フォトニックデバイス製造のための新たなリソース

光波の科学と応用であるフォトニクスの主流が、ますます加速しています。データ通信の大流行により、データセンターの容量、構造、エネルギー効率を向上させるシリコンフォトニクス(SiPh)の採用が急がれています。1997年から2002年にかけての最初のフォトニックブームの原動力となったテレフォニー需要とは異なり、今日の指数関数的なブロードバンド要求は、ストリーミングメディアからソーシャルネットワーク、個人医療、ゲノミクス、そしてもちろん、困難な2020年を通してビジネスと個人関係を支えた恐ろしいテレカンファレンスなど、多くの異種アプリケーションによって推進されています。

レーザービームを使った低軌道衛星が何万個と連なり、地球上のデータを転送したり、衛星間で低遅延のインターネットアクセスを提供したり、人類の飽くなきデータへの欲求が高まるのはもうすぐです。 さらに驚きなのは、最新の高速光インターフェース技術 (http://www.oeic.vn/capabilities.htm#auto-optical-alignment) に対応しながら、便利な長さを提供するフォトニックケーブルや、(https://gadgetsandwearables.com/2021/05/02/rockley-apple-hydration/)の次期モデルとして予想される血圧・水分・グルコースセンサーのようなウェアラブルに組み込まれるバイオセンサーなど、コンシューマーやビジネスアプリケーションにフォトニック技術が突然導入されたことです。

フォトニクスが実現する未来の可能性は、ポケット電卓 (https://en.wikipedia.org/wiki/HP-19C/-29C) やパーソナルコンピュータ (https://en.wikipedia.org/wiki/Apple_II) が企業や家庭に普及した1970年代後半から1980年代初頭のシリコン革命のようなもので、フォトニクスが実現する未来の可能性を示しています。 当時も現在と同様、需要、競争圧力、絶え間ない技術の進歩に対応するために、製造規模を拡大することが課題となっていました。

半導体製造の黎明期には、現在当たり前のように存在する工具メーカーの盛んなエコシステムは存在しませんでした。現在では、発注書を発行するだけで新しい工場を一から作ることができますが、シリコン革命の黎明期の歴史的映像 (https://www.chiphistory.org/128-an-intel-wafer-fab-cleanroom-circa-1980) を見てみると、産業誕生時の労働集約型のプロセスや特注の機械に感心せずにはいられません。

見覚えはありませんか?それが、現在のフォトニクス市場の正確な状況です。そして、工具メーカー、受託メーカー、インテグレーター、産業コンソーシアムなどの先駆的な参入により、製造エコシステムが形成され始めています。例えば、半導体製造装置の分野では、2枚のウエハーを同時に処理できる高性能な双腕ロボットが登場し、製造の生産性が急速に向上する時代を迎えました。 また、高精度な部品製造には、精密な動作制御が欠かせません。すでに、フォトニクス回路製造・検査分野では、2016年にPI社の FMPA(Fast Multichannel Photonic Alignment) 技術が登場し、複数の入力、出力、素子、自由度の同時最適化が可能となり、最初の生産性革命が破壊的に起こっています。

省スペースが要求される場合には、磨耗のない高速リニアモータや高精度クロスローラガイドを搭載した小型ステージや、最高の性能、クリーン度、寿命を要求される場合にはエアベアリングを使用したコンパクトなアライメントソリューションが数多く提供されています。上のコンパクトXYZアライメントステージユニットは、2台のA-142エアベアリングスライド A-142 air bearings slides と垂直マウント用磁力カウンターバランス付きV-308ボイスコイルリニアステージ V-308 voice coil linear slide のXY軸構成に基づいています。

現在の一般的なフォトニックアレイデバイスのアライメント時間を100分の1に短縮することで、オンウエハー・チップテスト、光学系と相互接続のパッケージの組み立てなど、様々なアプリケーションで生産経済性の重要な課題に対応します。半導体業界初の双腕ロボットと同様に、FMPAパラレルアクティブアライメントは、所有コストや時間当たりのユニット数などの生産指標の改善に重要な焦点を合わせています。ここでは、フォトニックデバイス製造市場にサービスを提供する主要分野のパイオニアを紹介します。この分野は混沌としていますが、パイオニアは常にパイオニアであり続けるでしょう。

コンソーシアム、パイロットライン、研究機関

フォトニックデバイスのスケーラブルな生産に向けた道筋を示すために、産業コンソーシアム、パイロットライン、官民合同の研究所が設立されました。例えばヨーロッパでは、InP-centered InPulse (https://www.jeppix.eu/jeppix-pilot-line/services/) や、パッケージング技術に特化した研究先行型のPIXAPP (https://pixapp.eu) など、主要なデバイスのサブタイプに特化したフォトニックパイロットライン(https://ec.europa.eu/programmes/horizon2020/en/news/more-photonic-pilot-lines-europe)が存在します。大西洋を隔てた米国では、AIM Photonicsイニシアチブが、集積フォトニックデバイスの研究から製造への移行を促進する幅広い取り組みを行っています(https://www.aimphotonics.com/about-us)。

新たに参入した重要な企業は、産業界向けのスケーラブルパッケージング技術に特化した業界コンソーシアムであるPODIUM (https://www.podiumpackaging.com)です。PODIUMは、オランダの資金提供団体PhotonDeltaのプロジェクトで、Chip Integration Technology Center(https://www.citc.org/program-lines/integrated-photonics-packaging/)と提携しています。PODIUMは、前述のPHIX、PI、Tegemaを含む相乗効果のあるメンバーで構成されています。PODIUMは、研究所とOSATの橋渡しをし、パッケージング・プロセス開発における専門知識の核を提供するユニークな存在です。この産業界にフォーカスしたコンソーシアムでは、SiPhデバイスの設計者がスケーラブルに大量生産するための道筋を考案することが重要な目標となっています。例えば、PODIUMは、SiPhデバイスやコ・パッケージド・オプティック・アセンブリの組立戦略を開発するための、低コストでスケーラブルなプラットフォームへのアクセスを提供します。これには、フォトニックICへの光ファイバー終端や、必要な工業化ステップも含まれます。 PODIUMのプロセス開発は、拡張性を確保するためのモジュール式プラットフォームアプローチに基づいています。PODIUMは、フォトニックデバイスの開発者が直面するMake/Buyの決定を支援するために、技術やサプライヤーの専門的なキュレーションを行い、初期のパッケージング・プロセス開発から製造までの「ワンストップショップ」を提供します。オランダの歴史的に重要なフォトニクス拠点の近くに位置するPODIUMは、国際的にアクセスしやすく、高性能マイクロアセンブリ・オートメーションの主要な専門家が参加しているのが特徴です。

TEGEMAはPODIUMのメンバーであり、PIのFMPA技術を採用した最初の商用ハイスループットなフォトニクスパッケージングツールを提供しています。TEGEMAの装置では、FMPAのパラレルアライメント機能が、ハンドリング、準備、ディスペンス、硬化などのサブプロセスにおいて巧妙なパラレル化によって強化されています。その結果、部品のスループットは従来の10倍に向上しました。デバイスメーカーが研究段階から完全自動の大量生産に移行できるよう、投資を抑えたスケーラビリティを実現するモジュール型アーキテクチャが確立されています。例えば、部品ハンドリングは、必要なモジュールを追加することで、オペレーターによるローディングから自動トレイやコンベアによるローディングに移行することができます。

FormFactorは、シリコンフォトニクス時代にいち早く、ウェハレベルのシリコンフォトニクステスト用の高生産性ツールを提供しました。先進のフォトニクスエンジニアリングプローバは、テスト対象チップの片面または複数面にFMPAパラレルアライメント機能を実装し、従来のエンジニアリングプローバや現在の生産プローバと比較して生産性を大幅に向上させています。また、回折格子やエッジカップリング接続をウエハーや分割チップに対応させ、ハンドリング自動化のための様々なオプションも用意しています。シリコンフォトニックチップは、従来のマイクロエレクトロニクスチップ以上にパッケージングコストが高いため、良品チップのみをパッケージングすることがより重要となっています。このため、プローバは、チップの機能検証(欠陥のあるチップに対してコストのかかるパッケージング作業を行うことを防ぐ)、およびビニング(チップを性能別に分類し、要求の異なるアプリケーションに販売すること)を可能にします。ファブにおいて最も重要かつ多数のツールを有しています。工場の製品フローに対応するために複数のプローバが必要なため、そのスループットはより重要なものとなっています。

委託製造業者とOSAT

多くのSiPhデバイスメーカーは、半導体組立・テスト受託企業や専門受託メーカー(OSAT)の専門知識やリソースを活用し、戦略的な生産を行っています。

例えば、Integra Technologies社は、シリコンバレーに拠点を置き、DMEA認定カテゴリー1Aを含む幅広いチップテストとパッケージング・プロセスの能力を持ち、AlbuquerqueとWichitaに施設を持つ短納期で対応可能な企業です。シリコンフォトニクスの歴史が始まった頃、これは、多目的高速テスタツール内の各チップデザインのI/O構成に対応するブリーフケースサイズのパーソナライズモジュールで、1つのツールを多くの種類のチップに使用できるようにするものです。この特注フォトニックチェンジキットは、PIのFMPA高速フォトニックスキャン/アライメント技術を統合し、様々な組み立て段階のSiPhチップの高速検証を可能にしました。当時、業界ではデータセンター向けの高速ネットワーキング相互接続技術に注目が集まっていました。しかし、SiPhがコンシューマー向けやその他の非データコム用途に拡大するにつれ、Integra Technologies社もそれに歩調を合わせるようになったのです。最近、Integra Technologies社は、受託組立に進出し、プロセスアプローチの研究、開発、拡張のための新しいクリーンルーム統合機能を導入しました (https://www.integra-tech.com/blog/integra-technologies-expands-silicon-photonics-capabilities) その最初のパッケージング・ベンチャーは、まさにそのような非データコム・チップを扱っていました。数年前に通信やLIDARの整形やレーザービームのステアリング用に説明したものと同様のフェーズド・アレイ・デバイスです。 (https://www.researchgate.net/publication/304536829_Highly_integrated_optical_phased_arrays_Photonic_integrated_circuits_for_optical_beam_shaping_and_beam_steering)

Benchmark Electronicsは、光ファイバーやSiPhデバイスのプロセスエンジニアリングとアセンブリに幅広い能力を持ち、液晶ポリマー基板(https://www.bench.com/photonics)に関する高度な差別化専門知識も有しています。この最先端の基板技術は、物理的な堅牢性と110GHzを超える驚異的な速度で、特にスペース効率の良い設計を可能にします。 Benchmarkの光学およびフォトニック能力は、フォトニック集積回路のパッケージング、終端処理、ハイブリッドモジュール組み立てに役立つ製造技能のスペクトルを含んでいます。トランシーバー、ポンプ、チューナブルレーザー、ファイバーレーザー、DWDM、OADM、ルーター、ラインカード、スイッチなど、幅広い経験を有しています。Benchmark社のアリゾナ州フェニックスにあるRFおよび高速設計センターでは、設計およびパッケージングサービスを提供しており、この分野の大手企業がBenchmark社に信頼を寄せる中、生産性と品質における優位性を維持するために、最近FMPAベースの先進のフォトニクス自動アーキテクチャを開発しました。この新しいプラットフォームは、PI社のアーキテクチャの並列性と産業用サブミクロンモーションの品質を活用し、急速に発展するフォトニクスデバイス市場に不可欠な拡張性と迅速なカスタマイズを保証します。

カスタムインテグレーション

最後に、冒頭で述べたように、初期の半導体産業の場合、エコシステムの出現とともに、カスタムツールの開発が長い間追求されたことがあります。このような取り組みでは、社内外のシステムインテグレーターを活用し、設計、組み立て、生産展開や拡張をサポートしました。ツールメーカー市場が成熟するにつれ、カスタムインテグレーションの必要性は低くなっていきました。

カスタム設計と統合は、現在でも多くのシリコンフォトニクス関係者が好む方法であり、全く有効なアプローチです。その動機は、標準化の欠如、リードタイムの懸念、独自のアプリケーション、組織の専門知識の補完的活用などになります。

この種の統合プロジェクトには、PI社のような精密モーション機器や位置決め機器のサプライヤーの経験とコネクションが役に立ちます。最近,PI 社はシリコンバレーにテックセンターを開設し,統合エンジニアリングチーム,計測器メーカー,その他の外部リソースと協力してサブシステム作業を行うことができる安全なコラボレーション施設を提供することを目標としています。

まとめ

シリコンフォトニクスの分野は、データセンターからコンシューマー、ヘルス、パーソナルコンピューティング、その他の新しいアプリケーションへとSiPh技術が広がり、エキサイティングな新しい局面を迎えています。 SiPhデバイスメーカーは、デバイスを持続的な生産経済性で市場に投入するために、様々なリソースにアクセスできます。


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