硅光芯片的晶圆级测试

  做过光芯片测试的同学应该都深有体会，使用手动耦合平台，一天时间内测试的结构非常有限，效率非常低，更不用提实验中可能还会出现一些幺蛾子。如果硅光芯片开始大批量生产，如此低效率的测试显然需要改善，必须采用高速、有效、可靠的测试方案。这篇笔记整理了一些用于晶圆级测试的方案。

  文献1中进行了一个有趣的估算，商用的晶圆级自动化测试设备约200万美元，测试时间1s相当于花费3美分，而一个10mm^2的硅光芯片成本约10美分，因此如果单个芯片测试超过3秒，那么测试的费用就会大于芯片的成本。虽然这种估算方法不一定合理，但是至少说明了测试的重要性。

  硅光芯片的耦合方案主要分两种，即端面耦合器和光栅耦合器。其中，端面耦合器虽然耦合效率高，带宽大，但是由于其位于芯片的两端，不方便做片上的在线测试。而光栅耦合器比较灵活，可以位于芯片上的任意位置，因而是晶圆级测试的首选，典型的光栅测试结构如下图所示：

(图片来自 https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-42367-8_14)

  对于一个较复杂的集成光路，为了检验其各个功能单元的性能，通常在特定的位置处添加定向耦合器与光栅耦合器，分出较小比例的光场进行测量。典型的结构如下图所示：

(图片来自文献1)

  这种方案比较直接，可用于在功能单元较少的时候。一旦器件数目较多，需测试的结构相应增加，辅助测试的结构就会占据较大的面积。而流片面积直接与成本挂钩。另一方面，假设一个测试结构分光比是5%， 10个测试结构的分光损耗就会达到2.2dB，会影响整个系统的link budget。

  为了解决上述的问题，研究人员提出了多种方案，来减小测试结构的影响。

  方案1：可擦除的光栅耦合器

  该方案利用Ge的离子注入形成光栅耦合器，测试完成后，可通过激光退火的方式擦除该光栅耦合器。Ge的注入导致Si的晶格无序，单晶硅变为非晶硅，而退火后，原子重新有序排列，转变为单晶硅，从而达到了擦除光栅耦合器的目的。下图是擦除前后的结构示意图：

(图片来自文献2)

  实验测得的耦合损耗为6.8dB, 比传统光栅耦合器高了2.3dB。退火后的结构仍然存在0.7dB的额外损耗，这一参数还有待提高。

  2. 非接触式的电导率监测

  该方案采用的电学检测方案，而不是上述的光栅耦合器。其结构如下图所示：

(图片来自文献3)

  该方案在待测波导附近制作两个金属电极。将硅波导看成一根导线，由于Si-SiO2界面处存在表面态吸收(surface state absorption)，导致波导内的载流子浓度会随着波导内的光强变化而变化。而载流子浓度会影响电导率，利用这两个金属电极测出电导率的变化，进而知晓硅波导内光强的变化。实验时，一个电极与交变电压源相连，另一电极与跨阻放大器相连，用于接收信号。

  该方案另辟蹊径，没有直接测试光信号，而是转变为电信号进行测试。制备金属电极不需要额外的工艺流程，并且不会占据太多的面积。但是该方案不能检测高频信号。

  3. 端面斜切的PLC探针

  该方案使用端面斜切的PLC芯片。PLC芯片放置于端面的刻蚀槽中，光场在斜切处反射进硅波导中。其结构示意图如下图所示：

(图片来自文献4)

  实验中测得的耦合损耗为5.7dB, 相比于单模波导耦合，引入了2.2dB的额外损耗。借助该方案，斜切的PLC芯片作为光学探针(optical probe)，可以进行基于端面耦合器的线上测试。

  4. 光栅耦合器与端面耦合器共存方案

  该方案的结构如下图所示：

(图片来自文献5)

  整个芯片分为两部分，左半部分为一个光栅耦合器与端面耦合器相连，右半部分为端面耦合器与集成光路相连。利用光栅耦合器进行线上测试，后续将左半部分划切掉，保留右半部分。

  该方案既利用了光栅耦合器线上测试的优势，最终芯片采用端面耦合器，又可以发挥端面耦合器的优点。此外相比于以上其他几种方案，该方案并没有引入新颖的结构，只是在原有基础上将光栅耦合器与端面耦合器进行组合，非常巧妙。

  以上是几种晶圆级别的测试方案。个人觉得方案2和4比较好，方案1需要离子注入和激光退火，增加了工艺的复杂度，方案3需要制备专门的PLC芯片。

  在集成光路设计中，为了后续方便快速地进行光的耦合测试，通常将I/O端口平行排布，如下图所示：

(图片来自文献1)

  晶圆级测试对于降低硅光芯片的成本意义重大，唯有实现快速高效的在线测试，才能提高光芯片的良率。在芯片设计时，也需要考虑到方便后续的测试，两者相辅相成。

  参考文献：

  1. R. Polster, et.al., "Challenges and solutions for high-volume testing of silicon photonics "

  2. R. Topley, et.al., "Locally Erasable Couplers for Optical Device Testing in Silicon on Insulator", Journ. Light. Tech. 32, 2248(2014)

  3. F. Morichetti, et.al., "Non-Invasive On-Chip Light Observation by Contactless Waveguide Conductivity Monitoring", IEEE Jour. Sel. Top. Quan. Electron. 20, 8201710(2014)

  4. R. Polster, et.al., "Wafer-scale high-density edge coupling for high throughput testing of silicon photonics", OFC 2018

  5. Novack, et.al.,"Test systems and methods for chips in wafer scale photonic systems", US patent