TW201246733A - Laser characterization system and process - Google Patents

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201246733 六、發明說明： 相關申請案的交又參考 本申請案根據專利法主張2010年12月2日申請之美 國臨時申請案第61/419,042號之優先權權益，該案之内 谷為本申明案之依據且全文在此以引用之方式併入本 文。 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於用於對半導體雷射進行特性分析，且更 特定言之對外部共振腔半導體雷射進行特性分析，且更 特定3之在自雷射晶片條分離及安裝每一個別晶片之前 對該條中之每一外部共振腔半導體雷射晶片進行自動測 試及特性分析之系統及程序。 【先前技術】 罝子級聯雷射（QCL)為一種類型的單極半導體雷射， 量子級聯雷射主要在中紅外（MIR)及遠紅外（FIR)波長範 圍發光’例如’在約3 μπι至約15 μηι之波長範圍内。 外部共振腔量子級聯雷射（EC_QCL)為組合量子級聯增 益模塊（gain block)(例如，在一鏡面上具有抗反射塗 層之一雷射晶片）及外部共振腔之雷射系統。該外部共 振腔通常包括準直透鏡及繞射光柵鏡（或簡稱為繞射光 柵）。在常見的可調諧外部共振腔半導體二極體雷射之利 特羅（Littrow)配置中，自量子級聯增益模塊發射之光， 由繞射光柵以一階繞射沿著初始射束路徑反射，且反射 201246733 回至量子級聯增益模塊中以達成雷射發光。此雷射系統 通常經精密設計以使得該雷射系統可在單一波長下雷射 發光’該單一波長係由光柵鏡的光柵角度（或利特羅角 度）決定。光栅角度為垂直於繞射光柵延伸的軸線與自 量子級聯增益模塊發出的光束路徑之軸徑之間的角度。 當繞射光柵旋轉或極轉時，光柵角度改變，且由EC-QCL 產生的雷射束之雷射發光波長亦改變。因此，藉由旋轉 光柵鏡可在某一範圍内調諧EC_qCL雷射系統之雷射發 光波長。雷射發光波長的調諧範圍係由諸如以下各者之 參數決定：量子級聯增益模塊之增益輪廓（料化 profile)、增益模塊之鏡面上的抗反射（AR)塗層、增益模 塊與外部共振腔之間的耦合效率，及光栅鏡之一階繞射 的反射率。 EC-QCL提供對單頻中紅外輻射相對較寬之光譜可調 諧性，、單頻中紅外輻射可廣泛應用於中紅外光譜研究及 分子感測。EC-QCL增益介質參數之特性分析及最佳 化，諸如調譜範圍及雷射之電性的特性分析H⑽ 開發及設計中扮演其中一個最重要的角色。用於製造、 =2及選擇配置中的似增益介質的傳統 方法需要右干階段··。晶圓之設計、生長及處理 及㈣成單，CL晶片，3)晶片晶粒接合 別㈣片測試★塗佈一個鏡面)，5)個 儘…階段通常針對最高工業標準加以最佳化，但第 201246733 一階至第五階段之處理通常手動執行，且在大量工業 製ie及研發ί衣境中難以實施。對每一個別EC_qcl晶片 之分離、安裝、測試及特性分析，需要大量的時間及技 術純熟的操作者來執行複雜的雷射-共振腔定位。因此， 雷射ΒΒ片之特性分析為成本局、耗時且勞力密集的程 序。需要有一套程序及系統’可在製造階段最初期，諸 如早於上述第二階段至第五階段，用於對EC QCL及其 他類1的外部共振腔（EC )雷射晶片進行測試及特性分 析，之以免除在第二階段至第五階段中浪費時間及精 力，且提供更有效且具成本效益的雷射測試及特性分析 程序。 【發明内容】 如本文所述之一實施例提供一種系統及程序，用於在 將抗反射(AR)及/或高反射(HR)塗佈之外部共振腔雷射 條（具有40個QC增益模塊）分離成個別雷射晶片/二 極體之前，對該等外部共振腔雷射條執行完全自動的測 試及特性分析。本發明之系統及程序在調諧程序期間^ 確保輸出雷射束之綠穩定，無射束轉向且無走偏的情 況。本發明之系統及程序亦提供具㈣確、自動的雷射 共振腔對準及/或特性分析的敎外部共振腔設計。藉由 -次僅接觸量子級聯雷射晶片之一個鏡面，避免了重; 輸出雷射輻射之第二準直透鏡的複雜性， ， =^ 此對具有不同 長度波導的量子級聯雷射尤其有益。 201246733 在以下詳細描述中將闡述額外特徵及優勢，且熟習此 項技術者自該描述將容易地瞭解或藉由實踐如本文所述 之實施例而認識到該等額外特徵及優勢之部分，該等實 施例包括以下詳細描述、中請專利範圍以及附圖。 應理解，前述概括描述及以下詳細描述皆僅為例示， 意欲提供概述或框架以令理解中請專利範圍之性質及特 性。附圖可提供進-步理解，且附圖併人且構成本說明 書之部分。該等圖式說明-或多個實施例，且與該描述 一起用以解釋各實施例之原理及操作。 【實施方式】 現將詳細參考當前較佳實施例，在附圖中說明該（等） 實施例的實例。右瓦At卩全 . 、 了此時’各圖式將使用相同元件符號 來代表相同或相似零件。 本發明提供一^ έέ » r*- 系、、充及％序，用於在將自半導體晶圓 切出的一條上的複數個f 個雷射曰曰片分離成個別雷射晶片或 女裝個別晶片以用於隨接由s斗、、， 、通後處置或測試及特性分析之前， 對該等雷射晶片進行自動斜 一 丁目動對準、測試及特性分析。如第 1圖所示意性說明，半導 、 體日日圓1 〇上具有形成複數列之 複數個雷射晶片 圖所說明，晶圓1 〇經切割以 自該晶圓分離出個別列的雷 μ ,、 们窗射日日片’亦即’自該晶圓分 離出半導體材料之個另丨 〜 「雷射條」），個別條1上面

/、有排成陣列的複數個發M 吸致個雷射晶片3。該等雷射晶片可 為’例如’沿著雷射條1 t長度平行排成陣列之40個 201246733 QCL費布力-佩若（Fab _益槿M 〇t)共振腔波導雷射晶片或 增益模塊。雷射條一 ^ L β 側上的劈裂鏡面5可在波導之 一端上具備高反射彳泠& 隹牧等之 …… 且雷射條另-側上的劈裂 鏡面7可在波導另— 知上-備抗反射(AR)塗層。未塗佈 的曰曰片亦^本文料之系統及料進行測試。 現將參考第2®Β^· 及第3圖描述用於對雷射條丨上的半 導體雷射晶片3進行自動針進.. 订自動對準、測成及特性分析的系統 之一實施例。根據本發明眘 ^ ^實施例的雷射特性分析系 統包括雷射條定位平喜指;έΒ , ^ c 、 疋诅十壹模組（PS模組）1〇〇及外部共振 腔模組（EC模組）2〇〇,模組1〇〇經配置而以受控方 式相對於外部共振腔（EC)模組·移動雷射條卜以便 使雷射晶片3逐一地與EC模組對準。Ec模組又經配置 而以受控方式相對於ρ ς媪μβ 、仰ΪΤ於PS模組上之雷射晶片旋轉或樞轉 繞射光柵210。準直透鏡212定位於ps模組與％ 模組之間以使自雷射晶片3發射之光L準直而與％模 組對準，且將經準直之光束B1聚焦於繞射光栅2ι〇上。 準直透鏡可為EC模組200之預先對準部分。準直透鏡 212可為具有AR塗層之快速（光圈值f#蕊丨）非球狀透 鏡、經校正以消除球面像差、經特殊設計以用於校準高 度分散射束。僅作為實例，準直透鏡212可為針對介於 3 μιη與12 μιη之間的波長而設計的J，，直徑、f/〇 6 (Ge)、AR塗佈之透鏡。準直透鏡可安裝於平移平臺或 透鏡定位模組上，諸如常見的3D平移平臺可用以提供 201246733 直線運動 平臺可更佳配傷遠端控制之壓電馬達，以根 據雷射光學對準之需要來定位透鏡212。 在本發明之-實施例中，整個系統可密封於真空密閉 卜双（未圖不）中’因此對準準直透鏡212最簡單的方 式係藉由自動可移動平臺238或其他透鏡定位機構。實 施例中若準直透鏡不在外殼内部，可使用其他調整模 式’包括手動調整。 根據本發明之一實施例，ps模組ι〇〇可包括真空卡盤 疋位平臺120及電子探針13〇{>真空卡盤ιι〇安裝 於疋位平臺120頂部，以將待進行特性分析的雷射條1 精確地安裝於^位平臺12()上。如第4圖中所說明，一 列真空孔112設置於真空卡盤之平坦頂表面113中，且 形成-雷射條安裝站臺平行於且相鄰真空卡盤面向％ 模組200之一邊。空氣經由真空孔吸入以便在置放於安 裝站臺上的雷射條丨之底表面（例如，在真空孔上方的 卡盤頂表面上）上造成吸力，㈣此將雷射條固定於卡 盤上的安裝站臺上的適當位置。_對精確定位的對準拱 台115、116及—精確定位較位拱台117自真空卡盤之 頂表面向上延伸。對準拱台115、116嗓合雷射條！之 AR塗佈邊緣7的相對末端，以用於相對於定位平臺㈣ 及EC模組預先對準雷射條卜定位拱台η?嚙合雷射條 之-端以將雷射條在橫向上預先定位於卡盤⑽上。對 準拱台圖示為板’但應瞭解’對準拱台可為針銷或其他 結構。類似地，定位批台】】7 m 力丄 疋位拱口 II7圖不為針銷，但可為板或 201246733 其他結構。或者，若要替代對準及定位拱台，一精確形 成及定位的定位槽，可精確地形成於卡盤之頂表面，以 用於接收、對準及定位於定好臺上之雷射條n清 況下，該列真空孔112可設置於定位槽之底部。真空卡 盤110可由諸如銅之導電材料形成，且溫度由熱電冷卻 器（TEC)模組150加以控制以便冷卻雷射條1，而將雷射 條維持在實質上的溫度。或者，來自諸如冰箱之冷 卻器的冷液體可替代TEC而循環穿過設於卡盤中的冷 卻劑通道》 7

定位平臺12〇連接至電腦或控制用於精確地 控制定位平臺之運動，且自動地將雷射條上的個別雷射 晶片3與EC模組對準，以進行自動測試及特性分 析。舉例而I，定位平I： 120可為精確六軸平移平臺， 幻如6軸"腳平臺，諸如physik⑹㈣mente (pi) GmbH 之PI F-2G6.S HexAlign™。6軸六腳定位平臺可精確平移 及旋轉雷射條i’以詩重複地相對於EC模組定位 及對準雷射條1上的個別雷射晶片3。 電子探針130藉由電動探針操縱器132而安裝於定伯 平臺叫或卡盤11〇)上。探針操縱器13“控制器 ⑽控制以自動移動電子探針13〇，從而與雷射條】上對 準EC模組之雷射晶片3電接觸或脫離電接觸，以便啟 動該雷射晶片。雷射晶片經由導電性真空卡盤ιι〇而電 接地。或者，於安裝站臺中的真空卡盤之頂表面⑴上 可設置—電接點，以用於電接觸雷射條上的雷射晶片及 10 201246733 使該等雷射晶片接地。電子探針n 動微平喜 ^稽由一或多個電 臺（_〇rized micro stage)安裝於平臺上，以用 ;自動移動探針，從而與雷射 接觫；* 由則条上的母' —個別雷射晶片 接觸及脫離接觸。舉例而言， 動斜亚直 €千探針可安裝於2個電 上’―個微平臺用於沿著雷射條在水平χ方向 雷射晶片移動至雷射晶片，且一個微平臺用於在垂 人ζ方向上移動’從而與所選雷射晶片唾合及脫離喷 口^舉例而言’探針操縱器可包括兩個一广㈣ 么司之MM-3M電動⑷⑽儀广平臺。探針操縱器與真 空卡盤"〇共同定位於定位平臺12〇上，以使得在移動 疋位平臺120以對準雷射晶片3貞EC模組時，電 子探針130隨雷射條1一起在真空卡盤11〇上移動。 根據本發明之—實施例之外部共振腔（「％」）模组· 不意性地說明於第2圖、第3圖及第5圖中。EC模組 細包括繞射光柵21G及射束轉向鏡22G，該繞射光拇 21〇及該射束轉向鏡220預先對準於旋轉平臺23〇上以 形成-繞射光柵單元。、繞射光# 21〇貞射束轉向鏡22〇 彼此成直角安裝於垂直定向的旋轉平臺23〇上。旋轉平 臺230具有水平旋轉軸232 ,用於相對於待測試雷射晶 片而旋轉繞射光柵210及射束轉向鏡22〇，該待測試雷 射晶片在安裝於安裝站臺上之真空卡盤11〇上的雷射條 中。繞射光柵210及射束轉向鏡22〇彼此成直角安裝， 以使得輸出射束B2的執跡實質上穩定，且在特性分析 期間繞射光栅旋轉時輸出射束B2不「走偏」。 201246733 雷射分析器14〇經定位以接收及分析輸出射束62，且 描繪射束之空間分佈輪廓。雷射分析器14〇可為用於對 雷射晶片進行光譜特性分析之傅立葉變換紅外線光譜儀 (FTIR)，或任何其他光學測試設備，諸如光栅光譜儀、 ΜΛ2 (射束品質）量測系統、簡易功率計、偏光器、干 涉器，基於使用者之需要而定。由分析器偵測到之光學 4吕號可藉由鎖相放大器170來解調變以獲得更佳之雜訊 拒絕。 繞射光栅210可為具有適當解析功率及效率之任何適 當反射光柵，包括（但不限於）閃耀波長在所需波長區 之直紋反射性繞射光柵。適當光柵之實例為閃耀波長5 4 μηι之直紋繞射光柵，該繞射光柵具有3〇〇個凹槽/毫米。 同樣，轉向鏡220可包含任何適當反射表面，包括（但 不限於）塗佈金、銀或鋁之鏡，該等鏡可在廣泛波長範 圍中提供高反射率。 旋轉平臺可安裝於支撐框架234上，且該支撐框架可 在Ζ方向上可垂直調整地安裝於柱體（第5圖中未展示） 或其他支撑結構上。旋轉平臺23〇可經由傾斜平臺240 而女裝於支撐框架234上’傾斜平臺240用於調整旋轉 平臺230之水平傾斜度’且因此調整繞射光栅210及射 束轉向鏡220相對於安裝於真空卡盤11()上的待測試雷 射晶片之傾斜度。傾斜平臺之樞轉軸應垂直於光柵旋轉 平臺230之旋轉軸。準直透鏡可經由透鏡定位機構238， 安裝於自支樓框架234延伸之臂236上，使得準直透鏡 12 201246733 可精確地定位安裝於真空卡盤110上的待測試雷射晶片 3與繞射光柵210之間。諸如步進馬達之適當驅動器件 可用以旋轉旋轉平臺232及傾斜平臺24〇，以便對準ec 模組（如下文所更詳細描述），且在控制器16〇之自動控 制下或在手動控制下移動柱體上的支樓框架234。 調整外部共振腔雷射的外部共振腔時存在許多自由 度。為了可靠地對準EC模組200與雷射條1上的雷射 晶片3’且確保EC模組於晶片3之整個調諧範圍内耦合 良好，應謹慎地預先對準EC模組之元件。在EC模組含 有準直透鏡的本發明實施例中，應滿足以下EC模組預 先對準要求。 第一 EC模組預先對準要求：如第7圖中所說明，繞 射光栅21〇應安裝於旋轉平臺23〇上，使得繞射光柵21〇 中的凹槽242經對準而平行於旋轉平臺23〇之旋轉軸 232 (或旋轉軸232 )。否則，在旋轉繞射光栅時，經反 射及繞射之射束將不與雷射光軸重合。 第二EC模組預先對準要求：如第2圖及第6圖中所 說明，繞射光栅210及射束轉向鏡220應安裝於旋轉平 臺230上，使得由繞射光柵21〇及轉向鏡22〇之表面界 定之兩個平面彼此成直角定向，且此等兩個表面之相交 。旋轉平臺230之旋轉軸232重合。否則，在於波長 特性分析程序期間旋轉繞射光柵時，輸出射束B2將「走 偏」。 13 201246733 第三EC模組預先對準要求：如第8圖中所說明，傾 斜平臺240之定向及/或準直透鏡212之位置應經調整以 使得旋轉軸232垂直定向於準直透鏡之轴線244 (透鏡 軸線244)。否則，在於波長特性分析程序期間旋轉繞射 光栅時，朝向正進行特性分析之雷射晶片3反射回之繞 射射束將走偏，因而降低EC與雷射晶片3之耦合效率。 一旦EC模組預先對準要求得以滿足，則可永久固定 EC模組之元件的排列，以使得EC模組保持適當對準以 用於未來雷射特性分析。 若尚未如此安裝，則現將經對準之EC模組安裝於柱 體或其他支撐結構（未圖示）上，使得EC模組相鄰於 且面向PS模組。為使反射之繞射射束足夠地耦合回至 正進行特性分析之雷射晶片3的雷射波導/增益模塊以 便達成雷射發光，應滿足兩項EC模組_ps模組對準要 求。 第一EC模組-ps模組對準要求：如第9圖中所說明， 定位平臺120之位置及定向、及/或EC模組2〇〇在柱體 上之垂直位置應經調整，以使得自在雷射條第一端上待 、行特)生刀析之第一雷射晶片3發射之光束轴線Μ %或 簡稱射束軸線248 )與準直透鏡之透鏡軸線244對準且 重合。 第二EC模組·Ρδ模組對準要求：如第1〇圖中所說明， 應調整/旋轉旋轉平臺以使得繞射光柵21〇之表面相對 於光束B1呈光柵角度或利特羅角度㊀。當系統針對特 201246733 定雷射條配置進行第一次初始化時，第_ec模組_ 处=準要求及第二Ec模組_ps模組對準要求或步驟可 能需要手動預先對準。 為了在根據本發明之—實施例之程序中對雷射條！上 之晶片3進行特性分析，將％模組之組件預先對準， 且將EC模組與ps模組依照上述要求預先對準。現在， 系統已準備好在對雷射條上之雷射晶片進行特性分析之 前進行自動對準。為了使系統自動化，首先，將電子探 針130向上且移動遠離對準拱台115、ιΐ6及定位棋台 117 °接著’將雷射條1定位於真空卡盤UG之頂表面 八上之女裝站$上，該雷射條之AR塗佈面7與對準拱 。115、116接觸’且雷射條之末端與定位拱台接觸。 將雷射條之大小及類型鍵入至控制器中，該控制器經預 先程式化以自動定位、對準及分析雷射條上之雷射晶 片。雷射條1可為（例如）具有則固EC-QCL雷射晶片 %、〇：2’（：3...(：40)之條。應理解本發明之系統及程序可用 以對其他類型之雷射進行測試及特性分析。若真空卡盤 之真空尚未接通，則規力垃、s古^ J現在接通真空以便將雷射條固定於 真空卡盤上之適當位置。亦將光栅角度㊀之所要範圍(亦 即’最小光柵角度及最大光柵角度及待進行特性分析之 光柵角度θι、θ2··.θη之增量數目n)輸入至控制器中。待 測試之光拇角度㊀之銘图#丄& 範圍係由雷射晶月增益輪廓之寬度 決定。舉例而言，對於4·5μπι至47叫之雷射調諧範 圍，待測試之光柵角度笳图I ώ + 月沒$已圍可自布拉格方程式計算為約 15 201246733 2度至3度。待測試之光柵角度θ之增量數目η可依照 :接受之最長總特性分析時間加以選擇^例而言，增 量數目η可設定為15或2〇。 控制軟體可經設計以使得實際對每一雷射晶片3行特 性分析之前，執行一自動對準程序以得知每一雷射晶片 •Cl、c2、c3...Cn之最佳外部共振腔糕合位置及排列。若在 EC模組與PS模組之預先對準期間未進行該自動對準程 序’則控制器旋轉旋轉平臺23〇以將繞射光栅21〇定向 成光柵角度θ，且平移及旋轉定位平臺12〇，用以定位 且對準與繞射光柵210相對且對準之第一雷射晶片c" 控制器亦移動電子探針13G，使電子探針⑶與雷射條^ 上之第-雷射晶片Cl接觸。控制器接著以脈衝模式操作 第-雷射晶片（:丨以啟動第一雷射曰曰“ 光學信號或 輸出射束B2由雷射分析器14G_。雷射分析器可用 以描緣射束之空間分佈輪廟。雷射分析器可藉由鎖相放 大器170解調變。光譜儀鎖定輸出與輸出射束μ之光 學功率成比例’該光譜儀鎖定輸出回饋至控制器⑽， 以藉由控制器自動移動定位平臺12〇而自動對準。 可如下執行最終一項EC模組與ps模組之自動對準程 序，以精確地定位第一雷射晶片Ci且定向對準EC模 組。控制器在預定運動範圍内平移定位平臺12〇，例如， 在X方向及z方向上通常平移約仏25 _，總平移範圍 約50 μηι，而所發射之射束Β2的功率由雷射分析器1仂 監測。使用者可選擇額外進行射束準直品質之自動調 16 201246733 監測。使用者可選擇額外進行射束準直品質之自動調 整，在y方向上於預定運動範圍内平移定位平臺 對於每—y位置同時執行x及z方向自動調整。此可包 括例如在y方向上通常約+/-1 0 _之平移。定位平臺在 某位置處第—雷射晶片所發射之射束B2的功率最大， 控制器將定位平臺之該位置記錄於記憶體中’作為第一 雷射晶片C!之對準位置。 -旦第-雷射晶片Cl經最佳化對準，系 = 行測試及特性分析，，系統可先： 、疋母—其餘雷射晶片c2、c3”,cn之預先對準 二為了決定每一其餘雷射晶片之預先對準位置，控 制益U電子探針’自f射條收回電: 位平臺以定位最束1曰y… 且移動疋 “ 末田射曰曰片與EC模組預先對準 者’控制器以脈衝模式操作最末雷射 方式平移定位平臺12〇以精確地定位該最末雷射：二这 且對準EC模組，且將… ㈣射b曰片Cn 署計一 I"最末雷射晶片Cn之最佳對準位 a u . 〇 . , ^ —在该條兩端第一雷射 "、晶片之最佳對準位置已決定且兮g & # 對準位置已保存在記情“曰， 、疋且該等最佳 B U w ，則所有在該條上其他雷射 晶片之預先對準位罟可拉丄^ 八❿由町 憶體中。雷射侔$ + ^ T异且储存於§己 田㈣之疋向可基於決定第一晶片及最末 之最佳位置加以調整 曰曰 之每-個別雷射…广訊’系統可對雷射條上 耵日日片進行特性分析。 17 201246733 片：：：！先？準及排列，例如雷射條上之第-雷射晶 $射曰曰片之定位，及Ps模組之最終對準 可自動執行。或老，发π上± 白 藉由定位平化程序，預先對準可 壹手動地執仃’以手動預先對準第-雷射曰 片。1及最末雷射晶片…模組，而控制器執：; -雷射晶片及最末雷射晶片與EC模組之最終精確預先 對準程序且將第-㈣晶#及最末雷射晶^ 於記憶體_。 储存 在每一雷射晶片之位置經決定且儲存於記憶體中的情 況下’系統現在準備好對雷射條上之每_個別雷射晶片 進订特性分析。如下執行對每—雷射晶片之測試及特性 分析。控制器將定位平1120平移至第一雷射晶片Ci 之對準位置以便使第—雷射晶片與Ec模組對準。控制 器接著移動電子探針13〇’使電子探針13〇與雷射條！ 上之第-雷射晶片C】接觸，制器接著以脈衝模式操作 第-雷射晶片Cl以啟動第一雷射晶4 ^。控制器可再 次執行自動化最終對準檢查以精確地對準第—雷射晶片 _ EC模組’最終對準檢查程序與自動預先對準程序中 所述之程序相同。控制器接著旋轉旋轉平臺以將繞 射光柵210定位於最小光柵角度㊀丨（例如，42 45度之 光栅角度）以在4.500 _及3〇〇個凹槽/毫米光拇下雷 射發光，且以脈衝模式操作第一雷射晶片c" 首先’逐漸升高供應至雷射晶片之電流以找到雷射發 光所而之臨限電流。當根據純出功率讀數（來自鎖相 201246733 放大器）偵測到輪 J輸出射束時，則將所供應之電流 記憶體中作為第+ 电冰餚存於 卞馮第一雷射晶片c丨之臨限電流。在 器1 40偵測輪出射 田射刀析 相放大器”0解，光譜儀由鎖 射束m ㈣由雷射分析器決定輪出 長，且將該波長記錄於記憶體中作為第— 二晶片在最小先拇角…之波長。接著逐漸丄 射光拇至第二先概角度…且以相同方式決定第一= —切角度θ2下的㈣射束之波長，並將

3亥波長儲存於9 躺A .己隱體卜針對每一繞射光栅角度Θ,至 θη重複此程序，將第一 曰 a 宙射日日片在母一光栅角度㊀丨至 η下的£»限電流及波長儲存於記憶體中。 :旦對第-雷射晶片完成特性分析，則自第一雷射晶 1回電子探針13〇’且控制器移動定位平臺以預先 ::第二雷射晶片…模組。接著移動電子探針使 社雷射曰曰片C2接觸，且以先前針對第-雷射晶片所 述之相同方式自動對準第_+ 半第—田射日日片且對第二雷射晶片 進行特性分析’且將第二雷 W射日日片在母一光柵角度下之 臨限電流及波長儲存於記憶體中。針對每-雷射晶片C1 重複對準及特性分析程序，且將每一雷射晶片在每 光柵角度下之臨限電流及波長儲存於記憶體中。 第11圖為針對個別雷射晶片所偵測到的臨限電流（以 職右側垂直軸說明）及任意單位之強度（以直條及左 侧垂直轴說明）對應於波長或波數（水平轴）繪製之例 不性曲線圖。如第12圖所說明，進行特性分析的雷射晶 19 201246733 片的臨限電流可對應光柵角度或波長描點，且經連接以 =組臨限電流-波長曲線。第12圖僅展示具有相同 雷=參數之雷射的曲線。在調諧範圍外觀測到怪定臨限 L，顯科部共振㈣式雷射發光之反㈣足。此情 :兄:可能需要以Fabry Perot (Fp)模式雷射發光，因： …^ 在該中心處，增益最高， 所有㈣儲存在四個不 门擋案中。一個檔案用 M , 碎存所有量測參數及光譜資 科，已括在每一雷射晶片之調 一 乾圓内的所有光譜。第 一檔案用於儲存關於每一雷射之 自 雷射臨限值對應於光栅 角度之資料。第三檔案用 線。第四樓案用於儲存每—C之所有"曲 料可―ExceI_，片之對準位置。該資 〇抆Excel或類似軟體進 於將來資料處理。 啊次拣縱以用 /第13圖說明自單―雷射條中的特定雷射晶片進行特 徵为析取得之波長調諧光譜，該此 ' u m县工你B44 —雷射晶片與七個4.6

Pm 1子級聯雷射具有相同條紋寬度 如）由4〇個雷射組成的 〃為（对 紋寬度於特定條紋寬度範圍内雷射條’該等雷射的條 ^ 固内在一個晶片至次一晶片 呈周期性變化，以用於 雷射曰h > ~τ β 冲估不同條紋寬度。每一 笛射日日片之可調諧性，可使 譜或臨限電流對Α # ，晶片所有調諧光 舉例而言，可如=,變’來進行特性分析。 製成圖。 a將調柏光譜或臨限電流改變繪 20 201246733 如第11圖所示’在每一直條處之每一雷射發光光譜對 應於在不同光柵角度4至θη下之單一模式雷射發光。 當光柵鏡旋轉時，雷射發光波長移位（或被調諧）。雷射 晶片之可調諧性為雷射可在單一模式下雷射發光之最寬 波長範圍θ’可自第u圖之曲線圖的水平軸上最長雷射 發光波長與最短雷射發光波長之波長（或波數）之差來 決定該最寬波長範圍θ。舉例而言，在第11圖中，進行 特性分析之雷射晶片28之可調諧性的波數為約120 cm·1 (’、勺〇〇 cm至約27 80 cm 1 )。第13圖之曲線圖顯 示雷射13之可調諧性大於雷射33之可調諧性。當雷射 在外部共振腔模式（通常為單一模式） 雷射發光臨限值小於在費布力_佩若 )下雷射發光時， (FP)模式下雷射發

黑點對應於在每一波長（或不同 乞臨限值。有些黑點在相同X坐 標（波數）下不存在光譜。此意謂雷射在此波數/光柵角 度下在F-P模式而非外部共振腔模式下雷射發光，此為

21 201246733 最小調諧範圍屬於雷射晶片15，如箭頭15所示，雷射 晶片15在第12圖之曲線圖中具有最窄的凹陷，寬度為 約93 cm·、而最大調諧範圍屬於具有最寬凹陷之雷射晶 片35 ’如箭頭35所示，寬度為約159 cm·〗。藉由此資 訊’可預先選擇用於EC-QCL之良好雷射晶片而無需經 歷諸如切分、部分安裝（sub_ mounting )、導線接合及測 β式母一器件之程序。由於調諸範圍亦由每一雷射鏡面上 之AR塗層之品質決定，因此可同時檢視條内之效能一 致性，包括AR塗層一致性。 本文描述之系統提供可用於EC-QCL之良好雷射晶片 之預先選擇，而無需經歷諸如切分、部分安裝、導線接 合及對每一器件之測試之程序。由於調諧範圍亦由每一 雷射鏡面上之AR塗層之品質決定，因此可使用如本文 所述之系統同時檢視條内之效能一致性，包括Ar塗層 一致性》 藉由如本文所述之系統，若外部共振腔有意不對準， J斤有雷射曰3片將在F_p模式下雷射發光。可接著執行 系統之基本功能’量測每-雷射晶片之所有雷射發光波 長°由於該程序為自動，@此可掃描來自—個晶圓之所 有雷射條，而得以描繪出同一晶圓内之雷射發光波長。 "亥雷射發光波長將對主動增益區設計者、生長者提供有 用之資汛反饋，或用於改良晶圓製造程序。 本：明提供-自動化外部共振腔(EC)雷射晶片測試及 陡刀析系統及程序，㈣統及程序能夠自動輕合雷射 22 201246733 條上之多個雷射晶 EC-OCL θ η , '、外°Ρ共振腔，且自動執行 tC QCL曰曰日片在不同光 及雷H夕—@ 月义下之I限電流、發射光譜 B ^ ^ . , A 本文所述之系統提供一直接 且有效之方式來選擇Ec配 將雷射條切分為晶片及A K ㈣益晶片’無需 ^ , 為“及4 EC_QCL操作自訂安裝。因 此，本文所述之系統極大地 之良好QC晶片所需之勞動擇用於ECQCL系統 射㈣… 因為：⑴測試為對雷 射條執仃’因此在測試前 引避充了諸如切分、部分安裝及 導線接合之勞力密集型程序，及 戊 , 系統元全自動化，使 付一旦糸統設置完成，則似 只w由射條上之所有晶片 不需要額外勞力。-Γ- ^ AT .T. 從以下實例中可理解本發明之各種實 施例。 實例：

Corning公司使用如本文所 尔、.死州甙該公司所開 發及製造之若干不$ QCL增益 n 対早—條上之40 個雷射進行完全特性分析所需之總時間為約8小時，且 包括EC對準以及光譜及電量測。總量測時間主要受限 於雷射分析器光譜儀及LI曲線記錄所需之時間。 該系統被用以對具有3.5陣中心波長之短波長qcl 增益結構進行特性分析。c〇rni & J使用该系統測試 該公司所製造之四個不同QCL條。 根據由該系統收集之一組u曲線’第12圖顯示對耦 合至EC之所有雷射發光晶片所偵測到之臨限電流對應 測試之光栅角度所繪製曲線圖。第12圖僅展示具有相同“ 23 201246733 波導參數之雷射晶片5、10、15、2〇、25及35之所選曲 線，此允許評估整個晶圓之程序均一性及鏡面塗層之品 質。在調諧範圍兩端上觀測到之恆定臨限電流顯示對Η。 模式雷射發光之反饋不足，使得雷射發光如費布力-佩若 模式-樣發生於增益曲線之中心處。臨限電流低於兩端 平坦段的整個範圍’顯示出每一晶片之Ec調諧範圍。 第11圖展示一特定晶片之光譜及電特性分析資料。比較 臨限曲線與在每一光柵位置收集之光譜資料，證實了減 小之臨限區域與EC模式調諧範圍之間的關係。 本文所述之EC雷射測試及特性分析系統能夠將雷射 條上之每一 EC-QCL或其他類型之EC雷射晶片自動耦 合至外部共振腔’ 自動量測每—個別雷射晶片在不同 光栅角度下之臨限電流、調諧光譜及u曲線，所有此等 操作皆無需操作人員手動調整。一條（40個雷射）之總 的自動測試時間在包含有光譜及LI曲線量測的情況下 可為約8小時，且在僅有光譜量測的情況下可為約4小 時。預期若使用比本文所述設備更快的設備（諸如 Instrument之波長計）可改良處理時間。 热悉此項技術者將顯而易見，可在不脫離本發明之範 疇或精神的情況下進行各種修改及更改。舉例而言，本 文中描述及示意真空卡盤為安裝於定位平臺上，以用於 相對EC模組在多個軸線上平移移動。在本文中之所有 實施例中，EC模組可安裝於定位平臺上，以用於相對卡 盤在多個轴線上平移移動，且卡盤可為固定的。 24 201246733 【圖式簡單說明】

, 第1圖為自具有數列QCL·晶片形成之晶圓切下的QCL • 雷射晶片條之透視示意性說明； 第2圖為根據本發明之一實施例而成之雷射條測試及 特性分析乐統之一實施例的示意性說明； 第3圖為第2圖的雷射條測試及特性分析系統之功能 方塊圖； 第4圖為用於第2圖及第3圖之系統中的雷射條真空 卡盤夾具之一實施例的透視示意性說明； 第5圖為用於第2圖及第3圖之系統中的外部共振腔 模組（EC模組）之一實施例的示意性說明； 第6圖為第5圖之EC模組中的繞射光概與旋轉平臺 上的轉向鏡對準的示意性說明； 第.7圖為第5圖之EC模組中的繞射光栅與旋轉平臺 之旋轉軸對準的示意性說明； 直透鏡與繞射光柵 第8圖為第5圖之ec模組中的準 及旋轉平臺對準的示意性說明； 之EC模組中的準直透鏡 第9圖為qCl晶片與第5圖 對準的示意性說明； 的處於光柵角度的繞射 系統中的雷射晶片之射 第iO圖為第5圖之EC模組中 光栅’與來自第2圖及第3圖之 束對準的示意性說明； 25 201246733 第圖為一曲線圖，展示在35 晶片由第2圖及第3圖之系統進行_操作之EC-QCL 光譜可調諧性及臨限電流光譜丨仃特性分析所得之£匸

第12圖為一曲線圖，展示同一條 晶片由第2圖及第3圖之系統進行木' ^斤選EC-QCL 電流與光柵角度；以及 ^ 77析所得之臨限 第13圖為一系列曲線圖，展示同 聯雷射如由第2圖及第3圖之 ’、、斤選量子級 調譜光譜。 、、進仃特徵分析所得之 【主要元件符號說明】 1 5 10 110 113 116 120 132 150 200 210 220 232 236 雷射條 鏡面 半導體晶圓 真空卡盤 頂表面 對準拱台 定位平臺 探針操縱器 熱電冷卻器（TE( 外部共振腔模組 繞射光柵 射束轉向鏡 水平旋轉軸 臂 025700002048 011134611333 3 7 -—ill—f -—- 1—fi—fi—' 2 2 2 2 2 組 模 臺 平 位 器 片 定 台台針析 晶 條孔拱拱探分器 射緣射空準位子射制 雷邊雷真對定電雷控

B 0 4 4 4 臺 平 斜線束 傾軸光 4 4 2 2

B /it 臺 平 動構 鏡臺架移機 線束 透平框可位 轴射 直轉撐動定槽束出 準旋支自鏡凹射輸 26

Claims (1)

1. 201246733 七、申請專利範圍： '丨.一種用於對自一半導體晶圓分離之—半導體條上的複數 個外部共振腔半導體雷射晶片進行特性分析之系統，該 系統包含： (A)外部共振腔模組（一 EC模組），該外部共振腔模組包 含： (ο —旋轉平臺，該旋轉平臺具有一旋轉轴； (2)—繞射光柵，該繞射光栅安裝於該旋轉平臺上；以 及 (3)一轉向鏡，該轉向鏡安裝於該旋轉平臺上，其中該 轉向鏡之一表面經定向而垂直於該繞射光柵之一表 面； (Β)一卡盤，該卡盤用於固定一雷射晶片條（一雷射條）， 其中該EC模組經定位而相鄰於該卡盤，以使得自固定 於》亥卡盤上之一雷射條中的一雷射晶片發射之一光束與 該繞射光柵相交’該繞射光柵反射一一階繞射射束回二 該雷射晶片中以引起該雷射晶片雷射發光，且該繞射光 〜轉向鏡反射自該雷射晶片發射之—雷射射束而成 一輸出射束； (C)-電腦控制多軸定位平臺，該電腦控制多軸定位平臺來 該卡盤或該EC模組中之—者安裝於該定位平臺上以用 於沿多個轴平移該卡盤或該EC模組中之該者；以及 ⑼-基於電腦之控制器，該基於電腦之控制器用於： 27 201246733 (1) 自動移動該定位平臺 條中少 十壹且將女裝於該卡盤上的-雷射 ' ,雷射晶片與該ec模組對準 (2) 操作該釾準之雷射a μ 了平’以及 .2.如，求項 片以發射-雷射射束。 ⑻一㈣1所述之系統，該系統進-步包含： 接㈣：：器’該雷射分析器相對於該轉向鏡定位，以 盆中以^射束並對該輸出射束進行特性分析；且 八r该暴於電腦之控制 輸中^ 分析器接收信號且對該 翰出射束進行特性分析。 3.:::項丨所述之系統’其中該繞射光柵之面向該卡盤 =面Μ成有複數個平行繞射凹槽，且該繞射光樹 轉軸4旋轉平臺上’定向使該等繞射凹槽平行於該旋 (Π求項1所述之系統，其中由該繞射光柵之該表面所 、'，疋之—平面與該轉向鏡之該表面所界定之—平面，兩 平面之一相交線所界定之一軸線與該旋轉軸重合。 5. 如請求項i所述之系統，該系統進一步包含具有一透鏡 車/在之準直透鏡，該準直透鏡^位於該卡盤與該繞射 光柵之間，使得由固定於該卡盤上之—雷射條中的—曰 片發射之—光束準直至與該繞射光柵之該表面相交之— 準直射朿’且該準直透鏡經定向而使得該透鏡轴線 於該旋轉軸。 6. 如請求項i所述之系統，其中該卡盤係由一導電材 成0 28 201246733 步包含控制/維持該 7.如請求項6所述之系統，該系統進一 卡盤之溫度之一溫度控制單元。 8 ·如請求項6所述之系統，該系統進一步包含— 电子探 針’該電子探針相對於該卡盤可移動地安裝，以用於在 該控制器之控制下移動而與一雷射晶片之頂部電接觸或 脫離電接觸，以將電流供應至該晶片，該晶片經由該導 電卡盤接地。 9.如请求項丨所述之系統，該系統進一步包含—電子探 針，該電子探針可移動地安裝於該定位平臺 : Μ用於 在該控制器之控制下移動而與固定於該卡盤上之該待測 試雷射條上之-雷射晶片之頂部電接觸或 以將電流供應至該雷射晶片。 接觸 10.如請求項9所述之系 现’该糸統進一步包含-探針操絲 器’該探針操縱器安裝於該定位平臺上且由該控制器指 制’其中該電子探針安裝於該探針操縱器上以便在該揭 針之至少-移動軸上移動而與固定於該卡盤中之一雷制 條中的個別雷射晶片嚙合及脫離嚙合。 U·如請求項i所述之系統，盆 平移平臺。 ”中^位千臺為-精確六轴 12·:::γ所述之系統’其中該控制器進-步自動旋轉 自\1平臺以—定範圍的光栅角度旋轉該繞射光柵，且 自該雷射分析器接收 輪出射束m 所選光柵角度下的該 114町果進行特性分析。 29 201246733 13.—種用於對自—丰邕 放、u %奴 體日日圓分離之—半導體條（一雷射 條）上之複數個外部共振 性分析之程序，該程… 雷射“自動進行特 成序包含以下步驟： (A)提供一繞射單元，該績 、堯射早70係由一繞射光柵及經定向 垂直於該繞射光柵之—袅 表面而女裝之一轉向鏡形成； ()自動疋位一雷射條與該繞射 於該卡盤上之—雷射侔上…準’使得由固定 雷射條中的一所選雷射晶片發射之 束與該繞射光柵相交，該绩 4為射先栅反射回一一階繞射射 ㈣所選雷射晶片中，以引起該所選雷射晶片雷射： 光’且該繞射光栅及該轉向鏡反射自額選雷射晶片發 射之一雷射射束’使得該轉向鏡反射-穩定輪出射束作 為一輸出射束； ⑹供應電流至該所選雷射晶片，使該所選雷射晶 發光；以及 $ (D) 對該輸出射束進行特性分析。 14. 如請求項13所述之程序，該程序進—步包含以下步t (E) 將一逐漸增加之電流供應至該所選雷射晶 . 且王' 所* 選雷射晶片雷射發光為止；以及 ⑺將該所選雷射晶片雷射發光時之該電流識別為 雷射晶片之臨限電流。 15. 如請求項13戶斤述之程序，該程序進一，包含以下步顿. (G) 自動旋轉該繞射單元以在一定範圍的光柵角. 該繞射光柵；以及 轉 (H) 決定該輸出射束在所選光柵角度下之波長。 30 201246733 16.如請求項15所述之程序，其中： 步驟（G)包含在複數個所選繞射角度㊀1至θη遞增地旋轉該 —I 繞射單元以遞增地旋轉該繞射低掠鏡； 步驟（Η)包含，在該等繞射角度Θ1至㊀η中之每一者下： (1) 供應一電流至該所選雷射晶片，使該所選雷射晶片 雷射發光；以及 (2) 用一雷射分析器決定該輸出射束在每一繞射角度下 之波長。 17·如請求項16所述之程序，其中在步驟（Η)之後，該程序 進一步包含以下步驟： ⑴相對於該繞射單元移動該雷射條，以使得該雷射條上之 該等雷射晶片中之下一所選雷射晶片對準該繞射單元， 且針對該下一所選雷射晶片執行步驟（G)及（Η);以及 ⑴重複步驟⑴’直至已對該雷射條上之所有該等雷射晶片 進行了特性分析為止》 Μ 18.如明求項16所述之程序，其中步驟⑻進一步包含以下 步驟，在該等繞射角度…至㊀❶中之每一者下： (3)將-逐漸增加之電流供應至該所選雷射晶片，直 選雷射晶片雷射發光為止；以及 Λ • (4:::所選雷射晶片中之每一者，識別該所選雷 u 者在該等光柄角度t之每一者下雷射發光時之 31 201246733 19. 如請求項π所述之程序，其中步驟（B)係藉由將該雷射 條安裝於—卡盤上來執行’該卡盤安裝於一電腦控制之 平移平臺上。 20. 如請求項15所述之程序，其中在步驟（G)中，該繞射單 元圍繞—旋轉軸旋轉，且藉由將該繞射光柵定向於該繞 射單疋上，使得形成於該繞射光柵之該表面中的複數個 平行繞射凹槽經定向而平行於該旋轉軸，以預先對準該 繞射單元。 ~ 21·如明，項2〇所述之程序，其中由該繞射光拇之該表面 所界定之一平面，與該轉向鏡之該表面所界定之一平 面’藉由定向該兩平面之一相交線所界定之一軸線與該 旋轉軸重合，來預先對準該繞射單元。 22.如請求項2〇所述之程序，該 鏡抽線之-準直透鏡，該準直透鏡定位於::盤具= ，先柵之間，使得由固定於該卡盤上之—雷射條中的一 晶片發射之—光束準直至與該繞射光柵之該表面相交之 一準直射束；且 其射單元與該定位平臺預先對準，使得該雷射條中 23如：1選雷射晶片與該準直透鏡及請模組對準。 23.如请求項13所述之程序，其中步驟(B)包含： 粗略地預先對準一所 水平及垂直地在_特=:與錢射光栅單元； 射光挪單元中之=動_自動平㈣卡盤或該繞 32 201246733 監測該輸出射束之功率，且將該輸出射束之該功率最大時 的該定位平臺之位置識別為該所選雷射晶片之該對準位 置。 33