PIC 晶圓級測試：快速光纖對晶片對位與耦合峰值搜尋

摘要

光學輸入／輸出測試是光子積體電路（PIC）晶圓級製造的產能瓶頸：每一個待測元件在量測開始前，都必須先完成光學探針的主動次微米對位。本文描述一套量產型晶圓測試系統，其中以兩座 TRITOR 100 SG 三軸壓電奈米定位平台（各由一台 NV 40/3 CLE 三通道控制器驅動），在待測元件的輸入端與輸出端執行快速光纖對晶片對位及耦合峰值搜尋。外部產生的螺旋軌跡施加於控制器的類比調變輸入，同時將應變規位置監測輸出與光電二極體功率訊號同步取樣。其成果是在單次約 0.8 秒的開迴路掃描中，取得一張以實際位置為基準的耦合分布圖——使每個測試點的總對位時間約為 5 秒，可與約 10 秒的被動元件測試週期相容，並讓全晶圓光學測試以「小時」而非「天」計。

1. 背景：從電子到光子——以及為何測試產能決定誰能規模化

資料中心互連正從電氣訊號轉向光訊號。矽光子與共封裝光學（CPO）把光學介面從交換器面板直接推進到 ASIC 封裝端，為 AI 與超大規模資料中心應用帶來更高的頻寬密度與更低的每位元能耗。市場分析師普遍預估，未來十年矽光子與共封裝光學的年複合成長率將達 25–30%，主要由 AI 資料中心基礎建設驅動。

這場轉變帶來一個容易被低估的製造後果：光子晶片必須在晶圓級、於切割與封裝之前以光學方式完成測試。與電子晶粒不同，光子晶粒無法僅靠電性探測來驗證——光必須耦合進出晶片上的波導，才能檢驗每一個待測元件。由於共封裝組件的重工能力極為有限，在晶圓階段確認已知良品晶粒（Known Good Die, KGD）是不可或缺的程序：單一顆未測到的壞晶粒，就可能報廢整個多晶粒封裝。

業界對成本落點的共識同樣明確：光學對位是光子測試與封裝的主要時間與成本驅動因素，封裝與對位常被引述佔光子模組總成本的高達 80%。因此每一台光子晶圓探針機、每一間測試廠、每一家 PIC 製造商，都面臨同一個核心問題——如何在數秒內、每片晶圓數千次、全天候不間斷地，找出光纖探針與晶片上耦合器之間的光學耦合最大值。

2. 技術挑戰

2.1 次微米容差，無機械參考

單模光纖的模場直徑約為 10 µm；晶片上的邊緣耦合器與光柵耦合器的 1-dB 對位容差約在 ±0.5 至 ±1 µm，而高效率光斑尺寸轉換器的容差更嚴苛得多。沒有任何機器視覺或機械參考能可重複地把探針放進這樣的容差內。唯一有效的參考，就是光功率本身——對位必須以主動方式完成，也就是掃描探針並最大化量測到的耦合。

2.2 產能算術

這道算術毫不留情。即使每個被動元件都以約十秒完成測試，一片滿載晶圓的光對光（OO）測試也可能佔用探針機六到七小時。在這十秒的預算內，光學對位——通常在元件的輸入端與輸出端獨立進行——連同兩端探針的粗定位與精細峰值搜尋，合計不得超過數秒。每個測試點每多花一秒對位，對於具有 3,000 個以上測試點的晶圓，就約增加一小時的探針機使用時間。

2.3 控制的兩難：速度與實際位置之間的取捨

壓電致動器是唯一兼具足夠速度與精度的致動器類別，但它讓系統設計者面臨兩難：

開迴路操作能發揮平台的完整機械頻寬，允許數十赫茲的掃描軌跡——但壓電遲滯（通常為行程的 10–15%）與潛變，使指令電壓與實際位置不成線性對應。對指令訊號繪製的光功率分布圖會在幾何上失真，找到的「峰值」可能偏離真正的耦合最大值。

閉迴路操作以感測器回授來線性化運動，但伺服迴路——感測器雜訊濾波、控制器頻寬、穩定裕度與整定行為——會限制可用的軌跡頻率並引入相位延遲。對於快速螺旋或柵格掃描，保守的閉迴路設定可能犧牲掉相當可觀的掃描速度。

多數商用「對位引擎」產品把這道兩難封在一個封閉的專有控制器內。這是一種有效的做法——但它迫使設備整合商採用該供應商的控制器生態、演算法與軟體堆疊，也讓對位模組成為機台內部的黑盒子。

3. 應用：自動化晶圓探針台內的雙探針峰值搜尋

一家光子晶圓測試設備製造商，將 PSJ 壓電系統整合進一台自動化探針台，用於光－光（OO）及光－電（OE）晶片測試。其架構將粗定位與精定位清楚分離：

• 晶圓平台依晶圓圖在各站間步進；機器視覺提供光學探針的粗機械定位。
• 兩座 TRITOR 100 SG 平台——一座承載輸入光纖探針、一座承載輸出探針——執行精對位，各由一台 NV 40/3 CLE 三通道控制器驅動。
• 一台可調諧雷射饋入輸入探針；穿透光由光電二極體偵測，其電流經對數轉阻轉換器轉換，涵蓋 0.1 nA 至 10 mA——以單一類比訊號涵蓋八個數量級的光學動態範圍。
• 一張多功能資料擷取（DAQ）卡協調整個掃描：其類比輸出產生螺旋電壓波形，施加於 NV 40/3 CLE 的調變（MOD）輸入；其類比輸入則同步取樣轉換後的光功率與控制器的位置監測（MON）輸出。

3.1 關鍵概念：開迴路速度、感測器參照資料

決定性的架構元素，是對監測訊號的同步擷取。TRITOR 100 SG 內建的應變規感測器量測平台的實際運動；NV 40/3 CLE 讓此量測值以即時類比輸出提供。因此系統以開迴路方式掃描——發揮平台的完整動態能力、不受伺服頻寬限制——而耦合圖則由量測位置、而非指令電壓建構。

運動中仍會出現遲滯與潛變，但不再造成資料失真：每一個功率取樣都與它實際被擷取時的位置配對。所得三維光功率分布圖的峰值即為真正的耦合最大值，隨後即可下達指令，使平台移動至該位置。此方法結合了開迴路掃描的速度優勢與感測器量測系統的位置準確性——而無需伺服迴路去追蹤那條快速軌跡。

3.2 實測效能

參數	數值
開迴路螺旋掃描時間	約 0.8 秒
掃描軌跡頻率	26 Hz
每個測試點的對位流程	粗掃＋精掃，輸入與輸出探針
每個測試點總對位時間	約 5 秒
所得被動元件測試週期	約 10 秒
全晶圓 OO 測試	6–7 小時

4. 工程難題——以及如何解決

開迴路中的遲滯與潛變。在資料層級、而非致動層級處理。TRITOR 100 SG 的應變規量測系統正是為此而設計：它使遲滯在快速掃描期間可被觀測，而非試圖去抑制它。

指令與響應之間的相位延遲。在 26 Hz 下，平台響應在相位與振幅上都落後指令波形。由於功率與 MON 位置在同時的 DAQ 通道上取樣，這個延遲對耦合圖並無影響——兩個訊號共用同一時間基準。客戶並以雙通道示波器比對 MOD 指令與 MON 響應，確認平台在工作頻率下具有穩定且可重複的傳遞特性。

軌跡頻率與機械共振。TRITOR 100 SG 每軸共振頻率約 500 Hz。在 26 Hz 操作螺旋，使激振遠低於共振一個數量級以上，避免振鈴與軌跡失真，同時也為採用更快的掃描軌跡保留了餘裕。

光學動態範圍。在初次捕獲光訊號（first light）時，量到的光功率可能比最佳耦合點低上數個數量級；對數轉換器（0.1 nA–10 mA）讓整個搜尋範圍落在單一 ADC 輸入跨距內——掃描期間無需增益切換。

雙邊對位。輸入與輸出探針彼此互動——最佳化其中一側，會改變另一側所觀察到的最佳點；兩側採循序粗／精策略（左粗→左精→右粗→右精），可在 5 秒預算內可靠收斂。

全天候量產穩定性。TRITOR 100 SG 的固態撓性導引無摩擦、無潤滑劑、無微粒污染、無機械間隙——在連續掃描運作下沒有磨耗機制，這是探針機正常運轉率的前提。

5. PSJ 解決方案

5.1 TRITOR 100 SG——三軸壓電奈米定位平台

特性	TRITOR 100 SG
軸數	3 軸（X、Y、Z），平行運動學撓性設計
行程	每軸開迴路 100 µm／閉迴路 80 µm
解析度	開迴路 0.2 nm／閉迴路 2 nm（搭配 NV 40/3 CLE）
共振頻率	約 500／550／480 Hz（X／Y／Z）
內建感測器	每軸應變規（SG）
尺寸	40 × 40 × 34 mm³
導引	固態撓性鉸鏈——無摩擦、無間隙、無磨耗

100 µm 的三軸掃描體積，能從容涵蓋機器視覺粗定位後所需的擷取範圍；而 40 mm 的緊湊立方體，可整合進晶圓吸盤上方受限的探針頭空間——與電性探針、攝影機及第二支光學探針並存。

5.2 NV 40/3 CLE——三通道壓電控制器

• 三組放大通道整合於單一桌上型單元——一台控制器對應一支三軸探針。
• 每通道類比 MOD 輸入：由外部波形產生（DAQ、FPGA、函數產生器）直接驅動平台。對位演算法仍歸屬於設備整合商的財產與設計選擇。
• 每通道類比 MON 輸出：即時應變規位置訊號，供同步擷取——這是以實際位置為基準的開迴路映射得以實現的關鍵。
• 所有通道皆可切換至閉迴路操作——適用於重視線性化點對點定位更勝於掃描速度的製程步驟。
• USB/RS-232 介面，供機台軟體進行設定點控制與參數設定。

5.3 為何開放架構在此重要

來自更大型運動供應商的整合式對位引擎，往往在現成整合演算法的效能上表現亮眼。對於希望把對位當作封閉子系統的設備整合商而言，這是合理的選擇。PSJ 的做法不同——而依我們日益增加的客戶經驗，光子測試設備製造商往往把對位策略視為自身的智慧財產與競爭差異化來源。對他們而言，PSJ 提供精密機構與類比即時介面；客戶則擁有演算法、時序、軟體堆疊與系統整合。這樣的分工避免了控制器綁定、使物料清單（BOM）保持精簡，並讓對位程序可隨客戶的測試流程持續調整，而不必遷就供應商的韌體路線圖。

6. 超越晶片測試：此架構的延伸應用

同一套快速峰值搜尋功能模組——緊湊三軸壓電平台、類比驅動、同步位置讀回——適用於任何「光必須在光纖與小孔徑之間主動耦合」的場合：

• 用於收發器、CPO 與光學 I/O 的 PIC 晶圓級與晶粒級測試——即本文所述的應用。
• 將光耦合至光電二極體與探測器陣列，以表徵光電元件。
• 光子封裝中的主動對位：光纖貼合、透鏡貼合、以及接合或焊接前的雷射對 PIC 耦合。
• 老化與壽命測試站——耦合須週期性重新優化以追蹤熱漂移。
• 量子光子學、光達（LiDAR）與具有類似光纖對晶片介面的感測模組。

7. 總結

兩座 TRITOR 100 SG 平台搭配 NV 40/3 CLE 控制器，於自動化光子晶圓探針台中，以每個測試點約五秒完成完整的雙邊光纖對晶片對位與耦合峰值搜尋，其中外部產生的 26 Hz 螺旋掃描於 0.8 秒內完成。開迴路掃描速度與同步應變規位置讀回的結合，可建立幾何位置正確的耦合分布圖，同時避免閉迴路軌跡追蹤所造成的頻寬限制。

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