【晶圆制造】硅光代工的产业分析

一、硅光代工的技术难点

1．硅光子器件制造的工艺特殊性

虽然硅光代工可以使用传统集成电路制造现成的 200mm/300mm 晶圆厂、光刻机和刻蚀设备，但其工艺也非常特殊。我们沿光传输的过程，对硅光芯片的制造技术难点进行简要说明：

（1）光源

光源由激光器产生，目前围绕激光器是外置还是芯片上集成，产业界分化为两种技术路线：

1.激光器外置，作为独立模块，通过光纤传输光源。该方案的优点是激光器的热管理简单，激光器可替换，系统可靠性高；技术挑战是光信号有额外的能量损耗，且系统体积会增大；

2.通过外延生长技术，直接将发光材料集成在芯片上（异质集成/单片集成）。该方案的优点是光互连的密度进一步提高，系统体积减小；技术挑战是器件良率下降，器件热管理挑战极大，目前可靠性不够。

（2）传输

以波导拉锥Taper（或称模场转换器）为例，其结构类似于截头楔形，其中粉红色的部分是硅波导，用于传输信号光，深红色部分是绝缘衬底，白色的包覆层（Cladding）是SiO2。

为了保证光信号的强度衰减尽量小、光信号模式不发生变化，微纳加工的工艺目标为：

1.硅波导的结构通常由干法刻蚀技术+热氧化平滑化工艺进行制备，需要保证侧壁的粗糙度在1nm数量级，特别是左右侧壁；整个横截面的尺寸变化必须是连续、平滑的。

2.SiO2的包覆层是高深宽比结构，需要通过薄膜沉积工艺制备，且不能在界面和内部留下任何孔洞，最后还要对其表面进行化学机械抛光，以便后续的布线。

3.长波导需要多个光刻场拼接，整体拼接误差要尽可能接近绝对0误差。波导结构中因拼接错位带来的台阶结构(Reticle Stitching)，会造成额外的能量损失和致命的信号模式的改变，导致信号强度衰减、信噪比显著降低。

光刻场拼接导致的波导结构错位，图片来源：参考资料2

（3）光探测器

通常用外延生长技术，直接在Si上做Ge的外延生长并制成器件，和芯片的传输部分集成在同一晶圆上。这部分的主要技术挑战，是外延生长中的界面错配，以及器件工作过程中的界面热管理。

Ge探测器的结构示意图，图片来源：参考资料3

硅光前道代工和传统CMOS的技术差异总结如下表

2．系统级的良率挑战

随着硅光从板载插拔式向CPO（共封装光学）架构演进，主要的良率挑战并非局限于前道的晶圆制造，而是来自于器件设计-晶圆制造-封装方案全流程的协同，主要的技术难点是波导耦合的插入损耗控制，以及各种对准偏差问题。

在英伟达的供应链中，台积电推出的COUPE（紧凑型通用光引擎）平台利用SoIC-X 3D堆叠工艺将电控芯片与光子芯片垂直整合，其官方在2026年技术论坛上披露，工程样品阶段的3D堆叠良率已达到99%以上。然而，在进入后续的CoWoS CPO系统级装配时，FAU贴装和多物理场可靠性问题仍然大幅制约着综合成品良率。

二、中国硅光代工产业格局

1．研发与中试引擎

（1）上海微技术工业研究院

上海微技术工业研究院（SITRI）的定位是硅光子技术研发中心与“超越摩尔”中试引擎，致力于打通学术界与产业界的量产验证壁垒。上海工研院具有国内首条8英寸研发中试线。

（2）国家信息光电子创新中心（NOEIC）

NOEIC于2025年11月正式推出基于国产化工艺的12英寸40nm硅光流片平台。该平台为国内首个40nm节点商用硅光工艺平台，具备支撑高性能、高复杂度光子芯片设计与制造的能力，能够充分满足光互连、光传输、光传感、光量子、光计算、微波光子等多领域的器件创新需求，为客户提供从概念验证到量产落地的一站式解决方案。

2．核心制程平台：重庆联合微电子

重庆联合微电子是国内首个开放硅基光电子、微系统先进封装等工艺的光电集成高端特色工艺平台，以硅基光电子、微系统先进封装、多光谱探测、碳基集成电路等工艺技术和产品技术为核心，已经对外发布7套工艺PDK。此外，还开发了硅光集成光陀螺、非制冷红外探测器等典型产品；引领国内光电融合仿真工具（EPDA）开发，在光FPGA、光AI等前沿技术方向取得核心突破。

3．特色产能布局：燕东微、赛微电子

燕东微：传统IC代工大厂，其技术特长在于12英寸SOI工艺平台开发，聚焦传统标准硅光晶圆代工，已完成部分关键硅光SOI工艺开发。

赛微电子：专注于高端MEMS代工，其技术特长是主攻MEMS-OCS（光回路交换微镜）微镜阵列芯片工艺，主要依托境内北京工厂（8/12英寸）提供硅光开发与小规模试制。

三、商业模式分化

随着高端 AI 算力和 CPO的爆发，目前的硅光产业正处于“从传统分工走向光电融合”的分水岭。

从国际巨头来看，台积电正在走向“前道+光电封装”全包揽的系统级解决方案商模式；GF死磕单片集成，而在后道的高难度光学封装上，采用建立“生态圈”的模式，和特定公司进行深度绑定；高塔半导体仍旧保持纯晶圆代工模式，不做后道的光学封装。

GF硅光芯片单片集成的结构图，图片来源：参考资料4

四、中国硅光代工的产业进度

国内的硅光晶圆代工已经默默搞了十几年，但它的核心特征是“重科研、轻量产；重电信、轻计算”，长期停留在电信级的舒适区与中试阶段，突然被英伟达和 AI 算力潮用计算级的严苛指标暴力拉扯，从而暴露了前道制造的巨大断层。

国内的商业战略与宏观分工上存在畸形。一方面，光模块组装天下无敌： 中际旭创、新易盛、光迅等中国光模块企业占据了全球半壁江山，接英伟达和谷歌的订单接到手软。另一方面，前道晶圆制造被长期抽血：这些光模块巨头过去为了追求商业效率和良率，核心的 DSP 电芯片、高端的硅光芯片买海外成熟的，自己只负责门槛较低的光纤对准、外壳封装和测试。

目前的国内产业受应用端的倒逼，硅光晶圆代工的进展如下：

硬件平台：由国家信息光电子创新中心（NOEIC）国内首条12英寸40nm CMOS全国产化硅光流片平台已于2025年11月在光谷正式投用。该平台已开启2026年度12英寸硅光MPW流片渠道，主要承接国内通信、光互连等领域的科研及企业前期验证订单。

试产验证：赛微电子北京工厂为国内某客户代工的MEMS-OCS晶圆于2025年8月启动试产，至2026年春季已成功实现小批量试产并完成客户严格测试交付。该器件属于AI万卡集群光交换的核心元器件，具有实质性的本土制造意义。

但是，国内针对主流高容量的标准硅光收发模块的前道代工产能仍然缺乏，整体仍处于技术验证与平台导入的攻坚阶段。

五、结论与展望

受AI数据中心万卡集群带来的硅光产能的巨大缺口影响，以及对高利润率产业端的追求，国内硅光的前道代工产业，不会再停留在过去的“电信级”的舒适区，也不能仍然用组装巨头的长项来掩盖制造端的短板，而会被应用端持续逼迫，进行不断的技术升级迭代。设计公司和代工厂可能会进行联合开发，共担研发成本与风险；或者由通信商、大数据需求方、目前的组装巨头，向产业上游进行扩张性的投资，从专项产品定制开始，逐渐拉动整个产业升级。

参考资料：

1.论文：AIP Advances 13, 025365 (2023)

2.IMEC论文及技术白皮书：https://www.mdpi.com/2304-6732/13/1/100

3.论文：https://bdt.semi.ac.cn/download/0.481743961058849.pdf

4.综述论文：

https://www.researching.cn/ArticlePdf/m00006/2025/45/17/1720003.pdf