陈昇祐 (Terence Chen)
深圳逍遙科技
摘要
硅基光电子制造代工产业通过专门的中试线来优化工艺已经取得了显著的进步。除了制造设备，为了实现高效的光电集成芯片设计，提供可靠的工艺设计套件(PDK)也极为重要。本文综述了建立硅基光电子中试线的关键要素，包括组织结构、裸片和多项目晶圆处理以及制程整合工程的角色，并强调了通过Latitude Design Automation的LDAcc计划等服务进行PDK开发、建模和验证的重要性。随着PDK的不断优化和中试线的扩建，硅基光电子的大规模商业化进程将得到进一步推动。
Keywords: 硅基光电子、PDK、EDA、LDAcc。
引言
通过集成硅基光电子器件和硅电子器件，硅基光电子制造提高了大规模生产光电子集成芯片的潜力。中试线在大规模生产之前起到了关键的工艺验证的作用[1]。尽管中试线不可或缺，但仅凭此还无法充分发挥硅基光电子的潜力。可靠的工艺设计套件（PDK）对于实现实用的光电子集成芯片设计也是同样重要的[2]。PDK为特定的制造工艺提供了器件模型、布局规则和其他设计指南[3]。本篇综述和概括了硅基光电子中试线所需的组织结构和角色，同时也分析了PDK工程服务在优化设计自动化和推动快速产品开发中的重要性。
流片处理
全掩模流片 (Full Mask)，俗称包wafer：
一旦客户提交最终的“流片”，即以GDSII（Graphical Design System/Graphic Data System）等格式指定的芯片设计的最终版本，半导体代工厂就会开始一系列步骤，依序将该设计转换为物理芯片。
Design Service/Support (DS) Department: 通常是客户和中试线之间的第一个接触点。它们的作用是提供客户创建可制造设计所需的设计套件、库和过程信息。一旦客户提交GDSII文件，该部门将验证其是否符合代工厂的要求。 Reticle Engineering (RE) Department: 一旦设计获得批准，它就会被发送到这个部门。他们将GDSII文件转换为制造设备可以读取的格式，例如， Manufacturing Electron Beam Exposure System (MEBES) ，完成掩膜数据的准备工作。 Mask Shop or Photomask Department: 光掩模是用于制造芯片的光刻工艺的重要组成部分。来自RE部门的数据用于创建一组光掩模，芯片的每一层一个掩模。掩膜制造可以外包给专业的掩膜公司，例如， Toppan, Photronics Inc. 以及 Dai Nippon Printing Co. Ltd. 有的代工厂例如 TSMC 自行制造掩膜，通过频繁而大量的客户新流片而获取可观的利润。 Fabrication (Fab): 工厂使用光掩膜逐层构建芯片。这涉及许多步骤，例如沉积、光刻、刻蚀、离子注入和金属化。 Quality Control/Quality Assurance (QC/QA) Department: 检查成品芯片，以确保它们符合要求的规格，包括电气测试和目视检查。 Packaging Department: 通过质量控制后，芯片被送到这里进行封装。这可以保护芯片并允许将其安装在系统上。 Testing Department: 封装后再次测试芯片。这可确保它们在封装后仍能正常工作。 Supply Chain/Logistics Department: 一旦芯片通过所有测试，它们就可以交付了。该部门安排将芯片运送给客户或分销商。
Multi-Project Wafer (MPW)：
Multi-Project Wafer (MPW) service or shuttle 是一种经济高效的集成电路原型设计方法，其中将多个客户项目放置在单个晶圆上以分担制造和掩膜成本。整体处理流程与常规的全掩膜流片相似，但存在一些差异，尤其是在早期阶段：
Design Service/Support (DS) Department: 与常规运行类似，它们提供设计套件、库和工艺参数。他们还确保每个设计都符合制造厂的规则。但是，在MPW的情况下，他们需要管理来自不同客户的多个设计，需要额外的沟通和协调。 Reticle Engineering (RE) Department: 这就是关键区别所在。他们需要将来自不同客户的多个 GDSII 文件合并到一个布局中，而不是将一个 GDSII 文件转换为一组掩膜。这可能比常规运行更复杂和耗时。他们需要确保没有一个设计相互干扰，并且它们都适合可用的晶圆空间。 Mask Shop or Photomask Department: 合并组合设计准备就绪后，它用于创建一组光掩模，就像在常规运行中一样。 Fabrication (Fab) Department: 制造过程与常规运行相同。唯一的区别是晶圆包含多个设计，而不仅仅是一种。 Quality Assurance (QA) Department: QA过程与常规运行相同，尽管在检查和测试包含多个设计的晶圆时可能会增加复杂性。 Die Separation Department: 在 MPW 的狀況下，需要分离芯片并将其交付给各自的客户。与常规运行相比，这增加了一个额外的步骤。 Logistics/Supply Chain Department: 每一组芯片都需要运送给各自的客户。与将完整晶圆运送给单个客户相比，这增加了额外的复杂性。
Fabrication (Fab) 代工厂：
确切的组织结构可能会因公司规模、其关注的特定技术及其商业模式等因素而有很大差异。此外，许多部门和角色可以以不同的方式组合或划分。以下是典型半导体代工厂的组织：
PE (Process Engineer, 制程工程师): 开发和优化芯片制造中使用的工艺。通常分成四大模块部门 (俗称四大金刚)：薄膜、黄光、刻蚀、扩散。 EE (Equipment Engineer, 设备工程师): 管理和维护晶圆厂中使用的精密设备。 IE (Industrial Engineer, 工业工程师): 致力于提高运营效率、吞吐量和生产力。 QA (Quality Assurance, 品保工程師): 检查和测试芯片，以确保它们符合必要的规格。 PIE (Process Integration Engineer, 制程整合或是工艺集成工程师): 协调不同的工艺步骤，以确保平稳、优化的生产流程。 CE (Customer Engineering, 客户工程师): 直接与客户对接，帮助他们针对铸造厂工艺优化设计，并解决出现的任何问题或疑问。
制程整合工程师在新流片当中的角色
新流片（NTO）是指引入新的或改版的芯片设计，准备在代工厂制造。这是半导体制造过程中的一个关键点，涉及几个步骤，包括验证、掩膜准备，以及最终的芯片物理制造。制程整合工程师（PIE）在新流片流程中的角色通常涉及：
审查新设计：PIE与设计和掩膜数据准备团队密切合作，以了解新设计的细微差别。他们评估新设计与现有制造工艺的兼容性，并提出任何必要的修改建议。 工艺开发和优化：PIE在开发和优化新设计的工艺流程方面发挥着关键作用。这涉及确定制造过程中的步骤顺序，定义工艺参数，以及测试和调整工艺以优化产量、性能和成本。 故障排除：在NTO过程中，如果存在与制造过程相关的问题，PIE团队将负责诊断和解决这些问题。这可能涉及使用失效模式和影响分析 （FMEA）、根本原因分析和实验设计（DOE）等技术。 与其他团队协作：PIE与其他部门密切合作，例如制程工程、设备工程、质量保证和生产。他们将新设计的任何特殊要求传达给这些团队，并共同努力确保顺利和成功的流片。 量产：在初始测试和验证阶段之后，PIE负责帮助将新工艺从中试规模扩展到全批量生产。这涉及与生产和质量团队密切合作，以确保在不牺牲产量或质量的情况下始终如一地大批量生产该过程。 流片后分析和持续改进：在流片过程之后，PIE团队还参与分析结果，确定制造过程中需要改进的领域，并实施纠正措施。这可能涉及使用统计制程控制（SPC）和其他制程监控工具来跟踪性能并确定需要解决的任何趋势或问题。
PDK可用性和标准化的进步
除了制造技术，强大的PDK工艺设计套件对于实现高效的光电芯片设计自动化，和更快的上市时间至关重要[2]。PDK提供了设计特定制造工艺的芯片所需的器件模型，布局规则和其他信息[3]。
PDK的开发和改进已成为硅基光电子技术以及中试线进步的关键焦点区域。近期PDK进展的亮点包括：
具有先进行为模型和寄生元件的基于物理的PDK库，以提高准确性[4]。 将自动布局生成工具集成到PDK中，以提升设计师的生产力[3]。 包括样本布局，最佳实践指南和开放访问资源的PDK文档[3]。 通过全面的测试芯片特性和测量相关性验证PDK[5]。 用于维护定期更新和广泛访问性的PDK版本控制和发布流程[3]。 为工艺厂提供处理特定优化的定制PDK咨询服务[5]。
拥有深厚的光电芯片设计自动化专业知识的公司，如Latitude Design Automation，通过像LDAcc这样的服务计划，为工艺厂提供定制的PDK工程咨询[6]。这有助于工艺厂加快专门针对其处理能力和设计目标的设计套件的开发。通过工艺厂、生态系统合作伙伴以及硅基光电子研究机构之间的协作，持续推进PDK的发展将加速技术的商业化。
挑战和展望
虽然已取得进展，但硅基光电子制造仍面临挑战：
变异性：制造过程中的参数波动降低了产能，需要改进的制程控制和补偿方法[5]。 插损：散射、吸收和耦合损失限制了效率，新颖的低损耗材料和设计将有所帮助[5]。 集成：与电子模块无缝集成光子模块仍然困难，混合封装前景乐观[8]。 产量：缺陷密度仍高于成熟的微电子，需要进行统计缺陷分析和降低。 成本：封装和测试成本不成比例。规模经济将降低成本。 设计：缺乏标准化和成熟的PDK阻碍了设计生产力，先进的PDK正在出现。
随着中试线将更多流程转化为量产级别，以及PDK工程日趋成熟，硅基光电子制造的前景乐观。随着制造技术和基础设施的进步，硅基光电子技术有望在各应用领域中实现规模化发展[8]。全球在开发中试线和PDK方面的努力将巩固硅基光电子在光电集成芯片在商业中的地位。
结论
硅基光电子中试线发展取得了重大进展，各制造机构的设施也在不断进步。随着中试线在产能和地域范围的扩大，硅基光电子技术正在从研究阶段向量产阶段过渡。与制造技术并进,PDK的持续进步对充分实现硅基光电子的潜力至关重要。像Whoscored中文官网的LDAcc计划等服务为晶圆厂提供了定制的PDK工程咨询服务，而且支持针对新兴硅基光电子工艺优化的设计流程。
尚存的关键挑战包括可变性、插损、集成复杂性、产量改进、成本降低和设计工具的成熟度。然而，随着中试线的扩大和PDK工程提供更精细的设计赋能，前景看起来是乐观的。总的来说，与扩展硅基光电子中试线相结合的高级PDK的发展将加速硅基光电子集成芯片的广泛商业化。但是，仍有工作要做，以将更多的制程技术转化为强大的，大规模生产，并通过易于获取的工具和资源吸引更广泛的设计社群。下一个五年将是关键的，研究成果将转化为在各种行业中部署的产品和应用。
參考文獻
[1] D. Thomson, "Roadmap on silicon photonics," Journal of Optics, vol. 18, no. 7, p. 073003, 2016.
[2] L. Chrostowski and M. Hochberg, Silicon Photonics Design: From Devices to Systems. Cambridge: Cambridge University Press, 2015.
[3] T. S.-Y. Chen, "Silicon Photonics Process Design Kit (PDK) Creation Checklist," Latitude Design Automation, 2023.
[4] Siew, Shawn & Li, Bo & Feng, Gao & Zheng, Hai & Zhang, Wenle & Guo, Pengfei & Xie, Shawn & Song, Apu & Dong, Bin & Luo, Lian & Li, Chao & Luo, Xianshu & Lo, Patrick. (2021). Review of Silicon Photonics Technology and Platform Development. Journal of Lightwave Technology. PP. 1-1. 10.1109/JLT.2021.3066203.
[5] Ansys Lumerical, "How to Design Foundry-Compatible Custom Photonic Components," [Online]. Available: https://www.ansys.com/blog/design-foundry-compatible-photonic-components.
[6] Latitude Design Automation, "LDAcc Plan," [Online]. Available: https://latitudeda.com/document/234.
[7] Latitude Design Automation, "PIC Studio Suite," [Online]. Available: https://latitudeda.com/solution/product.
[8] Y. Zhang, A. Samanta, K. Shang & S. J. B. Yoo, "Scalable 3D Silicon Photonic Electronic Integrated Circuits and Their Applications," in IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 26, no. 2, pp. 1-10, March-April 2020, Art no. 8201510, doi: 10.1109/JSTQE.2020.2975656.
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