A wafer-level testing technique for the qualification of manufacturing processes for photonic circuits

In this thesis work we propose a novel full-optical technique of wafer- level testing. This technique allows a full qualification of the wafer with few measurements of specifically designed Point Reflector Optical Waveguides (PROWs). Few long PROWs distributed on the surface of the wafer permit to map the characteristic parameters of the fabricated waveguides helping the foundry in monitoring the quality of the process. Each PROW is a waveguide characterized by several sensing points running throughout the whole wafer. The use of a PROW in addition to an appropriate analysis technique provide access to the measurement of few optical parameters characteristic for the integrated optical waveguides, such as the group index and the effective index. The characterization of a PROW by means of the Optical Frequency-Domain Reflectometry (OFDR) technique permits to quickly estimate this parameters with a single experimental data acquisition measuring, in a distributed manner, the optical properties of a waveguide. This technique can be described as a quick and cost effective evaluation of the quality at the end of a manufacturing process, in order to decide if it matches or not the specifications. Hence the final goal is evaluate the quality of the production process building a map of the main physical parameters of the manufacturing process of the wafer.

In questo lavoro di tesi si propone una nuova tecnica completamente ottica di test a livello di wafer. Questa tecnica permette una completa verifica della qualità del processo di fabbricazione del wafer attraverso poche misure di guide d’onda specificamente progettate chiamate Point Reflector Optical Waveguides (PROWs). Alcune di queste PROWs, distribuite sulla superficie del wafer, permettono di mapparne i parametri caratteristici delle guide d’onda ed aiutare in questo modo la fonderia nel monitoraggio della qualità del processo di realizzazione. Ogni PROW è una guida d’onda caratterizzata da diversi punti sensibili distribuiti su tutto il wafer. L’uso di una PROW in aggiunta a una specifica tecnica di analisi fornisce l’accesso alla misurazione di alcuni parametri ottici caratteristici delle guide d’onda ottico-integrate, come l’indice di gruppo e l’indice efficace. La caratterizzazione di una PROW mediante un’opportuna tecnica riflettometrica nel dominio delle frequenze (Optical Frequency-Domain Reflectometry, OFDR) permette di valutare rapidamente questi parametri attraverso un’unica misurazione sperimentale, ed in modo distribuito, mappare le proprietà ottiche di una guida d’onda. Questa tecnica può essere descritta come una caratterizzazione rapida e efficiente della qualità del processo di fabbricazione, per valutare se corrisponde o meno alle specifiche. L’obiettivo finale è quindi valutare la qualità del processo di produzione tramite una mappatura dei principali parametri fisici del processo di fabbricazione del wafer.