如何制造一个光子集成电路(PIC)芯片？

  光子学是未来的赋能技术之一。光是宇宙中最快的信息载体，并且可以在传输这些信息的同时比电信号耗散更少的热量和能量。因此，光子学可以极大地提高通信网络的速度、覆盖范围和灵活性，并应对不断增长的更多数据的需求。而且，它将以较低的能源成本做到这一点，减少互联网的碳排放。同时，快速高效的光子信号在医疗设备、汽车激光雷达、农业和食物诊断等方面的传感和成像应用中具有巨大潜力。

  鉴于其重要性，我们想解释一下光子集成电路(PIC)，即实现所有这些应用的芯片是如何制造的。

  设计一个PIC芯片

  设计PIC的过程，是将最初的应用概念转化为可制造的功能性光子学芯片。在2018年OFC会议的一个简短课程中，来自根特大学的Wim Bogaerts总结了典型的PIC设计过程，我们将在本文中介绍这些步骤。

图1：PIC设计流程中的步骤

  1、概念和规格。我们首先要定义芯片中的内容。芯片架构师通常会花时间与客户沟通，了解客户希望通过芯片实现什么，以及芯片的所有使用条件和情况。在这些对话之后，芯片应用概念成为一套具体的规格，并传递给芯片设计的团队。这些规格将设定PIC设计的性能指标。

  2、设计功能。在确定了规格后，设计团队将开发一个原理电路图，以捕捉PIC的功能。这张图被分成几个功能块：其中一些可能已经存在，另一些可能需要建造。这些模块包括激光器、调制器、检测器和其他能够以某种方式操纵光的部件。

  3、设计仿真。制作一个芯片需要花费大量的金钱和时间。面对这样的风险，芯片设计的一个基本要素是准确预测芯片制造后的行为。功能块被放置在一起，并使用各种物理模型和模拟工具对它们的行为进行模拟。设计团队经常使用一些不同的模拟方法来减少制造后的故障风险。

  4、设计布局。现在，设计团队必须将功能芯片原理图转化为可制造的适当设计布局。布局由层、元件位置和代表实际制造步骤的几何形状组成。团队使用软件将这些功能转化为要制造的几何图形，对于最棘手的位置和几何形状的决定需要人工干预。

  5、检查设计规则。每个芯片制造厂都会有一套自己的制造规则。在这个步骤中，设计团队要验证布局是否符合这些规则。

  6、验证设计功能。这是一个最后的检查，以确保布局实际上是按照最初的电路原理图来执行的。布局过程通常会导致新的元件放置和寄生效应，这些都是在最初的电路原理图中没有考虑的。这些测试可能需要设计团队重新审视以前的功能或布局原理图步骤。

  PIC芯片制造的众多步骤

  制造用于光子学和电子学的半导体芯片是世界上最复杂的过程之一。例如，EFFECT Photonics公司总裁Boudewijn Docter，在他的大学时代就描述了一个总共有243个步骤的芯片制造过程。

  埃因霍温科技大学(TU/e)的副教授焦裕庆用几个基本的、简化的步骤来解释制造过程：

  1、生长或沉积你的芯片材料

  2、在材料上打印一个图案

  3、将图案蚀刻在材料上

  4、做一些清洁和额外的表面处理

  5、回到第1步，根据需要重复

  当然，实际过程要复杂得多，需要在上述步骤中循环往复几十次，导致总步骤超过200个。让我们更详细地了解一下这些基本步骤。

图2：半导体制造工艺的基本步骤，在一个制造周期内重复进行。整个晶圆制造过程需要几十个这样的周期。

  1、层状外延和沉积。不同的芯片器件需要不同的半导体材料层。这些层可以通过一种称为外延的工艺生长在半导体晶圆片上，或通过其他方法沉积。

图3：PIC芯片上的器件的简化例子及其所需的不同材料层。资料来源：Smit等人 (2014)

  2、光刻技术(即印刷)。有几种光刻方法，但用于大批量芯片制造的是投影光学光刻法。半导体晶片上涂有一种称为光刻胶的光敏聚合物薄膜。同时，设计的布局图案被转移到一种称为掩模的不透明材料上。光学光刻系统将掩膜图案投射到光刻胶上。然后，曝光的光刻胶被显影(像摄影胶片一样)以完成图案印刷。

图4：不同光学光刻方法的比较。接触式和接近式印刷使光罩与样品接触或接近。投影光刻式使光罩保持在较远的地方，最初的成本较高，但它是大批量制造的首选技术。资料来源：滑铁卢大学J: J. Shen, 滑铁卢大学博士论文 (2018)

  3. 蚀刻：在光阻上 "打印 "出图案后，就需要去除(或蚀刻)部分半导体材料，以便将图案从光阻上转移到晶圆片上。有几种技术可以用来蚀刻材料。

图5：在蚀刻步骤之前和之后，上面有抗蚀剂(红色)的半导体晶圆片的例子。

  4. 清洁和表面准备。蚀刻后，一系列的步骤将在下一个周期前清洁和准备表面。

  钝化。添加电介质材料层(如二氧化硅)以 "钝化 "芯片，使其更能承受环境的影响。

  平面化。使表面平整，为将来的光刻和蚀刻步骤做准备。

  金属化。在晶圆上沉积金属部件和薄膜。这可能是为了将来的光刻和蚀刻步骤，或在最后为芯片添加电触点。

  图6总结了一个InP光子设备在经过层外延、蚀刻、电介质沉积和平面化以及金属化等步骤后的情况。

图6：半导体晶片结构的横截面：(a)外延生长，(b)蚀刻，(c)钝化和平面化，(d)金属化。

  PIC芯片昂贵的测试和封装过程

  芯片制造是一个有许多变数的过程，因此需要大量的测试，以确保制造的芯片与最初的设计和仿真一致。一旦这一点得到认证和合格，接下来就是PIC封装的过程。

  虽然封装和测试的成本只是电子系统成本的一小部分，但光子系统的情况正好相反。埃因霍温技术大学(TU/e)的研究人员估计，对于大多数磷化铟(InP)光子设备，封装和测试的成本可以达到总模块成本的80%左右。有许多研究工作正在进行，以降低这些成本。

图7. 基于InP的 PIC芯片的工艺成本明细，以及占总制造成本的百分比。资料来源：Latkowski等人，2019年

  特别是在一个新芯片的第一次流片之后，会有几轮特征提取、验证和修订，以确保芯片的性能符合规格。在这第一轮的特征提取和验证之后，芯片必须为大规模生产做好准备，这需要在几个不同的环境条件下进行一系列的可靠性测试。例如，不同的应用需要对芯片的工作温度进行不同的认证。

表1：比较不同温度硬化标准的温度范围，包括工业、汽车以及全面军事应用

  总结

  制作光子集成电路的过程是非常漫长和复杂的，本文描述的步骤仅仅是整个过程的简化。它需要全世界不同领域的专家在芯片设计、制造和测试方面的大量知识。EFFECT Photonics公司是由亲自制造这些芯片的人创立的，他们对这一过程有深入的了解，并建立了联系和网络来大规模开发尖端的PIC芯片。

  逍遥科技 | 编译自 Effect Photonics