Légende: « Nous avons maintenant mis au point un procédé à l’échelle de la plaquette qui produit des plaquettes mécaniquement flexibles et optiquement transparentes, permettant de nouvelles applications qui n’étaient pas possibles auparavant avec la photonique sur silicium », explique Jelena Notaros. Crédits: Courtoisie des chercheurs
Ce procédé évolutif permet de produire des puces hautes performances pour des applications telles que les dispositifs portables discrets ou les écrans de réalité augmentée flexibles.
Le domaine de la photonique sur silicium, qui utilise la lumière plutôt que l’électricité pour transmettre et traiter des données sur des puces semi-conductrices, a permis aux systèmes optiques de passer de configurations volumineuses à des systèmes compacts et performants. Cependant, ces puces photoniques sur silicium sont généralement rigides et opaques.
Des scientifiques du MIT ont désormais mis au point une méthode évolutive pour rendre les puces de photonique sur silicium flexibles et transparentes, ouvrant ainsi la voie à des microprocesseurs avancés qui pourraient être utilisés dans des applications telles que des moniteurs de santé discrets qui épousent la forme du corps ou des écrans de réalité augmentée transparents qui s’adaptent à la courbe d’un casque de pilote.
Bien que des scientifiques aient récemment réalisé des démonstrations en laboratoire de puces flexibles ou transparentes, ils ne pouvaient fabriquer que quelques dispositifs à la fois.
Les chercheurs du MIT, en étroite collaboration avec les ingénieurs de NY Creates au complexe nanotechnologique d’Albany, ont créé un procédé de fabrication qui utilise des techniques de fabrication de semi-conducteurs standard pour générer des puces photoniques en silicium flexibles et transparentes sur des plaquettes à grande échelle.
Pour valider cette plateforme, les chercheurs ont plié une seule puce des milliers de fois autour de cylindres de diamètres variés — jusqu’à la largeur d’une petite vis — sans aucune perte de performance. Ils ont également constaté que l’observation à travers les puces ne provoquait ni voile ni distorsion significatifs.
« Nous avons mis au point un procédé à l’échelle de la plaquette qui produit des plaquettes mécaniquement flexibles et optiquement transparentes, ouvrant la voie à des applications inédites, impossibles jusqu’alors avec la photonique sur silicium. Nous espérons qu’en collaborant étroitement avec nos collègues de NY Creates et en utilisant la fonderie du complexe Albany NanoTech, nous pourrons rendre cette plateforme accessible à d’autres équipes de recherche et ouvrir ces nouveaux domaines d’application à l’ensemble de la discipline », explique Jelena Notaros, professeure associée Robert J. Shillman en génie électrique et informatique (EECS) au MIT, membre du Laboratoire de recherche en électronique et auteure principale d’un article sur cette plateforme de fabrication.
Parmi ses co-auteurs figurent l’auteur principal Tal Sneh et Andres Garcia Coleto, étudiants diplômés en EECS ; Thomas Dyer et Kevin Fealey du New York Center for Research, Economic Advancement, Technology, Engineering, and Science (NY Creates) ; et Milica Notaros, PhD ’23. L’article paraît dans la revue Optica .
Flexible et transparent
Au cours de la dernière décennie, les chercheurs ont mis au point des techniques permettant de fabriquer à grande échelle des dispositifs photoniques sur silicium précis et très fiables.
Ils utilisent des procédés de fonderie microélectronique de pointe pour produire des plaquettes de 300 millimètres de diamètre comportant des milliards de dispositifs optiques nanométriques. Cependant, ces méthodes produisent des puces de photonique sur silicium rigides et opaques.
« Nous avons réalisé qu’il existe de nombreuses applications qui bénéficieraient d’une puce flexible et transparente », explique Notaros.
Des scientifiques avaient déjà réussi à fabriquer des puces photoniques sur silicium uniques, transparentes ou flexibles, mais ces techniques n’étaient pas industrialisables. Pour relever ce défi de mise à l’échelle, l’équipe de Notaros a récemment mis au point un procédé industriel permettant de fabriquer des puces photoniques sur silicium sur un substrat flexible .
L’équipe a maintenant poussé ces innovations encore plus loin grâce à un procédé évolutif qui produit des plaquettes de silicium photonique de 300 millimètres à la fois transparentes et flexibles.
Leur procédé de fabrication commence comme pour la production d’une plaquette de silicium rigide traditionnelle. Les chercheurs déposent et structurent avec précision de minuscules fils optiques, appelés guides d’ondes, sur ce substrat de silicium rigide.
On colle ensuite une plaquette de silicium temporaire par-dessus. On retourne la plaquette et on retire tout le substrat de silicium d’origine de ce qui constitue désormais la surface supérieure. On obtient alors une couche plane de matériau d’une épaisseur inférieure à un dixième de l’épaisseur d’un cheveu.
« Grâce au fait que nous avons ajouté ce support temporaire rigide avant de retourner la plaquette, nous pouvons aller jusqu’au bout et ne conserver que les couches d’oxyde et de guidage d’ondes », explique Sneh.
Ils utilisent un adhésif pour coller un film de polyester fin et transparent sur ces couches ultra-minces et « décollent » la plaquette de silicium temporaire par le bas pour la retirer.
Ils obtiennent ainsi une plaquette flexible et transparente de seulement quelques microns d’épaisseur, contenant les couches d’oxyde et de guide d’ondes nécessaires pour capturer et transporter la lumière pour la photonique sur silicium.
« Grâce à l’utilisation d’outils de fabrication de fonderie stables de 300 millimètres, nous pouvons concevoir des systèmes comportant un très grand nombre de dispositifs et avoir la certitude qu’ils fonctionneront conformément aux spécifications, ce qui est extrêmement important », ajoute Sneh.
Le plus grand défi lors du développement de ce procédé de fabrication consistait à retirer suffisamment de matière d’une grande plaquette de silicium de 300 millimètres de diamètre pour ne laisser que quelques microns de matière.
Lors de la fabrication, les contraintes exercées sur la plaquette provoquent généralement une légère courbure, ce qui rend ce processus d’élimination du silicium particulièrement difficile.
« Lorsque nous retournons les plaquettes sur ces substrats, si la contrainte n’est pas correctement gérée et que la plaquette n’est pas parfaitement plane, elle va présenter des ondulations à sa surface, voire se briser sur la chaîne de fabrication », explique Dyer.
Les chercheurs ont soigneusement géré ce stress en s’en tenant à des procédés à basse température, à 500 degrés Celsius ou moins.
Ils devaient également trouver l’ordre et la combinaison appropriés des méthodes d’élimination.
Ils ont utilisé des procédés industriels pour amincir la couche de silicium, puis ont opté pour une gravure chimique sélective plus précise pour la finition. Cela leur a permis de ne pas endommager les couches ultra-minces restantes.
Un œil sur la performance
Les chercheurs ont réalisé trois expériences pour tester différentes fonctionnalités de ces plaquettes de silicium photoniques flexibles et transparentes.
Ils ont d’abord testé les performances optiques de puces comportant des guides d’ondes intégrés de différentes longueurs afin de déterminer leurs propriétés de guidage d’ondes.
Ils ont ensuite testé la flexibilité en pliant une puce des milliers de fois autour de cylindres de différents diamètres. Ces expériences n’ont révélé aucune dégradation des performances, même lorsqu’ils l’ont pliée autour d’un cylindre de la taille d’une petite vis. Le dispositif n’a commencé à se dégrader que lorsque les chercheurs l’ont plié plusieurs fois autour d’un cure-dent.
« Cette expérience a validé le fait que la plateforme peut être utilisée pour nos applications proposées, avec des performances dépassant même largement les indicateurs requis pour ces systèmes », déclare Garcia Coleto.
Ils ont également évalué la transparence en configurant un œil bionique et en testant si la puce déformait la vision de l’utilisateur lorsqu’elle était placée devant l’œil. Ils ont constaté que la puce ne provoquait qu’un léger voile pour l’observateur et ne déformait pas sensiblement les images perçues par l’œil lorsqu’il regardait à travers elle.
Ces caractéristiques pourraient rendre ces puces particulièrement adaptées à la réalisation de systèmes de photonique sur silicium pour des applications telles que les écrans de réalité augmentée incurvés, compatibles avec les pare-brise à affichage tête haute ou les visières de pilotage. Dans une visière de pilotage, par exemple, un tel écran de réalité augmentée pourrait remplacer les systèmes optiques volumineux qui fournissent actuellement des informations en temps réel permettant au pilote de réagir aux situations dangereuses.
À l’avenir, les chercheurs souhaitent intégrer des composants et des fonctionnalités plus complexes aux puces afin de permettre ces nouvelles applications et d’autres encore. Ils veulent également perfectionner la conception pour améliorer l’efficacité du guide d’ondes et accroître la transparence.
