KR102911857B1

KR102911857B1 - 광 프로브, 프로브 카드, 측정 시스템 및 측정 방법

Info

Publication number: KR102911857B1
Application number: KR1020227024132A
Authority: KR
Inventors: 미치타카 오쿠타; 유키 사이토; 쥬키야 후쿠시
Original assignee: 가부시키가이샤 니혼 마이크로닉스
Priority date: 2020-01-14
Filing date: 2020-12-24
Publication date: 2026-01-12
Anticipated expiration: 2040-12-24
Also published as: US20230038088A1; CN114981941A; JP7426242B2; TWI760049B; WO2021145182A1; US12360155B2; CN114981941B; TW202134628A; JP2021110677A; DE112020006529T5; KR20220127827A

Abstract

광 프로브는, 코어부 및 코어부의 외주에 배치된 클래드부에 의해 구성되고, 광 신호가 입사하는 입사면이 곡률 반경 R인 곡면이다. 광 신호의 방사각 γ, 클래드부에 투과하지 않고 코어부를 전파하는 광신호의 입사면에서의 유효 입사 반경 Se, 광신호의 입사면의 입사점에서의 코어부의 굴절률 n(r), 및 입사점에서의 굴절각 β를 사용하여, 곡률 반경 R 및 입사점에서의 중심 반각 ω가, R=Se/sin(ω), ω=±sin^-1({K2²/(K1²+K2²)}^1/2)의 관계를 충족한다. 다만, K1=n(r)×cos(β)-cos(γ/2), K2=n(r)×sin(β)-sin(γ/2)이다.

Description

광 프로브, 프로브 카드, 측정 시스템 및 측정 방법

본 발명은, 광 반도체 소자의 특성 측정에 사용되는 광 프로브, 측정 시스템 및 측정 방법에 관한 것이다.

실리콘 포토닉스 기술을 이용하여, 전기 신호와 광 신호를 입출력 신호로 하는 광 반도체 소자가 웨이퍼에 형성된다. 웨이퍼에 형성된 상태로 광 반도체 소자의 특성을 측정하기 위해서, 전기 신호를 전파(傳搬)시키는 전기 프로브와 광 신호를 전파시키는 광 프로브를 갖는 측정 시스템을 이용하여, 광 반도체 소자와 테스터 등의 측정 장치를 접속한다.

일본 특허공개공보 특개소62-31136호 일본 특허공개공보 특개소60-64443호

광 프로브를 이용한 측정 방법에 있어서, 광 반도체 소자로부터의 광 신호가 입사(入射)하는 광 프로브의 입사면과 광 반도체 소자의 위치 편차나, 광 프로브의 중심축과 광 반도체 소자로부터의 광 신호의 광축과의 각도의 어긋남(angular deviation)이 발생할 수 있다. 이 위치 편차나 각도의 어긋남에 기인해서, 광 프로브에 입사하는 광 신호의 파워가 변동하고, 측정된 광 신호의 출력의 안정성이 손상된다. 이러한 변동 요인 등에 의해, 광 프로브를 이용한 측정에 있어서 측정 정밀도가 저하되는 문제가 있었다.

상기 문제점을 감안하여, 본 발명은, 웨이퍼 상태에 있어서 광 반도체 소자의 단시간 및 고정밀도의 측정이 가능한 광 프로브, 프로브 카드, 측정 시스템 및 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 광 신호가 입사하는 입사면이 곡률 반경의 곡면인 광 프로브가 제공된다. 광 신호의 방사각(放射角) γ, 클래드부에 투과하지 않고 코어부를 전파하는 광 신호의 입사면에 있어서의 유효 입사 반경 Se, 광 신호의 입사면의 입사점에서의 코어부의 굴절률 n(r), 및 입사점에서의 굴절각 β를 이용하여, 입사면의 곡률 반경 R 및 입사점에서의 중심 반각(半角) ω가, R=Se/sin(ω), ω=±sin^-1({K2²/(K1²+K2²)}^1/2)의 관계를 만족시킨다. 단, K1=n(r)×cos(β)-cos(γ/2), K2=n(r)×sin(β)-sin(γ/2)이다.

본 발명에 의하면, 웨이퍼 상태에 있어서 광 반도체 소자의 단시간 및 고정밀도로 안정된 측정이 가능한 광 프로브, 프로브 카드, 측정 시스템 및 측정 방법을 제공할 수 있다.

도 1은, 제1의 실시형태에 따른 광 프로브의 구성을 나타내는 모식도이고,
도 2는, 최대 작동 거리에서의 광 프로브의 구성을 나타내는 모식도이고,
도 3은, 광 프로브의 중심축과 광 신호의 광축의 편차의 일례를 나타내는 모식적인 평면도이고,
도 4는, 틸트 각의 예를 나타내는 모식도이고,
도 5는, 입사단이 평면인 평면 광 프로브의 구성을 나타내는 모식도이고,
도 6은, 평면 광 프로브를 이용하여 측정한 입사 강도 패턴의 예를 나타내는 그래프이고,
도 7은, 광 프로브의 입사면의 곡률 반경과 입사면에서의 개구 수의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 8은, 입사면의 곡률 반경과 입사각 비율의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 9는, 광 신호의 방사 반각과 클래드 입사각의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 10은, 입사 강도 패턴의 예를 나타내는 그래프이고,
도 11은, 광 프로브의 중심축에 대해서 광 신호의 광축의 위치를 변화시킨 경우의 입사 강도 패턴의 이미지 도면이고,
도 12는, 작동 거리를 변화시켰을 때의 입사 강도 패턴의 변화를 나타내는 그래프이고,
도 13은, 입사면의 곡률 반경과 유효 입사 반경의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 14는, 입사면의 곡률 반경과 입사 안정 거리의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 15는 입사면의 곡률 반경과 최대 작동 거리의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 16은, 광 프로브에 입사한 광 신호의 손실 특성을 나타내는 그래프이고,
도 17은, 제1의 실시형태에 따른 광 프로브를 이용한 측정 시스템의 구성 예를 나타내는 모식도이고,
도 18은, 제1의 실시형태에 따른 광 프로브를 이용한 측정 방법의 예를 나타내는 흐름도이고,
도 19는, 제2의 실시형태에 따른 광 프로브의 구성을 나타내는 모식도이고,
도 20은, 제3의 실시형태에 따른 광 프로브의 구성을 나타내는 모식도이다.

이어서, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 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, 청구의 범위에 있어서 다양한 변경을 가할 수있다.

(제1의 실시형태)

본 발명의 제1의 실시형태에 따른 광 프로브(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 광 반도체 소자(20)에서 출력된 광 신호 L을 수광한다. 광 프로브(10)는, 코어 부(111) 및 코어부(111)의 외주에 배치된 클래드부(clad part)(112)에 의해 구성되는 굴절률 분포형의 광 도파로를 갖는다. 코어부(111)의 굴절률은, 클래드부(112)의 굴절률보다도 크다. 도 1은, 광 신호 L이 입사하는 입사면(100)을 포함하는 광 프로브(10)의 한쪽의 단부를 나타낸다. 입사면(100)은, 일정한 곡률반경 R의 볼록 구면(球面)이다.

도 1에 있어서, 코어 반경 Cr은 코어부(111)의 반경이다. 또한, 프로브 반경 Dr은 클래드부(112)를 포함한 광 프로브(10)의 반경이다. 광 프로브(10)에는, 광 파이버나, 광 파이버와 렌즈를 조합한 구성 등을 채용 가능하다. 예를 들면, 그레이디드 인덱스형(graded-index)(GI형) 광 파이버를 이용해서 광 프로브(10)를 제조할 수 있다.

도 1에서는, 광 프로브(10)의 코어부(111)의 중심축 C10 및 광 신호 L의 광축 C20의 연신 방향을 Z방향으로 하고 있다. 또한, Z방향에 수직인 평면을 XY 평면으로 해서, 도 1의 지면의 좌우방향을 X방향, 지면에 수직인 방향을 Y방향으로 한다.

광 반도체 소자(20)는, 예를 들면 수직 공진기면 발광 레이저(VCSEL) 등이다. 광 반도체 소자(20)와 광 프로브(10)는 광학적으로 접속되고, 광 반도체 소자(20)에서 출력된 광 신호 L이 광 프로브(10)에 입사한다.

광 프로브(10)와 광 반도체 소자(20)는, Z방향을 따라서 작동거리 WD만큼 이격해서 배치되어 있다. 작동거리 WD는, 광 반도체 소자(20)에서 출력된 광 신호 L을 광 프로브(10)가 수광할 수 있는 범위로 설정된다. 즉, 광 신호 L의 입사면(100)에서의 입사 범위가 코어부(111)의 외연보다 내측이 되도록 작동 거리 WD가 설정된다. 이때, 광 신호 L의 입사 범위는, 광 신호 L이 피크 값의 1/e² 이상의 강도로 진행하는 방향의 범위로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 방사각 γ의 광 신호 L이, 광 반도체 소자(20)에서 출력된다. 광 신호 L은, 입사면(100)에서의 광 신호 L의 입사 범위의 단부인 입사점 Q에 있어서, 곡률 반경 방향과 굴절각 β를 이루어서 코어부(111)를 진행한다. 입사점 Q에서의 입사면(100)의 중심 반각 ω로 한다.

도 1에 있어서, 방사각 γ의 광 신호 L의 입사면(100)에서의 입사 범위의 직경을 입사 직경 Sd, 입사 범위의 반경을 입사 반경 Sr로서 나타내었다. 입사 직경 Sd는, 광 신호 L의 방사각γ을 이용하여 이하의 식(1)로 나타낸다:

Sd=2×WD×tan(γ/2)… (1)

도 2에, 광 프로브(10)의 입사면(100)과 광 반도체 소자(20) 사이에서 취할 수 있는 최대의 작동 거리 WD(이하,「최대작동거리 WDm」라고 함)인 상태를 나타낸다. 도 2에 도시한 바와 같이, 최대 작동 거리 WDm의 경우의 방사 반각을 α로 한다. 최대 작동 거리 WDm에서 중심축 C10과 광축 C20이 일치하는 경우에, 중심 반각 ω가 최대이다. 이하에 있어서, 최대의 중심 반각 ω를 「최대중심반각ωm」이라고 한다.

광 신호 L을 측정하는 경우, 광 프로브(10)와 광 반도체 소자(20)의 XY 평면에서의 위치 편차를 고려할 필요가 있다. 도 3에, 위치 편차에 의해, 광 프로브(10)의 중심축 C10과 광 신호 L의 광축 C20이 X방향을 따라서 어긋나 있는 상태를 나타내었다.

도 3에, 클래드부(112)에 투과하지 않고 코어부(111)를 전파하는 광 신호 L의, 입사면(100)에서의 입사 영역을 유효 입사 반경 Se로 나타내었다. 또한, 광 신호 L의 입사 반경 Sr을 도 3에 나타내었다. 유효 입사 반경 Se로 규정되는 범위 내에 입사 반경 Sr의 범위가 포함되면, 광 프로브(10)와 광 반도체 소자(20) 사이에 위치 편차가 있어도, 광 프로브(10)에서의 광 신호 L의 전송 손실이 억제된다. 도 3에서는, 광 신호 L의 전송 손실이 발생하지 않는 중심축 C10과 광축 C20의 위치의 거리를 「입사 안정 거리 Ds」로서 나타내었다.

또한, 도 4에 나타내는 바와 같이, 광 프로브(10)의 중심축 C10과 광 신호 L의 광축 C20이 평행하지 않고, 중심축 C10과 광축 C20이 틸트각(tilt angle) ζ로 교차하는 경우에도 광 프로브(10)에 있어서 광 신호 L의 입사 변동이 발생한다. 상세하게 후술하는 바와 같이, 광 프로브(10)에 의하면, 틸트각 ζ이 발생한 경우에도 입사 변동을 억제할 수 있다.

이하에, 광 신호 L의 방사각의 측정에 관해서 설명한다. 작동 거리 WD를 일정하게 해서 입사면(100)에 대해서 상대적으로 광 반도체 소자(20)를 X방향이나 Y방향으로 이동시킴으로써, 이동 거리에 대한 입사 강도의 관계를 나타내는 특성(이하, 「입사 강도 패턴」이라고 한다)이 얻어진다. 우선, 도 5에 도시된 입사면(100)이 평면인 광 프로브(이하, 「평면광 프로브」라고 함)를 이용한, 입사 강도 패턴의 측정에 대하여 설명한다.

도 5에 나타낸 평면광 프로브에, 코어지름 Cd가 2×Cr, 개구 수 NA가 sin(αf)인 광 파이버가 사용된다. 입사면(100)에 광 신호 L이 입사하는 입사 직경 Sd는, 2×Sr이다. 또, 평면광 프로브의 개구 수 NA로부터, 방사각 γ와 입사 허용 반각 αf는, γ<2αf의 관계이다(αf=sin^-1(NA)).

방사각 γ의 광 신호 L이 평면광 프로브의 입사면(100)에 입사한 경우, 코어부(111)의 내부를 진행한 광 신호 L은, 코어부(111)와 클래드부(112)의 경계면에 π/2-β의 입사각으로 입사한다. 굴절각 β는, 중심축 C10에서 반경방향의 거리 r에서의 코어부(111)의 굴절률 n(r)을 이용하여 식(2)로 정의된다:

β=sin^-1(sin(γ/2)/n(r))…(2)

굴절률 n(r)은 하기 식(3)으로 나타낸다:

n(r)=n(c)×(1-(A^1/2×r)²/2)…(3)

이때, n(c)는 중심축 C10에서의 코어부(111)의 굴절률, A^1/2는 코어부(111)의 굴절률 분포 정수이다.

또한, 코어 반경 Cr의 위치에서의 코어부(111)의 경계 굴절률 n(rc), 경계 굴절각 β(rc)는, 식 (4), 식 (5)로 각각 나타내어진다:

n(rc)=n(c)×(1-(A^1/2×Cr)²/2)…(4)

β(rc)=sin^-1{sin(γ/2)/n(rc)}…(5)

굴절각 β가 경계 굴절각 β(rc) 이상인 경우, 광 신호 L이, 코어부(111) 내를 반사 전파하지 않고 클래드부(112)에 투과, 방사한다. 따라서, 코어부(111)를 전파하는 광 신호 L이 감쇠한다.

이어서, 광 신호 L의 방사각의 측정에 관해서 설명한다. 작동거리 WD가 일정한 상태에서 XY 평면에 있어서 입사면(100)에 대해 상대적으로 광 반도체 소자(20)를 이동시킴으로써, 광 신호 L에 관해 이동 거리에 대한 입사 강도의 관계를 나타내는 입사 강도 패턴이 얻어진다.

도 6은, 작동 거리 WD가 20, 50, 100, 150, 200㎛의 각각에 대해, 평면광 프로브의 입사면(100)에 대하여 광 반도체 소자(20)를 이동시켰을 때의 광 신호 L의 입사 강도 P의 입사 강도 패턴을 나타낸다. 작동 거리 WD가 커짐에 따라서 입사면(100)에서의 중심축 C10에서 광 신호 L의 외연까지의 거리(이하에서,「이동거리 D」라고 함)도 커진다. 또, 도 6은, 코어 반경 Cr이 44.5㎛, 개구 수 NA가 0.29인 평면광 파이버의 입사면(100)에, 방사각 γ이 17.6 °인 광 신호 L을 입사시킨 것이다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 입사 강도 P의 입사 강도 패턴은, 작동 거리 WD가 작은 경우는 사다리꼴이다. 작동 거리 WD가 커짐에 따라서, 입사 강도 P의 피크값이 저하되고, 입사 강도 패턴의 형상은 가우시안 형상에 가까워진다. 도 6에 나타낸 입사 강도 패턴으로부터, 작동 거리 WD가 100㎛ 이상인 경우에, 이동 거리 D에 대하여 입사 강도 P의 피크값의 감쇠가 커지는 경향이 있다.

입사 강도 패턴으로부터, 입사 직경 Sd(Sd=2×Sr)와 코어지름 Cd(Cd=2×Cr)가 거의 동일해지는 작동 거리 WD를 설정한다. 도 6에 나타낸 입사 강도 패턴에서, 입사 강도 P의 피크값이 저하하지 않고, 입사 강도 패턴의 형상이 거의 가우시안 형상이 되는 것은, WD=150㎛의 경우이며, 이것이 평면광 프로브의 코어부(111)의 외연과 광 신호 L의 외연이 대략 일치하는 조건이다. 그 경우에, 입사 강도 P가 피크값의 1/e²가 되는 XY평면의 1/e² 이동 거리 De는, 도 6에서, De=4×Sr=112㎛이다. 따라서, 입사 강도 P가 피크값의 1/e²가 되는 1/e² 방사각 γe에 관해서 식(6)이 성립한다:

tan(γe/2)=De/(4×WD)=0.187…(6)

식(6)으로부터, γe=2×tan^-1(De/(4×WD))=21.2°이다.

또한, 입사 강도 P가 피크 값의 1/2이 되는 1/2 이동 거리 Dh는 77.5㎛이다. 따라서, 입사 강도 P가 피크 값의 1/2이 되는 1/2 방사각 γh에 관해서 식(7)이 성립한다:

tan(γh/2)=Dh/(4×WD)=0.129…(7)

식(7)로부터, γh=2×tan^-1(Dh/(4×WD))=14.7°이다.

상기한 바와 같이, 입사면(100)과 광 반도체 소자(20)와의 중심축 C10에 수직인 XY 평면에서의 상대적인 이동 거리와 광 신호 L의 입사 강도와의 관계로부터, 광 신호 L의 방사각을 산출할 수 있다.

한편, 퍼 필드 패턴(Far Field Pattern：FFP) 측정기 등의 계측기를 이용한 방사각의 계측값(이하, 간단히「계측값」이라고 함)은, γe=21.2°, γh=17.6°이다. 광 반도체 소자(20)가 VCSEL인 경우, 입사 강도 P의 입사 강도 패턴은 대략 사다리꼴에 가까워서 가우시안 형상이 되지 않는다. 따라서, 입사 강도 P의 피크 값의 1/2 방사각 γh는 작게 계측된다.

이어서, 입사면(100)이 곡률 반경 R인 곡면인 광 프로브(10)에 의한 방사각의 측정에 관해서 설명한다. 이때, 광 프로브(10)의 입사면(100)에서의 개구 수 NA가 sin(α)로 한다. 광 프로브(10)의 입사면(100)에서, 스넬의 법칙으로부터 이하의 식(8)의 관계가 성립한다:

sin(α+ωm)=n(r)×sin(β+ωm)…(8)

식(8)로부터, 이하의 식(9)가 얻어진다:

α=sin^-1{(n(r)×sin(β+ωm)}-ωm…(9)

코어지름 Cd의 단부에서는, ωm=Cr/R이다.

따라서, 입사면(100)의 곡률 반경 R과 광 신호 L의 방사 반각 α의 관계를 얻을 수 있다. 방사 반각 α은 입사면(100)에 입사하는 광 신호 L의 허용 입사 반각이기도 하고, 방사각 γ이 2×α를 초과하면, 광 신호 L이 코어부(111)와 클래드부(112)의 경계에서 클래드부(112)에 투과, 방사에 의해 감쇠하여, 전송 손실이 발생한다.

도 7에, NA=0.29, 코어지름 Cd=89㎛의 광 파이버와, NA=0.275, 코어지름Cd=62.5㎛의 광 파이버를 사용한 경우의, 곡률 반경 R인 입사면(100)에 있어서의 개구 수(이하, 「입사 개구수 RNA」라고 한다)의 관계를 나타내었다.

도 7에 나타내는 바와 같이, 곡률 반경 R이 작을수록 광 프로브(10)의 입사 개구 수 RNA이 커진다. 예를 들면, NA=0.29의 광 파이버를 사용하여 곡률 반경 R이 145㎛인 광 프로브(10)를 구성한 경우, RNA=0.5, γ=60°가, 광 신호 L의 입사 경계 조건이 된다. 「입사 경계 조건」은, 클래드부(112)에 투과하지 않고 광 신호 L이 코어부(111)를 전파하는 조건이다. 한편, NA=0.275의 광 파이버를 사용하여 곡률 반경 R이 145㎛인 광 프로브(10)를 구성한 경우, RNA=0.4, γ=48°가 입사 경계 조건이 된다.

광 신호 L의 방사각 γ에 관해서 α≥γ/2의 관계이면, 광 프로브(10)의 코어부(111)에 광 신호 L이 입사한 후, 클래드부(112)에 투과하지 않고 광 신호 L이 코어부(111) 내부를 거의 감쇠 없이 전파한다. 이와 같이, 입사면(100)을 곡면으로 함으로써, 입사면(100)이 평면인 광 프로브와 비교해서 전송 손실을 억제할 수 있고, 입사하는 광 신호 L의 방사각 γ이 큰 것이어도 입사할 수 있다. 따라서, 특히 광 신호 L의 방사각 γ이 큰 경우에, 입사면(100)을 곡면으로 하는 것은 유효하다. 즉, 광 신호 L의 방사각 γ가 큰 경우에, 곡률 반경 R의 설정에 의해 광 프로브 (10)의 입사 경계 조건을 조정할 수 있다.

광 프로브(10)가 X방향을 따라서 지면의 좌방향으로 입사 안정 거리 Ds만큼 이동하면, 광 프로브(10)의 입사면(100)에 있어서, 식(10)이 성립한다.

sin(γ/2+ω)=n(r)×sin(β+ω)…(10)

이때, 광 프로브(10)에 사용되는 광 도파로(예를 들면, 광 파이버)의 개구 수 NA에 대한 β=sin^-1(NA/n(r))의 관계식으로부터 식(11)을 얻을 수 있다:

ω=±sin^-1({K2²/(K1²+K2²)}^1/2)…(11)

식(11)에서, 계수 K1 및 계수 K2는 이하의 값이다:

K1=n(r)×cos(β)-cos(γ/2)

K2=n(r)×sin(β)-sin(γ/2)

또한, 유효 입사 반경 Se와 광 프로브(10)의 코어 반경 Cr이 일치하는 경우에, 작동 거리 WD가 최대 작동 거리 WDm인 경우의 광 신호 L의 광 프로브(10)로의 입사가 허용되는 방사 반각 α를 이용하고, 곡률 반경 R은 식(12)의 관계를 만족하고, 중심 반각 ω는 식(13)으로 나타내어진다:

R≥Cr/sin(ω)…(12)

ω=±sin^-1({K2²/(K1²+K2²)}^1/2)…(13)

이때, WDm=Cr/tan(α)이다. 식(13)에서, 계수 K1 및 계수 K2는 이하의 값이다:

K1=n(r)×cos(β)-cos(α)

K2=n(r)×sin(β)-sin(α)

이때, α=sin^-1{n(r)×sin(β+ω)}-ω이다. 측정하는 광 반도체 소자의 광 신호 L의 방사각 γ가 공지의 경우, 2α≥γ가 되도록 α, ω를 설정하고, 입사면(100)의 곡률 반경 R을 설정할 수 있다.

광 프로브(10)가 입사 안정 거리(Ds)만큼 이동한 경우에, 하기 식(14)~식(16)이 성립한다:

Se=R×sin(ω)…(14)

Ds=Se-Sr…(15)

Sr=WD×tan(γ/2)…(16)

이때, Cr≥Se>Sr≥0, R≥Dr이다. 유효 입사 반경 Se는, 곡률 반경 R이 클수록 크고, 입사 반경 Sr은 작동 거리 WD가 작을수록 작아진다. 입사 안정 거리 Ds를 넓게 설정, 즉 유효 입사 반경 Se를 크게 입사 반경 Sr을 작게 설정함으로써, 광 신호 L에 관해 안정된 특성을 측정하기 위한, 광 프로브(10)의 중심축 C10과 광 신호 L의 광축 C20의 위치 편차의 허용값을 크게 할 수 있다. 식(14)로부터, 곡률 반경 R에 관해, 이하의 식(17)을 얻을 수 있다:

R=Se/sin(ω)…(17)

도 8에, 입사면(100)을 통과한 광 신호 L의 코어부(111)와 클래드부(112)의 경계면으로의 입사각(이하,「클래드 입사각 θ」이라고 한다)에 관해서, 광 프로브(10) 및 평면광 프로브의 입사각 비율 Ir과, 곡률 반경 R과의 관계를 나타낸다. 이때, 평면광 프로브의 클래드 입사각 θ1, 곡률 반경 R의 광 프로브(10)의 클래드 입사각 θ2로서, 입사각 비율 Ir=θ2/θ1이다. 또, 평면광 프로브에서는, 곡률 반경 R이 무한대이고, 입사각 비율 Ir은 1이다.

도 8에 나타내는 바와 같이, 곡률 반경 R이 작을수록 입사각 비율 Ir은 작고, 클래드 입사각 θ이 작다. 따라서, 곡률 반경 R이 작을수록, 광 프로브(10)의 중심축 C10에 대한 광 신호 L의 광축 C20의 각도 변화가 있어도, 광 프로브(10)의 코어부(111)에서의 광 신호 L의 전파에 대한 변동이 발생되기 어렵다. 예를 들면, 광 프로브(10)를 어레이(array) 형상으로 배열한 광 프로브 어레이에서는, X방향 또는 Y방향의 미소한 틸트각 ζ가 생겨 클래드 입사각 θ가 변동하지만, 광 프로브(10)에서는 입사면(100)이 곡면임에 따라, 클래드 입사각 θ가 작아진다. 이때문에, 중심축 C10에 대한 광축 C20의 각도가 틸트각 ζ의 발생에 의해 변동해도, 클래드 입사각 θ은, 광 신호 L이 클래드부(112)에 투과해서 감쇠하는 클래드 입사 임계각 θ(rc) 이하로 충분히 작아서, 클래드부(112) 방사에 의한 감쇠가 생기기 어려워진다. 따라서, 틸트각 ζ에 기인하는 광 신호 L의 코어부(111) 내의 전파에서의 변동이 억제된다.

도 9는, 광 신호 L의 입사가 허용되는 방사 반각 α에 대한 클래드 입사각 θ의 관계를, 입사면(100)이 평면인 경우와, 100, 125, 150㎛의 곡률 반경 R인 곡면인 경우에 관해서 비교한 결과이다. 도 9에서, 클래드 입사 임계각 θ(rc)는 클래드 입사각 θ의 임계각이며, 클래드 입사각 θ이 클래드 입사 임계각 θ(rc)이상인 경우는, 광 신호 L은 클래드부(112)에 투과해서 감쇠한다. 도 9의 그래프로부터도, 입사면(100)을 곡면으로 함으로써, 광 신호 L의 방사각 γ에 대해, 클래드 입사각 θ을 작게 할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 곡률 반경 R이 작은 쪽이 클래드 입사각 θ는 작아지는 경향이 된다. 따라서, 도 9에 나타내는 바와 같이, 입사면(100)이 곡면인 경우에, 클래드 입사각 θ는, 임계각인 클래드 입사각 θ(rc)에 대해 충분히 작다. 이 때문에, 입사면(100)을 곡면으로 함으로써, 틸트각 ζ에 기인해서 입사면(100)에서 광신호(L)의 입사각에 각도 어긋남이 생겨도, 광 신호 L의 감쇠를 억제할 수 있다.

도 10은, 광 프로브(10)의 입사면(100)의 곡률 반경 R이 70, 74, 80㎛인 경우와, 입사면(100)이 평면인 경우에 대해서, 작동 거리 WD가 100㎛일 때의 입사 강도 패턴의 실측값을 비교한 그래프이다. 도 10에 나타낸 그래프의 가로축은 이동 거리 D이다. 도 10에서, 곡률 반경 R이 작을수록 입사 강도 P가 커진다. 곡률 반경 R에 의해 입사광의 클래드 입사각이 작아지고, 클래드부 방사에 의한 감쇠가 발생되기 어려워지기 때문이다. 이에 대해, 입사면(100)이 평면인 경우는, 입사면(100)이 구면인 경우에 비교해서, 입사 강도 패턴의 강도가 낮고, 입사 강도 패턴의 양 어깨가 둥글게 되어 완만하게 감쇠한다.

도 11은, 일정한 작동거리 WD로, 광 프로브(10)의 중심축 C10에 대해서 광 신호 L의 광축 C20의 위치를 거리 Dxy만큼 X방향 또는 Y방향으로 변화시킨 경우의 입사 강도 패턴의 이미지 도면이다. 거리 Dxy의 변화에 의한 입사 강도 패턴은, 대략 사다리꼴이다. 입사 강도 패턴의 입사 강도 P=1의 평탄부는, +방향과 -방향의 입사 안정 거리 Ds에 상당하는 입사 안정 범위이다. 이 입사 안정 범위에서 위치 편차가 발생해도 입사 강도 P는 변화하지 않고, 안정된 입사 강도가 얻어진다. 광 프로브(10)의 코어부(111)에 광 신호 L의 적어도 일부가 입사하는 입사 이동 범위 Dw, 및 입사 안정 범위 Dp는 Dw=2(Se+Sr), Dp=2(Se-Sr)=2Ds로 나태내어진다.

입사면(100)이 평면인 경우는, Se=Cr이다. 따라서, 전송 손실이 발생하지 않는 X방향의 방사각 γx와 Y방향의 방사각 γy는, 이하의 식(18), 식(19)에 의해 각각 산출된다.

γx=2×tan^-1(Srx/WD)…(18)

γy=2×tan^-1(Sry/WD)…(19)

이때, Cr≥Se>Sr≥0이다.

도 12는, 작동 거리 WD를 50~200㎛로 변화시켰을 때의 입사 강도 패턴의 변화를 나타낸다. 여기서는, 입사면(100)의 곡률 반경 R이 70㎛인 광 프로브(10)를 사용하였다. 광 반도체 소자(20)가 VCSEL인 경우, 퍼 필드 패턴이 사다리꼴의 강도 분포이고, 강도가 피크 강도의 1/2인 1/2 방사각 γh가, 대략 강도 분포의 평균값의 방사각이다. 이 때문에, 유효 입사 반경 Se, 입사 반경 Sr도 입사 강도 평균값의 트레이스를 나타내고 있다고 볼 수 있다. 도 11, Se-Sr=Dp/2, Se+Sr=Dw/2에서, Se=1/4×(Dw+Dp), Sr=1/4×(Dw-Dp)이다. 도 12에서, Dp=40(㎛), Dw=80(㎛)이다. 상기 식으로부터 Se=30(㎛), Sr=10(㎛)가 구해진다. WD=100㎛의 경우, γh=2×tan^-1(Sr/WD)=2×tan^-1(10/100)=11.4°이다. 1/2 방사각 γh와 1/e² 방사각 γe가 강도 분포에서 비례 관계에 있다고 하면, 입사 강도 패턴으로부터, γe=2×(De/Dh)tan^-1(γh)=2×(66/56)tan^-1(10/100)=13.5 °가 얻어진다.

그러나, 본 측정과 같이 WD=100~200(㎛)의 경우, 측정값은, 퍼 필드 패턴이 아니라, 보다 좁혀진 니어 필드 패턴(near field pattern)에 가까운 값이 되기 때문에, 계측값으로 측정한 값 γe=21.2°, γh=17.6°로부터 벗어난 값이 된다. 따라서, 퍼 필드 패턴 값을 얻기 위해서는 보정이 필요하다.

이러한 입사 강도 패턴에서 얻어지는 값과 계측값에서 얻은 값에 차이가 있는 경우, 이하와 같은 처리를 행하여 차이를 삭감할 수 있다.

계측값의 방사각 γ를 사용하면, tan(γh/2)=Sr/cWD이다. 여기서, 입사 강도 P가 피크값의 1/2이 되는 조건이 Sr=10㎛, γh=17.6°이므로, tan(17.6°/2)=Sr/cWD=10/cWD=0.155이며, 그에 따라 cWD=64.5㎛가 된다. 이때, cWD=Sr/tan(γ/2)는, 방사각의 계측값에서 얻어지는 작동 거리(이하,「추정 작동 거리(assumed working distance)」라고 함)이다.

추정 작동 거리 cWD를 사용하여, 1/e² 방사각 γe 및 1/2 방사각 γh를 다음과 같이 구한다.

γe=2×(De/Dh)×tan^-1(Sr/(cWD))

γh=2×tan^-1(Sr/(cWD))

따라서, 실제로 측정한 1/e² 이동 거리 De, 1/2 이동 거리 Dh의 값을 이용하여, X방향과 Y방향의 각각의 방사각 γe, γh를 구한다. 예를 들면, 기준 VCSEL의 방사각을 기준으로 해서 기준의 방사각과의 차이로부터 방사각을 설정한다. 이와 같이 해서, 계측값으로부터 보다 정확하게 방사각을 설정할 수 있다.

도 13은, 입사면(100)의 곡률 반경 R과 유효 입사 반경 Se와의 관계의 이론값을 나타낸 그래프이다. 도 13에 있어서, 광 프로브(10)에 사용한 광 파이버의 개구수 NA가 0.29인 경우와 개구 수 NA가 0.275인 경우를 나타내었다. 곡률 반경 R과 유효 입사 반경 Se와의 관계는, 식(17)로부터 구할 수 있다.

유효 입사 반경 Se와 코어지름 Cd를 일치시킴으로써, 위치 편차에 의한 전송 손실을 억제하기 위해 유효 입사 반경 Se를 최대한 활용할 수 있다. 유효 입사 반경 Se와 코어지름 Cd를 일치시키기 위해서는, 도13에서의 Se=Cr=44.5㎛의 조건으로부터, NA=0.29, 코어 반경 Cr=44.5㎛의 광 프로브(10)에서는, 곡률 반경 R을 155㎛의 근방으로 설정하면 된다. 또한, Se=Cr=31.3㎛의 조건으로부터, NA=0.275, 코어 반경 Cr=31.3㎛의 광 프로브(10)에서는, 곡률 반경 R을 127㎛의 근방으로 설정하면 된다.

도 14는, NA=0.275와 NA=0.29의 광 파이버를 광 프로브(10)에 사용한 각각의 경우에서의, 안정된 입사 강도가 얻어지는 입사 안정 거리 Ds와 곡률 반경 R의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 14에 나타낸 ×표는, NA=0.29인 경우의 실측 값을 플롯한 것이다. 도 14에 나타내는 바와 같이, 곡률 반경 R이 클수록 입사 안정 거리 Ds가 크다. 또한, 광 프로브(10)에 사용되는 광 파이버의 코어지름 Cd(=2×Cr)가 클수록 입사 안정 거리 Ds는 넓어진다. 코어 반경 Cr=44.5㎛의 경우는, 입사 안정 거리 Ds는 거의 ±30㎛까지 설정할 수 있다. 코어 반경 Cr=31.3㎛의 경우는, 입사 안정 거리 Ds는 거의 ±15㎛까지 설정할 수 있다.

도 15는, 입사면(100)의 곡률 반경 R과 최대 작동 거리 WDm의 관계를 나타낸 그래프이다. 코어 반경 Cr=44.5㎛, 곡률 반경 R=155㎛의 경우, 최대 작동 거리 WDm은 약 300㎛이 조금 못 된다. 코어 반경 Cr=31.3㎛, 곡률 반경 R=125㎛의 경우에서, 최대 작동 거리 WDm은 약 200㎛ 정도이다. 광 프로브(10)를 사용할 때는, WD≤WDm로 설정한다.

도 16은, WD=100㎛인 경우에서의, 광 프로브(10)에 입사한 광 신호 L의 손실 특성을 나타낸 그래프이다. 도 16에 나타낸 그래프의 가로축은, 이동 거리 D이다. 손실 변동이 0.1dB 이내인 이동 거리 D를 입사 안정 거리 Ds로 하면, 도 16에서, R=75㎛의 경우에 입사 안정 거리 Ds는 ±15㎛이다. 또한, R=93㎛의 경우에 입사 안정 거리 Ds는 ±20㎛이다. R=116㎛의 경우에 입사 안정 거리 Ds는 ±20㎛이상이다. 한편, 입사면(100)이 평면인 경우의 입사 안정 거리 Ds는, ±17㎛이다. 이상으로부터, 입사면(100)을 곡면으로 함으로써, 입사 안정 거리 Ds가 변화하여 곡률 반경 R이 클수록 입사 안정 거리 Ds가 보다 넓어진다.

전술한 바와 같이, 제1의 실시형태에 따른 광 프로브(10)는, 식(17)에 나타낸 곡률 반경 R=Se/sin(ω) 및 식(11)에 나타낸 중심 반각 ω=±sin^-1({K2²/(K1²+K2²)}^1/2)의 특성을 갖는다. 이에 따라, 광 프로브(10)의 입사면(100)의 곡률 반경(R)은 입사 안정 거리 Ds가 광범위하게 되도록 설정된다. 이에 의해, 위치 편차나 틸트각 ζ에 대한 입사 변동이 억제되어, 광 프로브(10)에 안정적으로 광 신호 L를 입사시킬 수 있다. 그 결과, 광 프로브(10)를 이용한 광 반도체 소자(20)의 측정에 의하면, 광 프로브(10)와 광 반도체 소자(20)의 XY 평면에서의 위치 편차나 틸트각 ζ이 발생하더라도, 광 프로브(10)의 입사면(100)에 입사하는 광 신호 L의 전송 손실을 억제할 수 있다.

또한, 광 신호 L의 입사 범위가 코어부(111)의 내부가 되는 적절한 작동 거리 WD에서 광 프로브(10)와 광 반도체 소자(20)를 XY 평면에서 상대적으로 이동시킴으로써 광 신호 L을 광 프로브(10)의 입사면(100)에 안정적으로 입사시킬 수 있다. 따라서, 광 프로브(10)와 광 반도체 소자(20)와의 X방향 및 Y방향에서의 상대적인 거리를 변화시켜서 각각 얻어진 광 신호 L의 입사 강도 패턴으로부터 광 반도체 소자(20)의 X방향의 방사각 γx와 Y방향의 방사각 γy를 측정할 수 있다. 광 신호 L의 입사 강도 패턴은, 광 프로브(10)를 X방향과 Y방향 각각에 있어서 ±방향으로 이동시킴으로써 측정한다. 그리고, 상술한 바와 같이, 입사 강도 패턴에서 1/e² 방사각 γe 및 1/2 방사각 γh를 구할 수 있다. 또한, 광 신호 L의 입사 강도 패턴을 이용하여 방사각을 구하는 방법은, 광 프로브(10)의 입사면(100)이 평면이어도 유효하다.

그런데, 도 1에 나타낸 광 프로브(10)를 복수 배열해서 다심(多芯)의 광 프로브 어레이를 구성할 수 있다. 예를 들면, n개의 광 프로브(10)를 일렬로 배열한 구성의 광 프로브 군(群)을 m개 배열하여, n×m개의 광 프로브(10)를 어레이 형상으로 배치한 광 프로브 어레이를 구성한다. 복수의 광 반도체 소자(20)에 각각 대응시킨 광 프로브(10)에 의해 구성된 광 프로브 어레이를 사용함으로써, 웨이퍼(200)에 어레이 형상으로 배치된 복수개의 광 반도체 소자(20)를 동시에 측정할 수 있다. 이에 따라, 웨이퍼(200)에 형성된 광 반도체 소자(20)의 총 측정 시간을 단축할 수 있다.

상기의 광 프로브 어레이를 이용한 측정 시스템의 구성 예를 도 17에 나타낸다. 도 17에 나타낸 측정 시스템은, 광 프로브(10)를 어레이 형상으로 배치한 광 프로브 어레이를 유지하는 광 프로브 헤드(15)와, 복수개의 전기 프로브(30)를 배열해서 구성한 전기 프로브 어레이를 유지하는 전기 프로브 헤드(35)를 구비한다. 전기 프로브(30)로서, 예를 들면, 캔틸레버 타입, 수직 니들 타입, 수직 스프링 타입 등이 사용된다. 광 프로브(10)와 전기 프로브(30) 각각은, X방향을 따라서 등간격으로 배치되어 있다. 도시를 생략하지만, X방향과 마찬가지로 Y방향을 따라도, 광 프로브(10) 및 전기 프로브(30)는 등간격으로 배치되어 있다.

도 17에 나타내는 측정 시스템은, 웨이퍼(200)에 형성된 복수의 광 반도체 소자(20)의 특성 측정에 사용된다. 스테이지(50)에 탑재된 웨이퍼(200)의 주면(main surface)에는 광 반도체 소자(20)가 어레이 형상으로 형성되어 있다. 예를 들면, 하나의 광 반도체 소자(20)에 관해 광 프로브(10)와 전기 프로브(30)가 쌍으로 배치된다. 이와 같이, 1개의 광 반도체 소자(20)에 관해서, 광 프로브(10)와 전기 프로브(30)를 포함하는 하나의 프로브 유닛이 구성되어 있다. 프로브 유닛은, 웨이퍼(200)에 형성된 광 반도체 소자(20)의 배치에 대응해서 배치되어 있다. 또한, 도 17에서는, 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 개수는, 광 반도체 소자(20)의 구성이나 측정 내용에 따라서 임의로 설정된다.

광 프로브 헤드(15)는, 광 프로브 구동 장치(41)의 제어에 의해 Z방향으로 이동한다. 이에 의해, 광 프로브(10)의 입사면(100)과 광 반도체 소자(20)의 Z방향을 따른 거리의 미세 조정이 가능하다. 또한, 전기 프로브 헤드(35)는, 전기 프로브 구동 장치(42)의 제어에 의해 Z방향으로 이동한다. 이에 의해, 전기 프로브(30)의 선단과 광 반도체 소자(20)와의 Z방향을 따른 거리의 미세 조정이 가능하다.

광 프로브 헤드(15) 및 전기 프로브 헤드(35)와 광 반도체 소자(20)와의 X방향 및 Y방향의 위치맞춤은, 스테이지 구동 장치(43)에 의해 스테이지(50)를 이동시킴으로써 가능하다. 그리고 또한, 스테이지 구동 장치(43)에 의해 Z방향을 중심으로서 스테이지(50)를 회전시킴으로써, Z방향을 중심으로 하는 회전 방향(이하,「Z회전방향」이라고 함)에 관해서, 광 반도체 소자(20)에 대해 광 프로브(10)와 전기 프로브(30)의 위치를 조정할 수 있다.

또한, 스테이지(50)의 위치를 고정하여, 광 프로브 헤드(15) 및 전기 프로브 헤드(35)를 X, Y, Z의 각 방향으로 이동시켜도 좋다. 즉, 광 프로브 구동 장치(41) 및 전기 프로브 구동 장치(42)에 의해 광 프로브(10) 및 전기 프로브(30)의 광 반도체 소자(20)에 대한 상대적인 위치를 조정할 수 있다.

상기와 같이, 도 17에 나타낸 측정 시스템에 따르면, 광 프로브(10) 및 전기 프로브(30)와 광 반도체 소자(20)의 위치 맞춤이 가능하다. 또, 광 프로브 헤드(15)의 위치와 전기 프로브 헤드(35)의 위치를 독립적으로 제어할 수 있도록 측정 시스템을 구성할 수 있다. 그 밖에, 광 프로브 헤드(15) 및 전기 프로브 헤드(35)를 고정으로 하여, 스테이지(50)를 X, Y, Z방향, Z 회전 방향으로 움직여서, 광 프로브 헤드(15), 전기 프로브 헤드(35), 및 광 반도체 소자(20)의 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.

도 17에 나타낸 측정 시스템을 통해서 전기 신호와 광 신호가 전파하여 광 반도체 소자(20)의 측정이 수행된다. 즉, 도시를 생략한 테스터에서 출력된 전기 신호가, 전기 프로브 헤드(35)에 배치된 접속 단자(도시생략)를 통해서 전기 프로브(30)에 송신된다. 예를 들면, 광 반도체 소자(20)가 반도체 기판에 형성된 VCSEL인 경우는, 전기 프로브(30)에 의해 VCSEL의 상면에 배치된 전기 신호 단자에 전기 신호를 인가함으로써, VCSEL이 광 신호 L을 출력한다. 광 신호 L은, 광 프로브 (10)에 의해 수광된다.

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 광 신호 L은, 광 프로브 (10)와 광학적으로 접속하는 광전 변환 모듈(45)에 전파된다. 광전 변환 모듈(45)은, 광 신호 L을 전기 신호로 변환하고, 변환된 전기 신호를 전기 접속 단자(46)에 출력한다. 전기 접속 단자(46)는 도시를 생략하는 테스터와 전기적으로 접속되어 있고, 광 신호 L에서 광전 변환된 전기 신호가 전기 접속 단자(46)에서 테스터로 송신된다.

광전 변환 모듈(45)로는, 광 신호 L을 포토디텍터 등에 의해 전기 신호로 변환하는 타입이나, 회절 격자형 디바이스에 의해 광 신호 L를 분광하고, 그 회절각 방향에 의해 파장 변동을 검출하는 타입을 사용할 수 있다. 측정 용도에 따라, 광전 변환 모듈(45)의 타입을 구분할 수 있다. 또한, 광전 변환 모듈(45)의 앞에서 광 신호 L을 분기해서 복수 종류의 측정을 동시에 행할 수도 있다. 광전 변환부(47)를 이용하여 광 프로브(10)의 출력을 광 프로브 헤드(15)의 근방에서 광전 변환함으로써, 측정 시스템의 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(15)를 구비하는 프로브 카드를 사용하여 광 반도체 소자(20)의 측정이 가능하다.

도 17에 나타낸 측정 시스템을 이용한 광 반도체 소자(20)의 측정은, 예를 들면 도 18에 나타내는 흐름도와 같이 실행된다. 이하에, 도 18을 참조하여, 광 반도체 소자(20)의 측정 방법의 예를 설명한다.

우선, 단계 S10에 있어서, 광 프로브(10) 및 전기 프로브(30)와 광 반도체 소자(20)와의 위치 맞춤을 행한다. 그 후, Z방향을 따라서 전기 프로브(30)와 광 반도체 소자(20)의 상대적인 위치를 변화시켜서 광 반도체 소자(20)의 전기 신호 단자에 전기 프로브(30)의 선단을 접속한다. 이 상태에서 전기 프로브(30)에 의해 광 반도체 소자(20)에 전기 신호를 인가함으로써, 광 반도체 소자(20)가 광 신호 L을 출력한다.

그리고, 단계 S20에 있어서, 광 신호 L의 광 강도를 측정한다. 즉, 광 프로브 헤드(15)를 Z방향으로 이동시켜서 소정의 작동 거리 WD가 되도록 광 프로브(10)를 배치한다. 그리고, 광 프로브(10)에 의해 수광한 광 신호 L을 광전 변환 모듈 (45)에 의해 광전 변환하여 광 신호 L의 광 출력을 모니터한다. 이 때, 광 반도체 소자(20)로부터의 광 신호 L의 출력이 최대가 되도록 광 프로브(10)의 위치를 제어한다. 그리고, 광 신호 L의 광 출력이 최대인 위치에서 광 프로브(10)를 고정한다. 이 상태에서, 광 프로브(10)에서의 광 신호 L을 측정한다. 이와 같이 해서, 광 신호 L의 광 강도가 얻어진다.

이어서, 단계 S30에 있어서, 작동 거리 WD를 일정하게 유지해서 광 프로브 (10)와 광 반도체 소자(20)의 상대적인 위치를 변화시켜 입사 강도 패턴을 취득한다. 그리고, 단계 S40에 있어서, 입사 강도 패턴으로부터 광 신호 L의 방사각 γ를 측정한다.

예를 들면 웨이퍼(200)에 형성된 모든 광 반도체 소자(20)에 대한 측정이 종료될 때까지, 상기의 측정을 반복한다. 또한, 상기에서는, 광 신호 L의 광 강도와 방사각의 특성을 측정하는 예를 설명하였는데, 광 신호 L에 관해 광 강도나 방사각 이외의 분광 특성 외, 각 온도 특성 등에 대해서 측정해도 되는 것은 물론이다. 또한, 이들 특성을 측정하는 순서는 임의이다.

입사면(100)의 곡률 반경 R이 식(17)로 설정된 광 프로브(10)를 사용함으로써, 복수의 광 프로브(10)를 배열한 광 프로브 어레이를 이용한 측정에 있어서도, 광 신호 L을 안정적으로 광 프로브(10)로 수신할 수 있다. 즉, 광 프로브 어레이를 이용하여, 광 프로브(10)와 웨이퍼(200)에 형성된 광 반도체 소자(20)의 상대적인 위치가 XY평면에서 개별적으로 변화해도, 각각의 광 반도체 소자(20)의 광 신호 L을 입사면(100)에 안정적으로 입사시킬 수 있다. 따라서, 광 프로브 어레이를 사용하여 복수의 광 반도체 소자(20)의 각각의 입사 강도 패턴을 동시에 측정할 수 있다. 즉, 웨이퍼(200)에 형성된 광 반도체 소자(20)에 대하여 동시에, X방향의 방사각 γx이나 Y방향의 방사각 γy를 동시에 측정할 수 있다.

종래의 방사각의 측정 방법에서는, 웨이퍼 상태의 광 반도체 소자(20)에 대하여 광 신호 L의 방사각의 측정을 할 수 없고, 광반도체 소자(20)를 칩(chip)화 하고 나서, 기판 상에 배선 실장한 뒤 빔 프로파일러나 FFP 측정기 등을 이용하여 방사각을 측정한다. 즉, 칩화된 광 반도체 소자(20)를 기판에 실장하거나 모듈화함으로써, 광 반도체 소자(20)에 대하여 개별적으로 광 신호 L의 방사각을 측정할 필요가 있었다. 따라서, 방사각을 측정하는 데 시간과 노력이 요구되었다. 또한, 광 반도체 소자(20)를 개별적으로 측정하기 때문에, 측정에 수고가 필요하고, 모든 광 반도체 소자(20)에 대하여 측정을 행하는 것이 곤란하였다. 또한, 일부 광 반도체 소자(20)를 샘플링하여 검사하면, 다른 광 반도체 소자(20)의 양부 판정을 할 수 없다는 문제가 있다. 이 때문에, 종래의 측정 방법에서는 수율의 개선을 도모할 수 없었다.

이에 대해, 도 17에 도시된 측정 시스템에 따르면, 광 프로브(10)를 사용하여 다심의 광 프로브 어레이를 구성함으로써, 웨이퍼 상태의 복수의 광 반도체 소자(20)에 관해서 일괄해서 광 신호 L의 방사각을 측정할 수 있다. 이 때문에, 측정 시간을 억제할 수 있다. 또한, 광반도체 소자(20)에 대하여 전수 검사가 가능하여수율을 향상시킬 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 제1의 실시형태에 관련한 광 프로브(10)에 의하면, 입사면(100)의 곡률 반경 R을 조정함으로써, 입사 안정 거리 Ds=Se-Sr을 넓힐 수 있다. 따라서, 일정한 작동 거리 WD로 XY 평면에 있어서 광 프로브(10)와 광 반도체 소자(20)의 상대적인 거리를 변화시켜 광 신호 L의 입사 강도 패턴을 X방향과 Y방향에 대해 각각 취득할 수 있다. 즉, X방향에 대하여 취득한 입사 강도 패턴을 이용하여 X방향의 방사각 γx를 산출하고, Y방향에 대하여 취득한 입사 강도 패턴을 이용하여 Y방향의 방사각 γy를 산출할 수 있다. 그리고, X방향과 Y방향 각각에 대하여 1/e² 방사각 γe 및 1/2 방사각 γh를 구할 수 있다. 따라서, 예를 들면 파 필드 패턴(far field pattern)이 타원 형상의 광 신호 L에 대해 방사각을 측정할 수 있다.

또한, 광 프로브(10)에서는 입사 안정 거리 Ds가 넓고, 또 틸트각 ζ에 기인하는 입사 변동을 억제할 수 있다. 따라서, 광 프로브(10)를 배열한 광 프로브 어레이에 의해 웨이퍼(200)에 형성된 복수의 광 반도체 소자(20)를 1회의 위치 맞춤으로 측정한 경우에, 광 프로브(10)와 광 반도체 소자(20)의 위치 어긋남이나 각도 어긋남이 발생해도 입사 변동을 억제할 수 있다. 즉, 광 프로브(10)의 각각에 대하여, 광 반도체 소자(20)로부터의 광 신호 L을 안정된 상태로 입사시킬 수 있다.

그리고 또한, 웨이퍼 상태에 있어서 광 반도체 소자(20)의 강도 측정이나 방사각의 측정을 할 수 있어서, 광 반도체 소자(20)의 측정 프로세스가 간소화되어 측정 시간을 대폭 단축할 수 있다. 이때, 광 프로브 어레이와는 다른 기판에 전기 프로브(30)를 어레이 형상으로 배치해도 되며, 광 프로브 어레이와 전기 프로브 어레이를 일체화한 구조이어도 된다. 다만, 광 프로브 어레이와 전기 프로브 어레이가 일체 구조인 경우는, 광 반도체 소자(20)의 전기 신호 단자에 접촉한 상태에서, 전기 프로브(30)가 X방향, Y방향, Z방향으로 이동한다. 따라서, 전기 신호 단자와 접촉시킨 상태에서 움직여도 전기 프로브(30)와 전기 신호 단자의 접촉 상태가 변하지 않고 전기 신호를 전기 신호 단자에 안정적으로 공급할 수 있도록 변형 가능한 변형(歪)탄성 특성을 갖는 형상, 조합 재료나 구성을 전기 프로브(30)에 채용한다.

(제2의 실시형태)

제2의 실시형태에 따른 광 프로브(10)는, 도 19에 나타낸 바와 같이, 제1 영역(101)과 제2 영역(102)을 연결한 구성을 갖는다. 제1 영역(101)의 일단면이 입사면(100)이고, 제1 영역(101)의 타단면이 제2 영역(102)의 단면과 접합한다. 제1 영역(101)과 제2 영역(102)의 중심축 C10은 일치한다.

입사면(100)이 형성된 제1 영역(101)은, 제1의 실시형태에서 설명한 광 프로브(10)와 마찬가지의 구조를 갖는다. 즉, 제1 영역(101)의 입사면(100)은, 식(17) 및 식(11)의 관계를 만족하도록 곡률 반경 R이나 중심 반각 ω가 설정된 곡면이다. 예를 들면, 제1 영역(101)에 GI형 광 파이버가 사용된다.

도 19에 나타낸 광 프로브(10)는, 예를 들면 이하와 같이 제조된다. 우선, 제1 영역(101)으로 하는 대구경의 GI형 광 파이버와, 제2 영역(102)으로 하는 표준 구경의 GI형 광 파이버와의, 단면끼리를 융착 접속한다. 그리고, 대구경의 GI형 광 파이버를, 제1 영역(101)의 소정 길이로 컷팅한다. 그 후, 대구경의 GI형 광 파이버의 단면을 곡률 반경 R이 되도록 가공한다.

제1 영역(101)의 길이 T는, 제1 영역(101)과 제2 영역(102)의 경계에서 광 신호 L가 포커싱되도록 설정될 수 있다. GI 파이버를 사용한 경우, T=2π×P/A^1/2로 한다. 이때, P는 피치 길이이고, 1피치로 1주기이다. A^1/2는 굴절률 분포 정수이며, 중심축 C10과 클래드부(112)의 굴절률에 의한 비굴절률차 Δ, 코어 반경 Cr에 의해 정해지는 정수이다. 만약 P=0.27로 한 경우, T=0.54π/A^1/2이다. 따라서, 제1 영역(101)과 제2 영역(102)의 경계 부근을 광 신호 L의 초점 위치로 하기 위해서는, WD=0.46π×n(c)/A^1/2로 하면, 광 반도체 소자(20)로부터 제1 영역(101)과 제2영역(102)의 경계까지의 합계의 거리가 반주기의 0.5P가 된다. 따라서, 제1 영역 (101)과 제2 영역(102)의 경계 근방에서 광 신호 L은 초점이 맞춰지고, 제1 영역 (101)에 융착 접속된 제2 영역(102)의 코어 내부에 광 신호 L이 입사한다.

또한, 도 19에 나타낸 바와 같이, 제1 영역(101)의 코어 반경 Cr1 및 프로브 반경 Dr1과, 제2 영역(102)의 코어 반경 Cr2 및 프로브 반경 Dr2가 달라도 된다. 도 19에 나타낸 광 프로브(10)는, 제1 영역(101)과 제2 영역(102)에서 클래드부 (112)의 두께가 동등하고, 또 제2 영역(102)의 지름이 제1 영역(101)의 지름보다 작다. 즉, 제1 영역(101)의 코어 반경 Cr이, 제2 영역(102)의 코어 반경 Cr2보다 크다. 예를 들면, 제1 영역(101)에 대구경의 GI형 광 파이버를 사용하고, 제2 영역(102)에 표준 구경의 GI형 광 파이버를 이용하여 광 프로브(10)를 구성해도 좋다. 제2 영역(102)에 표준 구경의 GI형 광 파이버를 사용하는 구성에 의해, 광 프로브(10)의 단부를 표준적인 코어지름의 광 파이버를 이용한 광 회로용 부품, 커플러, 광 스위치 등에 접속해서, 손실이 적은 다입력 광 회로를 실현할 수 있다.

(제3의 실시형태)

도 20에 나타낸 제3의 실시형태에 따른 광 프로브(10)는, 입사면(100)으로부터 중심축(C10)을 따라서 일정한 길이 U에 걸쳐서 코어부(111)의 굴절률을 증대하는 첨가물이 확산되어 있다. 도 20에 나타낸 광 프로브(10)는, 입사면(100)에서 길이 U까지의 제1 영역(101)과, 제1 영역(101)에 연결된 제2 영역(102)을 갖는다. 예를 들면, 코어지름 Cd가 통상의 50㎛ 또는 62.5㎛의 광 파이버를 사용한 제1 영역(101)을 1200∼1400℃정도로 가열한다. 이에 의해, 제2 영역(102)에 존재하는 코어부(111) 내의 굴절률을 증가시키는, 예를 들면 게르마늄(Ge) 등의 물질을 제1 영역(101)으로 확산시킨다.

굴절률을 증대시키는 물질을 제1 영역(101)에 첨가함으로써, 광 신호 L의 반경 방향의 전파 영역이 증대한다. 그 결과, 입사면(100)의 코어지름 Cd가 80㎛~100㎛ 정도로 확대된다. 이에 의해, 광 신호 L의 입사면(100)에 있어서의 입사영역이 확대되어, 톨러런스 특성을 향상시킬 수 있다. 이 경우, 코어지름 Cd를 확대함으로써, 중심축 C10에서의 코어부(111)의 굴절률 n(c)가 감소한다. 이 때문에, 개구 수 NA가 작아지고, 입사면(100)의 곡률 반경 R에 의해 NA의 값을 조정할 수 있다.

상기와 같이 통상의 광 파이버를 사용하여 광 프로브(10)를 구성함으로써, 분기 회로, 광 스위칭 등의 광 회로계의 소자와 광 프로브(10)의 접속이 용이해진다. 따라서, 광학 프로브(10)를 광학 측정계에 있어서 쉽게 취급할 수 있다.

(그 밖의 실시형태)

전술한 바와 같이, 본 발명은 실시형태에 따라 기재되었지만, 본 개시의 일부를 이루는 논술 및 도면은 본 발명을 제한하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 이 개시로부터 당업자에게는 다양한 대체 실시형태, 실시 예 및 운용 기술이 명백해질 것이다.

예를 들면, 상기에서는 굴절률 분포형의 광 파이버를 이용한 광 프로브(10)에 대하여 설명하였지만, 스텝 인덱스(step-index)형의 광 파이버를 사용하여 광 프로브(10)를 구성해도 된다.

또한, 등간격으로 설치된 광 도파로 구조의 것으로, 입사면(100)을 곡률 반경 R형상으로 정형한 구조, 또한, 동형상 기능을 갖는 렌즈를 장착한 구조로도 등가로 실현할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 여기에서는 기재되어 있지 않은 다양한 실시형태 등을 포함하는 것은 물론이다.

10; 광 프로브
15; 광 프로브 헤드
20; 광 반도체 소자
30; 전기 프로브
35; 전기 프로브 헤드
41; 광 프로브 구동 장치
42; 전기 프로브 구동 장치
43; 스테이지 구동 장치
50; 스테이지
100; 입사면
111; 코어부
112; 클래드부
200; 웨이퍼

Claims

코어부 및 상기 코어부의 외주에 배치된 클래드부에 의해 구성된, 광 반도체 소자로부터의 광 신호가 입사(入射)하는 입사면이 곡률 반경 R인 곡면이며,
상기 광 신호의 방사각(放射角) γ, 상기 클래드부에 투과하지 않고 상기 코어부를 전파(傳搬)하는 상기 광 신호의 상기 입사면에 있어서의 유효 입사 반경 Se, 상기 광 신호의 상기 입사면의 입사점에서의 상기 코어부의 굴절률 n(r), 및 상기 입사점에서의 굴절각 β를 이용하여, 상기 곡률 반경 R 및 상기 입사점에서의 중심 반각 ω가,
R=Se/sin(ω)
ω=±sin^-1({K2²/(K1²+K2²)}^1/2)
단,
K1=n(r)×cos(β)-cos(γ/2)
K2=n(r)×sin(β)-sin(γ/2)
β=sin^-1(sin(γ/2)/n(r)
의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는 광 프로브.
제1항에 있어서,
상기 유효 입사 반경 Se와 상기 광 프로브의 코어 반경 Cr이 동일해지고, 상기 광 반도체 소자와 상기 입사면과의 사이가 취할 수 있는 최대의 작동 거리인 경우의 상기 광 신호의 방사 반각 α를 이용하여, 상기 곡률 반경 R이,
R≥Cr/sin(ω)
단,
K1=n(r)×cos(β)-cos(α)
K2=n(r)×sin(β)-sin(α)
α＝sin^-1｛n(r)×sin(β＋ω)｝－ω
의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는 광 프로브.
제2항에 있어서,
최대 작동 거리 WDm이 Cr/tan(α)이고,
작동 거리 WD가, WD≤WDm의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 광 프로브.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 입사면에 접속하는 제1 영역과, 상기 제1 영역보다도 상기 코어부의 지름이 작은 제2 영역을 연결한 구성인 것을 특징으로 하는 광 프로브.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 입사면에서 중심축을 따라서 일정 길이에 걸쳐, 상기 코어부의 굴절률을 증대시키는 첨가물이 확산되어 있는 것을 특징으로 하는 광 프로브.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 광 프로브와,
상기 광 프로브를 유지하는 광 프로브 헤드를 구비하는 것을 특징으로 하는 프로브 카드.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 광 프로브와,
상기 광 프로브를 유지하는 광 프로브 헤드와,
상기 광 프로브 헤드의 위치를 제어하는 광 프로브 구동 장치와,
상기 광 반도체 소자에 전기 신호를 송신하는 전기 프로브를 유지하는 전기 프로브 헤드와,
상기 전기 프로브 헤드의 위치를 제어하는 전기 프로브 구동 장치를 구비하고, 하나의 상기 광 반도체 소자에 대해 상기 광 프로브와 상기 전기 프로브를 포함하는 하나의 프로브 유닛을 구성하는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
제7항에 있어서,
상기 광 프로브를 어레이 형상으로 배치한 광 프로브 어레이가 구성되고,
상기 광 프로브 헤드가 상기 광 프로브 어레이를 유지하는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 광 프로브를 이용한 측정 방법으로서,
상기 광 반도체 소자와 상기 입사면과의 사이의 작동 거리가 일정한 상태에서 상기 광 프로브에 대해 상대적으로 상기 광 반도체 소자를 이동시키고, 이동 거리에 대한 상기 광 신호의 입사 강도의 관계를 나타내는 입사 강도 패턴을 취득하고,
상기 입사 강도 패턴을 이용하여 상기 광 신호의 방사각을 산출하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
제9항에 있어서,
상기 입사 강도가 피크 값의 1/e²가 되는 이동 거리 De와 작동 거리 WD를 이용하여, 상기 입사 강도가 피크값의 1/e²가 되는 1/e² 방사각 γe를,
γe=2×tan^-1(De/(4×WD))
의 식을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
제9항에 있어서,
상기 입사 강도가 피크값의 1/2이 되는 이동 거리 Dh와 작동 거리 WD를 이용하여, 상기 입사 강도가 피크값의 1/2이 되는 1/2 방사각 γh를,
γh=2×tan^-1(Dh/(4×WD))
의 식을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
제9항에 있어서,
상기 광 프로브의 상기 코어부에 상기 광 신호의 적어도 일부가 입사하는 입사 이동 범위 Dw, 상기 입사 강도 패턴의 평탄부인 입사 안정 범위 Dp를 이용하여 상기 유효 입사 반경 Se 및 상기 광 신호의 입사 반경 Sr이,
Se=1/4×(Dw+Dp)
Sr=1/4×(Dw-Dp)
의 관계를 충족하고,
상기 입사 강도가 피크 값의 1/e²가 되는 이동 거리 De 및 상기 입사 강도가 피크 값의 1/2이 되는 이동 거리 Dh를 이용하고, 상기 입사 강도가 피크 값의 1/e²가 되는 1/e²방사각 γe 및 상기 입사 강도가 피크 값의 1/2이 되는 1/2 방사각 γh를,
γe=2×De/Dh×tan^-1(Sr/WD)
γh=2×tan^-1(Sr/WD)
의 관계식을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
제9항에 있어서,
기준으로 하는 상기 광 반도체 소자에 관해서 상기 광 프로브를 이용하여 상기 방사각 γ를 계측기에 의해 계측하고,
상기 계측기에 의한 계측값으로부터 추정 작동 거리 cWD를 산출하고,
상기 추정 작동 거리와 상기 이동 거리를 이용하여, 상기 광 신호의 상기 방사각을 산출하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
제9항에 있어서,
상기 광 신호의 광축의 연신 방향에 수직인 XY 평면에 있어서, X방향과 Y방향에 대해 각각 상기 광 반도체 소자를 이동시켜,
상기 X방향에 대하여 취득한 상기 입사 강도 패턴을 이용하여 상기 X방향의 상기 방사각을 산출하고,
상기 Y방향에 대하여 취득한 상기 입사 강도 패턴을 이용하여 상기 Y방향의 상기 방사각을 산출하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.