隨著高速數(shù)據(jù)處理和低延遲通信需求的持續(xù)增長，硅光子技術(shù)（SiPh）已成為從5G、數(shù)據(jù)中心到量子計(jì)算和激光雷達(dá)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)性技術(shù)。然而，硅光子器件制造中長期存在的瓶頸在于缺乏可擴(kuò)展、可重復(fù)的晶圓級邊緣耦合解決方案——直到現(xiàn)在。
在FormFactor，工程師與IHP Microelectronics合作，開發(fā)出業(yè)界首款專為硅光子集成電路（PIC）設(shè)計(jì)的全自動(dòng)晶圓級邊緣耦合測量系統(tǒng)。這一突破重新定義了晶圓測試標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了更快的自動(dòng)化速度、更高的耦合效率以及更穩(wěn)定的測量一致性。
晶圓測試中邊緣耦合為何至關(guān)重要
傳統(tǒng)晶圓級光學(xué)測試通常采用光柵耦合器。雖然結(jié)構(gòu)簡單，但存在帶寬限制和偏振依賴性等缺陷，限制了其在先進(jìn)應(yīng)用中的實(shí)用性。相比之下，邊緣耦合具有帶寬更寬、損耗更低、偏振問題極少的優(yōu)勢，成為高性能光子器件的理想選擇。然而，晶圓級邊緣耦合長期受限于機(jī)械結(jié)構(gòu)挑戰(zhàn)、對準(zhǔn)困難以及探針易損等問題。
這正是FormFactor創(chuàng)新技術(shù)的突破所在。
我們系統(tǒng)的核心是Pharos透鏡——這是一種采用雙光子光刻技術(shù)制造的微光學(xué)探針，可實(shí)現(xiàn)納米級分辨率。其潛望鏡結(jié)構(gòu)將垂直光路轉(zhuǎn)換為水平光束路徑，從而實(shí)現(xiàn)與硅波導(dǎo)的高效面內(nèi)耦合。在200毫米晶圓上的測試表明，該探針可實(shí)現(xiàn)低至1.51 dB/端面的耦合損耗，性能優(yōu)于切割光纖陣列，并能在一系列工作距離內(nèi)保持高效率。
Pharos透鏡的關(guān)鍵特性包括：
??可定制的模場直徑（MFD），實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的波導(dǎo)匹配
??兼容溝槽采用不影響背景的基準(zhǔn)標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)精密機(jī)器視覺對準(zhǔn)和V型槽兩種晶圓結(jié)構(gòu)
??采用不影響背景的基準(zhǔn)標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)精密機(jī)器視覺對準(zhǔn)
該先進(jìn)測量解決方案基于FormFactor CM300xi探針臺(tái)構(gòu)建，集成以下系統(tǒng)：
??eVue顯微鏡系統(tǒng)：提供亞微米級分辨率成像
??Vuetrack控制算法：實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償與漂移校正
??自適應(yīng)光學(xué)與梯度搜索算法：將每個(gè)芯片的對準(zhǔn)優(yōu)化與測試時(shí)間縮短至5秒以內(nèi)
最終成效如何？即使在長時(shí)間測試中，也能保持小于0.2 dB的測量重復(fù)性誤差和0.01 dB以內(nèi)的穩(wěn)定性。
邊緣耦合 vs 光柵耦合：對比測試結(jié)果
采用IHP 0.25μm光子BiCMOS工藝制造的光電二極管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大規(guī)模晶圓級測試。邊緣耦合與光柵耦合的對比顯示二者光電二極管響應(yīng)度基本一致：
??邊緣耦合：0.75 A/W
??光柵耦合：0.79 A/W
這些結(jié)果表明，自動(dòng)化邊緣耦合性能與傳統(tǒng)垂直耦合方法相當(dāng)甚至更優(yōu)，并具備直接適配實(shí)際封裝的優(yōu)勢。
該系統(tǒng)對推動(dòng)未來發(fā)展的器件測試具有革命性意義，包括5G收發(fā)器、量子光子學(xué)、AI加速器和自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)等應(yīng)用。
通過實(shí)現(xiàn)邊緣耦合器件的高通量生產(chǎn)級測試，該方案顯著縮短光子制造全周期的量產(chǎn)時(shí)間并降低測試成本。