不同半导体制造技术间高效转换集成光路设计的方式探究

尚鸿鹏，石云杰，孙翔宇，常丽媛长春理工大学

不同半导体制造技术间高效转换集成光路设计的方式探究

尚鸿鹏，石云杰，孙翔宇，常丽媛
长春理工大学

针对60GHz的光纤到户无线通信应用，本研究设计了一种基于磷化铟的远端接入点集成光子芯片。在多项目晶圆框架下，本设计方案为了确保集成光子芯片能够满足设计要求，在设计中分别对晶圆厂流片的设计功能和结构参数及后期掩膜设计等相关内容进行了详细检验、论证，以此有效提高了设计质量，同时缩短了集成光子芯片的设计周期。

半导体制造技术；高效转换；集成光路；设计

微波光子学是一门实用性和实践性较强的学科，其与集成转换技术密切相关。但是，由于集成技术的优化需通过具体应用来体现，因此其对集成光路进行大量工业制造形成了阻碍[1]。基于此，本文将重点探讨不同半导体制造技术间高效转换集成光路的设计方式。

1.MPW框架

MPW框架又称“多项目晶圆框架”，其英文全称为“Multi-projectWafer”。在该框架下，基于集成技术，可将不同设计合并到某个晶圆中，以此采用标准化的加工工艺，对整片晶圆进行加工。因此，在此框架之下，加工整片晶圆所产生的成本就会由所有参加“Multi-projectWafer”的项目，结合集成光子芯片的实际面积进行均匀分摊，所以加工费用可降低大约10%[2]。

2.微光子领域中的通用晶圆厂模式

所谓“通用晶圆厂”主要是指一个集成光子芯片制造厂能够将其通用的集成技术工艺向外进行开放。目前，基于基于“磷化铟”的通用晶圆厂集成加工模式在我国微光子技术领域具有非常广阔的应用前景。由于磷化铟是一种能够支持增益元件的材料，故其对于芯片集成的光源而言至关重要。当前，在JEPPIX的协调下，磷化铟多项目晶圆可为英国、德国和荷兰提供3个晶圆厂。

3.基于PDKs的PDAFlow

在对集成光子芯片进行优化设计时，为了使相关设计过程与晶圆厂的基本要求相符，需采用PDKs设计工具进行设计规则检查。该工具为晶圆厂特定的工艺设计工具，其包含了能够用来设计ASPICs元件的掩膜布局。在具体优化、设计过程中，“Photonic Design Automation Flow”首先需对设计过程中所采用的相关参数进行定义，然后再从系统层面中获取集成光子芯片设计所需的基本参数，以此对其所对应的回路进行设计；同时，对回路实现过程所需的元件进行选取。在元件选取时，若“Process Design Kits”无法为“Photonic Design Automation Flow”提供实现回路所需要的元件，则集成光子芯片设计和制造的技术人员需对所需元件进行仿真设计。只有当整个光回路的相关功能通过系统仿真、验证后，设计人员方可将设计发送至晶圆厂。所以，“Photonic Design Automation Flow”是“iPCP”的重要基础。通过这一集成产品创造流程，对设计、系统和工艺工程师之间的交互过程进行了系统描述。与此同时，通过标准的接口和对软件的应用，可获得不同软件包之间的自由转换。

4.HHI和Oclaro的相互转换

在MPW框架下，为了满足集成光子芯片的设计要求，本研究选取了两个不同的晶圆厂和HHI和Oclaro流片，旨在HHI和Oclaro中实现ASPIC设计的相互转换。首先，基于设计规格，为了能够科学提出一种能够满足设计要求的回路结构，需借助ASPIC软件在回路层面进行系统仿真，然后对晶圆厂所提供的BBs进行查看，从而找到全部能够满足设计要求的回路结构。在查看过程中，若发现某些BBs只存在于其中一个晶圆厂的PDK中，则ASPIC设计无法完成在HHI和Oclaro两个晶圆厂之间的相互转换。

本研究所设计的集成光路主要为了向用于远程光接入点且使用CWDM分配器的压单元提供相关功能。在此过程中，需借助AWG来完成CWDM分配器的设计。其中，AWG（Arrayed Waveguide Grating）需在晶圆厂HHI平台内应用Opto Designer 5软件中知识产权保护的扩展包，对AWG结构的光谱和大小进行仿真、优化。HHI和Oclaro平台下，AWG的光谱图和大小分别为2.5× 1.5mm2和1.5×1.0mm2。

从上仿真结果来看，在HHI和Oclaro平台下，AWG结构的光谱图和大小仿真结果存在很大差异。但是，其依然能够确保接收器和发射器可在同一个波长下进行工作，从而证明了“ASPIC设计”在HHI和Oclaro两个不同平台中的相互转换合理、可行。

另外，在该集成光路设计中，为了使ASPIC设计在HHI和Oclaro两个不同平台中的相互转换更加便捷与高效，本研究还同时采用了“pxSinebend”及“pxMMI”等一些具有自适应功能的通用结构单元。如结合“MMI”（多模干涉器）输出与输入端的波导宽度，即可对锥形波导进行自动添加。

此外，“SOA”（半导体光放大器）也是一个具有自适应功能的通用结构单元。在集成光路设计中，“Opto Designer5”软件会结合实际设计需要，对定义在浅刻蚀层的波导过渡结构进行自动放置，以此确保集成光路能够高效在不同半导体制造技术间实现顺利转换[4]。

结束语

综上所述，本研究重点描述了“ASPIC设计”在“HHI”和“Oclaro”两个不同平台中相互转换的过程。通过找到同时存在于两个不同晶圆厂的“BBs”，以此确保两个设计相关功能具有一定的相似性。与此同时，基于此种优化、设计方式，也有效提高了“ASPIC设计”在不同晶圆厂进行转换的效率，更大大缩短了远端接入点集成光子芯片的设计周期。

[1]K.Welikow,A.Sosa等.针对60G赫兹无线连接的集成远端光接入单元的设计[J].集成电路应用,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.

常丽媛。