تکنولوژی سیلیکون برای سیستمهای میکروالکترومکانیک نوری

تکنولوژی سیلیکون برای سیستمهای میکروالکترومکانیک نوری –  ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

تکنولوژی سیلیکون برای سیستمهای میکروالکترومکانیک نوری

تکنولوژی سیلیکون برای سیستمهای میکرو-الکترومکانیک (MEMS) نوری

سیستمهای میکرو-الکترومکانیک (MEMS)

قطعاتی که بواسطه تکنولوژیهای نوظهور سیستمهای میکرو-الکترومکانیک (MEMS) ساخته شده‌اند، در کاربردهایی که دارای سنسورها و راه‌اندازها یا آکچوایتورهای فزاینده‌ای می‌باشند مورد استفاده قرار گرفته‌اند. رشد سریعی در سیستم‌های نوری در زمینه ارتباطات راه دور فراهم آمده است که بر اساس آن سعی شده است تا به نیازهای فزاینده روزمره در خصوص پهنای باند، شبکه‌های نوری، ظرفیت‌های ترابایت در ارتباطات فیبری و همچنین ملزومات شبکه‌های محلی (LAN) پاسخ داده شود. برخی از کاربردها نیازمند برخورداری از خصیصه‌های دقیق انطباق نوری می‌باشند، در حالی که کاربردهای دیگر شامل حرکت دقیق قطعات نوری کوچک می‌باشند که به منظور تحصیل عملکرد پیشرفته بکار گرفته می‌شوند. در دیدگاه سیستم‌ میکرو الکترومکانیک، اتصالات نوری بسیار دقیق، همراه با خصیصه از دست رفتگی اندک، می‌بایست بین اجزای نور موج هدایت شده بوجود ‌آید، که شامل فیبرها، موج‌بر  و لیزرها می‌باشد.

مکانیزم‌هایی که اجازه می‌دهند تا حرکت و ساختارهای وابسته به آن دارای محرک‌های الکتریکی گردند در سیستم میکرو الکترومکانیک نوری (MOEMS ) ترکیب می گردند. بسیاری از اجزای MOEMS نور را در پرتوهای نوری فضای- آزاد مینیاتوری پردازش نموده و بر این اساس قوانین مقیاس دهی عملکرد آنها معمولا متمایز از سیستم‌های نوری موج هدایت شده می‌باشد. این مقاله سیستم‌های میکرو الکترومکانیک را مورد بررسی قرار داده و بر این اساس بر روی چالش‌های برجسته متخصصین فیزیک و مهندسین تاکید می‌نماید. در این تحقیق، سیلیکون و دیگر مواد و تکنولوژی‌ها که بمنظور ساخت ادوات سیستم‌های میکرو الکترومکانیک مورد استفاده قرار می‌گیرند، با جزئیات مربوط بدانها، بعنوان کاربردهای نمونه در پکیجینگ، نظیر کانکتورهای ثابت و متحرک و روشهای مجتمع هیبرید یا ترکیبی، مورد بررسی قرار گرفته‌اند.

تکنولوژی سیلیکون برای سیستمهای میکروالکترومکانیک نوری

تکنولوژی‌های ساخت برای سیستم‌های میکرو الکترومکانیک

دیاگرام‌های مقاطع عرضی نشان داده شده در شکل ۱ دو فرآیند اصلی بکار رفته در میکرو ماشین‌کاری را نشان می‌دهند. اولین فرآیند محقق شده در این زمینه، میکروماشینکاری حجمی سیلیکون می‌باشد که با استفاده از محلول‌های قلیایی بدست می‌آید که دارای نرخ خوردگی بسیار کمتری (۱۱۱) سطح کریستالوگرافی یا بلورشناسی در Si ، در مقایسه با دیگر سطوح می‌باشند. در این فرآیند، یک ماسک یا پوشش خاصی در ابتدا با قرارگیری بر روی یک لایه سطح مقاوم در برابر خوردگی نظیر SiO₂   یا N₄  Si₃  ته‌نشست شده، همانند آنچه در ردیف ۱ شکل ۱ نشان داده شده است، و بصورت الگویی شکل می‌پذیرد. پس از آن سیلیکون بر روی آن حک می‌گردد. از آنجایی که صفحات (۱۱۱) آرام‌ترین حالت حک شدگی را دارند، شیارهای V-شکلی با استفاده از استاندارد حکاکی (۱۰۰) حاصل می‌گردد. این شیارها را می‌توان برای قرار دادن دقیق فیبرهای نوری، همانگونه که در شکل ۲ نشان داده شده است، بکار گرفت. این خصیصه‌ها می‌توانند تا صدها میکرومتر عمق داشته باشند و بصورت دقیقی با استفاده از سطح اولیه فرآیند لیتوگرافی مشخص ‌شوند. حتی شیارهایی که دارای اشکال لوزی شکلی می‌باشند و بصورت مقطع عرضی قرار گرفته‌اند نیز می‌توانند بوجود می‌آیند، با وجود آنکه محدوده اشکال قابل تحصیل با خصیصه‌های فرآیند حکاکی محدود می‌شود. ساختارهای کپسوله شده بوسیله پیوند انتشار شیشه به ویفرهای حجیم میکرو ماشین بوجود آمده و ساختارهای چندلایه نیز با استفاده از پیوند چندین ویفر سیلیکون ساخته می‌شوند.

…

میکروماشینکاری‌و ریزماشینکاری پلی‌سیلیکون ‌برای‌ سیستم‌های ‌میکروالکترومکانیک میکروماشینکاری سطح پلی‌سیلیکون، موارد متفاوت بین پلی‌سیلیکون ته‌نشست شده و لایه‌های سیلیکات را مورد بررسی قرار داده تا بدین وسیله ‌خصیصه‌های ‌سه‌بعدی مربوطه، همانگونه که درشکل ۱ ردیف ۲ نشان داده شده است، تشکیل گردد. این ‌فرآیند از تکنولو‍‍‍‍‍‍زی مدارات مجتمع‌ سیلیکون متعارف گرفته شده است و‌ بر این اساس ضخامت لایه مکانیکی پلی‌سیلیکون ته نشست یا رسوب بخار شیمیایی (CVD  ) معمولاً   ۲ می‌باشد. لایه وابسته سیلیکهای زیرین پس از آن حکاکی مرطوب شده تا آنکه یک لایه میکرو الکترومکانیک پلی‌سیلیکون مستقل تشکیل شود. لایه پلی‌سیلیکون را می‌توان در محدوده گسترده‌ای از سنسورها و محرکها و یا راه اندازهایی نظیر ادوات کومب (COMB) الکترواستاتیک بکارگرفت. به وسیله کنترل دقیق شرایط پروسه CVD، تنش درپلی‌سیلیکون را می توان بصورت مکرر و متداوم پایین نگه داشت. با این وجود، ضخامت لایه‌های ته نشست شده یا ذخیره شده محدود به چندین ده میکرومتر به واسطه ملاحظات مربوط به قیمت آن بوده و همچنین خصیصه‌های ‌مکانیکی و الکتریکی پلی‌سیلیکون ته نشست شده، که‌ در قسمت‌ تحتانی کریستال واحد Si  قرار می‌گیرد در این روال تاثیر دارد. سیکل ته نشست یا رسوب، الگوگذاری و حکاکی ‌هر یک ‌از مواد را می‌توان به منظور ساخت ‌ساختارهای ‌چند لایه برای ‌دفعات مکرری ‌تکرار نمود و فرمهای این اشکال بر این اساس می‌توانند به صورت اختیاری باشند. کارگاهای ریخته‌گری از فرآیندهای نیمه استاندارد همراه با سطوح چندگانه پلی‌سیلیکون بهره می‌جویند.

…

تکنولوژی سیلیکون برای سیستمهای میکروالکترومکانیک نوری

بسته بندی سیستم‌های میکرو الکترومکانیک در آپتی الکترونیک

(تکنوژی مربوط به مجتمع سازی دانش نور و الکترونیک)

این امر به خوبی شناخته شده است که خصیصه‌های تنظیم غیرفعال برای اتصال فیبرهای نوری با مد واحد را  می‌توان با استفاده از حکاکی بصورت ناهمسانگرد با کریستال واحد Si ، تحصیل نمود. همانگونه که در شکل ۱ نشان داده شده است، حکاکی Si جهت دار (۱۰۰) یک ماسک مناسب را نتیجه داده و منجر می‌شود تا شیارهای V- شکلی بوجود آید که عملکردی همانند اتصال سینیتیک را برای فیبرهای نوری به همراه دارد. به هنگامی که دو فیبر در یک شیار با هم تراز می‌شوند و پس از آن اتصال جفتی می‌یابند، کلیه درجات آزادی به جز حرکت تک محوری تثبیت می‌گردد. بر این اساس روال ساخت ممکن است بصورت اپکسی نمود یابد. بر این اساس، بصورت جایگزین، همانگونه که در شکل ۲ نشان داده شده است، یک فیبر را می‌توان با استفاده از یک پایه Si3N4 انعطاف پذیر در محل خود نگه داشت. پایه‌های سیلیکون کریستال واحد را نیز می‌توان بکار گرفت. اتصالات ثابت برای فیبرهای نوری ریبونی نیازمند اتصال همزمان بسیاری از هسته‌ها می‌باشند که به وسیله‌ی مجموعی از اتصالات حک شده V– شکل در زیر لایه‌های Si تحصیل می‌شود. در قسمت نری اتصال، ۲شیار بزرگ به منظور قرار دادن یک جفت پین فولادی دقیق بکارگرفته شده است، که نهایتاً به شیارهای منطبق با آن در بخش مادگی می‌پیوندند. این اتصال با استفاده از پین‌های تراز کننده عملی شده و بر این اساس گوشه‌های اتصال برروی هم قرار می‌گیرد. شیارهای‌V– شکل را همچنین می‌توان به منظور به وجود آوردن ساب سیستم‌های شناخته شده از اپتو- هیبریدها مورد استفاده قرار داد، نظیر اتصال بین یک فیبر نوری و فتودیود. سیستم‌هایی که دارای تشخیص‌گر می‌باشند، و همچنین از پیوندهای دارای سرعت بالا بهرمند هستند را بعنوان دستگاه‌های فرستنده و گیرنده می‌توان مورد استفاده قرار داد.

…

ادوات سیستم‌های میکروالکترومکانیک

کاربردهای MOEMS در ارتباطات راه دور در حقیقت الهامی می‌باشد از ظهور ابزاری موفق در رشته‌ای‌ متمایز که همانا دستگاه سیستم نمایش پروژکشن میکرومیرور می‌باشد. برروی چیپ نمایشگر این دستگاه آرایه‌ای از بیش از یک میلیون آینه انقباضی یا پیچشی تحریک شده الکترواستاتیک وجود دارند که به سمت جلو و عقب درحرکت بوده و بر این اساس قادرند بصورت هماهنگ درسیستم کار نموده و می‌توانند نسبت به قبول یا رد پیکسل‌های واحد عرضه شده به منظور نمایش آنها اقدام نمایند. مزیت‌های MOEMS عبارتنداز: اندازه‌ کوچک، هزینه پایین و همچنین سادگی که براساس‌ آن سیستم‌های دارای مقیاس بزرگ را می‌توان بصورت یکپارچه درکنار هم قرار داد. در مقایسه با اداوات انترفرونتریک یا تداخل سنج‌های موج‌بر، مزیت‌های این دستگاه هزینه‌ پایین، تداخل صدای پایین، مقیاس‌پذیری و عدم حساسیت در برابر نوسانات یا واریاسیون می‌باشد. این مزیت‌ها بر معایب این دستگاه، مثل سرعت نسبتاً پایین سوییچ مکانیکی یا ساختار تنظیمات، به هنگامی که اقدام به مقایسه می‌نماییم، ارجحیت خواهند داشت. اغلب MOEMS یا بوسیله پلی‌سیلیکون و یا بوسیله سیلیکون کریستال- واحد، با استفاده از سیلیکون پیونده زده شده- بر- ایزولاتور، بوجود می‌آیند، با این حال لازم به ذکر است که با III-V MEOMS هم اکنون در حال توسعه می‌باشد. مزیت‌های سطح پلی‌سیلیکون میکروماشین‌کاری وجود فرآیندهای استاندارد ریخته‌گری و همچنین سادگی می‌باشد که براساس آن ادوات چند لایه پیچیده را می‌توان به وجود آورد. مزیت‌های ‌SOI معمولاً ارتقای وضعیت ضخامت ساختاری (و از این طریق صافی سطوح انتشار) وسختی کم سطح می‌باشد.

در این خصوص می‌توان از سوئیچ‌ها برای انکسار الکترواستاتیک موج‌بر برای اپتیک‌های مجتمع استفاده نمود. سوئیچ‌های موج‌بر متحرک سیلیکا- بر- سیلیکون ۲*۱ همراه با هادی کانال ورودی که بر روی یک پایه ساخته شده و برفراز حفره حکاکی شده بصورت تعلیق وجود دارند نشان داده شده است. با استفاده از الکترودهای سطح، این پایه بصورت الکترواستاتیک از گوشه‌‌ای به گوشه دیگر انکسار یافته تا تمرکز بر روی هریک از موج‌برها‌ی خروجی حاصل آیند. زمان سوئیچینگ برحسب مرتبه میلی ثانیه در مقایسه با نرخ داده نسبتاً طولانی می‌باشد، اما برای پیکربندی مجدد شبکه کافی خواهد بود.

سوئیچ‌های دیگر، براساس دخول آینه‌های کوچک در داخل گره‌های ژئومتری نقطه متقاطع می‌باشند. ادوات متناسب را می‌توان با استفاده از واکنش عمیق یونی سیلیکون حکاکی شده به دست آورد. DRIE بصورت همزمان می‌تواند آینه‌های عمودی،  شیارهای یکنواخت فیبری و یک درایور الکترواستاتیک ساده را بوجود آورده تا آنکه نسبت به داخل نمودن یا خارج نمودن آینه‌ها در نواحی مربوطه جائیکه محور‌های نوری با هم متقاطع می‌شوند، اقدام نماید. یک ساختار معمولی در این خصوص در شکل ۶ نشان داده شده است. زمان‌های سوئیچینگ نیز در مرتبه میلی ثانیه قرار داشته و بر این اساس ایزولاسیون نوری به صورت کامل تحقق می‌یابد.

…

تکنولوژی سیلیکون برای سیستمهای میکروالکترومکانیک نوری

پیش‌بینی‌های آینده

این مطالعه تکنولوژی کنونی را در خصوص سیستم‌های میکروالکترومکانیک بر پایه سیلیکون و برخی از کاربردهای ارتباطات راه دور آینده را مورد بررسی قرار داده است. کلید اصلی در جهت تحصیل موارد توسعه جدید در زمینه سیستم‌های میکروالکترومکانیک نوری در حقیقت کاربرد توام با موفقیت علم فیزیک و توسعه فرآیندهای کم هزینه برای ساخت مولفه‌ها یا اجزای دارای دقت بالا در این زمینه می‌باشد. مواد جدید در صنعت مدارهای مجتمع سیلیکون مورد استفاده قرار می‌گیرند، که در این صنعت سرمایه‌گذاری بزرگ وامتداد یافته‌ای در جریان بوده و بر این اساس می‌توان امید داشت سیستم‌های میکروالکترومکانیک بسیار کوچکتری بواسطه نتایج این تحقیقات و روال‌های توسعه حاصل شوند.

مثال‌هایی در این خصوص عبارتند از: ۱- تکنولوژی SOI همانگونه که در شکل ۳ نشان داده شده است، که در آن آینه‌های دارای تنش اندک و دیگر مولفه‌های سیستم‌های میکروالکترومکانیک با استفاده از خصیصه‌های مکانیکی قابل تولید مجدد بوجود آمده و بر این اساس می‌توان کنترل مطلوب و قابل توجهی را به دست آورد و ۲- Si₃N₄ تنش پایین که دارای مادوله‌های یانگ سطح بالا می‌باشد و جزء کاربردهای نوید دهنده در امر پکیجینگ همانگونه که در شکل ۲ مشاهده می‌شود، می‌باشد. محصول سیستم‌های میکروالکترومکانیک جاری که شامل بزرگترین تعداد اجزای میکرومکانیکی است نمایشگر پروژکشن میکرو آینه می‌باشد.

به هنگامی که تکنیک‌های لیتوگرافی مدار مجتمع و تکنیک‌های حکاکی یون واکنشی ارتقا یافته و دقت بیشتری را تحصیل می‌کنند، نیاز به داشتن دقت بالا برای سیستم‌های میکروالکترومکانیک نوری را می‌توان از طریق روال‌های ساخت کارخانه‌ای دنبال نمود. در این خصوص، انگیزه بالایی وجود دارد تا تکنولوژی زیر لایه‌ای سیلیکون برای پکیجینگ سیستم‌های میکروالکترومکانیک حفظ گردیده و بعنوان محوری برای فعالیت‌های سرمایه گذاری آینده مدنظر باشد، اما در محدوده الگوهای جاری تمرکز زیادی برای فیزیک کاربردی در زمینه اختراع ساختارهای ابزار و توسعه فرآیندهای مواد وجود دارد.

تکنولوژی سیلیکون برای سیستمهای میکروالکترومکانیک نوری