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Atualização: Dom, 12 de Abril de 2009 às 13h50 | Por: Alessandro Ricardo de Oliveira | RSS
Portas Opto-Eletro-mecânicas atuadas termicamente

Existe uma contínua necessidade de melhoria da velocidade de processamento dos componentes eletrônicos que, até agora, tem sido alcançado pela constante redução da largura do canal e espessura do dielétrico de transistores CMOS. Além disso, o aumento da densidade de empacotamento em circuitos integrados ajudou a reduzir a área do substrato, reduzindo custo do dispositivo, mas aumentando o calor dissipado por área do dispositivo. Mais melhorias na performance dos componentes eletrônicos são baseadas na contínua redução da largura do canal e espessura do óxido e aumento da densidade de empacotamento. No entanto, em algum momento, estas melhorias esbarrarão em limites físicos, como por exemplo a redução da espessura do dielétrico resultará no aumento da corrente de fuga do transistor devido a tunelamento de elétrons pelo óxido. Por isso, outras alternativas são necessárias para melhorias mais significativas.

Uma solução em curto prazo que tem sido muito estudada é a utilização de dielétricos com alta constante dielétrica como isolantes de porta, como os oxinitretos (SiOxNy) e conjuntos de óxidos e nitretos que reduzem a corrente de fuga, penetração de boro e melhoram a confiabilidade dos dispositivos. Neste contexto, em trabalhos anteriores temos desenvolvido filmes de SiOxNy depositados por PECVD a baixas temperaturas (320oC), com intenção de melhorar a qualidade da interface SiOxNy/Si. Outros materiais também têm sido pesquisados para maiores reduções da espessura efetiva do dielétrico, mostrando a possibilidade de soluções em longo prazo.

A óptica integrada e os dispositivos ópticos fabricados com tecnologia do silício são soluções de ainda mais longo prazo que permitirão velocidades mais rápidas de processamento, devido à maior largura de banda em que os sinais ópticos podem ser transferidos e processados. Além disso, dispositivos baseados em óptica possuem baixa sensibilidade a interferências eletromagnéticas e possibilitam, idealmente, maior densidade de empacotamento, devido à menor dissipação de calor. Ainda, o desenvolvimento de dispositivos eletro-ópticos usando óptica integrada segue um caminho natural, pois a maioria da informação transmitida atualmente é feita por fibras ópticas que são um meio barato, rápido e efetivo de transferir informação óptica a longas distâncias. Geralmente o sinal óptico transmitido é processado eletronicamente, limitando as velocidades de processamento. Isto significa que o sinal óptico é convertido para sinal elétrico para ser processado e convertido novamente para óptico para ser transmitido pelas fibras ópticas. Com o desenvolvimento da óptica integrada é esperado que os sinais ópticos sejam processados diretamente, sem a necessidade de conversões, evitando as limitações encontradas com a atual tecnologia de circuitos integrados. Assim, será possível implementar funções de processamento de sinais como divisão de potência, switching, multiplexing e demultiplexing dos sinais ópticos.

Na eletrônica digital, os sinais elétricos são processados combinando portas lógicas feitas de transistores CMOS para obter a operação lógica desejada. Em óptica, muitas portas lógicas foram desenvolvidas usando amplificadores ópticos semicondutores (SOA), SOA/interferômetro Mach-Zehnder, sistemas digitais ópticos no espaço livre, sistemas de shadow casting e válvulas de cristal líquido. Outras portas lógicas e switches ópticos também foram feitos utilizam MEMS, mas a maioria foi fabricada utilizando a óptica no espaço livre. Neste período decidimos desenvolver, fabricar e caracterizar fabricação portas lógicas AND, OR e XOR integradas que utilizam a combinação de óptica e dispositivos micro-eletromecânicos. Estas estruturas são formadas por guias de onda de oxinitreto de silício que conduzem feixes de luz de 633 nm e cantilevers atuados termo-eletricamente que funcionam como chaves liga-desliga.

As portas lógicas ópticas deste trabalho são fabricadas em substratos de silício cristalino (100) de 2,5 cm x 2,5 cm com guias de onda de filmes finos de oxinitreto de silício (SiOxNy) com índices de refração de 1.51 para a cobertura e 1.91 para o núcleo. Esses materiais são depositados por PECVD a 320°C de acordo com os parâmetros da Tabela 1.

 

– Parâmetros de deposição de filmes finos por PECVD.

Material

Índice de Refração

(+/- 0,01)

Gases

Fluxo (sccm)

Cobertura

1,61

Silana, SiH4

30

Óxido Nitroso, N2O

45

Nitrogênio, N2

30

Núcleo

1,91

Silana, SiH4

30

Nitrogênio, N2

75

 

Primeiramente, SiOxNy (4 mm) é depositado sobre o substrato de silício (Figura 1b) como a cobertura inferior (índice de refração de 1.61, Tabela 1). Então, um filme fino de cromo (0,4 mm) é depositado por sputtering e fotogravado por litografia convencional (Figura 1c), formando os elementos resistivos integrados que serão utilizados para atuar as chaves ópticas.  O núcleo é depositado posteriormente com espessura de 2 mm (Figura 1d). Depois disto, o núcleo é fotogravado e corroído por RIE (Reactive Ion Etching) em um plasma de 30 sccm de SF6, 50 sccm de O2 e 100 W de potência RF (Figura 1e). Outro filme de SiOxNy é depositado como cobertura superior com os mesmos parâmetros que a cobertura inferior e espessura de 5 mm (Figura 1f, Tabela 1). Na próxima etapa, regiões de todos os filmes de SiOxNy são removidas por RIE para expor o substrato de silício e abrir os contatos de cromo para permitir a polarização da estrutura (Figura 1g). Finalmente, as regiões expostas do substrato são sujeitas a corrosão em KOH (28% a 80°C) por aproximadamente 2 horas para formar os cantilevers e V-groove (aberturas no substrato que serão usadas para inserir luz nos guias de onda) (Figura 1h).

 

amostra
 

Na Figura 1 são mostradas várias portas lógicas ópticas fabricadas pelo processo descrito acima. Nesta figura, podem-se ver chaves ópticas, portas AND e portas OR/XOR com saídas simples e duplas. Também podem ser vistos V-grooves nas laterais do substrato. Estes serão utilizados para inserir de luz pela direita, utilizando fibras ópticas comerciais e coletar luz pela esquerda (também com fibras ópticas), conduzindo-a a um sistema (Newport – modelo 8200) para medir a intensidade luminosa.  A entrada (tensão elétrica) é aplicada aos contatos de polarização visíveis na parte superior, à direita da Figura 1. Os contatos são conectados aos resistores integrados através de trilhas de cromo, com resistência elétrica reduzida. Os resistores são colocados na região auto-sustentada do guia de onda (cantilever), resultando na movimentação desta estrutura quando polarizada.

 


Uma vista mais próxima das chaves ópticas pode ser vista na Figura 2a. Nesta figura podem-se ver, em detalhe, dois elementos resistivos sustentados por duas partes do guia de onda que são transparentes e formam uma porta OR. O calor gerado pela passagem de corrente elétrica nos resistores é maior na ponta dos cantilevers, uma vez que o substrato atua como dissipador de calor. Assim, é esperado que a amplitude do movimento do cantilever seja maior em sua ponta.

 Para possibilitar o movimento do cantilever e alinhar o guia de onda, carbeto de silício amorfo hidrogenado (a-SiC:H – 3690H) foi depositado por PECVD usando silana, metano e hidrogênio 3,6, 32,4 e 200 sccm, respectivamente (100 w). Este material foi depositado depois da cobertura superior de oxinitreto de silício e antes da fotogravação de todas as camadas para expor o substrato para corrosão em KOH. Os cantilevers da Figura 2b possuem esta camada de a-SiC:H. O cantilever 1 está envergado para baixo, dentro da cavidade, devido à elevada tensão mecânica residual deste filme (~1,7 GPa, compressivo), como visto anteriormente. Este cantilever, quando polarizado com aproximadamente 30 mA, mostrou perceptível movimento, porém não suficiente para alinhar os guias de onda. Assim, correntes mais altas foram aplicadas, aquecendo consideravelmente a estrutura que chegou a ficar incandescente. Com isso, as propriedades mecânicas do filme de a-SiC:H mudaram e foi possível alinhar os guias que se mantiveram alinhados sem polarização. O cantilever 2, na Figura 2b, foi alinhado pelo processo descrito acima.

 

Tags: MEMS
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