麻省理工学院研究人员在大尺寸晶圆上制造出透明、柔性硅光子芯片，可用于曲面显示器和可穿戴设备。

硅光子芯片可以利用光而非电信号传输数据，但传统版本通常坚硬且不透明。麻省理工学院的研究人员如今开发出一种方法，使这类芯片既柔韧又透明，同时采用的半导体制造工艺能够在大尺寸晶圆上实现。

这一新工艺有望让硅光子技术应用于刚性芯片无法胜任的场景。潜在用途包括贴合人体的健康监测器，以及集成到飞机飞行员面罩等曲面结构中的增强现实显示器。

研究人员与纽约创造协会奥尔巴尼纳米科技综合体的工程师共同开发了这一工艺。他们没有在实验室中制造单个柔性或透明器件，而是制造出包含硅光子所需光学结构的300毫米晶圆。

所得芯片厚度仅为几微米。测试显示，这种芯片可以绕不同尺寸的圆柱体弯曲数千次，其中包括直径大约相当于一颗小螺丝的圆柱体，而性能没有损失。

为弯曲而打造的芯片

制造工艺的起始步骤与传统硅晶圆类似。研究人员在硅衬底上沉积并图案化光波导，这些波导充当光的微型通路。

随后，将一片临时硅晶圆键合到该结构上，再去除原始硅衬底。这样便留下氧化物层和波导层。研究人员在剩余结构上贴附一层薄而透明的聚酯薄膜，然后移除临时支撑。最终得到一片可以弯曲且允许光线穿过的薄晶圆。

“由于我们使用的是稳定的300毫米代工制造设备，因此可以设计包含大量器件的系统，并且有信心它们能够达到规格要求，这一点极为重要。”第一作者塔尔·斯内赫表示。

要达到这一水平，需要在制造过程中精细控制应力。从大尺寸晶圆上去除大部分硅可能导致晶圆翘曲或产生波纹，从而可能损坏超薄层。

团队将制造温度保持在500摄氏度或以下，以管理这种应力。他们还将工业硅减薄方法与更具选择性的化学蚀刻工艺相结合，用于最终的材料去除。

足够透明以用于显示器

随后，研究人员测试了这一新平台在保持柔性和透明的同时，能否维持其光学性能。

在弯曲实验中，芯片绕小圆柱体弯曲数千次后没有出现性能下降。只有绕牙签弯曲数次后，性能才开始退化。

团队还使用仿生眼装置测试了透明度。该芯片产生的雾度极小，透过它观看图像时没有明显畸变，这表明该材料可以用于直接置于眼前的光学系统。

这可能实现集成到挡风玻璃或飞行员面罩中的曲面增强现实显示器。此类系统有望取代目前用于向飞行员提供实时信息的部分笨重光学组件。

研究人员还看到了用于需要贴合人体轮廓的隐蔽式可穿戴设备的可能性。

“我们现在开发出了一种晶圆级工艺，能够生产机械柔韧且光学透明的晶圆，从而实现了硅光子学此前无法实现的新型应用。我们希望，通过与纽约创造协会的同事密切合作，并利用奥尔巴尼纳米科技综合体的代工设施，有可能让研究社群中的其他团队也能使用这一平台，并将这些新的应用领域开放给整个硅光子学领域。”该研究的资深作者耶莱娜·诺塔罗斯说。

研究人员计划随着平台的发展，加入更复杂的元件，提高波导效率，并进一步增加透明度。

该研究发表在《Optica》期刊上。

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