ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ МЭМС-КОММУТАТОР Российский патент 2025 года по МПК H01H59/00 

Изобретение относится к области механики, микросистемной техники и наномеханики, в частности к элементам установок рентгеновской литографии, используемых в процессе изготовления изделий микроэлектроники, а именно, в качестве программно-управляемого коммутатора рентгеновского излучения как составной элемент транспарентной маски в установках безмасочной рентгеновской литографии.

Известно микросистемное устройство управления поверхностью для крепления малогабаритной антенны [1]. Исполнительным механизмом в составе данного устройства являются подвижные термомеханические микроактюаторы, выполненные в виде сформированных в меза-структуре упруго-шарнирных консольных балок, расположенных изначально под определенным углом к поверхности для крепления антенны. Недостатком известного устройства является низкое быстродействие, так как угол отклонения микроактюаторов задается подачей управляющего воздействия на нагреватель соответствующего микроактюатора. Термоинерционность нагревателей не позволяет изменять угол отклонения микроактюаторов с большой скоростью, то есть с большой частотой изменения управляемого параметра.

Известно устройство для манипулирования микро- и нанообъектами [2]. Устройство обеспечивает поступательное микроперемещение консоли в заданной плоскости за счет наличия микромеханического актюатора с системой подогрева, захват и удержание микро- и нанообъектов. Недостатком известного устройства является низкое быстродействие, так как перемещение консоли обеспечивается за счет термонагрева (термоинерционный процесс), а также малый диапазон программируемых перемещений захвата.

Известно устройство управления апертурой наблюдения в системах астрономического наблюдения за счет линейного перемещения МЭМС-затвора [3,4]. Работа устройства обеспечивается за счет механической деформации (прогиба) МЭМС-консоли под воздействием электростатического напряжения, прикладываемого к МЭМС-консоли, которая в этом случае служит электродом. Один конец консоли изолированно закреплен на неподвижном основании, второй конец консоли соединен с перемещаемым затвором, который так же изолирован от неподвижного основания. Стрела прогиба МЭМС-консоли определяет расстояние линейного перемещения затвора, что в свою очередь изменяет апертуру наблюдения небесной сферы в астрономической системе.

Недостатком данного устройства является ограничение по быстродействию, так как имеющееся трение скольжения затвора по неподвижному основанию ограничивает скорость его перемещения. А также то, что при необходимости увеличения диапазона перестраиваемых апертур наблюдения необходимо увеличивать длину консоли, стрелу ее прогиба, а также уровень управляющего электростатического напряжения. Это, соответственно, ведет к увеличению массогабаритных размеров устройства и системы в целом.

Известно устройство электростатического микроактюатора [5]. Электростатический микроактюатор состоит из МЭМС-консоли, один конец которой, выполненный в виде П-образного профиля, изолированно закреплен на неподвижном основании, а второй конец на высоте П-образного профиля расположен параллельно неподвижному основанию. Подача электростатического напряжения на МЭМС-консоль приводит к прогибу МЭМС-консоли, свободный конец которой изменяет апертурное сечение. Недостатком устройства является то, что для увеличения апертурного сечения необходимо увеличивать стрелу прогиба МЭМС и увеличивать расстояние между МЭМС-консолью и неподвижным основанием. Это ведет к увеличения длины МЭМС-консоли, увеличению значений управляющего электростатического напряжения и увеличению массогабаритных размеров устройства в целом.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому устройству является переключатель и коммутатор [6]. Переключатель и коммутатор состоит из полупроводниковой подложки с нанесенным на нее диэлектриком, подвижной электропроводящей мембраны, роль коммутатора выполняет подвижная мембрана. При подаче управляющего напряжения на подвижную мембрану она перемещается к полупроводниковой подложке осуществляя коммутацию.

Недостатком известного устройства является то, что в его составе имеются несколько электромагнитных или постоянных магнитов, что значительно увеличивает массогабаритные размеры устройства в целом. В качестве коммутационных узлов используются комплементарные МДП-вентили, которые не устойчивы при работе в условиях рентгеновского облучения.

Задачей изобретения является увеличение диапазона изменения площади канала коммутации рентгеновского излучения без увеличения массогабаритных характеристик устройства и повышение надежности работы устройства в условиях рентгеновского излучения.

Это осуществляется за счет того, что электростатический МЭМС-коммутатор, содержащий полупроводниковую подложку с нанесенным на нее диэлектриком, средство переключения в виде подвижного электрода, отличающийся тем, что подвижным электродом является МЭМС-консоль, один конец которой зафиксирован на диэлектрике, а свободный конец, расположенный над опорой, сформированной из диэлектрика, перекрывает канал рентгеновского излучения, выполненный в виде сквозного отверстия в полупроводниковой подложке и диэлектрике, причем месторасположение опоры выбрано таким образом, что канал рентгеновского излучения находится с одной стороны от нее, а середина МЭМС-консоли, которая соответствует точке центра масс МЭМС-консоли при равномерном ее сечении по всей длине - с другой стороны.

В отличие от прототипа, изменяя управляющее напряжение, подаваемое на подвижный электрод, можно изменить угол наклона свободного конца МЭМС-консоли относительно плоскости полупроводниковой подложки, что, в свою очередь, позволяет полностью или частично открыть канал рентгеновского излучения, и тем самым изменить площадь канала рентгеновского излучения. Таким образом достигается задача изобретения, а именно, увеличение диапазона изменения площади канала коммутации рентгеновского излучения без увеличения массогабаритных характеристик устройства. В целях исправного функционирования МЭМС-консоли на месторасположение опоры накладывается следующее условие: канал рентгеновского излучения и точка, соответствующая центру масс МЭМС-консоли, находятся по разные стороны от опоры. Кроме того, высота опоры и ее расположение от места крепления МЭМС-консоли выбираются с учетом общей длины консоли, материала, из которого она изготовлена (материал выбирается в зависимости от коэффициента поглощения излучения в спектральном диапазоне длин волн, используемом в процессе рентгеновской литографии) и площади сквозного отверстия в полупроводниковой подложке и диэлектрике. Задача изобретения, заключающаяся в повышении надежности работы устройства в условиях рентгеновского излучения, достигается тем, что в составе устройства отсутствуют элементы, работоспособность которых зависит от воздействия на них рентгеновского излучения.

Заявленный электростатический МЭМС-коммутатор поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 изображен в разрезе электростатический МЭМС-коммутатор в состоянии, соответствующем закрытому состоянию канала рентгеновского излучения;

на фиг. 2 изображен в разрезе электростатический МЭМС-коммутатор в состоянии, соответствующем открытому состоянию канала рентгеновского излучения;

на фиг. 3 (а) представлена зависимость смещения проекции свободного конца МЭМС-консоли по оси ОХ от управляющего напряжения при различной высоте опоры h;

на фиг. 3 (б) представлена зависимость угла наклона а от управляющего напряжения при различной высоте опоры h.

На фиг. 1 и фиг. 2 приняты следующие обозначения элементов:

1 полупроводниковая подложка;

2 МЭМС-консоль;

3 опора;

4 канал рентгеновского излучения;

5 диэлектрик.

На фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 приняты следующие обозначения типоразмеров:

h - высота опоры;

L - расстояние от опоры до места крепления МЭМС-консоли;

L₁ - длина МЭМС-консоли;

S - площадь канала рентгеновского излучения;

α - угол наклона свободного конца МЭМС-консоли относительно плоскости полупроводниковой подложки;

- смещение проекции свободного конца подвижного электрода по оси ОХ

Электростатический МЭМС-коммутатор работает следующим образом. При подаче управляющего напряжения на подвижный электрод, в качестве которого служит МЭМС-консоль 2, под воздействием электрического поля между заземленной полупроводниковой подложкой 1 и МЭМС-консолью 2 происходит притягивание МЭМС-консоли 2 ко дну полости динамического перемещения МЭМС-консоли 2, образованной самой МЭМС-консолью 2, опорой 3 и диэлектриком 5, нанесенным на полупроводниковую подложку 1. Толщина МЭМС-консоли 2 и полупроводниковой подложки 1 должна быть достаточной, чтобы обеспечить оптическую непрозрачность в спектральном диапазоне длин волн, используемом в процессе рентгеновской литографии. Наличие диэлектрика 5 исключает стекание заряда с МЭМС-консоли 2 на полупроводниковую подложку 1 в случае касания МЭМС-консоли 2 дна полости ее динамического перемещения. Подача управляющего напряжения на МЭМС-консоль 2 вызывает перемещение ее свободного конца в направлении противоположном полупроводниковой подложке 1. При этом свободный конец МЭМС-консоли 2 опирается на опору 3 и коммутирует канал рентгеновского излучения 4. Происходит открывание канала рентгеновского излучения 4. На фиг. 2 показан электростатический МЭМС-коммутатор в положении, когда канал рентгеновского излучения 4 открыт.При снятии управляющего напряжения МЭМС-консоль 2 возвращается в исходное положение и канал рентгеновского излучения 4 закрывается.

Пример работы. Осуществлен расчет с использованием моделирования электромеханических свойств электростатического МЭМС-коммутатора с целью получения зависимости смещения проекции свободного конца подвижного электрода по оси ОХ (фиг. 3а) и угла α наклона (фиг. 3б) от значений управляющего напряжения V_c. Были определены следующие геометрические параметры электростатического МЭМС-коммутатора: длина МЭМС-консоли 2 L₁=24.5 мкм, расстояние от места крепления МЭМС-консоли 2 до опоры 3 L=20.5 мкм, высота h=500÷900 нм опоры 3, материал МЭМС-консоли 2 Al. В случае, когда высота h=700 нм опоры 3 и подачи управляющего напряжения 0<V_c<30 В на МЭМС-консоль 2 смещения проекции свободного конца подвижного электрода по оси ОХ не происходит (фиг. 3а) вследствие чего канал рентгеновского излучения 4 закрыт.Дальнейшее увеличение управляющего напряжения V_c>30 В приводит к смещению проекции свободного конца подвижного электрода по оси ОХ и открытию канала рентгеновского излучения 4 вплоть до величины =400 нм. Таким образом, при размере отверстия в полупроводниковой подложке и диэлектрике 400x400 нм диапазон изменения площади канала коммутации рентгеновского излучения составляет S=0÷0,16 мкм².

Предложенный электростатический МЭМС-коммутатор в отличие от прототипа позволяет осуществлять регулировку площади сечения канала рентгеновского излучения за счет подачи на него требуемого управляющего напряжения без увеличения массогабаритных характеристик устройства в целом. Кроме того, надежность устройства повышается за счет отсутствия в нем элементов, работоспособность которых зависит от влияния рентгеновского излучения.

Источники информации

1. Патент на изобретение РФ №2456720.

2. Патент на изобретение РФ №2713527.

3. Akiyama, Т.; Shono, K. Controlled Stepwise Motion in Poly silicon Microstructures. J. Microelectromech. Syst. 1993, 2.

4. Li, L.; Brown, J.G.; Uttamchandani, D. Study of scratch drive actuator force characteristics. J. Micromech. Microeng. 2002, 12.

5. Патент на изобретение US №2009/0102006.

6. Патент на изобретение РФ №2532684 – прототип.

Изобретение относится к элементам установок рентгеновской литографии, в частности выполняет функцию программно-управляемого коммутатора рентгеновского излучения как составной элемент транспарентной маски в установках безмасочной рентгеновской литографии. Технический результат заключается в увеличении диапазона изменения площади коммутируемого канала рентгеновского излучения без увеличения массогабаритных характеристик устройства и повышении надежности работы устройства в условиях рентгеновского излучения. Предлагается электростатический МЭМС-коммутатор, содержащий полупроводниковую подложку с нанесенным на нее диэлектриком и средство переключения в виде подвижного электрода. Причем подвижным электродом является МЭМС-консоль, один конец которой зафиксирован на диэлектрике, а свободный конец, расположенный над опорой, сформированной из диэлектрика, перекрывает канал рентгеновского излучения, выполненный в виде сквозного отверстия в полупроводниковой подложке и диэлектрике, причем месторасположение опоры выбрано таким образом, что канал рентгеновского излучения находится с одной стороны от нее, а середина МЭМС-консоли, которая соответствует точке центра масс МЭМС-консоли при равномерном ее сечении по всей длине, - с другой стороны. 3 ил.

Электростатический МЭМС-коммутатор, содержащий полупроводниковую подложку с нанесенным на нее диэлектриком, средство переключения в виде подвижного электрода, отличающийся тем, что подвижным электродом является МЭМС-консоль, один конец которой зафиксирован на диэлектрике, а свободный конец, расположенный над опорой, сформированной из диэлектрика, перекрывает канал рентгеновского излучения, выполненный в виде сквозного отверстия в полупроводниковой подложке и диэлектрике, причем месторасположение опоры выбрано таким образом, что канал рентгеновского излучения находится с одной стороны от нее, а середина МЭМС-консоли, которая соответствует точке центра масс МЭМС-консоли при равномерном ее сечении по всей длине, - с другой стороны.