프로세스 설계 키트란 무엇인가요?

설계자들은 파운드리에서 제공하는 광학 소자를 활용하여 다양한 종류의 광집적회로(PIC)를 설계할 수 있으며, 이러한 소자들은 해당 파운드리사의 공정 설계 키트(PDK)에 기술적 및 기하학적 형태로 표현되어 있습니다. 

PDK는 일종의 빌딩 블록 세트에 비유할 수 있으며, 라이브러리에 포함된 각 광학 소자는 개별 블록에 해당합니다. 설계자는 이러한 블록을 활용하여 다양한 응용 분야에 맞는 여러 유형의 광학 회로를 구축할 수 있습니다. 설계자가 자신이 선택한 소재 플랫폼 위에서 미리 정의되고 검증된 광학 소자를 사용할 때, 범용 기술은 비용 절감에 유용합니다.

디자이너는 자신만의 빌딩 블록을 직접 만들 수도 있지만, 특정 파운드리에서 제작된 맞춤형 부품을 사용하려면 해당 파운드리의 제작 규칙을 따라야 합니다. 일반적으로 이러한 규칙에는 다음 사항 등이 포함됩니다:

• 재료 적층 (층의 종류 및 두께)
  
• 광학 소자 간의 최소 거리 (예: 도파관 간의 간격)
• 최대 식각 깊이
• 메탈라이제이션 및 전기 프로브 (금속 배치 방법, 허용되는 금속 층)
• 특성 치수 (도파관, 구멍, 활성 영역 등의 크기)

포토닉 PDK는 PIC 설계 프로세스의 핵심 단계인 회로 및 시스템 수준 시뮬레이션을 가능하게 합니다. 시뮬레이션의 정확도는 파운드리에서 공정 설계 키트의 일부로 제공하는 소형 모델 라이브러리(CML)의 성능에 달려 있습니다. 파운드리 CML은 측정 데이터를 바탕으로 보정되어야 하며, 실제 제작된 본질적 포토닉 소자 및 회로의 동작을 정확하게 모델링할 수 있어야 합니다.

광학 분야에서 PDK의 기본 구성 요소는 도파관, 위상 변이기, 능동 소자(반도체 광 증폭기(SOA) 및 레이저), 회전자(편광기) 등이다. 이는 다음 그림에 표시된 바와 같이, 전선/저항기, 인덕터, 커패시터, 트랜지스터와 같은 전자공학의 기본 구성 요소와 유사하다.

광학 소자를 모델링하려면 재료 및 광학적 특성을 고려해야 합니다. 소자 수준에서 이러한 특성은 대개 다음과 같습니다:

• 파장에 따른 재료 적층체의 굴절률(실수부와 허수부로 표현됨, 일명 광학적 성능)
• 사전 특성 분석이 완료된 구성 요소 또는 검증된 구성 요소의 값 
• (실제 데이터가 없는 경우) 성능을 예측하기 위한 분석 모델

광학 소자의 재료 및 광학적 특성은 S-매트릭스를 통해 기본 구성 요소로 표현될 수 있으며, S-매트릭스는 PIC를 시뮬레이션하기 위해 소자 수준에서 회로/레이아웃 수준에 이르기까지 소자의 포트 간 신호 전달을 설명합니다.

이러한 구성 요소는 화이트 박스와 블랙 박스로 표현됩니다. 블랙 박스는 기하학적 도형, 대개 입력 및 출력 포트가 있는 직사각형으로 표현되며 , 구성 요소의 성능을 나타내는 선형 및 비선형 모델(또는 사전에 특성 분석이 완료된 구성 요소의 값)을 포함합니다. 설계자는 입력 및 출력 포트만 볼 수 있는 반면, 파운드리 측이 제조를 위한 구성 요소의 관련 정보를 보유하고 있기 때문에 이를 블랙 박스라고 부릅니다. 이 정보는 파운드리에서 마스크를 조립할 때( 웨이퍼 내의 모든 포토닉 집적 회로 레이아웃 설계를 웨이퍼에 통합)할 때 화이트 박스 소자에 로드됩니다. 화이트 박스와 블랙 박스는 설계자가 파운드리사의 공정 흐름(마스크, 레이어, 재료)을 볼 수 없도록 함으로써 파운드리사의 지적 재산을 보호합니다.

파운드리 업체들은 실리콘 포토닉스, InP, LiNbO3, 폴리머, 유리 등 다양한 소재 플랫폼을 사용합니다. 각 소재 플랫폼과 파운드리 업체는 (현재까지) 소재 및 광학적 특성에 기반하여 물리적 수준에서 PIC의 성능을 결정하는 고유한 공정 흐름 또는 제조 공정을 보유하고 있습니다.

PIC를 설계할 때는 프로세스 설계 키트를 설계 흐름에 통합해야 합니다. Synopsys’ OptSim포토닉 솔루션(Photonic Solutions) 포트폴리오의 이 솔루션은 PDK 기반 설계와 맞춤형 설계를 모두 가능하게 하며, 멀티 프로젝트 웨이퍼(MPW) 런(Run) 접근을 제공하는 가장 광범위한 파운드리 포트폴리오를 지원합니다.