Микрозеркала в кремниевом кристалле

 

Характерной чертой мирового развития последнего десятилетия в области технологии микросистемной техники (МСТ) является интеграция электроники, механики и оптики. К основным потребителям изделий микрооптоэлектромеханических систем (МОЭМС) относятся изготовители различных модуляторов оптического излучения и каналов оптоволоконной связи с коммутаторами на микрозеркалах.

Поворачивающееся микрозеркало в кремниевом кристалле на основе микроэлектронного производства трехмерных МОЭМС. Анализ конструкции позволит определить базовый состав компонентов, из которых формируется большинство этих приборов. Базовый перечень компонентов, из которых, как из кирпичиков, изготовляют МОЭМС.

Узел микрозеркала состоит из следующих основных компонентов:

· микропетли – конструкционного элемента, с помощью которого соединяются конструкции прибора, лежащие в плоскости или на пластине             (рис. 16.4.4);

· актюатора, осуществляющего отрыв подвижной части конструкции от плоскости кремниевой пластины (рис. 16.4.5);

· микропривода, служащего для перемещения подвижной части конструкции в необходимое положение (рис. 16.4.6);

· электрода управления (рис. 16.4.7), с помощью которого осуществляется управление микрозеркалом (рис. 16.4.8, а) в волоконно - оптическом микропереключателе;

· микрозеркал, предназначенных для использования в микросканерах и дисплеях (рис. 16.4.8, б и в).

 

Рис. 16.4.4. Микропетли.

 

                

Рис. 16.4.5. Актюатор.                      Рис. 16.4.6. Микропривод.

 

Рис. 16.4.7. Электрод управления.

 

Рис. 16.4.8. Микрозеркала.

 

 

Тестовые кристаллы базового модуля волоконно-оптического микропереключателя (рис. 16.4.9) и микросканера с различной формой зеркала         (рис. 16.4.10). Квадратная конструкция зеркала необходима для разработки методики и расчета прочностных характеристик конструкции микрозеркала.

Рис. 16.4.9. Тестовый кристалл      Рис. 16.4.10. Тестовый кристалл

оптического модуля.                          микросканера.

 

Базовый технологический маршрут изготовления МОЭМС по технологии поверхностной микромеханики заключается в формировании рабочих (Si_х и металлические Al, Ni и Аu) и жертвенных (SiO₂, ФСС) слоев, которые в процессе изготовления прибора в необходимой части вытравливаются. При отработке технологии поверхностной микромеханики в условиях микроэлекгронного производства были решены следующие проблемы:

· сведены к минимуму механические напряжения в рабочих и жертвенных слоях;

· отработана технология формирования и вытравливания жертвенных слоев;

· оптимизированы условия сушки формируемых структур в процессе изготовления изделий МСТ;

· определены требования к технологическим слоям.

Микрозеркало находится в раме, которая с помощью защелки крепится к пластине. При подаче напряжения микрозеркало отклоняется, осуществляя коммутацию информационных каналов. Зеркало поднято с помощью микроприводов на высоту 70 мкм над подложкой, а под зеркалом расположены четыре электрода. Подавая напряжение на электрод, можно управлять зеркалом. Собственные частоты микрозеркала составляют 2 кГц и угол отклонения зеркала – 5° при рабочем напряжении 10 В.

На основе двух вариантов микрозеркал (см. рис. 16.4.8, б, в), которые работают по трем координатам, можно изготовить различные варианты средств отображения и модуляции по различным законам оптической информации. Изготовленные микрозеркала имеют размеры 385 × 385 мкм и 30 × 50 мкм в кремниевом кристалле площадью 4 × 4 мм и коэффициент отражения 30 – 35% для поликремния и 60 – 65% для никеля.

За рубежом в лаборатории «Сандия» (США) разработан оптический переключатель-мультиплексор на основе МОЭМС с набором из 250 микрозеркал по технологии Summeit-Vsurface MEMS. В настоящее время готовятся к массовому производству переключатели, которые состоят из 1000 микрозеркал.