柔性透明光子芯片制造平台问世，突破传统硅光芯片局限

硅光子学利用光而非电来传输和处理半导体芯片上的数据，这项技术已经推动光学系统从笨重设备演变为紧凑先进的系统。然而，通常这类硅光子芯片是刚性且不透明的。

麻省理工学院的科学家们现已找到一种可扩展的方法，使硅光子芯片具备柔性和透明特性，这为先进微芯片开辟了新途径，可应用于贴合身体的隐形健康监测器，或适配飞行员头盔曲面的透明增强现实显示屏等场景。

尽管科学家们近期在实验室中展示了具有柔性或透明特性的芯片，但每次只能制造少量器件。

麻省理工学院的研究人员与纽约奥尔巴尼纳米技术综合体的NY Creates工程师团队密切合作，开发出一种利用标准半导体制造工艺、在大规模晶圆上生产柔性透明硅光子芯片的制造流程。

为验证这一平台，研究人员将单个芯片在直径不同的圆柱体上反复弯曲数千次——最小弯曲直径达到一颗小螺丝的宽度——性能没有出现任何下降。他们还确认，透过这些芯片观察时不会产生明显的雾化或图像失真。

麻省理工学院电气工程与计算机科学系（EECS）罗伯特·J·希尔曼职业发展副教授、电子研究实验室成员、该论文的资深作者耶莱娜·诺塔罗斯（Jelena Notaros）表示："我们现在已经开发出一种晶圆级工艺，可以生产出机械柔性和光学透明的晶圆，从而实现以前硅光子学无法实现的新应用。我们希望通过与NY Creates同事的密切合作，并利用奥尔巴尼纳米技术综合体的代工厂，有可能让该平台惠及我们研究界的其他团队，为整个硅光子学领域打开这些新的应用领域。"

论文的共同作者包括第一作者塔尔·斯内（Tal Sneh）和安德烈斯·加西亚·科莱托（Andres Garcia Coleto），二人均为EECS研究生；NY Creates（纽约研究、经济发展、技术、工程与科学中心）的托马斯·戴尔（Thomas Dyer）和凯文·菲利（Kevin Fealey）；以及2023届博士米利卡·诺塔罗斯（Milica Notaros）。该论文发表于《Optica》期刊。

柔性与透明特性

过去十年间，研究人员已开发出可大规模制造精密、高可靠性硅光子器件的技术。

他们利用先进的微电子代工工艺，生产出直径300毫米、包含数十亿个纳米级光学器件的晶圆。但这些方法产出的硅光子芯片都是刚性且不透明的。

诺塔罗斯说："我们意识到，有许多应用场景会因芯片具备柔性和透明特性而受益。"

科学家此前曾制造出单个具备透明或柔性特性的硅光子芯片，但这些技术无法规模化生产。为解决这一扩展难题，诺塔罗斯团队近期展示了一种在柔性基底上制造硅光子芯片的代工厂级工艺流程。

如今，该团队将这些创新进一步推进，开发出可生产同时具备透明和柔性特性的300毫米硅光子晶圆的可扩展工艺流程。

他们的制造流程一开始如同制作传统刚性硅晶圆一般。研究人员在这一刚性硅基底上精心沉积并构图出被称为波导的微小光学线路。

随后，他们在上方键合一片临时硅晶圆。将晶圆翻转后，去除原始硅基底（此时已位于晶圆顶部）的全部材料。最终剩下一层厚度不足人类头发直径十分之一的平整材料层。

斯内表示："得益于我们在翻转晶圆之前添加的刚性临时支撑层，我们可以一直去除材料，直至只剩下氧化层和波导层。"

他们使用粘合剂在这些超薄层顶部粘贴一层薄而透明的聚酯薄膜，并从底部"解除键合"临时硅晶圆将其移除。

这样便得到一片仅几微米厚的柔性透明晶圆，其中包含硅光子学捕获和传输光线所需的氧化层和波导层。

斯内补充说："由于我们使用的是稳定的300毫米代工厂制造工具，我们可以设计包含大量器件的系统，并且有信心它们能达到规定的性能指标，这一点极为重要。"

开发这一制造流程的最大挑战在于，要从直径300毫米的大型硅晶圆上去除足够多的材料，最终只留下几微米厚的材料层。

在制造过程中，晶圆所承受的应力通常会导致其发生轻微弯曲，这使得硅材料去除过程尤为具有挑战性。

戴尔表示："当我们将晶圆翻转到这些基底上时，如果应变管理不当、晶圆不够平整，晶圆表面就会出现褶皱，甚至在生产线上直接碎裂。"

研究人员通过坚持采用500摄氏度以下的低温工艺，谨慎地控制了这种应力。

他们还必须找到正确的去除方法顺序和组合。他们采用工业工艺来减薄硅层，但在最后阶段改用更精确的选择性化学蚀刻方法，以确保不会损坏留下的超薄层。

关注性能表现

研究人员进行了三项实验，以测试这些柔性透明硅光子晶圆的不同功能特性。

首先，他们测试了集成有不同长度波导的芯片的光学性能，以确定其波导特性。

接着，他们通过将芯片在不同直径的圆柱体上反复弯曲数千次来测试柔韧性。这些实验表明，即使将芯片绕在约一颗小螺丝大小的圆柱体上弯曲，性能也没有出现任何下降。直到研究人员将其绕在牙签上反复弯曲多次后，器件才开始出现性能退化。

加西亚·科莱托表示："这项实验验证了该平台可用于我们所提议的应用场景，其性能表现甚至远超这些目标系统所需的指标要求。"

他们还通过搭建仿生眼装置，测试将芯片置于眼睛前方时是否会造成视觉失真，从而评估其透明度。结果发现，该芯片只会给观察者带来极其轻微的雾化效果，透过它观看时不会明显扭曲眼睛所感知的图像。

这些特性可能使这类芯片特别适用于诸如贴合抬头显示挡风玻璃或飞行员面罩的曲面增强现实显示屏等硅光子系统应用场景。例如，在飞行员面罩中，这种增强现实显示屏可以取代目前用于向飞行员提供实时信息、帮助其应对危险状况的笨重体块光学系统。

未来，随着朝着实现上述及其他新应用的方向推进，研究人员希望为芯片增添更复杂的组件和功能。他们还希望优化设计，进一步提升波导效率，增强透明度表现。

本研究部分资金来自美国国家科学基金会、美国国防高级研究计划局以及MathWorks奖学金。晶圆加工工作在NY Creates完成，芯片切割工作在麻省理工学院纳米实验室（MIT.nano）完成。

Q&A

Q1：柔性透明硅光子芯片是什么？

A：这是麻省理工学院研究人员开发的一种新型芯片，利用标准半导体制造工艺在大规模晶圆上生产，突破了传统硅光子芯片刚性不透明的局限，同时具备柔性和透明特性。

Q2：这种柔性透明芯片能用在哪些场景？

A：可用于贴合身体的隐形健康监测器，或适配飞行员头盔曲面的透明增强现实显示屏，例如替代飞行员面罩中笨重的体块光学系统，为其提供实时信息显示。

Q3：这种芯片的柔韧性和透明性表现如何？

A：研究人员将芯片在不同直径圆柱体上反复弯曲数千次，即便弯曲至小螺丝大小的直径，性能也没有下降。透明度测试显示，透过芯片观察只会产生极轻微雾化，不会明显扭曲图像。