Kính AR ống dẫn sóng silicon carbide cấp quang học: Chuẩn bị chất nền bán cách điện có độ tinh khiết cao

Trong bối cảnh cuộc cách mạng AI, kính AR đang dần dần đi vào nhận thức của công chúng. Là một mô hình kết hợp liền mạch giữa thế giới ảo và thực, kính AR khác với các thiết bị VR ở chỗ cho phép người dùng đồng thời cảm nhận cả hình ảnh được chiếu kỹ thuật số và ánh sáng môi trường xung quanh. Để đạt được chức năng kép này - chiếu hình ảnh hiển thị siêu nhỏ vào mắt mà vẫn duy trì khả năng truyền ánh sáng bên ngoài - kính AR dựa trên silicon carbide (SiC) cấp quang học sử dụng kiến trúc ống dẫn sóng (ống dẫn sáng). Thiết kế này tận dụng phản xạ toàn phần để truyền hình ảnh, tương tự như truyền dẫn qua cáp quang, như minh họa trong sơ đồ.

Thông thường, một tấm nền bán cách điện độ tinh khiết cao 6 inch có thể tạo ra 2 cặp kính, trong khi một tấm nền 8 inch có thể chứa 3-4 cặp. Việc sử dụng vật liệu SiC mang lại ba lợi thế quan trọng:

1. Chỉ số khúc xạ đặc biệt (2,7): Cho phép trường nhìn (FOV) toàn màu >80° với một lớp thấu kính duy nhất, loại bỏ hiện tượng cầu vồng thường thấy trong các thiết kế AR thông thường.
2. Ống dẫn sóng ba màu (RGB) tích hợp: Thay thế các lớp ống dẫn sóng nhiều lớp, giúp giảm kích thước và trọng lượng của thiết bị.
3. Độ dẫn nhiệt vượt trội (490 W/m·K): Giảm thiểu sự suy giảm quang học do tích tụ nhiệt.

Những ưu điểm này đã thúc đẩy nhu cầu thị trường mạnh mẽ đối với kính AR nền SiC. SiC quang học được sử dụng thường bao gồm các tinh thể bán cách điện (HPSI) có độ tinh khiết cao, với yêu cầu chế tạo khắt khe góp phần làm tăng chi phí hiện tại. Do đó, việc phát triển các chất nền SiC nền HPSI là vô cùng quan trọng.

1. Tổng hợp bột SiC bán cách điện
Sản xuất quy mô công nghiệp chủ yếu sử dụng tổng hợp tự lan truyền ở nhiệt độ cao (SHS), một quá trình đòi hỏi sự kiểm soát tỉ mỉ:

• Nguyên liệu thô: Bột carbon/silicon tinh khiết 99,999% với kích thước hạt từ 10–100 μm.
• Độ tinh khiết của lò nung: Các thành phần than chì trải qua quá trình tinh chế ở nhiệt độ cao để giảm thiểu sự khuếch tán tạp chất kim loại.
• Kiểm soát bầu không khí: Argon tinh khiết 6N (có bộ lọc tích hợp) ngăn chặn sự kết hợp nitơ; có thể đưa vào khí HCl/H₂ vết để làm bay hơi các hợp chất bo và giảm nitơ, mặc dù nồng độ H₂ cần được tối ưu hóa để ngăn ngừa ăn mòn than chì.
• Tiêu chuẩn thiết bị: Lò tổng hợp phải đạt được độ chân không cơ bản <10⁻⁴ Pa, với các giao thức kiểm tra rò rỉ nghiêm ngặt.

2. Thách thức phát triển tinh thể
Sự phát triển của HPSI SiC có các yêu cầu về độ tinh khiết tương tự:

• Nguyên liệu đầu vào: Bột SiC độ tinh khiết 6N+ với B/Al/N <10¹⁶ cm⁻³, Fe/Ti/O dưới ngưỡng giới hạn và kim loại kiềm tối thiểu (Na/K).
• Hệ thống khí: Hỗn hợp argon/hydro 6N làm tăng điện trở suất.
• Thiết bị: Bơm phân tử đảm bảo độ chân không cực cao (<10⁻⁶ Pa); xử lý sơ bộ trong nồi nung và làm sạch bằng nitơ là rất quan trọng.

Đổi mới xử lý chất nền
So với silicon, chu kỳ tăng trưởng kéo dài của SiC và ứng suất cố hữu (gây nứt/sứt cạnh) đòi hỏi phải xử lý tiên tiến:

• Cắt laser: Tăng năng suất từ 30 tấm wafer (350 μm, cưa dây) lên >50 tấm wafer trên mỗi boule 20 mm, với khả năng làm mỏng 200 μm. Thời gian xử lý giảm từ 10–15 ngày (cưa dây) xuống còn <20 phút/tấm wafer đối với tinh thể 8 inch.

3. Hợp tác trong ngành

Đội ngũ Orion của Meta đã tiên phong trong việc áp dụng ống dẫn sóng SiC cấp quang học, thúc đẩy đầu tư vào R&D. Các mối quan hệ đối tác chính bao gồm:

• TankeBlue & MUDI Micro: Phát triển chung thấu kính ống dẫn sóng nhiễu xạ AR.
• Jingsheng Mech, Longqi Tech, XREAL và Kunyou Optoelectronics: Liên minh chiến lược cho tích hợp chuỗi cung ứng AI/AR.

Dự báo thị trường ước tính đến năm 2027, sẽ có 500.000 đơn vị AR dựa trên SiC được sản xuất hàng năm, tiêu thụ 250.000 tấm nền 6 inch (hoặc 125.000 tấm nền 8 inch). Con số này nhấn mạnh vai trò mang tính đột phá của SiC trong quang học AR thế hệ tiếp theo.

XKH chuyên cung cấp đế SiC bán cách điện 4H (4H-SEMI) chất lượng cao với đường kính tùy chỉnh từ 2 inch đến 8 inch, được thiết kế riêng để đáp ứng các yêu cầu ứng dụng cụ thể trong RF, điện tử công suất và quang học AR/VR. Thế mạnh của chúng tôi bao gồm nguồn cung cấp số lượng lớn đáng tin cậy, tùy chỉnh chính xác (độ dày, hướng, độ hoàn thiện bề mặt) và quy trình gia công hoàn chỉnh tại chỗ từ nuôi cấy tinh thể đến đánh bóng. Ngoài đế 4H-SEMI, chúng tôi còn cung cấp đế 4H-N, 4H/6H-P và 3C-SiC, hỗ trợ các cải tiến đa dạng về bán dẫn và quang điện tử.