不同半導體制造技術間高效轉換集成光路設計的方式探究

尚鴻鵬，石云杰，孫翔宇，常麗媛長春理工大學

不同半導體制造技術間高效轉換集成光路設計的方式探究

尚鴻鵬，石云杰，孫翔宇，常麗媛
長春理工大學

針對60GHz的光纖到戶無線通信應用，本研究設計了一種基于磷化銦的遠端接入點集成光子芯片。在多項目晶圓框架下，本設計方案為了確保集成光子芯片能夠滿足設計要求，在設計中分別對晶圓廠流片的設計功能和結構參數及后期掩膜設計等相關內容進行了詳細檢驗、論證，以此有效提高了設計質量，同時縮短了集成光子芯片的設計周期。

半導體制造技術；高效轉換；集成光路；設計

微波光子學是一門實用性和實踐性較強的學科，其與集成轉換技術密切相關。但是，由于集成技術的優化需通過具體應用來體現，因此其對集成光路進行大量工業制造形成了阻礙[1]。基于此，本文將重點探討不同半導體制造技術間高效轉換集成光路的設計方式。

1.MPW框架

MPW框架又稱“多項目晶圓框架”，其英文全稱為“Multi-projectWafer”。在該框架下，基于集成技術，可將不同設計合并到某個晶圓中，以此采用標準化的加工工藝，對整片晶圓進行加工。因此，在此框架之下，加工整片晶圓所產生的成本就會由所有參加“Multi-projectWafer”的項目，結合集成光子芯片的實際面積進行均勻分攤，所以加工費用可降低大約10%[2]。

2.微光子領域中的通用晶圓廠模式

所謂“通用晶圓廠”主要是指一個集成光子芯片制造廠能夠將其通用的集成技術工藝向外進行開放。目前，基于基于“磷化銦”的通用晶圓廠集成加工模式在我國微光子技術領域具有非常廣闊的應用前景。由于磷化銦是一種能夠支持增益元件的材料，故其對于芯片集成的光源而言至關重要。當前，在JEPPIX的協調下，磷化銦多項目晶圓可為英國、德國和荷蘭提供3個晶圓廠。

3.基于PDKs的PDAFlow

在對集成光子芯片進行優化設計時，為了使相關設計過程與晶圓廠的基本要求相符，需采用PDKs設計工具進行設計規則檢查。該工具為晶圓廠特定的工藝設計工具，其包含了能夠用來設計ASPICs元件的掩膜布局。在具體優化、設計過程中，“Photonic Design Automation Flow”首先需對設計過程中所采用的相關參數進行定義，然后再從系統層面中獲取集成光子芯片設計所需的基本參數，以此對其所對應的回路進行設計；同時，對回路實現過程所需的元件進行選取。在元件選取時，若“Process Design Kits”無法為“Photonic Design Automation Flow”提供實現回路所需要的元件，則集成光子芯片設計和制造的技術人員需對所需元件進行仿真設計。只有當整個光回路的相關功能通過系統仿真、驗證后，設計人員方可將設計發送至晶圓廠。所以，“Photonic Design Automation Flow”是“iPCP”的重要基礎。通過這一集成產品創造流程，對設計、系統和工藝工程師之間的交互過程進行了系統描述。與此同時，通過標準的接口和對軟件的應用，可獲得不同軟件包之間的自由轉換。

4.HHI和Oclaro的相互轉換

在MPW框架下，為了滿足集成光子芯片的設計要求，本研究選取了兩個不同的晶圓廠和HHI和Oclaro流片，旨在HHI和Oclaro中實現ASPIC設計的相互轉換。首先，基于設計規格，為了能夠科學提出一種能夠滿足設計要求的回路結構，需借助ASPIC軟件在回路層面進行系統仿真，然后對晶圓廠所提供的BBs進行查看，從而找到全部能夠滿足設計要求的回路結構。在查看過程中，若發現某些BBs只存在于其中一個晶圓廠的PDK中，則ASPIC設計無法完成在HHI和Oclaro兩個晶圓廠之間的相互轉換。

本研究所設計的集成光路主要為了向用于遠程光接入點且使用CWDM分配器的壓單元提供相關功能。在此過程中，需借助AWG來完成CWDM分配器的設計。其中，AWG（Arrayed Waveguide Grating）需在晶圓廠HHI平臺內應用Opto Designer 5軟件中知識產權保護的擴展包，對AWG結構的光譜和大小進行仿真、優化。HHI和Oclaro平臺下，AWG的光譜圖和大小分別為2.5× 1.5mm2和1.5×1.0mm2。

從上仿真結果來看，在HHI和Oclaro平臺下，AWG結構的光譜圖和大小仿真結果存在很大差異。但是，其依然能夠確保接收器和發射器可在同一個波長下進行工作，從而證明了“ASPIC設計”在HHI和Oclaro兩個不同平臺中的相互轉換合理、可行。

另外，在該集成光路設計中，為了使ASPIC設計在HHI和Oclaro兩個不同平臺中的相互轉換更加便捷與高效，本研究還同時采用了“pxSinebend”及“pxMMI”等一些具有自適應功能的通用結構單元。如結合“MMI”（多模干涉器）輸出與輸入端的波導寬度，即可對錐形波導進行自動添加。

此外，“SOA”（半導體光放大器）也是一個具有自適應功能的通用結構單元。在集成光路設計中，“Opto Designer5”軟件會結合實際設計需要，對定義在淺刻蝕層的波導過渡結構進行自動放置，以此確保集成光路能夠高效在不同半導體制造技術間實現順利轉換[4]。

結束語

綜上所述，本研究重點描述了“ASPIC設計”在“HHI”和“Oclaro”兩個不同平臺中相互轉換的過程。通過找到同時存在于兩個不同晶圓廠的“BBs”，以此確保兩個設計相關功能具有一定的相似性。與此同時，基于此種優化、設計方式，也有效提高了“ASPIC設計”在不同晶圓廠進行轉換的效率，更大大縮短了遠端接入點集成光子芯片的設計周期。

[1]K.Welikow,A.Sosa等.針對60G赫茲無線連接的集成遠端光接入單元的設計[J].集成電路應用,2016,33（3）：25-28。

[2]M.Smit et al.Generic foundry model for InP-based photonics [J].IETOptoelectronics,vol.5,Iss.5,pp.187-194,2011.

[3]http：∕∕paradigm.jeppix.eu.

[4]http：∕∕www.phoenixbv.com.

常麗媛。