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Vollautomatisiertes Testen von Silizium Photonik auf Waferebene

Die Integration photonischer Strukturen oder Elemente (beispielsweise Wellenleiter, Laser- und Photodioden, Multiplexer) auf einem Siliziumchip stellt eine Vielzahl neuer Herausforderungen an die Prüftechnik für diese Elemente bereits auf Waferebene. Um ein Strukturdesign vom Konzept über die Qualifizierung bis zur Serienreife zu übertragen, ist eine große Menge an Leistungsdaten der jeweiligen Elemente erforderlich.

Mit Blick auf die hohen Prozesskosten bis zur finale Konfektionierung eines Siliziumphotonik-Chips, müssen zudem fehlerhafte Chips frühzeitig identifiziert werden, um sie aus dem weiteren Fertigungsprozess zu entfernen.

Für eine effektive und effiziente Umsetzung dieser Aufgaben hat das Unternehmen FormFactor vollautomatisierte SiPh-Waferprober entwickelt. Viele der darin genutzten Prozessschritte sind etablierte Standards der Halbleiterindustrie. Für die Überprüfung der photonischen Strukturen auf ihre Funktionalität und Qualität ist jedoch ein Test der optischen Eigenschaften nötig. Dafür müssen signalführende Glasfasern hochpräzise zu dem zu prüfenden photonischen Element ausgerichtet werden. Dies muss mit sechs Freiheitsgraden (sowohl für Verschiebungen als auch für Rotationen) erfolgen, denn nur bei optimaler optischer Leistungskopplung liefern die Tests aussagekräftige Informationen. In den SiPh Waferprobern von FormFactor übernehmen die Fast Multi-Channel Photonics Alignment-Systeme (FMPA) von PI diese zentrale Aufgabe.

Anspruchsvoller Ausrichtungsprozess

An den Ausrichtungsprozess werden eine Reihe höchst anspruchsvoller Anforderungen gestellt. Dies sind vor allem:

 

  • optimaler Abstand von Sonde (Glasfaser) zu photonischer Struktur um Signalverluste so klein wie möglich zu halten und die Einsatzbedingungen ideal zu simulieren
  • Ausrichtung in allen sechs Freiheitsgraden um die optische Achse der zu prüfenden Struktur mit der Testfaser bestmöglich übereinander zu legen
  • Positionsoptimierung innerhalb kürzester Zeit
  • unbedingtes Vermeiden eines direkten physischen Kontakts von Sonde zu Wafer

 

Die genannten Anforderungen verfolgen dabei zunächst das Ziel, hochflexibel auf unterschiedliche Chipdesigns reagieren zu können. So erfordern Kantenemitter beispielsweise eine horizontale Ausrichtung während Gitterkoppler auf Waferebene eine vertikale Ausrichtung der Testfaser erfordern. Mittels der Ausrichtung auf Kantenemitter wird zudem auch die Prüfung auf Die-Level möglich.

Fotos: Courtesy FormFactor

Ein weiteres vordringliches Ziel für die wirtschaftliche Serienfertigung von SiPh-Bauteilen ist die hohe Geschwindigkeit der Ausrichtprozesse. Auf einem Wafer befinden sich mitunter tausende von photonischen Strukturen. Je schneller die Ausrichtung der signalführenden Glasfasern erfolgt, umso schneller und damit wirtschaftlicher kann der eigentliche Test erfolgen. Die FMPA Systeme von PI positionieren Glasfaser und photonische Strukturen im Silizium Photonik Waferprober von FormFactor in Bruchteilen einer Sekunde. Dies ermöglicht die Testung eines Wafers in Stunden oder wenigen Tagen anstatt Wochen oder gar Monaten, wie dies mit herkömmlichen Testmethoden dauern würde.

Trotz der gebotenen Geschwindigkeit und Präzision ist die Vermeidung eines direkten Kontakts von Sonde und Wafer zwingend erforderlich. Hinter dieser Forderung steht das Ziel eine direkte Beschädigung von Chipstrukturen sowie die Entstehung von Partikeln zu vermeiden. Auch hier sind Sensortechnologien von PI im Einsatz.

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