矽光子晶片供應鏈解析：以歐盟研發計畫 PhotonixFAB為案例
本文將介紹光子晶片的供應鏈，並與積體電路供應鏈進行比較，最後以一個專門推動光子晶片商業化的歐盟研發計畫為例加以說明。
[光子/電子晶片的供應鏈介紹]
光子晶片作為半導體產業的新興技術，吸引到了越來越多的關注。那光子晶片的供應鏈和電子晶片(及積體電路)的供應鏈有什麼差別呢?
在深入探討光子晶片供應鏈之前，我們需要先了解積體電路（IC）的供應鏈。IC供應鏈的最上游是電子自動化設計(Eletronic Design Automation, EDA)以及矽智財IP廠商，負責提供電路設計軟體以及設計IP模組。電路設計公司會使用EDA tool 和 IP設計晶片，並將設計好的電路圖(circuit layout)交由晶圓廠(Foundry)製造。最後製造完的晶片會由封測廠(Outsourced Semiconductor Assembly and Testing, OSAT)進行晶片的封裝、測試，最後整合進終端產品中。(供應鏈中仍有其他重要的角色，如材料、設備供應商，篇幅關係在此不討論)
光子晶片的供應鏈與此有類似之處，但仍有一些不同之處。
在前一篇文章中(點我看文章)提到 "光子晶片是利用半導體的技術將光學元件積體化、整合至晶片中"。也就是說，矽光子產業也是使用半導體技術的廣義半導體產業，因此供應鏈的結構與積體電路相似。
接著我們會以一項歐盟的光子晶片計畫 — PhotonixFAB為例，來介紹光子晶片的供應鏈。
[PhotonixFAB計畫]
PhotonixFAB計畫於2023年7月開始運作，計畫為期3.5年，並耗資4800萬歐元(約16.7億台幣)。其目標是整合歐洲矽光子供應鏈的上下游公司，推動歐洲矽光子供應鏈產業化，以實現光子晶片的大規模生產。
我們接著就來看此計畫內的供應鏈結構:
在產業中，最上游的仍然是EDA廠商以及光子晶片的設計。由比利時的Luceda Photonics負責，也就是我們公司。我們的角色是開發不同材料平台的製程設計套件(Process design kit, PDK)，以加速光子晶片設計的標準化。接著是負責晶片製造的晶圓廠，分為專責被動元件/主動元件/異質整合的晶圓廠，這也是矽光子和積體電路產業鏈最不同的地方。
積體電路利用矽作為製造的平台，單一晶圓廠就能完成所有晶圓製造的程序；然而，目前沒有任何材料平台可以單獨完成光子晶片的製造。白話一點說，每一種製作光子晶片的材料平台都有其限制，可能是某些元件無法製造、某些製程無法穩定，或者無法克服成本問題。當存在多種材料平台時，對於技術的標準化是一個困難，從而成為光子晶片商業化的一大阻礙。
因此在PhotonixFAB計畫裡，歐盟整合了不同技術的晶圓廠。完整的光子電路是由主動元件及被動元件組成的，主動元件是由Smart Photonics(荷蘭)提供，是基於磷化銦(InP)平台；負責製造被動光子電路的則是Ligentec(瑞士)及xfab(德國)，是基於絕緣層上矽(Silicon on insulator, SOI)及氮化矽(SiN)的材料平台。在主被動元件各自被製造後，仍需要額外的手續將其整合在一起，光子晶片才能完整的運作。這步為異質整合(Heterogeneous Integration, 點我看文章)，利用巨量轉移(mass transfer printing, 點我看文獻)等技術完成整合。
晶片製造完畢後，會交由荷蘭的PHIX進行封裝和測試，其角色與IC供應鏈中的封測廠商相同。如前所述，光子晶片是由不同材料平台製造主、被動元件整合而成的，因此封裝也必須開發異質整合晶片的封測解決方案。
最後的光子晶片會被終端系統公司整合進產品中。光子晶片可被整合進光學收發器(optical tranceiver)、光譜儀、生醫感測器等應用，並被應用於資料傳輸、通訊、感測等領域。
[總結]
- 光子晶片也是廣義的晶片產業，因此其供應鏈與電子晶片相似。
- 電子及光子晶片供應鏈最大的不同，在於在於製造過程的分工。電子晶片的製造可以由矽，這個單一材料平台製造；而光子晶片很難完全由單一材料平台製造，目前也沒有平台有絕對的優勢能完整製造光子晶片
- 承 2.，因此在PhotonixFAB計畫中，有專責製造光子電路中主/被動元件、及異質整合的晶圓廠。
- 承3.，由於晶片製造牽涉多種材料平台，因此產業上下游皆需相互配合。 上游的EDA 廠商須提供對應的製程設計套件；下游封測廠也需開發出適用於異質整合晶片的解決方案。
[Reference]
