УДК 681.586.621.3.049.77
МИКРОТЕХНОЛОГИИ:
ОТ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ К МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКЕ
E.H. Пятышев, М.С. Лурье, Ю.Д. Акулынин, А.И. Скалой
Рассматриваются фазы развития микротехнологий. На ряде примеров анализируется современное состояние микросистемной техники, формулируются ее ближайшие задачи и перспективы и описываются главные черты необходимой для ее развития инфраструктуры.
ВВЕДЕНИЕ
Глобальное развитие микроэлектроники в решающей степени определило сегодняшний технический облик цивилизации.
Две новые, бурно развивающиеся области определяют и будут определять в ближайшие десятилетия прогресс человеческого сообщества. Первая — информационные технологии — обеспечивает связи внутри человеческого сообщества. Вторая — технологии микросистем — обеспечивает работу и связи информационных систем с внешним материальным миром. В хронологическом плане технологии микросистем можно рассматривать как новые этапы в развитии обобщенного направления микротехнологий. Первый этап развития технологии микросистем породил микроэлектронику, новые этапы характеризуются появлением микроэлектромеханических систем и более широкой области — микросистемной техники (МСТ) (рис. 1 см. на 3-ей стр. обложки). Ведущие индустриальные страны еще в 1994—1996 гг. объявили технологии микросистем областью приоритетных стратегических разработок.
Анализ работ в области МСТ показывает, что в настоящее время обозначились основные направления, которые можно определить как разработки: сенсоров и исполнительных устройств; устройств преобразования энергии; микроробото-технических систем; аналитических и технологических микросистем.
Ниже приведены краткий обзор и анализ современного состояния работ по развитию новых технологий, определены некоторые основные проблемы, возникающие на этом пути и без решения которых невозможно достичь желаемых результатов.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАСЛЕДИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Типовые технологии микроэлектроники строятся на последовательном чередовании структурных и топологических операций: нанесения на поверхность кремниевой пластины сплошных слоев диэлектрика, металла, введения легирующих примесей и т. п.; формирования из созданного в ре-
зультате структурных операций слоя дискретных фрагментов заданных формы и расположения.
Эти операции включают в себя создание рисунка методами литографии и перенесение его на слой методами травления. Существенно, что все операции выполняются одновременно над большим количеством элементов и заготовок микросхем: в одном чипе (микросхеме) может содержаться свыше миллиона элементов (транзисторов), на одной кремниевой пластине — несколько десятков или сотен чипов, а в технологических установках могут обрабатываться одновременно до нескольких сотен пластин. При этом итоговая производительность одной технологической линии может достигать нескольких миллионов изделий в неделю, обеспечивая весьма низкую стоимость одиночного изделия, несмотря на огромные вложения в технологию и разработку. В этом суть групповых интегральных технологий.
Для изготовления сенсорных и исполнительных устройств целесообразно применение модифицированных технологических приемов микроэлектроники с сохранением ее двух кардинальных особенностей: микроразмеры элементов устройств и, одновременно, макроколичества обрабатываемых изделий. Первая особенность позволяет изготовлять прецизионные уникальные изделия, размеры и взаимное расположение элементов которых воспроизводятся с микронными и субмикронными точностями. Вторая — групповые методы обработки — делают эти устройства дешевыми и доступными для массовых применений. Таким образом микроэлектронику можно рассматривать как "родоначальницу" МСТ.
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И МИКРОЭЛЕКТРОННАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
Информационно-управляющая система состоит из объекта управления, сенсорной подсистемы, подсистемы анализа информации и принятия решений и исполнительной (воздействующей) подсистемы. Сегодняшний уровень прогресса определяют не просто машина или механизм, а машина с системой
58
Sensors & Systems • № 6.2001
автоматического или, хотя бы, автоматизированного (с частичным участием человека) управления.
Микроэлектронная революция второй половины двадцатого века затронула, в основном, только центральное звено — подсистему анализа информации и принятия решений. Остальные подсистемы развивались своими эволюционными путями, обусловленными спецификой разнообразных объектов управления. Коренное отличие подсистемы анализа информации и принятия решений заключается в унификации аппаратурных решений и их инвариантности к техническим областям применения. Независимо от структуры объекта и особенностей задач управления современные системы строятся на базе ограниченного числа типов микропроцессоров. Измерительная (сенсорная) и исполнительная подсистемы сегодня строятся огромным разнообразием способов в каждой технической отрасли, для каждого объекта и задачи управления. Это относительное отставание в подходах к их созданию во многом объясняет то, что данные подсистемы сегодня являются слабейшими звеньями систем управления.
Для качественного прогресса в этой области необходимо изыскать единообразные способы изготовления разнообразных компонентов сенсорных и исполнительных подсистем ограниченным набором технологических приемов.
Технология микросистем, выросшая на основе микроэлектронных технологий, решает эту задачу и может обеспечить массовый выпуск самых различных механических, электромеханических, оптических, химических и других компонентов для сенсорных и исполнительных подсистем, органично сопрягающихся с микроэлектронной подсистемой в единую микросистему автоматического управления.
Задача микротехнологий в этом плане заключается в разработке таких конструкторско-техно-логических подходов и наборов операций, которые позволили бы все многообразие технических решений сенсоров и исполнительных элементов (ИЭ) в различных отраслях техники унифицировать по технологии, сохраняя такие важнейшие характеристики микроэлектронной технологии, как микроразмеры элементов и массовость промышленного выпуска изделий.
МИКРОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА (примеры разработок)
Микросенсоры и микро-ИЭ. В 1970-х годах начались исследования по использованию технологических приемов и методов микроэлектроники для создания интегрированных микроустройств, содержащих в одном чипе как электронные компоненты, так и компоненты, выполняющие механические функции. В таких устройствах входными или выходными величинами являются не только электрические сигналы (ток и напряжение), но
Рис. 2. Датчик давления тензометрического типа
и механические — давление, сила, перемещение, скорость, ускорение. Унификация по способу изготовления совершенно различных по назначению сенсоров и ИЭ, качественное (на порядки величин) уменьшения массо-габаритных показателей и энергопотребления, создание небывалых по надежности механических систем, многофункциональность — вот далеко неполный перечень достигнутого на сегодня.
Ниже приведены примеры некоторых зарубежных и отечественных разработок (см. также работы [1, 2]).
Датчики давления— первое микромеханическое изделие, выполненное методами микроэлектронной технологии (1968 г.). Только в США на рынке представлено около 14 тыс. различных конструкций датчиков давления, реализующих восемь основных методов преобразования (пьезоэлектрический, те изометрический, емкостной и др.). Пример конструкции датчика давления приведен на рис. 2 [3].
Основными потребителями датчиков давления (свыше 500 млн. шт./г., из них в 1996 г. до 80 % — микромеханические) являются автомобильная и авиакосмическая промышленность, энергетика, химия, медицина.
Микромеханические датчики давления имеют высокие метрологические характеристики, малые габариты и продолжают активно совершенствоваться.
Микромеханические акселерометры — второе по успешности внедрения микромеханическое устройство. Они разрабатываются рядом фирм, среди которых, в первую очередь, отметим Draper Laboratory, Analog Devices, Honeywell, Kearfott и др. [4]. Массовое применение — в автомобильных системах безопасности. Планируемое потребление в 2000 г. — 35 млн. шт.
Микромеханические гироскопы разрабатываются рядом ведущих зарубежных фирм, таких как Draper Laboratory, Honeywell, Litton, Bosch, Mitsubishi, Murata, Gyrostar и др. [5]. Отказ от клас-
Дэтчики и Системы • № 6.2001
59
Стеклянное
Полость
Мембрана
основание
(анизотропное
трипленне)
Кремниеиый чип
Iензорезисторы
(моиокристалл)
Рис. 3. Схема микровиброгироскопа и фрагмент кремниевой структуры
сических схем гироскопов с вращающимся ротором не только устраняет наименее надежные узлы прибора, но и существенно упрощает его конструкцию, делая ее совместимой с технологической базой микроэлектроники.
В России работы по созданию микромеханических датчиков угловых скоростей ведет ряд научных центров. В ЦНИИ машиностроения разработан комбинированный микромеханический гироскоп-акселерометр, чувствительный элемент которого представляет собой инерционную массу в двухосном упругом подвесе. Государственный университет аэрокосмического приборостроения, НИИ командных приборов и Центр микротехнологии и диагностики СПбГЭТУ разрабатывают двухкомпонентный микрогироскоп на основе технологии карбида кремния [6]. Аналогичные работы с использованием классической кремниевой технологии ведут АООТ "Гирооптика" и СПбГТУ [7]. На рис. 3 приведена схема гироскопа и РЭМ-фотография его кремниевой структуры. Габариты структуры ЗГ4 мм; размеры его "деталей" лежат в микронном диапазоне. Выполнено несколько технологических вариантов структуры, изготовлены экспериментальные образцы.
Области применения микрогироскопов — аэрокосмические, судовые и автомобильные системы управления и навигации, высокоточное оружие, медицина, спорт, устройства ввода в ЭВМ, интеллектуальные игрушки.
Множество информации о разработках микрогироскопов можно найти в Internet [8] и в журнале [1]. Примеры некоторых разработок авторов настоящей статьи можно найти по адресу: www.mems.ru.
Микро- и наноинструмент. Примером наиболее совершенн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.