制造硅光子芯片更可靠

硅光子学有能力显著提高on-die和到通信在一个包在极低的功率,但确保信号完整性随时间保持一致并不是那么简单。

虽然这项技术已经使用商业上至少在过去的十年中,它从来没有取得主流地位。这是主要是由于这一事实摩尔定律扩展了的大部分电力/性能需求远低于价格点硅光子学。因此,硅光子学是有限的应用,如网络芯片,价格的因素和延迟和低功率是至关重要的。随着摩尔定律的好处逐渐减少,但是,随着越来越多的数据需要处理,移动更迅速,特别是在日益增长的市场,如汽车激光雷达-硅光子学是吸引更多的利益。一起,有一种强烈的关注如何添加所有应用程序的一致性和可靠性技术。

“有四个经典的光子学市场”,汤姆Daspit说产品经理导师,西门子业务。“一个传感器,通常是非常小的设计。第二个是网络外框,你有以太网和纤维在另一侧。我们也看到一些公司做光子学插入器,而另一些则使用衬底上的死亡。第三是激光雷达,第四个是网络切换。我们也看到很多创业公司做量子计算,和一些使用光子学开车约瑟夫森结。”

正在探索的一个新领域到通信在一个包,和模块之间的通信设备。迄今为止使用的主要方法依赖于硅插入器,在那里在矽通过作为波导光学信号。

“典型的信号通过一个转换器,然后一个收发器,然后光电缆,”凯文张说,负责工程的副总裁日月光半导体。“你想要做的是减少大小的ASIC和光学收发器之间的互连。当你想要得到这样一个高速度、铜不能处理它。(再分配层)在硅不能处理它。做得好,在硅波导插入器,在你创建一个作为波导的战壕。缩小互连提高了信号完整性和电源效率。如果你开车经过铜,你浪费大量的能量。”

推动这个成为主流不是如此简单,然而。首先,硅光子学需要下来的成本,这就需要更多的标准过程和更广泛的采用。它还需要创新的水平,从设计到测试和检查。

也有多个可以用光子芯片出现问题影响可靠性。其中包括:

• 弯曲。比电路光子学需要不同的材料,所以光子芯片-通常III-V材料需要连着硅。因为他们有不同的热膨胀系数,可以把压力焊球或肿块引起弯曲,这可能会影响光信号。
• 漂移。与模拟电路、光学电路受到老化的影响,热,和各种类型的噪声。会导致变化的信号,这可能促使他们范围以外的光学过滤器接收他们。
• 波导粗糙度。波导需要光滑为了不破坏光信号。任何畸变,相当于直线边缘粗糙度在数字芯片,会影响信号的完整性。此外,光学电路必须曲线线性或放松的信号保持顺畅,这并不是今天的重点设计工具。
• 变异。虽然大多数制造业的硅光子芯片在老节点完成,这仍然是一个相对较新的制造过程。发光激光器本身使用III-V材料需要保税硅,和包装这些类型的芯片仍需不断的完善。

所有这些和其他需要解决的问题。

材料和物理
“硅光子学晶片通常包含逻辑和光学组件在同一晶片上,”Mike Slessor说的首席执行官形状因子。“这些光学组件,如激光、波导、探测器和多路复用器可以直接与经典逻辑组件接口,或可以通过先进的组合作为单独的ICs 2.5 d和3 d先进的包装技术。因此,新维度在硅光子晶圆测试是一个混合的电子和光学测量。”

硅光子学是不同于当今光通信在一个数据中心。而光被用来携带大量数据在不同的距离,这距离通常都相当大。移动它更接近的处理将它纳入一个芯片或者multi-chip包增加了复杂性的一个全新的水平。

材料带来另一个问题。足够的供应和纯度的材料是至关重要的。最受欢迎的包括arseninde镓、indisum化镓、铟砷化镓,磷化铟。这些III-V材料在硅光子学,因为它们直接至关重要能带,但他们很难处理,降低随着时间的推移——这就是为什么大多数光子学应用包括冗余激光——他们从未在大规模生产数量。相比之下,硅是极其稳定的但一个贫穷由于其间接带隙的光发射器。

还有其他材料混合,。例如,过渡金属dichalcogenides用于维持光信号的幅度和功率,沉积薄膜的形式。虽然所有这些都是相对简单的制造业,所有这些都是特殊材料。

从好的方面说,这些芯片是不被开发尖端节点。与模拟,萎缩的特性并没有帮助。

“硅光子芯片产生45 nm或65 nm节点,较小的基质,在某些情况下,“形状因子的Slessor说。“我知道几个人做了300毫米,但很多所做的是在较小的基质,利用半导体生产设备的安装基础,很划算的。尺寸和材料集你处理相对简单。很适合工厂的后缘安装基础能力。”

包装都在一起使这个复杂得多,然而。“处理这些材料的更大的问题是结构性”,说Raanan Gewirtzman,业务总监proteanTecs。“可靠性来自几个不同的方向。先进的包装,你需要找到一些方法,把这些死在一起,确保你解决热的问题。所以你可能使用TSV或microbumps连接不同的死亡,而当你有很多死于同一个包必须处理大量连接。现在已经成为必要的监控互联和信号质量,确保整个系统正常运作。”

正如所有芯片,特别是高性能数字或混合信号芯片,热是一个问题。硅光子学的好处是,它不会产生太多。缺点是热量从其他来源可能会导致光信号漂移。光学过滤器需要调整占漂移为了避免信号损失。

设计约束和差异
比电气设计光子芯片是非常不同的。穿越电路在光学不违反,不会引起短裤是电气设计。此外,大多数的光子芯片开发在130 nm和90 nm,尽管有些人开始斜坡65海里,这使得它们更便宜和更容易使用。

更大的问题是缺乏工具,这使得设计数字,甚至模拟/混合信号芯片更一致。

“你必须成为一个专家在自定义布局,“导师的Daspit说。“没有标准,没有今天的普遍方法。如果你把这个打包,你必须有一个或多个纤维通过包。面临的挑战是如何得到光开关芯片。如果你使用光栅耦合器,他们在一个角度。如果您正在使用一个边缘耦合器,它是在同一平面上的死。但是无论如何,你有2 d / 3 d对齐问题。”

这将需要一些改变,在过去被认为是不必要的,因为硅光子学的利基市场的作用。但在高频通信等5克和潜在的汽车应用中,硅光子学突然看起来比过去更有趣。但利用这种技术需要更多设计到制造过程的一致性。

”将会有专门的硅或其他制造过程处理专业需求,无论是与甚高频无线电波与硅锗或砷化镓,还是具体的流程处理光子学,“若昂Geada的解释说,首席技术专家有限元分析软件。”当然,你可以用正常的常规CMOS集成一些,但是更容易当它不是。你不需要一个极端的高成本节点当你穿上它操纵光,这实际上是远远大于最小的晶体管你让。”

另一个挑战是确定多远可以弯曲光才会导致问题。需要内置布图规划和包装工具。“你只能弯曲光线太紧,”Daspit说。“你也可能需要使用结构,将推迟因为网络应用运行在固定的频率。”

覆盖率和可靠性问题
分析和测试添加其他的挑战,特别是当涉及到保险。

说:“硅光子学很难分析道,副总裁和总经理OptimalPlus。“你有一个混合的数据类型,你必须做一些与。你得到一些好处如果你能按摩,数据的格式,你可以做些什么,但从历史上看,这些都是不同的。”

的关键是创建一个语义层和增加预测模型,老人说。“你正在寻找什么是及时反馈,这样体积压缩的时候。”

测试,与此同时,倾向于遵循相同的方法与传统的芯片一样,只是更复杂。

“大部分的测试方法我们正在开发类似于今天人们做电气测试的方式,“Slessor说。“如果你看看我们的整体系统,它有各种各样的激光器和探测器驱动光信号通过硅光子芯片同时电调制事情打开和关闭结构或改变波长一点。然后你测量输出。所以你有一组激光,一组探测器,和一组测量的电输入和输出各种不同的东西。如果它是一个调制器,你想测量与转换相关的事,与设备相关联的整体品质因数。这真的是很类似于我们所做的在主流电子测试。只是现在你现在有这个光学组件,。”

不过,这不是一个千篇一律的方法。“不同的客户采取不同的方法,”Slessor说。“他们中的一些人完成完全本土的长椅上的解决方案。我不确定我称之为生产测试。它更像是特征和工程测试。你可以侥幸的事情不是高效,高通量和完整,今天的主流CMOS测试。但我们曾与各种各样的客户,包括GlobalFoundries和工研院,和合作伙伴Keysight等集成一个完整的测试系统主要是为wafer-level硅光子学。这是一个领域,因为人们开始增加在生产中,我们看到越来越多的需求,集成系统。尽管我们仍然在小卷,它允许快速增加他们不必担心硬件集成不同的测试仪器有不同的处理。当然,你看不仅仅是光学测量,但电。 And so it’s one of these hybrid applications where being able to integrate everything together in a turnkey way helps time to results and time to market for our customers.”

结论
硅光子学已经证实的技术。它有望成为更重要的是随着时间的推移,需要的数据量迅速继续增长,随着更多的体积会导致更好的工具和更低的价格。

这种发展可能发生的事实:大多数pre-finFET节点是一个很大的好处,特别是在低功率,低热量和更高的性能因素。但一致性、可靠性和更好的工具仍然需要按这个成为主流,此时有很多工作要做。