La oblea mide 300 milímetros de diámetro, queda con un grosor de unas pocas micras y se dobla miles de veces alrededor de un cilindro del ancho de un tornillo pequeño sin que su rendimiento óptico baje. La fabricaron investigadores del MIT junto a ingenieros de NY Creates en el Albany NanoTech Complex, y el trabajo aparece en la revista Optica.

La fotónica de silicio usa luz en vez de electricidad para transmitir y procesar datos dentro de un chip semiconductor. Gracias a eso los sistemas ópticos pasaron de montajes voluminosos a equipos compactos. El problema es que esos chips salen rígidos y opacos.

¿Por qué importa que se doble y se vea a través?

Un chip que se adapta a una superficie curva abre aplicaciones que la fotónica de silicio no podía tomar. Monitores de salud discretos que se amoldan al cuerpo, o pantallas de realidad aumentada transparentes que siguen la curva del visor de un piloto.

Ya se habían demostrado en laboratorio chips flexibles o transparentes, pero de a unos pocos dispositivos por vez. Ninguna de esas técnicas escalaba.

"Desarrollamos un proceso a escala de oblea que produce obleas mecánicamente flexibles y ópticamente transparentes, y eso habilita aplicaciones nuevas que antes no eran posibles con fotónica de silicio. Esperamos que, trabajando de cerca con nuestros colegas de NY Creates y usando la fundición del Albany NanoTech Complex, exista la posibilidad de hacer la plataforma accesible a otros grupos dentro de nuestra comunidad de investigación y abrirle estas áreas nuevas de aplicación al campo de la fotónica de silicio como un todo", dice Jelena Notaros, profesora asociada de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación en el MIT y autora principal del paper.

La acompañan Tal Sneh y Andres Garcia Coleto, estudiantes de posgrado del mismo departamento; Thomas Dyer y Kevin Fealey, de NY Creates; y Milica Notaros.

Flexible y transparente

En la última década los investigadores desarrollaron técnicas para fabricar dispositivos de fotónica de silicio precisos y confiables a escala. Usan procesos avanzados de fundición de microelectrónica para producir obleas de 300 milímetros de diámetro con miles de millones de dispositivos ópticos nanométricos. Pero esos métodos entregan chips rígidos y opacos.

"Nos dimos cuenta de que hay muchas aplicaciones que se beneficiarían de tener un chip que sea flexible y transparente", dice Notaros.

El grupo ya había demostrado antes un proceso a escala de fundición para hacer chips de fotónica de silicio sobre un sustrato flexible. Ahora llevaron eso más lejos, con un proceso que produce obleas de 300 milímetros transparentes y flexibles a la vez.

Cómo se fabrica la oblea

El proceso arranca igual que el de una oblea de silicio rígida tradicional. Los investigadores depositan y dibujan sobre el sustrato de silicio rígido unos hilos ópticos diminutos llamados guías de onda.

Después pegan encima una oblea de silicio temporal. Dan vuelta el conjunto y retiran todo el sustrato de silicio original, que ahora quedó arriba. Lo que queda es una capa plana de material con un grosor menor a la décima parte de un pelo humano.

"Gracias a que agregamos ese soporte temporal rígido antes de dar vuelta la oblea, podemos bajar hasta el final y quedarnos solo con el óxido y las capas de guiado de onda", dice Sneh.

Luego usan un adhesivo para pegar sobre esas capas ultrafinas una película transparente y delgada de poliéster, y despegan por abajo la oblea de silicio temporal. El resultado es una oblea flexible y transparente de unas pocas micras de espesor, con el óxido y las guías de onda que hacen falta para capturar y transportar luz.

"Como estamos usando herramientas estables de fabricación de fundición de 300 milímetros, podemos diseñar sistemas con una cantidad muy grande de dispositivos y tener la confianza de que van a rendir según las especificaciones, lo que es extremadamente importante", agrega Sneh.

El mayor desafío del proceso fue quitar suficiente material de una oblea de 300 milímetros para dejar atrás solo unas pocas micras. Durante la fabricación el estrés sobre la oblea la curva un poco, y eso complica la remoción del silicio.

"Al dar vuelta las obleas sobre estos sustratos, si la tensión no se maneja bien y la oblea no queda perfectamente plana, se le van a formar ondulaciones en la superficie o incluso se va a romper en la línea de fabricación", dice Dyer.

El equipo manejó esa tensión quedándose en procesos de baja temperatura, a 500 grados Celsius o menos. También tuvo que encontrar el orden y la combinación correcta de métodos de remoción. Usaron procesos industriales para adelgazar la capa de silicio y cambiaron a un grabado químico selectivo más preciso para el tramo final, para no dañar las capas ultrafinas que quedaban abajo.

¿Qué midieron en las pruebas?

Los investigadores hicieron tres experimentos sobre estas obleas.

  • Probaron el rendimiento óptico de chips con guías de onda integradas de distintos largos, para determinar sus propiedades de guiado.
  • Probaron la flexibilidad doblando un chip miles de veces alrededor de cilindros de distintos diámetros. No hubo degradación ni siquiera al doblarlo en torno a un cilindro del tamaño de un tornillo pequeño. El dispositivo recién empezó a degradarse cuando lo doblaron varias veces alrededor de un mondadientes.
  • Evaluaron la transparencia montando un ojo biónico y comprobando si el chip distorsionaba la visión del usuario al ponerlo delante. El chip provoca solo una neblina mínima y no distorsiona de forma perceptible las imágenes que el ojo capta a través de él.

"Este experimento validó que la plataforma se puede usar para las aplicaciones que proponemos, con un desempeño que incluso va bastante más allá de las métricas que esos sistemas necesitan", dice Garcia Coleto.

Dónde apuntan estos chips

Esas características vuelven a los chips adecuados para pantallas de realidad aumentada curvas, sobre un parabrisas con información sobreimpresa o sobre el visor de un piloto de avión. En el visor, una pantalla así podría reemplazar los sistemas ópticos voluminosos y pesados que hoy le entregan al piloto información en tiempo real para reaccionar ante condiciones peligrosas.

El procesamiento de las obleas se hizo en NY Creates y el corte de los chips en MIT.nano. La investigación la financiaron en parte la National Science Foundation, la agencia DARPA del Departamento de Defensa de Estados Unidos y una beca MathWorks.