를 입사 강도 참값(眞値) P0으로 하면, 광 프로브(10)를 통해서 측정한 입사 강도 P와 입사 강도 참값 P0의 관계는, P0=K×P로 표현된다. 여기에서, K는 보정 계수이다. 입사 강도 P는, 광 프로브(10)를 통한 측정이므로, 그 단면 반사에 의한 손실, 코어내 도파(導波)시의 방사 전파 손실 등의 각종 손실이 포함된다. 따라서, 보정 계수 K를 이용함으로써 광 프로브(10)를 이용한 측정에 의해 얻어진 입사 강도 P를 입사 강도 참값 P0로 보정할 수 있다.
보정 계수 K는, 입사 단면(100)에서의 출사광 L의 단면 반사, 광 프로브(10)에서의 전파시의 출사광 L의 방사 손실이나 전파 손실, 광 회로 구성 등에 의해 설정되는 각 손실의 총합에서 광 프로브(10)에 설정되는 고유의 계수이다. 따라서, 광 프로브(10)를 사용해서 출사광 L을 측정할 경우는, 사전에 보정 계수 K를 설정해두어도 좋다. 보정 계수 K의 설정은, 예를 들면 다음과 같이 한다. 우선, 광 반도체 소자(20)의 전류-출력 특성 S1을 광 파워 미터로 정확하게 측정한다. 이어서, 광 파워 미터로의 측정과 같은 측정 조건에서 광 반도체 소자(20)의 전류-출력 특성 S2를, 광 프로브(10)를 사용하는 광 회로계를 이용해서 측정한다. 같은 인가 전류 조건에서의 전류-출력 특성 S1의 입사 강도 P1와 전류-출력 특성 S2의 입사 강도 P2로부터, 광 프로브(10)의 보정 계수 K는, K=P1/P2로서 구해진다.
도 5는, 코어 지름 Cd=89μm, 개구수 NA0=0.29이며 입사 단면이 평면인 광 섬유를 광 프로브(10)에 사용했을 경우의, 광 프로브(10)와 광 반도체 소자(20)의 X축 방향 또는 Y축 방향의 이동 거리 D와 입사 강도 P의 관계를 나타낸다. 광 반도체 소자(20)로서 방사각 γ=21.5°의 VCSEL을 사용하였다. 작동 거리 WD가 20, 50, 100, 150, 200μm 각각의 경우에 관해서, X축 방향 또는 Y축 방향으로 광 반도체 소자(20)를 이동해서 입사 강도 P를 측정했다.
작동 거리 WD<50μm에서는, 입사 강도 P가 900μW 정도의 피크값이 평탄한 부분을 갖는데, 입사 강도 P의 피크 값에서 반사 귀환광에 의한 영향으로 미세한 변동이 보인다. 작동 거리 WD=150μm에서는, 입사 강도 P에 평탄부가 적어지지만, 입사 강도의 미소 변동은 보이지 않는다. 이것은 VCSEL에 의한 조사지름(=2×Sr)과 입사지름(=2×Se)이 거의 같아졌기 때문이다. 이 경우, 입사 지름은 코어 지름과 동등해서, 2×Se=Cd이다. 작동 거리 WD가 150μm이상에서는, 작동 거리 WD가 길어짐에 따라서 입사 강도 P의 피크값은 감소한다.
도 5에 있어서, 작동 거리 WD=20~100μm의 범위에 있어서, 입사 강도 P의 피크 값은 평탄하다. 그러나, 작동 거리 WD=20~50μm의 범위에서는, VCSEL과 광 프로브(10)의 입사 단면(100)과의 거리가 짧기 때문에 출사광 L의 입사 단면(100)에서의 반사 귀환광에 의한 공진에 의해 입사 강도 P의 미소한 변동이 보인다. 작동 거리 WD=100μm에서는, 입사 강도 P의 피크 값의 범위는 거의 평탄하다. 작동 거리 WD가 길수록 반사 귀환광이나 VCSEL의 강도 분포에 의한 입사 강도 P로의 영향이 완화되어 입사 강도 P의 피크 값의 미세한 변화는 볼 수 없어진다.
작동 거리 WD=150μm의 경우, Se-Sr=10μm, Se+Sr=65μm에서, Sr=27.5μm이다. 이에 따라 VCSEL의 방사각 γ는, γ=2tan-1(27.5/150)=20.8°이다.
도 6은, 코어 지름 Cd=89μm, 개구수 NA0=0.29의 광 섬유를 사용한, 입사 단면(100)의 곡률 반경 R=70μm의 광 프로브(10)의 입사 강도 패턴의 측정 예이다. 도 6에서는, 작동 거리 WD를 50μm~200μm의 범위에서 변화시킨 경우의 입사 강도 패턴을 나타내었다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 입사 단면(100)이 곡면인 광 프로브(10)에서는, 입사 강도 P의 피크 값에서의 미세 변동이 적다. 작동 거리 WD가 길어질수록 입사 강도 P가 피크 값을 나타내는 이동 거리 D는 짧다. 그러나, 입사 단면(100)의 렌즈 효과에 의해 출사광 L이 좁혀지므로 작동 거리 WD에 의존하는 입사 강도 P의 피크 값의 변동은 거의 없다. 즉, 도 5와 비교해서 작동 거리 WD가 큰 경우에도, 입사 단면(100)이 곡면인 광 프로브(10)에서는, 광축 근방의 입사 강도 P의 값이 감쇠하지 않으며 피크값의 평탄한 영역이 넓다.
작동 거리 WD=20~100μm의 경우, 입사 강도 패턴이 VCSEL의 강도 분포(near field pattern)의 영향을 받아서 광축의 위치 근방을 중심으로 하는 입사 강도 P의 피크값의 범위가 약간 우묵하게 들어가다. 그러나, 작동 거리 WD≥150μm의 경우, 방사광의 구면파 퍼짐에 의한 평균화에 따라 입사 강도 P의 피크값의 범위는 거의 평탄하다. 또한, 입사 단면(100)이 곡면이기 때문에 코어 반경 Cr과 유효 입사 반경 Se는, Cr≥Se의 관계이다. 작동 거리 WD=150μm의 경우, Se-Sr=18μm, Se+Sr=38μm, Sr=28μm일 때, 방사각 γ는 γ=2×tan-1(28/150)=21.2°이다.
이상과 같이, 광 프로브(10)의 입사 강도 패턴에서, 설정한 작동 거리 WD에서의 방사각 γ을 쉽게 측정할 수 있다.
도 7a 및 도 7b에, 광 반도체 소자(20)가 다수의 발광부(21)에서 발광하는 대출력의 VCSEL인 예를 나타낸다. 도 7a 및 도 7b에 나타낸 광 반도체 소자(20)는, 예를 들면, 조명용이나 센서용의 대출력의 VCSEL이다. 도 7b에 나타내는 바와 같이, 광 반도체 소자(20)는 웨이퍼(200)에 형성되어 있다.
광 반도체 소자(20)는, 대구경의 발광부(21)를 복수 갖는다. 발광부(21) 각각은, 다수의 발광체(22)를 가진다. 도 7a에 나타내는 바와 같이, 발광부(21)는, 인접한 변의 길이가 각각 a와 b의 직사각형상이며, 면적은 「a×b」이다. 즉, 광 프로브(10)와 광 반도체 소자(20)의 상대적인 위치를 변화시키는 이동 방향(X축 방향)의 변의 길이가 a이고, 이동 방향과 교차하는 방향(Y축 방향)의 길이가 b이다. 광 반도체 소자(20)의 사이즈는 수(數)mm정도이며, 구성된 다수의 발광체(22)에 의해 수W의 발광 출력이 얻어진다. 광 반도체 소자(20)는, 전기 신호가 입력되는 전기 신호 패드(23)를 각각 표면에 구비한다. 또한, 광 반도체 소자(20)의 그라운드(ground)는 이면이다.
웨이퍼(200)에 형성된 복수의 대출력, 대구경의 VCSEL에 대해서도 광 프로브 (10)나 복수의 광 프로브(10)를 배열한 광 프로브 어레이를 이용해서, 입사 강도 P나 방사각 γ를 측정할 수 있다. 도 8을 참조해서, 도 7a 및 도 7b에 나타낸 대출력의 VCSEL의 입사 강도 패턴을, 광 프로브(10)를 이용해서 측정하는 방법을 설명한다. 입사 강도 패턴은, 예를 들면, 소정의 작동 거리 WD에 있어서 광 프로브(10)와 VCSEL의 상대적인 위치를 X축 방향으로 변화시킴으로써 얻어진다.
광 프로브(10)는, 코어 지름 Cd, 유효 입사 반경 Se의 광 섬유를 사용한다. 출사광 L을 광 프로브(10)의 입사 단면(100)에 입사시킴으로써 입사 강도 P를 측정한다.
일정한 작동 거리 WD에 있어서, 광 프로브(10)를 X축 방향으로 이동시킨다. 이때 입사 강도 P가 0보다 큰 영역의 양단의 위치에서의 광 프로브(10)의 중심축 C10의 간격은, 도 8에 나타내는 바와 같이, a+2Se+2WD×tan(γ/2)이다. 또한, 코어부(11)의 간격은, a+2WD×tan(γ/2)이다.
이때, 출사광 L의 입사 강도에 관해서, 광 프로브(10)를 X축 방향으로 이동시킴으로써 측정된 복수 개소의 입사 강도 P의 평균값을 평균 강도 Pa로 한다. 평균 강도 Pa을 이용해서, 입사 에너지 밀도 Ed는, 이하의 식(12)으로 산출한다:
Ed = Pa/(π×Se)2…(12)
입사 단면(100)에서의 입사 범위의 면적 Sw은, 이하의 식(13)을 이용해서 얻어진다:
Sw = (a+2WD×tan(γ/2))×(b+2WD×tan(γ/2))…(13)
광 반도체 소자(20)의 입사 강도 참값 P0는, 식(14)로 나타내어진다 :
P0 = K×Ed×Sw…(14)
식(14)에서 K는 보정 계수이다. 예를 들면, 광 파워 미터에 의해 직접 측정한 입사 강도 참값 P0과 광 프로브(10)를 이용해서 측정한 입사 강도 P1에 의해, 보정 계수 K는 식(15)과 같이 설정된다:
K = P0/P1(K>1)…(15)
측정에 사용하는 모든 광 프로브(10)의 보정 계수 K는, 광 반도체 소자(20)의 측정 전에 설정해도 좋다. 광 프로브(10)에 사용하는 광 섬유는, 측정 대상의 광 반도체 소자(20)의 사이즈에 맞춰서, 예를 들면 코어 지름 Cd=00μm~1000μm정도의 광 섬유에서 선택해도 좋다. 또한, 광 프로브(10)의 코어부(11)는, 굴절률 분포형과 스텝 인덱스형의 어느 것이라도 좋다.
도 8에 나타낸 입사 강도 패턴에 있어서 입사 강도 P가 0보다 큰 이동 거리 Dx의 실측 값을 이동 거리 Dm으로 해서, 방사각 γ에 관해서 식(16)가 얻어진다:
Dm = a+2Se+2WD×tan(γ/2)…(16)
식(16)에서, 길이 a는 알려진 것이므로 유효 입사 반경 Se의 값을 알면, 설정한 작동 거리 WD에 관해서, 방사각 γ는 식(17)을 이용해서 산출된다:
γ = 2×tan-1[{Dm-(a+2Se)}/2WD]…(17)
상기와 같이, 광 프로브(10) 또는 광 반도체 소자(20)를 X축 방향이나 Y축 방향으로 이동시켜서 입사 강도 패턴을 취득함으로써 입사 강도 P를 안정적으로 측정할 수 있다. 즉, 입사 강도 패턴의 입사 강도 P의 피크 값의 안정 영역에서의 값, 또는 그 평균값을 취득함으로써 광 반도체 소자(20)의 출사광 L의 입사 강도 참값 P0에 가까운 입사 강도 P를 안정적으로 측정할 수 있다.
도 9에, 광 프로브(10)를 이용한 측정 시스템(1)의 예를 나타낸다. 도 9에 나타낸 측정 시스템(1)은, 광 프로브(10)를 어레이 형태로 배치한 광 프로브 어레이를 유지하는 광 프로브 헤드(41)와, 복수 개의 전기 프로브(30)를 배열해서 구성한 전기 프로브 어레이를 유지하는 전기 프로브 헤드(43)를 구비한다. 전기 프로브(30)로서, 예를 들면, 캔틸레버 타입, 수직니들 타입, 수직스프링 타입 등이 사용된다. 광 프로브(10)와 전기 프로브(30) 각각은, X축 방향을 따라서 피치 Pr로 등간격으로 배치되어 있다. X축 방향과 마찬가지로 Y축 방향을 따라서도 광 프로브(10) 및 전기 프로브(30)를 등간격으로 배치해도 좋다.
측정 시스템(1)은, 웨이퍼(200)에 형성된 복수의 광 반도체 소자(20)의 특성 측정에 사용한다. 웨이퍼(200)의 주면에는, 광 반도체 소자(20)가 X축 방향을 따라서 피치 Pd로 등간격으로 배치되어 있다. 피치 Pd는 피치 Pr과 동등하다. 광 반도체 소자(20)의 발광부의 위치와, 그 발광부에 대응하는 광 프로브(10)의 중심축의 위치의 위치 차이는, 측정 값의 오차 경감을 줄이기 위해서 예를 들면 5μm이하인 것이 바람직하다.
광 반도체 소자(20)를 형성한 웨이퍼(200)는, 스테이지(50) 상의 소정의 기준 위치에 맞춰서 탑재한다. 웨이퍼(200)는, 흡착 장치(도시생략)에 의해 스테이지 (50)에 고정해도 좋다. 스테이지(50)에서의 웨이퍼(200)의 고정에는, 예를 들면 진공 흡착 등의 수단을 이용해도 좋고, 다른 수단을 이용해도 좋다.
예를 들면, 하나의 광 반도체 소자(20)에 관해서 광 프로브(10)와 전기 프로브(30)가 쌍으로 배치된다. 이와 같이, 하나의 광 반도체 소자(20)에 관해서, 광 프로브(10)와 전기 프로브(30)를 포함한 하나의 프로브 유닛을 구성한다. 프로브 유닛은, 웨이퍼(200)에 형성된 광 반도체 소자(20)의 배치에 대응해서 배치한다. 또한, 도 9에서는 하나의 측정 유닛을 구성하는 광 프로브(10)와 전기 프로브(30)의 개수가 1개씩인 경우를 예시적으로 나타내었다. 그러나, 측정 유닛에 포함되는 광 프로브(10)와 전기 프로브(30)의 갯수는, 광 반도체 소자(20)의 구성이나 측정 내용에 따라서 임의로 설정한다. 예를 들면, 통전용의 전기 프로브(30)와 그라운드용의 전기 프로브(30)를 페어로 해서 전기 프로브 어레이를 구성해도 좋다. 즉, 1개의 광 프로브(10)에 대응시켜서 통전용의 전기 프로브(30)와 그라운드용의 전기 프로브(30)의 2개의 전기 프로브(30)를 배치해도 좋다.
광 프로브 헤드(41)는, 광 프로브 구동 장치(42)의 제어에 의해 이동한다. 예를 들면, 광 프로브 구동 장치(42)의 제어에 의해 광 프로브(10)의 입사 단면 (100)과 광 반도체 소자(20)의 작동 거리의 작동거리 WD의 미세 조정이 가능하다. 또한, 전기 프로브 헤드(43)는, 전기 프로브 구동 장치(44)의 제어에 의해 이동한다. 예를 들면, 전기 프로브 구동 장치(44)의 제어에 의해, 전기 프로브(30)의 선단과 광 반도체 소자(20)와의 Z축 방향을 따른 거리의 미세 조정이 가능하다.
광 프로브 헤드(41) 및 전기 프로브 헤드(43)와 광 반도체 소자(20)와의 X축 방향 및 Y축 방향의 위치 맞춤은, 스테이지 구동 장치(51)에 의해 스테이지(50)를 이동시켜서 수행할 수 있다. 그리고 또한, 스테이지 구동 장치(51)에 의해 Z축 방향을 중심으로서 스테이지(50)를 회전시킴으로써, Z축 방향을 중심으로 하는 회전 방향(이하,「Z축 회전방향」이라 함)에 관해서, 광 반도체 소자(20)에 대해서 광 프로브(10)와 전기 프로브(30)의 위치를 조정해도 좋다.
또한, 스테이지(50)의 위치를 고정하여 광 프로브 헤드(41) 및 전기 프로브 헤드(43)를 X축 방향, Y축 방향, Z축 방향의 각 방향으로 이동시켜도 좋다. 즉, 광 프로브 구동 장치(42) 및 전기 프로브 구동 장치(44)에 의해 광 프로브(10) 및 전기 프로브(30)의 광 반도체 소자(20)에 대한 상대적인 위치를 조정해도 좋다.
상기와 같이, 도 9에 나타낸 측정 시스템(1)에 의하면, 광 프로브(10) 및 전기 프로브(30)와 광 반도체 소자(20)의 위치 맞춤이 가능하다. 또한, 광 프로브 헤드(41)의 위치와 전기 프로브 헤드(43)의 위치를 독립해서 제어할 수 있도록 측정 시스템(1)을 구성해도 좋다. 그 밖에, 광 프로브 헤드(41) 및 전기 프로브 헤드 (43)의 위치를 고정하고, 스테이지(50)를 X축 방향, Y축 방향, Z축 방향, Z축 회전방향으로 움직여서 광 프로브(10) 및 전기 프로브(30)와 광 반도체 소자(20)의 상대적인 위치를 제어하는 방법도 가능하다. 이와 같이, 광 프로브(10) 및 전기 프로브(30)와 광 반도체 소자(20)의 위치 맞춤에, 다양한 조정 방법을 사용할 수 있다.
측정 시스템(1)을 전기 신호와 광 신호가 전파하여 광 반도체 소자(20)의 측정이 행해진다. 예를 들면, 도시를 생략한 테스터에서 출력된 전기 신호가, 전기 프로브 헤드(43)에 배치된 접속 단자(도시생략)를 통해서, 전기 프로브(30)에 송신된다. 이에 따라, 광 반도체 소자(20)를 통전한다. 광 반도체 소자(20)가 VCSEL인 경우는, 전기 프로브(30)에 의해 VCSEL의 상면에 배치된 전기 신호 패드에 전기 신호를 인가함으로써, 통전한 VCSEL이 출사광 L을 출력한다. 출사광 L은, 광 프로브(10)가 수광한다.
광 반도체 소자(20)의 통전의 방법은 임의로 설정할 수 있다. 예를 들면, 광 반도체 소자(20)를 1개 걸러 순서대로 통전해도 좋고, 복수의 광 반도체 소자(20)를 동시에 통전해도 좋다. 또한, 인접한 광 반도체 소자(20)의 크로스토크(crosstalk)를 피하기 위해, 예를 들면 1개 내지 몇개 분의 간격을 두고, 순차 또는 동시에 광 반도체 소자(20)를 통전해도 좋다.
광 프로브(10)는, 광전 변환 모듈(45) 및 전기 접속 단자(46)를 갖는 광전 변환부(47)에 접속한다. 광 반도체 소자(20)가 출력한 출사광 L은, 광 프로브(10)와 광학적으로 접속하는 광전 변환 모듈(45)에 전파한다. 광전 변환 모듈(45)은, 출사광 L을 전기 신호로 변환하고, 변환한 전기 신호를 전기 접속 단자(46)에 출력한다. 전기 접속 단자(46)는 도시를 생략한 테스터와 전기적으로 접속되어 있으며, 출사광 L에서 광전 변환된 전기 신호가 전기 접속 단자(46)에서 테스터로 송신되고, 계측한 전류값을 광 출력값으로 변환한다.
광전 변환 모듈(45)에는, 출사광 L을 광 검출기(photodetector) 등에 의해 그 광 신호를 출력에 따라 거의 직선적으로 전기 신호로 변환하는 타입이나, 회절 격자형 장치에 의해 출사광 L을 분광하여 그 회절각 방향에 의해 출사광 L의 파장 변동 특성을 검출하는 타입이 사용된다. 측정 용도에 따라 광전 변환 모듈(45)의 타입을 나눠 사용할 수 있다. 또한, 광전 변환 모듈(45)의 바로 앞에서 출사광 L을 분기해서 여러 종류의 측정을 동시에 수행할 수도 있다. 광전 변환부(47)를 이용해서 광 프로브(10)의 출력을 광 프로브 헤드(41)의 근방에서 광전 변환함으로써 측정 시스템(1)의 간소화, 측정 시간의 고속화, 측정값의 반복 재현성의 향상을 실현할 수 있다. 이와 같이, 광 프로브(10) 및 광 프로브(10)를 유지하는 광 프로브 헤드(41)를 구비하는 프로브 카드를 이용해서, 광 반도체 소자(20)의 효율적인 측정이 가능하다.
광 반도체 소자(20)의 측정시에는, 광 프로브(10)의 입사 단면(100)과 광 반도체 소자(20)의 작동 거리 WD를, 상기의 작동 거리 WDr 근방 혹은 작동 거리 WDr 이상으로 한다. 이에 따라, 광 프로브 어레이를 구성하는 광 프로브(10) 각각에 관해서 출사광 L의 입사 강도 P의 피크 값이 안정하여 이동 거리에 대해서 피크값이 평탄화 한다.
측정 시스템(1)은, 작동 거리 WD를 일정하게 유지해서, X축 방향, Y축 방향, 혹은 X축 방향과 Y축 방향의 양방향으로 광 프로브(10)를 이동해서, 광전 변환부 (47)를 통해서 출사광 L의 입사 강도 패턴을 취득한다. 측정 시스템(1)이 취득하는 테이터는, 광 반도체 소자(20) 각각의 X축 방향의 입사 강도 패턴, Y축 방향의 입사 강도 패턴, 혹은 X축 방향과 Y축 방향의 양방향의 입사 강도 패턴이다. 입사 강도 패턴의 취득을 위해서, 예를 들면 X축 방향 또는 Y축 방향을 따라서 광 프로브(10)를 -50~+50μm의 범위로 이동시켜 5μm 피치로 입사 강도 P를 취득하고, 복수 개소의 입사 강도 P를 데이터화 한다. 측정 피치의 간격은, 측정할 광 반도체 소자(20)의 사이즈, 출사광 L의 방사각 γ, 측정 시간 등에 따라서 설정해도 좋다.
이와 같이, 측정 시스템(1)에 의해, 도 4나 도 8에 나타낸 바와 같은 광 반도체 소자(20)의 입사 강도 패턴을, 웨이퍼(200)에 형성한 광 반도체 소자(20) 각각에 관해서 취득한다. 그리고, 입사 강도 패턴에 의해, 광 반도체 소자(20)마다 입사 강도 P와 방사각 γ를 산출한다. 입사 강도 패턴의 피크 값이 안정해서 평탄한 영역에서의 평균 강도 Pa를 이용함으로써 정확한 입사 강도 P와 방사 각도 γ를 산출할 수 있다.
즉, 측정 시스템(1)은, 입사 강도 패턴을 취득함으로써 광축 C20의 위치의 1개소의 측정에서의 입사 강도 P가 아니고, 피크값의 입사 강도 P의 평균값으로서 평균 강도 Pa를 취득한다. 평균 강도 Pa는, 광축 C20의 근방 위치에서의 복수 개소, 예를 들면 3개소에서의 입사 강도 P의 평균값으로 한다. 평균 강도 Pa를 사용함으로써 측정시에서의 광 반도체 소자(20)의 입사 강도의 변동, 광 프로브(10)의 입사 단면(100)의 형상의 왜곡 등에 기인한 입사 강도 패턴의 미세한 변동이 억제된다. 이때문에, 입사 강도 P의 안정된 측정이 가능하다.
이하에, 도 10의 흐름도를 참조해서 측정 시스템(1)을 이용한 측정 방법의 예를 설명한다. 광 프로브 어레이나 전기 프로브 어레이를 갖는 측정 시스템(1)에 따르면, 복수의 광 반도체 소자(20)를 동시 또는 단시간에 측정할 수 있다.
단계 S10에 있어서, 복수의 광 반도체 소자(20)를 형성한 웨이퍼(200)를, 측정 시스템(1)의 스테이지(50) 상의 소정의 위치에 탑재, 밀착 고정한다.
단계 S20에 있어서, 전기 프로브(30) 각각을, 광 반도체 소자(20)의 전기 신호 패드 위에 접촉시킨다. 이때, 광 프로브(10)의 중심축 C10의 위치를, 광 반도체 소자(20)의 발광부의 위치와 평면에서 보아 거의 일치시킨다.
이어서, 단계 S30에 있어서, 광 반도체 소자(20)와 입사 단면(100)과의 Z축 방향을 따른 간격을, 소정의 작동 거리로 설정한다. 구체적으로는, 입사 강도 패턴에 있어서 출사광 L의 입사 강도 P의 피크값의 변동이 소정의 범위 내에 들어가는 평탄부가 포함되도록 작동 거리를 설정한다. 예를 들면, 광 프로브(10)와 광 반도체 소자(20)의 간격이 작동 거리 WDr 근방이 되도록 광 프로브(10)의 Z축 방향의 위치를 조정한다.
그 후, 단계 S40에 있어서, 전기 프로브(30)에 소정의 전류를 흘려서 광 반도체 소자(20)에 통전하여 광 반도체 소자(20)를 발광시킨다. 이때, 발광하는 광 반도체 소자(20)간의 미광(迷光), 크로스토크에 의한 영향을 피하기 위해, 1개 간격으로 광 반도체 소자(20)를 통전하여 발광하도록, 통전하는 광 반도체 소자(20)의 간격을 두어도 좋다. 또한 전기 프로브(30)에 소정의 전류를 통전했을 때, 그 입사 강도가 최대가 되도록, 광 반도체 소자(20)와 광 프로브(10)의 중심축 C10의 위치를 재조정해도 좋다.
그리고, 단계 S50에 있어서, Z축 방향에 따른 작동 거리를 일정하게 유지하면서 XY 평면을 따라서 광 반도체 소자(20)와 광 프로브(10)의 상대적인 위치를 변화시킨다. 이때, 다른 위치에서 출사광 L의 입사 강도를 각각 측정한다. 예를 들면, X축 방향을 따라서 수십 μm정도의 범위에서 광 프로브 어레이를 이동시키면서 그 범위의 여러 위치에서 입사 강도 P를 측정하여 입사 강도 패턴을 취득한다. Y축 방향에 대해서도 X축 방향과 마찬가지로 광 프로브 어레이를 이동시켜, 복수의 위치에서의 입사 강도 P를 측정하고, 입사 강도 패턴을 취득해도 좋다. 그후, 전기 프로브(30)에 의한 광 반도체 소자(20)의 통전을 정지한다.
이어서, 단계 S60에 있어서, 입사 강도 패턴에서 평균 강도 Pa를 산출한다. 이때, 입사 강도 패턴에서의 출사광 L의 피크값이 평탄한 범위에 포함되는 입사 강도 P에 관해서 평균값을 산출한다. 예를 들면, 광축 C20의 근방의 여러 위치에서 취득한 입사 강도 P의 평균값을 평균 강도 Pa로서 산출하고, 이 평균 강도 Pa를 출사광 L의 입사 강도로 한다. 또한, 입사 강도 패턴의 형상을 이용하여 광 프로브(10)나 광 반도체 소자(20)의 파라미터를 산출한다. 예를 들면, 전류에 대한 광 반도체 소자(20)의 출력 특성, 슬로프(slope) 효율, 임계(threshold) 전류값 등이다. 또한, 광 프로브(10)의 유효 입사 범위나 출사광 L의 입사 범위를 산출한다. 즉, 입사 강도 패턴의 형상으로부터 근사적으로 사다리꼴 형상으로 간주할 수 있기 때문에 입사 강도 패턴의 형상의 4개소의 위치에서 식(9) 및 식(10)을 이용해서 유효 입사 반경 Se나 입사 범위 반경 Sr을 산출한다. 그리고 또한, 식(11)을 이용하는 등 해서 방사각 γ를 산출한다.
그 후, 단계 S70에 있어서, 모든 광 반도체 소자(20)에 관해서 측정 여부를 판정한다. 측정하지 않은 광 반도체 소자(20)가 있으면, 단계 S20로 돌아온다. 그리고 통전되지 않은 나머지 광 반도체 소자(20)에 관해서 발광시켜, 상기와 마찬가지로 입사 강도 패턴을 취득한다. 모든 광 반도체 소자(20)를 측정하면, 처리를 종료한다.
이상의 측정에 따라, 웨이퍼(200)에 형성한 모든 광 반도체 소자(20)에 관해서 입사 강도 패턴을 취득할 수 있다. 입사 단면(100)이 곡면인 광 프로브(10)를 이용함으로써 출사광 L에 관해서 입사 강도 P의 피크값이 안정해서 평탄한 입사 강도 패턴을 취득할 수 있다.
또한, 보정 계수 K를 이용하여, 측정 시스템(1)에 의해 취득된 입사 강도 P를 보정해도 좋다. 이에 따라, 광 파워미터 등의 수광기에 의한 측정과 같은 신뢰성이 높은 측정 참값이 얻어진다.
측정 시스템(1)에 의하면, 광 반도체 소자(20)의 출사광 L의 출사 강도 특성, 방사각 γ를 산출할 수 있다. 또한, 입사 강도 패턴의 형상에서 광 프로브(10)의 중심축 C10과 광 반도체 소자(20)의 광축 C20의 차이가 큰 경우 등에, 광 프로브(10)와 광 반도체 소자(20)의 위치 보정도 가능하다. 그리고, 위치 보정한 광 프로브(10)와 광 반도체 소자(20)의 정확한 위치 관계에서, 광 반도체 소자(20)를 측정할 수 있다. 예를 들면, 광 반도체 소자(20)의 전류 강도 IP 특성을 취득한다. 또한, 광 프로브(10)와 광 반도체 소자(20)의 위치 관계를 보정한 후, 스테이지(50)의 온도를 제어함으로써 웨이퍼(200)에 탑재한 광 반도체 소자(20)의 각종 온도 특성 데이터를 취득할 수 있다.
또한, 광 반도체 소자(20)의 통전 방법은, 다양한 방법에서 임의로 선택할 수 있다. 예를 들면, 광 반도체 소자(20)를 1씩 순차적으로 통전해도 좋고, 복수의 광 반도체 소자(20)를 일괄로 합쳐서 통전해도 좋다.
또한, X축 방향과 Y축 방향의 양방향으로 광 프로브(10)를 이동시켜서 입사 강도 패턴을 취득해도 좋고, X축 방향 또는 Y축 방향의 어느 한 방향으로만 광 프로브(10)를 이동시켜서 입사 강도 패턴을 취득해도 좋다.
상기와 같이, 측정 시스템(1)은, 광 반도체 소자(20)를 통전하면서 광 프로브(10)와 광 반도체 소자(20)의 상대적인 위치를 변화시켜서 입사 강도 P를 측정한다. 따라서, 광 프로브 헤드(41)의 위치와 전기 프로브 헤드(43)의 위치를 독립해서 제어할 수 있도록 측정 시스템(1)을 구성해도 좋다.
그런데, 입사 강도 패턴을 사용하지 않는 측정의 경우에는, 광 반도체 소자(20)와 광 프로브(10) 사이의 수μm의 위치 편차에 의해, 또는 광 반도체 소자(20)의 입사 강도 패턴의 변동 특성, 광 프로브(10)의 입사 단면(100)의 왜곡이나 변형에 의해 측정 정밀도가 떨어진다. 즉, 측정 위치가 적정하더라도 입사 강도 P에 대해서 0.1~0.3dB 정도의 변동이 발생하고, 이 변동이 광 반도체 소자(20)의 측정 정밀도에 직접 영향을 미친다. 또한, 그러한 변동이 적은 광 프로브(10)를 제작하기 위해서는 광 프로브(10) 입사단(入射端)의 연마 프로세스, 구상 가공 프로세스, 방전 프로세스 등에 의한 광 섬유의 미세한 단부의 정밀 가공과 검사가 필요하다. 그에 따라 광 섬유의 정밀 가공을 검사하기 위한 형상 왜곡 측정, 허용 오차(tolerance) 측정에 의한 확인이 필요하며, 그 측정 평가에 시간이 걸린다. 또한, 광 반도체 소자(20)의 니어필드(near field)에 강도 분포가 있는 경우, 광축에서 수μm 어긋나면 입사 강도 P에 감쇠 변동이 생긴다. 따라서, 광 반도체 소자(20)의 입사 강도 P의 참값을 구할 때에 사전에 광 프로브(10)의 손실 특성에 관해서 파악할 필요가 있다.
이에 대해, 측정 시스템(1)에서는, 웨이퍼(200) 상의 광 반도체 소자(20)의 측정시의 출력 변동 요인을 줄여 출사광 L의 출력이 안정화시켜지고 측정 재현성이 향상된다. 또한, 광 프로브(10)의 입사 단면(100)의 제작을 용이하게 해서 측정 시스템(1)에 의한 측정 값의 안정성, 정밀도가 향상된다.
입사 단면(100)이 곡면인 광 프로브(10)는, 예를 들어 다음과 같이 제작한다. 우선, 광 프로브(10)의 입사 단면(100)을 소정의 곡률 반경 R로 설정한 곡면으로 가공한다. 곡률 반경 R은, 예를 들면 수십μm~수mm정도이다. 이어서, 입사 단면(100)을 국부적으로 1000~1500℃정도로 가열함으로써, 입사 단면(100)을 용융하고 볼록형 메니스커스에 의해 부드러운 곡면으로 가공한다. 국부 가열 방법으로서 고주파 방전에 의한 가열, CO2레이저의 조사에 의한 가열 등이 있다. 기타, 단면의 국부 정밀 연삭, 연마 등에 의한 기계 가공에 의한 방법으로도 마찬가지로 가공 가능하다.
측정 시스템(1)에 의한 측정에서는, 광 반도체 소자(20)와 광 프로브(10)의 입사 단면(100) 사이의 작동 거리 WD를 최적화함으로써 입사 강도 패턴을 안정화하여 위치 차이에 의한 입사 강도의 변동을 저감한다. 또한, 광 반도체 소자(20)의 입사 강도의 측정시에 광 프로브(10)를 XY 평면에 있어서 약간 ±수십μm정도 이동시키면서 입사 강도 P를 측정한다. 그렇게 해서 취득한 입사 강도 패턴에 있어서 입사 강도 P의 피크값의 평균을 취함으로써 측정값이 안정한다. 그 결과, 입사 강도 P의 측정 정밀도를 향상, 안정화시켰다. 즉, 입사 강도 P의 피크값의 평균을 산출함으로써 광 프로브(10)와 광 반도체 소자(20)의 위치 차이에 기인하는 입사 강도 P의 변동을 줄이고, 측정값의 안정성, 재현성에 의해 신뢰성이 향상된다.
또한, 측정 시스템(1)을 이용한 측정에서는, 대구경 사이즈의 광 반도체 소자(20)에 대해서 소정의 작동 거리로 광 프로브(10)를 X축 방향이나 Y축 방향으로 이동시키면서 입사 강도 패턴을 취득한다. 그리고, 입사 강도 패턴에서 광 프로브(10)에 입사하는 출사광 L의 입사 에너지 밀도를 산출한다. 아울러, 입사 강도 패턴을 이용해서 광 반도체 소자(20)의 방사각 γ를 측정 산출한다.
그리고 또한, 측정 시스템(1)은, 웨이퍼 상태로 광 반도체 소자(20)의 입사 강도를 측정하기 위해 전기 프로브(30)와 광전 변환부(47)를 탑재한다. 이에 따라, 측정 시스템(1)은 광 프로브(10)가 측정하는 광 반도체 소자(20)의 출력값을 측정 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 실시 형태에 따른 측정 시스템(1)에 의하면, 광 프로브(10)의 제작이 용이하며, 또한 임의의 크기의 광 반도체 소자(20)를 안정적으로 측정할 수 있다. 또한 측정 시스템(1)은, 광 프로브(10)를 이용한 m×n의 다심(多芯)의 광 프로브 어레이(m, n≥2), 및 광 프로브(10)와 동수 혹은 배수의 전기 프로브(30)을 갖는 전기 프로브 어레이를 이용한, 다채널 광/전기 프로브 카드 측정계이다. 측정 시스템(1)에 의하면, 복수의 광 반도체 소자(20)의 안정된 입사 강도 P와 방사각 γ의 측정을 함께 수행할 수 있다. 이에 따라, 웨이퍼(200) 상의 복수의 광 반도체 소자(20)의 측정의 간소화와 시간 단축화를 실현한다. 또한, 광 프로브(10)의 보정 계수 K를 취득해서, 입사 강도 참값 P0와 광 프로브(10)의 측정에 의한 입사 강도 P를 비교할 수 있어, 측정 시스템(1)을 사용한 측정 결과를 이용해서 광 반도체 소자(20)의 요구 사양에 대한 양부(良否) 판정이 웨이퍼 상태에서 가능하다. 따라서 측정 시스템(1)은 광 반도체 소자(20)의 수율 향상에 기여한다. 이로 인해 광 프로브(10)의 제작 프로세스의 단순화가 가능하고, 및 측정값의 정밀도의 재현성, 신뢰성이 향상된 측정계를 실현할 수 있다.
(변형 예)
도 11에 나타낸 변형 예에 따른 측정 시스템(1a)은, 도 9에 나타낸 측정 시스템(1)에 추가해서, 광 프로브(10)로부터 일정한 거리만큼 떨어진 위치에 광전 변환 소자(60)를 배치한 구성이다. 측정 시스템(1a)에서는, 광전 변환 소자(60)는 광전 변환 소자(60)에 가장 근접한 광 프로브(10)로부터 거리 mPd만큼 이격해서 배치되어 있다. 거리 mPd는, 예를 들면, 인접한 광 반도체 소자(20)로부터의 출사광 L에 의한 미광이나 크로스토크에 의한 영향을 회피할 수 있는 거리로 설정한다.
광전 변환 소자(60)에는, 실리콘 광 검출기 등의, 변환 특성에 선형성(linearity)이 있어 변환 특성이 안정된 광전 변환 소자를 사용한다. 또한, 광전 변환 소자(60)에는, 조건에 맞는 사이즈의 광전 변환 소자를 사용한다. 예를 들면, 광 반도체 소자(20)의 출사광 L을 직접 수광할 수 있는 사이즈의 광전 변환 소자를 사용한다. 예를 들면, 광전 변환 소자(60)의 사이즈는, 입사광의 스팟 사이즈에 따라 0.5mm×0.5mm~수mm×수mm의 정사각형 정도의 크기이다. 또한, 광전 변환 소자(60)는, 측정의 효율화를 위해, 광전 변환 소자를 어레이 형태로 구성 배치한 것이어도 좋다.
광전 변환 소자(60)는, 광 프로브(10)로부터 어느 정도 떨어진 위치에, 증폭 회로(61)과 함께 배치한다. 증폭 회로(61)는, 광전 변환 소자(60)가 출력하는 전기 신호를 증폭, 안정화시킨다. 광전 변환 소자(60)를 갖는 측정 시스템(1a)에 의해 광 프로브(10)에 의해 광 반도체 소자(20)를 측정하기 전에 광 반도체 소자(20)로부터의 출사광 L을 소정의 전류 값으로 측정한다. 광 반도체 소자(20)의 통전은, 예를 들면 캔틸레버형의 전기 프로브(31)에 의해 전류를 인가해서 행한다. 우선 광전 변환 소자(60)에 의해 웨이퍼(200) 상의 n개의 광 반도체 소자(20)에 소정의 전류값을 인가하고, 그 출사광 L의 입사 강도 참값 P0을, 스테이지(50)을 이동시켜 측정, 기록한다. 따라서, 광전 변환 소자(60)에 의해 측정한 출사광 L의 입사 강도를 입사 강도 참값 P0로서 취급할 수 있도록 광전 변환 소자(60)는 미리 교정해 두어도 좋다.
측정 시스템(1a)에 의한 측정에서는, 웨이퍼(200)에 배치한 n개의 광 반도체 소자(20)에 대해서, 광전 변환 소자(60)에 의해 소정의 전류 값으로 입사 강도 참값 P0를 측정한다. 그 후, 입사 강도 참값 P0를 측정한 광 반도체 소자(20)에 관해서 광 프로브(10)를 X축 방향이나 Y축 방향으로 이동시키면서, 광전 변환 소자 (60)에 의한 측정과 같은 전류 값으로 광 반도체 소자(20)를 통전하고, 출사광 L의 입사 강도 P를 측정한다. 광전 변환 소자(60)를 이용해서 취득한 입사 강도 참값 P0과 광 프로브(10)를 이용해서 취득한 입사 강도 P1을 비교함으로써, n개의 광 프로브(10) 각각에 관해서 보정 계수 K를 취득할 수 있다. 보정 계수 K는, K=P0/P1에 의해 구해진다. 또한, 광 프로브(10) 각각의 광축상의 2개소 이상의 전류값 측정에 의해 광 반도체 소자(20)의 IL 특성, 슬로프 효율, 임계 전류값 등을 측정할 수 있다.
상기와 같이, 측정 시스템(1a)에 의하면, 측정 시스템(1a)을 제조하기 전에 개개의 광 프로브(10)에 관해서 보정 계수 K를 취득하는 공정을 생략해서, 측정 시스템(1a)을 제조한 후에 보정 계수 K를 취득할 수 있다. 따라서, 측정 시스템(1a)을 제조시의 광 프로브(10) 검사의 수고를 덜 수 있다.
또한, 측정 시스템(1a)에 따르면, 광 프로브(10)를 일정 시간 사용후 등에 정기적으로 광 프로브(10)의 보정 계수 K를 재측정함으로써 측정 시스템(1a)을 교정할 수 있다. 그 결과, 측정 시스템(1a)에 의한 정확한 측정을 유지할 수 있고, 측정값의 신뢰성을 향상할 수 있다.
(기타 실시형태)
상기와 같이 본 발명은 실시형태에 따라서 기재했지만, 이 개시의 일부를 이루는 논술 및 도면은 본 발명을 한정하는 것이라고 이해해서는 안 된다. 이 개시로부터 당업자에게는 다양한 대체 실시형태, 실시 예 및 운용 기술이 명확해질 것이다.
예를 들면, 상기에서는, 광 프로브 어레이와 전기 프로브 어레이를 개별적으로 이동 가능하게 구성하고, 광 프로브(10)와 광 반도체 소자(20)의 상대 위치의 변화에 관해, 광 반도체 소자(20)의 위치를 고정하고, 광 프로브(10)를 이동시키는 경우에 관해서 설명했다. 그러나, 광 프로브(10)의 위치를 고정하고, 전기 프로브(30)와 광 반도체 소자(20)를 이동시켜도 좋다. 이와 같이, 광 프로브(10)와 광 반도체 소자(20)의 상대 위치를 변화시키는 방법은 임의로 선택할 수 있으며, 어느 방법도 본 발명의 실시 형태에 포함된다.
또한, 상기에서는, 광 프로브(10)가 광 섬유 구조인 경우를 설명했지만, 광 프로브(10)는 광 섬유 구조에 한정되지 않는다. 예를 들면, 광 프로브(10)를 광 도파로 구조로 한 경우는, 단면 구조가 직사각형이라도 좋고, 어레이 구조, 광 프로브(10)의 선단에 렌즈를 장착한 구조라도 좋다.
또한, 광 프로브(10)와 전기 프로브(30)가 일체 구성이어도 좋다. 이 경우, 전기 프로브(30)를 유연성이 있는 캔틸레버 구조로해도 좋다. 그리고, 전기 프로브 (30)의 유연성에 의해 광 반도체 소자(20)의 전기 신호 패드와 전기 프로브(30)의 접속을 유지한 상태에서 스테이지(50)를 이동시켜, 광 프로브(10)와 광 반도체 소자(20)의 상대적인 위치를 변화시켜 측정해도 좋다.
이와 같이, 본 발명은 여기서는 기재하고 있지 않은 다양한 실시형태 등을 포함함하는 것은 물론이다.
1; 측정 시스템
10; 광 프로브
11; 코어부
12; 클래드부
20; 광 반도체 소자
21; 발광부
22; 발광체
30; 전기 프로브
41; 광 프로브 헤드
42; 광 프로브 구동 장치
43; 전기 프로브 헤드
44; 전기 프로브 구동 장치
50; 스테이지
51; 스테이지 구동 장치
60; 광전 변환 소자
100; 입사 단면
200; 웨이퍼

Claims (15)

  1. 광 반도체 소자로부터 출력되는 출사광을 광 프로브의 입사 단면에서 수광(受光)하는 측정 방법이며,
    상기 광 반도체 소자와 상기 입사 단면과의 간격을 소정의 작동 거리로 설정하고,
    상기 출사광의 광축과 교차하는 평면을 따라서 상기 광 반도체 소자와 상기 상기 광 프로브의 상대적인 위치를 변화시켜서 복수의 위치에서 상기 출사광의 입사 강도를 각각 측정하고,
    상기 상대적인 위치의 변화와 상기 입사 강도와의 관계를 나타내는 입사 강도 패턴을 취득하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입사 강도의 피크값의 변동이 소정의 범위 내에 들어가는 평탄부가 상기 입사 강도 패턴에 포함되도록 상기 작동 거리를 설정하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 평탄부에 포함되는 복수의 상기 입사 강도의 평균값을 산출하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 출사광의 광축의 근방의 위치에서의 상기 입사 강도에 관해서 상기 평균값을 산출하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입사 강도 패턴에서 상기 출사광의 방사각을 산출하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입사 강도 패턴에서, 상기 입사 단면에서의 상기 출사광의 입사 범위와, 상기 광 프로브의 코어부만 전파(傳搬)하는 상기 출사광의 유효 입사 범위를 산출하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입사 단면이 곡면인 상기 광 프로브를 이용해서 상기 입사 강도를 측정하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상대적인 위치를 변화시키는 이동 방향의 변의 길이가 a, 상기 이동 방향과 교차하는 방향의 길이가 b인 발광부를 갖는 상기 광 반도체 소자에 관해서,
    상기 광 프로브의 코어부만 전파하는 상기 출사광의 유효 입사 범위를 Se, 상기 작동 거리를 WD, 상기 입사 강도 패턴에 있어서 상기 입사 강도가 0보다 큰 이동 거리를 Dm으로 해서,
    상기 출사광의 방사각 γ를,
    γ = 2×tan-1[{Dm-(a+2Se)}/2WD]의 식을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 입사 강도 패턴에서의 상기 입사 강도의 피크값의 평균 강도를 Pa로 하고,
    상기 출사광의 입사 에너지 밀도 Ed, 상기 입사 단면에서의 상기 출사광의 입사 범위의 면적 Sw를,
    Ed = Pa/(π×Se)2
    Sw = (a+2WD×tan(γ/2))×(b+2WD×tan(γ/2))의 식을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    수광기에 의해 직접 측정한 상기 출사광의 입사 강도 참값을 이용해서 상기 입사 강도를 보정하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  11. 광 반도체 소자로부터 출력되는 출사광을 측정하는 측정 시스템이며,
    상기 출사광을 입사 단면에서 수광하는 광 프로브와,
    상기 광 프로브를 유지(保持)하는 광 프로브 헤드와,
    상기 광 프로브 헤드 및 상기 광 반도체 소자 중 적어도 어느 하나를 이동시키는 구동 장치를 구비하고,
    상기 구동 장치는, 상기 출사광의 광축과 교차하는 평면을 따라서 상기 광 반도체 소자와 상기 광 프로브의 상대적인 위치를 변화시켜,
    복수의 위치에서 상기 출사광의 입사 강도를 각각 측정하여, 상기 상대적인 위치의 변화와 상기 입사 강도와의 관계를 나타내는 입사 강도 패턴을 취득하는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 광 반도체 소자에 전기 신호를 송신하는 전기 프로브를 더 구비하고,
    상기 전기 프로브에 의해 상기 광 반도체 소자를 통전하면서 상기 상대적인 위치를 변화시키는 것을 특징으로 측정 시스템.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 광 프로브의 상기 입사 단면이 곡면인 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 광 프로브가, 코어부 및 상기 코어부의 외주에 배치된 클래드(clad)부에 의해 구성되고,
    상기 광 프로브는,
    작동 거리 WD, 상기 입사 단면의 곡률 반경 R, 상기 출사광의 방사각 γ, 상기 클래드부에 투과하지 않고 상기 코어부를 전파하는 상기 출사광의 상기 입사 단면에서의 유효 입사 반경 Se, 상기 입사 단면에서의 상기 출사광의 입사 범위 반경 Sr, 상기 출사광이 입사한 위치에서의 상기 코어부의 굴절률 nr, 상기 입사 단면이 평면인 경우의 개구수 NA0, 상기 코어부의 상기 출사광의 굴절각 β, 상기 출사광이 입사한 위치에서의 상기 중심 반각 ω가,
    Se = R×sin(ω)
    Sr = WD×tan(γ/2)
    ω = ±sin-1(B2/(A2+B2))1/2
    β = sin-1(NA0/nr))
    단,
    A = nr×cos(β)-cos(γ/2)
    B = nr×sin(β)-sin(γ/2)의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
  15. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 출사광을 직접 수광하고, 상기 출사광을 전기 신호로 광전(光電) 변환하는 광전 변환 소자를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
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