从实验室到量产如何突破硅光晶圆级测试挑战？

如今，AI时代来临，AI数据中心的发展迫使整个互联系统迎来巨大的变革。随着XPU、AI专用芯片、HBM以及交换芯片的带宽需求持续快速上升，关键问题不再仅仅是：“集群有多少张算力卡”，“芯片是否足够快”，而是“数据是否能够以合理功耗同时又满足高速互联需求实时地传输进出芯片”。

交换芯片带宽过去十年增长超过30倍，单GPU带宽需求已经>10 Tbps，同时数据中心的单位能效正在不断上升。在高带宽和高密度的数据传输应用场景下，铜互连面临着诸多挑战，包括功耗问题、信号完整性问题、热管理问题，以及封装面积限制等问题。随着800G、1.6T甚至更高速度的光模块逐渐成为AI数据中心的基本需求，单纯依赖可插拔的光模块或传统的板级连接方式，已经越来越无法满足下一代AI架构的需求。光互联架构正从原来单纯追求“单波速率”的线性增长，转向对“带宽密度”“能效比”和“系统集成度”的多维博弈。

在此背景下，硅光技术逐渐成为业界关注的焦点。

什么是硅光技术？

硅光技术可以认为是利用CMOS工艺或者类CMOS工艺，以硅或者硅基衬底材料作为光学介质，在硅片上实现高密度光子器件集成，实现大规模的光子集成电路的一类新兴半导体工艺。

硅光（Silicon Photonics）技术凭借其高器件、高带宽密度，兼容CMOS工艺实现规模化生产，低功耗等特性得到越来越多的关注，并引领光互联架构从可插拔光模块迈向NPO（近封装光学，Near Packaged Optics），CPO (共封装光学Co-Packaged Optics)演进。

是德科技作为全球领先的测试测量公司，在硅光芯片的设计、研发和生产阶段提供全面测试方案和技术支持。

硅光晶圆级实验室测试挑战与方案

硅光晶圆级测试本质上是传统半导体测试技术与光子器件特殊需求的结合，然而，由于光信号的引入，许多传统电子测试方法已经无法直接适用，例如：传统的电学探针无法完成光信号的耦合与测量。同时需要考虑O to O，O to E，E to O，O+E to O等涉及DC/Optical/RF不同信号域的测试，目前广泛遇到的难点在于如何高效、准确地进行光芯片的晶圆测试。

对于实验室测试场景，通常面临五大测试挑战：

1测试测量仪器的带宽与可扩展性：随着单波速率向400G/Lane演进，对仪表带宽提出更新的要求，同时，通道数从几个增加到几十个，仪器的串联和扩展极其复杂。

2波长与功率的绝对/相对精度：光子器件通常为相位敏感型器件，对光信号的波长十分敏感，如何保证激光源发出的波长、功率，在经过长时间运行后，读数依然精准。

3去嵌：在 67GHz 甚至 110GHz 以上的高频射频（RF）测试中，电缆和探针自身的损耗和寄生效应必须通过复杂的数学模型和去嵌算法将其“扣除”。

4光纤/电探针下针与耦合：硅光测试要求电针（DC/RF）和光纤（Fiber Array）同时下针/光纤耦合，在微米级空间内互不干扰且完美对准，同时需要支持多种耦合方式。

5自动化测试：光电一体化自动扫描测试需要统一同步控制各类光学、电学仪表并对波长、偏置电压等多个参数进行扫描。

表1. 不同信号域器件测试参数与测试仪表

以微环调制器（Micro-Ring Modulator，MRM）测试为例，MRM是PIC芯片中的核心器件之一，MRM凭借其极小尺寸，低功耗，天然支持高密度片上波分复用（WDM）等特性，成为业界面向CPO等应用的重点关注技术方向。同时MRM又对工艺和温度十分敏感，需要对其静态和动态性能进行精确地表征和评估。

是德科技硅光晶圆级实验室验证测试方案，包含可调谐激光器（Tunable Laser Source, TLS）、偏振控制器（Polarization Controller）、光功率计（Optical Power Meter）、光开关（Optical Switch）、源测量单元（SMU），配合PathWave KS8400自动化软件测试系统，能够同时完成器件偏置电压扫描（DC Sweep）、电热调谐控制（Heater Tuning）、光谱扫描（Spectrum Scan）以及高频调制特性（RF Test）的全面表征，如图1和表2。

图1. PIC芯片测试原理图

表2. 仪表选型

基于实测获得的光谱波长扫描数据所示，系统能够提取微环调制器的关键性能参数，包括峰值波长（Peak Wavelength）、自由光谱范围（FSR）、消光深度（Valley Depth）以及半高宽（FWHM）等指标。依托是德科技原厂可调谐激光器优异的波长精度与长期扫描稳定性，测试系统可实现皮米级（pm）的精度以及亚皮米级波长分辨率和高重复性测量，有效避免因波长漂移或扫描误差导致的参数偏差。即使面对高Q值微环器件极窄的谐振线宽，也能够准确捕获谐振谷位置及其形状变化，从而精确评估器件耦合状态、工艺一致性以及温度调谐特性，为设计优化、提供可靠的数据基础，如图3。

图3. 微环调制器波长扫描

硅光晶圆级量产测试挑战与方案

1 什么是光学晶圆允收测试（OWAT）？为什么需要OWAT？

传统光通信行业较为依赖工程调校和特定工艺专有技术（Know-how）的积累。当模块/产品产量相对可控、伴随技术路线更新带来的产品迭代周期较长时，这种模式是可行的。

但当NPO/CPO（Near-Packaged Optics近封装光学，Co-Packaged Optics共封装光学）产业逐渐走向量产，传统依赖人工经验的模式正在面临挑战。供应链需要更快的产能爬坡、更接近半导体测试行业节奏的制造效率、以及更严格的一致性/可靠性。

如图4所示，我们可以将面向Scale-out应用场景的CPO大规模量产（HVM）典型测试流程分为三个阶段。第一阶段是对PIC的晶圆级测试。第二阶段是对集成 EIC-PIC 结构的晶圆级测试。第三阶段是在切割后的裸片或芯片级别对光引擎进行测试。

只有在通过这些阶段之后，才会推进到最终测试，即针对先进ASIC/CPO 封装的系统级测试。相比传统可插拔光模块，CPO产品的最终形态需要与先进ASIC共同封装。一旦缺陷PIC进入后续封装环节，损失的不再仅仅是一颗光芯片，而可能是价值更高的电芯片。换句话说，测试必须“向左移（Shift Left）”，其中关键的一步是在Insertion 1进行光学晶圆允收测试（Optical Wafer Acceptance Test, OWAT）才能在PIC与昂贵的EIC封装之前，尽早识别失效芯片，避免缺陷芯片流入后续制程。同时，通过大规模晶圆级测试数据，及时发现工艺漂移、设备状态变化及制造过程中的波动，为工艺优化和良率提升提供快速反馈，从而保障整个系统的最终良率和量产稳定性。

图4. PIC、OE、CPO测试阶段

SOI（绝缘体上硅）是一种常见的硅光技术工艺，SOI的核心是在硅衬底上嵌入一层二氧化硅埋氧层（BOX），再在上方生长单晶硅薄膜。这一结构原本为解决CMOS 的寄生效应、漏电流问题而生，却同时成为硅光子学的核心材料基础，硅与二氧化硅的巨大折射率能使得光场能够被限制在亚微米尺度硅波导中，支撑高密度光子集成，但也意味着PIC芯片对工艺制造偏差非常敏感。而实际量产过程中可能存在：

•关键尺寸（CD）偏移（例如光刻、刻蚀带来的波导宽度波动）

•刻蚀深度变化

•侧壁倾角变化

•膜厚非均匀性

•线边粗糙度

这些微小的变化都会影响光子器件的：

•有效折射率 Effective Index

•耦合长度 Coupling Wavelength

•谐振波长 Resonance Wavelength

•插入损耗 Insertion Loss

以方向耦合器（Directional-coupler）的为例，往往在设计阶段需要对多种工艺偏差进行DOE（Design of Experiments），而在实际晶圆制造过程中不同区域仍可能表现出性能差异。微环调制器甚至为了弥补工艺带来的工作波长波动，需要进行晶圆级的波长修调（Trimming)。

如何确保在量产阶段这些工艺带来的性能变化能够准确地被测试出来？这就需要OWAT环节建立工艺过程与器件性能之间的持续反馈闭环，实现工艺监控和优化。通过大规模的晶圆测试数据，晶圆厂可以持续建立工艺参数与器件性能之间的关联关系，实现量产优化。

2 OWAT测试面临哪些挑战？

传统的EIC测试注重多工位并行测试、标准化夹具、自动化设备处理、快速校准和高吞吐量。然而，光学测试引入了额外的复杂性：光纤、光纤阵列单元（FAU）、波导端面、耦合效率和光路损耗等因素都可能影响测量结果。

在晶圆测试阶段，电探针与焊盘之间的电气接触相对容易实现标准化。然而，对于采用光栅/边缘耦合器的PIC而言，每次测试都需要保证光纤与耦合器之间达到最佳耦合状态，需要精确控制三维定位、角度、距离、偏振态等因素。实验室阶段的验证可以依靠工程师来调试设备、进行校准以及手动对准光学接口。而大规模量产（HVM）的OWAT测试系统需要同时满足：

•高精度耦合

•高重复性与一致性

•全自动化测试

•高吞吐量

3 Keysight OWAT 方案

是德科技与全球领先的硅光晶圆厂迭代合作多年，推出NX5402系列硅光晶圆级测试系统解决方案。

一站式的光电测试平台

NX5402系列融合是德科技原厂光学、电学测试测量技术，拥有 自主研发的光纤对准耦合与定位系统，NX5402是业内稀有的核心光学、电学测试资源均来自同一原厂技术体系的硅光晶圆级测试解决方案，实现从底层测试资源到系统级测试的深度协同，配合PathWave KS8400 光电自动化测试软件实现光电一体化自动扫描测试，为客户提供更高性能、更高可靠性和更低系统整合风险的量产测试平台，大幅降低了长期维护风险。

适配规模化量产

NX5402系列符合 SECS / GEM 工厂自动化标准，安全联锁 Safety Interlock + 洁净室适配，支持 300 mm 晶圆量产，全面支撑大规模量产制造场景使用需求。同时具备多通道测试能力，吞吐量大幅提升。

系统级性能保障

量产测试不仅关注单次测量精度，更强调长期运行过程中的一致性、可重复性和可追溯性。为此，NX5402系列配备是德科技自研的晶圆级光子校准技术（Calibration Kit），实现从光路到系统的全流程深度校准，并结合内置自动化诊断机制，持续监测关键性能指标，帮助客户建立稳定可靠的量产测试基线。凭借专属交付与支持模式，客户获得的不仅是一套测试设备，更是一套多年积累的硅光测试经验与量产实践，助力客户快速构建面向量产的测试能力。

Keysight NX5402系列硅光晶圆级测试系统，正赋能产业将实验室级硅光晶圆的测试能力转化为面向大规模制造的量产测试能力，为下一代光互连生态提供坚实支撑。

图5. Keysight NX5402系列