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晶圆厂的另类选择，硅光工艺
发布时间： 2022/7/26 10:07:10 | 285 次阅读
对于集成光电技术来说，由于受限于大量分立器件，光学特性又主要取决于各种材料，所以集成光电向来都是一个低产量和高成本的技术。硅光技术的出现创造了一条新的快车道，让设计者依靠成熟的CMOS技术走捷径。
无论是数据中心以及5G基建的光模块、汽车激光雷达和智能穿戴生物光电传感器，还有光量子通信等芯片的开发，都开始走向硅光这一路线。不过与传统的硅基半导体技术不同，硅光工艺依旧面临着不少挑战，尤其是为数不多的工艺平台选择。
国外硅光工艺平台
在硅光领域，尤其是在光模块上，自己设计自己制造的英特尔无疑是实力zui强劲的一个，也是各大厂商中技术积累zui久的。但除了英特尔这样的IDM硅光厂商外，国外还是有不少开放硅光工艺平台的，比如美国的格芯、AIM Photoics，新加坡的AMF以及被英特尔收购后仍将继续开展第三方代工业务的以色列代工厂Tower Semiconductor等等。这些代工厂从zui初的光电集成技术开始，逐渐在近年来发现硅光技术的重要性，于是纷纷推出自己的硅光工艺平台，主要是基于SOI和SiN技术。
今年三月，格芯宣布与博通、思科、Marvell等厂商合作，提供新一代硅光平台GF Fotonix，在12英寸的晶圆上，实现光子元件、射频和高性能CMOS的单芯片集成。虽然没有明说，但GF Fotonix应该是其90WG、45CLO工艺节点以及硅光封装技术的整合平台。
格芯2022Q1营收占比 / 格芯
从发布新闻的合作厂商背书来看，格芯明显是光模块厂商和网络设备巨头在硅光工艺平台上的shou选了，也只有这么大的客户量能支撑得起12英寸晶圆厂的产能。这点从格芯的财报中也可以看出，今年di一季度来自智能手机设备终端的营收占比已经从去年同期的54%降到了50%，而来自通信基础设施和数据中心的占比从13%提升至17%。
国内硅光工艺平台
要说开放硅光工艺平台的话，国内也有，比如中科院微电子所的硅光子平台、联合微电子中心的硅光工艺平台，除此之外中芯国际下的中芯集成电路（宁波）的光电集成业务中也有SOI异质光电集成，不过目前其工艺平台支持似乎只有RFSOI和HVBCD，分别为射频前端和高压模拟。
与国外相比，国内的开放硅光工艺平台在先进程度上要稍逊色一些，而且整体规模要小一些，以180nm/130nm和8英寸晶圆为主，但同工艺节点下的性能其实并不输国外，而且国内的硅光设计公司已经开始崭露头角。
联合微电子中心的硅光工艺平台应该是国内发展zui快的了，这家2018年成立的公司在不到4年的时间里，就已经提供了180nm的硅光成套工艺CSiP180AI，以及加入双层铜互连技术的130nm工艺CSiP130Cu，同时还有300nm的碳化硅光电工艺CSiN300和3D异构集成工艺C3DS10。
CSiP180AI工艺的器件性能 / 联合微电子中心
同样值得注意的是，原材料价格上涨带来的涨价潮同样影响到了硅光芯片，比如联合微电子就在今年年初发布了涨价通知，表示由于掩膜版等原材料大幅上涨，将把SOI无源MPW的流片价格从4万元/block提升至48000元/block。
结语
单有工艺平台还不够，硅光芯片与传统的硅基芯片在设计上同样有着相当大的区别，这也是为何EDA厂商近年来纷纷开始硅光设计工具PDA的布局，充分与硅光工艺平台的PDK结合。比如上面提到的格芯GF Fotonix，就与Ansys、Cadence和新思展开了合作，中科院微电子所的硅光工艺平台PDK集成到了新思OptoDesigner、Luceda Photonics IPKISS等工具中，方便设计者灵活地进行硅光芯片设计。
至于为何一些大的晶圆代工厂没有选择跟进，比如台积电、三星，可能在他们来看硅光工艺带来的晶圆需求量还不足以值得他们花这么大功夫。毕竟目前硅光zui大的市场也只是光模块乃至未来的激光雷达而已，如果要为此单独建设一个12英寸的晶圆厂，可能一年下来产能都跑不满，所以像台积电这样的厂商也只是有硅光芯片对应的封装方案而已。所以硅光要想走向晶圆厂的主流视野，目前看来还是缺乏额外的市场机遇。
无论是数据中心以及5G基建的光模块、汽车激光雷达和智能穿戴生物光电传感器，还有光量子通信等芯片的开发，都开始走向硅光这一路线。不过与传统的硅基半导体技术不同，硅光工艺依旧面临着不少挑战，尤其是为数不多的工艺平台选择。
国外硅光工艺平台
在硅光领域，尤其是在光模块上，自己设计自己制造的英特尔无疑是实力zui强劲的一个，也是各大厂商中技术积累zui久的。但除了英特尔这样的IDM硅光厂商外，国外还是有不少开放硅光工艺平台的，比如美国的格芯、AIM Photoics，新加坡的AMF以及被英特尔收购后仍将继续开展第三方代工业务的以色列代工厂Tower Semiconductor等等。这些代工厂从zui初的光电集成技术开始，逐渐在近年来发现硅光技术的重要性，于是纷纷推出自己的硅光工艺平台，主要是基于SOI和SiN技术。
今年三月，格芯宣布与博通、思科、Marvell等厂商合作，提供新一代硅光平台GF Fotonix，在12英寸的晶圆上，实现光子元件、射频和高性能CMOS的单芯片集成。虽然没有明说，但GF Fotonix应该是其90WG、45CLO工艺节点以及硅光封装技术的整合平台。
格芯2022Q1营收占比 / 格芯
从发布新闻的合作厂商背书来看，格芯明显是光模块厂商和网络设备巨头在硅光工艺平台上的shou选了，也只有这么大的客户量能支撑得起12英寸晶圆厂的产能。这点从格芯的财报中也可以看出，今年di一季度来自智能手机设备终端的营收占比已经从去年同期的54%降到了50%，而来自通信基础设施和数据中心的占比从13%提升至17%。
国内硅光工艺平台
要说开放硅光工艺平台的话，国内也有，比如中科院微电子所的硅光子平台、联合微电子中心的硅光工艺平台，除此之外中芯国际下的中芯集成电路（宁波）的光电集成业务中也有SOI异质光电集成，不过目前其工艺平台支持似乎只有RFSOI和HVBCD，分别为射频前端和高压模拟。
与国外相比，国内的开放硅光工艺平台在先进程度上要稍逊色一些，而且整体规模要小一些，以180nm/130nm和8英寸晶圆为主，但同工艺节点下的性能其实并不输国外，而且国内的硅光设计公司已经开始崭露头角。
联合微电子中心的硅光工艺平台应该是国内发展zui快的了，这家2018年成立的公司在不到4年的时间里，就已经提供了180nm的硅光成套工艺CSiP180AI，以及加入双层铜互连技术的130nm工艺CSiP130Cu，同时还有300nm的碳化硅光电工艺CSiN300和3D异构集成工艺C3DS10。
CSiP180AI工艺的器件性能 / 联合微电子中心
同样值得注意的是，原材料价格上涨带来的涨价潮同样影响到了硅光芯片，比如联合微电子就在今年年初发布了涨价通知，表示由于掩膜版等原材料大幅上涨，将把SOI无源MPW的流片价格从4万元/block提升至48000元/block。
结语
单有工艺平台还不够，硅光芯片与传统的硅基芯片在设计上同样有着相当大的区别，这也是为何EDA厂商近年来纷纷开始硅光设计工具PDA的布局，充分与硅光工艺平台的PDK结合。比如上面提到的格芯GF Fotonix，就与Ansys、Cadence和新思展开了合作，中科院微电子所的硅光工艺平台PDK集成到了新思OptoDesigner、Luceda Photonics IPKISS等工具中，方便设计者灵活地进行硅光芯片设计。
至于为何一些大的晶圆代工厂没有选择跟进，比如台积电、三星，可能在他们来看硅光工艺带来的晶圆需求量还不足以值得他们花这么大功夫。毕竟目前硅光zui大的市场也只是光模块乃至未来的激光雷达而已，如果要为此单独建设一个12英寸的晶圆厂，可能一年下来产能都跑不满，所以像台积电这样的厂商也只是有硅光芯片对应的封装方案而已。所以硅光要想走向晶圆厂的主流视野，目前看来还是缺乏额外的市场机遇。