JP7402652B2 - 光プローブ、光プローブアレイ、検査システムおよび検査方法 - Google Patents

光プローブ、光プローブアレイ、検査システムおよび検査方法 Download PDF

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Description

本発明は、被検査体の特性の検査に使用される光プローブ、光プローブアレイ、検査システムおよび検査方法に関する。
シリコンフォトニクス技術を用いて、電気信号と光信号を入出力信号とする光半導体素子が半導体基板に形成される。光半導体素子の特性をウェハ状態で検査するために、電気信号を伝搬させる電気プローブと光信号を伝搬させる光プローブとを有する検査システムを用いて、光半導体素子とテスタなどの測定装置とを接続することが有効である。
例えば、光ファイバの先端を被検査体に近接させて、光半導体素子の特性を取得する方法が開示されている（特許文献１参照）。また、光ファイバの先端にレンズを装着し、レンズの焦点近傍に被検査体を設置することにより光半導体素子の特性を検査する装置が開示されている（特許文献２参照）。
米国特許出願公開第２００６／０００８２２６号明細書 特開昭６２－３１１３６号公報
従来、複数個の光半導体素子が形成された半導体基板について、光半導体素子と光プローブの位置合わせを行いながら、１個ずつ光半導体素子の特性が検査されている。このとき、光半導体素子と光プローブの間を所定の強度で光信号が伝搬するように、光半導体素子と光プローブの位置合わせを高い精度で行う必要がある。このため、半導体基板に形成された光半導体素子の全数を検査する時間が増大するという問題があった。すべての光半導体素子の検査が困難なことから、良品、不良品判定が十分にできず、光半導体素子製品の歩留まり悪化の要因になった。
上記問題点に鑑み、本発明は、光半導体素子の検査時間の増大を抑制できる光プローブ、光プローブアレイ、検査システムおよび検査方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、被検査体からの光信号を受光する光プローブであって、コア部およびコア部の外周に配置されたクラッド部により構成される光導波路を有し、光信号が入射する光導波路の入射面が一定の曲率半径の凸球面である光プローブが提供される。
本発明によれば、光半導体素子の検査時間の増大を抑制できる光プローブ、光プローブアレイ、検査システムおよび検査方法を提供することができ、光半導体素子の歩留まりを改善できる。
本発明の第１の実施形態に係る光プローブの構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る光プローブを光信号が伝搬する状態を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る光プローブの入射面の曲率半径および最大作動距離と光信号の最大放射半角の関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る光プローブにおける公差の影響を説明するための模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る光プローブの最大作動距離と光信号の最大放射半角の関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る光プローブにおける伝送損失と公差の関係を示すグラフである。 図７（ａ）～図７（ｄ）は、光プローブの形状を示す写真である。 本発明の第１の実施形態に係る光プローブにおける伝送損失と公差の関係の例を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る光プローブにおける伝送損失と作動距離の関係の例を示すグラフである。 図７（ａ）～図７（ｄ）に示した光プローブにおける伝送損失と公差の関係を比較したグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る検査システムの構成を示す模式図である。 光プローブアレイの構成を示す模式図である。 電気プローブアレイの構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る検査方法を説明するための模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る検査方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る光プローブの構成を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る光プローブの端部の構成を示す模式図である。
次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。また、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る光プローブ１０は、図１に示すように、被検査体２００の発光部２１０から出力される光信号Ｌを受光する。光プローブ１０は、コア部１１１およびコア部１１１の外周に配置されたクラッド部１１２により構成される屈折率分布型の光導波路１１を有する。コア部１１１の屈折率は、クラッド部１１２の屈折率よりも大きい。例えば、光導波路１１にグレーデッドインデックス型（ＧＩ型）光ファイバを利用して光プローブ１０を製造できる。図１に示すように、光信号Ｌが入射する光導波路１１の入射面１００は、一定の曲率半径Ｒの凸球面である。
図１では、光プローブ１０のコア部１１１の中心軸Ｃ１０および光信号Ｌの光軸Ｃ２００の延伸方向をＺ軸方向としている。また、Ｚ軸方向に垂直な平面をＸＹ平面として、紙面の左右方向をＸ軸方向、紙面に垂直な方向をＹ軸方向としている。光信号Ｌの光軸Ｃ２００とコア部１１１の中心軸Ｃ１０が平行であるように、光プローブ１０が被検査体２００の上方に位置している。
被検査体２００は、例えば垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などの光半導体素子である。発光部２１０と光プローブ１０とは光学的に接続され、発光部２１０から出力された光信号Ｌが光プローブ１０に入射する。
光プローブ１０と被検査体２００は、Ｚ軸方向に沿って作動距離ＷＤだけ離間して配置されている。作動距離ＷＤは、被検査体２００から出力された光信号Ｌを光プローブ１０が受光できる範囲に設定される。例えば、光信号Ｌの放射範囲が入射面１００のコア部１１１の外縁より内側となるように作動距離ＷＤが設定される。ここで、光信号Ｌの放射範囲は、光信号Ｌがピーク値の１／ｅ2以上の強度で進行する方向の範囲とする。
放射範囲における光信号Ｌについて、入射面１００において入射点Ｑに入射する光信号Ｌの進行方向と光軸Ｃ２００とのなす角を、「放射半角α」とする。また、図１に示すように、入射点Ｑにおける入射面１００の中心角は、中心半角βを用いて２×βである。
なお、放射半角αについて、光軸Ｃ２００とのなす角の最大のものを「最大放射半角αｍ」とする。つまり、最大放射半角αｍは、入射面１００と被検査体２００との間で取り得る最大の作動距離ＷＤ（以下において「最大作動距離ＷＤｍ」という。）の場合に、放射範囲の最外縁の進行方向と光軸Ｃ２００とのなす角である。
また、中心半角βの最大のものを「最大中心半角βｍ」とする。つまり、最大中心半角βｍは、最大作動距離ＷＤｍの場合における、コア部１１１の入射面１００の最外縁における中心半角である。
光信号Ｌは、入射面１００の入射点Ｑに入射角（α＋β）で入射する。図１に示すように、入射面１００を通過した直後の光信号Ｌの進行方向と曲率半径方向とのなす角を、屈折角γとする。
中心軸Ｃ１０から半径方向の距離ｒの入射点Ｑにおけるコア部１１１の屈折率ｎ（ｒ）は、式（１）で表される：

ｎ（ｒ）＝ｎ０×（１－（Ａ1/2×ｒ）2／２） ・・・（１）

式（１）で、ｎ０はコア部１１１の中心軸Ｃ１０での屈折率、Ａ1/2はコア部１１１の屈折率分布定数である。屈折率分布定数Ａ1/2は式（２）で表される：

Ａ1/2＝｛（ｎ０2－ｎｄ2）／（ｎ０×ｒｃ）2｝1/2 ・・・（２）

式（２）で、ｎｄはクラッド部１１２の屈折率であり、ｒｃはコア部１１１の半径（以下において「コア半径」という。）である。
屈折率分布定数Ａ1/2が大きいほど、コア部１１１での光信号Ｌの閉じ込め効果が強く、レンズ効果が大きくなる。つまり、コア部１１１の中心軸Ｃ１０での屈折率ｎ０とクラッド部１１２の屈折率ｎｄの差が大きいほど、そして、コア半径ｒｃが小さいほど、屈折率分布定数Ａ1/2は大きく、コア部１１１での光信号Ｌの閉じ込め効果が強く、光信号Ｌがコア部１１１の内部で鋭く曲げられる。
光信号Ｌが最短距離でコア部１１１を伝搬して光プローブ１０での伝送損失を小さくするために、光信号Ｌが中心軸Ｃ１０と平行な方向に沿ってコア部１１１を進行することが好ましい。すなわち、入射角（αｍ＋β）である光信号Ｌについて、中心半角βと屈折角γの関係をほぼγ＝βとする。これにより、光プローブ１０での光信号Ｌの伝送損失を抑制できる。
図２に、γ＝βの場合における光信号Ｌの進行の状態を示す。図２では、コア部１１１の中心軸Ｃ１０と光信号Ｌの光軸が重なっている。その後、光軸Ｃ２００を中心に２π／Ａ1/2の周期でコア部１１１内を正弦波状に光信号Ｌが伝搬する。また、光プローブ１０の入射面１００と被検査体２００の間隔は最大作動距離ＷＤｍである。このとき、スネルの法則から式（３）が成立する：

ｎ（ｒ）×ｓｉｎ（β）＝ｓｉｎ（αｍ＋β） ・・・（３）

最大放射半角αｍは、光信号Ｌの強度がピーク値の１／ｅ2になる放射角の半角である。作動距離ＷＤが最大作動距離ＷＤｍよりも短い場合の光信号Ｌの放射半角αは、最大放射半角αｍより小さい。つまり、αｍ≧α＞０の関係である。
光プローブ１０の入射面１００のコア径は２ｒｃである。ここで、クラッド部１１２を含めた光プローブ１０の外径が図２に示すように２ｒｄであると、Ｒ＞２ｒｄの場合に、最大作動距離ＷＤｍは、式（４）で近似される：

ＷＤｍ＝ｒｃ／ｔａｎ（αｍ） ・・・（４）

被検査体２００の検査における作動距離ＷＤの範囲は、ＷＤｍ＞ＷＤ＞０である。
式（３）および式（４）から、光プローブ１０の入射面１００の曲率半径Ｒは、式（５）で表される：

Ｒ＝ＷＤｍ×ｔａｎ（αｍ）／｛ｓｉｎ（β）＋（ｃｏｓ（β）－１）×ｔａｎ（αｍ）｝ ・・・（５）

式（３）から、中心半角βは式（６）で表される：

β＝ｔａｎ-1｛ｓｉｎ（αｍ）／（ｎ（ｒ）－ｃｏｓ（αｍ））｝ ・・・（６）
図３に、光信号Ｌの最大放射半角αｍと、入射面１００の曲率半径Ｒおよび最大作動距離ＷＤｍとの関係を算出した結果を示す。図３において、開口数ＮＡが０．２９、コア半径ｒｃが４４．５μｍの光プローブ１０の曲率半径をＲ１、最大作動距離をＷＤｍ１で示した。また、開口数ＮＡが０．２７５、コア半径ｒｃが３１．２５μｍの光プローブ１０の曲率半径をＲ２、最大作動距離をＷＤｍ２で示した。コア径が大きい光プローブ１０ほど、被検査体２００と光プローブ１０の入射面１００の間の作動距離ＷＤを長くできる。また、コア径が大きいほど、曲率半径Ｒが大きくなる。例えば、光信号Ｌの最大放射半角αｍが１２度の場合、開口数ＮＡが０．２９、コア半径ｒｃが４４．５μｍの光プローブ１０では、曲率半径Ｒを１１５μｍとし、作動距離ＷＤを２００μｍ以下にすればよい。
なお、光プローブ１０をアレイ状に配置した光プローブアレイにより、半導体基板にアレイ状に配置された複数個の被検査体２００を同時に検査することができる。光プローブアレイは、入射面１００を同一方向に向けて複数本の光プローブ１０を配列して構成される。光プローブアレイについて、以下に検討する。
光プローブ１０をアレイ状に実装して光プローブアレイを製造する際に、機械加工や実装での公差によって、Ｚ軸方向、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向にそれぞれ公差δｚ、δｘ、δｙが生じる。以下において、公差δｚ、δｘ、δｙを総称して「公差δ」とも称する。また、ＸＹ平面におけるＸ軸方向の公差δｘとＹ軸方向の公差δｙを公差δｘｙとも称する。ここで、δｘｙ＝（δｘ2＋δｙ2）1/2 である。
図４に示すように、公差δは光信号Ｌの光源の位置の公差として表れる。公差δの影響により、光信号Ｌが入射する入射面１００の位置に偏差Ｓが生じる。このため、作動距離ＷＤは、光プローブアレイの製造時の公差δｘｙおよび公差δｚに対して以下の式（７）の関係を満足する必要がある：

ＷＤｍ＞（ｒｃ－δｘｙ）／ｔａｎ（αｍ）－δｚ≧ＷＤ＞０ ・・・（７）
式（７）の関係を満足しない場合、光信号Ｌの入射面１００での放射範囲が、光プローブ１０のコア径よりも広くなる。その場合、光信号Ｌの入射面１００に入射しない分が伝送損失となり、損失特性の変動要因になる。したがって、光信号Ｌを安定して光プローブ１０で受光するために、作動距離ＷＤは式（８）を満たすように設定される：

（ｒｃ－δｘｙ）／ｔａｎ（αｍ）－δｚ≧ＷＤ ・・・（８）
図５は、公差δｘｙが±１５μｍ、公差δｚが±１５μｍの場合の、最大放射半角αｍと最大作動距離ＷＤｍの関係を示したグラフである。図５に実線で示した最大作動距離ＷＤｍ１は、開口数ＮＡが０．２９、コア径が８９μｍの大口径の光プローブ１０の最大作動距離である。一方、破線で示した最大作動距離ＷＤｍ２は、開口数ＮＡが０．２７５、コア径が６２．５μｍの標準的なコア径の光プローブ１０の最大作動距離である。ここで、「大口径」とは、標準的なコア径である５０μｍや６２．５μｍよりも大きい口径をいう。
各軸方向の公差δと最大放射半角αｍに応じて、光プローブ１０の最大作動距離ＷＤｍを設定できる。例えば、開口数ＮＡが０．２９、コア径が８９μｍの光プローブ１０の場合、光信号Ｌの最大放射半角αｍを１２度とすると、最大作動距離ＷＤｍは１２５μｍである。したがって、光プローブ１０や光プローブアレイの作動距離ＷＤを１２５μｍ以下に設定すればよい。この設定により、ＸＹ平面およびＺ軸方向の公差δが±１５μｍの範囲内で、損失変動が殆ど無い状態で被検査体２００を検査することができる。
図６は、ＸＹ平面の公差δｘｙおよびＺ軸方向の公差δｚと、光信号Ｌの伝送損失の関係を示すグラフである。図６で、作動距離ＷＤでの伝送損失を実線、作動距離ＷＤ－（＋δｚ）での伝送損失を長点線（＋δｚ）、作動距離ＷＤ－（－δｚ）での伝送損失を短点線（－δｚ）で示した。なお、公差δに起因する伝送損失の変動を損失変動ΔＬとして示した。
ここで、伝送損失が所望の範囲である光プローブ１０の条件を、ＸＹ平面の公差δｘｙとＺ軸方向の公差δｚに対して損失変動ΔＬが０．１ｄＢ以下とする。
すなわち、公差δに起因する損失変動ΔＬが０．１ｄＢ以下である光プローブ１０を用いて、光プローブアレイを構成することが好ましい。損失変動ΔＬが０．１ｄＢ以内となる公差δの絶対値の範囲が大きいほど、多くの光プローブ１０をアレイ状に配置して光プローブアレイを構成できる。光プローブ１０の本数が多い光プローブアレイによれば、同時に検査できる被検査体の個数が増加する。これにより、ウェハ状態での被検査体の検査を短時間化できる。
図７（ａ）～図７（ｄ）は、本発明者らが製造した光プローブの形状を示す。図７（ａ）～図７（ｄ）に示した光プローブのそれぞれは、開口数ＮＡが０．２９、コア半径ｒｃが４４．５μｍである。
図７（ａ）は、入射面１００が平面である比較例の光プローブである。図７（ｂ）は、入射面１００の曲率半径Ｒが１１６μｍの光プローブ１０である。図７（ｃ）は、入射面１００の曲率半径Ｒが９３μｍの光プローブ１０である。図７（ｄ）は、入射面１００の曲率半径Ｒが７５μｍの光プローブ１０である。
なお、図７（ａ）に示した比較例の光プローブの入射面１００は、例えば光ファイバを冶具により固定して研磨材とシートを用いた端面研磨処理により、平面にする。また、図７（ｂ）～図７（ｄ）に示した光プローブ１０の入射面１００を曲率半径Ｒにする球状加工は、以下のような種々の方法が可能である。例えば、光ファイバの保護被覆を剥がした端部を高周波放電による局部加熱により整形する方法、ＣＯ2レーザのパルス照射などにより光ファイバの端部を溶融整形する方法、シート及び研磨材を用いて光ファイバの端部を研磨加工する方法などにより、入射面１００の球状加工を実施する。なお、中心軸Ｃ１０の円周方向に対してほぼ対称な形状になるように、入射面１００を整形する。入射面１００の形状が非対称であると、公差δに起因する伝送損失がＸＹ平面で非対称となり、損失変動ΔＬが大きくなるため、好ましくない。
図８は、図７（ｂ）に示した曲率半径Ｒが１１６μｍの光プローブ１０について測定した、最大放射半角αｍが１２度の光信号Ｌを受光した場合の公差δと伝送損失の関係を示すグラフである。図８において、作動距離ＷＤが基準距離である１００μｍでの伝送損失を実線、公差δｚが－５０μｍであり作動距離ＷＤが１５０μｍでの伝送損失を短点線、公差δｚが＋５０μｍであり作動距離ＷＤが５０μｍでの伝送損失を長点線で示した。
図８に示すように、作動距離ＷＤが１００μｍと１５０μｍの損失特性は、公差δｘｙが±１５μｍの範囲で損失変動ΔＬが０．１ｄＢ以下である。公差δｚが±１５μｍの範囲では、伝送損失の変動が、公差δｚが±５０μｍの場合の１／３程度になるため、ΔＬ≦０．１ｄＢの条件が十分に満たされる。
図９は、曲率半径Ｒが１１６μｍの光プローブ１０について、作動距離ＷＤの基準を１００μｍとして公差δｚが生じて作動距離ＷＤが変化した場合の伝送損失と作動距離ＷＤの関係を測定した結果を示すグラフである。作動距離ＷＤが１００±１５μｍの範囲での損失変動ΔＬｚは、±０．０１５ｄＢ程度である。また、曲率半径Ｒが１１６μｍの光プローブ１０の、ＸＹ平面の公差δｘｙが±１５μｍでの損失変動ΔＬｘｙは、図８より、０．０８３ｄＢである。したがって、Ｚ軸方向の公差δｚとＸＹ平面の公差δｘｙに起因する合計の損失変動ΔＬｘｙｚは、ΔＬｘｙ＋ΔＬｚ＝０．０９８ｄＢであり、０．１ｄＢよりも小さい。つまり、曲率半径Ｒが１１６μｍの光プローブ１０は、公差δが±１５μｍの範囲で損失変動ΔＬが０．１ｄＢ以内であり、光プローブアレイに好適に使用される。
図１０は、図７（ａ）～図７（ｄ）に示した光プローブについて、光信号Ｌの最大放射半角αｍが１２度である場合のＸＹ平面の公差δｘｙと伝送損失の関係を測定した結果を示すグラフである。図１０において、図７（ａ）の比較例の光プローブの伝送損失を破線で示した。また、図７（ｂ）の曲率半径Ｒが１１６μｍの光プローブ１０の伝送損失を実線で示し、図７（ｃ）の曲率半径Ｒが９３μｍの光プローブ１０の伝送損失を長点線で示し、図７（ｄ）の曲率半径Ｒが７５μｍの光プローブ１０の伝送損失を短点線で示した。
図１０に示すように、図７（ｂ）の曲率半径Ｒが１１６μｍの光プローブ１０が、ＸＹ平面の公差δｘｙに対して最も平坦な損失特性を示している。そして、曲率半径Ｒが小さくなるにつれて、公差δｘｙに対する損失特性の平坦な領域が狭まる。損失特性の平坦な領域が狭まる主な理由は、曲率半径Ｒが小さくなると、公差δｘｙが大きくなるにつれて光信号Ｌの入射角が大きくなり、入射面１００での光信号Ｌの反射が大きくなり、入射光が少なくなり、伝送損失が増大するためである。このため、図７（ｂ）～図７（ｄ）の光プローブ１０のなかでは、損失特性の点で好ましいのは、曲率半径Ｒが最も大きい１１６μｍの光プローブ１０である。また、曲率半径Ｒが１１６μｍの光プローブ１０では、入射面１００が平面である比較例の光プローブよりも広い範囲の公差δに対して平坦な損失特性が得られている。
以上に説明したように、第１の実施形態に係る光プローブ１０によれば、入射面１００を凸球面にすることにより、入射面１００において、光信号Ｌの進行方向が中心軸Ｃ１０とほぼ平行方向になるように制御される。更に、光プローブ１０の光導波路１１を大口径にすることによって、入射面１００の開口径のサイズや光信号Ｌの入射角度が広がる。これにより、作動距離ＷＤや光信号Ｌが入射面１００に入射してくる角度の変動などにより生じる公差に対する伝送損失の変動が抑制される。更に、伝送損失の変動が抑制されることにより、経時的な測定値の変動も抑制される。
次に、光プローブ１０を用いた検査システムについて説明する。図１１に、入射面１００を同一方向に向けて複数本の光プローブ１０をアレイ状に配置して構成した光プローブアレイを有する検査システムを示す。検査システムは、光プローブ１０を保持する光プローブヘッド２１と、電気プローブ３０を保持する電気プローブヘッド２３を備える。電気プローブ３０として、例えば、カンチレバータイプ、垂直ニードルタイプ、垂直スプリングタイプなどが使用される。図１１に示すように、光プローブ１０と電気プローブ３０のそれぞれは、Ｘ軸方向に沿ってピッチＰｒで等間隔に配置されている。図示を省略するが、光プローブ１０および電気プローブ３０は、Ｘ軸方向と同様にＹ軸方向に沿っても等間隔に配置されている。
光プローブヘッド２１は、図１２に示すように、光プローブアレイ１５を構成する複数本の光プローブ１０を保持する。また、電気プローブヘッド２３は、図１３に示すように、電気プローブアレイ３５を構成する複数本の電気プローブ３０を保持する。
図１１に示す検査システムは、半導体基板３００に形成された複数の被検査体２００の特性検査に使用される。半導体基板３００は、例えばガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板やシリコン（Ｓｉ）基板などである。ステージ２８に搭載された半導体基板３００の主面には、面法線方向からみてピッチＰｄで等間隔に被検査体２００がアレイ状に形成されている。例えば、１の被検査体２００について光プローブ１０と電気プローブ３０が対で配置される。そして、被検査体２００の電気信号端子（図示略）に電気プローブ３０の先端が接触して、被検査体２００に電気信号が印加される。電気信号が印加された被検査体２００から出力される光信号Ｌが、光プローブ１０により受光される。
このように、１の被検査体２００について、光プローブ１０と電気プローブ３０を含む１のプローブユニットが構成されている。プローブユニットは、半導体基板３００に形成された被検査体２００の配置に対応して配置されている。なお、図１１では、１の測定ユニットを構成する光プローブ１０と電気プローブ３０の本数が１本ずつである場合を例示的に示した。しかし、測定ユニットに含まれる光プローブ１０と電気プローブ３０の本数は、被検査体２００の構成や検査内容に応じて任意に設定される。
光プローブヘッド２１は、光プローブ駆動装置２２の制御によってＺ軸方向に移動する。これにより、光プローブ１０の入射面１００と被検査体２００とのＺ軸方向に沿った距離の微調整が可能である。また、電気プローブヘッド２３は、電気プローブ駆動装置２４の制御によってＺ軸方向に移動する。これにより、電気プローブ３０の先端と被検査体２００とのＺ軸方向に沿った距離の微調整が可能である。
光プローブヘッド２１および電気プローブヘッド２３と被検査体２００とのＸ軸方向およびＹ軸方向の位置合わせは、ステージ駆動装置２９によってステージ２８を移動させることにより可能である。更に、ステージ駆動装置２９装置によってＺ軸方向を中心としてステージ２８を回転させることにより、Ｚ軸方向を中心とする回転方向（以下、「Ｚ軸回転方向」という。）について、被検査体２００に対して光プローブ１０と電気プローブ３０の位置を調整できる。
なお、ステージ２８の位置を固定し、光プローブヘッド２１および電気プローブヘッド２３をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各方向に移動させてもよい。すなわち、光プローブ駆動装置２２および電気プローブ駆動装置２４によって、光プローブ１０および電気プローブ３０と被検査体２００との相対的な位置を調整してもよい。
上記のように、図１１に示した検査システムによれば、光プローブ１０および電気プローブ３０と被検査体２００の位置合わせが可能である。なお、光プローブヘッド２１の位置と電気プローブヘッド２３の位置を独立して制御できるように、検査システムを構成してもよい。他に、光プローブヘッド２１および電気プローブヘッド２３を固定とし、ステージ２８をＸ軸Ｙ軸Ｚ軸方向、Ｚ軸回転方向に動かして、光プローブヘッド２１、電気プローブヘッド２３と、被検査体２００とのそれぞれの位置を制御調整する方法も可能である。このように、光プローブ１０および電気プローブ３０と被検査体２００の位置合わせに、様々な調整方法を使用することができる。
図１１に示した検査システムを介して電気信号と光信号が伝搬し、被検査体２００の検査が行われる。すなわち、図示を省略したテスタから出力された電気信号が、電気プローブヘッド２３に配置された接続端子（図示略）を介して、電気プローブ３０に送信される。例えば、被検査体２００が半導体基板に形成されたＶＣＳＥＬである場合は、電気プローブ３０によってＶＣＳＥＬの上面に配置された電気信号端子に電気信号を印加することにより、ＶＣＳＥＬが光信号Ｌを出力する。光信号Ｌは、光プローブ１０により受光される。
光プローブ１０は、光電変換モジュール２５および電気接続端子２６を有する光電変換部２７に接続する。被検査体２００が出力した光信号Ｌは、光プローブ１０と光学的に接続する光電変換モジュール２５に伝搬する。光電変換モジュール２５は、光信号Ｌを電気信号に変換し、変換した電気信号を電気接続端子２６に出力する。電気接続端子２６は図示を省略するテスタと電気的に接続しており、光信号Ｌから光電変換された電気信号が電気接続端子２６からテスタに送信される。
図１１に示した検査システムを用いる被検査体２００の検査は、例えば以下のように実行される。まず、Ｚ軸方向に沿って電気プローブ３０と被検査体２００の相対的な位置を変化させて、被検査体２００の電気信号端子に電気プローブ３０の先端を接続する。そして、電気プローブ３０によって被検査体２００に電気信号を印加することにより、被検査体２００が光信号Ｌを出力する。
次に、光プローブヘッド２１をＺ軸方向に移動させて、所定の作動距離ＷＤになるように光プローブ１０を配置する。そして、光プローブ１０によって受光した光信号Ｌを光電変換モジュール２５により光電変換し、光信号Ｌの光出力をモニタする。このとき、被検査体２００からの光信号Ｌの出力が最大になるように、光プローブ１０の位置を制御する。特に、光プローブアレイ１５の外縁の光プローブ１０が受光する光信号Ｌ、すなわち検査範囲の外縁に位置する被検査体２００からの光信号Ｌの光出力が最大になるように、光プローブヘッド２１の位置を調整する。そして、光信号Ｌの光出力が最大である位置で光プローブ１０を固定する。この状態で、光プローブ１０からの光信号Ｌを測定する。これにより、被検査体２００を検査できる。
光電変換モジュール２５には、光信号Ｌをフォトディテクタなどにより電気信号に変換するタイプや、回折格子型デバイスにより光信号Ｌを分光し、その回折角方向により波長変動を検出するタイプを使用できる。測定用途により、光電変換モジュール２５のタイプを使い分けることができる。また、光電変換モジュール２５の手前から光信号Ｌを分岐して、複数の種類の測定を同時に行うこともできる。光電変換部２７を用いて光プローブ１０の出力を光プローブヘッド２１の近傍で光電変換することにより、検査システムの簡素化、測定時間の高速化、測定値の繰り返し再現性の向上を実現できる。
他の検査方法として、被検査体２００との位置合わせを、電気プローブ３０と光プローブ１０について同時に行ってもよい。光プローブ１０および電気プローブ３０と被検査体２００との位置精度が確保された場合は、電気プローブ３０の先端と光プローブ１０の入射面１００のＺ軸方向の距離は、作動距離ＷＤにほぼ等しい。このため、電気プローブ３０の先端を被検査体２００の電気信号端子に押し付けてオーバードライブを印加するときのＺ軸方向のオーバードライブ量をｑとして、光プローブ１０の入射面１００と被検査体２００との間隔をＷＤ＋ｑに設定する。そして、光プローブ１０と電気プローブ３０を連結固定又は一体化して、各軸方向およびＺ軸回転方向について位置を制御する。オーバードライブ量ｑは、３０μm≧ｑ≧５μmの範囲で設定する。その後、光プローブ１０の先端と電気プローブ３０の先端の光軸方向の位置を作動距離ＷＤに戻すため、電気プローブ３０は光軸方向にオーバードライブ量ｑ撓む。
電気プローブ３０の先端のサイズは小さいが、一般的に被検査体２００の電気信号端子のサイズは１００μｍ程度と大きい。このため、機械加工の公差や、電気プローブヘッド２３に電気プローブ３０を実装する工程で±１０μｍ程度の公差が生じても、電気信号端子と電気プローブ３０の位置合わせは可能である。
一方、光プローブ１０と被検査体２００の位置合わせは、Ｐｄ―Ｐｒ＝δの場合、仮にδ＝０ならば、１箇所で光プローブ１０と被検査体２００の位置合わせができれば、容易である。しかし、機械加工や光プローブ１０を光プローブヘッド２１に実装する工程において、通常、公差δが生じる。
例えば光プローブ１０のＸ軸方向やＹ軸方向に沿って配置された本数をｋ本とすると、被検査体２００の発光部２１０と光プローブ１０の間に、最大でδ×（ｋ－１）の位置公差が生じる。このため、被検査体２００と光プローブ１０との間に生じるＸＹ平面におけるδ×（ｋ－１）の位置公差により損失変動が殆ど生じないように、光プローブ１０を選択する必要がある。したがって、損失変動ΔＬが０．１（ｄＢ）以下である光プローブ１０は、光プローブアレイ１５に好適に使用できる。
なお、作動距離ＷＤは、１００μｍ以上であることが好ましい。これは、作動距離ＷＤが短い場合には、光プローブ１０の位置調整時に光プローブ１０の入射面１００と被検査体２００が接触し、被検査体２００を傷つけたり破壊したりする可能性があるためである。また、作動距離ＷＤが短いと、被検査体２００が、入射面１００での反射戻り光の影響を受けやすくなる。反射戻り光の影響を受けると、光信号Ｌに光ノイズが発生して、測定値にノイズがのったり、測定値が変動し不安定になる。そのため、光プローブヘッド２１の光プローブ１０の固定箇所の形状を、Ｚ軸方向からみてＶ形状、Ｕ形状、もしくは円形状とした。これにより、Ｐｄ―Ｐｒ＝δは±１μｍ以下となり、ｋ＝１２の場合の位置公差の積算値（δ×１２）も±１５μｍ以下となった。
以上に説明したように、図１１に示す検査システムでは、光プローブ１０と電気プローブ３０の位置を同時若しくは別々に制御して、被検査体２００と電気プローブ３０を電気的に接続し、被検査体２００と光プローブ１０を光学的に接続する。光プローブ１０の入射面１００の曲率半径Ｒや中心半角βは、光プローブアレイ１５の製造時に生じる公差δに対して損失変動を抑制するように設定されている。このため、光プローブ１０を使用した検査システムによれば、半導体基板３００に形成された複数個の被検査体２００の検査を同時に且つ正確に行うことができる。
したがって、図１１に示す検査システムによれば、１個ずつ被検査体２００と光プローブの位置合わせをして検査する場合に比べて、被検査体２００の検査時間を大幅に短縮することができる。これにより、例えば、検査時間の制限のために被検査体２００の全数を測定することができない問題も解消される。また、図１１に示す検査システムによれば、安定した光信号Ｌを受光するために被検査体２００ごとに光プローブ１０の位置制御をする必要がなく、少なくとも一列ずつ、若しくは多数列を一体として被検査体２００の位置合わせが可能なため、検査時間を大幅に短縮できる。このため、半導体基板３００に形成された被検査体２００のすべてについて、検査により良否判定ができる。
次に、図１４を参照して、図１１に示した検査システムを用いて被検査体２００から出力される光信号Ｌの放射角２αを検査する方法を、図１５のフローチャートを用いて説明する。
まず、図１５のステップＳ１０において、被検査体２００から図１４に示す第１の作動距離ＷＤ１に光プローブ１０を配置する。第１の作動距離ＷＤ１は、放射角２αの光信号Ｌの全体が入射する作動距離ＷＤである。例えば、第１の作動距離ＷＤ１を、光信号Ｌの放射範囲が入射面１００のコア部１１１の外縁より内側となる最大作動距離ＷＤｍとする。そして、ステップＳ２０において、第１の作動距離ＷＤ１での光信号Ｌの光出力Ｗを測定する。
次いで、ステップＳ３０において、光プローブ１０と被検査体２００との光軸Ｃ２００の延伸方向に沿った相対的な距離を変化させて、入射面１００に入射する光信号Ｌの光強度が光出力Ｗに対して一定の比率となる、第２の作動距離ＷＤ２を検出する。第２の作動距離ＷＤ２は、光出力Ｗを基準として光信号Ｌの放射角を規定する光強度に基づいて設定される。例えば、光信号Ｌがピーク値の１／ｅ2以上の強度で進行する方向の範囲を光信号Ｌの放射範囲とする場合、光信号Ｌの光出力が光出力Ｗの「１－１／ｅ2」倍、つまり光出力Ｗの８６．５％である第２の作動距離ＷＤ２を検出する。図１４に示すようにＺ軸方向に沿って光プローブ１０を移動させたときの、第１の作動距離ＷＤ１と第２の作動距離ＷＤ２との間隔をＨ１とする。この場合、放射半角αは式（９）で表される：

ｔａｎα＝ｒｃ／ＷＤ２ ・・・（９）

このため、ステップＳ４０において、以下の式（１０）を用いて光信号Ｌの放射角２αを算出する：

２α＝２×ｔａｎ-1（ｒｃ／ＷＤ２） ・・・（１０）
更に、光信号Ｌの光出力が光出力Ｗの半分である第３の作動距離ＷＤ３まで、Ｚ軸方向に沿って光プローブ１０を移動させる。第２の作動距離ＷＤ２と第３の作動距離ＷＤ３との間隔をＨ２とする。この場合、光信号Ｌの光出力がピーク値の半分である放射角として半値全角２αｈが、式（１１）で算出される：

２αｈ＝２×ｔａｎ-1（ｒｃ／（ＷＤ２＋Ｈ２）） ・・・（１１）
コア径が８９μｍの光プローブ１０について式（１０）を用いて放射角２αを算出した結果、第１の作動距離ＷＤ１が５０μｍ、間隔Ｈ１が１８４μｍ、第２の作動距離ＷＤ２が２３４μｍであり、２α＝２１．５３度が得られた。また、間隔Ｈ２が４４μｍであり、式（１１）を用いて半値全角２αｈ＝１７．０９度が得られた。一方、ファーフィールドパターン（Far Field Pattern：ＦＦＰ）測定器による検査では、２α＝２１．１９度、２αｈ＝１７．６４度であった。したがって、図１１に示した検査システムを用いた上記の検査方法とＦＦＰ測定器を用いた検査方法で結果がほぼ一致することが確認された。
上記に説明した検査システムを用いた検査方法では、光プローブアレイ１５の位置を光軸Ｃ２００に沿って変化させて光出力をモニタすることにより、ウェハ状態での放射角の検査が可能である。この検査方法によれば、半導体基板３００に形成された複数個の被検査体２００の放射角２αを一括して、短時間で検査することができる。また、被検査体２００の放射角を検査するためにＦＦＰ測定器などの測定装置を別に用意する必要がなく、検査時間や検査コストを抑制することができる。
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る光プローブ１０は、図１６に示すように、光導波路１１が、第１領域１０１と、第１領域１０１よりもコア径が小さい第２領域１０２とを連結した構成である。すなわち、第１領域１０１のコア径２ｒｃが、第２領域１０２のコア径２ｒｃｓよりも大きい。第１領域１０１の一端に入射面１００が形成され、他端が第２領域１０２に連結している。
入射面１００が形成された第１領域１０１は、第１の実施形態で説明した光プローブ１０と同様の構造を有する。すなわち、第１領域１０１は、式（５）および式（６）の関係を満足するように、曲率半径Ｒや中心半角βが設定されている。
図１６に示す光プローブ１０は、第１領域１０１に大口径のＧＩ型光ファイバを用い、第２領域１０２に標準的な口径のＧＩ型光ファイバを用いて構成してもよい。例えば、第１領域１０１にコア径が９０μｍの大口径の光ファイバを用い、第２領域１０２にコア径が６２．５μｍの標準的な口径の光ファイバを用いる。
図１６に示した光プローブ１０は、例えば以下のように製造される。まず、大口径のＧＩ型光ファイバと標準的な口径のＧＩ型光ファイバとの端面同士を融着接続する。そして、大口径のＧＩ型光ファイバを、第１領域１０１の所定の長さにカットする。その後、大口径のＧＩ型光ファイバの端面を曲率半径Ｒになるように加工する。
図１７に、図１６に示した光プローブ１０の端部を示した。被検査体２００からの光信号Ｌは、第１領域１０１の入射面１００から光軸Ｃ２００とほぼ平行に進行した後、第１領域１０１と第２領域１０２の境界の近傍で集束する。その後、光信号Ｌは、第２領域１０２のコア部１１１を進行する。光信号Ｌの集束点ＦＰを第１領域１０１と第２領域１０２の境界の近傍に調整することにより、光信号Ｌは光プローブ１０を低損失で伝搬する。これは、公差δによって光プローブ１０に対する被検査体２００の相対的な位置がずれた場合に、集束点ＦＰが公差δ程度ずれるとしても、ｒｃ＞δであるならば、光信号Ｌの伝送損失を抑制できるためである。図１７では、光信号Ｌの光源の位置がＺ軸方向に距離ＤＬずれたときに、集束点ＦＰの位置の移動がδＬである例を示している。
光信号Ｌの集束点ＦＰを第１領域１０１と第２領域１０２の境界の近傍に調整するために、入射面１００から第１領域１０１と第２領域１０２の境界までのＺ軸方向に沿った長さＦＬは、以下の式（１２）を満たすように設定される：

ＦＬ＝２πＰ／Ａ1/2＋（ＷＤｍ－ＷＤ）／ｎ０ ・・・（１２）

式（１２）で、Ｐはコア部１１１を進行する光信号Ｌの周期に対する比率を示す係数（０≦Ｐ≦１）であり、Ｐ＝１が１周期に相当し、Ｐ＝０．５が１／２周期に相当する。
例えば、屈折率分布定数Ａ1/2が０．００４３６の大口径のＧＩ型光ファイバを第１領域１０１に用い、係数Ｐが０．２５（１／４周期）、作動距離ＷＤが１００μｍの場合、最大作動距離ＷＤｍが２０９μｍ、屈折率ｎ０が１．４８８の光プローブ１０では、ＦＬ＝４３４μｍである。光信号Ｌの集束点ＦＰを第１領域１０１と第２領域１０２の境界の近傍になるように長さＦＬを設定することにより、光信号Ｌの伝送損失を抑制して光プローブ１０を他の光回路用部品と接続することができる。
以上に説明したように、第２の実施形態に係る光プローブ１０は、コア径の異なる第１領域１０１と第２領域１０２を連結した構成である。入射面１００を形成した大口径の第１領域１０１に標準的なコア径の第２領域１０２を連結することにより、第２領域１０２の端部を標準的なコア径の光ファイバを用いた光回路用部品、カプラー、光スイッチなどに接続して、低損失な多入力光回路を実現できる。他は、第１の実施形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
（その他の実施形態）
上記のように本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
例えば、上記では光導波路１１が屈折率分布型の光プローブ１０について説明したが、光導波路１１がステップインデックス型であってもよい。また、光プローブ１０の光導波路１１を光ファイバ以外で構成して入射面１００を凸球面にしてもよい。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態などを含むことはもちろんである。
１０…光プローブ
１１…光導波路
１５…光プローブアレイ
２１…光プローブヘッド
２２…光プローブ駆動装置
２３…電気プローブヘッド
２４…電気プローブ駆動装置
３０…電気プローブ
３５…電気プローブアレイ
１００…入射面
１１１…コア部
１１２…クラッド部
２００…被検査体
２１０…発光部
３００…半導体基板

Claims (9)

  1. 被検査体から出力される光信号を受光する光プローブであって、
    コア部および前記コア部の外周に配置されたクラッド部により構成される光導波路を有し、
    前記光信号が入射する前記光導波路の入射面がほぼ一定の曲率半径の凸球面であり、
    前記光導波路の前記入射面に接続する領域において、
    前記被検査体と前記入射面との間で取り得る最大の作動距離ＷＤである最大作動距離ＷＤｍ、前記最大作動距離ＷＤｍでの前記光信号の光軸と前記光信号の放射範囲の最外縁の進行方向とのなす最大放射半角αｍ、および前記光信号の入射点における前記コア部の屈折率ｎを用いて、前記入射面の曲率半径Ｒと前記入射点における中心半角βが、
    Ｒ＝ＷＤｍ×ｔａｎ（αｍ）／｛ｓｉｎ（β）＋（ｃｏｓ（β）－１）×ｔａｎ（αｍ）｝
    β＝ｔａｎ -1 ｛ｓｉｎ（αｍ）／（ｎ－ｃｏｓ（αｍ））｝
    の関係をほぼ満たすことを特徴とする光プローブ。
  2. 前記光導波路が、前記入射面に接続する第１領域と、前記第１領域よりも前記コア部の径が小さい第２領域とを連結した構成であることを特徴とする請求項１に記載の光プローブ。
  3. 前記入射面から前記第１領域と前記第２領域の境界までの長さＦＬが、前記コア部を進行する前記光信号の周期に対する比率を示す係数Ｐ（０≦Ｐ≦１）、前記コア部の屈折率分布定数Ａ1/2、および前記コア部の中心軸の屈折率ｎ０を用いて、
    ＦＬ＝２πＰ／Ａ1/2＋（ＷＤｍ－ＷＤ）／ｎ０
    の関係をほぼ満たすことを特徴とする請求項２に記載の光プローブ。
  4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光プローブを有する光プローブアレイであって、
    それぞれの前記入射面を同一方向に向けて複数本の前記光プローブをアレイ状に配置して構成され、
    前記コア部のコア半径ｒｃ、前記最大放射半角αｍ、前記コア部の中心軸の延伸方向の公差δｚ、および前記コア部の中心軸に垂直な平面の公差δｘｙを用いて、前記光プローブそれぞれの前記作動距離ＷＤが
    （ｒｃ－δｘｙ）／ｔａｎ（αｍ）－δｚ≧ＷＤ
    の関係を満たすことを特徴とする光プローブアレイ。
  5. 被検査体から出力される光信号を検査する検査システムであって、
    請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光プローブを保持する光プローブヘッドと、
    前記光プローブヘッドの位置を制御する光プローブ駆動装置と、
    前記入射面と同一方向に先端を向けて電気プローブを保持する電気プローブヘッドと、
    前記電気プローブヘッドの位置を制御する電気プローブ駆動装置と
    を備え、１の前記被検査体について前記光プローブと前記電気プローブを含む１のプローブユニットを構成することを特徴とする検査システム。
  6. 前記光プローブヘッドの位置と前記電気プローブヘッドの位置を独立して制御することを特徴とする請求項５に記載の検査システム。
  7. 前記電気プローブと半導体基板に形成された前記被検査体の電気接続端子との位置を合わせて、前記光プローブヘッドと前記電気プローブヘッドを連結固定又は一体化して構成し、前記半導体基板を搭載したステージの位置を制御することを特徴とする請求項５に記載の検査システム。
  8. 被検査体から出力される光信号を請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光プローブによって受光する検査方法であって、
    前記光信号の全体が前記光プローブに入射するように前記被検査体から第１の作動距離に前記光プローブを配置し、前記光信号の光出力を測定するステップと、
    前記光プローブと前記被検査体との前記光信号の光軸の延伸方向に沿った相対的な距離を変化させることにより、前記光信号の光出力が、前記第１の作動距離での光出力に対して一定の比率となる第２の作動距離を検出するステップと、
    前記光プローブのコア部のコア半径ｒｃおよび前記第２の作動距離ＷＤ２を用いて、前記光信号の放射角２αを、
    ２α＝２×ｔａｎ-1（ｒｃ／ＷＤ２）
    の式を用いて算出するステップと
    を含むことを特徴とする検査方法。
  9. 前記第１の作動距離が、前記光信号の放射範囲が前記コア部の外縁より内側となる最大の作動距離であり、
    前記第２の作動距離における前記光信号の光出力が、前記第１の作動距離における前記光信号の光出力の「１－１／ｅ2」倍である
    ことを特徴とする請求項８に記載の検査方法。
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