Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 23 – vyšlo 9. června, ročník 1 (2003) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

23/2003

Křemíkové technologie pro optické systémy MEMS

Marek Jasanský

Rychlý vývoj v optických systémech (větší rozsah použitelných frekvencí, terabitová rychlost přenosu dat na jednom vlákně) si žádá dokonalejší senzory a ovladače optických systémů. Tyto senzory a ovladače, případně i napojení optických vláken na jiné vlnovody nebo na laserové paprsky souhrnně nazýváme mikro-elektro-mechanickými systémy (MEMS). Abychom byli přesní, název MEMS se využívá i mimo optoelektroniku; čistě optoelektronické systémy nazýváme MOEMS (mikro-opto-elektro-mechanické systémy). V dalším textu se budeme zabývat materiály a technologiemi využívanými při výrobě MEMS.

Výrobní technologie MEMS

První běžně používaný způsob je objemové mikrozpracování (viz obr. 1 - první řádka). Při něm je nejprve křemíková destička ovzorkována vrstvou materiálu, který odolává leptání. Používá se buď SiO₂ , který se na povrchu vytvoří sám reakcí křemíku s kyslíkem, nebo nanesený Si₃N₄. Leptáním se potom v křemíku vytvoří rýhy tvaru písmene V. Tyto V-rýhy mohou být osazeny optickými vlákny, jak je vidět na obr. 2. Zapouzdřené struktury jsou vyrobeny tavným spojením skla s objemově zpracovanou destičkou, mnohovrstevné struktury jsou vystavěny spojováním více křemíkových destiček dohromady.

Obr. 1: Schematické znázornění výroby MEMS objemovým a povrchovým
mikrozpracováním [1]

Druhý způsob, polykřemíkové povrchové mikrozpracování, využívá odlišnosti mezi vrstvou polykřemíku a vrstvou SiO₂ k vytvoření třírozměrné struktury, jak je vidět na druhé řádce obr. 1. Tento způsob vznikl upravením technologie výroby běžných integrovaných obvodů a technologie napařování polykřemíkových vrstev (standardně umožňuje nanést vrstvu o tloušťce 2 μm). Tloušťka nanesené vrstvy může být maximálně několik desítek mikrometrů, a to kvůli elektrickým a mechanickým vlastnostem polykřemíku, které jsou horší než vlastnosti křemíku monokrystalického. Nicméně opakovaným nanesením, ovzorkováním a naleptáním mohou být vytvořeny mnohovrstvé struktury v podstatě jakékohokoliv tvaru.

Obr. 2: Upevnění optického vlákna ve V-rýze pomocí pružné svorky [1]

Alternativní povrchové mikrozpracování se nazývá perspektivní technologie, která je stále ještě ve vývoji. Pokud vytvářená struktura musí být tlustší více, než dovolují vlastnosti polykřemíku, využije se litografické nanesení vrstvy fotorezistu (plastu měnícího se působením elektromagnetického záření) a následného elektrolytického pokovování k vytvoření mechanických částí, jak je znázorněno na prvním řádku obr. 3. Ozáření hotové součástky rentgenem umožní odejmutí fotorezistu.

Nedávno objevený způsob výroby pružných monokrystalických struktur využívá vázaný silicon-on-insulator (SOI, česky křemík na izolátoru), což je materiál vznikající jako vedlejší produkt při výrobě moderních integrovaných obvodů. Jak je vidět na druhé řádce obr. 3, výchozím materiálem je křemíková destička s vrstvou oxidu křemíku. Tato destička je vybroušena na požadovanou tloušťku, obvykle v rozsahu (5÷200) mm. Nanesená vrstva je pak opracována vysoce reaktivním iontovým leptáním (deep reactive ion etching, DRIE). Tímto způsobem se vyrábí většina pohyblivých součástí, například mikromechanické klapky pro optické vypínače.

Obr. 3:  V současnosti vyvíjené technologie výroby MEMS [1]

Všechny z výše uvedených způsobů jsou kvazi tříjrozměrné. Plně třírozměrné struktury (tzv. 3D MEMS) jsou vyrobeny z polykřemíku a SOI rotací částí vyrobených povrchovým mikrozpracováním, jak je vidět na třetím řádku obr. 3. Jednotlivé části jsou drženy miniaturními závěsy.

Spojování pomocí MEMS v optoelektronice

Požadavky na spojení jsou v podstatě dva: buď potřebujeme dvě součástky spojit pevně, nerozebíratelně, nebo rozebíratelně pomocí konektorů. Nerozebíratelné spojení vytváříme například slepením nebo pomocí pružných nosníku z Si₃N₄ (viz obr. 2).

Specielně pro výrobu konektorů byla vyvinuta technologie silica-on-silicon. Typická součástka vyrobená touto metodou je složena z monokrystalu křemíku s vyleptanými rýhami pro optická vlákna, silné vrstvy SiO₂ izolující elektrické řídící impulsy probíhající ve vrstvě křemíku a vodivých kanálů z dotovaného křemíku. Zařízení vyrobená touto technologií jsou levná a mohou mít velký počet portů. Proto jsou takto vyrobené součástky nejběžnější a můžeme se s nimi setkat v každém běžném optickém propojení (například optické připojení internetu na vysokoškolských kolejích).

V současné době se vyvíjí mnoho dalších spojovacích technik. Zde však zmíníme již jen jednu. Jak je vidět na obr. 4, na hrany rýhy v substrátu se připevní pružný pásek. Síla pružnosti působí z obou stran na vloženou součástku a fixuje jí v určité poloze. Přesnost, s jakou může být optická součástka takto zafixována, je dána technologií leptání, neboť leptáním se připojuje pásek k rýze.

Obr. 4:  Upevnění součástky v rýze pomocí pružných pásků [1]

Optické součástky z MEMS

Výhodami MOEMS jsou nízká cena, malé rozměry a jednoduchost, s kterou mohou být integrovány i složitější systémy. Oproti interferometrickým vlnovodům mají MOEMS menší ztráty, větší odolnost proti rušení a větší rozlišitelnost signálu. Tyto výhody převažují nad nevýhodami (relativně nízká rychlost mechanického přepínání, pomalé vylaďování). Velké zastoupení mají MOEMS na poli optických přepínačů.

Obr. 5: Mikrozrcadlo [1]

Přepínače mohou být založeny na elektrostatickém vychylování. Nosník, ke kterému je přichycen vstupní kanál, je volně pohyblivý uvnitř vyleptané rýhy. Na stranách rýhy jsou povrchové elektrody, které vychylují nosník z jedné strany na druhou podle toho, s jakým výstupním kanálem má být spojen kanál vstupní. Přepínací doba v řádu milisekund je příliš dlouhá pro porovnávání dat, nicméně je dostatečná pro nastavování parametrů optických sítí.

Jiné přepínače jsou založeny na vložení malých zrcadel do uzlů obyčejné křížové matice. Vhodná zařízení mohou být vyrobena metodou DRIE. DRIE můžeme současně vytvořit svislá zrcadla, V-rýhy a jednoduchý elektrostatický pohon pro vložení nebo vyjmutí zrcadla do místa, kde se protínají optické osy. Typická takto vytvořená struktura je vidět na obr. 6. Přepínací časy jsou také v řádu milisekund. Optická izolace je velmi dobrá. Tato zařízení však mohou být použita pouze ve velmi malých přepínacích polích.

Obr. 6: Lineární posuvný zrcadlový přepínač vyrobený DRIE [1]

Ke konstrukci větších zařízení jsou používány dynamicky spojené 3D MOEMS. Přepínače tohoto typu jsou již dnes komerčně dostupné a navzdory mechanické složitosti jsou spolehlivé.

Jiná zařízení využívají minizrcadla jako optický tlumič. Malé zrcadlo je vloženo do cesty části optického svazku a odrazí tuto část do pohlcovače záření.

 

Tento přehled zdaleka není úplný.  Neustále se pracuje na vývoji jiných technologií výroby MEMS, umožňujících překonat současná omezení. Vývoj v tomto odvětví jde dopředu tak rychle, že za rok mohou být MEMS vyráběny úplně jinak.

Odkazy