Schnell, genau und industriegerecht:

Photonik automatisch testen

Wafer-Level-Ausrichtung mit einem doppelseitigen 6-Achsen-Hexapod und einem Piezo-Scantisch für die Feinausrichtung. Bild: PI

Die Siliziumphotonik sorgt für Tempo auf der Datenautobahn aus Glasfasern. Cloud-Computing, Serverfarmen, Big Data, schnelle Internetzugänge sowie viele andere computergestützte Dienste, die hohe Übertragungsgeschwindigkeiten verlangen, profitieren von Datenraten in der Größenordnung von TBit/s. Bei Fertigung und Test von Chips mit optischer Datenübertragung gilt es jedoch, viele Herausforderungen zu meistern. Automatisierte Lösungen müssen unter industriellen Bedingungen zuverlässig funktionieren und rund um die Uhr mit großer Genauigkeit arbeiten. Gleichzeitig sind auch noch individuelle Lösungen gefragt, da die Wafer recht unterschiedliche Anforderungen an Test- und Fertigungseinrichtungen stellen können.

Die Siliziumphotonik nutzt Standardbauteile aus dem Halbleitermaterial Silizium als Sender und Empfänger optischer Informationen für Computer und elektronische Komponenten. Dazu werden neben den elektrischen auch optische Komponenten im Siliziumsubstrat integriert. Die so gefertigten Mikrochips können dann bei einer sehr geringen Leistungsaufnahme und Wärmeentwicklung Daten über optische Wellenleiter senden, mit Bandbreiten im Bereich von Tbit/s. Voraussetzung dafür ist allerdings eine präzise Ausrichtung der Lichtwellenleiter. Licht-Input und -Output müssen an jeder Ein- und Auskopplung getestet und aufeinander ausgerichtet werden, um eine optimale Kopplung der Faser an den Chip zu gewährleisteten. Das ist alles andere als trivial, schließlich haben die Lichtwellenleiter auf Silizium-Wafern typischerweise Kerndurchmesser von lediglich 150 bis 200 nm und sind somit sehr viel filigraner als beispielsweise optische Einmoden-Glasfasern, deren Kerndurchmesser durchschnittlich bei etwa 9 µm liegt, also etwa 50-mal dicker ist. Eine solche Automatisierungsaufgabe zu bewältigen, ist damit eine beachtliche Herausforderung: Höchste Präzision bei der Handhabung, Positionierung und Justierung sind ebenso erforderlich wie eine möglichst hohe Geschwindigkeit, um die Anforderungen der industriellen Produktion bedienen zu können.

Präzise Faserkopplung: Mehrkanalige Faserjustage in Echtzeit

Industriegerechtes Komplettsystem fürs Wafer-Probing in der Siliziumphotonik. Bild: PI

Industriegerechtes Komplettsystem fürs Wafer-Probing in der Siliziumphotonik.

Als Lösungsanbieter für Antriebstechnologie und präzise Positioniersysteme hat sich die Karlsruher Firma Physik Instrumente dieser Thematik angenommen und ein neues Komplettsystem für eine schnelle Faserjustage entwickelt, das in typischerweise nur ein bis zwei Sekunden den Licht-In- und -Output am Ein- bzw. Auskoppelpunkt ausrichten, prüfen und optimieren kann. Damit sind in der industriellen Fertigung schnelle Durchsatzraten garantiert.

Das System besteht aus zwei identischen Positioniereinheiten, die mit ca. 100 x 100 mm Grundfläche recht kompakt bauen und wenig Einbauplatz benötigen. Der auf die Anwendung abgestimmte Controller „kennt“ alle fürs Faseralignment notwendigen Algorithmen und entlastet so die übergeordnete Steuerung. Diese kommuniziert mit dem Controller über eine Ethernet-, USB 2.0- oder RS-232-Schnittstelle. Hinzu kommt noch eine leistungsfähige Software, die eine schnelle Anwendungsentwicklung unter Windows, Linux sowie OS/X erlaubt.

Grob- und Feinjustierung

Positioniert wird in zwei Phasen: Ein dreiachsiger von geregelten DC-Motoren angetriebener Positioniertisch übernimmt zunächst die Grobjustierung; fährt also mit Stellwegen von mehreren Zentimetern die jeweiligen Koppelpunkte mit einer Genauigkeit von bis zu 50 nm an. Für die Feinpositionierung der Fasern ist dann eine weitere, ebenfalls dreiachsige Positioniereinheit zuständig. Angetrieben durch Piezoaktoren erreicht diese Auflösungen von 1 nm bei Ansprechzeiten im Mikrosekundenbereich und Stellwegen von 100 x 100 x 100 µm.

Die Hochleistungs-Piezoaktoren sind in ein reibungs- und spielfreies Führungssystem mit FEM-optimierten Festkörpergelenken integriert. Da Aktoren, Führung und Sensoren verschleißfrei arbeiten, sind die Systeme sehr zuverlässig und langlebig, für industrielle Anforderungen im Mehrschichtbetrieb (24 Stunden und sieben Tage die Woche) sind sie also bestens geeignet.

Mehr Freiheitsgrade

Auch dieses parallelkinematische sechsachsige Positioniersystem bietet fürs Faser-alignment gute Voraussetzungen. Bild: PI

Auch dieses parallelkinematische sechsachsige Positioniersystem bietet fürs Faser-alignment gute Voraussetzungen.

Beim Wafer-Probing oder Packaging kann es je nach Applikation aber noch andere Herausforderungen geben: Müssen die Fasern beispielsweise in unterschiedlichen Winkeln positioniert oder Verkippungen ausgeregelt werden, sind mehr Achsen gefordert. Dafür weitere Achsen auf den Positioniertischen seriell zu stapeln ist zwar prinzipiell möglich, in der Praxis jedoch meist nicht sinnvoll. Die Genauigkeit würde leiden, weil sich selbst kleinste Führungsfehler zwangsläufig addieren. Stattdessen bietet es sich dann an, den oben beschriebenen Feinpositionierer beispielsweise mit einem parallelkinematischen Positioniersystem zu kombinieren. Denn im Gegensatz zur seriellen Kinematik wirken bei parallelkinematischen Systemen alle Aktoren unmittelbar auf die gleiche Plattform, es können sich also nicht wie bei „gestapelten“ Systemen Führungsfehler summieren, dadurch ist die Genauigkeit deutlich höher.

Hexapoden, also sechsachsige Parallelkinematiken, können beim Faseralignment zudem noch weitere Vorteile ausspielen. Aufgrund ihrer geringen bewegten Masse bieten sie eine sehr hohe Dynamik. Hinzu kommt der frei definierbare Dreh- oder Pivotpunkt, der sich mit einem einzigen Befehl programmieren lässt. Der kompakte Hexapod H-811 beispielsweise bietet Stellwege bis 34 mm in der xy-Ebene und bis zu 13 mm in z-Richtung. Die Kippwinkel betragen 20° um die x- und y-Achse und bis zu 42° um die Senkrechte. Der piezobasierte Feinpositionierer lässt sich dann einfach auf der Plattform montieren. Zudem stehen weitere parallelkinematische Positioniersysteme zur Wahl, mit denen sich der Feinpositionierer kombinieren lässt. Der ebenfalls sechsachsige H-206 beispielsweise arbeitet mit einer Wiederholgenauigkeit von 0,3 µm / 6 µrad, kleinsten Schrittweiten von 0,1 µm / 2 µrad und Geschwindigkeiten von 10 µm/s bis 10  m/s. Dieses System basiert auf drei Kreuztischen, die über drei Beine mit konstanter Länge und eine geeignete Gelenkkonfiguration gemeinsam eine Plattform positionieren. Auch auf diese Weise lassen sich schnelle und gleichzeitig hochpräzise Verfahrwege realisieren.

Leistungsfähige Software

Ein Beispiel für eine Echtzeit-Systemsteuerung. Bild: PI

Ein Beispiel für eine Echtzeit-Systemsteuerung.

Egal welches Positioniersystem für die Anwendung in Frage kommt, in jedem Fall sind alle für die faseroptische Justage notwendigen Algorithmen bereits im Digital-Controller integriert. Die digitalen Motion Controller von PI werden außerdem mit einem umfangreichen Softwarepaket ausgeliefert, das alle Anwendungsaspekte abdeckt, angefangen bei der einfach durchführbaren Inbetriebnahme über die komfortable Ansteuerung der Systeme über grafische Oberflächen bis zur schnellen und übersichtlichen Einbindung in externe Programme.

Ein virtueller Controller ermöglicht es, Anwendungsprogramme zu entwickeln, ohne dass alle Komponenten bereits vor Ort sein müssen. Mit Hilfe von Simulationswerkzeugen lässt sich z.B. der Arbeitsraum berechnen oder es können Objekte eingebunden werden, um Kollisionen zu vermeiden. Eine mobile App ermöglicht die drahtlose Überwachung und Steuerung. Entwicklungs-Bibliotheken und Beispielanwendungen erleichtern die Umsetzung, viele gängige Programmiersprachen und Softwareumgebungen werden unterstützt (C, C++, Python, Visual C++, Visual Basic und Delphi bzw. LabVIEW, MATLAB, μManager, EPICS, TANGO sowie alle Programmierumgebungen, die das Laden von DLLs unterstützen). Industrielle Anwendungen rund ums Wafer-Probing und -Packaging in der Siliziumphotonik lassen sich so „maßgeschneidert“ realisieren.

Über Physik Instrumente
Das Unternehmen Physik Instrumente (PI) ist für die hohe Qualität seiner Produkte bekannt und nimmt seit vielen Jahren eine Spitzenstellung auf dem Weltmarkt für präzise Positioniertechnik ein. Seit über 40 Jahren entwickelt und fertigt PI Standard- und OEM-Produkte mit Piezo- oder Motorantrieben. Nach Übernahme der Mehrheitsanteile an ACS Motion Control, einem weltweit führenden Entwickler und Hersteller modularer Motion Controller für mehrachsige und hochpräzise Antriebssysteme hat PI eine wichtige Voraussetzung geschaffen, maßgeschneiderte Komplettsysteme für industrielle Anwendungen mit höchsten Anforderungen an Präzision und Dynamik bedienen zu können. Mit vier Standorten in Deutschland und fünfzehn ausländischen Vertriebs- und Serviceniederlassungen ist die PI Gruppe international vertreten.

Alle Bilder: PI

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Dipl.-Phys. Steffen Arnold

Leiter „Markt und Produkte“ bei Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG

Ellen-Christine Reiff

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

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