国外微光机电系统研究现状与趋势

摘要:基于半导体微纳米尺度加工技术的微机电系统与微光学技术的结合形成了微光机电系统MOEMS(Micro-Optic-Electro-Mechanical Systems)。MOEMS涉及微机械、微电子、微光学、信息学,是一个新兴的极具发展潜力的多学科交叉研究领域。本文介绍了基于MEMS微细加工工艺的MOEMS技术近年研究和开发取得的一些新进展及国外研究现状,阐述了MOEMS的基本特征,阐述了一些典型的MOEMS系统,并分析了MOEMS技术的未来发展趋势。

关键词:微光机电系统(MOEMS);微机电系统(MEMS);微纳制造

1、引言

微机电系统(MEMS) 是指适于批量制作的,集微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理和控制及通讯接口电路、能源等于一体的能完成特定功能的微系统。MEMS 是多学科交叉的前沿研究领域,它涉及电子工程、机械工程、材料工程、信息工程、物理学、化学、光学以及生物医学等学科与技术。MEMS的发展将极大地促进各类产品的微型化、集成化与便携化、成数量级地提高器件与系统的功能密度、信息密度与互连密度,大幅度地节能、节材。MEMS发展的一个重要趋势是将微机电系统与光学相结合,研制和生产微光机电系统(Micro-opto-electro-mechanical Systems,简称MOEMS;也称Optical MEMS)。MOEMS 是指用于光学领域或采用光学原理进行工作的微机电系统。1997 年11 月第一届MOEMS 国际研讨会在日本召开;在1999 年召开的国际光纤通信大会(OFC’99) 上,MOEMS 被列为一个专题,最近几年的MEMS 国际会议都辟有微机械光学器件专题。美国很多研究机构和公司都在发展这门技术;欧共体制定了有五国二十七个机构参加的三年微光系统计划。目前MOEMS 器件已经出现,并且相当多的MOEMS 研究正在进行。MOEMS 研究作为一个充满生命力的领域正在兴起,其重要性关系到国家的科技、经济和国防的未来发展走向。

本文主要介绍了MOEMS的基本加工工艺以及近几年来的进展情况,阐述了MOEMS的基本特征,阐述了一些典型的MOEMS系统,并对MOEMS的发展趋势进行了展望。

2、MOEMS制造工艺及其特点

MOEMS制造工艺作为MEMS研究中的最热门的技术领域之一,也是基于半导体微细加工技术,通常被称之为微米/纳米加工技术,其含义是指涉及微米、纳米级线度和精度的加工工艺技术,就目前的技术水平一般涉及的是微米和亚微米尺寸(0.1～100μm量级)的加工。硅的加工与形状相比,更要求细微化,而在微光电系统的制造中,将重点放在加工形状、高宽高比、加工侧面的平滑性以及加工的速度上。

从加工的结果进行分类,MOEMS制造工艺[1]可以分为去除加工、附加加工、分离加工、变质加工。去除加工工艺中既有干式的离子蚀刻、粒子束蚀刻、激光加工、电子束照射等又有湿式机械加工、复合加工、蚀刻、印刷铸型;附加加工工艺中真空加工有CVD、溅射、晶体生长、蒸镀方法,其他加工又可分为电镀、墨涂敷、浸渍法、微型喷射、热氧化法等;分离加工工艺主要有劈开、切块、超声波切断等加工方法;变质加工工艺包括注入离子、等离子体照射、电子束照射、离子交换以及热扩散方法。

MOEMS具有以下三个方面的主要特点,使其成为一个重要的技术发展方向:

一、低成本。MOEMS的成本包括芯片本身和装配、封装的成本,MOEMS的加工可以实现大批量生产,而大规模的批量生产将使其降到很低廉的程度。

二、微体积、低功耗、高灵敏度。MOEMS 的体积非常小。MOEMS的尺寸小、响应速度极高,可以阵列化。其规模可以包括1～106个元件[2]。

三、性能集成度高。MOEMS 可以实现精确的驱动和控制,包括光波波幅或波长的调整、瞬态的延迟、衍射、反射、折射及简单的空间自调整,在光运算和高速信号处理充满应用潜力。

3、MOEMS的研究现状以及最新进展

近几年来,MOEMS的进展主要体现在通过微工艺使光学器件小型化。国际上许多大学、研究机构以及公司都开展了MOEMS的研究,其中取得成果最显著的如美国的康奈尔大学、加州大学洛杉矶分校、加利福尼亚大学伯克利分校、MCNC(北卡罗来纳微电子中心)、光学微机械公司(Optical Micro Machines)、硅光机械公司(Silicon Light Machines)、德州仪器公司、通用电气公司、美国Sandia国家实验室、AT&T实验室等;日本的东京大学、NTT光电子实验室、NEC公司;瑞士的欧洲微电子中心、比利时的IMEC以及德国、法国等国家和机构。下面主要介绍反射式MOEMS、透射式MOEMS以及衍射式MOEMS的新的研究现状。

数字微镜阵列芯片(Digital Micro mirror Device TM —DMD)是反射式MOEMS典型的代表。美国TI公司从20世纪80年代初就着手研究用于投影显示装置的数字驱动微镜阵列芯片DMD(Digital Micromirror Device),并以此为核心技术开发了一系列应用这种数字光处理技术(Digital Light Processing Technology) 的投影装置[3]。反射镜以铝铰链为旋转轴旋转10度,可反复使用1兆次(图1)。DMD主要用于显示器[4]和扫描仪,此外,DMD 也可作为光开关阵列用于光交叉互联技术[5]。

微透镜是一种最有代表性的透射式MOEMS器件。松下电器公司2000 年报道了研制的当时世界上最小尺寸的可见光CCD成像器件:像元尺寸为4μm×4μm,与微透镜单片集成,封装后CCD外形尺寸为1.1mm×1.34mm,水平分辨率200TV线,感光灵敏度250mV/lx,与无微透镜的同一CCD相比,灵敏度提高了约1倍[6]。NEC2001年制造了1/3英寸130万像元CCD[1308(H)×1032(V)],单元尺寸3.8μm(H)×3.8μm(V),与微透镜集成在一起,感光灵敏度达140 mV/lx。

光栅光阀(GLV:Grating Light Valve)装置作为一种衍射式MOEMS ,其概念最早由斯坦福大学的David Bloom 教授以及他的学生提出并获得专利[7]。光栅光阀的原理是通过MEMS技术在一个硅片的表面形成极小的像素,每个像素都是由类似于带状的结构组成。这种结构表面可以发生反射,通过控制静电力,能在很小的一个距离内(光波长的1/4)进行上下的移动,再通过控制信号作用进行恰当的分布以后,形成的像素矩阵就在硅片表面形成。GLV不仅可用于投影仪器,还可以作为开关使用。如图3所示的是宽3μm,长100μm,厚125μm的六条带。由静电力将隔1列的可动带向下移动,则反射光强度逐次降低而衍射光增强。当可动带向下移动时,衍射光最强而反射光最弱。它适用于(b)

图3GLV开关原理示意图

4、MOEMS的发展趋势以及展望

MOEMS以其对光束在时间和空间上的精确控制能力以及体积小、可批生产、功耗低和价格合理等优势,将广泛应用于光通信、大规模数据存储、图像显示、军用光电侦察装备、光互连计算、自主式航天交会、激光测距、激光雷达、制导、预警监视系统以及使得使用大型光学孔径的航天器实现小型化等方面。从目前的MOEMS技术的研究状态看,未来一段时间内MOEMS技术的研究发展主要体现在以下三个方面。

一、基础理论探索和与仿真技术研究

机械、电子、光学交叉学科的基础理论研究,主要是微系统机、电、光等的耦合理论探索。目前MOEMS研究主要依赖于实践经验,而缺乏相应的系统理论和研究方法,因此深入研究交叉耦合理论显得非常迫切。

MOEMS的CAD计算机辅助设计工具的研究和对MOEMS的机械、电子、光学各方面的综合仿真软件的开发。CAD仿真工具能够有效减小MOEMS研发过程中的资源浪费,直观显示出复杂的物理作用过程。

二、器件的系统集成与封装研究

器件的系统集成与封装技术是MOEMS产业化的关键,封装费用往往占MEMS器件生产费用的80%以上。由于要与外界进行光信号的交换,MOEMS封装比其它类型MEMS的封装难度更大,费用也更高。

三、新功能的产品在多领域应用开发

实现MOEMS对光谱、偏振和光信息处理的操作和控制而衍生的更多更广的功能性开发。MOEMS技术在微显示器、光开关、可变光衰减器、全光交叉互联、多路复用器、可调激光器和可调滤波器的产品开发方面极具潜力。MOMES技术除了广泛应用于电信领域,还将延伸到信息技术、医疗设备、军工等领域。

MOEMS有其迅速发展壮大的潜力和广阔的应用前景,但也正是由于其自身的一些特点,MOEMS技术的进一步发展也面临着一些困难和挑战,主要面临着微纳工艺和器件封装集成及系统级性能测试方面面临的困难。

综上所述,MOEMS技术的发展只有十多年的历程,但已经凸显出理论生长优势和应用前景,开展这个领域的科学技术研究,既已经加强相关领域的基础课题研究,又能拉动大量的新原理、新功能器件与系统的研制开发,从而有力推进国民经济与国防建设的快速高效发展。

参考文献:

[1] 泽田廉士,羽根一博,日暮荣治.李元燮 译微光机电系统 科学出版社.

[2]E.Towe. Micro-optoelectromechanical Systems (MOEMS) [ EB/ OL]. http :/ / /qkpdf/mosc/mosc201010/mosc20101015-1.pdf" style="color:red" target="_blank">原版全文