Pourquoi on a choisi SiC?
Le 6 mars, Meta (anciennement Facebook) a publié un article sur son site officiel,décrivant le processus et les avantages du choix du carbure de silicium comme matériau de base lors du développement de la technologie de guidage d'onde des lunettes AR.
L'équipe de Meta a non seulement résolu les principaux goulots d'étranglement tels que le champ de vision, le poids et les artefacts optiques des lunettes AR grâce à la technologie des guides d'onde au carbure de silicium, mais la considère également comme un moyen de"Changement de jeu"dans l'industrie de la RA, qui pourrait devenir un matériau courant à l'avenir:
L'équipe de Meta Orion explique pourquoi choisir la technologie SiC
En 2019, the Orion team prepared Meta founder and CEO Mark Zuckerberg for a pivotal demonstration of the potential waveguide technology for augmented reality glasses - the moment when theoretical calculations on paper became reality for the first time and revolutionized the trajectory of subsequent development.
Les lunettes AR -Orion ont été mises à disposition.
Pascual Rivera, scientifique en méta-optique, se souvient: " Quand je portais des lunettes avec des guides d'ondes à base de verre et plusieurs panneaux stratifiés, c'était comme être dans une discothèque - il y avait des taches d'arc-en-ciel partout,et l'interférence était si forte qu'il était impossible de voir le contenu ARMais quand vous mettez le prototype de lunettes avecautres appareils pour la fabrication de lampes de poche, c'est instantanément comme si vous étiez dans une salle de symphonie écoutant un mouvement classique calme, et votre attention est toujours concentrée sur l'expérience complète que nous avons construite.
Cependant, bien que le choix du carbure de silicium comme substrat puisse sembler évident aujourd'hui, il était loin d'être donné lorsque l'équipe Meta Orion s'est lancée dans le développement de lunettes AR il y a une décennie:
Pascual Rivera a expliqué que le carbure de silicium est souvent fortement dopé avec de l'azote, ce qui le rend vert, voire noir s'il est suffisamment épais.Un tel matériau ne peut tout simplement pas être utilisé pour fabriquer des lentilles optiques - il est essentiellement électronique, et sa couleur est étroitement liée à ses propriétés électroniques.
Giuseppe Calafiore, responsable de la technologie des guides d'ondes chez Meta AR, ajoute que le carbure de silicium a une longue histoire en tant que matériau appliqué, principalement dans l'électronique haute puissance.Toutes les voitures électriques ont besoin d'une puce qui peut supporter une puissance extrêmement élevée pour entraîner les roues et les systèmes complets du véhiculeLes substrats de silicium traditionnels ne peuvent pas répondre à cette demande, et seuls les matériaux tels que le carbure de silicium qui permettent un courant élevé et une puissance élevée peuvent être compétents.
Avant que la question des énergies renouvelables ne s'intensifie ces dernières années, le marché de ces puces de haute puissance était beaucoup plus petit que celui des puces d'électronique grand public.le prix à long terme du carbure de silicium est élevé, mais en raison de la faible quantité de substrat pour les puces automobiles, le coût est toujours acceptable et les fabricants n'ont pas la motivation de réduire les prix.
Mais il s'avère que le carbure de silicium a aussi des propriétés clés requises pourles guides d'ondes et les optiques, et le paramètre sur lequel l'équipe Meta Orion se concentre le plus est l'indice de réfraction.L'indice de réfraction élevé du carbure de silicium signifie qu'il peut conduire et produire d'énormes quantités de données optiques - une analogie avec la bande passante d'InternetL'optique suit la même logique: plus l'indice de réfraction d'un matériau est élevé, plus sa dilatation optique est grande.et plus la quantité de données optiques transmises par ce canal est grande.
Calafiore a expliqué en outre que dans notre scénario d'application, le canal est le guide d'onde, et la plus grande expansion optique se traduit directement par un champ de vision plus large.Plus l'indice de réfraction du matériau est élevé, le plus grandle champ de visionque l'écran peut supporter.
Indice de réfraction SiC jusqu'à 2.7: beaucoup plus que le verre, le niobate de lithium et d'autres matériaux
Lorsque Calafiore a rejoint Oculus Research (le laboratoire de recherche et développement de Meta) en 2016, le verre dont ils avaient l'indice de réfraction le plus élevé n'était que 1.8 - plusieurs couches de verre ont dû être empilées pour atteindre le champ de vision cibleLes objets optiques mis à part, le processus d'assemblage est extrêmement complexe: les deux premiers guides d'ondes doivent être parfaitement alignés, puis toute la pile doit être parfaitement assortie au troisième guide d'ondes.
"Non seulement c'est cher, mais il est évident qu'il est impossible de mettre trois morceaux de verre dans chaque objectif".et l'épaisseur était bien au-delà de la limite esthétique - personne n'achèterait de tels produitsNous sommes donc retournés à la case départ: essayer d'augmenter l'indice de réfraction du matériau de substrat, réduisant ainsi le nombre de plaques de verre nécessaires. "
Au début, l'équipe de recherche s'est d'abord concentrée sur le niobate de lithium, dont l'indice de réfraction est d'environ 2.3, significativement supérieure à celle du verre 1.8.
Calafiore a dit que nous avons réalisé que nous pouvions simplement empiler deux planches, ou peut-être même couvrir le champ de vision avec une seule planche.Nous avons commencé à explorer d'autres matériaux - c'est pourquoi nous avons trouvé une excellente transparencede carbure de silicium de haute puretéDans notre travail avec les fournisseurs en 2019. Plus important encore, l'indice de réfraction du carbure de silicium estaussi haut que 2.7, établissant un record pour les applications optiques.
Pour l'équipe de recherche, cette valeur signifie que l'indice de réfraction du carbure de silicium est 17,4% plus élevé que celui du niobate de lithium et 50% plus élevé que celui du verre."Il est possible de préparer du carbure de silicium transparent avec seulement une petite modification des équipements industriels existants.Nous avons donc ajusté le processus pour contrôler strictement les paramètres - ne plus optimiser pour les propriétés électroniques, mais en nous concentrant sur les propriétés optiques:les paramètres de base tels que la transmission et l'uniformité de l'indice de réfraction. "
Résolution de problèmes tels que l'effet fantôme et l'effet arc-en-ciel: la technologie SiC se démarque enfin
À l'époque, l'équipe de Reality Labs a été la première à essayer de convertir des plaquettes opaques de carbure de silicium en substrats transparents.sa coupe et son polissage doivent reposer sur des outils diamantés, ce qui entraîne des coûts extrêmement élevés d'ingénierie non répétitive et des substrats finalement coûteux.
Bien qu'il existe des alternatives plus rentables aux substrats en carbure de silicium, toute technologie présente des avantages et des inconvénients, et Meta a finalement décidé d'opter pour le carbure de silicium.Je vous en prie., directeur scientifique de Meta Research, a expliqué que trouver la solution idéale pour les écrans AR à large champ est essentiellement un jeu dePerformance par rapport au coût, qui peut être comprimé, mais si la performance n'est pas à la hauteur, l'avantage en termes de coût n'a aucun sens.
Dans le même temps, le champ de vision du Meta Orion est jusqu'à 70 degrés, et de nouveaux problèmes tels queeffet fantôme et arc-en-cielL'effet "ghost" est une image répétée de l'image principale projetée sur l'écran, et l'effet arc-en-ciel est un motif de couleur dynamique formé par la réflexion de la lumière ambiante sur la surface du guide d'onde.
Par exemple, Silverstein explique, si vous conduisez la nuit et que les phares se déplacent autour de vous comme des rayures d'arc-en-ciel, ou que vous jouez au volley-ball sur une plage ensoleillée,L'effet arc-en-ciel dynamique peut vous faire rater votre tir.L'une des propriétés magiques du carbure de silicium est qu'il peut éliminer complètement ces perturbations.conductivité thermiqueLes plastiques sont de faibles isolants, tout comme le verre et le niobate de lithium, mais le carbure de silicium est à la fois transparent comme le verre et efficace pour conduire la chaleur, défiant la sagesse conventionnelle.
Par conséquent, en juillet 2020, l'équipe de Meta Orion a sélectionné le carbure de silicium sur la base de trois facteurs clés:
Tout d'abord,Optimisation de la forme: le substrat à couche unique et la structure de support plus petite réduisent considérablement le volume de l'équipement;
Deuxièmement,avantages optiques: l'indice de réfraction élevé et l'effet anti-arc-en-ciel améliorent la qualité de l'affichage;
La troisième estlégers: par rapport au double verre, le poids est considérablement réduit.
Meta résout le problème de la gravure en pente: nous espérons que davantage d'entreprises participeront à la recherche et au développement du SiC de qualité optique
Une fois le matériau identifié, l'obstacle suivant s'est tourné vers la fabrication de guides d'ondes, en particulier une technique de grille non conventionnelle appelée gravure en cône.
Calafiore a expliqué: " La grille est la nanostructure responsable de l'accouplement de la lumière dans et hors de la lentille, et pour que le carbure de silicium fonctionne, la grille doit être gravée avec une flèche.Les lignes gravées ne sont pas disposées verticalement, mais sont réparties à un angle oblique.
Nihal Mohanty, directeur de recherche chez Meta, a ajouté qu'ils sontla première équipe au mondeL'industrie entière s'est appuyée sur la technologie des nanoempreintes dans le passé, mais cela ne peut pas être appliqué aux substrats à haut indice de réfraction.Pour cette raison, personne n'avait envisagé l'option du carbure de silicium auparavant.
En 2019, Nihar Mohanty et ses partenaires d'équipe ont construit conjointement une ligne de production exclusive, avant laquelle, parce que la technologie de gravure en pente n'est pas mature,La plupart des fournisseurs de puces et des fonderies de semi-conducteurs manquent d'équipement appropriéPar conséquent, à cette époque, il n'y avait aucune installation dans le monde qui pourrait produire des guides d'ondes de carbure de silicium gravé, et il était impossible de vérifier la faisabilité technique en dehors du laboratoire.
Nihal Mohanty a également révélé que c'était un investissement majeur et qu'ils ont construitla chaîne de production complète. The processing equipment was customized by the partners and the process was developed by Meta itself - initially the equipment was only up to research grade standards because there was no manufacturing grade system at the time, ils ont donc travaillé avec les partenaires de fabrication pour développer l'équipement et le procédé de gravure à béton de qualité de production.
Maintenant que le potentiel du carbure de silicium a été prouvé, l'équipe Meta attend avec impatience que le reste de l'industrie commence à développer ses propres appareils, parce que plus les entreprises investissent dansde carbure de silicium de qualité optiquela recherche et le développement et le développement d'équipements, plus l'écosystème industriel des lunettes AR de consommation sera robuste.
La voie de la réduction des coûts et de l'efficacité du SiC est claire: elle brillera dans le domaine des lunettes AR
Alors que l'équipe de Meta explore encore des alternatives, un fort consensus est apparu: dans la bonne fenêtre de marché, les bonnes personnes travaillent ensemble pourà base de silicium carboneRévolution des lunettes AR.
Silverstein et Giuseppe Calafiore ont déclaré qu'avant cela, tous les fabricants de carbure de silicium avaient considérablement augmenté leur production en prévision du boom attendu des véhicules électriques,et la situation actuelle de surcapacité n'existait pas lorsque Orion était en développementMaintenant, à cause de l'offre excédentaire, le coût du substrat a commencé à baisser.
Le projet Orion a prouvé la viabilité du carbure de silicium dans les verres AR, et les chaînes d'approvisionnement de trois continents s'intéressent désormais fortement à ce produit.fournisseursEn effet, par rapport aux puces électroniques, chaque lentille à guide d'onde consomme une plus grande quantité de matériau.et leurs capacités techniques existantes peuvent être transférées en douceur dans ce domaine, ils parient sur cette opportunité, le carbure de silicium finira par gagner.
En outre, il existe déjà des fabricants qui passent du substrat de 6 pouces au substrat de 8 pouces, et il existe des entreprises pionnières qui développent des technologies de pointeSubstrats de 12 pouces- ce qui entraînera une augmentation exponentielle de la capacité de production de verres AR.L'image de l'avenir devient plus claire..
Calafiore croit qu'au début de toute nouvelle révolution technologique, les gens vont toujours essayer plusieurs chemins, et la technologie de la télévision en est un exemple:du tube à rayons cathodiques à l'écran à plasma LED, et maintenant MicroLED, nous avons traversé plusieurs itérations de l'architecture technologique.mais il y a toujours quelques options qui sont choisies à plusieurs reprises en raison de leur grand potentielNous n'avons pas encore atteint la fin, et nous ne pouvons pas nous battre seuls, mais le carbure de silicium est sans aucun doute un matériau miraculeux digne deinvestissements importants.
Silverstein a conclu qu'ils avaient démontré avec succès le potentiel de croisement du carbure de silicium dans l'électronique et la photonique, et que son avenir pourrait briller dans des domaines tels que l'informatique quantique.En même temps, la possibilité de réduire sensiblement le coût du carbure de silicium est apparue, bien qu'il y ait encore de nombreux défis, mais sonénergie révolutionnaireest incommensurable.
ZMSH SIC Wafer 4H-N et Semi type:
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