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引言

光电子集成芯片的功能测试需要电气和光学耦合，且损耗最小。与电气探测不同，电气探测是通过电气引脚与PIC的导电垫物理接触进行的，而光学探测通常是非接触式的。光学耦合是通过精确定位光学探针靠近耦合器来实现的，耦合器是光被引导进入和走出PIC的干涉结构。

图1：光学探针和耦合器被建模为单模阶跃折射率光纤，具有对称高斯光束。

计算耦合损耗的常见方法是将发射光近似为高斯光束，并确定光束之间的模态重叠。使用这种高斯近似，解析方程描述了光学耦合损耗(η)与各种不对准误差之间的关系：

关键参数包括光的波长(λ)、折射率(n)和模场直径(MFD)，其中MFD等于2ω，ω是模式半径。

图2：不同对准误差的光学耦合损耗（以dB为单位），显示MFD变化如何影响敏感度。

这些方程的分析表明，径向精度需要高于轴向精度，而角度偏移则没那么关键。这适用于具有对称高斯光束的单I/O光学端口，且探针和耦合器之间MFD匹配的近场条件。

晶圆级测试PIC的方法在很大程度上取决于耦合器的类型。目前，光栅耦合器为晶圆级测试提供了最简单的方法。这些耦合器使用经过优化的衍射光栅将光衍射到PIC内部和外部。

图3：光学探针（作为光纤阵列）和具有近似高斯光束的优化光栅。

光栅耦合器利用材料折射率的周期性变化，使光散射到不同方向，将光从晶圆平面向上引导至光学探针。SIRIUS系统主要测试带有聚焦结构的优化光栅，这些结构针对具有高斯分布和特定入射角的探针进行了优化。

图4：带有聚焦结构的优化光栅耦合器和来自光学探针的高斯光束。

边缘耦合器是另一种方法，在PIC边缘设计有一个小平面，允许平面内光耦合。通过避免使用衍射技术，边缘耦合器实现了更宽的传输带宽和更低的耦合损耗。一种称为沟槽耦合的特殊配置使用深蚀刻切割沟槽暴露PIC边缘，虽然狭窄的沟槽对探针设计提出了严格的限制，可能需要碰撞避免机制。

图5：探测配置示意图，显示光学和电气探针围绕PIC的布置以及与测试机架的连接。

光学探针通过基于梯度的搜索算法进行主动对准，以最小化耦合损耗。外部耦合器提供光学反馈用于对准，而内部耦合器作为功能通道。不同的光栅耦合器布局用于对准目的。

图6：光栅耦合器布局用于对准。(a) 使用两对光栅耦合器进行光学反馈和对准；(b) 使用位置相距较远的外部光栅耦合器进行对准的替代布局。

对于带有光栅耦合器的PIC，光学探针通常由平行排列的多根光纤（光纤阵列）组成，前端面经过抛光，角度与光栅耦合器的入射角匹配。边缘耦合需要不同的方法，包括45°角抛光的光纤阵列或光纤阵列上的3D打印潜望镜结构，以解决MFD不匹配问题。

图7：3D打印耦合探针的特写视图，专为深蚀刻沟槽设计，尺寸为w ≥ 50μm和d ≥ 20μm。

SIRIUS系统是自动化PIC测试的有效解决方案。它具有易于更换的电气探针卡和光学探针，可在30分钟内完成设置更改。该系统使用SEMI E30标准和SEMI E122中描述的测试设备附加协议与制造执行系统(MES)通信。

图8：光电子测试探针演示系统，背景可见控制柜。

晶圆通过卡盒或SMIF舱自动装载，晶圆处理器将其运送到ID识别扫描仪和预对准器，以获得正确的缺口方向。然后晶圆被放置在略高于环境温度的温控卡盘上，以确保一致的测试条件。

图9：晶圆台面的特写，显示卡盘、晶圆、探针卡和带有光学探针的操作器。

自动校准程序将晶圆基准点映射到电气探针卡引脚和光学探针。校准后，晶圆被压到电气探针卡尖端上，两个光学探针通过粗调操作器定位，建立初始光连接。然后，精细行程操作器使用光学反馈主动对准探针，以优化耦合。

图10：电气I/O探针卡和光学I/O光纤阵列连接的特写。

完整的SIRIUS系统为晶圆级自动化PIC测试提供了全面的解决方案，与手动实验室测试方法相比，显著提高了测试效率。

图11：生产配置中的完整SIRIUS光电子测试探针系统。

IMS正在进行的研究重点是简化特定用例的操作器设计和开发沟槽耦合应用的碰撞避免机制，确保SIRIUS继续推进光电子测试技术的发展。

本文介绍了SIRIUS光电子测试探针系统，该系统通过自动化晶圆级光电子集成芯片测试，解决了传统手动测试方法中存在的效率和成本问题。从光学耦合的基础理论到实际测试系统的实现，SIRIUS展示了现代光电子芯片测试的技术特点。文中讨论的光学探测原理、不同的耦合技术以及探针配置为理解PIC测试提供了全面的视角。SIRIUS系统的开发对于光电子技术的产业化具有实际价值，使研发人员能够在封装前精确检测芯片缺陷，提高生产效率。随着IMS在操作器设计和碰撞避免机制方面的持续研究，晶圆级光电子测试技术将继续发展，为光电子器件的大规模生产提供支持。

参考文献