2026年9月3日——硅光子学领域利用光而不是电在半导体芯片上传输和处理数据，已让光学系统从笨重的装置演变为紧凑而先进的系统。不过，这类硅光子芯片通常是刚性且不透明的。

麻省理工学院（MIT）的科学家们如今找到了一种可扩展的方法，使硅光子芯片变得柔性且透明，为先进微芯片开辟了道路。这类芯片可用于诸如贴合人体的隐蔽式健康监测器，或能够贴合飞行员头盔曲面的透明增强现实显示器等应用。

尽管科学家们最近已在实验室中演示了柔性或透明的芯片，但他们一次只能制造出少量器件。

MIT的研究人员与在奥尔巴尼纳米技术综合设施（Albany NanoTech Complex）工作的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制造柔性且透明的硅光子芯片的工艺。

为了验证这一平台，研究人员将单个芯片沿直径各异的圆柱体（最小至小螺丝粗细）弯折了数千次，性能毫无下降。他们还确认，透过这些芯片观看不会产生太多雾度或畸变。

“我们现在已经开发出一种晶圆级工艺，可生产出兼具机械柔性和光学透明性的晶圆，从而使那些以前硅光子学无法实现的新应用成为可能。我们希望，通过与NY Creates的同事密切合作，并利用奥尔巴尼纳米技术综合设施的晶圆厂，我们有望让科研界的其他团队也能使用这一平台，并为整个硅光子学领域开辟这些新的应用领域。”麻省理工学院电气工程与计算机科学系（EECS）Robert J. Shillman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Jelena Notaros表示。

论文合著者包括第一作者Tal Sneh与Andres Garcia Coleto（均为EECS研究生）、纽约研究、经济发展、技术、工程和科学中心（NY Creates）的Thomas Dyer与Kevin Fealey，以及Milica Notaros博士（2023届）。该论文发表在《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可靠性硅光子器件的技术。

他们利用先进的微电子晶圆厂工艺，生产出直径为300毫米、集成数十亿个纳米级光学器件的晶圆。但这些方法制造出的硅光子芯片是刚性且不透明的。

“我们意识到，有很多应用都将受益于柔性且透明的芯片，”Notaros说。

科学家们此前已制造出透明或柔性的单个硅光子芯片，但这些技术无法扩展规模。为了应对这一规模化挑战，Notaros的研究小组最近展示了一种可在柔性衬底上制造硅光子芯片的晶圆厂级工艺。

如今，该团队又借助一种可扩展工艺将这些创新向前推进，制造出既透明又柔性的300毫米硅光子晶圆。

他们的制造工艺开始时与传统的刚性硅晶圆制造并无区别。研究人员小心翼翼地将被称为波导的微型光学导线沉积并图形化到刚性硅衬底上。

然后，他们在顶部键合一片临时硅晶圆，再将晶圆翻转过来，从现在的顶部移除全部原始硅衬底。这样，剩下的便是一层厚度不到人类头发丝十分之一的平坦材料。

“得益于我们在翻转晶圆之前增加了刚性临时支撑，我们可以一路向下加工，最终只留下氧化物层和波导层，”Sneh说。

他们使用粘合剂将一层薄薄的透明聚酯薄膜粘贴在这些超薄层顶部，然后从底部将临时硅晶圆“解键合”并移除。

最终，他们得到一片仅有几微米厚的柔性透明晶圆，其中含有硅光子学捕获和传输光所需的氧化物层和波导层。

“因为我们使用的是稳定的300毫米晶圆厂制造工具，所以可以设计集成大量器件的系统，并确信它们能达到规格要求，这一点极为重要，”Sneh补充道。

开发这种制造工艺的最大挑战，是从直径300毫米的大型硅晶圆上移除足够多的材料，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使其轻微翘曲，这让硅移除过程格外困难。

“当我们在这些衬底上翻转晶圆时，如果应变没有得到妥善管理、晶圆无法保持完全平整，其表面就会出现波纹，甚至可能在生产线中碎裂，”Dyer说。

研究人员坚持采用500摄氏度或更低的低温工艺，从而很好地控制了这种应力。

他们还需要找到正确的移除顺序和组合。他们使用工业工艺来减薄硅层，但在最后阶段改用更精确的选择性化学蚀刻，以确保不会损伤留下的超薄层。

聚焦性能

研究人员进行了三项实验，以测试这种柔性透明硅光子晶圆的不同功能。

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。

随后，他们让芯片绕着不同直径的圆柱体弯折数千次，以测试柔韧性。实验结果显示，即使围绕只有小螺丝粗细的圆柱体弯折，性能也没有下降。直到研究人员将芯片绕着牙签弯折数次后，器件才开始退化。

“这项实验验证了该平台可用于我们提出的应用，其表现甚至远超这些目标系统所需的指标，”Garcia Coleto说。

他们还搭建了一个仿生眼来评估透明度：将芯片放在仿生眼前方，测试其是否会扭曲使用者的视觉。结果发现，这种芯片只会给观看者带来极小的雾度，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合用来实现硅光子学系统，例如应用于可贴合平视显示器挡风玻璃或飞行员面罩的曲面增强现实显示器等场景。例如，在飞行员面罩内，这种增强现实显示器可以取代目前用于提供实时信息、帮助飞行员应对危险状况的笨重块体光学系统。

未来，研究人员希望在芯片上添加更复杂的组件和功能，以逐步实现上述应用及其他新应用。他们还希望优化设计，以进一步提高波导效率并提升透明度表现。

这项研究部分得到了美国国家科学基金会、美国国防高级研究计划局以及MathWorks奖学金的资助。晶圆加工在NY Creates完成，芯片切割在MIT.nano进行。