Warum haben wir SiC gewählt?
Am 6. März veröffentlichte Meta (ehemals Facebook) einen Artikel auf seiner offiziellen Website:Beschreibung des Prozesses und der Vorteile der Wahl von Siliziumkarbid als Kernmaterial bei der Entwicklung der Wellenleittechnologie für AR-Gläser.
Das Meta-Team hat nicht nur wichtige Engpässe wie Sichtfeld, Gewicht und optische Artefakte von AR-Gläsern durch Siliziumkarbid-Wellenleitertechnologie gelöst, sondern sieht es auch als eine"Spielveränder"in der AR-Branche, die in Zukunft zu einem weit verbreiteten Material werden könnte:
Meta Orion Team erklärt: Warum SiC-Technologie gewählt
Im Jahr 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.
Meta veröffentlichte AR-Brille - Orion
Pascual Rivera, ein Wissenschaftler für Metaoptik, erinnert sich: "Als ich eine Brille mit Glasgrundwellenleitern und mehreren Schichten trug, fühlte ich mich wie in einer Disco - überall waren Regenbogenflecken,Und die Störung war so stark, dass es unmöglich war, den AR-Inhalt zu sehen.Aber wenn man die Prototypenbrille mitmit einer Breite von mehr als 20 mm,, ist es sofort, als wäre man in einer Sinfoniehalle und höre ein ruhiges klassisches Musikstück, und die Aufmerksamkeit ist immer auf die komplette Erfahrung konzentriert, die wir aufgebaut haben.
Während die Wahl von Siliziumkarbid als Substrat heute offensichtlich erscheint, war sie jedoch bei weitem nicht selbstverständlich, als das Meta Orion-Team vor einem Jahrzehnt mit der Entwicklung von AR-Brillen begann:
Pascual Rivera erklärte, Siliziumkarbid sei oft stark mit Stickstoff bestückt, wodurch es grün oder sogar schwarz erscheine, wenn es dick genug sei.Ein solches Material kann einfach nicht zur Herstellung einer optischen Linse verwendet werden, es ist im Wesentlichen elektronisch., und seine Farbe hängt eng mit seinen elektronischen Eigenschaften zusammen.
Giuseppe Calafiore, Leiter der Wellenleittechnik bei Meta AR, fügt hinzu, dass Siliziumkarbid eine lange Geschichte als angewandtes Material hat, vor allem in der Hochleistungselektronik.Alle Elektroautos benötigen einen Chip, der extrem hoher Leistung standhält, um die Räder und die kompletten Fahrzeugsysteme anzutreibenTraditionelle Siliziumsubstrate können dieser Nachfrage nicht gerecht werden, und nur Materialien wie Siliziumkarbid, die einen hohen Strom und eine hohe Leistung durchlaufen lassen, können geeignet sein.
Vor der Erhöhung des Themas der erneuerbaren Energien in den letzten Jahren war der Markt für solche Hochleistungschips deutlich kleiner als für Chips für Unterhaltungselektronik.Der langfristige Preis für Siliziumkarbid ist hoch., aber aufgrund der geringen Substratmenge für Fahrzeugchips sind die Kosten immer noch akzeptabel und die Hersteller haben keine Motivation, die Preise zu senken.
Aber es stellt sich heraus, dass Siliziumkarbid auch die wichtigsten Eigenschaften hat, die fürWellenleitungen und Optik, und der Parameter, auf den sich das Meta Orion-Team am meisten konzentriert, ist der Brechungsindex.Der hohe Brechungsindex von Siliziumkarbid bedeutet, dass es riesige Mengen optischer Daten leiten und ausgeben kann - eine Analogie zur InternetbandbreiteDie Optik folgt derselben Logik: je höher der Brechungsindex eines Materials, desto größer ist seine optische Ausdehnung.und je größer die Menge der optischen Daten, die über diesen Kanal übertragen werden.
Calafiore erklärte weiter, daß in unserem Anwendungsszenario der Kanal der Wellenführer ist und die größere optische Ausdehnung sich direkt in ein breiteres Sichtfeld übersetzt.Je höher der Brechungsindex des Materials, je größerdas Sichtfelddie das Display unterstützen kann.
SiC Brechungsindex bis zu 2.7: weit mehr als Glas, Lithiumniobat und andere Materialien
Als Calafiore 2016 zuerst bei Oculus Research (Metas Forschungs- und Entwicklungslabor) anfing, war der höchste Brechungsindex Glas, den sie hatten, nur 1.8 - mehrere Glasschichten mussten gestapelt werden, um das Zielfeld zu erreichenAbgesehen von den optischen Artefakten ist der Montageprozeß äußerst komplex: Die ersten beiden Wellenleitungen müssen perfekt ausgerichtet sein, und dann muss der gesamte Stapel perfekt mit dem dritten Wellenführer abgestimmt sein.
"Das ist nicht nur teuer, sondern es ist auch offensichtlich, dass man nicht in die Lage ist, drei Glasstücke in jede Linse zu stecken".und die Dicke war weit über die Grenzen der Ästhetik hinaus - niemand würde solche Produkte kaufenWir kehrten also zum Ausgangspunkt zurück: Wir versuchten, den Brechungsindex des Substratmaterials zu erhöhen und so die Anzahl der benötigten Glasplatten zu reduzieren".
Zu Beginn konzentrierte sich das Forschungsteam zunächst auf Lithiumniobat, das einen Brechungsindex von etwa 2 aufweist.3, deutlich höher als bei Glas 1.8.
Calafiore sagte, dass wir erkannten, dass wir einfach zwei Bretter stapeln könnten, oder vielleicht sogar das Sichtfeld mit einem Bretter bedecken könnten.Wir begannen, andere Materialien zu erforschen - weshalb wir eine ausgezeichnete Transparenz inmit einem Gehalt an Kohlenstoff von mehr als 10 GHTWir haben in unserer Arbeit mit Lieferanten im Jahr 2019 gezeigt, dass der Brechungsindex von SiliziumcarbidBis zu 2.7, die einen Rekord für optische Anwendungen setzt.
Für das Forschungsteam bedeutet dieser Wert, daß der Brechungsindex von Siliziumcarbid 17,4% höher ist als der von Lithiumniobat und 50% höher als der von Glas."Es ist möglich, durchsichtiges Siliziumcarbid mit nur einer kleinen Änderung der vorhandenen industriellen Ausrüstung herzustellenAlso haben wir den Prozess angepasst, um die Parameter streng zu kontrollieren - nicht mehr für elektronische Eigenschaften zu optimieren, sondern uns auf optische Eigenschaften zu konzentrieren:Kernmetriken wie Durchlässigkeit und Brechungsindexgleichheit."
Lösung von Problemen wie dem Geister- und Regenbogen-Effekt: SiC-Technologie hebt sich endlich ab
Damals versuchte das Team von Reality Labs als erstes, undurchsichtige Siliziumcarbidwafer in transparente Substrate umzuwandeln.Das Schneiden und Polieren muss mit Diamantwerkzeugen erfolgen., was zu extrem hohen Kosten für nicht wiederholtes Engineering und letztendlich zu teuren Substraten führt.
Obwohl es kostengünstigere Alternativen zu Siliziumkarbid-Substraten gibt, gibt es für jede Technologie Vor- und Nachteile, und Meta entschied sich schließlich für Siliziumkarbid.Siehe auch:Der wissenschaftliche Leiter von Meta Research erklärte, dass die Suche nach der idealen Lösung für Weitfeld-AR-Displays im Wesentlichen ein Spiel vonLeistung gegenüber Kosten, die komprimiert werden können, aber wenn die Leistung nicht auf dem Niveau ist, ist der Kostenvorteil bedeutungslos.
Gleichzeitig ist das Sichtfeld des Meta Orion bis zu 70 Grad und neue Probleme wieGeister und Regenbogen EffektBeginnen zu erscheinen: Ghost ist ein wiederholtes Bild des Hauptbildes, das auf dem Display projiziert wird, und Regenbogen-Effekt ist ein dynamisches Farbmuster, das durch die Reflexion von Umgebungslicht auf der Wellenleitfläche gebildet wird.
Silverstein erklärt zum Beispiel, wenn man nachts fährt und die Scheinwerfer sich wie Regenbogenstreifen um einen bewegen, oder Volleyball auf einem sonnigen Strand spielt,Der dynamische Regenbogen-Effekt kann dazu führen, dass Sie Ihren Schuss verpassen.Einer der magischen Eigenschaften von Siliziumcarbid ist, dass es diese Störungen vollständig beseitigen kann.WärmeleitfähigkeitPlastik ist ein schlechter Isolator, ebenso wie Glas und Lithiumniobat, aber Siliziumkarbid ist sowohl durchsichtig wie Glas als auch effizient bei der Wärmeleitung, was der üblichen Ansicht widerspricht.
Daher wählte das Meta-Orion-Team im Juli 2020 Siliziumkarbid anhand von drei Kernfaktoren aus:
Erstens:Formoptimierung: Einlagensubstrat und kleinere Trägerstruktur reduzieren das Volumen der Ausrüstung erheblich;
Zweitens:optische Vorteile: hoher Brechungsindex und anti-Regenbogen-Effekt verbessern die Bildqualität;
Das dritte istLeichtgewicht: im Vergleich zum Doppelglassystem ist das Gewicht deutlich reduziert.
Meta löst das Problem der Steigungsgrauberei: Wir hoffen, dass mehr Unternehmen an der Forschung und Entwicklung von SiC der optischen Qualität teilnehmen
Nachdem das Material identifiziert worden war, stellte sich die nächste Hürde der Herstellung von Wellenleitern - speziell einer unkonventionellen Gittertechnik, die sich Bevel-Etching nennt.
Calafiore erklärte: "Das Gitter ist die Nanostruktur, die für die Kopplung von Licht in und aus der Linse verantwortlich ist, und damit das Siliziumkarbid funktioniert, muss das Gitter mit einem Schräg geätzt werden.Die geätzten Linien sind nicht vertikal angeordnet, sind aber in einem schrägen Winkel verteilt.
Nihal Mohanty, Forschungsmanager bei Meta, fügte hinzu, dass sieDas erste Team der Welt.Die Anwendungsmöglichkeiten der Nano-Drucktechnologie sind in der Vergangenheit in der gesamten Industrie verbreitet gewesen, aber sie können nicht auf Substrate mit hohem Brechungsindex angewendet werden.Aus diesem Grund, hatte niemand die Siliziumkarbid-Option vorher in Betracht gezogen.
Im Jahr 2019 bauten Nihar Mohanty und seine Teampartner gemeinsam eine exklusive Produktionslinie, vor der, weil die Hang-Etsch-Technologie nicht reif ist,Die meisten Lieferanten von Halbleiterchips und Gießereien verfügen nicht über entsprechende AusrüstungDaher gab es zu dieser Zeit keine Anlage auf der Welt, die geätzte Siliziumcarbid-Wellenleitungen herstellen konnte, und es war unmöglich, die technische Machbarkeit außerhalb des Labors zu überprüfen.
Nihal Mohanty enthüllte weiter, dass es eine große Investition war und sie bautendie gesamte Produktionskette. 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, so arbeiteten sie dann mit den Produktionspartnern zusammen, um die Ausrüstung und das Verfahren für das Bevel-Etschen in Produktionsqualität zu entwickeln.
Jetzt, da das Potenzial von Siliziumkarbid bewiesen wurde, freut sich das Meta-Team darauf, dass der Rest der Industrie ihre eigenen Geräte entwickeln wird, denn je mehr Unternehmen inSiliziumcarbid der optischen Qualitätje stärker das Ökosystem der Industrie für AR-Verbraucherbrillen wird.
SiC-Kostenreduktion und Effizienz ist klar: Er wird im Bereich der AR-Brille glänzen
Während das Meta-Team immer noch Alternativen untersucht, ist ein starker Konsens entstanden: Im richtigen Marktfenster arbeiten die richtigen Menschen zusammen, um dieauf Silizium-KohlenstoffbasisDie Revolution der AR-Brille.
Silverstein und Giuseppe Calafiore erklärten, dass alle Siliziumkarbidhersteller zuvor die Produktion erheblich erweitert hätten, um sich auf den erwarteten Elektrofahrzeugboom vorzubereiten.und die derzeitige Überkapazitätssituation bestand nicht, als Orion in der Entwicklung warAufgrund des Überangebots sind die Kosten für das Substrat gesunken.
Das Orion-Projekt hat die Lebensfähigkeit von Siliziumcarbid in AR-Gläsern bewiesen.LieferantenWir sind sehr aufgeregt über neue Möglichkeiten, optisch hochwertiges Siliziumcarbid herzustellen.und ihre vorhandenen technischen Fähigkeiten können problemlos in diesen Bereich übertragen werden, sie setzen auf diese Gelegenheit, Siliziumkarbid wird schließlich gewinnen.
Darüber hinaus gibt es bereits Hersteller, die von 6-Zoll- auf 8-Zoll-Substraten wechseln, und es gibt Pionierunternehmen, die hochmoderne Technologien für12 Zoll Substrate- die die Produktionskapazität für AR-Gläser exponentiell erhöhen wird.Das Bild der Zukunft wird immer klarer..
Calafiore glaubt, dass Menschen zu Beginn jeder neuen technologischen Revolution immer mehrere Wege ausprobieren werden, und die Fernsehtechnologie ist ein Beispiel:von der Kathodenröhre zum LED-PlasmabildschirmWir haben mehrere Iterationen der Technologiearchitektur durchlaufen.Aber es gibt immer ein paar Optionen, die wegen ihres großen Potenzials immer wieder ausgewählt werden.Wir sind noch nicht am Ende, und wir können nicht allein kämpfen, aber Siliziumkarbid ist zweifellos ein Wundermaterial, das es wert ist,starke Investitionen.
Silverstein kam zu dem Schluss, dass sie das Crossover-Potenzial von Siliziumcarbid in Elektronik und Photonik erfolgreich demonstriert haben und seine Zukunft in Bereichen wie Quantencomputing strahlen könnte.Gleichzeitig, ist die Möglichkeit einer erheblichen Senkung der Kosten für Siliziumkarbid aufgetreten, obwohl es noch viele Herausforderungen gibt, aber dierevolutionäre Energieist unermesslich.
ZMSH SIC Wafer 4H-N & Halbtyp:
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