用于使用微光学平台组件对具有面内光轴的光学MEMS结构进行批量测试的集成光学探针卡和系统的制作方法

本申请要求于2016年11月21日在美国专利商标局提交的临时申请no.62/425,028和于2017年11月20日在美国专利商标局提交的美国实用新型专利申请no.15/818,736的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文，如同以下完整地并且用于所有适用目的而阐述的。

下面讨论的技术总体上涉及用于执行管芯的晶片上测试的探针卡，并且特别涉及用于光学微机电系统(mems)结构的晶片上测试的探针卡。

背景技术：

半导体制造商广泛使用电子探针卡来在晶片级表征数千个芯片或管芯。可商购的电子探针卡通常包括竖直金属针，这些竖直金属针被设计为在特定位置与管芯接触以向管芯上的被测器件提供输入电信号并且然后探测输出信号。

随着互补金属氧化物(cmos)传感器、发光二极管(led)、光学检测器和其他小型化光学器件的引入，已经开发出光电探针卡来在晶片级表征和测试这些装置的功能和性能。例如，光电探针卡已经被用于在晶片级的测试光电二极管，其中光束经由光纤线圈被竖直注入，同时电子探针感测来自被测光电二极管的输出电信号。相同的技术已被用来表征使用透镜阵列和光学波导阵列的led阵列。晶片上微反射镜还通过竖直地注入和接收光学光来被表征。

此外，已经利用在面内水平注入光的测试设备执行包括需要光平行于晶片传播的光学元件的器件(例如，光学电路和平面光波电路(plc))的晶片上测量。然而，这种通过水平被光学耦合从晶片一侧接入晶片的光学测试装置不能容易地被集成到传统的电子探针卡中。

技术实现要素：

以下呈现了本公开的一个或多个方面的简要概述，以便提供对这些方面的基本理解。该概述不是对本公开的所有预期特征的广泛概述，并且既不旨在标识本公开的所有方面的关键或重要元素，也不旨在界定本公开的任何或所有方面的范围。其唯一目的是以简化形式呈现本公开的一个或多个方面的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。

本公开的各个方面提供了一种用于执行具有面内光轴的光学微机电系统(mems)结构的晶片测试的集成光学探针卡和系统。可以利用一个或多个微光学平台组件来执行光学mems结构的晶片上光学屏蔽，以在垂直于面内光轴的面外方向与平行于面内光轴的面内方向之间重定向光以便能够通过光的竖直注入来测试光学mems结构。这种配置使得光学探针卡能够被组装在电子探针卡的一个或多个电子针上。

在一些示例中，微光学平台组件可以与光学探针卡集成。在其他示例中，微光学平台组件可以在包含光学mems结构的晶片上制造。例如，微光学平台组件可以在晶片的切割道中制造。

在本公开的一个方面，提供了一种用于批量测试光学mems结构的集成光学探针卡。集成光学探针卡包括被配置为生成输入光束并且朝向光学mems结构提供输入光束的源，其中光学mems结构包括面内光轴并且输入光束在垂直于面内光轴的面外方向上传播。集成光学探针卡还包括被光学耦合以从光学mems结构接收输出光束的检测器，其中输出光束在面外方向上传播。集成光学探针卡还包括被光学耦合以在面外方向与面内方向之间重定向输入光束和输出光束的微光学平台组件，该面内方向包括光学mems结构的面内光轴。

本发明的另一方面提供一种晶片，其包括多个被测管芯，每个被测管芯包括多个光学mems结构中的相应mems结构，多个光学mems结构包括面内光轴。晶片还包括在多个被测管芯之间的多个切割道内制造的多个微棱镜。每个微棱镜包括第一表面或第二表面中的至少一个。第一表面可以被配置为从光学探针卡接收在垂直于面内光轴的面外方向上传播的输入光束，并且朝向光学探针卡将输入光束从面外方向重定向到包括面内光轴的面内方向。第二表面可以被配置为从光学mems结构接收在面内方向上传播的输出光束，并且朝向光学探针卡将输出光束从面内方向重定向到面外方向。

本公开的另一方面提供了一种用于执行晶片测试的系统。该系统包括晶片，该晶片包括多个被测管芯，每个被测管芯包括具有面内光轴的多个光学mems结构中的相应光学mems结构。该系统还包括光学探针卡，该光学探针卡包括被配置为生成输入光束并且朝向多个光学mems结构中的光学mems结构提供输入光束的源，其中输入光束在垂直于面内光轴的面外方向上传播。光学探针卡还包括被光学耦合以从光学mems结构接收输出光束的检测器，其中输出光束在面外方向上传播。该系统还包括被光学耦合以在面外方向与包括光学mems结构的面内光轴的面内方向之间重定向输入光束和输出光束的微光学平台组件。

通过阅读下面的详细描述，将更全面地理解本发明的这些和其他方面。通过结合附图阅读本发明的具体示例性实施例的以下描述，本发明的其他方面、特征和实施例对于本领域普通技术人员将变得很清楚。虽然可以相对于下面的某些实施例和附图讨论本发明的特征，但是本发明的所有实施例可以包括本文中讨论的一个或多个有利特征。换言之，虽然可以将一个或多个实施例讨论为具有某些有利特征，但是也可以根据本文中讨论的本发明的各种实施例使用这些特征中的一个或多个。以类似的方式，虽然示例性实施例可以在下面作为设备、系统或方法实施例进行讨论，但是应当理解，这样的示例性实施例可以在各种设备、系统和方法中实现。

附图说明

图1是图示根据本公开的一些方面的可以在晶片上制造的光学mems结构的示例的图。

图2是图示根据本公开的一些方面的包括其中具有光学mems结构的晶片的用于使用光学探针卡和在晶片上制造的微光学平台组件进行测试的系统的一个示例的图。

图3是图示根据本公开的一些方面的包括其中具有光学mems结构的晶片的用于使用光学探针卡和在晶片上制造的微光学平台组件进行测试的系统的另一示例的图。

图4是图示根据本公开的一些方面的包括其中具有光学mems结构的晶片的用于使用光学探针卡和在晶片上制造的微光学平台组件进行测试的系统的另一示例的图。

图5是图示根据本公开的一些方面的包括其中具有光学mems结构的晶片的用于使用光学探针卡和在晶片上制造的微光学平台组件进行测试的系统的另一示例的图。

图6是图示根据本公开的一些方面的包括具有微光学平台组件的集成光学探针卡的用于在晶片级测试光学mems结构的系统的一个示例的图。

图7是图示根据本公开的一些方面的包括具有微光学平台组件的集成光学探针卡的用于在晶片级测试光学mems结构的系统的另一示例的图。

图8是图示根据本公开的一些方面的包括具有微光学平台组件的集成光学探针卡的用于在晶片级测试光学mems结构的系统的另一示例的图。

图9是图示根据本公开的一些方面的包括具有微光学平台组件的集成光学探针卡的用于在晶片级测试光学mems结构的系统的另一示例的图。

图10是图示根据本公开的一些方面的包括具有微光学平台组件的集成光学探针卡的用于在晶片级测试光学mems结构的系统的另一示例的图。

图11是图示根据本公开的一些方面的包括具有微光学平台组件的集成光学探针卡的用于在晶片级测试光学mems结构的系统的另一示例的图。

图12是图示根据本公开的一些方面的包括具有微光学平台组件的集成光学探针卡的用于在晶片级测试光学mems结构的系统的另一示例的图。

图13是图示根据本公开的一些方面的包括具有微光学平台组件的集成光学探针卡的用于在晶片级测试光学mems结构的系统的另一示例的图。

图14是图示根据本公开的一些方面的集成光学探针卡的一部分的透视图的图。

图15是图示根据本公开的一些方面的包括集成光学探针卡的电子探针卡的示例的图。

图16是图示根据本公开的一些方面的用于具有面内光轴的光学mems结构的晶片上测试的示例性过程的流程图。

具体实施方式

以下结合附图阐述的详细描述旨在作为各种配置的描述，而非旨在表示可以实践本文中描述的概念的仅有配置。详细描述包括用于提供对各种概念的透彻理解的具体细节。然而，对于本领域技术人员很清楚的是，这些概念可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些示例中，众所周知的结构和组件以框图形式示出，以避免模糊这些概念。

图1图示了可以在晶片上制造的光学微机电系统(mems)结构100的示例。例如，图1所示的光学mems结构100可以是在晶片的半导体基底110中制造的干涉仪。例如，半导体基底110可以是绝缘体上硅(soi)晶片，soi晶片包括器件层120、处理层140和夹在器件层120与处理层140之间的掩埋氧化物(box)层130。mems干涉仪的各种组件(诸如反射镜150和155、mems致动器160和其他光学组件)可以使用单个光刻步骤来限定，并且使用高度各向异性的工艺在器件层120中蚀刻，直到到达蚀刻停止(box)层130。通过选择性地移除可移动组件下方的box层130，可以释放任何可移动组件，诸如可移动反射镜150和mems致动器160。

图2图示了根据本公开的一些方面的包括晶片205和光学探针卡230的系统200的示例。晶片205包括多个管芯215，每个管芯215具有在其上制造的相应光学mems结构100。光学mems结构100可以类似于图1所示的mems干涉仪，或者可以是具有面内光轴的任何其他类型的光学mems器件。如本文中使用的，术语“面内”是指平行于晶片205的光的传播方向。

如在图2中可见，晶片205包括由器件层120、处理层140和box层130组成的半导体基底110。光学mems结构100被限定在器件层120中并且通过晶片205中的相应的切割道220彼此分开。切割道220限定管芯205之间的区域，晶片205可以通过该区域被切片以将晶片205分成相应的管芯215。

在本公开的各个方面，一个或多个微光学平台组件210也可以在器件层120中在晶片205上的多个切割道220中的每个内制造。在图2所示的示例中，微光学平台组件210包括具有45度倾斜表面的微棱镜。然而，应当理解，微光学平台组件210可以包括其他或附加组件。微光学平台组件210的示例包括但不限于微棱镜、微反射镜、微透镜和/或微光束分离器。

微光学平台组件210可以例如由器件层120中的硅材料制成，并且可以在45度倾斜表面上用另一种反射材料金属化或涂覆以改善光学耦合。微光学平台组件210被设计用于经由光学探针卡230使用晶片级测试进行测试(dft)。由于微光学平台组件210在切割道220中制造，晶片205上的管芯区域可以被最大化。因此，在晶片上测试之后，可以切割管芯215，从而移除微光学平台组件210。

光学探针230包括源232(光源)、检测器234和至少一个光纤236(其中两个在图2中被示出)。源232可以包括宽带光源或窄带光源。例如，源232可以包括一个或多个宽带热辐射源或具有覆盖感兴趣波长的发光器件阵列的量子源。检测器234可以包括例如检测器阵列或单个像素检测器。光纤236可以包括例如单芯光纤、双芯光纤或光纤束。

源232被配置为生成输入光束并且经由输入光纤236将输入光束引向晶片205上的输入微光学平台组件210，该输入光学平台组件210位于被测管芯215上的光学mems结构100的输入附近。如图2所示，输入光纤236引导输入光束相对于晶片205的平面在面外方向上传播。如本文使用的，术语“面外”是指垂直于晶片205的光的传播方向。由于被测光学mems结构100具有垂直于来自输入光纤236的输入光束的面外传播方向的面内光轴，因此输入微光学平台组件210被配置为将输入光束从面外方向重定向到面内方向，该面内方向平行于晶片205并且包括被测光学mems结构100的面内光轴。然后，输入微光学平台组件210可以将输入光束引导到被测光学mems结构100以在光学mems结构100内部传播。输入光束可以利用自由空间传播或波导/导向传播在光学mems结构100内部面内传播。

在图2所示的示例中，另一微光学平台组件210位于被测光学mems结构100的输出附近以接收平行于晶片205(例如，在面内方向上)传播的输出光束。输出微光学平台组件210被配置为朝向输出光纤236将输出光束从面内方向重定向到面外方向。输出光纤236然后将输出光束引向检测器234。因此，每个微光学平台组件210被光学耦合以在面外方向与包括光学mems结构100的面内光轴的面内方向之间重定向输入光束和输出光束以促进管芯215的面内(水平)晶片级测试。

图3是图示根据本公开的一些方面的测试系统200的另一示例的图，其中微光学平台组件210在晶片205上制造。在图3所示的示例中，在切割道220中蚀刻晶片205的背面以使得光学探针卡230能够对管芯215进行背面测试。此外，微光学平台组件(微棱镜)210未被金属化，因此促进在微棱镜的45度倾斜界面处使用全内反射以在面外方向与面内方向之间重定向输入和输出光束。

图4是图示根据本公开的一些方面的测试系统的另一示例的图，其中微光学平台组件210在晶片205上制造。在图4所示的示例中，光学探针卡230仅包括用于传输和接收光学输入/输出光束的单个光学端口。在该示例中，光学探针卡230包括被光学耦合到定向耦合器410的单个光纤236，定向耦合器410将输入光束从源232引导到光纤236，然后光纤236可以将输入光束236导向与被测管芯215相关联的微光学平台组件210。定向耦合器410还将由光纤236接收的反射信号(输出光束)从微光学平台组件210引向检测器234。在一些示例中，源232和耦合器410每个可以是宽带的，从而使得波前分频耦合器和/或自由空间耦合器或分束器能够用作定向耦合器410。

因此，利用这种配置，可能仅需要在每个切割道220中制造单个微光学平台组件(微棱镜)210。光学探针卡230的单个输入/输出端口、单芯光纤236和定向耦合器410的这种配置也可以用于其中微光学平台组件210被集成在光学探针卡230上的实施例，诸如图6-13所示的任何实施例。

图5是图示根据本公开的一些方面的测试系统200的另一示例的图，其中微光学平台组件210在晶片205上制造。如在图4所示的示例中，光学探针卡230包括单个输入/输出端口、以及单个光纤236。然而，在图5所示的示例中，光纤236可以是双芯光纤或光纤束。双芯光纤236可以包括两个相邻的光纤芯，一个光纤芯用作输入并且被光学耦合到源232，而一个光纤芯用作输出并且被光学耦合到检测器234。光纤束236可以包括多个相邻的光纤芯。其中一些光纤芯用作输入并且被光学耦合到源，而其他光纤芯用作输出并且被光学耦合到检测器234。因此，双芯光纤或光纤束236可以包括单独的输入和输出光纤端口，每个光纤端口分别连接到源232和检测器234。光学探针卡230的光纤236的双芯/光纤束配置也可以用于其中微光学平台组件210被集成在光学探针卡230上的实施例，诸如图6-15所示的任何实施例中。

图6是图示根据本公开的一些方面的测试系统200的示例的图，其中微光学平台组件210被集成在光学探针卡230上。光学探针卡230包括两个光纤236，每个光纤以相应的45度的切割角被切割，从而采用来自45度切割玻璃界面的全内反射以在面内方向与面内方向之间重定向输出和输出光束。因此，微光学平台组件210形成在光纤236的切割玻璃界面处。

在示例性操作中，源232可以生成输入光束并且经由输入光纤236将输入光束引向与被测光学mems结构100的输入相邻定位的输入光纤236的切割玻璃界面210。输入光纤236的切割玻璃界面用作输入微光学平台组件210，其被光学耦合以朝向被测光学mems结构100的输入将输入光束从面外方向重定向到面内方向。与被测光学mems结构100的输出相邻定位的输出光纤236的切割玻璃界面用作输出微光学平台组件210以接收在面内方向上传播的输出光束并且朝向检测器234将输出光束从面内方向重定向到面外方向。

图7是图示根据本公开的一些方面的测试系统的另一示例的图，其中微光学平台组件210被集成在光学探针卡230上。在图7所示的示例中，输入和输出光纤236的切割表面涂有相应的反射涂层700(例如，电介质或金属涂层)。因此，代替使用全内反射，每个切割光纤236的涂覆表面700用作微光学平台组件210以在面外方向与面内方向之间重定向输入和输出光束。

图8是图示根据本公开的一些方面的测试系统200的另一示例的图，其中微光学平台组件被集成在光学探针卡230上。在图8所示的示例中，输入和输出光纤236中的每个包括相应的集成自聚焦透镜800，以通过减少衍射损耗来增强输入和输出光束与被测光学mems结构100的耦合效率。

图9是图示根据本公开的一些方面的测试系统200的另一示例的图，其中微光学平台组件210被集成在光学探针卡230上。在图9所示的示例中，微光学平台组件210包括微棱镜900，每个微棱镜900具有被金属化或涂覆有另一反射材料的45度角表面910。每个微棱镜900被安装在光学探针卡230的本体上并且与输入/输出光纤236对准。

在示例性操作中，源232可以生成输入光束并且经由输入光纤236将输入光束引向与被测光学mems结构100的输入相邻定位的输入微棱镜900。输入微棱镜900被光学耦合以朝向被测光学mems结构100的输入将输入光束从面外方向重定向到面内方向。与被测光学mems结构100的输出相邻定位的输出微棱镜900被光学耦合以接收在面内方向上传播的输出光束并且朝向输出光纤236和检测器234将输出光束从面内方向重定向到面外方向。

图10是图示根据本公开的一些方面的包括集成在光学探针卡230上的微光学平台组件210的测试系统200的另一示例的图。在图10所示的示例中，微光学平台组件210包括微棱镜900，每个微棱镜900具有金属化曲面1000。在一些示例中，曲面1000可以被设计为通过将输入光束聚焦到被测光学mems结构100中并且朝向输出光纤236聚焦输出光束来增强光学探针卡230的光学耦合效率。

图11是图示根据本公开的一些方面的测试系统200的另一示例的图，其中微光学平台组件210被集成在光学探针卡230上。在图11所示的示例中，输入和输出光纤236中的每个是包括相应透镜1100的透镜光纤。光纤236上的集成透镜1100可以是例如柱面透镜、球透镜或微透镜。在一些示例中，透镜光纤236可以被设计为通过经由输入微棱镜900将输入光束聚焦到被测光学mems结构100中并且朝向检测器234聚焦从输出微棱镜900接收的输出光束来增强光学探针卡230的光学耦合效率。

图12是图示根据本公开的一些方面的测试系统200的另一示例的图，其中微光学平台组件210被集成在光学探针卡230上。在图12所示的示例中，微光学平台组件210包括微棱镜900，每个微棱镜900具有45度角表面910，表面910未被金属化以使得每个微棱镜能够利用微棱镜900内的全内反射来在面外方向与面内方向之间重定向输入和输出光束。每个微棱镜900被安装在光学探针卡230的本体上并且与输入/输出光纤236对准。

图13是图示根据本公开的一些方面的测试系统200的另一示例的图，其中微光学平台组件210被集成在光学探针卡230上。在图13所示的示例中，微光学平台组件210包括制造有弯曲表面910的微棱镜900，表面910通过将输入光束聚焦到被测光学mems结构100中并且朝向输出光纤236聚焦输出光束来促进全内反射以增强光学探针卡的光学耦合效率。

图14是图示根据本公开的一些方面的集成光学探针卡230的一部分的透视图的图。特别地，图14图示了包括在其中制造的两个相邻的光学金属化微棱镜900a和900b的集成光学探针卡230的本体1400，每个微棱镜具有45度的倾斜度以在面外方向与面内方向之间重定向输入光束和输出光束。集成光学探针卡230还包括被配置为分别容纳输入和输出光纤的两个半圆柱(凹槽)1400a和1400b(例如，输入和输出光纤可以被插入到凹槽1400a和1400b中)。输入和输出光纤然后可以分别被连接到源和检测器，在一些示例中，其可以被直接集成到两个凹槽1400a和1400b中。集成光学探针卡230还包括至少一个交叉对准标记1420，当集成光学探针卡被组装在另一设备(诸如电子探针卡)上时，该交叉对准标记1420可以被用于对准集成光学探针卡230。

图15是图示根据本公开的一些方面的包括集成光学探针卡230的电子探针卡1500的示例的图。电子探针卡包括用于在特定位置接触被测管芯以提供输入电信号并且然后探测出输出信号的多个电子针1510。集成光学探针卡230可以在电子探针卡1500上的任何位置并且经由任何附接机构附接到电子探针卡1500的本体。在图15所示的示例中，集成光学探针卡230与电子针1510上的电子探针卡1500集成。例如，集成光学探针卡230可以被组装在电子针1510之一上或几个电子针1510上(如图15所示)以为光学探针卡230提供附加支撑。

图16是图示根据本公开的一些方面的用于具有面内光轴的光学mems结构的晶片上测试的示例性过程1600的流程图。该过程开始于框1602，其中由源生成输入光束。在框1604处，可以在垂直于被测光学mems结构的面内光轴的面外方向上将输入光束引向被测光学mems结构。

在框1606处，可以将输入光束从面外方向重定向到包括面内光轴的面内方向。例如，一个或多个微光学平台组件可以将输入光束重定向到面内方向以输入到被测光学mems结构。在框1608处，可以在面内方向上从被测光学mems结构接收输出光束。在框1610处，可以朝向检测器将输出光束从面内方向重定向到面外方向。

在本公开内容中，词语“示例性”用于表示“用作示例、实例或说明”。本文中描述为“示例性”的任何实现或方面不必被解释为比本公开的其他方面优选或有利。同样，术语“方面”不要求本公开的所有方面包括所讨论的特征、优点或操作模式。术语“耦合”在本文中用于指代两个对象之间的直接或间接耦合。例如，如果对象a物理地触摸对象b，并且对象b触摸对象c，则对象a和c仍然可以被认为彼此耦合——即使它们没有直接物理地相互触摸。例如，即使第一对象从不直接与第二对象物理接触，第一对象也可以耦合到第二对象。术语“电路(circuit)”和“电路(circuitry)”被广泛使用，并且旨在包括当被连接和配置时使得能够执行本公开中描述的功能的电气设备和导体的硬件实现(而不限于电子电路类型)以及在由处理器执行时能够执行本公开中描述的功能的信息和指令的软件实现。

图1-16所示的组件、步骤、特征和/或功能中的一个或多个可以重新布置和/或组合成单个组件、步骤、特征或功能，或者在若干组件、步骤或功能中实现。还可以在不脱离本文中公开的新颖特征的情况下添加附加元件、组件、步骤和/或功能。图1-15所示的装置、设备和/或组件可以被配置为执行本文中描述的方法、特征或步骤中的一个或多个。本文中描述的新算法还可以在软件中有效地实现和/或嵌入在硬件中。

应当理解，所公开的方法中的步骤的特定顺序或层次是示例性过程的说明。基于设计偏好，应当理解，可以重新排列方法中的步骤的特定顺序或层次。所附方法权利要求以样本顺序呈现各个步骤的元素，并且不意味着限于所呈现的特定顺序或层次，除非在其中具体叙述。

提供先前的描述是为了使得所属领域的技术人员能够实践本文中描述的各种方面。对于本领域技术人员来说，对这些方面的各种修改是很清楚的，并且本文中定义的一般原理可以应用于其他方面。因此，权利要求不旨在限于本文所示的方面，而是与符合语言权利要求的全部范围相一致，其中除非具体如此陈述，否则对单数元素的引用并不旨在表示“仅一个”，而是表示“一个或多个”。除非另外特别说明，否则术语“一些”是指一个或多个。引用“项目列表中的至少一个”的短语是指这些项目的任何组合，包括单个成员。作为示例，“a、b或c”中的至少一个旨在涵盖：a；b；c；a和b；a和c；b和c；以及a、b和c。本领域普通技术人员已知或以后将知道的贯穿本公开内容所描述的各个方面的元素的所有结构和功能等同物通过引用明确地并入本文，并且旨在由权利要求书涵盖。此外，无论在权利要求中是否明确地叙述了这样的公开内容，本文中公开的内容都不旨在致力于公众。任何权利要求要素都不应当根据35u.s.c§112(f)的规定进行解释，除非使用短语“用于……的装置”明确叙述该要素，或者在方法权利要求的情况下，使用短语“用于……的步骤”叙述该要素。