Test Setup Optimization and Automation for Accurate Silicon Photonics Wafer Acceptance Production Tests

2020 INTERNATIONAL CONFERENCE ON MICROELECTRONIC TEST STRUCTURES, April 6-9, EDINBURGH, UNITED KINGDOM

 

9.4

 

 

Test Setup Optimization and Automation for  Accurate Silicon Photonics Wafer Acceptance

Production Tests

Choon Beng Sia1, Tiong Leh Yap2, Ashesh Sasidharan2, Jun Hao Tan2, Robin Chen2, Jacobus Leo2, Soon Leng Tan2 and Guo Chang Man2

1FormFactor Singapore Pte. Ltd.

30 Marsiling Industrial Estate Rd 8, #05-02, Singapore 739193

Telephone: +65 6309 3450, Email: choonbeng.sia@formfactor.com

2GLOBALFOUNDRIES Singapore

60 Woodlands Industrial, Park D Street 2, Singapore 738406

Telephone: +65 6362 2838,Email: guochang.man@globalfoundries.com

 

 

 

Abstract  Implementing energy-efficient optical transceiver modules with silicon photonics (SiPh) and 3DIC technologies will help alleviate the increasing energy consumption for hyperscale data centers. To facilitate effective 3DIC heterogenous integration of these photonics integrated circuits for optical transceivers, high precision, repeatable and reliable SiPh wafer acceptance tests are essential and vital. This paper successfully demonstrated incident angle optimization for optical wafer tests as well as evaluation of a fully automatic SiPh wafer test architecture that is accurate and dependable, achieving excellent test correlations between passive and  active  devices  designed  with  grating-couplers  and  edge- couplers.

I.   INTRODUCTION

Worldwide data centers and networks for communications currently  consume  about  8%  of  the  earth’s  total  energy produced. To meet the increasing demands for cloud storage, computing and various emerging applications such as artificial intelligence, genomics revolution and video transcoding etc., hyperscale data centers are being built around the world at an accelerated pace, with analyst predicting up to 20% of earth's

 

 

 

 

total power output consumed in 2030, as shown in Fig. 1 [1]. Optical fiber communications within data centers and the use of Silicon Photonics (SiPh) to implement these optical transceivers present  a  very  attractive  option,  drastically  reducing  power consumption, cost and size ofthese transceiver modules.

In    addition,   the   mature    silicon    CMOS   processing technologies and advanced 3DIC packaging technologies both offer an established high-yield production solution to fabricate such    silicon-based    optical    transceivers.    For    effective heterogeneous integration and packaging of these silicon-based optical transceivers, individual functional chips, for example, logic, photonics and laser must all be tested prior to stacking and packaging. Key wafer test challenges such as optimizing the test setup, correlating results of wafer-level and final product tests, layout rules, test pads standardization and test automations to satisfy high throughput production test requirements, will all be discussed in this paper.

II.  OPTIMIZING TEST SETUP - FIBER HEIGHT AND FIBER INCIDENT ANGLE

Edge-coupling and grating-coupling methods, shown in Fig. 2, deliver laser in and out of photonics devices for production and wafer-level tests respectively [2]. In wafer-level tests where grating-couplers are used due to flexibilities in the placement of these grating-couplers, optimizing the test setup is critical for making   accurate   and   repeatable   optical   and   electrical measurements. This paper addresses 2 important aspects  fiber

 

 

 

 

 

 

 

 

978-1-7281-4008-7/20/$31.00 © 2020 IEEE

 

height and incident angle, as depicted in Fig. 3, with the single mode fiber and Z displacement sensor mounted on the fiber holder. The Z displacement sensor detects and ensures the fiber hovers at the correct height above the wafer surface. The fiber holder is secured to the 6-axis piezo positioner which facilitates ultra-fast fiber to grating-coupler alignment via real-time device optical or electrical feedback.

 

A.  Fiber Height

Using an optical waveguide with 2 grating-couplers as a test structure,  the  influence  of fiber  height  on  measurements  is studied by first moving the fiber to the desired fiber height, then scanning  and  aligning  to  the  best  coupling  position  before making  measurements.  These  steps  of  setting  fiber  height, scanning and aligning to the best fiber-coupling position must be performed for each setting of various fiber heights prior to making measurements. Fig. 4  shows that changing the fiber height from 15μm to 40μm, prior to making optical wafer tests, has  very  small  influence  on  the  measured  optical  power transmitted from the input to the output grating-coupler.

 

 

B.  Fiber Incident Angle

Fiber incident  angle,  on the  other hand, presents  a very different picture in Fig. 5. Even though the grating-coupler and fiber holder are designed for  incident angle, θY, when θY  varies from  to  using the 6-axis positioner, in steps of 0.5°, the optimized incident angle is surprisingly determined to be 9°, producing the smallest transmission loss for the wavelength of 1550nm.  Henceforth,  the  results  in  this   section   strongly recommend photonics test engineers to mandatorily investigate and optimize the best incident angle setup for their fiber holders and grating-couplers prior to making any wafer-level photonics device measurements.

 

III. CORRELATING GRATING-COUPLING AND EDGE-COUPLING PHOTONICS TESTS

To ensure accurate wafer-level photonics known-good-die (KGD)   tests   that   are   necessary   for   3DIC   heterogenous integration, good correlations between grating-coupling (wafer- level)   and   edge-coupling   (final   product)   tests   must   be established. Fig.  6 compares the measured power of optical waveguides  with  grating-couplers  and  edge-couplers  for  5 wafers, showing a gap of about 6 dB loss in optical power. By extracting  the  grating-coupler  and  edge-coupler  losses  with

 

 

 

img1

Fig.  7.    Extraction  of Grating-coupler  loss  using  cut-back  method  by extrapolating the plots  of optical power(dBm) vs  length(cm)  for  optical waveguide test structures at length = 0 cm.

img2

Fig. 8.  Unit Length Propagation Loss for Optical Waveguides tested using Edge-coupler  and  Grating-coupler,  normalized  by  subtracting  respective coupling losses using cut-back method described in Fig. 7 for a particular optical waveguide width.

img3

(a)

img4

(b)

Fig. 9.  S21 versus frequency plot with extracted 3dB bandwidth = 22.2 GHz for a typical optical modulator (a) and the difference in 3dB bandwidth for

optical modulators in the same die (across more than 20 dies) measured with grating-coupler   and   edge-coupler   test   structures,   showing   excellent correlations with 3dB bandwidth deviations ofnot more than 2.5 GHz (b).

 

 

optical  waveguides  of different  lengths  using  the  cut-back method [3] outlined in Fig. 7, at length = 0 cm, each grating- coupler and edge-coupler loss can be accurately determined. When these coupling losses are subtracted and the normalized propagation losses determined by dividing with the total length of each  optical  waveguide,  the  measured  results  of optical waveguides with grating and edge-couplers correlate very well for all the 5 wafers presented in Fig. 8. This approach has also been validated for an optical modulator integrated circuit as shown  in  Fig  9,  with  good  3-dB  bandwidth  performance correlations for modulators fabricated with grating-couplers and edge-couplers.

IV. TEST STRUCTURE LAYOUT RULES AND STANDARDIZATION

Wafer-level   characterization   of  photonics   devices   and circuits for wafer acceptance production tests involve DC, RF and   optical   measurements.   To   ensure   devices   can   be successfully  tested  after  the  first  pass  design  and  wafer fabrication, layout design rules and orientation standardization ofDC test pads, RF test pads and optical grating-couplers around a   device   under   test   (DUT)   must   be   established   and communicated to circuit designers and device engineers. In this work, the minimum spacing between DC, RF test pads and keep-

 

 

out spacings around grating-couplers for fiber to scan above the grating-couplers are first determined and documented as a set of layout design rules.

The input and output optical grating-couplers are fixed on the east and west sides of the DUT while the DC and RF test pads  are  fixed  in  the  north  and  south  sides  of the  DUT respectively,   as   shown   in   Fig.    10.   These   rules   and standardization ensure devices and circuits fabricated can be

 

 

successfully tested without probes and fibers colliding into each other. They also allow for motorized DC and RF positioners to be  used  with  minimum  probe-positioner  setup  changes  to facilitate production wafer acceptance tests when characterizing different  types  of passive  or  active  photonics  devices  and circuits.

V.  WAFER-LEVEL PHOTONICS TEST AUTOMATION

A fully automatic 300mm engineering probe system with wafer loader, shown in Fig. 11(a), is used for the 24/7 photonics wafer acceptance production test. Fig. 11(b) reveals an optical calibration auxiliary chuck designed next to the main 300mm wafer chuck to support in-situ automatic single fiber and fiber array calibrations, edge-coupling  fiber calibration as well as thermal optical wafer tests. Fig. 11(c) shows excellent fiber-to- grating-coupler repeatability of less than 0.1 dB for the fiber alignment   positioning   system   when   100   alignment-cum-

 

 

 

measurements are made repeatably on each of the 3 optical waveguides across 3 dies. As photonics circuits require fiber to grating-coupler alignment, optical, DC, RF test signals, they are very complex, tedious and time consuming to test. Henceforth, an automatic test architecture, implemented with electrical and optical switches is required. For example, to test the optical modulator in Fig.  12, first step is to scan and align fibers to grating-couplers  using  a  tunable  laser  source,  polarization synthesizer and optical power meter. This is accomplished with the laser set at the wavelength of interest, tuned to an optimized polarization state. With this setup, the next step is to measure the extinction ratio (ratio of optical power levels for digital signals of “1” and “0”) by introducing DC bias tuning. The final step is to connect the output fiber from the optical power meter to the lightwave  component  analyzer  (LCA)  to  measure  the  3-dB bandwidth  performance  of  the  optical  modulator.  In  this example, an optical switch that can be remotely controlled via GPIB (General Purpose Interface Bus), is used at the output fiber to toggle between the optical power meter and LCA so that a fully automatic test  architecture  can be  achieved  for  a high precision and efficient photonics wafer test setup.

VI. CONCLUSION

Optical transceiver implemented with the silicon photonics technology is key in reducing the energy needed to operate data centers around the world. Accurate and efficient wafer-level photonics  tests  are  crucial  for  KGD  tests  to  enable  3DIC integration  as  well   as  to  reduce  product  time-to-market. Optimizing the optical test setup, correlating results between wafer-level and final product tests, layout standardization as well as test architecture automation, are all critical in satisfying wafer acceptance production test requirements and they have been established and successfully demonstrated.

REFERENCES

[1]    A.   S.  G.  Andrae  and  T.  Edler,  “On  Global  Electricity  Usage  of

Communication Technology: Trends to 2030”, Challenges, Vol. 6, pp. 117-157, 2015.

[2]    S. Nambiar, P. Sethi and S. K. Selvaraja, “Grating-Assisted Fiber to Chip

Coupling for SOI Photonic Circuits”, Applied Sciences, Vol. 8, pp. 1142,

2018.

[3]    Yurii A. Vlasov and Sharee J. McNab, “Losses in single-mode silicon-on-

insulator strip waveguides and bends”, Optical Express, Vol. 12, Issue 8, pp. 1622-1631, 2014