矽光子積體電路（PIC）的研發、驗證與製造流程

日期：2025/12/18

矽光子積體電路 (PIC) 的開發週期主要包含四個關鍵階段：

1. 研發與設計（R&D and Design）

關鍵環節	重點與技術	參考資訊
設計工具與 PDK	採用專門的電子-光學設計自動化（EDA）軟體，並使用代工廠提供的製程設計套件 (PDK)。PDK 包含元件庫和設計規則，是確保設計能夠被成功製造的基礎。	Synopsys、Keysight 提供從設計到生產測試的解決方案。Synopsys 支援全球多家代工廠的 PDK，涵蓋矽、氮化矽等平台。
異質整合	由於純矽材料不適合有效發光，因此 R&D 的重要方向是透過異質整合 (Heterogeneous Integration)，將 III-V 族半導體材料（用於雷射光源）與矽平台結合，實現高性能、窄線寬的可調式雷射。
原型製造	透過代工廠（Foundry）提供的多專案晶圓 (MPW) 服務，設計人員可以低成本地進行少量、多樣的原型驗證。	IMEC、AIM Photonics 均提供此類服務，以加速技術從研發到商用的轉化。

2. 驗證與特性分析（Verification and Characterization）

驗證是將 PIC 設計推向高良率（High-Yield）量產的關鍵瓶頸。此階段需要量測元件的電學和光學性能。

關鍵環節	重點與技術	相關儀器與挑戰
光學量測	量測元件對不同波長的響應，例如：插入損耗 (IL)、偏振相關損耗 (PDL)、波長相關損耗 (WDL) 等。	需使用可調式雷射與光譜分析儀或光學元件分析儀，並要求儀器具備高準確度和高掃描速度。
高速電光測試	對於高速調變器、光偵測器等主動元件，需進行 S 參數、眼圖、誤碼率 (BER) 等測試，驗證其在數十 Gb/s 甚至更高速率下的信號完整性。	需使用高速示波器、任意波形產生器 (AWG) 和網路分析儀等。
晶圓級測試 (Wafer-Level Test)	在晶片切割封裝前，對整片晶圓進行自動化測試，這是高吞吐量製造的基礎。	Keysight 和 ficonTEC 等公司提供整合自動光纖對準、電光探針和內建診斷功能的晶圓測試系統，旨在提高量產環境中的效率和穩定性。
可靠性驗證	確保 PIC 在極端環境下的長期穩定性和壽命，特別是在 Co-Packaged Optics (CPO) 等先進封裝結構中。

3. 製造與封裝（Manufacturing and Packaging）

矽光子的優勢在於能利用成熟的 CMOS 晶圓廠進行製造，但在封裝環節面臨特有的光學挑戰。

關鍵環節	重點與技術	挑戰與解決方案
PIC 製造	使用標準的半導體製程（如微影、蝕刻）在 SOI 晶圓上製造光學波導、耦合器、調變器等元件。	晶圓代工廠（如 GF、Tower Semiconductor 等）提供專門的矽光子製程。
光纖耦合	將晶片上的光訊號有效地與外部光纖連接是核心挑戰，這涉及到光纖到晶片耦合效率。	需採用高精度對準技術（例如 ficonTEC 的自動化微組裝平台），以確保低損耗。
先進封裝 (Co-Packaged Optics, CPO)	隨著資料傳輸速率不斷提高，將 PIC 和電子積體電路 (EIC) 共同封裝（CPO）成為趨勢。這涉及到 2D、2.5D 和 3D 堆疊等複雜技術。	需要解決晶片級光互連、高頻信號完整性以及散熱問題。
缺陷分析與良率提升	需透過精確的量測和統計數據，找出製程中的缺陷點，並將測試結果回饋給設計（形成閉環生態系統），以不斷改進 PDK，加速良率提升。

總結來說，矽光子的成功商業化需要設計、製造和測試三個環節緊密合作，形成一個閉環生態系統。目前業界正致力於克服測試和封裝這兩個關鍵瓶頸，以加速 PIC 在資料中心、AI 運算和先進感測等領域的大規模應用。

資料來源: Google Gemini