Literatuurstudie:
MEMS en nanowires
Optische communicatie KULeuven 2007-2008
Roeven Cuypers Davy Moortgat
Inhoudsopgave 1.
Inleiding................................................................................................................. 2
2.
Productieproces van MEMS en nanowires ........................................................ 3 2.1. Productieproces van MEMS............................................................................ 3 2.1.1. Depositie.................................................................................................. 4 2.1.2. Fotolithografie ........................................................................................ 4 2.1.3. Etsing....................................................................................................... 5 2.2. Productieproces van nanowires....................................................................... 6
3.
Toepassingen ......................................................................................................... 7 3.1. Optische schakelaars ........................................................................................ 7 3.2. Digital Micromirror Device ............................................................................. 9 3.3. De Nederlandse nano-LED ............................................................................ 10
4.
Besluit .................................................................................................................. 11
1
1
Inleiding
Micro-elektromechanische systemen of kortweg MEMS zijn embedded systemen die bestaan uit zeer kleine elektronische, mechanische en soms zelfs chemische componenten. Hun grootte varieert van enkele millimeters tot enkele micrometers. MEMS bevatten meestal elementen van een grootteorde kleiner dan 100 nanometer, die geproduceerd worden via microfabricatie-techonologie [1]. MEMS kan men ondermeer in volgende toepassingen terugvinden: druksensoren, micromotoren, optische schakelaars en inktjet printers. Dankzij MEMS is men er onder andere in geslaagd laboratoria op microschaal te implementeren, de zogenaamde ‘Lab-on-chip’ [2]. De technologie van MEMS kende een enorme evolutie de voorbije jaren, die ook ontegensprekelijke grote ontwikkelingskosten met zich heeft meegebracht. Dit kostelijk onderzoek werd gevoerd omdat men ervan uit ging dat MEMS een zeer grote meerwaarde konden opleveren, meer bepaald om twee belangrijke redenen. Eerst en vooral ontstond de trend om apparaten verder te gaan miniaturiseren. Een gekend voorbeeld hiervan is de gyroscoop. Dankzij MEMS heeft men het oorspronkelijk gewicht van enkele kilo’s en het volume van ongeveer 1000 cm³ kunnen reduceren tot een gewicht van enkele grammen en een volume van nauwelijks 0,5 cm³. Een tweede reden is dat juist omwille van de zeer kleine omvang van MEMS, deze apparaten kunnen werken op plaatsen waar andere apparaten te groot voor zijn. Dit is overduidelijk terug te vinden in biomedische toepassingen.
fig. 1 Detailbeeld van elektrostatische actuator MEMS [4]
Wanneer getracht wordt de elektronica als maar kleiner te maken, heeft men ook nood aan een aangepaste manier om verbindingen tussen de verschillende componenten te realiseren. Nanowires kunnen hier in de toekomst een oplossing
2
bieden. Dit zijn zeer kleine draadjes met een diameter in de grootteorde van enkele nanometer. De lengte kan tot een duizend maal groter worden, vandaar dat men ook spreekt van eendimensionale draden. Omwille van de zeer kleine afmetingen, worden kwantummechanische effecten meer en meer belangrijk. Men merkt bij deze nanowires dan ook een aantal interessante eigenschappen die men niet terugvindt bij gewone draden [3].
fig. 2 Elektronenmicroscoopbeeld van silicium nanowires [5]
In het vervolg van deze tekst wordt voornamelijk de nadruk gelegd op toepassingen van MEMS en nanowires in de wereld van de optische communicatie. De eerstvolgende paragraaf legt zich eerst nog toe op het productieproces van MEMS en nanowires.
2
Productieproces van MEMS en nanowires
MEMS technologie maakt gebruikt van een aantal processen om zeer kleine structuren van grootteorde micrometer te realiseren. Belangrijke onderdelen van deze processen zijn afgeleid van de fabricatie van geïntegreerde schakelingen (IC) omwille van vele overlappingen tussen beiden [6]. Nanowires vindt men niet terug in de natuur en kennen dus hun oorsprong in het labo. We geven in deze paragraaf dan ook een kort overzicht van hoe men deze kan produceren.
2.1
Productieproces van MEMS
Er zijn 3 basisprocessen bij de productie van MEMS: depositie (dunne film van materiaal op het substraat aanbrengen), fotolithografie (patroon aanbrengen op de film) en etsing (overbodig materiaal verwijderen) [1] [10]. De fabricatie van MEMS is meestal een opeenvolgende sequentie van deze 3 basisprocessen.
3
2.1.1 Depositie Via depositie voegt men een dunne film van materiaal toe op het substraat, dit kan gebeuren via een chemische reactie of via een fysische reactie. Bij de eerste soort worden vaste materialen op het substraat aangemaakt via een chemische reactie in gas- of vloeibare samenstellingen. De meest gebruikte chemische technieken zijn: Chemical Vapor Deposition: het substraat wordt in een ruimte geplaatst waar verschillende gassen worden aan toegevoegd. Deze gassen reageren met elkaar en zorgen voor de condensatie van een vast materiaal op het substraat. Thermal oxidation: oxidatie van de oppervlakte van het substraat in een omgeving rijk aan zuurstof. De temperatuur wordt verhoogd tot 800 à 1100° Celsius om het proces te versnellen. Andere (minder gebruikte) chemische technieken zijn electrodeposition en epitaxy. Bij depositie via een fysische reactie wordt het materiaal op het substraat geplaatst, dit gebeurt meestal via één van deze technieken: Casting: het materiaal wordt in vloeibare vorm aangebracht op het substraat (via spraying of spinning) en vervolgens verwarmd tot het solvent verdampt en er een film achterblijft op het substraat. Physical Vapor Deposition: opwarming van het aan te brengen materiaal tot het verdampingspunt (gevolgd door condensatie op het substraat) ofwel opwarming tot een lagere temperatuur waarbij men gebruik maakt van een inert gas om via een gas plasma deeltjes van het materiaal op het substraat over te brengen. Veelgebruikte materialen voor depositie zijn polymeren en metalen zoals goud, nikkel, chroom of zilver.
2.1.2 Fotolithografie Na het aanbrengen van een dunne film van materiaal op het substraat, wordt meestal een patroon uitgetekend en aangebracht op het materiaal via fotolithografie. Het materiaal wordt hiervoor behandeld met een fotogevoelig materiaal en vervolgens blootgesteld aan een stralende bron, meestal licht, volgens een bepaald masker. Het blootgestelde gedeelte zal dan andere eigenschappen vertonen dan de bedekte gebieden en kan vervolgens verwijderd
4
of behandeld worden via bv. etsing. Men spreekt van een positief proces indien het blootgestelde materiaal wordt verwijderd, een negatief proces indien het bedekte gebied wordt verwijderd.
fig. 3 Aanbrengen van een patroon via fotolithografie (negatief of positief proces)
2.1.3 Etsing Via etsing kan men selectief stukken van het substraat of de dunne film van materiaal verwijderen. Men beschikt hiervoor over 2 mogelijkheden: nat etsen of droog etsen. Bij nat etsen wordt het materiaal verwijderd door het onder te dompelen in een chemische oplossing. Bepaalde delen zijn hierbij bedekt door een beschermende laag, zodat deze intact blijven. Men kan kiezen tussen isotroop en anisotroop etsen. Isotroop etsen betekent dat de oplossing van het materiaal in alle richtingen even snel verloopt, men bekomt hierdoor ronde vormen. Anisotroop etsen betekent dan weer dat de snelheid van wegetsen niet dezelfde is in alle richtingen. De grote troeven van nat etsen zijn snelheid en kostprijs.
5
fig. 4 Anisotroop versus isotroop etsen (nat)
Droog etsen kan fysiek, chemisch of via een combinatie van beide gebeuren. In het eerste geval maakt men gebruik van een ionenbombardement om atomen van het substraat weg te slaan. Bij de chemische methode vindt een chemische reactie plaats aan het oppervlak via toegevoegde gassen (plasma etsen). Men kan ook een combinatie van beide methoden gebruiken, bv (D)RIE, (Deep) Reactive Ion Etching. Droog etsen is een pak duurder dan nat etsen en wordt voornamelijk gebruikt om scherpe verticale wanden te etsen. Na het doorlopen van al deze stappen, wordt er voor een goede geleidbaarheid dikwijls nog een goudlaag op het oppervlak gedampt.
2.2
Productieproces van nanowires
Nanowires kunnen op een drietal manieren geproduceerd worden, voornamelijk in laboratoriumomstandigheden [7]. Een eerste methode bestaat uit het verwarmen van het bronmateriaal tot zijn smeltpunt, waarna de tip van een Scanning Tunneling Microscope (STM) het oppervlak raakt en vervolgens het materiaal uitrekt door zich te verplaatsen. Men kan ook nanowires bekomen door stukjes van het bronmateriaal aan te brengen op een dragermateriaal, bv. metaalatomen op een plastic drager. Ook etsen kan een oplossing bieden door te vertrekken van een dikke draad en stuk per stuk weg te etsen tot men een nanowire bekomt. De meest populaire methode is Vapor-Liquid-Solid (VLS) synthese. Hierbij maakt men gebruik van een bronmateriaal zoals silaangas en een katalysator van vloeibaar metaal, meestal goud. Het gas wordt hierbij blootgesteld aan de katalysator tot oververzadiging wordt bereikt, dit maakt het gas hard en de nanowire begint te groeien. Van zodra de gewenste lengte is bereikt, wordt de gastoevoer stopgezet.
6
3
Toepassingen
In deze paragraaf worden een aantal voorbeelden van MEMS en nanowire technologie uit de optische wereld aangehaald. De bedoeling is een korte beschrijving van de gebruikte technieken te geven en zo het belang van MEMS en nanowires in de huidige technologieën te illustreren.
3.1
Optische schakelaars
Een schakelaar is een bouwblok dat gebruikt wordt in de routing van bv. internetcommunicatie. Op een schakelaar komen verschillende signalen langs verschillende kanalen binnen en deze moeten naar de gepaste uitgangen gestuurd worden. Door de sterke groei van de telecomindustrie, kwam er initieel een groeiende vraag naar volledig optische switches. Bij deze wordt het inkomende optische signaal gedurende heel de verwerking in de switch als een optisch signaal behouden. Het grote voordeel hiervan is dat de doorvoersnelheid zeer hoog kan zijn, wat het steeds stijgende tekort aan bandbreedte ten goede komt. Bij een optische schakelaar vallen de verschillende inkomende lichtbundels in op spiegeltjes. Deze weerkaatsen de lichtstralen naar een welbepaalde uitgang. Door de spiegeltjes te schakelen (roteren) worden de inkomende stralen naar een welbepaalde uitgang doorgestuurd. Deze onderdelen worden meestal omgeven door een ‘index-matching’ vloeistof, om verliezen bij het schakelen te beperken.
fig. 5 Schematische voorstelling optische schakelaar
Het grote voordeel is dat de spiegeltjes heel snel geschakeld kunnen worden en dat zodoende een zeer hoog transmissiedebiet gehaald kan worden. Deze optische schakelaars, ook wel optical cross connector (OXC) genoemd, kan men
7
in verschillende groottes terugvinden, gaande van een 2x2 tot 32x32 (32 in- en uitgangen) OXC [8] [9]. Naast de bovengenoemde optische schakelaars, doet ook de 3D MEMS optische schakelaar zijn intrede. Deze is vrij analoog aan de vorige, hier wordt de ingang echter gevormd door een tweedimensionaal rooster van signalen. Deze vallen in op een 2D-rooster van zogenaamde ‘MEMS Mirror Arrays’. Deze array van spiegeltjes kan zo snel en nauwkeurig aangepast worden dat elk ingangssignaal kan doorgestuurd worden naar elke mogelijke uitgang.
fig. 6 Schematische voorstelling van een 3D MEMS optische schakelaar
De techniek valt of staat met de goede werking van de ‘MEMS mirror arrays‘. Wanneer we deze van iets nader bekijken, merken we op de dwarsdoorsnede twee, van elkaar gescheiden, silicon substraten op. Door een spanning aan te leggen tussen de elektrode en het substraat kan een zekere aantrekkingskracht worden aangelegd. In combinatie met een torsieveer die de spiegel in een originele positie tracht te houden, kan een juiste tilthoek bekomen worden. De rotatie van de spiegel gebeurt op die manier zowel rond de X-as als rond de Yas. Dit resulteert in het beoogde resultaat dat een inkomende straal kan gereflecteerd worden in alle mogelijke richtingen.
fig. 7 Dwarsdoorsnede van een spiegelelement van de MEMS Mirror Array
8
fig. 8 Spiegelelement van de MEMS Mirror Array
De relatie tussen de aangelegde spanning en de tilthoeken langs beide assen is hieronder weergegeven:
fig. 9 Relatie tussen aangelegde spanning en tilthoek in X en Y-richting
De snelheid waarmee een spiegel reageert op de aangelegde spanning is essentieel en een belangrijke parameter in de uiteindelijke doorvoersnelheid van de optische schakelaar.
3.2
Digital Micromirror Device
De Digital Micromirror Device technologie (DMD), ontwikkeld door Texas Instruments, kent een grote analogie met optische schakelaars. Ook hier wordt namelijk gebruik gemaakt van minuscule spiegeltjes die een bepaalde tilthoek kunnen aannemen en licht al dan niet weerkaatsen [12].
9
Op een DMD-chip bevinden zich honderdduizenden microscopisch kleine spiegeltjes die elk met een beeldpunt overeen komen. Wanneer men hier achtereenvolgens de 3 basiskleuren (rood, groen en blauw) op laat invallen (via een kleurenwiel of LED) en al dan niet laat reflecteren, kan men op deze manier digitale kleurenbeelden construeren. Deze techniek wordt onder andere gebruikt in DLP (Digital Light Processing) projectoren. Een nadeel van deze techniek is dat een beeld niet als geheel wordt geprojecteerd, maar in opeenvolgende RGB kleuren. Sommige mensen kunnen hiervoor gevoelig zijn en een ‘regenboogeffect’ waarnemen. Men kan dit verhelpen door projectoren uit te rusten met 3 DMD’s met elk een eigen kleurenfilter, wat wel een kostelijke uitvoering met zich meebrengt [13].
fig. 10 Detailbeeld van DMD chip
3.3
De Nederlandse nano-LED
De laatste jaren beginnen nanowires ook meer en meer aan belang te winnen en resulteren ze in praktische toepassingen. Het Kavli Instituut voor Nanowetenschappen in samenwerking met Philips Research is er zo in geslaagd een nanodraadje te ontwikkelen dat de grootte heeft van een kwantum en licht geeft [14]. Dit draadje met 2 uiteinden kan tussen andere elementen geplaatst worden. De LED met een draadje van één kwantum dik maakt het mogelijk het transport van elektronen langs de draad individueel te beheersen. Dit maakt het mogelijk precies te bepalen wanneer en hoe er lichtemissie van één enkele foton plaatsheeft.
10
De toepassing van nanowires in LED’s blijft niet beperkt tot dit ene geval. Ondertussen zijn er al met succes UV-LED’s geproduceerd op basis van gallium nitride (GaN) nanowires [15]. Doordat deze LED’s uit 1 materiaal bestaan, kunnen ze opereren met een lager energieverbruik dan LED’s die bestaan uit verschillende materialen [16].
4
Besluit
De trend tot steeds verdere miniaturisatie heeft er toe geleid dat we vandaag de dag over MEMS technologie en nanowires kunnen beschikken. Beiden hebben ondertussen hun nut al aangetoond en zijn van belangrijke waarde voor de optische sector, maar zeker ook voor de biomedische. Waar MEMS in het begin meer een technologie was om de uitersten van miniaturisatie te testen, blijkt vandaag dat we nog moeilijk zonder kunnen. Verder onderzoek in deze technologieën blijft dan ook interessant.
11
Referenties [1] About MEMS and Nanotechnology. http://www.memsnet.org/mems, 27 dec 2007 [2] Ontwikkeling van Lab-on-a-chip technologie. http://loc-workshop.geo.uu.nl/docs/ontwikkeling_van_lab-on-a-chip.pdf, 2005 [3] Wikipedia: Nanowire. http://en.wikipedia.org/wiki/Nanowires, 27 dec 2007 [4] MEMX: MEMS Products http://www.memx.com/products.htm, 27 dec 2007 [5] Nanomaterials for Biological Research http://www.ag.uidaho.edu/bantech/mcilroy_nanomaterials.html, 27 dec 2007 [6] All About MEMS: What is MEMS? http://www.allaboutmems.com/memstechnology.html, 27 dec 2007 [7] The Tech-FAQ: What is a Nanowire? http://www.tech-faq.com/nanowire.shtml, 28 dec 2007 [8] MEMX: MEMS Optical Cross Connect http://www.memx.com/cross%20connect.htm, 26 dec 2007 [9] Introduction to all optical switching technologies http://www.2cool4u.ch/wdm_dwdm/intro_allopticalswitching/intro_allopticalswitching. htm, 26 dec 2007 [10] A (not so) short Introduction to Micro Electromechanical Systems", F. Chollet, HB. Liu, version 2.1, jul 2007 http://memscyclopedia.org/introMEMS.html, [11] High-yield Fabrication Methods for MEMS Tilt Mirror Array for Optical Switches https://www.ntt-review.jp/archive/ntttechnical.php?contents=ntr200710sp5.html, 26 dec 2007 [12] Digital Light Processing™: A New MEMS-Based Display Technology http://www.dlp.com/downloads/default.aspx?&ref=/downloads/white_papers/117_Digi tal_Light_Processing_MEMS_display_technology.pdf, 29 dec 2007 [13] Wikipedia: Videoprojector http://nl.wikipedia.org/wiki/Videoprojector, 29 dec 2007 [14] De Nederlandse nano-LED http://sync.nl/de-nederlandse-nano-led, 30 dec 2007
12
[15] A Brighter Future From Gallium Nitride Nanowires http://www.stsc.hill.af.mil/Crosstalk/2006/10/0610BertnessSanfordDavydov.pdf, 2006 [16] UV nanowire LED may allow mass production http://www.laserfocusworld.com/display_article/298364/12/ARCHI/none/NBrea/UVnanowire-LED-may-allow-mass-production, 30 dec 2007
13
