MIT新突破，柔性透明光子芯片来了

硅光子技术利用光而非电在半导体芯片上完成数据传输与处理，推动光学系统从笨重设备演进为小型先进系统。但传统硅光子芯片普遍坚硬且不透明。麻省理工学院（MIT）的科学家现已找到一种可规模化制备方案，能够打造柔性、透明的硅光子芯片。这为新型微芯片开辟应用路径，可用于贴合人体的轻量化健康监测设备，或是适配飞行员头盔曲面的透明增强现实（AR）显示屏。

此前科研人员虽已在实验室做出柔性或者透明的芯片，但一次仅能制作少量器件，无法批量生产。MIT研究团队与奥尔巴尼纳米技术中心NY Creates的工程师紧密合作，开发出一套制造工艺，依托标准半导体制造技术，在大尺寸晶圆上制备柔性透明硅光子芯片。

为验证这套平台性能，研究人员将单颗芯片在不同直径的圆柱上反复弯折数千次，最小弯折直径仅相当于一颗小螺丝的粗细，芯片性能没有出现衰减。测试同时表明，透过该芯片观察外界，几乎不会产生雾感与图像畸变。

MIT电子工程与计算机科学系（EECS）Robert J. Shillman职业发展副教授、电子学研究实验室成员、本制造平台相关论文通讯作者Jelena Notaros表示：“我们现已开发出一套晶圆级工艺，可以制备兼具机械柔性与光学透明特性的晶圆，实现过去硅光子技术无法达成的全新应用。希望通过与NY Creates同事深度协作，借助奥尔巴尼纳米技术中心的代工产线，让研究领域内更多团队可以使用这套平台，把这些全新应用方向向整个硅光子行业开放。”

柔性且透明

过去十年，科研人员已经掌握规模化制备高精度、高可靠性硅光子器件的技术。他们借助先进微电子代工工艺，加工直径300毫米晶圆，在晶圆上实现数十亿个纳米光学器件。但这套工艺产出的硅光子芯片依旧坚硬、不透明。

Notaros谈到：“我们意识到，大量应用场景都迫切需要柔性透明的芯片。”

此前学界已经做出过单颗透明或者单颗柔性的硅光子芯片，但相关技术不具备规模化能力。为解决量产难题，Notaros团队此前已经展示过一套可用于代工产线的工艺。如今该团队进一步迭代技术，实现可规模化制备300毫米、同时具备透明与柔性的硅光子晶圆。

整套制造流程起始步骤和传统硬质硅晶圆生产一致。研究人员在硬质硅基底上精细沉积并刻蚀微型光路，也就是光波导。之后在晶圆上方键合一片临时硅晶圆。将晶圆翻面，彻底去除原本的硅基底（翻面后处于顶层），最终得到一层厚度不到人类头发丝十分之一的平整材料层。

Sneh说：“正是因为翻面之前预先增加了硬质临时支撑层，我们才可以把原有硅基底全部去除，只保留氧化层与光波导层。”

研究人员使用胶粘剂，在超薄材料层表面贴上一层轻薄的透明聚酯薄膜，再从底部解除临时硅晶圆的键合，将其移除。最终得到仅有数微米厚的柔性透明晶圆，内部包含硅光子实现光信号捕获与传输所需的氧化层和光波导层。

Sneh补充道：“我们使用成熟的300毫米代工设备，能够设计包含海量器件的系统，并且有充足把握让器件性能达到设计指标，这一点至关重要。”

这套制造工艺最大难点，是在大尺寸300毫米硅晶圆上去除绝大部分硅材料，只留下数微米的薄层。晶圆加工过程中会产生应力，容易造成晶圆翘曲，给硅材料去除带来很大挑战。Dyer介绍：“在基底上翻转晶圆时，如果应力管控不到位，晶圆无法保持完全平整，表面就会出现褶皱，甚至会在产线加工途中直接碎裂。”

研究人员严格采用500摄氏度及以下低温工艺，以此妥善管控晶圆应力。同时他们还需要确定各类去除工艺的先后顺序与组合方式。先用工业工艺完成硅层减薄，最后阶段切换为精度更高的选择性化学刻蚀，避免损伤留下来的超薄功能层。

性能验证

研究人员开展三组实验，分别测试柔性透明硅光子晶圆的各项性能。第一组测试：采用集成不同长度光波导的芯片，表征光波导的传输特性。

第二组柔性测试：把芯片在不同直径圆柱上弯折数千次。即便弯折到小螺丝大小的圆柱，芯片性能依旧没有劣化；只有在牙签粗细的圆柱上反复弯折后，器件性能才开始出现衰减。Garcia Coleto表示：“本次实验证明这套平台完全可以满足目标应用需求，性能表现甚至超出这类系统的指标要求。”

第三组为透光性能测试：搭建仿生眼装置，把芯片放置在眼球前方，观察芯片是否会扭曲人眼看到的画面。结果显示，芯片只会带来极轻微的雾感，人眼透过芯片观察图像，不会出现明显畸变。

凭借上述特性，这类芯片非常适合用于曲面增强现实显示，例如适配抬头显示挡风玻璃、飞机飞行员护目镜。以飞行员护目镜为例，该增强现实显示屏可以替代当前笨重的光学设备，为飞行员实时推送信息，辅助应对危险工况。

下一步，研究团队计划为芯片增加更多复杂元器件，拓展更多全新应用场景；同时优化设计，进一步提升光波导效率以及透光表现。