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利用晶圆级测试站开发硅光子技术
发布时间:2020-04-10   浏览:

imec的Jeroen De Coster,Erik Jan Marinissen和Joris Van Campenhout;和FormFactor,Inc. Bryan C. Bolt。

在过去的几十年中,逻辑芯片的计算能力和存储芯片的存储容量呈指数级增长。结果,对输入/输出(I / O)带宽的需求遵循了类似的趋势,现在在芯片级需要每秒TB的I / O聚合带宽。硅(Si)光子学是提供如此大的I / O带宽的有前途的技术,特别是对于需要长距离互连的应用。利用硅技术,可以制造高性能光收发器,将无源组件(例如波导和光学滤波器)和有源器件(例如光电二极管和调制器)组合在一个硅晶片上。

光学互连的经济可行性在很大程度上取决于光学收发器的成本。Si光子学的使用提供了一条减少光子学组件制造成本的途径,因为可以利用现有的CMOS基础设施和处理技术。然而,像所有微电子产品一样,光收发器需要进行制造缺陷测试,然后才能以可接受的质量水平将其发送给客户。

测试集成式Si光子电路的有源和无源组件会极大地降低光学链路的成本。通常,已经在晶圆级执行了制造测试,以防止已知不良设备的封装成本,因为封装也很昂贵。对于处于技术开发阶段的Si光子学,这些测试已通过手动测试站进行。但是,由于光学I / O设备的数量正在增加,因此需要(半)自动化晶圆级测试站来加快光学链路的开发和生产。

为了说明对此类(半)自动测试站的需求,我们以imec的Si光子平台为例。它针对电信和数据通信行业,将各种无源和有源组件共同集成。除了开发特定的过程模块外,imec还建立了具有标准组件的库。但是,要确保可预测,稳定,可靠且具有成本效益的库组件,就需要高效,自动化的晶圆级测试功能,这些功能必须向过程工程师以及光学组件和电路设计人员提供有关设备性能的准确,快速的反馈。

灵活的测试设置

Imec和FormFactor开发了一个光子学测试站,可以半自动地在晶片级(200 mm和300 mm晶片)上表征无源和有源Si光子器件。在半自动测试站中,手动装载单个晶圆,然后探测器自动越过晶圆。

该系统是围绕尺寸规格的Cascade PA300半自动内置ø300毫米探针台,配备有RF探针操纵器和两个机动化纤维操纵器。这些光纤操纵器可以测量光子电路中光口和电口的任意组合。对于无源设备(例如光纤光栅耦合器,波导和滤波器),可以测量光传输光谱。对于有源设备(例如光电二极管和调制器),可以测量电参数(在DC和RF频率下)和电光学参数。

图1-安装在FormFactor的Cascade PA300半自动探针台的压板上的两个电动光纤操纵器的示意图。

开发光子晶圆探针台的挑战

晶圆级光子学测试硬件的开发对于测试设备制造商来说是一个新兴的应用程序,并且面临着一系列挑战。

首先,在晶片级的光学测试需要一种用于将来自例如单模光纤的光有效地耦合到晶片上的光学电路中的方法。众所周知的方法是使用光纤光栅耦合器,该耦合器允许晶片上的波导和单模光纤之间进行面外光学耦合。为了使耦合可变性最小化,在每次测量之前,都需要将光纤与光纤光栅耦合器进行精确而稳固的对准步骤。其次,在测试过程中固定晶片的卡盘的形貌很重要,因为任何非平面性都会影响测量结果。

最后,应对不希望有的波动并从晶圆到晶圆(或批次到批次)获得高质量,一致的数据集是一个主要问题。数据很容易受到入射光的偏振变化(由光纤的运动引起)或光纤连接器处插入损耗(或信号功率)变化的影响。因此,监视并确保测量结果的短期可重复性和长期可重复性是一项关键要求。

将光耦合到光路

该团队利用单模光纤和光纤光栅耦合器将来自光纤尾纤的光耦合到晶片上的电路中。单模光纤几乎垂直于晶片表面,位于晶片上的光纤光栅耦合器上方。这样,光被收集并被引导到晶片上的波导中。但是,光纤相对于光纤光栅耦合器的任何未对准都会在光学测量期间引起额外的插入损耗。因此,已经开发了自动光纤对准程序以实现精确对准。该例程基于在光纤沿着预定轨迹的扫描运动期间找到最佳的传输光功率。所提出的光纤对准程序可实现小于0的稳定光纤对准。光纤到晶圆的光插入损耗的变化为07 dB(+/- 3s)。应该在每次测量之前应用此对齐步骤。

图2是位于光纤光栅耦合器上方的单模光纤的示意图。光纤与垂直方向成10度角。光入射到晶片上10微米宽的波导中。

晶圆卡盘形貌的影响

该团队还评估了卡盘形貌对光学测量的影响。例如,晶片卡盘中的任何非平面性(例如,卡盘的边缘与中心之间的不同“高度”)都会影响到晶片的光纤尖端距离。这会导致额外的光纤到晶圆的插入损耗。在一系列实验中,我们观察到参考光栅耦合器设计的光纤到晶圆插入损耗随光纤尖端距离变化约0.05 dB / µm。

因此,在使用测量设置之前,应仔细评估卡盘的形貌。或者,可以包括传感器以测量晶片上方的纤维尖端高度。实施了基于软件的卡盘形貌补偿,以减少插入损耗的晶圆内扩散。

校准和测量配方

开始测量之前,需要进行光学校准步骤。在此步骤中,在可调谐激光源的整个波长范围内,表征设备中所有组件(例如,分光器,偏振控制器和光纤连接器)的光损耗。然后,所记录的“损耗谱”将用作所有后续晶圆级测量数据的参考。校准步骤还包括测量尾纤尖端的光功率。这些劈开的纤维可能在尖端处被污染,从而影响光束轮廓或尖端的光功率。

最后,在晶片装载,光学校准和光纤对准之后,可以执行测试程序。对于每种产品,此测试程序都不同,具体取决于其设计中集成的光子组件。为了方便测试,imec开发了测试例程库,包括损耗测量,检测器测量,调制器测量和散射(S)参数测量。

图3-基线光学和光电测量程序。

验证测量结果的可重复性

为了确保不同数据集之间的一致性,该团队积极监测了测量数据的短期可重复性和长期可重复性。为此,我们使用了专用的参考晶圆。在该晶片上,选择了14个管芯,每个管芯包含两个不同的光纤光栅耦合器(用于入射光的横向电极化和横向磁极化)和一个光电探测器。观察到这14个管芯可以给出整个晶圆的统计有效表示。它们均匀地分布在整个晶片上,是中心和边缘管芯的混合体。然后以规则的时间间隔测量这些模具的参数(即,光纤到晶圆的插入损耗和检测器的响应度)。重复性/再现性定义为给定模具的这些数据点的标准偏差。

在五个月的时间内,插入损耗的重现性好于0.8 dB(±3s),光检测器响应度的重现性为0.09 A / W。对测量数据的分析揭示了三个主要的可变性来源:(1)电子偏振控制器设置的漂移;(2)由于断开和重新连接光纤而造成的光学设置损失;(3)污染甚至损坏到-辫子。这些结果强调了执行定期校准和必要时采取纠正措施的重要性。

图4-用于确定测量结果可重复性的典型图表。在14个芯片位置上,在五个月的时间内测量了给定晶片的光纤光栅耦合效率和光电探测器的响应度。

从半自动光学测试仪到全自动配置

前述的电/光测试系统已安装在imec的光学测试实验室中,并且通常用于Si光子组件的晶圆级测试。该测试站围绕FormFactor的Cascade PA300半自动ø300mm探针站建造,并使用了imec开发的电子/光学设备设置以及定位和对准解决方案。

图5 —半自动Si光子测试站的照片。

展望未来,imec选择了FormFactor的Cascade CM300xi作为其用于Si光子学开发和制造的下一代探测平台。这个新的晶圆探测台包括自动光纤定位和基于压电的光学对准解决方案,以及自动晶圆装载器,可实现全自动配置。

加快测量时间的另一条途径是使用光纤阵列而不是单光纤。这些光纤阵列可以视为电探针卡的光学等效物,能够并行地测量和测试多个光学设备。

Imec正在探索使用包含多达16根光纤的Si V形槽组件。但是,具有光纤阵列的设备的光学校准相对复杂,并且需要专用的校准程序来补偿光学测量系统中的各种误差源(例如,来自光纤阵列本身的可变性,可能的功率分配器开启或关闭)片外或不同的功率计通道)。

关于作者

Jeroen De Coster拥有鲁汶大学(2001)的电力工程硕士学位(2001)和电气工程博士学位(2006)。De Coster的博士工作集中于RF-MEMS器件的设计,建模和表征。自2006年以来,他就职于鲁汶的imec,在那里他开发用于功能表征的测量工具和程序,以及MEMS,硅光子学和存储设备的良率和可靠性测试。

Erik Jan Marinissen是imec的首席科学家,负责研究和测试设计。此外,他还是荷兰埃因霍温科技大学的客座研究员。在此之前,他曾在埃因霍温的恩智浦半导体和飞利浦研究实验室工作。Marinissen拥有埃因霍温科技大学的计算机科学硕士学位(1990)和软件技术的PDEng学位(1992)。他是280多种期刊和会议论文的(共同)作者,并且是15个已获得US / EP专利家族的(共同)发明人。Marinissen是IEEE院士,计算机学会的金核心会员。

Joris Van Campenhout是imec的光学I / O行业关联研发计划主任,该计划的目标是开发基于硅光子学的可扩展且工业上可行的短距离光学互连技术。在2010年加入imec之前,他是IBM TJ Watson研究中心(美国)的博士后研究员。他于2007年在比利时根特大学获得电气工程博士学位,其工作是在硅光子波导电路上电驱动III-V微型磁盘激光器的混合集成。Joris拥有7项专利,并在硅集成光子学领域撰写或合着了100多篇论文。

Bryan C. Bolt是FormFactor,Inc.的系统事业部工程总监。自1988年以来,他在光学和半导体资本设备领域工作,担任过各种工程和技术管理职务,其公司包括Etec Systems,Applied Materials,ESI和Novellus系统。Bryan拥有北卡罗来纳大学夏洛特分校的电气工程博士学位,是俄勒冈州的持牌专业机械工程师(PE)。

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