Chip quang học không còn phải cứng: Wafer mới vừa trong suốt vừa có thể uốn quanh cơ thể

Một wafer silicon 300 mm thường là một đĩa cứng và đục. Nhóm nghiên cứu tại MIT và NY Creates vừa giữ lại lợi thế của dây chuyền chế tạo 300 mm nhưng loại bỏ phần khiến loại chip này khó đi lên những bề mặt cong: gần như toàn bộ nền silicon.

Kết quả là một nền tảng silicon photonics ở quy mô wafer vừa trong suốt vừa có thể uốn cơ học. Nhóm cho biết chip tạo từ wafer này chịu được hàng nghìn lần uốn quanh các trụ có đường kính nhỏ mà không suy giảm hiệu năng quang học rõ rệt; khi đặt trước một hệ “mắt sinh học” dùng để đánh giá khả năng nhìn xuyên, nó cũng chỉ gây haze nhỏ và không tạo biến dạng hình ảnh đáng kể. Nghiên cứu của Tal Sneh, Andres Garcia Coleto, Thomas Dyer, Milica Notaros, Kevin Fealey và Jelena Notaros được công bố trên Optica, với quá trình xử lý wafer thực hiện tại Albany NanoTech Complex của NY Creates.

Điểm mới không đơn giản là “làm một chip mềm”. Flexible photonics đã tồn tại nhiều năm. Phần khó là đưa cả tính mềm và tính trong suốt vào một quy trình wafer-scale 300 mm tương thích với những công cụ sản xuất bán dẫn hiện có. MIT News mô tả đây là nền tảng 300 mm đầu tiên mà nhóm chứng minh đồng thời hai đặc tính đó.

Muốn wafer trong suốt, phải bỏ phần silicon dày nhất

Quy trình bắt đầu khá giống chế tạo photonic chip thông thường. Các lớp quang học được lắng đọng và pattern trên một wafer silicon cứng; những waveguide cực nhỏ sau đó đảm nhiệm việc dẫn ánh sáng trên chip.

Vấn đề là chính nền silicon dày phía dưới khiến wafer vừa cứng vừa không cho ánh sáng nhìn thấy đi xuyên qua. Nếu đơn giản làm mỏng nó ngay từ đầu, wafer sẽ quá dễ cong, nhăn hoặc vỡ để tiếp tục đi qua các thiết bị xử lý công nghiệp.

Nhóm MIT giải quyết bằng một wafer silicon thứ hai đóng vai trò temporary handle. Sau khi hoàn tất các lớp photonic cần thiết, họ gắn tạm wafer đỡ lên phía trên, lật toàn bộ cấu trúc rồi loại bỏ silicon của wafer gốc từ phía còn lại. Khi quá trình này kết thúc, phần chức năng chỉ còn các lớp oxide và waveguide rất mỏng.

Một màng polyester trong suốt được dán lên cấu trúc đó trước khi wafer đỡ tạm thời được tháo ra. Thành phẩm là một wafer quang tử chỉ dày vài micromet ở phần chức năng, đủ mỏng để uốn và không còn khối silicon dày cản tầm nhìn.

Thao tác nghe đơn giản hơn thực tế. Một wafer đường kính 300 mm chỉ cần cong hoặc tích lũy ứng suất không đều trong quá trình lật và thinning là có thể xuất hiện gợn bề mặt, thậm chí vỡ trong dây chuyền. Nhóm phải giữ các bước nhiệt ở mức không quá khoảng 500°C và kết hợp nhiều phương pháp loại bỏ silicon: công cụ công nghiệp xử lý phần lớn vật liệu, còn bước cuối dùng etch chọn lọc chính xác hơn để tránh ăn vào những lớp quang học cực mỏng.

300 mm quan trọng hơn một màn trình diễn uốn cong

Trong flexible electronics và flexible photonics, làm được một chip đơn lẻ không phải là chuyện mới. Các nhóm nghiên cứu có thể bóc một màng linh kiện khỏi wafer, chuyển nó sang polymer hoặc chế tạo trực tiếp trên một đế mềm. Những kỹ thuật này rất hữu ích cho proof of concept, nhưng thường trở nên khó kiểm soát khi số lượng thiết bị tăng lên.

Wafer 300 mm thay đổi bài toán vì đây là kích thước quen thuộc của nhiều dây chuyền bán dẫn hiện đại. Thay vì chế tạo từng chip bằng các bước thủ công, nhà nghiên cứu có thể dùng lithography, deposition, etching, planarization và các công cụ kiểm soát quy trình ở quy mô toàn wafer. Điều đó không có nghĩa nền tảng mới đã sẵn sàng sản xuất hàng loạt, nhưng nó giải quyết một giới hạn quan trọng của nhiều thử nghiệm flexible photonics trước đây: khả năng scale.

Đây cũng là bước nối tiếp trực tiếp công trình của nhóm Notaros năm 2024. Trong một bài trên Scientific Reports, họ đã trình diễn quy trình 300 mm cho photonic chip có thể uốn. Một chip khi đó được uốn tổng cộng 2.000 lần quanh các trụ từ 2 inch xuống 0,5 inch mà không cho thấy suy giảm quang học đáng kể. Nghiên cứu mới giữ triết lý chế tạo wafer-scale nhưng đi thêm một bước: loại bỏ nền silicon còn gây đục để wafer trở nên trong suốt.

Uốn được đến mức nào?

Nhóm kiểm tra chip mới bằng cách quấn nó quanh các trụ có đường kính giảm dần và lặp lại thao tác hàng nghìn lần. Theo MIT, hiệu năng không giảm khi độ cong đạt tới kích thước tương đương một chiếc vít nhỏ. Chỉ khi chip bị uốn lặp lại quanh một vật có đường kính cỡ tăm, dấu hiệu suy giảm mới bắt đầu xuất hiện.

Đây là kết quả có ý nghĩa với thiết bị cần bám theo bề mặt cong, bởi wristband, miếng dán trên cánh tay hay visor của mũ bảo hiểm đều đòi hỏi bán kính cong lớn hơn nhiều so với một chiếc tăm. Nhưng thử nghiệm cơ học này vẫn không tương đương với việc đeo thiết bị trên người trong nhiều tháng. Nghiên cứu hiện tại tập trung vào nền tảng photonic và độ bền khi uốn; nó chưa chứng minh một hệ wearable hoàn chỉnh chịu mồ hôi, va đập, thay đổi nhiệt độ, lực kéo và hàng loạt điều kiện thực tế khác.

Việc uốn cũng không hoàn toàn “miễn phí” về mặt quang học. Công trình 2024 của cùng nhóm cho thấy strain có thể làm thay đổi polarization của ánh sáng trong waveguide khi bán kính cong giảm. Hiệu ứng đó có thể trở thành tín hiệu cho cảm biến biến dạng, nhưng với một số hệ hiển thị hoặc truyền quang, nó lại là tham số cần được kiểm soát.

Trong suốt không chỉ có nghĩa là nhìn thấy ánh sáng phía sau

Một tấm vật liệu có thể truyền nhiều ánh sáng nhưng vẫn không phù hợp để đặt trước mắt nếu nó làm mờ hoặc méo cảnh vật. Vì vậy nhóm không chỉ kiểm tra transmission mà còn đánh giá chất lượng hình ảnh khi nhìn xuyên qua chip.

Họ đặt mẫu trước một hệ thống mô phỏng mắt và quan sát ảnh truyền qua. MIT cho biết wafer gây haze ở mức nhỏ và không tạo biến dạng đủ lớn để người nhìn nhận thấy rõ. Đây là đặc tính quan trọng cho các ứng dụng như optical element gắn trên kính hoặc visor trong suốt, nơi photonic circuit phải tồn tại ngay trong vùng nhìn mà không che mất thế giới phía sau.

Nhóm đưa ra một ví dụ là hệ augmented reality cong theo visor của phi công. Thay vì dẫn và xử lý ánh sáng bằng một cụm bulk optics cồng kềnh nằm bên ngoài vùng hiển thị, một số chức năng quang học về nguyên tắc có thể được tích hợp trên lớp photonic mỏng bám theo bề mặt trong suốt.

“Uốn quanh cơ thể” hiện vẫn là ứng dụng, chưa phải sản phẩm

Wearable health monitor là hướng ứng dụng tự nhiên khác. Photonics có thể dùng ánh sáng để đưa tín hiệu tới mô và thu tín hiệu phản xạ trở lại, trong khi một nền tảng mềm có thể bám sát cổ tay, ngón tay hoặc cánh tay hơn một chip cứng đặt trên PCB.

Tuy nhiên, nghiên cứu mới chưa trình diễn một vòng đeo tay y tế hay miếng dán sinh học hoàn chỉnh. Wafer hiện chủ yếu chứng minh ba lớp năng lực: chế tạo được ở kích thước 300 mm, dẫn ánh sáng khi uốn và vẫn đủ trong để nhìn xuyên. Một wearable thực tế còn cần nguồn sáng, detector, điện tử điều khiển, kết nối nguồn và dữ liệu, encapsulation cùng quy trình đóng gói phù hợp với da hoặc vải.

Ngay cả bản thân nền tảng photonic cũng chưa phải điểm kết thúc. Nhóm cho biết bước tiếp theo là tích hợp các thành phần phức tạp hơn, giảm tổn hao trong waveguide và tiếp tục cải thiện độ trong suốt. Đây là những mục tiêu khá cụ thể: một wafer uốn đẹp trong ảnh không có nhiều giá trị nếu ánh sáng suy hao quá nhanh khi đi qua mạch hoặc nếu lớp polymer và các giao diện quang học làm giảm chất lượng ảnh khi hệ thống trở nên phức tạp hơn.

Vì vậy, điều đáng chú ý nhất của nghiên cứu không phải hình ảnh một tấm “chip trong suốt” có thể cuộn trong tay. Nhóm MIT và NY Creates đã đưa flexible photonics trở lại môi trường mà ngành bán dẫn hiểu rất rõ: wafer 300 mm, công cụ foundry và quy trình có khả năng lặp lại. Nếu các bước tích hợp và reliability theo kịp, chip quang học trong tương lai có thể không còn bị buộc phải nằm trên một mặt phẳng cứng — nhưng nghiên cứu hiện tại mới chứng minh nền tảng chế tạo cần thiết cho viễn cảnh đó.