用于全光晶圆验收测试的方法和系统与流程

用于全光晶圆验收测试的方法和系统
1.相关申请的交叉引用/通过引用并入
2.本技术要求于2018年12月31日提交的美国临时申请第62/787,017号和于2019年12月30日提交的美国专利申请第16/729,668号的优先权和权益，它们在此通过引用整体并入本文。
技术领域
3.本公开的各方面涉及电子组件。更具体地，本公开的某些实施方式涉及用于全光晶圆验收测试的方法和系统。


背景技术：

4.用于晶圆测试的常规方法可能是昂贵的、麻烦的和/或低效的—例如，它们可能是复杂的和/或耗时的，和/或可能会降低产量。
5.通过将这样的系统与本技术的其余部分中参照附图阐述的本公开的一些方面进行比较，常规和传统方法的进一步限制和缺点对于本领域技术人员来说将变得显而易见。


技术实现要素：

6.提供用于全光晶圆验收测试的系统和方法，基本上如附图中的至少一个所示和/或结合附图中的至少一个描述，如在权利要求中更完整地阐述的。
7.本公开的这些和其他优点、方面和新颖特征、以及其图示实施例的细节将从以下描述和附图中更充分地理解。
附图说明
8.图1是根据本公开的示例实施例的光子使能集成电路的框图。
9.图2是图示根据本公开的实施例的具有光学探测和电探测两者的晶圆验收测试设置的示意图。
10.图3图示了根据本公开的示例实施例的全光晶圆测试配置。
11.图4图示了根据本公开的示例实施例的具有调节的光学偏置的全光晶圆测试配置。
12.图5图示了根据本公开的示例实施例的使用基于电流的相位调制器的光学晶圆光电二极管响应度测试。
13.图6图示了根据本公开的示例实施例的使用电流调节的相位调制器和副本分支的光学晶圆光电二极管响应度测试。
具体实施方式
14.如本文所用，术语“电路”和“电路系统”是指物理电子组件(即硬件)和可以配置硬件、由硬件执行和/或以其他方式与硬件关联的任何软件和/或固件(“代码”)。如本文所使
用的，例如，特定处理器和存储器在执行第一行或多行代码时可以包括第一“电路”，并且在执行第二行或多行代码时可以包括第二“电路”。如本文所用，“和/或”表示列表中由“和/或”连接的任何一项或多项。例如，“x和/或y”表示三元素集合{(x),(y),(x,y)}中的任何元素。换言之，“x和/或y”表示“x和y之一或两者”。作为另一个示例，“x、y和/或z”表示八元素集合{(x),(y),(z),(x,y),(x,z),(y,z),(x,y,z)}中的任何元素。换言之，“x、y和/或z”表示“x、y和z中的一个或多个”。如本文所用，术语“示例性”表示用作非限制性示例、实例或说明。如本文所用，术语“如”和“例如”列出了一个或多个非限制性示例、实例或说明。如本文所用，电路系统或设备“能操作”以执行功能，只要电路系统或设备包括执行该功能所需的硬件和代码(如果有的话)，而不管该功能的执行是否被禁用或未启用(例如，通过用户可配置的设置、工厂调整等)。
15.图1是根据本公开的示例实施例的光子使能集成电路的框图。参考图1，示出了光子使能集成电路130的光电器件，包括光调制器105a
‑
105d、光电二极管111a
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111d、监控光电二极管113a
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113d以及包括耦合器103a
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103c和光栅耦合器117a
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117h的光器件。还示出了包括放大器107a
‑
107d、模拟和数字控制电路109以及控制部分112a
‑
112d的电气器件和电路。例如，放大器107a
‑
107d可以包括跨阻和限幅放大器(tia/la)。可选的耦合光学器件150可以包括分路器、薄膜滤光器、反射镜、棱镜等，并且可以集成在中介层(interposer)上以及中介层的外部。
16.在示例场景中，光子使能集成电路130包括耦合到cmos光子中介层管芯的一个或多个cmos电子管芯，其中激光器组件101也耦合到中介层的顶面。激光器组件101可以包括一个或多个具有隔离器、透镜和/或旋转器的半导体激光器，用于将一个或多个连续波(cw)光信号引导到耦合器104a
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104d。cw光信号可以处于用于cwdm操作(例如cwdm4)的不同波长。光子使能集成电路130可以集成在多个管芯上，例如具有一个或多个电子管芯和一个或多个光子管芯。
17.光栅耦合器104a
‑
104d包括光栅结构，其光栅间距和宽度被配置为将特定波长和偏振的光信号耦合到ic 130中。透镜阵列可以结合在光栅耦合器104a
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104d和激光器组件101之间，用于将光信号聚焦到光栅耦合器以提高耦合效率。
18.光信号通过在光子使能集成电路130中制造的光波导110而在光器件和光电器件之间通信。单模或多模波导可用于光子集成电路中。单模操作使得能够直接连接到光信号处理和网络元件。术语“单模”可用于支持横电(te)和横磁(tm)两种偏振中的每一种的单模的波导，或用于真正单模且仅支持一种模式的波导。这样的一种模式可以具有例如te的偏振，其包括平行于支撑波导的衬底的电场。所使用的两种典型波导截面包括条形波导和肋形波导。条形波导通常包括矩形截面，而肋形波导包括位于波导板顶部的肋条部分。当然，其他波导截面类型也被考虑并且在本公开的范围内。
19.光调制器105a
‑
105d包括例如mach
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zehnder或环形调制器，并且能够调制连续波(cw)激光输入信号。光调制器105a
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105d可以包括高速相位调制部分和低速相位调制部分并且由控制部分112a
‑
112d控制。光调制器105a
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105d的高速相位调制部分可以用数据信号调制cw光源信号。光调制器105a
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105d的低速相位调制部分可以补偿缓慢变化的相位因子，例如由波导之间的失配、波导温度或波导应力引起的相位因子，被称为mzi的无源偏置或无源相位。
20.在示例场景中，高速光学相位调制器可以基于自由载波色散效应进行操作，并且可以证明自由载波调制区域和光模之间的高度重叠。在波导中传播的光模的高速相位调制是用于高数据速率光通信的若干类型信号编码的构建块。可能需要数十gb/s的速度来维持现代光链路中使用的高数据速率，并且可以在集成硅光子器件中通过调制横跨承载光束的波导放置的pn结的耗尽区来实现此高数据速率。为了提高调制效率和最小化损耗，必须仔细优化光模和pn结耗尽区之间的重叠。
21.光调制器105a
‑
105d中的每一个的一个输出可以经由波导110光学地耦合到光栅耦合器117e
‑
117h。光调制器105a
‑
105d的其他输出可以光学地耦合以监控光电二极管113a
‑
113d以提供反馈路径。ic 130可以利用基于波导的光调制和接收功能。因此，接收器可以采用集成波导光电探测器(pd)，例如，其可以通过直接沉积在硅上的外延锗/sige膜来实现。
22.光栅耦合器104a
‑
104d和117a
‑
117h可以包括能够将光耦合进和耦合出光子使能集成电路130的光栅。光栅耦合器117a
‑
117d可以用于将从光纤接收的光耦合到光子使能集成电路130中，并且光栅耦合器117e
‑
117h可用于将来自光子使能集成电路130的光耦合到光纤中。光栅耦合器104a
‑
104d和117a
‑
117h可以包括单偏振光栅耦合器(spgc)和/或偏振分离光栅耦合器(psgc)。在使用psgc的情况下，可以使用两个输入或输出波导，如针对光栅耦合器117a
‑
117d所示，尽管这些可以替代地是spgc。
23.可以使用光纤耦合器将光纤例如用环氧树脂粘合到cmos中介层，光纤耦合器将不同波长的光信号选择性地偏转至芯片(即，光子使能集成电路130)上的不同光栅耦合器和将来自芯片上的不同光栅耦合器的不同波长的光信号进行偏转，每个耦合器(例如光栅耦合器117a
‑
117h中的每一个)被配置为耦合不同波长的光信号。
24.光电二极管111a
‑
111d可以将从光栅耦合器117a
‑
117d接收的光信号转换成电信号，该电信号被传送到放大器107a
‑
107d以进行处理。在本公开的另一个实施例中，光电二极管111a
‑
111d可以包括例如高速异质结光电晶体管，并且可以在集电极区和基极区中包括锗(ge)，用于在1.3
‑
1.6μm光波长范围内进行吸收，并且可以集成在cmos绝缘体上硅(soi)晶圆上。
25.模拟和数字控制电路109可以控制放大器107a
‑
107d操作中的增益水平或其他参数，放大器107a
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107d又可以将电信号传送出光子使能集成电路130。控制部分112a
‑
112d包括使得能够调制从分路器103a
‑
103c接收的cw激光信号的电子电路。例如，光调制器105a
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105d可能需要高速电信号来调制mach
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zehnder干涉仪(mzi)的各个分支中的折射率。
26.在操作中，光子使能集成电路130可操作以发送光信号和/或接收并处理光信号。光信号可由光栅耦合器117a
‑
117d从光纤接收并由光电探测器111a
‑
111d转换为电信号。电信号例如可由放大器107a
‑
107d中的跨阻放大器放大，随后传送到光子使能集成电路130中的其他电子电路(未示出)。
27.集成光子平台允许将光收发器的全部功能集成在单个芯片或倒装芯片接合结构中的多个芯片上。光收发器包含在发送器(tx)和接收器(rx)侧创建和处理光/电信号的光电电路，以及将光信号耦合到光纤和耦合来自光纤的光信号的光接口。信号处理功能可以包括调制光载波、检测光信号、分离或组合数据流以及在具有不同波长的载波上复用或解复用数据。
28.晶圆验收测试(wat)通常用于电子工业中，以确定制造过程结束时半导体晶圆的质量。通过在晶圆级测试减少的器件子集，可以推断整个产品的性能，从而使晶圆客户确信处理已正确执行。
29.随着硅工业中光子的引入，出现了新的器件，必须定义新的测试要求。在这些器件中，一些可以通过将适当波长的光束耦合到晶圆中并收集输出来进行纯光学测试。通过诸如光栅耦合器104a
‑
104d和117a
‑
117h的耦合元件实现光输入和输出，耦合元件将光从光纤耦合到存在于晶圆上的光波导/将光从存在于晶圆上的光波导耦合到光纤。波导、分路器和耦合元件是可光学测试的器件。
30.其他器件需要电偏置以便被适当地评估。依赖于载波色散或克尔效应的光电相位调制器(例如调制器105a
‑
105d)属于这一组。这些器件施加在光束上的相移是施加电压的函数。为了测量这种相关性，器件通常嵌入在不平衡干涉测量结构中，该结构将相移调制转换为幅度调制。干涉仪的不平衡在利用波长的幅度调制中引起振荡行为。通过比较两个(或更多)施加的偏置下的振荡相位，可以提取被测器件(dut)的相位调制的传递函数。
31.图2是图示根据本公开的实施例的具有光学探测和电探测两者的晶圆验收测试设置的示意图。参考图2，示出了具有光纤阵列201和电探针203的晶圆验收测试系统200，其耦合到晶圆250用于测试目的。晶圆250包括耦合器205a和205b、焊垫(pad)207a
‑
207c、相位调制器209a和209b以及波导211a
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211d。相位调制器209a
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209b和波导211a
‑
211d可以包括光调制器干涉仪210，其经由耦合器205a接收输入光信号并经由耦合器205b将输出光信号传送出晶圆250。耦合器205a和205b可以包括单偏振光栅耦合器或偏振分离光栅耦合器，尽管图2中示出了单偏振光栅耦合器。
32.相位调制器的适当晶圆验收测试需要同时存在光学探针(在本示例中为光纤阵列201)以及电探针203，光学探针用于将光提供到被测试的一个或多个器件中并记录干涉仪输出，电探针203用于为器件提供电压。电探针203向相位调制器209a和209b提供偏置电压。这使系统设置复杂化，因为需要协调包括器件、晶圆250、光纤阵列201(光学探针)和电探针203的三个独立元件以执行定位和对齐。然而，现代探测系统提供了仅协调两个(器件和电探针，或者器件和光纤)的可能性。
33.由于被测晶圆中集成光电二极管的可用性，可以消除对外部电探测的需要。事实上，光电二极管一旦被点亮就可以以类似于太阳能电池的方式提供电压/电流。特别是，锗光电二极管一旦被点亮，就可以将撞击光子的能量转换成适合用于偏置晶圆上其他器件的电能。
34.图3图示了根据本公开的示例实施例的全光晶圆测试配置。参考图3，示出了用于测试干涉仪调制器310的全光晶圆验收测试系统300，其中干涉仪调制器310包括相位调制器309a和309b以及波导311a
‑
311d。图3中所示的每个组件可以集成在单个光子管芯上。
35.耦合器305a
‑
305c可以包括例如光栅耦合器，其中耦合器305a和305b分别将光信号耦合进和耦合出调制器310，并且耦合器305c将偏置光信号耦合到分路器313中。分路器313可以包括1:n分光器，其中在图3的示例中n＝4，并且可以将经由耦合器305c接收的光信号分路到光电二极管315a
‑
315d中的每一个。
36.相位调制器309a
‑
309b和波导311a
‑
311d可以包括光调制器干涉仪310，其经由耦合器305a接收输入光信号并经由耦合器305b将输出光信号传送出晶圆。耦合器305a
‑
305c
可以包括单偏振光栅耦合器或偏振分离光栅耦合器，尽管图3中示出了单偏振光栅耦合器。
37.在所示示例中，锗光电二极管315a
‑
315d用于偏置高速相位调制器(hspm)309a，以提取作为所施加电压的函数的相移效率。例如，hspm 309a和309b包括硅p
‑
n结。许多ge光电二极管可以串联连接，以产生hspm测试所需的偏置。例如，1.6v的偏置电压可以由光电二极管315a
‑
315d产生。光电二极管直接连接到被测hspm 309a：当向光电二极管315a
‑
315d施加光时，hspm 309a上存在等于每个光电二极管的开路电压(v
oc
)总和的电压。当光被关断时，hspm 309a上不存在电压。此外，hspm的阻抗通常非常高，因为二极管用于反向偏置，这使其成为几乎理想的“开路”负载，因此光电二极管315a
‑
315d的输出处的电压非常接近开路电压(v
oc
)。通过在这两种条件下测量嵌入干涉仪310中的hspm 309a的光谱响应，可以估计hspm 309a传递函数。由于相位调制器309b与相位调制器309a直接相邻并且在相同的工艺中形成，因此其特性也可以从针对相位调制器309a测量的特性中推断出来。
38.由于v
oc
对数地依赖于光强度和光电二极管响应度，因此即使在存在光电二极管特性或光耦合效率可变性的情况下也可以合理地控制其值。为了改进对施加到hspm 309a的偏置的控制并进一步降低其对入射到光电二极管315a
‑
315d上的光的依赖性，可以通过增加串联连接的光电二极管的数量、添加串联电阻和多个正向偏置硅二极管来实现标准电压调节器，如图4所示。
39.图4图示了根据本公开的示例实施例的具有调节的光学偏置的全光晶圆测试配置。参考图4，示出了用于测试相位调制器干涉仪410的全光晶圆验收测试系统400，相位调制器干涉仪410包括相位调制器409a和409b以及波导411a
‑
411d。图4所示的每个组件可以集成在单个光子管芯上。
40.耦合器405a
‑
405c可以包括例如光栅耦合器，其中耦合器405a和405b分别将光信号耦合进和耦合出干涉仪410，并且耦合器405c将偏置光信号耦合进分路器413。分路器413可以包括1:n分光器，其中在图4的示例中n＝8，并且可以将经由耦合器405c接收的光信号分路到光电二极管415a
‑
415h中的每一个。
41.电阻器419和正向偏置二极管417a和417b可以包括电压调节器，用于根据由八个光电二极管415a
‑
415h产生的较大偏置电压来配置到相位调制器409a的期望电压。该调节改进了对施加到hspm 409a的偏置的控制，并进一步降低了其对入射到光电二极管415a
‑
415h上的光的依赖性，因为八个光电二极管415a
‑
415h产生的电压远高于两个正向偏置二极管417a和417b。这种配置准确地设置调制器409a两端的电压，几乎与进入光栅耦合器405c的耦合效率无关。
42.在操作中，光信号可以耦合到光栅耦合器405a中并且输出光信号可以耦合出光栅耦合器405b。当没有光信号耦合到光栅耦合器405c处的偏置光输入中时，可以改变输入信号的频率和强度以评估波长响应，使得没有偏置被施加到相位调制器409a。
43.当光信号耦合到光栅耦合器405c时，分路器413将光耦合到光电二极管415a
‑
415h中的每一个，从而产生电压。该电阻器419两端的电压将电流施加到正向偏置二极管417a和417b，并且来自正向偏置二极管的该一致电压也施加到相位调制器409a两端。再次，光信号可以施加到波长扫描输入光栅耦合器405a，并且经由光栅耦合器405b在波长扫描输出处评估输出，其中输入信号的强度和/或波长可以变化，评估处于偏置状态的干涉仪410。因此，全光晶圆测试由图4的光子和电子电路实现，无需向芯片施加任何电信号。
44.图5图示了根据本公开的示例实施例的使用基于电流的相位调制器的光学晶圆光电二极管响应度测试。参考图5，示出了用于测试干涉仪510的全光晶圆验收测试系统500，其中干涉仪510包括相位调制器509a和509b以及波导511a
‑
511d。图5所示的每个组件可以集成在单个光子管芯上。
45.耦合器505a
‑
505c可以包括例如光栅耦合器，其中耦合器505a和505b分别将光信号耦合进和耦合出干涉仪510，并且耦合器505c将偏置光信号耦合到分路器513中。分路器513可以包括1:n分光器，其中在图5的示例中n＝4，并且可以将经由耦合器505c接收的光信号分路到光电二极管515a
‑
515d中的每一个。
46.相位调制器509a和509b以及波导511a
‑
511d可以包括光调制器干涉仪510，其经由耦合器505a接收输入光信号并经由耦合器505b将输出光信号传送出晶圆。耦合器505a
‑
505c可以包括单偏振光栅耦合器或偏振分离光栅耦合器，尽管图5中示出了单偏振光栅耦合器。
47.在操作中，光信号可以耦合到光栅耦合器505a中并且输出光信号可以耦合出光栅耦合器505b。当没有光信号耦合到光栅耦合器505c处的偏置光输入中时，可以改变输入信号的频率和强度以评估波长响应，使得没有偏置被施加到相位调制器509a。
48.当光信号耦合到光栅耦合器505c时，分路器513将光耦合到光电二极管515a
‑
515d中的每一个，从而产生施加在相位调制器509a两端的电压。再次，光信号可以施加到波长扫描输入光栅耦合器505a，并且在波长扫描输出505b处评估输出，其中输入信号的强度和/或波长可以变化，评估处于偏置状态的干涉仪510。因此，全光晶圆测试由图5的光子和电子电路实现。
49.在图5所示的示例中，可以使用基于电流的相位调制器509a和509b来测试光电二极管响应度。不平衡干涉仪510的两个臂包含p
‑
i
‑
n结相位调制器(pimpm)509a和509b。pinpm器件对依赖于电流流动的光束施加相位调制。通过经由光栅耦合器505c在具有和不具有偏置光的情况下测试结构并比较所得的波长扫描图案中的移位，可以提取光电二极管的组合响应度和pinpm 509a的相位效率。这种测量不如上述hspm情况准确，因为由于pinpm的阻抗，光电流可能与短路情况存在合理差异。这个问题可以通过增加串联光电二极管的数量来缓解，使得pinpm的导通电压分布在大量单元上，从而更接近短路(0v)条件。
50.图6图示了根据本公开的示例实施例的使用电流调节的相位调制器和副本分支的光学晶圆光电二极管响应度测试。参考图6，示出了具有经由光栅耦合器605c和605d耦合的两个光源分支的光学晶圆测试系统600。这使得能够使用第三分支确定pinpm相移效率，该第三分支通过使用pinpm 609a的副本pinpm 609b上的电阻器619设置相对准确的电流。一旦校准出pinpm效率，就可以准确地提取光电二极管响应度，假设干涉仪610的两个分支上的pinpm 609a和609b很好地匹配。
51.相位调制器609a和609b以及波导611a
‑
611d可以包括光调制器干涉仪610，其经由耦合器605a接收输入光信号，并经由耦合器605b将输出光信号传送出晶圆。
52.耦合器605a
‑
605d可以包括例如光栅耦合器，其中耦合器605a和605b分别将光信号耦合进和耦合出干涉仪610，并且耦合器605c和605d将偏置光信号耦合进分路器613a和613b。耦合器605a
‑
605d可以包括单偏振光栅耦合器或偏振分离光栅耦合器，尽管图6中示出了单偏振光栅耦合器。分路器613a和613b可以包括1:n分光器，其中在图6的示例中，对于
分路器613a，n＝4，对于分路器613b，n＝8，并且可以将经由耦合器605c和605d接收的光信号分别分路到光电二极管615a
‑
615d中的每一个和615e
‑
615l中的每一个。
53.电阻器619和621以及正向偏置二极管617a和617b可以包括电压调节器，用于根据由八个光电二极管615e
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615l产生的较大偏置电压来配置到相位调制器609b的期望电压。该调节改进了对施加到hspm 609a的偏置的控制，并进一步降低了其对入射在光电二极管615e
‑
615l上的光的依赖性，因为八个光电二极管615e
‑
615l产生的电压远高于两个正向偏置二极管617a和617b，其精确地设置调制器609b两端的电压，几乎独立于进入光栅耦合器605d的耦合效率。此外，二极管615a
‑
615d在被点亮时向调制器609a施加正向偏置。
54.在操作中，光信号可以耦合到光栅耦合器605a中并且输出光信号可以耦合出光栅耦合器605b。当没有光信号耦合到光栅耦合器605c处的偏置光输入中时，可以改变输入信号的频率和强度以评估波长响应，使得没有偏置被施加到相位调制器609a。
55.当光信号耦合到光栅耦合器605c时，分路器613a将光耦合到光电二极管615a
‑
615d中的每一个，从而为相位调制器609a产生偏置电压。类似地，当光信号耦合到光栅耦合器605d时，分路器613b将光耦合到光电二极管615e
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615l中的每一个，从而产生电压。施加在电阻器621上的这个电压向正向偏置二极管617a和617b施加电流，并且来自正向偏置二极管617a和617b的这个一致电压经由电阻器619施加到相位调制器609b上。再次，光信号可以施加到光栅耦合器605a处的波长扫描输入，并且在输出耦合器605b的波长扫描输出处评估输出，其中输入信号的强度和/或波长可以变化，评估处于偏置状态的干涉仪610。因此，全光晶圆测试由图6的光子和电子电路实现。
56.在本公开的示例实施例中，描述了一种用于全光晶圆验收测试的方法和系统。该系统可以包括对芯片上的光收发器的全光晶圆验收测试，该光收发器包括第一、第二和第三光栅耦合器、包括第一和第二相位调制器的干涉仪、分路器和多个光电二极管。可以经由第一光栅耦合器在芯片中接收第一输入光信号，其中第一输入光信号可以耦合到干涉仪。可以经由第二光栅耦合器将输出光信号耦合出芯片，用于对干涉仪的第一测量。第二输入光信号可以耦合到第三光栅耦合器，并且第二输入光信号的一部分可以经由分路器传送到多个光电二极管中的每一个。可以使用多个光电二极管基于第二输入光信号来生成电压，并且可以使用生成的电压来偏置第一相位调制器。可以在第一相位调制器被所产生的电压偏置的情况下测量输出光信号，用于对干涉仪的第二测量。
57.第一相位调制器可以使用所产生的电压反向偏置或者可以使用所产生的电压正向偏置。可以使用串联耦合的电阻器和耦合到地的一对正向偏置光电二极管来调节所产生的电压。第三输入光信号可以耦合到第四光栅耦合器，并且可以使用第二多个光电二极管基于第三输入光信号来产生第二电压。可以使用第二电压来偏置第二相位调制器并且可以载第二相位调制器被第二电压偏置的情况下测量输出光信号，用于对干涉仪的第三测量。多个光电二极管可以包括锗。芯片可以包括互补金属氧化物半导体(cmos)管芯。
58.虽然已经参考某些实施例描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等同物。此外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不旨在限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。