Предложенный подход позволит с высокой точностью контролировать параметры фотонных интегральных схем (ФИС) как при отработке технологических операций, так и при массовом производстве, не разрушая при этом образцы.
23.05.2023
Радиофотоника, которую еще называют сверхвысокочастотной оптоэлектроникой, является сравнительно новым научно-техническим направлением, которое исследует способы генерации, передачи и обработки высокочастотных сигналов с помощью оптического излучения. Основная идея радиофотоники состоит в переносе сигнала с несущей радиочастоты на оптическую несущую частоту, обработке полученного оптического сигнала средствами фотоники, последующем детектировании оптического сигнала и окончательном переносе (возвращении) обработанного сигнала в радиодиапазон. В последнее десятилетие изучение радиофотоники активно переходит в практическую плоскость, поскольку ее принципы позволяют создавать более компактные электронные приборы и вычислительные устройства с существенно лучшими характеристиками по сравнению с классической электроникой.
Основой компонентной базы для радиофотоники являются так называемые фотонные интегральные схемы (ФИС). Их изготавливают на пластине из полупроводникового материала диаметром 3 и более дюймов. Такие пластины могут содержать тысячи различных компонентов, сгруппированных определенным образом в фотонные интегральные устройства (чипы). Полученная пластина в дальнейшем разрезается на отдельные чипы, количество которых может достигать десятков-сотен штук.
Однако в процессе технологического производства ФИС могут возникать различные отклонения от заданной топологии и параметров технологических процессов, приводящие к неоднородности интегральных оптических волноводов по толщине, ширине и показателю преломления. Это может приводить к тому, что характеристики произведенной ФИС не будут соответствовать изначально заложенным требованиям. Для контроля параметров ФИС используются специальные методы диагностики, большинство из которых сопряжено с повреждением или разрушением контрольных образцов.
«Мы разработали неразрушающий, быстрый и точный метод контроля качества фотонных интегральных схем с помощью измерения и дальнейшего анализа их передаточных характеристик».
Для применения нового метода в разные части пластины со схемами добавляются миниатюрные тестовые элементы. Оптическое излучение вводится в них из оптоволокна с поверхности подложки. Это позволяет измерить показатели, характеризующие ряд внутренних оптических параметров, которые описывают работу ФИС. Ключевыми из них являются волновое число оптического излучения, потери и коэффициент связи оптических интегральных волноводов, составляющих фотонную схему. Эти параметры определяются в некотором диапазоне оптических частот работы ФИС. Параметры связаны друг с другом в сложную комбинацию. Анализ полученных зависимостей сигнализирует о наличии или отсутствии дефектов ФИС, в частности, искажения геометрии функциональных элементов. Чтобы их «разделить» на отдельные показатели ученые ЛЭТИ разработали специальную математическую модель.
В качестве демонстрации работоспособности метода ученые определили параметры ФИС, изготовленной по технологии кремний-на-изоляторе (КНИ). Полученные данные были использованы для расчета передаточной характеристики тестового устройства, которая с высокой степенью точности совпала с экспериментальной. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Microwave and Optical Technology Letters.
«Поскольку в России отрасль производства фотонных интегральных схем начинает бурно развиваться, то предложенный нами метод может найти широкое применение при отработке технологических процессов, а также для оперативного контроля качества продукции при массовом производстве на предприятиях микроэлектронной и оптоэлектронной промышленности».
Исследование поддержано грантом Минобрнауки РФ. Оно является частью деятельностью сотрудников ЛЭТИ в сфере разработки электроники на новых физических принципах, которые проводятся на базе Лаборатории магноники и радиофотоники им. Б.А. Калиникоса при кафедре ФЭТ (создана в 2021 году в рамках мегагранта Правительства Российской Федерации). Например, ранее ученые ЛЭТИ разработали источник СВЧ-сигналов, перспективный для радиофотоники. Проект соответствует научно-исследовательской политике СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в рамках программы развития «Приоритет 2030».
