光電探測器對位設備的運作原理與產業應用：半導體製程中的關鍵技術

先說結論

嗯...今天要聊的這個...「光電探測器對位設備」，名字很長啦，聽起來很複雜。但...說穿了其實很簡單。就是...你想像一下，在一根比頭髮還細的光纖裡面，要把光...很準、很準地打到另一端一個超級小的點上。這個點，可能是一個晶片上的接收器。

這台設備，就是負責做這個「對準」的動作。沒對準，光就跑掉了，訊號就沒了。就...這麼回事。聽起來像是在做一件很精密、很無聊的事，但如果沒有它，很多我們現在覺得理所當然的高科技...大概都會癱瘓。

所以...這東西到底用在哪？

嗯...應用其實比想像中多很多。最直接的，就是那些需要光纖通訊的地方。比方說，你可能沒想過，你每天滑手機用的那些雲端服務，像 Google 或 Meta 的資料中心，裡面有成千上萬條光纖在傳輸資料。 這些光纖要把訊號送到交換器晶片裡，就需要非常精準的對位。 這裡面就有一種叫做「共封裝光學」[Co-Packaged Optics] 的技術，就是把光學元件跟電子晶片封裝在一起，對準的要求就變得...嗯...非常非常高。

還有，你手機上的 3D 臉部辨識功能，像是 Face ID，它需要發射和接收很精準的雷射光點陣列，這背後的生產過程，也脫不了關係。再來就是...最近很紅的自動駕駛，車子上面的光達 [LiDAR]，也是一樣的道理，雷射光的發射和接收，都需要在封裝的時候就對得非常準。差一點點，測出來的距離就天差地遠了。

它是怎麼...「對準」的？

這就得講到它的核心了。它不是一個簡單的...XY 平台，就是說，不是只有前後左右移動而已。 它有六個自由度 [Degrees of Freedom]。

你可以想像...你手上拿著一個小小的晶片，要跟另一個零件對準。你不只可以前後 [X軸]、左右 [Y軸]、上下 [Z軸] 移動...你還可以...嗯...稍微抬頭或點頭 [Pitch, 俯仰]，左右搖頭 [Yaw, 偏航]，或是像...歪著頭那樣側轉 [Roll, 滾轉]。 對，總共這六個方向的微調，都要能控制，而且精度是微米...甚至奈米等級的。 這種多軸平台，常常會做成一個六支腳的樣子，所以也叫「六足平台」[Hexapod]。

有了這個六軸平台之後，接下來就是「怎麼知道有沒有對準」的方法。這裡就分成兩大派了...一個叫「主動對位」，另一個叫「被動對位」。

主動跟被動差在哪？

這個...主動跟被動 [Active and Passive Alignment] 是兩種完全不同的哲學。 一個是邊看邊調，一個是相信自己一開始就做得很準。 我整理一下，可能會比較清楚。

國外跟台灣的狀況...好像有點不一樣

說到這種超精密的設備，大家第一個想到的...大概都是德國的公司，特別是 Physik Instrumente，簡稱 PI。 他們家做的六軸平台，可以說是這領域的...嗯...一個標竿吧。 不管是半導體、航太或光通訊，很多研究室和產線都看得到他們的設備。 他們的技術文件也寫得很清楚，從幾公斤到幾百公斤的承載能力都有。

那台灣呢？...台灣當然也有在做。畢竟我們是半導體封裝大國。 像工研院 [ITRI] 就有很多相關的研發，從矽光子整合到 Micro LED 都有投入。 設備廠商方面，像是均豪、志聖、萬潤、辛耘 這些公司，雖然不完全是只做光纖對位，但在整個先進封裝設備鏈裡，都扮演很重要的角色。 他們的強項在於...嗯...跟產線的整合，還有成本控制。國外大廠的設備可能很強，但是貴，而且...有時候要客製化，溝通起來很麻煩。台灣廠商的彈性就高很多，可以跟著像台積電這種大客戶的需求去調整。 所以在台灣，你會看到一個有趣的現象：研發階段可能用 PI 的設備來驗證概念，但真的要進大量生產時，常常就會導入本土設備廠的解決方案，或者是...混合使用。

實際生產會遇到的鳥事

當然，理想跟現實總是有差距。就算有了最頂級的設備，產線上還是會有一堆問題。

• 溫度變化：這大概是最麻煩的。機器開久了會熱，環境溫度變了，材料就會熱脹冷縮。你對準的精度是奈米級的，溫度差個一度，整個跑掉的位置可能就好幾微米了。所以整個廠房的溫控要非常非常穩定。
• 震動：隔壁機台在動，樓上有人在走路，甚至是...外面的大卡車經過，這些微小的震動，都會影響對位的結果。所以這種設備的地基通常都要特別處理，做隔震。
• 膠水：找到最佳位置後，要用 UV 膠或環氧樹脂把它固定住。但這個膠在固化的過程中，自己會收縮...然後就把你辛辛苦苦對好的位置給拉偏了。所以要用哪種膠、怎麼點膠、怎麼固化，都是很大的學問。
• 軟體演算法：主動對位聽起來很聰明，但它尋找最佳點的演算法也很重要。演算法寫不好，它可能...會在某個局部最佳解就停下來，而不是找到真正的全域最佳解。就有點像...在山區找最高峰，結果只找到附近的小山丘頂，就以為是聖母峰了。

未來的趨勢...會更頭痛

嗯...隨著 AI 和高速運算的需求越來越大，晶片功耗和訊號傳輸的瓶頸也越來越明顯。 所以「矽光子」[Silicon Photonics] 和前面提到的 CPO 技術就變得很關鍵。 簡單說，就是想辦法把光直接引到晶片裡面或晶片旁邊，取代掉越來越慢的銅導線。 這代表光路徑會越來越複雜，從單一光纖對單一接收器，變成光纖陣列 [Fiber Array] 要對準晶片上的一整排接收器陣列。 這時候，任何一點點角度的偏差，都會被放大，導致整排訊號都歪掉。這也讓主動對位的需求變得...嗯...更重要了，因為被動對位很難一次處理這麼多通道的累積公差。

所以，未來的對位設備不只要更準，還要...更快、更聰明。要能同時處理多個通道，還要能預測膠水固化、溫度變化的影響，提前做出補償。這...真的很挑戰。

總結來說，這是一個...嗯...很硬的技術領域。它藏在半導體製程的深處，一般人看不到，但它就像是串連起整個數位世界的...微小但不可或缺的螺絲釘。如果我是工廠老闆，要選主動還是被動...老實說，我也不知道。一個是慢但超準，一個是快但可能有點風險... 如果是你，你會選哪種製程？還蠻好奇大家的想法。