Тестирование фотонных чипов: как добиться точности на уровне пластины
Современные оптические чипы на основе кремниевой фотоники играют ключевую роль в повышении энергоэффективности дата-центров. В этом материале представлен перевод статьи (FormFactor Inc., FormFactor Test Setup Optimization and Automation for Accurate Silicon Photonics Wafer Acceptance Production Tests), в которой рассматриваются практические подходы к точному и воспроизводимому производственному тестированию фотонных устройств на уровне пластины. Описаны методы настройки угла наклона волокна, сопоставление измерений при вертикальном (через дифракционные решётки) и торцевом вводе излучения, унификация компоновки тестовой среды и архитектура автоматизации испытаний.
Внедрение энергоэффективных оптических модулей-приёмопередатчиков на основе кремниевой фотоники (SiPh) и 3D-ИС способствует снижению потребления энергии в гипермасштабных центрах обработки данных. Для эффективной гетерогенной интеграции фотонных интегральных схем необходимы методы высокоточного отбора заведомо исправных кристаллов (Known Good Die, KGD) на уровне пластин. В статье продемонстрированы оптимизация угла наклона волокна при оптических испытаниях пластин, а также оценка полностью автоматизированной архитектуры тестирования пластин SiPh, обеспечивающей высокую точность и надёжность. Это позволило достичь отличной корреляции результатов испытаний пассивных и активных устройств, оснащённых вертикальным вводом через дифракционные решётки и торцевым вводом.
Введение
Центры обработки данных и сети связи по всему миру в настоящее время потребляют около 8% от всей вырабатываемой энергии. Чтобы удовлетворить растущий спрос на облачное хранение данных, вычисления и различные новые приложения (например, искусственный интеллект, исследования генома, видеокодирование), по всему миру ускоренными темпами создаются гипермасштабные центры обработки данных, и аналитики прогнозируют, что к 2030 году они будут потреблять до 20% всей вырабатываемой электроэнергии.
Рис. 1. Прогноз энергопотребления сферы инфокоммуникационных технологий [1].
Оптическая связь на основе волоконно-оптических линий и использование технологий кремниевой фотоники (SiPh) при разработке оптических приёмопередатчиков представляют собой очень перспективный вариант, значительно сокращающий потребление энергии, стоимость и габариты таких модулей. Отработанные CMOS-технологии и современные методы упаковки 3D-ИС ‒проверенное решение для серийного производства SiPh-приёмопередатчиков. Для эффективной гетерогенной интеграции и упаковки таких приёмопередатчиков необходимо провести тестирование каждого функционального чипа (например, логики, фотоники или лазера) до укладки в стек и упаковки.
Рис. 2. Схемы фотонных тестовых установок: (a) торцевое сопряжение (конечное изделие) и (b) вертикальный ввод через дифракционную решётку (тестирование на уровне пластины) [2].
В данной работе рассматриваются ключевые задачи при тестировании пластин SiPh, включая оптимизацию измерительной установки, сопоставление результатов испытаний на уровне пластины и готового изделия, правила компоновки, стандартизацию контактных площадок и автоматизацию тестирования с учётом требований к высокой пропускной способности.
Оптимизация тестовой установки — высота волокна и угол наклона
Методы торцевого и вертикального ввода излучения, показанные на рисунке 2, обеспечивают подачу лазерного излучения в фотонные устройства и вывод его из них для испытаний готовых изделий и на уровне пластины соответственно. В тестах на уровне пластины, где применяется вертикальный ввод через дифракционные решётки, благодаря гибкости их размещения оптимизация тестовой установки имеет решающее значение для обеспечения точности и воспроизводимости оптических и электрических измерений. В работе рассматриваются два важных аспекта – высота волокна и угол наклона волокна, показанные на рисунке 3, на котором изображено одномодовое волокно и датчик смещения по оси Z, установленные на держателе волокна. Датчик смещения по оси Z отслеживает положение волокна и обеспечивает его удержание на требуемой высоте над поверхностью пластины, кроме того, он необходим для предотвращения повреждения пластины и волокна при малых рабочих расстояниях. Держатель волокна закреплён на шестиосевом пьезопозиционере, что обеспечивает сверхбыструю юстировку волокна относительно сопряжения через дифракционную решётку посредством оптической или электрической обратной связи от устройства в реальном времени.
Рис. 3. Шестиосевой пьезопозиционер, вид сбоку, с держателем волокна, оснащённым одномодовым волокном и датчиком смещения по оси Z. [Sia C. B., Yap T. L., Sasidharan A., Tan J. H., Chen R., Leo J., Tan S. L., Man G. C. «Test Setup Optimization and Automation for Accurate Silicon Photonics Wafer Acceptance Production Tests» // IEEE International Conference on Microelectronic Test Structures, 2020].
A. Высота волокна
Для тестирования использовался оптический волновод с двумя дифракционными решётками вертикального ввода в качестве тестовой структуры. Изучалось влияние высоты расположения волокна на результаты измерений. Сначала волокно перемещали на заданную высоту, затем сканировали и выравнивали его для достижения оптимального сопряжения перед проведением измерений. Эти шаги (установка высоты волокна, сканирование и выравнивание для наилучшего сопряжения) необходимо выполнять при каждой новой высоте волокна до проведения измерений. На рисунке 4 показано, что изменение высоты волокна с 15 до 40 мкм перед оптическими испытаниями пластин оказывает очень малое влияние на измеренную оптическую мощность, передаваемую от входного сопряжения через дифракционную решётку к выходному сопряжению.
Рис. 4. Зависимость оптической мощности (дБм) от длины волны (нм) для тестовой структуры оптического волновода, измеренная при различных высотах волокна (мкм) [Sia C. B., Yap T. L., Sasidharan A., Tan J. H., Chen R., Leo J., Tan S. L., Man G. C. «Test Setup Optimization and Automation for Accurate Silicon Photonics Wafer Acceptance Production Tests» // IEEE International Conference on Microelectronic Test Structures, 2020].
B. Угол наклона волокна
С другой стороны, влияние угла наклона волокна демонстрирует совершенно иную картину, как показано на рисунке 5. Хотя вертикальное сопряжение и держатель волокна рассчитаны на угол наклона 8° (θY), при изменении θY от 7° до 9° с шагом 0,5° с помощью шестиосевого позиционера оптимальным оказывается угол падения (incident angle) 9°, при котором вносимые потери (insertion loss) для длины волны 1550 нм минимальны. Исходя из результатов этого раздела, инженерам по фотонным измерениям настоятельно рекомендуется обязательно подобрать и оптимизировать наилучший угол наклона волокна для их систем сопряжения через дифракционные решётки перед проведением любых измерений фотонных устройств на уровне пластины.
Рис. 5. Зависимость оптической мощности (дБм) от длины волны (нм) для той же тестовой структуры волновода, измеренная при разных углах наклона волокна [Sia C. B., Yap T. L., Sasidharan A., Tan J. H., Chen R., Leo J., Tan S. L., Man G. C. «Test Setup Optimization and Automation for Accurate Silicon Photonics Wafer Acceptance Production Tests» // IEEE International Conference on Microelectronic Test Structures, 2020].
Корреляция результатов тестирования фотонных устройств при использовании разных методов оптического сопряжения
Для обеспечения точности тестирования фотонных кристаллов KGD на уровне пластины, необходимого для гетерогенной интеграции 3DИС, требуется обеспечить согласованность результатов между измерениями.
Измерения выполняются с использованием вертикального ввода через дифракционные решётки (на уровне пластины), и измерениями с торцевым вводом (на уровне готового изделия). На рисунке 6 приведено сравнение измеренной оптической мощности в волноводах с обоими типами ввода излучения для пяти различных пластин. Разница между результатами двух методов составляет примерно 6 дБ вносимых потерь.
Для более точной оценки потерь каждого из типов сопряжения использовался метод cut-back (рис. 7), при котором анализируются волноводы разной длины и выполняется экстраполяция значения мощности к нулевой длине (L=0). Это позволяет выделить потери именно на входе/выходе (сопряжении). После вычитания этих потерь и нормирования затухания на единицу длины волновода (делением на его длину), полученные значения оказываются хорошо сопоставимы для всех пяти пластин, как показано на рисунке 8.
Данный подход также был применён к оптическому модулятору, что иллюстрируется на рисунке 9. Сравнение полос пропускания по уровню -3 дБ для модуляторов с вертикальным (дифракционным) и торцевым вводом показало высокую степень согласованности: разброс составил не более 2,5 ГГц по более чем 20 кристаллам.
Рис. 6. Сравнение измеряемой оптической мощности в волноводах при использовании торцевого сопряжения (тест конечного изделия) и сопряжения через дифракционную решётку (тест на уровне пластины) [Sia C. B., Yap T. L., Sasidharan A., Tan J. H., Chen R., Leo J., Tan S. L., Man G. C. «Test Setup Optimization and Automation for Accurate Silicon Photonics Wafer Acceptance Production Tests» // IEEE International Conference on Microelectronic Test Structures, 2020].
Рис. 7. Определение потерь вертикального ввода методом cut-back, путем экстраполяции графиков оптической мощности (дБм) в зависимости от длины (см) для тестовых структур волноводов до длины 0 см [Sia C. B., Yap T. L., Sasidharan A., Tan J. H., Chen R., Leo J., Tan S. L., Man G. C. «Test Setup Optimization and Automation for Accurate Silicon Photonics Wafer Acceptance Production Tests» // IEEE International Conference on Microelectronic Test Structures, 2020].
Рис. 8. Нормированный на единицу длины коэффициент затухания оптических волноводов, измеренных с использованием торцевого сопряжения и сопряжения через дифракционную решётку, рассчитанный с вычетом соответствующих потерь сопряжения по методу «cut-back», описанному на рис. 7 [Sia C. B., Yap T. L., Sasidharan A., Tan J. H., Chen R., Leo J., Tan S. L., Man G. C. «Test Setup Optimization and Automation for Accurate Silicon Photonics Wafer Acceptance Production Tests» // IEEE International Conference on Microelectronic Test Structures, 2020].
Рис. 9. (a) Зависимость S21 от частоты с полосой пропускания 3 дБ = 22,2 ГГц для типичного оптического модулятора. (b) Разница в значениях полосы пропускания 3 дБ для оптических модуляторов на одном кристалле (более 20 кристаллов), вертикального ввода через дифракционную решётку и торцевого ввода, показывающая отличную корреляцию (разброс полосы не более 2,5 ГГц) [Sia C. B., Yap T. L., Sasidharan A., Tan J. H., Chen R., Leo J., Tan S. L., Man G. C. «Test Setup Optimization and Automation for Accurate Silicon Photonics Wafer Acceptance Production Tests» // IEEE International Conference on Microelectronic Test Structures, 2020].
Правила компоновки тестовых структур
Характеризация фотонных устройств и схем на уровне пластины включает в себя измерения на постоянном токе (DC), СВЧ и оптические измерения. Для успешного тестирования необходимо соблюдать стандартизированные правила проектирования (layout design rules), которые определяют архитектуру размещения портов: оптические сопряжения (grating couplers) ориентированы на восток/запад, аэлектрические контактные площадки на север/юг (DC на север/юг, СВЧ на юг), как показано на рисунке 10. Согласно этим правилам, устанавливаются минимальные расстояния: шаг (pitch) между площадками должен составлять 100–200 мкм, размеры самих площадок — 80–120 мкм, а вокруг дифракционных решеток определяются запретные зоны (keep-out spacings).
Данные спецификации обеспечивают точность сканирования волокна над дифракционной решеткой и гарантируют отсутствие механических столкновений между волокном и электрическими зондами. Они также позволяют использовать моторизованные DC и СВЧ позиционеры с минимальным изменением конфигурации, что упрощает процедуру проверки пластин на производстве при характеризации различных типов пассивных или активных фотонных устройств и схем.
Рис. 10. Рекомендации по компоновке чипа: DC-контакты на северной стороне, СВЧ-контакты на южной стороне, а оптические вход/выход – на восточной и западной сторонах испытываемого устройства (DUT) [Sia C. B., Yap T. L., Sasidharan A., Tan J. H., Chen R., Leo J., Tan S. L., Man G. C. «Test Setup Optimization and Automation for Accurate Silicon Photonics Wafer Acceptance Production Tests» // IEEE International Conference on Microelectronic Test Structures, 2020].
Автоматизация тестирования фотонных устройств на уровне пластины
Для круглосуточных тестов устройств на пластине используется полностью автоматическая 300-мм зондовая станция с загрузчиком пластин, показанная на рисунке 11(a).
На рисунке 11(b) представлен вспомогательный оптический калибровочный столик рядом с основным 300-мм столиком, обеспечивающий встроенную автоматическую калибровку одного волокна и массива волокон (fiber arrays), калибровку волокон для торцевого сопряжения и для термических испытаний оптических пластин.
Рисунок 11(c) демонстрирует отличную повторяемость выравнивания «волокно — сопряжение через дифракционную решётку» (менее 0,1 дБ) в системе юстировки волокна: при 100 последовательных выравниваниях на каждом из трех волноводов в трех кристаллах стандартное отклонение измеренной оптической мощности не превышает 0,1 дБ.
Поскольку фотонные схемы требуют юстировки волокна относительно сопряжений через дифракционную решётку и наличия оптических DC и СВЧ сигналов, их тестирование очень сложное, трудоёмкое и длительное. Поэтому необходима автоматическая архитектура тестирования, реализованная с использованием электрических и оптических переключателей. Например, для тестирования оптического модулятора на рисунке 12 первым шагом является сканирование и активная юстировка волокон относительно сопряжений через дифракционную решётку с помощью настраиваемого лазерного источника, синтезатора поляризации и измерителя оптической мощности. При этом лазер настраивается на требуемую длину волны и оптимальное состояние поляризации (SOP). Далее измеряется коэффициент экстинкции (соотношение уровней оптической мощности для цифровых сигналов «1» и «0») путём установки соответствующего постоянного смещения (DC-bias). Завершающим шагом является подключение выходного волокна от измерителя оптической мощности к анализатору оптических компонентов (Lightwave Component Analyzer, LCA) для измерения полосы пропускания оптического модулятора на уровне -3 дБ. В этом примере на выходном волокне используется оптический переключатель, которым можно дистанционно управлять через шину GPIB. Это позволяет реализовать полностью автоматизированную архитектуру тестирования, обеспечивающую высокую точность и эффективность при испытаниях фотонных устройств на пластине.
Рис. 11. (a) Полностью автоматизированная 300-мм зондовая станция для тестирования фотоники с загрузчиком пластин. (b) Вспомогательный оптический калибровочный столик. (c) Диаграммы размаха, демонстрирующие повторяемость выравнивания «волокно — сопряжение через дифракционную решётку» при 100 выравниваниях на каждом из трёх волноводов в трёх кристаллах [Sia C. B., Yap T. L., Sasidharan A., Tan J. H., Chen R., Leo J., Tan S. L., Man G. C. «Test Setup Optimization and Automation for Accurate Silicon Photonics Wafer Acceptance Production Tests» // IEEE International Conference on Microelectronic Test Structures, 2020].
Рис. 12. Фото участка кристалла с многоконтактными DC-зондами, СВЧ-зондом и волокном на оптическом модуляторе с подключённой аппаратурой и оптическим переключателем для полностью автоматических испытаний [Sia C. B., Yap T. L., Sasidharan A., Tan J. H., Chen R., Leo J., Tan S. L., Man G. C. «Test Setup Optimization and Automation for Accurate Silicon Photonics Wafer Acceptance Production Tests» // IEEE International Conference on Microelectronic Test Structures, 2020].
Заключение
Кремниево-фотонные оптические приёмопередатчики становятся ключевым элементом для снижения энергопотребления дата-центров. Для ускорения вывода таких решений на рынок критически важно выполнять точный и надежный отбор заведомо исправных кристаллов (KGD) на уровне пластины, которые затем интегрируются в 3D-ИС. Оптимизация оптической тестовой установки, корреляция результатов между тестами на уровне пластин и готового изделия, стандартизация компоновки, а также автоматизация тестовой архитектуры — все эти аспекты критически важны для удовлетворения требований тестирования пластин, и все они были реализованы и успешно продемонстрированы.
Список литературы
1. A. S. G. Andrae и T. Edler, «On Global Electricity Usage of Communication Technology: Trends to 2030», Challenges, т. 6, с. 117–157, 2015.
2. S. Nambiar, P. Sethi и S. K. Selvaraja, «Grating-Assisted Fiber to Chip Coupling for SOI Photonic Circuits», Applied Sciences, т. 8, с. 1142, 2018.
3. Yu. A. Vlasov и S. J. McNab, «Losses in single-mode silicon-on-insulator strip waveguides andзонд bends», Optical Express, т. 12, № 8, с. 1622–1631, 2014.
