Ngành bán dẫn đang cố ghép nhiều vật liệu trên cùng wafer: Photonic chip tương lai có thể “bóc” từng coupon rồi in chúng như sticker

Silicon rất giỏi làm waveguide, mạch thụ động và tận dụng dây chuyền CMOS đã trưởng thành. Nhưng một photonic chip hoàn chỉnh lại cần những việc mà silicon hoặc silicon nitride làm không tốt: phát laser, điều biến ánh sáng với tổn hao thấp, phát hiện một số dải bước sóng hoặc tạo nguồn photon lượng tử. Cách quen thuộc là tìm cách đưa thêm III–V, lithium niobate và nhiều vật liệu khác lên cùng wafer — một bài toán nhanh chóng trở nên khó khi mỗi vật liệu lại muốn một quy trình chế tạo riêng.

Một hướng khác đang được Ghent University–imec phát triển là micro-transfer printing (MTP): thay vì bắt tất cả vật liệu phải “mọc” trên cùng nền silicon, từng linh kiện được chế tạo trước trên wafer phù hợp nhất, tách thành những miếng nhỏ gọi là coupon, rồi dùng một stamp đàn hồi nhấc chúng lên và in xuống wafer photonics đích.

Ẩn dụ “sticker” khá sát với trực giác, nhưng cần hiểu đúng: MTP không bóc nguyên một lớp wafer như miếng decal. Nó giải phóng những thiết bị đã được pattern sẵn khỏi một lớp hy sinh bên dưới, giữ chúng bằng các tether nhỏ, sau đó dùng stamp PDMS để pick-up và đặt vào đúng vị trí trên chip.

Một bài tutorial và tổng quan đăng trong Journal of Lightwave Technology năm 2026 của Ye Chen cùng hơn 50 đồng tác giả từ Ghent University–imec cho thấy MTP đã vượt qua giai đoạn chỉ minh họa nguyên lý. Nhóm báo cáo khả năng tích hợp laser III–V, semiconductor optical amplifier, photodiode, modulator lithium niobate/lithium tantalate và cả chiplet điện tử lên các nền silicon photonics khác nhau. Tuy nhiên, chính paper cũng xếp công nghệ ở mức pilot production, chưa phải một quy trình sản xuất đại trà đã hoàn thiện.

Vấn đề của photonics là không có một vật liệu nào làm tốt mọi việc

Silicon photonics thành công một phần vì nó đi nhờ được hạ tầng của ngành bán dẫn: lithography, wafer lớn, quy trình CMOS và hệ sinh thái foundry. Nhưng lợi thế đó đồng thời tạo ra giới hạn. Fab CMOS rất thận trọng với vật liệu lạ vì nguy cơ nhiễm bẩn và vì mỗi thay đổi quy trình đều có thể ảnh hưởng yield của cả dây chuyền.

Trong khi đó, nhiều chức năng quang học lại cần chính những vật liệu “lạ” đó. III–V như InP hoặc GaAs phù hợp cho gain và laser. Lithium niobate (LiNbO₃) hay lithium tantalate (LiTaO₃) có hiệu ứng điện–quang mạnh, hữu ích cho modulator tốc độ cao. Ce:YIG hay BIG được nghiên cứu cho isolator; NbTiN có thể dùng trong detector photon đơn. Không có lý do vật lý nào khiến tất cả những thành phần này phải được chế tạo tốt nhất bằng cùng một stack vật liệu.

Các kỹ thuật tích hợp dị thể hiện nay đã có nhiều lựa chọn. Epitaxial growth cố mọc vật liệu mới trực tiếp trên nền đích; die-to-wafer bonding ghép từng die hoặc màng lên wafer; flip-chip đặt chip đã hoàn thiện lên trên và kết nối sau. Mỗi cách đánh đổi giữa mật độ tích hợp, khả năng căn chỉnh, throughput, chi phí và độ tương thích với CMOS.

Trong bảng so sánh của nhóm Ghent–imec, MTP được xếp vào nhóm có mật độ tích hợp cao, có thể kiểm tra linh kiện trước khi gắn, throughput và khả năng scale cao, đồng thời diễn ra ở back-end thay vì buộc foundry phải thay đổi front-end CMOS. Điểm đổi lại là maturity hiện mới ở pilot production.

“In” một laser lên silicon photonics diễn ra như thế nào?

Quy trình bắt đầu trên source wafer. Chẳng hạn với thin-film lithium niobate, nhóm tạo các waveguide, electrode hoặc lớp passivation cần thiết ngay trên vật liệu nguồn. Bên dưới phần chức năng có một lớp hy sinh có thể được etch chọn lọc.

Sau đó các coupon được định hình và giữ lại bằng những tether bằng resist. Lớp hy sinh phía dưới bị etch đi, khiến coupon gần như treo tự do trên wafer nhưng chưa rơi ra. Paper mô tả một source wafer có thể chứa hàng chục nghìn coupon lithium niobate ở trạng thái sẵn sàng cho bước pick-up.

Stamp làm từ PDMS được hạ xuống tiếp xúc với coupon. Cơ chế bám dính phụ thuộc tốc độ: khi stamp được kéo lên nhanh, lực bám đủ lớn để bẻ tether và mang coupon khỏi wafer nguồn; khi stamp rút chậm khỏi wafer đích, độ bám giảm để coupon ở lại vị trí mới. Sau đó một lớp keo như DVS-BCB hoặc direct bonding cố định thiết bị, và metallization ở back-end tạo kết nối điện cuối cùng.

Điểm khó nhất không phải nhấc được một miếng vật liệu lên, mà là đặt nó đúng chỗ để ánh sáng truyền từ waveguide silicon sang phần III–V hoặc lithium niobate với tổn hao thấp. Nhóm báo cáo độ chính xác placement khoảng ±0,5 µm ở mức 3σ trong hệ thống của họ. Với một số thiết bị waveguide-coupled, sai lệch cỡ này đã có thể quyết định coupling tốt hay kém.

Tại sao không bonding cả wafer rồi cắt phần thừa?

MTP có một lợi thế kinh tế khá trực quan: chỉ chuyển đúng lượng vật liệu đắt tiền cần dùng. Một laser III–V có thể chiếm diện tích rất nhỏ so với toàn bộ die silicon photonics. Nếu bonding một wafer III–V lớn lên silicon rồi etch bỏ phần lớn, phần vật liệu không tham gia chức năng vẫn phải được mua, xử lý và đi qua nhiều công đoạn.

Với transfer printing, các coupon có thể được xếp dày đặc trên source wafer rồi chỉ in vào những vị trí cần thiết. Các linh kiện cũng có thể được kiểm tra trước, cho phép chọn known-good dies thay vì gắn cả những phần tử đã biết là lỗi lên wafer đích.

Cách tiếp cận này còn cho phép mỗi hệ vật liệu giữ quy trình tối ưu của mình. III–V vẫn được chế tạo ở foundry III–V; lithium niobate dùng process phù hợp với thin film; silicon photonics tiếp tục chạy trên fab silicon. MTP chỉ xuất hiện ở giai đoạn sau để lắp các thành phần lại thành một hệ thống.

Đó là khác biệt quan trọng so với ý tưởng “mọc mọi thứ trên cùng wafer”. Thay vì ép vật liệu phải tương thích ngay từ đầu, MTP cố biến tích hợp dị thể thành một bài toán lắp ráp chính xác ở back-end.

Không chỉ là laser: nhóm đã in cả modulator và chiplet điện tử

Review năm 2026 tổng hợp nhiều demonstration cho thấy phạm vi của kỹ thuật rộng hơn một loại linh kiện. Trong một hệ microwave photonics, InP optical amplifier được transfer-print lên nền silicon photonics để tạo laser có thể tune cùng với filter và modulator trên chip. Ở các hệ khác, GaAs laser được ghép với silicon nitride cho ứng dụng từ quantum technology tới microwave photonics.

Nhóm cũng trình bày thin-film LiNbO₃ và LiTaO₃ được in lên SiN để làm modulator điện–quang tốc độ cao. Một demonstration khác đưa chiplet SiGe BiCMOS dày 20 µm, kích thước khoảng 200 × 300 µm, lên một photonic integrated circuit có Ge photodiode; receiver dị thể này được báo cáo đạt 224 Gb/s PAM-4 với mức tiêu thụ 0,51 pJ/bit trong điều kiện thử nghiệm của nhóm.

Những kết quả đó cho thấy MTP không đơn giản là chuyển một “màng” vật liệu trơ. Coupon có thể là một thiết bị đã có waveguide, electrode hoặc chức năng điện tử, sau đó được nối tiếp với mạch trên wafer đích.

Từ stamp trong lab tới dây chuyền 200 mm

Phần đáng chú ý nhất của paper không nằm ở một record riêng lẻ, mà ở việc nhóm mô tả một pilot line 200 mm nhằm đưa MTP từ demonstrator sang volume manufacturing. Flow bao gồm đồng thiết kế coupon và target circuit, chế tạo wafer silicon photonics 200/300 mm, chuẩn bị source wafer, automated transfer printing, rồi back-end metallization và wafer-level testing.

Tool của pilot line được mô tả đạt placement precision tốt hơn ±0,5 µm ở mức 3σ cho array. Paper cũng nêu cycle time cỡ 45 giây cho một chu kỳ in trong các cấu hình hiện tại, và cho rằng lợi thế throughput đến từ khả năng pick-up nhiều coupon cùng lúc thay vì đặt từng linh kiện tuần tự.

Ngành microLED đã chứng minh mặt cơ học của ý tưởng này ở quy mô lớn hơn: paper dẫn các hệ transfer printing có thể chuyển hơn 10.000 LED trong một chu kỳ, tương đương hàng triệu thiết bị mỗi giờ. Nhưng photonics khó hơn ở một số điểm vì vị trí và hướng của coupon phải khớp với waveguide, đồng thời pitch của các mảng source và target phải được thiết kế để phù hợp với multi-post stamp.

“Sticker chip” vẫn còn ba nút thắt trước mass production

Đầu tiên là yield. Yield cuối cùng là tích của nhiều bước: coupon có được tạo và release thành công hay không, tether có gãy đúng lúc hay không, stamp có pick-up được không, placement có chính xác không và bonding có tạo void hay không. Một khuyết tật nhỏ ở bất kỳ mắt xích nào cũng có thể làm giảm yield chung.

Thứ hai là reliability. Laser hoặc SOA III–V được transfer-print vẫn phải tản nhiệt, chịu thermal cycling và duy trì coupling sau thời gian dài. Paper lưu ý lớp oxide dày trong SOI/SiNOI có thể tạo thermal impedance đáng kể, khiến thiết kế heat path trở thành vấn đề thực tế chứ không chỉ là chi tiết packaging.

Cuối cùng là hệ sinh thái sản xuất. Để MTP trở thành công nghệ công nghiệp, source wafer của III–V hay LiNbO₃ cần có stack release và tether chuẩn hóa; target wafer từ nhiều foundry cần recess và interface tương thích; kích thước coupon, pitch, pad điện và cấu trúc optical coupling cũng cần được tiêu chuẩn hóa. Nếu mỗi nhà cung cấp dùng một “miếng sticker” và một “bề mặt dán” khác nhau, lợi thế module hóa sẽ nhanh chóng biến thành bài toán tích hợp thủ công.

Vì vậy, micro-transfer printing chưa thay thế epitaxy, wafer bonding hay flip-chip. Điểm mới của hướng này là thay đổi nơi bài toán khó xảy ra: thay vì cố làm cho mọi vật liệu cùng sống trong một front-end process, mỗi vật liệu được chế tạo ở nơi nó phù hợp nhất rồi được hợp nhất ở cuối dây chuyền. Nếu pilot line chứng minh được yield, độ tin cậy và throughput ở quy mô wafer, photonic chip tương lai có thể giống một hệ lắp ghép vật liệu chính xác hơn là một khối bán dẫn được “mọc” từ đầu đến cuối trên cùng nền.

Nguồn chính: Ye Chen và cộng sự, Micro-Transfer Printing on Silicon Photonics: Tutorial, Recent Progress and Outlook, Journal of Lightwave Technology 44(16), 2026; Ghent University Academic Bibliography; thông cáo nghiên cứu của IEEE Photonics Society.