Chip quang tử silicon trở nên trong suốt và uốn dẻo bằng cách nào?

Một chip thử nghiệm đã được uốn hàng nghìn lần quanh các trụ có kích thước khác nhau, trong đó trụ nhỏ nhất có đường kính tương đương một con vít nhỏ, mà hiệu năng không suy giảm. Điều đáng chú ý không chỉ là độ bền khi uốn: chip còn đủ trong để đặt trước mắt mà chỉ gây độ mờ và biến dạng hình ảnh rất nhỏ. [1]

Để đạt được hai đặc tính tưởng như trái ngược ấy, nhóm nghiên cứu tại MIT và NY Creates không thay thế toàn bộ công nghệ quang tử silicon. Họ vẫn chế tạo các cấu trúc quang học trên một wafer cứng theo cách quen thuộc, sau đó loại bỏ phần silicon khiến chip dày, đục và khó uốn. Kết quả là một lớp quang tử chỉ dày vài micromet, được đỡ bởi màng polyester trong suốt và mềm dẻo. [1]

Vì sao chip quang tử thông thường vừa cứng vừa đục?

Quang tử silicon dùng ánh sáng để truyền và xử lý dữ liệu trên chip. Các đường dẫn ánh sáng, gọi là waveguide, có thể được tạo với độ chính xác cao bằng thiết bị của ngành bán dẫn. Nhờ vậy, những hệ quang học từng cần nhiều bộ phận cồng kềnh có thể được thu nhỏ thành các cấu trúc trên chip. [1]

Vấn đề nằm ở nền đỡ. Quy trình sản xuất thông thường tạo ra wafer silicon có đường kính 300 mm, chứa số lượng rất lớn linh kiện quang học kích thước nano. Nền silicon giúp wafer đủ chắc để đi qua nhiều công đoạn chế tạo, nhưng đồng thời làm sản phẩm cuối cứng và không trong suốt. Một cấu trúc như vậy phù hợp khi nằm kín trong thiết bị, song khó dùng trên bề mặt cong hoặc ngay trước mắt người quan sát. [1]

Có thể hình dung một hình vẽ rất mảnh được đặt trên tấm bảng dày. Muốn cuộn hình vẽ mà không phá hỏng nó, phần cần thay đổi chủ yếu là tấm bảng, chứ không nhất thiết phải vẽ lại toàn bộ đường nét. Với chip này, các waveguide là phần cần giữ, còn nền silicon dày là phần phải được tháo bỏ có kiểm soát.

Làm sao bóc bỏ nền cứng mà không phá hỏng mạch quang?

Quy trình bắt đầu gần giống việc chế tạo một wafer silicon cứng thông thường. Các lớp vật liệu được phủ và tạo hình để hình thành waveguide trên nền silicon. Sau đó, một wafer silicon tạm thời được gắn lên phía trên làm giá đỡ. Cả cấu trúc được lật lại, để phần nền ban đầu có thể được loại bỏ từ mặt đang hướng lên. [1]

Giá đỡ tạm thời giữ các lớp quang học ổn định trong lúc phần vật liệu dày nhất bị lấy đi. Khi nền silicon ban đầu đã được loại bỏ, phần còn lại là lớp oxide cùng các lớp dẫn sáng, với tổng độ dày nhỏ hơn một phần mười sợi tóc người. Một màng polyester mỏng, trong suốt được dán vào lớp này; wafer đỡ tạm thời ở mặt đối diện sau đó mới được tách ra. [1]

Thứ tự đó giải quyết một bài toán cơ học quan trọng. Nếu lấy nền cứng đi trước khi bổ sung giá đỡ khác, lớp quang học siêu mỏng sẽ phải tự chịu lực trong lúc bị lật, vận chuyển và xử lý. Gắn giá đỡ tạm thời trước giúp tải trọng không dồn trực tiếp lên những cấu trúc cần bảo vệ; màng polyester chỉ tiếp quản vai trò nâng đỡ ở giai đoạn cuối. [1]

Vì sao sản xuất trên cả wafer khó hơn làm một chip đơn lẻ?

Một mẫu nhỏ có thể được thao tác trong phòng thí nghiệm với mức kiểm soát riêng cho từng thiết bị. Wafer 300 mm lại phải giữ đủ phẳng để đi qua dây chuyền chế tạo ổn định. Khi vật liệu bị phủ, gia nhiệt, làm mỏng hoặc liên kết, ứng suất có thể khiến wafer cong. Sau khi lật, độ cong không được kiểm soát có thể tạo nếp gợn trên bề mặt, thậm chí làm wafer vỡ trong dây chuyền. [1]

Nhóm nghiên cứu giới hạn các công đoạn ở nhiệt độ không quá 500 độ C để quản lý ứng suất. Họ cũng không dùng một phương pháp duy nhất để loại bỏ toàn bộ silicon: quy trình công nghiệp đảm nhiệm phần làm mỏng chính, còn bước cuối sử dụng phép khắc hóa học chọn lọc chính xác hơn. Cách phối hợp này nhằm lấy đi phần nền còn lại mà không làm hỏng các lớp quang học cực mỏng bên dưới. [1]

Quy mô wafer có ý nghĩa vì một nền tảng sản xuất không chỉ cần tạo ra một linh kiện hoạt động. Nó còn phải giữ được hình học và đặc tính của rất nhiều cấu trúc trên một diện tích lớn. Khi quy trình tương thích với thiết bị xưởng đúc bán dẫn ổn định, các hệ gồm nhiều linh kiện mới có cơ sở để được chế tạo lặp lại thay vì chỉ xuất hiện dưới dạng vài mẫu riêng lẻ. [1]

Độ dẻo và độ trong được kiểm tra ra sao?

Nhóm nghiên cứu đánh giá ba khía cạnh: khả năng dẫn sáng của các waveguide có chiều dài khác nhau, độ bền khi uốn và ảnh hưởng tới tầm nhìn. Trong phép thử cơ học, chip không suy giảm hiệu năng sau hàng nghìn lần uốn quanh những trụ có đường kính khác nhau, kể cả trụ có đường kính gần bằng một con vít nhỏ. Hiện tượng suy giảm bắt đầu xuất hiện khi chip bị uốn vài lần quanh một que tăm, tức ở mức cong gắt hơn. [1]

Dẻo không đồng nghĩa với có thể gập tùy ý. Khi bán kính uốn giảm, lớp vật liệu phải chịu biến dạng lớn hơn; kết quả với que tăm cho thấy nền tảng vẫn có giới hạn cơ học. Phép thử vì thế giúp xác định khoảng sử dụng phù hợp: chip có thể uốn theo các bề mặt cong trong những ứng dụng được đề xuất, nhưng không nên được hiểu như một tấm phim có thể vò hoặc gấp mà không ảnh hưởng. [1]

Độ trong cũng không chỉ được đánh giá bằng việc nhìn xem ánh sáng có xuyên qua hay không. Một vật liệu đặt trước mắt còn phải hạn chế màn sương mờ và sự méo hình. Nhóm nghiên cứu dùng một thiết lập mô phỏng mắt để đặt chip trên đường nhìn; kết quả cho thấy độ mờ ở mức nhỏ và hình ảnh mà mắt cảm nhận không bị biến dạng đáng kể. [1]

Bước tiến này mở ra những thiết bị nào?

Hai đặc tính mới mở rộng vị trí mà chip quang tử có thể xuất hiện. Một lớp linh hoạt có thể ôm theo cơ thể để phục vụ thiết bị theo dõi sức khỏe kín đáo. Một lớp vừa cong vừa trong có thể nằm trên kính chắn gió hiển thị thông tin hoặc theo đường cong của kính che mặt phi công, nơi chip cứng và đục sẽ cản tầm nhìn hoặc khó lắp vừa. [1]

Điểm quan trọng của phát minh không nằm ở một thiết bị hoàn chỉnh đã sẵn sàng sử dụng, mà ở nền tảng chế tạo. Nhóm nghiên cứu còn muốn bổ sung các thành phần phức tạp hơn, cải thiện hiệu suất waveguide và tăng độ trong. Vì vậy, màn hình thực tế tăng cường cong hay cảm biến ôm sát cơ thể hiện là những hướng ứng dụng mà vật liệu mới có thể hỗ trợ, không phải sản phẩm đã được chứng minh đầy đủ trong sử dụng thực tế. [1]

Chip quang tử trong trường hợp này không trở nên mềm nhờ thay thế phần dẫn sáng bằng một vật liệu hoàn toàn khác. Bước ngoặt là giữ lại những lớp làm nhiệm vụ quang học, loại bỏ nền silicon vốn cần cho quá trình chế tạo, rồi chuyển chúng sang một màng đỡ trong suốt. Cách tiếp cận ấy biến thứ từng là giới hạn của sản xuất wafer thành một bài toán về thứ tự gia công và kiểm soát ứng suất. [1]