CN115971641B - 微纳米量级光芯片的非接触式修复设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光芯片修复技术及设备，是依据超快激光非接触式且微纳米量级调控材料的特点，作为修复光芯片的关键技术，并通过实时检测修复时光芯片的光学响应和修复状态变化、不断自动化反馈调整超快激光的修复参数，从而实现光芯片的性能提升和缺陷修复。该修复技术及设备可针对不同衬底、波导材料和结构的光芯片作为修复目标，精准调控不同光芯片局部的有效折射率变化，即对应特定的光学信息变化作为修复的关键机理，基于此能精确地将其性能修复到符合所需要求。本发明利用超快激光修复光芯片的技术具有效率高、精度高、品质一致性好的优势，结合超快激光修复光芯片的修复设备简单、功耗低和可扩展的优势，适用于晶圆级和芯片级的光芯片永久性修复。
Description
技术领域
本发明属于光芯片修复技术领域，更具体地说是涉及一种超快激光的晶圆级和芯片级的光芯片修复方法及设备。
背景技术
集成光子学具有实现高集成密度、降低功耗和高性能传输、计算和存储的潜力，可广泛应用于通信设备、数据中心、物联传感、人工智能等领域。不同的应用场景、不同光芯片所需的波导材料也有差异，常用于制作光芯片的波导材料有硅、铌酸锂、二氧化硅、以磷化铟、砷化镓为主的III-V族半导体、氮化硅和聚合物。由于光芯片亚微米波导尺寸使其对制造公差，膜层应力，材料缺陷等十分敏感，这导致在光芯片生产过程中会产生性能不达标的残次品以及芯片性能在晶圆上分布的一致性差，这会造成芯片的性能波动范围大、良率低、成本高。
通常，光芯片制造后通过改变波导或包层材料的折射率来校正制造误差，最常见的修复方法，如热光效应来改变波导或包层的有效折射率，但其修复系统复杂性和光芯片修复功耗增加，同时调控范围非常局限，只能对带有加热结构的部分光波导位置进行作用，这直接影响光芯片系统的成本效益和芯片修复精度。因此，这急需探索一种更加有效的芯片修复技术及设备。
超快激光，即飞秒激光或皮秒激光具有超短持续时间、超高峰值功率和亚微米量级加工精度等特点，这可在金属、半导体和透明介质材料表面或内部实现非接触式的加工、改性和后加工等多种处理，且整个加工过程无掩膜、对加工环境要求不高和加工设备可扩展的优势，由此为光芯片修复提供了一种全新的技术及设备途径。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供了一种光芯片的修复技术及设备，利用超快激光的超短持续时间、超高峰值功率、亚微米量级加工精度和非接触式调控材料等优势作为修复的关键技术，通过实时检测修复时光芯片的光学响应和修复状态变化、不断自动化反馈调整超快激光的修复参数，从而实现晶圆级和芯片级的光芯片精整修复。
为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：
一方面，本发明提供一种微纳米量级光芯片的非接触式修复设备，该微纳米量级光芯片由上至下包括光波导、芯片结构和衬底，其特点在于，包括超快激光光源、沿该超快激光光源的传输光路依次设置的光束调制模块和二向色镜，沿该二向色镜的反射光路设置物镜和微纳米量级光芯片，经该微纳米量级光芯片反射的光束经所述的二向色镜透射后，由CCD成像观测模块接收；所述CCD成像观测模块，用于定位光芯片修复区域、实时检测微纳米量级光芯片的形貌状态，并传输至计算机；还包括光芯片性能监测模块和计算机；所述光芯片性能监测模块，用于实时检测分析微纳米量级光芯片修复前后的光学信息变化，所述的计算机分别与所述超快激光光源、CCD成像观测模块和光芯片性能监测模块相连，通过程序设定，实时监控修复状态、实时反馈调节激光修复参数、实现各模块之间的协同控制。
所述超快激光光源为飞秒激光光源或皮秒激光光源。
所述光束调制模块，用于调制所述超快激光光源发出的脉冲光束的能量大小、偏振方向和波长范围，以满足修复微纳米量级光芯片所需光束参数。
所述的物镜安装在位移台上，用于将调制后的光束聚焦于微纳米量级光芯片的表面，并通过移动位移台的位置来改变光束聚焦点在光芯片的位置及聚焦光斑的尺寸大小。
所述的光芯片性能监测模块包括测试光源、供微纳米量级光芯片放置的多轴联动位移台以及接收设备，所述的光芯片性能监测模块是采用光纤耦合结构对微纳米量级光芯片进行光的耦合输入/输出，所述的测试光源经由安装在多轴联动位移台上的单模光纤输出，调整多轴联动位移台使输入光纤的尾端和输出光纤的入射口分别对准微纳米量级光芯片的两个光纤耦合结构，输出光纤会将光芯片的输出光导入接收设备，用于分析光芯片修复前后的光学信息变化。
所述光纤耦合结构包括光栅耦合结构和端面耦合结构。
所述接收设备包括光谱仪和探测器。
所述的微纳米量级光芯片可实现光的发射、调制、传输、处理以及探测的功能。
所述修复是修改所述光芯片的有效折射率，包括改变波导材料和/或包层材料的有效折射率。
所述的光波导包括：铌酸锂波导、二氧化硅波导、III-V族半导体(磷化铟、砷化镓波导、氮化硅波导、聚合物波导、硅绝缘体(SOI)波导、硅纳米线波导；所述的衬底材料包括：磷化铟，砷化镓，聚合物，氮化硅，硅；所述的芯片结构包括：马赫-曾德干涉仪、微环谐振器、波导布拉格光栅、阵列波导光栅、刻蚀衍射光栅、定向耦合器、多模干涉耦合器、偏振转换器；所述的光芯片波导材料为铌酸锂、二氧化硅、以磷化铟、砷化镓为主的III-V族半导体、氮化硅、聚合物、硅。
所述计算机中存在光芯片修复模型库，用于建立修复光芯片目标模型做参考，并进一步记录、存储被修复光芯片的光学响应和形貌状态；
根据实时测量修复光芯片的光学信息和形貌信息与修复模型库中目标模型的性能作比较分析，来反馈调控超快激光光源输出的激光脉冲参数。
另一方面，本发明还提供了一种微纳米量级光芯片的非接触式修复方法，待修复的微纳米量级光芯片由上至下包括光波导、芯片结构和衬底，其特点在于，包括如下步骤：
步骤①将微纳米量级光芯片放置于上述的修复设备中；
步骤②根据微纳米量级光芯片的光波导平台材料与芯片结构设定超快激光光源的脉宽、频率、功率、波长等参数，并利用光束调制模块调节与修复光芯片对应的光束能量和方向；
步骤③通过光芯片性能监测模块先确定光芯片修复前的光学信息变化，并微调多轴联动位移台确定光芯片中光纤耦合结构的最佳耦合测试条件；
步骤④通过位移台上下移动物镜确定聚焦点的位置及聚焦光斑尺寸大小，并通过CCD成像观测模块确定被修复局部区域，将整形的光束通过物镜聚焦于被修复光芯片(9)的区域表面；
步骤⑤通过CCD成像观测模块结合光芯片性能监测模块实时分析光芯片的修复情况，并将修复后的光学响应实时传入计算机与最终目标光芯片模型的光学信息作比较分析，通过程序设定实时反馈调控超快激光光源输出的激光脉冲参数；
步骤⑥重复触发步骤S4至步骤S5，实时检测、实时反馈控制修复能量、不断提高超快激光修复光芯片的性能精度，直至被修复的光芯片性能符合指标要求，则随后反馈关闭超快激光光源的输出；
步骤⑦对不同衬底、不同结构和不同波导平台的光芯片性能响应在修复期间和/或之后被记录和存储，建立并更新光芯片模型数据库、便于同类型光芯片的反馈修复。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
利用超快激光非接触式且微纳米量级调控光芯片作为修复的关键技术，并通过修复设备实时检测修复时光芯片的光学响应和修复状态变化、不断自动化反馈调整超快激光的修复参数，从而实现光芯片的精整修复。
利用超快激光修复光芯片的技术具有效率高、精度高、品质一致性好的优势，结合光芯片修复设备简单、功耗低和可扩展的优势，适用于晶圆级和芯片级的光芯片永久性修复，这将改善芯片性能，提高芯片良率，惠及整个光电子芯片产业。
附图说明
图1为本发明微纳米量级光芯片的非接触式修复设备的示意图。
图2为本发明实施例对马赫-曾德干涉仪光芯片的修复示意图。其中，(a)超快激光修复光芯片的图像，左侧是放大10×的光器件结构，右侧是放大100×修复区域的形貌变化,(b)修复前后光芯片的光谱响应，对应修复后光谱存在蓝移。
图中：1-超快激光光源、2-光束调制模块、3-CCD成像观测模块、4-二向色镜、5-物镜、6-位移台、7-光芯片性能监测模块、8-测试光源、9-光芯片、10-光芯片波导平台、11-芯片结构、12-光纤耦合结构、13-光芯片衬底、14-多轴联动位移台、15-接收设备、16-计算机。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的光芯片精整修复技术及其修复系统装置作进一步说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1为本发明微纳米量级光芯片的非接触式修复设备的示意图，如图所示，一种微纳米量级光芯片的非接触式修复设备，包括超快激光光源1、光束调制模块2、CCD成像观测模块3、二向色镜4、物镜5、位移台6、光芯片性能监测模块7和计算机16。超快激光光源1可以是飞秒激光或皮秒激光，提供修复光芯片9所需的激光参数。光束调制模块，包括衰减片、半波片、偏振片等，是指超快激光光源1发出的脉冲激光通过光束调制模块2整形设定为与被修复光芯片9对应的激光脉冲的功率、脉宽、脉冲数、频率、波长、偏振方向等参数。被修复光芯片9的构造包括：光波导10、芯片结构11、衬底13；所述光芯片9的波导平台10包括：铌酸锂波导、二氧化硅波导、III-V族半导体(磷化铟、砷化镓)波导、氮化硅波导、聚合物波导、硅绝缘体(SOI)波导、硅纳米线波导；光芯片9的衬底材料13包括：磷化铟，砷化镓，聚合物，氮化硅，硅；光芯片9的芯片结构11包括：马赫-曾德干涉仪、微环谐振器、波导布拉格光栅、阵列波导光栅、刻蚀衍射光栅、定向耦合器、多模干涉耦合器、偏振转换器；其中，所述被修复光芯片9由上述某一种衬底13材料和至少一种光波导10平台、光芯片结构11组成；被修复光芯片9可实现光的发射、调制、传输、处理以及探测的功能；被修复光芯片9的波导材料为铌酸锂、二氧化硅、以磷化铟、砷化镓为主的III-V族半导体、氮化硅、聚合物、硅；所述修复是修改所述光芯片9的有效折射率，具体包括改变波导材料和/或包层材料的有效折射率；被修复光芯片9是否加包层取决于超快激光修复波导平台10材料的性能；包层材料包括SiO2、Al2O3、ITO、ZnS或MgF2等；所述修复结果取决于实时测量光学性能的变化。所述修复后光芯片的光学信息是通过光纤耦合结构12和光纤耦合对准输出；所述光纤耦合结构12包括：光栅耦合结构和端面耦合结构；
所述修复后光芯片的光学信息包括：光在光芯片中的反射、散射、透射、折射、吸收等修复后引起的光学响应；所述CCD成像观测模块3包括CCD探测器、显微物镜、白光光源组成，采用以上成像结构，工作稳定可靠，能够在高温环境下长时间实时拍摄光芯片修复情况。所述光芯片性能监测模块7包括:测试光源8、多轴联动位移台14和接收设备15组成，用于实时检测分析光芯片修复前后的光学信息变化；具体包括：将光芯片放置在多轴联动位移台14上，采用光纤耦合结构12对光芯片9进行光的耦合输入/输出，测试光源8的光经由安装在多轴联动位移台14上的单模光纤输出，输出光纤会将光芯片9的输出光导入接收设备15，用于分析光芯片修复前后的光学信息变化。所述接收设备15包括光谱仪和探测器。所述光纤耦合结构12包括：光栅耦合结构和端面耦合结构；所述多轴联动位移台14，其表面有真空吸附孔，便于光芯片9的衬底13材料真空吸附固定。所述多轴联动位移台12为六维工作平台，便于微调光芯片上光纤耦合结构12与输入/输出光纤的对准耦合效率。所述CCD成像观测模块3结合光芯片性能监测模块7实时检测被修复光芯片的光学响应和形貌状态；所述计算机16与CCD成像观测模块3、光芯片性能监测模块7和超快激光光源1连接，通过程序设定，将光芯片修复后的光学信息和形貌信息实时传入计算机16中，并和最终目标模型的性能作比较分析，通过程序设定来进一步反馈调控超快激光光源1输出的激光脉冲参数，实时检测、多次反馈控制，直至最终修复出符合指标要求的光芯片9。
采用上述所述发明的光芯片修复设备，结合本发明提供的光芯片修复技术，其修复步骤如下所述:
本实施例选用的光芯片9的衬底材料13为硅，光芯片9的波导平台10为硅绝缘体(SOI)，光芯片9的结构11为马赫-曾德干涉结构，如图2(a)所示。
步骤S1，所选光芯片9放置在多轴联动位移台14上，并根据光芯片波导平台10材料与光芯片结构11类型设定超快激光的脉宽、频率、功率、波长等参数，并通过光束调制模块2来设定超快激光脉冲的偏振方向和光功率大小；
步骤S2：通过光芯片性能监测模块7先确定光芯片修复前的光学信息变化，并微调多轴联动位移台14确定光芯片9的最佳耦合测试位置，采用光谱仪作为接收设备，如图2(b)中黑色谱线为修复前测试的光谱信息；
步骤S3：通过位移台5上下移动确定物镜6聚焦点的位置及聚焦光斑尺寸，并通过CCD成像观测模块3确定被修复局部区域，将整形的光束通过显微物镜聚焦于被修复光芯片9的表面，这也保证了光芯片修复实验的可重复性；
步骤S4：通过CCD成像观测模块3结合光芯片性能监测模块7实时分析光芯片9的修复情况及对应光谱变化，并通过程序设定将修复光谱信息实时传入计算机16中和目标模型的光谱信息作比较分析，来进一步反馈调控超快激光光源1输出的修复参数；
步骤S5：重复触发步骤S3至步骤S4，实时检测、实时反馈控制激光修复参数、不断提高超快激光修复光芯片的性能精度，直至被修复的光芯片9性能符合指标要求，如图2中检测发现黑色谱线蓝移到灰色谱线及为所需修复状态，则随后反馈关闭超快激光光源1的输出；
步骤S6：对不同衬底、不同结构和不同波导平台的光芯片性能在修复期间和/或之后被记录和存储，建立并更新光芯片模型数据库、便于同类型光芯片的反馈修复；
本发明的核心在于提供一种光芯片修复技术及设备，基于超快激光非接触式且微纳米量级的修复技术，使修复的光芯片具有效率高、精度高、品质一致性好的优势，其次，基于超快激光修复光芯片的修复设备简单、可扩展性、低功耗、对加工环境要求低、因此大大降低了生产成本，最终可实现晶圆级和芯片级的光芯片修复。
以上所描述的实施例是本发明中的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，上述实施例的描述仅出于对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍落入本发明的保护范围内；例如:使用不同类型的激光器作为激光光源，设置不同的修复参数，不同的探测设备来接收光芯片修复响应、应用不同结构、不同包层、不同波导平台及不同衬底材料的光芯片，上述加工系统模块的不同组合等。
Claims (8)
1.一种微纳米量级光芯片的非接触式修复设备，该微纳米量级光芯片由上至下包括光波导(10)、芯片结构(11)和衬底(13)，其特征在于，包括超快激光光源(1)、沿该超快激光光源(1)的传输光路依次设置的光束调制模块(2)和二向色镜(4)，沿该二向色镜(4)的反射光路设置物镜(5)和微纳米量级光芯片，经该微纳米量级光芯片反射的光束经所述的二向色镜(4)透射后，由CCD成像观测模块(3)接收；所述CCD成像观测模块(3)，用于定位光芯片修复区域、实时检测微纳米量级光芯片的形貌状态，并传输至计算机(16)；还包括光芯片性能监测模块(7)和计算机(16)；所述光芯片性能监测模块(7)，用于实时检测分析微纳米量级光芯片修复前后的光谱信息变化，所述的计算机(16)分别与所述超快激光光源(1)、CCD成像观测模块(3)和光芯片性能监测模块(7)相连，通过程序设定，实时监控修复状态、实时反馈调节激光修复参数、实现各模块之间的协同控制;所述的物镜(5)安装在位移台(6)上，用于将调制后的光束聚焦于微纳米量级光芯片(9)的表面，并通过移动位移台(6)的位置来改变光束聚焦点在光芯片(9)的位置及聚焦光斑的尺寸大小;
所述的光芯片性能监测模块(7)包括测试光源(8)、供微纳米量级光芯片放置的多轴联动位移台(14)以及接收设备(15)，所述的光芯片性能监测模块(7)采用光纤耦合结构(12)对微纳米量级光芯片(9)进行光的耦合输入/输出，所述的测试光源(8)经由安装在多轴联动位移台(14)上的单模光纤输出，调整多轴联动位移台(14)使输入光纤的尾端和输出光纤的入射口分别对准微纳米量级光芯片(9)的两个光纤耦合结构(12)，输出光纤会将光芯片(9)的输出光导入接收设备(15)，用于分析光芯片修复前后的光谱信息变化。
2.根据权利要求1所述的微纳米量级光芯片的非接触式修复设备，其特征在于，所述超快激光光源(1)为飞秒激光光源或皮秒激光光源。
3.根据权利要求1所述的微纳米量级光芯片的非接触式修复设备，其特征在于，所述光束调制模块(2)，用于调制所述超快激光光源(1)发出的脉冲光束的能量大小、偏振方向和波长范围，以满足修复微纳米量级光芯片所需的光束参数。
4.根据权利要求1所述的微纳米量级光芯片的非接触式修复设备，其特征在于，所述光纤耦合结构(12)包括光栅耦合结构和端面耦合结构；所述接收设备(15)包括光谱仪和探测器。
5.根据权利要求1所述的微纳米量级光芯片的非接触式修复设备，其特征在于，所述的微纳米量级光芯片(9)实现光的发射、调制、传输、处理以及探测的功能。
6.根据权利要求5所述的微纳米量级光芯片的非接触式修复设备，其特征在于，所述修复是修改所述光芯片(9)的有效折射率，包括改变波导材料和/或包层材料的有效折射率。
7.根据权利要求1或5或6所述的微纳米量级光芯片的非接触式修复设备，其特征在于，所述的光波导(10)包括：铌酸锂波导、二氧化硅波导、III-V族半导体波导、氮化硅波导、聚合物波导、硅绝缘体(SOI)波导、硅纳米线波导；所述的衬底(13)包括：磷化铟，砷化镓，聚合物，氮化硅，硅；所述的芯片结构(11)包括：马赫-曾德干涉仪、微环谐振器、波导布拉格光栅、阵列波导光栅、刻蚀衍射光栅、定向耦合器、多模干涉耦合器、偏振转换器；所述的光芯片(9)波导材料为铌酸锂、二氧化硅、以磷化铟、砷化镓为主的III-V族半导体、氮化硅、聚合物、硅。
8.一种微纳米量级光芯片的非接触式修复方法，待修复的微纳米量级光芯片由上至下包括光波导(10)、芯片结构(11)和衬底(13)，其特征在于，包括如下步骤：
步骤① 将微纳米量级光芯片(9)放置于权利要求1-7任一所述的修复设备中；
步骤② 根据微纳米量级光芯片(9)的光波导 (10)材料与芯片结构(11)设定超快激光光源(1)的脉宽、频率、功率、波长参数，并利用光束调制模块(2)调节与修复光芯片(9)对应的光束能量和方向；
步骤③ 通过光芯片性能监测模块(7)先确定光芯片(9)修复前的光学信息变化，并微调多轴联动位移台(14)确定光芯片(9)中光纤耦合结构(12)的最佳耦合测试条件；
步骤④ 通过位移台(6)上下移动物镜(5)确定聚焦点的位置及聚焦光斑尺寸大小，并通过CCD成像观测模块(3)确定被修复局部区域，将整形的光束通过物镜(5)聚焦于被修复光芯片(9)的区域表面；
步骤⑤ 通过CCD成像观测模块(3)结合光芯片性能监测模块(7)实时分析光芯片(9)的修复情况，并将修复后的光学响应信息实时传入计算机(16)与最终目标光芯片模型的光学信息作比较分析，通过程序设定实时反馈调控超快激光光源(1)输出的激光脉冲参数；
步骤⑥ 重复触发步骤④至步骤⑤，实时检测、实时反馈控制修复能量、不断提高超快激光修复光芯片的性能精度，直至被修复的光芯片(9)性能符合指标要求，则随后反馈关闭超快激光光源(1)的输出；
步骤⑦ 对不同衬底(13)、不同芯片结构(11)和不同光波导 (10)的光芯片(9)性能响应在修复期间和/或之后被记录和存储，建立并更新光芯片模型数据库、便于同类型光芯片(9)的反馈修复。
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