CN220105336U - 用于测量半导体晶圆中裸片的边缘耦合设备对准的系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于测量半导体晶圆中裸片的边缘耦合设备(20)对准的系统(10)。该系统(10)包括一个或更多个光源(11)、一个或更多个异形光纤(12)、定位设备(13)、控制单元(14)和观察设备(15)。该异形光纤(12)可选择性地连接至该光源(11)，该定位设备(13)能够相对于该边缘耦合设备(20)定位该异形光纤(12)。该控制单元(14)控制该光源(11)和该定位设备(13)并确定该异形光纤(12)相对于该边缘耦合设备(20)中波导(22)的入口(23)的位移和旋转角度。通过该系统，可提供边缘耦合设备在晶圆级的对准的精确测量。
Description
技术领域
本文作出的公开一般地涉及硅光子学，更具体地，涉及一种在硅光子集成芯片(photonics integrated chip，PIC)设备的制造期间用于测量半导体晶圆中裸片的边缘耦合(edge coupling)设备对准的系统。
背景技术
单片集成光子电路主要用作包括高性能计算(high performance computing，HPC)、设备间互连和光存储器扩展(optical memory extension，OME)在内的应用中的光数据链路。单片集成光子电路作为移动设备中的输入/输出手段也非常有用，可以使移动设备与主机设备和/或云服务器之间的数据交换快速进行，而无线技术或电缆则无法做到。
由于与大多数现有半导体制造技术的兼容性，硅光子集成电路(photonicsintegrated circuit，PIC)设备在制造成本和技术成熟度方面更具优势。然而，光输入/输出(input/output，I/O)入口(entrance)在用于将光耦合至光纤以进行传输/接收的硅PIC设备中是一项重要问题。对于光纤到芯片的耦合，应用有两种不同的光学耦合，即平面外耦合和平面内耦合。光栅耦合器主要用于平面外耦合，而边缘耦合器用于平面内耦合。边缘耦合器在耦合效率、宽带宽和偏振独立性方面优于光栅耦合器。然而，由于可用于接近边缘耦合器的沟槽宽度窄(通常≤100μm)，晶圆级边缘耦合器的对准测量实非易事。在封装成本昂贵的情况下，准确可靠的测量结果有助于确定已知良好的裸片(known-good-die)，以便进一步封装到最终产品中。
美国专利号：US 7,113,671 B2公开了一种用于将光耦合到光波导设备的核心的光耦合设备，其中耦合设备的表面被形成透镜，以衍射和会聚从光源接收的光。锥形或漏斗形波导通过单次/多次内反射，进一步将光会聚到会聚点。该设备占用巨大的空间，因此对于狭窄沟槽中的光耦合而言，既不经济，也不高效。
图5示出了一种传统的对准测量方式，其中将尖锐的透镜光纤(1)插入到相对于边缘耦合器(2)的波导倾斜的沟槽(3)中，使得光纤(1)的尖端靠近波导的入口。该解决方案需要相对较大的沟槽宽度(>200μm)以合理的角度(～20°)倾斜尖锐的透镜光纤。此外，当用于耦合窄沟槽(≤100μm)时，由于模场直径(mode field diameter，MFD)的不匹配，耦合损耗仍然非常高(通常每个面>8dB)。
因此，需要一种系统和方法，用于在硅光子集成芯片(PIC)制造期间以简单且成本高效的方式测量半导体晶圆中裸片的边缘耦合设备的对准，达到耦合损耗最小，同时避免需要高端精巧的布置。
实用新型内容
至少针对上述问题，本实用新型提供了一种用于测量半导体晶圆中裸片的边缘耦合设备的对准的系统。该系统包括一个或更多个光源、可选择性地连接至该光源的异形光纤、用于相对于该边缘耦合设备定位该异形光纤的定位设备以及用于控制该光源和该定位设备的控制单元。该控制单元还能够确定该异形光纤相对于该边缘耦合设备中波导的入口的位移和/或旋转角度。此外，观察设备用于识别该异形光纤相对于该边缘耦合设备的位置。
在优选实施例中，该异形光纤被配置为改变光通过该异形光纤传播的方向，更优选地，相对于该异形光纤的轴成90°角。此外，用光传感器测量该波导的入口处接收到的光的强度，该控制单元根据测量的光强度自动控制该定位设备。
由于该异形光纤可以改变光的方向，该异形光纤可以很容易地插入至狭窄的沟槽中，同时使光耦合效率最大化。
因此，避免了对用于最佳耦合的较宽沟槽的需求，从而使边缘耦合设备的尺寸最小化，这转而增加了单个半导体晶圆中的裸片数量。此外，本实用新型使光耦合最大化，从而提供边缘耦合设备在晶圆级对准的精确测量，这转而有助于确定已知良好的裸片，以进一步封装到最终产品中，并避免损坏的或有缺陷的裸片移动至最终产品中。
附图说明
通过下文给出的详细描述和附图，本实用新型将得到充分理解，其中附图仅以示例方式给出，因此其对于本实用新型并无限制性，其中：
在附图中：
图1示出了根据本实用新型示例性实施例的用于测量半导体晶圆中裸片的边缘耦合设备的对准的系统的示意图；
图2示出了根据本实用新型示例性实施例的在粗略对准期间插入至边缘耦合设备的沟槽中的异形光纤的示意图；
图3示出了根据本实用新型示例性实施例的在精细对准期间插入至边缘耦合设备的沟槽中的异形光纤的示意图；
图4示出了根据本实用新型第一实施例的用于制造该设备的方法的流程图；
图5示出了根据本实用新型的常规实施例的在对准期间插入至边缘耦合设备的沟槽中的尖锐透镜光纤的示意图；和
图6示出了根据本实用新型示例性实施例的插入至边缘耦合设备的倾斜沟槽中的异形光纤的示意图。
具体实施方式
本文公开了本实用新型优选实施例的详细描述。然而，应当理解，这些实施例仅仅是本实用新型的示例，其可以以各种形式进行体现。因此，本文公开的细节不应被解释为限制性的，而仅作为本公开范围的基础和教导本领域技术人员的基础。说明书中使用的数值数据或范围不应被解释为限制性的。以下对优选实施例的详细描述将根据附图进行单独或组合地描述。
本实用新型涉及一种用于在硅光子集成芯片(PIC)设备的制造期间测量半导体晶圆中裸片的边缘耦合设备的对准的系统和方法。本实用新型包括被配置为改变光的方向的异形光纤，以相对于该异形光纤的轴成90°的角度，改变输入到该异形光纤中的光的方向。由于该异形光纤能够以90°的角度改变光的方向，该异形光纤可以垂直插入至该边缘耦合设备的沟槽中，同时使与该边缘耦合设备的水平波导的光耦合最大化。因此，避免了对用于最佳耦合的较宽沟槽的需求，从而使边缘耦合设备的尺寸最小化，这转而增加了单个半导体晶圆中的裸片数量。此外，本实用新型使光耦合最大化，从而提供边缘耦合设备在晶圆级对准的精确测量，这转而有助于确定已知良好的芯片，以进一步封装到最终产品中，并避免将损坏的或有缺陷的裸片移动至最终产品中。
参考附图，图1示出了根据本实用新型示例性实施例的用于测量半导体晶圆中裸片的边缘耦合设备的对准的系统的示意图。系统(10)包括一个或更多个光源(11)、异形光纤(12)、定位设备(13)、控制单元(14)和观察设备(15)。此外，系统(10)包括用于支撑包括多个裸片的半导体晶圆的支撑器件(未示出)，其中每个裸片可包括有待测试以校准的边缘耦合设备(20)或边缘耦合设备阵列。应当理解，系统(10)还包括连接到诸如交流主电源、电池和/或发电机等电源的电源模块(未示出)，用于向系统(10)的部件供电。
边缘耦合设备(20)包括一个或更多个沟槽(21)和一个或更多个波导(22)，其中每个波导(22)的入口(23)形成在对应的沟槽(21)的壁上。优选地，波导(22)平行于边缘耦合设备(20)的顶表面。可替代地，根据硅PIC设备的具体要求，一个或更多个波导(22)可以相对于边缘耦合设备(20)的顶面倾斜。然而，每个波导的入口(23)可以平行于或倾斜于相应沟槽(21)的壁。
异形光纤(12)被配置为改变光通过异形光纤(12)传播的方向。在优选实施例中，异形光纤(12)被配置为以相对于异形光纤(12)的轴成90°的角度改变输入到异形光纤(12)中的光的方向。可替代地，异形光纤(12)也可以根据倾斜沟槽(21)构造的具体要求配置为以锐角或钝角改变光的方向，如图6所示，其中从异形光纤(12)射出的光束平行于波导(22)的轴。
优选地，异形光纤(12)包括能够会聚光线的透镜，例如球透镜，其中透镜形成有平坦表面，该平坦表面被抛光，以反射入射在平坦表面上的任何光线。可替代地，该平坦表面涂有反射涂层，例如银涂层，用于反射光线。该平坦表面相对于异形光纤的轴的倾斜角决定了传播光方向的变化角。优选地，平坦表面相对于异形光纤(12)的轴所成的角度使得当通过其中传播的光线入射在该平坦表面上时，该光线相对于异形光纤(12)的轴以90°反射，并在从异形光纤(12)中射出时被透镜会聚。
光源(11)包括激光源和可见光源，可通过任何常规的耦合设备，例如光开关，选择性地连接至异形光纤(12)。优选地，在相对于波导的入口(23)粗略地对准异形光纤(12)时，用可见光源连接到异形光纤(12)，而在相对于入口(23)精细地对准异形光纤(12)时，用激光源连接到异形光纤(12)。
观察设备(15)用于识别异形光纤(12)相对于边缘耦合设备(20)的位置。此外，观察设备(15)用于检测指示裸片中边缘耦合设备(20)的沟槽(21)的位置的位置标记。在优选实施例中，裸片在制造期间通过蚀刻或任何其他常规标记方式来形成该位置标记。在开始粗略对准之前，使用观察设备(15)检测位置标记，然后将异形光纤插入至沟槽(21)中，使得异形光纤(12)相对于位置标记成第一角度被定位在第一位置。
观察设备(15)是光学观察设备，例如显微镜、照相机-显示器组合或能够放大沟槽(21)以被操作定位设备(13)的手动操作者看到的任何其他设备。在粗略对准期间，异形光纤(12)相对于波导(22)倾斜并插入至沟槽(21)中，如图2所示。此外，利用定位设备(13)调整异形光纤(12)相对于入口(23)的角度和/或距离，使得从异形光纤(12)射出的光束宽度与入射口(23)的宽度之间的差异在预定范围内。优选地，该差异在-5至5微米的范围内。此外，在粗略对准期间，异形光纤(12)相对于边缘耦合设备(20)移动和/或旋转，使得从异形光纤(12)中射出的光束和波导(22)彼此同轴。
在优选实施例中，定位设备(13)是一个或更多个机械臂或任何其他能够根据通过控制单元(14)从手动操作员接收到的一个或更多个命令，相对于边缘耦合设备(20)移动和/或旋转异形光纤(12)的机械机构。更优选地，控制单元(14)包括诸如键盘、操纵杆、触摸屏等的输入设备，用于操作者输入命令。例如，操作者通过观察设备(15)观察并相应地输入用于定位异形光纤(12)的命令。
在替代实施例中，系统(10)可以在自动模式下运行，其中控制单元(14)包括一个或更多个微控制器，被配置为基于来自一个或更多个传感器(未显示)的输入自动控制定位设备(13)。例如，控制单元(14)可以接收来自图像传感器的输入(该图像传感器捕获入口(23)以及入射在入口(23)上的光束的静止图像或视频图像)以计算宽度差并相应地控制定位设备(13)。此外，控制单元(14)能够控制光源(11)。可选地，光源(11)包括由控制单元(14)控制的用于粗略对准以及用于精细对准的单个激光源。
粗略对准完成后，手动或自动控制定位设备(13)，相对于入口(23)精细地对准异形光纤(12)。无论是手动还是自动操作模式，均将激光源光耦合至异形光纤(12)。系统(10)包括耦合到波导(22)的光传感器(24，如图3所示)，如光电二极管，用于测量在波导(22)的入口(23)处接收到的光的强度，其中所测量的光强度使用显示设备例如LCD屏幕来显示。
基于测得的光强度，控制定位设备(13)对异形光纤(12)进行精细对准，直到测得的光强度达到最大水平。可替代地，控制单元(14)接收测得的光强度，自动控制定位设备(13)对异形光纤(12)进行精细对准，直至测得的光强度达到最大值。
完成精细对准后，控制单元(14)将异形光纤(12)相对于位置标记的位置和角度标记为第二位置和第二角度。此外，控制单元(14)根据第一位置、第一角度与第二位置、第二角度之间的差异，确定异形光纤(12)相对于波导(22)的入口(23)的位移和/或旋转角度。在完成精细对准后，控制单元(14)确定第一位置、第一角度与第二位置、第二角度之间的位移和/或旋转角度作为对边缘耦合设备(20)对准的测量。该对准测量被存储，并在裸片的进一步处理例如边缘耦合设备的测试过程中，用于容易且快速地识别每个裸片中的边缘耦合设备相对于位置标记的对准。
由于本实用新型包括能够改变光输入的方向的异形光纤(12)，因此可以将异形光纤插入至狭窄的沟槽(≤100μm)中，以简单且成本高效的方式在晶圆级对边缘耦合设备进行对准测量，且不影响耦合效率，无需高端复杂布置。因此，避免了对用于最佳耦合的较宽沟槽的需求，从而使边缘耦合设备的尺寸最小化，这转而增加了单个半导体晶圆中的裸片数量，从而使制造成本最低化。此外，本实用新型因为使光束平行进入波导使光耦合最大化，从而提供边缘耦合设备在晶圆级的对准的精确测量，这转而有助于确定已知良好的裸片以进一步封装到最终产品中，并避免损坏或有缺陷的裸片移动至最终产品中。
图4示出了根据本实用新型示例性实施例的用于测量半导体晶圆中裸片的边缘耦合设备的对准的方法的流程图。方法(100)包括以下步骤：(a)相对于边缘耦合设备中的波导的入口，将至少一个异形光纤定位在第一位置(110)，相对于该入口对准该异形光纤(120)，以及测量该边缘耦合设备的对准(130)。优选地，在对准步骤期间，通过观察设备连续监测异形光纤相对于入口的位置。
在优选实施例中，对准步骤包括粗略对准步骤和精细对准步骤。在粗略对准步骤期间，异形光纤连接到可见光源，以使光线穿过异形光纤，然后相对于波导的入口粗略地对准异形光纤。在精细对准步骤期间，可见光源被激光源代替，使激光穿过异形光纤，相对于波导的入口精细地对准异形光纤。
在开始粗略对准步骤之前，通过以下方式，相对于波导的入口定位异形光纤，使用观察设备检测形成在包括边缘耦合设备的裸片表面上的位置标记，然后将异形光纤插入至沟槽中，使得异形光纤处于第一位置并且相对于位置标记成第一角度。第一位置和第一角度由用于控制定位设备的控制单元确定，该定位设备能够相对于边缘耦合设备移动和/或旋转异形光纤。
异形光纤被配置为改变光通过异形光纤传播的方向。在优选实施例中，异形光纤被配置为以相对于异形光纤的轴成90°的角度改变输入到异形光纤中的光的方向。可替代地，异形光纤也可以根据沟槽构造的具体要求配置成以锐角或钝角改变光的方向，如图6所示。
优选地，异形光纤包括能够会聚光线的透镜，例如球透镜，其中透镜形成有平坦表面，该平坦表面被抛光，以反射入射到该平坦表面上的任何光线。可替代地，平坦表面涂有反射涂层，例如银涂层，用于反射光线。平坦表面相对于异形光纤的轴的倾斜角决定了传播光方向的变化角。优选地，平坦表面相对于异形光纤的轴成角度，使得当通过其中传播的光线入射在该平坦表面上时，该光线相对于异形光纤的轴以90°反射，并在从异形光纤中射出时被透镜会聚。
在异形光纤被定位在第一位置和第一角度之后，开始粗略对准步骤，其中，操作定位设备以调整异形光纤相对于边缘耦合设备的入口的角度和/或距离。调整异形光纤的角度和/或距离，直到波导的入口宽度与从异形光纤中射出的光束的宽度之间的差异在预定范围内，优选为-5至+5微米。此外，粗略对准异形光纤，以使光束与波导同轴。
粗略对准完成后，手动或自动控制定位设备，以相对于入口精细对准异形光纤。激光源被光耦合至异形光纤，以将激光束传递到波导，并且测量在波导入口处接收到的光的强度。优选地，诸如光电二极管的光传感器被耦合至波导以测量光强度，并使用诸如LCD屏幕的显示设备显示所测量的光强度。基于测得的光强度，控制定位设备对异形光纤进行精细对准，直到测得的光强度达到最大水平。可替代地，控制单元接收测得的光强度，以自动控制定位设备对异形光纤进行精细对准，直到测得的光强度达到最大水平。
完成精细对准后，控制单元将异形光纤相对于位置标记的位置和角度识别为第二位置和第二角度。此外，异形光纤相对于波导入口的位移和/或旋转角度由控制单元分别通过计算第一位置、第一角度与第二位置、第二角度之间的差异来确定。在完成精细对准后，异形光纤从第一位置和第一角度到第二位置和第二角度所经历的位移和/或旋转角度作为对边缘耦合设备相对于位置标记的对准测量而被确定。该对准测量值被存储，并在裸片的进一步处理例如边缘耦合设备的测试过程中，用于容易且快速地识别每个裸片中的边缘耦合设备相对于位置标记的对准。
由于本实用新型包括能够改变光输入的方向的异形光纤，因此可以将异形光纤插入至狭窄的沟槽(≤100μm)，以简单且成本高效的方式，在晶圆级对边缘耦合设备进行对准测量，且不影响耦合效率，无需高端复杂布置。因此，避免了对用于最佳耦合的较宽沟槽的需求，从而使边缘耦合设备的尺寸最小化，这转而增加了单个半导体晶圆中的裸片数量，并使制造成本最低。此外，本实用新型因为使光束平行进入波导使光耦合最大化，从而提供边缘耦合设备在晶圆级的对准的精确测量，这转而有助于确定已知良好的裸片，以进一步封装到最终产品中，并避免损坏或有缺陷的裸片移动至最终产品中。
尽管在上述实施例中，本实用新型应用于测量形成为接收光信号的无源设备的边缘耦合设备的对准，但是应当理解，本实用新型还可以应用于测量有源设备例如边发光二极管的对准，其中光传播方向与上述实施例中描述的光方向相反。
本文使用的术语仅用于描述特定示例实施例的目的，而不旨在限制。如本文所用，单数形式“一”和“所述”也可意在包括复数形式，除非上下文清楚地另有说明。术语“包括”、“包含”和“具有”为开放性的，因此其指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、组件和/或其群组。
本文描述的方法步骤、过程和操作不应被解释为必须以所讨论或说明的特定顺序进行执行，除非具体标识为执行顺序。还应当理解，可以采用额外的或替代的步骤。使用“至少”或“至少一个”的表述暗示使用一个或更多个元素，因为该使用可以在其中一个实施例中实现一个或更多个期望的目的或结果。
Claims (4)
1.一种用于测量半导体晶圆中裸片的边缘耦合设备对准的系统，包括：
(a)一个或更多个光源，其中至少一个光源发射激光；
(b)至少一个异形光纤，可选择性地连接至所述光源；
(c)至少一个定位设备，用于相对于所述边缘耦合设备定位所述异形光纤；
(d)控制单元，用于控制所述光源和所述定位设备，并用于确定所述异形光纤相对于所述边缘耦合设备中的波导的入口的位移和旋转角度中的至少一个；
(e)至少一个观察设备，用于观察所述异形光纤相对于所述边缘耦合设备的位置，
所述系统的特征在于，所述异形光纤被配置为改变光通过所述异形光纤传播的方向。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述异形光纤被配置为相对于所述异形光纤的轴，以90°的角度改变光的所述方向。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括至少一个光传感器，用于测量在所述波导的所述入口接收到的光的强度。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述控制单元基于由所述光传感器测量的光强度来自动控制所述定位设备。
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2021
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| WO2022031225A1 (en) | 2022-02-10 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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