随着高速数据处理和低延迟通信需求的持续增长，硅光子技术（SiPh）已成为从5G、数据中心到量子计算和激光雷达等领域的基础性技术。然而，硅光子器件制造中长期存在的瓶颈在于缺乏可扩展、可重复的晶圆级边缘耦合解决方案——直到现在。

在FormFactor，工程师与IHP Microelectronics合作，开发出业界首款专为硅光子集成电路（PIC）设计的全自动晶圆级边缘耦合测量系统。这一突破重新定义了晶圆测试标准，实现了更快的自动化速度、更高的耦合效率以及更稳定的测量一致性。

晶圆测试中边缘耦合为何至关重要

传统晶圆级光学测试通常采用光栅耦合器。虽然结构简单，但存在带宽限制和偏振依赖性等缺陷，限制了其在先进应用中的实用性。相比之下，边缘耦合具有带宽更宽、损耗更低、偏振问题极少的优势，成为高性能光子器件的理想选择。然而，晶圆级边缘耦合长期受限于机械结构挑战、对准困难以及探针易损等问题。

这正是FormFactor创新技术的突破所在。

我们系统的核心是Pharos透镜——这是一种采用双光子光刻技术制造的微光学探针，可实现纳米级分辨率。其潜望镜结构将垂直光路转换为水平光束路径，从而实现与硅波导的高效面内耦合。在200毫米晶圆上的测试表明，该探针可实现低至1.51 dB/端面的耦合损耗，性能优于切割光纤阵列，并能在一系列工作距离内保持高效率。

Pharos透镜的关键特性包括：

• 可定制的模场直径（MFD），实现更优化的波导匹配

• 兼容沟槽采用不影响背景的基准标记，实现精密机器视觉对准和V型槽两种晶圆结构

• 采用不影响背景的基准标记，实现精密机器视觉对准

该先进测量解决方案基于FormFactor CM300xi探针台构建，集成以下系统：

• eVue显微镜系统：提供亚微米级分辨率成像

• Vuetrack控制算法：实现误差补偿与漂移校正

• 自适应光学与梯度搜索算法：将每个芯片的对准优化与测试时间缩短至5秒以内

最终成效如何？即使在长时间测试中，也能保持小于0.2 dB的测量重复性误差和0.01 dB以内的稳定性。

边缘耦合 vs 光栅耦合：对比测试结果

采用IHP 0.25µm光子BiCMOS工艺制造的光电二极管结构进行了大规模晶圆级测试。边缘耦合与光栅耦合的对比显示二者光电二极管响应度基本一致：

• 边缘耦合：0.75 A/W

• 光栅耦合：0.79 A/W

这些结果表明，自动化边缘耦合性能与传统垂直耦合方法相当甚至更优，并具备直接适配实际封装的优势。

该系统对推动未来发展的器件测试具有革命性意义，包括5G收发器、量子光子学、AI加速器和自动驾驶激光雷达等应用。

通过实现边缘耦合器件的高通量生产级测试，该方案显著缩短光子制造全周期的量产时间并降低测试成本。