矽光子自動測量設備運作原理與產業應用現況解析

重點一句話

嗯...簡單說，就是用全自動化的機器，在矽晶圓還沒切開前，就先把上面成千上萬個「光的小晶片」一個一個測完。這件事現在變得很重要，因為AI跟資料中心需要更快的速度，傳統的電路快跟不上了，只好用光來跑。

主要就是CPO [Co-Packaged Optics]。以前是電晶片歸電晶片，光模組歸光模組，在外面才接起來。現在為了更快、更省電，要把光引擎 [photonic engine] 直接跟交換器晶片 [switch ASIC] 封裝在一起。

你想想，東西都封死了才發現有問題，那整顆就報廢了，成本太高。所以，必須在封裝前，也就是在晶圓階段 [wafer-level] 就把所有問題都抓出來。這就是自動化測量設備存在的理由。

國際上像OIF [Optical Internetworking Forum] 這種組織，一直在推新的標準，像是CEI-112G之類的，逼著大家往更高速度走。台灣這邊，因為半導體製造很強，從台積電到日月光，整個供應鏈都在動起來，準備迎接這個趨勢。

這台機器...很複雜。它不像以前測純電晶片那麼單純。它得同時搞定「電」跟「光」的訊號。

整個流程大概是這樣：

晶圓載入：跟一般半導體廠一樣，機械手臂把一片12吋的矽光子晶圓放上測試平台 [Chuck]。
電性測試：探針卡 [Probe Card] 會降下來，接觸晶片上的電極點，送入電訊號，看看基本的電路功能正不正常。
光學測試（最麻煩的部分）：這才是重頭戲。需要一個非常精密的光纖陣列 [Fiber Array]，通常是6軸或更多軸的機械手臂，帶著光纖去對準晶片上比頭髮還細的光柵耦合器 [Grating Coupler]。
對光與量測：對準之後，從一端打光進去，在另一端收光，測量光的損耗 [Insertion Loss]、反射 [Return Loss]、不同偏振態的影響 [PDL] 等等。這一步要快、要準，不然沒辦法量產。
數據收集：把每一顆晶粒 [die] 的光電特性都記錄下來，好的做記號，壞的也做記號，然後機器手臂再移到下一個。

整個過程必須在一個溫控穩定的平台上進行，因為溫度一跑掉，光的特性也會跟著變。這也是為什麼旺矽這種做溫控平台的廠商，會說這是他們的核心技術之一。

對光...真的是惡夢。晶片上的光波導可能只有幾百奈米寬，你要讓光纖精準地把光打進去，還要用另一根光纖在另一頭完美地接收，這個對位的精度要求非常非常高。差一點點，測出來的數據就全錯了。

所以現在的設備都是「主動對位」，一邊送光，一邊看接收到的功率，然後微調平台或光纖陣列的位置，直到找到功率最大的那個點。這需要很強的演算法跟閉迴路控制 [closed-loop control]。

台灣有些廠商，像高明鐵，就專門做這種高精度的對位平台。國外的像VIAVI、是德科技 [Keysight] 則是提供整套的量測儀器跟解決方案。

這兩者差很多... 我整理一下思緒。

比較項目	傳統純電晶圓測試	矽光子晶圓測試
探測介面	就只有探針卡，接觸金屬pad，很單純。	很麻煩。要有電的探針卡，還要有光纖陣列去對光。兩種東西要同時下去，還不能打架。
對位方式	機器視覺對準pad就好，二維的，相對簡單。	六軸以上的主動對位。不只是X-Y，還有Z軸高度、旋轉...都是奈米等級的精度。
環境控制	溫控也很重要，但主要是為了電性穩定。	溫度超級敏感。溫度一跑，雷射波長、元件特性都變了，所以溫控平台要求更高。
測試項目	電壓、電流、時序... 都是電的參數。	除了電的，還要測一堆光的參數：光功率、插入損耗、波長相依性... 等等。
設備複雜度	就是一台Prober加上一台Tester。	Prober、Tester、還要加上可調式雷射、光功率計、偏振控制器... 一大堆光學儀器，整個系統整合起來很頭痛。

很多人以為這只是把光學儀器加到半導體機台上那麼簡單，但其實不是。

良率的定義變了：以前電性過了就好。現在是電要過，光也要過。一個元件只要光損耗太大，就算電性100分，也是廢品。
測試時間就是金錢：主動對光非常花時間。如果每一顆die都要花幾十秒甚至幾分鐘去找光，那產能根本出不來。所以現在都在追求平行測試，比如一次測好幾個die，或者用多通道光纖陣列一次測完一個die的所有光學I/O。
標準還在演進：國際標準（像OIF）跟客戶自己的標準可能不太一樣。設備商要能彈性對應，軟體要寫得夠活，才能滿足不同客戶的需求。這點跟美國大廠主導的規格，到台灣實際生產時會遇到的狀況，常常有落差。
不只是硬體，軟體才是靈魂：怎麼聰明地、快速地找到最佳光耦合位置，怎麼整合光、電、熱的量測數據並判斷好壞，這些都是軟體演算法的功勞。