透明硅光子芯片或将为曲面显示器带来先进光学系统

硅光子学领域利用光而非电在半导体芯片上传输和处理数据，已推动光学系统从笨重的装置演变为紧凑而先进的系统。然而，硅光子芯片通常是刚性且不透明的。

麻省理工学院的科学家如今找到了一种可规模化的方法，使硅光子芯片变得柔韧且透明，为先进微芯片开辟了道路，这些芯片可用于贴合身体的隐蔽健康监测器，或适配飞行员头盔曲面的透明增强现实显示器等应用。

虽然科学家最近在实验室中展示了柔性或透明芯片，但一次只能制造少量器件。

麻省理工学院的研究人员与奥尔巴尼纳米技术综合体的NY Creates工程师密切合作，开发出一种利用标准半导体制造技术在大尺寸晶圆上生产柔性和透明硅光子芯片的工艺。

为验证这一平台，研究人员将单个芯片围绕不同直径的圆柱体弯曲了数千次——最细的只有小螺丝那么粗——而性能没有任何下降。他们还确认，透过芯片观察不会产生明显的模糊或畸变。

“我们现在开发出了一种晶圆级工艺，可以生产机械柔韧且光学透明的晶圆，从而实现此前硅光子学无法做到的新应用。我们希望，通过与NY Creates的同事紧密合作，并利用奥尔巴尼纳米技术综合体的代工厂，能够让研究社群中的其他团队也使用这个平台，为整个硅光子学领域开辟这些新的应用方向，”麻省理工学院电气工程与计算机科学系罗伯特·J·希尔曼职业发展副教授、电子研究实验室成员、该制造平台论文的资深作者耶莱娜·诺塔罗斯表示。

她的合著者包括第一作者、EECS研究生塔尔·斯内赫和安德烈斯·加西亚·科莱托，纽约研究、经济促进、技术、工程与科学中心（NY Creates）的托马斯·戴尔和凯文·菲利，以及23届博士米莉卡·诺塔罗斯。论文发表在《Optica》期刊上。

柔性且透明

过去十年中，研究人员开发出了大规模制造精密且高度可靠的硅光子器件的技术。

他们使用先进的微电子代工工艺来生产直径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是刚性且不透明的。

“我们意识到，有很多应用会受益于柔性且透明的芯片，”诺塔罗斯说。

科学家此前制造过单个透明或柔性的硅光子芯片，但这些技术无法规模化。为应对这一规模化挑战，诺塔罗斯的团队最近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。

如今，该团队进一步推进了这些创新，开发出一种可规模化工艺，能够生产既透明又柔性的300毫米硅光子晶圆。

他们的制造工艺开始时与传统刚性硅晶圆的制造方式相同。研究人员在这个刚性硅基底上仔细沉积并图案化称为波导的微型光线通道。

然后，他们在上面粘合一个临时硅晶圆。接着将晶圆翻转过来，从此时位于晶圆顶部的表面去除所有原始硅基底。最终留下的是一层厚度不到人类头发十分之一的平坦材料层。

“得益于我们在翻转晶圆之前添加了刚性临时支撑，我们可以一直减薄到最后只剩下氧化物和波导层，”斯内赫说。

他们用粘合剂将一层薄薄的透明聚酯薄膜粘在这些超薄层的顶部，然后从底部将临时硅晶圆“脱粘”并移除。

这样他们就得到了一片仅几微米厚的柔性透明晶圆，其中包含硅光子学所需的用于捕获和传输光的氧化物层和波导层。

“因为我们使用的是稳定的300毫米代工制造设备，我们可以设计包含大量器件的系统，并有信心它们能达到规格要求，这一点极其重要，”斯内赫补充道。

开发这一制造工艺的最大挑战在于，要从一片直径300毫米的大尺寸硅晶圆上去除足够多的材料，只留下几微米厚的部分。

在制造过程中，晶圆上的应力通常会导致其轻微弯曲，这使得去除硅材料的过程尤为困难。

“当我们在这些基底上翻转晶圆时，如果应变没有得到妥善控制，晶圆不够平整，它的表面就会出现波纹，甚至会在产线上碎裂，”戴尔说。

研究人员通过坚持使用500摄氏度或以下的低温工艺，小心地控制了这种应力。

他们还必须找到正确的去除方法顺序和组合。

他们使用工业工艺来减薄硅层，但在最后阶段改用更精密的选择性化学蚀刻。这确保了不会损伤留下的超薄层。

关注性能

研究人员进行了三项实验，测试这些柔性透明硅光子晶圆的不同功能。

首先，他们测试了带有不同长度集成波导的芯片的光学性能，以确定其波导特性。

然后，他们通过将芯片围绕不同直径的圆柱体弯曲数千次来测试柔韧性。这些实验表明，即使将其绕在一根小螺丝粗细的圆柱体上，性能也没有下降。直到研究人员将其绕在牙签上弯曲数次后，器件才开始出现退化。

“这项实验验证了该平台可以用于我们提出的应用，其表现甚至超出了这些目标系统所需的指标，”加西亚·科莱托说。

他们还通过搭建一只仿生眼来评估透明度，测试芯片放在眼前时是否会扭曲用户的视觉。他们发现，芯片对观察者造成的模糊极小，透过它观察时，眼睛所感知的图像不会出现明显畸变。

这些特性可能使这类芯片特别适合用于曲面增强现实显示器等硅光子学系统，例如贴合平视显示挡风玻璃或飞机飞行员面罩的曲面显示器。以飞行员面罩为例，这种增强现实显示器可以取代目前提供实时信息以帮助飞行员应对危险状况的笨重体光学系统。

未来，研究人员希望在芯片上添加更复杂的组件和功能，以推动这些及其他新应用的实现。他们还希望优化设计，进一步提高波导效率和透明性能。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1364/optica.589726