חוקרים מ־MIT ומ־NY CREATES ייצרו מעגלים פוטוניים בעובי של מיקרונים בודדים באמצעות ציוד תעשייתי מקובל. השבבים המשיכו לפעול לאחר אלפי מחזורי כיפוף ועשויים לשמש בעתיד בחיישנים לבישים, בתצוגות מציאות רבודה ובמערכות אופטיות המותקנות על משטחים מעוקלים
חוקרים מהמכון הטכנולוגי של מסצ׳וסטס, MIT, וממרכז NY CREATES פיתחו תהליך המאפשר לייצר שבבי פוטוניקת סיליקון שהם גם גמישים וגם שקופים, על גבי פרוסות בקוטר 300 מילימטר — הגודל המקובל בקווי ייצור מתקדמים של תעשיית המוליכים למחצה.
החידוש המרכזי אינו עצם יצירתו של רכיב אופטי גמיש. רכיבים כאלה כבר הודגמו בעבר במעבדות. ההתקדמות היא ביכולת לבצע את התהליך ברמת פרוסה שלמה, באמצעות ציוד ייצור יציב המשמש מפעלי שבבים, ובכך לפתוח אפשרות לייצור מספר רב של רכיבים בעלי מאפיינים אחידים.
המחקר פורסם בכתב העת השפיט Optica. הוביל אותו טל סנה מ־MIT, והחוקרת הבכירה היא פרופ׳ ילנה נוטרוס מהמחלקה להנדסת חשמל ומדעי המחשב במכון.
להוציא את הסיליקון ולהשאיר את המעגל האופטי
שבבי פוטוניקת סיליקון משתמשים במבנים זעירים כדי להוליך, לפצל ולעבד אור בתוך השבב. הטכנולוגיה משמשת כיום בעיקר לתקשורת אופטית ולחיבורי נתונים מהירים, אך נחקרת גם עבור חישה, הדמיה, מחשוב ומערכות רפואיות.
מעגלים פוטוניים רגילים מיוצרים על מצע סיליקון עבה, קשיח ואטום. המצע מקל על הייצור ועל הטיפול בפרוסה, אך מגביל את השימוש במעגלים במערכות שצריכות להתכופף או לאפשר מעבר של אור נראה.
התהליך החדש מתחיל בדומה לייצורו של שבב פוטוני רגיל. החוקרים מפקידים ומעצבים על מצע הסיליקון מוליכי גל — מבנים זעירים המשמשים נתיבים לאור. לאחר מכן הם מחברים לחלק העליון פרוסת סיליקון זמנית וקשיחה, הופכים את המבנה ומסירים כמעט את כל מצע הסיליקון המקורי.
בתום ההסרה נותרות רק שכבות התחמוצת ומוליכי הגל, בעובי קטן מעשירית מעובייה של שערת אדם. אל השכבות הדקות מוצמדת יריעת פוליאסטר שקופה, ולבסוף מופרדת מהן פרוסת התמיכה הזמנית. התוצאה היא פרוסה פוטונית שקופה וגמישה שעובייה מיקרונים בודדים.
האתגר: לשמור על פרוסה שלמה ושטוחה
הסרת רוב החומר מפרוסת סיליקון בקוטר 300 מילימטר היא תהליך עדין. מאמצים מכניים המצטברים בשכבות עלולים לגרום לפרוסה להתעקם, לפתח גלים או להישבר בתוך קו הייצור.
כדי לשלוט במאמצים הגבילו החוקרים את טמפרטורת התהליכים ל־500 מעלות צלזיוס לכל היותר ותכננו בקפידה את סדר הסרת השכבות. בתחילה דיללו את הסיליקון בתהליכים תעשייתיים מהירים, ואת השכבה האחרונה הסירו באיכול כימי בררני ומדויק יותר, כדי שלא לפגוע במוליכי הגל שמתחתיה.
לדברי סנה, העבודה עם כלי ייצור יציבים המותאמים לפרוסות 300 מילימטר מאפשרת לתכנן מערכות הכוללות מספר גדול מאוד של רכיבים, תוך ביטחון גבוה יותר בכך שהרכיבים השונים יעמדו במפרט.
ייצור בפרוסות גדולות גם עשוי להפחית בעתיד את העלות לרכיב, משום שאפשר לייצר ולבדוק מספר רב של שבבים באותו מחזור. עם זאת, המחקר עדיין אינו מציג קו ייצור מסחרי או מוצר מוגמר.
אלפי כיפופים ללא ירידה בביצועים
החוקרים בחנו את תכונות מוליכי הגל ואת יכולתם להעביר אור, ולאחר מכן כופפו שבב אלפי פעמים סביב גלילים בקטרים שונים. לפי הדיווח של MIT, לא נמדדה פגיעה בביצועים גם לאחר כיפוף סביב גליל שעוביו דומה לבורג קטן. ירידה בביצועים הופיעה רק לאחר כיפופים חוזרים סביב עצם דק במיוחד, שעוביו דומה לקיסם.
בניסוי נוסף הציבו החוקרים את השבב לפני מערכת המדמה עין אנושית ובדקו אם המבנה השקוף מטשטש או מעוות את התמונה. הם מצאו כי השבב גרם לערפול אופטי מזערי ולא יצר עיוות בולט של העצמים שנצפו דרכו.
שילוב של שקיפות וגמישות עשוי לאפשר להצמיד מעגלים פוטוניים לגוף כחיישני בריאות שקשה להבחין בהם, לשלב אותם בשמשות ובתצוגות עיליות מעוקלות, או להתקין מערכת מציאות רבודה בתוך משקף של טייס. במערכות כאלה אפשר יהיה להחליף חלק מהרכיבים האופטיים הגדולים במעגל דק המונח ישירות על המשטח השקוף.
עדיין לא מערכת פוטונית שלמה
הפלטפורמה הודגמה באמצעות מוליכי גל ורכיבים אופטיים פסיביים. לפני שאפשר יהיה להפוך אותה למוצר מסחרי יהיה צורך לשלב בה רכיבים מורכבים יותר, ובהם מקורות אור, גלאים, מאפננים וממשקים למעגלים אלקטרוניים.
יידרשו גם תהליכי אריזה שיגנו על השכבות הדקות, חיבורים אמינים לסיבים אופטיים או למקורות אור חיצוניים ובדיקות עמידות ארוכות טווח בתנאי חום, לחות ומתיחה.
החוקרים מתכוונים כעת לשפר את יעילות מוליכי הגל ואת השקיפות ולהוסיף לפלטפורמה פונקציות פוטוניות נוספות. הם מקווים שהעבודה עם קו הייצור של NY CREATES במתחם Albany NanoTech תאפשר בעתיד להנגיש את הפלטפורמה לקבוצות מחקר ולמפתחי מערכות נוספים.
המחקר מומן בחלקו בידי הקרן הלאומית למדע של ארצות הברית, DARPA ומלגת MathWorks. עיבוד הפרוסות בוצע ב־NY CREATES וחיתוך השבבים בוצע במתקני MIT.nano.
