Разработка конструкции оптической зондовой станции для тестирования чипов фотонных интегральных схем

Основой компонентной базы для радиофотоники являются фотонные интегральные схемы. Их изготавливают на пластинах из полупроводникового материала диаметром 150, 200 мм. Такие пластины могут содержать тысячи различных компонентов, сгруппированных определенным образом в фотонные интегральные схемы (ФИСы, чипы). Полученная пластина в дальнейшем разрезается на отдельные чипы, количество которых может достигать десятков-сотен штук. Однако, в связи с возможными дефектами кристаллической структуры пластин и/или отклонениях в заданной топологии, и/или параметров технологических процессов при производстве фотонных интегральных схем на предприятиях в ФИС могут возникать различные отклонения от нормы, приводящие к неоднородности интегральных оптических волноводов по размерам и показателю преломления. Как следствие, характеристики изготовленной ФИС могут не соответствовать изначально заложенным требованиям. Для контроля параметров ФИС используются специальные зондовые станции. Самые простые решения (Класс 1), которые заявляются производителями как оптоэлектронные, представляют собой классическую СВЧ зондовую станцию с возможностью подвода одиночных оптических зондов вертикальным способом для работы с оптическим излучением через дифракционные решетки интегральной схемы. В таком случае для подвода зондов применяются ручные 3-осевые позиционеры с разрешением 1-3 мкм. Возможности таких установок весьма ограничены. Значительно ограничен круг решаемых задач, качество и повторяемость измерений, номенклатура тестируемых устройств. Также не представляется возможным масштабирование процесса. Поставка таких станций в РФ реализуется регулярно, в основном производства КНР (вкл. Тайвань). Также в РФ и РБ рядом организаций ведутся разработки зондовых станций для электрических измерений с автоматизированным или ручным подводом зондов. Задачу подвода оптических зондов, кроме одиночных зондов и ручным перемещением, никто из них не решает. При этом подвод оптических зондов выполняется с разрешением на 1-2 порядка более высоким, чем электрических, а также выполняется в 6 пространственных координатах. Вручную выполнение таких операций занимает очень много времени, и приносит результат только руками опытных научных сотрудников. Более сложные решения (Класс 2) представляют собой автоматизированные зондовые станции для работы с одиночными чипами и возможностью работы с подводом зондов горизонтально (с торца), что может выполняться с разрешением от 100 нм до 3 нм. Ряд научных и лабораторных коллективов в рамках своих предприятий автоматизировали задачу прецизионной юстировки оптических зондов. Такие решения вполне применимы внутри организации-разработчика. Однако, это не рыночные продукты, они не предлагаются к продаже в регулярном формате с должным техническим сопровождением и документаций. Задачей Проекта является создание системного задела, который можно будет сразу применять на рынке. Самые сложные решения (Класс 3) представляют собой комбинированные автоматизированные оптоэлектронные зондовые станции, которые за счет сложной системы манипуляторов (с переналадкой или без нее) позволяют прецизионно подводить электрические зонды и оптические зонды как вертикально, так и горизонтально с разрешением 50 нм и выше. Последние два класса зондовых станций, как правило, требуют индивидуального конфигурирования и комплектации, услуг пуско-наладки и обучения персонала Заказчика, а также возможности технического сопровождения в период эксплуатации. Чем сложнее станция, тем важнее быть в близком контакте с разработчиком-производителем установки. В текущей внешнеполитической ситуации проект поставки комбинированной автоматизированной зондовой станции (Класс 3) сопряжен с высокими техническими, экономическими и юридическими рисками. Вся цепочка технического сервиса, начиная с грамотной и прозрачной консультации, завершая ПНР и обслуживанием, либо невозможна, либо имеет низкое качество по причине необходимости привлечения в переговоры и цепочку поставки неквалифицированных посредников. Кроме того, по вышеуказанными причинам стоимость и без того дорогих проектов с применением премиальных автоматизированных систем выросла в 1,5-3 раза, что делает закупку таких зондовых станций недоступной широкому классу потребителей. Сложившаяся ситуация в интегральной фотонике аналогична другим высокотехнологичным отраслям РФ, постоянно обсуждаемым на уровне правительственных структур, отраслевых институтов и форумов. В этой ситуации приобретение дорогостоящих премиальных западных установок для единиц наиболее обеспеченных крупных пользователей не является системным решением проблемы технологического суверенитета в стратегических отраслях. Настоящий Проект и предлагаемая разработка автоматизированной оптической зондовой станции должны создать коммерчески привлекательную и доступную для широкого класса потребителей установку в комплекте с инженерной командой, сопровождающей и развивающей продукт и даже продуктовую линейку в будущем. Команда предлагает к реализации средний класс (Класс 2-3) технического решения, где наиболее точные, ответственные и рутинные операции подвода и юстировки оптических зондов автоматизированы и минимизируют человеческий фактор, а настройка позиции электрических зондов выполняется ручными позиционерами с помощью обзорных камер высокого разрешения и алгоритмов технического зрения. При этом в разработке будет создан задел для повышения класса зондовой станции за счет автоматизации всей системы юстировки зондов, развития технологии технического зрения. В ходе реализации проекта будет разработана зондовая станция, которая будет располагаться на платформе с активной виброзащитой. Крепление исследуемой пластины будет осуществляться с помощью вакуума на прецизионном 3-осевом столике, позволяющем перемещать и позиционировать пластину или одиночный чип в рабочую зону зондов во всем диапазоне. Подвод оптических зондов будет осуществляться с помощью 6-осевых манипуляторов с разрешением линейных осей не хуже 100 нм, широким угловым диапазоном поворотных осей, высокой точностью и повторяемостью позиционирования. Подвод электрических зондов будет осуществляться с помощью ручных 3-осевых позиционеров с линейным разрешением не хуже 3 мкм. Точность подвода будет контролироваться системой технического зрения. Для исключения возможного столкновения и контроля приближения зондовая станция будет снабжена системой датчиков, обеспечивающих деликатное касание и/или остановку движения в случае опасности. Управление зондовой станцией будет осуществляться с помощью центрального контроллера, обеспечивающего передачу данных на центральный компьютер и обратную связь с манипуляторами.